Trong khoảng cuối thế kỷ 20, lipase được ứng dụng rộng rãi trong cơng nghệ
sinh học, dược phẩm, protein đơn bào, xử lý chất thải và các chế phẩm sinh học khác. Lipase trở thành một phần quan trọng trong ngành cơng nghiệp thực phẩm hiện đại và được sử dụng rộng rãi trong quá trình chế biến nhiều loại sản phẩm như:
nước trái cây, rau quả, các sản phẩm từ sữa,... Lipase cũng được dùng trong ngành cơng nghiệp thuộc da và giặt tẩy [1], [7], [12], [36], [41], [52], [80], [81].
Những ứng dụng chính của lipase được tĩm tắt trong Bảng 1.1. Hầu hết lipase cơng nghiệp cĩ nguồn gốc từ vi khuẩn và nấm.
Nguyên nhân chính làm cho lipase vi sinh vật cĩ tiềm năng lớn trong cơng nghệ sinh học là:
− Ổn định trong các dung mơi hữu cơ
− Hoạt động khơng cần cofactor
− Cĩ nhiều cơ chất đặc trưng
− Biểu hiện tính chọn lọc đối hình cao
Bảng 1.1: Các ứng dụng trong cơng nghiệp của các lipase từ vi sinh vật [12], [81]
Cơng nghiệp Hoạt tính Sản phẩm hay ứng dụng
Chất tẩy Thủy phân chất béo Loại các vết bẩn dầu từ vải Thực phẩm sữa Thủy phân chất béo của sữa, làm chín phomát, biến đổi chất béo của bơ Tăng cường các chất mùi thơm trong sữa, phomát và bơ.
Các loại bánh Cải thiện mùi thơm Kéo dài thời gian sử dụng Nước giải khát Cải tiến mùi hương Các loại nước giải khát Bao bì thực
phẩm
Cải tiến chất lượng Mayonnaise, các loại bao bì và các loại chỉ khâu
Thực phẩm chức năng
Chuyển đổi sự ester hĩa Thực phẩm chức năng
Thịt và cá Tăng cường hương vị Các sản phẩm thịt và cá, loại bỏ
chất béo Các chất béo và
dầu
Chuyển đổi sự ester hĩa, thủy phân
Bơ cacao, margarine, các acid béo, glycerol, các glyceride đơn,
đơi.
Cơng nghiệp Hoạt tính Sản phẩm hay ứng dụng Dược phẩm Chuyển đổi sự ester hĩa, thủy
phân
Các lipid đặc trưng, các chất trợ
tiêu hĩa
Mỹ phẩm Tổng hợp Chất nhũ tương hĩa, chất tạo ẩm
Da Thủy phân Các sản phẩm da
Giấy Thủy phân Cải thiện chất lượng giấy
Chất làm trắng Thủy phân Loại bỏ chất béo
1.1.9.1. Cơng nghiệp chất tẩy [1], [7], [12], [81].
Ứng dụng thương mại quan trọng nhất của lipase là làm phụ gia trong cơng nghiệp chất tẩy rửa và bột giặt gia đình, hàng năm cĩ khoảng 1 000 tấn lipase được cho vào 13 tỉ tấn chất tẩy rửa. Để tăng khả năng tẩy rửa, các chất tẩy hiện đại đều chứa một hoặc nhiều loại enzyme như protease, amylase, cellulase và lipase
Lipase được chọn trong cơng nghiệp giặt tẩy phải thỏa mãn các yêu cầu sau
đây: (1) hoạt tính đặc hiệu cơ chất thấp, nghĩa là cĩ khả năng thủy phân nhiều cơ
chất khác nhau; (2) cĩ khả năng chịu được các điều kiện giặt khắt khe (pH (10-11), (30 – 36) 0C); (3) cĩ khả năng chịu được tác động của các chất hoạt động bề mặt gây phân hủy và các enzyme (thí dụ các alkyl benzene sulfonate (LAS), protease,... là các thành phần quan trọng của nhiều loại bột giặt). Lipase với những đặc tính mong muốn phải qua một tổ hợp sàng lọc liên tục và trên cơ sở kỹ thuật protein.
Năm 1994, Novo Nordisk đã đưa ra thị trường lipase tái tổ hợp thương mại “Lipolase” cĩ nguồn gốc từ nấm Thermomyces lanuginosus và được biểu hiện ở A.
oryzae. Năm 1995, hai lipase vi khuẩn được đưa vào thị trường là “Lumafast” từP.
mendocina và “Lipomax” từ P. alcaligenes do cơng ty Genencor International sản
xuất.
Hiện nay, lipase được sử dụng trong giặt tẩy được tổng hợp từ nhiều nguồn khác nhau như: Candida, Chromobacterium, Acinetobacter radioresistens, Pseudomonas,...
1.1.9.2. Cơng nghiệp thực phẩm [1], [7], [12], [81].
Dầu và mỡ là thành phần quan trọng trong thực phẩm. Vị trí gắn của acid béo với khung glycerol và độ bão hịa của acid béo quyết định giá trị dinh dưỡng và giá trị cảm quan cho thực phẩm. Lipase cho phép chúng ta biến đổi các tính chất của lipid bằng cách thay đổi vị trí của chuỗi acid béo và thay thế một hoặc nhiều acid béo bằng các acid mới. Con đường này, lipid ít mong muốn và tương đối rẻ cĩ thể được biến đổi thành mỡ cĩ giá trị cao.
Bơ cocoa, một mỡ cĩ giá trị cao, chứa palmitic và stearic acid, cĩ điểm nĩng chảy vào khoảng 37 0C. Bơ cocoa tan chảy trong miệng sinh ra một cảm giác lạnh thích thú như chocolate. Cơng nghệ dựa vào lipase liên quan tới các phản ứng thủy phân hỗn hợp và tổng hợp được thương mại hĩa để nâng cao một vài loại mỡ kém chất lượng thành chất thay thế bơ cocoa. Một kiểu quá trình sử dụng lipase từ
Rhizomucor miehei cố định cho phản ứng chuyển ester thay thế palmitic acid trong
dầu cọ với stearic acid.
Các acid béo khơng bão hịa (polyunsaturarated fatty acid – PUFAs) được sử
dụng nhiều làm dược phẩm, thuốc an thần và phụ gia thực phẩm. Nhiều PUFAs cần thiết cho tổng hợp các màng lipid bình thường và protaglandings. Lipase vi khuẩn
được sử dụng để thu nhận PUFAs từ lipid động vật và thực vật như dầu cá mịi, dầu cá ngừ, dầu cây borage. PUFAs tự do và dạng mono- hay diglycerides của nĩ được sử dụng tiếp để sản xuất một số loại dược phẩm bao gồm thuốc chống béo phì, chống viêm nhiễm, chống tắc nghẽn. Hơn nữa, lipase được sử dụng để phát triển mùi vị của phomát, bánh và nước uống. Lipase cũng được sử dụng để loại mỡ ra khỏi những sản phẩm thịt và cá.
1.1.9.3. Cơng nghiệp giấy và bột giấy [1], [7], [12], [81].
Một lĩnh vực ứng dụng khác cũng khơng kém phần quan trọng của lipase là loại bỏ “pitch” (dầu hắc ín hay các hợp chất kỵ nước trong bột gỗ chủ yếu là triglyceride và sáp), gây ra nhiều khĩ khăn trong sản xuất bột giấy và giấy. Lipase
Industries, Nhật Bản, đã phát triển một phương pháp sử dụng lipase thu từCanada
rugosađể loại dầu hắc ín, thủy phân tới 90% triglyceride cĩ trong gỗ.
Triglyceride, steryl ester, resin acid, acid béo tự do và sterol là những chất
được tìm thấy trong gỗ gây ra những tác động xấu lên hoạt động của máy chế tạo giấy và chất lượng giấy. Do đĩ, 19 loại enzyme lipase thương mại đã được khảo sát hoạt tính về khả năng phân giải steryl ester và thấy rằng lipase của Pseudomonas
sp., Chromobacterium viscosum và Candida rugosa cĩ hoạt tính esterase cao nhất. Cả 3 loại enzyme trên đều cĩ khả năng thủy phân hồn tồn steryl ester khi cĩ mặt của chất tẩy.
1.1.9.4. Cơng nghiệp sữa [7], [37], [80].
Lipase được dùng trong ngành cơng nghiệp sữa để thủy phân chất béo trong sữa, tạo mùi cho phomát, đẩy nhanh quá trình chín của phomát, sản xuất các sản phẩm khác từ phomát và thủy phân lipid trong bơ. Nếu việc giải phĩng các acid béo chuỗi ngắn (C4 – C6) giúp tạo mùi thì các acid béo chuỗi dài (C12 và C14) lại giúp tăng hương vị cho thực phẩm.
Hiện nay, lipase vi sinh vật đang được nghiên cứu và phát triển cho ngành cơng nghiệp sản xuất phomát như lipase của Mucor miehei, Aspergillus niger và
Aspergillus oryzae. Các loại phomát chất lượng tốt hiện nay đều được sản xuất nhờ
sử dụng lipase hoặc hỗn hợp nhiều loại enzyme của vi sinh vật.
1.1.9.5. Biosensor (cảm biến sinh học) [7], [36], [41]
Một lĩnh vực mới đầy tiềm năng trong việc ứng dụng của lipase vi sinh vật là biosensor. Với những tiến bộ của khoa học kỹ thật đã sử dụng mẫu dị là enzyme
được đánh dấu để tránh tình trạng khơng ổn định và các chất đồng vị nguy hiểm khi sử dụng mẫu dị là DNA được đánh dấu. Khi sàng lọc nhiều loại enzyme thủy phân thì lipase tỏ ra cĩ tính ứng dụng cao trong lĩnh vực này.
Phương pháp này cho phép chẩn đốn nhanh và chính xác một số bệnh liên quan đến tim mạch như hàm lượng cholesterol trong máu. Các lipase khơng đặc hiệu, đặc biệt là lipase của Candidarugosa, đã được phát triển thành mẫu dị.
1.1.9.6. Sản xuất nhiên liệu sinh học [7], [36], [41], [80]
Ngày nay việc tìm ra nguồn nguyên liệu mới khơng gây ơ nhiễm mơi trường, giá thành rẻ đang trở thành vấn đề cấp bách cho tồn thế giới đặc biệt khi nguồn nguyên liệu hĩa thạch đang trên đà cạn kiệt. Các nhà khoa học khám phá ra cách sử
dụng dầu thực vật như là nguồn thay thế, dầu thực vật khi sử dụng khơng sinh ra sulphur oxide và giảm lượng bồ hĩng cịn một phần ba so với dầu mỏ. Do tính thân thiện với mơi trường, nhiên liệu sinh học được kỳ vọng là nguồn nguyên liệu chính trong tương lai.
Lipase cố định từ Pseudomonas cepacia dùng trong phản ứng chuyển ester hĩa giữa dầu nành với ethanol và methanol tạo ra alkyl ester (biodiesel). Lipase thương mại Novozym 435 cũng dùng xúc tác phản ứng chuyển ester hĩa của dầu nành để sản xuất biodiesel trong mơi trường khơng dung mơi.
1.1.9.7. Mỹ phẩm [7], [41]
Cơng ty quốc tế Unichem (Tây Ban Nha) đã thành cơng trong sản xuất isopropyl myristate, isopropyl palmitate và 2-ethylhexylpalmitate cĩ cơng dụng làm dịu trong các sản phẩm chăm sĩc da của mình. Lipase cố định từ Rhizomucor
meihei được sử dụng làm chất xúc tác trong quá trình sản xuất các chất trên.
Unichem cũng cho biết sử dụng enzyme trong sản xuất mỹ phẩm thay vì dùng acid theo thơng lệ cho sản phẩm chất lượng tốt hơn và giảm bớt các khâu tinh chế.
Retinoid (Vitamin A và các dẫn xuất) là sản phẩm thương mại mang đến nhiều lợi nhuận cả trong mỹ phẩm lẫn dược phẩm được xúc tác bởi enzyme lipase cố định. Lipase cịn được dùng để sản xuất các sản phẩm chăm sĩc tĩc, chất làm bĩng trong mỹ phẩm,...
1.1.9.8. Y học [7], [36], [41]
Lipase cĩ khá nhiều ứng dụng trong lĩnh vực chăm sĩc sức khỏe con người như tham gia vào quá trình tổng hợp Niknomycin-B, thuốc chống viêm như: Naproxen, ibuprofen, suprofen và ketoprofen, tác nhân chống virus dương lamividine,...
Lipase được sử dụng từ khá sớm trong các liệu pháp chữa trị chứng khĩ tiêu,
đầy hơi, dị ứng bởi thức ăn,... Lipase từ thực vật được dùng để bào chế các loại thuốc hỗ trợ tiêu hĩa như Similase, Vitaline Herbal Formulas được sản xuất bởi Health Care Professionals, Oregon, Hoa Kỳ.
Lipase thu nhận từCandida rugosa dùng sản xuất lovastatin, một loại thuốc làm giảm lượng cholesterol trong máu. Lipase cịn được sử dụng là chất kích hoạt nhân tố hoại tử khối u và được dùng trong một số liệu pháp chữa trị các khối u ác tính.
1.1.9.9. Tổng hợp hữu cơ [1], [12], [81]
Sử dụng lipase trong tổng hợp hữu cơ đang trở nên quan trọng hơn. Lipase
được sử dụng để xúc tác một loạt các chuyển hĩa đặc hiệu đồng phân, đặc hiệu vùng và đặc hiệu hĩa.
1.1.9.10. Chuyển hĩa sinh học trong mơi trường nước [12], [81]
Phản ứng thủy phân ester bởi lipase thường được thực hiện trong dung mơi cĩ nước hai pha. Phản ứng thủy phân p-nitrophenyl palmitate (pNPP) trong n- heptane bởi dịch lipase từ P. cepacia đã sử dụng lipase cốđịnh trên nền sol-gel kỵ
nước để chuyển hĩa nhiều hĩa chất
Đột biến cũng được sử dụng để nâng cao tính đặc hiệu đồng phân của lipase. Thí dụ, trong một trường hợp, tính đặc hiệu đồng phân của phản ứng thủy phân ester đồng phân do lipase xúc tác (lipase từ P. aeruginosa) đã tăng từ 2% lên 81% chỉ sau 4 chu kỳ gây đột biến. Lipase-acryl transferase từ C. parapsilosis biểu thị
xúc tác phản ứng sinh tổng hợp acid hydroxamic béo trong một mơi trường cĩ nước hai pha. Cơ chất trong phản ứng là chất cho acyl (acid béo hoặc methyl ester của acid béo) và một hydroxylamine. Sự chuyển hĩa nhĩm acyl từ ester cho sang hydroxylamine (aminolysis) được xúc tác ưu tiên so với phản ứng của các acid béo tự do.
1.1.9.11. Chuyển hĩa sinh học trong mơi trường hữu cơ [12], [81]
Enzyme trong mơi trường hữu cơ khơng cĩ pha nước tự do được biết biểu thị
hợp và chuyển hĩa sinh học. Lipase được nghiên cứu rộng rãi cho chuyển hĩa khơng nước khác nhau.
1.1.9.12. Gắn nhĩm acyl đặc hiệu vùng [12], [81]
Lipase acyl hĩa một số steroid, đường và dẫn xuất đường với tính chọn lọc
đồng phân cao. Đường monoacyl hĩa được sản xuất trong pyridine khơng nước từ
triethyl carboxylates và các monosaccharide khác nhau. Tuy nhiên, lipase từ A.
niger xúc tác khử acyl đặc hiệu vùng của methyl b-D- glucopyranoside đã gắn acyl.
1.1.9.13. Tổng hợp ester [12], [81]
Lipase được sử dụng thành cơng làm chất xúc tác tổng hợp ester. Các ester
được sản xuất từ acid béo chuỗi ngắn cĩ ứng dụng làm các chất thơm trong cơng nghiệp thực phẩm. Methyl và ethyl ester của acid béo chuỗi dài được sử dụng làm giàu diesel. From và cộng sự (1997) đã nghiên cứu ester hĩa acid lactic và cồn với lipase từ C.antarctica trong hexane. Phản ứng ester hĩa của 5 đồng phân vị trí của các acetylenic acid béo (chuỗi dài khác nhau) với n-butanol được nghiên cứu bởi Lie và cộng sự (1998) sử dụng 8 lipase khác nhau. Arroyo và cộng sự (1999) ghi nhận rằng giá trị hoạt tính nước cân bằng trước tối ưu là cần thiết để thu nhận một tỉ
lệ cao ester hĩa (R, S) – ibuprofen. Janssen và cộng sự (1999) thơng báo về ester hĩa của sulcatol vào acid béo trong tuluene, được xúc tác bởi lipase từ C. rugosa
(CRL). Krishnakant và Madamwar (2001) đã sử dụng lipase cố định trên silica và Organogesls dựa vào vi nhũ, để tổng hợp ester.
1.1.9.14. Cơng nghiệp hĩa dầu [12], [81]
Sử dụng lipase trong qui trình hĩa dầu tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu phân hủy do nhiệt trong các phản ứng alcoholysis, asidolysis, thủy phân và glycerolysis. Mặc dù lipase cĩ tác dụng thủy phân các liên kết ester của triacylglycerol, lipase cĩ thể xúc tác phản ứng ngược (tổng hợp ester) trong mơi trường ít nước. Thủy phân và ester hĩa cĩ thể xảy ra đồng thời trong một quá trình
được biết như trao đổi ester. Phụ thuộc vào cơ chất, lipase cĩ thể xúc tác phản ứng acidolysis, alcoholysis và chuyển ester hĩa.