Bài giảng chương 4 ứng dụng enzyme trong bảo quản và chế biến thực phẩm

CHƢƠNG IV:
ỨNG DỤNG ENZYME TRONG
BẢO QUẢN
VÀ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM
MỤC LỤC
1. Công nghệ sinh học protein và enzyme
2. Ứng dụng enzyme trong bảo quản và
chế biến thực phẩm
3. Ứng dụng enzyme trong kiểm tra chất
lượng thực phẩm

1. Công nghệ sinh học protein và enzyme

Các protein và enzyme đã được con người sử dụng
từ lâu, nhưng việc thu nhận chúng dễ dàng với số
lượng lớn và nhiều chủng loại từng là ước mơ của
các nhà khoa học. Trước đây, công nghệ protein và
enzyme là phần chủ yếu của kĩ thuật hoá sinh
(biochemical engineering). Ngày nay, nó phát triển
mạnh, nhất là với sự ra đời của Genomics và
Proteomics, với các đặc điểm :

– Các phân tử protein có cấu trúc phức
tạp nhất, nên để thu các chế phẩm có
đầy đủ hoạt tính sinh học đòi hỏi không
những các kĩ thuật chiết tách, tinh sạch
tốt, mà còn bảo quản được lâu dài.

– Nhiều ứng dụng trong trị liệu cho
người và các lĩnh vực khác nhau.

– Nhiều protein truyền thống được thay
thế dần bằng các r-protein.
1.1 PROTEIN

1.1.1 Các bậc cấu trúc
Protein là polymer gồm các amino acid
nối với nhau bằng cầu nối peptide và hình
thành cấu trúc không gian 3 chiều khi ở
dạng tự nhiên.
Tham gia thành phần cấu tạo protein có
20 loại L-amino acid với các chữ viết tắt
gồm ba chữ hoặc với chỉ một chữ. Ví dụ :
Lysine (Lys - K), Arginine (Arg - R),
Histidine (His - H),

Phân tử protein có thể có 4 bậc cấu trúc như
sau :
– Cấu trúc bậc một: Chuỗi polypeptide mạch
thẳng.
– Cấu trúc bậc hai : Chuỗi polypeptide mạch
thẳng xoắn theo kiểu lò xo (xoắn alpha và
beta).
– Cấu trúc bậc ba : Chuỗi polypeptide cấu trúc
bậc hai cuộn xếp theo kiểu đặc trưng tạo cấu
trúc không gian ba chiều phức tạp (dạng sợi,
cuộn hay khối cầu).
– Cấu trúc bậc bốn : 2 hay nhiều chuỗi
polypeptide cấu trúc bậc ba liên kết với nhau.

1.1.2. Sự ổn định và gấp cuộn
Khi protein vừa đƣợc tổng hợp xong, nó gấp cuộn
thành cấu trúc không gian ba chiều xác định chức
năng sinh học, đồng thời ổn định cấu trúc. Trong
nhiều năm, các nhà hoá sinh học cho rằng sự cuộn
gấp của phân tử protein được xác định tự động bởi
cấu trúc bậc một. Nhƣng thực tế cho thấy, trình tự
này không đủ đảm bảo cho polypeptide tạo dạng
hình có tính đặc hiệu cao để đáp ứng đúng chức
năng của nó. Nhóm các protein chaperone giúp các
polypeptide gấp cuộn đúng dạng hình không gian
ba chiều có đủ hoạt tính sinh học và một số enzyme
nhƣ disulfide isomerase giúp tạo cầu nối disulfide.
1.1.3. Các biến đổi sau dịch mã
Nhiều polypeptide chịu những biến đổi hoá
trị trong hoặc sau dịch mã trên ribosome. Các
biến đổi này ảnh hưởng đến hoạt tính sinh
học hoặc ổn định cấu trúc của polypeptide.
– Sự cắt xén bởi protease : Cắt bớt một đoạn
peptide của protein làm hoạt hoá chức năng
protein hay enzyme. Biến đổi có tính đặc hiệu
và không thuận nghịch. Thường gặp ở các
tiền enzyme và các protein đích được đưa
vào các bào quan hoặc xuất ra khỏi tế bào. Ví
dụ, các enzyme tiêu hoá như trypsin,
chymotrypsin và pepsin.

– Glycosyl hoá : Gắn thêm các gốc hoặc chuỗi

đƣờng. Thƣờng gặp ở các protein màng hoặc
các protein ngoại bào ở Eukaryotae. Glycosyl
hoá có nhiều năng lƣợng: trực tiếp làm trung
gian cho các hiệu ứng sinh học của một số
protein (hCG và erythropoetin), định hƣớng
mục tiêu (các enzyme của lysosome), nhận biết
(các thụ thể), ổn định cấu trúc, thay đổi độ hoà
tan, tăng bán chu kì tồn tại của phân tử.
– Phosphoryl hoá : Gắn thêm nhóm phosphate
vào protein, mà chất cho chủ yếu là ATP.
Quá trình có thể thuận nghịch nhờ hệ thống
2 enzyme : kinase và phosphatase. Nó thay
đổi hoạt tính sinh học hoặc tính chất hoá lí
của polypeptide.
Ngoài ra, còn có nhiều kiểu biến đổi sau
dịch mã khác như acetyl hoá (acetylation),
acyl hoá (acylation), amid hoá (amidation),
sulfate hoá (sulfation), hydroxyl hoá
(hydroxylation), tạo nối S

S,

1.2.1. Khái quát về enzyme
Từ hàng ngàn năm trƣớc đây, loài ngƣời đã
sử dụng các enzyme trong chế biến thực
phẩm và nƣớc giải khát. Năm 1897,
E.Buchner thu dịch nấm men nghiền nát và
thấy hoạt tính lên men rƣợu của nó. Ông gọi
chúng là enzyme (tiếng Hi Lạp : en = trong,
zyme = nấm men và enzyme có nghĩa trong

nấm men).
1.2. ENZYME
Nhờ có enzyme các phản ứng hoá học được
thực hiện trong tế bào sống với sự hoàn
hảo trong điều kiện đẳng nhiệt (nhiệt độ
không đổi), đẳng áp (áp suất không đổi) và
có các đặc điểm sau: phản ứng có hiệu quả
cao, nhiều phản ứng xảy ra đồng thời theo
dây chuyền, không phải tinh sạch sản phẩm
ở từng công đoạn, các phản ứng chịu sự
điều hòa hợp lí và tiết kiệm nhất, lại ít tiêu
tốn năng lượng. Chúng có tính đặc hiệu cao
và có hiệu quả hơn gấp nhiều lần so với các
chất xúc tác vô cơ.

Về cấu tạo, tất cả enzyme đều là protein.
Ở nhiều enzyme, phần protein cần gắn
một phân tử thứ hai như với cofactor
(các ion kim lọai như Mg++, Zn++,…)
hoặc coenzyme (phân tử không phải
peptid như coenzyme A) hay nhóm
prosthetic (như các heme) mới có
họat tính. Điều này cần tính đến khi
chiết tách và tinh sạch enzyme và
thường phải có biện pháp bổ sung các
nhóm tương ứng để nhận enzyme có
hoạt tính. Một biện pháp khác là sử
dụng enzyme trong tế bào nguyên vẹn.

Tính đặc hiệu của enzyme gồm 2 dạng :

– Đặc hiệu phản ứng chỉ biểu hiện với
một loại liên kết hóa học nhất định như
lipase chỉ cắt liên kết ester nối glycerol
và acid béo của nhiều loại lipid khác
nhau.
– Đặc hiệu cơ chất thể hiện chuyên biệt
cho những cơ chất nhất định như
urease chỉ phân hủy urea thành
ammonia và CO
2
, nhưng không tác
dụng đối với các chất khác.
Các enzyme có thể phân biệt được
những cơ chất thậm chí rất giống nhau,
như các đồng phân (isomer). Ví dụ :
enzyme sucrase chỉ phân huỷ saccharose
(sucrose) thành glucose và fructose,
nhưng không tác dụng đối với 2 đồng
phân khác là maltose và lactose.
Các enzyme có bản chất protein, nên
chúng nhạy cảm với các tác động của
môi trường như nồng độ cơ chất, nồng
độ enzyme, nhiệt độ, pH và các chất ức
chế (kìm hãm).

Cĩ khoảng 3000 enzyme đã đƣợc biết và đƣợc phân loại
thành 6 nhĩm dựa vào loại phản ứng mà chúng xúc tác :
1) Oxi hĩa - khử (Oxido-reductase); 2) Transferase

(chuyển các nhĩm chức năng cĩ chứa C, N, hay S) ; 3)
Hydrolase (tách các liên kết CC, CO, CN, CS,
Chalogen) ; 4) Lyase (thêm vào các nối đơi) ; 5)
Isomerase ; 6) Ligase.
Rõ ràng các enzyme cĩ khả năng xúc tác rất nhiều
loại phản ứng hố học khác nhau. Sự đa dạng này cịn tăng
lên đáng kể khi nĩ kết hợp với các nhĩm chất bổ sung nhƣ
coenzyme. Do vậy, một xu hƣớng quan trọng trong phát
triển cơng nghệ hố học hiện nay là sử dụng chúng trong
tổng hợp hố học để vừa giảm ơ nhiễm mơi trƣờng, lại vừa
ít tiêu tốn năng lƣợng hơn.
1.2.2. Các enzyme và protein cực đoan
Việc phát hiện nhiều VSV cực đoan
(extremophlies) đã mở ra khả năng thu
nhận các enzyme để ứng dụng vào thực
tiễn. Phần lớn các VSV cực đoan chƣa
nuôi đƣợc, nhƣng sử dụng KTDT hứa
hẹn sẽ chinh phục đƣợc các enzyme và
protein từ các VSV.

– Các enzyme từ sinh vật chịu nhiệt cao là mục
tiêu cần hướng tới trong các quy trình chế
biến công nghiệp, vì thực hiện ở nhiệt độ
cao sẽ giảm nhiễm bởi nhiều VSV khác và có
phản ứng nhanh hơn. Hiện DNA polymerase
chịu nhiệt được sử dụng rộng rãi. Ngoài ra,
nhiều amylase, protease,… chịu nhiệt cao
(có thể đến 118
O
C) đã được phát hiện.

– Các glycoprotein "chống đông đá" ức chế sự
hình thành các tinh thể nước đá ở các sinh
vật chịu lạnh như cá ở các cực của Trái đất
chịu được nhiệt độ 1,8
O
C liên tục mà dịch
cơ thể không đông đặc.
– Các enzyme cực đoan trong dung môi hữu cơ : Mãi
đến gần đây có quan niệm phổ biến là khi cho enzyme
vào các dung môi hữu cơ (bezene, acetone, toluene,…),
chúng sẽ mất hoạt tính. Thực tế cho thấy, nhiều
enzyme khi bổ sung vào các dung môi hữu cơ khác
nhau, chúng vẫn có hoạt tính xúc tác dù trong hệ
thống có ít hoặc không có nƣớc. Việc sử dụng các
enzyme trong những điều kiện nhƣ vậy hứa hẹn một
tiềm năng lớn, vì có nhiều lợi thế : tăng tính hoà tan
của các chất phản ứng (reactants) hoặc các sản
phẩm ; tăng tính chịu nhiệt của enzyme ; dễ thu hồi
sau sử dụng nhờ lọc và li tâm ; các dung môi hữu cơ
ngăn chặn các VSV gây nhiễm.
1.3. CỐ ĐỊNH ENZYME VÀ TẾ BÀO

Các enzyme thƣờng sử dụng trong dung
dịch và sau đó không thu hồi đƣợc, mà việc
chiết tách chúng rất tốn kém làm giá thành cao.
Để sử dụng enzyme nhiều lần và hiệu quả hơn,
kĩ thuật cố định enzyme hay giữ im (enzyme
immobilisation) ra đời mở rộng khả năng ứng
dụng chúng.
Các phƣơng pháp cố định enzyme

Có 4 phƣơng pháp cố định enzyme :
– Phương pháp gắn cơ học hay hấp phụ
(Absortion) : Sử dụng các vật liệu chất nền (matrix
material) xốp có nhiều lỗ hỏng nhƣ chất trao đổi ion,
nhựa resin, than hoạt tính, đất sét, oxide nhôm, sợi
thủy tinh xốp, sành, sứ, có thể làm cho các enzyme
hoặc tế bào gắn vào những khe và khi sử dụng
enzyme không bị mất.
Cơ chất gắn cơ học
vào chất nền và chất
trao đổi ion