nghiên cứu công nghệ sản xuất bioethanol từ những loại sinh khối rẻ tiền

1

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến
toàn thể quý Thầy, Cô trường Đại học Tôn Đức Thắng và quý Thầy, Cô trong Khoa
khoa học ứng dụng đã trực tiếp giảng dạy và truyền đạt những kiến thức, kinh
nghiệm quý báu trong suốt khoảng thời gian tôi tham gia học tập tại trường.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Nguyễn
Thị Cẩm Vi – Người đã dạy dỗ, quan tâm và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi
thực hiện đề tài này. Nhờ vậy, tôi mới có thể hoàn thành bài báo cáo luận văn này
một cách tốt nhất.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các cán bộ phòng thí nghiệm đã tận tình hỗ
trợ, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn vừa qua.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh tôi, giúp đỡ
và động viên để tôi có động lực hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!


2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH
TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự
hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Thị Cẩm Vi. Các nội dung nghiên cứu, kết quả
trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.
Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá
được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu
tham khảo.
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số
liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn
gốc.

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm về nội dung luận văn của mình. Trường đại học Tôn Đức Thắng không liên
quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực
hiện (nếu có).
TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm
Tác giả


3

MỤC LỤC


4

DANH MỤC BẢNG


5

DANH MỤC HÌNH


6

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
Sự khám phá ra nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá, ... ) đã đánh dấu một
bước ngoặt lớn trong lịch sử phát triển của xã hội. Với lợi thế là nguồn nguyên liệu
rẻ, dồi dào, nhiên liệu hóa thạch đã được sử dụng phổ biến, đặc biệt là ở các nước
phát triển. Nhiên liệu hóa thạch và các sản phẩm từ chúng đã đóng góp rất lớn trong

tất cả các lĩnh vực của đời sống nói chung và các ngành năng lượng nói riêng. Tuy
nhiên trong hai thập kỉ trở lại đây, theo dự đoán với tốc độ khai thác và tiêu thụ như
hiện nay nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong vài chục năm tới. Bên cạnh
đó, chúng ta không thể không kể tới quá trình khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa
thạch gây ra, đó chính là sự ô nhiễm môi trường. Người ta ước tính khí thải từ các
hoạt động có liên quan đến nhiên liệu hóa thạch và các sản phẩm từ chúng chiếm
khoảng 70 % tổng lượng khí thải trên toàn thế giới. Khí thải là nguyên nhân gây ra
những biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính, ... Nhiều nghiên cứu đã và đang được
thực hiện nhằm tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế. Trong đó, một trong những
nguồn nhiên liệu đang được quan tâm hiện nay là nhiên liệu sinh học.
Nhiên liệu sinh học (biofuel hay agrofuel) là loại nhiên liệu có nguồn gốc từ
sinh khối động thực vật, có thể được sản xuất từ chất béo của động thực vật như mỡ
động vật, dầu dừa, ... ; từ ngũ cốc như lúa mì, khoai, ngô, đậu tương, ... ; từ chất thải
nông nghiệp như rơm rạ, bã mía, lõi ngô, ... ; từ chất thải công nghiệp như mùn cưa,
gỗ thải, giấy bỏ, ... Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật hơn so với các
nhiên liệu hóa thạch như thân thiện với môi trường, có khả năng tái tạo và có thể
giảm được sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch.
Hai nguồn nhiên liệu sinh học đang được sử dụng phổ biến là bioethanol và
biodiesel. Trên thế giới, bioethanol hiện nay chủ yếu được sản xuất từ nguồn
nguyên liệu giàu tinh bột hoặc đường như lúa mỳ, ngô, sắn, mía đường, ... được gọi
là bioethanol thế hệ thứ nhất. Tuy nhiên, việc sản xuất bioethanol từ nguồn nguyên
liệu trên đang bị phản đối vì hai lý do: thứ nhất, nó bị coi là một nhân tố dẫn tới
khủng hoảng lương thực (thiếu lương thực, tăng giá lương thực); thứ hai là nguồn
lương thực bị biến thành chất đốt trong khi trên thế giới còn rất nhiều người thiếu ăn


7

và bị chết vì đói. Chính vì lẽ đó, nhiều nhà khoa học, nhiều cơ sở nghiên cứu đã
nghiên cứu công nghệ sản xuất bioethanol từ những loại sinh khối rẻ tiền, dễ kiếm

và không phải là lương thực cho người như phế phẩm nông nghiệp (rơm, rạ, lõi ngô,
... ), phế phẩm công nghiệp thực phẩm (trái cây hư, vỏ trái cây, ... ), ... việc sản xuất
bioethanol từ những nguồn nguyên liệu này được gọi là bioethanol thế hệ thứ hai.
Đối với phế phẩm từ công nghiệp thực phẩm, ngoài lignocellulose đây còn là nguồn
nguyên liệu rất giàu chất dinh dưỡng, vì vậy dễ bị vi sinh vật phân giải, gây thối rữa
tạo mùi hôi và gây khó chịu cho con người nếu không được xử lý tốt. Đặc biệt là xơ
mít, xơ mít rất giàu chất xơ, đường, vitamin, protein, ... Do vậy, để làm giảm lượng
chất thải, nâng cao giá trị sản phẩm cũng như đảm bảo không ảnh hưởng đến an
ninh lương thực, việc sản xuất bioethanol từ xơ mít được tiến hành nghiên cứu.


8

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN
2.1

Tổng quan về mít.

2.1.1 Tên gọi và phân loại khoa học.
•

•

Tên gọi.
Tên khoa học

:

Artocarpus heterophyllus Lam.

Tên tiếng Anh

:

Jackfruit.

Tên tiếng Việt

:

Mít.

Tên gọi khác

:

Cây chay. [27]

Giới (kingdom)

:

Plantae.

Ngành (phylum)

:

Magnoliophyta.

Lớp (class)

:

Magnoliopsida.

Bộ (order)

:

Urticales.

Họ (family)

:

Moraceae.

Chi (genus)

:

Artocarpus.

Loài (species)

:

Artocarpus heterophyllus Lam. [24]

Phân loại khoa học.

Hình 2. 1 Cây mít.[26]
2.1.2 Nguồn gốc và phân bố.
Cây mít được cho là có nguồn gốc từ Ấn Độ và Bangladesh. Quả mít là loại
quả quốc gia của Bangladesh. Hiện nay, cây mít được trồng phổ biến ở các vùng
nhiệt đới như: Ấn Độ, Bangladesh, Nepal, Sri Lanka, Campuchia, Việt Nam, Thái


9

Lan, Philipines, ... Cây mít cũng được tìm thấy ở khắp châu Phi (như Cameroon,
Uganda, Tanzania, Madagascar và Mauritius), cũng như ở nhiều nước nhiệt đới
Nam và Trung Mỹ như Brazil, Jamaica, ...
Ở Việt Nam cây mít đã được trồng ở khắp mọi miền đất nước từ lâu đời,
trong đó có nhiều giống mít nổi tiếng như mít nghệ, mít mật, mít dai, mít ướt, mít
Tố Nữ, … [28]
2.1.3 Đặc tính.
Mít là loài cây thân gỗ, có thời gian sống từ 20 – 100 năm.
•

Rễ: rễ cọc phát triển ngay từ khi cây còn nhỏ, đánh cây đi trồng dễ làm chết cây
con. Ở cây già, rễ phát triển mạnh có khi nổi lên mặt đất, bám rất chắc, chống gió
bão tốt. Rễ phụ và lông hút cũng rất phát triển, vì thế mít có tính chống chịu khô

hạn rất tốt. [6]
• Thân: cao từ 10 – 30 m, vỏ dày màu xám sẫm, phân nhiều cành, tán lá rộng 5 – 10
m, đường kính gốc khoảng 10 – 30 cm. [28]
• Cành: thân cây mít được chia thành nhiều cành, chính các cành quyết định kích
thước của tán lá. [5]

• Lá: lá đơn, mọc cách, phiến lá dày hình trái xoan hay trứng ngược, dài 7 - 15 cm,
đầu có mũi tù ngắn, mặt trên màu lục đậm bóng. Cuống lá dài 1 – 2,5 cm. [28]
• Hoa: hoa đơn tính đồng chu, mọc trên thân chính hoặc trên các cành lớn. Có hoa
đực, hoa cái riêng mọc trên cùng một cây. Cụm hoa đực dài, gồm nhiều hoa, có lông
tơ mềm, lá bắc hình khiên, bao hoa hình ống gồm 2 cánh dính nhau ở đỉnh (không
phát triển thành quả). Cụm hoa cái có hình bầu dục ở ngay trên thân hoặc các cành
già, không có cánh, mọc sát nhau trên cùng một trục, mỗi cụm có tới vài trăm hoa.
Ở miền Bắc ra hoa tháng 3, 4; chín vào tháng 7, 8 nhưng cũng có cây ra hoa cả về
mùa rét gọi là mít tứ thời. Ở miền Nam ra hoa gần như quanh năm nhưng cũng tập
trung vào đầu mùa mưa. [4]
• Quả: quả sinh ra trên thân hoặc ở chân những cành lớn. Quả to hình trái xoan hay
thuôn, có quả dài tới 60 cm và nặng 20 – 30 kg, thuộc lại quả tụ gồm nhiều quả bế
đính trên một đế hoa chung. Quả bế (hạt) được bao bọc bỏi một lớp nạc mềm màu
vàng, có vị ngọt (múi mít) do các mảnh bao hoa tạo thành. [4]


10

2.1.4 Công dụng.
•

Lá mít non: ít được ăn trực tiếp nhưng được dùng làm thuốc lợi sữa, chữa ăn uống
không tiêu, ỉa chảy và trị cao huyết áp. Ở Ấn Độ, người ta dùng để chữa các bệnh
ngoài da và trị rắn cắn. Ngoài ra, lá mít có thể dùng làm thức ăn cho gia súc, ở Nghệ

An và Hà Tĩnh lá mít là nguồn thức ăn quý dùng để nuôi hươu. [22]
• Quả mít non: được dùng làm rau, nấu canh, kho cá, trộn gỏi, … Quả mít non không
dùng để ăn sống mà phải được gọt vỏ, luộc, xé nhỏ để làm gỏi hay xắt nhỏ để xào,
nấu. Khi quả non đã có hạt còn mềm chất lượng rau càng tốt do có vị bùi và béo từ
hạt. Quả mít rừng non là nguồn lương thực của Bộ đội Trường Sơn Việt Nam trong

thời kháng chiến chống Mỹ. [28]
• Quả mít chín: là loại trái cây ngon, khi quả mít chín, các múi mít (quả đơn) có phần
thịt ăn được rất thơm ngon và bổ dưỡng. Thịt của múi mít chín gồm đường, tinh bột,
giàu khoáng, vitamin và chất xơ. Múi mít chín thường được dùng để ăn tươi, tuy
nhiên nó còn được dùng để nấu các món ăn như món thịt hầm và lagu để tăng
hương vị, dùng để gói xôi, nấu chè, làm kem, nước giải khát. Ngoài ra mít chín còn
có thể dùng để làm rượu và nước giải khát lên men, rượu mít lên men có màu vàng
nhạt, có gas và mùi thơm. Rượu mít uống lâu say vì mít có tính giải rượu, dùng khai
•

vị. [28]
Hạt mít: Hạt mít có thể luộc ăn ngay hoặc phơi khô làm lương thực dự trữ. Hạt mít
phơi khô, trộn với gạo để nấu cơm; đây là chất độn có giá trị ngang với ngô, khoai,
sắn. Hạt mít có vị bùi, có thể luộc, nướng hoặc rang để ăn. Khi rang hương vị của
hạt mít được so sánh với hạt dẻ. Tuy nhiên, trong hạt mít ngoài tinh bột, protid,
lipid, muối khoáng còn chứa một chất ức chế men tiêu hóa đường ruột nên khi ăn

•

nhiều dễ bị đầy bụng. Do vậy, cần hạn chế ăn nhiều hạt mít. [28]
Xơ mít: có thể dùng như một loại rau: thực tế xơ mít được bỏ đi. Tuy nhiên, xơ mít
có thể dùng như một loại rau, có thể dùng để chiên, xào, muối chua như muối dưa
… Người nông dân ở Nghệ An, Hà Tĩnh thường dùng xơ mít để muối dưa, gọi
là nhút. Đây là loại dưa muối đặc sản nổi tiếng, chất lượng không thua kém gì các
loại dưa muối khác. Dưa chua xơ mít hay nhút, đã từng đi vào ca dao, tục ngữ:


11

“Nhút Thanh Chương, tương Nam Đàn”. Xơ mít là nguồn chất xơ dinh dưỡng có

tác dụng tốt cho đường ruột, có lợi cho người ăn kiêng để giảm cân. [5]
• Gỗ mít: vàng, mịn mặt, dùng trong xây dựng, làm cột nhà, đóng hòm, bàn ghế,
•

mâm, để khắc dấu, tiện và tạc tượng, … [4]
Tất cả những phần mà con người không ăn đều có thể dùng làm thức ăn gia súc kể
cả phần vỏ có gai, lõi trắng giữa trái, ...
2.2

Cấu trúc lignocellulose.
Lignocellulose là thành phần cấu trúc chính của thực vật thân gỗ và các thực

vật khác như cỏ, lúa, ngô … Đây là nguồn sinh khối dồi dào và có khả năng tái tạo.
Trong tự nhiên, chúng ta có thể tìm thấy lignocellulose ở thực vật hay các chất thải
nông nghiệp (bã mía, rơm rạ, lõi ngô, trấu, …), công nghiệp, lâm nghiệp, … Hằng
năm, có một lượng lớn lignocellulose được thải ra nhưng chưa được xử lý triệt để
gây ô nhiễm môi trường. Do thành phần cấu tạo mà phần lớn các sinh khối dư thừa
này 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, phụ gia thực
phẩm, các chất dinh dưỡng cho động vật, …
Thành phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose, hemicellulose và lignin.
Về cơ bản, cellulose chứa hàm lượng cao trong lignocellulose và được bao quanh
bởi hemicellulose và lignin. Hàm lượng của mỗi thành phần trong cùng một cây hay
giữa các cây là khác nhau tùy thuộc vào độ tuổi, giai đoạn sinh trưởng, phát triển và
các điều kiện sống, … [7]

Hình 2. 2Cấu trúc của lignocellulose. [21]


12

2.2.1 Cellulose.
Cellulose là một polymer mạch thẳng, gồm các đơn phân β – D – glucose
liên kết với nhau bằng liên kết 1,4 – glycosidic. Có công thức cấu tạo là (C 6H10O5) n,
trong đó n có thể nằm trong khoảng 5000 – 14000. Cellulose là thành phần chủ yếu
cấu tạo nên thành tế bào thực vật. Các mạch cellulose được liên kết với nhau bằng
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 bằng nhiều liên kết hydro nên bền vững trước tác động của enzyme cũng như
hóa chất. Ngược lại, trong cùng vô định hình, cellulose vô định hình có cấu trúc
lỏng lẻo, dễ bị thủy phân bởi enzyme cellulose và hóa chất. [8]
Giống như tinh bột, cellulose được cấu tạo dạng sợi, các sợi cellulose này
xếp đối song song tạo thành các vi sợi cellulose có đường kính khoảng 3,5 nm. Mỗi
vi sợi có nhiều nhóm OH tự do, vì vậy giữa các vi sợi ở cạnh nhau kết hợp với nhau
nhờ các liên kết hydro được tạo thành giữa các nhóm OH của chúng. Các vi sợi liên
kết với nhau tạo thành vi sợi lớn hay còn gọi là bó microfibrill có đường kính từ 10
- 20 nm, giữa các vi sợi trong microfibrill 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. [11]
Cellulose có cấu trúc rất bền và khó bị thủy phân. Cellulose không tan trong
nước nhưng có thể trương lên do hấp thu nước. Cellulose bị phân hủy khi đun nóng
với acid hoặc kiềm ở nồng độ cao. Tuy nhiên, cellulose bị phân hủy bởi enzyme
cellulase ở nhiệt độ 40 – 50 oC. [2] Ở người không có enzyme phân giải cellulose
(cellulase) nên không tiêu hóa được cellulose, vì vậy cellulose không có giá trị dinh
dưỡng. Tuy nhiên, về mặt tiêu hóa cellulose có rất nhiều ý nghĩa như tăng nhu động
ruột, đào thải phân, bảo vệ thành ruột, … Đối với động ăn cỏ (trâu, bò, …) trong
đường tiêu hóa có có vi khuẩn sinh enzyme cellulose phân giải cellulose thành
glucose. Vì vậy chúng có thể sử dụng cellulose làm thức ăn.

13

Hình 2. 3 Cấu trúc cellulose. [23]
2.2.2 Hemicellulose.
Hemicellulose là polysaccharide, mạch thẳng và có nhánh với thành phần
đơn phân đa dạng như đường 6 carbon (D – glucose, D – mannose, D – galactose)
và đường 5 carbon (D – xylose và L – arabinose), hemicellulose chứa phần lớn các
đường dạng D và rất ít đường dạng L. Trong đó, xylose luôn có mặt với lượng lớn,
ngoài ra còn có acid mannuronic và acid galacturonic. Khi bị thủy phân thì
hemicellulose cho glucoe và các đường khác như xylose, mannose, galactose,
arabinose, … Không có mạch dài như cellulose, hemicellulose có mạch ngắn hơn
khoảng 500 – 3000 gốc đường đơn. Trong khi cellulose có cấu trúc tinh thể bậc cao
chặt chẽ rất khó bị thủy phân thì hemicellulose có cấu trúc vô định hình với mạch
ngắn cấu trúc vô định hình dễ bị phá hủy bởi kiềm hoặc acid cũng như các enzyme
hemicellulase. [15]
Thành phần cơ bản của hemicellulose là β – D – xylopyranose, liên kết với
nhau bằng liên kết β – 1,4 – glycosidic. Tùy theo trong thành phần của


14

hemicellulose có chứa monosaccharide nào mà nó sẽ có những tên tương ứng như
manan, galactan, glucan, xylan … Đây 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, …
Hemicellulose có tính chất đặc biệt là không hòa tan được trong nước mà chỉ
tan trong dung dịch kiềm và bị thủy phân bởi enzyme xylanase. Hemicellulose 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. [7]

Hình 2. 4 Cấu trúc của xylan hemicellulose. [25]

2.2.3 Lignin.
Lignin là polymer, được cấu tạo từ các đơn vị là phenylpropene, được tìm
thấy trong hệ mạch thực vật, khoảng trống giữa cellulose và hemicellulose được lấp
đầy bởi chất keo dính lignin. 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. Lignin trong thành tế bào thực vật có chức năng giữ cho thành tế bào cứng
chắc và giòn, vận chuyển nước (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 các tác đông vật lý, hóa học và sâu bệnh từ môi trường bên ngoài. Về dinh
dưỡng, động vật không tiêu hóa được lignin, vì lignin liên kết với polysaccharide và
protein màng tế bào ngăn cản quá trình tiêu hóa. Lignin ngăn cản enzyme cellulase,
hemicellulase tiếp xúc với cơ chất dẫn đến giảm hiệu quả phân giải lignocellulose.
Trong chế biến, người ta dùng tác nhân cơ học, hóa học và vi sinh vật để hòa tan
hay biến tính lignin để giải phóng các bó sợi cellulose. [7]


15

Hình 2. 5 Các đơn vị cơ bản của lignin. [19]
2.3

Enzyme cellulase.

2.3.1 Giới thiệu chung về enzyme cellulase.
Cellulase là một phức hệ enzyme có tác dụng thủy phân cellulose thông qua
việc thủy phân liên kết β – 1,4 – D – glycosidic trong cellulose. Enzyme cellulase
đã được nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới, đây là enzyme được ứng dụng rất rộng
rãi, chỉ đứung sau protease và amylase. [10]
Người ta có thể thu nhận enzyme cellulase từ vi khuẩn như: Bacillus,

Clostridium, … hay từ nấm như: Trichoderma reesei, Trichoderma koningii,
Pleurotus sp, …. Trong đó, Trichoderma là một trong những giống nấm được
nghiên cứu nhiều nhất và đặc biệt là T. reesei vì chúng có khả năng sinh enzyme
cellulase với số lượng lớn và hoạt tính cao. Trichoderma có khả năng tổng hợp một
lượng lớn endoglucanase và exoglucanase nhưng chỉ một lượng ít β - glucosidase,
vi khuẩn chủ yếu tổng hợp endoglucanase và β - glucosidase, gần như không tạo ra
exoglucanase. Endoglucanase được tạo ra từ nhiều loại nấm mốc và vi khuẩn. [2]
2.3.2 Phân loại và cơ chế hoạt động.
Dựa vào đặc điểm của cơ chất và cơ chế phân cắt, enzyme cellulase được
chia làm ba loại:
•

Endoglucanase (EC 3.2.1.4): enzyme nội bào, enzyme này còn có tên gọi khác như
β - 1,4 – endoglucan hydrolase, endocellulase, CMCase, Cx, β - 1,4 – glucanase,...
Enzyme này thủy phân liên kết β - 1,4 – glycosidic một cách ngẫu nhiên bên trong


16

chuỗi cellulose để giải phóng cellodextrin, cellobiose và glucose; nó tác động mạnh
đến cellulose vô định hình nhưng tác động yếu đến cellulose kết tinh. [3]
• Exoglucanase (EC 3.2.1.91): enzyme ngoại bào, enzyme này còn có các tên gọi
khác như 1,4 – β – D – glucan cellobiohydrolase, exo – 1,4 – glucanase, cellulase
C1, cellobiohydrolase, cellobiosidase, … Enzyme này thủy phân liên kết β – 1,4 –
glycosidic từ đầu không khử của chuỗi cellulose để tạo thành cellobiose, không
thủy phân cellulose dạng kết tinh và hòa tan mà chỉ thay đổi tính chất hóa lý của
chúng. [2]
• β - glucosidase (EC 3.1.1.21): enzyme này còn có tên gọi khác như cellobiase,
salicilinase, emulsion, elaterase … thủy phân cellobiose và các cello –
oligosaccharide mạch ngắn tạo thành glucose, β - glucosidase không tấn công

cellulose hoặc các cellodextrin khác. [3]

Hình 2. 6 Quá trình phân cắt của hệ enzyme cellulose. [18]


17

2.3.3 Cấu trúc, tính chất và ứng dụng.
•

Cấu trúc: Cellulase có bản chất là protein, được cấu tạo từ các acid amin liên kết với
nhau bằng liên kết peptide – CO – NH –. Ngoài ra trong cấu trúc còn có những phần
phụ khác. Cấu trúc hoàn chỉnh của các loại enzyme nhóm endoglucanase và
exoglucanase gồm một trung tâm xúc tác, một đuôi (phần đuôi này xuất phát từ
trung tâm xúc tác và được glycosyl hóa), cuối đuôi là vùng liên kết với cellulose
(CBD: cellulose binding domain). Vùng này có vai trò tạo liên kết với cellulose tinh
thể. Sự có mặt của CBD hỗ trợ enzyme cellulase thực hiện việc cắt đứt nhiều liên

kết trong cellulose tinh thể, làm tăng hoạt tính xúc tác của enzyme. [9]
• Tính chất: cellulase hoạt động ở pH từ 3 – 7, nhưng pH tối thích trong khoảng 4 – 5.
Nhiệt độ tối ưu từ 40 – 50 oC, hoạt tính cellulase bị phá hủy hoàn toàn ở 80 oC
trong 10 – 15 phút. Cellulase bị ức chế bởi sản phẩm phản ứng của nó như glucose,
cellobiose và bị ức chế hoàn toàn bởi Hg. Ngoài ra, cellulase còn bị ức chế bởi các
ion kim loại khác như Mn, Ag, Zn ở mức độ nhẹ. [17]
• Ứng dụng:
- Trong công nghiệp dệt: người ta sử dụng cellulase để giữ màu vải sáng bền và
-

không bị sờn cũ, …
Trong sản xuất thức ăn gia súc: ứng dụng cellulase để phân hủy nguồn phế phẩm

-

giàu cellulose vừa là nguồn thức ăn cho gia súc, vừa góp phần bảo vệ môi trường.
Trong sản xuất nhiên liệu sinh học: nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu có thể phục
hồi được, được tạo ra từ sản phẩm của ngành nông nghiệp, thực phẩm, …
Bioethanol và biodiesel là hai loại nhiên liệu sinh học được sử dụng rộng rãi nhất
cho ngành giao thông vận tải, trong đó bioethanol được sản xuất nhờ enzyme
cellulose thủy phân sinh khối cellulose. [2]
2.4

Nấm men.

2.4.1 Hình dáng, kích thước và các đặc điểm chung của nấm men.
Nấm men là vi sinh vật điển hình cho nhóm nhân thật, có cấu tạo đơn bào,
không di động và sinh sản chủ yếu bằng hình thức nảy chồi.
Nấm men có hình dáng đa dạng như hình tròn, hình trứng (S. cerevisiae),
hình elip (S. ellipsoideus), hình quả chanh (S. apiculatus), đôi khi có hình chai (S.
ludwigii) hoặc hình ống dài (Pichia), ... Tuy nhiên hình dáng tế bào nấm men không


18

ổn định, phụ thuộc vào giống, điều kiện nuôi cấy và giai đoạn phát triển. Một số
loại tế bào nấm men có hình dài nối tiếp nhau thành những sợi nấm gọi là khuẩn ti
thể hay khuẩn ti giả. Sợi nấm chia thành hai loại: sợi nấm cơ chất giúp nấm bám
chặt vào cơ chất, hấp thu các chất dinh dưỡng trong cơ chất và sợi nấm khí sinh
phát triển trong không khí, trên bề mặt của cơ chất. [14]
Tế bào nấm men thường có kích thước lớn (gấp 10 lần so với tế bào vi
khuẩn), thay đổi tùy giống, loài. Tuy nhiên, kích thước trung bình khoảng từ 3 – 5 x

5 – 10 µm. [13]
Nấm men phân bố rộng rãi trong tự nhiên: đất, nước, ... đặc biệt là trong môi
trường có đường và pH thấp như trái cây, rau quả, rỉ đường, ... [13]
Nấm men có khả năng sinh sản nhanh chóng, sinh khối của chúng giàu
protein, vitamin và lipid. Nấm men có khả năng lên men các loại đường để tạo
thành rượu trong điều kiện yếm khí, còn trong điều kiện hiếu khí thì chúng lại có
khả năng tạo thành sinh khối tế bào. Vì thế nấm men được ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp thực phẩm để sản xuất rượu, bia, nước giải khát lên men,, sản xuất
bánh mì, sản xuất protein sinh khối, … Tuy nhiên cũng có một số nấm men dại có
hại cho sản xuất, làm nhiễm các quá trình công nghệ và gây hư hỏng sản phẩm. [16]

Hình 2. 7 Hình
men.

dáng tế bào nấm


19

2.4.2 Cấu tạo tế bào nấm men.
Về cơ bản tế bào nấm men giống như tế bào động vật và thực vật, đều được
cấu tạo từ các thành phần sau: vách tế bào, màng nguyên sinh chất, nguyên sinh
chất, ti thể, nhân, không bào, ribosome, ...
•

Vách tế bào: khi non mỏng sau đó dày dần lên. Vách tế bào chủ yếu là glucan và
mannan (chiếm 80 %), còn lại là protein (10 – 20 %), một ít lipid, đôi khi là các

polyphosphate, enzyme, sắc tố. Đặc biệt vách tế bào nấm men còn có kitin. [13]
• Màng nguyên sinh chất: cấu tạo chủ yếu là protein chiếm 50 % khối lượng khô, còn

lại là lipid 40 % và một ít polysaccharide. Màng nguyên sinh có một số chức năng
cơ bản như rào chắn thẩm thấu, điều chỉnh chất dinh dưỡng từ môi trường vào trong
tế bào và ngược lại, ... [16]
• Nguyên sinh chất: còn gọi là tế bào chất, được cấu tạo từ protein, lipid, chất khoáng,
nước, ... Nguyên sinh chất chứa đầy đủ các cơ quan của tế bào như ti thể, nhân,
ribosome, ... [14]
• Ti thể: được coi là trạm năng lượng của nấm men, tham gia thực hiện các phản ứng
•

oxi hóa giải phóng điện tử, tham giá vào quá trình tổng hợp protein, lipid, ... [16]
Nhân: khác với tế bào vi khuẩn, tế bào nấm men có nhân thật. Nhân có hình tròn
hoặc hình bầu dục. Nhân tế bào nấm men có cấu tạo gồm protein, DNA, RNA,

enzyme, ... [14]
• Không bào: là loại túi có chứa dịch bào trong đó có enzyme, polyphosphate, ion
kim loại, ... Tế bào già có không bào lớn hơn ở tế bào non. [13]
• Ribosome: các hạt có chức năng tổng hợp protein, có hai loại 70S và 80S. [16]


20

Hình 2. 8 Cấu tạo tế bào nấm men. [20]
2.4.3 Phân loại nấm men.
Nấm men có thể phân loại thành 2 lớp: lớp nấm men thật (Ascomycetes) và
lớp nấm men giả (Deuteromecetes hay Fungi imperfect).
•

Lớp nấm men thật (lớp nấm túi, Ascomycetes): là những nấm sinh bào tử nang.
Gồm các giống như Saccharomyces (được sử dụng phổ biến trong công nghiệp),
giống Endomyces (đặc biệt loài Endomyces vernalis dùng trong thế chiến thứ nhất

để tổng hợp chất béo), giống Zygosaccharomyces (tham gia vào lên men rượu vang,

đặc biệt lên men đậu tương tạo ra thức uống đặc biệt), ... [12]
• Lớp nấm men giả (lớp nấm bất toàn, Deuteromycetes hay Fungi imperfect): nấm
trong lớp này không tạo thành bào tử. Gồm các giống như Cryptoccocus, Candida,
Rhodotorula, ... [1]
2.4.4 Sinh sản của nấm men.
•
-

Sinh sản vô tính.
Nảy chồi: đây là hình thức sinh sản chủ yếu của nấm men. Khi nấm men trưởng
thành, thành tế bào sẽ mở ra để tạo một chồi nhỏ, chồi lớn dần, một phần nhân của
tế bào mẹ chuyển sang chồi, sau đó tách ra thành nhân mới, hình thành vách ngăn
ngăn cách với tế bào mẹ và tạo nên một tế bào mới. Tế bào mới được tạo thành có
thể tách khỏi tế bào mẹ hoặc dính trên tế bào mẹ. Khi tế bào mới tách ra sẽ để lại
một vết sẹo tại chỗ tách trên tế bào mẹ và chồi mới không được hình thành tại vết
sẹo đó. [1]


21

Hình 2. 9 Tế bào nấm men sinh sản bằng cách nảy chồi
-

Phân chia tế bào: một số ít nấm men có khả năng phân chia tế bào giống vi khuẩn.
Tế bào dài ra, sau đó sinh ra những vách ngăn đặc biệt và phân chia thành hai hay

nhiều tế bào. [1]
• Sinh sản hữu tính.

Tế bào nấm men có thể sinh sản bằng túi hay nang bào tử. Túi bào tử được
sinh ra do sự tiếp hợp của hai tế bào nấm men. Khi hai tế bào khác giới đứng gần
nhau, ở mỗi đầu của một tế bào sẽ mọc ra mấu lồi và tiến sát vào nhau, hai tế bào
tiếp hợp với nhau và hình thành một hợp tử, sau đó sẽ phối nguyên sinh chất và
phối nhân. Nhân của hợp tử phân chia thành 2, 4 hoặc 8 nhân mới và mỗi nhân con
cùng với nguyên sinh chất tạo thành một bào tử, gặp điều kiện thích hợp bào tử sẽ
phát triển thành một tế bào nấm mem mới. [16]
2.4.5 Dinh dưỡng đối với nấm men.
•

Nguồn Carbon: nấm men sử dụng để thực hiện quá trình trao đổi chất, xây dựng và
đổi mới tế bào. Các hợp chất hữu cơ như đường và dẫn xuất, rượu, acid hữu cơ,... có
thể sử dụng làm nguồn carbon cho nấm men sử dụng. Đường hexose đặc biệt là
glucose được coi như nguồn C vạn năng đối với tất cả các loài vi sinh vật. Đối với
nhiều loài nấm men, trong đó có giống Saccharomyces lên men cồn không sử dụng

được đường pentose (đường 5C). [12]
• Nguồn Nito: cần thiết cho sự phát triển sinh khối tế bào vì nito tham gia vào quá
trình tạo protein, acid nucleic và nhiều chất có hoạt tính sinh học khác. Nguồn nito
vô cơ thường là amoni sulfat, muối acetate, lactate, ... Nguồn nito hữu cơ thường là
hỗn hợp các acid amin, các peptid, các nucleotide... Trong thực tế, người ta hay
dùng cao ngô, cao nấm men, dịch thủy phân protein tự nhiên (đậu tường, khô lạc,...)
làm nguồn nito hữu cơ. Cần phải lưu ý rằng, nấm men chỉ sử dụng được acid amin
ở dạng tự nhiên L – acid amin. [13]
• Nguyên tố vô cơ: phospho được quan tâm trước hết, sau đó là K, S, Mg, ... Phospho
tham gia vào các thành phần quan trọng của tế bào như: các nucleotide, acid
nucleic, polyphosphate, phospholipid, ... Lưu huỳnh là thành phần của một số acid
amin trong phân tử protein và là nhóm phụ (- SH) của một số enzyme CoA. Những

22

chất chứa lưu huỳnh như acid amin (cystine, cystein, methionine), vitamin
(thiamine, biotin), ... Các nguyên tố vi lượng như Mn, Cu, Fe, Zn, ... cũng rất cần
•

thiết để quá trình sinh lý trong tế bào nấm men được diễn ra bình thường. [12]
Các chất sinh trưởng: cần cho sự phát triển bình thường của nấm men như vitamin,
purine, pyrimidine, biotin, ... Trong công nghiệp, người ta thường dùng cao ngô, cao
nấm men, nước chiết cám, dịch thủy phân đậu tương, rỉ đường làm nguồn vitamin.
Trong các thí nghiệm nuôi cấy ở phòng thí nghiệm hoặc ở quy mô nhỏ có thể dùng
dịch chiết từ giá đậu, từ khoai tây, bắp cải, ... làm nguồn vitamin bổ sung vào môi
trường. [13]
2.4.6 Cơ chế của quá trình lên men tạo ethanol.
Nấm men là vi sinh vật hiếu khí tùy tiện, chúng có thể sống trong điều kiện
hiếu khí cũng như kị khí. Trong quá trình sống, nấm men sử dụng các chất dinh
dưỡng từ môi trường để xây dựng tế bào, đồng thời tạo ra một số sản phẩm tùy
thuộc vào điều kiện sống khác nhau. Loài S. cerevisiae dùng trong công nghiệp sản
xuất cồn, ở giai đoạn đầu của quá trình sản xuất, môi trường có một lượng oxy nhất
định nấm men sử dụng để sinh trưởng, tăng sinh khối, tạo năng lượng (36 – 38
ATP); khi hết oxy nấm men chuyển sang lên men tạo ethanol và CO 2. Cơ chế của
quá trình lên men glucose tạo ra cồn của Saccharomyces được biểu hiện theo hình
2.10.


23

Hình 2. 10 Quá trình lên men ethanol từ Glucose.

24

2.5

Các nghiên cứu trong và ngoài nước.

2.5.1 Nghiên cứu trong nước.
•

Trần Diệu Lý (2008) “Nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học từ rơm rạ bằng phương
pháp nổ hơi, thủy phân bằng cellulase và lên men với Saccharomyces cerevisiae”.
Kết quả cho thấy từ 1 kg rơm thô qua quá trình thủy phân và lên men đồng thời thu

•

được 113,72 g ethanol tương đương 144 mL ethanol.
Nguyễn Xuân Cự (2010) “Nghiên cứu khả năng thủy phân bằng acid loãng và bước
đầu đánh giá hiệu quả sản xuất ethanol sinh học từ thân cây ngô”. Kết quả, quá trình
thủy phân thân cây ngô bằng H 2SO4 2 % ở 121 oC trong 60 phút có hàm lượng
đường khử hình thành khá cao (4,2 g/L) trong dung dịch có tỷ lệ nguyên liệu/ dung
dịch là 1/10 (w/v). Sử dụng S. cerevisiae lên men có thể chuyển hóa khoảng 70 %
lượng đường khử trong dung dịch thành ethanol với nồng độ đạt tới 2,7 % theo thể

tích.
• Huỳnh Xuân Phong (2015) “Nghiên cứu khả năng thủy phân vỏ trái ca cao bằng
acid ứng dụng trong sản xuất ethanol sinh học”. Kết quả cho thấy quá trình thủy
phân vỏ trái ca cao khô ở 90 oC đạt hiệu suất 63,79 % sau 8 giờ bằng acid HCl
0,75M và nồng độ glucose đạt 7,22 % (w/v). Dịch thủy phân được lên men bằng
chủng nấm men S. cerevisiae VLK06 trong 5 ngày, lượng ethanol thu được 4,31 %
(v/v).

• Huỳnh Xuân Phong (2017) “Nghiên cứu điều kiện thủy phân và lên men Ethanol từ
vỏ xoài sử dụng nấm men S. cerevisiae”. Kết quả nghiên cứu cho thấy vỏ xoài khi
được thủy phân với nồng độ H 2SO4 3 % (v/v) ở 121 oC trong 1 giờ có hàm lượng
đường khử cao nhất là 8,49 % (w/v). Điều kiện lên men ethanol từ dịch thủy phân
vỏ xoài được xác định ở pH 5,5, mật số tế bào nấm men 10 5 tế bào/mL và lên men 7
ngày ở nhiệt độ 30 oC, hàm lượng ethanol đạt 3,08 % (v/v).
• Ngô Thị Phương Dung (2017) “Lên men ethanol từ rỉ đường sử dụng nấm men chịu
nhiệt”. Kết quả, điều kiện thích hợp của chủng S. cerevisiae Y81 khi lên men
ethanol rỉ đưởng 40 oC được xác định là: nồng độ đường 186 g/L, mật số giống
chủng 107 tế bào/mL và lên men 6 ngày, hàm lượng ethanol đạt 7,36 % (v/v).
• Nguyễn Minh Trí (2017) “Tuyển chọn chủng nấm men có hoạt lực cao và đánh giá
hiệu suất lên men ethanol dịch thủy phân bào Nhật Bản bằng acid loãng”. Kết quả,


25

các thông số tối ưu cho quá trình thủy phân bèo Nhật Bản bằng dung dịch acid
H2SO4 loãng: thời gian thủy phân là 120 phút với acid H2SO4 1 % ở nhiệt độ 100 oC.
Sau quá trình lên men dịch thủy phân bèo Nhật Bản bằng S. cerevisiae QN1, hàm
lượng ethanol đạt giá trị cao nhất là 18,969 g/L ở thời điểm 48 giờ.
2.5.2 Nghiên cứu ngoài nước.
•

Suhas V Bhandari, Arun Panchapakesan, Naveen Shankar, H. G. Ashok Kumar
(2013) “Production of Bioethanol From Fruit Rinds by Saccharification and
Fermentation”. Kết quả, khi thực hiện đường hóa vỏ mít, vỏ dứa, vỏ dưa hấu và vỏ
dưa bở sử dụng nấm mốc T. viride ở nhiệt độ phòng trong 144 giờ thu được lượng
đường khử tương ứng là: 10,28 mg/L, 10,18 mg/L, 4,16 mg/mL và 7,43 mg/mL.
Khi lên men bằng nấm men S. cerevisiae ở 96 giờ thu được lượng ethanol tương

ứng là: 4,96 g/L, 4,38 g/L, 3,08 g/L và 1,89 g/L.
• Jutarut Pornpunyapat, Wilaiwan Chotigeat, Pakamas Chetpattananondh (2014)
“Bioethanol Production from Pineapple Peel Juice using Saccharomyces
Cerevisiae”. Nước ép dứa có pH ban đầu là 5.0 được lên men bằng S. cerevisiae với
hàm lượng khác nhau (1, 3 và 5 % lượng nước ép) và thời gian lên men (3, 5 và 7
ngày). Kết quả chỉ ra rằng sản xuất ethanol tối ưu với lượng nấm men là 5 % và thời
gian lên men là 5 ngày cho lượng ethanol là 9,08 g/L.
• Wahidin Nurian, Wuryantoro (2015) “Ethanol Synthesis From Jackfruit (Artocarpus
heterophyllus Lam.) Stone Waste as Renewable Energy Source”. Kết quả, thủy phân
hạt mít với HCl 25 %, pH 3.5 ở 135 oC trong 30 phút thu được lượng được khử là
17,36 %. Trong khi thủy phân bằng enzyme α - amylase ở 90 oC trong 30 phút thu
được lượng đường khử cao hơn là 19,24 %. Dịch thủy phân bằng enzyme được sử
dụng để lên men bằng S. cerevisiae có bổ sung urea, N-P-K. Quá trình lên men thực
•

hiện từ 3 đến 6 ngày và thu được lượng ethanol tương ứng là 11 % đến 13 %.
S. Vaitheki and B. Deepa (2016) “A Comparative Study on the Production of
Bioethanol from Individual and Mixed Fruit Wastes”. Khi xử lý bột vỏ (chuối, dứa,
đu đủ và hỗn hợp 3 loại vỏ) bằng nước ở 121 oC trong 15 phút, sau đó lên men
bằng S. cerevisiae ở 35 oC trong 72 giờ kết hợp lắc ở 150 rpm. Kết quả thu được