hô hấp và ứng dụng trong bảo quản nông sản

LỊCH SỬ NGHIÊN CỨUĐể chứng minh sự tồn tại của quá trình hô hấp ở thực vật, nhiều nhà nghiên cứu sinh lý học thực vật trên thế giới đã làm các thí nghiệm kiểm chứng và đưa ra kết luận dự

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 6

Tổ : 10

Email : thn1996@yahoo.com.vn

SVTH : Trần Hạ Nghi – 2008140452

Phan Thị Kim Ngân – 2008140422 Nguyễn Đức Sang – 2008140247

Năm học: 2014-2015

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ

A. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

B. HÔ HẤP Ở THỰC VẬT

I. Khái quát về quá trình hô hấp ở thực vật

1. Khái niệm

2. Phương trình hô hấp tổng quát

3. Ý nghĩa của hô hấp trong đời sống thực vật

II. Cơ chế của quá trình hô hấp ở thực vật

1. Hô hấp hiếu khí và hô hấp kị khí ở thực vật

a/ đướng phân b/Crebs c/chuỗi truyền electron

2. Mối quan hệ hiếu khí kị khí

III. Hô hấp sáng

IV. Mối quan hệ giữa hô hấp và quang hợp

I. Ảnh hưởng của hô hấp trong quá trình bảo quản nông sản

II. Các biện pháp khống chế hô hấp trong bảo quản nông sản

1. Khống chế độ ẩm

2. Khống chế nhiệt độ

3. Khống chế thành phần khí trong môi trường bảo quản

III. Các biện pháp bảo quản

1. Bảo quản khô

2. Bảo quản lạnh

3. Bảo quản trong điều kiện nồng độ CO2 cao

D. TÀI LIỆU THAM KHẢO

ĐẶT VẤN ĐỀ

A. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

Để chứng minh sự tồn tại của quá trình hô hấp ở thực vật, nhiều nhà nghiên cứu sinh lý học thực vật trên thế giới đã làm các thí nghiệm kiểm chứng và đưa ra kết luận dựa trên những kết quả đạt được

• Joseph Priestlay (1733-1804) là một trong những nhà khoa học Anh đầu tiên nghiên cứu về sự thở của thực vật Ông đam mê nghiên cứu chất khí Năm

1771, ông đã chứng minh rằng cây cối có thể tái tạo lại chất

khí bẩn do động vật thở Chính Lavoisier đã đặt tên chất đó

là “oxygen”

• Bốn năm sau, Nhà thực vật học Jan Ingenhousz (1730-1799)

đã chứng minh rằng thực vật chỉ thải ra khí oxygen khi có

ánh sáng Ban đêm, cây cối thải ra chất khí mà đèn cầy

không thể cháy được trong chất khí này, đó là khí carbonic

• Sau đó, Nhà thực vật học người Thuỵ Sĩ mang tên là Jean

Sénebier (1742-1809) cũng cho rằng thực vật hấp thụ khí

carbonic và xác định rằng dưới tác dụng của ánh sáng, chất

khí này bị phân tích thành khí oxygen

• Đến cuối thế kỷ XVIII, các nghiên cứu sinh lý học thực vật công nhận rằng cây cối cũng thở như động vật Ngoài ra, chúng còn có khả năng chế biến chất

hữu cơ từ chất vô cơ khi được đặt trong ánh sáng Tính chất này

gọi là sự tự dưỡng, giúp chúng sống mà không cần dung chất

hữu cơ lấy từ các động vật

• Cho đến năm 1842, một nhà hoá học người Đức mang tên là

Lustus von Liebig (1803-1873) đã phủ nhận sự tồn tại của quá

trình hô hấp trong cây xanh

• Cuối thế kỷ XIX – đầu thế kỷ XX, nghiên cứu thực nghiệm đã

chứng minh được sự tồn tại của quá trình hô hấp ở cây xanh [1]

5

Hình 1 Jan Ingenhousz

Hình 2 Lustus von Liebig

B. HÔ HẤP Ở THỰC VẬT

I. KHÁI QUÁT QUÁ TRÌNH HÔ HẤP Ở THỰC VẬT:

1. Khái niệm:

- Hô hấp ở thực vật là quá trình chuyển đổi năng lượng của tế bào sống Trong đó các phân tử

carbohdydrat bị phân giải thành CO2 và H2O, đồng thời giải phóng năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của cơ thể được tích luỹ trong ATP Về hình thức, hô hấp là quá trình trao đổi khí giữa cơ thể với môi trường

2. Phương trình hô hấp tổng quát:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Năng lượng (nhiệt + ATP)

3. Ý nghĩa của hô hấp ở thực vật:

- Hô hấp là trung tâm trao đổi năng lượng của tế bào, thông qua hô hấp mà năng lượng dự trữ trong các hợp chất hữu cơ được chuyển hoá thành dạng năng lượng ATP giúp duy trì nhiệt độ thuận lợi hoạt động sống của tế bào

- Nếu không có hô hấp sẽ không có ATP và sự sống sẽ không thể tồn tại

- Hô hấp tạo ra các sản phẩm trung gian làm nguyên liệu cho quá trình trao đổi chất và tổng hợp chất hữu cơ trong cơ thể để cấu trúc nên tế bào, cơ quan

- Hô hấp còn có vai trò quan trọng đến nhiều hoạt động sinh lí khác trong cây: hút khoáng, hút nước, vận chuyển các chất trong cây

- Hô hấp có tác dụng tạo ra kháng thể để bảo vệ cơ thể, tăng khả năng chống chịu của cây trước ngoại cảnh bất lợi như: hạn, nóng,…

- Đặc biệt, hô hấp có một ý nghĩa lớn đối với việc bảo quản các đối tượng thực vật Hiểu được mối liên quan giữa hô hấp với các điều kiện ngoại cảnh, có thể điều khiển các đối tượng bảo quản giữ được chất lượng theo mục đích của mình

-II. CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH HÔ HẤP Ở THỰC VẬT:

Trong quá trình tồn tại, thực vật luôn tiến hoá để thích nghi cao với mọi điều kiện trong biến đổi tự nhiên nên đã hình thành nhiều phương thức hô hấp và con đường trao đổi chất Trong đó, hô hấp hiếu khí và hô hấp kị khí là hai con đường chủ yếu đối với thực vật

1. Hô hấp hiếu khí:

- Hô hấp hiếu khí là quá trình hô hấp xảy ra trong môi trường có oxi

- Hô hấp hiếu khí xảy ra qua 3 giai đoạn:

o Đường phân (xảy ra ở tế bào chất)

o Chu trình Krebs (xảy ra ở chất nền ti thể)

o Sự vận chuyển điện tử (xảy ra ở màng trong ti thể)

a. Đường phân:

- Còn được gọi là con đường Embden-Meyerhof Xảy ra ở tế bào chất với sự tham gia của nhiều hệ enzyme

- Là giai đoạn phân huỷ phân tử glucose (6C) thành là acid pyruvate (3C) và NADH2

- Điểm đặc biệt của quá trình này là sử dụng phân tử đường đã được hoạt hoá nhờ photphoryl hoá tạo đường photphat, do đó phân tử trở nên hoạt động dễ bị biến đổi

- Vì không sử dụng oxy, quá trình có thể xảy ra dù có sự hiện diện của O2hay không hiện diện Đây là quá trình chung cho cả hô hấp hiếu khí và hô hấp kị khí

- Kết quả được biểu diễn theo phương trình:

C6H12O6 + 2NAD + 2ADP → 2CH3-CO-COOH + 2NADH2 + 2ATP

Quá trình đường phân bao gồm nhiều phản ứng xảy ra liên tục và có thể chia ra làm 3 giai đoạn chính:

+ Giai đoạn I: Tích lũy đường đơn, hoạt hóa phân tử đường glucose và biến đổi thành đường

fructose - 1.6dP Quá trình này qua nhiều giai đoạn trung gian và tiêu tốn năng lượng (sử dụng 2 ATP)

+ Giai đoạn II: Phân giải fructose -1.6 dP thành 2 phân tử đường 3C là PDA và AlPG

+ Giai đoạn III: Từ AlPG, trải qua các bước oxy hóa khử với sự xúc tác của nhiều enzyme để tạo ra

acid pyruvate Giai đoạn này có sự tham gia của NAD để hình thành nên 2NADH2 và 4ATP

- Kết quả cuối cùng tạo ra 2 Acid pyruvate, 2 ATP, 2 NADH2, giải phóng ion H+, e- Trong hô hấp hiếu khí Acid pyruvate phân huỷ tiếp qua chu trình Krebs còn 2 NADH2 thực hiện chuỗi hô hấp

để tạo 2 H2O và 2 NAD

- Thực ra, đường phân tạo được 4 ATP, nhưng do có 2 ATP được sử dụng để hoạt hoá glucose trong giai đoạn đầu của đường phân nên tế bào chỉ thu được 2 ATP

- Đường phân không có ý nghĩa lớn về mặt năng lượng (chỉ tạo 2 ATP và 2 NADH2 tương đương với 8 ATP) mà chủ yếu là biến đổi phân tử Glucose thành dạng có hoạt tính cao và các sản phẩm trung gian tham gia vào các quá trình trao đổi chất tiếp theo

Glucose

ATP

ADP

7

Hexokinase

Glucose 6-phosphate

(6C) Fructose 6-phosphate

ATP

ADP

Fructose 1,6-bisphosphate

Aldolase

Glyceraldehytde-3-P (AlPG) Dihydroxyacetone-P (PDA)

NAD + + P i

1,3-bisphosphoglycerate

ADP

ATP

3-phosphohoglycerate

2-phosphohoglycerate

H 2 O

Phosphoenolpyruvate

ADP

ATP

Pyruvate

Hính 3 Sơ đồ tóm tắt quá trình đường phân

b. Chu trình Krebs và chuỗi truyền electron:

- Chu trình Krebs do Hans Crebs khám phá từ năm 1937

- Xảy ra trong chất nền của ti thể (matrix) nhờ sự xúc tác của nhiều hệ enzyme

Phosphoglucose Isomerase

Phospho Fructokinase

Glyceraldehytde-3-phosphate Dehydrogenase

PhosphoGlycerate Kinase

PhosPhoglycerate Mutase

Enolase

Pyruvate Kinase

- Sau khi 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 này còn được gọi là chu trình acid citric vì acid này là một chất trung gian quan trọng Nó còn có tên gọi nữa là chu trình acid tricarboxylic (ATC) vì trong chu trình tạo nên một số acid hữu cơ có 3 nhóm carboxyl

- Bản chất của các phản ứng xảy ra trong chu trình Krebs chủ yếu là Decarboxyl hoá và

Dehydro hoá (khử carboxyl và khử hydro) của Acid pyruvate

 Trước khi vào chu trình Krebs, pyruvic xảy ra sự oxy hoá tạo thành acetyl-coA:

 O 2 hiện diện là chất nhận điện tử cuối cùng từ NADH.

 Acid pyruvate sẽ được đưa vào ty thể và tiếp tục được biến dưỡng tạo ra nhiều ATP mới.

Phương trình tổng quát:

2pyruvate + 2 CoA + 2NAD +  2 acetyl-CoA + 2 CO 2 + NADH

 Tiếp theo acetyl-CoA cung cấp cho phức hợp của hàng loạt phản ứng hoá học nối tiếp nhau theo vòng tròn khép kín trong chu trình Krebs

- Chu trình Krebs có chuỗi phản ứng mang tính chất vòng nên có thể được chia làm 2 giai đoạn chính:

+ Acid pyruvate bị phân hủy triệt để tạo thành CO2, các Coenzyme dạng khử và hợp chất trung gian:

2 CH3COCOOH + 6 H2O  6 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 năng lượng, phần lớn năng lượng được tích lại dưới dạng phân tử ATP:

10 H2 + 5 O2  10 H2O

9

Hình 4 Sự oxy hoá pyruvate

Hình 5 Chu trình Krebs

- Các phản ứng của chu trình Krebs có thể tóm tắt như sau:

o Tổng hợp acid citric: Acetyl-CoA gắn với acid oxaloacetic nhờ citrate symthease, do năng lượng vỡ của nối S-CoA

o Isomer hoá tạo acid isocitric nhờ aconitase qua 2 bước

o Khử hydro và khử acid isocitric nhờ isocitric dehydrogenase qua 2 phản ứng: khử hydro và khử CO2

o Oxy hoá khử CO2 của acid alpha-ketoglutaric do ketoglutarate dehydrogenase, tạo ra succinyl-CoA và nhả ra CO2

o Tách CoA khỏi succinylCoA do succinyl-CoA-hydrolase

o Khử hydro của acid succinic do succino-dehydrogenase đổi thành acid fumaric với sự tham gia của FADH2

o Thâu 1 H2O nhờ furmarase tạo ra acid malic

o Khử hydro của acid malic nhờ malice-dehydrogenase có NAD khử, đổi acid malic ra acid oxaloacetic Chu trình quay lại từ đầu [2]

- Chu trình Krebs ở mọi tế bào thực vật đều tương tự nhau

- Chu 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

- Như vậy, một phân 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 electron bị Coenzyme 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 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 những phương thức lên men của vi sinh vật

Sự lên men ở thực vật chỉ có tính tạm thời, nếu kéo dài thời gian cây sẽ chết do thiếu 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:

2 pyruvate 2 CH3CHO + 2 CO2

2 CH3CHO + 2 NADH2 2 CH3CH2OH + NAD Như vậy, từ một phân tử đường sẽ tạo ra 2 phân tử rượu Etylic và 2 phân tử CO2

11

Enzyme pyruvate decarboxylase

- Sự lên men rượu ở thực vật bậc cao được Bernard chú ý từ năm 1821 ở các loại quả (táo, chanh, cam, quýt,…) Năm 1869, Lechartier và Bellamy xác nhận: Cơ quan giàu glucid (rễ, củ ) cũng có sự lên men khi đặt những cơ quan này vào một bình hoàn toàn kín Sự lên men rượu còn xảy

ra ở một số loại cây vào những ngày đầu sau khi nảy mầm (đậu Hà lan, lúa, đại mạch )

- 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 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 luỹ nhiều

Hình 6 Sự lên men rượu

Enzyme lactate dehydrogenase

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 khí cùng có chung một đoạn đường trao đổi chất từ đường glucose đến acid pyruvic, đoạn 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 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 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 30-50% sản phẩm quang hợp

-13