hô hấp và ứng dụng trong bảo quản nông sản

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG  TIỂU LUẬN SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG HÔ HẤP Ở THỰC VẬT VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN NÔNG SẢN GVHD : Hoàng Xuân Thế Nhóm : Sáng thứ Tổ : 10 Email : thn1996@yahoo.com.vn SVTH : Trần Hạ Nghi – 2008140452 Văn Mỹ Diệu – 2008140436 Phan Thị Kim Ngân – 2008140422 Nguyễn Đức Sang – 2008140247 Năm học: 2014-2015 MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ A B LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU HÔ HẤP Ở THỰC VẬT I II III IV C ỨNG DỤNG CỦA HÔ HẤP TRONG BẢO QUẢN NÔNG SẢN I II III D Khái quát trình hô hấp thực vật Khái niệm Phương trình hô hấp tổng quát Ý nghĩa hô hấp đời sống thực vật Cơ chế trình hô hấp thực vật Hô hấp hiếu khí hô hấp kị khí thực vật a/ đướng phân b/Crebs c/chuỗi truyền electron Mối quan hệ hiếu khí kị khí Hô hấp sáng Mối quan hệ hô hấp quang hợp Ảnh hưởng hô hấp trình bảo quản nông sản Các biện pháp khống chế hô hấp bảo quản nông sản Khống chế độ ẩm Khống chế nhiệt độ Khống chế thành phần khí môi trường bảo quản Các biện pháp bảo quản Bảo quản khô Bảo quản lạnh Bảo quản điều kiện nồng độ CO2 cao TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐẶT VẤN ĐỀ A LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU Để chứng minh tồn trình hô hấp thực vật, nhiều nhà nghiên cứu sinh lý học thực vật giới làm thí nghiệm kiểm chứng đưa kết luận dựa kết đạt • Joseph Priestlay (1733-1804) nhà khoa học Anh nghiên cứu thở thực vật Ông đam mê nghiên cứu chất khí Năm 1771, ông chứng minh cối tái tạo lại chất khí bẩn động vật thở Chính Lavoisier đặt tên chất “oxygen” • Bốn năm sau, Nhà thực vật học Jan Ingenhousz (1730-1799) chứng minh thực vật thải khí oxygen có ánh sáng Ban đêm, cối thải chất khí mà đèn cầy cháy chất khí này, khí carbonic • Sau đó, Nhà thực vật học người Thuỵ Sĩ mang tên Jean Sénebier (1742-1809) cho thực vật hấp thụ khí carbonic xác định tác dụng ánh sáng, chất khí bị phân tích thành khí oxygen Hình Jan Ingenhousz • Đến cuối kỷ XVIII, nghiên cứu sinh lý học thực vật công nhận cối thở động vật Ngoài ra, chúng có khả chế biến chất hữu từ chất vô đặt ánh sáng Tính chất gọi tự dưỡng, giúp chúng sống mà không cần dung chất hữu lấy từ động vật • Cho đến năm 1842, nhà hoá học người Đức mang tên Lustus von Liebig (1803-1873) phủ nhận tồn trình hô hấp xanh • Cuối kỷ XIX – đầu kỷ XX, nghiên cứu thực nghiệm chứng minh tồn trình hô hấp xanh [1] Hình Lustus von Liebig B - HÔ HẤP Ở THỰC VẬT I KHÁI QUÁT QUÁ TRÌNH HÔ HẤP Ở THỰC VẬT: Khái niệm: Hô hấp thực vật trình chuyển đổi lượng tế bào sống Trong phân tử carbohdydrat bị phân giải thành CO2 H2O, đồng thời giải phóng lượng cần thiết cho hoạt động sống thể tích luỹ ATP Về hình thức, hô hấp trình trao đổi khí thể với môi trường Phương trình hô hấp tổng quát: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Năng lượng (nhiệt + ATP) Ý nghĩa hô hấp thực vật: Hô hấp trung tâm trao đổi lượng tế bào, thông qua hô hấp mà lượng dự trữ hợp chất hữu chuyển hoá thành dạng lượng ATP giúp trì nhiệt độ thuận lợi hoạt động sống tế bào - - Nếu hô hấp ATP sống tồn Hô hấp tạo sản phẩm trung gian làm nguyên liệu cho trình trao đổi chất tổng hợp chất hữu thể để cấu trúc nên tế bào, quan - Hô hấp có vai trò quan trọng đến nhiều hoạt động sinh lí khác cây: hút khoáng, hút nước, vận chuyển chất - Hô hấp có tác dụng tạo kháng thể để bảo vệ thể, tăng khả chống chịu trước ngoại cảnh bất lợi như: hạn, nóng,… - Đặc biệt, hô hấp có ý nghĩa lớn việc bảo quản đối tượng thực vật Hiểu mối liên quan hô hấp với điều kiện ngoại cảnh, điều khiển đối tượng bảo quản giữ chất lượng theo mục đích - - II CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH HÔ HẤP Ở THỰC VẬT: Trong trình tồn tại, thực vật tiến hoá để thích nghi cao với điều kiện biến đổi tự nhiên nên hình thành nhiều phương thức hô hấp đường trao đổi chất Trong đó, hô hấp hiếu khí hô hấp kị khí hai đường chủ yếu thực vật Hô hấp hiếu khí: Hô hấp hiếu khí trình hô hấp xảy môi trường có oxi Hô hấp hiếu khí xảy qua giai đoạn: o Đường phân (xảy tế bào chất) o Chu trình Krebs (xảy chất ti thể) o Sự vận chuyển điện tử (xảy màng ti thể) - a Đường phân: Còn gọi đường Embden-Meyerhof Xảy tế bào chất với tham gia nhiều hệ enzyme Là giai đoạn phân huỷ phân tử glucose (6C) thành acid pyruvate (3C) NADH2 Điểm đặc biệt trình sử dụng phân tử đường hoạt hoá nhờ photphoryl hoá tạo đường photphat, phân tử trở nên hoạt động dễ bị biến đổi Vì không sử dụng oxy, trình xảy dù có diện O2hay không diện Đây trình chung cho hô hấp hiếu khí hô hấp kị khí Kết biểu diễn theo phương trình: C6H12O6 + 2NAD + 2ADP → 2CH3-CO-COOH + 2NADH2 + 2ATP Quá trình đường phân bao gồm nhiều phản ứng xảy liên tục chia làm giai đoạn chính: + Giai đoạn I: Tích lũy đường đơn, hoạt hóa phân tử đường glucose biến đổi thành đường fructose - 1.6dP Quá trình qua nhiều giai đoạn trung gian tiêu tốn lượng (sử dụng ATP) + Giai đoạn II: Phân giải fructose -1.6 dP thành phân tử đường 3C PDA AlPG + Giai đoạn III: Từ AlPG, trải qua bước oxy hóa khử với xúc tác nhiều enzyme để tạo acid pyruvate Giai đoạn có tham gia NAD để hình thành nên 2NADH2 4ATP Kết cuối tạo Acid pyruvate, ATP, NADH2, giải phóng ion H+, e- Trong hô hấp hiếu khí Acid pyruvate phân huỷ tiếp qua chu trình Krebs NADH2 thực chuỗi hô hấp để tạo H2O NAD Thực ra, đường phân tạo ATP, có ATP sử dụng để hoạt hoá glucose giai đoạn đầu đường phân nên tế bào thu ATP Đường phân ý nghĩa lớn mặt lượng (chỉ tạo ATP NADH2 tương đương với ATP) mà chủ yếu biến đổi phân tử Glucose thành dạng có hoạt tính cao sản phẩm trung gian tham gia vào trình trao đổi chất - Glucose ATP ADP Hexokinase Glucose 6-phosphate Phosphoglucose Isomerase (6C) Fructose 6-phosphate ATP Phospho Fructokinase ADP Fructose 1,6-bisphosphate Aldolase Glyceraldehytde-3-P (AlPG) Dihydroxyacetone-P (PDA) NAD+ + Pi Glyceraldehytde-3-phosphate NADH2 + H+ Dehydrogenase (3C) 1,3-bisphosphoglycerate ADP ATP PhosphoGlycerate Kinase 3-phosphohoglycerate PhosPhoglycerate Mutase 2-phosphohoglycerate Enolase H2O Phosphoenolpyruvate ADP Pyruvate Kinase ATP Pyruvate Hính Sơ đồ tóm tắt trình đường phân b Chu trình Krebs chuỗi truyền electron: Chu trình Krebs Hans Crebs khám phá từ năm 1937 Xảy chất ti thể (matrix) nhờ xúc tác nhiều hệ enzyme Sau đường phân phân huỷ Glucose thành Acid pyruvate Trong điều kiện hiếu khí, Acid pyruvate tiếp tục bị phân huỷ hoàn toàn qua chu trình Krebs Chu trình gọi chu trình acid citric acid chất trung gian quan trọng Nó có tên gọi chu trình acid tricarboxylic (ATC) chu trình tạo nên số acid hữu có nhóm carboxyl Bản chất phản ứng xảy chu trình Krebs chủ yếu Decarboxyl hoá Dehydro hoá (khử carboxyl khử hydro) Acid pyruvate -    Trước vào chu trình Krebs, pyruvic xảy oxy hoá tạo thành acetyl-coA: O2 diện chất nhận điện tử cuối từ NADH Acid pyruvate đưa vào ty thể tiếp tục biến dưỡng tạo nhiều ATP Phương trình tổng quát: 2pyruvate + CoA + 2NAD+  acetyl-CoA + CO2 + NADH Hình Sự oxy hoá pyruvate Tiếp theo acetyl-CoA cung cấp cho phức hợp hàng loạt phản ứng hoá học nối vòng tròn khép kín chu trình Krebs Chu trình Krebs có chuỗi phản ứng mang tính chất vòng nên chia làm giai đoạn chính: + Acid pyruvate bị phân hủy triệt để tạo thành CO2, Coenzyme dạng khử hợp chất trung gian: CH3COCOOH + H2O  CO2 + 10 H2 + Các Coenzyme thông qua chuỗi hô hấp vận chuyển H2 đến cho O2 tạo nên phân tử H2O đồng thời giải phóng lượng, phần lớn lượng tích lại dạng phân tử ATP: 10 H2 + O2  10 H2O  Hình Chu trình Krebs Các phản ứng chu trình Krebs tóm tắt sau: Tổng hợp acid citric: Acetyl-CoA gắn với acid oxaloacetic nhờ citrate symthease, lượng vỡ nối S-CoA o Isomer hoá tạo acid isocitric nhờ aconitase qua bước o Khử hydro khử acid isocitric nhờ isocitric dehydrogenase qua phản ứng: khử hydro khử CO2 o Oxy hoá khử CO2 acid alpha-ketoglutaric ketoglutarate dehydrogenase, tạo succinyl-CoA nhả CO2 o Tách CoA khỏi succinylCoA succinyl-CoA-hydrolase o Khử hydro acid succinic succino-dehydrogenase đổi thành acid fumaric với tham gia FADH2 o Thâu H2O nhờ furmarase tạo acid malic o Khử hydro acid malic nhờ malice-dehydrogenase có NAD khử, đổi acid malic acid oxaloacetic Chu trình quay lại từ đầu [2] o - Chu trình Krebs tế bào thực vật tương tự 10 Chu trình Krebs tạo sản phẩm trung gian để từ tham gia tổng hợp Lipid (Glycerin Acid béo), Protein (Acid amin) Glucid thứ cấp khác, nói chu trình Krebs trung tâm quan trọng để nối trình trao đổi chất lại với Về mặt lượng, Acid pyruvate qua chu trình Krebs tạo ATP, NADH2 FADH2 Các Coenzyme khử NADH2 FADH2 thực chuỗi hô hấp tổng hợp nên ATP Như vậy, phân tử Glucose trải qua trình hô hấp hiếu khí tổng hợp nên ATP tạo sản phẩm sau: o CO2 (nếu thực vật, CO2 vào trình quang hợp; động vật, CO2 hemoglobin chuyển đến phổi ngoài) o Đường phân: Acid pyruvate, ATP, 2NADH2 o Chu trình Krebs: ATP, NADH2, FADH2 o Do đó, có 10 NADH2 FADH2 từ trình đường phân chu trình Krebs đến chuỗi chuyền electron bị Coenzyme khử tạo thành ATP Trong hô hấp tế bào: + Cứ phân tử NADH2 qua chuỗi chuyền electron tương ứng với ATP + Cứ phân tử FADH2 qua chuỗi chuyền electron tương ứng với ATP Suy ra, phân tử đường qua hô hấp hiếu khí cho ra: o Đường phân: ATP o Chu trình Krebs: ATP o Chuỗi chuyền electron: 10 x + x = 34 ATP - Vậy trình hô hấp tế bào qua hô hấp hiếu khí tạo tất 38 ATP Hô hấp kị khí: Trong điều kiện môi trường thiếu oxy oxy, pyruvic nhận hydro điện tử từ NADH2 Quá trình bắt đầu đường phân kết thúc với chuyển hoá yếm khí acid pyruvate thành nhiều chất khác điển acid lactic hay rượu ethanol gọi trình hô hấp kị khí (sự lên men) Hô hấp kị khí thực vật tiến hành theo phương thức lên men vi sinh vật Sự lên men thực vật có tính tạm thời, kéo dài thời gian chết thiếu lượng sản phẩm tạo (rượu, acid ) gây độc cho Lên men không tạo ATP Sự hô hấp khí thu ATP từ trình đường phân Cốt lõi lên men oxy hoá NADH tạo NAD+ cần thiết cho trình đường phân tiếp tục  Ở tế bào thực vật, nấm men, vi khuẩn,…sự lên men tạo sản phẩm cuối rượu ethanol Sự lên men rượu qua giai đoạn với phản ứng sau: - - pyruvate CH3CHO + NADH2 Enzyme pyruvate decarboxylase CH3CHO + CO2 CH3CH2OH + NAD Như vậy, từ phân tử đường tạo phân tử rượu Etylic phân tử CO2 11 Hình Sự lên men rượu Sự lên men rượu thực vật bậc cao Bernard ý từ năm 1821 loại (táo, chanh, cam, quýt,…) Năm 1869, Lechartier Bellamy xác nhận: Cơ quan giàu glucid (rễ, củ ) có lên men đặt quan vào bình hoàn toàn kín Sự lên men rượu xảy số loại vào ngày đầu sau nảy mầm (đậu Hà lan, lúa, đại mạch ) Hiện nay, lên men rượu ứng dụng nhiều công nghệ chế biến thực phẩm (Ví dụ: Lên men rượu, bia, bánh mì, ) -  Ở số vi khuẩn lên men lactic tạo sản phẩm cuối acid lactic Sự lên men lactic thực hiện: pyruvate + 2NADH2 Enzyme lactate dehydrogenase Acid lactic + NAD Hình Sự lên men lactic Quá trình xảy thể thực vật, củ khoai tây giữ khí tích luỹ nhiều acid lactic Lên men lactic sở việc sản xuất sữa chua, muối dưa - 12 Quan hệ hai trình hô hấp hiếu khí kị khí cây: Hô hấp hiếu khí hô hấp kị khí hai đường chủ yếu trao đổi chất lượng thể thực vật Tuy nhiên, thể tính thích nghi thực vật điều kiện oxy khác nhau, bảo đảm cho thể tồn thiếu oxy hoạt động sống mạnh đủ oxy Hô hấp hiếu khí hô hấp kị khí có chung đoạn đường trao đổi chất từ đường glucose đến acid pyruvic, đoạn đường không cần oxy Từ acid pyruvic, có oxy tiếp tục xảy theo đường hô hấp hiếu khí ngược lại oxy thiếu oxy hô hấp kị khí Có nhiều trình hô hấp kị khí khác tùy theo thích nghi loài sinh vật, qua tạo nhiều loại sản phẩm như: rượu, loại acid hữu hô hấp hiếu khí chủ yếu xảy theo chu trình Krebs cho sản phẩm trung gian khác - III HÔ HẤP SÁNG: Khái niệm: Hô hấp sáng hô hấp xảy ánh sáng Nhóm thực vật C3 thường xảy trình hô hấp Đó thực vật C3 phải sống điều kiện khí hậu nóng ẩm kéo dài với nồng độ O2 cao, cường độ ánh sáng cao, nồng độ CO2 lại thấp Khi pha carboxyl hoá chu trinh Calvin xảy trình oxi hoá RiDP thành Acid glycolic Acid glycolic thể hô hấp sáng Hô hấp sáng ý nghĩa mặt lượng (không giải phóng ATP), lại tiêu tốn 3050% sản phẩm quang hợp - 13 [...]... việc sản xuất sữa chua, muối dưa - 12 3 Quan hệ giữa hai quá trình hô hấp hiếu khí và kị khí trong cây: Hô hấp hiếu khí và hô hấp kị khí là hai con đường chủ yếu về trao đổi chất và năng lượng trong cơ thể thực vật Tuy nhiên, nó thể hiện tính thích nghi của thực vật trong điều kiện oxy khác nhau, bảo đảm cho cơ thể tồn tại khi thiếu oxy và hoạt động sống mạnh khi đủ oxy Hô hấp hiếu khí và hô hấp kị... đường này không cần oxy Từ acid pyruvic, nếu có oxy sẽ tiếp tục xảy ra theo con đường hô hấp hiếu khí và ngược lại không có oxy hoặc thiếu oxy sẽ hô hấp kị khí Có nhiều quá trình hô hấp kị khí khác nhau tùy theo sự thích nghi của từng loài sinh vật, qua đó cũng tạo ra nhiều loại sản phẩm như: rượu, các loại acid hữu cơ còn hô hấp hiếu khí chủ yếu xảy ra theo chu trình Krebs và cho các sản phẩm trung... theo chu trình Krebs và cho các sản phẩm trung gian khác - III HÔ HẤP SÁNG: 1 Khái niệm: Hô hấp sáng là hô hấp xảy ra ngoài ánh sáng Nhóm thực vật C3 thường xảy ra quá trình hô hấp này Đó là khi thực vật C3 phải sống trong điều kiện khí hậu nóng ẩm kéo dài với nồng độ O2 cao, cường độ ánh sáng cao, trong khi nồng độ CO2 lại thấp Khi đó trong pha carboxyl hoá của chu trinh Calvin xảy ra quá trình oxi... khử tạo thành ATP Trong hô hấp tế bào: + Cứ mỗi phân tử NADH2 khi qua chuỗi chuyền electron thì tương ứng với 3 ATP + Cứ mỗi phân tử FADH2 khi qua chuỗi chuyền electron thì tương ứng với 2 ATP Suy ra, một phân tử đường qua hô hấp hiếu khí cho ra: o Đường phân: 2 ATP o Chu trình Krebs: 2 ATP o Chuỗi chuyền electron: 10 x 3 + 2 x 2 = 34 ATP - Vậy một quá trình hô hấp tế bào qua hô hấp hiếu khí tạo ra... hô hấp hiếu khí tạo ra tất cả là 38 ATP 2 Hô hấp kị khí: Trong điều kiện môi trường thiếu oxy hoặc không có oxy, pyruvic sẽ nhận hydro và điện tử từ NADH2 Quá trình bắt đầu bằng đường phân và kết thúc với sự chuyển hoá yếm khí acid pyruvate thành nhiều chất khác nhau điển hình như acid lactic hay rượu ethanol được gọi là quá trình hô hấp kị khí (sự lên men) Hô hấp kị khí của thực vật được tiến hành theo... tử Glucose trải qua các quá trình trong hô hấp hiếu khí sẽ tổng hợp nên ATP và tạo ra các sản phẩm như sau: o 6 CO2 (nếu ở thực vật, CO2 vào quá trình quang hợp; nếu ở động vật, CO2 được hemoglobin chuyển đến phổi ra ngoài) o Đường phân: 2 Acid pyruvate, 2 ATP, 2NADH2 o Chu trình Krebs: 2 ATP, 8 NADH2, 2 FADH2 o Do đó, có 10 NADH2 và 2 FADH2 từ quá trình đường phân và chu trình Krebs đi đến chuỗi chuyền... năng lượng và các sản phẩm tạo ra (rượu, các acid ) sẽ gây độc cho cây Lên men không tạo ra ATP Sự hô hấp hiếm khí chỉ thu được ATP từ quá trình đường phân Cốt lõi của sự lên men là sự oxy hoá NADH tạo ra NAD+ cần thiết cho quá trình đường phân tiếp tục  Ở tế bào thực vật, nấm men, vi khuẩn,…sự lên men tạo ra sản phẩm cuối cùng là rượu ethanol Sự lên men rượu qua 2 giai đoạn với các phản ứng sau: -... trình Krebs tạo ra các sản phẩm trung gian để từ đó tham gia tổng hợp Lipid (Glycerin và Acid béo), Protein (Acid amin) và Glucid thứ cấp khác, có thể nói chu trình Krebs là trung tâm quan trọng để nối các quá trình trao đổi chất lại với nhau Về mặt năng lượng, 1 Acid pyruvate qua chu trình Krebs tạo ra 1 ATP, 4 NADH2 và 1 FADH2 Các Coenzyme khử NADH2 và FADH2 thực hiện chuỗi hô hấp sẽ tổng hợp nên ATP... CO2 lại thấp Khi đó trong pha carboxyl hoá của chu trinh Calvin xảy ra quá trình oxi hoá RiDP thành Acid glycolic Acid glycolic chính là bản thể của hô hấp sáng Hô hấp sáng không có ý nghĩa về mặt năng lượng (không giải phóng ATP), nhưng lại tiêu tốn 3050% sản phẩm quang hợp - 13 ... Hiện nay, lên men rượu được ứng dụng nhiều trong công nghệ chế biến thực phẩm (Ví dụ: Lên men rượu, bia, bánh mì, ) -  Ở một số vi khuẩn lên men lactic tạo ra sản phẩm cuối cùng là acid lactic Sự lên men lactic được thực hiện: 2 pyruvate + 2NADH2 Enzyme lactate dehydrogenase Acid lactic + NAD Hình 7 Sự lên men lactic Quá trình này xảy ra trong cơ thể thực vật, củ khoai tây giữ trong khí quyển sẽ tích