I. Vi sinh vật phân giải cellulose
3.2. Enzyme cellulase
3.2.1. Cấu trúc
Trong thiên nhiên không gặp cellulase ở dạng tinh khiết. Nó thường tồn tại ở dạng kết hợp với các enzyme khác như: cellulase, hemicellulase, pentozanase thành hệ enzyme gọi là Citolase [19]. Cellulase là một phức hệ
enzyme bao gồm các enzyme C1, Cx và β-glucosidase tham gia những phản ứng kế tiếp nhau khi phân huỷ cellulose tạo thành glucose [13].
Enzyme C1: có tác dụng cắt ñứt liên kết hydro biến cellulose tự nhiên thành cellulose phản ứng (cellulose vô ñịnh hình).
Enzyme Cx: còn gọi là enzyme β-1,4glucanase, thuỷ phân cellulose phản ứng thành cellobiose. Enzyme này ñược chia thành hai loại:
- Endocellulase hay Endoglucanase (EG) (EC.3.2.1.4): có tác dụng thuỷ phân liên kết β-1,4-glucozit tại các ñiểm bất kỳ trên mạch của phân tử cellulose. Được chia làm hai loại EGI, EGII. Cả hai loại enzyme này có thể hoạt ñộng ở nhiệt ñộ khá cao.
- Exocellulase hay Exoglucanase (CBH) (EC.3.2.1.9): phân giải chuỗi trên thành disaccharit gọi là cellobiose từ ñầu không khử. Bao gồm hai loại CBHI và CBHII:
+ CBHI có trọng lượng phân tử khoảng 65KD, chứa khoảng 496 acid amin. Enzyme này tác ñộng lên cellulose vô ñịnh hình, ưu tiên liên kết với vùng tinh thể của cellulose, không tác ñộng lên cellulose biến tính như CMC.
+ CBHII có trọng lượng phân tử là 53KD, chứa khoảng 471 acid amin. CBHII liên kết với cả vùng tinh thể và vùng vô ñịnh hình, không tác ñộng lên cellulose biến tính [22].
β-glucosidase hay cellobiase (EC.3.2.1.21): thuỷ phân cellobiose thành glucose. Là nhóm enzyme khá phức tạp, có khả năng hoạt ñộng ở pH rất rộng từ 4.5 - 8.4. Trọng lượng phân tử từ 50-95KD, có thể hoạt ñộng ở nhiệt ñộ cao.
21
Hình 1.2. Cơ chế tác ñộng của Enzyme Cellulase
3.2.2 Ứng dụng
Enzyme cellulase thu hút ñược sự chú ý của các nhà công nghệ vì chúng có thể ñược ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực sau:
+ Xử lý chất thải hữu cơ chứa cellulose
Các chất thải hữu cơ chứa cellulose thường là những chất rất khó phân huỷ. Trong ñiều kiện tự nhiên thời gian phân huỷ rất lâu (trên 6 tháng), ở ñiều kiện khí hậu nhiệt ñới. Thời gian phân huỷ các chất thải này càng lâu càng gây ô nhiễm ñất, nước, không khí. Các chất thải này cũng khó tham gia vào dây truyền chuyển hoá vật chất của thiên nhiên, gây mất cân bằng sinh thái. Để khắc phục tình trạng này các nhà khoa học ñã ñưa vào khối ủ chế phẩm vi
sinh vật giàu cellulase, kết quả là các chất thải bị phân huỷ trong thời gian dưới một tháng, góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường [19].
+ Sản xuất sản phẩm thực phẩm, thực phẩm gia súc
Các sản phẩm thực phẩm ñược sản xuất từ các nguyên liệu thực vật chứa nhiều cellulose gây ra hiện tượng khó tiêu hoá ở người. Người và những ñộng vật không nhai lại thường thiếu vi sinh vật phân giải cellulose trong ñường tiêu hoá. Do ñó, việc chế biến thực phẩm nhất là một số sản phẩm ñồ hộp bằng chế phẩm cellulase có ý nghĩa làm tăng hiệu suất sử dụng thức ăn. Nhiều nghiên cứu cho thấy việc thêm chế phẩm cellulase vào thực phẩm gia súc làm tăng trọng ñàn lợn và tăng chất lượng thịt [19]
+ Phân bón vi sinh vật
Các chế phẩm vi sinh vật có khả năng tổng hợp cellulase mạnh, khi ñược bón vào ñất trồng có nhiều chất hữu cơ chứa nhiều cellulose sẽ phân huỷ nhanh các chất hữu cơ tạo thành mùn, giúp cây trồng phát triển nhanh [13],[19].
+ Trong kỹ thuật di truyền
Enzyme cellulase sẽ phá vỡ thành tế bào thực vật ñể tạo tế bào trần, rất cần thiết trong quá trình chuyển gen của tế bào thực vật [19].
+ Công nghệ bột cellulose và giấy, công nghệ sợi dệt, công nghiệp chất tẩy rửa.
Đây là hướng ñược các nhà sản xuất quan tâm nhiều trong những năm gần ñây. Sử dụng enzyme cellulase ñể tách mực khỏi giấy báo và tạp chí cũ, cải thiện tính chất quang học cũng như ñộ bền cơ lý của giấy sản xuất từ bột khử mực.
Ở Mỹ, hơn 40% tổng lượng giấy sử dụng là bắt nguồn từ giấy loại, ở Nhật Bản khoảng 55%.
23
Trong công nghệ sợi dệt, enzyme này ñược sử dụng ñể xử lý quần áo bò, làm bóng vải bông, vải sợi nhân tạo giúp vải mềm mại hơn, ñộ hút ẩm tăng lên, bề mặt vải ñẹp hơn.
Trong công nghiệp chất tẩy rửa, các chất tẩy rửa chứa enzyme cellulase làm sạch các chất bẩn trong lòng xơ bông tốt hơn sử dụng phương pháp tẩy rửa thông thường [15].