Giải Chuyên đề Sinh học 10 Cánh diều Bài 8: Sản xuất enzyme tự nhiên

- Enzyme có thể được sản xuất từ 3 nguồn trong tự nhiên:

(1) – Tế bào, mô và cơ thể động vật

(2) – Tế bào, mô và cơ thể thực vật.

(3) – Vi sinh vật.

- Sản xuất enzyme tự nhiên cần thực hiện quy trình sản xuất gồm các bước cơ bản sau: Nuôi trồng và thu hoạch nguyên liệu sản xuất enzyme (động vật, thực vật hoặc vi sinh vật) → Trích li enzyme từ nguyên liệu → Tinh sạch enzyme → Phối chế, đóng gói và bảo quản chế phẩm enzyme.

- Cần sản xuất các chế phẩm enzyme tự nhiên nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng enzyme tự nhiên trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp chế biến thực phẩm, mĩ phẩm, dược phẩm,…

- Các enzyme trong hệ tiêu hóa có vai trò thủy phân thức ăn thành các chất dinh dưỡng mà cơ thể có thể hấp thụ được. Mỗi loại enzyme trong hệ tiêu hóa thì có vai trò thủy phân các chất khác nhau trong thức ăn, cụ thể:

+ Enzyme amylase có vai trò thủy phân tinh bột thành đường.

+ Enzyme pepsin có vai trò thủy phân protein.

+ Enzyme lipase có vai trò thủy phân lipid.

+ Enzyme nuclease có vai trò thủy phân nucleic acid.

+ Enzyme maltase có vai trò thủy phân đường đôi.

+ Enzyme trypsin có vai trò thủy phân protein.

+ Enzyme peptidase có vai trò thủy phân peptide.

- Enzyme trong hệ thống tiết trên da (ví dụ tuyến mồ hôi) có tác dụng bảo vệ cơ thể, ngăn chặn sự xâm nhập của vi khuẩn như lysozyme phá vỡ thành tế bào vi khuẩn.

Điểm hạn chế của nguồn nguyên liệu động vật và thực vật so với nguồn nguyên liệu vi sinh vật trong công nghệ sản xuất enzyme tự nhiên:

- Tốc độ sinh trưởng của tế bào động vật và thực vật trong môi trường nuôi cấy nhân tạo kém hơn của vi sinh vật.

- Chi phí nuôi cấy của tế bào động vật và thực vật tốn kém hơn.

- Nguồn enzyme của tế bào động vật và thực vật kém phong phú hơn.

Một số ví dụ trong đời sống liên quan đến ứng dụng các chế phẩm enzyme từ tự nhiên:

- Sử dụng chế phẩm enzyme bromelain từ dứa để làm mềm thịt.

- Sử dụng enzyme amylase được sản xuất từ vi sinh vật (nấm mốc, vi khuẩn,…) để làm rượu có nồng độ cao.

- Sử dụng enzyme lipase để cải thiện hương vị đặc trưng của phô mai bằng cách tạo ra các acid béo tự do khi thủy phân các chất béo sữa, cải thiện cấu trúc và độ mềm của phô mai.

- Sử dụng enzyme pectinase từ nấm mốc để làm giảm độ đục, cải thiện màu sắc và hương vị cho các loại nước ép trái cây có nguồn gốc tự nhiên như táo và chuối.

- Nguyên tắc chung giữa quy trình sản xuất enzyme tự nhiên từ động vật, thực vật và vi sinh vật: Đều trải qua 4 giai đoạn cơ bản gồm: Nuôi trồng và thu hoạch nguyên liệu sản xuất enzyme → Trích li enzyme từ nguyên liệu → Tinh sạch enzyme → Phối chế, đóng gói và bảo quản chế phẩm enzyme.

- Khác biệt giữa quy trình sản xuất enzyme tự nhiên từ động vật, thực vật và vi sinh vật:

- Giống nhau: Đều phải tiến hành thu dịch enzyme từ dịch nuôi cấy vi sinh vật rồi tiến hành kết tủa enzyme để thu hồi chế phẩm enzyme thô.

- Khác nhau:

+ Đối với enzyme ngoại bào, dịch enzyme được thu bằng cách loại bỏ sinh khối tế bào.

+ Đối với enzyme nội bào, dịch enzyme được thu từ sinh khối tế bào bằng các phương pháp phá vỡ tế bào khác nhau.

Các phương pháp phá vỡ tế bào để trích li enzyme nội bào ra khỏi tế bào sinh vật:

- Cắt nhỏ và nghiền mẫu trong nước để trích li enzyme từ tế bào động vật và thực vật.

+ Đối với vi sinh vật, dịch enzyme nội bào thô được trích li từ sinh khối tế bào bằng cách phương pháp phá vỡ tế bào khác nhau như phương pháp vật lí (nghiền với bi thủy tinh, thay đổi áp suất dịch tế bào, dùng nhiệt độ để phá vỡ tế bào), phương pháp hóa học (dùng các chất tẩy rửa, các ion gây thay đổi áp suất thẩm thấu trong tế bào,…) hoặc kết hợp với phương pháp sinh học (dùng enzyme để phá vỡ tế bào).

Các kĩ thuật tinh sạch enzyme hiện có:

- Dùng các dung môi có ái lực (có khả năng hòa tan và hấp thu) với các hợp chất cao phân tử (các polysaccharide, lipid,…) để tách chúng ra khỏi dịch chứa enzyme.

- Dùng các phương pháp sắc kí khác nhau (trao đổi ion, tương tác kị nước, ái lực và lọc gel) để tách enzyme ra khỏi dịch chứa enzyme.

Các cách bảo quản chế phẩm enzyme:

- Theo dạng bảo quản: Sấy khô, sấy phun, sấy đông khô và được đóng gói dạng bột hoặc được giữ trong dung dịch bảo quản và đóng chai.

- Theo điều kiện nhiệt độ: Bảo quản chế phẩm enzyme ở nhiệt độ thường (25 – 30 $^{o}$C), bảo quản trong điều kiện mát (4 – 10 $^{o}$C) hoặc ở điều kiện đông lạnh (từ -20 $^{o}$C đến – 30 $^{o}$C).

Những bước trong quy trình sản xuất chế phẩm amylase từ nấm mốc A. oryzae tương ứng với bốn giai đoạn cơ bản của quy trình sản xuất enzyme là: