Công nghệ enzyme tạo ra vanillin tự nhiên từ thực vật chỉ trong một bước

Công nghệ enzyme tạo ra vanillin tự nhiên từ thực vật chỉ trong một bước

Chiết xuất vani là một trong những hợp chất hương liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong các sản phẩm thực phẩm và mỹ phẩm. Mùi dễ chịu và ngọt ngào của hương vị cổ điển này được truyền tải bởi hợp chất hóa học 'vanillin' được tìm thấy trong vỏ hạt của cây vani thuộc họ lan. Ở thực vật, vanillin được tổng hợp bằng cách chuyển đổi axit ferulic nhờ enzyme - VpVAN. Tuy nhiên, quá trình sinh tổng hợp vanillin trong phòng thí nghiệm từ VpVAN có nguồn gốc từ thực vật chỉ tạo ra một lượng vanillin rất nhỏ và do đó không khả thi về mặt thương mại. Hơn nữa, mặc dù tinh chất vani có nguồn gốc hóa học có sẵn với giá rẻ nhưng chúng không phù hợp với hương vị của chiết xuất vani tự nhiên và nhu cầu về loại tinh chất vani này vẫn tiếp tục ở mức cao. Ngoài ra, những hạn chế về khí hậu đối với việc trồng cây vani và năng suất tương đối nhỏ trên mỗi cây đã dẫn đến nguồn cung suy giảm và giá chiết xuất vani tự nhiên tăng vọt.

 

Enzim biến đổi gen mới chuyển đổi bền vững axit ferulic từ chất thải thực vật thành vanillin.

Giải quyết những thách thức này, Giáo sư Toshiki Furuya từ Khoa Khoa học Sinh học Ứng dụng, Khoa Khoa học và Công nghệ, Đại học Khoa học Tokyo, cùng các nghiên cứu sinh Shizuka Fujimaki và Satsuki Sakamoto, đã phát triển thành công loại enzyme tạo ra vanillin từ axit ferulic có nguồn gốc từ thực vật. "Axit ferulic, nguyên liệu thô, là một hợp chất có thể thu được rất nhiều từ chất thải nông nghiệp như cám gạo và cám lúa mì. Vanillin được tạo ra đơn giản bằng cách trộn axit ferulic với enzyme đã phát triển ở nhiệt độ phòng. Vì vậy, công nghệ đã được thiết lập có thể cung cấp một phương pháp đơn giản và thân thiện với môi trường để sản xuất các hợp chất hương vị”, Giáo sư Furuya giải thích. Nghiên cứu của họ được công bố vào ngày 10 tháng 5 năm 2024 trên tạp chí Vi sinh ứng dụng và môi trường.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp kỹ thuật di truyền để sửa đổi cấu trúc phân tử của enzyme -- 'Ado'. Ado ban đầu là một enzyme oxydase bổ sung một nguyên tử oxy vào cơ chất - isoeugenol. Ở trạng thái tự nhiên, nó không có khả năng chuyển axit ferulic thành vanillin. Bằng cách sử dụng phân tích mô hình cấu trúc, các nhà nghiên cứu có thể dự đoán những thay đổi về axit amin trong Ado sẽ cho phép nó tương tác với axit ferulic. Trên những dây chuyền này, họ đã tiến hành một loạt thí nghiệm bằng cách thay thế các gốc axit amin phenylalanine và valine tại các vị trí cụ thể trong cấu trúc của Ado bằng nhiều loại axit amin khác. Họ tiếp tục kiểm tra khả năng chuyển đổi axit ferulic của các loại protein đột biến được xử lý bằng công nghệ khác nhau.

Sau một số thử nghiệm và sai sót, họ phát hiện ra một loại protein đột biến trong đó chỉ có ba gốc phenylalanine và valine cụ thể được thay thế bằng tyrosine và arginine, phản ứng ổn định với axit ferulic và thể hiện hoạt tính chuyển đổi cao. Đáng chú ý, enzyme được thao tác di truyền không yêu cầu bất kỳ đồng yếu tố nào để chuyển đổi, không giống như các oxidase khác, và tạo ra vanillin ở cấp độ gam trên mỗi lít dung dịch phản ứng, với hiệu suất xúc tác và ái lực cao hơn so với enzyme tự nhiên. Phản ứng chỉ yêu cầu trộn enzyme, axit ferulic và không khí (oxy phân tử) ở nhiệt độ phòng, khiến đây trở thành một quy trình đơn giản, bền vững và có thể mở rộng về mặt kinh tế. Hơn nữa, enzyme tiến hóa ở cấp độ phân tử cũng thể hiện hoạt động chuyển đổi thành axit p-coumaric và axit sinapic, là những hợp chất thu được từ quá trình phân hủy lignin - một chất thải nông nghiệp phổ biến.

Cho đến nay, chưa có enzyme có nguồn gốc từ vi sinh vật hoặc thực vật nào thể hiện khả năng chuyển đổi axit ferulic thành vanillin ở quy mô công nghiệp. Do đó, enzyme được phát triển trong nghiên cứu hiện tại cho thấy tiềm năng đáng kể trong việc tạo điều kiện cho việc sản xuất vanillin tự nhiên có hiệu quả kinh tế và thương mại.

 Giải thích về ý nghĩa lâu dài của nghiên cứu của mình, Giáo sư Furuya cho biết: "Khai thác tiềm năng của vi sinh vật và enzyme để tạo ra các hợp chất có giá trị trong điều kiện ôn hòa từ các nguồn tài nguyên có nguồn gốc thực vật tái tạo, mang đến một cách tiếp cận bền vững để giảm thiểu tác động đến môi trường. Với một công ty, nỗ lực nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào việc đạt được việc triển khai sản xuất vanillin trong thế giới thực thông qua việc sử dụng enzyme mới được phát triển."
 

Nguyễn Thị Thủy Tiên - Hcmbiotech, nguồn: sciencedaily.com