Câu hỏi mở đầu: So với việc sử dụng chất xúc tác hoá học và các tác nhân vật lí, việc sử dụng enzyme trong các quy trình sản xuất và đời sống làm giảm chất thải gây ô nhiễm môi trường, giúp chúng ta "sống xanh” hơn (hình 10.1).
- Liệu chúng ta có thể "sống xanh" hơn nữa bằng cách
giảm sử dụng, sử dụng lại hoặc tái chế enzyme để giảm thiểu việc tiêu tốn năng
lượng, phát thải khí CO2, nước thải và các phế phụ phẩm cần được xử lí trong
quy trình sản xuất enzyme không?
Trả lời:
- Chúng ta có thể "sống xanh" hơn nữa bằng cách giảm sử dụng, sử dụng lại hoặc tái chế enzyme để giảm thiểu việc tiêu tốn năng lượng, phát thải khí CO2, nước thải và các phế phụ phẩm cần được xử lí trong quy trình sản xuất enzyme.
I. Ứng dụng enzyme
Câu hỏi 1: Khi nào
enzyme được dùng ở dạng tự do, cố định hay trong tế bào?
Trả lời:
- Enzyme thường được dùng ở dạng tự do khi cơ chất là các chất
không tan như cellulose, tinh bột, các chế phẩm và phụ phẩm dạng rắn trong công
nghiệp chế biến,…
- Enzyme thường được dùng ở dạng cố định khi muốn tái sử dụng
enzyme nhiều lần và cơ chất ở dạng hòa tan.
- Enzyme thường được dùng ở dạng trong tế bào khi sản phẩm
chuyển hóa đòi hỏi sự xúc tác của enzyme có gắn với coenzyme hoặc của phức hệ
nhiều enzyme phức tạp trong tế bào, đòi hỏi năng lượng ATP.
Câu hỏi 2: Nêu các ưu điểm, nhược điểm của chế phẩm
enzyme tự do.
Trả lời:
- Ưu điểm: Khi hoạt động enzyme tự do tiếp xúc với cơ chất,
không bị giới hạn về không gian, do đó chúng thể hiện được đầy đủ hoạt tính của
mình.
- Nhược điểm: Dễ bị biến tính bởi các điều kiện môi trường (nhiệt độ, pH, các chất ức chế, ...).
Câu hỏi 3: Người ta có
thể tái sử dụng enzyme bằng những cách nào?
Trả lời:
- Người ta có thể tái sử dụng enzyme bằng cách cố định enzyme.
Enzyme có thể được cố định trong các hạt vi nang hoặc được hấp phụ, gắn trên
các giá thể bằng các liên kết khác nhau, nhờ đó, enzyme vẫn giữ được hoạt tính
xúc tác nhưng thường không hòa tan vào dung dịch có chứa cơ chất giúp enzyme được
tái sử dụng nhiều lần.
Luyện tập 1: Quan sát hình 10.2 và cho biết kĩ thuật cố
định enzyme từ (a) đến (e) thuộc loại nào sau đây?
(1) Cố định trong vi nang.
(2) Hấp phụ trên giá thể.
(3) Gắn trên giá thể bằng các liên kết khác nhau.
Trả lời:
a) - (1) Cố định trong vi nang.
b) - (2) Hấp phụ trên giá thể.
c), d), e) - (3) Gắn trên giá thể bằng các liên kết khác nhau.
Câu hỏi 4: Quan sát hình 10.3 và cho biết cơ chất A được chuyển hóa thành sản phẩm B nhờ những enzyme nào trong tế bào? Các enzyme đó cần hỗ trợ gì từ tế bào?
Trả lời:
- Cơ chất A được chuyển hóa thành sản phẩm B nhờ các
enzyme-1, enzyme-2 và enzyme-3 trong tế bào.
- Sự hỗ trợ từ tế bào đối với hoạt động của enzyme: Sự hoạt
động của enzyme-2 cần có các tiền chất hoặc coenzyme từ chu trình trao đổi chất
của tế bào.
Luyện tập 2: Nêu các ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật sử
dụng enzyme trong tế bào so với sử dụng enzyme tự do.
Trả lời:
- Ưu điểm: giảm chi phí tinh sạch enzyme, giảm thiểu sự biến
tính của enzyme do các tác động từ môi trường.
- Hạn chế: cơ chất cần phải đi qua màng tế bào để vào trong tế bào, sản phẩm cần phải đi qua màng tế bào để ra ngoài môi trường dẫn đến tốc độ phản ứng enzyme bị chậm lại. Việc duy trì sinh trưởng của tế bào cũng gặp khó khăn đối với các vi sinh vật sống ở điều kiện khắc nghiệt.
Vận dụng 1: Nêu tên một
số chế phẩm enzyme được dùng trong công nghiệp chế biến thực phẩm mà em biết.
Trả lời:
Một số chế phẩm enzyme được dùng trong công nghiệp chế biến
thực phẩm:
- Chế phẩm enzyme alpha – amylase từ Bacillius
stearothermophilus được sử dụng để thủy phân tinh bột ăn để sản xuất
maltodextrin và chất ngọt carbohydrate dinh dưỡng.
- Chế phẩm enzyme urease từ Lactobacillus fermentum được
sử dụng để sản xuất rượu vang.
- Chế phẩm protease được sử dụng để giảm thời gian trộn, giảm
độ đặc và tạo độ đồng đều của bột, điều chỉnh độ bền gluten trong bánh mì và cải
thiện kết cấu, hương vị trong các loại bánh mì, thực phẩm nướng, bánh quy giòn
và bánh quế.
- Chế phẩm enzyme lipase từ Rhizopus niveus được
sử dụng để cải thiện hương vị, cấu trúc và độ mềm đặc trưng của phô mai.
- Chế phẩm protein thực vật như bromelain, ficin và papain
được dùng để sản xuất bia.
Câu hỏi 5: Quan sát hình 10.4 và cho biết các enzyme được sử dụng trong quy trình sản xuất syrup HFCS thực hiện xúc tác các phản ứng nào trong quy trình đó.
Trả lời:
- Nhóm enzyme amylase xúc tác trong quá trình dịch hóa và đường
hóa thành glucose.
- Enzyme glucose isomerase xúc tác trong quá trình đồng phân hóa để chuyển hóa glucose thành fructose.
Câu hỏi 6: Đọc bảng 10.1 và cho biết enzyme được dùng trong các ứng dụng nào của ngành y dược.
Trả lời:
Enzyme được dùng trong các ứng dụng của ngành y dược với những
vai trò như:
- Dùng để sản xuất thuốc. Ví dụ: penicillin acylase dùng để
sản xuất 6-amino penicillanic acid.
- Dùng để làm chất chỉ thị, chẩn đoán bệnh. Ví dụ: Creatine
kinase dùng để chẩn đoán cơn đau tim,…
- Dùng để hỗ trợ tăng hiệu quả của thuốc. Ví dụ: Hyaluronidase
được tăng tính dẫn thuốc, làm thuốc hấp thụ sâu vào mô cơ thể,…
- Dùng để làm thuốc trị liệu. Ví dụ: Trypsin được sử dụng để
chống viêm, chống phù nề, sưng tấy,…
Luyện tập 3: Trong quy trình tạo dòng DNA tái tổ hợp (hình 9.3, bài 9), enzyme được dùng trong những bước nào? Chúng là những enzyme nào? Nêu vai trò xúc tác của các enzyme đó.
Trả lời:
- Sử dụng các lysozyme, cellulase, protease nhằm phá vỡ thành,
màng tế bào để thu vật liệu di truyền.
- Sử dụng các enzyme cắt giới hạn để cắt DNA.
- Sử dụng các DNA polymerase để nhân đoạn DNA trong PCR.
- Sử dụng ligase để nối các đoạn DNA.
- Sử dụng β-galactosidase trong sàng lọc các dòng tế bào mang vector tái tổ hợp.
II. Triển vọng của công nghệ enzyme
Câu hỏi 7: Theo em, ngành
công nghệ enzyme trong tương lai sẽ tập trung vào các lĩnh vực nào?
Trả lời:
Ngành công nghệ enzyme trong tương lai sẽ tập trung vào các
lĩnh vực như:
- Sử dụng công nghệ gene để cải biến các đặc tính của các
enzyme cho phù hợp với các ứng dụng các nhau, nâng cao hiệu quả xúc tác của
enzyme.
- Tìm kiếm các enzyme mới từ các vi sinh vật sống trong điều
kiện khắc nghiệt nhờ công nghệ phân tích hệ gene.
- Phát triển kĩ thuật mới trong ứng dụng các loại chế phẩm enzyme nhằm loại bỏ các hạn chế của các loại chế phẩm enzyme hiện nay (enzyme tự do, enzyme cố định và enzyme trong tế bào).