Phân Lập Và Đánh Giá Khả Năng Sinh Enzyme Cellulase Của Một Số Vi Sinh Vật Bản Địa

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
--------------o0o--------------

NGUYỄN THỊ HUYỀN

Tên đề tài:

PHÂN LẬP VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SINH ENZYME
CELLULASE CỦA MỘT SỐ VI SINH VẬT BẢN ĐỊA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo

: Chính quy

Chuyên ngành

: Công nghệ Sinh học

Khoa

: CNSH - CNTP

Khóa học

: 2010 – 2014

Thái Nguyên, năm 2014

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
--------------o0o--------------

NGUYỄN THỊ HUYỀN

Tên đề tài:

PHÂN LẬP VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SINH ENZYME
CELLULASE CỦA MỘT SỐ VI SINH VẬT BẢN ĐỊA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo

: Chính quy

Chuyên ngành

: Công nghệ Sinh học

Lớp

: K42 - CNSH

Khoa

: CNSH - CNTP

Khóa học

: 2010 – 2014

Giảng viên hướng dẫn : 1. ThS. Lương Hùng Tiến
2. TS. Dương Văn Cường

Thái Nguyên, năm 2014


LỜI CẢM ƠN
Được sự nhất trí của Ban giám hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm Khoa
Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm trong thời gian thực tập tốt
nghiệp em đã thực hiện đề tài “Phân lập và đánh giá khả năng sinh enzyme
cellulase của một số vi sinh vật bản địa”.
Sau 6 tháng thực tập tại phòng thí nghiệm công nghệ vi sinh Khoa
Công nghệ sinh học và công nghệ thực phẩm đên nay em đã hoàn thành xong
đề tài của mình. Để đạt được kết quả như ngày hôm nay em xin chân thành
cảm ơn Ban giám hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm Khoa cùng các thầy cô
trong bộ môn đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian qua.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Th.S Lương Hùng Tiến và
TS. Dương Văn Cường Khoa Công nghệ sinh học và công nghệ thực phẩm,
Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em trong
thời gian qua.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn toàn thể gia đình, bạn bè đã hêt
lòng giúp đỡ, tạo điều kiện về vật chất và tinh thần cho em trong quá trình học
tập và nghiên cứu.
Do thời gian thực tập có giới hạn nên đề tài không thể tránh khỏi những
sai sót. Em mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để đề tài của
em được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên ngày 30 tháng 5 năm 2014
Sinh viên

Nguyễn Thị Huyền


DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT

CBD

Cellulose binding domain

CMC

Carboxymethyl cellulose

E

Enzyme

EG

Endoglucanase

HEC

Hydroxyethyl cellulose

NM

Nấm mốc

S

Cơ chất

VK

Vi khuẩn

VSV

Vi sinh vật

XK

Xạ khuẩn


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Một số vi sinh vật sản xuất cellulase .............................................. 13
Bảng 4.1. Kết quả và đặc điểm các chủng vi sinh vật phân lập được............. 27
Bảng 4.2. Kết quả thử hoạt tính ...................................................................... 29
Bảng 4.3. Kết quả ảnh hưởng của thời gian nuôi cấy đến khả năng sinh tổng
hợp cellulase ở chủng NM1, NM3 .................................................................. 30
Bảng 4.4. Kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh enzyme
cellulase từ chủng NM1, NM3 ........................................................................ 33
Bảng 4.5. Kết quả ảnh hưởng của pH ban đầu đến sinh tổng hợp cellulase của

chủng NM1, NM3 ........................................................................................... 35
Bảng 4.6. Kết quả ảnh hưởng của nồng độ chất cảm ứng đến khả năng phân
giải cơ chất của chủng NM1, NM3 ................................................................. 37


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1. Cấu trúc không gian của phân tử cellulose ....................................... 5
Hình 2.2. Cấu trúc phân tử cellulose ................................................................. 5
Hình 2.3. Cấu trúc không gian của enzme cellulase ......................................... 7
Hình 2.4. Vị trí cắt exoglucanase .................................................................... 10
Hình 2.5. Cơ chế tác dụng của cellulase ......................................................... 11
Hình 3.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định điều kiện nuôi cấy thích hợp ..... 26
Hình 4.1. Một số hình ảnh phân lập vi sinh bật sinh enzyme cellulase .......... 28
Hình 4.2. Hoạt tính cellulase của chủng nuôi cấy........................................... 29
Hình 4.3. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng sinh enzyme cellulase của
chủng NM1, NM3 ........................................................................................... 31
Hình 4.4. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng thu sinh khối của enzyme
cellulase ........................................................................................................... 31
Hình 4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh enzyme cellulase của
chủng NM1 ...................................................................................................... 34
Hình 4.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh enzyme cellulase của
chủng NM3 ...................................................................................................... 34
Hình 4.7. Ảnh hưởng của pH ban đầu đến hoạt tính enzyme cellulase đến
chủng NM1 ...................................................................................................... 36
Hình 4.8. Ảnh hưởng của pH ban đầu đến khả năng sinh enzyme cellulase của
chủng NM3 ...................................................................................................... 36
Hình 4.9. Ảnh hưởng của nồng độ chất cảmứng đến khả năng sinh cellulase
của chủng NM1 ............................................................................................... 38
Hình 4.10. Ảnh hưởng của nồng độ chất cảm ứng đến đên khả năng

sinh cellulase của chủng NM3 ....................................................................... 38


MỤC LỤC
Phần 1. MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................... 1
1.2.Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 2
1.3.Yêu cầu của đề tài .................................................................................................... 2
1.4.Ý nghĩa khoa học ..................................................................................................... 2
1.4.1.Ý nghĩa khoa học .................................................................................................. 2
1.4.2.Ý nghĩa thực tiễn................................................................................................... 2
Phần 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................ 3
2.1. Lịch sử vấn đề nghiên cứu ..................................................................................... 3
2.2. Giới thiệu về cellulose ............................................................................................ 4
2.3. Enzyme cellulase .................................................................................................... 6
2.3.1. Cấu trúc của enzyme cellulase ........................................................................... 6
2.3.2. Tính chất của enzyme cellulase .......................................................................... 8
2.3.3. Nguồn gốc của enzyme cellulase ....................................................................... 8
2.3.4. Cơ chất của enzyme cellulase............................................................................. 9
2.3.5. Cơ chế hoạt động ................................................................................................. 9
2.4. Hoạt lực của enzyme cellulase (cơ chế thủy phân cellulose) ...........................12
2.5. Vi sinh vật sinh tổng hợp cellulase .....................................................................13
2.6. Ứng dụng của cellulase ........................................................................................14
2.6.1. Ứng dụng của cellulase trong chế biến thực phẩm.........................................14
2.6.2. Trong công nghệ xử lý rác thác và sản xuất phân bón vi sinh ......................16
2.6.3. Trong xử lý môi trường.....................................................................................16
2.6.4. Trong sản xuất thức ăn gia súc .........................................................................17
2.6.5. Trong kỹ thuật di truyền....................................................................................17
2.7. Tình hình nghiên cứu enzyme cellulase .............................................................18

2.7.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ....................................................................18
2.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước......................................................................19
Phần 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............................20
3.1. Vật liệu nghiên cứu...............................................................................................20
3.1.1. Mẫu phân lập......................................................................................................20
3.1.2. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất dung cho ngiên cứu .........................................20
3.2. Môi trường.............................................................................................................21
3.3. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................22
3.3.1. Phương pháp phân lập .......................................................................................22
3.3.2 Phương pháp thử hoạt tính .................................................................................24
3.3.3. Phương pháp bố trí thí nghiệm xác định điều kiện nuôi cấy thích hợp ........25
3.3.4. Phương pháp xử lý số liệu ................................................................................26
Phần 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................27
4.1. Phân lập chủng vi sinh vật sinh enzyme cellulase cao. .....................................27
4.2. Kết quả thử hoạt tính ............................................................................................28
4.3. Xác định một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh tổng hợp enzyme
cellulase của các chủng NM1, NM3 tuyển chọn được.............................................30
4.3.1. Ảnh hưởng của thời gian...................................................................................30
4.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ....................................................................................33
4.3.3. Ảnh hưởng của pH ban đầu ..............................................................................35
4.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ chất cảm ứng đến khả năng phân giải cơ chất của
chủng NM1, NM3 ........................................................................................................37
PHẦN 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................39
5.1. Kết luận ..................................................................................................................39
5.2. Đề xuất ý kiến .......................................................................................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................40


1

Phần 1
MỞ ĐẦU

1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Enzyme cellulase là hệ enzyme bao gồm các loại enzyme: C1, Cx, βclucosidase, có khả năng hoạt động phối hợp để phân giải cellulose thành glucose.
Enzyme cellulase được ứng dụng trong nông nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi,
trong công nghiệp thực phẩm để chế biến thực phẩm, trong quá trình li trích các
chất từ thực vật, trong việc phân hủy các phế liệu giàu cellulose….Theo Bhat
(2000), xấp xỉ 20% trong số 1 tỷ USD thu được từ lượng enzyme công nghiệp
được bán ra trên thế giới gồm các enzyme cellulase, hemicelluse và pectinase.
Hằng năm, nước ta phải nhập ngoại một lượng lớn những nguồn enzyme
cellulase để giải quyết vấn đề sản xuất và xử lý ô nhiễm môi trường. Việt Nam là
nước nhiệt đới có nền nông nghiệp rất phong phú, đa dạng và đang trên đà phát
triển. Vì vậy, lượng phế thải nông nghiệp rất dồi dào, cùng với sự công nghiệp
hóa hiện đại hóa của đất nước, ô nhiễm môi trường ngày càng trở thành nguy cơ
thật sự. Thành phần chính trong phế thải rắn có trong nông nghiệp, lâm nghiệp là
cellulase.
Việc phức hệ cellulase trong phân giải các nguồn thức ăn giàu celluloase
như rơm rạ, bã mía, gỗ mục đã và đang được triển khai ở nhiều nước, trong mọi
lĩnh vực như sản xuất protein đơn bào làm thức ăn cho gia súc [3].
Do đó, vi sinh vật phân giải cellulose có vai trò quan trọng trong chu trình
tuần. Vì vậy tôi chọn đề tài “Phân lập và đánh giá khả năng sinh enzyme
cellulase của một số vi sinh vật bản đia”.


2

1.2. Mục đích nghiên cứu
- Phân lập và đánh giá được khả năng sinh enzyme cellulose từ một số

vi sinh vật bản địa, làm tiền đề cho nghiên cứu xử lí các phụ phẩm chứa
cellulose.
1.3. Yêu cầu của đề tài
- Phân lập được vi sinh vật có hoạt tính sinh enzyme cellulase.
- Đánh giá được vi sinh vật có hoạt tính sinh enzyme cellulase.
- Thử nghiệm được vi sinh vật có hoạt tính cellulase trong phân giải
cellulose.
1.4. Ý nghĩa khoa học
1.4.1 .Ý nghĩa khoa học
- Xây dựng được bộ sưu tập nguồn gene vi sinh vật bản địa có khả
năng phân giải cellulose.
- Tuyển chọn được chủng vi sinh vật phân giải cellulose cao.
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Nghiên cứu các đặc điểm hình thái sinh lý sinh hóa và phân loại các
chủng vi sinh vật đã được tuyển chọn. Nghiên cứu được các yếu tố môi
trường ảnh hưởng đến quá trình phân giải cellulose của vi sinh vật.
- Bước đầu ứng dụng vào việc hạn chế ô nhiễm môi trường và hạn chế
chất thải.
- Giúp sinh viên có cơ hội tiếp cận với các quy trình, các thao tác kỹ
thuật trong thực tế. Qua đó kết hợp với các kiến thức lý thuyết đã được học
sinh viên sẽ có những hiểu biết chuyên sâu và cái nhìn tổng quát hơn.


3

Phần 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1. Lịch sử vấn đề nghiên cứu
Các công trình nghiên cứu khả năng sinh enzym cellulase.

Khả năng sinh enzym cellulase chủ yếu được tổng hợp từ nấm sợi
Trichoderma và Aspergillus. Ở Mỹ, năm 1983 PTN của Quân đội Mỹ ở Natik
và trường đại học Rutgers, sử dụng chủng Trichoderma viride QM6 hoang
dại để sản xuất cellulase đầu tiên. Sau đó, gây biến chủng và chọn lọc được
biến chủng QM9414 có khả năng sinh ra cellulase cao (theo Rehm, 1983) .
Năm 1998, YU đã nuôi cấy T. reesei Rut 30 trong MT chứa 5% bột cellulose
và 1% cám mì, thu được hoạt lực CMCase 232,4 IU/g. Năm 2000, Sonia
Couri khảo sát khả năng sinh tổng hợp các enzym như polygalacturonase,
cellulase, xylanase và protease từ A. niger 3T5B8 trên nguồn phụ phế liệu
nông nghiệp khác nhau bằng phương pháp lên men bán rắn và ứng dụng
enzym trong việc tách chiết dầu thực vật.
Năm 2002, theo báo cáo gần đây của CORAL, dịch nuôi cấy A. niger
trong MT Czapek-Dox chứa CMC1%, cho chạy điện di trên gel SDS-PAGE
(chứa 0,2% CMC) phát hiện có hai vạch có hoạt tính CMCase và trọng lượng
phân tử lần lượt là 83.000 và 50.000 Dalton. Ở Việt Nam, năm 1989, Lê
Hồng Mai nghiên cứu về sinh tổng hợp và một số đặc tính của cellulase (typ
CMCase) ở A. niger VS-1 trên MT lên men bán rắn. Năm 2001, Huỳnh Anh
nghiên cứu về nấm sợi T. reesei sinh tổng hợp enzym cellulase trên MT lỏng
với nguồn cacbon là CMC. Năm 2002, Kiều Hoa nghiên cứu sinh tổng hợp
enzym cellulase với nguồn cacbon là cellulose tinh khiết, cám trấu, bã mía,


4

vỏ cà phê. Năm 2003, Hoàng Quốc Khánh nghiên cứu khả năng sinh tổng
hợp và đặc điểm cellulase của A. niger Rnnl 363. Châu Hoàng Vũ cũng
nghiên cứu thu nhận và tinh sạch enzym cellulase từ nấm mốc T. reesei bằng
phương pháp lên men bán rắn . Năm 2004, Trần Thạnh Phong khảo sát khả
năng sinh tổng hợp enzym cellulase từ T. reesei và A. niger trên MT lên men
bán rắn. Năm 2005, Lê Thị Hồng Nga nghiên cứu sự sinh tổng hợp cảm ứng

pectinase và cellulase của một số chủng nấm mốc [20].
2.2. Giới thiệu về cellulose
Cellulose là polymer sinh học phong phú nhất trên trái đất (Murashima,
2002), được sinh tổng hợp chủ yếu bởi thực vật với tốc độ 4.109 tấn/năm.
Hàng năm có khoảng 232 tỷ tấn chất hữu cơ được thực vật tổng hợp thành
nhờ quá trình quang hợp. Hàng ngày, hàng giờ một lượng lớn cellulose được
tích lũy trong đất. Do các sản phẩm tổng hợp của thực vật thải ra, cây cối chết
đi, cành lá rụng xuống, một phần do con người thải ra dưới dạng rác rưởi,
giấy vụn, mùn cưa…[2], [3]. Trong số này có đến 30% là màng tế bào thực
vật mà thành phần chủ yếu là cellulose. Cellulose chiếm đến 89% trong bông
và 40-50% trong gỗ.
Cellulose là polysacarit chủ yếu của thành tế bào thực vật. Trong bông
nó chiếm trên 90%, còn trong gỗ hơn 50%. Ngoài ra, người ta thấy chúng nó
nhiều ở tế bào ở một số loài vi sinh vật. Ở tế bào thực vật và ở tế bào một số
loài vi sinh vật, chúng tồn tại ở dạng sợi. Khi đun sôi với axit sulfuric đặc,
cellulose sẽ chuyển thành glucose còn khi thủy phân trong điều kiện nhẹ
nhàng sẽ tạo thành disacarit cellobiose [11].


5

Hình 2.1. Cấu trúc không gian của phân tử cellulose
Cellulose không có trong tế bào động vật. Chúng là một homopolimer
mạch thẳng, được cấu tạo bởi các β-D-glucose-pyranose. Các thành phần này
liên kết với nhau bởi liên kết β-1,4 glucoside. Tinh bột cũng được cấu tạo bởi
các glucose này và bằng liên kết β-1,4 glucoside. Điểm khác biệt là tinh bột
chứa các gốc glucose phân nhánh còn cellulose chứa glucose không phân
nhánh. Các gốc glucose trong cellulose thường lệch một góc 1800 và có dạng
như một chiếc ghế bành. Cellulose thường chứa 10000-14000 gốc đường và
được cấu tạo như sau [11]:

Hình 2.2. Cấu trúc phân tử cellulose


6

Trọng lượng phân tử của cellulose khoảng từ 50000-2500000 Dalton.
Các phân tử cellulose kết hợp với nhau nhờ lực hút Vadervan và liên kết
hydro. Các phân tử cellulose tạo nên sợi sơ cấp có đường kính khoảng 3nm.
Các sợi sơ cấp kết hợp với nhau tạo thành vi sợi. Trong điều kiện tự nhiên,
các vi sợi thường không đồng nhất, chúng thường tồn tại 2 vùng:
Vùng kết tinh: Các mạch cellulose kết với nhau theo một trật tự đều
đặn nhờ liên kết hydro nối nhóm hydroxyl thứ nhất của mạch này với nhóm
hydroxyl ở mạch cacbon của mạch khác. Ở vùng này cellulose rất bền vững
dưới tác động của điều kiện bên ngoài. Enzyme cellulose chỉ tác dụng ở bề
mặt hệ sợi ở vùng này.
Vùng vô định hình: Các mạch liên kết với nhau nhờ Vandervan. Ở
vùng này cellulóe có cấu trúc không chặt và dễ bị tác động bởi các yếu tố bên
ngoài. Khi gặp nước, chúng dễ bị trương phồng lên, enzyme cellulose sẽ dễ
tác động, làm thay đổi toàn bộ cấu trúc của chúng.
Trong phân tử cellulose có nhiều liên kết hydroxyl tồn tại dưới dạng tự
do, hydrogen của chúng dễ bị thay thế bởi một số gốc hóa học như metyl
hoặc gốc acetyl tạo nên các dẫn xuất ete hoặc este của cellulose. Một trong
những dẫn xuất được ứng dụng rất nhiều là CMC, trong đó một số nhóm
hydroxyl của cellulose được thay thế bằng gốc –OCH2COOH.
Trong tự nhiên cellulose khá bền vững, không tan và bị trương lên khi
hấp thụ nước. Cellulose bị thủy phân khi đun nóng với axit hay kiềm ở nồng độ
khá cao, hoặc bị phân giải dưới tác dụng của cellulose được tổng hợp bởi các vi
sinh vật.
2.3. Enzyme cellulase

2.3.1. 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 liên kết peptid –CO-NH- . Ngoài ra,


7

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 xúc tác và được gắn thêm 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
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 2.3. Cấu trúc không gian của enzme cellulase


8

2.3.2. 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-Dglucan 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. 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).
2.3.3. 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…


9

2.3.4. 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.
2.3.5. Cơ chế hoạt động
Hoạt động của phân tử enzym được biểu hiện trong trung tâm hoạt
động. Trung tâm hoạt động của enzym (E) có cấu trúc không gian tương ứng
với cơ chất (S) mà chúng tham gia. Phản ứng không có sẳn mà được hình
thành trong quá trình enzym tiếp xúc với cơ chất giống như chìa khóa vào ổ
khóa tạo thành enzym - cơ chất (E-S).
Cơ chế tác động của enzym vào cơ chất qua ba giai đoạn:
Giai đoạn 1: Enzym (E) tương tác với cơ chất (S) bằng những liên kết
yếu tạo thành phức enzym - cơ chất (E-S).
Giai đoạn 2: Khi cơ chất (S) tạo phức với enzym (E) sẽ bị thay đổi cấu
hình không gian và mức độ bền vững các liên kết. Các liên kết bị phá vỡ và
tạo ra sản phẩm. Phức enzym cơ chất (E-S) sẽ được tách ra.
Giai đoạn 3: Enzym sẽ được giải phóng, cơ chất sẽ chuyển thành sản
phẩm và tách khỏi enzym.
Phản ứng tổng quát:
E+S

E-S

E+P

E- enzym (enzyme) ; S- cơ chất (substracte) ; P- sản phẩm (Products)
Tên gọi cellulose dùng để chỉ chung cho các enzyme tham gia phân
cắt các chất cellulose. Tất cả các enzyme cellulose đều có tác dụng phân
cắt liên kết -1,4 giữa 2 đơn vị glucose và được các nhà khoa học phân ra
làm 3 nhóm chủ yếu sau đây:


10

1,4 –D-glucan cellobiohydrolase(EC.3.2.1.91)(CBH). Enzyme cắt đầu
cuối của chuỗi cellulose để tạo thành cellobiose. Enzyme này còn có một loạt
các tên như: cellobiohydrolase, cellobiosidase và avicellase. Ngày nay nó
được coi là enzyme chủ đạo phân giải cellulose, bởi nó có khả năng phân cắt
cellulose ở vùng kết tinh.

Hình 2.4. Vị trí cắt exoglucanase
1,4 –D-glucan -4- glucannohydrolase (EC.3.2.1.4) (EG). Enzyme này
tham gia phân giải liên kết -1,4 glucoside trong cellulose và D-glucanse. Sản
phẩm của quá trình phân giải là cellodextrin, cellobiose, và glucose. Enzyme
này có một loại tên khác như: endoglucanase, endo 1,4 –D-glucanase, Ccelluse.
Β-1,4 – glucoside glucohydrolase (EC.3.2.1.21). Enzyme này tham gia
phân hủy cellobiose tạo thành glucose. Chúng không có khả năng phân hủy
cellulose nguyên thủy. Trong các tài liệu khoa học, chúng có tên là cellobiase
và glucosidase.
Cơ chế tác dụng của enzyme cellulase
Cellulase là một hệ enzyme phức tạp xúc tác sự thủy phân cellulose
thành cellubiose và cuối cùng thành glucose.
Sự phân giải cellulose dưới tác dụng của hệ enzyme cellulase xảy ra
theo 3 giai đoạn chủ yếu sau:


11

Trong giai đoạn thứ nhất, dưới tác dụng của tác nhân C1, cellulise bị
thủy phân thành cellulose.
Giai đoạn thứ 2, cellulose hòa tan sẽ bị thủy phân dưới tác dụng xúc tác
của hệ enzyme Cx tạo thành đường cellobiose.
Ở giai đoạn cuối cùng dưới tác dụng của enzyme β-1,4-glucosidase

cellobiose bị thủy phân thành glucose.

Hình 2.5. Cơ chế tác dụng của cellulase
Enzyme C1: Có tác dụng cắt đứt liên kết hydro biến cellulose tự nhiên
thành cellulose phản ứng (cellulose vô định hình).
Enzyme Cx: Hay còn gọi là β-1,4glucanase, thủy phân cellulose phản
ứng thành cellobiose. Enzyme này được chia làm 2 loại: endocellulase và
exoglucanase.
Các loài vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp cellulase trong điều kiện
tự nhiên thường bị ảnh hưởng bởi nhiều mặt của các yếu tố ngoại cảnh nên có
loài phát triển mạnh, có loài phát triển yếu. Chính vì thế, việc phân hủy
cellulose trong tự nhiên được tiến hành không đồng bộ, xảy ra rất chậm.


12

2.4. 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 lẻ 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 độ 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.


13

2.5. Vi sinh vật sinh tổng hợp cellulase
Cellulose được thu từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như động vật
(các nhóm thân mềm, lơn, bò, gà), thực vật (trong hạt ngũ cốc nảy mầm là đại
mạch, yến mạch, lúa mì, mạch đen) và vi sinh vật (nấm men, nấm sợi, xạ
khuẩn và vi khuẩn). Tuy nhiên, vi sinh vật là nguồn thu enzyme chủ yếu vì
thời gian sống ngắn nên thu được nhiều lần trong năm và chủ động sử dụng
nguồn nguyên liệu rẻ tiền để nuôi cũng như dễ dàng điều khiển có định
hướng nguồn enzyme hoặc gia tăng lượng enzyme. Ngày nay cùng với sự
phát triền mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nên dễ dàng áp dụng các phương
pháp sinh học phân tử để tạo ra những chủng mới mang đặc điểm nổi bật mà
các đối tượng động vật, thực vật ít áp dụng như gây đột biến nhân tạo. Trong
vi sinh vật, rất nhiều chủng vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc và một số loại nấm
men có khả năng sinh tổng hợp cellulose.

Trong điều kiện tự nhiên, cellulose bị phân hủy bởi VSV cả trong điều
kiện hiếu khí và yếm khí. Các loài VSV thay phiên nhau phân hủy cellulose
đến sản phẩm cuối cùng là glucose. Số lượng các loài VSV tham gia sinh
tổng hợp enzyme có trong điều kiện tự nhiên rất phong phú. Chúng thuộc
nấm sợi, xạ khuẩn, vi khuẩn và trong một số trường hợp các nhà khoa học
còn thấy cả nấm men tham gia quá trình này. Bảng dưới đây là một số loại
VSV được các nhà khoa học nghiên cứu kỹ nhất.


14

Bảng 2.1. Một số vi sinh vật sản xuất cellulase
Nấm sợi

Xạ khuẩn

Vi khuẩn

Aspergillus niger

Actinomyces aureus

Preudomonas

A.oryzae

Act.cellulose

Fluorescens

A.terreus

Act.diastaticus

B.megaterium

A.symdovii

Act.roseus

B.menenteroides

A.flavus

Act.griseus

Clostridium sp

Fusarium culmorum

Act.melamocylas

Acetobacter xylium

Fusarium oxysporum

Act.coelicolor

Vi khuẩn dạ cỏ

Mucor pussilus

Act.candidus

Ruminoccus albus

Pen, notatum

Act.chromogenes

Ruminabacter parum

Penicillium spp

Act.hygroscopicus

Bacteroides

Trichoderma lignorum

Act.griseofulvin

Amylophillus sp

Trichoderma reesei

Act.ochroleucus

Clo.butitrium

Trichoderma viride

Act.thermofulcus

Clos.locheheadil

Trichoderma konongi

Act.xanthostrums

Cellulosemonas

Thermonospara curvata

2.6. Ứng dụng của cellulase
Hiện nay, enzyme cellulase dược ứng dụng mạnh mẽ trong các ngành
công nghiệp khác nhau như : công nghiệp thực phẩm, công nghiệp sản xuất
bia rượu, công nghiệp chế biến thức ăn gia súc, công nghiệp dệt, sản xuất bột
giặt, sản xuất giấy, trong nông nghiệp…
2.6.1. Ứng dụng của cellulase trong chế biến thực phẩm
Trong quá trình sản xuất các loại nước quả và nước uống không cồn
dựa trên việc trích li dịch quả từ thịt nghiền. Các loại quả sau khi tách vỏ hạt


15

được nghiền, thu được thịt quả nghiền có dạng dịch nhuyễn. Từ thịt quả
nghiền đã ép bã thu được dịch quả. Dịch này thường chứa các thành phần tế
bào thịt quả và các thành phần polysaccharide làm cho dịch quả có độ nhớt
cao. Để tăng cường hiệu suất trích li dịch quả, giảm bớt độ nhớt, tăng mức

cảm quan nước quả và giảm bớt một số công đoạn, việc bổ sung
endoglucanase rất quan trọng. Enzyme này là điểm mấu chốt cải thiện hiệu
suất dịch hóa. Sự kết hợp của glucose và pectinase sẽ phá hủy hoàn toàn
màng tế bào. Trong quá trình sản xuất, ở giai đoạn dịch hóa bổ sung hỗn hợp
enzyme cellulose, hemicellulase sẽ đem lại hiệu quả của chế phẩm, làm cho
nồng độ đồng thể của nước quả có thịt sẽ tốt hơn [2],[3]. Trong công nghệ sản
xuất bia, các chế phẩm enzyme amylase, protease và glucanase đã được tạo
thành, rút ngắn thời gian cần thiết để ủ bia. Trong dịch lên men có chứa một
lượng β- glucan, chất này ảnh hưởng tới khả năng lọc và gây đục bia. Trong
quá trình sản xuất cà phê ở Việt Nam, cà phê chủ yếu được sản xuất bằng
phương pháp khô, phương pháp này cho chất lượng cà phê không cao. Để
tiến hành nâng cao chất lượng cà phê, phương pháp lên men đã được áp dụng.
Đó là quá trình sử dụng phức hệ enzyme cellulose và pectinase để xử lý bóc
vỏ cà phê và làm tăng khả năng ly trích dịch quả. Trong khâu bóc vỏ,
cellulose gây hiện tượng thẫm màu, làm giảm chất lượng sau khi sấy, đồng
thời cản trở cho việc bóc vỏ. Khi sử dụng chế phẩm A.niger có tên thương
mại là Biovina-09 có hoạt tính pectinase và cho thấy số lượng cà phê được
bóc vỏ tăng, hạt cà phê được bóc vỏ bằng chế phẩm không còn nhớt như hạt
không sử dụng chế phẩm enzyme và hiệu suất bóc vỏ khá cao. Trong quá
trình ly trích dịch quả, cellulose và pectin cản trở sự thoát các chất hòa tan
trong tế bào ra ngoài tế bào. Khi sử dụng chế phẩm Biotin-09 hiệu suất trích
ly cao hơn mẫu không sử dụng là 46% [4].


16

2.6.2. Trong công nghệ xử lý rác thác và sản xuất phân bón vi sinh
Rác thải là nguồn chính gây nên ô nhiễm môi trường dẫn tới mất cân
bằng sinh thái và phá hủy môi trường sống, đe dọa tới sức khỏe và cuộc sống
con người. Thành phần hữu cơ chính trong rác thải là cellulose, nên việc sử

dụng công nghệ vi sinh trong xử lý rác thải cải thiện môi trường rất có hiệu
quả. Hiện nay, có nhiều những nghiên cứu về việc sử dụng cellulose do ác
chủng vi sinh vật tiết ra nhằm thủy phân cellulose trong rác thải. Phức hệ
cellulose 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 trong
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 bổ sung các chế
phẩm chứa phức hệ cellulose đem lại hiệu quả cao [8].
2.6.3. Trong xử lý môi trường
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


17

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 [22].
2.6.4. 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 Hóa sinh thực phẩm dùng trong chế biến thức
ăn gia súc lại thiếu. Vì vậy, việc ứng dụng enzyme cellulase để phân hủy
nguồn phế phẩm chứa cellulose vừa dùng hoặc làm nguồn thức ăn cho gia
súc, vừa góp phần bảo vệ môi trường là một vấn đề rất đáng quan tâm.Hiện
nay người ta đã dùng vi sinh vật để lên men bã mía của nhà máy đường La
Ngà để bổ sung vào thức ăn gia súc [22].
2.6.5. Trong kỹ thuật di truyền
Chế phẩm enzyme cellulase tinh khiết được ứng dụng trong kỹ thuật di
truyền vì enzyme cellulase phá vỡ tế bào thực vật mà không làm tổn
thương các cơ quan bên trong tế bào, đảm bảo sự nguyên vẹn của các nhân
tố di truyền. Do đó, phương pháp này đã nhanh chóng thay thế các phương
pháp cơ học và hóa học [22].
Ngoài ra, việc sản xuất enzyme cellulase có hoạt độ cao để phân hủy
cellulose thành các nguồn nhiên liệu sinh học đang được quan tâm đặc biệt
trong ngành công nghiệp năng lượng sạch của toàn thế giới.