1.2. Quá trình phân hủy phụ phế phẩm giàu xơ
1.2.3. Hemicellulose và quá trình phân giải hemicellulose
1.2.3.2. Qúa trình phân giải hemicellulose
Phần lớn hemicellulose có tính chất tương đồng với cellulose, do đó cơ chế phân giải hemicellulose cũng tương tự như phân giải cellulose. Tuy nhiên, hemicellulose có phân tử lượng nhỏ hơn, cấu trúc đơn giản hơn, kém bền vững hơn, nên vi sinh vật dễ phân giải và phân giải nhanh hơn cellulose.
Bảng 1.8 trình bày tóm tắt hoạt động của hệ enzyme phân hủy hemicellulose và cơ chế hoạt động được biểu diễn trên hình 1.12.
Bảng 1.8. Các enzyme hemicellulase (Badal C. Saha, 2003)
Enzyme Cơ chế hoạt động
Endo-xylanase Thủy phân chủ yếu liên kết β-1,4-xylose của mạch chính xylan
Exo-xylanase Thủy phân chủ yếu liên kết β-1,4-xylose tạo ra xylobiose (dimer của xylose)
β-Xylosidase Thủy phân xylobiose
α-Arabinofuranosidase Thủy phân arabinoxylan giải phóng α- arabinofuranose từ đầu không khử
α-Glucuronidase Giải phóng glucuronic acid từ glucuronoxylan Acetylxylan esterase Thủy phân liên kết acetylester của acetyl xylan Ferulic acid esterase Thủy phân liên kết feruloylester của xylan p-Coumaric acid esterase Thủy phân liên kết p-coumaryl ester của xylan
HUTECH
25
Hình 1.12. Cơ chế xúc tác của các enzyme thủy phân hemicellulose
1.2.4. Cellulose và quá trình phân giải cellulose 1.2.4. 1. Cellulose
Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức cấu tạo (C6H10O5)n, và là thành phần chủ yếu của thành tế bào thực vật, gồm nhiều cellobiose liên kết với nhau, 4-O- (β- D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose. Cellulose cũng là hợp chất hữu cơ nhiều nhất trong sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp được khoảng 1011 tấn cellulose (trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% và trong bông chiếm khoảng 90%). Theo đó, cellulose được tìm thấy trong hầu hết các loại chất thải hữu cơ và chiếm tỉ lệ cao trong thành phần cấu trúc từ các chất thải của ngành công nghiệp gỗ, nông nghiệp và chất thải gia đình.
Cấu trúc:
- Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết van Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là tinh thể và vô định hình.
HUTECH
26
- Trong vùng tinh thể, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi enzyme cũng như hóa chất.
- Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt với nhau nên dễ bị tấn công.
Có hai mô hình cấu trúc của cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng tinh thể và vô định hình như hình 1.13.
Hình 1.13. Hai mô hình cấu trúc sợi cellulose là mô hình sợi gợn sóng (fringed fibrillar model, trái) và mô hình chuỗi gấp (folding chain model, phải). Cấu trúc sợi
cellulose gồm vùng tinh thể và vùng vô định hình
Trong mô hình Fringed Fibrillar: phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướng theo chiều sợi. Vùng tinh thể có chiều dài 500 Å và xếp xen kẽ với vùng vô định hình.
Trong mô hình chuỗi gập: phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi. Mỗi đơn vị lặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn bởi hai điểm a và b như trên hình vẽ.
Các đơn vị đó được sắp xếp thành chuỗi nhờ vào các mạch glucose nhỏ, các vị trí này rất dễ bị thủy phân. Đối với các đơn vị lặp lại, hai đầu là vùng vô định hình, càng vào giữa, tính chất kết tinh càng cao. Trong vùng vô định hình, các liên kết β - glycoside giữa các monomer bị thay đổi góc liên kết, ngay tại cuối các đoạn gấp, 3 phân tử monomer sắp xếp tạo sự thay đổi 180o cho toàn mạch. Vùng vô định hình
HUTECH
27
kết của các liên kết cộng hóa trị (β - glycoside) sẽ làm giảm độ bền của liên kết, đồng thời vị trí này không tạo được liên kết hydro.
- Cellulose là glucan không phân nhánh, trong đó các gốc glucose kết hợp với nhau qua liên kết β-1à 4- glycoside, đó chính là sự khác biệt giữa cellulose và các phân tử carbohydrate phức tạp khác.
- Cellulose được cấu tạo thành chuỗi dài gồm ít nhất 500 phân tử glucose. Các chuỗi cellulose này xếp đối song song tạo thành các vi sợi cellulose có đường kính khoảng 3,5 nm. Mỗi chuỗi có nhiều nhóm OH tự do, vì vậy giữa các sợi ở cạnh nhau kết hợp với nhau nhờ các liên kết hidro được tạo thành giữa các nhóm OH của chúng. Các vi sợi lại liên kết với nhau tạo thành vi sợi lớn hay còn gọi là bó mixen có đường kính 20 nm, giữa các sợi trong mixen có những khoảng trống lớn.
Khi tế bào còn non, những khoảng này chứa đầy nước, ở tế bào già thì chứa đầy lignin và hemicellulose.
- Cellulose có cấu trúc rất bền và khó bị thủy phân. Người và động vật không có enzyme phân giải cellulose (cellulase) nên không tiêu hóa được cellulose, vì vậy cellulose không có giá trị dinh dưỡng. Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho thấy cellulose có thể có vai trò điều hòa hoạt động của hệ thống tiêu hóa. Vi khuẩn trong dạ cỏ của gia súc, các động vật nhai lại và động vật nguyên sinh trong ruột của mối sản xuất enzyme phân giải cellulose. Nấm đất cũng có thể phân hủy cellulose. Vì vậy chúng có thể sử dụng cellulose làm thức ăn.