Ngoài phương pháp thu nhận từ động vật, enzyme protease còn có thể được sản xuất bằng công nghệ sản xuất enzyme protease từ chủng nấm mốc Aspergillus oryzae hoặc công nghệ sản xuất enzyme protease tái tổ hợp từ nấm mốc Aspergillus oryzae. Nhờ tốc độ sinh trưởng và sinh sản nhanh của vi sinh vật, những công nghệ này có thể tạo ra số lượng lượng enzyme protease trong thời gian ngắn nhưng vẫn giảm được chi phí sản xuất.

Vai trò của enzyme đối với cơ thể sống:

- Xúc tác các phản ứng hóa học: Enzyme làm tăng tốc độ phản ứng của cơ thể lên hàng triệu lần, nhờ đó, sự đồng hóa và dị hóa xảy ra một cách nhanh chóng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường của cơ thể. Nếu không có enzyme thì các phản ứng sẽ không xảy ra hoặc xảy ra vô cùng chậm dẫn đến các hoạt động sống không thể duy trì.

- Kiểm soát các phản ứng hóa học đặc biệt: Nhờ có tính đặc hiệu cao nên enzyme kiểm soát được các phản ứng hóa học đặc biệt và điều chỉnh tốc độ phản ứng tương ứng với điều kiện trao đổi chất của cơ thể.

Các đặc điểm của enzyme:

- Có hoạt tính mạnh: Ở điều kiện thích hợp, hầu hết các phản ứng có sự xúc tác của enzyme đều diễn ra với tốc độ nhanh. Ví dụ: 1 phân tử chymotrypsin có thể phân giải 102 phân tử protein trong 1 giây.

- Có tính đặc hiệu cao: Đa số enzyme có tính đặc hiệu tuyệt đối, chỉ xúc tác cho một cơ chất nhất định. Ví dụ: urease chỉ phân giải ure thành amoniac.

- Có sự phối hợp hoạt động giữa các enzyme: Trong tế bào, enzyme hoạt động theo kiểu dây chuyền, sản phẩm phản ứng của enzyme trước là cơ chất của enzyme sau. Ví dụ: trong hạt lúa mạch đang nảy mầm, amylase phân giải tinh bột thành maltose, sau đó maltase sẽ phân giải maltose thành glucose.

- Enzyme có sự định khu trong tế bào: Enzyme có thể ở dạng hòa tan trong tế bào chất hoặc được định khu trong các bào quan. Ví dụ: enzyme xúc tác cho phản ứng trong hô hấp tế bào định khu trong ti thể.

- Hầu hết các enzyme có nguồn gốc tự nhiên đều không độc.

- Enzyme chịu sự tác động của một số yếu tố: nhiệt độ, pH, áp suất,… Mỗi enzyme hoạt động tối ưu trong những điều kiện nhất định, ở những môi trường không thích hợp, enzyme sẽ mất hoạt tính.

Nếu quá trình sản xuất các enzyme bị rối loạn (các enzyme có thể không được tổng hợp hoặc được tổng hợp nhưng mất hoạt tính) sẽ làm cho các phản ứng sinh hóa trong tế bào diễn ra chậm hoặc không diễn ra dẫn đến sự rối loạn chuyển hóa các chất gây ra các bệnh lí hoặc tử vong.

Quy trình sản xuất công nghệ enzyme bao gồm 4 giai đoạn:

(1) Chọn nguồn nguyên liệu.

(2) Tách chiết enzyme.

(3) Tinh sạch enzyme.

(4) Tạo chế phẩm enzyme.

Lưu ý khi lựa chọn nguồn nguyên liệu để thu nhận enzyme: cần lựa chọn nguồn nguyên liệu có chứa một lượng lớn enzyme cũng như cho phép thu được enzyme với hiệu suất cao và dễ dàng tinh chế chúng. Điều này sẽ giúp quá trình sản xuất enzyme diễn ra dễ dàng và tiết kiệm chi phí.

- Khó khăn: Các phân tử enzyme có kích thước lớn nên không thể di chuyển qua màng của các bào quan, màng sinh chất và thành tế bào.

- Phương pháp khắc phục: Để thu nhận enzyme nội bào thì bước đầu tiên cần phải phá vỡ cấu trúc tế bào có chứa các enzyme.

Khi tách enzyme từ tế bào thực vật, nấm men và vi sinh vật người ta cần dùng các chất trợ nghiền vì tế bào thực vật, nấm men và vi sinh vật có thành tế bào bao bọc bên ngoài, còn tế bào động vật không có thành tế bào.

Lysozyme được dùng trong việc tách enzyme từ vi khuẩn vì lysozyme có tác dụng phá vỡ các liên kết glycosidic giữa các phân tử đường trong thành peptidoglycan của vi khuẩn, nhờ đó, phá vỡ thành tế bào vi khuẩn.

Để loại bỏ các chất khác ra khỏi enzyme, người ta dùng các biện pháp như:

- Để loại bỏ muối và các tạp chất có khối lượng phân tử thấp, người ta thường dùng các biện pháp thẩm tích.

- Để loại bỏ các protein tạp và các tạp chất có khối lượng phân tử cao khác, người ta thường dùng kết hợp nhiều biện pháp nhau: phương pháp biến tính chọn lọc nhờ tác dụng của nhiệt độ hoặc pH của môi trường, phương pháp kết tủa phân đoạn bằng muối trung tính hoặc các dung môi hữu cơ, các phương pháp sắc kí (sắc kí hấp phụ, sắc kí trao đổi ion, sắc kí loại trừ phân tử, sắc kí ái lực,…), điện di, phương pháp lọc gel.

Sau khi thu nhận được chế phẩm enzyme, để giữ được hoạt tính của enzyme trong suốt quá trình bảo quản và sử dụng, cần phải duy trì hình dạng của enzyme. Để làm được điều này, người ta có thể sử dụng các chất phụ gia, chỉnh sửa các liên kết cộng hóa trị hoặc cố định enzyme.

Việc giữ cấu trúc không gian của enzyme giúp enzyme giữ được hoạt tính xúc tác, đạt được mục tiêu bảo quản và sử dụng lâu dài. Bởi vậy, việc này có ý nghĩa quan trọng đối với sản xuất enzyme.

a) Các giai đoạn trong quy trình sản xuất enzyme tương ứng với giai đoạn trong hình 7.3:

b) So sánh enzyme sản xuất từ thực vật và enzyme sản xuất từ vi sinh vật:

- Giống nhau:

+ Đều trải qua 4 giai đoạn của quy trình sản xuất enzyme.

+ Các enzyme tạo ra đều có nguồn gốc tự nhiên.

- Khác nhau: Sản xuất enzyme từ vi sinh vật mang lại hiệu quả cao hơn, giá thành rẻ do vi sinh vật có khả năng sinh trưởng với tốc độ nhanh nên tiết kiệm được thời gian và chi phí sản xuất.

Quy trình sản xuất enzyme papain từ nhựa đu đủ: Dùng dao rạch quả đu đủ còn xanh → Thu nhựa đu đủ → Trích li và lọc → Li tâm dịch lọc → Kết tủa papain → Kết tinh và tái kết tinh → Sấy chân không → Chế phẩm papain.

- Học sinh đề xuất cải tiến một hoặc một số bước của quy trình sản xuất enzyme được chọn. Sau khi đề xuất, học sinh cần giải thích được lí do đề xuất cải tiến ở bước đó (nếu áp dụng theo quy trình được cải tiến sẽ mang lại hiệu quả như thế nào so với quy trình cũ).

- Câu trả lời tham khảo: Đề xuất phương án cải tiến quy trình sản xuất enzyme protease từ nấm mốc bằng cách sử dụng phương pháp lọc gel thay cho phương pháp trích ly bằng nước nhằm đạt được hiệu quả tinh sạch cao hơn.

Ví dụ quy trình sản xuất chế phẩm enzyme amylase từ nấm mốc Aspergillus oryzae:

Chủng nấm mốc Aspergillus oryzae được nuôi cấy trên môi trường cám mì, sau đó thu dịch chiết bằng nước và thẩm tích dịch chiết, dùng ethanol 65 % - 70 % hoặc acetone 60 % trong môi trường pH khoảng 5,5 đến 5,6 để kết tủa dịch amylase, li tâm và sấy kết tủa sẽ thu được chế phẩm enzyme, có thể nghiên nhỏ đem bảo quản và sử dụng.