III. Sơ lược về xenluloza và sự phân giải xenluloza:
5. Sự phân giải xenluloza:
5.1 Enzym xenlulaza:
Enzym xenlulaza xúc tác cho quá trình chuyển hóa xenluloza thành các sản phẩm hòa tan. Để thủy phân hoàn toàn xenluloza cần một phức hệ enzym xenlulaza. Hiện nay có nhiều ý kiến khác nhau về phức hệ này và cơ chế tác động của chúng trong quá trình phân giải các hợp chất xenluloza. Theo quan điểm hiện nay thì hệ enzym này bao gồm ba enzym chủ yếu sau:
- Exo-glucanaza hay xenlobihydrolaza: enzym cắt xenluloza từ đầu không khử và giải phóng ra xenlobioza, tác dụng yếu lên CMC nhưng tác dụng rất mạnh lên xenluloza vô định hình hoặc xenluloza đã bị phân giải một phần, tác dụng lên xenluloza kết tinh không rõ nhưng khi có mặt endo-glucanaza thì có tác dụng rõ rệt.
- Endo-glucanaza hay CMCaza: enzym này thủy phân liên kết β-1-4 glucozit một cách ngẫu nhiên để giải phóng xenlobioza và glucoza. Enzym này cũng tác dụng lên xenlodextrin. Enzym này phân giải một cách mạnh mẽ các xenluloza vô định hình nhưng lại tác động rất yếu trên xenluloza kết tinh, đồng thời cũng không phân giải được xenlobioza.
- β-glucozidaza hay xenlobiaza: enzym này thủy phân xenlobiza và các xenlodextrin mạch ngắn thành glucoza. Nó có hoạt tính cực đại trên xenlobioza còn ở xenlodextrin thì hoạt tính giảm khi chiều dài của chuỗi tăng. Tùy vị trí mà β-glucozidaza được coi là nội bào hay ngoại bào hay liên kết màng tế bào, chức năng có lẽ là điều chỉnh sự tích lũy các chất cảm ứng của xenluloza. Tùy thuộc
vào loài vi sinh vật và điều kiện nuôi cấy mà tỉ lệ các enzym và hiệu lực phân giải xenluloza có khác nhau và để phân giải hoàn toàn xenluloza cần sự tác dụng đồng thời của cả ba loại enzym này.
5.2 Cơ chế của sự phân giải xenluloza:
Trong bộ khung xenluloza,, vùng kết tinh chiếm tới ¾ cấu trúc cho nên để phân giải xenluloza tự nhiên thì không thể chỉ dùng một loại enzym nào đó trong phức hệ xellulase mà cần phải có sự tham gia phối hợp của cả ba loại enzym khác nhau trong phức hệ xellulase từ vi sinh vật.
Vào năm 1950, lần đầu tiên Reese và cộng sự đã đưa ra cơ chế phân giải xenluloza như sau:
Trong đó C1: là enzym không đặc hiệu, có tác dụng làm trương xenluloza tự nhiên (bông, giấy lọc …) để tạo các chuỗi xenluloza mạch ngắn giúp Cx tấn công vào các liên kết chuyển thành phân tử xenlobiose. Theo ông, các vi sinh vật phát triển trên xenluloza hòa tan như CMC, CEC … chỉ tạo thành Cx, còn đối với các vi sinh vật phát triển trên xenluloza tự nhiên có trật tự cao hơn thì có khả năng tạo thành cả C1 và Cx. Thậm chí có tác giả còn cho rằng C1 chỉ là một yếu tố chứ không phải là một enzym. Khi tác động lên xenluloza thì C1 làm biến đổi xenluloza còn khi tách riêng thì tác dụng này không biểu hiện rõ nữa.
Cho đến năm 1980, Reese lại đưa ra một cơ chế tác dụng hiệp đồng của các enzym C1, Cx và β-glucozidaza trong phức hệ xenluloza như sau:
5.3 Ứng dụng của enzym xenlulaza:
Xenlulaza là một enzym khá quan trọng trong việc phân hủy xác thực vật, giúp cho vòng tuần hoàn cacbon được lưu thông. Mục đích của việc sử dụng xenlulaza hiện nay và trong tương lai được phát triển theo hai hướng chính:
- Sử dụng trực tiếp xenlulaza để phân giải phế thải thực phẩm, bổ sung vào thức ăn gia súc, làm sạch môi trường …
- Thủy phân xenluloza tạo cơ chất lên men với các sản phẩm cuối cùng khác nhau.
Các chế phẩm enzym xenlulaza vi sinh vật đã được ứng dụng trong một số lĩnh vực khác nhau:
- Chế biến thực phẩm: cải thiện sự tiêu hóa thức ăn. Chiết rút các chất gây vị, dầu, dịch ép protein từ hoa quả. Làm tăng hiệu suất trích ly của các chất khác nhau từ nguyên liệu thực vật như protein, axit amin, vitamin từ đậu tương, thạch từ rong, tinh bột từ bã, chất thơm và chất hòa tan khi sản xuất chè và cà phê hòa tan. Cải thiện độ hòa tan của các nguyên liệu trong công nghệ lên men. Sản xuất cồn, rượu và các axit hữu cơ.
- Dược phẩm: chế biến các chất tự tiêu hóa, loại bỏ các sợi không mong muốn.
- Sản xuất, chế biến thức ăn gia súc: tăng chất lượng các sản phẩm và thức ăn gia súc như làm mềm các nguyên liệu có nguồn gốc thực vật (rơm, rạ, …) để làm tăng hệ số đồng hóa. Sản xuất thức ăn giàu protein. Thủy phân gỗ và bã thải
trong công nghệ sản xuất rượu vang, đồ hộp … thành đường đơn giản chế biến làm thức ăn gia súc.
- Chống ô nhiễm môi trường: làm sạch các bãi rác thải, làm phân bón hữu cơ.
- Lên men: cung cấp cơ chất cho việc tổng hợp metan, etanol, chất kháng sinh, vitamin, axit lactic, protein đơn bào và các chất có hoạt tính sinh học khác.
Tóm lại, sơ đồ ứng dụng của xenlulaza có thể tóm tắt như sau:
Hiện nay, việc sản xuất protein đơn bào (SCP) từ cơ chất xenluloza vẫn còn ở dạng tiềm năng vì tính kinh tế, công nghệ chưa hoàn thiện, sự phụ thuộc vào mùa vụ và những khó khăn trong vận chuyển. Tuy nhiên, tình trạng này sẽ có sự thay đổi do dân số trên thế giới ngày càng tăng còn nguồn nguyên liệu thì ngày càng cạn kiệt, đất nông nghiệp dần dần bị lấn chiếm. Hy vọng trong tương lai, bằng kĩ thuật tái tổ hợp di truyền AND, các nhà khoa học sẽ tạo ra những chủng vi sinh vật lý tưởng có đặc điểm bền vững, chịu được các điều kiện khắc nghiệt, bền vững với các chất ức chế trao đổi, tạo ra nhiều và đầy đủ hệ enzym … để có thể ứng dụng được cho nhiều mục đích khác nhau.