Đặc điểm xenluloza
Xenluloza là thành phần chủ yếu của tế bào thực vật, chiếm tới 50% tổng số hydratcacbon trên trái đất. Trong vách tế bào thực vật, xenluloza tồn tại trong mối liên kết chặt chẽ với các polisaccarit khác với hemi-xenluloza, protein và lignin tạo thành liên kết bền vững . (Reese E.T and H.S Levison,1952).
Hình 2.3. Hình ảnh 3D hợp chất cao phân tử Cellulose (Màu nâu- Cacbon, màu đỏ- oxy, màu trắng- hydro)
Xenluloza là một polyme mạch thẳng gồm các anhydroglucoza trong mối liên kết β - 1,4 glucozit. Mức độ trùng hợp của xenloloza tự nhiên có thể đạt 10.000- 14.000 đơn vị glucoza trên phân tử (GTr Công nghệ vi sinh vật trong sản xuất nông nghiệp và xử lý ô nhiễm môi trường, NXB Nông nghiệp, 2003), trọng lượng tương ứng là 1,5 triệu Dalton với chiều dài phân tử có thể lớn hơn hoặc bằng 5µm. Các chuỗi xenluloza gần nhau thường kết hợp với nhau tạo thành các sợi có đường kính khoảng 10 - 40nm, những sợi hợp lại với nhau tạo thành bó sợi to và được bao bọc bởi lignin và hemi-xenluloza.
Trong tự nhiên, xenluloza là một trong những hợp chất khá bền vững, chúng không tan trong nước mà chỉ bị trương lên do hấp thụ nước. Xenluloza bị thủy phân khi đun nóng với axit hoặc kiềm ở nồng độ khá cao, bị phân hủy ở nhiệt độ 40 – 500C bởi enzim xenlulaza.
Cơ chế phân hủy xenluloza
Để phân giải xenluloza tự nhiên cần có sự kết hợp của các enzim trong phức hệ xenlulaza. Phức hệ xenlulaza gồm có 3 loại enzim:
Endoglucanaza hay CMC – aza có khả năng cắt đứt các liên kết trong phân tử xenluloza, thủy phân liên kết β - 1,4 glucozit một cách tùy tiện và giải phóng xenlulodextrin, xenlobioza và glucoza. Enzim này phân giải mạnh mẽ các xenluloza hòa tan nhất là dạng xenluloza vô định hình nhưng hoạt động rất yếu ở vùng kết tinh.
Exoglucanaza có khả năng tấn công chuỗi xenluloza từ đầu không khử và giải phóng xenlobioza (là chủ yếu và glucoza). Enzim này không phân giải xenluloza kết tinh cũng như xenluloza hòa tan, tác dụng chủ yếu lên CMC nhưng hoạt động mạnh lên xenluloza vô định hình hoặc xenluloza đã bị phân giải một phần như xenlodextrin.
β- 1,4 glucozidaza xenlobiaza có khả năng phân hủy xenlobioza và các xenlodextrin hòa tan trong nước giải phóng glucoza, enzim này có hoạt tính cực đại trên xenlobiaza và có hoạt tính giảm dần theo chiều dài của chuỗi tăng lên trên xenlodextrin. Chức năng của β - 1,4 glucozit có lẽ là điều chỉnh sự tích lũy các chất cảm ứng của enzim xenluloza. (Lutzen, N.V, M.H Neilson,1983).
Về động học phản ứng các enzim, Reese và các cộng sự lần đầu đưa ra cơ chế phân giải vào năm 1950:
Xenluloza C1 Xenluloza Cx Đường xenlobioza
tự nhiên hoạt động hòa tan Glucoza Theo tác giả này thì enzim C1 tương ứng với endo- glucanaza là “tiền nhân tố thủy phân” hay enzim không đặc biệt làm biến dạng xenlulo tự nhiên thành chuỗi xenlulo hoạt động có mạch ngắn hơn, sau đó enzim Cx tương ứng với Exdo- glucanaza tiếp tục phân cắt, giải phóng đường hòa tan và cuối cùng tạo thành gluco dưới tác dụng của xenlobioza. (Lutzen, N.V, M.H Neilson,1983).
Còn tác giả Lutzen thì cho rằng sự thủy phân xenlulo tự nhiên phải có sự hiệp đồng của 3 loại enzim trên. Chúng tạo thành phức hệ enzim nhiều thành phần trên bề mặt các phân tử xenlulo. Nhờ đó Lutzen đưa ra mô hình phân giải xenlulo theo sơ đồ sau: Exo - glucanaza Endo - glucanaza Xenlobioza Xenlobiohydronaza Xenlulo Gn G1 G
(2) Endo – glucanaza + Xenlobiohydrolaza
(1) Exo - glucanaza
(Nguồn: Dương Hoa Xô,2007) Hình 2.4: Mô hình phân giải Xenluloza
Để thủy phân xenluloza vô định hình cần có sự tác động của Cx hoặc C1
nhưng để thủy phân xenlulo tinh thể thì nhất thiết phải có mặt cả 2 loại enzim này. Ở đây phức hệ enzim xenlulaza có tác động hiệp đồng chặt chẽ, Cx tấn công một cách tự nhiên lên chuỗi xenluloza, phân cắt liên kết glucozit ở một số chỗ tùy ý, tạo ra các đầu có khả năng bị tấn công bởi Cx. Kết quả tạo ra xenlobioza - một chất kìm hãm cho cả C1 và Cx. Các liên kết glucozit đã được tách ra có khả năng nhanh chóng bị nối lại do bản chất có trật tự cao của chính cơ chất, còn khi
vắng mặt Cx thì sự thủy phân không xảy ra hoặc xảy ra chậm chạp do không tạo ra các đầu tự do (Coughlan et al., 1979).
Vi sinh vật phân giải xenluloza
Trong tự nhiên có rất nhiều loại vsv có khả năng tiết ra một hoặc một số loại enzim là tác nhân của quá trình phân giải chuyển hóa các loại hợp chất hữu cơ, biến chúng từ dạng thô sơ thành dạng mùn nhuyễn và các chất dinh dưỡng để hấp thu trong đất, từ đó làm tăng độ phì nhiêu của đất và cải thiện môi trường sống xung quanh chúng ta.
Nấm sợi là nhóm có khả năng tiết ra môi trường một lượng lớn enzim với đầy đủ các thành phần nên khả năng phân giải xenluloza rất mạnh. Nấm có hoạt tính phân giải xenluloza đáng chú ý là Trichoderma bao gồm hầu hết các loại sống trong đất, những đại diện tiêu biểu là Trichoderma reesei, Trichoderma viride, chúng phân hủy tàn dư thực vật trong lớp đất góp phần chuyển hóa lượng hữu cơ khổng lồ. Một số nấm khác cũng có khả năng phân giải xenluloza khá cao là Aspergillus niger, Fusarium solani, Penicillium pinophinum…. (Đặng Minh Hằng và Lê Văn Nhương, 2000).
Vi khuẩn cũng có khả năng phân giải xenluloza nhưng cường độ không mạnh bằng nấm sợi do lượng enzim tiết ra môi trường ít hơn và các thành phần enzim cũng không đầy đủ. Các vi khuẩn hiếu khí cũng có khả năng phân giải xenluloza khá mạnh như: Cellulomonas, Vibrio, Archomobacter (Nguyễn Lan Hương, Lê Văn Nhương và Hoàng Đình Hòa, 1999).
Trong điều kiện yếm khí các vi khuẩn ưa ẩm và ưa nhiệt thuộc giống
bacillus và Clostridium cũng có khả năng phân giải xenluloza.
Bên cạnh nấm và vi khuẩn, xạ khuẩn cũng có khả năng phân giải xenlulo khá cao, đáng chú ý là Streptomyces, Actinomyces, Nocardia, Mycromonospora
Xạ khuẩn phân giải xenluloza được phân lập từ các mẫu đất, mùn rác, mẫu bùn, những nơi có chứa xenluloza. Người ta thường sử dụng xạ khuẩn đặc biệt là Streptomyces trong việc phân hủy rác thải sinh hoạt. Những xạ khuẩn này thường thuộc nhóm ưa nhiệt, sinh trưởng phát triển tốt ở nhiệt độ 45 – 500C, rất thích hợp với quá trình ủ rác thải.
Như vậy chúng ta có thể thấy rằng vsv phân hủy xenluloza rất đa dạng và phong phú.