[Chia sẻ] Ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất enzym

Định nghĩa

Enzyme là một chất xúc tác sinh học với thực chất là protein. Nó có năng lực làm tăng vận tốc của một hoặc một vài phản ứng đơn cử. Một tế bào hoàn toàn có thể chứa nhiều loại phân tử enzyme khác nhau và mỗi loại đặc trưng cho một phản ứng .
Cấu trúc của enzym : enzym được chia làm 2 loại, một loại có cấu trúc đơn thuần và một loại có cấu trúc phức tạp. Các phân tử acid amin ở dạng L được link với nhau bằng link peptid. Tổng khối lượng của protein từ 12000 đến 1000000 dalton :

• Enzym đơn giản: là loại chỉ chứa protein với khối lượng phân tử từ 100 đến 3000 acid amin.
• Enzym phức tạp: ngoài thành phần protein chúng còn chứa thành phần khác là coenzym.

Tính chất

• Có hoạt tính xúc tác mạnh, và đặc hiệu với từng loại phản ứng hoặc cơ chất.
• Trọng lượng phân tử lớn, không có khả năng tự qua màng tế bào.
• Có tính lưỡng tính, tan tốt trong nước, dung dịch muối loãng, glycerin và các dung môi hữu cơ phân cực. Lựa chọn phương pháp tách và tinh chế phù hợp.
• Kém bền và kết tụ ở nhiệt độ cao, dung dịch acid, kiềm mạnh và muối kim loại nặng.

Các ứng dụng của enzyme

Thuốc : có khoảng chừng trên 60 loại enzyme được sử dụng làm thuốc như protease và lipase để làm sạch vết thương ; trypsin, chymotrypsin, serratiopeptidase được sử dụng trong chống viêm ; enzyme Hyaluronidase giúp tăng tính thấm của 1 số ít thuốc qua mô ; creatine kinase được sử dụng cho bệnh nhân chấn thương và yếu cơ ; sử dụng polymerase chain reaction trong chẩn đoán sớm những bệnh của thai nhi thalassemia dạng beta, thiếu máu hồng cầu lưỡi liềm, bệnh huntington ; Lysozym điều trị nhiễm khuẩn ; những enzym tương hỗ tiêu hóa như amylase, pepsin, pancrease, bromelain, papain ; điều trị bệnh cầu như : – asparaginase ; loại những cục máu đông như streptokinase, urokinase, nattokinase …. Việc sử dụng những enzym có ưu điểm là ít gây ra những phản ứng có hại và có tính đặc hiệu cao. Tuy nhiên chúng cũng có những điểm yếu kém tương quan đến những đặc tính cấu trúc, hóa lý của chúng như khối lượng phân tử lượng lớn, dẫn đến khó xâm nhập qua màng tế bào ; dễ biến tính dưới tính năng của nhiệt và pH nên việc sử dụng đường uống gặp nhiều khó khăn vất vả ; kích cỡ lớn nên dễ bị mạng lưới hệ thống miễn dịch của khung hình nhận diện và hủy hoại ; hoàn toàn có thể gây ra hiện tượng kỳ lạ quá mẫn khi sử dụng lặp lại ; và đặc biệt quan trọng là giá tiền cao .

Y học: được sử chủ yếu để chẩn đoán. Như enzyme glucose oxidase trong các kit chẩn đoán tiểu đường; glutamine pyruvat transaminase trong chẩn đoán các bệnh về gan; GOT trong chẩn đoán nhồi máu cơ tim.

Công nghệ sinh học : cellulase được sử dụng trong tạo tế bào trần ; polymerase được sử dụng trong công nghệ PCR .
Sản xuất những nguyên vật liệu làm thuốc như penicillinase – sản xuất 6 APA ; sản xuất siro fructose bằng glucose isomerase .

Các phương pháp sản xuất sản xuất enzyme

Mọi khung hình sống đều có chứa những enzym. Do đó, chúng đều được coi là nguồn nguyên vật liệu để sản xuất enzyme. Hàm lượng và năng lực tổng hợp enzyme giữa những loài là khác nhau và còn nhờ vào vào từng quá trình sinh trưởng tăng trưởng, trạng thái sinh lý tế bào và những yếu tố bên ngoài khác … Nguồn nguyên vật liệu enzym đa phần từ mô và những cơ quan động vật hoang dã, thực vật ; tế bào vi sinh vật ( công nghệ vi sinh ) .
Nguồn nguyên vật liệu từ động vật hoang dã :

• Đây là cơ thể đa bào, do đó chỉ một số bộ phận nhất định được sử dụng để sản xuất các enzyme như tuyến tụy, gan, dạ dày, ruột… Các enzym chủ yếu là các protease như pepsin lấy từ dạ dày, pancreatin sản xuất từ tụy của lợn hoặc bò, trypsin được sản xuất từ dịch tụy bò; các lipase và lysozyme từ các tạng.
• Ưu điểm: enzyme có hoạt tính và độ ổn định cao.
• Nhược điểm: nguồn nguyên liệu không ổn định về hàm lượng và thành phần; không có khả năng cải tạo để tăng năng suất bằng các phương pháp đột biến; giá thành cao do thời gian sản xuất lâu, hiệu suất thấp, rủi ro về dịch bệnh thiên tai cao.

Nguồn nguyên vật liệu từ thực vật :

• Enzyme trong thực vật đã được sản xuất từ rất lâu đời. Các enzyme phổ biến được sử dụng là các amylase từ thóc đại mạch nảy mầm; papain từ nhựa mủ của quả đu đủ; bromelin từ mầm và lõi quả dừa; ficin từ quả sung- chất này có khả năng trị ký sinh trùng đường ruột.
• Ưu điểm: cũng có hoạt tính mạnh và ổn định như enzyme động vật; nhưng rẻ hơn nguồn động vật.
• Nhược điểm: tương tự như động vật.

Nguồn nguyên liệu từ vi sinh vật: đây là phương pháp được sử dụng phổ biến. Hầu hết các enzyme từ thực vật hoặc động vật đều có thể sản xuất từ vi sinh vật như amylase, protease, pectinase, penicillin acylase…

Ưu điểm :

• Vi sinh vật phát triển và sinh trưởng nhanh thu được nhiều sinh khối, thời gian nhân lên nhanh hơn nhiều động thực vật.
• Vi sinh vật có hệ enzym đa dạng, một số loại enzyme chỉ có ở nhóm này như cellulose, nitrogenase, racemase.
• Hàm lượng enzyme chứa trong tế bào vi sinh vật rất lớn, dễ dàng sản xuất và cho hiệu suất cao.
• Các enzym này có hoạt tính cao và có độ ổn định trong khoảng nhiệt độ và pH rộng.
• Không như động vật hoặc thực vật chỉ cho một loại enzyme, vi sinh vật có thể cho tất cả các loại. Chỉ cần tích hợp gen mã hóa enzym này vào trong hệ gen vi sinh vật là chúng có khả năng sản xuất được. Có thể điều khiển khả năng sinh hoặc kìm hãm enzyme không mong muốn bằng các chất cảm ứng đặc biệt. Ví dụ như nuôi cấy vi khuẩn ASP. Niger muốn kích thích vi khuẩn sinh protease sẽ sử dụng môi trường nuôi cấy là protein; còn sinh pectinase sẽ sử dụng môi trường chứa pectin.
• Sản xuất không phụ thuộc thời tiết như với thực vật.
• Nguyên liệu nuôi cấy rẻ tiền, dễ kiếm có thể tận dụng phế phẩm từ các ngành khác.

Phương pháp sản xuất enzyme từ vi sinh vật

Sản xuất enzyme từ vi sinh vật cũng gồm 3 bước tựa như quy trình lên men gồm trước nuôi cấy, lên men và thu loại sản phẩm .

Trước nuôi cấy

Chuẩn bị chủng giống : giống nuôi cấy cần phân lập đến cấp chủng. Các chủng này cần được lưu giữ tại những kho lưu trữ bảo tàng giống trên quốc tế và tổng hợp enzyme muốn với hiệu suất cao và tinh khiết .
Chuẩn bị môi trường tự nhiên nuôi cấy :

• Nguồn hydrocacbon: sử dụng các đường đơn, đường đôi như fructose, saccharose, glucose… các đường này vi sinh vật dễ tiêu hóa nên sinh trưởng nhanh để tạo các enzym; với những vi sinh vật có men amylase có thể sử dụng tinh bột hoặc các mạch đường dài như dextrin.
• Nguồn N: sử dụng nguồn Nitơ hữu cơ như bột đậu và pepton. Ngoài ra với từng loại enzym mà thêm các thành phần đặc biệt khác như pectin và lactose trong sản xuất pectinase; bã mía, mùn cưa, lõi ngô trong sản xuất cellulase;
• Chất cảm ứng: để tạo ra enzym mong muốn như amylase sử dụng tinh bột, dextrin, maltose…; proteinase sử dụng casein.
• Các thành phần khác như nguyên tố vi lượng, pH môi trường thích hợp, phá bọt… cần phải lựa chọn thích hợp.

Quá trình lên men

Điều kiện nhiệt độ, kiểm soát pH, chế độ cấp khí và thời gian nuôi cấy thích hợp để thu được sản phẩm cao và tinh khiết nhất. 2 phương pháp được sử dụng phổ biến là phương pháp lên men chìm và phương pháp lên men bề mặt.

Phương pháp lên men mặt phẳng :
Môi trường nuôi cấy thường gồm có cám gạo, cám mì, bột đậu và bột ngô để phân phối hydrocarbon và N2. Ngoài ra để tăng độ xốp, cần phải bổ trợ thêm trấu và mùn cưa. Tuy nhiên nồng độ sử dụng dưới 25 %. Độ dày từ 2 đến 5 cm với nhiệt độ duy trì từ 55 đến 65 %, nhiệt độ từ 28 đến 30 độ C. Trước quy trình nuôi cấy cần hấp chín và làm ẩm thiên nhiên và môi trường để tiệt trùng. Thời gian nuôi cấy từ 1.5 đến 2 ngày .
Ưu điểm :

• Lên men bề mặt cho nồng độ enzyme thu được cao hơn lên men chìm (do chìm sử dụng môi trường lỏng).
• Dế sấy khô và ít làm biến đổi hoạt tính của enzyme.
• Dễ vận chuyển do ở dạng rắn.
• Thiết bị sử dụng đơn giản, dễ vận hành và ít tốn năng lượng.
• Khi bị xảy ra sự cố như nhiễm khuẩn có thể dễ dàng xử lý cục bộ.

Phương pháp lên men chìm : sử dụng thiên nhiên và môi trường nuôi cấy từ tinh bột, những nguồn nitơ hữu cơ và những chất khoáng. Cần triển khai hấp để hồ hóa và tiệt trùng môi trường tự nhiên. Nuôi cấy ở nhiệt độ mát từ 28 đến 30 độ C ; duy trì pH không thay đổi với từng loại vi sinh vật thường thì gần 7 ; trong quy trình nuôi cấy cần có chính sách cấp khí, khuấy trộn và làm mát thích hợp để vi sinh vật sinh trưởng tốt nhất. Thời gian nuôi cấy lâu hơn mặt phẳng với thời hạn từ 48 đến 96 giờ .

Xử lý dịch sau lên men

Có 2 dạng enzym được sử dụng là enzyme thô và enzym tinh khiết. Enzyme thô : như men sản xuất rượu và enzym tinh khiết được sử dụng trong y dược, thực phẩm hoặc những ngành công nghiệp nhẹ …
Tùy thuộc vào vị trí của enzyme là ngoại bào hay nội bào mà triển khai chiêu thức tách chiết thích hợp. Với enzyme ngoại bào, thực thi ly tâm hoặc lọc để thu lấy dịch lọc. Còn enzyme nội bào sẽ thu sinh khối, sau đó triển khai những giải pháp như vật lý ( nghiền, nhiệt hoặc siêu âm ) hóa học ( acid hoặc kiềm ) sinh học ( sử dụng những enzym như lysozym, cellulase ) để phá vỡ tế bào. Sau đó lọc lấy dịch có chứa enzym .
Chiết enzyme :

• Với enzyme thô: chỉ sấy khô đến hàm lượng từ 8 đến 12 %.
• Với Enzym tinh khiết: sử dụng kết tủa trong các dung môi hữu cơ, dung dịch muối ở nhiệt độ 28 đến 30 độ C. Sau đó cô chân không ở 10 độ C. Tiến hành ở nhiệt độ này để vẫn duy trì được hoạt tính của enzyme.

Tinh chế enzym : Enzym sau khi chiết tạo liên tục tinh chế bằng những giải pháp :

• Dịch chứa enzym sẽ được trộn cùng với các dung môi hữu cơ khác như ethanol, isopropanol, acetone hoặc dung dịch muối trung tính để kết tủa thu lấy enzyme (dựa vào tính chất kết tủa của enzyme bởi nhiệt, muối, dung môi).
• Do enzym có kích phân tử lớn và khác nhau, có thể tiến hành sàng phân tử để thu được enzym mong muốn.
• Tiến hành điện di để tách riêng enzyme. Do protein có khả năng tích điện nhờ nhóm amin và carboxylic.
• Sử dụng phương pháp hấp phụ hoặc sắc ký ái lực. Do có các nhóm chức đặc biệt như amin và carboxylic.
• Có thể tiến hành siêu ly tâm, các phân tử protein khối lượng cao hơn sẽ lắng xuống.

Tài liệu tham khảo

Slide bài giảng “ công nghệ sản xuất enzyme ” học phần “ công nghệ vi sinh ” – ThS Lê Ngọc Khánh – trường Đại học Dược TP. Hà Nội .

https://www.genome.gov/genetics-glossary/Enzyme#:~:text=An%20enzyme%20is%20a%20biological,chemical%20reaction%20in%20the%20cell.&text=A%20cell%20contains%20thousands%20of,to%20a%20particular%20chemical%20reaction.

https://www.medicalnewstoday.com/articles/319704
https://amfep.org/about-enzymes/applications/#:~:text=Enzyme%20applications&text=Enzymes%20are%20used%20to%20make,for%20cars%20and%20energy%20generation .
Xem thêm : Ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất những mẫu sản phẩm protein đơn bào

Source: https://thevesta.vn
Category: Công Nghệ