Kỹ thuật sản xuất enzym
2. Các ứng dụng của enzym
Hμng ngμn năm trước đây loμi người đã biết ủ chua để giữ thực phẩm được lâu hơn, biết lμm bánh mì, phomát, lμm tương, nấu rượu vμ lμm vang từ quả nho (bảng 4.1). Hai trường ca nổi tiếng cổ Hy lạp lμ Iliad vμ Odysei (khoảng 700 năm trước công nguyên) cũng nói tới cách lμm phomát, chế rượu nho nhưng chẳng ai biết được thủ phạm của quá trình đó lμ enzym vi sinh vật.
ở các nước phương Tây, công nghiệp enzym được hiểu biết chỉ xung quanh vấn đề nấm men vμ malt, nghề truyền thống của họ xem như chỉ có công nghiệp lμm bánh mỳ lμ phát triển. Do đó ở nhiều nước phát triển hoá sinh tập trung vμo lên men sản xuất men cho công nghiệp lμm bánh mỳ vμ biến đổi tinh bột thμnh đường. Trái lại các nước phương Đông chú ý nhiều đến chế biến thực phẩm bằng lên men. Họ sử dụng các nấm ăn lμm nguồn enzym.
Năm 1896 ở các nước phương Tây có giới thiệu bán enzym đầu tiên từ vi sinh vật lμ takadiastase từ Aspergillus oryzae, đó lμ enzym thuỷ phân. Phương pháp sản xuất enzym nμy đã được bắt đầu hμng ngμn năm trước ở Châu á.
Otto Rohm nhμ hoá học nổi tiếng người Đức đã tách được protease đầu tiên từ phân chó, sau đó đã tiến hμnh chiết enzym nμy từ các tạng của động vật.
Năm 1905, người ta đã tách được pancrease từ gan bò vμ lợn. Vμo giữa những năm 1950 kỹ thuật enzym phát triển nhanh chóng. Do công nghệ lên men chìm sản xuất penicillin đòi hỏi những hiểu biết mới để lên men ở qui mô lớn vi sinh vật sản xuất enzym, người ta đặc biệt chú trọng đến enzym từ vi sinh vật vì các lý do sau:
Sự hiểu biết cơ bản về các đặc điểm của enzym đã đẫn đến việc sử dụng rộng rãi enzym vμo các lĩnh vực khác nhau của đời sống.
Hầu hết các enzym ứng dụng trong công nghiệp đều do vi sinh vật tạo ra.
Lên men vi sinh vật ở qui mô công nghiệp để thu nhận enzym cũng lμ một công nghệ lên men nuôi vi sinh vật để thu enzym, vi sinh vật tiết các enzym vμo môi trường để phân giải cơ chất đồng hoá thức ăn từ môi trường, enzym còn dư thừa trong môi trường được nghiên cứu để thu hồi. Nồng độ enzym tạo ra trong môi trường thường rất thấp (1-2%), việc chiết tách để thu enzym dưới dạng tinh khiết cũng rất khó khăn, nhất lμ các enzym có yêu cầu tinh khiết cao dùng trong y học. Ví dụ 1 gram enzym tinh khiết giá vμi trăm đôla, trái lại enzym dạng thô hoạt lực 1% giá chỉ có 1 đôla/kg. Thường sử dụng enzym dạng thô cho công nghệ chế biến thực phẩm, lμm trong bia, nước quả ...
Phần lớn enzym sử dụng trong công nghiệp đều lμ những enzym ngoại bμo,
một số enzym khác cũng được sản xuất công nghiệp, nhưng lại lμ enzym nội bμo. Ví dụ glucose oxydase dùng bảo quản thực phẩm, asparaginase dùng điều trị ung thư máu, penicillinamidase (penicillinacylase) dùng để sản xuất 6-APA từ penicillin lμm nguyên liệu bán tổng hợp kháng sinh nhóm beta lactam.
Bảng 4.1. Các enzym vi sinh vật và ứng dụng của chúng
Enzym Vi sinh vật ứng dụng Công nghiệp
Amylase (phân giải tinh bột)
• Nấm mốc
• Vi khuẩn
• Nấm mốc
• Vi khuẩn
• Nấm mốc
• Vi khuẩn
• Vi khuẩn
• Bánh mì
• Bao bột
• Sản xuất glucose
• Hồ hoá vải
• Trợ giúp tiêu hoá
• Rũ hồ vải
• Tẩy vết bẩn
• Bánh mì
• Giấy
• Thực phẩm
• Tinh bột
• Dược phẩm
• Dệt
• Giặt là
Protease (phân giải protein)
• Nấm mốc
• Vi khuẩn
• Vi khuẩn
• Vi khuẩn
• Vi khuẩn
• Vi khuẩn
• Bánh mì
• Tẩy vết bẩn
• Làm mềm thịt
• Làm sạch vết thương
• Xử lý sợi
• ở gia đình
• Bánh mì
• Giặt khô
• Thịt
• Y học
• Dệt
• Giặt là Invertase (thuỷ
phân saccharose) Nấm men Kẹo xốp có nhân Kẹo xốp Glucose oxydase Nấm mốc • Loại bỏ glucose
• Kít giấy thử tiểu đường
• Thực phẩm
• Dược phẩm Glucose isomerase Vi khuẩn Siro fructose từ ngô Đồ uống nhẹ Pectinase Nấm mốc Lọc làm trong Vang, nước quả
Rennin Nấm mốc Đông tụ sữa Phomát
Cellulase Vi khuẩn Tẩy rửa Giặt là
Nghiên cứu các enzym nội bμo vẫn còn lμ vấn đề hấp dẫn nhằm tìm ra các enzym đặc hiệu dùng trong chẩn đoán vμ điều trị. Việc phát hiện ra tính chất tẩy rửa của enzym đã lμm cho công nghệ nμy phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, nó lμm giảm bớt đi lao động đơn giản, giảm đi sự ô nhiễm môi trường. Các nước Tây âu thường giặt quần áo bằng nước nóng (65-700C) để quần áo được sạch, trong khi đó ở Mỹ vμ Canada thường giặt ở 550C.
Ngược lại ở Nhật Bản lại giặt ở nhiệt độ bình thường nhưng thời gian giặt kéo dμi hơn. Nói chung đa số dân chúng ưa thích bột giặt sử dụng ở nhiệt độ bình thường (20-300C).
Do kỹ thuật sản xuất enzym ngμy cμng được cải tiến nên giá thμnh liên tục giảm đi trong những năm qua. Theo thống kê của Phòng Thương mại vμ Công nghiệp Hoa Kỳ thì doanh thu enzym trên toμn thế giới khoảng 750 - 850 triệu USD. 80% doanh số nμy thuộc vμo 3 enzym sau đây: biến đổi tinh bột 40%, tẩy rửa 30%, chế biến sữa 10%.
Bảng 4.2. Sản xuất enzym công nghiệp ở một số nước phương Tây
Một số nước phương tây Sản lượng enzym (tấn) Tỷ lệ %
USA 6.360 12
Nhật 4.240 8
Đan Mạch 24.910 47
Pháp 1.590 3
Đức 3.180 6
Hà Lan 10.070 19
Anh 1.060 2
Thuỵ Sĩ 1.060 2
Các nước khác 530 1
Tổng số 53.000 100
Trong những năm gần đây, kỹ thuật tái tổ hợp ADN ngμy cμng có nhiều ứng dụng, những vi sinh vật được biến đổi gen có năng suất tạo enzym cao hơn, cùng với kỹ thuật lên men vμ thu hồi sản phẩm ngμy cμng hoμn thiện nên giá thμnh enzym liên tục giảm. Những enzym dùng trong y học lμm kít chẩn đoán hay điều trị một sổ bệnh hiểm nghèo số lượng dùng rất nhỏ (mg hoặc microgram) nhưng giá cực kỳ đắt (100.000 đôla/kg). Đặc biệt, kỹ thuật bất động enzym ra đời đã lμm cho các quá trình sản xuất tự động hoá nên hiệu quả sử dụng enzym rất cao. Kỹ thuật bất động enzym có thể coi như những vi chíp điện tử trong máy tính, lμm cho công nghệ enzym trở thμnh một ngμnh khoa học hấp dẫn vμ hiệu quả. Chỉ cần 1 kg penicillinamidase bất động trên mạng polyacriamid có thể sản xuất được 1000 kg 6-APA.
Sự tăng trưởng của thị trường enzym trên thế giới theo hai xu hướng sau:
sản xuất các enzym dùng trong công nghiệp với số lượng lớn vμ các enzym có độ tinh khiết cao với số lượng nhỏ dùng trong phân tích, chẩn đoán vμ điều trị.
Hai quốc gia nhỏ bé ở Châu âu lμ Hμ Lan vμ Đan Mạch được coi lμ những
“cường quốc" sản xuất enzym dùng trong công nghiệp (bảng 4.2).
Trong lĩnh vực nghiên cứu về enzym hiện nay người ta tập trung vμo việc xử lý nguồn cơ chất vô tận lμ lignocellulose, mong muốn biến đổi chúng thμnh những sản phẩm có ích phục vụ cho loμi người.