ỨNG DỤNG ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC THỰC PHẨM

Đề tài:

ỨNG DỤNG ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP
INDUSTRIAL ENZYME APPLICATIONS
Ole Kirk*, Torben Vedel Borchert and Claus Crone Fuglsang

GVHD: Phan Minh Anh Thư

TP.HCM - 20/04/2013
MỤC LỤC

1


ỨNG DỤNG ENZYME TRONG CÔNG NGHIỆP
Khả năng xúc tác của enzyme đã được đưa ra để ứng dụng vào các quá
trình và sản phẩm công nghiệp. Sự phát triển gần đây của công nghệ sinh học,
đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật protein và tiến hóa định hướng đã cung cấp
những công cụ quan trọng cho sự phát triển mạnh của việc ứng dụng enzyme:
cải thiện các thuộc tính của enzyme trong những ứng dụng kỹ thuật đã được
thiết lập, đồng thời sản xuất enzyme mới ứng dụng vào những lĩnh vực mới
trước đây chưa từng sử dụng enzyme.
1. Giới thiệu chung
Nền công nghiệp enzyme được biết đến ngày nay là kết quả của sự phát
triển nhanh qua 4 thập kỷ qua nhờ vào sự phát triển của công nghệ sinh học
hiện đại. Enzyme được tìm thấy trong tự nhiên như trong dạ dày bê, trái đu đủ
hoặc được tạo ra từ vi sinh vật trong quá trình chuyển hóa của chúng đã được

2


sử dụng từ thời cổ đại trong quá trình sản xuất các sản phẩm thực phẩm như
phô mai, bánh mì, bia, rượu, giấm và trong các mặt hàng như da, thuốc nhuộm,
vải. Tuy nhiên, ở giai đoạn này enzyme chưa được sử dụng ở dạng tinh khiết
chất lượng tốt. Trong những thập kỷ gần đây, với sự tiến bộ của công nghệ lên
men enzyme đã được sản xuất dưới dạng tinh khiết, chất lượng tốt thậm chí với
quy mô lớn dựa trên cơ sở chọn lọc. Kể từ đó, enzyme đã được ứng dụng rộng
rãi trong những quá trình, sản phẩm công nghiệp thực sự, ví dụ như trong lĩnh
vực công nghiệp chất tẩy rửa, dệt và tinh bột. Việc ứng dụng công nghệ tái tổ
hợp gen đã cải thiện quá trình sản xuất, thương mại hóa các sản phẩm enzyme
mà trước đây chưa từng có. Hơn thế nữa, sự phát triển gần đây của công nghệ
sinh học hiện đại, kỹ thuật protein cũng như tiến hóa định hướng đã góp phần
vào sự phát triển của enzyme công nghiệp (Theo Hình 1). Những cải tiến này đã
tạo ra những enzyme thích hợp thể hiện nhiều hoạt tính mới, trong những điều
kiện mới. Vì vậy mà enzyme ngày càng được sử dụng phổ biến trong công
nghiệp.
Hình 1. Những bước tiến trong sự phát triển của enzyme
Sự phát triển của enzyme hiện nay

Sự phát triển của enzyme truyền thống

Tạo sự đa dạng sinh học

Sự đa dạng tự nhiên
Cải tiến mô hình phân tử

Chọn lọc sơ cấp
Đột biến tự nhiên

Chọn lọc thứ cấp
Tạo hệ thống biểu hiện thuộc tính
Lên men
Thiết lập quy trình

Sản xuất

Tinh chế
Lập công thức

Thiết lập quy trình

Sản xuất
3


Bảng 1. Enzyme sử dụng trong những mảng công nghiệp khác nhau
Ngành công
nghiệp

Chất tẩy rửa
(bột giặt và
nước rửa chén)

Tinh bột và
nhiên liệu

Lớp enzyme
Protease

Amylase
Lipase
Cellulase
Mannanase

Amylase
Amyloglucosidase
Pullulanase
Glucose isomerase
Cyclodextringlycosyltransferase
Xylanase
Protease
Protease

Thực phẩm
(bao gồm các
sản phẩm sữa)

Bánh nướng

Lipase
Lactase
Pectin methyl
esterase
Pectinase
Transglutaminase
Amylase
Xylanase
Lipase
Phospholipase

Glucose oxidase
Lipogenase
Protease
Transglutaminase

Chức năng
Loại bỏ chất bẩn protein
Loại bỏ chất bẩn tinh bột
Loại bỏ chất bẩn dầu mỡ
Làm sạch, loại màu và chống kết bám (vải
cotton)
Loại bỏ chất bẩn manan

Hóa lỏng và đường hóa tinh bột
Đường hóa
Đường hóa
Sản xuất fructose
Sản xuất cyclodextrin
Giảm độ nhớt (nhiên liệu và tinh bột)
Tạo nguồn dinh dưỡng cho nấm men (trong
sản xuất nhiên liệu)
Đông tụ sữa, sản xuất sữa cho trẻ em (giảm dị
ứng), tạo mùi hương
Tạo mùi cho phô mai
Loại bỏ đường lactose trong sữa
Tạo độ chắc cho các sản phẩm từ trái cây
Sản xuất các sản phẩm từ trái cây
Thay đổi độ dẻo, độ nhớt
Điều chỉnh độ mềm, xốp của bột bánh mì
Điều chỉnh bột nhào

Điều chỉnh và ổn định bột nhào (chất tạo nhũ).
Điều chỉnh và ổn định bột nhào (chất tạo nhũ)
Tăng lực của gluten bột nhào
Tăng lực của bột nhào, làm trắng
Sản xuất bánh bích quy
Tăng lực bột nhào laminate (bột nhào dạng
cán thành lớp mỏng).

4


Thức ăn cho
vật nuôi

Nước giải khát

Dệt

Phytase
Xylanase
β - Glucanase
Pectinase
Amylase
β - Glucanase
Acetylacetate
decarboxylase
Laccase
Cellulase
Amylase
Pectate lyase

Catalase
Laccase
Peroxidase
Lipase
Protease
Amlylase

Bột giấy và giấy
Xylanase
Cellulase
Chất béo, dầu
thực vật
Tổng hợp chất
hữu cơ
Thuộc da
Sản phẩm
chăm sóc cá
nhân

Lipase
Phospholipase
Lipase
Acylase
Nitrilase
Protease
Lipase
Amyloglucoxidase
Glucose oxidase
Peroxidase

Tiêu hóa phytate, chống thiếu phospho
Tiêu hóa thức ăn
Tiêu hóa thức ăn
Ngâm, pectin hóa
Xử lý nước trái cây, bia năng lượng thấp
Ngâm
Làm chín bia
Lọc nước trái cây, tạo mùi cho bia, xử lý nút
chai
Hoàn thiện vải denim, làm mềm vải cotton
Làm giảm kích thước sợi
Tẩy vải
Làm trắng
Làm trắng
Loại bỏ thuốc nhuộm
Điều chỉnh sự nhiễm bẩn, nhựa
Loại bỏ lớp màng sinh học
Phủ tinh bột, tăng khả năng loại mực, tăng tính
ưa nước của sợi
Tẩy trắng giấy
Tăng khả năng loại mực, tăng tính ưa nước
của sợi, thay đổi cấu trúc sợi
Ester hóa chất béo dạng trans
Giảm độ nhớt, sản xuất lyso-lecithin
Hòa tan các alcohol và amide bất đối xứng
Tổng hợp penicillin có nguồn gốc từ thiên
nhiên
Tổng hợp acid carboxylic
Xử lý da
Tẩy da

Chống vi sinh vật, kết hợp cùng glucose
oxidase
Làm trắng, chống vi sinh vật
Chống vi sinh vật.

Như Bảng 1. trên thể hiện đa dạng hóa sự ứng dụng của enzyme cả về số
lượng lẫn mức độ phức tạp. Ứng dụng chính của enzyme trong lĩnh vực công
nghiệp vẫn là thủy phân, phân giải những hợp chất trong tự nhiên. Protease ở vị
trí đứng đầu, vì được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp chất tẩy rửa và công
nghiệp sữa. Đứng thứ hai là các carbohydrase, chủ yếu là amylase và cellulase,
sử dụng trong công nghiệp tinh bột, dệt, chất tẩy rửa, bánh.

5


Như minh họa ở hình 2,
công nghiệp kỹ thuật, chủ yếu là
chất tẩy rửa, tinh bột, dệt, cồn
nhiên liệu, đạt mức tiêu thụ lớn
nhất của enzyme công nghiệp.
Nhìn chung, giá trị ước tính của
toàn thế giới sử dụng enzyme
công nghiệp có sự tăng trưởng
từ 1 tỷ đô la năm 1995 lên đến 1,5 Hình 2. Thị trường enzyme công nghiệp theo
tỷ đô la vào năm 2000. Theo sự
tăng trưởng này, cần có sự thay
đổi cần thiết trong một số nghành
công nghiệp kỹ thuật chính, đầu

lĩnh vực. Trong năm 2000, thị trường enzyme đạt

1,5 tỷ đô la. Lĩnh vực công nghiệp kỹ thuật bao
gồm chất tẩy rửa, tinh bột, dệt, cồn nhiên liệu, da
thuộc, giấy và bột giấy

tiên phải nói đến là công nghiệp
chất tẩy rửa. Sự tăng trưởng mạnh nhất trong những thập kỷ vừa qua được biết
đến là công nghiệp bánh và thức ăn vật nuôi. Tuy nhiên sự tăng trưởng này cũng
bao gồm cả trong tổng hợp chất hữu cơ, bột giấy và giấy, sản phẩm chăm sóc cá
nhân. Bài tổng quan này đề cập đến công nghệ enzyme mới và ứng dụng của
enzyme trong các lĩnh vực khác nhau gần đây.
2. Những công nghệ mới cho nghiên cứu enzyme
Vi sinh vật tự nhiên là nguồn cung cấp nhiều enzyme khác nhau. Sự phát
triển trong tin sinh học và chuỗi dữ liệu sẵn có đã tăng đáng kể hiệu quả của việc
phân lập những gen đặc biệt từ tự nhiên. Kỹ thuật protein thích hợp và khả năng
đưa ra những protein mới với một vài thay đổi nhỏ dựa trên nền tảng cấu trúc,
liên quan đến tính chất lý sinh và hóa sinh, đã đưa ra những công cụ mới trong
tối ưu hóa enzyme trong những thập niên tám mươi. Tiến hóa định hướng là
công cụ gần đây nhất được sử dụng cho việc cải tiến enzyme. Bằng cách gây ra
một hay nhiều đột biến gen ngẫu nhiên, người ta tạo ra những ngân hàng biến

6


dị; từ đó tiến hành sàng lọc, chọn lọc chủng enzyme phù hợp. Những biến dị sau
khi được phân lập, cải tiến theo một chu trình sàng lọc, sẽ được sử dụng như
nguyên liệu thứ cấp trong những chu trình tái tổ hợp hay thế hệ đa dạng mới.
Gần đây, nhiều nổ lực trong việc đưa ra những thông số quan trọng trong tiến
hóa định hướng đã nổi lên và gặt hái được những thành công nhất định; chẳng
hạn như việc kết hợp kỹ thuật tái tổ hợp với tiến hóa định hướng. Công nghệ
mới được dự đoán là sẽ thay thế công nghệ hiện tại, tuy nhiên chúng tôi hy vọng

rằng thời gian sẽ trả lời việc kết hợp tiến hóa định hướng, thiết kế enzyme và sự
đa dạng của tự nhiên như thế nào để tạo ra những phân tử enzyme mới với
những đặc tính mong muốn và hiệu quả sử dụng cao.
3. Ứng dụng của enzyme
3.1. Ứng dụng trong công nghiệp chất tẩy rửa
Enzyme được sử dụng như một chất bổ sung vào chất tẩy rửa, mảng ứng
dụng lớn nhất của enzyme công nghiệp, cả về số lượng cũng như chất lượng.
Thành phần chính là protease, tuy nhiên cũng có thể bổ sung một số chất thủy
phân khác tùy vào chất bẩn cần được loại bỏ.
Những kỹ thuật tiên tiến để tạo ra những enzyme tẩy rửa mới dựa trên nền
tảng enzyme tẩy rửa truyền thống như protease và amylase đã và đang phát
triển. Những enzyme thế hệ thứ hai, thứ ba đã được tối ưu hóa, đáp ứng yêu
cầu của chất tẩy rửa. Đặc biệt, ngoài sự tương thích của enzyme với các thành
phần của chất tẩy rửa, các enzyme cũng có khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp
hơn đã được đề cập trong những nghiên cứu báo cáo gần đây. Để tiết kiệm điện
năng, nhiệt độ sử dụng trong máy giặt, máy rửa chén đã được cắt giảm trong
những năm gần đây. Như vậy, enzyme có thể giúp cho vấn đề dọn dẹp, loại bỏ
chất bẩn được thực hiện hiệu quả hơn.
Ví dụ gần đây của enzyme tẩy rửa thế thệ thứ hai bao gồm sự phát triển
của amylase hiện đại, có thể tăng khả năng hoạt động được ở điều kiện nhiệt độ
thấp, pH kiềm. Những enzyme này được phát triển bằng việc kết hợp chọn lọc vi

7


sinh vật và kỹ thuật protein thích hợp. Protease có khả năng hoạt động ở nhiệt
độ thấp được tách từ tự nhiên, nhưng được cải tiến ở phòng thí nghiệm bằng
phương pháp cải tiến định hướng. Hơn thế nữa, từ nguyên liệu ban đầuenzyme
26 subtislisin(serine endopeptidase) của Ness và cộng sự đã thay đổi cấu trúc
vòng DNA để tạo những enzyme mới với sự cải thiện hoạt tính đáng kể.Việc cải

tiến dựa trên những đặc tính tẩy rửa của protease (ví dụ như tăng hoạt tính xúc
tác mạnh hơn, ổn định ở pH kiềm).
Những sản phẩm mới gần đây đã đưa thêm nhóm enzyme mới mannanase
- kết quả nghiên cứu phát triển của Proter và Gramble và hãng Novozymes.
Những enzyme này dùng để loại bỏ chất guar gum (phụ gia thường dùng để ổn
định và tạo độ đặc cho sản phẩm thực phẩm).
3.2. Ứng dụng trong chuyển hóa tinh bột
Chuyển tinh bột thành dịch high fructose corn syrup (dịch đường fructose
nồng độ cao) với sự tác dụng của enzyme đã được nghiên cứu hoàn chỉnh, là
một ví dụ điển hình của quá trình sinh học, sử dụng một chuỗi enzyme liên tiếp
nhau. Enzyme ứng dụng trong công nghiệp tinh bột là một đề tài được nghiên
cứu, phát triển liên tục.
Bước đầu tiên trong quá trình là chuyển tinh bột thành oligomaltodextrins
bằng enzyme α- Amylase. Quá trình này đòi hỏi phải được thực hiện trong giới
hạn khả năng chịu nhiệt của enzyme. Sử dụng α- Amylase truyền thống, pH phải
điều chỉnh ở mức độ vừa phải, đồng thời canxi phải được thêm vào để ổn định
hoạt tính của enzyme. Dòng α- Amylase mới phát triển gần đây với những tính
chất ưu việt hơn như khả năng ổn định nhiệt, chịu acid, đặc biệt là có khả năng
xúc tác mà không cần bổ sung canxi đã nâng cao lợi nhuận của ngành công
nghiệp tinh bột một cách rõ rệt. Những nổ lực nghiên cứu kỹ thuật cải thiện hoạt
tính của những enzyme sử dụng sau quá trình thủy phân tinh bột thành
oligomaltodextrins cũng đang được phát triển như glucoamylase, glucose
isomerase.

8


3.3. Ứng dụng trong sản xuất cồn nhiên liệu
Trong công nghiệp sản xuất cồn, sử dụng enzyme cho sản xuất đường
được phân giải từ tinh bột đã được nghiên cứu hoàn chỉnh. Trải qua nhiều thập

kỷ, nhu cầu cồn nhiên liệu tăng lên là hệ quả của việc ý thức của nhân loại về
môi trường tăng lên, cũng như giá dầu leo cao; vì vậy để giải quyết những vấn
đề thực tiễn trên, người ta đã giới hạn lượng phụ gia nhất định trong dầu mỏ_
methyl tert-butyl ether (MTBE) bằng cách thay thế nó bằng cồn. Do đó, những
nghiên cứu hiện tại được thực hiện đề phát triển những enzyme cải tiến, giá rẻ,
có thể tận dụng nguồn cơ chất là lignocellulose để sản xuất cồn sinh học nhiều
ưu thế hơn khi so sánh với nhiên liệu xăng dầu khai thác từ mỏ. Giá của enzyme
cần để chuyển lignocellulose thành vật liệu thô thích hợp cho việc lên men tạo
cồn là vấn đề trọng tâm, công việc nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào
việc tăng khả năng xúc tác và tính ổn định để sản xuất cồn có hiệu quả. Những
chương trình quốc gia lớn của phòng năng lượng Mỹ đưa ra để hỗ trợ, khuyến
khích hướng nghiên cứu này nhằm góp phần giảm ô nhiễm môi trường, hướng
đến nghị định thư Kyoto.
3.4. Ứng dụng trong công nghiệp dệt
Trong công nghiệp dệt, hoạt động xúc tác của enzyme mới được đưa vào
ứng dụng gần đây. Nền công nghiệp này chịu một sức ép lớn về vấn đề môi
trường bởi vì nó tiêu tốn nhiều năng lượng, nước và ô nhiễm môi trường. Một
trong những khâu tiêu tốn nhiều năng lượng, nước trong sản xuất vải cotton là
khâu tẩy vải để loại bỏ nhiều hợp chất khác nhau trên thành tế bào trong sợi
cellulose. Khâu này thông thường được thực hiện ở nhiệt độ cao, điều kiện kiềm
mạnh, tuy nhiên nếu được thực hiện bằng enzyme sẽ tiến hành ở nhiệt độ thấp,
tiêu tốn ít nước hơn nhờ hoạt động của pectate lyase. Do tính thân thiện với môi
trường, kỹ thuật mới này đã được chính phủ Mỹ trao tặng giải thưởng tài năng
hóa học xanh năm 2001. Tiếp nối thành công của việc ứng dụng enzyme trong

9


tẩy vải, ngày nay enzyme đã được sử dụng trong hầu hết các công đoạn chính
của quá trình sản xuất vải cotton (Hình 3.)

α - Amylase

Làm giảm kích thước sợi

Vải thô

PectinasePeroxidase (loại bỏ thuốc nhuộm
Acid
dưcellulose
thừa) (làm bóng vải sinh học)

Tẩy vải

Nhuộm vải

Catalase (làm trắng vải)

Làm giảm kích thước sợi Rửa vải với đá
α - Amylase

Làm trắng

Hoàn thiện

Vải hoàn thiện

Làm trắng

Vải blue jeans hoàn thiện
PectinasePeroxidase (loại bỏ thuốc nhuộm

Acid
dưcellulose
thừa) (làm bóng vải sinh học)

HìnhCellulase
3.Những
enzyme sử dụng trong quá trình sản xuất vải Denim
trung tính
Laccase/mediator
Như vậy sử dụng enzyme mang lại lợi ích cả trong công nghiệp dệt cũng như

Làm giảm kích thước sợi

vấn đề môi trường.

Tẩy vải

Làm trắng

Nhuộm vải

Hoàn thiện

3.5. Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất thức ăn cho vật nuôi
Vải thô
Catalase
Vảithành
hoàn thiện
Ứng
dụng enzyme trong

lĩnh(làm
vựctrắng
nàyvải)
cũng được triển khai
công. Ví

dụ, trong suốt các thập kỷ vừa qua, xylanase và β – glucanase có trong ngũ cốc
được
làm thức
ănvải
cho
vậtLàm
dạtrắng
dày đơn, ngược lại đối với động vật
Làm
giảmdùng
kích thước
sợi Rửa
vớiđộng
đá
Vải blue jeans hoàn thiện
nhai lại có khả năng phân giải tốt và sử dụng nguồn thức ăn từ thực vật chứa

nhiều cellulose và hemicellulose. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu
Cellulase
trung
tính nguồn Laccase/mediator
tập trung vào vấn
đề sử
dụng

hợp chất phospho tự nhiên từ acid phytic

trong thức ăn có nguồn gốc ngũ cốc cho động vật dạ dày đơn. Chúng hấp thu tốt
hơn nguồn phospho tự nhiên (mà trong số đó có khoảng 85-90% được liên kết
với acid phytic) chỉ khi thêm phytase vào thức ăn cho vật nuôi. Những chú ý liên
quan đến enzyme này tăng lên đáng kể trong những năm gần đây. Một số quốc

10


gia trước đây đã sử dụng xương động vật nghiền để làm thức ăn vật nuôi để bổ
sung nguồn phospho vô cơ; điều này đã bị cấm do đó là nguyên nhân gây nên
bệnh bò điên. Đồng thời, ở nhiều quốc gia phương Tây chuyên sản xuất thịt phải
tuân thủ theo những nguyên tắc khi loại bỏ phospho ra ngoài môi trường. Vì vậy,
việc thêm phytase vào thức ăn vật nuôi sẽ giảm đáng kể việc thải phospho ra
khỏi dạ dày đơn, phytase đã trở thành một lĩnh vực lớn enzyme trong công
nghiệp thức ăn chăn nuôi. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy việc bổ sung phytase
không những làm tăng khả năng hấp thu phospho ở vật nuôi mà còn tăng khả
năng hấp thu một số dưỡng chất khác. Những tiến bộ gần đây nhất trong
enzyme dùng làm thức ăn cho vật nuôi đều hướng đến khả năng ứng dụng cao
và khả năng hoạt động của enzyme. Phytase mới từ nấm được nhận diện với
hoạt độ riêng tăng từ 4-50 lần so với những báo cáo trước đây. Sự cải tiến
hướng đến sự phát triển những enzyme tốt hơn để tăng hoạt tính xúc tác của
phytase từ nấm bằng đột biến định hướng điểm. Ví dụ như dựa trên cơ sở
nghiên cứu cấu trúc không gian ba chiều, hoạt độ riêng của phytase nấm
Asperillus fumigatus tăng gấp bốn lần. Để enzyme có thể được sử dụng làm
thức ăn dạng viên, thì enzyme phải có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao (trên
800C) trong suốt quá trình tạo viên ở một thời gian ngắn. Ý tưởng hướng đến tạo
ra những enzyme chịu nhiệt trong cấu trúc phytase liên hợp dựa trên tính tương
đồng của các loại phytase khác nhau. Những enzyme này thể hiện hoạt tính

trong giới hạn ổn định nhiệt tăng đến khoảng 80 0C. Vì vậy, sử dụng phospho
không chỉ là một vấn đề được quan tâm trong công nghiệp thức ăn chăn nuôi, nó
còn có khả năng tăng khả năng hấp thu các nguồn dưỡng chất khác, ví dụ như
tăng khả năng tiêu hóa protein trong đậu nành. Hiển nhiên rằng trong tương lai,
chúng ta sẽ sử dụng những enzyme thủy phân mới khác nhau để ứng dụng
trong công nghiệp thức ăn chăn nuôi nhằm tăng giá trị của nguyên liệu, tiết kiệm
năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm, tác động có lợi đến môi trường.

11


3.6. Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm
Như đã chỉ ra ở Bảng 1, ứng dụng của enzyme trong công nghiệp thực
phẩm là rất phong phú và đa dạng, từ cấu trúc đến tạo hương. Thông thường,
hầu như tất cả các ứng dụng thực phẩm, enzyme được ứng dụng như tác nhân
xử lý cơ chất từ chuẩn bị nguyên liệu đến sản phẩm cuối. Nhiều nghiên cứu đã
được thực hiện để tối ưu enzyme trong sử dụng sản xuất protein tái tổ hợp tạo
ra enzyme tinh khiết, không tạo sản phẩm phụ bất lợi.
Gần đây, nhiều nghiên cứu được thực hiện về ứng dụng của
transglutaminase như tác nhân tạo cấu trúc trong quá trình chế biến, ví dụ trong
xúc xích, mì, yohurt, trong đó liên kết ngang của protein được cung cấp để tăng
độ nhớt, dẻo cho sản phẩm. Tuy nhiên, phạm vi sử dụng của enzyme này bị giới
hạn vì khả năng cung ứng của nó trên quy mô công nghiệp. Hiện nay, chỉ có duy
nhất transglutaminase từ Streptoverticillium sp. là sẵn có ở dạng thương mại, và
việc nghiên cứu vẫn đang tiếp tục nhằm tăng khả năng cung ứng của enzyme
bằng sản xuất tái tổ hợp ở Escherichia coli.
Trong công nghiệp bánh, nhu cầu enzymes lipolytic tăng đáng kể. Những đề
xuất gần đây về lipase (phospho) có thể sử dụng thay thế hoặc hỗ trợ chất tạo
nhũ truyền thống, vì enzyme này làm giảm cấu trúc của lipid bột mì, góp phần
tăng khả năng tạo nhũ của bột. Những nỗ lực từng bước được nghiên cứu gần

đây hướng đến việc hiểu rõ hơn về cấu trúc bánh mì cũ và sử dụng α - amylase
và xylanase để ngăn chặn hiện tượng này bằng. Nghiên cứu cũng đã đi đến kết
luận rằng khả năng kết hợp, giữ nước trong tinh bột và những đoạn
hemicellulose - nguồn cơ chất tương ứng của dụng α - amylase và xylanase là
tác nhân ảnh hưởng chính đến việc duy trì cấu trúc mềm xốp dẻo của bánh.
Việc xác định cấu trúc không gian ba chiều gần đây của amylase sử dụng
để chống hư bánh (Novamyl) cung cấp cái nhìn khách quan về tính chất hoạt
động của enzyme. Những amylase này có thể phân giải amylopectin đến một độ

12


nhất định để ngăn chặn tái kết tinh sau khi hồ hóa mà không làm giảm cấu trúc
mạng của amylopectin ảnh hưởng xấu đến cấu trúc của bánh mì.
Bên cạnh những bước tiến được đề cập ở trên, nhiều ứng dụng mới trong
công nghiệp thực phẩm cũng được đề cập với nhiều tài liệu trên công cộng. Sử
dụng laccase làm trong nước ép trái cây (laccase phân giải liên kết ngang của
polyphenols, kết quả là dễ dàng loại bỏ polyphenols bằng cách lọc), và tăng
hương trong bia gần đây được ứng dụng trong công nghiệp nước giải khát. Hiển
nhiên rằng những hiểu biết về chức năng của các lớp enzyme khác nhau sẽ đưa
ra những ứng dụng mới trong công nghiệp thực phẩm tương lai.
3.7. Ứng dụng trong chế biến dầu, chất béo
Trong công nghiệp dầu và chất béo, nhiều quá trình chế biến dựa vào
enzyme gần đây đã được đưa ra. Mặc dù lipases cố định trong ester hóa
triglyceride đã được mô tả ở những năm 1980, quá trình này vẫn không mang lại
hiệu quả đáng kể trong tiết kiệm chi phí khi đưa vào ứng dụng thực tế trên quy
mô lớn, ví dụ trong sản xuất margarine. Mặc dù sản xuất enzyme trở nên hiệu
quả hơn, tuy nhiên giá để cố định enzyme vẫn là một trở ngại lớn. Tuy nhiên
những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực enzyme đã giải quyết được vấn đề này, ví
dụ như cố định lipase dựa trên tạo hạt silica đã làm giảm giá thành đáng kể, và

quá trình sản xuất lipase dựa trên vật liệu mới này hiện nay trở thành một công
cụ cho sản xuất dầu, chất béo thương mại không chứa acid béo dạng trans. Một
quá trình mới khác gần đây được đưa ra là loại bỏ phospholipids trong dầu thực
vật, giảm độ gum, sử dụng phospholipase từ chủng vi khuẩn được chọn lọc. Vì
vậy, việc sử dụng enzyme trong những công đoạn khác nhau của chế biến dầu,
chất béo sẽ tiết kiệm cả về năng lượng và nước mang lại lợi ích cho công nghiệp
và môi trường.
3.8. Ứng dụng trong tổng hợp chất hữu cơ
Tổng hợp chất hóa học là một lĩnh vực sử dụng enzyme xúc tác được biết
đến từ lâu như một triển vọng tuyệt vời. Mặc dù vậy nhưng trong ngành công

13


nghiệp này, việc sử dụng enzyme vẫn còn thấp so với các ngành khác. Hiện tại,
chúng ta thấy rằng sự tăng trưởng đáng kể trong lĩnh vực này và những giai
đoạn sử dụng enzyme hiện nay được đưa ra rộng rãi để sản xuất những hợp
chất hóa học khác nhau. Một ví dụ điển hình là sản xuất chất trung gian ứng
dụng trong sản xuất thuốc và hóa chất dùng trong nông nghiệp. Thị trường này
bị phân chia thành nhiều phân khúc, vì rất ít enzyme có thể ứng dụng được trong
phạm vi rộng của những quá trình khác nhau. Quá trình sử dụng enzyme gần
đây được đưa ra bao gồm sử dụng lipase cho sản xuất amids và cồn tinh khiết,
nitrilase trong sản xuất acid carboxylic, acylase trong sản xuất penicillin bán tổng
hợp. Nhiều công ty bước đầu tận dụng chất xúc tác có bản chất enzyme, nhiều
tiến triển mới trong lĩnh vực này vẫn đang được mong chờ ở lĩnh vực này trong
những năm kế tiếp.
4. Kết luận và triển vọng
Như những đề cập trên, enzyme đang được sử dụng trong nhiều sản phẩm
quy trình công nghiệp khác nhau và những lĩnh vực mới. Nhờ vào những tiến bộ
của công nghệ sinh học hiện đại, enzyme ngày nay có thể được phát triển và

ứng dụng trong những quá trình kỹ thuật mà trước đây không ngờ đến. Trong
hầu hết các ứng dụng, việc đưa ra những enzyme có hoạt tính xúc tác hiệu quả
dưới những điều kiện ôn hòa sẽ tiết kiệm đáng kể nguồn năng lượng, nước
mang lại lợi ích cả trong công nghiệp cũng như vấn đề môi trường. Trong một
thế giới với sự tăng nhanh dân số và cạn kiệt nguồn tài nguyên dự trữ, công
nghệ enzyme hứa hẹn sẽ mang lại một tiềm năng lớn để giải quyết những thách
thức mà các nền công nghiệp phải đối mặt trong những năm sắp tới.
Tài liệu tham khảo
1. Godfrey T, West SI: Introduction to industrial enzymology. Industrial
Enzymology, edn 2. Edited by Godfrey T, West S. London:Macmillan Press;
1996:1-8.
2. McCoy M: Novozymes emerges. Chem Eng News 2000, 19:23-25.

14


3. Tobin MB, Gustafsson C, Huisman GW: Evolution: the ‘rational’ basis
for ‘irrational’ design. Curr Opin Struct Biol 2000, 10:421-427.
4. Voigt CA, Kauffman S, Wang ZG: Rational evolutionary design: the
theory of in vitro protein evolution. Adv Protein Chem 2000, 55:79-160.
5. Altamirano MM, Blackburn JM, Aguayo C, Fersht AR: Directed••
evolution of a new catalytic activity using the α/β-barrel scaffold. Nature
2000, 403:617-622. The elegant combination of rational engineering and directed
molecular evolution are used for the introduction of a new catalytic activity in an
enzyme.
6. Bisgaard-Frantzen H, Svendsen A, Norman B, Pedersen S, Kjærulff
S,Outtrup H, Borchert TV: Development of industrially important α-amylases.
J Appl Glycosci 1999, 46:199-206.
7. Wintrode PL, Miyazaki K, Arnold FH: Cold adaptation of amesophilic
subtilisin-like protease by laboratory evolution. J Biol Chem 2000,

275:31635-31640.
8. Ness JE, Welch M, Giver L, Bueno M, Cherry JR, Borchert TV,• Stemmer
WPC, Minshull J: DNA shuffling of subgenomicsequences of subtilisin. Nat
Biotechnol 1999, 17:893-896. This work describes the shuffling of a large family
of homologous genes and analysis of the resulting functional diversity. Screening
of a rather smalllibrary resulted in improvements for five different properties.
9. McCoy M: Soaps & detergents. Chem Eng News 2001, • 20:19-32. An
update on the latest developments within the detergent industry alsointroducing
the latest new detergent enzyme, a mannanase.
10. Shaw A, Bott R, Day AG: Protein engineering of α-amylases forlow
pH performance. Curr Opin Biotechnol 1999, 10:349-352.
11. Declerck N, Machius M, Wiegand G, Huber R, Gaillardin C: Probing•
structural

determinants

specifying

high

thermostability

in

Bacilluslicheniformis α-amylase. J Mol Biol 2000, 301:1041-1057. The elegant
use of suppressors aided the construction and analysis of thermo-stability of 175
amylase variants. Several stabilizing mutations were identified.
12. Sauer J, Sigurdskjold BW, Christensen U, Frandsen TP,Mirgorodskaya
E, Harrison M, Roepstorff P, Svensson B:Glucoamylase: structure/function

15


relationships and protein engineering. Biochem Biophys Acta 2000, 1543:275293.
13. Hartley BS, Hanlon N, Jackson RJ, Rangrajan M: Glucose
isomerase:insight into protein engineering for increased thermostability.
Biochem Biophys Acta 2000, 1543:294-335.
14. Jolly L: The commercial viability of fuel ethanol from sugar cane. Int
Sugar J 2001, 103:117-143.
15. Taylor F, Mcaloon AJ, Craig JC, Yang P, Wahjudi J, Eckhoff SR:
Fermentation and costs of fuel ethanol from corn with quick-germprocess.
Appl Biochem Biotechnol 2001, 94:41-49.
16. Taylor F, Kurantz MJ, Goldberg N, Mcaloon AJ, Craig JC: Dry-grind
process for fuel ethanol by continuous fermentation andstripping.
Biotechnol Prog 2000, 16:541-547.
17. Zaldivar J, Nielsen J, Olsson L: Fuel ethanol production from
lignocellulose: a challenge for metabolic engineering and process
integration. Appl Microbiol Biotechnol 2001, 56:17-34.
18. Wheals AE, Basso LC, Alves DMG, Amorim AV: Fuel ethanol after 25
years. Trends Biotechnol 1999, 17:482-487.
19. Tzanov T, Calafell M, Guebitz GM, Cavaco-Paulo A: Biolpreparation•
of cotton fabrics. Enzyme Microb Technol 2001, 29:357-362. This work
describes the successful substitution of traditional chemical processes by the
introduction of pectinases for biopreparation of cotton fabrics.
20. Lei XG, Stahl CH: Nutritional benefits of phytase and • dietary
determinants of its efficacy. J Appl Anim Res 2000, 17:97-112. The paper
discusses the beneficial gains of utilizing phytase for animal feed,in a fair and
critical manner, and provides a nice overview on this particularusage of phytase.
21. Kies AK, van Hemert KHF, Sauer WC: Effect of phytase on proteinand
amino acid digestibility and energy utilization. Worlds Poult Sci J 2001,

57:109-126.
22. Lei

XG,

Stahl

CH:

Biotechnological

development

of

effectivephytases for mineral nutrition and environmental protection. Appl
Microbiol Biotechnol 2001, 57:474-481.

16


23. Lassen SF, Breinholt J, Østergaard PR, Brugger R, Bischoff A,• Wyss M,
Fuglsang CC: Expression, gene cloning and characterization of five novel
phytases from four Basidiomycetefungi: Peniophora lycii, Agrocybe
pediades, a Ceriporia sp. And Trametes pubescens. Appl Environ Microbiol
2001, 67:4701-4707. Describes an entirely new group of fungal phytases and
their properties.One of these phytases has recently been commercialized for
application in animal feed.
24. Tomschy A, Tessier M, Wyss M, Brugger R, Broger C, Schnoebelen
L,van Loon APGM, Pasamontes L: Optimization of the catalytic properties of

Aspergillus fumigatus phytase based on the three-dimensional structure.
Protein Sci 2000, 9:1304-1311.
25. Lehmann M, Kostrewa D, Wyss M, Brugger R, D’Arcy A,• Pasamontes
L, van Loon APGM: From DNA sequence to improvedfunctionality: using
protein sequence comparisons to rapidly design a thermostable consensus
phytase. Protein Eng 2000,13:49-57. An interesting new approach for designing
enzymes with improved properties. A significant thermal stabilization is obtained
compared with the parent phytase backbones.
26. Kuraishi C, Yamazaki K, Susa Y: Transglutaminase: its utilization in•
the food industry. Foods Rev Int 2001, 17:221-246. Industrial application of
transglutaminase is still in its infancy. This paper provides a nice overview of
some of the first applications of this enzyme inthe food industry.
27. Yokoyama K, Nakamura N, Seguro K, Kubota K: Overproduction
ofmicrobial transglutaminase in Escherichia coli, in vitro refolding, and
characterization of the refolded form. Biosci Biotechnol Biochem 2000,
64:1263-1270.
28. Collar C, Martinez JC, Andreu P, Armero E: Effect of enzyme
associations on bread dough performance. A response surface study. Food
Sci Technol Int 2000, 6:217-226.
29. Monfort A, Blasco A, Sanz P, Prieto JA: Expression of LIP1 and LIP2
genes from Geotricum species in baker’s yeast strains and their

17


application to the bread-making process. J Agric Food Chem 1999, 47:803808.
30. Andreu P, Collar C, Martínez-Anaya MA: Thermal properties ofdoughs
formulated with enzymes and starters. Eur Food ResTechnol 1999, 209:286293.
31. Dauter Z, Dauter M, Brzozowski AM, Christensen S, Borchert TV,•• Beier
L, Wilson KS, Davies GJ: X-ray structure of Novamyl, the five-domain

‘maltogenic’ α-amylase from Bacillus stearothermophilus: maltose and
acarbose complexes at 1.7 Åresolution. Biochemistry 1999, 38:8385-8392.
Describes the determination of the three-dimensional structure of a maltogenic αamylase widely applied for providing antistaling effects in white bread. Structural
insight into the unique specificity and performance of this enzyme is also
provided.
32. Christensen MW, Andersen L, Kirk O, Holm HC: Enzymatic
interesterification of commodity oils and fats: approaching the tonnes
scale. Lipid Technol News 2001, 7:33-37.
33. Clausen K: Enzymatic oil-degumming by a novel • microbial
phospholipase. Eur J Lipid Sci Technol 2001, 103:333-340. The use of
phospholipases for oil-degumming is described with focus on the introduction of
the first enzyme of microbial origin for this application.
34. Schmidt A, Dordick JS, Hauer B, Kiener A, Wubbolts M, Witholt B:
Industrial biocatalysis today and tomorrow. Nature 2001, 409:258-268.

18