Phytase, enzyme phân giải phytate và tiềm năng ứng dụng công nghệ sinh học

Chia sẻ: Pham Linh Dan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

203
lượt xem 47
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phytate là một dạng phospho hữu cơ chiếm từ 1 đến 5% (w/w) của đậu hạt, ngũ cốc, hột chứa dầu, phấn hoa và hạnh nhân (Cheryan, 1980); hầu hết thực phẩm có nguồn gốc thực vật chứa từ 50% đến 80% phospho tổng là phytate (Harland và Morris, 1995) và dĩ nhiên phytate chứa khoáng liên kết với acid amin và protein.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Phytase, enzyme phân giải phytate và tiềm năng ứng dụng công nghệ sinh học

Phytase, enzyme phân gi i phytate và ti m năng ng d ng công ngh sinh h c A. Gi i thi u v phytate Phytate là m t d ng phospho h u cơ chi m t 1 n 5% (w/w) c a u h t, ngũ c c, h t ch a d u, ph n hoa và h nh nhân (Cheryan, 1980); h u h t th c ph m có ngu n g c th c v t ch a t 50% n 80% phospho t ng là phytate (Harland và Morris, 1995) và dĩ nhiên phytate ch a khoáng liên k t v i acid amin và protein. Theo Posternak (1902) là ngư i u tiên phát hi n ra phytin. Ông dùng phytin ch m t ch t phospho trong các lo i h t mà ông khám phá ra và xem nó như s n ph m trung gian trong quá trình t ng h p di p l c t nhưng Pfeffer tìm ra acid phytic t năm 1872. Trong t nhiên, acid phytic t n t i ch y u trong các d ng mu i phytate dư i d ng ph c h p v i các cation quan tr ng cho dinh dư ng như Ca2+, Zn2+ và Fe2+ và phytate ch a 14-25% phospho, 1,2-2% Canxi, 1-2% k m và s t. Lư ng phytate cao nh t trong các lo i ngũ c c, b p (0,83-2,22%) và trong các lo i h t u (5,92- 9,15%) (Reddy, et al., 1989). Phytate làm gi m kh năng tiêu hóa protein, tinh b t và lipit vì phytate t o ph c v i protein làm protein kém tan và kháng l i ư c s phân gi i protein. Acid phytic có th nh hư ng n s tiêu hóa tinh b t thông qua s tương tác v i enzyme amylase (Kerovuo, et al., 2000). pH th p [acid], acid phytic có i n tích
âm m nh vì các nhóm phosphate phân ly không hoàn toàn. Dư i i u ki n này, acid phytic có nh hư ng x u n kh năng hòa tan protein vì liên k t ion c a các nhóm phosphate c a acid phytic và các g c acid amin b ion hóa (lysyl, histidyl, arginyl). Trong pH acid, acid phytic có th g n ch t v i các protein th c v t, vì im ng i n c a protein này n m trong pH 4,0-5,0. pH 6,0-8,0, acid phytic và protein th c v t u có i n tích âm, ph c h p acid phytic và protein v n ư c hình thành. Vi c g n k t này làm gi m giá tr dinh dư ng c a protein th c v t (Vohra, et al., 2003). B. Thành ph n Phytase trong t nhiên * Phytase t th c v t Phytase có nhi u trong các lo i ngũ c c như lúa mì, b p, lúa m ch, g o, và t các lo i u như u nành, u tr ng,… Phytase cũng ư c tìm th y trong mù t t, khoai tây, c c i, rau di p, rau bina, và ph n hoa hu tây (Dvorakova, 1998). Trong h t ang n y m m ho c trong h t ph n, phytase có vai trò phân gi i phytin (Greene, et al., 1975). Suzuki et al., (1907) là nh ng ngư i u tiên s n xu t ch ph m phytase t cám g o và lúa mì. * Phytase t ng v t Collum và Hart (1908) ã phát hi n th y phytase t th n và máu dê, phytase cũng phát hi n trong máu các ng v t có xương s ng b c th p hơn như chim, bò sát, cá, rùa bi n (Rapoport et al, 1914). Vì phytate ho t ng như m t nguyên t kháng dư ng trong cơ th ng v t nên các nhà khoa h c ã quan tâm và kh o sát ho t ng c a phytase trong ư ng tiêu hóa c a nhi u loài ng v t. Phytase ư c tìm th y trong ư ng ru t (Patwaradha, 1937) c a heo, c u, bò (Spitzer và Phillip, 1972). Tuy nhiên, phytase trong h ng v t không óng vai trò quan tr ng trong vi c tiêu hóa phytate (Williams và Taylor, 1985).
Phytase ru t ngư i cũng có ho t tính th p 30 l n so v i phytase t ru t chu t và cũng không có ý nghĩa trong vi c tiêu hóa phytate, phytate ư c tiêu hóa trong h tiêu hóa ngư i nh lư ng phytase trong th c ph m (Frolich, 1990). ng v t nhai l i tiêu hóa ư c phytate nh ho t ng c a phytase ư c s n xu t b i h vi sinh v t trong d c . Lư ng phosphate vô cơ gi i phóng ra nh ho t ng c a phytase lên phytate ư c c h vi sinh v t ư ng ru t và v t ch s d ng (Kerovuo et al., 2000). * Phytase t vi sinh v t Nh ng vi sinh v t s n xu t phytase có t nhi u ngu n khác nhau như t (Cosgrove et al., 1970; Richardson và Hadobas, 1997), ng v t d c (Lan et al.,2002), b t u (Choi et al., 2001), nư c bi n (Kim et al., 2003), h t th c v t (Nakano et al., 2000; Greiner, 2004; Greiner và Egki, 2003), i u này cho th y kh năng th y phân c a phytase có th ư c óng góp m t cách r ng rãi trong h sinh thái. ư c bi t là nh ng vi sinh v t s n xu t phytase bao g m c nh ng vi khu n hi u khí như Pseudomonas spp (Richardson và Hadobas, 1997; Kim et al., 2002), Bacillus subtilis (Shimizu, 1992) và Klebsiella spp (Greiner et al., 19993), vi khu n k khí như Escherichia coli (Greiner et al., 1993) và Mitsuokella spp (Lan et al., 2002), n m như Aspergillus spp (Ullah, 1998; Shimizu, 1992) và Penicillum spp (Tseng et al., 2002). Nh ng vi khu n hi u khí như Pseudomonas, Arthrobacter, Staphylococcus và Bacillus thì ư c xác nh n là có phytase có ho t tính. + Vi khu n s n xu t phytase Phytase có m t r ng rãi trong th c v t, mô ng v t và vi sinh v t k c con ngư i. Tuy nhiên, nh ng nghiên c u ã ch ra r ng phytase vi sinh v t có ng d ng nhi u nh t trong k thu t sinh h c. M c dù vi c s n xu t phytase thương m i u ch y u t p trung n m Aspergillus, nh ng nghiên c u ã ngh r ng phytase c a vi khu n có th thay th enzyme phytase t n m b i vì m t t p trung cao và nét riêng bi t c a chúng, b n v i s th y phân protein cao và hi u qu xúc tác
t t nh t. Nh ng vi khu n s n xu t phytase có th phân l p t vùng c n ho c t môi trư ng nư c và phytase thì có m t r ng rãi trong nhi u lo i vi khu n khác nhau, như Bacillus, Enterbacteria, vi khu n k khí dc ng v t nhai l i và Pseudomonas (Jorquera et al., 2008). i v i vi khu n, phytase ư c t ng h p c vi khu n gram dương (B. subtilis) và gram âm (Aerobacter aerogegnes, E. coli, các ch ng Pseudomonas, Klebsiella). Phytase t các vi khu n gram âm là các protein n i bào trong khi phytase t các vi khu n gram dương là các protein ngo i bào (Choi et al., 2001). Theo k t qu nghiên c u c a Kerovuo et al., (2000), 21 dòng t gi ng Bacillus ư c ki m tra cho kh năng s n xu t enzyme phytase trên môi trư ng Luria broth (LB) và trong môi trư ng có b t b p, không có dòng nào s n xu t phytase trong môi trư ng LB. Tuy nhiên, trong môi trư ng b t b p thì có 2 dòng B. amyloliquefaciens và 1 dòng B. subtilis s n xu t s lư ng l n phytase. Có 3 dòng thì có kh năng phóng thích lân vô cơ trong môi trư ng là B. subtilis VTT E- 68013, B. amyloliquefaciens VTT E- 71015, B. amyloliquefaciens VTT E-90408 trong ó dòng B. subtilis VTT E 68013 thì có ho t tính phytase cao nh t. (Jane et al., 2007). + Phytase t vi n m i v i n m m c, h u h t các ch ng n m m c u thu c các gi ng Aspergillus, Penicillium, Mucor và Rhizoous ( Liu et al, 1998) và u s n xu t phytase n i bào có ho t tính. A. niger ư c xem là lo i n m m c s n xu t phytase n m có ho t tính cao nh t. A. ficuum NRRL 3135 cũng s n xu t phytase trong môi trư ng lên men r n v i cơ ch t là b t canola (Vohra et al., 2003). M t s nhóm Aspergillus niger thì s n xu t phytase ngo i bào mà chúng có th c t phospho t Calcium phytate trong môi trư ng acid. ư c phân l p t t nhưng A. ficuum NRRL 3135 s n xu t h u h t phytase có ho t tính trong môi trư ng tinh b t ngô. Vi c s n xu t
phytase b c ch m t cách m nh m b i phosphate vô cơ và t l C/P trong môi trư ng (Shieh và Ware, 1968). Hơn 2.000 loài thì ư c phân l p t 68 m u t trong môi trư ng giàu dinh dư ng. Ho t tính c a phytase ngo i bào thì ư c tìm th y trong m t vài n m m c khác nhau ã ư c ki m tra trên môi trư ng (Shieh và Ware, 1968). C. Ti m năng ng d ng c a phytase * Dinh dư ng ng v t Các ph n c a th c v t là m t trong nh ng thành ph n th c ăn c a gia c m và hơn hai ph n ba phospho trong ph n ph ph m là acid phytic (phytate) (Houssin et al., 2009) và s lư ng này r t khó tiêu hóa (Nelson, 1967). i v i thú nhai l i thì ph n phospho này ư c các enzyme trong các túi c a thú này giúp tiêu hóa d dàng nhưng v i thú m t túi như con ngư i, gia c m, heo, th y s n l i r t ít enzyme này nên khó tiêu hóa phytate. Nhu c u phospho này trong bã u nành và có lo i ngũ c c khác cùng v i nh ng b t xương (ch a phospho) th a mãn nhu c u dinh dư ng nhưng ph n dư th a phospho trong phân c a các lo i ng v t này s gây ô nhi m môi trư ng ng th i lư ng phospho này s là ngu n th c ăn cho vi khu n gây b nh s ng trong t phát tri n và phát tán trong nư c gây ra hi n tư ng n hoa (Mullaney et al., 2000; Bali và Satyanarayana, 2001) như v y t i sao chúng ta l i không s d ng phytase phân gi i phospho trong th c ăn, không c n b sung b t xương, gi m thi u s th t thoát phospho vào môi trư ng (Mohanna và Nys, 1999), ch c n b sung 250 n 1.000U phytase/kg th c ăn có th thay th hoàn toàn lư ng b t xương b sung (Golovan et al., 2001). * Dinh dư ng th c ph m Ch bi n th c ph m cho con ngư i cũng là m t lãnh v c ng d ng c a phytase vì cho n bây gi chưa có s n ph m nào có b sung phytase vì th nghiên c u t p
trung vào lãnh v c h p thu khoáng ch t cho hi u qu hay c i thi n công ngh ch bi n th c ph m mà thôi (Hussin et al., 2009). S hi n di n phytase trong thành ph n th c v t ã ư c ng d ng nhi u trong ó n m m c lên men u nành cho s n ph m u nành lên men, có tên là tempe (Fardiaz và Markakis, 1981) vì phytate liên k t v i protein và protein phân l p t u nành l i giàu phytate. Ngoài ra, phytase ư c b sung trong s n ph m protein - u nành trư c khi xu t xư ng (Simell et al., 1989) vì phytase d b hư trong quá trình n u nư ng nên phytate khó ư c tiêu hóa và dĩ nhiên nh hư ng n kh năng h p thu khoáng ch t. B sung phytase t n m Aspergillus niger vào trong b t mì gia tăng h p thu s t (Fe) ngư i (Sandberg et al., 1996), làm bánh mì giàu s t, phospho, protein d tiêu vì bánh mì bán ngoài th trư ng ch a t 0,29 n 1,05% (w/w) acid phytic b ng cách b sung n m m c này trong quá trình nh i b t trư c khi nư ng s làm phytate phân gi i hoàn toàn (Knorr et al., 1981) và thành tích t ư c trong lãnh v c ch bi n bánh mì là rút ng n ư c quá trình lên men bánh mì, gia tăng th tích bánh (bánh mì n i hơn bình thư ng) cũng như c i thi n dinh dư ng c a bánh mì (Haros et al., 2001). * Gia tăng phì c a t tr ng Findenegg và Nelemans (1993) nghiên c u phytase trên hàm lư ng P d tiêu trong t tr ng b p (ngô), k t qu cho th y cây b p phát tri n tương quan thu n v i hàm lư ng phytate ư c phân gi i khi phytase ư c b sung vào t, nghiên c u này cũng cho th y s gia tăng hàm lư ng phytase trong r b p có th gia tăng hàm lư ng P trong r cây. Idriss et al. (2002) nh n th y phytase ti t ra t vi khu n Bacillus amyloliquefaciens FZB45 kích thích s phát tri n c a cây b p con tr ng trong h th ng vô trùng ch a môi trư ng dinh dư ng ki m soát P trong s hi n di n c a phytate. K t qu này m t l n n a ch ng minh vi sinh v t t t ng h p phytase óng góp m t cách có ý nghĩa n s dinh dư ng phospho trong cây (Richardson et al., 2001).
* T ng h p Inositol phosphate th p Esters phosphoric th p (lower inositol phosphates) c a myo-inositol (mono, bis, tris and tetrakis-phosphates) gi m t vai trò quan tr ng trong quá trình phát tín hi u v n chuy n qua màng t bào và c nh Ca trong mô ng v t cũng như th c v t (Dasgupta et al., 1996; Kryptofova et al., 1994). Nh ng cơ ch này ã ư c ch ng minh, nhưng t ng h p h p ch t trên r t khó khăn. Trái l i, s t ng h p m t enzyme phytase l i d dàng hơn trong i u ki n bình thư ng trong ó s d ng phytase cho th y r t là hi u qu s n xu t các inositol phosphate khác nhau ví d như Siren (1986) s n xu t thành công D-myo-inositol 1,2,6-triphosphate, D-myo- inositol 1,2,5 triphosphate, L-myo-inositol 1,3,4-triphosphate và myo-inositol 1,2,3-triphosphate v i s h tr c a phytase t n m men Saccharomyces cerevisiae; tương t phytase t ng h p t n m m c Aspergillus niger cho th y th y phân hi u qu IP6 thành nhi u d n xu t phosphorylate th p t IP5 n IP2 tùy thu c vào s lư ng enzyme (Dvorakova et al., 2000). * Ti m năng trong nuôi tr ng th y s n Như chúng ta ã bi t, th c ăn chi m n 70% giá thành s n ph m t v t nuôi (Rumsey, 1993) th nhưng trong thành ph n th c ăn cho th y s n, heo, gia c m l i thi u enzyme thích h p cho vi c phân gi i phytin nên v t nuôi khó h p thu phospho và lư ng phospho này s ư c ào th i ra môi trư ng. Phytase s b sung vào thành ph n th c ăn v i m t lư ng nh nhưng em l i hai l i ích: h giá thành s n ph m thông qua vi c t n d ng lư ng Ca, P, Fe, protein d tiêu... và th i m t lư ng P r t th p vào môi trư ng (Yohra và Satyariatayana, 2003) và nhi u thí nghi m ng d ng phytase vào trong thành ph n th y s n ã ch ng minh k t lu n này (Robinson et al., 1999). Trong nh ng năm g n ây, các nhà khoa h c ã và ang n l c tìm cách làm gi m ô nhi m t các ch t th i ra trong chăn nuôi. Trong quá trình nghiên c u, các nhà khoa h c ã xác nh ư c r ng c n c i thi n kh năng s d ng các dư ng ch t
trong kh u ph n c a v t nuôi h n ch t i a lư ng phân th i ra. Trư c ây, do ít quan tâm n lư ng ch t dinh dư ng b th i ra ngoài nên h u qu c a vi c cho ăn quá nhi u ch t dinh dư ng nh m t i a hóa năng su t ã d n n h u qu là lư ng ch t dinh dư ng th i ra quá nhi u qua phân và nư c ti u (ch y u là hàm lư ng protein, phospho và canxi). Qua nh ng ph n trình bày trên, phytase ư c b sung vào thành ph n th c ăn cho v t nuôi c i thi n lư ng dinh dư ng h p thu như phospho, acid amin, khoáng ch t và năng lư ng nhưng nó cũng góp ph n b o v môi trư ng. Tuy nhiên, phytase t vi sinh v t nh t là t vi khu n r t khó ki m soát vì chúng ta chưa gi i thích ư c rõ v cơ ch t ng h p phytase c bi t là các gene i u khi n sinh t ng h p phytase luôn bi n i (Liu et al., 1998). Tùy theo nhóm vi sinh v t, như vi khu n cũng tùy vào m i gi ng và loài, i u ki n môi trư ng nuôi c y, cơ ch t… s nh hư ng n năng su t và ho t tính c a phytase (Pandey et al., 2001). Như v y, nghiên c u và s n xu t phytase t vi sinh v t, t i ưu hóa môi trư ng và i u ki n sinh t ng h p phytase t t nh t cũng như b o qu n ho t tính phytase… thành m t s n ph m thương m i ph i còn nhi u bư c nghiên c u n a. Bài ư c t ng h p t tài li u: 1. Hussin, A S M, Farouk A và Salleh H M. 2009. Phytate-degrading enzyme and its potential biotechnological application: A review. J. Agrobiotech 1:1-13. 2. Jorquera M, Martinez D, Maruyama F, Marschner P, và Maria De La Luz Mora. 2008. Current and Future Biotechnological Applications of Bacterial Phytases and Phytase-Producing Bacteria. Microbes Environ. 23:182-191. và nh ng tài li u khác PGS.TS Cao Ng c i p Vi n NC&PT Công ngjh sinh h c - i h c C n Thơ