Nghiên cứu thủy phân bã mía bằng hỗn hợp enzyme làm nguyên liệu để sản xuất cồn sinh học

BỘ GIÁO D
DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN
VI
ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN
LU
VĂN THẠC SỸ
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ
NGH SINH HỌC
NGHIÊN CứU THủY
TH
PHÂN BÃ MÍA BằNG HỗN HợP
P ENZYME
LÀM NGUYÊN LI
LIệU Để SảN XUấT CồN SINH HọC

NGUYỄN
NGUY
HỒNG TRANG

HÀ NỘI, 2017


BỘ
Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN
VI
ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN
LU
VĂN THẠC SỸ

NGHIÊN CứU THủY
Y PHÂN BÃ MÍA BằNG
B
HỗN HợP
P ENZYME
LÀM NGUYÊN LIệU
LI Để SảN XUấT CồN SINH HọC
C

NGUYễN HồNG TRANG
CHUYÊN NGÀNH
MÃ NGÀNH

: CÔNG NGHệ SINH HọọC

: 8420201

NGƯ
ƯờI HƯớNG DẫN KHOA HọC
TS. Đỗ HữU NGHị

HÀ NỘI, 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự

hướng dẫn của Tiến sĩ Đỗ Hữu Nghị. Các số liệu, kết quả trong luận văn là
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Học viên

Nguyễn Hồng Trang


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt bài luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự động
viên, giúp đỡ của các cá nhân và tập thể.
Trước tiên tôi xin được gửi lời biết ơn chân thành nhất tới TS. Đỗ Hữu
Nghị – Trưởng phòng Sinh học thực nghiệm - Viện Hóa học các Hợp chất thiên
nhiên – Viện Hàn lâm khoa học công nghệ, đã hướng dẫn và tạo điều kiện tốt
nhất cho tôi được nghiên cứu và thực hiện luận văn tại phòng Sinh học thực
nghiệm. Qua đây, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới NCS. Vũ Đình Giáp cùng các
cô chú, các anh các chị đang công tác tại phòng SHTN luôn nhiệt tình giúp đỡ,
tạo cho tôi môi trường nghiên cứu và làm việc nghiêm túc.
Tôi xin gửi lời biết ơn tới ban lãnh đạo trường Viện Đại học Mở Hà
Nội đã luôn tạo điều kiện tốt cho tôi học tập và phát triển. Đồng thời tôi cũng
xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô bộ môn đã giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình tôi học tập tại trường.
Và cuối cùng, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, người thân,
những người đã luôn sát cánh cùng tôi, chia sẻ và động viên tôi không ngừng
nỗ lực vươn lên trong học tập cũng như trong cuộc sống.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Nguyễn Hồng Trang

MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ........................................................................ 3
1.1. Tình hình sản xuất và sử dụng bã mía trên thế giớivà ở Việt Nam ..... 3
1.1.1. Tình hình sản xuất bã mía ở Việt Nam ........................................ 3
1.1.2. Hiện trạng sử dụng bã mía ở Việt Nam ....................................... 4
1.2. Thành phần cấu trúc của sinh khối thực vật và chuyển hóa sinh khối
bởi enzyme thủy phân. ................................................................................... 5
1.2.1. Thành phần cấu trúc của sinh khối thực vật ................................ 5
1.2.2. Hỗn hợp enzyme thủy phân ...................................................... 15
1.3. Tình hình nghiên cứu và sản xuất Bioethanol trên thế giới và ở Việt
Nam ............................................................................................................. 17
1.3.1. Tình hình nghiên cứu và sản xuất bioethanol trên thế giới. ....... 17
1.3.2. Tình hình nghiên cứu và sản xuất bioethanol ở Việt Nam ......... 19
CHƯƠNG II. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, VẬT LIỆU VÀ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................... 21
2.1. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................ 21
2.2. Đối tượng nghiên cứu ...................................................................... 21
2.3. Nội dung nghiên cứu ....................................................................... 22
2.4. Vật liệu nghiên cứu ......................................................................... 22
2.4.1. Thiết bị ..................................................................................... 22
2.4.2. Hóa chất.................................................................................... 22
2.5. Các phương pháp nghiên cứu .......................................................... 23
2.5.1. Tối ưu tiền xử lý bã mía bởi hỗn hợp enzyme thủy phân bằng
phương pháp quy hoạch thực nghiệm ....................................................... 23


2.5.2. Tiền xử lý bã mía bằng phương pháp hóa học, kết hợp sử dụng
hỗn hợp enzyme thủy phân để nâng cao hiệu suất chuyển hóa đường ....... 24
2.5.3. Phương pháp định lượng đường khử bằng acid dinitrosalicylic

(DNS) ....................................................................................................... 25
2.5.4. Phương pháp kiểm tra thành phần các đường có trong mẫu (TLC,
HPLC) ...................................................................................................... 27
2.5.5. Xác định hàm lượng cồn bằng phương pháp chuẩn độ .............. 28
2.5.6. Phương pháp nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên
men........................................................................................................... 30
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................ 32
3.1. Khảo sát nguồn cơ chất giàu lignocellulose cho chuyển hóa thành các
đường đơn bằng xúc tác sinh học ................................................................. 32
3.2. Tối ưu tiền xử lý bã mía bằng hỗn hợp enzyme thủy phân ............... 33
3.3. Tiền xử lý bã mía bằng phương pháp hóa học, kết hợp sử dụng hỗn
hợp enzyme thủy phân để nâng cao hiệu suất chuyển hóa đường ................ 40
3.3.1. Tiền xử lý bằng NaOH kết hợp sử dụng hỗn hợp enzyme thủy
phân .......................................................................................................... 40
3.3.2. Tiền xử lý bằng H2SO4 kết hợp sử dụng hỗn hợp enzyme thủy
phân .......................................................................................................... 43
3.4. Đánh giá hiệu quả chuyển hóa sử dụng hệ HPLC ............................ 45
3.5. Lên men sinh tổng hợp bioethanol ................................................... 46
3.4.1. Khảo sát môi trường lên men .................................................... 46
3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên quá trình lên men ........... 48
3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình lên men ................... 51
3.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình lên men ........... 53


3.4.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ nấm men đến quá trình lên men
................................................................................................................. 55
3.4.6. Quy trình sản xuất Bioethanol từ bã mía ... Error! Bookmark not
defined.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 59

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Thành phần chính của một số nguyên liệu giàu lignocellulose .... 6
Bảng 2. Công thức môi trường A và môi trường B .................................. 30
Bảng 3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng đường khử trong phản
ứng chuyển hóa bã mía bằng hỗn hợp enzyme thủy phân ............................ 33
Bảng 4. Kế hoạch trực giao bậc hai Box – Wilson ................................... 37
Bảng 5. Kết quả thí nghiệm theo kế hoạch trực giao bậc hai Box – Wilson
......................................................................................................................... 37
Bảng 6. Ma trận kế hoạch và kết quả thực nghiệm .................................. 38
Bảng 8. . Hàm lượng đường khử sau khi tiền xử lý bằng NaOH và
enzyme cocktail ............................................................................................... 40
Bảng 9. Hàm lượng đường khử sau khi tiền xử lý bằng H2SO4 và enzyme
cocktail ............................................................................................................ 43
Bảng 10. Sản phẩm carbohydrate từ bã mía sau xúc tác chuyển hóa bằng
“enzyme cocktail” ........................................................................................... 46
Bảng 11. Hàm lượng đường khử còn lại và lượng ethanol tạo thành ở hai
môi trường A và B........................................................................................... 46
Bảng 12. Ảnh hưởng của thời gian đến hàm lượng đường khử còn lại và
nồng độ ethanol tạo thành .............................................................................. 49
Bảng 13. Ảnh hưởng của pH đến hàm lượng đường khử còn lại và lượng
ethanol tạo thành ............................................................................................ 51
Bảng 14. Ảnh hưởng nhiệt độ đến hàm lượng đường khử còn lại và
lượng ethanol tạo thành ................................................................................. 53
Bảng 15. Ảnh hưởng của nồng độ nấm men đến hàm lượng đường khử
còn lại và lượng ethanol tạo thành ................................................................. 55


DANH MỤC HÌNH

Hình 1. Hiện trạng sản xuất mía đường các vùng của Việt Nam ................. 4
Hình 2. Cấu trúc của lignocellulose ............................................................. 6
Hình 4. Mô hình Fringed fibrillar và mô hình chuỗi gập ............................. 8
Hình 5. Các đơn vị cơ bản của lignin......................................................... 10
Hình 6. Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính................ 12
Hình 7. Hệ enzyme cellulase tham gia thủy phân mạch cellulose ............... 15
Hình 8. Cấu trúc xylan được tấn công bởi những enzyme thủy phân khác
nhau ................................................................................................................. 16
Hình 9. Bã mía ........................................................................................... 21
Hình 10. Phương trình phản ứng tạo màu của đường khử với dung dịch
DNS ................................................................................................................. 26
Hình 11. Sắc ký bản mỏng (TLC) trên 5 cơ chất rơm rạ (M1), bã mía (M2),
bã cà phê( M3), mùn gỗ (M4), rong túi (M5). Các chất chuẩn là các đường khử
có khả năng lên men: glucose (Rf (Glu) = 0,34), galactose (Rf(Gla)= 0,28),
xylose (Rf(Xyl) = 0,48) và mannose (Rf(Man) = 0,325) ................................... 32
Hình 12. So sánh hàm lượng đường khử sau khi thủy phân bởi NaOH (GD1)
và sau khi xử lý phối hợp với hỗn hợp enzyme (GD2) ...................................... 41
Hình 13. Bã mía sau khi tiền xử lý bằng NaOH ......................................... 42
Hình 14. Các mẫu bã mía sau khi tiền xử lý được bổ sung hỗn hợp enzyme
thủy phân ......................................................................................................... 42
Hình 15. Đồ thị so sánh hàm lượng đường khử sinh ra tại các mẫu GD1 và
GD2 ................................................................................................................. 43
Hình 16. Bã mía sau khi tiền xử lý bằng H2SO4.......................................... 44


Hình 17. Các mẫu bã mía sau khi tiền xử lý được bổ sung hỗn hợp enzyme
......................................................................................................................... 45
Hình 18. Đồ thị so sánh hàm lượng đường khử và ethanol tạo thành giữa
hai công thức môi trường ................................................................................. 47
Hình 19. Hai môi trường A và B trước khi lên men .................................... 48

Hình 20. Đồ thị biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại và lượng ethanol
tạo thành theo thời gian ................................................................................... 49
Hình 21. Đồ thị biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại và lượng ethanol
tạo thành theo pH ............................................................................................ 52
Hình 22. Thí nghiệm sau lên men ở các điều kiện pH khác nhau ............... 53
Hình 23. Đồ thị biểu diễn hàm lượng đường khử và ethanol tạo thành theo
nhiệt độ ............................................................................................................ 54
Hình 24. Thí nghiệm sau lên men ở các nhiệt độ khác nhau ....................... 55
Hình 25. Đồ thị biểu diễn hàm lượng đường khử và ethanol tạo thành theo
nồng độ nấm men. ............................................................................................ 56
Hình 26. Thí nghiệm sau lên men ở các nồng độ nấm men khác nhau........ 57


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
RR:

Rơm rạ

MIA:

Bã mía

CAF:

Bã cà phê

MG:

Mùn gỗ

RT:

Rong túi

XpoAE:

Enzyme acetyl (xylan) esterase từ chủng nấm Xylaria
polymorpha
Enzyme feruloyl esterase được tinh sạch từ chủng

AltFAE:

Alternariatenuissima
CMCase/Xyl:

Chế phẩm cellulose/xylanase từ nấm Trichoderma reesei

ĐC:

Đối chứng

DNS:

Acid Dinitrosalicylic

U

Unit (đơn vị enzyme)

Vmax

Maximum velocity of an enzymatic reaction (tốc độ tối đa của

phản ứng enzyme)


MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
1. Khảo sát nguồn cơ chất giàu lignocellulose cho chuyển hóa thành các đường
đơn bằng xúc tác sinh học.
2. Tối ưu tiền xử lý bã mía bằng hỗn hợp enzyme thủy phân.
3. Tiền xử lý bã mía bằng phương pháp hóa học, kết hợp sử dụng hỗn hợp
enzyme thủy phân để nâng cao hiệu suất chuyển hóa đường.
4. Lên men sinh tổng hợp bioethanol.


MỞ ĐẦU
Sự phát triển và ứng dụng các sản phẩm sinh học cũng như công nghệ
sinh học vào cuộc sống của con người đang là rất quan trọng và cần thiết, đặc
biệt là trong tương lai, nhằm bảo vệ môi trường và bảo tồn các nguồn tài
nguyên. Ngành công nghệ sinh học trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đang có
xu hướng sản xuất nhiên liệu sinh học (biofuel) từ các vật liệu có thành phần
giàu lignocellulosic. Mặc dù vật liệu giàu lignocellulosic rất phong phú và giá
thành rẻ nhưng thách thức lại nằm ở việc chuyển đổi sinh khối này cần các hóa
chất đắt tiền. Chính vì vậy mà các chính sách và nghiên cứu mở rộng đang được
thực hiên trên khắp thế giới nhằm giải quyết vấn đề này. Trong đó, liên minh
châu âu (EU) đã chấp thuận các luật về giảm thiểu các loại vật liệu có hại cho
môi trường và bắt đầu nỗ lực tìm kiếm các loại vật liệu thân thiện với môi
trường dựa trên tài nguyên thiên nhiên. Hiện nay, Việt Nam cũng đã bắt đầu
thực hiện Đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến
năm 2025”. Theo đề án này, trong giai đoạn 2011 - 2015, Việt Nam sẽ xây dựng

và phát triển các cơ sở sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trên phạm vi cả
nước. Đến năm 2025, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250.000 tấn, đủ sức
pha trộn 5 triệu tấn xăng, dầu E5, B5, đáp ứng 1% xăng dầu cả nước. Việc sử
dụng vật liệu giàu lignocellulosic để sản xuất nhiên liệu sinh học không những
nâng cao giá trị của quá trình sản xuất nông nghiệp mà còn góp phần bảo vệ
môi trường. Theo nhận định của nhiều chuyên gia, ngoài rơm, rạ, gỗ được xem
là nguyên liệu phổ biến, thì bã mía là lựa chọn mới sản xuất nhiên liệu sinh học,
phù hợp với nền nông nghiệp Việt Nam. Hướng nghiên cứu này phù hợp với
tình hình sản xuất nông nghiệp Việt Nam vì lượng bã mía hiện thải bỏ khá lớn.
Đơn cử tại Nhà máy Đường Bourbon (Tây Ninh), với công suất chế biến 8.000
tấn mía/ngày, nhà máy thải ra lượng bã mía khoảng 2.800 tấn/ngày. Trong khi
đó, Công ty Đường Biên Hòa (Đồng Nai) có 3 nhà máy, trong đó 2 nhà máy sử
dụng mía làm nguyên liệu với tổng công suất 5.000 tấn mía/ngày. Mỗi năm, sản
lượng mía cây là 600.000 - 750.000 tấn, tương đương 174.000 - 217.500 tấn bã
1


(bã mía chiếm khoảng 29% khối lượng mía cây). Nếu tính tổng thể hơn 40 nhà
máy đường hiện có ở cả nước, việc sử dụng toàn bộ lượng bã mía thải bỏ sẽ góp
phần giảm bớt áp lực cho các loại nguồn nguyên liệu sinh học từ bắp, khoai
mì…
Vì vậy, những nguyên liệu phế phẩm, đặc biệt là bã mía sẽ góp phần vừa
đảm bảo vừa xây dựng nền nông nghiệp bền vững, vừa giải quyết nhu cầu nhiêu
liệu sinh học. Đây là những cơ sở có ý nghĩa khoa học và ứng thực tế để chúng
tôi đề xuất đề tài: Nghiên cứu thủy phân bã mía bằng hỗn hợp enzyme làm
nguyên liệu để sản xuất cồn sinh học.

2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Tình hình sản xuất và sử dụng bã mía trên thế giớivà ở Việt Nam
Mía là cây trồng phổ biến tại rất nhiều nước trên thế giới, như: Brasil, Ấn
Độ, Trung Quốc, Pakistan, Mexico, Thái Lan, Colombia. Ở ngành mía đường,
cứ 100 tấn mía cây đưa vào sản xuất chỉ thu được 10 - 12 tấn đường còn lại là
23 - 28 tấn bã mía; 3 - 4 tấn mật rỉ; 1,5 - 3,0 tấn bùn lọc [1]. Như vậy chỉ riêng
cứ 1 triệu tấn đường sẽ để lại 2,3 triệu đến 2,8 triệu tấn bã mía.
Để tận dụng các nguồn phế liệu này, ở nhiều nước trên thế giới, bã mía đã
được nghiên cứu sử dụng theo nhiều cách khác nhau. Bã mía được dùng làm
nhiên liệu, giấy, bìa, ván ép, sản xuất fufural, α-cellulose, ethanol, cho lên men
để làm thức ăn cho gia súc, làm tấm phủ đất để chống xói mòn, làm giá thể
trồng hoa hồng môn [2].
Thân cây mía chứa khoảng 80 - 90% nước dịch, trong nước dịch đó chứa
khoảng 16 - 18% đường vào thời kì mía chín già. Bã mía chiếm 25 - 30% trọng
lượng mía đem ép.
Thành phần trung bình của bã mía: Nước khoảng 40-50%, xơ khoảng 4548% (trong đó 45 - 55% là cellulose), chất hoà tan (đường): 2,5%. Tùy theo loại
mía và đặc điểm nơi trồng mía mà thành phần hoá học các chất có trong bã mía
khô (xơ) có thể biến đổi. Thành phần của bã mía sau khi rửa sạch và sấy khô
gồm: Cellulose khoảng 45 - 55%, Hemicellulose khoảng 20 -25%, Lignin
khoảng 18 - 24%, Tro: 1 - 4%, Sáp: <1% [3].
1.1.1. Tình hình sản xuất bã mía ở Việt Nam
Theo Hiệp hội Mía đường Việt Nam, hiện nay mỗi năm các nhà máy đường
ép trên 15 triệu tấn mía, phát sinh ra 4,5 triệu tấn bã mía. Tại Nhà máy Đường
Bourbon (Tây Ninh), với công suất chế biến 8.000 tấn mía/ngày, nhà máy thải
ra lượng bã mía khoảng 2.800 tấn/ngày. Trong khi đó, Công ty Đường Biên Hòa
(Đồng Nai) có 3 nhà máy, trong đó 2 nhà máy sử dụng mía làm nguyên liệu với
3


tổng công suất 5.000 tấn mía/ngày. Mỗi năm, sản lượng mía cây là 600.000 750.000 tấn, tương đương 174.000 - 217.500 tấn bã (bã mía chiếm khoảng 29%

khối lượng mía cây).Theo ông Phạm Hồng Dương, Giám đốc Nhà máy Đường
Bourbon, một phần bã mía mang đốt tạo điện cho hoạt động của nhà máy, phần
còn lại vẫn không sử dụng hết. Nếu tính tổng thể hơn 40 nhà máy đường hiện có
ở cả nước, việc sử dụng toàn bộ lượng bã mía thải bỏ sẽ góp phần giảm bớt áp
lực cho các loại nguồn nguyên liệu sinh học từ bắp, khoai mì…[4].

Hình 1. Hiện trạng sản xuất mía đường các vùng của Việt Nam[5]

1.1.2. Hiện trạng sử dụng bã mía ở Việt Nam
Từ năm 2006, Nhà máy Đường Ninh Hòa (Công ty TNHH MTV Đường
Biên Hòa - Ninh Hòa) đã sản xuất điện sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp là bã
mía. Với năng lực chế biến đường 1.800 tấn mía/ngày, nhà máy đã đưa vào vận
hành tổ hợp gồm 2 lò hơi (25 tấn hơi/lò) và turbine 3MW, chủ động nguồn điện
phục vụ sản xuất của nhà máy. Năm 2010, nhà máy nâng công suất chế biến
đường lên 3.000 tấn mía/ngày, lò hơi và turbine công suất lên 60 tấn hơi và
6MW; lúc này nhà máy đã dư thừa công suất và bắt đầu phát điện lên lưới điện
quốc gia. Với năng lực này, công suất điện của nhà máy đã đạt 7 triệu
4


KWh/năm, bình quân 1 giờ sản xuất 2,5MW. Năm 2013, năng lực chế biến
đường nâng lên 5.200 tấn mía/ngày, lượng bã dư thừa rất lớn, Tập đoàn TTC đơn vị chủ quản đã quyết định thành lập một đơn vị mới, chuyên kinh doanh
điện sinh khối là Công ty TNHH MTV Nhiệt điện Ninh Hòa. Năm 2014, công
ty đi vào hoạt động, vận hành hệ thống lò hơi 170 tấn hơi/giờ, lò cao áp suất
6,8Mpa, turbine máy phát công suất 30MW, hệ thống đường dây 110kV truyền
tải điện dài 5,7km, tổng vốn đầu tư gần 350 tỷ đồng, chủ động phát điện và đấu
nối vào lưới điện quốc gia. Theo ông Hồ Nhẫn - Tổng Giám đốc Công ty
TNHH MTV Nhiệt điện Ninh Hòa, nguyên lý sản xuất điện sinh khối rất đơn
giản, phế phẩm là bã mía sau khi chế biến đường được đưa vào đốt sinh công
chạy máy phát điện. Với dây chuyền hiện tại, bình quân 1 tấn mía sản xuất được

55KWh (sau khi đã trừ sản lượng điện cho sản xuất), nếu công suất chế biến
đường tăng thì công suất điện tăng. Từ đầu vụ mía 2016 - 2017 đến nay, nhà
máy đã chế biến được 625.000 tấn mía, công suất phát điện xấp xỉ 34,6 triệu
KWh [6].
Tương tự, Nhà máy Đường Khánh Hòa (Công ty TNHH Đường Khánh
Hòa) cũng sản xuất điện sinh khối từ bã mía từ nhiều năm nay, nhằm cung cấp
điện và hơi nước cho sản xuất đường. Lò hơi của nhà máy hiện nay có công suất
260 tấn hơi/giờ, cùng với 2 tổ máy turbine phát điện bằng hơi nước có tổng
công suất 60MW. Sau khi cân đối đủ cho dây chuyền sản xuất đường của nhà
máy, phần công suất điện dư ra đã được phát lên lưới điện quốc gia, tối thiểu
8MW/giờ [6].
1.2. Thành phần cấu trúc của sinh khối thực vật và chuyển hóa sinh
khối bởi enzyme thủy phân.
1.2.1. Thành phần cấu trúc của sinh khối thực vật
Lignocellulose là một phức hợp polyme thành tế bào được quang tổng
hợp ở thực vật, chiếm 60% tổng sinh khối thực vật trên trái đất, bao gồm các
thành phần chủ yếu là các polyme carbohydrate (cellulose, hemicellulose), và
5


một polyme thơm (lignin), trong đó cellulose và hemicellulose chiếm tỉ lệ cao.
Cellulose chiếm phần lớn, khoảng từ 40% - 50%, còn hai hợp chất
hemicellulose và lignin lần lượt chiếm khoảng 20 - 40% và 20 - 35% khối lượng
khô của cơ thể thực vật.
Bảng 1. Thành phần chính của một số nguyên liệu giàu lignocellulose
Thành phần (% chất khô)
Nguyên
liệu
Cellulose
Hemicellulose

Lignin
Lõi ngô
45
35
15
Rơm bắp
40
25
17
Rơm rạ
35
25
12
Rơm lúa mì
30
50
20
Bã mía
40
24
25
Cỏ
25
35
6
bermuda
Lignocellulose là một vật liệu khó thủy phân do chúng có các liên kết
polysaccharid (cellulose và hemicellulose) và liên kết ester và ete (lignin) tạo
nên cấu trúc rất bền vững có độ cứng và độ bền cơ học cao.

Hình 2. Cấu trúc của lignocellulose
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
thải rắn trong thành phố. Thành phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose,
hemicellulose và lignin .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
6


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.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 .
- Cellulose
Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức cấu tạo (C6H10O5)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 3). Cellulose cũng là hợp
chất hữu cơ nhiều nhất trong sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp được
khoảng 1011 tấn cellulose (trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% và trong bông
chiếm khoảng 90%).

Hình 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. Có hai mô hình

7


cấu trúc của cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng tinh thể và vô định hình
như hình 4 dưới đây .

Hình 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.
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 180o 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 .
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.
8


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 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.
- 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

9


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
5).

Hình 5. Các đơn vị cơ bản của lignin

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 .
10


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 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 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
chất liên kết, cấu trúc hóa học của lignin và các gốc đường tham gia liên
kết.Carbon alpha (Cα) trong cấu trúc phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên
12


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 200oC, 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 .
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.
- 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).
13