Enzyme công nghiệp là gì? Phân loại, ứng dụng và sản xuất

Enzyme công nghiệp là gì?

Enzyme công nghiệp là các enzyme được sản xuất, chuẩn hóa hoạt tính và ứng dụng ở quy mô sản xuất để xúc tác một phản ứng sinh hóa cụ thể trong thực phẩm, đồ uống, dệt may, giấy, chất tẩy rửa, thức ăn chăn nuôi, thủy sản, nhiên liệu sinh học, xử lý môi trường và nhiều lĩnh vực công nghệ sinh học khác.

Nói đơn giản hơn, enzyme công nghiệp là “công cụ sinh học” giúp nhà sản xuất cắt, nối, biến đổi hoặc giải phóng một thành phần hóa học trong nguyên liệu:

• Alpha-amylase cắt tinh bột.
• Protease cắt protein.
• Lipase xử lý chất béo.
• Cellulase và xylanase xử lý cellulose, hemicellulose.
• Pectinase phá pectin trong nước quả.
• Lichenase thủy phân β-glucan trong ngũ cốc.

Mỗi enzyme có cơ chất, điều kiện hoạt động và mục tiêu công nghệ riêng.

Theo FAO/JECFA, chế phẩm enzyme dùng trong chế biến thực phẩm thường là các protein có hoạt tính sinh học, có thể thu nhận từ nguồn động vật, thực vật hoặc vi sinh vật; chế phẩm có thể chứa một hoặc nhiều hoạt tính enzyme, kèm chất mang, dung môi, chất bảo quản hoặc chất ổn định phù hợp thực hành sản xuất tốt. Chế phẩm có thể ở dạng lỏng, bán lỏng, khô hoặc dạng enzyme cố định.

Điểm quan trọng là enzyme công nghiệp không chỉ là “enzyme tinh sạch” như trong phòng thí nghiệm. Trong sản xuất, người ta thường dùng chế phẩm enzyme. Chế phẩm này phải ổn định, dễ bảo quản, có hoạt tính được định lượng rõ ràng, có giới hạn tạp phù hợp và có hồ sơ an toàn theo mục đích sử dụng.

Từ góc nhìn công nghệ vi sinh, enzyme công nghiệp là một trong những nhóm sản phẩm sinh học có tính ứng dụng thực tế cao nhất. Nhóm sản phẩm này đứng ở giao điểm giữa vi sinh vật học, hóa sinh enzyme, kỹ thuật lên men, công nghệ sau thu hoạch, công nghệ thực phẩm và pháp lý sản phẩm.

Vì sao enzyme công nghiệp ngày càng quan trọng?

Enzyme được sử dụng vì ba lý do cốt lõi:

• tính đặc hiệu cao
• điều kiện phản ứng nhẹ
• khả năng thay thế một phần hóa chất hoặc quá trình cơ học tiêu tốn năng lượng

Ủy ban châu Âu mô tả enzyme thực phẩm là protein tự nhiên có thể thu nhận từ thực vật, động vật hoặc vi sinh vật, được thêm vào để thực hiện chức năng công nghệ trong sản xuất, chế biến hoặc xử lý thực phẩm; enzyme có thể giúp thay thế công nghệ hóa học truyền thống, giảm năng lượng, tăng tính phân hủy sinh học và tạo ít phản ứng phụ hơn hóa chất tổng hợp.

Trong công nghiệp thực phẩm, enzyme giúp tăng hiệu suất chiết xuất, rút ngắn thời gian chế biến, cải thiện cấu trúc sản phẩm, tăng độ trong, tăng khả năng lọc, tạo hương vị hoặc tạo đường lên men.

Trong chăn nuôi, enzyme ngoại sinh giúp vật nuôi tiêu hóa tốt hơn những thành phần khó phân giải như phytate, xylan, β-glucan hoặc protein thực vật.

Trong dệt may, enzyme giúp tẩy hồ, xử lý bề mặt sợi, làm mềm vải và giảm sử dụng hóa chất mạnh.

Trong xử lý phụ phẩm nông nghiệp, enzyme mở đường cho chuyển hóa lignocellulose thành đường, ethanol, acid hữu cơ hoặc nguyên liệu lên men.

Tuy nhiên, không nên thần thánh hóa enzyme. Một enzyme tốt không có nghĩa là quy trình sẽ tự động tốt. Hiệu quả phụ thuộc vào pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc, độ ẩm, cơ chất, chất ức chế, ion kim loại, công thức phối trộn, dạng bào chế và cả thiết bị sản xuất. Đây là điểm nhiều doanh nghiệp mới làm chế phẩm sinh học thường đánh giá thấp.

Phân loại enzyme công nghiệp

Có hai cách phân loại cần nắm: phân loại khoa học theo phản ứng xúc tác và phân loại thực hành theo cơ chất hoặc ngành ứng dụng.

Phân loại theo hệ EC

Hệ EC, tức Enzyme Commission number, phân loại enzyme theo loại phản ứng mà enzyme xúc tác.

Theo hướng dẫn IUBMB, enzyme hiện được chia thành 7 nhóm chính: oxidoreductase, transferase, hydrolase, lyase, isomerase, ligase và translocase; nhóm translocase được bổ sung sau để mô tả enzyme xúc tác vận chuyển ion hoặc phân tử qua màng.

Trong thực tế sản xuất, nhóm hydrolase chiếm vai trò rất lớn vì phần lớn quy trình công nghiệp cần “cắt nhỏ” polymer sinh học: tinh bột, protein, lipid, cellulose, hemicellulose, pectin, phytate. Vì vậy, khi nói về enzyme công nghiệp, nhiều người sẽ nghĩ ngay đến alpha-amylase, protease, lipase, cellulase, xylanase, pectinase và phytase.

Phân loại theo cơ chất và ứng dụng

Các nhóm enzyme công nghiệp quan trọng

Alpha-amylase

Alpha-amylase là enzyme thủy phân liên kết α-1,4-glycosidic bên trong phân tử tinh bột, tạo dextrin, maltose, maltotriose và các oligosaccharide ngắn. Đây là một trong những enzyme có ý nghĩa lớn nhất trong công nghiệp tinh bột, vì tinh bột từ gạo, ngô, sắn, khoai, lúa mì hoặc đại mạch là nguồn nguyên liệu rẻ và dồi dào.

Alpha-amylase có thể có nguồn gốc thực vật, động vật hoặc vi sinh vật, nhưng enzyme từ vi khuẩn và nấm, đặc biệt các loài Bacillus và Aspergillus, chiếm ưu thế trong ứng dụng công nghiệp nhờ khả năng sản xuất quy mô lớn và dễ cải tiến đặc tính. Một tổng quan về alpha-amylase vi sinh ghi nhận nhóm enzyme này được dùng rộng rãi trong thực phẩm, lên men, dệt, giấy, detergent và dược phẩm; sản xuất alpha-amylase thường dùng lên men chìm, trong khi lên men bán rắn cũng được xem là công nghệ nhiều triển vọng.

Trong sản xuất siro glucose hoặc siro fructose, alpha-amylase thường tham gia bước dịch hóa tinh bột, sau đó glucoamylase và các enzyme khác tiếp tục đường hóa. Trong ngành bia, amylase giúp chuyển tinh bột thành đường lên men. Trong dệt, alpha-amylase dùng để tẩy hồ tinh bột trên vải. Trong giấy, enzyme giúp điều chỉnh độ nhớt tinh bột dùng trong phủ giấy. Trong detergent, alpha-amylase giúp loại bỏ vết bẩn giàu tinh bột như cơm, mì, cháo, sốt hoặc thực phẩm khô bám trên bề mặt.

Điểm cần chú ý là alpha-amylase công nghiệp thường cần bền nhiệt, bền pH, ít phụ thuộc calcium hoặc phù hợp với điều kiện kiềm nếu dùng trong detergent. Vì vậy, cùng là alpha-amylase nhưng enzyme dùng cho tinh bột, enzyme dùng cho bánh mì và enzyme dùng cho bột giặt có thể là các sản phẩm rất khác nhau.

Protease

Protease là nhóm enzyme thủy phân liên kết peptide trong protein. Đây là một nhóm enzyme lớn, đa dạng và có giá trị thương mại cao. Protease được dùng trong detergent để loại bỏ vết bẩn protein như máu, trứng, sữa, mồ hôi; trong da thuộc để ngâm vôi, tẩy lông, làm mềm da; trong thực phẩm để làm mềm thịt, thủy phân protein thực vật, sản xuất peptide, cải thiện tính tan và tạo hương; trong bia để kiểm soát độ đục; trong dược phẩm và y sinh để sản xuất enzyme điều trị hoặc hỗ trợ xử lý mô.

Các tổng quan về protease vi sinh cho thấy protease có ứng dụng lớn trong detergent và thực phẩm, đồng thời ngày càng được quan tâm trong xử lý da, dược phẩm và một số quy trình sinh học thân thiện môi trường.

Trong sản xuất chế phẩm protease, điều khó không chỉ là hoạt tính cao. Cần chọn đúng phổ cắt, pH tối ưu, độ bền nhiệt, độ bền với chất hoạt động bề mặt, chất oxy hóa hoặc muối. Protease dùng trong thủy phân protein đậu nành khác với protease dùng trong bột giặt, và càng khác với enzyme dùng trong dược phẩm.

Lipase

Lipase xúc tác thủy phân triglyceride thành acid béo và glycerol. Trong điều kiện thích hợp, lipase cũng có thể xúc tác ester hóa, transester hóa hoặc interester hóa. Chính sự linh hoạt này làm lipase trở thành enzyme quan trọng trong công nghiệp dầu béo, hương liệu, sữa, biodiesel, detergent, dệt, da và dược phẩm.

Lipase nguồn gốc vi sinh có thể được sản xuất từ vi khuẩn, nấm men và nấm sợi. Tổng quan về lipase vi sinh mô tả lipase là nhóm enzyme rất linh hoạt, có nguồn gốc động vật, thực vật hoặc vi sinh vật; lipase vi sinh được dùng trong nhiều quy trình công nghiệp, bao gồm thực phẩm, nhiên liệu sinh học, chất tẩy rửa, thức ăn chăn nuôi, da, dệt và giấy.

• Trong thực phẩm, lipase có thể tạo hương vị đặc trưng cho phô mai, bơ, sữa lên men hoặc sản phẩm chứa lipid.
• Trong biodiesel, lipase xúc tác transester hóa dầu thực vật hoặc dầu thải thành ester acid béo.
• Trong dung dịch tẩy rửa, lipase giúp loại bỏ vết dầu mỡ.
• Trong công nghệ lipid, lipase cố định có giá trị cao vì có thể tái sử dụng và kiểm soát phản ứng chọn lọc hơn.

Một điểm đáng lưu ý: lipase thường nhạy với giao diện dầu – nước, chất hoạt động bề mặt và dung môi. Vì vậy, bào chế lipase công nghiệp không đơn giản. Dạng bột, dạng lỏng, dạng hạt hoặc dạng cố định đều cần được thiết kế theo quy trình đích.

Cellulase

Cellulase là hệ enzyme phân giải cellulose, thường gồm endoglucanase, exoglucanase/cellobiohydrolase và β-glucosidase. Cellulose là polymer glucose có liên kết β-1,4, rất phổ biến trong thành tế bào thực vật. Vì vậy, cellulase có vai trò lớn trong xử lý phụ phẩm nông nghiệp, dệt may, giấy, thức ăn chăn nuôi, nhiên liệu sinh học và thực phẩm.

Tổng quan về cellulase vi sinh cho thấy cellulase có tiềm năng ứng dụng trong giấy và bột giấy, dệt, giặt tẩy, biofuel, thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, bia và nông nghiệp.

Trong dệt may, cellulase được dùng cho biopolishing để làm mịn bề mặt vải cotton và biostoning trong xử lý jeans, thay thế một phần đá pumice truyền thống. Trong thức ăn chăn nuôi, cellulase hỗ trợ phá vỡ thành tế bào thực vật, giúp giải phóng dinh dưỡng. Trong sản xuất bioethanol thế hệ hai, cellulase là enzyme trung tâm để chuyển cellulose thành đường lên men.

Tuy nhiên, cellulase công nghiệp thường đắt nếu dùng cho thủy phân lignocellulose quy mô lớn. Lý do là cơ chất phức tạp, lignin cản trở tiếp cận enzyme, và cần phối hợp nhiều enzyme. Đây là một trong những bài toán kinh tế quan trọng nhất của biofuel từ sinh khối.

Xylanase

Xylanase thủy phân xylan, một thành phần chính của hemicellulose. Xylan hiện diện nhiều trong cám lúa mì, bã mía, lõi ngô, rơm rạ và nhiều phụ phẩm lignocellulose. Trong thức ăn chăn nuôi, xylanase giúp giảm độ nhớt đường ruột ở gia cầm, phá vỡ arabinoxylan và tăng khả dụng dinh dưỡng. Trong giấy, xylanase hỗ trợ tẩy trắng bột giấy và giảm nhu cầu hóa chất. Trong bánh mì, xylanase điều chỉnh tính chất bột nhào và cải thiện thể tích bánh. Trong biofuel, xylanase phối hợp với cellulase để thủy phân sinh khối.

Trong ngành thực phẩm, xylanase được mô tả là enzyme cắt xylan, một thành phần chính của hemicellulose; các hệ xylanase gồm endoxylanase, exoxylanase và β-xylosidase phối hợp để phân giải xylan backbone thành xylo-oligosaccharide hoặc xylose.

Xylanase cũng là nhóm enzyme có ý nghĩa lớn trong xu hướng sản xuất prebiotic từ phụ phẩm nông nghiệp. Xylo-oligosaccharide có thể được phát triển thành nguyên liệu chức năng, nhưng cần kiểm soát quy trình để tạo phổ oligosaccharide mong muốn.

Lichenase hay β-glucanase

Lichenase, còn gọi là endo-1,3:1,4-β-D-glucanase, thủy phân β-glucan có liên kết hỗn hợp β-1,3 và β-1,4. Enzyme này đặc biệt quan trọng với nguyên liệu ngũ cốc như đại mạch, yến mạch và một số phụ phẩm giàu β-glucan.

Trong sản xuất bia, β-glucan cao làm tăng độ nhớt dịch nha, gây khó bơm, khó lọc, giảm hiệu suất chiết và có thể tạo kết tủa dạng gel trong bia thành phẩm. Một nghiên cứu về β-glucanase trong sản xuất bia mô tả β-glucan còn lại sau quá trình malt có thể gây tăng độ nhớt, giảm tốc độ lọc và giảm hiệu suất chiết.

Lichenase cũng có ứng dụng trong thức ăn chăn nuôi, đặc biệt khi khẩu phần chứa nguyên liệu ngũ cốc giàu β-glucan. Nghiên cứu về lichenase bền nhiệt từ Bacillus subtilis cho thấy enzyme này có tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp bia và thức ăn chăn nuôi.

Pectinase

Pectinase là nhóm enzyme phân giải pectin, gồm polygalacturonase, pectin lyase, pectate lyase và pectin methylesterase.

Ở góc độ cấu tạo, pectin là polysaccharide quan trọng trong thành tế bào thực vật, nhiều trong vỏ quả, bã táo, bã cam, bã chanh dây, củ cải đường và nhiều phụ phẩm rau quả.

• Trong công nghiệp nước quả, pectinase làm giảm độ nhớt, phá cấu trúc keo, tăng hiệu suất ép, tăng độ trong và cải thiện lọc.
• Trong rượu vang, pectinase hỗ trợ chiết màu, chiết hương, giảm thời gian lắng và tăng khả năng lọc. Trong dệt, pectinase hỗ trợ bioscouring sợi bông.
• Trong cà phê và trà, pectinase tham gia xử lý lớp nhầy và cải thiện quá trình chế biến.

Các tổng quan về pectinase vi sinh ghi nhận pectinase được dùng trong nước quả, rượu vang, dệt, chế biến sợi thực vật, xử lý cà phê, trà, dầu thực vật và nước thải chứa vật liệu pectin.

Phytase

Phytase thủy phân phytate, dạng dự trữ phosphorus phổ biến trong hạt ngũ cốc, cám, đậu và khô dầu. Đối với gia cầm, heo và nhiều loài thủy sản, phytate-bound phosphorus khó tiêu hóa vì hệ tiêu hóa có hoạt tính phytase nội sinh thấp. Bổ sung phytase giúp giải phóng phosphorus, giảm nhu cầu bổ sung phosphate vô cơ và giảm thải phosphorus ra môi trường.

Tổng quan về phytase nấm cho thấy phytase được dùng rộng rãi trong thực phẩm và thức ăn chăn nuôi để cải thiện hiệu quả sử dụng phosphorus và giảm phosphorus trong môi trường; phytase đặc biệt quan trọng trong khẩu phần của động vật dạ dày đơn.

Trong ngành thức ăn chăn nuôi, phytase là ví dụ điển hình của enzyme công nghiệp vừa có lợi ích kinh tế vừa có lợi ích môi trường. Với các doanh nghiệp sản xuất chế phẩm vi sinh – enzyme cho nông nghiệp, đây là nhóm đáng đầu tư nội dung chuyên sâu.

Enzyme công nghiệp được sản xuất như thế nào?

Sản xuất enzyme công nghiệp là một quy trình gồm nhiều bước: chọn nguồn enzyme, tạo chủng sản xuất, lên men, thu hồi, tinh sạch tương đối, ổn định hóa, bào chế, kiểm nghiệm và đóng gói. Với enzyme dùng cho thực phẩm, thức ăn chăn nuôi hoặc dược phẩm, quy trình còn phải gắn với truy xuất nguồn gốc, an toàn chủng sản xuất và hồ sơ pháp lý.

Bước 1: Tìm kiếm và chọn enzyme

Nguồn enzyme có thể là vi khuẩn, nấm sợi, nấm men, thực vật hoặc động vật. Trong công nghiệp hiện đại, vi sinh vật là nguồn phổ biến nhất vì dễ nuôi cấy, sinh trưởng nhanh, sản xuất được ở quy mô lớn, có thể tối ưu bằng chọn giống, gây đột biến, kỹ thuật di truyền hoặc công nghệ protein.

Tổng quan về enzyme vi sinh cho thấy enzyme vi sinh có vai trò lớn trong các quy trình công nghệ sinh học, với ứng dụng trong giấy, da, detergent, dệt, dược phẩm, hóa chất, thực phẩm, đồ uống, biofuel, thức ăn chăn nuôi và chăm sóc cá nhân; nhiều enzyme công nghiệp hiện nay là dạng tái tổ hợp được sản xuất trong vi khuẩn hoặc nấm.

Các tiêu chí chọn enzyme gồm hoạt tính riêng, pH tối ưu, nhiệt độ tối ưu, độ bền nhiệt, độ bền pH, độ bền với muối, dung môi, chất hoạt động bề mặt, ion kim loại, chất oxy hóa, khả năng tiết ra môi trường và mức độ an toàn của chủng sản xuất.

Bước 2: Phát triển chủng sản xuất

Chủng sản xuất có thể là chủng tự nhiên, chủng chọn lọc, chủng đột biến hoặc chủng tái tổ hợp. Các hệ chủ thường gặp gồm Bacillus, Aspergillus, Trichoderma, Rhizopus, Penicillium, Saccharomyces, Komagataella/Pichia và E. coli. Bacillus phù hợp với nhiều enzyme tiết ngoại bào như amylase, protease, xylanase, lichenase. Aspergillus và Trichoderma mạnh về enzyme phân giải polysaccharide như amylase, glucoamylase, cellulase, xylanase, pectinase.

Điều quan trọng là chủng sản xuất không chỉ phải “sinh enzyme mạnh” mà còn phải an toàn. Với enzyme thực phẩm, cần đánh giá chủng có độc tố, độc lực, gene kháng kháng sinh đáng lo ngại hay khả năng tạo mycotoxin hay không. FAO/JECFA nêu rõ chủng vi sinh vật dùng sản xuất enzyme thực phẩm phải không gây bệnh, không sinh độc tố; với nguồn nấm cần đánh giá mycotoxin có ý nghĩa độc học; chủng phải được định danh, ổn định và được duy trì trong điều kiện tránh trôi dạt chủng.

Bước 3: Lên men sản xuất enzyme

Có hai hướng chính: lên men chìm và lên men bán rắn.

Công nghệ lên men chìm dùng môi trường lỏng trong bồn lên men có kiểm soát pH, nhiệt độ, oxy hòa tan, khuấy trộn, bọt và dinh dưỡng. Đây là lựa chọn phổ biến cho sản xuất công nghiệp quy mô lớn vì dễ tự động hóa và kiểm soát. Alpha-amylase, protease, lipase, xylanase và nhiều enzyme khác thường được sản xuất bằng lên men chìm.

Công nghệ lên men bán rắn sử dụng cơ chất rắn ẩm như cám mì, bã đậu, bã mía, vỏ quả, lõi ngô hoặc phụ phẩm nông nghiệp. Công nghệ này đặc biệt phù hợp với nhiều nấm sợi và có thể tận dụng phụ phẩm rẻ tiền. Tuy nhiên, kiểm soát nhiệt, độ ẩm, oxy, đồng nhất mẻ và mở rộng quy mô là thách thức lớn. Một tổng quan về sản xuất enzyme từ phụ phẩm lignocellulose ghi nhận lên men bán rắn đã được dùng để sản xuất nhiều enzyme, nhưng việc chuẩn hóa quy trình, kiểm soát nhiệt và tái lập kết quả ở quy mô lớn vẫn là hạn chế.

Bước 4: Thu hồi và tinh sạch tương đối

Sau lên men, enzyme có thể nằm trong dịch lên men nếu là enzyme ngoại bào, hoặc nằm trong tế bào nếu là enzyme nội bào. Với enzyme ngoại bào, quy trình thường gồm loại sinh khối bằng ly tâm/lọc, cô đặc bằng siêu lọc, loại tạp bằng kết tủa hoặc màng, bổ sung chất ổn định, sau đó bào chế. Với enzyme nội bào, cần phá tế bào, loại mảnh tế bào rồi tinh sạch sâu hơn.

Không phải enzyme công nghiệp nào cũng cần tinh sạch cao. Enzyme detergent, enzyme thức ăn chăn nuôi hoặc enzyme xử lý phụ phẩm thường chỉ cần tinh sạch đến mức đạt hoạt tính, độ ổn định và giới hạn tạp phù hợp. Ngược lại, enzyme dược phẩm, enzyme chẩn đoán hoặc enzyme dùng trong sinh học phân tử cần độ tinh sạch rất cao, hồ sơ tạp protein, endotoxin và độ ổn định nghiêm ngặt hơn.

Bước 5: Bào chế enzyme

Bào chế quyết định enzyme có sống được trong chuỗi cung ứng hay không. Một enzyme trong phòng thí nghiệm có thể hoạt tính rất cao nhưng mất 70% hoạt tính sau sấy, sau ép viên thức ăn chăn nuôi hoặc sau bảo quản ở kho nóng. Vì vậy, công nghệ bào chế rất quan trọng.

Các dạng bào chế phổ biến gồm enzyme lỏng, enzyme bột, enzyme hạt, enzyme vi bao, enzyme phủ bảo vệ, enzyme cố định trên chất mang và enzyme phối hợp nhiều hoạt tính. Với thức ăn chăn nuôi, enzyme cần chịu được quá trình ép viên ở nhiệt độ cao hoặc được phun sau ép viên. Với detergent, enzyme cần ổn định trong môi trường kiềm, chất hoạt động bề mặt và chất oxy hóa. Với thực phẩm, enzyme cần đạt tiêu chuẩn food-grade, có hồ sơ an toàn và không để lại tác dụng công nghệ ngoài mong muốn trong sản phẩm cuối.

Bước 6: Kiểm nghiệm chất lượng

Các chỉ tiêu kiểm nghiệm thường gồm hoạt tính enzyme, protein tổng, độ ẩm, pH, độ ổn định, phổ cơ chất, hoạt tính phụ không mong muốn, vi sinh vật nhiễm, Salmonella, E. coli, coliforms, kim loại nặng, mycotoxin nếu nguồn nấm, dư lượng kháng sinh nếu có nguy cơ, chất mang, chất bảo quản và độ đồng nhất lô.

FAO/JECFA đưa ra một số thông số đáng chú ý cho chế phẩm enzyme thực phẩm, như Salmonella vắng mặt trong 25 g, E. coli vắng mặt trong 25 g, tổng coliform không quá 30/g, chì không quá 5 mg/kg và không có hoạt tính kháng sinh trong chế phẩm từ nguồn vi sinh.

Ứng dụng enzyme công nghiệp theo ngành

Công nghiệp thực phẩm và đồ uống

Đây là lĩnh vực có mật độ ứng dụng enzyme rất cao. Trong sản xuất tinh bột, amylase, glucoamylase, pullulanase và glucose isomerase tạo siro glucose, maltose, maltodextrin hoặc fructose. Trong bánh mì, amylase, xylanase, lipase, glucose oxidase và protease cải thiện bột nhào, thể tích bánh, màu vỏ, cấu trúc ruột bánh và độ mềm. Trong nước quả, pectinase, cellulase và hemicellulase tăng hiệu suất ép, giảm độ nhớt, làm trong và cải thiện lọc. Trong sữa, lactase tạo sữa không lactose; chymosin hoặc enzyme đông tụ sữa dùng trong phô mai; lipase có thể tạo hương.

Một tổng quan về enzyme vi sinh trong thực phẩm ghi nhận enzyme vi sinh được ưu tiên so với enzyme từ thực vật hoặc động vật vì có thể sản xuất bằng lên men, chi phí hợp lý, ổn định, dễ chuẩn hóa và tối ưu quy trình; bài viết cũng liệt kê nhiều ứng dụng của amylase, protease, lactase, lipase và xylanase trong chế biến thực phẩm.

Thức ăn chăn nuôi và thủy sản

Enzyme thức ăn chăn nuôi thường nhằm phá các chất kháng dinh dưỡng hoặc thành phần khó tiêu trong nguyên liệu thực vật. Phytase giải phóng phosphorus từ phytate. Xylanase phân giải arabinoxylan. β-glucanase/lichenase giảm độ nhớt do β-glucan. Cellulase và mannanase phá thành tế bào thực vật. Protease tăng tiêu hóa protein. Amylase hỗ trợ tiêu hóa tinh bột.

Về pháp lý tại Việt Nam, enzyme dùng trong thức ăn chăn nuôi phải được xem trong khung quản lý thức ăn chăn nuôi. Luật Chăn nuôi 2018 có chương riêng về thức ăn chăn nuôi, bao gồm yêu cầu đối với sản phẩm trước khi lưu thông, công bố thông tin, khảo nghiệm, điều kiện sản xuất, nhập khẩu, kiểm tra chất lượng và ghi nhãn.

Dệt may

Enzyme trong dệt may giúp giảm sử dụng hóa chất mạnh, giảm nhiệt độ xử lý và cải thiện chất lượng vải. Amylase dùng để tẩy hồ tinh bột. Cellulase dùng trong biopolishing và biostoning. Pectinase dùng trong bioscouring sợi bông. Laccase có thể tham gia xử lý màu hoặc hoàn tất sinh học.

Cellulase là một trong những enzyme thành công nhất trong xử lý dệt cellulose, đặc biệt trong hoàn tất vải cotton, biostoning jeans và biopolishing để cải thiện bề mặt, độ mềm và ngoại quan của vải.

Giấy và bột giấy

Xylanase, cellulase, laccase và một số enzyme oxy hóa được dùng trong xử lý bột giấy, tẩy trắng sinh học, cải thiện thoát nước, khử mực giấy tái chế và giảm sử dụng chlorine hoặc hóa chất oxy hóa mạnh. Xylanase đặc biệt hữu ích vì xylan trong bột giấy có thể cản trở quá trình tẩy trắng hóa học. Khi xylanase mở cấu trúc hemicellulose, hóa chất tẩy trắng tiếp cận lignin tốt hơn.

Chất tẩy rửa

Detergent enzyme là lĩnh vực rất thực dụng. Protease xử lý vết protein. Amylase xử lý vết tinh bột. Lipase xử lý dầu mỡ. Cellulase làm sáng vải và giảm xơ vải. Mannanase xử lý gum thực phẩm. Pectinase có thể xử lý vết bẩn từ trái cây hoặc rau.

Yêu cầu kỹ thuật ở đây khá nghiêm ngặt: enzyme phải ổn định trong pH kiềm, chất hoạt động bề mặt, chất tạo chelate, chất oxy hóa, chất thơm và điều kiện bảo quản. Ngoài ra, vấn đề bụi enzyme và dị ứng nghề nghiệp phải được kiểm soát nghiêm ngặt.

CDC/NIOSH xem enzyme là nhóm tác nhân cao phân tử có thể gây mẫn cảm đường hô hấp liên quan đến hen nghề nghiệp; NIOSH cũng có hướng dẫn riêng về subtilisin, một protease thương mại dùng trong bột giặt, với triệu chứng có thể gồm kích ứng mắt, da, đường hô hấp và mẫn cảm hô hấp.

Nông nghiệp, phân bón và xử lý phụ phẩm

Enzyme có thể tham gia phân giải phụ phẩm nông nghiệp, ủ compost, thủy phân protein cá, phân giải cellulose, hemicellulose, pectin, tinh bột hoặc lipid trong nguyên liệu hữu cơ. Trong các chế phẩm vi sinh nông nghiệp, enzyme thường là hoạt tính đi kèm của vi sinh vật có ích như Bacillus, Trichoderma, Streptomyces hoặc Aspergillus.

Nếu sản phẩm được thương mại hóa như phân bón hoặc chế phẩm liên quan phân bón tại Việt Nam, cần xem khung pháp lý phân bón. Nghị định 84/2019/NĐ-CP quy định về quản lý phân bón và có hiệu lực từ 01/01/2020.

Dược phẩm, chẩn đoán và sinh học phân tử

Enzyme trong dược phẩm và chẩn đoán là nhóm có yêu cầu cao hơn rất nhiều. Trypsin, chymotrypsin, collagenase, hyaluronidase, asparaginase, thrombin, DNase, polymerase, reverse transcriptase, ligase, restriction enzyme và nhiều enzyme khác được dùng trong điều trị, xét nghiệm, nghiên cứu hoặc sản xuất sinh phẩm.

Khác với enzyme dùng trong công nghiệp, enzyme dược phẩm phải được kiểm soát rất sâu về độ tinh sạch, tạp protein, endotoxin, hoạt tính phụ, độc tính, miễn dịch, độ ổn định, điều kiện bảo quản và hồ sơ GMP dược.

Khía cạnh quản lý nhà nước đối với enzyme công nghiệp

Trong thực tế, không có một “giấy phép enzyme công nghiệp” áp dụng cho mọi trường hợp. Cùng một alpha-amylase, nếu dùng để thủy phân tinh bột trong thực phẩm sẽ chịu khung pháp lý thực phẩm; nếu dùng trong thức ăn chăn nuôi sẽ chịu khung pháp lý thức ăn chăn nuôi; nếu dùng trong detergent sẽ chịu khung hóa chất/hàng hóa; nếu dùng trong thuốc sẽ chịu khung dược phẩm. Đây là điểm doanh nghiệp cần phân loại đúng ngay từ đầu.

Enzyme công nghiệp dùng trong thực phẩm

Với enzyme thực phẩm, cần phân biệt phụ gia thực phẩm và chất hỗ trợ chế biến.

Chất hỗ trợ chế biến là chất được chủ định dùng trong quá trình xử lý hoặc chế biến để thực hiện mục đích công nghệ, nhưng không được dùng như thành phần thực phẩm; dư lượng hoặc dẫn xuất có thể hiện diện không cố ý và không thể tránh khỏi trong sản phẩm cuối. TCVN 11429:2016, tương đương CAC/GL 75:2010, nêu nguyên tắc sử dụng an toàn chất hỗ trợ chế biến, trong đó lượng dùng phải giới hạn ở mức thấp nhất cần thiết, dư lượng phải giảm đến mức hợp lý và không gây nguy cơ sức khỏe.

Tại Việt Nam, Nghị định 15/2018/NĐ-CP quy định về tự công bố sản phẩm và đăng ký bản công bố sản phẩm trong lĩnh vực an toàn thực phẩm; nhóm sản phẩm được tự công bố bao gồm thực phẩm đã qua chế biến bao gói sẵn, phụ gia thực phẩm, chất hỗ trợ chế biến thực phẩm, dụng cụ chứa đựng và vật liệu bao gói tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm, trừ các trường hợp phải đăng ký bản công bố.

Thông tư 24/2019/TT-BYT của Bộ Y tế quy định về danh mục phụ gia thực phẩm, sử dụng và quản lý phụ gia thực phẩm, có hiệu lực từ 16/10/2019. Văn bản này đã được sửa đổi, bổ sung bởi Thông tư 17/2023/TT-BYT và bị bãi bỏ một phần bởi Thông tư 08/2024/TT-BYT, trong đó Thông tư 08/2024 bãi bỏ Điều 13 của Thông tư 24/2019/TT-BYT.

Ở thị trường EU, Quy định EC No 1332/2008 hài hòa quản lý enzyme thực phẩm; enzyme thực phẩm phải được EFSA đánh giá an toàn và sau đó được Ủy ban châu Âu phê duyệt để đưa vào Union list. Ủy ban châu Âu nêu rằng hiện chưa có Union list enzyme thực phẩm được phê duyệt hoàn chỉnh; danh sách sẽ được thiết lập sau khi quá trình đánh giá hoàn tất.

Ở Hoa Kỳ, FDA xem enzyme dùng trong thực phẩm có thể là phụ gia thực phẩm được phê duyệt hoặc là chất GRAS. FDA công bố danh sách một phần các chế phẩm enzyme dùng trong thực phẩm, đồng thời lưu ý danh sách này không bao gồm tất cả enzyme mà FDA có thể xem là GRAS cho một số mục đích sử dụng.

Enzyme dùng trong thức ăn chăn nuôi

Enzyme dùng trong thức ăn chăn nuôi thường được xem là phụ gia hoặc thức ăn bổ sung tùy công thức và mục đích. Tại Việt Nam, Luật Chăn nuôi 2018 quy định các yêu cầu đối với thức ăn chăn nuôi thương mại, công bố thông tin sản phẩm, khảo nghiệm, điều kiện sản xuất, nhập khẩu, kiểm tra chất lượng và ghi nhãn.

Với nhóm này, hồ sơ kỹ thuật thường phải thể hiện tên enzyme, hoạt tính, đơn vị hoạt tính, nguồn gốc chủng sản xuất, chất mang, hướng dẫn liều dùng, độ bền khi ép viên, thời hạn sử dụng, điều kiện bảo quản và dữ liệu an toàn. Nếu dùng chủng biến đổi gene để sản xuất enzyme, cần kiểm soát thêm vấn đề DNA tái tổ hợp, tế bào sản xuất còn sống và yêu cầu theo thị trường nhập khẩu.

Enzyme dùng trong phân bón, chế phẩm sinh học và môi trường

Nếu enzyme được bán như thành phần của phân bón hữu cơ vi sinh, chế phẩm xử lý phụ phẩm hoặc sản phẩm cải tạo đất, cần phân loại theo quy định về phân bón và sản phẩm sinh học tương ứng. Nghị định 84/2019/NĐ-CP là văn bản quan trọng về quản lý phân bón tại Việt Nam.

Trong thực tế, nhiều sản phẩm nông nghiệp không bán “enzyme tinh khiết” mà bán chế phẩm vi sinh có khả năng sinh cellulase, protease, amylase, phytase hoặc chitinase. Trường hợp này cần phân biệt rõ sản phẩm là enzyme, vi sinh vật sống, chế phẩm sinh học, phân bón hay sản phẩm xử lý môi trường, vì hồ sơ pháp lý, chỉ tiêu kiểm nghiệm và cách ghi nhãn sẽ khác nhau.

Enzyme dùng trong chất tẩy rửa, dệt, giấy và công nghiệp kỹ thuật

Với enzyme kỹ thuật không dùng cho thực phẩm hoặc thức ăn chăn nuôi, trọng tâm pháp lý thường nằm ở an toàn hóa chất/hàng hóa, ghi nhãn, SDS, an toàn lao động, vận chuyển, cảnh báo dị ứng và quản lý bụi enzyme. Enzyme là protein, có thể gây mẫn cảm hô hấp khi hít phải ở dạng bụi hoặc aerosol. Do đó, cơ sở sản xuất cần kiểm soát bụi, dùng dạng hạt ít bụi, hệ thống hút cục bộ, PPE, đào tạo thao tác và giám sát sức khỏe nghề nghiệp.

Checklist hồ sơ cho một chế phẩm enzyme thương mại

Một chế phẩm enzyme nghiêm túc nên có tối thiểu các nhóm hồ sơ sau:

Những sai lầm thường gặp khi phát triển enzyme công nghiệp

Sai lầm đầu tiên là chỉ nhìn vào hoạt tính trong ống nghiệm. Hoạt tính cao ở pH 6, 37°C chưa chắc có ý nghĩa nếu quy trình thực tế diễn ra ở pH 9, 55°C hoặc có chất hoạt động bề mặt.

Sai lầm thứ hai là bỏ qua hoạt tính phụ. Một chế phẩm pectinase có cellulase phụ có thể tốt cho chiết nước quả nhưng lại không phù hợp nếu cần bảo toàn cấu trúc mô. Một protease có hoạt tính quá rộng có thể tạo vị đắng trong thủy phân protein. Một lipase có hoạt tính không mong muốn có thể làm hỏng hương vị sản phẩm béo.

Sai lầm thứ ba là không kiểm soát chủng sản xuất. Với enzyme thực phẩm, câu hỏi không chỉ là enzyme gì, mà còn là enzyme được sản xuất bởi chủng nào, chủng có an toàn không, có tạo độc tố không, có còn tế bào sống không, có dư DNA hay protein ngoài ý muốn không.

Sai lầm thứ tư là xem nhẹ bào chế. Nhiều enzyme chết trong quá trình sấy, mất hoạt tính khi bảo quản hoặc không chịu được ép viên thức ăn chăn nuôi. Công thức bào chế đôi khi quan trọng không kém bản thân enzyme.

Sai lầm thứ năm là đi thị trường trước, làm pháp lý sau. Với enzyme dùng trong thực phẩm, thức ăn chăn nuôi hoặc sản phẩm nông nghiệp, việc phân loại sai ngay từ đầu có thể khiến hồ sơ công bố, nhãn, tiêu chuẩn cơ sở và quảng cáo đều sai theo.

Xu hướng phát triển enzyme công nghiệp

Xu hướng thứ nhất là enzyme tái tổ hợp và thiết kế protein. Nhờ genomics, metagenomics, AI hỗ trợ dự đoán cấu trúc và directed evolution, ngày càng nhiều enzyme được cải thiện về bền nhiệt, bền pH, hoạt tính, phổ cơ chất và khả năng chịu dung môi.

Xu hướng thứ hai là enzyme từ vi sinh vật bản địa và phụ phẩm nông nghiệp. Với Việt Nam, đây là hướng rất đáng chú ý. Nước ta có nguồn phụ phẩm lớn từ lúa gạo, sắn, mía, cà phê, trái cây nhiệt đới, thủy sản và chăn nuôi. Nếu khai thác tốt vi sinh vật bản địa và lên men trên phụ phẩm, có thể tạo ra enzyme phù hợp hơn với nguyên liệu địa phương.

Xu hướng thứ ba là phối hợp enzyme. Trong thực tế, một enzyme đơn lẻ ít khi đủ để xử lý cơ chất phức tạp. Thủy phân lignocellulose cần cellulase, xylanase, β-glucosidase, mannanase, laccase hoặc enzyme phụ trợ. Chiết nước quả cần pectinase, cellulase và hemicellulase. Thức ăn chăn nuôi có thể cần phytase, xylanase, β-glucanase, protease và amylase.

Xu hướng thứ tư là enzyme cố định. Enzyme cố định trên chất mang có thể tái sử dụng, tăng độ bền và phù hợp với reactor liên tục. Lipase cố định, glucose isomerase cố định và một số enzyme xử lý đường là ví dụ kinh điển.

Xu hướng thứ năm là tiêu chuẩn hóa và minh bạch hồ sơ. Người mua enzyme ngày càng quan tâm đến nguồn chủng, GMO/non-GMO, allergen, food-grade, halal, kosher, COA, SDS, phương pháp đo hoạt tính và dữ liệu ổn định. Doanh nghiệp nào kiểm soát tốt hồ sơ sẽ có lợi thế.

FAQ – Câu hỏi thường gặp về enzyme công nghiệp

Enzyme công nghiệp có phải là vi sinh vật không?

Không. Enzyme là protein hoặc phân tử xúc tác sinh học do sinh vật tạo ra. Vi sinh vật có thể được dùng để sản xuất enzyme, nhưng chế phẩm enzyme thương mại thường không nhất thiết chứa tế bào vi sinh vật sống. Một số chế phẩm nông nghiệp có thể vừa chứa vi sinh vật sống vừa có hoạt tính enzyme, nhưng đó là nhóm sản phẩm khác.

Enzyme công nghiệp có an toàn không?

An toàn hay không phụ thuộc vào enzyme, nguồn sản xuất, độ tinh sạch, tạp chất, mục đích sử dụng, liều dùng và hồ sơ kiểm nghiệm. Enzyme thực phẩm phải đáp ứng yêu cầu an toàn nghiêm ngặt hơn enzyme kỹ thuật. Chế phẩm từ vi sinh vật cần đánh giá chủng sản xuất, độc tố, vi sinh vật nhiễm và các giới hạn tạp liên quan.

Enzyme có bị mất hoạt tính khi gia nhiệt không?

Có thể. Nhiều enzyme bị biến tính ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, một số enzyme công nghiệp được chọn lọc hoặc cải tiến để bền nhiệt, ví dụ alpha-amylase bền nhiệt trong dịch hóa tinh bột hoặc phytase phủ bảo vệ dùng trong thức ăn ép viên. Cần xem dữ liệu ổn định của từng sản phẩm.

Enzyme khác gì hóa chất xúc tác?

Enzyme thường có tính đặc hiệu cao hơn, hoạt động ở điều kiện nhẹ hơn và ít tạo sản phẩm phụ hơn. Nhưng enzyme nhạy với pH, nhiệt độ, dung môi, chất ức chế và điều kiện bảo quản. Hóa chất xúc tác có thể rẻ và bền hơn trong một số quy trình, nhưng kém chọn lọc hoặc gây tác động môi trường cao hơn.

Enzyme có cần ghi trên nhãn thực phẩm thành phẩm không?

Điều này phụ thuộc enzyme là thành phần còn chức năng trong sản phẩm cuối hay là chất hỗ trợ chế biến, và phụ thuộc quy định từng thị trường. Với chất hỗ trợ chế biến, dư lượng không được thực hiện chức năng công nghệ trong sản phẩm cuối và quy định ghi nhãn có thể khác phụ gia thực phẩm. Cần đánh giá theo hồ sơ sản phẩm cụ thể.

Enzyme từ chủng biến đổi gene có được dùng trong thực phẩm không?

Ở nhiều thị trường, enzyme sản xuất bằng vi sinh vật biến đổi gene có thể được phép nếu đáp ứng đánh giá an toàn và yêu cầu pháp lý. Điểm cần kiểm soát là chủng sản xuất, DNA tái tổ hợp, tế bào còn sống, tạp chất, độc tố và hồ sơ đánh giá nguy cơ. Không nên mặc định “GMO là không được dùng” hoặc “GMO là luôn được dùng”; phải xét theo quy định thị trường đích.

Vì sao enzyme thức ăn chăn nuôi thường phối hợp nhiều loại?

Khẩu phần chăn nuôi chứa nhiều cơ chất khó tiêu khác nhau: phytate, xylan, β-glucan, cellulose, tinh bột kháng tiêu, protein thực vật. Một enzyme đơn lẻ chỉ xử lý một nhóm liên kết nhất định. Phối hợp phytase, xylanase, β-glucanase, protease và amylase có thể tạo hiệu quả rộng hơn, nhưng cần kiểm tra tương thích và ổn định.

Doanh nghiệp nhỏ có thể sản xuất enzyme công nghiệp không?

Có thể, nhưng nên bắt đầu từ phân khúc phù hợp như enzyme thô cho xử lý phụ phẩm, chế phẩm vi sinh có hoạt tính enzyme hoặc enzyme cho quy trình nội bộ. Nếu muốn làm enzyme thực phẩm, thức ăn chăn nuôi hoặc xuất khẩu, cần đầu tư nghiêm túc vào chủng giống, lên men, kiểm nghiệm, bào chế, tiêu chuẩn cơ sở, COA, SDS và hồ sơ pháp lý.

Tổng kết lại

Enzyme công nghiệp là nền tảng quan trọng của công nghệ sinh học ứng dụng. Từ alpha-amylase trong tinh bột, protease trong detergent, lipase trong dầu béo, cellulase trong dệt và biofuel, xylanase trong thức ăn chăn nuôi, lichenase trong bia đến pectinase trong nước quả, enzyme đang giúp nhiều ngành sản xuất chuyển dần từ hóa học mạnh sang sinh học chính xác hơn.

Nhưng enzyme không phải “phụ gia thần kỳ”. Để ứng dụng hiệu quả, cần hiểu đúng cơ chất, điều kiện phản ứng, nguồn enzyme, công nghệ lên men, bào chế, kiểm nghiệm và khung pháp lý. Với các doanh nghiệp công nghệ sinh học tại Việt Nam, cơ hội lớn nằm ở enzyme vi sinh vật, enzyme xử lý phụ phẩm nông nghiệp, enzyme thức ăn chăn nuôi, enzyme thực phẩm và các chế phẩm phối hợp vi sinh – enzyme có hồ sơ khoa học rõ ràng.

Xem thêm:

• Alpha-amylase là gì?
• Lipase là gì?
• Protease công nghiệp
• Cellulase là gì?
• Xylanase là gì?
• Lichenase/β-glucanase là gì?
• Pectinase là gì?
• Phytase là gì?
• Sản xuất enzyme bằng vi sinh vật
• Enzyme trong thức ăn chăn nuôi
• Enzyme trong xử lý phụ phẩm nông nghiệp
• Pháp lý enzyme thực phẩm tại Việt Nam
• Kiểm nghiệm hoạt tính enzyme
• Enzyme và an toàn với sức khỏe

Tài liệu tham khảo

• General Specifications and Considerations for Enzyme Preparations (FAO)
• Enzymes (EU)
• A Brief Guide to Enzyme Nomenclature and Classification
• Application of microbial α-amylase in industry
• Molecular and Biotechnological Aspects of Microbial Proteases
• Microbial lipases and their industrial applications: a comprehensive review
• Microbial Cellulases and Their Industrial Applications
• Applications of Microbial Enzymes in Food Industry
• Microbial Enzymes: Tools for Biotechnological Processes
• Characterization of a β-glucanase produced by Rhizopus microsporus var. microsporus, and its potential for application in the brewing industry
• Characterization of a Thermostable Lichenase from Bacillus subtilis B110 and Its Effects on β-Glucan Hydrolysis
• Pectinase from Microorganisms and Its Industrial Applications
• Bioprocess for Production, Characteristics, and Biotechnological Applications of Fungal Phytases
• Microbial Enzyme Production Using Lignocellulosic Food Industry Wastes as Feedstock: A Review
• EU List and Applications
• Enzyme Preparations Used in Food (FDA)