Có 1 loại Enzyme được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm để nâng cao dinh dưỡng, cải thiện hương vị; trong công nghiệp sản xuất giấy, thuộc da, xử lý rác thải, xử lý nước hoặc trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ …, đó chính là Lipase.

Giới thiệu chung về Lipase

Lipase là một loại enzyme xúc tác cho quá trình thủy phân chất béo (lipit). Lipase đóng vai trò thiết yếu trong quá trình tiêu hóa, vận chuyển và xử lý các chất béo trong chế độ ăn uống (ví dụ: triglyceride, mỡ, dầu) trong hầu hết, nếu không phải là tất cả, các sinh vật sống.

Trong công nghiệp, Lipase là enzyme quan trọng thứ 2 chỉ sau enzyme amylase của vi khuẩn. Lipase có thể được thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau bao gồm thực vật, động vật và đáng chú ý hơn cả là vi sinh vật. Thị trường Lipase nguồn gốc vi sinh vật ước tính là 425 triệu USD vào năm 2018 và dự kiến sẽ đạt 590 triệu USD vào năm 2023, với tốc độ tăng trưởng là 6,8%/năm [1]. Lipase (triacylglycerol hydrolase, E.C. 3.1.1.3) là enzyme giúp xúc tác quá trình thủy phân các liên kết ester trong phân tử triglycerid giải phóng acid béo tự do, diglyceride, monoglyceride và glycerol.

Các vi khuẩn bao gồm Bacillus spp., Achromobacter spp., Alcaligenes spp., Arthrobacter spp., Pseudomonos spp., và một số chủng nấm Penicillium spp., Fusarium spp., Aspergillus spp., là những đối tượng tiềm năng cho sản xuất lipase quy mô công nghiệp.

Nguồn gốc lipase

Lipase thực vật

Lipase thực vật đã được phân lập từ lá, dầu, thân và hạt của cây có dầu và ngũ cốc [7]. Những enzyme này được quan tâm do chúng dễ thu nhận, chi phí thấp và đa dạng [8]. Tuy nhiên, tính đặc hiệu cơ chất của Lipase thực vật cho các ứng dụng công nghiệp vẫn chưa được xác định đầy đủ do thiếu nghiên cứu về việc sản xuất lipase thực vật [9]. Các ứng dụng trực tiếp sử dụng chiết xuất Lipase thô từ dầu hạt có cơ hội trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học vì nó không cần bước tinh chế và cố định, làm giảm chi phí sản xuất [10].

Lipase động vật

Lipase động vật được sử dụng trong quy trình công nghiệp bao gồm Lipase tuyến tụy và tiền dạ dày. Ứng dụng chính của Lipase tuyến tụy là sản xuất phospholipase A2 (PLA2) công nghiệp được sử dụng để sản xuất lysolecithin, một chất nhũ hóa tự nhiên cho thực phẩm, mỹ phẩm và ngành công nghiệp dược phẩm [9]. Lipase tụy lợn thô là một trong những enzyme được sử dụng rộng rãi nhất vì nó rẻ hơn Lipase động vật khác. Tuy nhiên, dạng bán tinh khiết của Lipase này rất đắt [11].

Hiện nay, nguồn Lipase thương mại chính là vi khuẩn, nấm men (yeast) và nấm sợi (fungi). Sự thay đổi này có thể là do Lipase và Phospholipase từ các nguồn tự nhiên không phải lúc nào cũng đáp ứng yêu cầu về xúc tác sinh học công nghiệp về hoạt độ, tính ổn định và tính đặc hiệu [9].

Lipase vi khuẩn

Lipase vi khuẩn chủ yếu là enzyme ngoại bào và việc sản xuất chúng bị ảnh hưởng nhiều bởi thành phần của môi trường nuôi cấy. Phụ phẩm nông nghiệp là nguyên liệu sản xuất Lipase với chi phí thấp và giải quyết vấn đề chất thải [12-13].  Bacillus sp., Pseudomonas sp. và Burkholderia sp. là các loài vi khuẩn phổ biến nhất được sử dụng rộng rãi để sản xuất lipase, chủ yếu là do hoạt tính enzyme cao.

Nhìn chung, Lipase Bacillus dễ dàng sản xuất và có khả năng hoạt động trong các dung môi hữu cơ, có ưu thế trong quá trình tổng hợp ester, phục vụ cho công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm và sản xuất dầu diesel sinh học. Nhiều Lipase duy trì hoạt động ở nhiệt độ và pH cao, với sự có mặt của chất hoạt động bề mặt, hydrogen peroxide, sodium hypochlorite, do đó chúng có thể được ứng dụng trong các công thức chất tẩy rửa.

Lipase nấm (fungal)

Nấm có khả năng sản xuất Lipase có thể phát triển ở một số môi trường sống, bao gồm dầu thực vật đã qua sử dụng, đất bị nhiễm dầu cũng như thực phẩm và sữa đã bị hư hỏng [14]. Các chi nấm được quan tâm nhiều nhất về sản xuất Lipase là Aspergillus, Rhizopus, Penicillium, Mucor, Geotrichum và Fusarium [15]. Nấm sợi là cũng được coi là nguồn cung cấp Lipase ngoại bào tốt cho sản xuất công nghiệp quy mô lớn [16]

Ứng dụng Lipase trong các ngành công nghiệp

Công nghiệp thực phẩm

Trong công nghiệp thực phẩm, Lipase thường được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm sữa, thực phẩm nướng và nước ép trái cây [17]. Lipase và các xúc tác sinh học nói chung được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm. Hầu hết hoạt động tổng hợp của Lipase là hướng tới việc sản xuất các mùi thơm thực phẩm nhân bản thành công các mùi thơm tự nhiên phức tạp [18].

Lipase từ Penicillium roquefortii được áp dụng rộng rãi trong fromage xanh (blue cheese) vì chúng có thể tổng hợp methyl ketone, chịu trách nhiệm cho hương vị đặc trưng của các loại fromage [19]. Furfuryl acetate được sử dụng rộng rãi như một chất tạo hương vị trong thực phẩm và bánh mì đã được tổng hợp bằng cách sử dụng Lipase Burkholderia cepacia [20]. Một ứng dụng quan trọng khác của Lipase trong công nghiệp thực phẩm là liên quan đến việc sản xuất bơ thực vật không chứa trans-fatty acid từ chất béo (triglyceride) [21-23]. Quá trình thủy phân chất thải từ thực phẩm sản xuất khí methan sinh học có thể đạt được bằng cách sử dụng Lipase Aspergillus niger [24].

Bơ ca cao (Cocoa butter) được sử dụng rộng rãi trong bánh kẹo. Tuy nhiên, nó là một thành phần đắt tiền trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là sản xuất chocolate. Trong trường hợp này, bơ ca cao chất tương đương (CBE) có thể được tạo ra bởi Lipase bằng cách sử dụng palmitic và stearic acid [25].

Công nghiệp chất tẩy rửa

Các enzyme khác nhau bao gồm protease, lipase, amylase, cellulase được sử dụng trong công nghiệp tẩy rửa vì chúng có thể làm sạch dầu, chất béo, tinh bột và protein. Dựa trên khả năng thủy phân chất béo và lipid, Lipase được sử dụng trong công nghiệp giặt ủi và chất tẩy rửa gia dụng [26]. Chất tẩy rửa sinh học thích hợp với nhiều loại vải, độ mềm mại, dễ dàng hòa tan trong nước, an toàn đối với da và mắt. Nhờ vào các tính chất trên, Lipase ngày càng trở nên phổ biến trong các chất tẩy rửa sinh học.

 Nhiên liệu sinh học (Biodiesel)

Một ứng dụng công nghiệp quan trọng của lipase là biến đổi chất béo và dầu để sản xuất dầu diesel sinh học và các loại khác [27]. Lipase có thể tổng hợp dầu diesel sinh học khi có hàm lượng nước cao, một chiến lược hữu ích khi sử dụng dầu thải vì chúng thường chứa một lượng nước lớn [28]. Tuy nhiên, sự có mặt của glycerol là nhược điểm chính về sản xuất diesel sinh học bằng xúc tác enzyme [29]. Để giải quyết vấn đề này, nhiều nghiên cứu tập trung vào việc sản xuất nhiên liệu sinh học giống diesel sinh học giữ glycerol ở mức monoglycerid. Vì vậy, nó có thể giảm bớt sự cần thiết phải tách glycerol từ dầu diesel sinh học và nâng cao hiệu suất của quá trình [30].

Công nghiệp dược phẩm

Một số Lipase đã thu hút được sự quan tâm của ngành dược phẩm do lợi ích chữa bệnh. Một số loại thuốc hiện đang được phê duyệt hoặc đang trong các thử nghiệm lâm sàng để điều trị bệnh tim mạch, béo phì, tress và viêm [31]. Hóa chất hữu cơ và dược phẩm sử dụng lipase để điều chế các hợp chất có hoạt tính quang học, chẳng hạn như rượu nguyên chất, amin và cacboxylic acid [32].

Xử lý sinh học (Bioremediation)

Mối quan tâm ngày càng tăng liên quan đến việc xử lý chất thải và bảo vệ môi trường đã dẫn đến việc tìm kiếm các kỹ thuật xử lý sinh học để đảm bảo sự phát triển bền vững. Trong bối cảnh này, việc sử dụng các enzyme để thủy phân các liên kết ester, chẳng hạn như lipase, esterase và protease, là một giải pháp thực tế. Các enzyme này có khả năng tăng cường xử lý sinh học các chất thải có chứa chất béo, dầu và protein thải ra từ ngành công nghiệp sữa, nhà hàng, lò mổ, bệnh viện hoặc khu nghỉ dưỡng sức khỏe [33].

Hơn nữa, Lipase được sử dụng rộng rãi nhất, tham gia các phản ứng trung gian trong tổng hợp hữu cơ, tính ổn định trong dung môi hữu cơ và không cần cofactor [34]. Lipase ưa kiềm nhiệt của vi khuẩn (BTL2) đã được thử nghiệm phát triển cảm biến sinh học để phát hiện chất gây ô nhiễm nước [35]. Sử dụng Lipase trong xử lý chất thải dầu ăn và dầu thải đã qua xử lý có ít độc tính hơn so với dầu chưa qua xử lý [36]. Cuối cùng, với những ứng dụng khó có thể thay thế, Lipase đang và sẽ tiếp tục là xu hướng nghiên cứu và phát triển hơn nữa trong tương lai.

Bài viết của KMVE Lab Team, vui lòng trích dẫn khi bạn sử dụng thông tin trong bài.

Nguồn hình: internet và wikipedia.

Tài liệu tham khảo

[1] Chandra, P., Enespa, Singh, R. et al. Microbial lipases and their industrial applications: a comprehensive review. Microb Cell Fact 19, 169 (2020). https://doi.org/10.1186/s12934-020-01428-8

[2] Arpigny, J. L., & JAEGER, K. E. (1999). Bacterial lipolytic enzymes: classification and properties. Biochemical journal, 343(1), 177-183.

[3] Intra, A., Bava, A., Nasini, G., & Riva, S. (2004). Regioselective enzymatic acylation of polyhydroxylated sesquiterpenoids. Journal of Molecular catalysis B: Enzymatic, 29(1-6), 95-98.

[4] Guncheva, M., & Zhiryakova, D. (2011). Catalytic properties and potential applications of Bacillus lipases. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 68(1), 1-21.

[5] Bharathi, D., & Rajalakshmi, G. (2019). Microbial lipases: An overview of screening, production and purification. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 22, 101368.

[6] Gupta, R., Gupta, N., & Rathi, P. J. A. M. (2004). Bacterial lipases: an overview of production, purification and biochemical properties. Applied microbiology and biotechnology, 64, 763-781.

[7] Santos, K. C., Cassimiro, D. M., Avelar, M. H., Hirata, D. B., de Castro, H. F., Fernández-Lafuente, R., & Mendes, A. A. (2013). Characterization of the catalytic properties of lipases from plant seeds for the production of concentrated fatty acids from different vegetable oils. Industrial crops and products, 49, 462-470.

[8] de Sousa, J. S., Cavalcanti-Oliveira, E. D. A., Aranda, D. A. G., & Freire, D. M. G. (2010). Application of lipase from the physic nut (Jatropha curcas L.) to a new hybrid (enzyme/chemical) hydroesterification process for biodiesel production. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 65(1-4), 133-137.

[9] Borrelli, G. M., & Trono, D. (2015). Recombinant lipases and phospholipases and their use as biocatalysts for industrial applications. International journal of molecular sciences, 16(9), 20774-20840.

[10] You, P., Su, E., Yang, X., Mao, D., & Wei, D. (2011). Carica papaya lipase-catalyzed synthesis of terpene esters. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 71(3-4), 152-158.

[11] Mendes, A. A., Oliveira, P. C., & de Castro, H. F. (2012). Properties and biotechnological applications of porcine pancreatic lipase. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 78, 119-134.

[12] Bose, A., & Keharia, H. (2013). Production, characterization and applications of organic solvent tolerant lipase by Pseudomonas aeruginosa AAU2. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 2(3), 255-266.

[13] Liew, Y. X., Chan, Y. J., Show, P. L., Manickam, S., & Chong, M. F. (2015). Optimization of alkaline lipase production from Burkholderia cepacia through submerged fermentation. Chemical Engineering Transactions, 45, 1675-1680.

[14] Basheer, S. M., Chellappan, S., Beena, P. S., Sukumaran, R. K., Elyas, K. K., & Chandrasekaran, M. (2011). Lipase from marine Aspergillus awamori BTMFW032: production, partial purification and application in oil effluent treatment. New Biotechnology, 28(6), 627-638.

[15] Colla, L. M., Primaz, A. L., Benedetti, S., Loss, R. A., Lima, M. D., Reinehr, C. O., … & Costa, J. A. V. (2016). Surface response methodology for the optimization of lipase production under submerged fermentation by filamentous fungi. Brazilian Journal of Microbiology, 47, 461-467.

[16] Basheer, S. M., Chellappan, S., Beena, P. S., Sukumaran, R. K., Elyas, K. K., & Chandrasekaran, M. (2011). Lipase from marine Aspergillus awamori BTMFW032: production, partial purification and application in oil effluent treatment. New Biotechnology, 28(6), 627-638.

[17] Moo-Young, M. (2019). Comprehensive biotechnology. Elsevier.

[18] Trbojević Ivić, J., Veličković, D., Dimitrijević, A., Bezbradica, D., Dragačević, V., Gavrović Jankulović, M., & Milosavić, N. (2016). Design of biocompatible immobilized Candida rugosa lipase with potential application in food industry. Journal of the Science of Food and Agriculture, 96(12), 4281-4287.

[19] Cao, M., Fonseca, L. M., Schoenfuss, T. C., & Rankin, S. A. (2014). Homogenization and lipase treatment of milk and resulting methyl ketone generation in blue cheese. Journal of agricultural and food chemistry, 62(25), 5726-5733.

[20] Calzada, J., Del Olmo, A., Picon, A., Gaya, P., & Nuñez, M. (2013). High-pressure processing decelerates lipolysis and formation of volatile compounds in ovine milk blue-veined cheese. Journal of dairy science, 96(12), 7500-7510.

[21] Ornla-Ied, P., Sonwai, S., & Lertthirasuntorn, S. (2016). Trans-free margarine fat produced using enzymatic interesterification of rice bran oil and hard palm stearin. Food science and biotechnology, 25, 673-680.

[22] Pande, G., Akoh, C. C., & Shewfelt, R. L. (2013). Utilization of enzymatically interesterified cottonseed oil and palm stearin-based structured lipid in the production of trans-free margarine. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 2(1), 76-84.

[23] Sellami, M., Ghamgui, H., Frikha, F., Gargouri, Y., & Miled, N. (2012). Enzymatic transesterification of palm stearin and olein blends to produce zero-trans margarine fat. BMC biotechnology, 12(1), 1-8.

[24] Meng, Y., Li, S., Yuan, H., Zou, D., Liu, Y., Zhu, B., & Li, X. (2015). Effect of lipase addition on hydrolysis and biomethane production of Chinese food waste. Bioresource technology, 179, 452-459.

[25] Ferreira-Dias, Suzana (2018). Reference Module in Food Science || Structured Lipids for Foods. , (), –. doi:10.1016/B978-0-08-100596-5.21766-6

[26] Joshi, R., & Kuila, A. (2018). Lipase and their different industrial applications: A review. Brazilian Journal of Biological Sciences, 5(10), 237-247.

[27] Silveira, E. A., Tardioli, P. W., & Farinas, C. S. (2016). Valorization of palm oil industrial waste as feedstock for lipase production. Applied biochemistry and biotechnology, 179, 558-571.

[28] Yu, X. W., Xu, Y., & Xiao, R. (2016). Lipases from the genus Rhizopus: Characteristics, expression, protein engineering and application. Progress in Lipid Research, 64, 57-68.

[29] Yu, X. W., Xu, Y., & Xiao, R. (2016). Lipases from the genus Rhizopus: Characteristics, expression, protein engineering and application. Progress in Lipid Research, 64, 57-68.

[30] Escobar-Nino, A., Luna, C., Luna, D., Marcos, A. T., Canovas, D., & Mellado, E. (2014). Selection and characterization of biofuel-producing environmental bacteria isolated from vegetable oil-rich wastes. PLoS One, 9(8), e104063.

[31] Nomura, D. K., & Casida, J. E. (2016). Lipases and their inhibitors in health and disease. Chemico-biological interactions, 259, 211-222.

[32] Zhu, D., Wu, Q., & Wang, N. (2011). Industrial enzymes. Comprehensive biotechnology, 3-13.

[33] Basheer, S. M., Chellappan, S., Beena, P. S., Sukumaran, R. K., Elyas, K. K., & Chandrasekaran, M. (2011). Lipase from marine Aspergillus awamori BTMFW032: production, partial purification and application in oil effluent treatment. New Biotechnology, 28(6), 627-638.

[34] Saha, B. C., Jordan, D. B., & Bothast, R. J. (2009). Enzymes, Industrial (overview). Encyclopedia of Microbiology, 281–294. doi:10.1016/b978-012373944-5.00146-2

[35] Herranz, S., Marciello, M., Marco, M. P., Garcia-Fierro, J. L., Guisan, J. M., & Moreno-Bondi, M. C. (2018). Multiplex environmental pollutant analysis using an array biosensor coated with chimeric hapten-dextran-lipase constructs. Sensors and Actuators B: Chemical, 257, 256-262.

[36] Okino-Delgado, C. H., Prado, D. Z. D., Facanali, R., Marques, M. M. O., Nascimento, A. S., Fernandes, C. J. D. C., … & Fleuri, L. F. (2017). Bioremediation of cooking oil waste using lipases from wastes. PLoS One, 12(10), e0186246.