• Đặc điểm xenluloza
Xenluloza là thành phần chủ yếu của tế bào thực vật, chiếm tới 50% tổng số hydratcacbon trờn trỏi đất. Trong vỏch tế bào thực vật, xenluloza tồn tại trong mối liờn kết chặt chẽ với cỏc polisaccarit khỏc với hemi-xenluloza, protein và lignin tạo thành liờn kết bền vững . (Reese E.T and H.S Levison,1952)
Hỡnh 1.2. Hỡnh ảnh 3D hợp chất cao phõn tử Cellulose
(Màu nõu- Cacbon, màu đỏ- oxy, màu trắng- hydro)
Xenluloza là một polyme mạch thẳng gồm cỏc anhydroglucoza trong mối liờn kết β - 1,4 glucozit. Mức độ trựng hợp của xenloloza tự nhiờn cú thể đạt 10.000- 14.000 đơn vị glucoza trờn phõn tử (GTr Cụng nghệ vi sinh vật trong sản
xuất nụng nghiệp và xử lý ụ nhiễm mụi trường, NXB Nụng nghiệp, 2003), trọng
lượng tương ứng là 1,5 triệu Dalton với chiều dài phõn tử cú thể lớn hơn hoặc bằng 5àm. Cỏc chuỗi xenluloza gần nhau thường kết hợp với nhau tạo thành cỏc sợi cú đường kớnh khoảng 10 - 40nm, những sợi hợp lại với nhau tạo thành bú sợi to và được bao bọc bởi lignin và hemi-xenluloza.
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nụng nghiệp Page 20
Trong tự nhiờn, xenluloza là một trong những hợp chất khỏ bền vững, chỳng khụng tan trong nước mà chỉ bị trương lờn do hấp thụ nước. Xenluloza bị
thủy phõn khi đun núng với axit hoặc kiềm ở nồng độ khỏ cao, bị phõn hủy ở
nhiệt độ 40 – 500C bởi enzim xenlulaza.
• Cơ chế phõn hủy xenluloza
Để phõn giải xenluloza tự nhiờn cần cú sự kết hợp của cỏc enzim trong phức hệ xenlulaza. Phức hệ xenlulaza gồm cú 3 loại enzim:
Endoglucanaza hay CMC – aza cú khả năng cắt đứt cỏc liờn kết trong phõn tử xenluloza, thủy phõn liờn kết β - 1,4 glucozit một cỏch tựy tiện và giải phúng xenlulodextrin, xenlobioza và glucoza. Enzim này phõn giải mạnh mẽ cỏc xenluloza hũa tan nhất là dạng xenluloza vụ định hỡnh nhưng hoạt động rất yếu ở
vựng kết tinh.
Exoglucanaza cú khả năng tấn cụng chuỗi xenluloza từđầu khụng khử và giải phúng xenlobioza (là chủ yếu và glucoza). Enzim này khụng phõn giải xenluloza kết tinh cũng như xenluloza hũa tan, tỏc dụng chủ yếu lờn CMC nhưng hoạt động mạnh lờn xenluloza vụ định hỡnh hoặc xenluloza đó bị phõn giải một phần như xenlodextrin.
β- 1,4 glucozidaza xenlobiaza cú khả năng phõn hủy xenlobioza và cỏc xenlodextrin hũa tan trong nước giải phúng glucoza, enzim này cú hoạt tớnh cực
đại trờn xenlobiaza và cú hoạt tớnh giảm dần theo chiều dài của chuỗi tăng lờn trờn xenlodextrin. Chức năng của β - 1,4 glucozit cú lẽ là điều chỉnh sự tớch lũy cỏc chất cảm ứng của enzim xenluloza. (Lutzen, N.V, M.H Neilson,1983)
Vềđộng học phản ứng cỏc enzim, Reese và cỏc cộng sự lần đầu đưa ra cơ
chế phõn giải vào năm 1950: Xenlulo
tự nhiờn
C1 Xenlulo hoạt động
Cx Đường hoà tan
Xenlobioza Xenlobiaza Gluco Theo tỏc giả này thỡ enzim C1 tương ứng với endo- glucanaza là “tiền nhõn tố thủy phõn” hay enzim khụng đặc biệt làm biến dạng xenlulo tự nhiờn thành chuỗi xenlulo hoạt động cú mạch ngắn hơn, sau đú enzim Cx tương ứng
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nụng nghiệp Page 21
với Exdo- glucanaza tiếp tục phõn cắt, giải phúng đường hũa tan và cuối cựng tạo thành gluco dưới tỏc dụng của xenlobioza. (Lutzen, N.V, M.H Neilson,1983)
Cũn tỏc giả Lutzen thỡ cho rằng sự thủy phõn xenlulo tự nhiờn phải cú sự
hiệp đồng của 3 loại enzim trờn. Chỳng tạo thành phức hệ enzim nhiều thành phần trờn bề mặt cỏc phõn tử xenlulo. Nhờ đú Lutzen đưa ra mụ hỡnh phõn giải xenlulo theo sơđồ sau:
Exo - glucanaza Endo - glucanaza
Xenlobioza Xenlobiohydronaza
Xenlulo Gn G1 G (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(2) Endo – glucanaza + Xenlobiohydrolaza (1) Exo - glucanaza
(Nguồn: Dương Hoa Xụ,2007)
Hỡnh 1.3: Mụ hỡnh phõn giải Xenluloza
Để thủy phõn xenluloza vụ định hỡnh cần cú sự tỏc động của Cx hoặc C1 nhưng để thủy phõn xenlulo tinh thể thỡ nhất thiết phải cú mặt cả 2 loại enzim này. Ởđõy phức hệ enzim xenlulaza cú tỏc động hiệp đồng chặt chẽ, Cx tấn cụng một cỏch tự nhiờn lờn chuỗi xenluloza, phõn cắt liờn kết glucozit ở một số chỗ
tựy ý, tạo ra cỏc đầu cú khả năng bị tấn cụng bởi Cx. Kết quả tạo ra xenlobioza - một chất kỡm hóm cho cả C1 và Cx. Cỏc liờn kết glucozit đó được tỏch ra cú khả
năng nhanh chúng bị nối lại do bản chất cú trật tự cao của chớnh cơ chất, cũn khi vắng mặt Cx thỡ sự thủy phõn khụng xảy ra hoặc xảy ra chậm chạp do khụng tạo ra cỏc đầu tự do (Coughlan & CTV, 1979).
• Vi sinh vật phõn giải xenluloza
Trong tự nhiờn cú rất nhiều loại vsv cú khả năng tiết ra một hoặc một số
Học viện Nụng nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nụng nghiệp Page 22
cơ, biến chỳng từ dạng thụ sơ thành dạng mựn nhuyễn và cỏc chất dinh dưỡng để
hấp thu trong đất, từ đú làm tăng độ phỡ nhiờu của đất và cải thiện mụi trường sống xung quanh chỳng ta.
Nấm sợi là nhúm cú khả năng tiết ra mụi trường một lượng lớn enzim với
đầy đủ cỏc thành phần nờn khả năng phõn giải xenluloza rất mạnh. Nấm cú hoạt tớnh phõn giải xenluloza đỏng chỳ ý là Trichoderma bao gồm hầu hết cỏc loại sống trong đất, những đại diện tiờu biểu là Trichoderma reesei, Trichoderma
viride, chỳng phõn hủy tàn dư thực vật trong lớp đất gúp phần chuyển húa lượng
hữu cơ khổng lồ. Một số nấm khỏc cũng cú khả năng phõn giải xenluloza khỏ cao
là Aspergillus niger, Fusarium solani, Penicillium pinophinum…. ( Đặng Minh
Hằng, Lờ Văn Nhương, 2000)
Vi khuẩn cũng cú khả năng phõn giải xenluloza nhưng cường độ khụng mạnh bằng nấm sợi do lượng enzim tiết ra mụi trường ớt hơn và cỏc thành phần enzim cũng khụng đầy đủ. Cỏc vi khuẩn hiếu khớ cũng cú khả năng phõn giải xenluloza khỏ mạnh như: Cellulomonas, Vibrio, Archomobacter. ( Nguyễn Lan
Hương và cs., 1999)
Trong điều kiện yếm khớ cỏc vi khuẩn ưa ẩm và ưa nhiệt thuộc giống
bacillus và Clostridium cũng cú khả năng phõn giải xenluloza.
Bờn cạnh nấm và vi khuẩn, xạ khuẩn cũng cú khả năng phõn giải xenlulo khỏ cao, đỏng chỳ ý là Streptomyces, Actinomyces, Nocardia, Mycromonospora
Xạ khuẩn phõn giải xenluloza được phõn lập từ cỏc mẫu đất, mựn rỏc, mẫu bựn, những nơi cú chứa xenluloza. Người ta thường sử dụng xạ khuẩn đặc biệt là
Streptomyces trong việc phõn hủy rỏc thải sinh hoạt. Những xạ khuẩn này thường
thuộc nhúm ưa nhiệt, sinh trưởng phỏt triển tốt ở nhiệt độ 45 – 500C, rất thớch hợp với quỏ trỡnh ủ rỏc thải.
Như vậy chỳng ta cú thể thấy rằng vsv phõn hủy xenluloza rất đa dạng và phong phỳ.