Enzyme cố định và các ứng dụng

Enzyme (E) là chất xúc tác sinh học có bản chất là protein,

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Khoa Sinh Học

BÀI BÁO CÁO

Đề tài :

Enzyme cố định và các ứng dụng

Giảng viên hướng dẫn : Ngô Đại Nghiệp

MỤC LỤC

Trang

I GIỚI THIỆU VỀ ENZYME

2

II CÁC VẤN ĐỀ VỀ ENZYME CỐ ĐỊNH 3

1 Khái niệm 3

2 Một số phương pháp chủ yếu chế tạo E cố định 3

2.1 Phương pháp hấp phụ vật lý 3

2.2 Phương pháp đưa E vào khuôn gel 5

2.3 Phương pháp liên kết ion giữa E và chất mang 8

2.4 Phương pháp gói E trong bao cực nhỏ 8

2.5 Phương pháp tạo các liên kết 9

chéo giữa các phân tử E 2.6 Phương pháp gắn E vào chất mang rắn 10

bằng liên kết cộng hóa trị 3 Phân tích chế phẩm E không tan 16

3.1 Xác định protein 16

3.2 Xác định hoạt độ của E không tan 17

4 Ưu và nhược điểm của E không tan 17

4.1 Ưu điểm 17

4.2 Nhược điểm 18

III ỨNG DỤNG CỦA ENZYME CỐ ĐỊNH 18

1 Trong công nghiệp 19

1.1 .Sản xuất sirop giàu fructose .19

1.2 .Sản xuất sữa phi lactose .22

1.3 Dùng E cố định trong việc biến đổi aminoacid 24

2 Ứng dụng trong y học 26

2.1 Ứng dụng trong phân tích chất 26

2.2 E cố định trong công nghiệp kháng sinh 27

2.3 Thành phần của thận nhân tạo 29

3 Xử lý chất thải 30

3.1 E thuộc lớp Oxidoreductase 31

3.2 E Cyanide hydratase xử lý chất thải xyanua 31

3.3 Cố định E urease 32

4 Một số ứng dụng tiềm năng 32

4.1 Ứng dụng trong hóa học 32

4.2 Ứng dụng trong nông nghiệp 33

IV KẾT LUẬN 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

I GIỚI THIỆU VỀ ENZYME

Enzyme (E) là chất xúc tác sinh học có bản chất là protein, E có trong mọi

tế bào sinh vật E có thể xúc tác đặc hiệu cho mọi phản ứng sinh hóa bên trong vàbên ngoài cơ thể sinh vật E có hiệu suất xúc tác lớn hơn tất cả các chất xúc táchóa học hữu cơ và vô cơ khác Các chất tham gia trong phản ứng do E xúc tác gọi

là cơ chất E có tính đặc hiệu cao vì mỗi E chỉ xúc tác cho một kiểu phản ưng nhấtđịnh tạo thành một hay một số sản phẩm nhất định Cơ thể thiếu E thì mọi quátrình chuyển hóa sẽ bị đình chỉ, sinh vật không thể sống, sinh sản hay phát triểnđược

• Lược sử E

Trước thế kỷ XVII, việc sử dụng E chỉ có tính chất kinh nghiệm thuần túy.Người xưa đã biết dùng vi sinh vật như là nguồn E trong các quá trình lên mennhư làm rượu vang, làm dấm, sản xuất bánh mì

Thế kỷ XVII đến nửa đầu thế kỷ XVIII, đã đề ra được khái niệm lên men.Vanhemont người Hà Lan lần đầu tiên đã quan sát được chất khí khác không khítrong quá trình lên men

Nửa cuối thế kỷ XVIII, đã có những thí nghiệm đầu tiên về E Tiểu biểu là côngtrình nghiên cứu khả năng tiêu hóa thịt trong dạ dày do Reaumur (người Pháp)bắt đầu và sau đó được Spallanzani (người Ý) mở rộng (năm 1729 - 1799) kếtluận rằng trong dịch dạ dày có một thành phần hoạt động đặc biệt có khả năng tiêuhóa thịt Các kết quả nghiên cứu này đã kích thích việc nghiên cứu có hệ thốngcác E tiêu hóa vào thế kỉ XIX

Nửa đầu thế kỷ XIX, người ta đã tách được một số chế phẩm từ nhiều nguồnnguyên liệu khác nhau có tác dụng thủy phân các chất tương ứng và bắt đầu táchđược các chất tạo nên quá trình lên men

Nửa cuối thế kỷ XIX, đã tinh sạch được một số E và nghiên cứu một số tính chất

cơ bản của E như đặc tính tác dụng thuận nghịch, tính tác dụng đặc hiệu

Nửa đầu thế kỷ XX, đã phát hiện được CoE (Harden và Young, 1906); xác địnhảnh hưởng của pH đến hoạt độ của E (Sorensen, 1909); nghiên cứu động học phảnứng E (Bayliss, 1919); kết tinh được E và xác định được bản chất hóa học của E làprotein; xác định được một số hệ thống E xúc tác cho quá trình đường phân(Embden, Meyerhoff và Parnas, 1933)

Nửa cuối thế kỷ XX, nghiên cứu E có nhiều thành tựu lớn do việc áp dụng thànhcông các phương pháp hiện đại trong việc nghiên cứu Lần đầu tiên công bố bảngphân loại và danh pháp E một cách hệ thống Phát hiện các restrictase Tổng hợphóa học E… Đã hình thành ngành “công nghệ sản xuất E”, sản xuất chế phẩm Ekhông tan và ứng dụng nhiều trong thực tế Tạo được E tái tổ hợp và thiết kế các

E có tính năng mới Một thành tựu lớn khác là tạo được mô hình của một hệ thống

E gắn với màng, đây là bước mở đầu để mô hình hóa hệ thống sống

• E cố định (immobilization E)

Nhờ có hiệu suất xúc tác lớn và có tính đặc hiệu cao, tạo ra sản phẩmchính, ít tạp chất và sản phẩm phụ Nên từ lâu, E đã được sử dụng nhiều trong

công nghiệp chế biến nhưng chỉ ở mức độ kinh nghiệm thuần túy Đa số các E ởdạng hòa tan, chúng dễ bị biến đổi cấu hình không gian hoặc bị hòa tan sau khithực hiện phản ứng xúc tác cho cơ chất Vì vậy quá trình thực hiện chuỗi phảnứng liên tục bị gián đoạn, E không thể tái sử dụng được nhiều lần, cần một lượng

E lớn để tạo thành sản phẩm vì thế giá thành chế phẩm E rất cao Vì vậy trongnhững năm cuối thế kỷ 20 bắt đầu phổ biến kỹ thuật cố định E

Khác với E ở dạng hòa tan, E cố định (E không tan) có đặc tính không bị hòa tan

mà vẫn giữ được hoạt độ xúc tác, bền với các yếu tố hóa lý… Ví dụ như các Egắn với màng của tế bào, hoặc các bào quan: ATPase, một số E xúc tác cho quátrình oxy hóa khử… lợi dụng tính chất ưu việt này của E cố định, cùng với sự pháttriển của công nghệ E người ta đã tìm ra nhiều phương pháp khác nhau để cố định

E, đưa các E từ dạng hòa tan trở thành dạng không hòa tan Như vậy có thể dễdàng thực hiện một quá trình phản ứng liên tục, sử dụng lặp lại nhiều lần mộtlượng E xác định Do đó làm giảm đảng kể giá thành chế phẩm E

Việc sử dụng E nói chung và E cố định nói riêng trong sản xuất sẽ nâng cao chấtlượng, hạ giá thành sản phẩm, cải thiện lao động, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.Cùng với sự phát triển của khoa học, việc ứng dụng E ngày càng được mở rộng,phát triển ở tầm cao hơn, không những ở trong các lĩnh vực truyền thống mà cảnhững lĩnh vực mới tạo ra các sản phẩm mới

II CÁC VẤN ĐỀ VỀ ENZYME CỐ ĐỊNH

1 Khái niệm

E cố định (immobilization E) hay còn gọi là E không tan là những E được

gắn cố định vào 1 vùng, một khoang nhất định, không bị hòa tan trong các điềukiện bình thường, vẫn giữ được hoạt động xúc tác E cố định có đầy đủ tính chấtcủa một E và có ưu điểm là sử dụng được liên tục và lặp lại nhiều lần Các chấtdùng để gắn hoặc giữ E thường được gọi là chất mang hay giá thể Như vậy nếugắn E xúc tác theo một dãy phản ứng theo đúng trật tự (hệ thống nhiều E, multiE)

sẽ nhận được hệ thống E không tan xúc tác cho một dãy phản ứng chuyển hoá từ

cơ chất đến sản phẩm cuối cùng [1]

Ngoài tạo ra các E cố định, người ta cũng tạo các tế bào, cơ quan tử của tếbào, tế bào vi sinh vật ở dạng không tan để sử dụng trong quá trình sinh học.Trong tế bào sống, có nhiều E gắn với màng tế bào, hoặc cơ quan tử của nhiều tếbào (các E gắn với màng hoặc các matrix của ty thể): một số E xúc tác cho quátrình oxy hóa khử, ATPase , đó cũng là dạng E cố định

Có ba phương pháp chính điều chế E cố định :

o Phương pháp vật lý

o Phương pháp hóa học

o Phương pháp bao E trong khuôn gel

2 Một số phương pháp chủ yếu chế tạo E cố định

2.1 Phương pháp hấp phụ vật lý

Là phương pháp hấp phụ lên bề mặt chất mang Chất mang như cám, thanhoạt tính, bột thủy tinh Chất hấp phụ và E được trộn lẫn với nhau trong một

khoảng thời gian nhất định để sự hấp phụ xảy ra nhờ tương tác bề mặt như: liênkết ion, liên kết ưa béo (kị nước), liên kết hidro, lực Wandewalls.

Phương pháp này được sử dụng rất sớm, từ năm 1916, người ta đã choinvertase (sacchrase, 3.1.2.26) của nấm men hấp phụ trên than mà vẫn giữ đượchoạt tính thủy phân đường (sucrose) [2]

• Yêu cầu của chất mang

- Gắn kết mọi enym bền chắc, hiệu suất trên 50%, chất mang

rẻ, dễ kiếm

- Trơ với mọi cơ chất của E

- Tính chất đặc hiệu không đổi

• Chất mang hữu cơ: do phương pháp tổng hợp hóa họctạo ra và hầu hết các polymer hóa học, poly-styren, poly-acrylamid

- Chất mang hữu cơ có nguồn gốc sinh học (dễ gắn cellulose

và dẫn xuất)

- Những protid hình sợi: collagen, keratin

- Chitin và chitocan (vỏ tôm)

- Agar (thạch)

- Tinh bột

- Dextran (aligianat)

- BC (bacteria-cellulase)

• Chất mang vô cơ:

- Dẫn xuất silicat (sợi, sành, sứ, thủy tinh )

- Oxit kim loại: Mg Mn, Al

2.2 Phương pháp đưa E vào khuôn gel

E dễ định vị trong gel, mạng lưới chất trùng hợp càng nhỏ E sẽ được giữchặt hơn Đây là cách được dùng khá phổ biến

Từ năm 1963, Bernfeld và Wan đã mô tả phương pháp nhốt các E (trypsin,papain, amylase và ribonuclease) trong gel polyacrylamide

Hình 1: Nhốt E trong các lỗ gel

Ưu điểm :

 Không kết hợp trực tiếp E vào giá thể hay chất mang, mà có thểhình dung E như là E bị bẫy trong các mắt lưới của lưới, nên cấutrúc của E không bị biến đổi nhiều

• Để chuẩn bị chế phẩm theo phương pháp này, có thể thựchiện các cách sau:

• Đưa E vào gel bằng cách trùng hợp gel trong dungdịch có E ở nồng độ cao, việc trùng hợp nhờ tác dụng của các hóachất (gel polyacrylamide, polymer tự nhiên), nhờ bức xạ (gelpolyvinyl alcohol, pyrrolidone) hoặc nhờ ánh sáng (polyethylenglycol dimetacrylate)

• Đưa E vào các sợi: cho hỗn hợp có chứa các thànhphần để trùng hợp và E đi qua mắt lưới, sẽ tạo các sợi có gắn Ehoặc có thể cho dung dịch E đi qua sợi rỗng, sợi có lỗ tạo điều kiệnthuận lợi để gắn E vào

Để thực hiện phương pháp này có hiệu quả, cần nắm vững các điều kiệntrùng hợp để có thể đạt được gel đúng như theo yêu cầu

Các chất dùng để tạo gel theo phương pháp này là các chất có cấu tạo mắt lướinhư gelatin, alginate, agarose, polyacrylamide hoặc các prepolymer tổng hợp.Tùy mục đích sử dụng, có thể cắt gel (đã được trùng hợp có chứa E) thành từnglớp mỏng, từng mẫu nhỏ hay từng hạt để làm tăng bề mặt tiếp xúc của E trong gelvới cơ chất trong dung dịch

• Ví dụ một số chất sử dụng trong phương pháp này

• Aginate để tạo chế phẩm calcium - algianate - E

cố định

Alginate là acid polyuronic tách từ rong biển, bao gồm các đơn vị cấu tạocủa các acid D - mannuronic và L - guluronic kết hợp với nhau bằng liên kết α-1,4

Muối natri của alginate là chất hòa tan trong nước, do đó có thể trộn với Etrong dung dịch, sau đó thêm từng giọt trong dung dịch calcium chloride sẽ tạothành gel calcium alginat không tan có chứa E Phương pháp này thường đượcdùng rộng rãi vì khá đơn giản và dễ tìm

• K-carrageenan, tạo gel K-carrageenan- E cố định

K-carrageenan là hỗn hợp polysaccharide tương tự agar-agar, tách từ tảo đỏhòa tan trong nước hoặc trong dung dịch muối, có khoảng 4-5% carragenin, làpolysaccharide có chứa galactose và galactose sulfate

Nguyên tắc: thêm từ từ dung dịch chất tạo gel vào dung dịch muối k-carrageenan

có chứa E sẽ nhẫn được chế phẩm E kông tan, k- carrageenan là nguyên liệu tốt để

cố định tế bào vi sinh vật làm trong công việc sản xuất nhiều chất khác nhau

• Polyarylamide, tạo gel polyarylamide - e cố định

Tiến hành trùng hợp các monomer acrylamide và N, methylenebisacrylamide trong dung dịch có chứa E, và một số yếu tố cần thiết choquá trình trùng hợp (TEMED, potassium persulfate)

N’-Trong một số trường hợp, các monomer cũng làm giảm hoạt độ E

• Các tiền polymer tổng hợp để tạo các polymer tổng hợp - Ecố định

Quá trình trùng hợp được thực hiện nhờ ánh sáng: chuẩn bị dung dịch cóprepolymer, E và chất làm tăng độ nhạy thích hợp như benzoylethylether, chiếu tia

UV bước sóng dài trong vài phút, sẽ tạo thành liên kết chéo giữa các prepolymer,gel được hình thành nhốt E trong các lỗ gel Phương pháp này đã được sử dụng để

cố định tế bào nấm men ethanol ở qui mô pilot

Các prepolyme được dùng có chứa các đoạn có tính chất ưa nước hay kị nước củachúng đơn giản hơn

2.3 Phương pháp liên kết ion giữa E và chất mang

Từ năm 1956, Mitz đã tiến hành gắn catalase vào DEAE cellulose qua liênkết ion Do phương pháp khá đơn giản nên đã được sử dụng để tạo các chế phẩmkhông tan của nhiều E khác Các chất trao đổi ion khác như CM - cellulose và cácdẫn xuất khác của cellulose

Độ bền liên kết của E và chất mang phụ thuộc vào pH, loại dung dịch đệm

và lực ion Vì vậy nếu thay đổi các yếu tố này có thể thu lại E, chất mang màkhông làm thay đổi tính chất và cấu trúc của nó

2.4 Phương pháp gói E trong bao cực nhỏ

Phương pháp này lần đầu tiên đã được Chang công bố vào năm 1964, tácgiả đã dùng carbonic anhydrase vào trong các capsule Sau đó, năm 1971,Gregoriadis đã tạo được các liposome chứa amyloglucosidae Cả hai chế phẩm đãđược sử dụng trong điều trị

Hình 2: Bọc E trong các nang

E có thể được bọc bằng các loại màng khác nhau, tạo thành các dạng khácnhau Các chất thương dùng để bọc E là polyamide hoặc nitrocellulose Có thểphân biệt các kiểu sau:

- Microcapsule : Màng dùng bọc E là màng bán thấm (có các lỗ nhỏ để các

chất phân tử thấp đi qua nhưng E không đi qua được) tổng hợp

- Liposome : Màng lỏng, được tạo thành từ các phospholipid, các liposome

được dùng trong y tế hoặc mỹ phẩm

- Các sợi có các lỗ rỗng

- Ngoài ra người ta cũng có thể điều chế các chế phẩm E không tan ở dạngliposome Tiến hành như sau: hòa tan các amphipatidyl lipid, nhưphosphatidyl choline và cholesterol trong chloroform, tráng thành mộtbình quay, thêm dung dịch E trong nước, làm sao có thể nhanh chóngphân tán đều E, tạo thành các liposome ở dạng màng lipid bọc các giọtnước Do đó trong một số E được giữ bên trong liposome, còn một sốkhác còn lại sẽ kết hợp vào màng liposome

Ưu điểm :

 Phương pháp này hầu như có thể xem như hầu như không làm ảnhhưởng đến cấu trúc của phân tử E, và có thể đồng thời bọc nhiều Exúc tác như một dãy phản ứng trong cùng một túi (nhưng cần tránhcác protease, vì chúng có thể phân giải các E) để thực hiện một quátrình trao đổi chất qua nhiều phản ứng liên tục như một hệ thốngsống

2.5 Phương pháp tạo các liên kết chéo giữa các phân tử E

Năm 1964, Quiocho và Richards đã mô tả phương pháp tạo liên kết chéogiữa các carboxypeptidae A với glutaraldehyde

Phương pháp này hoàn toàn không dùng chất mang, mà thường dùng các chất cónhóm chức kép, có hai nhóm chức ở hai đầu hoàn toàn giống nhau, phản ứng vớicác nhóm chức của phân tử E khác nhau, tạo thành các liên kết chéo giữa chúng,

“khâu” các phân tử E lại với nhau thành các phần tử có kích thước lớn hơn, khôngtan, có thể tách chúng khỏi dung dịch bằng cách li tâm hay lọc

Các chất thường dùng vào mục đích này là glutaraldehyde, và một số chấtkhác như dimethylsuberimidate … phản ứng với nhóm amine, hoặc một số chấtphản ứng với nhóm carboxyl (-COOH) nhóm thiol (-SH), trong đó glutaraldehydeđược dùng phổ biến nhất

Hình 3: Tạo liên kết chéo giữa các phân tử E

Hạn chế của phương pháp này: trong quá trình tạo liên kết chéo giữa cácphân tử E, có thể phá hỏng cấu trúc của E, làm giảm hoạt động của nó Vì vậy, cầnlựa chọn điều kiện phản ứng, chất tham gia tạo liên kết chéo sao cho hoạt độ của

E bị giảm ít nhất Để tăng độ bền của chế phẩm, có thể sử dụng thêm proteinkhông có xúc tác như albumin huyết thanh bò Nói chung phương pháp tạo liênkết chéo ít được sử dụng vì không đáp ứng được yêu cầu của nhiều quá trình kỹthuật trong sản xuất

2.6 Phương pháp gắn E vào chất mang rắn bằng liên kết cộng hóa trị

Vào những năm 1953, Grubhofer và Schleith đã tạo được các chế phẩmkhông tan của một số E như carboxypeptidase, diastase, pepsin, và ribonucleasebằng cách tạo liên kết cộng hóa trị giữa E với polyaminostyrene đã được diazothóa Có thể nói, thành công này đã mở đầu cho việc sử dụng E trong thực tế.

Hình 4: Gắn E vào chất mang bằng liên kết cộng hóa trị

Ưu điểm :

 Có thể tạo ra các chế phẩm có độ bền cao, có thể sử dụng trongnhiều quá trình sản xuất quy mô lớn, trong hệ thống dòng chảy.Trong một số trường hợp, các monomer cũng làm giảm hoạt độ E

 Do E gắn trên bề mặt chất mang nên dễ tiếp xúc với cơ chất

Hạn chế:

 Cấu trúc của E có thể bị thay đổi một phần trong quá trình gắn vớichất mang, làm giảm hoạt độ xúc tác

 Do liên kết giữa E với chất mang, có thể làm giảm sự di chuyển tự

do của E, và từ đó cũng làm giảm hoạt động của nó

 Việc tìm được các điều kiện thích hợp cho quá trình sản xuất chếphẩm không tan theo phương pháp này cũng có nhiều khó khăn

• Những đặc tính cần có của các chất mang :

- Bề mặt của chất mang phải tương thích với E

- Phải có các nhóm có khả năng phản ứng với các nhóm chứccủa protein, nhưng không phản ứng với các nhóm chức của trung tâmhoạt động

• Các nguyên liệu thường dùng làm chất mang

- Chất mang vô cơ: thủy tinh, aluminum oxide, gồm (ceramic)

- Các polymer tổng hợp

- Các polymer của saccharide và dẫn xuất của chúng: agarose,dextran, chitin, cellulose; hay một số protein như collagen, gelatin,albumin Các chất này có bề mặt phân tử ưa nước, lại có nhiều nhómhydroxyl, có thể tạo thành liên kết cộng hóa trị với E

• Cầu nối giữa E và chất mang

- Do hạn chế của chất mang khi gắn trực tiếp với E có thể làmảnh hưởng xấu đến hoạt động của E, một phần do chất mang có thểcản trở bề mặt không gian tiếp xúc giữa E và cơ chất Vì vậy người tathường dùng spacer có vai trò như là cầu nối giữa E và chất mang,làm cho E có thể hoạt động trong phạm vi môi trường rộng hơn, dễtiếp xúc với cơ chất hơn

- Khoảng cách giữa E và chất mang cũng có vai trò quantrọng, khi có spacer, khoảng cách giữa E và chất mang là khoảng1nm Phải chọn được spacer có chiều dài thích hợp, để vừa đảm bảo

độ linh động của E và cũng không quá dài

- Ngoài chiều dài, để thực hiện có kết quả phương pháp nàycòn cần lưu ý đến kiểu liên kết giữa E và chất mang, trình tự kết hợp(spacer kết hợp với E trước rồi mới kết hợp với chất mang hay ngượclại)

Phương pháp gắn E vào chất mang bằng liên kết cộng hóa trị: trong nhiều trườnghợp thường tiến hành qua 2 giai đoạn chính:

- Xử lý, hoạt hóa chất mang trước khi gắn E

- Gắn E vào chất mang đã được hoạt hóa

Một số phương pháp dùng để hoạt hóa chất mang như: dùng cyanogens bromide,diazot hóa, azide acid, các chất ngưng tụ…

• Các ví dụ

II.6.1 Cyanogens bromide (BrCN) được sử dụng phổ biến để

hoạt hóa các chất mang

Có nhiều nhóm hydroxyl như các polysaccharide, các hạt thủy tinh,gồm…sơ đồ phản ứng được trình bày trên hình

II.6.2 Phương pháp alkyl hóa các nhóm trên chất mang

Làm cho nó dễ dàng phản ứng với các nhóm amino, nhóm hydroxylphenolic, nhóm sulfhydryl của phân tử E Các dẫn xuất halogen của acetylcellulose, dẫn xuất triazinyl của cellulose hay các chất trao đổi ion khác đượcdùng trong phương pháp này

II.6.3 Tạo cầu disulphide giữa E và chất mang

Đối với các E có nhóm sulfydryl không có vai trò quan trọng đối với hoạtđộng xúc tác của E, có thể dùng chất mang có nhóm sulfydryl để tạo cầudisulphide với E Phản ứng này có tính thuận nghịch, có thể dễ dàng tách E khỏichất mang (nếu hoạt động của nó bị giảm), để tái tạo chế phẩm, chỉ cần thêm chấtkhử vào

II.6.4 Dùng các hóa chất ngưng tụ

Ví dụ, sử dụng carbodiimide làm yếu tố ngưng tụ để tạo thành liên kếtpeptid giữa các nhóm carboxyl hoặc nhóm amino của chất mang, với các nhómamino và các nhóm carboxyl của E Phương pháp này được sử dụng đối với chấtmang cellulose

II.6.5 Tạo liên kết peptide bằng phương pháp azide acid

Phương pháp này dùng trong hóa tổng hợp peptid Ví dụ dùng chất mang làCM-cellulose, phản ứng tiến hành như sau:

II.6.6 Phương pháp diazot hóa

Phương pháp này được sử dụng đối với các chất mang có các nhóm aminothơm, nhóm amin của nó được diazot hóa bằng acid nitrous, tạo thành dẫn xuấtdiazonium Dẫn xuất này phản ứng với E tạo E không tan Ví dụ dùng chất mang

là 4-aminobenxyl cellulose, phản ứng tiến hành như hình

II.6.7 Cố định E trên bột thủy tinh bằng liên kết cộng hóa trị

Chất mang bột thủy tinh có nhiều ưu điểm như chịu được các điều kiệnkhắc nghiệt, có cấu trúc bền vững, vì vậy rất thuận tiện trong công nghiệp

Hạn chế chính của chất mang này là có tính “trơ” về hóa học Vì vậy để cóthể sử dụng chúng một cách có hiệu quả, cần gắn thêm các nhóm phản ứng vào bềmặt của nó Có thể trình bày tóm tắt quá trình gắn E vào bề mặt bột thủy tinhkhông có lỗ

Chuẩn bị bột thủy tinh, hạt có đường kính khoảng 1mm, quá trình gắn E đượcthực hiện qua 5 bước chính như sau :

- Hoạt hóa bề mặt thủy tinh bằng phản ứng với silane để đưa nhómamin vào

- Phản ứng tiếp với p-nitrobenzoylchloride, nhóm nitro của vòngthơm sẽ được chuyển hóa bằng các phản ứng khác.

- Khử nhóm nitro thành nhóm amino

- Cho tác dụng với acid nitrous, nhóm amino chuyển thành cationdiazonium

- Nhóm diazonium sẽ kết hợp với gốc tyrosine trong phân tử E

II.6.8 Cố định E vào polyamide bằng liên kết cộng hóa trị

Nylon là polyamide kỹ thuật quan trọng nhất, là polymer mạch dài đượctạo thành do phản ứng ngưng tụ với lượng tương đương của acid adipic vàhexanediamine

n HOOC-(CH2)4-COOH + n H2N-(CH2)6-NH2

[-NH-CO-(CH2)4-CO-NH-(CH2)6-]n

Ưu điểm của nylon là bền dưới tác dụng của vi sinh vật, và cũng có tính ưanước ở mức độ nhất định Vì vậy, có thể sử dụng nylon để bọc E, nhưng khó tạođược liên kết cộng hóa trị giữa E và nylon vì nó chỉ có hai nhóm ở hai đầu phân tử

là có thể phản ứng với E

Để tăng số nhóm có khả năng kết hợp với E, cần thủy phân một số liên kếtamide trong polymer để tạo thành các nhóm amino và carboxyl tự do có thể kếthợp với E

II.6.9 Cố định E vào các nhóm amin sau khi thủy phân một

phần polyamide, quá trình này gồm có 4 bước

- Xử lý polymer để làm tăng diện tích bề mặt và tăng khả năng tiếpxúc với nước

- Cắt đứt một số liên kết amide

- Hoạt hóa các nhóm amin hoặc nhóm caborxyl tự do

- Gắn E vào polyamide đã được hoạt hóa

 Những điều cần lưu ý khi thực hiện việc cố định E

Khi lựa chọn phương pháp và thử nghiệm cố định E cần lưu ý các điều sau đây:

• E phải ổn đinh trong điều kiện xảy ra phản ứng: quan trọng nhất là hoạtlực E và độ bền của nó theo thời gian phản ứng, điều này quyết định hiệusuất phản ứng, hiệu suất tổng thu hồi và hiệu quả của toàn bộ quá trình(giá thành, giá trị khoa học và thực tiễn, giá trị kinh tế - xã hội)

• Nếu có thể được thì các hợp chất tham gia phản ứng tạo liên kết ngang(giữa chất mang và E) sẽ chủ yếu tương tác với những nhóm chức năngnằm ngoài trung tâm hoạt động của E Nếu điều kiện này không thực hiệnđược hoàn toàn thì chất tham gia phản ứng tạo liên kết ngang phải cókích thước lớn không cho phép nó xâm nhập, ảnh hưởng đến trung tâmhoạt động của E

• Trung tâm hoạt động của E phải luôn được bảo vệ bằng các phương phápkhác nhau Ví dụ như E với trung tâm hoạt động có nhóm – SH thì cần

xử lý sơ bộ bằng glutation hay systein và chỉ tái hoạt hóa E sau khi đã

gắn nó vào chất mang Hoặc có thể che chắn tâm hoạt động bằng cách bổsung vào hỗn hợp phản ứng cơ chất đã được bão hòa bởi E (nồng độ caonhất mà E có thể thực hiện được phản ứng xúc tác)

• Khi rửa thiết bị phản ứng để phụ hồi E, không được làm ảnh hưởng xấuđến hoạt tính của E đã được gắn vào chất mang

• Khi lựa chọn chất mang cần phải để ý đến phản ứng E sẽ diễn ra cụ thể,sao cho không làm ảnh hưởng thậm chí hủy hoại chất mang và sản phẩmphản ứng không được ức chế hoạt động của E Ví dụ không thể gắn Ecellulose vào chính chất mang là cellulose và các dẫn xuất của nó cũngkhông thể tiến hành phản ứng thủy phân cellulose trên chính chất mangnày

• Cần lưu ý đến độ bền của chất mang (bền cơ học, thủy lực học, bền nhiệt,bền gel) nhất là khi phản ứng trong các cột công suất lớn

3 Phân tích chế phẩm E không tan

Khi cố định E trên chất mang, cũng như trong quá trình bảo quản và sửdụng chế phẩm, để biết có bao nhiêu, còn bao nhiêu E trên chất mang, hoạt độngcủa nó biến đổi ra sao cần xác định:

3.1.2 Cách thực hiện

có khối lượng xác định cho vào

Phương pháp quang học

Cách thực hiện:

Lấy một lượng xác định E không tan, cho vào bình phản ứng cùng vớidung dịch đệm, cơ chất, cofactor, giữ ở nhiệt độ xác định, hỗn hợp phải khuấy liêntục Để đo vận tốc phản ứng, nếu chất mang E đủ nặng, dễ lắng, có thể dừng ngayphản ứng, gạn lấy phần trong, đo độ hấp thụ quang học, sau khi đo phải cho dungdịch vào lại bình phản ứng để giữ cho thể tích hỗn hợp phản ứng không thay đổi.Trường hợp chất mang không dễ lắng, có thể lọc hay ly tâm, nhưng phải làm thậtnhanh, sau khi đo phải cho cả dịch trong và cặn trở lại bình phản ứng Như vậy sẽnhận được giá trị ở các thời gian khác nhau Để tính toán tốt hơn cả là tính trênkhối lượng khô, hoặc bề mặt tiếp xúc của chế phẩm

Để đo liên tục phản ứng E có thể dùng thiết bị chuyên dụng: hỗn hợp phảnứng được bơm liên tục vào bình phản ứng trong vòng tuần hoàn khép kín, dịch saukhi đi qua cuvette để đo mật độ quang học

Hình 5: Bình phản ứng E để đo vận tốc phản ứng E không tan

4 Ưu và nhược điểm của E không tan

4.1 Ưu điểm

E không hoà tan có đầy đủ tính chất của một E, tuy ở dạng không hoà tan

mà vẫn giữ được hoạt động xúc tác, ưu điểm nổi bật của E không hoà tan so vớikhi ở dạng hoà tan là:

- Có thể sử dụng lặp lại nhiều lần một lượng E xác định (60 – 70 lần), nênlàm giảm đáng kể giá thành chế phẩm E, và có thể sử dụng liên tục trongcác hệ thống dòng chảy

- pH thích hợp của các E này khác nhau, vẫn có thể tìm được điều kiện đểcác E hoạt động tốt.

- Không trộn lẫn với các phẩm vật khác của phản ứng và dễ dàng tách rakhỏi hỗn hợp phản ứng, do đó có thể ngừng phản ứng ở bất kì giai đoạnnào

- E không tan có độ bền đối với các yếu tố hóa lý (nhiệt độ, pH, áp suất…)cao hơn khi ở dạng hoà tan Ví dụ: cố định protease làm tăng độ bền nhiệtgấp chục nghìn lần Sau khi được cố định không những độ bền với nhiệtcủa E tăng lên mà phạm vi nhiệt độ tối thích của E cũng được mở rộng.Nhiệt độ cao làm cho E bị biến tính, cấu trúc bậc ba của E bị phá vỡ và E

bị mất hoạt tính Khi E được cố định nhờ nhiều liên kết gắn với chấtmang quá trình biến tính sẽ bị ngăn cản, làm cho E chịu được nhiệt độcao

- Trong một số trường hợp đối với các E thủy phân protein, ví dụ papain vàtrypsin, sự cố định làm ngăn cản một phần hoặc hoàn toàn hiện tượng tựphân Điều này có ý nghĩa thực tế vì nó giúp làm tăng thời gian làm việccủa E

- Có thể thực hiện chuỗi phản ứng bằng cách gắn nhiều E lên mộtchất mang nhằm giúp giảm chi phí, đẩy nhanh quá trình

Ví dụ : A E1 B E2 C E3 D

- Thiết lập mô hình để nghiên cứu các E liên kết với màng trong hệ thốngsống, nghiên cứu ảnh hưởng của vi môi trường lipid đối với hoạt độngcủa các enzyne trong màng, giúp chúng ta mô hình hóa hệ thống sống

4.2 Nhược điểm

- Khi E được cố định trên chất mang, hoạt động của nó bị giới hạn trongmột vi môi trường nhất định Tính chất của E không hoà tan còn phụthuộc vào phương pháp cố định và bản chất của chất mang

- Mỗi loại E có chất mang phù hợp

- Phải có thiết bị dùng để cố định E có hiệu suất cao

- Hoạt độ riêng thấp hơn ở dạng hoà tan

- Hằng số Km biểu kiến có thể thay đổi do ảnh hưởng trường tĩnh điện củachất mang