Tác động của sóng siêu âm đến hoạt tính enzyme trong công nghê thực phẩm. pps

Tác động của sóng siêu âm đến hoạt tính enzyme trong công
nghê thực phẩm.
Đăng ngày: 23:36 07-08-2009

Sóng siêu âm là tên gọi của những sóng có tần số cao hơn
18 kHz. Sử dụng sóng siêu âm năng lượng cao trong công nghệ
thực phẩm ngày càng được khảo sát tỉ mỉ. Phần lớn các nghiên
cứu đều áp dụng tần số sóng trong khoảng từ 20 kHz đến 40
kHz.Khi sóng siêu âm được truyền vào môi trường chất lỏng, các
chu trình kéo và nén liên tiếp được tạo thành. Trong điều kiện bình
thường, các phân tử chất lỏng ở rất gần nhau nhờ liên kết hóa
học. Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ở gần
nhau nhau hơn và trong chu trình kéo chúng bị tách ra xa. Áp lực
âm trong chu trình kéo đủ mạnh để thắng các lực liên kết giữa các
phân tử và tạo thành những bọt khí nhỏ.
Trong suốt chu trình kéo/nén bọt khí kéo giãn và kết hợp lại cho
đến khi đạt được cân bằng hơi nước ở bên trong và bên ngoài bọt
khí. Diện tích bề mặt bọt khí trong chu trình kéo lớn hơn trong chu
trình nén vì vậy sự khuyếch tán khí trong chu trình kéo lớn hơn và
kích cỡ bọt khí cũng tăng lên trong mỗi chu trình. Các bọt khí lớn
dần đến một kích cỡ nhất định mà tại đó năng lượng của sóng
siêu âm không đủ để duy trì pha khí khiến các bọt khí nổ tung dữ
dội. Khi đó các phân tử va chạm với nhau mãnh liệt tạo nên sự
sốc sóng trong lòng chất lỏng, kết quả là hình thành những điểm
có nhiệt độ và áp suất rất cao (5000
0
C và 5x10
4
kPa) với vận tốc
rất nhanh 10
6 o

C/s.

Enzyme là một đối tượng quan trọng trong công nghệ thực phẩm
do khả năng xúc tác đặc hiệu, điều kiện phản ứng ôn hoà và an
toàn. Nghiên cứu tác động cùa sóng siêu âm đến enzyme người
ta nhận thấy rằng: sóng siêu âm không chỉ có khả năng làm tăng
hoạt tính enzyme, vô hoạt enzyme mà trong một số trường hợp
hoạt tính enzyme không hề bị thay đổi.
Ở năng lượng tương đối thấp, khi mà các tác động vật lý tỏ ra ưu
thế hơn các tác động hoá học thì sóng siêu âm có tác dụng làm
tăng hoạt tính của enzyme.
Đối với chế phẩm enzyme, sóng siêu âm làm tăng hoạt tính của
nhóm enzyme hydrolase do làm tăng sự đảo trộn từ đó:
· Hình thành phức chất hoạt động enzyme-cơ chất.
· Các chất khuyếch tán tốt hơn.
· Giảm sự kết tụ enzyme.
Đối với enzyme thuỷ phân ở dạng thô, sóng siêu âm có tác dụng
· Phá vỡ tế bào, giúp enzyme thoát ra ngoài tế bào, tiếp xúc
với cơ chất dễ dàng hơn và do đó hiệu suất thuỷ phân sẽ cao hơn.
· Thúc đấy quá trình trao đổi chất, sinh tổng hợp nhiều
enzyme hơn.
Tuỳ vào bản chất của enzyme mà sóng siêu âm sẽ tăng hoạt tính
của chúng ở nồng độ cao hay thấp; các thông số tối ưu như nhiệt
độ, pH có thay đổi hay không
Ở năng lượng cao, sóng siêu âm vô hoạt enzyme chủ yếu thông
qua tác động hoá học. Các gốc tự do tạo thành từ sự phân ly
nước tương tác với enzyme, chuyển enzyme thành gốc tự do mới
và do đó làm thay đổi cấu trúc của enzyme. Sự thay đổi đó không
hẳn chỉ diễn ra ngay tại trung tâm hoạt động mới làm vô hoạt
enzyme mà nó có thể diễn ra tại một điểm nằm ngoài trung tâm

hoạt động nhưng vẫn có khả năng vô hoạt enzyme như trường
hợp của α-chymotrypsin khi gốc tryptophan-215 bị phá huỷ còn
trung tâm hoạt động vẫn nguyên vẹn. Tuỳ vảo đặc điểm của từng
enzyme mà OH
●
sẽ tấn công vào nhóm –SH tự do của cystetin,
vào amino acid có vòng thơm (phenylalanin, histidine, tryptophan,
tyrosine) hay vào amino acid không có vòng thơm (proline,
leucine, isoleucine, lysine, và glutamic).
Bên cạnh đó, sóng siêu âm cũng gây ra những tác động vật lý làm
vô hoạt enzyme. Các vi tia chất lỏng được tạo thành từ sự vỡ bất
đối xứng của bọt khí, lực kéo trong lòng chất lỏng và những vi
xoáy tạo thành đã làm xáo trộn môi trường xung quanh enzyme,
phá vỡ tính nguyên vẹn trong cấu trúc protein. Gradient áp suất
cao có thể khiến cho phân tử protein bị vỡ ra thành từng mảnh và
gradient nhiệt độ lớn có thể bẽ gãy các liên kết hydro trong phân
tử protein, gây tương tác kỵ nước và biến tính nhiệt.
Vô hoạt enzyme bằng sóng siêu âm phụ thuộc vào thời gian
truyền sóng, pH môi trường, tần số và cường độ sóng, bộ phận
truyền sóng và hàm lượng khí tan trong môi trường. Khi sóng siêu
âm kết hợp với xử lý nhiệt ở một nhiệt độ đủ lớn để gây vô hoạt
enzyme thì sẽ diễn ra tác động tương hỗ giữa sóng và nhiệt độ
làm cho sự vô hoạt trở nên hiệu quả hơn. Năm 1984, Ordónez,
Sanz, Hernández và López-Lorenzo nghiên cứu sự kết hợp giữa
nhiệt độ và sóng siêu âm và đã nhận thấy rằng hiệu quả của
phương pháp này cao hơn so với tổng tác động mà từng yếu tố
gây ra.Nó có khả năng vô hoạt được peroxidase, catalase, những
enzyme tự nhiên có trong sữa mà không hề làm casein biến
tính[25]. Năm 1999, De Genaro, Cavella, Romano và Masi đã sử
dụng kết hợp áp suất, nhiệt độ và sóng siêu âm để vô hoạt

peroxidase, phương pháp này gọi là manothermosonication
(MTS). MTS tỏ ra là một công cụ vô hoạt enzyme hiệu quả hơn so
với phương pháp chỉ sử dụng sóng siêu âm đơn thuần.MTS được
ứng dụng để vô hoạt nhiều enzyme như lypoxygenase,
peroxidase, lipase và protease, pectinmethylesterase.
Sóng siêu âm không chỉ vô hoạt được những enzyme thuộc nhóm
hydrolase mà còn cả những enzyme thuộc nhóm oxydoreductase
và lyase. Bên cạnh những enzyme đã trình bày, sóng siêu âm còn
vô hoạt được những enzyme khác như alcohol dehydrogenase .
Sóng siêu âm là tác nhân gây vô hoạt enzyme không thuận
nghịch. Sau một thời gian bảo quản, những enzyme đã được xử lý
không tái hoạt trở lại.
Sóng siêu âm không tác động đến hoạt tính enzyme là một hướng
nghiên cứu mới từ năm 2007 đến nay. Khả năng gây kết tụ
enzyme trên những bong bóng khí đã khiến sóng siêu âm trời
thành một phương pháp mới đơn giản và hữu ích trong việc chuẩn
bị chế phẩm enzyme. Mặt khác, sóng siêu âm có thể được ứng
dụng trong các quá trình chế biến thực phẩm để đảo trộn làm tăng
tính đồng nhất mà không làm mất đi hoạt tính của những enzyme
có lợi.
Tóm lại, đối với một enzyme cụ thể, sóng siêu âm có khả năng
làm tăng hoạt tính nhưng cũng có khả năng vô hoạt và cũng có
thể không gây ảnh hưởng gì đến hoạt tính của enzyme. Ví dụ điển
hình nhất là α-amylase. Với chế phẩm α-amylase, sóng siêu âm
mật độ 0.35 w/ml làm tăng hoạt tính enzyme ở nồng độ cơ chất
thấp; sóng siêu âm tần số không đổi 30 kHz và năng lượng cực
đại 50 W đã gây vô hoạt enzyme do tạo thành những gốc OH
●
tấn
công vào các đơn vị tyrosine trong phân tử protein; tuy

nhiên, sóng siêu âm cường độ 150 W/cm
2
truyền trong 3 phút ở
20
0
C lại không gây ảnh hưởng gì đến hoạt tính enzyme do các
gốc tự do được tạo thành tương tác với các đơn vị cysteine nằm
ngoài trung tâm hoạt động của α-amylase và do đó chỉ làm α-
amylase kết hạt lại với nhau. Đối với α-amylase của malt lúa
mạch, sau khi ươm mầm sẽ được truyền sóng siêu âm 20 kHz ở
30
0
C trong phạm vi từ 20 đến 100 % tổng năng lượng sóng của
thiết bị. Khi năng lượng sóng truyền bằng 20% tổng năng lượng
của thiết bị thì hoạt tính của enzyme tăng theo thời gian truyền
sóng. Tuy nhiên, khi năng lượng sóng truyền bằng 60% thì hoạt
tính chỉ tăng trong 5 phút đầu truyền sóng và sau đó giảm xuống
một cách đáng kể .Như vậy, sóng siêu âm là một công cụ có khả
năng đáp ứng được nhiều mục tiêu khác nhau của con người.