TÌM HIỂU VỀ ỨNG DỤNG CỦA NHÓM ENZYME CELLULASE

BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
BỘ MÔN: HÓA SINH HỌC THỰC PHẨM



ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU VỀ ỨNG DỤNG CỦA
NHÓM ENZYME CELLULASE
GVHD: NGUYỄN THỊ THU SANG
SVTH: NGUYỄN HOÀNG PHÚC 2005100031
HUỲNH TẤN ĐẠT 2005100054
PHẠM QUỐC HUY 2005100171
NGUYỄN TẤN PHÚC 2005100040
VÕ MINH TRÍ 2008100088
NHÓM 02_LỚP 01DHTP1_SÁNG THỨ 2_TIẾT 1,2


TP.HỒ CHÍ MINH - 2012



BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
BỘ MÔN: HÓA SINH HỌC THỰC PHẨM


ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU VỀ ỨNG DỤNG CỦA
NHÓM ENZYME CELLULASE
GVHD: NGUYỄN THỊ THU SANG
SVTH: NGUYỄN HOÀNG PHÚC 2005100031
HUỲNH TẤN ĐẠT 2005100054
PHẠM QUỐC HUY 2005100171
NGUYỄN TẤN PHÚC 2005100040
VÕ MINH TRÍ 2008100088
NHÓM 02_LỚP 01DHTP1_SÁNG THỨ 2_TIẾT 1,2


TP.HỒ CHÍ MINH - 2012


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
DANH SÁCH CÁC HÌNH 1
MỞ ĐẦU 2
1. Yêu cầu thực tế và lý do chọn đề tài 2
2. Mục đích nghiên cứu 2
3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 3
4. Kết cấu của bài tiểu luận 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ENZYME CELLULASE 4
1.1. Giới thiệu chung 4
1.2. Cấu trúc của enzyme cellulase 4
1.3. Tính chất của enzyme cellulase 5
1.4. Nguồn gốc của enzyme cellulase 6
1.5. Cơ chất của enzyme cellulase 6

1.6. Phân loại enzyme cellulase 6
1.7. Cơ chế tác dụng của enzyme cellulase 7
1.7.1. Cơ chế 1,4-

-D-glucan cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) 7
1.7.2. Cơ chế 1,4-

-D-glucan 4-glucanohydrolase (EC 3.2.1.4) 8
1.7.3. Cơ chế

-D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21) 9
1.8. Hoạt lực của enzyme cellulase 10
1.9. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt lực của enzyme cellulase 11
1.9.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ 11
1.9.2. Ảnh hưởng của pH 11


1.9.3. Ảnh hưởng của ion kim loại 12
1.9.4. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme 12
1.9.5. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất [S] 13
CHƢƠNG 2. CÁC ỨNG DỤNG CỦA NHÓM ENZYME CELLULASE 17
2.1. Sơ lược về ứng dụng của nhóm enzyme cellulase 17
2.2. Các ứng dụng của nhóm enzyme cellulase 18
2.2.1. Trong công nghiệp giấy 18
2.2.2. Trong công nghiệp dệt 19
2.2.3. Trong xử lý môi trường 20
2.2.4. Trong sản xuất thức ăn gia súc 20
2.2.5. Trong kỹ thuật di truyền 21
2.2.6. Trong công nghiệp chế biến thực phẩm 21
2.2.6.1. Trong nghiệp sản xuất bia 21

2.2.6.2. Trong công nghiệp sản xuất cà phê 21
2.2.6.3. Trong sản xuất các loại nước quả 22
2.2.7. Trong sản xuất cồn 23
2.2.8. Trong sản xuất bột giặt và chất tẩy rữa 24
2.2.9. Trong sản xuất nhiên liệu sinh học 25
2.2.10. Trong sản xuất dung môi hữu cơ 25
2.2.11. Trong nuôi cấy tế bào và tái tổ hợp gene 25
2.2.12. Trong công nghiệp xử lý rác thải và sản xuất phân bón vi sinh 25
2.2.13. Trong sản xuất agar-agar 26
TÀI LIỆU THAM KHẢO 27



LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thực phẩm trong hai thập niên gần đây
đòi hỏi sự hiểu biết toàn diện về khả năng phân tích các chất trong thực phẩm và
phương pháp sản xuất thực phẩm. Để đảm bảo yêu cầu này, cần có kiến thức toàn diện
về hóa sinh thực phẩm, vi sinh thực phẩm, các quy trình chế biến thực phẩm,
Trong bài tiểu luận này, nhóm chúng tôi tập trung nghiên cứu về các ứng dụng
của nhóm enzyme cellulase trong tất cả các lĩnh vực nói chung và nhóm ngành công
nghệ thực phẩm nói riêng. Enzyme cellulase là một enzyme rất phổ biến trong công
nghiệp, chỉ đứng sau amylase và protease nên các ứng dụng của chúng đối với công
nghiệp là rất nhiều.
Qua bài tiểu luận này, mục tiêu mà nhóm chúng tôi hướng tới đó là xây dựng
một cách tương đối hoàn chỉnh về các ứng dụng của nhóm enzyme cellulase trong công
nghiệp, qua đó có thể cung cấp các kiến thức hữu ích và đầy đủ hơn cho mọi người về
nhóm enzyme này.
Bài tiểu luận được chia làm hai chương:
Chƣơng 1: Tổng quan về enyme cellulase
Chƣơng 2: Các ứng dụng của nhóm enzyme cellulase

Dù đã cố gắng rất nhiều nhưng trong quá trình thực hiện cũng không thể tránh
khỏi những sai sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của Cô để những bài
tiểu luận về sau sẽ đầy đủ và chính xác hơn.
TẬP THỂ NHÓM

1

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1. Enzyme cellulase 5
Hình 1.2. Cơ chế hoạt động của exoglucanase 8
Hình 1.3. Cơ chế hoạt động của endoglucanase 8
Hình 1.4. Cơ chế hoạt động của

-glucosidase 9
Hình 1.5. Quá trình phân giải cellulose của cellulase 9
Hình 1.6. Sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào [E] 13
Hình 1.7. Biến thiên vận tốc phản ứng theo nồng độ cơ chất 15
Hình 1.8. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất 16
Hình 2.1. Sợi giấy được tái chế 19
Hình 2.2. Cơ chế thủy phân phân tử cellulose(A) và phức hệ cellulose(B) của các
Enzyme thuộc hệ phức cellulase 23
Hóa sinh thực phẩm Mở đầu

2

MỞ ĐẦU
1. Yêu cầu thực tế và lý do chọn đề tài
Enzyme là loại protein, xúc tác cho mọi phản ứng sinh học trong mọi tế bào của
sinh vật. Enzyme rất quan trọng với cơ thể con người, nếu không có enzyme thì mọi sự
chuyển hóa trong cơ thể con người bị đình trệ và con người không thể sống được.

Ngoài ra nó còn đóng vai trò rất quan trọng trong công nghiệp chế biến thực phẩm,
trong y học, trong kỹ thuật phân tích, công nghệ gene và bảo vệ môi trường.
Nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng enzyme được phát triển rất mạnh từ đầu thế
kỹ XX đến nay. Công nghệ sản xuất enzyme đã đem lại lợi nhuận rất lớn cho nhiều
nước. Việt Nam là một trong những nước có nhiều nghiên cứu và ứng dụng enzyme.
Tuy nhiên, công nghệ enzyme của ta chưa thực sự phát triển do đây là một ngành đòi
hỏi công nghệ cao. Trong tương lai, hứa hẹn đây sẽ là một ngành công nghiệp được
đầu tư phát triển rộng bởi những ứng dụng và tính tiện lợi của nó trong nhiều lĩnh vực
và đời sống.
Enzyme cellulase là một trong những enzyme có vai trò quan trọng trong
chuyển hóa chất hữu cơ có trong thiên nhiên, và có ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp
thực phẩm (rựu, bia, ), bảo vệ môi trường
Do có nhiều ứng dụng trong thực tế song việc ứng dụng chúng vào thực tiễn
không phải là điều dễ dàng nên đó là lý do vì sao vấn đề “Tìm hiểu về ứng dụng của
nhóm enzyme cellulase” được chúng tôi chọn là đề tài tiểu luận.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là khảo sát các đặc tính cơ bản của enzyme cellulase và
hướng ứng dụng rộng rãi của enzyme này trong công nghiệp nói chung và công nghiệp
thực phẩm nói riêng. Hướng đi chính của đề tài mà chúng tôi hướng đến là khả năng
ứng dụng thực tiễn cao của loại enzyme này.
Hóa sinh thực phẩm Mở đầu

3

3. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là enzyme cellulase.
Phương pháp nghiên cứu trong bài tiểu luận này được dùng chủ yếu là phương
pháp nghiên cứu lý thuyết, phân tích, tổng hợp nhằm làm rõ vấn đề được nghiên cứu và
giúp người đọc có cái nhìn tổng quát hơn về loại enzyme này.
4. Kết cấu của bài tiểu luận

Tiểu luận với đề tài: “TÌM HIỂU VỀ ỨNG DỤNG CỦA NHÓM ENZYME
CELLULASE” được thực hiện với hai chương chính:
- Chƣơng 1: Tổng quan về enzyme cellulase
- Chƣơng 2: Các ứng dụng của nhóm enzyme cellulase
Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase

4

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ENZYME CELLULASE
1.1. 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 không có khả năng phân giải cellulose. Nó chỉ có
giá trị làm tăng tiêu hóa, nhưng với lượng lớn nó trở nên vô ích hay cản trở tiêu hóa.
Cellulase là một phức hệ enzyme có tác dụng thủy phân cellulose thông qua việc
thủy phân liên kết

-1,4-glucoside trong cellulose.
Cellulase có khả năng thủy phân cellulose thành đường. Con người và động vật
không có khả năng phân giải cellulose, nó có vai trò chất độn. Phương pháp tìm chế
phẩm cellulase còn 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.
1.2. 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- . Ngoài ra, trong cấu trúc còn có
những phần phụ khác, Cấu trúc hoàn 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 đuôi là vùng gắn kết với cellulose (CBD:
cellulose binding domain). Vùng này có vai trò tạo liên kết với cellulose tinh thể.
Trong quá trình phân hủy cellulose có sự tương quan mạnh giữa khả năng xúc tác phân
Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase

5

giải cellulose của các enzyme và ái lực của enzyme này đối với cellulose. Hơn nửa,
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 thông thường của protein và việc thay đổi chiều dài của vùng glycosil hóa có
ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của enzyme.
Hình 1.1. Enzyme cellulase
1.3. 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.
Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase

6

Cellulase bị ức chế bởi các sản phẩm phản ứng của nó như glucose, cellobiose
và bị ức chế hoàn toàn bởi Hg. Ngoài ra, cellulose còn 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 và cộng sự, 1991).
1.4. Nguồn gốc của enzyme cellulase
• Được thu nhận từ các nguồn khác nhau:
– Động vật: dịch tiết dạ dày bò, các nhóm thân mềm…
– Thực vật: trong hạt ngũ cốc nảy mầm như đại mạch, yến mạch, lúa mì
mạch đen…
– 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…
1.5. 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.
1.6. Phân loại enzyme cellulase
Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase

7

Về phương diện hóa học, cellulose là một polyme được cấu tạo từ các đơn vị

-glucose nối với nhau bằng liên kết

-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-

-D-glucan cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91)
- 1,4-

-D-glucan 4-glucanohydrolase (EC 3.2.1.4)
-

-D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21)
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,
1.7. Cơ chế tác dụng của enzyme cellulase
1.7.1. Cơ chế 1,4-

-D-glucan cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91)
Enzyme này còn có tên gọi khác như: exoglucanase, exo-

-1,4-glucanase,
cellobiohydrolase, exo – cellobiohydrolase, exo-

-1,4-glucan cellobiohydrolase, 1,4-

-D-glucan cellobiosidase, cellobiosidase, CBH 1, C1 cellulase, avicelase.
Enzyme này thủy phân liên kết 1,4-

-D-glucoside từ đầu không khử của chuỗi
cellulose để tạo thành celllobiose.
Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase

8

Hình 1.2. Cơ chế hoạt động của exoglucanase
1.7.2. Cơ chế 1,4-

-D-glucan 4-glucanohydrolase (EC 3.2.1.4)
Enzyme này còn có tên gọi khác như: Endoglucanase, Endo-1,4-

-D-
glucanase, Endo-1,4 glucanase,

-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-

-D-glucoside giữa mạch của
chuỗi cellulose, lichenin và các

-D-glucan của ngũ cốc.

Hình 1.3. Cơ chế hoạt động của endoglucanase
Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase

9

1.7.3. Cơ chế

-D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21)
Enzyme này có tên gọi khác như là:



glucosidase,


D

glucosidase,


1,6

glucosidase,


glucoside glucohydrolase, p-nitrophenyl


glucosidase,
aryl-


glucosidase, gentiobiase, cellobiase, emulsin, elaterase, arbutinase,
amygdalinase, primeverosidase, amygdalase, limarase, salicilinase.
Enzyme này thủy phân gốc

-D-glucoside không khử ở đầu tận cùng để phóng
thích ra

-D-glucose.

Hình 1.4. Cơ chế hoạt động của

-glucosidase
Hình 1.5. Quá trình phân giải cellulose của cellulase

Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase

10

1.8. Hoạt lực của enzyme cellulase (cơ chế thủy phân cellulose)
Thủy phân cellulose phải có sự tham gia của cả ba loại enzyme cellulose như
endoglucanase, exoglucanase và β-glucosidase. Thiếu một trong ba loại enzyme trên
thì không thể thủy phân phân tử cellulose đến cùng.
Từ những nghiên cứu riêng lẽ đối với từng loại enzyme đến nghiên cứu tác động
tổng hợp của cả ba loại enzyme cellulose, nhiều nhà khoa học đều đưa ra kết luận
chung là các loại enzyme cellulose sẽ thay phiên nhau phân hủy cellulose để tạo thành
sản phẩm cuối cùng là glucose. Có nhiều cách giải thích khác nhau về cơ chế tác động
của cellulose, trong đó cách giải thích do Erikson đưa ra được nhiều người công nhận
hơn cả.
Theo Erikson và cộng tác viên (1980), cơ chế tác động hiệp đồng của 3 loại
cellulose như sau: đầu tiên endoglucanase tác động vào vùng vô định hình trên bề mặt
cellulose, cắt liên kết β-1,4-glucosid và tạo ra các đầu mạch tự do. Tiếp đó
exoglucanase tấn công cắt ra từng đoạn cellobiose từ đầu mạch được tạo thành. Kết
quả tác động của endoglucanase và exoglucanase tạo ra các celloligosaccharit mạch
ngắn, cellobiose, glucose. β-glucosidase thủy phân tiếp và tạo thành glucose.
Các loài vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp cellulose trong điều kiện tự nhiên
thường bị ảnh hưởng bởi tác động nhiều mặt của các yếu tố ngoại cảnh nên có loài phát
triển rất mạnh, có loài lại phát triển yếu. Chính vì thế, việc phân hủy cellulose trong tự
nhiên được tiến hành không đồng bộ, xảy ra rất chậm.
Trong điều kiện phòng thí nghiệm hay điều kiện công nghiệp, việc phân hủy

cellulose bằng enzyme, ngoài các yếu tố kỹ thuật như nhiệt độm pH, nồng độ cơ chất,
lượng enzyme…, một yếu tố hết sức quan trọng là tính đồng bộ của hệ enzyme
cellulose từ nhiều nguồn vi sinh vật khác nhau. Quá trình thủy phân cellulose chỉ có thể
được tiến hành đến sản phẩm cuối cùng khi sử dụng đồng bộ ba loại enzyme cellulose.
Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase

11

Mỗi loại vi sinh vật chỉ có khả năng sinh tồng hợp ưu việt một loại enzyme. Chính vì
thế cần phải khai thác enzyme cellulose từ nhiều nguồn vi sinh vật.
1.9. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt lực của enzyme cellulase
1.9.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự phát triển, khả năng sinh tổng hợp enzyme của vi
sinh vật cũng như tính chất của enzyme được tồng hợp. Sinh trưởng và sinh tổng hợp
enzyme thường bị kìm hãm nhanh chóng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thích hợp.
Vận tốc phản ứng do enzyme xúc tác chỉ tăng lên khi tăng nhiệt độ trong một
giới hạn nhất định, chưa ảnh hưởng đến cấu trúc của enzyme. Hoạt tính enzyme đạt
cực đại ở nhiệt độ thích hợp, khoảng nhiệt độ thích hợp của nhiều enzyme vào khoảng
40 – 50
0
C. Ở nhiệt độ cao, enzyme bị biến tính làm hoạt tính giảm mạnh hoặc mất hoạt
tính, còn ở nhiệt độ thấp dưới 0
0
C, hoạt tính enzyme bị giảm nhiều nhưng lại có thể
phục hồi khi đưa về nhiệt độ thích hợp.
Cellulase từ A. niger NRRL – 363 hoạt động mạnh nhất ở 50
0
C, trong khi đó
cellulase từ A. niger Z10 là 40
0

C, còn hoạt tính xúc tác của endoglucanase III từ
Trichoderma reesei đạt tối đa ở 55
0
C. Theo kết quả nghiên cứu của Kiamoto và cs
(1996), các endoglucanase từ chủng A. oryzae KBN616 hoạt động tốt nhất torng dải
nhiệt độ 45 – 55
0
C.
1.9.2. Ảnh hƣởng của pH
Khả năng hoạt động của enzyme còn phụ thuộc vào pH môi trường phản ứng.
Tủy thuộc vào bản chất của enzyme mà pH thích hợp để enzyme hoạt động có thể
trung tính, kiềm hoặc acid. Theo nghiên cứu trước đây cho thấy, pH tối thích cho hoạt
động của cellulase từ A. niger NRRL – 363 là 5,5; của cellulase từ A. niger Z10 là 4,5
và 7,5; của endoglucanase III từ Trichoderma reesei là 4,0 – 5,0; của endoglucanase từ
A. oryzae KBN616 là 4,0 – 5,0. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên hoạt tính
Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase

12

endoglucanase từ chủng nấm ưa acid A. terreus M11, Gao và cộng sự (2008) cho rằng
enzyme này có khả năng hoạt động trong dải pH 2 – 5, trong đó pH 2 là tốt nhất.
1.9.3. Ảnh hƣởng của ion kim loại
Các ion kim loại có thể kìm hãm hoặc hoạt hóa sự hoạt động của các enzyme.
Các ion kim loại nặng ở nồng độ nhất định có thể gây biến tính và kìm hãm không
thuận nghịch enzyme. Sharma và cs (1995) nhận thấy, ion Ca
2+
làm tăng hoạt tính của
enzyme cellulase của Baccillus sp. D04 lên 40% so với đối chứng, còn Mg
2+
làm giảm

nhẹ (hoạt tính còn lại 92%) và Zn
2+
ức chế mạnh hoạt tính của enzyme này (hoạt tính
còn lại bằng 37% so với đối chứng). Theo nghiên cứu của Gao và cộng sự (2008),
endoglucanase từ A. terreus M11 bị giảm 77% hoạt tính khi ủ với Hg
2+
(2mM), 59%
khi ủ với Cu
2+
(2mM).
Ngoài ra, các dung môi hữu cơ, các chất tẩy rữa cũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến
hoạt tính của enzyme. Tùy thuộc vào bản chất của các chất trên cũng như bản chất của
enzyme mà tính chất và mức độ ảnh hưởng tới hoạt động của enzyme là khác nhau.
Nghiên cứu của Trịnh Đình Khá (2006) trên chủng Penicillium sp. DTQ – HK1 cho
thấy, các dung môi hữu cơ methnol, ethanol, isopropanol và aceton đều ức chế hoạt
động của cellulase đặc biệt là n – butanol ức chế mạnh nhất, hoạt tính cellulase chỉ còn
33 – 63%. Các chất tẩy rửa tween 20, tween 80, SDS và triton X – 100 đều làm giảm
hoạt tính cellulase ở mức độ khác nhau, trong đó SDS làm giảm mạnh hoạt tính
cellulase chỉ còn 18 – 34%.
1.9.4. Ảnh hƣởng của nồng độ enzyme
Trong điều kiện dư thừa cơ chất, nghĩa là [S] >>[E] thì tốc độ phản ứng phụ
thuộc vào [E], v= K[E] có dạng y=ax. Nhờ đó người ta đã đo [E] bằng cách đo vận tốc
phản ứng do enzyme đó xúc tác.
Có nhiều trường hợp trong môi trường có chứa chất kìm hãm hay hoạt hóa thì
vận tốc phản ứng do enzyme xúc tác không phụ thuộc tuyến tính với [E] đó.
Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase

13

Hình 1.6. Sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào [E]

1.9.5. Ảnh hƣởng của nồng độ cơ chất [S]
Ta khảo sát trường hợp đơn giản nhất: chỉ một cơ chất





Gọi v
1
là vận tốc của phản ứng tạo thành phức chất ES.
Gọi v
-1
là vận tốc của phản ứng tạo phân ly phức chất ES tạo thành E và S. Gọi v
2
là vận tốc của phản ứng tạo thành E và P (sản phẩm).
11
11
22
[ ][ ]
[]
[]
v k E S
v k ES
v k ES





Khi hệ thống đạt trạng thái cân bằng ta có:

1 2 1
[ ] [ ] [ ][ ]k ES k ES k E S



(k
-1
+k
2
)[ES] = k
+1
[E][S] (2)
Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase

14

Gọi E
0

là nồng độ ban đầu:
[E
0
]=[E]+[ES]=>[E]=[E
0
]-[ES]
(3)
Thay trị số [E] từ (3) vào (2) ta có:
(k
-1
+k

2
)[ES] = k
1
([E
0
]-[ES]) [S]
10
1 2 1
[ ][ ]
[]
[]
k E S
ES
k k k S



Nếu đặt
12
`
m
kk
K
k




(Km: gọi là hằng số Michalis Menten)
Ta có:

0
[ ][ ]
[]
[]
m
ES
ES
kS



Mặt khác vận tốc phản ứng tạo thành sản phẩm P là:
2
[]V k ES

Thay [ES] bằng giá trị ở trên ta thu được:
20
[ ][ ]
[]
m
k E S
v
KS


(4)
Qua đây ta thấy nồng độ enzyme càng cao thì vận tốc phản ứng enzyme càng
lớn. Vận tốc đạt cực đại khi toàn bộ enzyme liên kết với cơ chất, nghĩa là:
V
max

= k
2
[E
0
]
Thay vào phương trình (4) ta được:
max
[]
[]
m
S
vV
KS


(5)
Phương trình (5) gọi là phương trình Michelis Menten
Km gọi là hằng số Michelis Menten đặc trưng cho mỗi enzyme. Km đặc trưng
cho ái lực của enzyme với cơ chất, Km có trị số càng nhỏ thì ái lực của enzyme với cơ
chất càng lớn, nghĩa là vận tốc của phản ứng do enzyme xúc tác càng lớn.
Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase

15

Ý nghĩa thực tiễn của hằng số Michelis là ở chỗ nó chính là giá trị của nồng độ
cơ chất khi tốc độ phản ứng bằng ½ tốc độ tối đa. Thay V và v bằng các con số tương
ứng 1 và 0,5 vào phương trình trên, ta sẽ thấy rõ điều đó. Như vậy, K
m
được đo bằng
đơn vị nồng độ, tức là mol/l.

Hằng số Michaelis là một hằng số rất quan trọng. Nó xác định ái
lực của enzyme với cơ chất. K
m
càng nhỏ thì ái lực này càng lớn, tốc độ
phản ứng càng cao vì tốc độ tối đa V đạt ở giá trị nồng độ cơ chất càng thấp.
Trên cơ sở phương trình Michaelis-Menten, bằng cách xây dựng đường biểu
diễn sự phụ thuộc của v vào [S] và bằng đồ thị đó xác định tốc độ tối đa V ta có thể
tìm thấy giá trị của [S], ở đó v = V/2, tức giá trị của K
m
(hình 2.7).
Hình 1.7. Biến thiên vận tốc phản ứng theo nồng độ cơ chất
Khi tăng [S] thì v phản ứng tăng, tăng [S] đến một giá trị nào đó thì v đạt đến
giá trị vmax và sẽ không tăng nữa nếu ta vẫn tiếp tục tăng [S].
Khi
[]
m
KS
thì
0 max
1
2
vV

Năm 1934. Lineweaver và Burk, trên cơ sở của phương trình (5) đã nghịch
đảo để biến thành dạng đường thẳng y = ax+b, nó có ý nghĩa lớn đối với việc
nghiên cứu kìm hãm enzyme.
Hóa sinh thực phẩm Chương 1.Tổng quan về enzyme cellulase

16

Hình 1.8. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ cơ chất
Trong nhiều phản ứng do enzyme xúc tác có 2 hay nhiều cơ chất, ví dụ
hexokinase xúc tác phản ứng:
ATP + glucose hexokinase ADP + glucose 6 phosphate
Hóa sinh thực phẩm Chương 2.Ứng dụng của enzyme cellulase

17

CHƢƠNG 2. CÁC ỨNG DỤNG CỦA NHÓM ENZYME CELLULASE
2.1. Sơ lƣợc về ứng dụng của nhóm enzyme cellulase
Ứng dụng trước tiên của cellulase đối với chế biến thực phẩm là dùng nó để
tăng độ hấp thụ, nâng cao phẩm chất về vị và làm mềm nhiều loại thực phẩm thực vật.
Đặc biệt là đối với thức ăn cho trẻ con và nói chung chất lượng thực phẩm được tăng
lên. Một số nước đã dùng cellulase để xử lý các loại rau quả như bắp cải, hành, cà rốt,
khoai tây, táo và lương thực gạo. Người ta còn xử lý cả chè, các loại táo biển.
Trong sản xuất bánh mì từ lúa mạch đen, việc sử dụng enzyme này sẽ làm tăng
chất lượng bánh, nhờ vào việc thủy phân một phần pentosan có trong bột.
Việc ngâm trong dung dịch enzyme sẽ thúc đẩy quá trình hòa tan các thành phần
của thực vật. Hỗn hợp sau thường được sử dụng: exo- và endo-cellulase,

và

-
mannosidase và pectolytic enzyme. Ví dụ ứng dụng trong sản xuất quả nghiền, hoặc
rau nghiền (puree), quá trình phân giải lá chè, quá trình sản xuất bột khoai tây,
Glycosidase (cellulase và amylase từ Aspergillus Niger) khi sử dụng chung với
proteinase sẽ loại bỏ được vỏ từ tôm. Vỏ tôm được làm lỏng và tuột ra dễ dàng dưới
vòi nước.
Cellulase thường được sản xuất bằng phương pháp lên men các loại nấm mốc
hoặc vi khuẩn. Tại châu Âu, có ít nhất năm loại cellulase được sản xuất từ các vi sinh

vật biến đổi gene như Aspergillus, Bacillus, Trichoderma, nhưng chỉ có cellulase sản
xuất Trichoderma là được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm.
Bên cạnh enzyme cellulase còn có hemicellulase, enzyme này thường được sử
dụng chung với amylase, glucanase, cellulase, xylanase. Thường ứng dụng trong công
nghiệp sản xuất bánh, sản xuất cồn, sản xuất rựu vang, sản xuất nước giải khát từ quả.
Hemicellulase thường được sản xuất bằng phương pháp lên men các loại nấm
mốc hoặc vi khuẩn. Tại châu Âu chỉ có một loại hemicellulase được sản xuất từ
Hóa sinh thực phẩm Chương 2.Ứng dụng của enzyme cellulase

18

Bacillus biến đổi gene. Để sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, người ta thường
dùng hemicellulase sản xuất từ nấm mốc như Aspergillus Niger.
2.2. Các ứng dụng của nhóm enzyme cellulase
2.2.1. Trong công nghiệp giấy
Trong công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy, bổ sung các loại enzyme trong
khâu nghiền bột, tẩy trắng và xeo giấy có vai trò rất quan trọng. Nguyên liệu ban đầu
chứa hàm lượng cao các chất khó tan là lignin và một phần hemicellulose, nên trong
quá trình nghiền để tách riêng các sợi gỗ thành bột mịn gặp nhiều khó khăn. Trong
công đoạn nghiền bột giấy, bổ sung endoglucanase sẽ làm thay đổi nhẹ cấu hình của
sợi cellulose, tăng khả năng nghiền và tiết kiệm khoảng 20% năng lượng cho quá trình
nghiền cơ học. Trước khi nghiền hóa học, gỗ được xử lý với endoglucanase và hỗn hợp
các enzyme hemicellulase, pectinase sẽ làm tăng khả năng khuếch tán hóa chất vào
phía trong gỗ và hiệu quả khử lignin.
Trong công nghệ tái chế giấy, các loại giấy thải cần được tẩy mực trước khi sản xuất
các loại giấy in, giấy viết. Endoglucanase và hemicellulase đã được dùng để tẩy trắng
mực in trên giấy.

Enzyme cellulase được bổ sung vào nhiều giai đoạn khác nhau trong quá trình sản xuất
giấy:

 Trong giai đoạn nghiền bột giấy cơ học: Người ta bổ sung enzyme
cellobiohydrolase nhằm làm thay đổi nhẹ cấu hình của sợi cellulose, từ đó làm
tăng khả năng nghiền và tiết kiệm 20% năng lượng.
 Trong giai đoạn nghiền bột giấy hóa học: Ngoài enzyme cellulase, người ta
còn bổ sung thêm enzyme hemicellulase và peptinase nhằm phá vỡ lớp vỏ ngoài
của gỗ, giúp tăng cường khả năng khuyếch tán của hóa chất vào bên trong gỗ,
nhằm làm tăng hiệu quả khử lignin.
Hóa sinh thực phẩm Chương 2.Ứng dụng của enzyme cellulase

19

 Trong giai đoạn tẩy trắng giấy: Đây là giai đoạn rất quan trọng trong sản xuất
giấy. Trước đây, người ta thường sử dụng acid HCl để tẩy trắng giấy; tuy nhiên,
HCl thải ra trong quá trình sản xuất làm ô nhiễm môi trường và gây hại đối với
sức khỏe con người. Ngày nay, người ta thường sử dụng enzyme cellulase trong
giai đoạn tẩy trắng giấy cũng như trong quá trình tái chế giấy. Ưu điểm của
phương pháp này là giữ cho sợi giấy không bị ăn mòn nhiều và không ảnh
hưởng đến môi trường.

Hình 2.1. Sợi giấy được tái chế
2.2.2. Trong công nghiệp dệt
Trong công nghiệp dệt, người ta sử dụng enzyme cellulase để giữ màu vải sáng,
bền và không bị sờn cũ.
Đối với vải jean, cellulase được dùng để làm mềm vải jean và tạo ra các vệt
“stone washed”. Trước đây các vệt “stone washed” được làm thủ công bằng cách dùng
đá bọt chà lên vải jean, làm mất lớp kiềm trên bề mặt vải và tạo ra những sợi chỉ trắng.
Hiện nay người ta sử dụng enzyme cellulase trong giai đoạn giặt vải jean thay cho việc
sử dụng đá bọt. Enzyme cellulase chỉ phân hủy theo các vết kiềm trên vải jean đã
nhuộm màu để tạo ra các vệt “stone washed”. Các vệt “stone washed” được tạo ra bằng
Hóa sinh thực phẩm Chương 2.Ứng dụng của enzyme cellulase

20

phương pháp này bền hơn bằng cách dùng đá bọt. Ngoài ra, người ta có thể tăng độ
đậm nhạt của các vệt này bằng cách tăng hay giảm hàm lượng cellulase sử dụng trong
giai đoạn giặt.
2.2.3. Trong xử lý môi trƣờng
Các chất thải hữu cơ chiếm một khối lượng rất lớn trong tổng số chất thải hữu
cơ hiện nay ở các đô thị và các khu công nghiệp. Trong các chất thải hữu cơ có nguồn
gốc thực vật, cellulose chiếm khoảng 50%. Các chất thải hữu cơ chứa cellulose thường
là những chất rất khó phân hủy trong điều kiện tự nhiên. Nếu để các chất hữu cơ phân
hủy trong điều kiện tự nhiên thì thời gian phân hủy rất lâu (khoảng hơn tám tháng ở
điều kiện khí hậu nhiệt đới); tuy nhiên nếu bổ sung vi sinh vật giàu cellulase thì thời
gian phân hủy sẽ rút ngắn chỉ còn khoảng một tháng. Điều này rất có ý nghĩa trong việc
bảo vệ môi trường (hạn chế sự ô nhiễm nước, không khí và đất) đồng thời thúc đẩy quá
trình chuyển hóa vật chất trong tự nhiên.
Ngoài việc bổ sung trực tiếp vi sinh vật vào bể ủ để xử lý rác thải thì việc tạo ra
các chế phẩm vi sinh có chứa các vi sinh vật sinh ra cellulase đã được nghiên cứu và
sản xuất.
Phức hệ cellulase được sử dụng để xử lý nguồn nước thải do các nhà máy giấy
thải ra. Nguyên liệu làm giấy là gỗ (sinh khối của thực vật bậc cao). Sinh khối này
chứa rất nhiều loại polysaccharide, trong đó các polysaccharide quan trọng quyết định
tới chất lượng, số lượng giấy là cellulose. Vì vậy, nước thải của các nhà máy giấy, các
cơ sở chế biến gỗ, các xưởng mộc khi bổ sung các chế phẩm chứa phức hệ cellulase
đem lại hiệu quả cao.
2.2.4. Trong sản xuất thức ăn gia súc
Nguồn phế liệu giàu cellulose trong tự nhiên rất đa dạng, phong phú như: rơm
rạ, bã mía, cùi bắp, Tuy nhiên, phần lớn các chế phẩm này bị vứt bỏ, hoặc được ủ làm
phân bón, hoặc được sử dụng làm chất đốt, Trong khi đó, nguồn nguyên liệu rẻ tiền