1.5.1.1. Định nghĩa [13]
- Enzyme là chất xúc tác sinh học có bản chất là protein. Enzyme có trong tế bào của mọi cơ thể sinh vật. Enzyme không những làm nhiệm vụ xúc tác đặc hiệu cho các phản ứng hoá học nhất định trong cơ thể sinh vật (invivo) mà còn xúc tác cho các phản ứng ngoài tế bào (invitro).
- Enzyme có nguồn gốc từ vi sinh vật nên được gọi là chất xúc tác sinh học nhằm phân biệt với các chất xúc tác hoá học khác. Sự có mặt của enzyme giúp cho nhiều phản ứng hoá học rất khó xảy ra trong điều kiện bình thường ở ngoài cơ thể (do cần nhiệt độ cao, áp suất cao, acid hay kiềm mạnh,..) nhưng trong cơ thể, nó lại xảy ra hết sức nhanh chóng, liên tục và nhịp nhàng với nhiều phản ứng liên hợp khác nhau (nhiệt độ 37oC, áp suất thường, không cần kiềm mạnh hay acid mạnh,..)
1.5.1.2. Nguồn thu nhận enzyme [12]
- Enzyme có thể thu nhận từ những nguồn sau:
Động vật: pepsin từ dạ dày, trypsin từ tuỵ tạng, renin từ ngăn thứ 4 dạ dày bê,…
Thực vật: amylase từ hạt nảy mầm, bromelin từ quả thơm, papain từ quả đu đủ,…
Vi sinh vật: nấm men, nấm mốc, vi khuẩn,…
- Enzyme có nguồn gốc từ vi sinh vật có nhiều ưu điểm nổi bật vượt trội hơn so với các enzyme có nguồn gốc từ động vật và thực vật:
Hoạt tính enzyme vi sinh vật rất cao, do vậy chỉ cần sử dụng một lượng nhỏ enzyme có thể chuyển hoá một lượng cơ chất lớn.
Vi sinh vật có khả năng tổng hợp nhiều loại enzyme khác nhau mà trong đó có những enzyme mà động vật, thực vật không tổng hợp được.
26
Vi sinh vật sinh sản, phát triển và tổng hợp enzyme với tốc độ cực kỳ nhanh chóng, môi trường nuôi chúng lại đơn giản, dễ kiếm, thường là phế phụ liệu của ngành công nghiệp. Do đó thời gian thu nhận enzyme nhanh chóng, giá thành rẻ, dễ áp dụng cho mọi cơ sở sản xuất.
Vi sinh vật chịu ảnh hưởng lớn của thành phần môi trường dinh dưỡng nuôi chúng, cũng như một số tác nhân lý, hoá, cơ học tác dụng lên chúng trong quá trình nuôi.
- Sự thay đổi thành phần môi trường nuôi, hoặc tác động bằng tác nhân lý học, cơ học,… có thể tạo ra những chủng đột biến nhằm tạo ra một lượng đáng kể enzyme với hoạt tính xúc tác cao. Một điều đặc biệt lý thú, làm cho các nhà khoa học chú ý và áp dụng là trong điều kiện bình thường vi sinh vật chỉ tổng hợp một lượng enzyme vừa đủ cho hoạt động sinh lý của cơ thể chúng (sự tổng hợp enzyme “bản thể”). Tuy nhiên khi tăng hàm lượng một số chất hoặc thêm một số chất mới vào môi trường nuôi; đặc biệt là cơ chất của enzyme thì sự tổng hợp enzyme tương ứng tăng lên một cách đáng kể. Hiện tượng này được gọi là sự tổng hợp enzym “cảm ứng”, và sự tổng hợp một lượng đáng kể enzyme còn gọi là “siêu tổng hợp” enzyme. Ví dụ: khi thêm tinh bột, dextrin vào môi trường nuôi một vi sinh vật (nấm mốc), sự tổng hợp amylase tăng lên một cách đáng kể hoặc cho thêm protein sẽ làm tăng tổng hợp protease.
- Phương pháp sinh tổng hợp đã cho phép chúng ta thu nhận nhiều enzyme khác nhau, đặc biệt là các chế phẩm hydrolase như amylase, protease, cellulase,… Hiện nay, các chế phẩm enzyme này được sử dụng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực trong đó lĩnh vực nông nghiệp thường sử dụng chế phẩm dưới dạng thô.
27
1.5.2. Các enzyme quan trọng trong tiêu hoá thức ăn của động vật thường được sử dụng trong chăn nuôi gia súc.
1.5.2.1. Amylase
Đặc điểm enzyme [28],[40]
- Hệ amylase là một trong số các hệ enzyme được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong đó có nông nghiệp.
- Amylase có trong nước bọt, dịch tiêu hoá của người và động vật, trong hạt, củ nảy mầm, nấm mốc, vi khuẩn và một số chủng nấm men.
- Hiện nay, amylase được thu nhận từ canh trường vi khuẩn, nấm mốc theo phương pháp nuôi cấy bề mặt và bề sâu.
- Phân loại: có 6 loại amylase ( 3 loại thuỷ phân liên kết α1-4, 3 loại thuỷ phân liên kết α1-6 glycoside).
α-amylase (EC 3.2.1.1)
Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc chuỗi protein của α-amylase [60]
- α-amylase là một metaloenzyme (enzyme cơ kim), trong phân tử có chứa calcium tham gia vào sự hình thành và ổn định cấu trúc bậc 3 của enzyme, duy trì cấu hình hoạt động, quyết định tính bền nhiệt của enzyme.
- Xúc tác thuỷ phân liên kết α1-4 glycoside nằm ở bên trong phân tử cơ chất (tinh bột, glycogen) nên được gọi là enzyme amylase nội phân (endoamylase).
- α-amylase của vi sinh vật có những tính chất rất đặc trưng về cơ chế tác dụng, khả năng chuyển hoá tinh bột và chịu nhiệt. Ví dụ: α-amylase của nấm mốc có pHop= 4,5 – 4,9; của vi khuẩn pHop = 5,9 – 6,1.
28 β-amylase (EC 3.2.1.2)
Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc chuỗi protein của β-amylase [60]
- β-amylase là một albumin, enzyme ngoại phân (exoenzyme), chỉ có trong malt, kém bền ở nhiệt độ cao, bị vô hoạt hoàn toàn ở 700C.
- Xúc tác thuỷ phân liên kết α1-4 glycoside tuần tự từng gốc maltose một từ đầu không khử của mạch và do maltose tạo ra cấu hình nên enzyme này được gọi là β-amylase.
- Khi cả α-amylase và β-amylase cùng đồng thời thuỷ phân tinh bột thì hiệu suất thuỷ phân đạt đến 95%.
Glucoamylase ( EC 3.2.1.3)
Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc chuỗi protein của glucoamylase [60]
- Glucoamylase là một enzyme ngoại bào (exoenzyme), thuỷ phân liên kết 1-4 và 1-6. Ngoài ra còn có khả năng thuỷ phân liên kết 1-2, 1-3 glycoside, do vậy, nó có khả năng thuỷ phân hoàn toàn tinh bột, glycogen, Am, Ap, dextrin cuối, izomaltose, maltose đến sản phẩm cuối cùng là glucose.
- Đa số glucoamylase đều thuộc loại “chịu acid”, pHop=3,5-5, top=50-600C, mất hoạt tính ở nhiệt độ trên 700C.
29
- Glucoamylase là enzyme đứng vị trí hàng đầu về hiệu lực thuỷ phân tinh bột và các sản phẩm trung gian, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Oligo-1,6-glucosidase ( EC 3.2.1.10)
- Thuỷ phân các liên kết 1-6 glycoside trong izomaltose, panose, các dextrin tới hạn và có thể chuyển hoá chúng đến các loại đường có thể lên men được. - Một số enzyme cùng họ hàng: amylopectin-1,6-glycosidase (EC 3.2.1.9),
dextrin-1,6-glycosidase (EC 3.2.1.33).
- Cả 3 enzyme này (dextrinase) đều hoạt động ở top=400C, pHop=5,1.
Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc chuỗi protein của oligo-1,6-glucosidase [60]
α-glycosidase(α-D-glucozit-glucohydrolase, EC 3.2.1.20)
- Enzyme -glucosidase có tác dụng thuỷ phân đường maltose thành glucose nhưng không thuỷ phân được tinh bột.
- Như vậy, giống như dextrinase, enzyme này giúp cho quá trình lên men cuối chuyển đường thành rượu etylic góp phần nâng cao hiệu suất lên men.
30 Transglucosilase (EC 2.4.1.3)
- Enzyme này thường tồn tại song song với glucoamylase (trong chế phẩm nấm mốc Aspergillus), có hoạt tính thuỷ phân và hoạt tính chuyển nhóm. - Transglucosilase không chỉ thuỷ phân maltose thành glucose mà còn tổng
hợp nên izomaltose, izotriose và panose, tức là có khả năng chuyển gốc glucose đến gắn vào phân tử maltose hoặc phân tử glucose bởi liên kết α1-6 glycoside để tạo thành các glycoside trên..
- Sự có mặt của enzyme này trong chế phẩm enzyme amylase dùng để biến hình tinh bột là điều không mong muốn vì nó xúc tác sự tổng hợp lại các izosaccharide từ chính các sản phẩm tinh bột, làm giảm hiệu suất đường hoá, dịch thuỷ phân có vị đắng không mong muốn.
Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc chuỗi protein của transglucosilase [60]
Ứng dụng
- Amylase là enzyme thuỷ phân tinh bột được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
- Trong nông nghiệp, amylase thường được sử dụng bổ sung vào thức ăn gia súc làm tăng cường khả năng tiêu hoá và hấp thụ thức ăn.
- Amylase cũng được bổ sung vào các chế phẩm dinh dưỡng, chế phẩm enzyme sử dụng trong chăn nuôi nhằm làm tăng hiệu quả sử dụng thức ăn, tăng sản lượng và chất lượng trong chăn nuôi.
31
1.5.2.2. Protease
Đặc điểm enzyme [28],[40]
- Nhóm protease xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết peptid (-CO-NH)n trong phân tử protein và polypepytid đến sản phẩm cuối cùng là các acid amin. Nhiều protease cũng có khả năng thuỷ phân liên kết ester và vận chuyển acid amin.
- Nhóm enzyme này được chia làm 4 phân nhóm: Aminopeptidase
- Thuỷ phân liên kết peptid ở đầu nitrogen amin (-NH2) của mạch polypeptid. - Phân nhóm enzyme aminopeptidase thuộc loại exo-peptidase (enzyme ngoại
phân).
Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc chuỗi protein của leucyl aminopeptidase [60]
Carboxylpeptidase
Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc chuỗi protein của metallocarboxylpeptidase D [60]
- Xúc tác thuỷ phân liên kết peptid ở đầu carbon của mạch polypeptid.
- Phân nhóm enzyme carboxylpeptidase cũng thuộc loại exo-peptidase (enzyme ngoại phân).
32 Dipeptid hydrolase
Các dipeptid hydrolase xúc tác thuỷ phân liên kết peptid.
Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc chuỗi protein của membrane dipeptidase [60]
Proteinase
Các proteinase xúc tác sự thuỷ phân liên kết peptid nội mạch (endo-peptidase).
Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc chuỗi protein của trypsin [60]
Ứng dụng
- Các protease nói chung được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: chế biến thuỷ sản, thịt, sữa,… Trong lĩnh vực nông nghiệp, protease thường được sử dụng bổ sung vào thức ăn gia súc nhằm làm tăng hiệu quả sử dụng thức ăn, tiết kiệm chi phí chăn nuôi.
- Protease cũng được bổ sung vào các chế phẩm dinh dưỡng, chế phẩm enzyme sử dụng hỗ trợ tiêu hoá trong chăn nuôi.
1.5.2.3. Cellulase
Đặc điểm enzyme [28],[40],[59],[60]
- Cellulose là cơ chất của cellulase. Cellulose là hợp chất polyme tự nhiên, rất phổ biến trong thực vật.
33
Enzyme C1 : Có tính chất không đặc hiệu. Dưới tác dụng của C1, các loại cellulose bị hấp thụ nước, trương lên và chuẩn bị cho sự tác động của các enzyme khác.
Enzyme Cx ( β-1,4 glucanase): Là enzyme gồm nhiều thành phần khác nhau. Được chia thành 2 loại chính:
Exo-β-1,4 glucanase: xúc tác việc tách liên kết các đơn vị glucose từ đầu không khử của chuỗi cellulose.
Endo-β-1,4 glucanase: phân cắt liên kết -1,4 glycoside ở bất kỳ vị trí nào của chuỗi cellulose.
β-glycosidase: là enzyme rất đặc hiệu, thuỷ phân celllobiose thành cellohexose (D-glucose).
Hình 1.14 Sơ đồ cấu trúc chuỗi protein của β-glycosidase [60]
34 Ứng dụng
- Bổ sung chế phẩm cellulase vào thức ăn giàu cellulose của động vật sẽ làm cho các thực phẩm này mềm ra, dễ tiêu hoá hơn,… Do vậy, làm tăng chất lượng và hiệu quả hấp thụ thức ăn.
Động vật nhai lại: nên bổ sung chế phẩm enzyme cellulase vào thức ăn ở độ pH = 6-7.
Ngỗng và ngan: nên bổ sung chế phẩm có cellulase, hemicellulase trong nuôi vỗ béo.
- Sử sụng cellulase trong sản xuất các chế phẩm dinh dưỡng, chế phẩm enzyme hỗ trợ tiêu hoá trong chăn nuôi, tăng hiệu quả hấp thụ thức ăn, tăng sản lượng và chất lượng sữa (bò,..).