Hμng ngμn năm tr−ớc đây loμi ng−ời đã biết ủ chua để giữ thực phẩm đ−ợc lâu hơn, biết lμm bánh mì, phomát, lμm t−ơng, nấu r−ợu vμ lμm vang từ quả nho (bảng 4.1). Hai tr−ờng ca nổi tiếng cổ Hy lạp lμ Iliad vμ Odysei (khoảng 700 năm tr−ớc công nguyên) cũng nói tới cách lμm phomát, chế r−ợu nho nh−ng chẳng ai biết đ−ợc thủ phạm của quá trình đó lμ enzym vi sinh vật.
ở các n−ớc ph−ơng Tây, công nghiệp enzym đ−ợc hiểu biết chỉ xung quanh vấn đề nấm men vμ malt, nghề truyền thống của họ xem nh− chỉ có công nghiệp lμm bánh mỳ lμ phát triển. Do đó ở nhiều n−ớc phát triển hoá sinh tập trung vμo lên men sản xuất men cho công nghiệp lμm bánh mỳ vμ
biến đổi tinh bột thμnh đ−ờng. Trái lại các n−ớc ph−ơng Đông chú ý nhiều đến chế biến thực phẩm bằng lên men. Họ sử dụng các nấm ăn lμm nguồn enzym. Năm 1896 ở các n−ớc ph−ơng Tây có giới thiệu bán enzym đầu tiên từ vi sinh vật lμ takadiastase từ Aspergillus oryzae, đó lμ enzym thuỷ phân. Ph−ơng pháp sản xuất enzym nμy đã đ−ợc bắt đầu hμng ngμn năm tr−ớc ở Châu á. Otto Rohm nhμ hoá học nổi tiếng ng−ời Đức đã tách đ−ợc protease đầu tiên từ phân chó, sau đó đã tiến hμnh chiết enzym nμy từ các tạng của động vật.
Năm 1905, ng−ời ta đã tách đ−ợc pancrease từ gan bò vμ lợn. Vμo giữa những năm 1950 kỹ thuật enzym phát triển nhanh chóng. Do công nghệ lên men chìm sản xuất penicillin đòi hỏi những hiểu biết mới để lên men ở qui mô lớn vi sinh vật sản xuất enzym, ng−ời ta đặc biệt chú trọng đến enzym từ vi sinh vật vì các lý do sau:
Sự hiểu biết cơ bản về các đặc điểm của enzym đã đẫn đến việc sử dụng rộng rãi enzym vμo các lĩnh vực khác nhau của đời sống.
Hầu hết các enzym ứng dụng trong công nghiệp đều do vi sinh vật tạo ra. Lên men vi sinh vật ở qui mô công nghiệp để thu nhận enzym cũng lμ
một công nghệ lên men nuôi vi sinh vật để thu enzym, vi sinh vật tiết các enzym vμo môi tr−ờng để phân giải cơ chất đồng hoá thức ăn từ môi tr−ờng, enzym còn d− thừa trong môi tr−ờng đ−ợc nghiên cứu để thu hồi. Nồng độ enzym tạo ra trong môi tr−ờng th−ờng rất thấp (1-2%), việc chiết tách để thu enzym d−ới dạng tinh khiết cũng rất khó khăn, nhất lμ các enzym có yêu cầu tinh khiết cao dùng trong y học. Ví dụ 1 gram enzym tinh khiết giá vμi trăm đôla, trái lại enzym dạng thô hoạt lực 1% giá chỉ có 1 đôla/kg. Th−ờng sử dụng enzym dạng thô cho công nghệ chế biến thực phẩm, lμm trong bia, n−ớc quả ... Phần lớn enzym sử dụng trong công nghiệp đều lμ những enzym ngoại bμo,
một số enzym khác cũng đ−ợc sản xuất công nghiệp, nh−ng lại lμ enzym nội bμo. Ví dụ glucose oxydase dùng bảo quản thực phẩm, asparaginase dùng điều trị ung th− máu, penicillinamidase (penicillinacylase) dùng để sản xuất 6-APA từ penicillin lμm nguyên liệu bán tổng hợp kháng sinh nhóm beta lactam.
Bảng 4.1. Các enzym vi sinh vật và ứng dụng của chúng
Enzym Vi sinh vật ứng dụng Công nghiệp
Amylase (phân giải tinh bột) • Nấm mốc • Vi khuẩn • Nấm mốc • Vi khuẩn • Nấm mốc • Vi khuẩn • Vi khuẩn • Bánh mì • Bao bột • Sản xuất glucose • Hồ hoá vải • Trợ giúp tiêu hoá • Rũ hồ vải • Tẩy vết bẩn • Bánh mì • Giấy • Thực phẩm • Tinh bột • D−ợc phẩm • Dệt • Giặt là
Protease (phân giải protein) • Nấm mốc • Vi khuẩn • Vi khuẩn • Vi khuẩn • Vi khuẩn • Vi khuẩn • Bánh mì • Tẩy vết bẩn • Làm mềm thịt • Làm sạch vết th−ơng • Xử lý sợi • ở gia đình • Bánh mì • Giặt khô • Thịt • Y học • Dệt • Giặt là Invertase (thuỷ
phân saccharose) Nấm men Kẹo xốp có nhân Kẹo xốp
Glucose oxydase Nấm mốc • Loại bỏ glucose • Kít giấy thử tiểu đ−ờng
• Thực phẩm • D−ợc phẩm Glucose isomerase Vi khuẩn Siro fructose từ ngô Đồ uống nhẹ Pectinase Nấm mốc Lọc làm trong Vang, n−ớc quả Rennin Nấm mốc Đông tụ sữa Phomát
Cellulase Vi khuẩn Tẩy rửa Giặt là
Nghiên cứu các enzym nội bμo vẫn còn lμ vấn đề hấp dẫn nhằm tìm ra các enzym đặc hiệu dùng trong chẩn đoán vμ điều trị. Việc phát hiện ra tính chất tẩy rửa của enzym đã lμm cho công nghệ nμy phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, nó lμm giảm bớt đi lao động đơn giản, giảm đi sự ô nhiễm môi tr−ờng. Các n−ớc Tây âu th−ờng giặt quần áo bằng n−ớc nóng (65- 700C) để quần áo đ−ợc sạch, trong khi đó ở Mỹ vμ Canada th−ờng giặt ở 550C. Ng−ợc lại ở Nhật Bản lại giặt ở nhiệt độ bình th−ờng nh−ng thời gian giặt kéo dμi hơn. Nói chung đa số dân chúng −a thích bột giặt sử dụng ở nhiệt độ bình th−ờng (20-300C).
Do kỹ thuật sản xuất enzym ngμy cμng đ−ợc cải tiến nên giá thμnh liên tục giảm đi trong những năm qua. Theo thống kê của Phòng Th−ơng mại vμ
Công nghiệp Hoa Kỳ thì doanh thu enzym trên toμn thế giới khoảng 750 - 850 triệu USD. 80% doanh số nμy thuộc vμo 3 enzym sau đây: biến đổi tinh bột 40%, tẩy rửa 30%, chế biến sữa 10%.
Bảng 4.2. Sản xuất enzym công nghiệp ở một số n−ớc ph−ơng Tây
Một số n−ớc ph−ơng tây Sản l−ợng enzym (tấn) Tỷ lệ %
USA 6.360 12 Nhật 4.240 8 Đan Mạch 24.910 47 Pháp 1.590 3 Đức 3.180 6 Hà Lan 10.070 19 Anh 1.060 2 Thuỵ Sĩ 1.060 2 Các n−ớc khác 530 1 Tổng số 53.000 100
Trong những năm gần đây, kỹ thuật tái tổ hợp ADN ngμy cμng có nhiều ứng dụng, những vi sinh vật đ−ợc biến đổi gen có năng suất tạo enzym cao hơn, cùng với kỹ thuật lên men vμ thu hồi sản phẩm ngμy cμng hoμn thiện nên giá thμnh enzym liên tục giảm. Những enzym dùng trong y học lμm kít chẩn đoán hay điều trị một sổ bệnh hiểm nghèo số l−ợng dùng rất nhỏ (mg hoặc microgram) nh−ng giá cực kỳ đắt (100.000 đôla/kg). Đặc biệt, kỹ thuật bất động enzym ra đời đã lμm cho các quá trình sản xuất tự động hoá nên hiệu quả sử dụng enzym rất cao. Kỹ thuật bất động enzym có thể coi nh− những vi chíp điện tử trong máy tính, lμm cho công nghệ enzym trở thμnh một ngμnh khoa học hấp dẫn vμ hiệu quả. Chỉ cần 1 kg penicillinamidase bất động trên mạng polyacriamid có thể sản xuất đ−ợc 1000 kg 6-APA.
Sự tăng tr−ởng của thị tr−ờng enzym trên thế giới theo hai xu h−ớng sau: sản xuất các enzym dùng trong công nghiệp với số l−ợng lớn vμ các enzym có độ tinh khiết cao với số l−ợng nhỏ dùng trong phân tích, chẩn đoán vμ điều trị. Hai quốc gia nhỏ bé ở Châu âu lμ Hμ Lan vμ Đan Mạch đ−ợc coi lμ những “c−ờng quốc" sản xuất enzym dùng trong công nghiệp (bảng 4.2).
Trong lĩnh vực nghiên cứu về enzym hiện nay ng−ời ta tập trung vμo việc xử lý nguồn cơ chất vô tận lμ lignocellulose, mong muốn biến đổi chúng thμnh những sản phẩm có ích phục vụ cho loμi ng−ời.