Phytase, enzyme phân giải phytate và tiềm năng ứng dụng công nghệ sinh học

A. Giới thiệu về phytate
Phytate là một dạng phospho hữu cơ chiếm từ 1 đến 5% (w/w) của đậu hạt, ngũ
cốc, hột chứa dầu, phấn hoa và hạnh nhân (Cheryan, 1980); hầu hết thực phẩm có
nguồn gốc thực vật chứa từ 50% đến 80% phospho tổng là phytate (Harland và
Morris, 1995) và dĩ nhiên phytate chứa khoáng liên kết với acid amin và protein.
Theo Posternak (1902) là người đầu tiên phát hiện ra phytin. Ông dùng phytin để
chỉ một chất phospho trong các loại hạt mà ông khám phá ra và xem nó như sản
phẩm trung gian trong quá trình tổng hợp diệp lục tố nhưng Pfeffer tìm ra acid
phytic từ năm 1872.
Trong tự nhiên, acid phytic tồn tại chủ yếu trong các dạng muối phytate dưới dạng
phức hợp với các cation quan trọng cho dinh dưỡng như Ca2+, Zn2+ và Fe2+ và
phytate chứa 14-25% phospho, 1,2-2% Canxi, 1-2% kẽm và sắt. Lượng phytate
cao nhất trong các loại ngũ cốc, bắp (0,83-2,22%) và trong các loại hạt đậu (5,92-
9,15%) (Reddy, et al., 1989).
Phytate làm giảm khả năng tiêu hóa protein, tinh bột và lipit vì phytate tạo phức
với protein làm protein kém tan và kháng lại được sự phân giải protein. Acid
phytic có thể ảnh hưởng đến sự tiêu hóa tinh bột thông qua sự tương tác với
enzyme amylase (Kerovuo, et al., 2000). Ở pH thấp [acid], acid phytic có điện tích
âm mạnh vì các nhóm phosphate phân ly không hoàn toàn. Dưới điều kiện này,
acid phytic có ảnh hưởng xấu đến khả năng hòa tan protein vì liên kết ion của các
nhóm phosphate của acid phytic và các gốc acid amin bị ion hóa (lysyl, histidyl,
arginyl). Trong pH acid, acid phytic có thể gắn chặt với các protein thực vật, vì
điểm đẳng điện của protein này nằm trong pH 4,0-5,0. Ở pH 6,0-8,0, acid phytic và
protein thực vật đều có điện tích âm, phức hợp acid phytic và protein vẫn được
hình thành. Việc gắn kết này làm giảm giá trị dinh dưỡng của protein thực vật
(Vohra, et al., 2003).

năng thủy phân của phytase có thể được đóng góp một cách rộng rãi trong hệ sinh
thái. Được biết là những vi sinh vật sản xuất phytase bao gồm cả những vi khuẩn
hiếu khí như Pseudomonas spp (Richardson và Hadobas, 1997; Kim et al., 2002),
Bacillus subtilis (Shimizu, 1992) và Klebsiella spp (Greiner et al., 19993), vi
khuẩn kị khí như Escherichia coli (Greiner et al., 1993) và Mitsuokella spp (Lan et
al., 2002), nấm như Aspergillus spp (Ullah, 1998; Shimizu, 1992) và Penicillum
spp (Tseng et al., 2002). Những vi khuẩn hiếu khí như Pseudomonas, Arthrobacter,
Staphylococcus và Bacillus thì được xác nhận là có phytase có hoạt tính.
+ Vi khuẩn sản xuất phytase
Phytase có mặt rộng rãi trong thực vật, mô động vật và vi sinh vật kể cả con người.
Tuy nhiên, những nghiên cứu đã chỉ ra rằng phytase ở vi sinh vật có ứng dụng
nhiều nhất trong kỹ thuật sinh học. Mặc dù việc sản xuất phytase thương mại đều
chủ yếu tập trung ở nấm Aspergillus, những nghiên cứu đã đề nghị rằng phytase
của vi khuẩn có thể thay thế enzyme phytase từ nấm bởi vì mật độ tập trung cao và
nét riêng biệt của chúng, độ bền với sự thủy phân protein cao và hiệu quả xúc tác
tốt nhất. Những vi khuẩn sản xuất phytase có thể phân lập từ vùng cạn hoặc từ môi
trường nước và phytase thì có mặt rộng rãi trong nhiều loại vi khuẩn khác nhau,
như Bacillus, Enterbacteria, vi khuẩn kị khí ở dạ cỏ động vật nhai lại và ở
Pseudomonas (Jorquera et al., 2008).
Đối với vi khuẩn, phytase được tổng hợp ở cả vi khuẩn gram dương (B. subtilis)
và gram âm (Aerobacter aerogegnes, E. coli, các chủng Pseudomonas, Klebsiella).
Phytase từ các vi khuẩn gram âm là các protein nội bào trong khi phytase từ các vi
khuẩn gram dương là các protein ngoại bào (Choi et al., 2001).
Theo kết quả nghiên cứu của Kerovuo et al., (2000), 21 dòng từ giống Bacillus
được kiểm tra cho khả năng sản xuất enzyme phytase trên môi trường Luria broth
(LB) và trong môi trường có bột bắp, không có dòng nào sản xuất phytase trong
môi trường LB. Tuy nhiên, trong môi trường bột bắp thì có 2 dòng B.
amyloliquefaciens và 1 dòng B. subtilis sản xuất số lượng lớn phytase. Có 3 dòng
thì có khả năng phóng thích lân vô cơ trong môi trường là B. subtilis VTT E-
68013, B. amyloliquefaciens VTT E- 71015, B. amyloliquefaciens VTT E-90408

không sử dụng phytase để phân giải phospho trong thức ăn, không cần bổ sung bột
xương, giảm thiểu sự thất thoát phospho vào môi trường (Mohanna và Nys, 1999),
chỉ cần bổ sung 250 đến 1.000U phytase/kg thức ăn có thể thay thế hoàn toàn
lượng bột xương bổ sung (Golovan et al., 2001).
* Dinh dưỡng thực phẩm
Chế biến thực phẩm cho con người cũng là một lãnh vực ứng dụng của phytase vì
cho đến bây giờ chưa có sản phẩm nào có bổ sung phytase vì thế nghiên cứu tập
trung vào lãnh vực hấp thu khoáng chất cho hiệu quả hay cải thiện công nghệ chế
biến thực phẩm mà thôi (Hussin et al., 2009).
Sự hiện diện phytase trong thành phần thực vật đã được ứng dụng nhiều trong đó
nấm mốc lên men đậu nành cho sản phẩm đậu nành lên men, có tên là tempe
(Fardiaz và Markakis, 1981) vì phytate liên kết với protein và protein phân lập từ
đậu nành lại giàu phytate. Ngoài ra, phytase được bổ sung trong sản phẩm protein -
đậu nành trước khi xuất xưởng (Simell et al., 1989) vì phytase dễ bị hư trong quá
trình nấu nướng nên phytate khó được tiêu hóa và dĩ nhiên ảnh hưởng đến khả
năng hấp thu khoáng chất. Bổ sung phytase từ nấm Aspergillus niger vào trong bột
mì gia tăng hấp thu sắt (Fe) ở người (Sandberg et al., 1996), làm bánh mì giàu sắt,
phospho, protein dễ tiêu vì bánh mì bán ngoài thị trường chứa từ 0,29 đến 1,05%
(w/w) acid phytic bằng cách bổ sung nấm mốc này trong quá trình nhồi bột trước
khi nướng sẽ làm phytate phân giải hoàn toàn (Knorr et al., 1981) và thành tích đạt
được trong lãnh vực chế biến bánh mì là rút ngắn được quá trình lên men bánh mì,
gia tăng thể tích bánh (bánh mì nổi hơn bình thường) cũng như cải thiện dinh
dưỡng của bánh mì (Haros et al., 2001).
* Gia tăng độ phì của đất trồng
Findenegg và Nelemans (1993) nghiên cứu phytase trên hàm lượng P dễ tiêu trong
đất trồng bắp (ngô), kết quả cho thấy cây bắp phát triển tương quan thuận với hàm
lượng phytate được phân giải khi phytase được bổ sung vào đất, nghiên cứu này
cũng cho thấy sự gia tăng hàm lượng phytase trong rễ bắp có thể gia tăng hàm
lượng P trong rễ cây. Idriss et al. (2002) nhận thấy phytase tiết ra từ vi khuẩn
Bacillus amyloliquefaciens FZB45 kích thích sự phát triển của cây bắp con trồng

khoa học đã xác định được rằng cần cải thiện khả năng sử dụng các dưỡng chất
trong khẩu phần của vật nuôi để hạn chế tối đa lượng phân thải ra. Trước đây, do ít
quan tâm đến lượng chất dinh dưỡng bị thải ra ngoài nên hậu quả của việc cho ăn
quá nhiều chất dinh dưỡng nhằm tối đa hóa năng suất đã dẫn đến hậu quả là lượng
chất dinh dưỡng thải ra quá nhiều qua phân và nước tiểu (chủ yếu là hàm lượng
protein, phospho và canxi).
Qua những phần trình bày ở trên, phytase được bổ sung vào thành phần thức ăn
cho vật nuôi để cải thiện lượng dinh dưỡng hấp thu như phospho, acid amin,
khoáng chất và năng lượng nhưng nó cũng góp phần bảo vệ môi trường. Tuy
nhiên, phytase từ vi sinh vật nhất là từ vi khuẩn rất khó kiểm soát vì chúng ta chưa
giải thích được rõ về cơ chế tổng hợp phytase đặc biệt là các gene điều khiển sinh
tổng hợp phytase luôn biến đổi (Liu et al., 1998). Tùy theo nhóm vi sinh vật, như
vi khuẩn cũng tùy vào mỗi giống và loài, điều kiện môi trường nuôi cấy, cơ chất…
sẽ ảnh hưởng đến năng suất và hoạt tính của phytase (Pandey et al., 2001). Như
vậy, nghiên cứu và sản xuất phytase từ vi sinh vật, tối ưu hóa môi trường và điều
kiện sinh tổng hợp phytase tốt nhất cũng như bảo quản hoạt tính phytase… để
thành một sản phẩm thương mại phải còn nhiều bước nghiên cứu nữa.

Bài được tổng hợp từ tài liệu:
1. Hussin, A S M, Farouk A và Salleh H M. 2009. Phytate-degrading enzyme and
its potential biotechnological application: A review. J. Agrobiotech 1:1-13.
2. Jorquera M, Martinez D, Maruyama F, Marschner P, và Maria De La Luz Mora.
2008. Current and Future Biotechnological Applications of Bacterial Phytases and
Phytase-Producing Bacteria. Microbes Environ. 23:182-191.
và những tài liệu khác
PGS.TS Cao Ngọc Điệp
Viện NC&PT Công ngjhệ sinh học - Đại học Cần Thơ