Đổi mới trong công nghệ enzyme đã tạo ra cuộc cách mạng công nghiệp lớn với ý nghĩa ứng dụng thực tế được ví như năng lượng nguyên tử
Công nghệ enzyme là một lĩnh vực tiên tiến trong ngành công nghiệp sinh học, sử dụng các enzyme để tăng tốc các phản ứng hóa học trong quá trình sản xuất và chế biến. Enzyme giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thải phế phẩm, đồng thời mang lại lợi ích về môi trường. Áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, công nghệ enzyme đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện sự hiệu quả và bảo vệ môi trường trong các quy trình công nghiệp hiện đại.
Nội dung
1. Thị trường enzyme công nghiệp
Thị trường enzyme ngày càng sôi động và tiềm năng. Đặc biệt là do nhu cầu về bảo vệ môi trường toàn cầu. Nó được chia thành: thị trường enzyme kỹ thuật, enzyme thực phẩm và đồ uống, enzyme thức ăn chăn nuôi và enzyme sản xuất nhiên liệu sinh học. Thị trường enzyme công nghiệp toàn cầu có giá trị khoảng 5,5 tỷ USD trong năm 2018. Đồng thời, sự kiến đạt 7,0 tỷ USD vào năm 2023 với CAGR là 4,9% trong giai đoạn 2018-2023.
Thị trường enzyme công nghiệp toàn cầu theo ứng dụng đến năm 2023 (triệu USD)
| Ứng dụng | 2017 | 2018 | 2023 | CAGR% 2018-2023 |
| Thực phẩm và đồ uống | 1.925,9 | 2.020,2 | 2.549,6 | 4,8 |
| Enzyme kỹ thuật | 1.298,3 | 1.362,0 | 1.735,7 | 5,0 |
| Sản xuất nhiên liệu sinh học | 719,3 | 754,7 | 961,0 | 5,0 |
| Thức ăn chăn nuôi | 596,2 | 625,5 | 825,8 | 5,7 |
| Các ứng dụng khác | 714.4 | 749,4 | 929,0 | 4,4 |
| Tổng | 5.254,1 | 5.511,8 | 7.001,1 | 4,9 |
Enzyme thực phẩm và đồ uống
Doanh thu thống trị thị trường giai đoạn 2017-2023. Đó là bởi nhu cầu cao về làm bánh và phát triển kinh doanh tinh bột. Dự kiến đạt 2,5 tỷ USD vào năm 2023.
Enzyme kỹ thuật
Doanh thu đứng thứ hai và dự kiến đạt hơn 1,7 tỷ USD vào năm 2023. Thế nhưng, nó nhanh chóng bị mất khi thị trường chất tẩy và da thuộc đã ở giai đoạn bão hòa và cạnh tranh về giá.
Enzyme nhiên liệu sinh học
Doanh thu đứng thứ ba. Tuy nhiên, thị trường này nhanh chóng tăng trưởng do nhu cầu năng lượng lớn và nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt. Thay vào đó là sử dụng nguồn năng lượng thay thế. Giá trị dự kiến đạt trên 960 triệu USD năm 2023.
Enzyme thức ăn chăn nuôi
Doanh thu hiện đứng thứ tư. Dự kiến đạt trên 825 triệu USD vào năm 2023. Tuy nhiên, thị trường lại đạt tốc độ CAGR (5,7%) cao nhất giai đoạn 2018-2023.
2. Enzyme là gì?
2.1 Khái niệm enzyme
Enzyme mang bản chất protein. Đây là chất xúc tác không độc hại giúp tăng tốc độ phản ứng sinh học và hóa học. Từ đó, hỗ trợ duy trì sự sống. Ví dụ, các enzym tham gia vào quá trình tiêu hóa giúp chuyển hóa thức ăn và cung cấp năng lượng cho cơ thể. Có thể thấy, enzyme rất cần thiết cho các hoạt động trong tế bào và sinh vật sống.
Enzyme có vai trò quan trọng trong sản xuất nhiên liệu sinh học với các nguyên liệu khác nhau. Các enzyme chính được sản xuất từ bioalcohol và biodiesel. Đây là hai loại nhiên liệu sinh học thương mại phổ biến. Ngoài ra, còn có: amylase, cellulase, xylanase, lipase…
2.2 Đặc điểm của enzyme
Cơ thể con người có hơn 3,000 loại enzyme được tìm thấy ở khắp các bộ phận. Mỗi loại sẽ đảm nhận chức năng riêng. Chẳng hạn như hỗ trợ phân hủy rượu, duy trì các tế bào da, xúc tác quá trình lên men,… Hình dạng của enzyme quyết định loại chất hoặc cơ chất mà nó phản ứng. Để đáp ứng phản ứng, các phân tử cơ chất phải khớp chính xác với hình dạng vị trí hoạt động của enzyme. Do tính chất chuyên biệt, hầu hết enzyme chỉ xúc tác cho một loại phản ứng.
Enzyme phân hủy giúp phân tách các phân tử chất béo, protein hoặc carbohydrate (đường và tinh bột). Các loại enzym khác liên kết các phân tử cơ chất với nhau. Bởi chúng có thể hoạt hóa lại nhiều lần với điều kiện nhiệt độ và pH tối ưu. Nếu không duy trì được, các enzym kém phản ứng hơn hoặc bị biến tính.
Ưu điểm của enzyme là khả năng hoạt động mạnh ở áp suất thường, nhiệt độ 20 – 700C và vùng pH từ 1-12. Phần lớn enzyme có tính đặc hiệu rất mạnh và tính xúc tác có chọn lọc cao. Tức là chỉ xúc tác với một số chất nhất định trong hỗn hợp. Bởi vậy, chúng là các phân tử sinh học quan trọng hỗ trợ duy trì sự sống.
Xem thêm:
- Enzyme là gì? Thành phần thiết yếu cho mọi phản ứng của cơ thể
- Enzyme tiêu hóa – Khái niệm, vai trò và cách thức bổ sung hiệu quả
3. Công nghệ enzyme là gì?
Công nghệ lên men kéo theo sự phát triển mạnh mẽ của enzyme. Chúng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất bánh mì, làm mềm thịt,… Từ đó, mở ra hàng loạt ứng dụng về enzyme trong liên kết phân tử, thúc đẩy độ đàn hồi và săn chắc. Công nghệ enzyme là lĩnh vực công nghệ sinh học hiện đại sản xuất chế phẩm enzyme. Chúng không ngừng tăng về khối lượng, chủng loại và lĩnh vực ứng dụng. Công nghệ này gắn liền với nghiên cứu sản xuất và kiến thức về vi sinh vật, hóa sinh, hóa lý, hóa keo, di truyền và enzyme. Ý nghĩa của việc sử dụng enzyme không kém gì so với ứng dụng năng lượng nguyên tử.
Không chỉ được ứng dụng trong y học, nông nghiệp, hóa học… Công nghệ enzyme còn hiệu quả trong một số lĩnh vực khác. Cụ thể là sản xuất chất tẩy rửa, dệt, da, giấy, mỹ phẩm, dược phẩm,… Đặc biệt là công nghệ thực phẩm.
Chưa kể, sự ra đời của công nghệ DNA tái tổ hợp và kỹ thuật protein đã đưa công nghệ enzyme lên một tầm cao mới. Một lượng lớn enzyme được sản xuất để đáp ứng nhu cầu enzyme công nghiệp ngày càng tăng [3] ( L. Liu, et al. (2013), “How to achieve high-level expression of microbial enzymes strategies and perspectives”, Bioenginered, 4(4), pp.212-223.). Theo loại phản ứng được xúc tác, Ủy ban Enzyme đã phân enzyme thành 6 loại chính. Đó là: Oxidoreductase, Transferase, Hydrolase, Lyase, Isomerase, Ligase.
4. Ứng dụng của công nghệ enzyme
Enzyme được ứng dụng rộng rãi trong đa dạng lĩnh vực. Đặc biệt là kỹ thuật, sản xuất thực phẩm và đồ uống, nhiên liệu sinh học, thức ăn chăn nuôi. Chúng dần thay thế các quy trình sản xuất truyền thống khó đảm bảo chất lượng trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Điền hình là đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt về nhiệt độ, áp suất, pH, các hóa chất. Cùng BCC tìm hiểu ngay.
4.1 Ứng dụng enzyme trong y dược
Công nghệ Enzyme tạo ra bước đột phá ấn tượng trong y học. Nhất là các phương pháp định lượng và định tính enzyme trong hóa học lâm sàng, chẩn đoán và điều trị. Chẳng hạn như xác định nồng độ cơ chất glucose, ure, cholesterol… bằng enzyme. Cụ thể là enzyme urease giúp hỗ trợ định lượng ure. (https://infinitabiotech.com/blog/enzymes-in-medicine/)
Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong điều chế dược phẩm.
- Protease: Thuốc hỗ trợ tắc nghẽn tim mạch, tiêu viêm, thông đường hô hấp, cải thiện hệ tiêu hóa,…
- Amylase kết hợp với coenzyme A, cytochrome C, ATP, carboxylase: Điều chế thuốc trị bệnh tim mạch, bệnh thần kinh.
- Amylase phối hợp với enzyme thủy phân: Điều trị bệnh thiếu tiêu hóa.
4.2 Ứng dụng enzyme trong hóa học
Enzyme có cảm ứng cao với các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ, pH,… Bởi vậy, nó được trở thành chất xúc tác hiệu quả trong các phản ứng hóa học. Chế phẩm enzyme được sử dụng để gắn phức hợp enzyme xúc tác cho các phản ứng trong quy trình tổng hợp glutathion, acid béo, alcaloid, sản xuất hormone, … Đồng thời, hỗ trợ xử lý nước thải, sản xuất alcohol, amino acid, … Chưa kể, một số enzyme còn tham gia vào nghiên cứu cấu trúc hợp chất. Bao gồm: Enzyme protease: nghiên cứu cấu trúc protein; Enzyme endonuclease: xác định cấu trúc nucleic acid,… Và một số enzyme được sử dụng như thuốc thử trong hóa phân tích.
Ngành công nghiệp chất tẩy rửa
Đây là một trong những ngành tiêu thụ enzyme lớn nhất. Chúng được sử dụng để loại bỏ các vết bẩn do protein, tinh bột, dầu và chất béo gây ra. Chưa kể, còn tăng hiệu quả tẩy rửa mạnh mẽ. Các chế phẩm tẩy rửa từ enzyme thường được ưa chuộng do an toàn và thân thiện. Bỏi chúng ít chất tẩy trắng, phốt phát. Điều này giúp đảm bảo không gây hại cho con người và môi trường.
Xử lý chất thải
Trong các ứng dụng trên, việc xử lý chất thải độc hại bằng enzyme rất quan trọng. Bởi có một số chất ô nhiễm không được loại bỏ hoàn toàn khi sử dụng phương pháp sinh học, hóa học thông thường. Bởi vậy, enzyme trở thành yếu tố trung gian – giải pháp xử lý an toàn và hiệu quả dựa trên chất xúc tác sinh học. Enzyme được dự đoán là có khả năng giải quyết các vấn đề ô nhiễm nhanh chóng và đáng tin cậy. Các chế phẩm từ enzyme có thể loại bỏ các chất ô nhiễm khó xử lý. Bằng cách kết tủa, chuyển sang dạng khác hoặc thay đổi các hoạt tính. Ngoài ra, còn có thể biến chúng thành các sản phẩm có giá trị nhờ một số ưu điểm:
- Dễ dàng áp dụng với các chất sinh học khó xử lý
- Tác động đến vùng có nồng độ ô nhiễm cao
- Tác động đến một số điều kiện: PH, nhiệt độ và độ mặn
- Không phá vỡ cân bằng hệ sinh thái và không tạo ra các thay đổi bất thường
Ví dụ điển hình là Đại học Portsmouth của Anh và Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia Mỹ đã phát hiện ra một loại enzyme có khả năng phân hủy nhựa. Nó được áp dụng bằng phương pháp gây đột biến. Điều này đã mở ra cơ hội lớn trong xóa bỏ vấn đề ô nhiễm do nhựa. Hay vào năm 2016, các nhà khoa học Nhật Bản đã phát hiện ra vi khuẩn Ideonella sakaiensis có thể ăn nhựa PET. Chúng có khả năng phân hủy nhựa còn tốt hơn enzyme PETase.
4.3 Ứng dụng enzyme trong công nghiệp thực phẩm
Công nghiệp thực phẩm là minh chứng rõ nét cho các ứng dụng của công nghệ enzyme. Điều này góp phần nâng cao chất lượng và đa dạng hóa nguồn thực phẩm. Chưa kể, việc sử dụng có kiểm soát các enzyme có thể cải thiện toàn diện thực phẩm. Bao gồm: hương vị, màu sắc, kết cấu, hình thức và chất lượng.
- Enzyme protease: làm mềm thịt, tạo thức ăn dễ tiêu hóa và tạo dịch thủy phân giàu protein.
- Enzyme renin và pepsin: hỗ trợ đông tụ trong sản xuất phomat.
- Enzyme pectinase: tạo nước quả trong suốt, dễ lọc và hiệu suất cao từ các nguyên liệu quả nghiền.
- Enzyme cellulase: nâng cao khả năng hấp thu, hương vị và làm mềm các nguyên liệu thực vật
- Enzyme amylase: Sản xuất bánh mì, rượu, bia,… Chế phẩm amylase làm thay đổi hoàn toàn chất lượng của bánh mì về hương vị, màu sắc, độ xốp,… Loại enzyme này còn giúp thủy phân tinh bột, tạo đường maltose trong sản xuất bánh kẹo. Enzyme glucoamylase còn làm tăng hiệu suất sản xuất rượu. Ngoài ra, việc sử dụng amylase trong hạt nảy mầm thay thế malt cũng làm giảm giá thành sản phẩm mà vẫn đảm bảo chất lượng. (Nguyễn Thị Hiền, 2012. Công nghệ sản xuất enzyme, protein và ứng dụng. NXB Giáo dục Việt Nam).
4.4 Ứng dụng enzyme trong công nghiệp dệt
Trong công nghiệp dệt, amylase được sử dụng để rũ hồ vải trước khi tẩy trắng và nhuộm. Loại enzyme này làm vải mềm và dễ nhúng ướt. Từ đó, gia tăng hiệu quả tẩy trắng và lên màu tốt. Chưa kể, an toàn với vải, đảm bảo độ mao dẫn tốt và hợp hệ sinh. Từ đó, giúp tăng năng suất lao động. Một ví dụ khác là protease giúp làm sạch sợi tơ trong dệt tơ tằm. Ngoài ra, việc sử dụng công nghệ enzyme đảm bảo độ đàn hồi tốt, đều màu và dễ trang trí của lụa.
4.5 Ứng dụng enzyme trong công nghiệp thuộc da
Trong công nghiệp da, da có thể được ngâm trong dung dịch enzyme hoặc phết lên bề mặt da. Chúng sẽ tách chất nhờn và làm đứt liên kết collagen giúp da mềm hơn. Chưa kể, việc sử dụng protease từ vi sinh vật giúp tiết kiệm thời gian làm mềm và tách lông. Ngoài ra, enzyme còn được sử dụng trong một số công đoạn khác như tẩy lông, nhuộm da, tẩy dầu mỡ…
4.6 Ứng dụng enzyme trong nông nghiệp
Trong chăn nuôi
Thức ăn chăn nuôi chứa enzyme giúp gia tăng giá trị dinh dưỡng và hệ số sử dụng của thức ăn thô. Các enzyme được sử dụng trong lĩnh vực này thường mang đặc tính thuỷ phân. Các phân tử lớn được thủy phân thành dạng dễ tiêu thụ để tăng khả năng hấp thụ và cải thiện hệ tiêu hóa. Nó đặc biệt quan trọng trong việc bổ sung thức ăn cho bê con, lợn con,… Bởi hệ tiêu hóa nhạy cảm của chúng khó hấp thụ được thức ăn thô. Có ba loại sản phẩm enzyme chính được sử dụng trong chăn nuôi là phytases, carbohydrases, proteases (B.C.C Research (2018), Global markets for enzymes in industrial applications, BCC Publishing.).
Trong trồng trọt
Một số chế phẩm enzyme như cellulase, hemicellulase, protease và amylase giúp chuyển hóa phế liệu nông nghiệp và công nghiệp. Cụ thể là cải tạo đất, sản xuất phân hữu cơ bằng men vi sinh thay cho phân bón hóa học.
4.7 Ứng dụng enzyme trong bài toán về năng lượng
Nhiều nghiên cứu chỉ ra enzyme có khả năng giải quyết các vấn đề về năng lượng dễ dàng. Đồng thời, vẫn đảm bảo chất lượng nhưng với mức giá rẻ hơn. Điển hình như tại Italia, các tế bào nhiên liệu sinh học như enzyme (EFC) sử dụng enzyme oxydoreductase làm chất xúc tác điện để oxy hóa cơ chất hữu cơ hoặc peroxide. Từ đó, cho phép chuyển năng lượng thành điện năng. EFC còn được ứng dụng trong một số lĩnh vực: tế bào nhiên liệu sinh học có thể cấy ghép hoặc tháo rời, cảm biến sinh học tự cung cấp năng lượng và điện di động không sử dụng pin.
Tại Đức, nhóm nghiên cứu từ Đại học Kỹ thuật Munich (TUM) công bố hệ thống enzyme mới (hydrogenase). Chúng được sử dụng để tạo ra hydro bằng cách sử dụng điện để tạo điện từ hydro. Chưa kể, nó còn được phát triển tế bào nhiên liệu khử oxy nhờ enzym bilirubin oxidase. Ngoài ra, hydrogenase nhúng trong màng polyme sẽ oxy hóa hydro từ vi khuẩn desulfovibrio desulfuricans và tạo điện.
Ngoài ra, bóc vỏ gỗ bằng cách sử dụng công nghệ enzyme giúp tiết kiệm năng lượng trong sản xuất và sinh hoạt. Nó có thể giảm thiểu được mức tiêu hao điện năng lên đến 80% trong công đoạn tiền xử lý gỗ. Enzyme làm suy yếu liên kết giữa gỗ và vỏ cây và/hoặc phân hủy các polyme của tầng phát sinh. Một số enzyme giúp phân hủy hợp chất trong lớp vỏ gỗ như pectin, hemicellulose, cellulose hay protein.
Xem thêm:
- Men tiêu hóa là gì? Vai trò và sự khác biệt với men vi sinh
- Ứng dụng enzyme trong công nghệ thực phẩm cần biết
5. Công nghệ enzyme và xu hướng
Các enzyme được chiết xuất từ đa dạng nguồn vi sinh vật, động vật và thực vật. Trong đó, sản xuất từ vi sinh là giải pháp kinh tế nhất để sản xuất enzyme số lượng lớn. Với phương pháp truyền thống, enzyme được tách chiết từ động vật và thực vật. Nó được thực hiện sau khi các nguyên liệu này được nghiền hoặc lên men vi sinh vật. Chúng được tinh chế bằng kỹ thuật hóa học, cơ học và nhiệt học. Cụ thể là cô đặc, kết tủa, ly tâm, lọc và sắc ký. Sau khi đảm bảo độ tinh chế, enzyme cô đặc được bào chế theo dạng mong muốn, thưởng ở dạng hạt (viên nang, viên nén) hoặc lỏng. So với trạng thái dung dịch, Enzyme ở trạng thái khô ổn định hơn nhiều. Ứng dụng công nghệ enzyme giúp đảm bảo chế phẩm chất lượng cao với giá thành phải chăng.
Với sự phát triển của các công nghệ enzyme mới đã tạo nên bước đột phá lớn nhất trong suốt hơn 30 năm qua. Chẳng hạn như kỹ thuật di truyền, protein và công nghệ DNA tái tổ hợp.
5.1 Kỹ thuật di truyền
Kỹ thuật di truyền tức là biến đổi gen ở vi sinh vật mã hóa protein. Nó giúp tăng cường hoạt tính enzyme, chọn lọc cơ chất và bền nhiệt. Nó tạo ra cuộc cách mạng lớn khi phát triển các enzyme sẵn có thành chất xúc tác hiệu quả. Hiện có hai phương pháp là ngẫu nhiên (tiến hóa có định hướng) và thiết kế duy lý. Việc thay đổi một hay nhiều amino axit hoặc cuộn gập các chuỗi amino axit và lắp ghép để tạo protein sẽ cung cấp enzyme bền vững và có lợi. Những enzyme khó tiếp cận trước đây được nhân bản và sản xuất từ một sinh vật chủ. Điều này đảm bảo tiếp cận dễ dàng enzyme từ hầu hết các nguồn. Bao gồm enzyme từ sinh vật nguy hiểm, mô thực vật, động vật sinh trưởng chậm,…
5.2 Công nghệ DNA tái tổ hợp
Enzyme biến đổi gen được ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp thực phẩm và chất tẩy rửa. Enzyme công nghiệp đầu tiên được điều chế theo công nghệ này là một loại lipase từ Novo Nordisk. Nó được công bố tại EU năm 1987. Có 65/186 enzyme được tiếp thị bởi thành viên của Hiệp hội các nhà sản xuất và bào chế các sản phẩm enzyme (AMFEP) được tạo ra từ vi sinh vật biến đổi gen.
6. Tạm kết
Công nghệ enzyme là một trong những lĩnh vực đầy triển vọng. Hứa hẹn đáp ứng được các nhu cầu đặt ra cũng như giải quyết một số vấn đề nan giải hiện nay. Chế phẩm enzyme được ứng dụng rộng rãi trong mọi mặt của cuộc sống. Chẳng hạn như thực phẩm và đồ uống, dệt, da, chất tẩy rửa, thức ăn chăn nuôi và nhiên liệu sinh học. Đặc biệt, enzyme còn hỗ trợ giảm thiểu ô nhiễm bằng cách xử lý các chất thải độc hại. Với sự tiến bộ của công nghệ sinh học, kỹ thuật di truyền và protein ra đời đã tạo nên bước ngoặt lớn trong hiệu quả sử dụng. BCC chuyên cập nhật nhanh chóng và chính xác nhất các thông tin liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng Công nghệ sinh học trong mọi lĩnh vực.
