ỨNG DỤNG ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP

ỨNG DỤNG ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC THỰC PHẨM

Đề tài:

ỨNG DỤNG ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP INDUSTRIAL ENZYME APPLICATIONS

Ole Kirk*, Torben Vedel Borchert and Claus Crone Fuglsang

GVHD: Phan Minh Anh Thư

TP.HCM - 20/04/2013 MỤC LỤC

ỨNG DỤNG ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP

Khả năng xúc tác của enzyme đã được đưa ra để ứng dụng vào các quá trình và sản phẩm công nghiệp Sự phát triển gần đây của công nghệ sinh học, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật protein và tiến hóa định hướng đã cung cấp những công cụ quan trọng cho sự phát triển mạnh của việc ứng dụng enzyme: cải thiện các thuộc tính của enzyme trong những ứng dụng kỹ thuật đã được thiết lập, đồng thời sản xuất enzyme mới ứng dụng vào những lĩnh vực mới trước đây chưa từng sử dụng enzyme

1 Giới thiệu chung

Nền công nghiệp enzyme được biết đến ngày nay là kết quả của sự phát triển nhanh qua 4 thập kỷ qua nhờ vào sự phát triển của công nghệ sinh học hiện đại Enzyme được tìm thấy trong tự nhiên như trong dạ dày bê, trái đu đủ hoặc được tạo ra từ vi sinh vật trong quá trình chuyển hóa của chúng đã được

Sự phát triển của enzyme hiện nay

Tạo sự đa dạng sinh học

Chọn lọc sơ cấp

Chọn lọc thứ cấp

Tạo hệ thống biểu hiện thuộc tính

Sự đa dạng tự nhiên

Sự phát triển của enzyme truyền thống

Cải tiến mô hình phân tử

Đột biến tự nhiên

Lên men

Thiết lập quy trình Tinh chế

Thiết lập quy trình

sử dụng từ thời cổ đại trong quá trình sản xuất các sản phẩm thực phẩm như phô mai, bánh mì, bia, rượu, giấm và trong các mặt hàng như da, thuốc nhuộm, vải Tuy nhiên, ở giai đoạn này enzyme chưa được sử dụng ở dạng tinh khiết

chất lượng tốt Trong những thập kỷ gần đây, với sự tiến bộ của công nghệ lên

men enzyme đã được sản xuất dưới dạng tinh khiết, chất lượng tốt thậm chí với quy mô lớn dựa trên cơ sở chọn lọc Kể từ đó, enzyme đã được ứng dụng rộng rãi trong những quá trình, sản phẩm công nghiệp thực sự, ví dụ như trong lĩnh vực công nghiệp chất tẩy rửa, dệt và tinh bột Việc ứng dụng công nghệ tái tổ hợp gen đã cải thiện quá trình sản xuất, thương mại hóa các sản phẩm enzyme

mà trước đây chưa từng có Hơn thế nữa, sự phát triển gần đây của công nghệ sinh học hiện đại, kỹ thuật protein cũng như tiến hóa định hướng đã góp phần

vào sự phát triển của enzyme công nghiệp (Theo Hình 1) Những cải tiến này đã

tạo ra những enzyme thích hợp thể hiện nhiều hoạt tính mới, trong những điều kiện mới Vì vậy mà enzyme ngày càng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp

Hình 1 Những bước tiến trong sự phát triển của enzyme

Bảng 1 Enzyme sử dụng trong những mảng công nghiệp khác nhau

Ngành công

nghiệp Lớp enzyme Chức năng

Chất tẩy rửa

(bột giặt và

nước rửa chén)

Protease Amylase Lipase Cellulase Mannanase

Loại bỏ chất bẩn protein Loại bỏ chất bẩn tinh bột Loại bỏ chất bẩn dầu mỡ Làm sạch, loại màu và chống kết bám (vải cotton)

Loại bỏ chất bẩn manan

Tinh bột và

nhiên liệu

Amylase Amyloglucosidase Pullulanase

Glucose isomerase Cyclodextrin-glycosyltransferase Xylanase

Protease

Hóa lỏng và đường hóa tinh bột Đường hóa

Đường hóa Sản xuất fructose Sản xuất cyclodextrin

Giảm độ nhớt (nhiên liệu và tinh bột) Tạo nguồn dinh dưỡng cho nấm men (trong sản xuất nhiên liệu)

Thực phẩm

(bao gồm các

sản phẩm sữa)

Protease

Lipase Lactase Pectin methyl esterase Pectinase Transglutaminase

Đông tụ sữa, sản xuất sữa cho trẻ em (giảm dị ứng), tạo mùi hương

Tạo mùi cho phô mai Loại bỏ đường lactose trong sữa Tạo độ chắc cho các sản phẩm từ trái cây

Sản xuất các sản phẩm từ trái cây Thay đổi độ dẻo, độ nhớt

Bánh nướng

Amylase Xylanase Lipase Phospholipase Glucose oxidase Lipogenase Protease Transglutaminase

Điều chỉnh độ mềm, xốp của bột bánh mì Điều chỉnh bột nhào

Điều chỉnh và ổn định bột nhào (chất tạo nhũ) Điều chỉnh và ổn định bột nhào (chất tạo nhũ) Tăng lực của gluten bột nhào

Tăng lực của bột nhào, làm trắng Sản xuất bánh bích quy

Tăng lực bột nhào laminate (bột nhào dạng cán thành lớp mỏng)

Thức ăn cho

vật nuôi

Phytase Xylanase

β - Glucanase

Tiêu hóa phytate, chống thiếu phospho Tiêu hóa thức ăn

Tiêu hóa thức ăn

Nước giải khát

Pectinase Amylase

β - Glucanase Acetylacetate decarboxylase Laccase

Ngâm, pectin hóa

Xử lý nước trái cây, bia năng lượng thấp Ngâm

Làm chín bia

Lọc nước trái cây, tạo mùi cho bia, xử lý nút chai

Dệt

Cellulase Amylase Pectate lyase Catalase Laccase Peroxidase

Hoàn thiện vải denim, làm mềm vải cotton Làm giảm kích thước sợi

Tẩy vải Làm trắng Làm trắng Loại bỏ thuốc nhuộm

Bột giấy và giấy

Lipase Protease Amlylase

Xylanase Cellulase

Điều chỉnh sự nhiễm bẩn, nhựa Loại bỏ lớp màng sinh học Phủ tinh bột, tăng khả năng loại mực, tăng tính

ưa nước của sợi Tẩy trắng giấy Tăng khả năng loại mực, tăng tính ưa nước của sợi, thay đổi cấu trúc sợi

Chất béo, dầu

thực vật

Lipase Phospholipase Ester hóa chất béo dạng transGiảm độ nhớt, sản xuất lyso-lecithin

Tổng hợp chất

hữu cơ

Lipase Acylase Nitrilase

Hòa tan các alcohol và amide bất đối xứng Tổng hợp penicillin có nguồn gốc từ thiên nhiên

Tổng hợp acid carboxylic Thuộc da Protease

Lipase

Xử lý da Tẩy da Sản phẩm

chăm sóc cá

nhân

Amyloglucoxidase Glucose oxidase Peroxidase

Chống vi sinh vật, kết hợp cùng glucose oxidase

Làm trắng, chống vi sinh vật Chống vi sinh vật

Như Bảng 1 trên thể hiện đa dạng hóa sự ứng dụng của enzyme cả về số

lượng lẫn mức độ phức tạp Ứng dụng chính của enzyme trong lĩnh vực công nghiệp vẫn là thủy phân, phân giải những hợp chất trong tự nhiên Protease ở vị trí đứng đầu, vì được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp chất tẩy rửa và công nghiệp sữa Đứng thứ hai là các carbohydrase, chủ yếu là amylase và cellulase,

sử dụng trong công nghiệp tinh bột, dệt, chất tẩy rửa, bánh

Như minh họa ở hình 2,

công nghiệp kỹ thuật, chủ yếu là

chất tẩy rửa, tinh bột, dệt, cồn

nhiên liệu, đạt mức tiêu thụ lớn

nhất của enzyme công nghiệp

Nhìn chung, giá trị ước tính của

toàn thế giới sử dụng enzyme

công nghiệp có sự tăng trưởng

từ 1 tỷ đô la năm 1995 lên đến 1,5

tỷ đô la vào năm 2000 Theo sự

tăng trưởng này, cần có sự thay

đổi cần thiết trong một số nghành

công nghiệp kỹ thuật chính, đầu

tiên phải nói đến là công nghiệp

chất tẩy rửa Sự tăng trưởng mạnh nhất trong những thập kỷ vừa qua được biết đến là công nghiệp bánh và thức ăn vật nuôi Tuy nhiên sự tăng trưởng này cũng bao gồm cả trong tổng hợp chất hữu cơ, bột giấy và giấy, sản phẩm chăm sóc cá nhân Bài tổng quan này đề cập đến công nghệ enzyme mới và ứng dụng của enzyme trong các lĩnh vực khác nhau gần đây

2 Những công nghệ mới cho nghiên cứu enzyme

Vi sinh vật tự nhiên là nguồn cung cấp nhiều enzyme khác nhau Sự phát triển trong tin sinh học và chuỗi dữ liệu sẵn có đã tăng đáng kể hiệu quả của việc phân lập những gen đặc biệt từ tự nhiên Kỹ thuật protein thích hợp và khả năng đưa ra những protein mới với một vài thay đổi nhỏ dựa trên nền tảng cấu trúc, liên quan đến tính chất lý sinh và hóa sinh, đã đưa ra những công cụ mới trong tối ưu hóa enzyme trong những thập niên tám mươi Tiến hóa định hướng là công cụ gần đây nhất được sử dụng cho việc cải tiến enzyme Bằng cách gây ra một hay nhiều đột biến gen ngẫu nhiên, người ta tạo ra những ngân hàng biến

Hình 2 Thị trường enzyme công nghiệp theo

lĩnh vực Trong năm 2000, thị trường enzyme đạt 1,5 tỷ đô la Lĩnh vực công nghiệp kỹ thuật bao gồm chất tẩy rửa, tinh bột, dệt, cồn nhiên liệu, da thuộc, giấy và bột giấy

dị; từ đó tiến hành sàng lọc, chọn lọc chủng enzyme phù hợp Những biến dị sau khi được phân lập, cải tiến theo một chu trình sàng lọc, sẽ được sử dụng như nguyên liệu thứ cấp trong những chu trình tái tổ hợp hay thế hệ đa dạng mới Gần đây, nhiều nổ lực trong việc đưa ra những thông số quan trọng trong tiến hóa định hướng đã nổi lên và gặt hái được những thành công nhất định; chẳng hạn như việc kết hợp kỹ thuật tái tổ hợp với tiến hóa định hướng Công nghệ mới được dự đoán là sẽ thay thế công nghệ hiện tại, tuy nhiên chúng tôi hy vọng rằng thời gian sẽ trả lời việc kết hợp tiến hóa định hướng, thiết kế enzyme và sự

đa dạng của tự nhiên như thế nào để tạo ra những phân tử enzyme mới với những đặc tính mong muốn và hiệu quả sử dụng cao

3 Ứng dụng của enzyme

3.1 Ứng dụng trong công nghiệp chất tẩy rửa

Enzyme được sử dụng như một chất bổ sung vào chất tẩy rửa, mảng ứng dụng lớn nhất của enzyme công nghiệp, cả về số lượng cũng như chất lượng Thành phần chính là protease, tuy nhiên cũng có thể bổ sung một số chất thủy phân khác tùy vào chất bẩn cần được loại bỏ

Những kỹ thuật tiên tiến để tạo ra những enzyme tẩy rửa mới dựa trên nền tảng enzyme tẩy rửa truyền thống như protease và amylase đã và đang phát triển Những enzyme thế hệ thứ hai, thứ ba đã được tối ưu hóa, đáp ứng yêu cầu của chất tẩy rửa Đặc biệt, ngoài sự tương thích của enzyme với các thành phần của chất tẩy rửa, các enzyme cũng có khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn đã được đề cập trong những nghiên cứu báo cáo gần đây Để tiết kiệm điện năng, nhiệt độ sử dụng trong máy giặt, máy rửa chén đã được cắt giảm trong những năm gần đây Như vậy, enzyme có thể giúp cho vấn đề dọn dẹp, loại bỏ chất bẩn được thực hiện hiệu quả hơn

Ví dụ gần đây của enzyme tẩy rửa thế thệ thứ hai bao gồm sự phát triển của amylase hiện đại, có thể tăng khả năng hoạt động được ở điều kiện nhiệt độ thấp, pH kiềm Những enzyme này được phát triển bằng việc kết hợp chọn lọc vi

sinh vật và kỹ thuật protein thích hợp Protease có khả năng hoạt động ở nhiệt

độ thấp được tách từ tự nhiên, nhưng được cải tiến ở phòng thí nghiệm bằng phương pháp cải tiến định hướng Hơn thế nữa, từ nguyên liệu ban đầuenzyme

26 subtislisin(serine endopeptidase) của Ness và cộng sự đã thay đổi cấu trúc vòng DNA để tạo những enzyme mới với sự cải thiện hoạt tính đáng kể.Việc cải tiến dựa trên những đặc tính tẩy rửa của protease (ví dụ như tăng hoạt tính xúc tác mạnh hơn, ổn định ở pH kiềm)

Những sản phẩm mới gần đây đã đưa thêm nhóm enzyme mới mannanase

- kết quả nghiên cứu phát triển của Proter và Gramble và hãng Novozymes Những enzyme này dùng để loại bỏ chất guar gum (phụ gia thường dùng để ổn định và tạo độ đặc cho sản phẩm thực phẩm)

3.2 Ứng dụng trong chuyển hóa tinh bột

Chuyển tinh bột thành dịch high fructose corn syrup (dịch đường fructose nồng độ cao) với sự tác dụng của enzyme đã được nghiên cứu hoàn chỉnh, là một ví dụ điển hình của quá trình sinh học, sử dụng một chuỗi enzyme liên tiếp nhau Enzyme ứng dụng trong công nghiệp tinh bột là một đề tài được nghiên cứu, phát triển liên tục

Bước đầu tiên trong quá trình là chuyển tinh bột thành oligomaltodextrins bằng enzyme α- Amylase Quá trình này đòi hỏi phải được thực hiện trong giới hạn khả năng chịu nhiệt của enzyme Sử dụng α- Amylase truyền thống, pH phải điều chỉnh ở mức độ vừa phải, đồng thời canxi phải được thêm vào để ổn định hoạt tính của enzyme Dòng α- Amylase mới phát triển gần đây với những tính chất ưu việt hơn như khả năng ổn định nhiệt, chịu acid, đặc biệt là có khả năng xúc tác mà không cần bổ sung canxi đã nâng cao lợi nhuận của ngành công nghiệp tinh bột một cách rõ rệt Những nổ lực nghiên cứu kỹ thuật cải thiện hoạt tính của những enzyme sử dụng sau quá trình thủy phân tinh bột thành oligomaltodextrins cũng đang được phát triển như glucoamylase, glucose isomerase

3.3 Ứng dụng trong sản xuất cồn nhiên liệu

Trong công nghiệp sản xuất cồn, sử dụng enzyme cho sản xuất đường được phân giải từ tinh bột đã được nghiên cứu hoàn chỉnh Trải qua nhiều thập

kỷ, nhu cầu cồn nhiên liệu tăng lên là hệ quả của việc ý thức của nhân loại về môi trường tăng lên, cũng như giá dầu leo cao; vì vậy để giải quyết những vấn

đề thực tiễn trên, người ta đã giới hạn lượng phụ gia nhất định trong dầu mỏ_ methyl tert-butyl ether (MTBE) bằng cách thay thế nó bằng cồn Do đó, những nghiên cứu hiện tại được thực hiện đề phát triển những enzyme cải tiến, giá rẻ,

có thể tận dụng nguồn cơ chất là lignocellulose để sản xuất cồn sinh học nhiều

ưu thế hơn khi so sánh với nhiên liệu xăng dầu khai thác từ mỏ Giá của enzyme cần để chuyển lignocellulose thành vật liệu thô thích hợp cho việc lên men tạo cồn là vấn đề trọng tâm, công việc nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào việc tăng khả năng xúc tác và tính ổn định để sản xuất cồn có hiệu quả Những chương trình quốc gia lớn của phòng năng lượng Mỹ đưa ra để hỗ trợ, khuyến khích hướng nghiên cứu này nhằm góp phần giảm ô nhiễm môi trường, hướng đến nghị định thư Kyoto

3.4 Ứng dụng trong công nghiệp dệt

Trong công nghiệp dệt, hoạt động xúc tác của enzyme mới được đưa vào ứng dụng gần đây Nền công nghiệp này chịu một sức ép lớn về vấn đề môi trường bởi vì nó tiêu tốn nhiều năng lượng, nước và ô nhiễm môi trường Một trong những khâu tiêu tốn nhiều năng lượng, nước trong sản xuất vải cotton là khâu tẩy vải để loại bỏ nhiều hợp chất khác nhau trên thành tế bào trong sợi cellulose Khâu này thông thường được thực hiện ở nhiệt độ cao, điều kiện kiềm mạnh, tuy nhiên nếu được thực hiện bằng enzyme sẽ tiến hành ở nhiệt độ thấp, tiêu tốn ít nước hơn nhờ hoạt động của pectate lyase Do tính thân thiện với môi trường, kỹ thuật mới này đã được chính phủ Mỹ trao tặng giải thưởng tài năng hóa học xanh năm 2001 Tiếp nối thành công của việc ứng dụng enzyme trong

α - Amylase PectinasePeroxidase (loại bỏ thuốc nhuộm dư thừa)Acid cellulose (làm bóng vải sinh học)

Làm giảm kích thước sợi Tẩy vải Làm trắng Nhuộm vải Hoàn thiện

Vải thô Catalase (làm trắng vải)

Làm giảm kích thước sợi

Vải hoàn thiện

Rửa vải với đá

Vải blue jeans hoàn thiện Làm trắng

Laccase/mediator Cellulase trung tính

α - Amylase PectinasePeroxidase (loại bỏ thuốc nhuộm dư thừa)Acid cellulose (làm bóng vải sinh học)

Làm giảm kích thước sợi Tẩy vải Làm trắng Nhuộm vải Hoàn thiện

Vải thô Catalase (làm trắng vải)

Làm giảm kích thước sợi

Vải hoàn thiện

Rửa vải với đá

Vải blue jeans hoàn thiện Làm trắng

Laccase/mediator Cellulase trung tính

tẩy vải, ngày nay enzyme đã được sử dụng trong hầu hết các công đoạn chính

của quá trình sản xuất vải cotton (Hình 3.)

Hình 3.Những enzyme sử dụng trong quá trình sản xuất vải Denim

Như vậy sử dụng enzyme mang lại lợi ích cả trong công nghiệp dệt cũng như

vấn đề môi trường

3.5 Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất thức ăn cho vật nuôi

Ứng dụng enzyme trong lĩnh vực này cũng được triển khai thành công Ví

dụ, trong suốt các thập kỷ vừa qua, xylanase và β – glucanase có trong ngũ cốc

được dùng làm thức ăn cho động vật dạ dày đơn, ngược lại đối với động vật

nhai lại có khả năng phân giải tốt và sử dụng nguồn thức ăn từ thực vật chứa

nhiều cellulose và hemicellulose Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu

tập trung vào vấn đề sử dụng nguồn hợp chất phospho tự nhiên từ acid phytic

trong thức ăn có nguồn gốc ngũ cốc cho động vật dạ dày đơn Chúng hấp thu tốt

hơn nguồn phospho tự nhiên (mà trong số đó có khoảng 85-90% được liên kết

với acid phytic) chỉ khi thêm phytase vào thức ăn cho vật nuôi Những chú ý liên

quan đến enzyme này tăng lên đáng kể trong những năm gần đây Một số quốc