II. Ứng dụng của một số enzyme trong sản xuất chất tẩy rửa
4. Enzyme cellulase trong chất tẩy rửa
4.1. Giới thiệu chung
Cellulose là thành phần cơ bản của tế bào thực vật, vì vậy nó có mặt trong mọi loại rau quả cũng như trong các nguyên liệu, phế liệu của các ngành trồng trọt và lâm nghiệp. Tuy nhiên, người và động vật khơng có khả năng phân giải cellulose. Nó chỉ có giá trị làm tăng tiêu hóa, nhưng với lượng lớn nó trở nên vơ ích hay cản trở tiêu hóa.
26
Cellulase là một phức hệ enzyme có tác dụng thủy phân cellulose thơng qua việc thủy phân liên kết β -1,4-glucoside trong cellulose.
Cellulase có khả năng thủy phân cellulose thành đường. Con người và động vật khơng có khả năng phân giải cellulose, nó có vai trị chất độn. Phương pháp tìm chế phẩm cellulase cịn hạn chế.
Chế phẩm cellulase thường dùng để:
- Tăng chất lượng thực phẩm và thức ăn gia súc.
- Tăng hiệu suất trích ly các chất từ nguyên liệu thực vật.
Enzyme cellulase đã được nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới. Đây là enzyme được ứng dụng rất rộng rãi, chỉ đứng sau protease và amylase.
4.2. Cấu trúc của enzyme cellulase
Cellulase có bản chất là protein được cấu tạo từ các đơn vị là axit amin, các axit amin được nối với nhau bởi lien kết peptid –CO-NH- . Ngồi ra, trong cấu trúc cịn có những phần phụ khác, Cấu trúc hồn chỉnh của các loại enzyme nhóm endoglucanase (EG) và exoglucanase (CBH) giống nhau trong hệ cellulase của nấm sợi, gồm một trung tâm xúc tác và một đuôi tận cùng, phần đuôi này xuất phát từ trung tâm xác tác và được gắn them vùng glycosil hóa, cuối đi là vùng gắn kết với cellulose (CBD: cellulose binding domain). Vùng này có vai trị tạo liên kết với cellulose tinh thể. Trong quá trình phân giải cellulose của các enzyme và ái lực của enzyme này đối với cellulose. Hơn nữa, hoạt tính của cellulase dựa vào tinh thể cellulose và khả năng kết hợp của CBD với cellulose. Điều này chứng tỏ CBD làm gia tăng hoạt tính cellulase đối với tinh thể cellulose. Sự có mặt của CBD sẽ hỗ trợ cho enzyme cellulase thực hiện việc cắt đứt nhiều liên kết trong cellulose tinh thể. Vùng gắn kết với cellulose có cấu tạo khác với liên kết thơng thường của protein và việc thay đổi chiều dài của vùng glycosil hóa có ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của enzyme.
27
Hình: Enzyme cellulase
4.3. Tính chất của enzyme cellulase
Cellulase thủy phân cellulose tự nhiên và các dẫn xuất như carboxymethyl cellulose (CMC) hoặc hydroxyethyl cellulose (HEC). Cellulase cắt liên kết β-1,4- glucosid trong cellulose, lichenin và các β-D-glucan của ngũ cốc.
Độ bền nhiệt và tính đặc hiệu cơ chất có thể khác nhau. Cellulase hoạt động ở pH từ 3- 7, nhưng pH tối thích trong khoảng 4-5. Nhiệt độ tối ưu từ 40-50 độ C. Hoạt tính cellulose bị phá hủy hoàn toàn ở 80 độ C trong 10 đến 15 phút
Cellulase bị ức chế bởi các sản phẩm phản ứng của nó như glucose, cellobiose và bị ức chế hoàn toàn bởi Hg. Ngồi ra, cellulose cịn bị ức chế bởi các ion kim loại khác như Mn, Ag, Zn nhưng ở mức độ nhẹ.
Trọng lượng của enzyme cellulose thay đổi từ 30 -110 KDa (Begunin, 1990; Gilkes, 1991).
4.4. Nguồn gốc của enzyme cellulase
• Được thu nhận từ các nguồn khác nhau:
– Động vật: dịch tiết dạ dày bị, các nhóm thân mềm…
28
– Vi sinh vật: các loại xạ khuẩn, vi khuẩn, nấm sợi, nấm men…
• Trong thực tế người ta thường thu nhận enzyme cellulase từ vi sinh vật. Các chủng vi sinh vật thường sử dụng:
– Nấm mốc: Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus candidus… – Xạ khuẩn: Actinomyces griseus, Streptomyces reticuli…
– Vi khuẩn: Acetobacter xylinum, Bacillus subtilis, Bacillus pumilis…
4.5. Cơ chất của enzyme cellulase
Cellulose là cơ chất của enzyme cellulase. Cellulose là một polysaccharide phong phú nhất trong tự nhiên. Việc phân hủy sinh học cellulose bởi vi sinh vật là một trong những bước chính của chu trình carbon trên trái đất.
4.6. Phân loại enzyme cellulase
Về phương diện hóa học, cellulose là một polyme được cấu tạo từ các đơn vị β -glucose nối với nhau bằng liên kết β -1,4-glucoside. Cellulose là thành phần
polysaccharide chủ yếu của vách tế bào thực vật.
Dựa vào đặc điểm của cơ chất và cơ chế phân cắt, enzyme cellulase được chia
thành ba loại:
- 1,4- β -D-glucan cellobiohydrolase
- 1,4- β -D-glucan 4-glucanohydrolase
- β -D-glucoside glucohydrolase
Các enzyme này được tìm thấy trong vi khuẩn sống trong dạ dày cỏ bò và mối và trong một số nấm như Trichoderma, Aspergillus,...
4.7. Cơ chế tác dụng của enzyme cellulase
4.7.1. Cơ chế 1,4- 𝜷 -D-glucan cellobiohydrolase
Enzyme này cịn có tên gọi khác như: exoglucanase, exo- β -1,4-glucanase, cellobiohydrolase, exo – cellobiohydrolase, exo- β -1,4-glucan cellobiohydrolase, 1,4- β -D-glucan cellobiosidase, cellobiosidase, CBH 1, C1 cellulase, avicelase.
29
Enzyme này thủy phân liên kết 1,4- β -D-glucoside từ đầu không khử của chuỗi cellulose để tạo thành celllobiose.
Hình 2. Cơ chế hoạt động của exoglucanase
4.7.2. Cơ chế 1,4- 𝜷 -D-glucan 4-glucanohydrolase
Enzyme này cịn có tên gọi khác như: Endoglucanase, Endo-1,4- β -D -glucanase, Endo- 1,4 glucanase, β -1,4-endoglucan hydrolase, Carboxymethyl cellulase, Celludextrinase, Cellulase A, Cellulosin AP, Alkali Cellulase, Cellulase A3, 9,5 Cellulase, Avicelase, Pancellase SS.
Enzyme này thủy phân ngẫu nhiên liên kết 1,4- β -D-glucoside giữa mạch của chuỗi cellulose, lichenin và các β -D-glucan của ngũ cốc
Hình 3. Cơ chế hoạt động của endoglucanase
4.7.3. Cơ chế 𝜷 -D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21)
Enzyme này có tên gọi khác như là: β -glucosidase, β -D -glucosidase, β -1,6 - glucosidase, β -glucoside glucohydrolase, p-nitrophenyl β -glucosidase, aryl- β -
30
glucosidase, gentiobiase, cellobiase, emulsin, elaterase, arbutinase, amygdalinase, primeverosidase, amygdalase, limarase, salicilinase.
Enzyme này thủy phân gốc β -D-glucoside khơng khử ở đầu tận cùng để phóng thích ra β -D-glucose.
Hình 4. Cơ chế hoạt động của 𝜷 -glucosidase
Hình 5. Quá trình phân giải cellulose của cellulase
4.8. Ứng dụng của nhóm enzyme cellulase
Enzyme cellulase được ứng dụng trong bột giặt và chất tẩy rửa chủ yếu nhằm mục đích làm mềm vải cotton. Ngoài ra, khi bổ sung kết hợp cellulase và một số enzyme khác như protease, lipase, amylase,.... sẽ làm cho bột giặt và các chất tẩy rửa có thể tẩy sạch một số các vết bẩn khó giặt như vết mực, vết bẩn có nguồn gốc protein, các vết loang dầu mỡ,...
Công dụng chủ yếu của xenlulase là chống quăn vải, làm mềm vải, làm sáng màu, chống bám trở lại và làm sạch. Xenlulase là enzym có nguồn gốc từ thiên nhiên và có tác dụng
31
thủy phân Cellulase thành glucose. Endo-gluconase (EG) là phân lớp của Cellulase, nó chỉ thủy phân các mạch dài và những vùng khơng định hình. EG có tác dụng loại bỏ các sợi ơng và có chức năng loại bỏ các vết quăn trên vải.