Giải chuyên đề học tập Sinh học 10 Cánh diều bài 8: Sản xuất enzyme tự nhiên

Câu hỏi mở đầu

Hiện nay, bên cạnh việc làm mềm thịt bằng phương pháp cơ học (hình 8.1a), người ta còn sử dụng các chế phẩm enzyme được chiết xuất từ tự nhiên (hình 8.1b). Enzyme có thể được sản xuất từ các nguồn nào trong tự nhiên và bằng cách nào? Vì sao cần sản xuất các chế phẩm enzyme tự nhiên?

Chế phẩm enzyme tự nhiên được sản xuất từ động vật, thực vật và vi sinh vật.

Các giai đoạn cơ bản trong quy trình sản xuất enzyme tự nhiên là:

• (1) Nuôi, trồng động vật, thực vật và nuôi cấy vi sinh vật sinh enzyme;
• (2) Trích li enzyme từ nguyên liệu động vật, thực vật và vi sinh vật;
• (3) Tinh sạch enzyme;
• (4) Phối chế, đóng gói và bảo quản chế phẩm enzyme.

Cần sản xuất enzyme tự nhiên vì các chế phẩm enzyme tự nhiên được ứng dụng nhiều trong công nghiệp chế biến thực phẩm, mĩ phẩm và dược phẩm để phục vụ đời sống.

I. Nguồn enzyme tự nhiên

Câu hỏi 1. Tại sao người ta có thể sản xuất enzyme lysozyme từ lòng trắng trứng gà, sản xuất enzyme papain từ đu đủ xanh và sản xuất enzyme bromelain từ dứa?

Người ta có thể sản xuất enzyme lysozyme từ lòng trắng trứng gà, sản xuất enzyme papain từ đu đủ xanh và sản xuất enzyme bromelain từ dứa vì trong các thực phẩm này có chứa các enzyme cần thiết tương ứng để sản xuất.

Câu hỏi 2. Quan sát hình 8.2 và cho biết các enzyme trong hệ tiêu hoá của người có vai trò khác nhau và khác với các enzyme trong hệ thống tiết trên da (ví dụ tuyến mồ hôi) như thế nào.

Vai trò các enzyme trong hệ tiêu hóa:

• Xoang miệng: tuyến nước bọt tiết amylase thủy phân tinh bột thành đường
• Dạ dày: tiết pepsin thủy phân protein và tiết lipase thuỷ phân lipid
• Tuyến tụy: tiết các enzyme tiêu hoá chủ yếu (lipase thuỷ phân lipid, nuclease thuỷ phân các nucleic acid)
• Ruột non: tiết maltase thủy phân đường đôi, tiết trypsin thủy phân protein và tiết peptidase thủy phân các peptide

Da: tuyến mồ hôi tiết lysozyme phá vỡ thành tế bào của các vi khuẩn

Các enzyme trong hệ tiêu hoá của người có vai trò khác nhau và khác với các enzyme trong hệ thống tiết trên da: Hệ tiêu hóa tiết enzyme để thủy phân các chất, da tiết enzyme để phá vỡ thành tế bào vi khuẩn.

Luyện tập 1. Nêu các 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 từ tự nhiên.

Các 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 từ tự nhiên:

• Môi trường nuôi cấy trong phạm vi và mức độ giới hạn (nguyên liệu động vật).
• Mất nhiều chi phí, hiệu suất không cao
• Nguồn enzyme không phong phú đa dạng

Vận dụng 1. Nêu một số ví dụ trong đời sống liên quan đến ứng dụng các chế phẩm enzyme từ tự nhiên.

Trong công nghiệp thực phẩm, các chế phẩm enzyme được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau. Các enzyme được dùng nhiều trong công nghiệp thực phẩm như protease, cellulase, amylase.

• Enzyme thuộc nhóm protease được dùng trong chế biến thịt, cá trong ngành công nghiệp chế biến đồ hộp. Enzyme protease còn biến đổi các chất thải của ngành công nghiệp thực phẩm thành thức ăn dễ tiêu hoá cho vật nuôi. Ngoài ra, enzyme này cũng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nước mắm, rượu vang, mứt, nước hoa quả,...
• Enzyme cellulase được dùng để tăng chất lượng thực phẩm, cải thiện hương vị thực phẩm và làm mềm một số loại thực phẩm có nguồn gốc thực vật. Enzyme này rất thích hợp trong chế biến thức ăn từ thực vật cho trẻ em, sản xuất bia...
• Enzyme amylase được sử dụng trong sản xuất bánh mì, kẹo, rượu vang, bia,...
• Enzyme pectinase được dùng trong sản xuất mứt và nước ép quả.

Trong y dược, công nghệ enzyme được ứng dụng trong chữa bệnh và chẩn đoán bệnh.

• Sử dụng enzyme trong chẩn đoán nhanh một số bệnh như tiểu đường (sử dụng enzyme glucosidase), gout (sử dụng enzyme urease),...
• Trong điều trị bệnh: Sử dụng enzyme để chữa bệnh thiếu enzyme bẩm sinh; chữa bệnh tim mạch; chữa bệnh thiếu enzyme đường tiêu hoá (enzyme amylase); giảm đau sau phẫu thuật; trị viêm khớp; tan nhanh các vết bầm và kháng viêm (enzyme bromelain); tiêu viêm, làm lành vết thương, vết bỏng, tiêu biến niêm mạc, chữa loét dạ dày,... (enzyme trypsin và chymotrypsin); chữa dị ứng kháng sinh bằng cách thuỷ phân làm giảm nồng độ kháng sinh (enzyme penicillinase); chữa bệnh do virus gây nên bằng cách phân giải nucleic acid của virus (enzyme nuclease);....

Vai trò của enzyme trong một số công nghệ di truyền:

• Enzyme Taq polymerase được tách chiết và sử dụng trong nhân bản DNA. Nhờ có enzyme Taq polymerase mà kĩ thuật PCR ra đời và được ứng dụng trong đời sống như phát hiện ra một số virus gây bệnh cho người và động vật như HIV, SARS - CoV - 2,...
• Enzyme cắt giới hạn (restrictase) và enzyme nối (ligase) có vai trò quan trọng trong kĩ thuật tạo DNA tái tổ hợp. Enzyme cắt giới hạn cho phép cắt DNA ở vị trí xác định thành các đoạn nhỏ, enzyme nối được dùng để nối các đoạn DNA với nhau tạo ra DNA tái tổ hợp.

II. Sản xuất enzyme tự nhiên

Câu hỏi 3. Quan sát hình 8.4, chỉ ra nguyên tắc chung và các khác biệt giữa quy trình sản xuất enzyme tự nhiên từ động vật, thực vật và vi sinh vật.

Nguyên tắc chung:

• (1) Nuôi, trồng động vật, thực vật và nuôi cấy vi sinh vật sinh enzyme;
• (2) Trích li enzyme từ nguyên liệu động vật, thực vật và vi sinh vật;
• (3) Tinh sạch enzyme;
• (4) Phối chế, đóng gói và bảo quản chế phẩm enzyme.

Khác biệt:

Trong quá trình trích li, enzyme từ nguồn nguyên liệu động và thực vật chỉ lọc lấy kết tủa còn từ nguồn nguyên liệu vi sinh vật được phân tách lỏng/rắn và tiếp tục thu kết tủa ở cả 2 dạng để đưa vào tinh sạch.

Luyện tập 2. Tại sao nguồn nguyên liệu động vật, thực vật sau khi thu hoạch về phải được sử dụng ngay hoặc bảo quản trong điều kiện thích hợp (để lạnh hoặc sấy khô)?

Hướng dẫn trả lời:

Nguồn nguyên liệu sau khi thu hoạch phải được chế biến ngay để tránh mất mát, biến tính enzyme. Nếu chưa thể chế biến ngay, nguồn nguyên liệu này cần được bảo quản trong điều kiện thích hợp (đề lạnh hoặc sấy khô) đối với từng loại enzyme.

Câu hỏi 4. Tại sao công nghệ nuôi cấy bề mặt rắn lại phù hợp để nuôi các vi sinh vật hiếu khí?

Công nghệ nuôi cấy bề mặt rắn sử dụng các khay đựng cơ chất, lên men dạng rắn (hình 8.5). Loại cơ chất này là các phế phẩm, phụ phẩm công nghiệp, nông nghiệp như mùn cưa, vỏ trấu, rơm, rạ cắt nhỏ,... được thấm dung dịch dinh dưỡng. Cơ chất này vừa là chỗ bám, đồng thời là nguồn thức ăn cho vi sinh vật sinh trưởng, phát triển. Đây là công nghệ nuôi cấy phù hợp đối với các vi sinh vật hiếu khí, có khả năng tận dụng được các phế phẩm, phụ phẩm công nghiệp, nông nghiệp nhưng đòi hỏi diện tích bề mặt lớn, khó đảo trộn đồng đều cơ chất và chỉ nuôi được theo mẻ.

Vận dụng 2. Hãy mô tả một hệ thống nuôi cấy bề mặt rắn mà em biết.

Hệ thống nuôi cấy bề mặt rắn được mô tả như hình vẽ

Luyện tập 3. Hãy so sánh công nghệ nuôi cấy bề mặt rắn và công nghệ nuôi cấy chìm.

Câu hỏi 5. Quan sát hình 8.4 và so sánh các quy trình trích li enzyme ngoại bào với enzyme nội bào từ vi sinh vật

Trích li enzyme từ nguồn nguyên liệu động vật và thực vật:

• Cắt nhỏ và nghiền mẫu trong nước. Dịch nghiền sau đó được lọc qua màng vải để loại bỏ cặn tế bào và thu dịch lọc chưa enzyme bằng các hóa chất để thu hồi enzyme thô (hỗn hợp enzyme và các protein).

Trích li enzyme từ nguồn nguyên liệu vi sinh vật:

• Enzyme ngoại bào: thu enzyme thô bằng cách lọc bỏ sinh khối tế bào.
• Enzyme nội bào: dịch thô được trích li từ sinh khối tế bào bằng các phương pháp phá vỡ tế bào, sau đó dịch thô được cô đặc bằng phương pháp tương tự như đối với dịch lọc enzyme từ khối động vật, thực vật.

Luyện tập 4. Nêu các phương pháp phá vỡ tế bào để trích li enzyme nội bào ra khỏi tế bào sinh vật.

• 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 chất tẩy rửa, các ion gây thay đổi áp suất thẩm thấu trong tế bào,...
• Phương pháp sinh học: dùng enzyme để phá vỡ tế bào.

Câu hỏi 6. Tại sao phải tinh sạch enzyme?

Hướng dẫn trả lời:

Cần phải tinh sạch enzyme vì dịch trích li từ tế bào hoặc môi trường nuôi cấy có thể chưa các thành phần dinh dưỡng, chất độc hại từ môi trường nuôi cấy hoặc các thành phần khác nhau của tế bào động vật, thực vật và vi sinh vật bị phá vỡ trong quá trình trích li.

Luyện tập 5. Nêu các kĩ thuật tinh sạch enzyme hiện có.

Căn cứ vào các đặc tính khác nhau của từng enzyme, người ta có thể tinh sạch enzyme qua nhiều bước khác nhau bằng các kĩ thuật sau:

• Dùng các dung môi có ái lực (có khả năng hoà 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.

Câu hỏi 7. Nêu vai trò của chất phụ gia đối với chế phẩm enzyme.

Hướng dẫn trả lời:

Để có thể giữ được hoạt tính của các enzyme trong chế phẩm, người ta thường bổ sung các chất phụ gia (một số loại đường đơn, đường đôi, polysaccharide hoặc các chất tương thích) vào chế phẩm enzyme trước khi đóng gói nhằm đảm bảo sự ổn định về cấu trúc và các đặc tính của enzyme.

Câu hỏi 8. Nêu các cách bảo quản chế phẩm enzyme.

Hướng dẫn trả lời:

Tuy thuộc vào độ bền của enzyme, chế phẩm có thể được sấy khô, sấy phun, sấy đông khô và được đóng gói dạng bột hoặc được giữ trong dung dịch bảo quản và đóng chai. Tuỳ từng loại chế phẩm enzyme và các ứng dụng khác nhau, điều kiện bảo quản chế phẩm enzyme trước khi đến tay người sử dụng có thể rất khác nhau: bảo quản ở nhiệt độ thường (25 - 30°C), bảo quản trong điều kiện mát (4 - 10 °C) hoặc ở điều kiện đông lạnh (từ -20 °C đến 30 °C).

Câu hỏi 9. Quan sát hình 8.7 và cho biết những bước nào 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.

Hướng dẫn trả lời: