Luận văn thạc sĩ công nghệ sinh học tạo chế phẩm lactase cố định trên phức chất mang cmc alginate để thăm dò ứng dụng tạo sản phẩm sữa nghèo lactose

Luận văn về công nghệ sinh học: Nghiên cứu tạo chế phẩm lactase cố định từ CMC-Alginate. Ứng dụng tiềm năng trong sản xuất sữa ít lactose.

• Tác giả: Mai Thanh Truyền
• Người hướng dẫn: Pgs. Nguyễn Thúy Hương
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Tạo Chế Phẩm Lactase Cố Định Trên Phức Chất Mang CMC-Alginate Để Thăm Dò Ứng Dụng Tạo Sản Phẩm Sữa Nghèo Lactose
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Chế Phẩm Lactase Cố Định

Ngày nay, sữa và các sản phẩm từ sữa đóng vai trò quan trọng trong chế độ dinh dưỡng hàng ngày. Sữa cung cấp nhiều dưỡng chất thiết yếu như khoáng chất (Ca, Mg, Zn), vitamin (A, B1, B2) và năng lượng. Tuy nhiên, nhiều người gặp phải vấn đề không dung nạp Lactose, do thiếu enzyme Lactase trong hệ tiêu hóa. Giải pháp hiệu quả là sử dụng Lactase để thủy phân Lactose thành các đường đơn dễ tiêu hóa hơn. Lactase được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm dưới hai dạng chính: tự do và cố định. Công nghệ cố định Enzyme đang ngày càng phát triển, với xu hướng sử dụng enzyme cố định để khắc phục những nhược điểm của enzyme tự do. Nghiên cứu này tập trung vào việc cố định Lactase trên chất mang Alginate/Carboxymethyl Cellulose (A/C) và khám phá khả năng ứng dụng để tạo ra sản phẩm sữa ít Lactose, đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng không dung nạp Lactose. Nghiên cứu này mang ý nghĩa quan trọng trong việc đa dạng hóa sản phẩm sữa, góp phần nâng cao sức khỏe cộng đồng.

1.1. Giới Thiệu Chi Tiết Về Enzyme Lactase Cố Định

Enzyme Lactase, với mã số EC.23, là một enzyme thủy phân đường Lactose thành glucose và galactose. Ứng dụng Lactase trong việc thủy phân Lactose trong sữa và whey hứa hẹn nhiều tiềm năng cho ngành công nghiệp thực phẩm. Lactase có thể được sử dụng ở dạng hòa tan hoặc cố định, trong đó dạng cố định mang lại lợi thế lớn hơn nhờ khả năng sử dụng liên tục và gián đoạn. Công nghệ cố định Enzyme giúp nâng cao hiệu quả và tính kinh tế của quá trình thủy phân Lactose, mở ra cơ hội phát triển các sản phẩm sữa ít Lactose chất lượng cao.

1.2. Tình Hình Nghiên Cứu và Ứng Dụng Sữa Ít Lactose

Tỷ lệ không dung nạp Lactose khác nhau giữa các khu vực trên thế giới, dao động từ 5% đến gần 100%. Ước tính khoảng 75% người trưởng thành có dấu hiệu giảm hoạt động của Lactase. Trên thị trường quốc tế, đã có nhiều sản phẩm sữa được thủy phân Lactose (sữa nghèo Lactose), nhưng tại Việt Nam, các sản phẩm này chủ yếu là nhập khẩu và có giá thành cao. Do đó, nghiên cứu chế phẩm Lactase cố định mở ra tiềm năng sản xuất sữa ít Lactose trong nước, giúp người tiêu dùng dễ dàng tiếp cận sản phẩm và cải thiện sức khỏe.

II. Vấn Đề Không Dung Nạp Lactose Giải Pháp Chế Phẩm

Vấn đề không dung nạp Lactose là một thách thức lớn đối với nhiều người tiêu dùng trên toàn thế giới. Khi thiếu enzyme Lactase trong ruột non, Lactose không được hấp thụ và bị chuyển hóa bởi vi khuẩn đường ruột, gây ra các triệu chứng khó chịu như tiêu chảy, đau bụng và đầy hơi. Điều này hạn chế khả năng tiêu thụ sữa và các sản phẩm từ sữa của nhiều người. Để giải quyết vấn đề này, việc sử dụng chế phẩm Lactase để thủy phân Lactose trước khi tiêu thụ là một giải pháp hiệu quả. Chế phẩm Lactase giúp chuyển đổi Lactose thành các đường đơn dễ hấp thụ, giảm thiểu các triệu chứng không dung nạp Lactose và cho phép người tiêu dùng tận hưởng lợi ích dinh dưỡng từ sữa.

2.1. Nguyên Nhân và Triệu Chứng Của Không Dung Nạp Lactose

Không dung nạp Lactose xảy ra khi cơ thể không sản xuất đủ enzyme Lactase để thủy phân Lactose, một loại đường có trong sữa và các sản phẩm từ sữa. Các triệu chứng phổ biến bao gồm đầy hơi, chướng bụng, tiêu chảy, đau bụng và buồn nôn sau khi tiêu thụ các sản phẩm chứa Lactose. Mức độ nghiêm trọng của các triệu chứng có thể khác nhau tùy thuộc vào lượng Lactose tiêu thụ và lượng enzyme Lactase mà cơ thể sản xuất.

2.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng Chế Phẩm Lactase Cho Người Bệnh

Sử dụng chế phẩm Lactase mang lại nhiều lợi ích cho người không dung nạp Lactose. Chế phẩm này giúp thủy phân Lactose trong thực phẩm, làm giảm các triệu chứng khó chịu sau khi ăn sữa và các sản phẩm từ sữa. Chế phẩm Lactase có thể được sử dụng dưới dạng viên nang, giọt hoặc được thêm trực tiếp vào thực phẩm. Nó cho phép người không dung nạp Lactose có thể tiếp tục tiêu thụ các sản phẩm từ sữa mà không gặp phải các triệu chứng tiêu hóa khó chịu, đồng thời vẫn nhận được các chất dinh dưỡng quan trọng có trong sữa.

III. Hướng Dẫn Cố Định Enzyme Lactase Bằng CMC Alginate Hiệu Quả

Quá trình cố định Lactase trên phức chất mang CMC-Alginate là một kỹ thuật tiên tiến nhằm nâng cao hiệu quả và tính ổn định của enzyme. Phương pháp này kết hợp những ưu điểm của cả CMC và Alginate, tạo ra một chất mang có khả năng bảo vệ enzyme khỏi các tác động bên ngoài và duy trì hoạt tính xúc tác. Alginate tạo cấu trúc gel ổn định, trong khi Carboxymethyl cellulose (CMC) tăng cường khả năng liên kết của enzyme với chất mang. Quá trình cố định Lactase bao gồm các bước: chuẩn bị dung dịch CMC-Alginate, trộn enzyme vào dung dịch, tạo hạt bằng cách nhỏ dung dịch vào dung dịch CaCl2, sau đó sấy khô hạt để thu được chế phẩm Lactase cố định.

3.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của Phương Pháp Cố Định CMC Alginate

Phương pháp cố định Lactase bằng CMC-Alginate sở hữu nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác. Thứ nhất, nó tăng cường độ ổn định của enzyme, bảo vệ enzyme khỏi các tác động của nhiệt độ và pH. Thứ hai, nó cho phép tái sử dụng enzyme nhiều lần, giảm chi phí sản xuất. Thứ ba, nó tạo ra một chế phẩm Lactase có hoạt tính cao và dễ dàng sử dụng trong quy trình sản xuất sữa ít Lactose. Cuối cùng, CMC và Alginate đều là những vật liệu an toàn và thân thiện với môi trường.

3.2. Chi Tiết Quy Trình Cố Định Lactase Trên CMC Alginate

Quy trình cố định Lactase trên CMC-Alginate bao gồm các bước sau: 1) Chuẩn bị dung dịch CMC và Alginate với nồng độ thích hợp. 2) Trộn đều dung dịch Enzyme Lactase vào dung dịch CMC-Alginate. 3) Nhỏ giọt hỗn hợp vào dung dịch CaCl2 để tạo thành các hạt gel. 4) Rửa sạch các hạt gel bằng nước cất. 5) Sấy khô các hạt gel để thu được chế phẩm Lactase cố định. Tối ưu hóa các thông số như nồng độ CMC-Alginate, tỷ lệ enzyme, nhiệt độ và thời gian phản ứng là rất quan trọng để đạt được hiệu quả cố định cao nhất.

IV. Bí Quyết Tối Ưu Hóa Quá Trình Thủy Phân Lactose Trong Sữa

Quá trình thủy phân Lactose trong sữa bằng chế phẩm Lactase cố định là một bước quan trọng để sản xuất sữa ít Lactose. Để đạt được hiệu quả thủy phân cao nhất, cần tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme, bao gồm: nhiệt độ, pH, thời gian phản ứng và nồng độ enzyme. Hiệu quả thủy phân Lactose được đánh giá bằng cách đo lượng Lactose còn lại trong sữa sau quá trình phản ứng. Việc kiểm soát chặt chẽ các thông số này giúp đảm bảo chất lượng sữa ít Lactose và đáp ứng yêu cầu của thị trường.

4.1. Ảnh Hưởng Của pH Và Nhiệt Độ Đến Hoạt Tính Lactase

pH và nhiệt độ là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính của Enzyme Lactase. Mỗi enzyme có một khoảng pH và nhiệt độ tối ưu để hoạt động hiệu quả nhất. Thông thường, Lactase hoạt động tốt nhất trong khoảng pH trung tính đến hơi kiềm (pH 6.5-7.5) và ở nhiệt độ từ 40-55°C. Việc duy trì pH và nhiệt độ trong khoảng tối ưu này giúp đảm bảo Hiệu quả thủy phân Lactose cao nhất. Nếu pH hoặc nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, hoạt tính của enzyme sẽ giảm đáng kể, dẫn đến quá trình thủy phân không hiệu quả.

4.2. Cách Xác Định Thời Gian Phản Ứng Tối Ưu Cho Thủy Phân

Thời gian phản ứng là yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến Hiệu quả thủy phân Lactose. Thời gian phản ứng cần phải đủ dài để enzyme có đủ thời gian thủy phân Lactose thành glucose và galactose. Tuy nhiên, nếu thời gian phản ứng quá dài, enzyme có thể bị mất hoạt tính, dẫn đến giảm hiệu quả. Để xác định thời gian phản ứng tối ưu, cần tiến hành thí nghiệm với các thời gian phản ứng khác nhau và đo lượng Lactose còn lại trong sữa sau mỗi khoảng thời gian. Thời gian phản ứng tối ưu là thời gian mà lượng Lactose giảm đến mức thấp nhất.

V. Ứng Dụng Chế Phẩm Lactase Cố Định Để Sản Xuất Sữa Ít

Ứng dụng Lactase cố định trong sản xuất sữa ít Lactose mang lại nhiều lợi ích so với việc sử dụng enzyme tự do. Lactase cố định có thể được tái sử dụng nhiều lần, giảm chi phí sản xuất và tăng tính ổn định của quy trình. Quy trình sản xuất sữa ít Lactose sử dụng chế phẩm Lactase cố định bao gồm các bước: chuẩn bị sữa, bổ sung chế phẩm Lactase cố định, ủ trong điều kiện thích hợp, kiểm tra hàm lượng Lactose và đóng gói sản phẩm. Sữa ít Lactose được sản xuất theo quy trình này đảm bảo an toàn và đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng không dung nạp Lactose.

5.1. Các Bước Chi Tiết Trong Quy Trình Sản Xuất Sữa Ít Lactose

Quy trình sản xuất sữa ít Lactose sử dụng chế phẩm Lactase cố định bao gồm các bước sau: 1) Chuẩn bị sữa tươi và thanh trùng để loại bỏ vi sinh vật gây hại. 2) Làm nguội sữa đến nhiệt độ thích hợp (thường là 40-50°C). 3) Bổ sung chế phẩm Lactase cố định vào sữa. 4) Ủ sữa trong thời gian thích hợp (thường là vài giờ) để enzyme thủy phân Lactose. 5) Kiểm tra hàm lượng Lactose trong sữa để đảm bảo đạt tiêu chuẩn. 6) Đóng gói sữa ít Lactose và bảo quản trong điều kiện lạnh.

5.2. Kiểm Soát Chất Lượng Sữa Ít Lactose Sau Thủy Phân

Kiểm soát chất lượng sữa ít Lactose sau quá trình thủy phân là rất quan trọng để đảm bảo sản phẩm an toàn và đáp ứng yêu cầu của người tiêu dùng. Các chỉ tiêu cần kiểm tra bao gồm: hàm lượng Lactose, pH, độ axit, hàm lượng protein, hàm lượng chất béo và vi sinh vật. Hàm lượng Lactose phải nằm trong giới hạn cho phép để đảm bảo sản phẩm phù hợp cho người không dung nạp Lactose. Các chỉ tiêu khác cần đáp ứng tiêu chuẩn của sữa thông thường.

VI. Kết Luận Triển Vọng Phát Triển Chế Phẩm Lactase Cố Định

Nghiên cứu chế phẩm Lactase cố định CMC-Alginate đã mở ra nhiều tiềm năng trong sản xuất sữa ít Lactose. Phương pháp này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả thủy phân Lactose mà còn giảm chi phí sản xuất và tăng tính ổn định của sản phẩm. Thị trường sữa ít Lactose đang ngày càng phát triển, đặc biệt là ở các quốc gia có tỷ lệ không dung nạp Lactose cao. Việc ứng dụng công nghệ cố định Enzyme trong sản xuất sữa mang lại nhiều lợi ích cho cả nhà sản xuất và người tiêu dùng.

6.1. Đánh Giá Ưu Điểm Và Hạn Chế Của Nghiên Cứu Hiện Tại

Nghiên cứu chế phẩm Lactase cố định CMC-Alginate đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả của phương pháp này trong việc sản xuất sữa ít Lactose. Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn còn một số hạn chế cần được khắc phục trong tương lai, chẳng hạn như tối ưu hóa quy trình cố định Enzyme, tăng độ bền của chế phẩm Lactase và giảm chi phí sản xuất. Cần có thêm các nghiên cứu về tối ưu hóa quá trình và độ ổn định của Enzyme để có thể mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng và Phát Triển Sữa Ít Lactose

Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc sử dụng các vật liệu mang khác nhau để cố định Lactase, cải thiện quy trình thủy phân Lactose, phát triển các sản phẩm sữa ít Lactose có giá trị dinh dưỡng cao hơn và tìm kiếm các nguồn enzyme Lactase mới. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các ứng dụng khác của Lactase cố định trong ngành thực phẩm, chẳng hạn như sản xuất các sản phẩm từ whey. Phát triển các sản phẩm sữa ít Lactose bổ sung thêm các vitamin và khoáng chất, hoặc kết hợp với các loại trái cây và ngũ cốc, hứa hẹn sẽ là một xu hướng đầy tiềm năng trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ngày nay, chúng ta rất quen thuộc với nhiều loại sản phẩm làm từ sữa như: sữa chua, sữa đặc, sữa nước, sữa bột, bơ, pho mát. Không ai có thể phủ nhận một thực tế rằng, bản chất của sữa là một nguồn dinh dưỡng dồi dào, đáp ứng tốt nhu cầu dinh dưỡng của con người và đặc biệt rất thơm ngon. Sữa là nguồn cung cấp các yếu tố thiết yếu cho sinh trưởng và phát triển của con người. Mỗi người chúng ta ngay từ lúc sinh ra đều cần đến sữa để bắt đầu sự sống.

Tất cả chúng ta đều biết rằng bò sữa có thể sản xuất ra sữa phục vụ nhu cầu của con người. Sữa rất giàu năng lượng, đạm, khoáng và các loại vitamin. Các nhà khoa học còn chỉ ra rằng trong sữa có đến hơn 100 loại thành phần khác nhau [68]. Khi thủy phân lactose tạo thành 2 đường đơn glucose và galactose.

Enzyme thủy phân lactose là β- galactosidase (EC.23), thường được gọi là lactase. Ngày nay, sữa bò và các sản phẩm khác từ sữa được xem là thực phẩm thường nhật của con người. Vì thế, lactose là nguồn cung cấp lượng carbohydrate đáng kể hàng ngày của chúng ta. Nhưng lactose trong sữa và các sản phẩm từ sữa lại ảnh hưởng đến sự tiêu hóa.

Không dung nạp lactose do thiếu enzyme lactase trong niêm mạc ruột non là vấn đề của hơn 70% dân số trên thế giới. Lượng lactose không hấp thu trong ruột bị chuyển hóa bởi các quần thể vi khuẩn ở ruột dẫn đến tiêu chảy, đau bụng, đầy hơi và khó chịu. Vấn đề này có thể được giải quyết nếu lactose trong sản phẩm sữa được thủy phân thành các dạng đường đơn dễ hấp thu. Sử dụng lactase ngoại bào thủy phân lactose sẽ giải quyết triệt để vấn đề này.

Lactase có thể được sử dụng ở dạng hòa tan, cố định. Nhưng với sự phát triển của công nghệ enzyme cố định mang lại rất nhiều ưu điểm trong quá trình thủy phân lactose [58]. Tỷ lệ không dung nạp lactose khác nhau ở các khu vực trên thế giới từ 5% đến gần như 100%. Ước tính có khoảng 75% người 1 trưởng thành có hiện tượng giảm hoạt động của lactase trong giai đoạn trưởng thành.

Tỷ lệ giảm hoạt động của lactase từ 5% ở Bắc Âu, lên 71% ở Nam Âu, và lên tới 90% ở các nước Châu Phi và Châu Á [51]. Hiện nay, thế giới có rất nhiều sản phẩm sữa đã thủy phân lactose hay còn gọi sữa nghèo lactose (lactose-reduced milk), nhưng tại Việt Nam, các công ty sữa vẫn chưa sản xuất được sản phẩm này, tất cả sản phẩm đều nhập ngoại nên giá thành rất cao. Vì thế, chúng tôi tiến hành nghiên cứu “Tạo chế phẩm lactase cố định trên phức chất mang CMC-Alginate để thăm dò ứng dụng tạo sản phẩm sữa nghèo lactose”. Với mục tiêu, thử nghiệm tạo sản phẩm sữa nghèo lactose tại Việt Nam.

Căn cứ trên mục tiêu này, chúng tôi tiến hành khảo sát ba nội dung: - Khảo sát kỹ thuật và tối ưu quá trình cố định lactase. - Khảo sát động học lactase cố định và lactase tự do. - Thử nghiệm tạo sản phẩm sữa nghèo lactose bằng lactase cố định. Luận điểm mới của đề tài thể hiện ở hai khía cạnh: - Tạo chế phẩm lactase cố định.

- Góp phần giải quyết được vấn đề không dung nạp lactose của đa số dân số. Khai thác tiềm năng thị trường sữa tại Việt Nam. * Quy mô nghiên cứu: quy mô phòng thí nghiệm. Giới thiệu enzyme lactase Lactase có mã số phân loại EC.23, là một enzyme thủy phân đường lactose thành các monomer là glucose và galactose.

Việc sử dụng β-galactosidase để thủy phân lactose trong sữa và dịch whey là một trong những ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp chế biến thực phẩm và các sản phẩm từ sữa. Enzyme này có thể được sử dụng dưới dạng hòa tan hoặc dạng cố định nhưng dạng hòa tan chỉ có thể sử dụng trong qui trình sản xuất gián đoạn, còn dạng cố định có lợi thế hơn là có thể sử dụng tốt cho cả hai qui trình sản xuất gián đoạn và liên tục. Mặc dù hầu hết các ngành công nghiệp vẫn thủy phân lactose với enzyme tự do, nhưng việc sử dụng enzyme β-galactosidase cố định là một lĩnh vực đáng quan tâm vì những tiềm năng của nó. Lactase là một trong những enzyme được nghiên cứu ở dạng tự do và cố định trên quy mô lớn.

Enzyme này có rất nhiều ứng dụng, nhưng do giá thành cao nên người ta khuyến khích sử dụng enzyme này dưới dạng cố định. Lactase cố định rất quan trọng chủ yếu trong việc xử lí huyết thanh sữa, khi đó chất béo và protein trong nhũ tương sữa có xu hướng bám lên bề mặt chất xúc tác sinh học. Điều này sẽ làm giảm hoạt tính của enzyme và làm tăng sự ngoại nhiễm vi sinh vật [49]. Cấu trúc β-galactosidase của Penicillum sp.

Nguồn thu nhận enzyme β-galactosidase Enzyme β-galactosidase có thể được thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau như vi sinh vật, thực vật và động vật. Tuy nhiên, tính chất của enzyme được thu nhận từ các nguồn khác nhau có sự khác nhau rõ rệt. Enzyme thu nhận từ nguồn thực vật và động vật có giá trị kinh tế thấp, nhưng thu nhận từ nguồn vi sinh vật lại có nhiều ưu thế như dễ dàng xử lí thu nhận, tốc độ nhân giống vi sinh vật cao, năng suất thu nhận sản phẩm cao. Một số vi sinh vật được xem là nguồn thu nhận tiềm năng của loại enzyme này.

Bacillus licheniformis [65] 4 Bảng 1. Nguồn vi sinh vật thu nhận β-galactosidase Nguồn Vi sinh vật Alicyclobacillus acidocaldarius subsp. rittmannii Arthrobacter sp. stearothermophilus Bacteriodes polypragmatus Bifidobacterium bifidum, B.

infantis Clostridium acetobutylicum, C. thermosulfurogens Corynebacterium murisepticum Enterobacter agglomerans, E. cloaceae Escherichia coli Klebsiella pneumoniae Lactobacillus acidophilus, L. Vi khuẩn delbrueckii Leuconostoc citrovorum Pediococcus acidilacti, P.

pento Propioionibacterium shermanii Pseudomonas fluorescens Pseudoalteromonas haloplanktis Streptococcus cremoris, S. thermophius Sulfolobus solfatarius Thermoanaerobacter sp. aquaticus Trichoderma reesei Vibrio cholera Xanthomonas campestris Alternaria alternate, A. palmi Aspergillus foelidis, A.

Oryzae Auerobasidium pullulans Curvularia inaequalis Fusarium monilliforme, F. oxysporum Nấm Mucor meihei, M. pusillus Neurospora crassa Penicillum canescens, P. expansum Saccharopolyspora rectivergula Scopulariapsis sp Streptomyces violaceus Bullera singularis Candida pseudotropicalis Nấm men Saccharomyces anamensis, S.

fragilis Kluyveromyces bulgaricus, K. Tính chất của β-galactosidase của nấm mốc, nấm men, vi khuẩn Cơ chất lactose Chất Nguồn gốc 0 Km Chất ức chế pHopt T opt M, kD hoạt hóa (mM) Nấm mốc Aspergillus niger 3,5 58 85 124 - - Aspergillus oryzae 5,0 55 50 90 - - Nấm men Kluyveromyces lactis 6,5 37 35 115 K+, Mg2+ Ca2+, Na+, Zn, Cu Kluyveromyces fragilis 6,6 30 0,23 – 200 - SDS 0,99 (ONPG) Sterigmatomyces 6,0 60 - - Fe2+, - elviae CBS8119 Ca2+, Cu2+, Zn2+ Vi khuẩn Escherichia coli 7,2 40 2 540 Na+, K+ - Bacillus subtilis 6,5 50 700 - - - Bacillus 6,2 55 2 220 Mg2+ - stearothermophilus Lactobacillus 6,2 55 6 540 - - thermophilus Lactobacillus reuteri 8,0 45 13 35 Na+, K+, Fe2+, Ca2+, L103 Mn2+ Cu2+, Zn2+ Lactobacillus reuteri 6,5 50 31 72 Na+, K+, Fe2+, Ca2+, L461 Mn2+ Cu2+, Zn2+ Bullera singularis 5,0 50 580 53 - Ag3+, SDS KCTC 7534 Bacillus 7,0 70 2,96 70 - Fe2+, Zn2+, stearothermophilus Cu2+, Pb2+, Sn2+ Bifidobacterium 4,8 45 800 362 EDTA Zn2+, Mn2+ bifidum Co2+, Ca2+, Sn2+ Bifidobacterium 5,0 60 2,6 470 Na+, K+ Cr3+, EDTAc, infantis urea, galactose PCMB Bacillus circulans 6,0 65 41,7 67 - - Bacillus coagulans 6,5 55 50 430 EDTA Fe , Cu2+, 3+ Zn2+, galactose kD = kiloDalton; oNPG = o-nitrophenyl β - D galactopyranoside; SDS = sodium dodecyl sulfate; EDTA = ethylene diamine tetraacetic acid; PCMB = p-chloromercuribenzoate [27]. Enzyme cố định 1. Định nghĩa enzyme cố định Enzyme cố định là enzyme được giới hạn hay khu biệt về mặt vật lý ở một vùng không gian nhất định nhưng vẫn giữ được hoạt tính xúc tác và có thể được tái sử dụng nhiều lần [37].

Các ưu điểm của enzyme cố định: - Khả năng tái sử dụng: enzyme cố định có thể được sử dụng lại nhiều lần, quá trình xúc tác có thể xảy ra liên tục và có thể được kiểm soát triệt để nên việc sử dụng enzyme cố định kinh tế hơn so với enzyme hòa tan. - Có các ứng dụng đa dạng với nhiều kiểu cố định khác nhau phù hợp cho từng ứng dụng đó. - Có thể bất hoạt nhanh enzyme khi cần. - Sản phẩm của quá trình chuyển hóa do enzyme cố định xúc tác có thể được tách ra dễ dàng trong khi vẫn giữ được các đặc tính của enzyme.

- Các đặc tính lý hóa có thể thay đổi đa dạng: Độ ổn định, pH tối ưu, khả năng chịu nhiệt và mức độ đặc hiệu có thể thay đổi tùy theo phương pháp cố định enzyme. Đặc biệt, có một số enzyme nhạy cảm với nhiệt trở nên bền nhiệt hơn khi gắn vào chất mang trơ về mặt hóa học. - Có thể được sử dụng như các mô hình của enzyme trong tự nhiên. Ví dụ như việc cố định nhiều loại enzyme trong một con đường chuyển hóa sinh hóa tự nhiên trong các cấu trúc lỗ nano có thể xúc tác in vitro cho một quá trình chuyển hóa phức tạp diễn ra theo nhiều bước [10,36].

Tuy nhiên theo Parmjit S. Pannesar và cộng sự (2010) vấn đề chính trong hệ thống cố định enzyme là sự nhiễm khuẩn, kết dính protein và phân dòng. Các vấn đề này có thể được khắc phục bằng phương pháp rửa định kỳ, thanh trùng pasteur và hướng dòng chảy của nguồn cung cấp. Vấn đề nhiễm khuẩn cũng có thể khắc phục bằng cách khai thác đặc tính nhiệt độ của enzyme.

Các enzyme ổn định nhiệt có khả năng duy trì hoạt tính của chúng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài và do có nhiệt độ hoạt động cao nên quá trình ít bị ảnh hưởng bởi sự nhiễm khuẩn. Các thông số quan trọng của một enzyme cố định cần đạt được: 7 - Năng suất của enzyme từ nguồn ban đầu. - Giá cả của chất mang hay các hóa chất cố định. - Hoạt tính của enzyme cố định.

- Độ bền của enzyme cố định. - Khả năng tái sử dụng chất mang [10]. Lịch sử phát triển của enzyme cố định Có thể chia lịch sử phát triển của enzyme cố định ra thành ba giai đoạn phát triển chính: - Giai đoạn 1: năm 1815, ứng dụng enzyme cố định trong các quá trình như sản xuất acid acetic, xử lý nước thải. - Giai đoạn 2: thập niên 1960, cố định đơn enzyme để sản xuất L-amino acid, đồng phân hóa glucose.

- Giai đoạn 3: từ 1985 – 1995, cố định đa enzyme bao gồm tái sinh co-factor và cố định tế bào [21]. Trong đó, nổi bật lên một số nghiên cứu: Năm 1916, Nelson và Griffin quan sát và cho thấy rằng enzyme invertase (EC.6) của nấm men khi hấp thụ vào than có khả năng thủy phân đường saccharose.