Enzyme là chất xúc tác sinh học đóng vai trò quan trọng trong tất cả các giai đoạn của quá trình trao đổi chất và phản ứng sinh hóa. Chúng được quan tâm đặc biệt và được sử dụng làm chất xúc tác hữu cơ trong nhiều quy trình quy mô công nghiệp. Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về các enzym vi sinh vật và phân loại của chúng.
Giới thiệu
Các ngành công nghiệp sinh học khác nhau yêu cầu các enzym có đặc tính riêng để sử dụng trong chế biến chất nền và nguyên liệu thô. Enzyme vi sinh đóng vai trò là chất xúc tác sinh học để thực hiện các phản ứng trong quá trình sinh học một cách tiết kiệm và thân thiện với môi trường so với việc sử dụng xúc tác hóa học. Các đặc tính đặc biệt của chúng được sử dụng cho mục đích thương mại và các ứng dụng công nghiệp. Enzyme rất đặc trưng, chúng xúc tác cho khoảng 4000 phản ứng sinh hóa. Người đoạt giải Nobel Emil Fischer cho rằng điều này là do cả enzym và chất nền đều có dạng hình học bổ sung cụ thể chính xácphù hợp với nhau.
Định nghĩa
Enzyme là các phân tử sinh học lớn chịu trách nhiệm cho tất cả các trao đổi hóa học quan trọng cần thiết để duy trì sự sống. Chúng là những chất xúc tác có tính chọn lọc cao, có thể đẩy nhanh cả tốc độ và tính đặc hiệu của các phản ứng trao đổi chất từ tiêu hóa thức ăn đến tổng hợp DNA. Tất cả các quá trình trao đổi chất xảy ra ở chúng phụ thuộc vào loại enzym nào được hình thành trong tế bào của vi sinh vật.
Lịch sử
Năm 1877, Wilhelm Friedrich Kuehne, giáo sư sinh lý học tại Đại học Heidelberg, lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ "enzyme", xuất phát từ từ Latin fermentum, có nghĩa là "trong men". Việc thu nhận enzyme của vi sinh vật bắt đầu từ thời Hy Lạp cổ đại. Chúng được dùng để bảo quản thức ăn và đồ uống.
Năm 1783, linh mục Công giáo nổi tiếng người Ý Lazzaro Spallanzani lần đầu tiên đề cập đến tầm quan trọng của phân tử sinh học này trong công trình nghiên cứu quá trình hình thành sinh học của ông.
Năm 1812, Gottlieb Sigismund Kirchhoff đã nghiên cứu quy trình chuyển hóa tinh bột thành glucose. Trong thí nghiệm của mình, ông nhấn mạnh việc sử dụng các enzym làm chất xúc tác.
Năm 1833, nhà hóa học người Pháp Anselm Payen đã phát hiện ra enzyme đầu tiên, diastase.
Nhiều thập kỷ sau, vào năm 1862, trong khi nghiên cứu quá trình lên men của đường thành rượu, Louis Pasteur đã đi đến kết luận rằng nó được xúc tác bởi sinh lực có trong các tế bào nấm men.
Phân tử sinh học được tìm thấy trong tự nhiênđã được sử dụng rộng rãi từ thời cổ đại trong sản xuất các sản phẩm như vải lanh, da và chàm. Tất cả những quá trình này đều do vi sinh vật - những nhà sản xuất enzyme gây ra.
Có nghĩa là
Enzyme cần thiết để tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng hóa học. Vai trò của chúng đối với sự sống của vi sinh vật là rất quan trọng. Nó bao gồm đảm bảo các quá trình trao đổi chất, hô hấp, tiêu hóa và các loại hình sống khác. Khi các enzym hoạt động bình thường, cân bằng nội môi được duy trì. Một vai trò khác của các enzym trong vi sinh vật là tăng tốc độ trao đổi chất.
Tính năng đặc biệt
Tính chất enzyme của vi sinh vật bao gồm:
- chịu nhiệt;
- tính chất ưa nhiệt;
- chịu được thay đổi phạm vi pH;
- ổn định hoạt động khi thay đổi nhiệt độ và độ pH;
- điều kiện phản ứng nghiêm ngặt khác.
Chúng được phân loại là ưa nhiệt, ưa axit hoặc ưa kiềm. Vi sinh vật có hệ thống enzym ổn định nhiệt làm giảm khả năng ô nhiễm vi sinh vật trong các phản ứng công nghiệp quy mô lớn trong thời gian dài. Các enzym vi sinh vật giúp tăng chuyển khối và giảm độ nhớt của chất nền trong quá trình thủy phân nguyên liệu.
Phân loại
Do có nhiều hoạt động dựa trên bản chất của phản ứng, các enzym được phân loại theo xúc tác:
- Chất chống oxy hóa. Phản ứng oxy hóa liên quan đến việc chuyển các electron từ một phân tửsang cái khác. Trong các hệ thống sinh học, đây là quá trình loại bỏ hydro khỏi chất nền.
- Chuyển_lượng. Lớp enzym này xúc tác việc chuyển các nhóm nguyên tử từ phân tử này sang phân tử khác. Aminotransferase hoặc transaminase tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển nhóm amin từ axit amin thành axit alpha-oxo.
- Hydrolases. Xúc tác quá trình thủy phân, tách chất nền với nước. Các phản ứng bao gồm sự phân cắt liên kết peptit trong protein, liên kết glycosidic trong cacbohydrat và liên kết este trong lipid. Nói chung, các phân tử lớn hơn bị phá vỡ thành các mảnh nhỏ hơn.
- Thoải mái. Xúc tác việc bổ sung các nhóm vào liên kết đôi hoặc sự hình thành liên kết sau bằng cách loại bỏ nhóm trước. Ví dụ, lyase pectate phân cắt các liên kết glycosidic bằng cách loại bỏ beta.
- Isomerase. Chúng xúc tác cho việc chuyển các nhóm từ vị trí này sang vị trí khác trong cùng một phân tử. Thay đổi cấu trúc của chất nền, sắp xếp lại các nguyên tử của nó.
- Dây buộc. Nối các phân tử với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Chúng tham gia vào các phản ứng sinh tổng hợp, nơi các nhóm liên kết mới được hình thành. Những phản ứng như vậy đòi hỏi năng lượng đầu vào ở dạng đồng yếu tố.
Đơn
Lên men được sử dụng để chế biến nhiều loại thực phẩm. Việc sử dụng men vi sinh trong công nghiệp thực phẩm là một quá trình lâu đời. Các loại sau được sử dụng rộng rãi:
- Amylase. Hóa lỏng tinh bột, cải thiện chất lượng bánh mì, làm trong của nước ép trái cây.
- Glucoamylase. Sản xuất bia và xi-rô có hàm lượng glucose và fructose cao.
- Protease. Làm mềmđông tụ thịt, sữa.
- Lactase. Giảm không dung nạp lactose ở người, bổ sung dinh dưỡng prebiotic.
- Lipase. Sản xuất pho mát cheddar.
- Phospholipase. Sản xuất chất béo sữa đã phân giải.
- Xóa. Cải thiện mùi vị và hương thơm trong nước trái cây. Deesterification của chất xơ ăn kiêng. Sản xuất các este mạch ngắn.
- Xenlulozơ. Thức ăn chăn nuôi.
- Glucose oxidase. Cải thiện thời hạn sử dụng thực phẩm.
- Túi xách. Loại bỏ polyphenol khỏi rượu vang.
- Catalases. Bảo quản thực phẩm. Loại bỏ hydrogen peroxide khỏi sữa trước khi sản xuất pho mát.
- Peroxidase. Phát triển mùi vị, màu sắc và chất lượng của thực phẩm.
Protease
Protein có nguồn gốc từ hệ vi sinh vật gồm ba loại: axit, trung tính và kiềm. Protease serine kiềm có ứng dụng lớn nhất trong công nghiệp sinh học. Chúng có hoạt tính cao và ổn định trong điều kiện bất thường của các thông số sinh lý khắc nghiệt. Protease kiềm có đặc tính ổn định hoạt tính enzym cao khi được sử dụng trong chất tẩy rửa. Họ đã tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sinh học:
- sản xuất bột giặt;
- ngành thực phẩm;
- gia công da;
- dược phẩm;
- nghiên cứu sinh học phân tử và tổng hợp peptit.
Amylase
Đây là một loại enzym của vi sinh vật xúc tác quá trình phân hủy tinh bột thành đường. Anh ấy đãđược Anselm Peyen phát hiện và phân lập vào năm 1833. Tất cả các amylase đều là glycoside hydrolase. Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và chiếm gần 25% thị trường enzyme. Được sử dụng trong các ngành như:
- thức ăn;
- tiệm bánh;
- giấy và dệt may;
- chất tạo ngọt và nước trái cây;
- xi-rô glucose và fructose;
- chất tẩy rửa;
- nhiên liệu ethanol từ tinh bột;
- đồ uống có cồn;
- hỗ trợ tiêu hóa;
- tẩy vết bẩn trong giặt hấp.
Cũng được sử dụng trong hóa học lâm sàng, y tế và phân tích.
Xylanase
Hemicellulose là một trong những thành phần chính của phụ phẩm nông nghiệp cùng với cellulose, lignin và pectin. Xylan là thành phần chính của nó. Tầm quan trọng của xylanase đã tăng lên đáng kể do các ứng dụng công nghệ sinh học của nó để sản xuất pentose, thanh lọc nước trái cây, cải thiện tiêu hóa và chuyển hóa sinh học của chất thải nông nghiệp lignocellulosic thành nhiên liệu và hóa chất. Nó đã được tìm thấy ứng dụng của nó trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dệt may và bột giấy và giấy, xử lý chất thải nông nghiệp, sản xuất ethanol và thức ăn chăn nuôi.
Laccase
Các enzym lignin hữu ích trong quá trình thủy phân các phụ phẩm nông nghiệp lignocellulosic, đặc biệt đối với sự phân hủy của lignin cấu thành phức tạp và không bơm. Chúng rất linh hoạt trong tự nhiên và có thể được sử dụng trong một số quy trình công nghiệp. Hệ thống enzym lignolytic được sử dụng trong quá trình nhuộm màu sinh học xenlulo và các ngành công nghiệp khác như ổn định rượu vang và nước ép trái cây, giặt là denim, mỹ phẩm và cảm biến sinh học.
Lipase
Đây là một loại enzyme của vi sinh vật xúc tác cho quá trình phân hủy và thủy phân chất béo. Lipase là một phân lớp của esterase. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình tiêu hóa, vận chuyển và xử lý chất béo. Hầu hết các lipase đều tham gia vào một vị trí nhất định trên xương sống glycerol của chất béo, đặc biệt là trong ruột non. Một số trong số chúng được biểu hiện bởi các sinh vật gây bệnh tiết ra trong một bệnh truyền nhiễm. Lipase được coi là nhóm chính của các enzym có giá trị công nghệ sinh học, chủ yếu là do tính linh hoạt của các đặc tính ứng dụng của chúng và dễ sản xuất hàng loạt.
Ứng dụng Lipase
Các enzym này tham gia vào nhiều quá trình sinh học khác nhau, từ chuyển hóa chất béo trung tính thông thường trong chế độ ăn uống đến tín hiệu và viêm tế bào. Một số hoạt động của lipase bị hạn chế ở một số ngăn nhất định trong tế bào, trong khi những hoạt động khác hoạt động ở không gian ngoại bào:
- Lipid tuyến tụy được tiết ra không gian ngoại bào, nơi chúng dùng để chuyển hóa lipid trong chế độ ăn thành các dạng đơn giản hơn và được vận chuyển khắp cơ thể.
- Tạo điều kiện thuận lợi cho việc hấp thụ các chất dinh dưỡng từ môi trường.
- Tăng hoạt động lipase thay thếchất xúc tác thông thường trong chế biến dầu diesel sinh học.
- Được sử dụng trong các ứng dụng như nướng bánh, giặt tẩy, làm chất xúc tác sinh học.
- Trong ngành dệt may, nó được sử dụng để tăng độ thấm hút của vải và độ đều màu khi nhuộm.
- Để thay đổi hương vị thực phẩm bằng cách tổng hợp các este của axit béo chuỗi ngắn và rượu.
- Sự hiện diện hoặc mức độ cao của lipase có thể chỉ ra một bệnh nhiễm trùng hoặc bệnh cụ thể và có thể được sử dụng như một công cụ chẩn đoán.
- Có tác dụng diệt khuẩn. Có thể được sử dụng trong điều trị các khối u ác tính.
- Có giá trị thương mại lớn trong mỹ phẩm và dược phẩm (sản phẩm chăm sóc da, uốn tóc).
