Enzyme Protease: Khái niệm, Cấu tạo, Phân loại và Ứng dụng

Enzyme Protease là enzyme được thu nhận từ rất nhiều nơi: từ động vật, thực vật cho tới vi sinh vật. Đặc biệt, enzyme protease được ứng dụng trong rất nhiều ngành nghề, một trong số đó là ứng dụng quan trọng trong công nghệ sản xuất nước mắm ngắn ngày.

Khái niệm: Enzyme Protease là gì?

Enzyme Protease là một loại enzyme có bản chất là protein được sinh vật tổng hợp nên, tham gia vào các phản ứng hóa sinh học. Enzyme Protease có những đặc tính:

Được tạo ra trong tế bào sinh vật, không độc hại, thân thiện với môi trường.
Tham gia phản ứng cả trong tế bào sống và cả khi được tách khỏi tế bào sống.
Có thể tham gia xúc tác các phản ứng trong và ngoài cơ thể từ giai đoạn đầu đến giai đoạn cuối giải phóng hoàn toàn năng lượng dự trữ trong các hợp chất hóa học. Trong chuỗi chuyển hóa hở hay chuỗi chuyển hóa khép kín, sản phẩm của phản ứng trước là cơ chất cho phản ứng sau.
Có thể được thực hiện một phản ứng: xảy ra ngoài tế bào (như trong ống nghiệm)
Phản ứng enzym tiêu hao năng lượng rất ít, hiệu suất và tốc độ cao
Có tính chọn lọc cao
Chịu sự điều khiển bởi gen và các điều kiện phản ứng.

Protease là chất xúc tác thủy phân protein tạo thành những phân tử thấp và các amino acid. Chúng không chỉ có ý nghĩa cho quá trình sinh trưởng, sinh sản của mọi sinh vật mà còn đóng vai trò rất quan trọng trong công nghệ chế biến thực phẩm, trong y học, trong công nghệ gen và bảo vệ môi trường.

Protease là một trong những enzyme được ứng dụng rất nhiều trong mọi lĩnh vực. Đặc biệt là công nghiệp thực phẩm, protease đã có những đóng góp rất to lớn trong việc phục vụ và nâng cao đời sống của con người. Hiện nay trên thế giới, công nghệ thu nhận protease từ vi sinh vật hiện còn đang phát triển, tìm tòi nghiên cứu về khả năng ứng dụng vô vàn của enzyme protease.

Ở Việt Nam cũng có nhiều công trình công bố về việc nghiên cứu sử dụng Protease, chủ yếu tập trung vào các protease thực vật và động vật còn protease vi sinh vật chỉ được nghiên cứu trong
hơn chục năm trở lại đây.

Cấu tạo

Ezyme protease là enzyme thủy phân các liên kết pectid (-CO-NH-) trong phân tử protein giải phóng các acid amin, pepton hoặc dittripepton.

Cấu trúc bậc bốn của phân tử protein ảnh hưởng đến quá trình phân giải cơ chất dưới tác dụng của các protease. Dạng monomer và dimer của cơ chất dễ phân giải hơn dạng tetramer.

Protease cần thiết cho các sinh vật sống, rất đa dạng về chức năng từ mức độ tế bào, cơ quan đến cơ thể nên được phân bố rất rộng rãi trên nhiều đối tượng từ vi sinh vật (vi khuẩn, nấm và virus) đến thực vật (đu đủ, dứa…) và động vật (gan, dạ dày bê…). So với protease động vật và thực vật, protease vi sinh vật có những đặc điểm khác biệt. Trước hết hệ protease vi sinh vật là một hệ thống rất phức tạp bao gồm nhiều enzyme rất giống nhau về cấu trúc, khối lượng và hình dạng phân tử nên rất khó tách ra dưới dạng tinh thể đồng nhất. Cũng do là phức hệ gồm nhiều enzyme khác nhau nên protease vi sinh vật thường có tính đặc hiệu rộng rãi cho sản phẩm thuỷ phân triệt để và đa dạng.

Phân loại

Protease (peptidase) thuộc phân lớp 4 của lớp thứ 3 (E.C.3.4)

Với enzym protease thì có nhiều cách phân loại nhưng ta chỉ dựa vào hai đặc điểm sau để phân loại chúng: Dựa vào vị trí tác dụng của protease lên các peptide trong phân tử protein, người ta chia protease làm 2 nhóm chính:

Exopeptidase: (Dựa vào vị trí tác động trên mạch polypeptid,) được phân thành 2 loại:

Amino peptidase: xúc tác thuỷ phân liên kết peptid ở đầu N tự do của chuỗi poly peptid để giải phóng ra một amino acid, một dipeptid hoặc một tripeptid.
Carboxy peptidase: xúc tác thuỷ phân liên kết peptid ở đầu C của chuỗi poly peptid và giải phóng ra một amino acid hoặc một đipepti.

Endo peptidase: (Dựa vào động lực học của cơ chế xúc tác) được chia thành 4 nhóm:

Serin proteinase: là những proteinase chứa nhóm –OH của gốc serine trong trung tâm hoạt động và có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hoạt động xúc tác của enzyme. Nhóm này bao gồm 2 nhóm nhỏ chymotripsin và subtilisin. Nhóm Chymotripsin: bao gồm các enzyme động vật như chymotripsin, tripsin, elastase. Nhóm subtilisin bao gồm 2 loại enzyme vi khuẩn như subtilisin carlsberg, subtilisin BPN. Các serine proteinase thường hoạt động mạnh ở vùng kiềm tính và thể hiện đặc hiệu cơ chất tương đối rộng.
Cyteim proteinase: các proteinase chứa nhóm –SH trong trung tâm hoạt động. Cystein protease bao gồm các proteinase thực vật như papayin, bromelin, một vài proteinase động vật và proteinase ký sinh trùng. Các Cystein proteinase thường hoạt động ở vùng PH trung tính, có tính đặc hiệu cơ chất rộng.
Aspatic proteinase: hầu hết các asportic proteinase thuộc nhóm pepsin. Nhóm pepsin bao gồm các enzyme tiêu hoá như: pepsin, chymosin, cathepsin, renin…. Các asportic proteinase có chứa nhóm carboxyl trong trung tâm hoạt động và thường hoạt động mạnh ở PH trung tính.
Metallo proteinase metallo proteinase: là nhóm proteinase được tìm thấy ở vi khuẩn, nấm mốc cũng như các vi sinh vật bậc cao hơn. Các metallo proteinase thường hoạt động ở vùng PH trung tính và giảm hoạt động mạnh dưới tác dụng của EDTA.

Dựa vào thành phần amimo acid và vùng pH tối ưu của protease, người ta chia làm các nhóm:

Protease acid: pepsin, renin, … hoạt động ở vùng pH acid 2-4.
Protease kiềm: tryssin, chymmotrysin, … hoạt động ở vùng pH kiềm 911.
Protease trung tính: như papain từ quả đu đủ, bromelain từ quả dứa, … hoạt động ở vùng pH trung tính 7-8

Ngoài ra có thể phân làm 2 loại khác:

Enzyme protease nội bào là những enzyme được tiết ra từ bên ngoài hoặc ngoại biên màng protein và được trích ly vào môi trường bằng kĩ thuật trích ly.
Enzyme protease ngoại bào được thu nhận từ quá trình lên men hoàn tất hoặc ngay quá trình lên men đang diễn ra.

Ứng dụng của Enzyme Protease trong thực phẩm

Chế biến thịt

Trong công nghiệp thịt, có thể dùng các chế phẩm protease để làm mềm thịt . Chế phẩm enzyme để làm mềm thịt thường là papain hay hỗn hợp của papain với protease của vi sinh vật . Tùy theo tính chất thịt mà sử dung các chế phẩm thích hợp. Về cơ bản, chúng có tác dụng:

Tăng chất lượng các loại thịt
Giảm thời gian chín của thịt xuống nhiều lần

Kỹ thuật làm mềm thịt không phức tạp lắm. Có thể :

Ngâm thịt trong phức hệ enzyme cần thiết ở pH, nhiệt đô, nồng độ thích hợp
Rải lên bề mặt thịt chất làm mềm dạng bột có chứa enzyme và chất phụ gia
Tiêm dung dịch enzyme vào mô
Đưa dung dịch enzyme vào máu động vật trước khi giết thịt

Công nghiệp chế biến sữa

Protease có khả năng làm đông tụ sữa. Tính chất này từ lâu được ứng dụng vào công nghiệp chế biến sữa, cụ thể ưng dụng trong sản xuất phomát . Rennin đóng vai trò quan trọng nhất trong công nghệ này , Người ta đang cố gắng tìm chủng vi sinh vật có tính chất tương tự hay thay thế một phần rennin

Công nghiệp sản xuất nước chấm

Sử dụng enzym từ các nguồn tự nhiên:

Động vật: trong nội tạng của gia súc có hiện diện nhiều enzym thủy phân protease như: pepsin, tripsin, cathepsin.
Thực vật: có một vài loại thực vật cũng có enzym protease như trong đu đủ có enzym papain, khóm có enzym bromelin
Vi sinh vật: trong quá trình hoạt động sống nhiều hệ enzym sinh ra từ nấm mốc Aspergillus oryzae, Asp. niger.

Phương pháp sử dụng :

Sử dụng dưới dạng thô: cho các nguyên liệu có enzym đó vào chượp với tỉ lệ nhất định.
Sử dụng dưới dạng chiết xuất: chiết enzym từ các nguyên liệu trên thành dạng tinh chế sau đó cho vào trong chượp