THỦY PHÂN [10]
Qúa trình thủy phân là quá trình phân cắt một số liên kết nhị dương trong hợp chất hữu cơ thành các đơn phân dưới tác dụng của chất xúc tác cĩ sự tham gia của nước trong phản ứng.
Enzyme là chất xúc tác mang bản chất protein, enzyme cĩ khả năng tương tác lên các liên kết nhị dương và làm thay đổi các liên kết thủy phân trong phân tử cơ chất, làm cho các liên kết này bị suy yếu và dễ dàng bị đứt ra khi cĩ yếu tố nước tham gia.
Cơ sở lý thuyết về tác dụng của enzyme thủy phân vào liên kết nhị dương
Đa số enzyme thủy phân (hydrolase) khơng cĩ nhĩm ngoại. Trong trung tâm hoạt động của chúng cĩ chứa gốc amino acid đặc hiệu. Đối với hydrolase thường chứa hai nhĩm chức.
Ví dụ: + Vịng imidazol của histidin
+ Nhĩm hydroxyl (một số amino acid: serine, threonine)
Sự tương tác giữa hai nhĩm đặc hiệu (-OH, - imidazol) đã hình thành tâm ái nhân. Xung quanh trung tâm hoạt động của hydrolase cịn chứa nhiều các amino acid, vai trị của serine cĩ chứa nhĩm – OH cĩ tác động rất lớn làm thay đổi trung tâm hoạt động theo hướng cĩ lợi cho hoạt động xúc tác của enzyme. Do cấu trúc bậc 3 của phân tử protein-enzyme mà nhĩm hydroxyl của serine và vịng imidazol của histidin gần gũi nhau, tạo ra liên kết hydroxyl giữa gốc – OH của serine với nitơ bậc 3 của histidin. Nhờ quá trình đĩ mà nhĩm hydroxyl xuất hiện tính chất ái nhân và cĩ thể tương tác được với liên kết nhị dương của cơ chất như sau:
H2N – CH – CO – NH – CH –CO – NH – R1 R2 H2O (Protein) H2N – CH – COOH R1 + H2N – CH – CO – NH – CH – R2
(Acid amin) (Peptid)
protease
Sự thủy phân của enzyme càng dễ dàng khi sự khuyết điện tử trong liên kết nhị dương càng lớn, vì sự gắn tâm ái nhân của enzyme vào liên kết nhị dương càng mạnh mẽ.
Sự khuyết điện tử cĩ thể được tăng lên khi tăng tổng điện tích dương của hai nguyên tử tạo thành liên kết hĩa học hoặc chỉ tăng điện tích của một trong hai khi cơ chất tương tác với enzyme.
Nếu trong hai phân tử cơ chất cĩ nhiều liên kết giống nhau thì liên kết nào nhị dương hơn cả sẽ bị phân ly thủy phân trước bởi enzyme (với điều kiện khơng cĩ án ngữ khơng gian và đặc hiệu lập thể của từng liên kết).
Cơ chế tác dụng của enzyme hydrolase lên cơ chất bị thủy phân cũng tuân theo cơ chế chung sau:
E - + S+ ES P + E
Trong đĩ: E là enzyme, S là cơ chất, ES là phức hợp enzyme và cơ chất, P sản phẩm tạo thành.
Giai đoạn đầu cĩ sự hình thành phức hợp trung gian ES, sự tạo thành phức hợp này cĩ thể theo hai kiểu sau:
- Kiểu cơ chế thứ nhất: Là kiểu hình thành đơn giản, tâm ái nhân (-) của enzyme tương tác nhanh với một trong hai nguyên tử tích điện dương của liên kết nhị dương. Sau khi tương tác sẽ làm thay đổi mật độ electron (e) và làm suy yếu liên kết nhị dương tạo điều kiện cắt đứt liên kết. Các nhà nghiên cứu cho rằng kiểu
cơ chế này xảy ra khi tâm ái nhân của enzyme mạnh và sự khuyết điện tử của liên
kết nhị dương lớn. E O- + H+ N
- Kiểu cơ chế thứ hai: Lúc đầu các nguyên tử khuyết điện tử trong liên kết nhị dương chưa thể đính trực tiếp vào tâm ái nhân của trung tâm hoạt động của enzyme mà cơ chất gắn vào tâm ái nhân bằng một phản ứng hĩa học nào đĩ giữa tâm ái nhân ở trung tâm hoạt động enzyme với một nhĩm hĩa học ở vị trí liền kề với liên kết nhị dương trong cơ chất. Dưới ảnh hưởng của trung tâm hoạt động của enzyme sẽ dần dần làm tăng mức độ khuyết điện tử vốn đã tồn tại trước đĩ, bằng cách tạo liên kết tương ứng với cơ chất ở những vị trí gần gũi với liên kết nhị dương. Nhờ vậy, làm cho sự phân bố điện tử trong phân tử cơ chất bị thay đổi theo chiều hướng cần thiết, khiến cho liên kết nhị dương được tăng cường và cĩ thể tương tác với các tác nhân ái nhân của trung tâm hoạt động của enzyme và tiến hành làm yếu liên kết, dẫn đến liên kết bị thủy phân khi cĩ yếu tố nước tham gia.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân
Trong quá trình thủy phân vỏ đầu tơm bằng protease cĩ nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ thủy phân như:
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ: Bản chất của enzyme là protein nên khi tăng hay giảm nhiệt độ thường ảnh hưởng tới hoạt tính của enzyme. Enzyme chỉ thể hiện hoạt tính cao nhất ở một giới hạn nhiệt độ nhất định. Thơng thường đối với đa số enzyme thì nhiệt độ thích hợp nằm trong khoảng 40÷50oC, khi nhiệt độ lớn hơn 70oC đa số enzyme bị mất hoạt tính. Do vậy 70oC gọi là nhiệt độ tới hạn của enzyme. Trong khoảng nhiệt độ thích hợp cho hoạt độ của enzyme, nếu nhiệt độ tăng 10oC thì tốc độ thủy phân của enzyme tăng từ 1,5 – 2 lần. Nhiệt độ thích hợp đối với một enzyme cĩ thể thay đổi khi cĩ sự thay đổi về pH và cơ chất.
+ Ảnh hưởng của pH mơi trường: Enzyme rất nhạy cảm đối với sự thay đổi của pH. Mỗi enzyme chỉ hoạt động ở một vùng pH nhất định gọi là pH tối thích, pH tối thích của đa số enzyme nằm trong vùng trung tính, acid yếu hoặc kiềm yếu, chỉ rất ít enzyme hoạt động mạnh trong vùng acid hay kiềm. Phế liệu tơm cĩ thể bị thủy phân bởi enzyme protease cĩ sẵn trong đầu tơm vì thế chúng ta phải chọn enzyme nào đĩng vai trị là enzyme chính xúc tác cho quá trình thủy phân để tạo mơi trường cĩ pH thích hợp cho nĩ hoạt động và hạn chế ảnh hưởng của các enzyme khác.
+ Ảnh hưởng của thời gian: Thời gian thủy phân kéo dài hay rút ngắn đều ảnh
hưởng đến hiệu quả của quá trình thủy phân và chất lượng của sản phẩm. Thời gian tác dụng kéo dài thì enzyme cĩ điều kiện để cắt mạch triệt để, dẫn đến sự biến đổi sâu sắc của cơ chất. Nhưng nếu kéo dài thời gian thủy phân quá mức sẽ tạo điều kiện cho vi sinh vật hoạt động làm sản sinh ra nhiều sản phẩm cấp thấp như: NH3, H2S, indol, scaptol, …đồng thời khi kéo dài hiệu quả kinh tế kém. Khi rút ngắn thời gian thủy phân, sự thủy phân protein chưa triệt để dẫn tới hiệu suất thủy phân kém, gây lãng phí nguyên liệu và gây khĩ khăn cho khâu lọc rửa để thu dịch protein, cho cơng đoạn khử khống và khử màu.
+ Ảnh hưởng của diện tích tiếp xúc: Diện tích tiếp xúc giữa enzyme protease
và phế liệu tơm cũng ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ thủy phân Để tạo điều kiện cho enzyme protease hoạt động tốt người ta thường xay nhỏ phế liệu tơm. Khi diện tích tiếp xúc giữa enzyme protease với protein càng lớn thì quá trình thủy phân càng dễ dàng và ngược lại.
+ Ảnh hưởng của nồng độ enzyme: Trong điều kiện thừa cơ chất, nếu càng tăng nồng độ enzyme protease thì quá trình thủy phân xảy ra càng mãnh liệt. Khi nồng độ enzyme bão hịa với nồng độ cơ chất, dù tăng nồng độ enzyme bao nhiêu đi nữa vận tốc của quá trình thủy phân rất ít thay đổi.
+ Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất: Khi enzyme protease kết hợp với cơ chất là
phế liệu tơm, sẽ tạo thành phức trung gian enzyme và cơ chất. Phức chất này sẽ kéo căng liên kết peptid, chuyển hĩa thành sản phẩm dịch đạm và giải phĩng enzyme. Qúa trình này cứ tiếp tục xảy ra đến khi cơ chất hết, nếu nồng độ cơ chất thích hợp với lượng enzyme sẽ làm cho quá trình thủy phân diễn ra đều đặn, nhanh chĩng.
+ Độ tươi của nguyên liệu: Độ tươi của phế liệu tơm cĩ vai trị quan trọng quyết định đến chất lượng của sản phẩm protein thu hồi và chitin. Độ tươi của phế liệu tơm giảm thì làm giảm chất lượng của bột protein do cĩ sự phân hủy protein trong đầu tơm tạo thành những sản phẩm cấp thấp như: Indol, scaptol, H2S, NH3…gây ra mùi khĩ chịu cho sản phẩm.
+ Ảnh hưởng của tỷ lệ nước bổ sung vào hỗn hợp thủy phân: Nước là yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến phản ứng thủy phân. Nĩ cĩ khả năng điều chỉnh phản ứng thủy phân, bởi lẽ nước là mơi trường tăng cường quá trình phân cắt các liên kết nhị dương, là mơi trường khuyếch tán enzyme và cơ chất tạo điều kiện cho tốc độ phản ứng xảy ra. Do vậy quá trình thủy phân nguyên liệu vỏ đầu tơm nếu ta bổ sung nước với tỷ lệ thấp sẽ hạn chế được hoạt động của vi sinh vật nhưng đồng thời ức chế hoạt động của enzyme làm giảm hiệu suất thủy phân. Nhưng nếu bổ sung nước với tỷ lệ quá cao, vi sinh vật hoạt động và phát triển phân hủy sản phẩm thành các sản phẩm thứ cấp. Vận dụng sự ảnh hưởng của yếu tố nước vào quá trình thủy phân mà ta cĩ thể điều chỉnh tốc độ phản ứng thủy phân bằng cách tăng hay giảm lượng nước cho phù hợp.
Chương 2
NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU