Chuyên đề Sinh học 10 Bài 7 (Chân trời sáng tạo): Quy trình công nghệ sản xuất enzyme

Giải bài tập Chuyên đề Sinh học 10 Bài 7: Quy trình công nghệ sản xuất enzyme

A/ Câu hỏi mở đầu

Mở đầu trang 45 Chuyên đề Sinh học 10: Protease là một loại enzyme được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp (thực phẩm, thuộc da, chất tẩy rửa,…). Enzyme này được thu nhận chủ yếu từ động vật. Tuy nhiên, để thu nhận một lượng lớn enzyme cần phải sử dụng rất nhiều cá thể động vật, điều này gây mất nhiều thời gian cũng như tốn nhiều kinh phí cho việc chăn nuôi. Có phương pháp nào có thể tạo được số lượng lớn enzyme protease trong thời gian ngắn nhưng vẫn giảm được chi phí sản xuất?

Trả lời:

Ngoài phương pháp thu nhận từ động vật, enzyme protease còn có thể được sản xuất bằng công nghệ sản xuất enzyme protease từ chủng nấm mốc Aspergillus oryzae hoặc công nghệ sản xuất enzyme protease tái tổ hợp từ nấm mốc Aspergillus oryzae. Nhờ tốc độ sinh trưởng và sinh sản nhanh của vi sinh vật, những công nghệ này có thể tạo ra số lượng lượng enzyme protease trong thời gian ngắn nhưng vẫn giảm được chi phí sản xuất.

B/ Câu hỏi giữa bài

I. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ENZYME

Hình thành kiến thức mới 1 trang 45 Chuyên đề Sinh học 10: Enzyme đóng vai trò quan trọng như thế nào đối với cơ thể sống?

Trả lời:

Vai trò của enzyme đối với cơ thể sống:

- Xúc tác các phản ứng hóa học: Enzyme làm tăng tốc độ phản ứng của cơ thể lên hàng triệu lần, nhờ đó, sự đồng hóa và dị hóa xảy ra một cách nhanh chóng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường của cơ thể. Nếu không có enzyme thì các phản ứng sẽ không xảy ra hoặc xảy ra vô cùng chậm dẫn đến các hoạt động sống không thể duy trì.

- Kiểm soát các phản ứng hóa học đặc biệt: Nhờ có tính đặc hiệu cao nên enzyme kiểm soát được các phản ứng hóa học đặc biệt và điều chỉnh tốc độ phản ứng tương ứng với điều kiện trao đổi chất của cơ thể.

Hình thành kiến thức mới 2 trang 45 Chuyên đề Sinh học 10: Trình bày các đặc điểm của enzyme. Cho ví dụ.

Trả lời:

Các đặc điểm của enzyme:

- Có hoạt tính mạnh: Ở điều kiện thích hợp, hầu hết các phản ứng có sự xúc tác của enzyme đều diễn ra với tốc độ nhanh. Ví dụ: 1 phân tử chymotrypsin có thể phân giải 10² phân tử protein trong 1 giây.

- Có tính đặc hiệu cao: Đa số enzyme có tính đặc hiệu tuyệt đối, chỉ xúc tác cho một cơ chất nhất định. Ví dụ: urease chỉ phân giải ure thành amoniac.

- Có sự phối hợp hoạt động giữa các enzyme: Trong tế bào, enzyme hoạt động theo kiểu dây chuyền, sản phẩm phản ứng của enzyme trước là cơ chất của enzyme sau. Ví dụ: trong hạt lúa mạch đang nảy mầm, amylase phân giải tinh bột thành maltose, sau đó maltase sẽ phân giải maltose thành glucose.

- Enzyme có sự định khu trong tế bào: Enzyme có thể ở dạng hòa tan trong tế bào chất hoặc được định khu trong các bào quan. Ví dụ: enzyme xúc tác cho phản ứng trong hô hấp tế bào định khu trong ti thể.

- Hầu hết các enzyme có nguồn gốc tự nhiên đều không độc.

- Enzyme chịu sự tác động của một số yếu tố: nhiệt độ, pH, áp suất,… Mỗi enzyme hoạt động tối ưu trong những điều kiện nhất định, ở những môi trường không thích hợp, enzyme sẽ mất hoạt tính.

Luyện tập trang 46 Chuyên đề Sinh học 10: Điều gì sẽ xảy ra với cơ thể nếu quá trình sản xuất các enzyme bị rối loạn?

Trả lời:

Nếu quá trình sản xuất các enzyme bị rối loạn (các enzyme có thể không được tổng hợp hoặc được tổng hợp nhưng mất hoạt tính) sẽ làm cho các phản ứng sinh hóa trong tế bào diễn ra chậm hoặc không diễn ra dẫn đến sự rối loạn chuyển hóa các chất gây ra các bệnh lí hoặc tử vong.

II. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ENZYME TỰ NHIÊN

Hình thành kiến thức mới 3 trang 47 Chuyên đề Sinh học 10: Quy trình sản xuất công nghệ enzyme bao gồm những giai đoạn nào?

Trả lời:

Quy trình sản xuất công nghệ enzyme bao gồm 4 giai đoạn:

(1) Chọn nguồn nguyên liệu.

(2) Tách chiết enzyme.

(3) Tinh sạch enzyme.

(4) Tạo chế phẩm enzyme.

Hình thành kiến thức mới 4 trang 47 Chuyên đề Sinh học 10: Khi lựa chọn nguồn nguyên liệu để thu nhận enzyme, cần lưu ý điều gì? Tại sao?

Trả lời:

Lưu ý khi lựa chọn nguồn nguyên liệu để thu nhận enzyme: cần lựa chọn nguồn nguyên liệu có chứa một lượng lớn enzyme cũng như cho phép thu được enzyme với hiệu suất cao và dễ dàng tinh chế chúng. Điều này sẽ giúp quá trình sản xuất enzyme diễn ra dễ dàng và tiết kiệm chi phí.

Hình thành kiến thức mới 5 trang 48 Chuyên đề Sinh học 10: Việc tách chiết enzyme từ cơ thể sinh vật gặp phải khó khăn gì? Để giải quyết khó khăn đó, người ta đã dùng phương án gì?

Trả lời:

- Khó khăn: Các phân tử enzyme có kích thước lớn nên không thể di chuyển qua màng của các bào quan, màng sinh chất và thành tế bào.

- Phương pháp khắc phục: Để thu nhận enzyme nội bào thì bước đầu tiên cần phải phá vỡ cấu trúc tế bào có chứa các enzyme.

Hình thành kiến thức mới 6 trang 48 Chuyên đề Sinh học 10: Tại sao khi tách enzyme từ tế bào thực vật, nấm men và vi sinh vật, người ta cần dùng các chất trợ nghiền còn đối với tế bào động vật thì không?

Trả lời:

Khi tách enzyme từ tế bào thực vật, nấm men và vi sinh vật người ta cần dùng các chất trợ nghiền vì tế bào thực vật, nấm men và vi sinh vật có thành tế bào bao bọc bên ngoài, còn tế bào động vật không có thành tế bào.

Hình thành kiến thức mới 7 trang 48 Chuyên đề Sinh học 10: Tại sao lysozyme được dùng trong việc tách enzyme từ vi khuẩn?

Trả lời:

Lysozyme được dùng trong việc tách enzyme từ vi khuẩn vì lysozyme có tác dụng phá vỡ các liên kết glycosidic giữa các phân tử đường trong thành peptidoglycan của vi khuẩn, nhờ đó, phá vỡ thành tế bào vi khuẩn.

Hình thành kiến thức mới 8 trang 48 Chuyên đề Sinh học 10: Để loại bỏ các chất khác ra khỏi enzyme, người ta dùng các biện pháp gì?

Trả lời:

Để loại bỏ các chất khác ra khỏi enzyme, người ta dùng các biện pháp như:

- Để loại bỏ muối và các tạp chất có khối lượng phân tử thấp, người ta thường dùng các biện pháp thẩm tích.

- Để loại bỏ các protein tạp và các tạp chất có khối lượng phân tử cao khác, người ta thường dùng kết hợp nhiều biện pháp nhau: phương pháp biến tính chọn lọc nhờ tác dụng của nhiệt độ hoặc pH của môi trường, phương pháp kết tủa phân đoạn bằng muối trung tính hoặc các dung môi hữu cơ, các phương pháp sắc kí (sắc kí hấp phụ, sắc kí trao đổi ion, sắc kí loại trừ phân tử, sắc kí ái lực,…), điện di, phương pháp lọc gel.

Hình thành kiến thức mới 9 trang 49 Chuyên đề Sinh học 10: Sau khi thu nhận được chế phẩm enzyme, cần làm gì để giữ được hoạt tính của enzyme trong suốt quá trình bảo quản và sử dụng?

Trả lời:

Sau khi thu nhận được chế phẩm enzyme, để giữ được hoạt tính của enzyme trong suốt quá trình bảo quản và sử dụng, cần phải duy trì hình dạng của enzyme. Để làm được điều này, người ta có thể sử dụng các chất phụ gia, chỉnh sửa các liên kết cộng hóa trị hoặc cố định enzyme.

Luyện tập trang 49 Chuyên đề Sinh học 10: Việc giữ được cấu trúc không gian của enzyme có ý nghĩa như thế nào trong sản xuất enzyme?

Trả lời:

Việc giữ cấu trúc không gian của enzyme giúp enzyme giữ được hoạt tính xúc tác, đạt được mục tiêu bảo quản và sử dụng lâu dài. Bởi vậy, việc này có ý nghĩa quan trọng đối với sản xuất enzyme.

Hình thành kiến thức mới 10 trang 49 Chuyên đề Sinh học 10: Nghiên cứu Hình 7.5, 7.6, 7.8 và 7.10, hãy cho biết:

a) Mỗi giai đoạn trong quy trình sản xuất các enzyme tương ứng với giai đoạn nào trong Hình 7.3.

b) Việc sản xuất enzyme từ thực vật có gì giống và khác so với sản xuất enzyme từ vi sinh vật.

Trả lời:

a) Các giai đoạn trong quy trình sản xuất enzyme tương ứng với giai đoạn trong hình 7.3:

Các giai đoạn	Các bước trong quy trình
1. Quy trình sản xuất enzyme protease từ nấm mốc
Chọn nguồn nguyên liệu	- Nguồn nguyên liệu: nấm mốc (Aspergillus oryzae). - Chuẩn bị môi trường dinh dưỡng → hấp thanh trùng → làm nguội → cho nấm mốc vào môi trường nuôi cấy.
Tách chiết enzyme	- Tách chiết enzyme từ môi trường nuôi cấy → nghiền mịn.
Tinh sạch enzyme	- Trích li bằng nước → thu nhận kết tủa protease → sấy tủa protease → tinh chế.
Tạo chế phẩm enzyme	- Tạo chế phẩm protease.
2. Quy trình sản xuất enzyme bromelain từ dứa
Chọn nguồn nguyên liệu	- Nguồn nguyên liệu: dứa.
Tách chiết enzyme	- Xay nhuyễn (quả, thân, chồi) → Lọc lấy dịch.
Tinh sạch enzyme	- Li tâm dịch lọc → thu nhận kết tủa bromelain → sấy khô → tinh sạch.
Tạo chế phẩm enzyme	- Tạo chế phẩm bromelain.
3. Quy trình sản xuất enzyme pectinase từ nấm mốc
Chọn nguồn nguyên liệu	- Nguồn nguyên liệu: nấm mốc (Aspergillus oryzae). - Chuẩn bị môi trường dinh dưỡng → cho nấm mốc vào môi trường nuôi cấy.
Tách chiết enzyme	- Tách chiết enzyme → sấy khô.
Tinh sạch enzyme	- Trích li bằng kết tủa → li tâm và lọc lấy kết tủa → sấy kết tủa.
Tạo chế phẩm enzyme	- Nghiền nhỏ → tạo chế phẩm pectinase.
4. Quy trình sản xuất enzyme protease tái tổ hợp
Chọn nguồn nguyên liệu	- Nguồn nguyên liệu: nấm mốc (Aspergillus oryzae), vector biểu hiện gene. - Tách gene mã hóa enzyme protease từ nấm mốc cho kết hợp với vector biểu hiện gene để tạo DNA tái tổ hợp → Chuyển DNA tái tổ hợp vào tế bào chủ → Chọn lọc các dòng tế bào mang DNA tái tổ hợp → Nuôi cấy vi sinh vật → Tạo điều kiện cho sự biểu hiện gene → Thu hồi dịch nuôi cấy.
Tách chiết enzyme	- Tương tự như quy trình sản xuất enzyme tự nhiên.
Tinh sạch enzyme
Tạo chế phẩm enzyme

b) So sánh enzyme sản xuất từ thực vật và enzyme sản xuất từ vi sinh vật:

- Giống nhau:

+ Đều trải qua 4 giai đoạn của quy trình sản xuất enzyme.

+ Các enzyme tạo ra đều có nguồn gốc tự nhiên.

- Khác nhau: Sản xuất enzyme từ vi sinh vật mang lại hiệu quả cao hơn, giá thành rẻ do vi sinh vật có khả năng sinh trưởng với tốc độ nhanh nên tiết kiệm được thời gian và chi phí sản xuất.

Vận dụng trang 50 Chuyên đề Sinh học 10: Dựa trên quy trình sản xuất enzyme bromelain ở dứa, em hãy tìm hiểu và đề xuất quy trình sản xuất enzyme papain từ nhựa đu dủ.

Trả lời:

Quy trình sản xuất enzyme papain từ nhựa đu đủ: Dùng dao rạch quả đu đủ còn xanh → Thu nhựa đu đủ → Trích li và lọc → Li tâm dịch lọc → Kết tủa papain → Kết tinh và tái kết tinh → Sấy chân không → Chế phẩm papain.

III. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ENZYME TÁI TỔ HỢP

Bài tập 1 trang 53 Chuyên đề Sinh học 10: Hãy chọn một quy trình sản xuất enzyme đã học và đề xuất phương án cải tiến quy trình đó để mang lại hiệu quả cao hơn.

Trả lời:

- Học sinh đề xuất cải tiến một hoặc một số bước của quy trình sản xuất enzyme được chọn. Sau khi đề xuất, học sinh cần giải thích được lí do đề xuất cải tiến ở bước đó (nếu áp dụng theo quy trình được cải tiến sẽ mang lại hiệu quả như thế nào so với quy trình cũ).

- Câu trả lời tham khảo: Đề xuất phương án cải tiến quy trình sản xuất enzyme protease từ nấm mốc bằng cách sử dụng phương pháp lọc gel thay cho phương pháp trích ly bằng nước nhằm đạt được hiệu quả tinh sạch cao hơn.

Bài tập 2 trang 53 Chuyên đề Sinh học 10: Hoàn thành bảng sau đây về nguồn thu nhận, tác dụng và ứng dụng của một số loại enzyme.

Trả lời:

Nguồn nguyên liệu	Tên enzyme	Tác dụng và ứng dụng của enzyme
Lúa mạch, nấm mốc (A. oryzae)	Amylase	- Tác dụng: Phân giải tinh bột thành maltose. - Ứng dụng: Trong công nghiệp sản xuất bia, bánh mì, bánh kẹo; sản xuất cồn và chất tẩy rửa,…; Trong y học, sản xuất chế phẩm hỗ trợ tiêu hóa,…
Nấm mốc (A. niger, A. awamori,…), nấm men (S. fragilis,…), vi khuẩn (B. polymyxa,…)	Pectinase	- Tác dụng: Phân giải chất pectin. - Ứng dụng: Trong sản xuất nước ép (ở khâu nghiền quả); Trong công nghiệp thực phẩm, pectinase được dùng để chiết rút các chất màu, tanin và những chất hòa tan.
Nấm sợi, vi khuẩn, xạ khuẩn	Cellulase	- Tác dụng: Phân giải cellulose. - Ứng dụng: Dùng để bổ sung vào thức ăn cho gia súc trong chăn nuôi; sản xuất các chế phẩm vi sinh dùng trong xử lí ô nhiễm môi trường; tăng hiệu suất trích li các chất từ thực vật trong công nghiệp thực phẩm; sản xuất vải sợi, chất tẩy rửa, giấy, nhiên liệu sinh học;…
Đu đủ	Papain	- Tác dụng: Phân giải protein. - Ứng dụng: Trong công nghiệp sản xuất bia; chế biến các loại thực phẩm, nước chấm; sản xuất bánh quy, sữa,…
Dứa	Bromelain	- Tác dụng: Phân giải protein. - Ứng dụng: Trong công nghiệp thực phẩm: làm mềm thịt, sản xuất nước chấm; Trong y học: hỗ trợ cho quá trình tiêu hóa, làm sạch các mô bị hoại tử, tăng cường hoạt động của hệ miễn dịch,…

Bài tập 3 trang 53 Chuyên đề Sinh học 10: Hãy tìm hiểu và trình bày một quy trình công nghệ sản xuất một loại enzyme được ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm (dệt, thuộc da,…).

Trả lời:

Ví dụ quy trình sản xuất chế phẩm enzyme amylase từ nấm mốc Aspergillus oryzae:

Chủng nấm mốc Aspergillus oryzae được nuôi cấy trên môi trường cám mì, sau đó thu dịch chiết bằng nước và thẩm tích dịch chiết, dùng ethanol 65 % - 70 % hoặc acetone 60 % trong môi trường pH khoảng 5,5 đến 5,6 để kết tủa dịch amylase, li tâm và sấy kết tủa sẽ thu được chế phẩm enzyme, có thể nghiên nhỏ đem bảo quản và sử dụng.

Xem thêm lời giải bài tập Chuyên đề Sinh lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 8: Ứng dụng của enzyme

Ôn tập chuyên đề 2

Bài 10: Vai trò của vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm môi trường

Bài 11: Vi sinh vật trong phân hủy các hợp chất

Bài 12: Công nghệ ứng dụng vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm môi trường