3 ỨNG DỤNG CỦA ENZYME VÀ SÓNG SIÊU ÂM TRONG THỰC PHẨM
3.2 Tác động của sóng siêu âm đến hoạt tính enzyme trong công nghê thực phẩm
Enzyme là một đối tượng quan trọng trong công nghệ thực phẩm do khả năng xúc tác đặc hiệu, điều kiện phản ứng an toàn. Nghiên cứu tác động cùa sóng siêu âm đến enzyme người ta nhận thấy rằng: sóng siêu âm không chỉ có khả năng làm tăng hoạt tính enzyme, vô hoạt enzyme mà trong một số trường hợp hoạt tính enzyme không hề bị thay đổi.
Ở năng lượng tương đối thấp, khi mà các tác động vật lý tỏ ra ưu thế hơn các tác động hoá học thì sóng siêu âm có tác dụng làm tăng hoạt tính của enzyme.
Đối với chế phẩm enzyme, sóng siêu âm làm tăng hoạt tính của nhóm enzyme hydrolase do làm tăng sự đảo trộn từ đó:
- Hình thành phức chất hoạt động enzyme-cơ chất. - Các chất khuyếch tán tốt hơn.
- Giảm sự kết tụ enzyme.
Đối với enzyme thuỷ phân ở dạng thô, sóng siêu âm có tác dụng.
- Phá vỡ tế bào, giúp enzyme thoát ra ngoài tế bào, tiếp xúc với cơ chất dễ dàng hơn và do đó hiệu suất thuỷ phân sẽ cao hơn.
- Thúc đấy quá trình trao đổi chất, sinh tổng hợp nhiều enzyme hơn.
Tuỳ vào bản chất của enzyme mà sóng siêu âm sẽ tăng hoạt tính của chúng ở nồng độ cao hay thấp, các thông số tối ưu như nhiệt độ, pH có thay đổi hay không.
Ở năng lượng cao, sóng siêu âm vô hoạt enzyme chủ yếu thông qua tác động hoá học. Các gốc tự do tạo thành từ sự phân ly nước tương tác với enzyme, chuyển enzyme thành gốc tự do mới và do đó làm thay đổi cấu trúc của enzyme. Sự thay đổi đó không hẳn chỉ diễn ra ngay tại trung tâm hoạt động mới làm vô hoạt enzyme mà nó có thể diễn ra tại một điểm nằm ngoài trung tâm hoạt động nhưng vẫn có khả năng vô hoạt enzyme. Tuỳ vào đặc điểm của từng enzyme mà OH sẽ tấn công vào nhóm –SH tự do của cystetin, vào amino acid có vòng thơm (phenylalanin, histidine, tryptophan, tyrosine) hay vào amino acid không có vòng thơm (proline, leucine, isoleucine, lysine, và glutamic).
Bên cạnh đó, sóng siêu âm cũng gây ra những tác động vật lý làm vô hoạt enzyme. Các vi tia chất lỏng được tạo thành từ sự vỡ bất đối xứng của bọt khí, lực kéo trong lòng chất lỏng và những vi xoáy tạo thành đã làm xáo trộn môi trường xung quanh enzyme, phá vỡ tính nguyên vẹn trong cấu trúc protein, áp suất cao có thể khiến cho phân tử protein bị vỡ ra thành từng mảnh và nhiệt độ cao có thể bẽ gãy các liên kết hydro trong phân tử protein, gây tương tác kỵ nước và biến tính nhiệt.
Vô hoạt enzyme bằng sóng siêu âm phụ thuộc vào thời gian truyền sóng, pH môi trường, tần số và cường độ sóng, bộ phận truyền sóng và hàm lượng khí tan trong môi trường. Khi sóng siêu âm kết hợp với xử lý nhiệt ở một nhiệt độ đủ lớn để gây vô hoạt enzyme thì sẽ diễn ra tác động tương hỗ giữa sóng và nhiệt độ làm cho sự vô hoạt trở nên hiệu quả hơn. Năm 1984, Ordónez, Sanz, Hernández và López-Lorenzo nghiên cứu sự kết hợp giữa nhiệt độ và sóng siêu âm và đã nhận thấy rằng hiệu quả của phương pháp này cao hơn so với tổng tác động mà từng yếu tố gây ra. Nó có khả năng vô hoạt được peroxidase, catalase, những enzyme tự nhiên có trong sữa mà không hề làm casein biến tính. Năm 1999, De Genaro, Cavella, Romano và Masi đã sử dụng kết hợp áp suất, nhiệt độ và sóng siêu âm để vô hoạt peroxidase, phương pháp này gọi là manothermosonication (MTS). MTS tỏ ra là một công cụ vô hoạt enzyme hiệu quả hơn so với phương pháp chỉ sử dụng sóng siêu âm đơn thuần. MTS được ứng dụng để vô hoạt nhiều enzyme như lypoxygenase, peroxidase, lipase và protease, pectinmethylesterase.
Sóng siêu âm không chỉ vô hoạt được những enzyme thuộc nhóm hydrolase mà còn cả những enzyme thuộc nhóm oxydoreductase và lyase. Bên cạnh những enzyme đã trình bày, sóng siêu âm còn vô hoạt được những enzyme khác như alcohol dehydrogenase .
Sóng siêu âm là tác nhân gây vô hoạt enzyme không thuận nghịch. Sau một thời gian bảo quản, những enzyme đã được xử lý không tái hoạt trở lại.
Sóng siêu âm không tác động đến hoạt tính enzyme là một hướng nghiên cứu mới từ năm 2007 đến nay. Khả năng gây kết tụ enzyme trên những bong bóng khí đã khiến sóng siêu âm trời thành một phương pháp mới đơn giản và hữu ích trong việc chuẩn bị chế phẩm enzyme. Mặt khác, sóng siêu âm có thể được ứng dụng trong các quá trình chế biến thực phẩm để đảo trộn làm tăng tính đồng nhất mà không làm mất đi hoạt tính của những enzyme có lợi.
Tóm lại, đối với một enzyme cụ thể, sóng siêu âm có khả năng làm tăng hoạt tính nhưng cũng có khả năng vô hoạt và cũng có thể không gây ảnh hưởng gì đến hoạt tính của enzyme.
Ví dụ điển hình nhất là α-amylase. Với chế phẩm α-amylase, sóng siêu âm mật độ 0.35 w/ml làm tăng hoạt tính enzyme ở nồng độ cơ chất thấp; sóng siêu âm tần số không đổi 30 kHz và năng lượng cực đại 50 W đã gây vô hoạt enzyme do tạo thành những gốc OHtấn công vào các đơn vị tyrosine trong phân tử protein. Tuy nhiên, sóng siêu âm cường độ 150 W/cm2
truyền trong 3 phút ở 200C lại không gây ảnh hưởng gì đến hoạt tính enzyme do các gốc tự do được tạo thành tương tác với các đơn vị cysteine nằm ngoài trung tâm hoạt động của α- amylase và do đó chỉ làm α-amylase kết hợp lại với nhau. Đối với α-amylase của malt lúa mạch, sau khi ươm mầm sẽ được truyền sóng siêu âm 20 kHz ở 300C trong phạm vi từ 20 đến 100 % tổng năng lượng sóng của thiết bị. Khi năng lượng sóng truyền bằng 20% tổng năng lượng của thiết bị thì hoạt tính của enzyme tăng theo thời gian truyền sóng. Tuy nhiên, khi năng lượng sóng truyền bằng 60% thì hoạt tính chỉ tăng trong 5 phút đầu truyền sóng và sau đó giảm xuống một cách đáng kể .Như vậy, sóng siêu âm là một công cụ có khả năng đáp ứng được nhiều mục tiêu khác nhau của con người