Tài liệu 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. ENZYME 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). 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 CO2, 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.