Sự phát quang và ứng dụng

CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM Nhóm 11-K57CNTPB Chủ đề tiểu luận: SỰ PHÁT QUANG VÀ ỨNG DỤNG Danh sách thành viên: STT 10 Họ tên thành viên Lớp Mã sinh viên I ĐẶT VẤN ĐỀ: Khi vào rừng vào ban đêm, người rừng phát trước mắt họ khu rừng sáng rực lên với đốm sáng xanh, điều gây bối rối cho nhiều người nhìn thấy lần Ánh sáng phát từ khúc gỗ, gốc hay đống mục Có thể thấy phát sáng từ đom đóm vào đêm hè thân quen, bạn phải trầm trồ trước xanh tự phát sáng đêm hay nhiều sinh vật khác với khả phát sáng kì lạ Tất tượng ví dụ phát quang Sự phát quang nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực đem lại hiệu Sự hiếu kỳ cộng thêm nhu cầu người nguyên nhân thúc đẩy người tìm kiếm vật liệu phát quang hữu hiệu hơn, ứng dụng mang tính đột phá hiệu hơn, cải thiện chất lượng sống người, có ứng dụng ngành thực phẩm Vậy phải hiểu phát quang nào, chế trình có ứng dụng cụ thể ngành công nghệ thực phẩm vấn đề tìm hiểu tiểu luận “Sự phát quang ứng dụng” II NỘI DUNG: GIỚI THIỆU VỀ SỰ PHÁT QUANG:  Sự phát quang dạng số chất ( thể rắn, lỏng khí) hấp thụ lượng dạng đó, có khả phát xạ điện từ miền ánh sáng nhìn thấy  Đặc điểm phát quang:  Mỗi chất phát quang có quang phổ đặc trưng  Sau ngừng kích thích, phát quang số chất tiếp tục kéo dài thêm khoảng thời gian Thời gian phát quang kéo dài tùy thuộc vào chất phát quang  Sự phát quang xảy nhiệt độ bình thường  Phân loại:  Hiện tượng phát huỳnh quang phát sáng vật thể hấp thụ ánh sáng chiếu vào, thời gian phát sáng không kéo dài, bước sáng ánh sáng phát dài bước song hấp thụ  Sự phát lân quang lượng từ ánh sáng bên hấp thụ phóng thích bước sóng dài huỳnh quang khoảng thời gian sau (ánh sáng từ thứ đồ chơi trẻ em tối)  Sự phát quang hóa học tạo thành ánh sáng từ phản ứng hóa học, thể sinh vật • Sự phát quang sinh học: Sự phát quang sinh học dạng phát quang hóa học, nơi mà ánh sáng phát phản ứng hóa học sảy sinh vật sống Ánh sáng tạo nhiệt nên gọi ánh sáng lạnh  Phát quang sinh học ATP: phân tử ATP ( Adenosin Triphotphat) tìm thấy tất tế bào sống nên nhận biết ATP dấu hiệu để nhận biết vật chất sống tồn ATP phát nhanh chóng lượng ánh sang phát thông qua kết hợp với enzyme Luciferase nhờ máy đo ánh sáng  MỘT SỐ SỰ PHÁT QUANG TRONG TỰ NHIÊN: Nấm Đom đóm Sứa Các sinh vật sóng biển Cây phát quang Hay số động vật phát quang khác… CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH PHÁT QUANG SINH HỌC: Phát quang sinh học có nhiều loài khác nhau, chế hóa học phản ứng phát sáng đa dạng, nói chung phản ứng oxi hóa- khử, bao gồm thành phần chủ yếu:  Cơ chất phản ứng luciferin  Enzyme xúc tác phản ứng luciferase  Oxygen Ngoài ra, loài cần thêm nhân tố khác để hoát hóa cung cấp lượng phản ứng ion Mg2+, Ca2+, FMNH2 , NADH2, ATP, phân tử protein phát huỳnh quang (green, flourescence protein_ GFP) a) Tiến trình phản ứng  Enzyme luciferase xúc tác phản ứng luciferin (đã nạp lượng) oxi tạo dạng luciferin hoạt hóa Dạng phân tử hoạt hóa có điện tử bị kích hoạt mức lượng cao, điện tử trở trạng thái ban đầu giải phóng lượng ánh sáng photon  Để hiểu rã tượng phát quang sinh học ta so sánh với trình quang hợp Phát quang sinh học ngược với trình quang hợp: o Trong quang hợp, sinh vật sống bắt lấy ánh sáng CO để tạo chất hữu giải phóng O2 o Trong phát quang sinh học, ánh sáng O2 phóng thích bẻ gãy nhiều chất hữu có sử dụng O2 b) Quang phổ  Những bước sóng ánh sáng khác phát sinh vật sống khác môi trường khác Ở loài, chế phản ứng ánh sáng không giống phổ phát quang sinh học không giống nhau, loài phát ánh sáng bước sóng khác  Hầu hết sinh vật phát ánh sáng có màu xanh có bước sóng từ 440nm đến 479nm  Các loài ruột khoang có thêm protein huỳnh quang xanh (green foulresence protein_GFP) hấp thu ánh sáng tạo từ phản ứng hóa học phát sáng lưu huỳnh màu xanh tươi có bước sóng dài – 505nm  Ánh sáng phát nấm đến 530nm  Cùng đom đóm, loài khác phát bước ánh sáng khác o Giống photinus phát ánh sáng màu vàng o Giống photiris phát ánh sáng màu xah o Giống phyractomena phát ánh sáng màu xanh  Ánh sáng phát sinh vật bước sóng định mà có khoảng dao động, khoáng có bước sóng phát chủ yếu đặc trưng cho loài c) Cường độ  Cường độ ánh sáng sinh học thấp ánh sáng ban ngày Do đó, ánh sáng ban ngày, ta nhận ánh sáng sinh học Chỉ trời tối mắt ta thích nghi với bóng tối ta nhìn thấy rã ánh sáng phát quang sinh học  Tuy nhiên, với loài phát ánh sáng mạnh đom đóm, ta nhìn thấy ánh sáng vào lúc chập choạng tối  Sự phát sáng số tảo đơn bào dễ dàng nhìn thấy bóng tối d) Về động học  Một số sinh vật phát ánh sáng liên tục nấm, vi khuẩn Nhưng hầu hết phát tia chớp phạm vi 0,1 giây đến 10 giây  Vài loài tảo đơn bào phản ứng lặp lại kích thích khoảng thồi gian  Ở đom đóm, có loài phát sáng liên tục vòng 2-3 giây, dừng 2-3 giây lại phát sáng Có loài phát sáng ngắn, lóe lên tắt ngay, ngưng khoảng giây lại lóe lên.Có loài phát snags lần liên tục nhanh, sau ngưng 34 giây.Có loài phát đốm sáng tắt, sau đốm ánh sáng kéo dài e) Các dạng lucifein  Luciferin hợp chất phản ứng phát quang sinh học Trong hầu hết trường hợp, luciferin hệ thống phát sáng từ chuỗi thức ăn từ sinh tổng hợp nội bào Mặc dù có hàng trăm dạng động vật phát quang đại dương có điều đáng ngạc nhiên có vài dạng luciferin tìm thấy  Một số dạng luciferin nghiên cứa với sinh vật sử dụng chúng hệ thống phát quang sinh học chúng o Luciferin vi khuẩn: luciferin vi khuẩn dạng khử riboflarin mononucleotit (FMNH2), bị oxi hóa kết hợp với andehyl mạch dài, oxi enzyme luciferase tạo ánh sáng o Luciferin coelenterata: coelenterazine luciferin phổ biến biển, tìm thấy nhiều loài Dạng phần tử tiếng với vật tạo ánh sáng sinh vật photoprotein (aequorin) o Luciferin đom đóm: luciferin dùng hệ thống luciferin-luciferase yêu cầu ATP Bởi vậy, dùng định sinh học xác định lượng sống f) Đặc điểm chung luciferase  Luciferase nhóm enzyme oxi-hóa (oxigenase) dùng õi để oxi hóa chất luciferin phản ứng phát sáng Tuy nhiên,trong số loài, phát sáng không phản ứng enzyme o Sự phát sáng sứa dung photoprotein kích hoạt ion Ca 2+, có số ý kiến cho gọi enzyme mà protein o Sự phát sáng nấm panellus stipticus chất gọi panal phản ứng với oxi tạo ánh sáng VAI TRÒ CỦA PHÁT QUANG SINH HỌC TRONG TỰ NHIÊN: Vai trò phát quang sinh học tự nhiên số loài chưa biết rõ ràng Người ta cho khả phát quang sinh học số loài giúp chúng tồn đấu tranh sinh tồn:  Sự phát sáng đom đóm số loài giáp xác giúp chúng tìm mùa sinh sản  Một số loài cá biển sâu phát ánh sáng để nhìn thấy hay dụ mồi, dọa kẻ thù chúng  Có loài mực ống bị công, chúng phun đám vi khuẩn phát sáng đánh lạc hướng kẻ thù  Một số loài cá mực nước nông tạo đốm sáng vật ngụy trang,     cho phép chúng ẩn nấp, lẩn tránh tia sáng mặt trời nước Những động vật biển sâu tiến hóa tạo ánh sáng chúng, ánh sáng mặt trời xuyên xuống 100m Những đốm sáng biển vòng cung xuất phát từ loài tảo phát quang bị khuấy động chuyển động song Một số sinh vật phát ánh sáng chúng bị lung túng Vi khuẩn phát quang sinh học nguyên nhân phổ biến loài hải sản biển phát quang Hầu hết cá phát quang không tạo ánh sáng chúng Thay vào đó, chúng mang vi khuẩn phát quang Một số loài cá có vi khuẩn sống khe hở phía mắt chúng Ánh sáng chiếu từ khe hở cho phép cá thấy tốt môi trường sống tối tăm chúng  Ở loài cá khác cá vây chân, sử dụng vi khuẩn phát quang để bắt mồi Khi cá khác bị hấp dẫn đến ánh sáng gần hàm chúng bị xơi tái Một số loài cá sử dụng vi khuẩn phát sáng để giúp chúng tìm cho việc giao phối giúp giữ chúng bên đàn 4 ỨNG DỤNG CỦA SỰ PHÁT QUANG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM: a) Đánh giá mức độ vệ sinh phương pháp ATP quang (Ứng dụng chế phát quang đom đóm: Cơ chế phát quang đom đóm sử dụng lượng ATP, ứng dụng phương pháp kiểm tra nhanh nhiễm khuẩn thực phẩm)  Một vấn đề việc trì an toàn thực phẩm việc cần thiết phải nhanh chóng tìm vi sinh vật để hạn chế bùng phát, lây lan cộng đồng Quá trình quan trọng phân phối tràn nguồn thực phẩm dễ ôi thiu Các kĩ thuật nuôi cấy vi sinh vật đạt tiêu chuẩn đòi hỏi ngày đến tuần để phát cách chắn mầm bệnh  Tất vi sinh vật trái đất sử dụng lượng ATP để thực nhiều trình : tạo thành tế bào, sinh tổng hợp protein, tạo màng tế bào… Hiện nay, lĩnh vực công nghệ sinh học đưa thị trường số dụng cụ để đo ATP,một chất thị để phát vi sinh vật Bằng kĩ thuật này, người ta xác định mức độ nhiễm vi sinh vật bề mặt thiết bị  Nguyên lí  Sự xuất ATP bề mặt trơ hay phận trang thiết bị cho thấy xuất vi sinh vật, không cho biết loài vi sinh vật  Một lượng đáng kể ATP bề mặt thiết bị trình  Cách tiến hành  Dùng que đo (swab) lấy mẫu bề mặt thiết bị quét lên vùng cần kiểm tra Sau enzyme luciferase đưa vào Nếu có vi sinh vật enzyme luciferase xúc tác cho phản ứng ATP luciferrin tạo tượng phát quang  Ứng dụng  Trong việc kiểm tra độ máy móc thiết bị dụng cụ, bao bì đóng gói cho nhà máy chế biến thực phẩm, dược phẩm, nhà hàng, siêu thị b) Nghiên cứu tạo phức hợp kháng thể hạt nano silica phát quang để phát nhanh vi khuẩn gây bênh ( phát xác nồng độ thấp):  Điểm bật:  Trong số loại vi khuẩn gây ngộ độc thực phẩm, E.coli O157:H7 xem nguy hiểm với liều gây độc thấp (10-100 tế bào) Người ta sử dụng nhiều phương pháp khác để phát chúng như: đếm tế bào kính hiển vi, đếm khuẩn lạc đĩa thạch, miễn dịch học enzym, đầu dò enzym, ELISA, kít chuẩn PCR  Phương pháp phát E.coli O157:H7 thực phẩm mang tính pháp lý Việt Nam sử dụng kỹ thuật làm giầu, xác định khuẩn lạc nghi ngờ E.coli O157:H7 đĩa thạch SMAC sau ủ ấm 37oC 24 Từ khuẩn lạc nghi ngờ, tiến hành kiểm tra tính chất sinh hóa ngưng kết đặc hiệu để khẳng định E.coli O157:H7  Tuy nhiên, tất phương pháp nêu phát xác số lượng vi khuẩn nồng độ thấp Để khắc phục nhược điểm nêu trên, người ta ứng dụng loại vật liệu nano phát quang hạt silica chứa tâm màu hay chấm lượng tử QD chứa nhóm chức sinh học bề mặt chất đánh dấu huỳnh quang để phát nhanh xác số lượng vi khuẩn gây bệnh thực phẩm kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang Khâu cốt lõi kỹ thuật sử dụng hạt nano silica chứa tâm màu việc chế tạo phức hợp kháng thể đặc hiệu vi khuẩn đích với hạt silica phát quang bền vững Vi khuẩn E coli  Cách tiến hành:  Phức hợp hạt nano silica + kháng thể đặc hiệu tạo nhiều chế khác Theo tác giả người Mỹ Xing Y cộng (2008), có cách để tạo phức hợp là: gắn kết trực tiếp thông qua liên kết amine–carboxylic; sử dụng SMCC làm xúc tác tạo cặp sulfhydrylamine; gắn kết trực tiếp thông qua nhóm carbon-hydrate bị oxy hóa phần Fc kháng thể; gắn kết peptide gắn histidine kháng thể lên chấm lượng tử Ni-NIA hóa; gắn kết không hóa trị hạt nano silica bọc streptavidin với kháng thể biotin hóa biotinylated Mỗi kiểu gắn kết có ưu điểm hạn chế riêng Nhưng nhìn chung, nhiều cầu nối trung gian kháng thể hạt nano chứa tâm màu phát quang làm cho phức hợp bền vững kháng thể không hoạt tính lâu  Sau tạo phức hợp kháng thể đặc hiệu + hạt nano silica, tiến hành kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang để phát xác định số lượng vi khuẩn đích Có nhiều cách phát vi khuẩn đích như: quan sát đếm trực tiếp tế bào vi khuẩn phát quang kính hiển vi huỳnh quang; xác định số lượng vi khuẩn (VK) đích đường chuẩn cường độ phát quang vi khuẩn gắn hạt nano số lượng vi khuẩn dung dịch chuẩn Cường độ phát huỳnh quang hàm số f số lượng tế bào vi khuẩn đích mẫu  Kết quả:  Phức hợp kháng thể hạt silica tạo thành có khả nhận biết liên kết đặc hiệu với vi khuẩn đích E coli O157:H7 vòng 20 phút, tỉ lệ vi khuẩn đích gắn phức hợp phát quang đạt > 60% sau ngày phức hợp giữ nguyên hoạt tính Giới hạn phát kỹ thuật đối vối vi khuẩn đích 102 CFU/ml, thời gian phát nhanh phương pháp thông thường nhiều lần a.phức hợp hạt nano silica-kháng thể b.vi khuẩn gắn với phức hợp kháng thể-silica c.vi khuẩn gắn với phức hợp kháng thể-QDs c) Ứng dụng phát quang phát độc tố thực phẩm: Độc tố Aflatoxin tạo từ loại nấm mốc thuộc dòng Aspergillus, mọc loài ngũ cốc, có Aflatoxin B1 (AFB1) chủ yếu loài Aspergillus flavus sinh có độc tính cao Phương pháp phân tích định danh loài nấm mốc chủ yếu dựa vào đặc điểm hình thái, nhiên dựa vào phương pháp khó phân biệt với loài Aspergillus oryzae mà có chuyên gia có kinh nghiệm phân biệt hai loài Aspergillus flavus Gần nhà nghiên cứu đưa phương pháp dung để sang lọc chủng nấm mốc sinh độc tố Aflatoxin cách them cyclodextrin vào môi trường nuôi cấy nấm mốc để kích thích phát huỳnh quang Aflatoxin Sự phát huỳnh quang quan sát trực tiếp môi trường nuôi cấy đền UV với bước song 365nm Khả phát huỳnh quang Aflatoxin có hình thành cấu trúc dị vòng bị oxy hóa Cyclodextrin phân tử hình thành phản ứng enzyme cydtransglycolase lên dextrans Các phân tử cyclodextrin có kích thước khác nhau, phân tử dung làm tăng khả phát huỳnh quang Aflatoxin d) Những ứng dụng công nghệ thực phẩm:  Thực phẩm phát sáng:  Kẹo kích thích vị giác với vị chua hay hương thơm trái Nhưng công ty BioLume muốn làm cho loại kẹo có thú vị mới-đó phát sáng Trong nhiều năm qua, công ty Bắc Carolina ( Mỹ) mày mò nghiên cứu cách pha trộn thêm nhiều thành phần phát sáng vào kẹo que, chewing-gum…  Terry Williard-CEO BioLume cho biết enzyme phát sáng xuất phát từ sinh vật biển phát triển phòng thí nghiệm Sauk hi tiếp xúc với oxygen dung dịch nước ( nước bọt chúng ta) viên kẹo chứa protein phát sáng gây phản ứng giải phóng photon (quang tử) Tùy theo cách mút kẹo nhiều hay mà tượng phát quang kéo dài vài giây hay vài phút  Hiện thời, công ty BioLume tranh thủ phê chuẩn Cơ quan quản lý thực phẩm dược phẩm Mỹ (FDA) Thậm chí, Williard cho biaats BioLume muốn tạo thứ bánh kem đồ uống có cồn phát quang Ví dụ công ty nghiên cứu phát triển loại bia phát sáng gọi Bud Lights  Sự phát quang vốn có ứng dụng lớn lĩnh vực bảo đảm an toàn thực phẩm Mặc dù chế phát quang xúc tác enzyme luciferase từ vi khuẩn tế bào eukaryote khác so với tế bào vi khuẩn (một khác biệt ATP không sử dụng trực tiếp) chúng giống điểm: cường độ phát quang tỷ lệ với thời gian sống sót tế bào trạng thái lượng Điều mở ứng dụng chủng vi khuẩn tái tổ hợp liên quan đến thực phẩm Vi khuẩn tái tổ hợp mang gen mã hóa cho enzyme luciferase dụng để đánh giá mức độ làm công đoạn chế biến công nghệ thực phẩm quy mô công nghiệp Các vi khuẩn phát quang đưa vào bề mặt mẫu, vùng làm dây chuyền sản xuất, vi khuẩn phát quang bề mặt có chứa vi sinh vật Điều cho phép phát vi sinh vật khoảng thời gian ngắn, phương pháp đếm khuẩn lạc đĩa thạch 24h III KẾT LUẬN: Sự phát quang sinh học có nhiều loài khác nhau, enzyme luciferase xúc tác phản ứng luciferin (đã nạp lượng) oxi tạo dạng luciferin hoạt hóa Dạng phân tử hoạt hóa có điện tử bị kích hoạt mức lượng cao, điện tử trở trạng thái ban đầu giải phóng lượng ánh sáng photon Sự phát quang có nhiều ứng dụng to lớn hữu ích cho ngành công nghệ thực phẩm, đặc biệt việc đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm, phát vi khuẩn, độc tố thiết bị, máy móc, sản phẩm…Trong tương lai chắn tượng nghiên cứu có nhiều ứng dụng tuyệt vời nữa, góp phần đảm bảo cho ngành thực phẩm ngày phát triển  ... 4 ỨNG DỤNG CỦA SỰ PHÁT QUANG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM: a) Đánh giá mức độ vệ sinh phương pháp ATP quang (Ứng dụng chế phát quang đom đóm: Cơ chế phát quang đom đóm sử dụng lượng ATP, ứng dụng. .. có ứng dụng ngành thực phẩm Vậy phải hiểu phát quang nào, chế trình có ứng dụng cụ thể ngành công nghệ thực phẩm vấn đề tìm hiểu tiểu luận Sự phát quang ứng dụng II NỘI DUNG: GIỚI THIỆU VỀ SỰ... thích, phát quang số chất tiếp tục kéo dài thêm khoảng thời gian Thời gian phát quang kéo dài tùy thuộc vào chất phát quang  Sự phát quang xảy nhiệt độ bình thường  Phân loại:  Hiện tượng phát