3. ENZYME CỐ ĐỊNH
3.1. Chuyển hóa sinh học
Q trình chuyển hóa sinh học là q trình vật chất trong tự nhiên được sinh vật chuyển từ dạng này sang dạng khác thông qua hoạt động sống của tế bào. Hoạt động sống của tế bào là quá trình trao đổi chất giữa bên ngồi và bên trong tế bào thơng qua hoạt động của enzyme và của tế bào.
Nhờ hoạt động xúc tác của enzyme tạo cho tế bào sinh vật và cơ thể sinh vật như một hệ thống mở. Ở đó năng lượng chứa trong vật chất luôn luôn được biến đổi, luôn ln được trao đổi giữa bên trong và bên ngồi cơ thể.
Tồn bộ chuyển hóa sinh học được thực hiện bởi 4 quá trình sau: Quá trình hoạt động của enzyme ngoại bào (enzyme tự do) Quá trình hoạt động của các vi sinh vật trong quá trình lên men. Quá trình hoạt động của tế bào cố định
Q trình chuyển hóa của enzyme cố định
3.1.1. Chuyển hóa vật chất do enzyme tự do hay enzyme hòa tan
Enzyme tự do hay enzyme được tách khỏi tế bào, chúng có khả năng hịa tan trong mơi trường nước và thực hiện các phản ứng ngoài tế bào sinh vật. Những enzyme này còn được gọi là enzyme ngoại bào. Các enzyme này đóng vai trị rất quan trọng trong sự chuyển hóa vật chất ngồi thiên nhiên và cả trong sản xuất và đời sống. Tuy nhiên, khi sử dụng các enzyme này, các nhà khoa học cũng cho thấy chúng có những nhược điểm sau:
Trong quá trình tham gia phản ứng, các loại enzyme này thường lẫn vào sản phẩm. Việc tách sản phẩm cuối ra khỏi enzyme hịa tan là một cơng việc rất khó khăn và địi hỏi chi phí khơng nhỏ. Nhiều sản phẩm của quá trình thủy phân địi hỏi khơng được chứa tạp chất và các thành phần khác như enzyme. Ví dụ như trong sản xuất glucose sử dụng trong y học phải tuyệt đối sạch cả về phương diện hóa học và về sinh học.
Sau phản ứng, nếu tách được enzyme ra khỏi phản ứng để thực hiện các phản ứng tiếp theo, enzyme sẽ khơng giữ được hoạt tính như hoạt tính ban đầu, như vậy việc tái sử dụng enzyme sẽ khơng có hiệu quả, trong nhiều trường hợp enzyme này không sử dụng được nữa.
Các enzyme hòa tan thường kém bền nhiệt, acid, kiềm, dung môi hữu cơ hay một số ion kim loại nặng. Do đó, việc sử dụng các biện pháp bảo vệ chúng trong phản ứng là điều rất cần thiết
3.1.2. Chuyển hóa vật chất bằng enzyme khơng hịa tan
Enzyme khơng hịa tan hay enzyme cố định được hiểu theo cả nghĩa hẹp và nghĩa rộng
Theo nghĩa hẹp: enzyme khơng hịa tan là những enzyme được đưa vào những pha riêng rẽ, pha này được tách riêng với pha dung dịch tự do. Pha enzyme khơng hịa tan trong nước và được gắn với những polimer ưa nước có trọng lượng phân tử lớn
Theo nghĩa rộng: các chất xúc tác cố định là các enzyme, tế bào ở trạng thái sống ở trạng thái cho phép
sử dụng lại. Như vậy, theo nghĩa rộng enzyme khơng hịa tan bao gồm cả enzyme được cố định vào một chất mang, bao gồm cả enzyme có trong cơ thể sống được cố định trong các bình phản ứng sinh học có gắn kết một chất mang cho phép ta sử dụng nhiều lần.
Enzyme khơng hịa tan hay còn gọi là enzyme cố định thường là những enzyme hòa tan được gắn vào một chất mang bằng nhiều kỹ thuật khác nhau. Nhờ q trình này mà enzyme từ trạng thái hịa tan chuyển sang dạng khơng hịa tan. khi chuyển từ trạng thái hòa tan sang trạng thái khơng hịa tan, enzyme khơng hịa tan có những ưu điểm sau:
Enzyme khơng hịa tan có thể được sử dụng nhiều lần, hoạt tính của enzyme khơng hịa tan ít bị thay đổi trong những lần tái sử dụng. Đặc điểm này của enzyme khơng hịa tan có ý nghĩa rất lớn trong kỹ thuật, nhờ đó ta có thể tái sử dụng nhiều lần và sẽ làm giảm chi phí cho việc sản xuất enzyme. Đây là ưu điểm lớn nhất của việc thu nhận và ứng dụng enzyme khơng hịa tan.
Enzyme khơng hịa tan khơng lẫn vào sản phẩm cuối của phản ứng enzyme, do đó chúng ta khơng phải chi phí cho việc tách enzyme ra khỏi sản phẩm. Sản phẩm cuối thu được sẽ coi như sản phẩm tương đối sạch.
CÔNG NGHỆ ENZYME
Từ 2 đặc điểm trên cho thấy sử dụng enzyme khơng hịa tan có ý nghĩa kinh tế hơn sử dụng enzyme hòa tan nhiều lần.
3.1.3. Chuyển hóa vật chất do các q trình lên men
Quá trình lên men là quá trình chuyển hóa sinh học được thực hiện bởi các tế bào vi sinh vật sống tự do. Lên men là q trình chuyển hóa vật chất đặc trưng cho riêng vi sinh vật. Các quá trình lên men là tập hợp rất nhiều các q trình enzyme. Ở đó, tồn bộ các phản ứng xảy ra trong tế bào theo một trật tự được quyết định bởi hệ thống gen có trong nucleic acid.
Khác với enzyme ngoài tế bào, quá trình lên men thường xảy ra phức tạp hơn, các cơ chất ở ngoài tế bào phải thẩm thấu được vào trong tế bào. Tại đây sẽ tạo ra các sản phẩm bậc một (sinh khối), sản phẩm bậc hai (sản phẩm trao đổi chất). Quá trình tạo ra các sản phẩm trên chỉ được thực hiện trong tế bào sống. Nếu tế bào chết thì các q trình chuyển hóa lại mang ý nghĩa khác. Đó là q trình thủy phân bởi enzyme ngoại bào.
Q trình chuyển hóa sinh học này xảy ra thường xuyên, liên tục trong thiên nhiên và đã được loài người ứng dụng vào sản xuất hàng ngàn năm nay như sản xuất rượu, bia, nước giải khát, phomai, tương, chao, nước mắm và phát triển mạnh trong công nghệ lên men hiện đại như amino acid, kháng sinh, các chất kích thích tăng trưởng.
3.1.4. Chuyển hóa vật chất do tế bào cố định
Tế bào cố định là tế bào vi sinh vật được gắn vào một chất mang. Các chất mang và vi sinh vật gắn vào đó được đưa vào bình phản ứng sinh học (bioreactor). Cơ chất được đưa vào từ đỉnh của bình phản ứng sinh học và sản phẩm được lấy ra ở đáy bình phản ứng sinh học. Quá trình này được thực hiện liên tục. Tế bào cố định được ứng dụng rộng rãi, đem lại hiệu quả kinh tế rất rõ rệt