Giải chuyên đề học tập Sinh học 10 CTST bài 7: Quy trình công nghệ sản xuất enzyme

KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Protease là một loại enzyme được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp (thực phẩm, thuộc da, chất tẩy rửa, …). Enzyme này được thu nhận chủ yếu từ động vật. Tuy nhiên, để thu nhận một lượng lớn enzyme cần phải sử dụng rất nhiều cá thể động vật, điều này gây mất nhiều thời gian cũng như tốn nhiều kinh phí cho việc chăn nuôi. Có phương pháp nào có thể tạo được số lượng lớn enzyme protease trong thời gian ngắn nhưng vẫn giảm được chi phí sản xuất?

Phương pháp sản xuất enzyme từ nguồn vi sinh vật có thể đáp ứng được yêu cầu về mặt kinh tế, cho phép thu được enzyme với hiệu suất cao và dễ dàng tinh chế nên có thể tạo được một lượng lớn enzyme protease trong thời gian ngắn và vẫn giảm được chi phí sản xuất.

HOẠT ĐỘNG HÌNH THÀNH KIẾN THỨC

I. SƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ENZYME

1. Khái niệm và vai trò của enzyme

Câu hỏi 1. Enzyme đóng vai trò quan trọng như thế nào đối với cơ thể sống?

Enzyme đảm nhận rất nhiều vai trò quan trọng trong cơ thể sống:

• Xúc tác các phản ứng hóa học: nhờ enzyme mà các phản ứng trong cơ thể xảy ra nhanh chóng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường của cơ thể.
• Kiểm soát các phản ứng hóa học đặc biệt: enzyme kiểm soát được các phản ứng hóa học đặc biệt và điều chỉnh tốc độ phản ứng theo điều kiện trao đổi chất của cơ thể.

2. Đặc điểm của enzyme

Câu hỏi 2. Trình bày các đặc điểm của enzyme. Cho ví dụ.

• Enzyme có hoạt tính mạnh: túc là chỉ cần một lượng rất nhỏ enzyme cũng có thể xúc tác các phản ứng hóa học diễn ra nhanh chóng và dễ dàng.
• Có tính đặc hiệu cao: mỗi enzyme phù hợp với một số cơ chất nhất định, nên chỉ xúc tác một số phản ứng hóa học trong cơ thể.
• Tính phối hợp hoạt động: enzyme hoạt động kiểu dây chuyền.
• Sự định khu trong tế bào: enzyme có thể ở dạng hòa tan trong tế bào chất hoặc được định khu trong các bào quan.
• Hầu hết enzyme có nguồn gốc tự nhiên và không độc.
• Enzyme chịu tác động của nhiều yếu tố: ở môi trường không thích hợp, enzyme sẽ mất hoạt tính.

Câu hỏi luyện tập: Điều gì sẽ xảy ra với cơ thể nếu quá trình sản xuất các enzyme bị rối loạn?

Nếu quá trình sản xuất enzyme bị rối loạn, các phản ứng hóa học trong cơ thể sẽ tiến hành mà không có sự xúc tác của enzyme nên tốc độ rất chậm, làm tăng nhiệt độ tế bào … dẫn tới tốc độ chuyển hóa và trao đổi chất của cơ thể cũng bị chậm lại, hoặc đình trệ, ảnh hưởng tới hoạt động sống bình thường của cơ thể.

II. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ENZYME TỰ NHIÊN

1. Quy trình chung

Câu hỏi 3. Quy trình sản xuất công nghệ enzyme bao gồm những giai đoạn nào?

Quy trình công nghệ sản xuất enzyme gồm 4 bước chính:

1. Chọn nguồn nguyên liệu -> 2. Tách chiết enzyme -> 3. Tinh sạch enzyme -> 4. Tạo chế phẩm enzyme.

Câu hỏi 4. Khi lựa chọn nguồn nguyên liệu để thu nhận enzyme, cần lưu ý điều gì? Tại sao?

Khi lựa chọn nguồn nguyên liệu để thu nhận enzyme cần lưu ý:

• Chọn nguồn nguyên liệu có chứa một lượng lớn enzyme.
• Nguyên liệu cho phép thi được enzyme với hiệu suất cao
• Dễ dàng trong việc tinh chế enzyme.

Câu hỏi 5. Việc tách chiết enzyme từ cơ thể sinh vật gặp phải khó khăn gì? Để giải quyết khó khăn đó, người ta đã dùng phương án gì?

Việc tách chiết enzyme từ cơ thể sinh vật gặp khó khăn và các phương án được đưa ra để giải quyết những khó khăn là:

Câu hỏi 6. Tại sao khi tách enzyme từ tế bào thực vật, nấm men và vi sinh vật, người ta cần dùng các chất trợ nghiền còn đối với tế bào động vật thì không?

Hướng dẫn trả lời:

Nguyên nhân là do cấu tạo lớp màng bảo vệ tế bào:

• Ở tế bào động vật, màng sinh chất có nhiệm vụ bảo vệ tế bào, bên ngoài màng sinh chất không có thành nên việc cắt nhỏ và xử lí trong thiết bì đồng hóa là có thể loại bỏ được màng.
• Ở tế bào thực vật, nấm men, vi sinh vật, bên ngoài màng tế bào còn có cấu trúc thành tế bào để bảo vệ (ở thực vật là thành cellulose, ở vi sinh vật là thành peptidoglycan, …) nên cần có sự hỗ trợ của các chất trợ nghiền để phá vỡ cấu trúc vững chắc như thành tế bào.

Câu hỏi 7. Tại sao lysozyme được dùng trong việc tách enzyme từ vi khuẩn?

Vì lysozyme có hoạt tính kháng khuẩn nên có khả năng biến đổi các polysaccharide không hòa tan trên thành tế bào vi khuẩn, từ đó có thể phá vỡ thành tế bào vi khuẩn và giúp việc tách chiết enzyme dễ dàng hơn.

Câu hỏi 8. Để loại bỏ các chất khác ra khỏi enzyme, người ta dùng các biện pháp gì?

Để loại bỏ các chất khác ra khỏi enzyme, người ta tiến hành bước tinh sạch enzyme như sau:

• Để loại bỏ muối và các hợp chất có khối lượng phân tử thấp: biện pháp thẩm tích với nước và các dung dịch đệm loãng; hoặc lọc qua gel hoặc túi thẩm tích để loại bỏ.
• Đối với các protein, tạp chất có khối lượng phân tử cao: kết hợp phương pháp biến tính chọn lọc + kết tủa phân đoạn bằng muối trung tính + sắc kí + điện di …

Câu hỏi 9. Sau khi thu nhận được chế phẩm enzyme, cần làm gì để giữ được hoạt tính của enzyme trong suốt quá trình bảo quản và sử dụng?

Sau khi thu nhận chế phẩm enzyme, cần duy trình hình dạng của enzyme bằng cách sử dụng các chất phụ gia, chỉnh sửa các liên kết cộng hóa trị hoặc cố định enzyme để giữ được hoạt tính enzyme trong quá trình bảo quản và sử dụng.

Câu hỏi luyện tập: Việc giữ được cấu trúc không gian của enzyme có ý nghĩa như thế nào trong sản xuất enzyme?

Việc giữ được cấu trúc không gian của enzyme rất quan trọng trong việc sản xuất enzyme vì hầu hết các chế phẩm của enzyme sau khi được tạo ra cần có quá trình đóng gói, vận chuyển và cung ứng cho nhiều lĩnh vực khác nhau, nên cần phải duy trì được hình dạng của enzyme để đảm bảo được hoạt tính enzyme không thay đổi.

2. Sản xuất enzyme protease từ nấm mốc

Câu hỏi 10. Nghiên cứu hình 7.5, 7.6, 7.8, và 7.10 hãy cho biết:

a) Mỗi giai đoạn trong quy trình sản xuất các enzyme tương ứng với giai đoạn nào trong Hình 7.3.

Giống nhau: đều có đầy đủ các bước của quy trình chung sản xuất enzyme.

Khác nhau:

3. Sản xuất enzyme bromelain từ dứa

Câu hỏi vận dụng: Dựa trên quy trình sản xuất enzyme bromelain ở dứa, em hãy tìm hiểu và đề xuất quy trình sản xuất enzyme papain từ nhựa đu đủ.

Em đề xuất quy trình sản xuất enzyme papain từ nhựa đu đủ như sau:

Xay nhuyễn quả đu đủ xanh -> lọc lấy dịch -> li tâm dịch lọc -> kết tủa papain -> sấy khô -> tinh sạch enzyme -> chế phẩm papain.

VẬN DỤNG

Bài tập 1. Hãy chọn một quy trình sản xuất enzyme đã học và đề xuất phương án cải tiến quy trình đó để mang lại hiệu quả cao hơn.

Em chọn quy trình sản xuất enzyme bromelain từ dứa. 

Đề xuất phương án cải tiến quy trình quy trình đó bằng cách lọc lấy dịch xay nhuyễn của quả dứa hai lần, có tác dụng không làm sót dịch lọc từ quả dứa, lần lấy dịch lọc thứ hai sẽ đảm bảo lấy được hết toàn bộ dịch lọc từ quả dứa

Bài tập 2. Hoàn thành bảng sau đây về nguồn thu nhận, tác dụng và ứng dụng của một số loại enzyme.

Bài tập 3. Hãy tìm hiểu và trình bày một quy trình công nghệ sản xuất một loại enzyme được ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm (dệt, thuộc da, …).

Quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh lên men ca cao đóng góp phần nâng cao giá trị sử dụng, giá trị gia tăng trái ca cao Đồng Nai.

Mục đích: nhằm ổn định quá trình lên men hạt ca cao, phát triển sản phẩm rượu ca cao và nước ca cao lên men có mùi hương đặc trưng.

Quy trình sản xuất: