Quá trình enzyme cellulase xúc tác thủyphân cơ chất cellulose có thể chia thành ba giai đoạn sau:
− Quá trình enzyme hấp phụ lên xơ sợi
− Quá trình tạo liên kết giữa cellulase và cellulose
− Quá trình thủy phân phối hợp của phức hệ enzyme cellulose
2.3.3.1. Quá trình enzyme hấp phụ lên xơ sợi
Có hai yếu tố quyết định năng lượng hấp phụ của protein lên bề mặt phân pha rắn/lỏng là bản chất của bề mặt và lực liên kết giữa các phân tử. Những tương tác này thường tạo thành do liên kết hydro, lực tĩnh điện hoặc là tương tác giữa các nhóm kỵ nước. Tùy thuộc vào tính chất của protein và bề mặt hấp phụ mà tương tác tĩnh điện hay tương tác của các nhóm kỵ nước sẽ đóng vai trò quyết định cho quá trình .
Bề mặt cellulose mang bản chất kỵ nước do không còn nhóm chức tự do ( các nhóm chứa đã tạo liên kết hydro giữa các mạch). Các nghiên cứu về quá trình tiền xử lý – nổ hơi cho thấy sau quá trình này, tính chất kỵ nước của cơ chất tăng. Trong khi đó, protein là một polymer lưỡng cực. Phần kỵ nước trong phân tử protein là những nhóm chứa nhân thơm như trong tryptophane, phenylalanine và tyrosine. Thông thường, khi phân tử protein bị gấp khúc, các amino acid mang nhóm kỵ nước sẽ được giấu vào bên trong. Tuy nhiên, cũng có một vài phần kỵ nước được sắp xếp tại bề mặt ngoài của phân tử protein. Chính các phần này tạo liên kết với các cơ chất mang
Trang 23
bản chất kỵnước (cellulose).
Cellulose tinh khiết không chứa nhóm mang điện. Trong thực tế, điện tích bề mặt của các chất sẽ được tạo thành khi có sự phân bố các ion từ bề mặt đó. Ví dụ các bề mặt tiếp xúc với nước thường mang điện âm. Các phân tử protein hay các ion khối lượng phân tử thấp đã hấp phụ trước trên bề mặt sẽ có ảnh hưởng đến sự hấp phụ mới. Điện tích của cellulase và sự hiện diện của nhóm không phân cực có thể dẫn đến sự hấp phụ không chọn lọc lên cả cellulose và lignin. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cellulase hấp phụ lên cả lignin trong vật liệu lignocellulose [16, 21].
2.3.3.2. Quá trình tạo liên kết giữa cellulase và cellulose
Cellulase tương tác với bề mặt cellulose thông qua trung tâm liên kết cellulose CBD và trung tâm hoạt động chính CD.Trung tâm tạo liên kết của cellulase CBD làm phá hủy một phần cấu trúc chặt chẽ của các mạch cellulose. Sau đó, các mạch này sẽ được dẫn vào vùng trung tâm hoạt động CD của cellulase. Quá trình dẫn này xảy ra nhờ sự hiện diện của mạch peptide ưa nước, khu vực này sẽ tạo các liên kết hydro bao bọc sợi cellulose, nhằm tránh sự xâm nhập quá sâu của CBD vào bề mặt cellulose.
Hình 2.12: Quá trình tác động exo-glucanase lên đầu vùng kết tinh của cellulose.
2.3.3.3. Quá trình thủy phân phối hợp của phức hệ enzyme cellulase
Từ những năm 1954, Gilligan và Reese đã chỉ ra rằng việc pha trộn cellulase từ các nguồn nấm mốc khác nhau có thể làm tăng lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân. Từ đó, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm mô tả quá trình
Trang 24
tác động tương trợ của các enzyme endo-glucanase, exo-glucanase. Enzyme exo- glucanase thường tấn công vào những cellulose đã bị cắt mạch (cellodextrin) có đầu là nhóm khử hoặc không khử. Trong khi đó, enzyme endo-glucanase lại tấn công ngẫu nhiên vào giữa mạch cellulose, tạo thành các cellodextrin, là các cơ chất thích hợp của enzyme exo-glucanase. Do vậy, sự tác động tương trợ của endo-exo có thể nói là nhằm mục đích tạo bề mặt tấn công mới cho exoglucanse. Dựa trên các nghiên cứu này, enzyme cellulase có thể được pha trộn với các thành phần từ các nguồn khác nhau nhằm tạo được một hệ enzyme có tác động mong muốn. Sự tương trợ của hệ enzyme thủy phân cellulose có thể được tóm tắt như sau:
ü Quá trình thủy phân sơ cấp ( xảy ra trên bề mặt của cơ chất rắn) :
− Enzyme endo-cellulase tấn công ngẫu nhiên vào mạch cellulose nhờ tạo liên kết bằng tương tác giữa CBD với cellulose, tạo thành các oligosaccharide.
− Enzyme exo – cellulase tấn công vào cellulose và cả oligomer từ đầu đường khử và không khử thông qua tương tác của CBD với cellulose, tạo thành cellobiose và glucose giải phóng vào pha lỏng.
ü Quá trình thủy phân thức cấp (pha lỏng) :
− β-glucosidase tấn công cellobiose và oligosaccharide tan trong pha lỏng, tạo glucose [21].
Hình 2.13: Cơ chế thủy phân cellulose của enzyme cellulase [21].
