Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học Viện Sinh thái Tài nguyên Sinh vật Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam  TIỂU LUẬN XÚC TÁC SINH HỌC Đề tài: CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA ENZYME THỦY PHÂN - HYDROLASE Giảng viên hướng dẫn: Học viên thực hiện: Lớp : TS Nguyễn Văn Thiết Hồ Ngọc Anh Cao học Hóa Sinh học - K14 Hà Nội, 24/05/2012 Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học MỞ ĐẦU Enzyme chất xúc tác hữu có tính đặc hiệu cao chất tế bào sống tổng hợp nên, điều khiển vận tốc chuyển hóa hàng ngàn phản ứng hóa học xảy sinh chất Với ưu điểm có nguồn gốc từ tự nhiên nên tác hại thể, điều kiện xúc tác phản ứng ơn hòa, chiết tách từ nhiều nguồn nguyên liệu phổ biến tự nhiên… mà ngày Công nghệ enzyme phát triển ứng dụng rộng rãi đời sống Enzyme có lớp, enzyme thủy phân (Hydrolase ) ứng dụng đại trà Đặc biệt công nghiệp chế biến thực phẩm, chúng ứng dụng để tạo mùi vị màu sắc đặc trưng cho sản phẩm, giúp thời gian sản xuất rút ngắn Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm trên, enzyme gây khơng bất lợi cho q trình chế biến bảo quản, làm ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan sản phẩm thực phẩm Vì vậy, cần phải nắm rõ chế tác dụng yếu tố điều chỉnh chúng để có điều chỉnh phù hợp điều kiện sản xuất, bảo quản…nhằm đạt hiệu cao ứng dụng vào sản xuất chiết tách enzyme Những ứng dụng thông tin cần thiết cho việc mở rộng kiến thức, nghiên cứu, ứng dụng vào thực tiễn Đó nội dung tơi trình bày đề tài tiểu luận : Cơ chế tác dụng enzyme thủy phân (hydrolase) Hầu hết phản ứng hóa học xảy hệ thống sống protein đặc biệt xúc tác, protein gọi enzyme hay fecmen Enzyme có tế bào sống, gọi chất xúc tác sinh học Tuy nhiên, enzyme khơng xúc tác cho phản ứng xảy hệ thống sống, mà sau tách khỏi hệ thống chúng xúc tác cho phản ứng tế bào Qua vần đề nêu cho thấy vai trò enzyme thật phức tạp đa dạng Trước vào tìm hiểu chế tác dụng enzyme thủy phân, yếu tố điều chỉnh phản ứng thủy phân enzyme Tơi xin trình bày Tổng quan enzyme để làm rõ đặc trưng enzyme Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Mơn: Xúc tác sinh học ENZYME Bất kỳ lúc thể sống có hàng trăm phản ứng hóa học xảy Các phản ứng cung cấp lượng trì cung cấp nhiều chất cần thiết cho tăng trưởng tái tạo Ở đây, phản ứng điều phối tồn q trình chuyển hóa có nhờ vào sản xuất chất đặc biệt, gọi enzyme (trong tiếng Hy lạp en bên trong, zym lên men) Đa số enzyme có chất hóa học protein, số khác có chất acid nucleic (trong trường hợp viruts) có khả điều hòa, xúc tác cho phản ứng sinh hóa nên gọi xúc tác sinh học TÍNH CHẤT SINH HỌC CỦA ENZYME [2] • Khơng tham gia vào thành phần cuối phản ứng • Chỉ làm tăng nhanh phản ứng mà phản ứng xảy điều kiện khơng có enzyme • Khơng làm vị trí cân phản ứng mà làm tăng tốc độ phản ứng • Theo cấu trúc hóa học tất enzyme protein • Có hiệu suất xúc tác sinh học cao gấp nhiều lần xúc tác hóa học, nhiên vận tốc tăng có xúc tác hóa học • Enzyme có tính đặc hiệu cao có tính chọn lọc chất • Thực sứ mệnh điều phối tất trình trao đổi chất thể BẢN CHẤT HÓA LÝ CỦA ENZYME [4] • Có tính chất lý hóa học protein • Đa số có dạng hình cầu khơng qua màng bán thấm kích thước lớn • Tan tốt nước dung dịch muối lỗng (buffer) • Cũng protein enzyme khơng bền với nhiệt độ Bị biến tính khơng thuận nghịch acid, base mạnh hay muối kim loại nặng • Enzyme protein đơn giản (enzyme cấu tử): cấu tạo L-amino acid, trung tâm hoạt động nhóm chức có phân tử amino acid • Enzyme phức tạp (enzyme cấu tử): L-amino acid có nhóm ngoại (prosthetic) Trong enzyme phức tạp, phần protein gọi apoenzyme, phần Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học protein tách tồn độc lập gọi coenzyme (vitamin) Khi kết hợp chặt với phần protein gọi nhóm ngoại • Đa số coenzyme chất cho nhận điện tử • Coenzyme trực tiếp tham gia phản ứng xúc tác giữ vai trò định kiểu phản ứng xúc tác • Coenzyme cầu nối phần protein enzyme giúp ổn định phần apoenzyme • Ngược lại apoenzyme có tác dụng nâng cao hiệu lực xúc tác coenzyme định tính đặc hiệu enzyme TÍNH ĐẶC HIỆU [1], [2], [3] 3.1 Đặc hiệu phản ứng: Một enzyme xúc tác cho phản ứng 3.2 Đặc hiệu chất: • Đặc hiệu tuyệt đối: có tác dụng lên chất định • Đặc hiệu tương đối: có khả tác dụng lên kiểu nối hóa học định phân tử chất • Đặc hiệu nhóm: có khả tác dụng lên kiểu nối hóa học • Đặc hiệu quang học (còn gọi đặc hiệu lập thể): tác dụng lên đồng phân lập thể định PHÂN LOẠI ENZYME [1], [2], [3] 4.1 Phân loại theo cấu tạo: • Enzyme thành phần: Chỉ có thành phần cấu tạo protein • Enzyme hai thành phần: Một phần protein kết hợp với thành phần khác - Thành phần cấu tạo protein gọi Apoenzyme Quyết định tính đặc hiệu chất - Thành phần khơng cấu tạo protein, mà có khả tách gọi Coenzyme Quyết định tính đặc hiệu phản ứng - Thành phần không cấu tạo protein, mà tách gọi Cofacter 4.2 Phân loại theo kiểu phản ứng: Enzyme phân loại thành nhóm chính:  Oxidoreductase  Transferase  Hydrolase Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học  Lyase  Isomerase  Ligase CẤU TRÚC CỦA ENZYME [2] Trong cấu trúc enzyme tồn trung tâm họat động Đây phần nhỏ enzyme, lại định tính xúc tác, tính đặc hiệu enzyme Một trung tâm hoạt động enzyme gồm vùng: – Tâm xúc tác: Tham gia kết hợp trực tiếp với chất – Miền tiếp xúc: Gắn chất lên vị trí tác dụng Đối với enzyme thành phần, trung tâm hoạt động enzyme hình thành tương tác lẫn số gốc acid amin định có cấu trúc enzyme Đối với enzyme hai thành phần, trung tâm hoạt động thường nhóm ngoại vitamin, ion kim loại, nhóm định chức acid amin phần apoenzyme CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME [1] Mơ hình chìa khóa ổ khóa: Trung tâm hoạt động phải có cấu trúc tương ứng với cấu trúc chất (khớp với chìa ổ khóa) Thuyết tiếp xúc cảm ứng: (theo Kosland) tương tác cảm ứng cấu trúc không gian tạo nên phức hợp enzyme chất Năng lượng hoạt hóa (Ea): Là lượng cần cung cấp để phân tử đạt tới trạng thái hoạt hóa VD: Xăng có khả bốc cháy cần lửa mồi Cơ chế tổng quát: Cơ chất phải gắn vào trung tâm hoạt động enzyme tạo thành phức hợp enzyme – chất [ES] Với tác dụng enzyme, hoạt tính chất tăng lên rõ rệt cần lượng hoạt hóa nhỏ tạo thành sản phẩm Cơ chế tác dụng theo Michaelis-Menten • Tạo nhanh phức ES, phức không bền, phức tạo nên liên kết hóa học • Dưới tác dụng enzyme, chất biến đổi thành sản phẩm • Sau tạo sản phẩm (P), enzyme giải phóng trở trạng thái ban đầu • Phản ứng tổng quát: Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học E + S  ES  ES  EP  E + P CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VẬN TỐC PHẢN ỨNG [1], [2], [3]  Nồng độ enzyme  Nồng độ chất  Nhiệt độ  pH  Chất hoạt hóa  Chất kìm hãm CƠ CHẾ TÁC DỤNG HỆ ENZYME THỦY PHÂN HYDROLASE [1] Tính chất chung nhóm enzym xúc tác phản ứng thủy phân, nghĩa phân giải hợp chất phức tạp với tham gia nước, thành hợp chất đơn giản Các hyddrolase phần lớn enzym thành phần nên chúng không cần coenzym cho hoạt động xúc tác Trung tâm hoạt động chúng bao gồm tổ hợp nhóm định chức axit amin khơng tham gia tạo thành trục sợi polypeptide Các nhóm định chức xa mạch polypeptide lại gần không gian, định hướng xác định không gian cách khoảng cách định cho chúng tương tác với q trình xúc tác Nhóm hydrolase ( EC3) chia thành 11 phân nhóm sau: [4] 3.1 : enzym thủy phân liên kết ester 3.2 : enzym thủy phân liên kết glycoside 3.3 : enzym thủy phân liên kết eter 3.4 : enzym thủy phân liên kết peptide 3.5 : enzym thủy phân liên kết C—N peptide (các amide) 3.6 : enzym thủy phân liên kết anhydride acid 3.7 : enzym thủy phân liên kết C—C 3.8 : enzym thủy phân liên kết haloid – rượu Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học 3.9 : enzym thủy phân liên kết P—N 3.10 : enzym thủy phân liên kết S—N 3.11 : enzym thủy phân liên kết C—P CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA ENZYME HYDROLASE [4] Sự khuyết electron liên kết bị thủy phân yếu tố quan trọng định khả dễ dàng phản ứng thủy phân Tác dụng xúc tác enzym phụ thuộc vào trường hợp phân bố electron tồn trước định Enzym tác dụng cách khác Cơ chế đơn giản cho phép liên hệ "phần dương" liên kết bị thủy phân với tác dụng enzym là: tâm nhân enzym tương tác trực tiếp với hai nguyên tử tích điện dương liên kết bị thủy phân Sự tạo thành phức hợp trực tiếp với trung tâm phản ứng làm cho đứt liên kết thủy phân dễ dàng, thuận lợi Enzym colinesterase nhiều esterase khác tác dụng thủy phân chất theo chế Một chế khác liên hệ tính tác dụng enzym với khuyết electron liên kết bị thủy phân là: enzym làm tăng khuyết electron vốn tồn trước cách tạo thành liên kết tương ứng với chất vị trí nhiều gần gũi với liên kết bị thủy phân Nhờ ,làm cho phân bố electron phân tử chất bị thay đổi theo chiều hướng cần thiết, khiến cho việc đứt liên kết dễ dàng khiến cho hai nguyên tử liên kết tương tác với tác nhân nhân ĐẶC ĐIỂM TRUNG TÂM HOẠT ĐÔNG CỦA ENZYME THỦY PHÂN [1] Đa số enzyme thủy phân (hydrolase) nhóm ngoại Như bắt buộc tâm hoạt động chúng phải có gốc axitamin đặc hiệu Tâm hoạt động enzyme hydrolase thường chứa nhóm imidazol histidin nhóm hydroxyl số gốc serin Nhiều hydrolase, người ta biết thứ tự xếp axitamin chung quanh tâm hoạt động: Kimotripxin A — Gly — Asp — Ser — Gly — Tripxin — Gly — Asp — Ser — Gly — Trombin — Asp — Ser — Gly — Kimotripxin — Asp — Ser — Gly — Colinesterase — Gly — Glu — Ser — Ala — Carboxylesterase — Gly — Glu — Ser — Ala — Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC CƠ CHẤT BỊ ENZYME THỦY PHÂN [4] 4.1 Các chất được enzyme thủy phân thường protein, gluxit, lipit v.v Theo Bernard Pullman Alberte Pullman, đặc điểm chung chất có "liên kết bị thủy phân" nguyên tử tích điện dương tạo nên Người ta gọi liên kết "liên kết nhị dương" Chẳng hạn, liên kết peptide protein: O R1 C N H R2 Liên kết electron σ định vị liên kết đơn hệ thống eletron π linh động tạo nên Hệ thống gồm bốn electron hai electron nối kép C = O hai electron cặp không chia nitơ Bốn electron tạo thành hệ thống cộng hưởng theo qui tắc chung: nguyên tử dị mạch nằm kề liền với nối kép có cặp electron khơng chia xảy chuyển dịch phần điện tích cặp khơng chia từ ngun tử dị mạch tới nguyên tử cuối nối kép Như vậy, phân bố điện tích liên kết peptide sau: OR1 C- N+ H R2 Khi ngun tử nitơ tích điện dương, nghĩa thay cho hai electron cặp khơng chia, giữ lại phần hai electron thơi Ngồi khác độ âm điện nguyên tử carbon oxy liên kết C = O, (có thể xem liên kết C = O lai hóa cấu trúc đồng hóa trị C = O cấu trúc ion C + = O-) mà nguyên tử carbon phải có điện tích tổng dương Như nguyên tử carbon nitơ góp vào hệ thống electron π electron π Còn ngun tử oxy góp vào hệ thống electron π, có điện tích tổng âm Nếu biểu diễn phần điện tích δ phân bố điện tích liên kết peptide sau: -δ3 O R1 +δ1 N H C R2 + δ2 Rõ ràng δ3 = δ1 + δ2 Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học Và (1+ δ3) + (1- δ2) + (2 - δ1) = Bằng phương pháp quĩ đạo phân tử người ta tính phân bố bốn electron hệ thống sau: O1.397 1.859 R1 C N H 0.744 R2 Từ điện tích phân bố sau: O-0.397 +0.141 R1 C N H +0.25 R2 Thuật ngữ "liên kết nhị dương" khuyết electron π hai nguyên tử tạo nên liên kết Đặc trưng nhị dương liên kết bảo tồn trước cơng kích kể cơng enzyme Các liên kết nhị dương thường gặp + Liên kết este: este axit carboxylic O +0.214 R1 C O R2 +0.326 Trong este axit phosphoric R P O O O P O O Trong este axit sulfuric: R este phenol: Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh O S Ph — O — R Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học + Liên kết anhidrit, đặc biệt liên kết — P — O — P hợp chất phosphat giàu lượng ATP: O +0.153 Adenine ribose O O +0.208 P O O+0.393 O +0.204 P O+0.397 O P O O+0.364 + Liên kết glucozit polysacarit: Khác với liên kết kể trên, liên kết glucozit có electron σ mà khơng có electron π tham gia Trong trường hợp này, đóng vai trò phân cực electron σ Do hiệu ứng cảm ứng nguyên tử oxy trung tâm, gây tập trung điện tích ngun tử Oxy, oxy tích điện âm, ngun tử carbon kết hợp với bị khuyết electron nên tích điện dương 4.2 Sự thủy phân bởi enzyme sẽ dễ dàng sự khuyết electron liên kết bị thủy phân lớn Sự khuyết tăng lên tăng tổng điện tích dương hai nguyên tử tạo thành liên kết tăng điện tích hai Nếu phân tử chất có nhiều liên kết giống liên kết nhị dương bị phân ly thủy phân enzyme ( với điều kiện khơng có án ngữ khơng gian đặc hiệu lập thể liên kết) Chẳng hạn phân tử alantoin có năm liên kết peptide, liên kết bị thủy phân trước tiên liên kết có màu xanh hình bên: O +0.121 +0.26 H2 N +0.228 C NH C +0.233 C O +0.236 O N N H H +0.121 Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh +0.124 Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Mơn: Xúc tác sinh học MỘT VÀI ENZYME HYDROLASE ĐIỂN HÌNH VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG TRONG THỰC PHẨM 5.1 Enzym amilase [1] Amylase hệ enzyme phổ biến giới sinh vật Các enzyme thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử nhóm polysaccharide với tham gia nước: R-R’ + H-OH  R-H + R’-OH Có loại enzyme xếp vào nhóm: - Endoamylase ( enzyme nội bào) - Exoamylase ( enzyme ngoại bào) Endoamylase gồm có α-amylase nhóm enzyme khử nhánh Nhóm enzyme khử nhánh chia thành loại: Khử trực tiếp Pullulanase ( hay α-dextrin 6-glucosidase); khử gián tiếp Transglucosylase (hay oligo-1,6-glucosidase) maylo-1,6-glucosidase Các enzyme thủy phân liên kết bên chuỗi polysaccharide Exoamylase gồm có β-amylase γ-amylase Đây enzyme thủy phân tinh bột từ đầu không khử chuỗi polysaccharide + Đặc tính chế tác dụng enzyme amylase: Tùy vào loại vào nguồn khác có thành phần amino acid khác a) Đặc tính enzyme amylase:  Tính chất vật lý: - Trọng lượng phân tử α-amylase nấm mốc: 45.000-50.000 D - Amylase dễ tan nước, dung dịch muối rượu lỗng - Protein α-amylase có tính acid yếu có tính chất globuline - Điểm đẳng điện nằm vùng pH=4,2-5,7 ( Bernfeld P, 1951 )  Cấu tạo: Mỗi loại α-amylase có tổ hợp amino acid đặc hiệu riêng α-amylase protein giàu tyrosine, tryptophan, acid glutamic aspartic Các glutamic acid aspartic acid chiếm khoảng ¼ tổng lượng amino acid cấu thành nên phân tử enzyme α-amylase có methionine có khoảng 7-10 gốc cysteine α-amylase metaloenzyme Mỗi phân tử α-amylase có chứa từ đến 30 ngun tử gam Ca/1 mol, khơng 1-6 nguyên tử gam/mol Ca tham gia vào hình thành Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học ổn định cấu trúc bậc enzyme, trì hoạt động enzyme Do đó, Ca có vai trò trì tồn enzyme bị tác động tác nhân gây biến tính enzyme phân giải protein Nếu phân tử amylase bị loại bỏ hết Ca hồn tồn hết khả thủy phân chất Do có hàm lượng Ca phân tử nồng độ Mg 2+ cao nên α-amylase bền với nhiệt độ enzyme khác Tất amylase bị kìm hãm kim loại nặng Cu 2+, Ag+, Hg2+ Một số kim loại Li+, Na+, Cr3+, Mn2+, Zn2+, Co2+ ,Sn2+, ảnh hưởng đến enzyme αamylase Riêng α-amylase Asp.Oryzae (thuộc chủng nấm mốc Aspergillus Oryzae) có chứa phần phi protein poly saccharide, khơng tham gia vào thành phần trung tâm hoạt động nằm phía phân tử enzyme α-amylase nấm mốc công vào hạt tinh bột bị thương tổn Sản phẩm cuối thủy phân α-amylase nấm mốc glucose maltose α-amylase nấm sợi không công vào liên kết α-1,6 glucoside amilopectin, nên thủy phân tạo thành dextrin tới hạn phân nhánh Đây cấu trúc phân tử tinh bột enzyme α-amylase phân cắt tạo thành dextrin tới hạn phân nhánh.Sản phẩm thủy phân cuối thủy phân α-amylase nấm sợi maltose maltotriose b) Cơ chế tác dụng enzyme α -amylase: α-amylase (1,4-α-glucan-glucanhydrolase) có khả phân cách liên kết α-1,4 glucoside nằm phía bên phân tử chất (tinh bột hay glycogen) cách ngẫu nhiên, khơng theo trật tự Q trình thủy phân tinh bột α-amylase trình đa giai đoạn: Ở giai đoạn đầu (giai đoạn dextrin hóa): số phân tử chất bị thủy phân tạo lượng lớn phân tử α-dextrin Độ nhớt hồ tinh bột giảm nhanh chóng Sang giai đoạn hai (giai đoạn đường hóa): phân tử α-dextrin tiếp tục bị thủy phân tạo tetra-trimaltose không màu với thuốc thử iodine Các chất bị thủy phân chậm α-amylase tạo thành disaccharide cuối monosaccharide Maltotetrose Amylose  oligosaccharide  Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Maltotriose  Malto 13%glucose 87% maltose Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học 19% glucose Amylopectin  72% maltose 8% isomaltose Dextrin phân tử thấp Tóm lại, tác dụng α-amylase, tinh bột chuyển thành glucose, maltose, maltotetrose, dextrin phân tử thấp Tuy nhiên, thông thường α-amylase thủy phân tinh bột thành chủ yếu dextrin phân tử thấp,và maltose Khả dextrin hóa cao đặc trưng α-amylase, người ta gọi α-amylase amylase dextrin hóa hay amylase dịch hóa 5.2 Hệ enzym Protease [4] Protease (peptide – hidrolase 3.4) tên gọi chung cho nhóm enzyme xúc tác trình thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n phân tử protein, polypeptide đến sản phẩm cuối axit amin, pepton di-tripepton Ngoài ra, nhiều protease có khả thuỷ phân liên kết este vận chuyển axit amin Các loại protease Protease phân loại dựa đặc điểm riêng chúng cấu tạo trung tâm hoạt động enzyme, chia làm nhóm : - Serine proteases - Threonine proteases - Cysteine proteases - Aspartic acid proteases - Metalloproteases - Glutamic acid proteases Hiên sử dụng nguồn nguyên liệu sinh học để thu nhận protease: mô động vật, mô quan thực vật, tế bào vi sinh vật Protease enzyme sử dụng nhiều số ngành sản xuất như: chế biến thực phẩm (đông tụ sữa làm mát, làm mềm thịt, bổ sung để làm tăng chất lượng sản phẩm sản xuất bia, xử lý phế phụ phẩm chế biến thực phẩm…), sản xuất chất tẩy rửa, thuộc da, y tế, nông nghiệp… Việc sử dụng chế biến làm mềm thịt ứng dụng có tính truyền thống Nhân dân ta từ lâu dùng thơm để nấu canh thịt bò; dùng rau sống chuối chát, vả kết hợp thức ăn nhiều thịt; đu đủ chống táo bón…mà thực chất sử dụng papain, bromelain, fixin Người Nga dùng protease từ hạt đậu tương mầm để làm mềm thịt Ngoài khả phân giải để làm mềm thịt, tạo thức ăn dễ tiêu hóa, cơng nghệ sản xuất loại dịch thủy phân giàu protein áp dụng cách có hiệu tính protease Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học Protease công cụ để chế biến phế liệu công nghiệp thực phẩm thành thức ăn cho người vật ni Người ta khai thác tính đông tụ renin, pepsin vào công nghiệp thực phẩm sản xuất phomat Protease phân bố thực vật, động vật, vi sinh vật Tuy nhiên nguồn enzyme vi sinh vật phong phú nhất, có hầu hết vi sinh vật vi khuẩn, nấm mốc xạ khuẩn… Có thể nói vi sinh vật nguồn nguyên liệu thích hợp để sản xuất enzyme quy mô lớn dùng công nghệ đời sống 5.3 Pectinase [4] Pectinase nhóm enzym xúc tác cho thủy phân pectin, ứng dụng rộng rãi công nghiệp thực phẩm dược phẩm, công nghiệp sản xuất loại nước ép trái Ðặc biệt, dạng enzyme cố định sử dụng hiệu có nhiều ưu điểm hẳn dạng enzyme thơng thường (enzyme hòa tan) Pectinase dùng số ngành công nghiệp thực phẩm sau: - Sản xuất rượu vang - Sản xuất nước nước uống khơng có rượu - Sản xuất mặt hàng từ quả: cô đặc, mứt - Sản xuất nước giải khát - Sản xuất cà phê Chế phẩm pectinase sử dụng sản xuất nước từ nguyên liệu nghiền hay để làm nước ép Bởi có pectin khối nghiền có trạng thái keo, ép dịch khơng thóat Nhờ pectinase mà nước suốt, dễ lọc, hiệu suất tăng Pectinase góp phần chiết rút chất màu, tanin chất hòa tan khác, làm tăng chất lượng thành phẩm Những nghiên cứu cho thấy ép nho có xử lý pectinase khơng làm tăng hiệu suất mà làm tăng màu sắc Trong sản xuất mứt nhừ, mứt đông… nhờ pectinase mà dịch có nồng độ đậm đặc Cũng giống protease, chế phẩm pectinase thu nhận từ vi sinh vật, nấm mốc, xạ khuẩn… đặc biệt chủng nấm Asp Ficuum Asp Niger có khả tổng hợp pectinase cao 5.4 Cellulase [4] Cellulose thành phần tế bào thực vật, có mặt loại rau nguyên liệu,phế liệu ngành trồng trọt lâm nghiệp Nhưng người động vật khơng có khả phân giải cellulose Cellulase enzyme xúc tác cho q trình chuyển hố Cellulose thành sản phẩm hồ tan Nó có giá trị làm tăng tiêu hóa, với lượng lớn trở nên vơ ích hay cản trở tiêu hóa Chế phẩm cellulase thường dùng để: - Tăng chất lượng thực phẩm thức ăn gia súc Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học - Tăng hiệu suất trích ly chất từ nguyên liệu thực vật Ứng dụng trước tiên cellulase chế biến thực phẩm dùng để tăng độ hấp thu, nâng cao phẩm chất vị làm mềm nhiều loại thực phẩm thực vật Đặc biệt thức ăn cho trẻ nói chung chất lượng thực phẩm tăng lên Một số nước dùng cellulase để xử lý loại rau bắp cải, hành, cà rốt, khoai tây, táo lương thực gạo Người ta xử lý chè, loại tảo biển… Trong sản xuất bia, tác dụng cellulase hay phức hệ citase có cellulase, thành tế bào hạt đại mạch bị phá hủy tạo điều kiện tốt cho tác động protease đường hóa Trong sản xuất agar-agar, tác dụng chế phẩm cellulase làm tăng chất lượng agaragar so với phương pháp dùng acid để phá vỡ thành tế bào Đặt biệt việc sử dụng chế phẩm cellulase để tận thu phế liệu thực vật đem thủy phân, dùng làm thức ăn gia súc công nghệ lên men Những ứng dụng cellulase cơng nghiệp thực phẩm có kết tốt Tuy nhiên hạn chế lớn khó thu chế phẩm có cellulase hoạt độ cao MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA PHẢN ỨNG THỦY PHÂN BỞI ENZYME [4] Thứ bậc phản ứng Sơ đồ chung phản ứng thủy phân enzym biểu diễn sau: A — B + H2O AH + BOH Hydrolase Cơ chất + nước Sản phẩm Enzym Nhìn sơ đồ thấy: phản ứng thủy phân enzym phản ứng lưỡng phân Nhưng nồng độ nước lớn coi không thay đổi suốt thời gian phản ứng, vận tốc phản ứng phụ thuộc nồng độ chất Như vậy, phản ứng thủy phân enzym phản ứng đơn phân bậc YẾU TỐ ĐIỀU CHỈNH [4] Đối với phản ứng thủy phân enzym nước môi trường để khuếch tán enzym chất mà tác nhân tham gia vào phản ứng Nước có ảnh hưởng khơng đến vận tốc mà chiều hướng phản ứng thủy phân enzym Bằng thí nghiệm trộn tinh bột hồ hóa sấy thăng hoa với enzym α – amilase vi khuẩn, sau đem phun nước đến độ ẩm định Người ta thấy hàm ẩm đạt 20% (khoảng 4% nước tự do) α – amilase thủy phân tạo thành chủ yếu glucose mantose Khi hàm ẩm cao ngồi glucose mantose tạo thành oligosacarit khác Như nước yếu tố điều chỉnh phản ứng thủy phân enzym Có thể dùng nước làm nhân tố để tăng cường hay kìm hãm phản ứng thủy phân có xúc tác enzym Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học Khoa học bảo quản ngun liệu có nguồn gốc sinh học dựa nguyên lý Như biết, nguyên liệu sinh học bảo quản bị hư hỏng loạt phản ứng phức tạp mà khởi đầu phản ứng thủy phân enzym Để bảo quản tốt biện pháp kĩ thuật tương ứng tách nước cách phơi, sấy v.v biện pháp kỹ thuật tương ứng để tách nước trình tinh luyện dầu béo nhằm ngăn ngừa phản ứng thủy phân enzym lipase Ngoài ra, phản ứng enzym khác, dùng yếu tố nhiệt độ pH để điều chỉnh phản ứng thủy phân enzym Mỗi enzym thủy phân (hydrolase) có nhiệt độ pH tối ưu riêng Ngay enzym hydrolase lấy từ nguồn khác có nhiệt độ pH xúc tác thủy phân khác Các q trình đường hóa sản xuất bánh mì, sản xuất bia sản xuất rượu trình thủy phân enzym với mức độ khác Quá trình sản xuất nước chấm, nước mắm, phomat, chao… thực chất trình thủy phân enzym với mức độ khác Ở người ta chủ yếu dựa vào nhiệt độ pH để điều chỉnh phản ứng thủy phân theo chiều hướng mong muốn Khi thủy phân bằng enzym hydrolase có số ưu nhược điểm sau: • Do enzym hydrolase có tính đặc hiệu cao nên khơng tạo thành sản phẩm phụ dịch thủy phân thu có độ khiết cao • Phản ứng thủy phân enzym tiến hành nhiệt độ thấp pH cao, nghĩa điều kiện tạo thành tạp chất (khơng có phản ứng đảo chiều phản ứng phân hủy thủy phân axit) vừa giảm yêu cầu độ khiết nguyên liệu (có thể thủy phân trực tiếp nguyên liệu), vừa có hiệu suất cao • Khi thủy phân enzym cho phép điều chỉnh thành phần hóa học sản phẩm, làm tăng mặt hàng • Enzym hydrolase thủy phân điều kiện nồng độ chất cao giảm chi phí • Thời gian thủy phân enzym hydrolase dài so với axit nhiều, chu kỳ sản xuất kéo dài • Muốn có hiệu suất cao chất lượng sản phẩm tốt phải có chế phẩm enzym tinh khiết phải có phân xưởng chuyên sản xuất chế phẩm tinh khiết • Dung dịch enzym thủy phân thường khó lọc thủy phân axit Nhằm phát huy ưu điểm khắc phục nhược điểm phương pháp thủy phân enzym, số ngành sản xuất thưucj phảm xuất phương pháp thủy phân mới: Phương pháp thủy phân axit – enzym enzym – axit Phương pháp kết hợp tính chất nhanh chóng đơn giản thủy phân axit khả to lớn, tiềm tàng đầy triển vọng thủy phân enzym Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học Ý NGHĨA CỦA PHẢN ỨNG THỦY PHÂN [4] Phản ứng thủy phân phản ứng phổ biến quan trọng bảo quản sản xuất thực phẩm Do phản ứng thủy phân mà chất lượng sản phẩm thực phẩm bị giảm nhờ phản ứng thủy phân để tăng thêm phẩm chất cho thành phẩm Qua phản ứng thủy phân, tính chất cảm quan mà tính chất hóa học sản phẩm bị biến đổi Phản ứng thủy phân thường mở đầu cho loạt phản ứng khác tiếp diễn Các phản ứng khác sảy phản ứng thủy phân kết thúc Xét mặt sinh học, phản ứng thủy phân thường đặc trưng cho giai đoạn phân giải – giai đoạn kết trình sinh học Bên cạnh đó, kỹ thuật sản xuất sản phẩm thực phẩm, phản ứng thủy phân có vai trò quan trọng Để giảm bớt tổn thất chất thực phẩm, người ta phải tìm biện pháp kỹ thuật tương ứng để ngăn ngừa hạn chế phản ứng thủy phân Trái lại, qua phản ứng thủy phân mà chất lượng thành phẩm tăng lên người ta phải tạo điều kiện cho phản ứng xảy đến tận Chẳng hạn dầu mỡ sản phẩm hạt trình bảo quản chất lượng thường bị giảm đi, phản ứng thủy phân tạo điều kiện cho phản ứng oxy hóa tiếp diễn làm giảm phẩm chất sản phẩm Từ tinh bột, muốn có đường nha hay đường glucose người ta phải tạo điều kiện để phản ứng thủy phân tinh bột enzyme đạt đến mức tối đa Để có nước mắm hay nước chấm, phomat hay chao, làm mềm thịt xuất phát từ nguyên lý phản ứng thủy phân Hoặc sản xuất bánh mì, phản ứng oxy hóa, caramen hóa melanoidin, nghĩa phản ứng tạo nên toàn chất lượng sản phẩm bánh xảy có phản ứng thủy phân mở đầu Quá trình sản xuất rượu, bia thực chất q trình oxy hóa sinh học, để có q trình thực chất trước phải có phản ứng thủy phân Vì vậy, trước cho lên men rượu người ta phải đường hóa tinh bột thành đường, nghĩa phải thực phản ứng thủy phân TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Thị Trân Châu, Hóa Sinh Học, NXB Giáo Dục Việt Nam, 2010 [2] Đỗ Đình Hồ (chủ biên), Hóa Sinh Y Học, NXB Y học, 2006 [3] Lê Ngọc Tú cộng sự, Hóa Sinh Công Nghiệp, NXB KH – KT,2004 [4] Nguyễn Thị Mai Hương, Hóa Sinh Thực Phẩm, Tài liệu chia sẻ trực tuyến file Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Tiểu luận Hóa Sinh Giảng viên: TS Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học Học viên thực hiện: Hồ Ngọc Anh Lớp Cao học K14 Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật ... Nguyễn Văn Thiết Môn: Xúc tác sinh học 3.9 : enzym thủy phân liên kết P—N 3.10 : enzym thủy phân liên kết S—N 3.11 : enzym thủy phân liên kết C—P CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA ENZYME HYDROLASE [4] Sự khuyết... liên kết bị thủy phân yếu tố quan trọng định khả dễ dàng phản ứng thủy phân Tác dụng xúc tác enzym phụ thuộc vào trường hợp phân bố electron tồn trước định Enzym tác dụng cách khác Cơ chế đơn giản... liên kết thủy phân dễ dàng, thuận lợi Enzym colinesterase nhiều esterase khác tác dụng thủy phân chất theo chế Một chế khác liên hệ tính tác dụng enzym với khuyết electron liên kết bị thủy phân là: