Tiểu luận Tìm hiểu về ứng dụng của nhóm enzyme cellulase

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BỘ MÔN: HÓA SINH HỌC THỰC PHẨM  ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ ỨNG DỤNG CỦA NHÓM ENZYME CELLULASE GVHD: NGUYỄN THỊ THU SANG SVTH: NGUYỄN HOÀNG PHÚC 2005100031 HUỲNH TẤN ĐẠT 2005100054 PHẠM QUỐC HUY 2005100171 NGUYỄN TẤN PHÚC 2005100040 VÕ MINH TRÍ 2008100088 NHÓM 02_LỚP 01DHTP1_SÁNG THỨ 2_TIẾT 1,2 TP.HỒ CHÍ MINH - 2012 BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BỘ MÔN: HÓA SINH HỌC THỰC PHẨM  ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ ỨNG DỤNG CỦA NHÓM ENZYME CELLULASE GVHD: NGUYỄN THỊ THU SANG SVTH: NGUYỄN HOÀNG PHÚC 2005100031 HUỲNH TẤN ĐẠT 2005100054 PHẠM QUỐC HUY 2005100171 NGUYỄN TẤN PHÚC 2005100040 VÕ MINH TRÍ 2008100088 NHÓM 02_LỚP 01DHTP1_SÁNG THỨ 2_TIẾT 1,2 TP.HỒ CHÍ MINH - 2012 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH SÁCH CÁC HÌNH..................................................................................... 1 MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 2 1. Yêu cầu thực tế và lý do chọn đề tài .................................................................... 2 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................ 2 3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ................................................................ 3 4. Kết cấu của bài tiểu luận ...................................................................................... 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ENZYME CELLULASE ............................... 4 1.1. Giới thiệu chung ......................................................................................... 4 1.2. Cấu trúc của enzyme cellulase ................................................................... 4 1.3. Tính chất của enzyme cellulase .................................................................. 5 1.4. Nguồn gốc của enzyme cellulase ............................................................... 6 1.5. Cơ chất của enzyme cellulase ..................................................................... 6 1.6. Phân loại enzyme cellulase ......................................................................... 6 1.7. Cơ chế tác dụng của enzyme cellulase ....................................................... 7 1.7.1. Cơ chế 1,4- -D-glucan cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) ............... 7  1.7.2. Cơ chế 1,4- -D-glucan 4-glucanohydrolase (EC 3.2.1.4) .............. 8  1.7.3. Cơ chế -D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21) ..................... 9  1.8. Hoạt lực của enzyme cellulase ................................................................... 10 1.9. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt lực của enzyme cellulase ......................... 11 1.9.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................... 11 1.9.2. Ảnh hưởng của pH ............................................................................ 11 1.9.3. Ảnh hưởng của ion kim loại ............................................................. 12 1.9.4. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme ...................................................... 12 1.9.5. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất [S] ................................................. 13 CHƢƠNG 2. CÁC ỨNG DỤNG CỦA NHÓM ENZYME CELLULASE ....... 17 2.1. Sơ lược về ứng dụng của nhóm enzyme cellulase ..................................... 17 2.2. Các ứng dụng của nhóm enzyme cellulase ................................................. 18 2.2.1. Trong công nghiệp giấy .................................................................... 18 2.2.2. Trong công nghiệp dệt ...................................................................... 19 2.2.3. Trong xử lý môi trường ..................................................................... 20 2.2.4. Trong sản xuất thức ăn gia súc.......................................................... 20 2.2.5. Trong kỹ thuật di truyền ................................................................... 21 2.2.6. Trong công nghiệp chế biến thực phẩm ............................................ 21 2.2.6.1. Trong nghiệp sản xuất bia ....................................................... 21 2.2.6.2. Trong công nghiệp sản xuất cà phê ......................................... 21 2.2.6.3. Trong sản xuất các loại nước quả ............................................ 22 2.2.7. Trong sản xuất cồn ............................................................................ 23 2.2.8. Trong sản xuất bột giặt và chất tẩy rữa ............................................. 24 2.2.9. Trong sản xuất nhiên liệu sinh học ................................................... 25 2.2.10. Trong sản xuất dung môi hữu cơ .................................................... 25 2.2.11. Trong nuôi cấy tế bào và tái tổ hợp gene ........................................ 25 2.2.12. Trong công nghiệp xử lý rác thải và sản xuất phân bón vi sinh ..... 25 2.2.13. Trong sản xuất agar-agar ................................................................ 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 27 LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thực phẩm trong hai thập niên gần đây đòi hỏi sự hiểu biết toàn diện về khả năng phân tích các chất trong thực phẩm và phương pháp sản xuất thực phẩm. Để đảm bảo yêu cầu này, cần có kiến thức toàn diện về hóa sinh thực phẩm, vi sinh thực phẩm, các quy trình chế biến thực phẩm,... Trong bài tiểu luận này, nhóm chúng tôi tập trung nghiên cứu về các ứng dụng của nhóm enzyme cellulase trong tất cả các lĩnh vực nói chung và nhóm ngành công nghệ thực phẩm nói riêng. Enzyme cellulase là một enzyme rất phổ biến trong công nghiệp, chỉ đứng sau amylase và protease nên các ứng dụng của chúng đối với công nghiệp là rất nhiều. Qua bài tiểu luận này, mục tiêu mà nhóm chúng tôi hướng tới đó là xây dựng một cách tương đối hoàn chỉnh về các ứng dụng của nhóm enzyme cellulase trong công nghiệp, qua đó có thể cung cấp các kiến thức hữu ích và đầy đủ hơn cho mọi người về nhóm enzyme này. Bài tiểu luận được chia làm hai chương: Chƣơng 1: Tổng quan về enyme cellulase Chƣơng 2: Các ứng dụng của nhóm enzyme cellulase Dù đã cố gắng rất nhiều nhưng trong quá trình thực hiện cũng không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của Cô để những bài tiểu luận về sau sẽ đầy đủ và chính xác hơn. TẬP THỂ NHÓM DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1. Enzyme cellulase ..................................................................................... 5 Hình 1.2. Cơ chế hoạt động của exoglucanase ....................................................... 8 Hình 1.3. Cơ chế hoạt động của endoglucanase ..................................................... 8 Hình 1.4. Cơ chế hoạt động của -glucosidase .................................................... 9  Hình 1.5. Quá trình phân giải cellulose của cellulase ............................................ 9 Hình 1.6. Sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào [E] ........................................... 13 Hình 1.7. Biến thiên vận tốc phản ứng theo nồng độ cơ chất ................................. 15 Hình 1.8. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất ........................ 16 Hình 2.1. Sợi giấy được tái chế ............................................................................... 19 Hình 2.2. Cơ chế thủy phân phân tử cellulose(A) và phức hệ cellulose(B) của các Enzyme thuộc hệ phức cellulase .............................................................................. 23 1 Hóa sinh thực phẩm Mở đầu MỞ ĐẦU 1. Yêu cầu thực tế và lý do chọn đề tài Enzyme là loại protein, xúc tác cho mọi phản ứng sinh học trong mọi tế bào của sinh vật. Enzyme rất quan trọng với cơ thể con người, nếu không có enzyme thì mọi sự chuyển hóa trong cơ thể con người bị đình trệ và con người không thể sống được. Ngoài ra nó còn đóng vai trò rất quan trọng trong công nghiệp chế biến thực phẩm, trong y học, trong kỹ thuật phân tích, công nghệ gene và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng enzyme được phát triển rất mạnh từ đầu thế kỹ XX đến nay. Công nghệ sản xuất enzyme đã đem lại lợi nhuận rất lớn cho nhiều nước. Việt Nam là một trong những nước có nhiều nghiên cứu và ứng dụng enzyme. Tuy nhiên, công nghệ enzyme của ta chưa thực sự phát triển do đây là một ngành đòi hỏi công nghệ cao. Trong tương lai, hứa hẹn đây sẽ là một ngành công nghiệp được đầu tư phát triển rộng bởi những ứng dụng và tính tiện lợi của nó trong nhiều lĩnh vực và đời sống. Enzyme cellulase là một trong những enzyme có vai trò quan trọng trong chuyển hóa chất hữu cơ có trong thiên nhiên, và có ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp thực phẩm (rựu, bia,...), bảo vệ môi trường... Do có nhiều ứng dụng trong thực tế song việc ứng dụng chúng vào thực tiễn không phải là điều dễ dàng nên đó là lý do vì sao vấn đề “Tìm hiểu về ứng dụng của nhóm enzyme cellulase” được chúng tôi chọn là đề tài tiểu luận. 2. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là khảo sát các đặc tính cơ bản của enzyme cellulase và hướng ứng dụng rộng rãi của enzyme này trong công nghiệp nói chung và công nghiệp thực phẩm nói riêng. Hướng đi chính của đề tài mà chúng tôi hướng đến là khả năng ứng dụng thực tiễn cao của loại enzyme này. 2 Hóa sinh thực phẩm Mở đầu 3. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là enzyme cellulase. Phương pháp nghiên cứu trong bài tiểu luận này được dùng chủ yếu là phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phân tích, tổng hợp nhằm làm rõ vấn đề được nghiên cứu và giúp người đọc có cái nhìn tổng quát hơn về loại enzyme này. 4. Kết cấu của bài tiểu luận Tiểu luận với đề tài: “TÌM HIỂU VỀ ỨNG DỤNG CỦA NHÓM ENZYME CELLULASE” được thực hiện với hai chương chính: - Chƣơng 1: Tổng quan về enzyme cellulase - Chƣơng 2: Các ứng dụng của nhóm enzyme cellulase 3 Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ENZYME CELLULASE 1.1. Giới thiệu chung Cellulose là thành phần cơ bản của tế bào thực vật, vì vậy nó có mặt trong mọi loại rau quả cũng như trong các nguyên liệu, phế liệu của các ngành trồng trọt và lâm nghiệp. Tuy nhiên, người và động vật không có khả năng phân giải cellulose. Nó chỉ có giá trị làm tăng tiêu hóa, nhưng với lượng lớn nó trở nên vô ích hay cản trở tiêu hóa. Cellulase là một phức hệ enzyme có tác dụng thủy phân cellulose thông qua việc thủy phân liên kết -1,4-glucoside trong cellulose.  Cellulase có khả năng thủy phân cellulose thành đường. Con người và động vật không có khả năng phân giải cellulose, nó có vai trò chất độn. Phương pháp tìm chế phẩm cellulase còn hạn chế. Chế phẩm cellulase thường dùng để: - Tăng chất lượng thực phẩm và thức ăn gia súc. - Tăng hiệu suất trích ly các chất từ nguyên liệu thực vật. Enzyme cellulase đã được nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới. Đây là enzyme được ứng dụng rất rộng rãi, chỉ đứng sau protease và amylase. 1.2. Cấu trúc của enzyme cellulase Cellulase có bản chất là protein được cấu tạo từ các đơn vị là axit amin, các axit amin được nối với nhau bởi lien kết peptid –CO-NH- . Ngoài ra, trong cấu trúc còn có những phần phụ khác, Cấu trúc hoàn chỉnh của các loại enzyme nhóm endoglucanase (EG) và exoglucanase (CBH) giống nhau trong hệ cellulase của nấm sợi, gồm một trung tâm xúc tác và một đuôi tận cùng, phần đuôi này xuất phát từ trung tâm xác tác và được gắn them vùng glycosil hóa, cuối đuôi là vùng gắn kết với cellulose (CBD: cellulose binding domain). Vùng này có vai trò tạo liên kết với cellulose tinh thể. Trong quá trình phân hủy cellulose có sự tương quan mạnh giữa khả năng xúc tác phân 4 Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase giải cellulose của các enzyme và ái lực của enzyme này đối với cellulose. Hơn nửa, hoạt tính của cellulase dựa vào tinh thể cellulose và khả năng kết hợp của CBD với cellulose. Điều này chứng tỏ CBD làm gia tăng hoạt tính cellulase đối với tinh thể cellulose. Sự có mặt của CBD sẽ hỗ trợ cho enzyme cellulase thực hiện việc cắt đứt nhiều liên kết trong cellulose tinh thể. Vùng gắn kết với cellulose có cấu tạo khác với liên kết thông thường của protein và việc thay đổi chiều dài của vùng glycosil hóa có ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của enzyme. Hình 1.1. Enzyme cellulase 1.3. Tính chất của enzyme cellulase Cellulase thủy phân cellulose tự nhiên và các dẫn xuất như carboxymethyl cellulose (CMC) hoặc hydroxyethyl cellulose (HEC). Cellulase cắt liên kết β-1,4- glucosid trong cellulose, lichenin và các β-D-glucan của ngũ cốc. Độ bền nhiệt và tính đặc hiệu cơ chất có thể khác nhau. Cellulase hoạt động ở pH từ 3-7, nhưng pH tối thích trong khoảng 4-5. Nhiệt độ tối ưu từ 40-50 độ C. Hoạt tính cellulose bị phá hủy hoàn toàn ở 80 độ C trong 10 đến 15 phút. 5 Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase Cellulase bị ức chế bởi các sản phẩm phản ứng của nó như glucose, cellobiose và bị ức chế hoàn toàn bởi Hg. Ngoài ra, cellulose còn bị ức chế bởi các ion kim loại khác như Mn, Ag, Zn nhưng ở mức độ nhẹ. Trọng lượng của enzyme cellulose thay đổi từ 30 -110 KDa (Begunin, 1990; Gilkes và cộng sự, 1991). 1.4. Nguồn gốc của enzyme cellulase • Được thu nhận từ các nguồn khác nhau: – Động vật: dịch tiết dạ dày bò, các nhóm thân mềm… – Thực vật: trong hạt ngũ cốc nảy mầm như đại mạch, yến mạch, lúa mì mạch đen… – Vi sinh vật: các loại xạ khuẩn, vi khuẩn, nấm sợi, nấm men… • Trong thực tế người ta thường thu nhận enzyme cellulase từ vi sinh vật. Các chủng vi sinh vật thường sử dụng: – Nấm mốc: Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus candidus… – Xạ khuẩn: Actinomyces griseus, Streptomyces reticuli… – Vi khuẩn: Acetobacter xylinum, Bacillus subtilis, Bacillus pumilis… 1.5. Cơ chất của enzyme cellulase Cellulose là cơ chất của enzyme cellulase. Cellulose là một polysaccharide phong phú nhất trong tự nhiên. Việc phân hủy sinh học cellulose bởi vi sinh vật là một trong những bước chính của chu trình carbon trên trái đất. 1.6. Phân loại enzyme cellulase 6 Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase Về phương diện hóa học, cellulose là một polyme được cấu tạo từ các đơn vị -glucose nối với nhau bằng liên kết -1,4-glucoside. Cellulose là thành phần   polysaccharide chủ yếu của vách tế bào thực vật. Dựa vào đặc điểm của cơ chất và cơ chế phân cắt, enzyme cellulase được chia thành ba loại: - 1,4- -D-glucan cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91)  - 1,4- -D-glucan 4-glucanohydrolase (EC 3.2.1.4)  - -D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21)  Các enzyme này được tìm thấy trong vi khuẩn sống trong dạ dày cỏ bò và mối và trong một số nấm như Trichoderma, Aspergillus,... 1.7. Cơ chế tác dụng của enzyme cellulase 1.7.1. Cơ chế 1,4- -D-glucan cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91)  Enzyme này còn có tên gọi khác như: exoglucanase, exo- -1,4-glucanase,  cellobiohydrolase, exo – cellobiohydrolase, exo- -1,4-glucan cellobiohydrolase, 1,4-  -D-glucan cellobiosidase, cellobiosidase, CBH 1, C1 cellulase, avicelase.  Enzyme này thủy phân liên kết 1,4- -D-glucoside từ đầu không khử của chuỗi  cellulose để tạo thành celllobiose. 7 Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase Hình 1.2. Cơ chế hoạt động của exoglucanase 1.7.2. Cơ chế 1,4- -D-glucan 4-glucanohydrolase (EC 3.2.1.4)  Enzyme này còn có tên gọi khác như: Endoglucanase, Endo-1,4- -D-  glucanase, Endo-1,4 glucanase, -1,4-endoglucan hydrolase, Carboxymethyl  cellulase, Celludextrinase, Cellulase A, Cellulosin AP, Alkali Cellulase, Cellulase A3, 9,5 Cellulase, Avicelase, Pancellase SS. Enzyme này thủy phân ngẫu nhiên liên kết 1,4- -D-glucoside giữa mạch của  chuỗi cellulose, lichenin và các -D-glucan của ngũ cốc.  Hình 1.3. Cơ chế hoạt động của endoglucanase 8 Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase 1.7.3. Cơ chế -D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21)  Enzyme này có tên gọi khác như là: glucosidase, D  glucosidase,     1,6  glucosidase, glucoside glucohydrolase, p-nitrophenyl glucosidase,       aryl- glucosidase, gentiobiase, cellobiase, emulsin, elaterase, arbutinase,   amygdalinase, primeverosidase, amygdalase, limarase, salicilinase. Enzyme này thủy phân gốc -D-glucoside không khử ở đầu tận cùng để phóng  thích ra -D-glucose.  Hình 1.4. Cơ chế hoạt động của -glucosidase  Hình 1.5. Quá trình phân giải cellulose của cellulase 9 Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase 1.8. Hoạt lực của enzyme cellulase (cơ chế thủy phân cellulose) Thủy phân cellulose phải có sự tham gia của cả ba loại enzyme cellulose như endoglucanase, exoglucanase và β-glucosidase. Thiếu một trong ba loại enzyme trên thì không thể thủy phân phân tử cellulose đến cùng. Từ những nghiên cứu riêng lẽ đối với từng loại enzyme đến nghiên cứu tác động tổng hợp của cả ba loại enzyme cellulose, nhiều nhà khoa học đều đưa ra kết luận chung là các loại enzyme cellulose sẽ thay phiên nhau phân hủy cellulose để tạo thành sản phẩm cuối cùng là glucose. Có nhiều cách giải thích khác nhau về cơ chế tác động của cellulose, trong đó cách giải thích do Erikson đưa ra được nhiều người công nhận hơn cả. Theo Erikson và cộng tác viên (1980), cơ chế tác động hiệp đồng của 3 loại cellulose như sau: đầu tiên endoglucanase tác động vào vùng vô định hình trên bề mặt cellulose, cắt liên kết β-1,4-glucosid và tạo ra các đầu mạch tự do. Tiếp đó exoglucanase tấn công cắt ra từng đoạn cellobiose từ đầu mạch được tạo thành. Kết quả tác động của endoglucanase và exoglucanase tạo ra các celloligosaccharit mạch ngắn, cellobiose, glucose. β-glucosidase thủy phân tiếp và tạo thành glucose. Các loài vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp cellulose trong điều kiện tự nhiên thường bị ảnh hưởng bởi tác động nhiều mặt của các yếu tố ngoại cảnh nên có loài phát triển rất mạnh, có loài lại phát triển yếu. Chính vì thế, việc phân hủy cellulose trong tự nhiên được tiến hành không đồng bộ, xảy ra rất chậm. Trong điều kiện phòng thí nghiệm hay điều kiện công nghiệp, việc phân hủy cellulose bằng enzyme, ngoài các yếu tố kỹ thuật như nhiệt độm pH, nồng độ cơ chất, lượng enzyme…, một yếu tố hết sức quan trọng là tính đồng bộ của hệ enzyme cellulose từ nhiều nguồn vi sinh vật khác nhau. Quá trình thủy phân cellulose chỉ có thể được tiến hành đến sản phẩm cuối cùng khi sử dụng đồng bộ ba loại enzyme cellulose. 10 Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase Mỗi loại vi sinh vật chỉ có khả năng sinh tồng hợp ưu việt một loại enzyme. Chính vì thế cần phải khai thác enzyme cellulose từ nhiều nguồn vi sinh vật. 1.9. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt lực của enzyme cellulase 1.9.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự phát triển, khả năng sinh tổng hợp enzyme của vi sinh vật cũng như tính chất của enzyme được tồng hợp. Sinh trưởng và sinh tổng hợp enzyme thường bị kìm hãm nhanh chóng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thích hợp. Vận tốc phản ứng do enzyme xúc tác chỉ tăng lên khi tăng nhiệt độ trong một giới hạn nhất định, chưa ảnh hưởng đến cấu trúc của enzyme. Hoạt tính enzyme đạt cực đại ở nhiệt độ thích hợp, khoảng nhiệt độ thích hợp của nhiều enzyme vào khoảng 40 – 500C. Ở nhiệt độ cao, enzyme bị biến tính làm hoạt tính giảm mạnh hoặc mất hoạt tính, còn ở nhiệt độ thấp dưới 00C, hoạt tính enzyme bị giảm nhiều nhưng lại có thể phục hồi khi đưa về nhiệt độ thích hợp. Cellulase