Bước đầu nghiên cứu enzyme xylanolytic và cellulolytic từ một chủng vi khuẩn ưa nhiệt - Chương 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Cấu trúc của lignocellulose
1.1.1. Cấu trúc thành tế bào thực vật
Trong tự nhiên, các lớp của thành tế bào thực vật được minh họa bằng mô hình
của gỗ (Hình 1.1). Ở giữa các tế bào, có một hợp chất đóng vai trò như keo dán gắn kết
các tế bào lại với nhau, đó là lớp gian bào (middle lamella). Lớp này cấu tạo từ các chất
keo, có bản chất pectin và không có tác động về quang học. Bên trong là thành tế bào sơ
cấp (primary wall).
Hình 1.1: Cấu trúc thành tế bào thực vật [37]
Thành tế bào sơ cấp có thể được chia thành mặt bên trong và mặt bên ngoài. Sự
sắp xếp của các vi sợi trong thành tế bào sơ cấp phân tán tăng dần từ mặt trong ra mặt
ngoài. Tiếp đến là thành tế bào thứ cấp gồm 3 lớp: lớp ngoài (S1), lớp giữa (S2) và lớp
trong (S3). Sự phân chia thành tế bào thứ cấp thành ba lớp S chủ yếu là do sự định
hướng khác nhau của các vi sợi trong ba lớp đó. Điển hình các vi sợi định hướng xoắn
trong vách tế bào. Lớp ngoài của thành tế bào thứ cấp, các vi sợi được định hướng trong
cấu trúc xoắn chéo có độ nghiêng tạo thành một góc lớn với trục dọc của tế bào. Lớp
1
giữa là lớp dày nhất và ở lớp giữa có góc nhỏ và độ nghiêng của sợi xoắn ốc trong khi vi
sợi trong lớp 3 được sắp xếp như ở lớp ngoài, với một góc rộng với trục dọc của tế bào.
Ngoài ra trong một số trường hợp, trên mặt trong của thành tế bào có lớp sần sùi (W).
Chức năng của thành tế bào là chống đỡ cho các cơ quan của cây đặc biệt là các vách
dày và cứng. Thành tế bào còn giữ các chức năng quan trọng chính như hấp thụ, thoát
hơi nước hay vận chuyển và bài tiết.
Lignocellulose là thành phần
cấu trúc chính của thực vật thân gỗ
và các thực vật khác như cỏ, lúa,
ngô…Trong tự nhiên, chúng ta có
thể tìm thấy lignocellulose ở thực
vật hay các chất thải nông nghiệp,
lâm nghiệp và các chất thải rắn
trong thành phố. Thành phần chủ

yếu của lignocellulose là cellulose,
hemicellulose và lignin (Hình 1.2).
Cellulose và hemicellulose là các
đại phân tử cấu tạo từ các gốc
đường khác nhau, trong khi lignin là
một polymer dạng vòng được tổng
hợp từ tiền phenylpropanoid. Thành
phần cấu tạo và phần trăm của các
polymer này là khác nhau giữa các
loài. Hơn nữa, thành phần cấu tạo
trong cùng một cây hay các cây khác
nhau là khác nhau dựa vào độ tuổi,
giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây và
các điều kiện khác. Thành phần của
lignocellulose được trình bày ở bảng 1.1 [9].
Hình 1.2: Thành phần chủ yếu của
lignocellulose
2
Bảng 1.1: Thành phần lignocellulose trong rác thải và phế phụ liệu
nông nghiệp phổ biến [9]
Nguồn lignocellulose Cellulose (%) Hemicellulose (%) Lignin (%)
Thân gỗ cứng 40-55 24-40 18-25
Thân gỗ mềm 45-50 25-35 25-35
Vỏ lạc 25-30 25-30 30-40
Lõi ngô 45 35 15
Giấy 85-99 0 0-15
Vỏ trấu 32.1 24 18
Vỏ trấu của lúa mì 30 50 15
Rác đã phân loại 60 20 20
Lá cây 15-20 80-85 0

Hạt bông 80-95 5-20 0
Giấy báo 40-55 25-40 18-30
Giấy thải từ bột giấy hóa học 60-70 10-20 5-10
Chất rắn nước thải ban đầu 8-15 - 24-29
Chất thải của lợn 6 28 -
Phân bón gia súc 1.6-4.7 1.4-3.3 2.7-5.7
Cỏ ở bờ biển Bermuda 25 35.7 6.4
Cỏ mềm 45 31.4 12.0
Các loại cỏ (trị số trung bình
cho các loại)
25-40 25-50 10-30
Bã thô 33.4 30 18.9
Lượng lớn lignocellulose được thải ra từ các ngành lâm nghiệp, nông nghiệp,
công nghiệp giấy và gây ra ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, lượng lớn các sinh khối
thực vật dư thừa được coi là rác thải có thể được biến đổi thành nhiều sản phẩm có
giá trị khác nhau như nhiên liệu sinh học, hóa chất, các nguồn năng lượng rẻ cho
3
quá trình lên men, bổ sung chất dinh dưỡng cho con người và thức ăn cho động vật
[15].
1.1.2. Cellulose
Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức cấu tạo (C
6
H
10
O
5
)
n,
và là thành
phần chủ yếu của thành tế bào thực vật, gồm nhiều cellobiose liên kết với nhau, 4-

O- (β-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose (Hình 1.3). Cellulose cũng là hợp chất
hữu cơ nhiều nhất trong sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp được khoảng 10
11
tấn cellulose (trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% và trong bông chiếm khoảng
90%).
Hình 1.3: Công thức hóa học của cellulose
Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết van
Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là tinh thể và vô định hình. Trong
vùng tinh thể, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn
công bởi enzyme cũng như hóa chất. Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose
liên kết không chặt với nhau nên dễ bị tấn công [40]. Có hai mô hình cấu trúc của
cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng tinh thể và vô định hình như hình 1.4
[29].
4
Hình 1.4: Mô hình Fringed fibrillar và mô hình chuỗi gập
Trong mô hình Fringed Fibrillar: phân tử cellulose được kéo thẳng và định
hướng theo chiều sợi. Vùng tinh thể có chiều dài 500 Å và xếp xen kẽ với vùng vô
định hình.
Trong mô hình chuỗi gập: phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi. Mỗi
đơn vị lặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn bởi hai điểm a và b như trên
hình vẽ. Các đơn vị đó được sắp xếp thành chuỗi nhờ vào các mạch glucose nhỏ,
các vị trí này rất dễ bị thủy phân. Đối với các đơn vị lặp lại, hai đầu là vùng vô định
hình, càng vào giữa, tính chất kết tinh càng cao. Trong vùng vô định hình, các liên
kết β - glycoside giữa các monomer bị thay đổi góc liên kết, ngay tại cuối các đoạn
gấp, 3 phân tử monomer sắp xếp tạo sự thay đổi 180
o
cho toàn mạch. Vùng vô định
hình dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy phân hơn vùng tinh thể vì sự thay đổi góc
liên kết của các liên kết cộng hóa trị (β - glycoside) sẽ làm giảm độ bền của liên kết,
đồng thời vị trí này không tạo được liên kết hydro [2].

Cellulose có cấu tạo tương tự carbohydrate phức tạp như tinh bột và
glycogen. Các polysaccharide này đều được cấu tạo từ các đơn phân là glucose.
Cellulose là glucan không phân nhánh, trong đó các gốc glucose kết hợp với nhau
5
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.
1.1.3. Lignin
Lignin là một phức hợp chất hóa học phổ biến được tìm thấy trong hệ mạch
thực vật, chủ yếu là giữa các tế bào, trong thành tế bào thực vật. Lignin là một trong
các polymer hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất. Lignin có cấu trúc không gian 3
chiều, phức tạp, vô định hình, chiếm 17% đến 33% thành phần của gỗ. Lignin
không phải là carbohydrate nhưng có liên kết chặt chẽ với nhóm này để tạo nên
màng tế bào giúp thực vật cứng chắc và giòn, có chức năng vận chuyển nước trong
cơ thể thực vật (một phần là để làm bền thành tế bào và giữ cho cây không bị đổ,
một phần là điều chỉnh dòng chảy của nước), giúp cây phát triển và chống lại sự tấn
công của côn trùng và mầm bệnh. Thực vật càng già, lượng lignin tích tụ càng lớn.

6
Hơn nữa, lignin đóng vai trò quan trọng trong chu trình carbon, tích lũy carbon khí
quyển trong mô của thực vật thân gỗ lâu năm, là một trong các thành phần bị phân
hủy lâu nhất của thực vật sau khi chết, để rồi đóng góp một phần lớn chất mùn giúp
tăng khả năng quang hợp của thực vật.
Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu
đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng
cellulose và hemicellulose. Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn.
Lignin là polymer, được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị
cấu trúc điển hình là: guaiacyl (G), trans-coniferyl alcohol; syringyl (S), trans-
sinapyl alcohol; p-hydroxylphenyl (H), trans-p-courmary alcohol (Hình 1.5).
Hình 1.5: Các đơn vị cơ bản của lignin [14]
Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc
của nó trong gỗ. Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ,
lignin có thể được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringyl
lignin.
Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Các
nghiên cứu đã chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy
loại nguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin [29].
Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hoàn toàn không đồng nhất
trong cấu trúc. Lignin dường như bao gồm vùng vô định hình và các vùng có cấu
7
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.
8