Phytase là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Phytase

Phytase là một loại enzyme thuộc nhóm phosphatase, chuyên xúc tác phản ứng thủy phân phytate (axit phytic), hợp chất lưu trữ phospho phổ biến trong tế bào thực vật. Trong tự nhiên, phytate chiếm khoảng 60–80% tổng lượng phospho của hạt ngũ cốc và đậu. Tuy nhiên, dạng này không khả dụng sinh học cho hầu hết động vật đơn dạ dày như lợn, gà và cá.

Do thiếu enzyme nội sinh có khả năng phân giải phytate, phospho trong thức ăn thường bị đào thải ra môi trường, gây lãng phí dinh dưỡng và ô nhiễm. Phytase được bổ sung vào khẩu phần ăn nhằm phân giải phytate thành phosphate vô cơ, giúp tăng cường khả năng hấp thụ phospho, đồng thời giảm phụ thuộc vào phosphate vô cơ tổng hợp – nguồn tài nguyên không tái tạo.

Enzyme phytase được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất thức ăn chăn nuôi, công nghệ thực phẩm, xử lý chất thải và cả trong nghiên cứu y sinh. Trong chăn nuôi, việc sử dụng phytase được chứng minh có hiệu quả kinh tế và sinh thái vượt trội, đóng vai trò then chốt trong chiến lược phát triển nông nghiệp bền vững.

Cấu trúc và phân loại Phytase

Phytase được phân loại dựa vào vị trí đầu tiên mà enzyme cắt nhóm phosphate ra khỏi vòng inositol. Có ba nhóm chính:

• 3-phytase (EC 3.1.3.8): loại phổ biến nhất, tấn công vị trí C3 của inositol.
• 6-phytase (EC 3.1.3.26): bắt đầu thủy phân từ vị trí C6.
• 5-phytase (EC 3.1.3.72): hiếm gặp hơn, cắt tại vị trí C5.

Dựa vào cơ chế hoạt động và cấu trúc phân tử, phytase còn được chia thành các nhóm enzyme chính:

Nhóm phytase	Cơ chế	Nguồn điển hình
Histidine Acid Phosphatase (HAP)	Dùng nhóm histidine làm chất nhận điện tử trong phản ứng.	Aspergillus niger, E. coli
β-Propeller Phytase (BPP)	Dạng cấu trúc gồm nhiều cánh tạo thành hình cánh quạt.	Bacillus subtilis, Shewanella sp.
Purple Acid Phosphatase (PAP)	Chứa ion sắt và mangan, hoạt động ở pH thấp.	Thực vật bậc cao

Sự khác biệt trong cấu trúc quyết định đặc tính lý hóa và độ bền của enzyme. Việc chọn đúng loại phytase phù hợp với điều kiện tiêu hóa và công nghệ ép viên là một yếu tố then chốt để tối ưu hiệu quả sử dụng.

Cơ chế hoạt động của Phytase

Phytase xúc tác phản ứng thủy phân các liên kết ester giữa nhóm phosphate và vòng inositol trong phytate. Quá trình này diễn ra từng bước, tạo ra các dẫn xuất inositol phosphate trung gian (IP₅, IP₄, ..., IP₁) và cuối cùng là inositol tự do cùng phosphate vô cơ (P_i):

$IP_6 + H_2O \rightarrow IP_5 + P_i$

Trong điều kiện pH và nhiệt độ thích hợp, quá trình thủy phân có thể diễn ra gần như hoàn toàn trong 1–3 giờ. Mỗi loại phytase có độ ưu tiên khác nhau với từng vị trí cắt, ảnh hưởng đến tốc độ giải phóng phospho và các ion khoáng liên kết.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của phytase gồm:

1. pH môi trường (thường tối ưu ở 4.5–5.5)
2. Nhiệt độ (45–60°C với enzyme vi sinh vật)
3. Sự hiện diện của ion kim loại (Ca²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺)
4. Chất ức chế nội sinh trong nguyên liệu (polyphenol, tannin)

Để duy trì hiệu quả trong hệ tiêu hóa, enzyme cần có khả năng ổn định trước dịch vị, men tiêu hóa khác và trong quá trình xử lý cơ học như ép viên, sấy khô.

Tầm quan trọng của Phytase trong dinh dưỡng động vật

Trong thức ăn chăn nuôi, phytate không chỉ làm giảm khả dụng của phospho mà còn tạo chelat với kẽm, sắt, canxi và protein, cản trở hấp thu các chất dinh dưỡng thiết yếu. Vì vậy, phytase không chỉ giải phóng phospho mà còn cải thiện sinh khả dụng của nhiều vi chất khác.

Việc bổ sung phytase vào khẩu phần ăn mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường:

• Giảm chi phí bổ sung phosphate vô cơ (dạng dicalcium hoặc monocalcium phosphate)
• Tăng tốc độ tăng trưởng và hiệu suất chuyển hóa thức ăn (FCR)
• Giảm lượng phospho bài tiết trong phân – nguyên nhân gây phú dưỡng môi trường

Nghiên cứu cho thấy khi bổ sung phytase ở mức 500–1500 FTU/kg thức ăn, lượng phospho khả dụng có thể tăng lên 30–50%, đồng thời giảm chi phí khẩu phần tới 5–10% trong chăn nuôi quy mô lớn.

FTU (phytase unit) được định nghĩa là lượng enzyme giải phóng 1 µmol phosphate vô cơ từ sodium phytate mỗi phút ở 37°C và pH 5.5. Các sản phẩm thương mại hiện nay đạt đến 10,000 FTU/g enzyme, với độ ổn định cao qua xử lý nhiệt và dạ dày động vật.

Ứng dụng của Phytase trong công nghiệp

Phytase ban đầu được phát triển để sử dụng trong ngành chăn nuôi, nhưng phạm vi ứng dụng đã mở rộng đáng kể sang các lĩnh vực công nghiệp và y sinh. Trong công nghiệp thực phẩm, phytase giúp làm giảm hàm lượng axit phytic trong các sản phẩm từ ngũ cốc và đậu, từ đó cải thiện khả năng hấp thụ vi khoáng (Zn, Fe, Mg) ở người. Điều này đặc biệt quan trọng trong các chế độ ăn thuần chay hoặc có nguồn gốc thực vật cao.

Trong xử lý chất thải hữu cơ, phytase hỗ trợ phân giải các phức hợp phytate trong bùn thải nông nghiệp và nước thải công nghiệp chứa phospho hữu cơ. Nhờ đó, nó góp phần phục hồi phosphate để tái sử dụng làm phân bón sinh học hoặc nguyên liệu tái chế.

Trong công nghiệp nhiên liệu sinh học, phytase giúp giải phóng phospho tự nhiên từ nguyên liệu sinh khối giàu phytate (ví dụ như cám gạo, vỏ hạt cải), tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lên men ethanol bằng nấm men hoặc vi khuẩn. Phospho là yếu tố dinh dưỡng giới hạn quan trọng trong hệ thống lên men quy mô lớn.

Sản xuất Phytase bằng công nghệ sinh học

Các phytase thương mại hiện nay chủ yếu được sản xuất thông qua công nghệ lên men vi sinh vật tái tổ hợp. Việc sử dụng các chủng vi sinh vật như Aspergillus niger, Pichia pastoris, Bacillus subtilis, hay E. coli cho phép tối ưu hóa hiệu suất sản sinh enzyme và giảm chi phí quy mô công nghiệp.

Quy trình sản xuất gồm các bước chính:

1. Chọn và biến nạp gen phytase mục tiêu vào vi sinh vật chủ
2. Lên men ở quy mô công nghiệp (từ 10.000 L trở lên)
3. Thu nhận, lọc và tinh chế enzyme (dạng bột hoặc lỏng)
4. Ổn định bằng công nghệ sấy phun, vi bọc (microencapsulation)

Phytase sản xuất từ nấm sợi như Aspergillus có hoạt tính cao ở pH axit (phù hợp với dạ dày động vật), trong khi các chủng vi khuẩn như Bacillus lại tạo ra enzyme bền nhiệt tốt, thích hợp cho quá trình ép viên ở nhiệt độ 80–90°C.

Một số cải tiến trong sản xuất bao gồm:

• Thay đổi vùng promoter để tăng biểu hiện gen
• Tối ưu codon để phù hợp hệ gen vi sinh vật chủ
• Biến đổi điểm amino acid để tăng bền nhiệt

Các nhà sản xuất lớn như DSM, BASF, DuPont (Danisco) đã thương mại hóa nhiều dòng phytase thế hệ mới với hiệu suất cao hơn 10 lần so với enzyme tự nhiên.

Đặc tính lý hóa của Phytase

Mỗi loại phytase có đặc tính vật lý và hóa học riêng biệt, ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng trong các điều kiện thực tế. Các đặc tính chính cần được đánh giá gồm:

Thuộc tính	Phạm vi	Ghi chú
Nhiệt độ hoạt động tối ưu	45°C – 60°C	Có thể lên đến 75°C với phytase cải tiến
pH tối ưu	4.5 – 5.5	Phù hợp dạ dày động vật
Khả năng chịu nhiệt	Trung bình đến cao	Phytase vi bọc tăng độ bền khi ép viên
Khả năng chịu ion kim loại	Thay đổi theo chủng	Zn2+, Cu2+ có thể ức chế

Sự tương tác giữa phytase và các thành phần khác trong thức ăn (muối, đạm, chất xơ) cũng là yếu tố cần xem xét khi xây dựng công thức thức ăn tối ưu cho từng loài vật nuôi hoặc điều kiện chăn nuôi cụ thể.

Ảnh hưởng môi trường và lợi ích sinh thái

Phytase góp phần đáng kể vào việc giảm ô nhiễm môi trường do chăn nuôi. Khi không có phytase, đến 70% phospho trong khẩu phần bị bài tiết dưới dạng phytate không tiêu hóa, gây phú dưỡng nguồn nước và suy thoái hệ sinh thái thủy vực.

Việc bổ sung phytase giúp:

• Giảm tới 40–60% lượng phospho bài tiết qua phân
• Giảm phát thải khí nhà kính liên quan đến chuỗi cung ứng phosphate
• Giảm lượng bùn thải giàu phospho cần xử lý tại trang trại

Các chính sách môi trường tại Liên minh châu Âu và Bắc Mỹ hiện đã bắt buộc hoặc khuyến khích sử dụng phytase trong thức ăn gia súc nhằm hạn chế dư thừa phospho và bảo vệ nguồn nước nông nghiệp.

Xét trên quy mô toàn cầu, phytase là một công cụ sinh học hiệu quả giúp cân bằng giữa nhu cầu tăng sản lượng và trách nhiệm môi trường trong ngành chăn nuôi hiện đại.

Tiềm năng nghiên cứu và phát triển Phytase

Các hướng nghiên cứu hiện đại tập trung vào việc cải tiến phytase bằng công nghệ sinh học phân tử và trí tuệ nhân tạo. Một số công nghệ nổi bật đang được áp dụng:

• Directed evolution: tạo ra hàng nghìn biến thể enzyme và chọn lọc phiên bản tối ưu
• Protein engineering: biến đổi cấu trúc không gian 3D của enzyme để tăng độ ổn định
• Deep learning: dự đoán cấu trúc enzyme mới dựa trên chuỗi axit amin và dữ liệu hoạt tính

Một số phytase thế hệ mới đang được nghiên cứu để hoạt động hiệu quả ở pH trung tính (6.0–7.5), phù hợp cho đường ruột của cá hoặc người. Ngoài ra, enzyme lai tạo (chimeric enzyme) từ nhiều nguồn gen khác nhau cũng đang mở ra tiềm năng tạo ra phytase “đa môi trường” – thích nghi tốt với nhiều điều kiện xử lý công nghiệp và sinh học.

Kết luận

Phytase không chỉ là một enzyme hỗ trợ hấp thu phospho mà còn là một công cụ sinh học quan trọng trong hướng phát triển bền vững ngành nông nghiệp – thực phẩm – môi trường. Nhờ vào khả năng thủy phân phytate, phytase giúp giảm chi phí, cải thiện hiệu quả dinh dưỡng và giảm thiểu tác động môi trường.

Với sự hỗ trợ của công nghệ sinh học và trí tuệ nhân tạo, các phiên bản phytase thế hệ mới đang tiếp tục được phát triển nhằm tối ưu hóa hoạt tính, độ bền và khả năng ứng dụng đa ngành. Đây sẽ là nền tảng quan trọng trong việc xây dựng hệ thống sản xuất thực phẩm và năng lượng thân thiện với môi trường trong tương lai.

Tài liệu tham khảo

1. Greiner, R., & Konietzny, U. (2006). Phytase for food application. Food Technology and Biotechnology, 44(2), 125–140.
2. Lei, X.G., Porres, J.M. (2003). Phytase enzymology, applications, and biotechnology. Biotechnology Letters, 25, 1787–1794. https://doi.org/10.1023/A:1026322620594
3. Rao, D.E.C.S., Reddy, V.D. (2011). Molecular characterization and expression of a thermostable phytase from Aspergillus niger. Biotechnology and Applied Biochemistry, 58(6), 449–459.
4. Gao, C. et al. (2019). Advances in directed evolution and protein engineering of phytases. Biochemical Engineering Journal, 147, 109–119. https://doi.org/10.1016/j.bej.2019.04.005
5. United States Environmental Protection Agency. Nutrient Pollution. https://www.epa.gov/nutrientpollution
6. National Center for Biotechnology Information. https://www.ncbi.nlm.nih.gov