1. SINH HỌC ĐẠI CƢƠNG
Công nghệ hóa dầu
Công nghệ hóa hữu cơ
1

2. Khái niệm về công nghệ sinh học
Công nghệ sinh học: bất cứ một kỹ thuật nào sử dụng các hệ thống sinh học, các cơ thể sống
hoặc các dẫn xuất của nó để tạo ra hoặc thay đổi các sản phẩm hoặc các quá trình cho mục
đích riêng được xem là công nghệ sinh học.
Nghiên cứu về sinh học ở cấp độ
phân tử, mối tương quan giữa các hệ
thống khác nhau của tế bào, bao gồm
các tương tác giữa DNA, RNA và
protein; điều hòa các mối tương tác
Di truyền học
Sinh học
phân tử
Là ngành khoa học nghiên cứu tính di
truyền và sự biến dị trong các cơ thể sống
Sinh học
tế bào
CNSH
Nghiên cứu về các quá trình hóa
học trong các cơ thể sống, đặc biết
quan tâm đến cấu trúc và chức
năng của các thành phần tế bào
Hóa sinh
Phôi học
Nghiên cứu tế bào về đặc tính hóa
lý, cấu trúc, các cơ quan trong tế bào,
các môi tương quan giữa tế bào với
môi trường, chu trình sống, phân chia
và chết đi
Nghiên cứu về sự phát triển của phôi
2

3. Mối quan hệ giữa công nghệ sinh
học và dầu mỏ

Quá trình khai thác và sản xuất dầu mỏ:
xác định và mô tả tính chất của các nguồn
hydrocacbon một cách đặc hiệu.

Nâng cấp chất lƣợng dầu:
-
Tăng giá trị năng lượng của dầu
Tăng khả năng vận chuyển của dầu
Giảm khả năng ô nhiễm khi sử dụng các
sản phẩm từ dầu
Tăng khả năng tách và recovery dầu
-
Xử lý giếng dầu:
Giảm quá trình đóng cặn
Giảm quá trình hydrate hóa
-
Giảm quá trình ăn mòn

Xử lý rò rỉ, ô nhiễm và tràn dầu

Các ứng dụng mới của các vi sinh
chịu đƣợc các môi trƣờng khắc nghiệt

-
3

4. Ƣu - nhƣợc điểm

-

-
Ƣu điểm:
Thân thiện với môi trường
Tiến hành trong các điều kiện làm việc nhẹ nhàng (áp suất, nhiệt
độ, pH)
Rẻ tiền
Nhƣợc điểm:
Các họat động sinh học trong các nguồn dầu chưa được nghiên
cứu một cách sâu sắc.
Các con đường năng lượng và tốc độ phản ứng.
Tốc độ phản ứng cần thiết đạt được trong các lò phản ứng sinh học
để đủ tiêu chuẩn cho các sản phẩm thương mại.
4

5. SINH HỌC ĐẠI CƢƠNG
Chƣơng I: Khái niệm chung về tế
bào và vi sinh vật (VSV)
5

6. Khái niệm về tế bào

Khái niệm: tế bào - là đơn vị cơ bản của tất cả các vật liệu sống
- là một hệ thống sống
Chuyển hóa
Sinh sản
Biệt hóa
Trao đổi thông tin
Tiến hóa

Chức năng của tế bào
Nhà máy hóa học
Phương tiện mã hóa

-
Cấu trúc tế bào
Màng tế bào
Thành tế bào
Tế bào chất: nước, các đại phân tử, ribosome, các phân tử hữu cơ nhỏ (tiền
chất của các đại phân tử) và các ion vô cơ.
6

7. Các đặc tính phổ biến của tế bào sống
7

8. Tế bào nhân sơ (Prokaryot)
Tế bào nhân chuẩn (Eukaryot)
8

9. Phân loại tế bào
9

10. a- Lactococcus lactics
b- Methanosarcina
c- Tế bào máu
d- Trứng
e- Tế bào tảo xanh
f- Tế bào thần kinh của tiểu não
g- Tế bào biểu mô
h- Tế bào thực vật
10

11. SINH HỌC ĐẠI CƢƠNG
Chƣơng II: Các đại phân tử
11

12. Các liên kết trong các phân tử sinh học
Các liên kết đồng hóa trị
+ Khái niệm: các điện tử được chia sẻ nhiều hoặc ít cân bằng
giữa các nguyên tử.
+ Đặc tính: liên kết manh và ở trạng thái bền vững

Các tương tác không đồng hóa trị
Liên kết hydro
+ Khái niệm: liên kết được hình thành giữa các nguyên tử
hydro và các nguyên tố mang điện tích âm hơn như oxy
hoặc nitơ.
+ Đặc tính: liên kết yếu, song với nhiều liên kết được hình
thành giữa các phân tử sẽ làm tăng tính ổn định đáng kể và
ảnh hưởng đến cấu trúc


Liên kết Van der Waal
+ Khái niệm:liên kết giữa các nguyên tử có khoảng cách giữa
các nguyên tử từ 3-4 A.
+ Đặc tính: đóng vai trò quan trọng trọng liên kết enzym và cơ
chất và trong tương tác giứa protein và axit nucleic

Tương tác kị nước
+ Khái niệm: tồn tại khi các phân tử không phân cực có xu
hướng tụ họp trong môi trường lỏng.
+ Đặc tính: đóng vai trò quan trọng trong quá trình cuộn xoắn
của Protein, liên kết enzym với cơ chất, kiểm soát việc liên
kết các dưới đơn vị của protein để hình thành phân tử dạng
họat động

12

13. Tổng quan về thành phần tế bào

Phân tử
Nước
Phân trăm
trọng lƣợng
khô
Phân tử/tế bào
Các loại khác
nhau
Các đại phân tử


Các đại phân tử: 96%
trọng lượng khô của tế
bào, trong đó protein là
đại phân tử phong phú
nhất
Các monomer (tiền
chất tạo nên đại phân
tử)
Các ion vô cơ
24.610.000
2500
Protein
55
2.350.000
1850
Polysaccarit
5
4300
2
Lipid
9.1
22.000.000
4
Lipopolysaccarit
3.4
1.430.000
1
DNA
3.1
2.1
1
RNA

96
20.5
255.500
660
Các monomer
3.0
350
Axit amin và
các tiến chất
0.5
100
Đường và các tiền chất
2
50
Nucleotit và các tiền
chất
0.5
200
Các ion vô cơ
1
18
Tổng số
100%
13

14. Tổng quan về thành phần tế bào (cont.)

Protein: polyme từ các monomer axit amin.

Axit nucleic: polyme từ các monomer nucleotit (DNA và RNA). Phong
phú sau protein do hàng nghìn ribosome trong mỗi tế bào và các dạng
RNA khác (mRNA, tRNA, rRNA)

Lipid: không là polyme đơn giản của monomer mà bao gồm đa dạng
các hợp phần kị nước như axit béo. Đóng vai trò quan trọng trong cấu
trúc màng và dự trữ năng lượng

Polysaccarit: polyme của đường. Đóng vai trò dự trữ năng lượng và
cacbon, ngoài ra còn tham gia vào cấu trúc thành tế bào.

Nƣớc: các đại phân tử cũng như tất cả các phân tử trong tế bào ngập
trong nước. Nước có đầy đủ các đặc tính để trở thành một dung môi
sinh học lý tưởng.
14

15. Đặc tính quan trọng của nƣớc đối
với tế bào

Phân cực: giúp hòa tan tốt các phân tử sinh học vốn đã phân
cực, đóng vai trò trong việc vận chuyển các phân tử ra và vào tế
bào thông qua màng tế bào chất.

Phân cực: thúc đẩy hình thành các liên kết hydro giữa các phân
tử và nguyên tử.

Phân cực: có vai trò quan trọng trong việc giúp tế bào đẩy các
cơ chất không phân cực tụ họp lại với nhau.

Phân cực: làm nước có tính kết dính cao. Có nghĩa các phân tử
nước có xu hướng có ái lực cao với các phân tử khác và hình
thành, sắp xếp, bẻ gãy và tái tạo hóa học liên tục.
15

16. 16

17. 17

18. Protein- Vai trò

Vai trò

Giá trị dinh dƣỡng: hợp phần chủ yếu và quyết
định trong khẩu phần thức ăn
18

19. Protein (cont.)- Thành phần

Thành phần: C, H, O, N (1 lượng nhỏ S và
các nguyên tố vi lượng Fe, Mn, Mg..)

Đơn vị đo: Dalton (Da) = 1/12 khối lượng
của 1 nguyên tử cacbon 12

Thành phần cơ bản: axit amin
19

20. Protein (cont.) – Axit amin

Định nghĩa axit amin:là
hợp chất mạch thẳng
hoặc mạch vòng, có chứa
ít nhất 1 nhóm amin
(NH2)
và
1
nhóm
cacboxyl (COOH)

Cấu tạo: R- (CH)NH2COOH

Dạng tồn tại: L-axit amin
20

21. Protein (cont.) – Phân loại axit amin
Axit amin không phân cực

Phân loại axit amin
(20 axit amin phổ biến)
Axit amin ion
Axit amin phân cực
21

22. Protein (cont.) – Liên kết peptit

Liên kết peptit: là liên kết được
hình thành do phản ứng kết hợp
giữa nhóm α-COOH của axit
amin này với nhóm α -NH2 của
axit amin khác

Cấu hình không gian của
chuỗi peptit
22

23. Protein (cont.) – Cấu trúc protein

Cấu trúc bậc 1: qui định trình tự và thành phần các axit amin
trong chuỗi polypeptit

-
Cấu trúc bậc 2: sự sắp xếp thích hợp của một chuỗi polypeptit
trong không gian
Cấu trúc xoắn α
Cấu trúc tờ giấy gấp nếp β
Cấu trúc cuộn thống kê

Cấu trúc bậc 3: cấu trúc bậc 2 sắp xếp trong không gian 3 chiều

Cấu trúc bậc 4: do các dưới đơn vị bậc 3 tạo thành
-
23

24. Cấu trúc bậc 2
Cấu trúc bậc 3
Cấu trúc bậc 4
Cấu trúc bậc 1
24

25. Protein (cont.) – Tính chất

-
-

Hình dáng
Hình cầu: trục dài/trục
ngắn<20
Hình sợi: trục dài/trục
ngắn=100-1000
Kích thƣớc: khối
lượng phân tử lớn – đại
phân tử
25

26. Protein (cont.) – Tính chất
Tính tan
- Khả năng hòa tan của Protein nhờ các nhóm có cực được phân bố trên
bề mặt
+ Nhóm COOH của axit glutamin
+ Nhóm NH2 thứ 2 của Lyzin
+ Nhóm OH của Serin
+ Nhóm Imidazol của Histidin

- Các yếu tố phụ thuộc:
+ Thành phần và trình tự sắp xếp các axit amin
+ Vị trí các nhóm háo nước và kị nước
+ Khả năng kết hợp nước của các nhóm có cực
+ Bản chất dung môi
+ Nồng độ muối trung tính
+ Nhiệt độ và pH
26

27. Protein (cont.) – Tính chất

-




Dung dịch keo và sự kết tủa
Protein khi hòa tan vào trong nước tạo dung dịch keo.
Kết tủa protein xảy ra khi:
Mất lớp vỏ nước
Mất lớp vỏ điện tích
Phân loại dạng kết tủa
Thuận nghịch: là kết tủa khi tách tác nhân gây kết tủa thì
protein quay trở về trạng thái ban đầu (tác nhân: muối trung tính)
Bất thuận nghịch: là kết tủa khi tách tác nhân gây kết tủa thì
protein không quay trở về trạng thái ban đầu (tác nhân: ion kim
loại nặng)
27

28. Protein (cont.) – Tính chất

Biến tính
- Định nghĩa: Dưới tác dụng của các tác nhân vật lý (như tia cực tím, sóng siêu âm, các
chuyển đông cơ học mạch...), các tác nhân hoá học (như axit, bazơ, tanin...), làm
cấu trúc bậc 2,3,4 bị phá huỷ nhưng vẫn giữ nguyên cấu trúc bậc 1 kèm theo các tính
chất tự nhiên ban đầu của Protein bị mất đi. Hiện tượng đó gọi là sự biến tính
- Tính chất Protein sau biến tính
+ Giảm khả năng hòa tan
+ Giảm khả năng giữ nước
+ Tăng khả năng tấn công của enzym
+ Tăng độ nhớt nội tại
+ Giảm sức căng bề mặt
- Các tác nhân làm biến tính Protein
+ Tác nhân vật lý: nhiệt độ, tia cực tím,
+ Tác nhân cơ học: nhào, trộn, cán, kéo, dập
+ Tác nhân hóa học:pH, ion kim loại, dung môi hữu cơ
28

29. 29

30. Protein (cont.) – Phân loại

-
Protein đơn giản: cấu tạo chỉ chứa các axit amin
Albumin: tan trong nước
Globulin: tan trong dung dịch muối loãng
Prolamin: tan trong etanol và izopropanol
Glutelin: tan trong kiềm
Protein phức tạp: axit amin (apoprotein) + nhóm ngoại
- Metaloprotein: nhóm ngoại là kim loại
- Nucleoprotein: nhóm ngoại là axit nucleic
- Cromoprotein: nhóm ngoại là nhóm mang màu
- Lipoprotein: nhóm ngoại là lipit
- Glucoprotein: nhóm ngoại là gluxit

30

31. Hydrat cacbon

Định nghĩa: hydrat cacbon = saccarit
= đường
và xeton.
là các dẫn xuất của aldehyt
CnH2nOn

Công thức:

Vai trò
Dự trữ năng lượng: cung cấp 60% tổng năng lượng cấp cho cơ thể
Cấu trúc và tạo hình
Bảo vệ
-

-
Phân hạng
Monosacarit: xx-ose
Polysacarit
+ Oligosacarit: 2-10 monosacarit kết hợp với nhau (di, tri,.. saccarit)
+ Polysacarit: >10 monosacarit (đồng thể và dị thể)
31

32. Monosaccarit –Cấu tạo
ALDOSES
KETONES
(nhóm cacbon nằm
(nhóm cacbon nằm tại bất cứ tại cuối
vị trí nào là: xeton)
chuỗi là: aldehyt)
32

33. Một số đƣờng D-Aldose
33

34. Một số đƣờng D-Ketose
34

35. Monosaccarit –Cấu tạo (cont.)

-
-
Dạng đồng phân:
L: OH bên trái
D: OH bên phải
Phần lớn các loại đường trong
các cơ thể sống tồn tại ở dạng D-
35

36. Monosaccarit –Cấu tạo (cont.)

Cấu trúc dạng vòng: trong dung dịch, các đường từ 4C trở
lên có khả năng hình thành cấu trúc dạng vòng

Nguyên tắc: dựa trên phản ứng giữa nhóm aldehyt (hoặc
xeton) và rượu để hình thành dạng hemiacetal (hoặc
hemiketal)
36

37. Cấu trúc vòng pyran
38% α-D-Glucopyranose
62% β-D-Glucopyranose
<0.5% α-D-Glucofructose
< 0.5% β-D-Glucofructose
~ 0.02% mạch thẳng
37

38. Cấu trúc vòng furan
38

39. Monosaccarit – Tính chất

-
-
-

Phản ứng oxy hóa: Đường dưới tác dụng
của các tác nhân oxi hóa sẽ chuyển các
nhóm rượu, aldehyt trong phân tử thành
nhóm axit.
Oxi hóa nhóm aldehyt tại C1 tạo sản phẩm
axit aldonic (tác nhân oxi hóa yếu:
HBrO, HClO, HIO)
Oxi hóa nhóm rượu bậc 1 tại C6 tạo sản
phẩm axit uronic
Oxi hóa đồng thời cả nhóm aldehyt và rượu
tại C6 tạo sản phẩm axit 2 chức aldaric (tác
nhân oxi hóa mạnh: HNO3)
Phản ứng khử: khử nhóm aldehyt hoặc
xeton tạo rượu đa chức đường (alditol)
39

40. Oligosaccarit

Liên kết glycosit: được
hình thành giữa nhóm
hemiacetal của saccarit
này với nhóm hydroxyl
rượu

Oligosaccarit
phổ
biến: disaccarit
Sucrose (đường mía)
Maltose (đường mal)
Lactose (đường sữa)
-
40

41. Polysaccarit

-
-

-
Phân loại
Homopolysaccarit: cấu tạo
từ một loại gốc đơn vị
monosaccarit.
Heteropolysaccarit: cấu tạo
từ hai hay nhiều gốc đơn vị
monosaccarit khác nhau.
Chức năng
Dự trữ năng lượng
Cấu trúc tế bào
Hỗ trợ ngoại bào
41

42. Polysaccarit – Tinh bột

Nguồn thu: củ (khoai tây, sắn)
hoặc hạt (thóc, lúa mỳ)

Cấu tạo
Kích thước: 2-150μm
Hình dạng: lục giác, đa giác, hình
cầu
Thành phần: hàng nghìn đến hàng
vạn gốc glucose thông qua liên kết
glycosit α (1,4) và α (1,6)
Cấu trúc: Amilose (10-30%) và
Amilopectin (79-90%)
-
-
42

43. Polysaccarit – Tinh bột (cont.)

-


Tính chất:
Tính chất vật lý: trương nở nhanh trong nước nóng tạo độ dính mạnh (quá
trình hồ hóa).
Tính chất hóa học
Tác dụng với Iốt: Amilose + I2 = xanh
Amilopectin + I2 = tím đỏ
Thủy phân nhờ axit
(C6H12O6)(C6H10O5)n + n H2
(n+1) C6H12O6
Thủy phân nhờ enzym: amylase
Tinh bột + -amylaza
Dextrin phân tử lượng thấp + Maltoza + Glucoza
Tinh bột + -amylaza
Maltoza + Dextrin có phân tử lượng cao
Tinh bột + γ-amylase
Glucose

43

44. Polysaccarit - Cellulose

Nguồn thu: phổ biến trong thực vật, đặc biệt phần cuống, thân và phần
gỗ của cây.

Cấu trúc
Thẳng, không phân nhánh
Đơn vị monosaccarit: 10.000 – 15.000 gốc β-D- glucose
Liên kết: β(1,4) glycosit
Cấu trúc sợi dạng xoắn: 2 phân tử cellulose liên kết hydro với nhau. 40
sợi xếp song song tạo bó.
-

-
-
Tính chất
Không tan trong nước
Thủy phân bằng axit: tạo 100% glucose
Thủy phân bằng enzym: cellulase
44

45. Axit nucleic

Khái niệm: Axit nucleic
(deoxyribonucleic axit –
DNA và ribonucleic axitRNA) là các polyme đại
phân tử của các monomer
nucleotit.

Cấu trúc
Monomer nucleotit gồm 3
đơn vị
Đường 5C (ribose – RNA và
deoxyribose-DNA)
Bazơ
1 phân tử phosphate –
PO43-



45

46. Axit nucleic (cont.)



-
Liên kết
Đường liên kết với bazơ theo liên kết
glycosit
Nhóm phosphate liên kết với nucleotit
theo liên kết phosphodieste
Các nucleotit liên kết với nhau thông
qua liên kết đồng hóa trị phosphodieste
giữa nhóm phosphate tại C-3 của phân
tử đường trong nucleotit này với C-5
của phân tử đường trong 1 nucleotit
khác
Qui tắc liên kết: bổ sung A-T và G-C
bằng liên kết hydro
46

47. Axit nucleic – Mô hình Watson & Click




Cấu trúc gồm 2 chuỗi
đối song: 1 sợi đi tổng
hợp theo hướng từ 3’
đến 5’ trong khi sợi kia
tổng hợp từ hướng 5’
đến 3’
Số lượng gốc trong 1
vòng xoắn: 10
Chiều dài
Đường kính vòng xoắn:
20A
47

48. Axit nucleic - Chức năng


-

-
Chức năng của DNA (deoxyribonucleic acid)
Lưu giữ thông tin di truyền
Kiểm soát quá trình tổng hợp RNA (ribonucleic acid)
Trình tự các bazơ trên DNA xác định sự phát triển của protein trong các tế bào mới
Chức năng của việc hình thành chuỗi xoắn kép DNA là đảm bảo tính trật tự trong cấu trúc.
Chức năng của RNA (ribonucleic acid)
RNA được tổng hợp từ DNA cho quá trình vận chuyển thông tin di truyền tới bộ máy tổng
hợp protein trong tế bào
RNA định hướng sự tổng hợp các protein mới sử dụng thông tin di truyền mà RNA vận
chuyển
mRNA (RNA thông tin) được sử dụng để vận chuyển thông tin di truyền qua màng tế bào
chất
Chức năng của Adenosine Phosphates
Nucleotit ATP (adenosine triphosphate) dự trữ năng lượng cho tất cả các cơ thể sồng
cAMP (adenosine monophosphate vòng) là tác nhân truyền tin trong quá trình điều hòa
hoocmôn
Các dẫn xuất của nucleotit như NAD+ (nictinamide adenine dunucleotit) được sử dụng
như một coenzym trong quá trình tổng hợp quang học
48

49. Lipid
-
Chức năng
Dự trữ và cung cấp năng lượng: dầu mỡ
-
Nhân tố cấu trúc: màng sinh học

-
Họat tính sinh học: cofactor của enzym,
hoocmon, chất vận chuyển điện tử, tác nhân
truyền thông tin nội bào
49

50. Lipid dự trữ – axit béo

Định nghĩa: là các axit
cacboxylic của các chuỗi
hydrocacbon có chiều dài từ 4
đến 36 cacbon.

Cấu tạo
Phân nhánh hoặc không phân
nhánh
Bão hòa hoặc chưa bão hòa
Phổ biến: không phân nhánh
dài từ 12 đến 24 C; liên kết đôi
giữa vị trí C9 và C10.
-
-
50

51. Lipid dự trữ – axit béo (cont.)

-
Tính chất
Tính tan: phụ thuộc
chiều dài chuỗi
mức độ chưa bão hòa
Chuỗi càng dài, càng ít liên kết đôi thì tính tan càng thấp
-
Điểm nóng chảy phụ thuộc
chưa bão hòa
chiều dài chuỗi
mức độ
Axit béo chưa bão hòa có điểm nóng chảy thấp hơn axit
béo bão hòa có cùng chiều dài
VD: Tại nhiệt độ phòng (250C), axit béo 12:0 đến 24:0
Bão hòa: dạng sáp
Chưa bão hòa: dạng dầu lỏng
51

52. Lipid dự trữ – triacylglycerol

Tên: triglycerit, mỡ, chất béo
trung tính

Nguồn thu: dầu thực vật, các
sản phẩm từ bơ sữa

Cấu trúc: là este của axit béo
và glycerol

Vai trò
Dự trữ và vận chuyển các axit
béo
Cách nhiệt
-
-
52

53. Lipid dự trữ – triacylglycerol (cont.)





Tính chất
Tính chất vật lý
Dạng tồn tại:
Dạng lỏng (dầu): chứa axit béo chưa bão hòa
Dạng rắn (mỡ): chứa axit béo bão hòa
Tính tan
Không phân cực, không tan trong nước, chỉ tan trong các dung môi hữu cơ
Trọng lực: nhỏ hơn nước, phân 2 pha.
Tính chất hóa học
Phản ứng thủy phân bởi axit (hoặc enzym lipase)
CH2OCOR1
H+ (lipaza)
CH2OH
R1COOH
CH2OCOR2
CHOH
+ R2COOH
CH2OCOR3
CH2OH
R3COOH

Phản ứng thủy phân bởi kiềm
CH2OCOR1
NaOH
CH2OH
R1COONa
CH2OCOR2
CHOH
+ R2COONa
CH2OCOR3
CH2OH
R3COONa
53

54. Lipid cấu trúc - Glycerophospholipid



Cấu trúc
Vai trò
Tính chất
54

55. Sinh học đại cƣơng
Chương III: Enzym
55

56. Một số khái niệm chung






1700: tiêu hóa thitj nhờ dịch chiết trong dạ dày
1800: chuyển hóa tinh bột thành đường nhừ nước dịch chiết thực vật
1850 - Louis Pasteur: quá trình lên men đường thành rượu của nấm men
xảy ra nhờ một nhân tố gọi là men. Men không thể tách ra khỏi cấu trúc
tế bào sống
1897- Eduard Buchner: dịch chiết nấm men có khả năng lên men đường
thành rượu. Men có thể tách ra khỏi tế bào
1956 – Summer: tách và kết tinh urease. Urease mang bản chất Protein
1930 – John Northrop và Moses Kunitz: tách và tinh chế các enzym tiêu
hóa mang bản chất protein
- Enzym mang bản chất protein
- Tăng tốc độ phản ứng lên 10 mũ 20 lần nhưng không bị
tiêu thụ hoặc thay đổi khi xúc tác
- Mục đích giúp chuyển hóa thức ăn thành năng lượng và
các vật liêụ mới
56

57. Cấu trúc enzym

Định nghĩa: Enzym là các phân tử protein có
chức năng xúc tác sinh học

Enzym đơn cấu tử: thành phần cấu tử chỉ bao
gồm các protein đơn giản

Enzym lƣỡng cấu tử: bao gồm 2 thành phần
Vitamin



-
Phần Protein (nhóm nội, apoenzym)
Cấu tạo: từ các axit amin
Tính chất:không bền nhiệt
Chức năng: tăng hiệu lực xúc tác và quyết định
tính đặc thù của enzym
Phần nhóm ngoại
Cấu tạo: không mang bản chất protein
Ion vô cơ
Phức hữu cơ (vitamin): là các chất vận chuyển
tạm thời các nhóm chức năng đặc hiệu, là một
phần trong cấu trúc trung tâm hoạt động của
enzym
Tính chất: kích thước nhỏ, bền nhiệt
Chức năng:trực tiếp tham gia vào phản ứng
xúc tác và quyết định kiểu phản ứng.
Nhóm vận chuyển
Enzym tương
ứng
Biotin

Dạng coenzym
Biocytin
CO2
Propionyl-CoA
carboxylase
Axit pantothenic
và các hợp chất
Coenzym A
Các nhóm acyl
Acetyl-CoA
carboxylase
Vitamin B12
5'Deoxyadenosyl
cobalamin
(coenzym B12)
Các nguyên tử H và các
nhóm acyl
MethylmalonylCoA mutase
Riboflavin
(vitamin B2)
Flavin adenin
dinucleotit
(FAD)
Electron, các nguyên tử H
Succinate
dehydrogenase
Axit nicotinic
(niacin)
Nicotinamide
adenin
dinucleotit
(NAD)
Ion H (: H -)
Alcohol
dehydrogenase
Thiamine
(vitamin B1)
Thiamine
pyrophosphate
Aldehyt
57
Pyruvate
dehydrogenase

58. Danh pháp và phân hạng
Danh pháp
Danh pháp thông thường: cơ chất + ase
Danh pháp quốc tế: cơ chất + kiểu phản ứng + ase
Kí hiệu: EC1234
1: Chỉ enzym thuộc nhóm lớn nào
2: Chỉ enzym thuộc nhóm phụ nào
3: Chỉ enzym thuộc phân nhóm phụ nào
4: Chỉ số thứ tự

Phân hạng: 6 nhóm phản ứng
Oxidoredutase (xúc tác các phản ứng oxi hóa khử)
VD: Alcohol dehydrogenase: chuyển hóa rượu thành aldehyt hoặc keton

-
Transferase (xúc tác các phản ứng vận chuyển các nhóm chức năng)
VD: Aminnotransferase: phân hủy axit amin bằng cách loại bỏ nhóm amin
-
Hydrolase (xúc tác các phản ứng thủy phân)
VD: Glucose-6-phosphatase: loại nhóm phosphate khỏi glucose-6-phosphate, tạo glucose và H3PO4
-
Lyase (xúc tác các phản ứng tạo liên kết đôi)
VD: Pyruvate decarboxylase: loại bỏ CO2 khỏi pyruvate
-
Isomerase (xúc tác các phản ứng đồng phân hóa học)
VD: Ribulose phosphate epimerase: chuyển hóa giữa ribulose 5-phosphate và xylose-5-phosphate
-
Ligase (xúc tác hình thành các liên kết hóa học nhờ phân cắt ATP)
VD: Hexokinase: chuyển hóa giữa glucose và ATP với glucose-6-phosphate và ADP
-
58

59. Cấu tạo trung tâm hoạt động

Khái niệm: trong quá trình xúc tác
chỉ một phần nhỏ phân tử enzym
tham gia kết hợp với cơ chất và
chuyển hóa thành sản phẩm – trung
tâm hoạt động của enzym

Cấu tạo: bao gồm 1 số nhóm chức
năng của axit amin không tham gia
liên kết trục chính
COOH: axit glutamic và axit aspatic
NH2 : lysin
OH: Serin
SH: Cystein
Imidazol: Histidin
Phenol: Tyrozin

Tính chất: chỉ được hình thành
trong cấu trúc bậc 2,3,4
59

60. Một số quan niệm về trung tâm hoạt
động của enzym

-

-
-
Quan niệm của Fisher (1894)
Trung tâm họat động vốn sẵn có
và cứng nhắc
Enzym: ổ khóa
Cơ chất: chìa khóa
Quan niệm của Kosland (1958)
Trung tâm hoạt động của enzym
được hình thành trong quá trình
kết hợp với cơ chất và đây là
một cấu trúc mềm dẻo, linh động
Cơ chất quyết định cuối cùng
đến hình dáng của enzym
Enzym: găng tay
Cơ chất: bàn tay
60

61. Trung tâm dị lập thể (Allosteric)

Khái niệm:Trung tâm dị lập thể
là vị trí thứ 2 trên phân tử
enzym mà các cơ chất (chất
allosteric) khi kết hợp vào vị trí
này không chuyển hoá tạo
thành sản phẩm mà chỉ làm
thay đổi cấu trúc của phân tử
enzym cũng như cấu trúc trung
tâm hoạt động của enzym.

Tính chất: thay đổi cấu trúc
của enzym theo 2 chiều hướng
Tăng khả năng hoạt động của
enzym: điều hòa dương
Giảm khả năng hoạt động của
enzym: điều hòa âm
-
61

62. Mô hình phản ứng sinh học
E: enzym
S: cơ chất
P: sản phẩm
ES: phức hợp enzym-cơ chất
EP: phức hợp enzym-sản
phẩm
62

63. Trạng thái chuyển tiếp
N
ă
n
g
l
ƣ
ợ
n
g
Bẻ gãy
liên kết
Năng lƣợng
hoạt hóa, Ea
Chất phản ứng
Hình thành
liên kết
Phản ứng
tỏa nhiệt
Sản phẩm
Tiến trình phản ứng
63

64. Cơ chế tác dụng của enzym

-
-
-
Cơ chế tác dụng: Enzym làm tăng
các phản ứng hóa học trong tế bào
nhờ quá trình làm giảm rào cản năng
lượng họat hóa
Năng lượng hoạt hóa là rào cản năng
lượng phải vượt qua trước khi 1 phản
ứng hóa học bắt đầu
Các chất phản ứng phảo hấp thụ Ea
để trở nên họat động -làm yếu các
liên kết đến mức bẻ gãy được chúng
và hình thành liên kết mới. Phản ứng
bắt đầu xảy ra.
Enzym làm tăng vận tốc phản ứng mà
không làm thay đổi chính bản thân
chúng
64

65. 65

66. Tính chất của enzym


Tính chất chung
Khối lượng phân tử lớn
Hòa tan trong môi trường nước hoặc muối loãng hoặc các dung môi hữu cơ tạo
dung dịch keo
Không bền trong môi trường axit và kiềm mạnh
Cƣờng lực xúc tác:Cường lực xúc tác lớn: tăng vận tốc phản ứng lên hàng
vạn cho đến hàng triệu lần so với chất xúc tác hóa học
66

67. Tính chất của enzym (cont.)
-
Đặc hiệu phản ứng: Enzym có khả năng chuyển hoá một số cơ chất
nhất định, một liên kết hoá học nhất định hoặc một kiểu phản ứng hoá
học nhất định
Đặc hiệu cơ chất
Đặc hiệu tương đối
Đặc hiệu nhóm
Đặc hiệu tuyệt đối
Đặc hiệu quang học
Đặc hiệu kiểu phản ứng

Enzym không độc

Enzym ứng dụng trong điều kiện nhẹ nhàng

Enzym đƣợc sản xuất từ các nguồn nguyên liệu rẻ tiền





67

68. Các yếu tố ảnh hƣớng đến hoạt tính
của enzym

Nồng độ cơ chất
Et: Nồng độ enzym tổng
E: Nồng độ enzym tự do (E=Et-ES)
ES: Nồng độ enzym trong phức hợp với cơ chất
k1: hằng số vận tốc tạo phức trung gian ES
k-1: hằng số vận tốc phân ly trung
gian tạo E và S
k2: hằng số vận tốc phân ly phức ES
tạo sản phẩm và enzym tự do
V0: vận tốc ban đầu
Vmax: vận tốc cực đại
Km: hằng số Michaelis
1
V0
Km 1
.
Vm ax [ S ]
1
Vm ax
Công thức Michaelis-Menten
68

69. Các yếu tố ảnh hƣớng đến hoạt tính
của enzym (cont.)

Ý nghĩa của giá trị Km: Km- rất khác nhau giữa các enzym, thậm
chí là giữa cùng 1 enzym với các cơ chất khác nhau cũng sẽ cho
các Km -khác nhau. Km được xem như là một chỉ thị đặc trưng cho
ái lực của enzym với cơ chất của nó. Km càng nhỏ thì ái lực giữa
enzym và cơ chất càng lớn và ngược lại.
69

70. Các yếu tố ảnh hƣớng đến hoạt tính
của enzym (cont.)

-

-

-
Chất kìm hãm
Khái niệm: là chất làm họat động enzym yếu đi hoặc chấm dứt
hoàn toàn.
Phân loại:
Chất kìm hãm thuận nghịch
Chất kìm hãm cạnh tranh
Chất kìm hãm không cạnh tranh
Chất kìm hãm bất thuận nghịch
Chất kìm hãm bất thuận nghịch do sản phẩm của phản ứng
Chất kìm hãm bất thuận nghịch do thừa cơ chất
70

71. Kìm hãm cạnh tranh

Khái niệm: tham gia cạnh tranh với cơ
chất để kết hợp vào trung tâm hoạt động
của enzym. Khi mà chất cạnh tranh (I) kết
hợp được vào với trung tâm hoạt
động, nó sẽ ngăn cản quá trình kết hợp
của cơ chất với enzym.

Đặc tính:
Các chất kìm hãm cạnh tranh là các hợp
chất có cấu tạo giống với cơ chất. Nó sẽ
kết hợp với enzym tạo phức EI nhưng
không dẫn đến quá trình xúc tác để
chuyển hoá thành sản phẩm. Thậm chí sự
kết hợp rất nhanh chóng của dạng phức
này cũng dẫn đến làm giảm khả năng
hoạt động của enzym.
-
-

1
Vi1
(
Km 1
1
)
Vm ax [ S ] Vm ax
Khi [S] lớn hơn rất nhiều lần so với [I], quá
trình kết hợp với enzym của các chất kìm
hãm sẽ ở mức tối thiểu.
Công thức Michaelis Menten
Vm ax[ S ]
V0
K m [S ]
71

72. Kìm hãm không cạnh tranh



Khái niệm:Cơ chất và chất
kìm hãm kết hợp với enzym tại
2 vị trí khác nhau. Chất kìm
hãm không cạnh tranh làm
thay đổi cấu trúc, hình dạng
của enzym cũng như trung tâm
hoạt động của enzym, từ đó
làm giảm vận tốc của phản
ứng.
Đặc tính: cấu tạo của cơ chất
và chất kìm hãm không giống
nhau.
Công thức Michaelis Menten
V0
Vm ax[ S ]
'
'
Km
[S ]
1
Vi 2
'
(
Km
Vmax
'
1
)
[ S ] Vmax
[ ES ][ I ]
[ EIS ]
K I'
'
1
[I ]
K I'
72

73. Kìm hãm bất thuận nghịch

Đặc tính: Các chất kìm hãm không thuận nghịch là các chất
thường tạo liên kết đồng hoá trị với enzym hoặc phá huỷ các
nhóm chức năng cần thiết cho hoạt tính của enzym hoặc tạo ra
các quá trình kết hợp không đồng hoá trị bền.

Phân loại:
Sản phẩm phản ứng: nồng độ sản phẩm tạo thành quá lớn, sản
phẩm sẽ có khả năng kết hợp lên vị trí thứ 2 bất kỳ của enzym
ngoài trung tâm hoạt động làm biến dạng enzym và làm giảm vận
tốc phản ứng. Sản phẩm đóng vai trò là các chất kìm hãm không
cạnh tranh.
-
-
Cơ chất phản ứng: nồng độ cơ chất quá lớn có khả năng kết hợp
với một vị trí thứ 2 của enzym cũng như vào trung tâm hoạt động
của enzym làm thay đổi hình dáng của enzym và từ đó làm giảm
vận tốc phản ứng.
73

74. Các yếu tố ảnh hƣớng đến hoạt tính
của enzym (cont.)



-

-
Nhiệt độ
Nhiệt độ tối ưu: là nhiệt độ tại đó vận tốc phản ứng đạt tốc độ lớn nhât.
Nhiệt độ tối ưu của mỗi enzym phụ thuộc môi trường mà nó tồn tại.
pH
pH tối ưu: là pH tại đó vận tốc phản ứng đạt tốc độ lớn nhất
Nguyên tắc: duy trì trạng thái ion hóa của các nhóm chức năng tại trung tâm họat động và
trong toàn cấu trúc protein
Khoảng họat động: axit yếu, bazơ yếu hoặc trung tính
Chất họat hóa
Khái niệm: là các chất làm enzym từ trạng thái hoạt động yếu trở nên mạnh hoặc từ không
họat động trở nên hoạt động
Bản chất hóa học: + Coenzym vận chuyển điện tử, hydro
+ Chất phá vỡ liên kết peptit bảo phủ trung tâm hoạt động
của enzym
+Chất phục hồi các nhóm chức năng của enzym
+ Ion kim loại
Nồng độ enzym
Vận tốc phản ứng phụ thuộc trong trường hợp thừa cơ chất
74

75. Enzym cố định

Định nghĩa: Enzym cố định là enzym được cố định về mặt vật lý học cùng
với việc giữ được các hoạt tính xúc tính xúc tác của chúng để sử dụng liên
tục và lặp lại nhiều lần.

Nhƣợc điểm của enzym tan
Enzym mang bản chất protein nên tan trong nước, dẫn đến việc khó phân
tách chúng sau phản ứng để thu hồi.
Một số sản phẩm tạo ra có thể trở nên ức chế các enzym tan.

-
-
Ƣu điểm của enzym cố định
Dễ dàng thu hồi enzym sau phản ứng
Độ bền tăng đáng kể: bền nhiệt, vận tốc phản ứng tăng
Kiểm soát quá trình xúc tác chính xác hơn
Tái sử dụng nên giá thành sản phẩm giảm
Thời gian sử dụng dài
Phân tách sản phẩm nhanh chóng sẽ giảm quá trình ức chế ngược
75

76. Phƣơng pháp cố định enzym
Phương pháp
cố định
Liên kết
Bao gói
Bao gói mạng
lưới
Vi bao gói
Hấp phụ
Liên kết đồng
hóa trị
76

77. Phƣơng pháp cố định enzym

Phƣơng pháp bao gói: enzym được trộn lẫn
với tiền chất của gel hoặc các monomer. Gel
hình thành hoặc quá trình polyme hóa các
monomer sẽ bao gói các gel lại.

Ƣu điểm
Enzym không có những thay đổi về mặt hóa
học
Đặc tính enzym không thay đổi
-

-

Nhƣợc điểm
Quá trình bất hoạt enzym xảy ra trong quá
trình hình thành gel
Rõ rỉ enzym xảy ra liên tục phụ thuộc vào
kích thước lỗ gel
Quá trình giới hạn khuếch tán làm giảm khả
năng tiếp xúc giữa enzym và cơ chất
VD- Gel: alginate, agar, agarose, collagen
- Monomer: acrylamide
77

78. Phƣơng pháp cố định enzym (cont.)

Phƣơng pháp vi bao gói: enzym được
bao gói trong màng bán thấm dưới dạng
giọt hình cầu rỗng vi mô.

Ƣu điểm
Không ảnh hưởng đến hoạt tính của
enzym
Mỗi enzym liên kết gần nhất với cơ chất
trong môi trường lỏng xung quanh
-
-

-
-
Nhƣợc điểm
Giới hạn khả năng khuyếch tán sẽ giới
hạn khả năng chuyển động của cơ chất
tới trung tâm hoạt động của enzym
Không thích hợp cho các enzym
proteolytic hoặc các phân tử cơ chất
lớn.
78

79. Phƣơng pháp cố định enzym (cont.)

Phƣơng pháp liên kết đồng hóa trị: enzym được
hấp phụ lên bề mặt chất mang nhờ quá trình hình
thành các liên kết đồng hóa trị thông qua các
nhóm chức năng.

Các nhóm chức năng phổ biến nhất của chất
mang
Nhóm amin
Nhóm cacboxyl
Nhóm hydroxyl
Nhóm sulphydryl
-

Chất mang: polyme từ acrylamide,
anhydride, polyme từ styrene, polypeptit

Nhƣợc điểm: các nhóm chức năng không nằm tại
trung tâm hoạt động của enzym do đó cần có các
hợp chất hóa học để họat hóa các nhóm chức
năng này.
maleic
79

80. Phƣơng pháp cố định enzym (cont.)

Phƣơng pháp hấp phụ: là phương pháp đơn giản nhất. Enzym hấp phụ
vật lý lên trên bề mặt của chất mang nhờ các liên kết yếu như Van der
Waals.

Chất mang: alumina, clay, silica, nhựa trao đổi ion, CaCO3, nhựa trao
đổi cation, collagen và thủy tinh.

Ƣu điểm
Quá trình cố định đơn giản và dễ dàng thực hiện
Quá trình hấp phụ thuận nghịch
Enzym không bi vô họat trong quá trình hấp phụ

-
Nhƣợc điểm
Quá trình hấp phụ không đặc hiệu: ngoài enzym có các cơ chất khác
cũng có thể hấp phụ lên chất mang.
Thời gian phủ mẫu dài và lực liên kết yếu
80

81. Các nhân tố ảnh hƣởng đến quá
trình cố định enzym

Tính chất của enzym tự do

Dạng chất mang được sử dụng

Phương pháp họat hóa chất mang

Phương pháp cố định enzym
81

82. Tính chất của enyzm cố định

Nguồn thu enzym

Dạng tồn tại vật lý của enzym

Độ tinh sạch của enzym (phương pháp tinh
sạch)

Họat tính xúc tác: quyết định độ nhạy của
enzym cố định
82

83. Dạng chất mang







-
Tính chất
Không tan trong nước
Có khả năng liên kết với enzym cao
Trơ về mặt hóa học
Có cơ chế họat động ổn định và bền
Điện tích bề mặt và tính kị nước
Diện tích bề mặt: diện tích lỗ, kích thước hạt, đường kính ống
Đặc điểm chuyển khối
Quá trình khuếch tán tại chỗ của hệ thống
Phân loại
Polyme kị nước dựa trên các polysaccarit tự nhiên như
agarose, dextran và cellulose.
Polyme
hydrocacbon
tổng
hợp
ưa
béo
như
polyacrylamide, polystyrene và nylon.
Các vật liệu vô cơ như oxit sắt, hạt thủy tinh
83

84. Phƣơng pháp họat hóa chất mang
Polysacarit
- Derivatization các nhóm hydroxy chức năng
- Tác nhân: cyanogen bromide, các dẫn xuất
triazin, ganuric chloride, sodium periodate, expoxide
hoặc benzoquinone


Poacrylamide và dẫn xuất: hoạt hóa nhờ phản
ứng diamine

Chất mang vô cơ: họat hóa nhờ phản ứng với
glutaraldehyt
84

85. Đặc tính của enzym cố định

Dạng tồn tại:
hạt, màng, ống, sợi

Hoạt tính enzym còn lại
sau khi cố định

% enzym được cố định
lên chất mang
85

86. Sinh học đại cƣơng
Chƣơng IV: Vi sinh vật và các
quá trình sinh học
86

87. Quá trình lên men

1.
2.
3.
4.
5.
6.

-
Khái niệm về lên men
Bất kỳ quá trình nào liên quan đến môi trường sinh khối của vi sinh
vật, bao gồm cả kị khí và hiếu khí.
Bất kỳ quá trình sinh học nào xảy ra có mặt oxy
Quá trình làm hư hỏng thực phẩm
Sử dụng cơ chất vô cơ như chất cho và nhận điện tử
Sử dụng cơ chất vô cơ như chất khử
Sự sinh trưởng phụ thuộc vào quá trình phosphoryl cấp độ cơ chất
Các yêu cầu cần thiết cho qúa trình lên men
Vi sinh vật tiến hành quá trình chuyển hóa sinh học
Cơ chất để chuyển hóa thành sản phẩm
Điều kiên lên men
Quá trình thu hồi và tinh sạch sản phẩm
Xử lý dòng thải
Quá trình đóng gói và thương mại hóa
87

88. Quá trình lên men
Vi sinh vật
Cơ chất
Vi dinh dưỡng
Điều kiện lên men
Thu hồi và tinh sạch
Xử lý dòng thải
Phân lập
Thanh trùng môi
trường
Bổ sung và khuấy
trôn
Điều kiện thanh
trùng
Kỹ thuật phá vỡ
tế bào
Vật lý
Lưu giữ
Hóa học
Thanh trùng khí
Xây dụng tập hợp
chủng
Bao gói, thương mại
Hơi
Cấy giống
Sinh học
Kiểm soát nhiệt độ
Kiểm soát pH
Đo lượng oxy hòa
tan
Phun khí
88
Điều kiện khuấy

89. Canh trường gốc
Thiết bị lên men
Sinh khối
Dịch lên
men
Bình tam giác
Phân tách
tế bào
Nhân giống
Nước nổi
Tách chiết
sản phẩm
Thanh trùng môi trường
Thiết lập môi trường
Vật liệu môi trường thô
Tinh sạch
sản phẩm
Xử lý
dòng thải
Bao gói
sản phẩm
89

90. Sản phẩm của quá trình lên men

Sinh khối vi sinh vật: protein đơn bào

Sản phẩm của quá trình trao đổi chất thứ
cấp: axit amin, axit hữu cơ, vitamin...

Sản phẩm của quá trình chuyển hóa sinh
học: steroid, hoocmon...

Enzym: amylase, lipase...
90

91. Môi trƣờng lên men - Dinh
dƣỡng vi sinh vật


-
Thành phần môi trƣờng lên men
Cacbon
Nitơ
Năng lượng
Khoáng
Các dinh dưỡng khác như vitamin
Oxy/khí đối với quá trình hiếu khí
Nước
Yêu cầu môi trƣờng lên men qui mô công nghiệp
Rẻ tiền, dễ dàng tìm được với giá và chất lượng thích hợp
Năng suất cao: tạo ra lượng sản phẩm lớn nhất trên 1 đơn vị cơ chất
tiêu thụ
Tốc độ hình thành sản phẩm cao
Hạn chế tối đa việc hình thành các sản phẩm không mong muốn
91

92. Môi trƣờng lên men - Dinh dƣỡng
vi sinh vật
Khái niệm: các công cụ hóa học cần thiết để tổng hợp nên các monomer được gọi là các chất dinh dưỡng vi sinh
vật

Cacbon
-
Ý nghĩa:mọi thành phần hữu cơ cấu tạo nên tế bào vi sinh vật đều là các hợp chất chứa cacbon. Hàm
lượng trong tế bào: 50%
Nguyên tắc lựa chọn:
1. Thành phần hóa học và tính chất sinh lý của nguồn thức ăn
2. Đặc điểm sinh lý của từng loại vi sinh vật
3. Cấu tạo phân tử, đặc biệt là mức độ oxy hóa của nguyên tử C trong các nguồn thức ăn khác nhau
Nguồn cung cấp:

Hydrat cacbon
+ Rỉ đường: là nguồn carbonhydrate rẻ tiền nhất, ngoài việc cung cấp một lượng lớn đường còn chứa các cơ chất
mang nitơ, vitamin và các nhân tố vi lượng khác.
+ Dịch chiết malt: là cơ chất thích hợp cho nấm men, nấm mốc và xạ khuẩn
+ Tinh bột và dextrin: được chuyển hóa trực tiếp nhờ enzym amylase có trong VSV
+ Cellulose: rẻ tiền, phong phú về số lượng dưới dạng phế thải của nông nghiệp và một số ngành công nghiệp (rơm,
lõi ngô, phế thải gỗ, bã mía và phế thải giấy)

Methanol: rẻ tiền, nhưng ít phổ biến do chỉ một số ít VSV có thể chuyển hóa. Dùng làm cơ chất trong lên men sản
xuất axit glutamic, serine và vitamin B12

Ethanol: được sử dụng rất phổ biên trong quá trình lên men

Alkane: chiều dài mạch từ C12 đến C18
92

93. Dinh dƣỡng vi sinh vật (cont.)

-
+
Nitơ
Ý nghĩa: cung cấp nitơ tạo ra nhóm amin và imin trong phân tử axit amin, nucleotit, vitamin và 1
số hợp chất khác. Nitơ: chiếm khoảng 12% trọng lượng khô của tế bào
Nitơ vô cơ: amoniac, nitrate
Nitơ hữu cơ:
Cao ngô (hình thành trong quá trình sản xuất tinh bột từ ngô): chứa nhiều axit amin như
alanine, arginine, axit glutamic, isoleucine, valine, phenylalanine, methionine và cystein
+ Cao nấm men: là cơ chất ưu thích của rất nhiều VSV. Chứa các axit amin và peptit, các vitamin
tan trong nước, hydrate cacbon.
+
Pepton (các hợp chất thủy phân không triệt để protein): được nhiều vi sinh vật sử dụng nhưng
đắt tiền nên chủ yếu được sử dụng trong giai đoạn nhân giống. Nguồn thu của pepton đa dạng
từ thịt, casein, gelatin, keratin, hạt lạc, bột đậu, các hạt bông và các hạt hoa hướng dương.Thành
phần pepton đa dạng phụ thuộc vào nguồn thu.
VD:
Pepton thu từ gelatin giàu proline và hydroxyproline nhưng hầu như không có các axit
amin chứa lưu huỳnh.
Pepton từ keratin giàu proline và xystine nhưng thiếu lysine.
Pepton từ thực vật chứa nhiều hydrate cacbon
+
Bột đậu nành- phần còn lại của đậu sau khi chiết dầu là một cơ chất phức tạp. Thành phần gồm:
protein
chiếm
50%,
hydrate
cacbon
chiếm
30%
(sucrose, stachyose, rafinose, arabinoglucan, arabinan và polysaccarit), chất béo chiếm 1% và
93
lecithin chiếm 1,8%. Thường được sử dụng trong các quá trình lên men khàng sinh

94. Dinh dƣỡng vi sinh vật (cont.)

-
-
Đa lƣợng
Photpho (50%): tồn tại trong tự nhiên ở dạng phosphate vô cơ và hữu cơ. Cần thiết cho quá trình
tổng hợp axit nucleic và phospholipid. Tạo ra tính đệm cho môi trường.
Lưu huỳnh: phần lớn lưu huỳnh trong tế bào có nguồn gốc vô cơ như sulfate (SO4) hoặc sunsit (HS).
Cần thiết cho quá trình tổng hợp axit amin cystein và methionine cũng như một số loại vitamin như
thiamine, biotin.
-
Mangan (Mn): thành phần của một số enzym xúc tác cho quá trình hô hấp tế bào
-
Kẽm (Zn): cofactor của nhiều enzym
-
Magiê: cần cho nhiều hoạt động của enzym (cofactor) cũng như cần thiết để làm ổn định
ribosome, màng tế bào và axit nucleic.
-
Canxi : cầu nối trung gian giữa các thành phần quan trọng của tế bào
-
Sắt:giúp vi sinh vật tổng hợp một số enzym loai porphyrin (catalase, peroxydase...), sắc tố

Vi lƣợng: chủ yếu là kim loại, đóng vai trò quan trọng trong chức năng xúc tác của enzym

Nhân tố phát triển: là các hợp chất hữu cơ như vitamin, axit amin, purine và pyrimidine, được yêu
94
cầu với một lượng nhỏ
quang hợp

95. Dinh dƣỡng vi sinh vật (cont.)
Nƣớc
- Chất lượng nước phụ thuộc:
+ pH
+ Thành phần và hàm lượng các muối tan
+ Các chất khoáng
+ Các loại vi sinh vật nhiễm
+ Hàm lượng Clo

Xử lý trước lên men
+ deion hóa
+ một số phương pháp làm mềm nước
-
95

96. Chủng giống công nghiệp

-


-
Tiêu chuẩn giống vi sinh vật công nghiệp
Thuần khiết, sinh trưởng mạnh trên các nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có.
Tạo ra sản phẩm mong muốn với năng suất cao, chất lượng tốt.
Tạo ra ít sản phẩm phụ
Bảo quản dễ dàng và giữ được các đặc tính tối ưu trong quá trình sử dụng và bảo quản
Có khả năng thay đổi các đặc tính di truyền bằng các phương pháp biến đổi gen
Các sản phẩm trao đổi chất và sinh khối của tế bào dễ dàng tách ra khỏi dịch lên men
Phƣơng pháp tạo giống vi sinh vật
Gây đột biến nhân tạo và lựa chọn các chủng vi sinh vật có hiệu quả cho sản xuất cao
Sử dụng DNA tái tổ hợp tạo ra các cá thể mới mang các đặc tính mong muốn
Lựa chọn các chủng vi sinh vật được sử dụng trong sản xuất
Các nhân tố ảnh hƣởng đến sự sinh trƣởng của các VSV công nghiệp
Nguồn cacbon và nitơ
Kích thước và sinh khối tế bào
Môi trường vật lý và hóa học
Duy trì năng lượng cung cấp cho sự sống sót của các tế bào
Phương pháp lên men: liên tục và theo mẻ
Tốc độ sinh trưởng
96

97. Sinh trƣởng và phát triển của vi sinh vật
Pha mở đầu
Thời gian: bắt đầu cấy cho đến khi vi sinh vật đạt được tốc độ sinh trưởng cực
đại (3-4h)
Đặc điểm:
+ Tế bào chưa phân chia
+ Thể tích và trọng lượng tế bào tăng
+ Thời gian phụ thuộc vào ống giống và môi trường (tế bào càng già thi thời gian
pha mở đầu càng lớn)
+ Chức năng: giúp tế bào thích nghi với môi trường dinh dưỡng và sinh tổng hợp
các chất cần thiết cho cơ thể.

-
Pha lũy tiến (pha logarit)
Thời gian: 5-12h
Đặc điểm:
+ Vi sinh vật phát triển và sinh trưởng theo lũy thừa
+ Kích thước tế bào, thành phần hóa học, họat tính sinh lý không thay đổi theo thời
gian

Pha ổn định (pha cân bằng)
Thời gian: vài h đến vài ngày
Đặc điểm:
+ Quần thể tế bào cân bằng động học
+ Tốc độ sinh trưởng phụ thuộc vào nồng độ cơ chất

-
Pha tử vong
- Thời gian: 2-3 ngày đến hàng tháng
Đặc điểm: số lượng tế bào có khả năng sống giảm rất nhanh theo lũy thừa
Nguyên nhân:
+ Môi trường cạn thức ăn
+ Môi trường bị nhiễm độc

97

98. Các yếu tố ảnh hƣởng đến vi
sinh vật


-
Các yếu tố môi trƣờng
Yếu tố vật lý
Yếu tố hóa học
Yếu tố sinh học
Những biến đổi gây ra đối với vi sinh vật
Phá hủy thành tế bào
Thay đổi tính thấm của màng tế bào chất
Thay đổi đặc tính keo của nguyên sinh chất
Kìm hãm họat tính của enzym
Phá hủy các quá trình sinh tổng hợp
98

99. Các yếu tố vật lý


-

-



-
Độ ẩm môi trƣờng
Chức năng: hòa tan và khuếch tán chất dinh dưỡng vào tế bào
Tác động: loại nước ra khỏi tế bào, trao đổi chất giảm, tế bào chết
Áp lực môi trƣờng
Áp suất thẩm thấu: ưu trương – co nguyên sinh chất;nhược trương- trương nguyên sinh chất
tế bào
chết
Áp suất thủy tĩnh: làm VSV chậm hoặc mất khả năng di chuyển, làm ngừng sinh trưởng, làm thay đổi quá trình
trao đổi chất nhưng không làm chết tế bào (vi sinh vật ở các mỏ dầu: 200-300atm)
Âm thanh (sóng siêu âm)
Tác động trực tiếp: làm tăng độ nhớt môi trường, tăng sức căng bề mặt
Tác động gián tiếp: làm ion hóa một phần các chất khí hòa tan và tạo thành H2O2 và NO, độc hại cho vi sinh
vật
Nhiệt độ
Nhiệt độ cao: 60-70oC - làm chết tế bào VSV, nấm men, nấm mốc
Nhiệt độ thấp: không thể hiện hoạt động sống nhưng vẫn giữ được khả năng sống
Sức căng bề mặt: giúp VSV sinh trưởng và khuếch tán đồng đều trong dung dichj
Chất làm giảm sức căng bề mặt: axit béo, alcohol, hydrocacbon
Chất làm tăng sức căng bề mặt: muối vô cơ
Các tia bức xạ
Tia tử ngoại (10-300nm):gây đột biến hoặc chết vi sinh vật tùy loại VSV và cường độ chiếu, thời gian chiếu
Sóng vô tuyển điện (10-50nm; <10nm): nhiệt độ môi trường tăng rất cao và nhanh, làm chết VSV
99

100. Các yếu tố hóa học

pH

-
Các chất diệt khuẩn
Phenol và các hợp chất của phenol: phá hủy tính bán thấm của màng tế bào và làm biến tính
protein
-
Alcohol: phân tử càng cao diệt khuẩn càng mạnh. Gây kết tủa protein.
-
Halogen: khí clo và các hợp chất như cloramin, cloran, I2
-
Kim loại nặng Ag, Hg, Cu ,Ar: bất họat nhóm –SH trong cấu trúc của protein và kết tủa protein
-
Các chất oxi hóa mạnh H2O2, KMnO4: kìm hãm nhóm –SH
-
Thuốc nhuộm: tác dụng liên kết với protein trong tế bào dẫn đến những biến đổi có hại cho tế
bào
-
Xà phòng: là muôi kali hoặc natri của các axit béo bậc cao. Loại bỏ VSV khỏi bề mặt do làm
giảm sức căng bề mặt
-
Sản phẩm của quá trình trao đổi chất: quá lớn sẽ ức chế ngược VSV chuyển hóa
100

101. Sản phẩm của quá trình sinh
trƣởng VSV

Chuyển hóa bậc 1 - sản phẩm sơ cấp: dạng
chuyển hóa hình thành trong pha sinh trưởng lũy
tiến

Chuyển hóa bậc 2 - sản phẩm thứ cấp: dạng
chuyển hóa hình thành trong cuối pha sinh trưởng
cân lũy tiến và cuối pha sinh trường cân bằng
Các sản phẩm thứ cấp không cần thiết cho sự sinh
trưởng và tái tạo
Sự hình thành sản phẩm thứ cấp phụ thuộc hoàn
toàn vào điều kiện nuôi cấy, thành phần môi trường
Tạo ra với một lượng lớn hơn hẳn sản phẩm sơ cấp
Được tạo ra không chỉ từ cơ chất mà có thể từ sản
phẩm sơ cấp và các sản phẩm trung gian tích lũy
trong quá trình nuôi cấy
-

-
Mối quan hệ giữa sản phẩm sơ cấp và thứ cấp
Các con đường trao đổi chất của sản phẩm thứ cấp
đều nảy sinh từ quá trình trao đổi sơ cấp
101

102. Bản chất của quá trình lên men

Khái niệm: lên men là quá trình oxy hóa khử sinh học được thực hiện nhờ các
họat động sống của vi sinh vật (enzym) nhằm cung cấp năng lượng và các hợp
chất trung gian cần thiết cho chúng.

Quá trình lên men: 2 pha
Pha sinh trưởng
Chức năng:Sinh tổng hợp protein và xây dựng tế bào
Tế bào VSV: sinh trưởng nhanh
Thời gian: nhân giống cho đến khi sinh khối ngừng phát triển, tích lũy nhiều sản
phẩm lên men
Môi trường: giàu C, N, P
Sản phẩm trao đổi chất: hàm lượng rất thấp

-

-
Pha tích tụ các sản phẩm trao đổi thứ cấp
Chức năng: tích tụ sản phẩm trao đổi chất
Môi trường: cạn dần dinh dưỡng
Tế bào VSV: sinh khối giảm dần
102

103. Phƣơng pháp lên men

-
-

-
-

-
-
-
Phân loại theo hình thức lên men
Phương pháp lên men tĩnh (theo mẻ): dịch ngâm các vật liệu thô được chuyển vào tăng lên men. pH và
nhiệt độ được điều chỉnh kèm theo việc bổ sung các chất dinh dưỡng vào dịch ngâm. Dịch ngâm sau đó được
thanh trùng hơi và chủng giống vi sinh vật được bổ sung vào. Sau 1 thời gian thích hợp, sản phẩm được lấy
ra khỏi tăng lên men.
Phương pháp lên men liên tục: Cơ chất được bổ sung vào tăng lên men liên tục với tốc độ cố định.Vi sinh
vật được giữ phát triển trong pha sinh trường lũy tiến. Sản phẩm được lấy ra liên tục.
Phân loại theo cách thức hô hấp
Phương pháp lên men hiếu khí: là quá trình lên men diễn ra dưới điều kiện phải cung cấp oxi. Oxi là chất
nhận điện tử cuối cùng. Yêu cầu quá trình khuấy trộn và thông khí
Phương pháp lên men yếm khí: là quá trình lên men diễn ra dưới điều kiện không có oxy. Yêu cầu quá trình
thông khí nhẹ cho pha sinh trưởng khởi đầu và khuấy trộn để hòa trộn môi trường và duy trì nhiệt độ nuôi
cấy.
Phân loại theo cách thức nuôi cấy
Phương pháp lên men bề mặt: vi sinh vật sinh trưởng trên bề mặt của môi trường lỏng không thông khí.
Sau một thời gian nuôi cấy, dịch lọc được phân tách khỏi sinh khối và thu hồi sản phẩm mong muốn. Phương
pháp này đòi hỏi thời gian dài, không gian lên men rộng.
Phương pháp lên men chìm: vi sinh vật sinh trưởng trong môi trường lỏng được thông khí và khuấy trộn
mạnh mẽ môi trường nuôi cấy được lấy ra phụ thuộc vào tốc độ tạo thành sản phẩm và tốc độ dòng môi
trường mới bổ sung.
Phương pháp lên men bán rắn hoặc bán rắn: môi trường nuôi cấy được tẩm lên trên vật liệu mang như bã
103
mía, bã bột mỳ, bột nhào khoai tây ... Và vi sinh vật sẽ sinh trưởng trên giá thể này. Bề mặt sinh trưởng
lớn, Thu hồi sản phẩm dễ dàng.

104. Thiết bị lên men

Vật liệu: thép không rỉ

Cấu trúc và qui mô: hình trụ với thể tích
phong phú từ 5-10l đến 500.000l
Binh tam giác
Qui mô lên men phòng thí nghiệm: 1-10l
Qui mô lên men thực nghiệm: 300-3000l
Qui mô lên men thương mại: 10.000-500.000l

-
Thiết bị làm lạnh
Lớp áo lạnh: luân chuyển hơi hoặc nước
Ống ruột gà

Thiết bị phun khí: các lỗ trên vòng kim loại
hoặc vòi phun. Dưới áp suất cao, khí được
đẩy vào thiết bị lên men dưới dạng các bong
bóng nhỏ và oxy được khuếch tán vào môi
trường lên men

Thiết bị khuấy trộn
Hòa trộn các bong bóng khí vào chất lỏng
Hòa trộn các vi sinh vật vào dịch lên men đề
đồng nhất về mặt dinh dưỡng
104
-

105. Thu hồi sản phẩm

-
-
Phân tách tế bào và các cơ chất không tan ra khỏi dịch lên men
Lọc hoặc lắng
Ly tâm
-
Phá vỡ tế bào
Phương pháp vật lý
Phương pháp sinh học

Cô đặc sản phẩm

Các yếu tố cho phép lựa chọn phƣơng thức thu hồi
Vị trí tồn tại của sản phẩm: nội bào hay ngoại bào
Hàm lượng sản phẩm trong dịch lên men
Giá thành của sản phẩm
Mục đích sử dụng cuối cùng của sản phẩm
Các tiêu chuẩn tối thiểu của sản phẩm
Các tạp chất có mặt trong sản phẩm lên men và đặc tính tự nhiên của nó có thể
ảnh hưởng đến các giai đoạn trong quá trình thu hồi sản phẩm

-
-
-
105

106. Quá trình thanh trùng
Thanh trùng môi trƣờng
Điều kiện thanh trùng phụ thuộc
+ Thành phần môi trường
+ Thể tích môi trường
Chế độ thanh trùng phổ biến: thanh trùng bằng hơi nước bão hòa ở
121oC, 20-40 phút
Thành phần nhạy cảm nhiệt: phin lọc (vitamin, nhân tố vi lượng…)


-

-
Thanh trùng thiết bị lên men
Sử dụng hơi nước bão hòa
VD thiết bị lên men 3000l cần 2-3h để đạt 121oC, 20-60 phút thành trùng
và làm lạnh mất 1h.
Thanh trùng khí
Phin lọc
106

107. Quá trình nhân giống và bảo
quản giống


-
Nhân giống
Giống đông khô
Giống thạch nghiêng
Giống nuôi lắc
Nhân giống trong hệ thống nhân giống
Bảo quản giống
Môi trường thạch nghiêng: đơn giản, tiện lợi nhưng thời gian cấy
truyền ngắn. Dễ mất các hoạt tính ban đầu.
Lạnh đông (-25oC): đơn giản, thời gian bảo quản dài
Đông khô: thăng hoa phần nước có trong môi trường vi sinh vật
ở áp suất thấp. Tỷ lệ sống của VSV cao, các đặc tính di truyền
không bị thay đổi, thời gian giữ giống dài.
107