Chủ nhật, 06/12/2020 | 00:07

Chủ nhật, 06/12/2020 | 00:07

Bài báo khoa học

Cập nhật 01:36 ngày 20/10/2020

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh alpha-amylase chịu nhiệt của chủng Bacillus SPP.

TÓM TẮT:
Enzyme α-amylase được thu nhận từ vi khuẩn chịu nhiệt như Bacillus licheniformis, Bacillus stearothermophilus, và Bacillus amyloliquefaciens là enzyme có khả năng chịu nhiệt được sử dụng để xử lý nguyên liệu ở các công đoạn phải dùng nhiệt độ cao… Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh tổng hợp α-amylase ngoại bào bởi Bacillus như thành phần môi trường, pH ban đầu, nhiệt độ và thời gian nuôi cấy...
Bài viết trình bày về sự đa dạng của thành phần môi trường và các thông số vật lý ảnh hưởng đến khả năng sinh enzyme α-amylase từ một số chủng Bacillus. Từ đó, xác định được môi trường dinh dưỡng phù hợp nhất để có thể ứng dụng trong công nghiệp sản xuất hoặc thu nhận enzyme có hoạt tính cao.
Từ khóa: Chủng Bacillus, Bacillus licheniformis, Bacillus subtilis DC5, α-amylase, pH, nhiệt độ.
1. Đặt vấn đề
α-amylase (α-1,4-glucan-4-glucanohydrolase) thuộc họ của endo-amylase xúc tác quá trình thủy phân ban đầu của tinh bột thành oligosaccharides ngắn hơn thông qua việc phân cắt của α-D-1,4 glycozit, có thể được tìm thấy trong các vi sinh vật, thực vật và sinh vật bậc cao. Sản phẩm cuối cùng của quá trình thủy phân α-amylase là oligosaccharides có độ dài khác nhau với cấu hình và dextrin giới hạn, tạo thành hỗn hợp của maltose, maltotriose và phân nhánh oligosaccharides 6-8 glucose đơn có chứa cả hai mối liên kết α-1,4 và α-1,6 (Sahni T. K. and Dr. Goel A., 2015).
Tính chịu nhiệt là một đặc tính mong muốn của hầu hết các enzyme công nghiệp. Enzyme chịu nhiệt được phân lập từ sinh vật ưa nhiệt có trong đất hoặc các suối nước nóng đã được phát hiện và ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm. Các nghiên cứu hiện nay về enzyme chịu nhiệt phân giải tinh bột để cải thiện các quy trình công nghiệp là mối quan tâm lớn đối với việc sản xuất các sản phẩm có giá trị như glucose, dextrose tinh, dextrose xi-rô, maltose và maltodextrin (Sahni T. K. and Dr. Goel A., 2015). 
Alpha amylase được sản xuất bởi các loài vi sinh vật khác nhau, nhưng đối với các ứng dụng thương mại α-amylase chủ yếu có nguồn gốc từ các vi khuẩn Bacillus licheniformis, Bacillus subtilis, và Bacillus amyloliquefaciens đã được ứng dụng trong một số quy trình công nghiệp như trong thực phẩm, quá trình lên men, dệt may và các ngành công nghiệp giấy (Sahni T. K. and Dr. Goel A., 2015).
Quá trình tổng hợp α-amylase ngoại bào từ vi khuẩn chịu ảnh hưởng mạnh bởi các yếu tố môi trường như nguồn nitơ, nguồn cacbon và các ion kim loại. Bên cạnh đó, một số tác nhân vật lý như: Độ thông khí, mật độ cấy, pH, nhiệt độ, thời gian trong quá trình nuôi cấy cũng ảnh hưởng rất lớn đến lượng α-amylase sinh ra.
Bài viết nhằm tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tổng hợp α-amylase từ chủng Bacillus, từ đó xác định được môi trường dinh dưỡng phù hợp nhất để có thể ứng dụng trong công nghiệp sản xuất hoặc thu nhận enzyme có hoạt tính cao.
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh alpha amylase bởi bacillus
Quá trình tổng hợp α-amylase chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau, quyết định đến khả năng sinh tổng hợp α-amylase của vi khuẩn. Để thu nhận enzyme α- amylase với hiệu suất cao, cần tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy như các thông số vật lý, thành phần C, N, muối khoáng…
2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nuôi cấy 
Nhiệt độ nuôi cấy ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật, khả năng sinh tổng hợp enzyme và tính chất enzyme được tổng hợp. Một vài chủng vi khuẩn có thể phát triển tốt ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ càng tăng, hoạt lực của enzyme càng tăng nhưng đến một mức độ giới hạn nào đó thì hoạt lực enzyme lại giảm xuống. Hiện nay, nhiều công trình nghiên cứu công bố các kết quả khác nhau về ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng tổng hợp α-amylase của vi khuẩn.
Kết quả từ nghiên cứu của tác giả Nguyễn Thế Trang, Nguyễn Thị Đà, Trần Đình Mẫn (2012) cho thấy, nhiệt độ nuôi cấy thích hợp của chủng Geobacillus sp. LP09 là 650C cho hoạt tính α-amylase cao (14,6 UI/ml), trong khi đó ở 350C chỉ cho hoạt tính (4,69 UI/ml). Ở nhiệt độ 750C hoạt tính của α-amylase giảm (14,14 UI/ml). Như vậy có thể thấy, nhiệt độ nuôi cấy ảnh hưởng rất lớn đến khả năng sinh tổng hợp enzyme α-amylase từ chủng Geobacillus sp. LP09 phân lập từ nguồn suối nước nóng. Vì vậy, nhiệt độ 65 ÷ 750C là nhiệt độ cho chủng Geobacillus sp. LP09 sinh tổng hợp α-amylase, và đây cũng là nhiệt độ chung của suối nước nóng La Phù (Phú Thọ).
Suman and Ramesh (2010) nghiên cứu trên B. Subtilis KCPSS cũng cho thấy,  350C là nhiệt độ tối ưu để chủng này sinh tổng hợp α-amylase cực đại. Trong khi đó, Prajapati V. S. và đồng tác giả (2015) đưa ra kết luận ở mức nhiệt độ 650C thì khả năng sinh enzyme α-amylase ngoại bào của B. amyloliquefaciens KCP2 là tối ưu. Các kết quả có sự khác nhau là do nhiệt độ tối thích của enzyme còn tùy thuộc vào pH và thành phần, thời gian nuôi cấy.
2.2. Ảnh hưởng của pH ban đầu trong môi trường nuôi cấy
pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến hoạt tính của enzyme.  Độ pH ban đầu làm thay đổi trạng thái ion hóa của enzyme và cơ chất, phức hợp enzyme-cơ chất. Nếu pH quá cao hoặc quá thấp sẽ làm ảnh hưởng đến điện tích cũng như khả năng tích điện của enzyme và cơ chất, làm giảm hoặc mất khả năng kết hợp với cơ chất của enzyme. Do đó, hoạt tính enzyme sẽ bị giảm hoặc bị mất. Nhiều tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của pH ban đầu đến khả năng sinh tổng hợp amylase của vi sinh vật và có những công bố rất khác nhau.
Prajapati V. S. và đồng tác giả (2015) đã công bố, pH tối ưu để B.amyloliquefaciens KCP2 sinh tổng hợp amylase cao là 8,0.  Kết quả từ nghiên cứu của tác giả Nguyễn Thế Trang, Nguyễn Thị Đà, Trần Đình Mẫn (2012) cho thấy, chủng Geobacillus sp. LP09 có hoạt tính α-amylase tốt nhất trong khoảng pH từ 6,5 ÷ 7,5. Ở pH 7 hoạt tính α-amylase cao nhất đạt 14,6 UI/ml. Ở pH 6 hoạt tính α-amylase thấp nhất chỉ đạt 13,2 UI/ml, trong khi đó ở pH 8 hoạt tính chỉ đạt 13,6 UI/ml. Từ kết quả trên cho thấy, điều kiện để chủng Geobacillus sp. LP09 sinh tổng hợp α-amylase cao nhất là ở cơ chất tinh bột tan 2%, nhiệt độ 650C, pH 7 ÷ 7,5.
Như vậy, qua tham khảo các nghiên cứu của một số tác giả cho thấy, hoạt tính của enzyme α-amylase hoạt động rất thấp ở pH axit và khi tăng dần độ pH thì hoạt tính của enzyme tăng dần đến pH trong khoảng 6,5 ÷ 8,0 thì hoạt tính của enzyme là tối đa.
2.3. Ảnh hưởng của thời gian nuôi cấy
Thời gian nuôi cấy có ảnh hưởng đáng kể đến sự biến đổi hoạt độ α-amylase trong môi trường nuôi cấy. Nghiên cứu của Nguyễn Thế Trang, Nguyễn Thị Đà, Trần Đình Mẫn (2012) cho thấy, chủng Geobacillus sp. LP09 cho hoạt tính α-amylase cao (14,1 UI/ml)  ở  48h  trên  nền  cơ  chất là tinh bột tan.
Theo nghiên cứu của Suman và Ramesh (2010) đã công bố, thời gian nuôi cấy để sinh tổng hợp enzym amylase cực đại là 24h.
2.4. Ảnh hưởng của cơ chất trong môi trường nuôi cấy
Trong nghiên cứu của Nguyễn Thế Trang, Nguyễn Thị Đà, Trần Đình Mẫn (2012), kết quả cho thấy chủng Geobacillus sp. LP09 cho hoạt tính α-amylase cao (14,1 UI/ml)  ở  48h  trên  nền  cơ  chất là tinh bột tan, tiếp theo là cơ chất bột gạo.  Ở cơ chất khác, Geobacillus sp. LP09 vẫn cho hoạt tính α-amylase nhưng thấp hơn.
Bên cạnh đó, nồng độ cơ chất cũng ảnh hưởng đến khả năng sinh tổng hợp α-amylase, là chất cảm ứng cho vi sinh vật tiết ra enzyme. Ở nồng độ tinh bột tan 2% hoạt tính α-amylase là cao nhất (14,6  UI/ml).  Nồng  độ  tinh  bột  tan  từ  3 ÷ 5%,  hoạt  tính  α-amylase  của  chủng Geobacillus sp. LP09 giảm dần.  Còn  nồng  độ  1%  tinh  bột  tan  khả  năng  sinh  tổng  hợp  α-amylase là thấp nhất (13,1 UI/ml).
2.5. Ảnh hưởng của nguồn Carbon
Nguồn carbon sử dụng để nuôi cấy vi sinh vật thường là lactose, dextrose, maltose, tinh bột hòa tan. Nhiều công trình cho kết quả khác nhau khi nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn carbon lên quá trình sinh tổng hợp amylase ngoại bào của Bacillus sp. Suman và Ramesh (2010) đã công bố rằng, khi nuôi cấy chủng Bacillus sp. KCPSS-12ss trong môi trường nuôi cấy có bổ sung nguồn lactose thì khả năng tổng hợp amylase là cao hơn so với các nguồn carbon khác. Trong khi đó, khi bổ sung các nguồn carbon khác vào môi trường nuôi cấy như: Saccharose, glucose, tinh bột hòa tan thì hoạt độ amylase thu được đều thấp hơn so với mẫu đối chứng. Vì thế, lactose được xem là chất cảm ứng để chủng này tiết amylase.
2.6. Ảnh hưởng của nguồn nitơ
Khi bổ sung các nguồn nitơ thì cao nấm có khả năng làm tăng hoạt độ amylase nhiều nhất (6,687 U/ml) - gấp 1,369 lần so với mẫu đối chứng (4,885 U/ml). Các nguồn Casein, NH4Cl, Urê cũng làm tăng hoạt độ amylase trong dịch môi trường nuôi cấy nhưng không nhiều so với mẫu đối chứng (Phạm Trần Thùy Hương và Đỗ Thị Bích Thủy, 2012).
3. Kết luận
Qua quá trình tham khảo, tìm hiểu và tổng hợp từ các tài liệu nghiên cứu cho thấy, khả năng sinh α-amylase từ chủng Bacillus chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH ban đầu, thời gian nuôi cấy, nguồn carbon, nguồn nitơ cũng như môi trường nuôi cấy để thu được lượng enzyme có hoạt tính cao. Bên cạnh đó, môi trường sống của vi khuẩn và loài vi khuẩn cũng là những nhân tố quan trọng quyết định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh α-amylase.
Việc tìm hiểu các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến khả năng sinh tổng hợp enzyme α-amylase và nguồn vi khuẩn chịu nhiệt để có thể sản xuất một lượng lớn enzyme có chất lượng cao và giá thành hợp lý nhằm thay thế các hợp chất hóa học phục vụ cho các ngành công nghiệp quan trọng liên quan đến sức khỏe con người như: Công nghiệp thực phẩm, y học, nông nghiệp… là nhu cầu rất thiết thực hiện nay.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1. Nguyễn Thế Trang, Nguyễn Thị Đà, Trần Đình Mẫn (2012), Nghiên cứu tuyển chọn vi khuẩn ưa nhiệt sinh alpha amylase bền nhiệt phân lập ở Việt Nam, Tạp chí Khoa học và Công nghệ 50 (2) 219-229.
2. Phạm Trần Thúy Hương, Đỗ Thị Bích Thủy (2012), Ảnh hưởng của một số yếu tố lên quá trình thu nhận chế phẩm amylase ngoại bào từ Bacillus subtilis DC5, Tạp chí khoa học, Đại học Huế, tập 71, số 2, trang: 189-201
3. Prajapati V. S., Trivedi U. B., Patel K. C. (2015). A statistical approach for the production of thermostable and alklophilic alpha-amylase from Bacillus amyloliquefaciens KCP2 under solid-state fermentation. Biotech, 5, 211-220
4. Sahni T. K.and Dr. Goel A. (2015). Microbial enzymes with special reference to α-amylase. BioEvolution, 19-25
5. Suman S. and Ramesh K. (2010). Production of a thermostable extracellular amylase from thermophilic Bacillus species. Journal of Pharmaceutical, 2(2), 149-154.
FACTORS AFFECTING THE PRODUCIBILITY OF HIGH THERMOSTABLE Α-AMYLASE FROM BACILLUS SPP. CLASS
Master. TRAN THI HONG CHAU
Faculty of Tourism and Culinary
Ho Chi Minh City University of Food Industry
ABSTRACT:
Alpha-amylase which is obtained from thermostable bacteria such as Bacillus licheniformis, Bacillus stearothermophilus and Bacillus amyloliquefaciens is a high thermostable enzyme. It is used to treat material in stages with high temperature. Some factors effecting the biosynthesis of extracellular α-amylase from Bacillus classes includes environment component, initial pH, temperature and growing time. This study presents the impacts of diversity of environment components and the physical parameters on the producibility of α-amylase from some Bacillus classes.
Keywords: Bacillus class, Bacillus licheniformis, Bacillus subtilis DC5, α-amylase, pH, tempature.
ThS. TRẦN THỊ HỒNG CHÂU - Khoa Du lịch và Ẩm thực, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh
Nguồn: Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 21, tháng 8 năm 2020
Tổng số lượt truy cập :
  • 1
  • 8
  • 6
  • 5
  • 0
  • 6
  • 9
lên đầu trang