CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.2. Chuyển hóa vật liệu giàu lignocellulose
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến xúc tác sinh học
Ảnh hưởng của cấu trúc nguyên liệu: Cấu trúc tự nhiên của lignocellulose tạo ra nhiều cản trở đến q trình tấn cơng của các tác nhân thủy phân. Ngay cả quá trình thủy phân
cellulose tinh khiết, tốc độ thủy phân cũng giảm theo thời gian vì một số lý do sau: sự ức chế enzyme do sản phẩm, sự giảm của các phần cơ chất dễ thủy phân, enzyme bị bất hoạt hoặc bị giữ lại trong các lỗ xốp của nguyên liệu.
liệu. Thông thường, gỗ mềm thường khó thủy phân hơn gỗ cứng [34]. Cấu trúc của
nguyên liệu và cơ chế tác động của enzyme và cơ chất là hai yếu tố chính làm hạn chế hiệu suất quá trình thủy phân. Khả năng tiếp cận vật liệu lignocellulosic của hệ cellulase
đóng vai trò quan trọng trong quá trình thủy phân. lignocellulose có bề mặt trong và
ngoài, bề mặt ngoài bao gồm bề mặt bao quanh các xơ sợi, bề mặt trong là bề mặt do các mao quản bên trong xơ sợi tạo thành. Nếu lignocellulose không được tiền xử lý, hiệu quả thủy phân thấp. Kích thước của các lỗ xốp lại liên quan đến độ trương nở của vật liệu.
Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, khi làm khô vật liệu lignocellulose, các mao quản sẽ bị mất
đi, điều này làm giảm kích thước lỗ xốp vì vậy hiệu suất quá trình thủy phân giảm rõ rệt. Hàm lượng và sự phân bố của lignin trong cấu trúc vật liệu có ảnh hưởng tới khả năng
thủy phân của vật liệu đó. Hiệu suất thủy phân thu được khá cao đối với các nguyên liệu
đã được loại bỏ gần hết lignin [35].
Ảnh hưởng của nhiệt độ: Giống như nhiều phản ứng enzyme khác, phản ứng thủy phân lignocellulose bằng hệ cellulase chịu ảnh hưởng lớn của nhiệt độ. Tốc độ phản ứng thủy
phân tăng theo nhiệt độ, tuy nhiên đến một nhiệt độ nhất định, tốc độ phản ứng sẽ giảm
dần và đến mức triệt tiêu. Nhiệt độ tương ứng với tốc độ phản ứng enzyme cao nhất được gọi là nhiệt độ tối ưu. Phần lớn enzyme hoạt động mạnh nhất ở nhiệt độ 40 đến 500C và cellulase cũng thế. Những enzyme khác nhau đều có nhiệt độ tối ưu khác nhau. Nếu nhiệt
độ cao hơn nhiệt độ tối ưu, hoạt tính enzyme sẽ bị giảm do enzyme bị biến tính. Ngược
lại khi ở nhiệt độ 00C, enzyme bị hạn chế hoạt động rất mạnh, nhưng khi đưa nhiệt độ lên từ từ, hoạt tính của enzyme sẽ tăng dần đều đến mức tối ưu. Phản ứng bất hoạt của enzyme dưới tác dụng của nhiệt thường biểu diễn là phản ứng bậc một [35].
Trong đó: K - hằng số vận tốc phản ứng
E – nồng độ enzyme hoạt động ở thời điểm t Eo – nồng độ ban đầu của enzyme hoạt động
Ảnh hưởng của pH: pH môi trường thường ảnh hưởng đến mức độ ion hóa cơ chất, enzyme và đặc biệt ảnh hưởng đến độ bền của enzyme. Chính vì thế pH có ảnh hưởng rất
mạnh đến phản ứng của enzyme. Nhiều enzyme hoạt động rất mạnh ở pH trung tính, tuy
nhiên cũng có nhiều enzyme hoạt động ở mơi trường axít yếu. Một số enzyme khác lại
hoạt động mạnh ở pH kiềm và cả pH axít. Đối với cellulase, khoảng pH thích hợp là 4- 5.5, trong đó tốt nhất là 4.8 [34].
Ảnh hưởng của nồng độ enzyme và cơ chất: Khi nồng độ enzyme tăng, tốc độ phản ứng
tăng theo đường thẳng. Tuy nhiên, khi nồng độ enzyme đạt đến một ngưỡng nào đó, nồng độ cơ chất sẽ trở thành yếu tố hạn chế tốc độ phản ứng. Khi nồng độ cơ chất tăng, tốc độ
phản ứng enzyme tăng, sẽ có nhiều cơ chất va chạm với enzyme trong phản ứng chuyển hóa. Khi nồng độ cơ chất đủ lớn, các enzyme bị bão hòa cơ chất. Vì vậy, tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phản ứng sẽ không thay đổi đáng kể [34].
Ảnh hưởng của các chất kìm hãm: Các chất kìm hãm hoạt động của enzyme thường là
các chất có mặt trong các phản ứng enzyme, làm giảm hoạt tính enzyme nhưng lại khơng bị enzyme làm thay đổi tính chất hóa học, cấu tạo hóa học và tính chất vật lý của chúng. Các chất gây kìm hãm hoạt động của enzyme bao gồm các ion, các phần tử vô cơ, các
chất hữu cơ và cả protein. Các chất kìm hãm có ý nghĩa rất lớn trong điều khiển các quá trình trao đổi ở tế bào sinh vật. Tùy thuộc vào bản chất phức, bản chất chất kìm hãm người ta chia ra những chất kìm hãm:
• Chất kìm hãm cạnh tranh: là những chất có cấu trúc tương tự như cấu trúc của
cơ chất. Chúng thường là những chất kìm hãm thuận nghịch. Chúng có khả năng kết hợp
với trung tâm hoạt động của enzyme. Khi đó chúng sẽ chiếm vị trí của cơ chất trong trung tâm hoạt động vì vậy cơ chất khơng cịn cơ hội tiếp cận với trung tâm này. Cơ chế loại trừ lẫn nhau của chất kìm hãm và trung tâm hoạt động làm giảm số lượng các
enzyme kết hợp với cơ chất. Kết quả là hoạt động của enzyme sẽ giảm.
• Chất kìm hãm khơng cạnh tranh: chất kìm hãm khơng chiếm trung tâm hoạt
động của enzyme mà là ở một vị trí ngồi trung tâm hoạt động của enzyme. Kết quả sự
kết hợp này, chất kìm hãm làm thay đổi cấu trúc không gian của phân tử enzyme theo
chiều hướng bất lợi cho hoạt động xúc tác. Vì thế các chất kìm hãm làm giảm hoạt động của enzyme. Đối với cellulase, các sản phẩm của phản ứng thủy phân, gồm cellobiose và