Bước đầu nghiên cứu enzyme xylanolytic và cellulolytic từ một chủng vi khuẩn ưa nhiệt

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU....................................................................................................................................................3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU...................................................................................................4
1.1. Cấu trúc của lignocellulose....................................................................................................................... 4
1.1.1. Cấu trúc thành tế bào thực vật.........................................................................................................................4
1.1.2. Cellulose.............................................................................................................................................................7
1.1.3. Lignin................................................................................................................................................................10
1.1.4. Hemicellulose...................................................................................................................................................14
1.2. Enzyme thủy phân lignocellulose............................................................................................................16
1.1.5. Enzyme cellulolytic...........................................................................................................................................17
1.1.6. Enzyme xylanolytic...........................................................................................................................................19
1.3. Ứng dụng của enzyme lignocellulolytic................................................................................................... 22
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP........................................................................23
2.1. Nguyên liệu............................................................................................................................................ 23
2.1.1. Mẫu đất............................................................................................................................................................23
2.1.2. Hóa chất...........................................................................................................................................................23
2.1.3. Thiết bị..............................................................................................................................................................23
2.2. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................................................... 24
2.1.4. Sàng lọc và phân lập vi khuẩn kị khí xylanolytic-cellulolytic ưa nhiệt...........................................................24
2.1.5. Nhận dạng chủng vi khuẩn kị khí xylanolytic-cellulolytic ưa nhiệt................................................................24
2.1.5.1. Kiểm tra hình thái tế bào vi khuẩn..........................................................................................................24
2.1.5.2. Tách chiết ADN tổng số ..........................................................................................................................24
2.1.5.3. Định lượng ADN bằng cách đo độ hấp thụ tử ngoại ở bước sóng 260 nm và 280 nm........................26
2.1.5.4. PCR nhân bản đoạn gen mã hóa cho ARN ribosome 16S.......................................................................26
2.1.5.5. Gắn sản phẩm PCR vào vector p-GEM T.................................................................................................27
2.1.5.6. Tách ADN plasmid từ vi khuẩn E.coli DH5α............................................................................................27
2.1.5.7. Đọc trình tự đoạn gen mã hóa cho ARN ribosome 16S.........................................................................28
2.1.6. Thu nhận chế phẩm enzyme...........................................................................................................................30
2.1.7. Xác định hoạt độ enzyme................................................................................................................................30
2.1.7.1. Xác định hoạt độ enzyme........................................................................................................................30
2.1.7.2. Ảnh hưởng của pH đối với hoạt độ và độ bền của enzyme..................................................................32

2.1.7.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với hoạt độ và độ bền của enzyme.........................................................32
2.1.8. Xác định protein ..............................................................................................................................................33
2.1.9. Thủy phân các chất lignocellulose...................................................................................................................33
2.1.10. Tách phức hệ multienzyme từ dịch lỏng của môi trường nuôi cấy.............................................................33
2.1.11. Điện di gel và kỹ thuật zymogram.................................................................................................................33
2.1.12. Sắc ký bản mỏng (TLC)...................................................................................................................................34
1
KẾT LUẬN..............................................................................................................................................34
KIẾN NGHỊ.............................................................................................................................................35
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................................36
2
MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của nông nghiệp, hàng năm hàng triệu tấn chất
lignocellulose bắt nguồn từ các hoạt động nông nghiệp, được thải ra môi trường. Điều
này không chỉ làm tăng thêm gánh nặng môi trường mà còn làm lãng phí về các nguồn
sinh khối, do đó cần phải thực hiện nghiêm ngặt các tiêu chuẩn đối với việc thải các chất
thải vào môi trường. Các phương pháp xử lý hóa học và sinh học thông thường ngày
càng khó đạt được mức độ cần thiết để loại bỏ các chất ô nhiễm này. Vì vậy cần phải
triển khai những biện pháp xử lý sao cho vừa nhanh hơn, rẻ hơn, hiệu quả hơn, đáng tin
cậy hơn vừa đem lại lợi ích kinh tế. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ
thuật, công nghệ sinh học đã được ứng dụng rộng rãi trong xử lý chất thải nông nghiệp.
Thế hệ nhiên liệu sinh học đầu tiên dựa trên đường, tinh bột và dầu thực vật, tuy
nhiên chưa thực sự có được những ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Lignocellulose
được xem là thế hệ nhiên liệu sinh học thứ hai. Đối với môi trường và các ngành kinh tế,
các chất thải lignocellulose sẽ được sử dụng như một nguồn nguyên liệu để sản xuất các
chất hóa học, nhiên liệu và các vật chất tương hợp khác. Bên cạnh đó, các nguồn nguyên
liệu này được đặc biệt quan tâm vì giá thành thấp và nguồn cung cấp dồi dào. Quá trình
biến đổi sinh học các chất thải thành nhiên liệu có thể mang đến các lợi nhuận về kinh tế
cũng như về môi trường [1].
Lignocellulose (sinh khối thực vật) bao gồm các polysaccharide chủ yếu là

cellulose, hemicellulose (xylan) và lignin, trong đó cellulose và hemicellulose chiếm tỉ lệ
cao nhất. Cellulose chiếm phần lớn, khoảng từ 35% đến 50% khối lượng khô thực vật,
còn hai hợp chất, hemicellulose và lignin lần lượt chiếm khoảng 20-30% và 5-20% khối
lượng khô của cơ thể thực vật [23]. Với tính sẵn có lignocellulose trở thành một nguồn
năng lượng tái tạo dồi dào [36].
3
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh khả năng và triển vọng sử dụng enzyme vào
việc biến đổi sinh học các chất thải lignocellulose để tạo ra các đường đơn hữu ích từ
phế phụ liệu chứa lignocellulose [3].
Nhằm thu được enzyme có hoạt tính thủy phân lignocellulose hiệu quả thành các
đường đơn và đường đôi từ phế phụ liệu nông nghiệp, để rồi từ đó đưa vào ứng dụng
rộng rãi trong sản xuất các sản phẩm có giá trị trong đời sống con người, chúng tôi đã
thực hiện đề tài: “ Bước đầu nghiên cứu enzyme xylanolytic và cellulolytic từ một
chủng vi khuẩn ưa nhiệt”.
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Cấu trúc của lignocellulose
1.1.1. Cấu trúc thành tế bào thực vật
Trong tự nhiên, các lớp của thành tế bào thực vật được minh họa bằng mô hình
của gỗ (Hình 1.1). Ở giữa các tế bào, có một hợp chất đóng vai trò như keo dán gắn kết
các tế bào lại với nhau, đó là lớp gian bào (middle lamella). Lớp này cấu tạo từ các chất
keo, có bản chất pectin và không có tác động về quang học. Bên trong là thành tế bào sơ
cấp (primary wall).
4
Hình 1.1: Cấu trúc thành tế bào thực vật [37]
Thành tế bào sơ cấp có thể được chia thành mặt bên trong và mặt bên ngoài. Sự
sắp xếp của các vi sợi trong thành tế bào sơ cấp phân tán tăng dần từ mặt trong ra mặt
ngoài. Tiếp đến là thành tế bào thứ cấp gồm 3 lớp: lớp ngoài (S1), lớp giữa (S2) và lớp
trong (S3). Sự phân chia thành tế bào thứ cấp thành ba lớp S chủ yếu là do sự định
hướng khác nhau của các vi sợi trong ba lớp đó. Điển hình các vi sợi định hướng xoắn
trong vách tế bào. Lớp ngoài của thành tế bào thứ cấp, các vi sợi được định hướng trong

cấu trúc xoắn chéo có độ nghiêng tạo thành một góc lớn với trục dọc của tế bào. Lớp
giữa là lớp dày nhất và ở lớp giữa có góc nhỏ và độ nghiêng của sợi xoắn ốc trong khi vi
sợi trong lớp 3 được sắp xếp như ở lớp ngoài, với một góc rộng với trục dọc của tế bào.
Ngoài ra trong một số trường hợp, trên mặt trong của thành tế bào có lớp sần sùi (W).
Chức năng của thành tế bào là chống đỡ cho các cơ quan của cây đặc biệt là các vách dày và
cứng. Thành tế bào còn giữ các chức năng quan trọng chính như hấp thụ, thoát hơi nước hay
vận chuyển và bài tiết.
Lignocellulose là thành phần
cấu trúc chính của thực vật thân gỗ
và các thực vật khác như cỏ, lúa,
ngô…Trong tự nhiên, chúng ta có thể tìm
thấy lignocellulose ở thực vật hay các chất
thải nông nghiệp, lâm nghiệp và các chất
5
thải rắn trong thành phố. Thành
phần chủ yếu của lignocellulose là
cellulose, hemicellulose và lignin
(Hình 1.2). Cellulose và
hemicellulose là các đại phân tử cấu
tạo từ các gốc đường khác nhau,
trong khi lignin là một polymer dạng
vòng được tổng hợp từ tiền
phenylpropanoid. Thành phần cấu
tạo và phần trăm của các polymer
này là khác nhau giữa các loài. Hơn
nữa, thành phần cấu tạo trong cùng
một cây hay các cây khác nhau là
khác nhau dựa vào độ tuổi, giai
đoạn sinh trưởng, phát triển của cây
và các điều kiện khác. Thành phần

của lignocellulose được trình bày ở
bảng 1.1 [9].
Hình 1.2: Thành phần chủ yếu của
lignocellulose
Bảng 1.1: Thành phần lignocellulose trong rác thải và phế phụ liệu
nông nghiệp phổ biến [9]
Nguồn lignocellulose Cellulose (%) Hemicellulose (%) Lignin (%)
Thân gỗ cứng 40-55 24-40 18-25
Thân gỗ mềm 45-50 25-35 25-35
Vỏ lạc 25-30 25-30 30-40
Lõi ngô 45 35 15
Giấy 85-99 0 0-15
6
Vỏ trấu 32.1 24 18
Vỏ trấu của lúa mì 30 50 15
Rác đã phân loại 60 20 20
Lá cây 15-20 80-85 0
Hạt bông 80-95 5-20 0
Giấy báo 40-55 25-40 18-30
Giấy thải từ bột giấy hóa học 60-70 10-20 5-10
Chất rắn nước thải ban đầu 8-15 - 24-29
Chất thải của lợn 6 28 -
Phân bón gia súc 1.6-4.7 1.4-3.3 2.7-5.7
Cỏ ở bờ biển Bermuda 25 35.7 6.4
Cỏ mềm 45 31.4 12.0
Các loại cỏ (trị số trung bình
cho các loại)
25-40 25-50 10-30
Bã thô 33.4 30 18.9
Lượng lớn lignocellulose được thải ra từ các ngành lâm nghiệp, nông nghiệp,

công nghiệp giấy và gây ra ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, lượng lớn các sinh khối
thực vật dư thừa được coi là rác thải có thể được biến đổi thành nhiều sản phẩm có
giá trị khác nhau như nhiên liệu sinh học, hóa chất, các nguồn năng lượng rẻ cho
quá trình lên men, bổ sung chất dinh dưỡng cho con người và thức ăn cho động vật
[15].
1.1.2. Cellulose
Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức cấu tạo (C
6
H
10
O
5
)
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 (Hình 1.3). Cellulose cũng là hợp chất
hữu cơ nhiều nhất trong sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp được khoảng 10
11
7
tấn cellulose (trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% và trong bông chiếm khoảng
90%).
Hình 1.3: Công thức hóa học của cellulose
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. 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 [40]. Có hai mô hình cấu trúc của
cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng tinh thể và vô định hình như hình 1.4
[29].

Hình 1.4: Mô hình Fringed fibrillar và mô hình chuỗi gập
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.
8
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 180
o
cho toàn mạch. Vùng vô định
hình dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy phân hơn vùng tinh thể vì sự thay đổi góc
liên 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 [2].
Cellulose có cấu tạo tương tự carbohydrate phức tạp như tinh bột và
glycogen. Các polysaccharide này đều được cấu tạo từ các đơn phân là glucose.
Cellulose là glucan không phân nhánh, trong đó các gốc glucose kết hợp với nhau
qua liên kết β-1 4- glycoside, đó chính là sự khác biệt giữa cellulose và các phân
tử carbohydrate phức tạp khác. Giống như tinh bột, 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
9
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.
1.1.3. Lignin
Lignin là một phức hợp chất hóa học phổ biến được tìm thấy trong hệ mạch
thực vật, chủ yếu là giữa các tế bào, trong thành tế bào thực vật. Lignin là một trong
các polymer hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất. Lignin có cấu trúc không gian 3
chiều, phức tạp, vô định hình, chiếm 17% đến 33% thành phần của gỗ. Lignin
không phải là carbohydrate nhưng có liên kết chặt chẽ với nhóm này để tạo nên
màng tế bào giúp thực vật cứng chắc và giòn, có chức năng vận chuyển nước trong
cơ thể thực vật (một phần là để làm bền thành tế bào và giữ cho cây không bị đổ,
một phần là điều chỉnh dòng chảy của nước), giúp cây phát triển và chống lại sự tấn
công của côn trùng và mầm bệnh. Thực vật càng già, lượng lignin tích tụ càng lớn.
Hơn nữa, lignin đóng vai trò quan trọng trong chu trình carbon, tích lũy carbon khí
quyển trong mô của thực vật thân gỗ lâu năm, là một trong các thành phần bị phân
hủy lâu nhất của thực vật sau khi chết, để rồi đóng góp một phần lớn chất mùn giúp
tăng khả năng quang hợp của thực vật.
Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu
đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng
cellulose và hemicellulose. Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn.
Lignin là polymer, được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị
cấu trúc điển hình là: guaiacyl (G), trans-coniferyl alcohol; syringyl (S), trans-
sinapyl alcohol; p-hydroxylphenyl (H), trans-p-courmary alcohol (Hình 1.5).
10
Hình 1.5: Các đơn vị cơ bản của lignin [14]
Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc

của nó trong gỗ. Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ,
lignin có thể được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringyl
lignin.
Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Các
nghiên cứu đã chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy
loại nguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin [29].
Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hoàn toàn không đồng nhất
trong cấu trúc. Lignin dường như bao gồm vùng vô định hình và các vùng có cấu
trúc hình thuôn hoặc hình cầu. Lignin trong tế bào thực vật bậc cao không có vùng
vô định hình. Các vòng phenyl trong lignin của gỗ mềm được sắp xếp trật tự trên
mặt phẳng thành tế bào. Ngoài ra, cả cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của
lignin đều bị ảnh hưởng bởi mạng polysaccharide. Việc mô hình hóa động học phân
tử cho thấy rằng nhóm hydroxyl và nhóm methoxyl trong các oligomer tiền lignin sẽ
tương tác với vi sợi cellulose cho dù bản chất của lignin là kỵ nước.
11
Hình 1.6: Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính
Các nhóm chức ảnh hưởng đến hoạt tính của lignin bao gồm nhóm phenolic
hydroxyl tự do, methoxyl, benzylic hydroxyl, ether của benzylic với các rượu mạch
thẳng và nhóm carbonyl (Hình 1.6). Guaicyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic
hydroxyl hơn syringyl.
Lignin tạo liên kết hóa học với hemicellulose và ngay cả với cellulose
(nhưng không nhiều). Độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản
12
chất liên kết, cấu trúc hóa học của lignin và các gốc đường tham gia liên kết [2].
Carbon alpha (Cα) trong cấu trúc phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết cao
nhất với khối hemicellulose. Ngược lại, các đường nằm ở mạch nhánh như
arabinose, galactose, và acid 4-O-methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với
lignin. Các liên kết có thể là ether, ester (liên kết với xylan qua acid 4-O-methyl-D-
glucuronic), hay glycoside (phản ứng giữa nhóm khử của hemicellulose và nhóm
OH phenolic của lignin)

Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và
pH thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước. Ở nhiệt độ phản
ứng cao hơn 200
o
C, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi
cellulose. Những nghiên cứu trước đây cho thấy đối với gỗ cứng, nhóm ether β-O-4
aryl bị phá hủy trong quá trình nổ hơi. Đồng thời, đối với gỗ mềm, quá trình nổ hơi
làm bất hoạt các nhóm hoạt động của lignin ở vị trí α như nhóm hydroxyl hay ether,
các nhóm này bị oxy hóa thành carbonyl hoặc tạo cation benzylic, cation này sẽ tiếp
tục tạo liên kết C-C [29].
Trong dinh dưỡng động vật, lignin rất đáng quan tâm vì nó không bị tiêu hóa
bởi enzyme của cơ thể vật chủ. Lignin còn liên kết với nhiều polysaccharide và
protein màng tế bào ngăn trở quá trình tiêu hóa các hợp chất gỗ. Gỗ, cỏ khô và rơm
rất giàu lignin nên tỷ lệ tiêu hóa thấp trừ khi được xử lý hóa học làm cho các liên
kết giữa lignin với các carbohydrate khác bị bẻ gãy.
13
1.1.4. Hemicellulose
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp
khoảng 70 đến 200 đơn phân. Hemicellulose chứa cả đường 6 carbon gồm glucose,
mannose và galactose và đường 5 gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của
hemicellulose là β – D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β -(14).
Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy
nhiên có một vài điểm chung gồm:
- Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β -(14).
- Xylose là thành phần quan trọng nhất.
- Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3.
- Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide
hoặc trisaccharide. Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide
khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này. Cũng vì hemicellulose có
mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân.

Hemicellulose là polysaccharide trong màng tế bào tan trong dung dịch kiềm và có
liên kết chặt chẽ với cellulose, là một trong ba sinh khối tự nhiên chính. Cùng với cellulose
và lignin, hemicellulose tạo nên thành tế bào vững chắc ở thực vật. Về cấu trúc,
hemicellulose có thành phần chính là D-glucose, D-galactose, D-mannose, D-xylose và L-
arabinose liên kết với các thành phần khác và nằm trong liên kết glycoside. Hemicellulose
còn chứa cả axit 4-O-methylglucuronic, axit D-galacturonic và axit glucuronic. Trong đó,
đường D-xylose, L-arabinose, D-glucose và D-galactose là phổ biến ở thực vật thân cỏ và
ngũ cốc. Tuy nhiên, khác với hemicellulose thân gỗ, hemicellulose ở thực vật thân cỏ lại có
lượng lớn các dạng liên kết và phân nhánh phụ thuộc vào các loài và từng loại mô trong
cùng một loài cũng như phụ thuộc vào độ tuổi của mô đó.
Tùy theo trong thành phần của hemicellulose có chứa monosaccharide nào mà nó
sẽ có những tên tương ứng như manan, galactan, glucan và xylan. Các polysaccharide như
14
manan, galactan, glucan hay xylan đều là các chất phổ biến trong thực vật, chủ yếu ở các
thành phần của màng tế bào của các cơ quan khác nhau như gỗ, rơm rạ, v.v…
Trong các loại hemicellulose, xylan là một polymer chính của thành tế bào thực vật
trong đó các gốc D-xylopyranose kết hợp với nhau qua liên kết β-1,4-D-xylopyranose, là
nguồn năng lượng dồi dào thứ hai trên trái đất. Đa số phân tử xylan chứa nhiều nhóm ở
trục chính và chuỗi bên [7]. Các gốc thay thế chủ yếu trên khung chính của xylan là các
gốc acetyl, arabinosyl và glucuronosyl. Các nhóm này có đặc tính liên kết tương tác cộng
hóa trị và không hóa trị với lignin, cellulose và các polymer khác [32].
Cấu tạo, số lượng và vị trí của xylan ở các loài thực vật khác nhau là khác nhau.
Xylan tồn tại ở dạng O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng (Hình 1.7), hay
arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm (Hình 1.8) [39], hay thành phần cấu tạo
xylan là axit D-glucuronic, có hoặc không có ete 4-O-methyl và arabinose ở các loài ngũ
cốc.
Hình 1.7: O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng
15
Hình 1.8: Arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm
1.2. Enzyme thủy phân lignocellulose

Hầu hết những quy trình xử lý rác thải đều sử dụng một trong hai phương pháp hóa
lý hoặc sinh học hoặc kết hợp. Phương pháp xử lý bằng enzyme là trung gian giữa hai
phương pháp truyền thống, nó bao gồm các quy trình hóa học trên cơ sở hoạt động của các
chất xúc tác có bản chất sinh học. Enzyme có thể hoạt động trên các chất ô nhiễm đặc biệt
khó xử lý để loại chúng bằng cách kết tủa hoặc chuyển chúng thành dạng khác. Ngoài ra
chúng có thể làm thay đổi các đặc tính của chất thải đưa chúng về dạng dễ xử lý hoặc
chuyển thành các sản phẩm có giá trị hơn.
Phương pháp xử lý bằng enzyme so với phương pháp xử lý thông thường có những
ưu điểm vượt trội như: áp dụng được đối với các hợp chất sinh học khó xử lý; tác dụng ở
cả vùng nồng độ chất ô nhiễm cao và thấp; một số enzyme riêng biệt có tác dụng trên
phạm vi của pH, nhiệt độ, độ mặn…; không gây ra những biến động bất thường; không
ảnh hưởng đến cân bằng sinh thái.
Dựa trên phương pháp enzyme học về quá trình phân hủy cellulose, hemicellulose
và lignin ngày nay đã có một vài phương pháp sinh học thực hiện chu trình xử lý
16