Tìm hiểu các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ

Khoá luận tốt nghiệp 2011

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề:
Nước ta là một nước nông nghiệp và hàng năm thải ra một lượng lớn đến hàng
triệu tấn các chất phế thải như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, vỏ lạc, rơm, vỏ cafe,… Cụ thể,
mỗi năm nguồn sinh khối trấu của nước ta khoảng 100 triệu tấn, mùn cưa 250 triệu tấn,
vỏ lạc 4,5 triệu tấn, vỏ hạt điều, bã mía, gỗ vụn khoảng 400 triệu tấn. Trong đó, phụ
phẩm trấu tập trung chủ yếu tại Đồng bằng Sông Cửu Long, Đồng bằng Bắc Bộ và
duyên hải Nam trung bộ. Phụ phẩm mùn cưa tập trung nhiều ở Miền Trung, Tây
Nguyên, Tây Bắc. Vỏ cà phê có nhiều ở các tỉnh Tây Nguyên.
Mặt hạn chế của phụ phẩn nông nghiệp là một số loại có hàm lượng chất xơ rất
cao, thí dụ rơm lúa chứa 34% chất xơ, cịn lá mía chứa 43% tính trong chất khơ, nên rất
khó tiêu hóa. Mặt khác một số loại phụ phẩm lại khó chế biến và dự trữ khi thu hoạch
đồng loạt như cây lạc, dây lang, ngọn lá sắn, lá mía...
Một số nơi người nông dân sử dụng các phế thải nông nghiệp để làm chất đốt
nhưng không hiệu quả, hoặc đốt bỏ gây ô nhiễm môi trường sống nghiêm trọng, thậm
chí ở một số nơi chúng khơng được sử dụng rất lãng phí. Cùng với sự phát triển của nề
nơng nghiệp, qui mô sản xuất ngày càng lớn và tập trung, các chế phẩm nông nghiệp
ngày càng nhiều, việc nghiên cứu sử dụng chúng phục vụ cho đời sống và công nghiệp
càng trở nên cần thiết. Những hướng ứng dụng để xử lý nguồn phụ phẩm nơng nghiệp
có thể tìm hiểu được thông qua đề tài này là:
 Sử dụng làm thức ăn cho gia súc.
 Làm phân compost.
 Làm bio-ethanol.
 Nhiều ứng dụng khác:làm chất đốt, sản xuất biogas,…

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

1

Khố luận tốt nghiệp 2011

Việc chọn đề tài: “Tìm hiểu các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ”
cũng là mục đích nhằm tìm hiểu rõ hơn việc làm thế nào để xử lý một cách có hiệu quả
nhất nguồn phụ phế phẩm giàu xơ trong nước.
1.2. Mục tiêu:
Tìm hiểu thành phần cấu tạo các phụ phế phẩm giàu xơ ở Việt Nam và các
phương pháp xử lý thích hợp để ứng dụng làm thức ăn đại gia súc, ủ compost làm phân
bón và sản xuất bio-ethanol.
1.3. Nội dung nghiên cứu:


Tổng quan về phụ phế phẩm giàu xơ:
 Thành phần cấu tạo phụ phế phẩm giàu xơ.
 Các enzyme phân hủy phụ phế phẩm giàu xơ.



Tổng quan về các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ: hóa lý
và sinh học.



Tổng quan về thức ăn gia súc nhai lại và các qui trình xử lý phụ phế
phẩm giàu xơ làm thức ăn gia súc nhai lại.



Tổng quan về các phương pháp ủ compost phụ phế phẩm giàu xơ làm
phân bón hữu cơ.



Tổng quan về phụ phế phẩm giàu xơ để sản xuất bio-ethanol.

1.4. Phương pháp thực hiện khóa luận:
Tổng hợp tài liệu
Tham khảo ý kiến chuyên gia.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

2


Khoá luận tốt nghiệp 2011

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHỤ PHẾ PHẨM NƠNG NGHIỆP
2.1. Định nghĩa phụ phế phẩm nơng nghiệp:
Là những sản phẩm nông nghiệp không đạt tiêu chuẩn về kích thước, phẩm chất,
giá trị sử dụng... đã quy định, phải loại bỏ nhằm đảm bảo yêu cầu sử dụng hoặc chế
biến.
Phụ phẩm nông nghiệp đều là những chất hữu cơ, có thể cịn non, xanh; có thể đã
xơ cứng vì silic hố như trấu hay lignin hố như gỗ. Chúng cịn có thể được xem như là
một dạng tích trữ năng lượng từ mặt trời nhờ q trình quang tổng hợp và các quá trình
sinh học khác trong sản xuất nơng nghiệp.
2.2. Nguồn gốc, thành phần và tính chất phụ phế phẩm nơng nghiệp:
2.2.1. Nguồn gốc:

Trong q trình sản xuất nông nghiệp hay chế biến nông sản, bên cạnh những sản
phẩm chính, dù muốn hay khơng chúng ta cũng cịn có những phần sản phẩm phụ
khác. Chẳng hạn khi trồng lúa, ngoài hạt lúa thu hoạch được, ta cịn có rơm, gốc rạ; khi
xay lúa, ngồi gạo, ta cịn có tấm, cám, trấu, bụi,…Khi chăn ni gia súc, ngồi sản
phẩm chính là thịt, trứng hay sữa, sức kéo, ta cịn có phân…
Khối lượng phụ phẩm này rất lớn, riêng đối với các loại cây ngũ cốc, phần ăn
được chỉ chiếm phân nửa hay một phần ba khối lượng. Những phụ phẩm này thực sự
là nguồn tài nguyên phong phú và có giá trị; chúng cịn có thể được sử dụng cho nhiều
mục đích khác nhau và có thể tạo thêm giá trị, thu nhập cho nông dân, nếu khơng,
chúng có thể gây nên ơ nhiễm mơi trường.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

3


Khố luận tốt nghiệp 2011

2.1.1. Thành phần và tính chất:
Ở nước ta nguồn phụ phẩm nơng nghiệp được ước tính dựa trên khảo sát khối
lượng thực tế của từng loại phụ phẩm tính trên một đơn vị diện tích, sau đó ước tính
tổng khối lượng cho tồn quốc, dựa vào số liệu thống kê về diện tích gieo trồng hàng
năm. Khối lượng này được quy đổi ra chất khô để tiện cho việc so sánh, đánh giá (bảng
2.1).
Bảng 2.1: Ước tính khối lượng các nguồn phụ phẩm nơng nghiệp chính ở Việt Nam
Tên phụ phẩm

Diện tích gieo trồng (triệu Khối lượng phụ phẩm
ha/ năm)

(Tr. tấn chất khô/ năm)

Rơm lúa

7,5

25,0

Cây ngô (đã thu bắp)

0,65

2,0

Dây lạc

0,27

0,48

Dây lang

0,26

0,24

Ngọn, lá sắn

0,23

0,29

Lá mía

0,28

0,42

Tổng cộng

-

28,4

(Nguồn: Số liệu thống kê 2001 – NXB Thống kê, 2002; Bùi Văn Chính, lê Viết Ly,
1996,2001)
Mặt hạn chế của phụ phẩn nơng nghiệp là một số loại có hàm lượng chất xơ rất
cao, thí dụ rơm lúa chứa 34% chất xơ, cịn lá mía chứa 43% tính trong chất khơ, nên rất
khó tiêu hóa. Mặt khác một số loại phụ phẩm lại khó chế biến và dự trữ khi thu hoạch
đồng loạt như cây lạc, dây lang, ngọn lá sắn, lá mía...

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

4


Khố luận tốt nghiệp 2011

Đó cũng là một lý do làm cho người nông dân chỉ sử dụng được một phần các
loại phụ phẩm này ở dạng tươi làm thức ăn cho gia súc.
Bảng 2.2: Giá trị dinh dưỡng của một số phụ phẩm nơng nghiệp ở Việt Nam
% tính trong chất khô
Tên phụ phẩm

Chất

Chất xơ

Protein

khô (%)

Tổng các chất Năng lượng trao
dinh
tiêu

dưỡng đổi - ME, (Kcal/
hóa

- kg chất khơ)

TDN
Rơm lúa

90,8

34,3

5,1

45,9

1662

Cây ngơ già

61,6

31,5

7,6

54,1

1958

Lá mía

28,8

42,9

8,2

49,3

1778

Dây lang

20,0

24,5

11,0

59,5

2160

Dây lạc

22,5

27,7

14,1

63,5

2289

Ngọn, lá sắn

25,5

22,7

16,9

67,5

2549

Các số liệu ở (bảng 2.2) cho thấy hàm lượng xơ của rơm lúa, cây ngơ già và lá
mía khá cao; nên rất cần được chế biến bằng các tác nhân hóa học hay sinh học để
nâng cao tỷ lệ tiêu hóa chất xơ và các chất hữu cơ khác.
Nhìn chung các loại phụ phẩm đều chứa một nguồn các chất dinh dưỡng tiềm
tàng khá cao, nhưng tổng các chất dinh dưỡng tiêu hóa được (TDN) cịn khá thấp. Do
đó cịn nhiều khả năng nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn các chất dinh dưỡng tiềm tàng
này trong các phụ phẩm nông nghiệp nếu chúng ta tác động bằng khâu chế biến và phối
hợp khẩu phần một cách hợp lý để nâng cao tỷ lệ tiêu hóa chất hữu cơ của chúng.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

5


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Về nguyên tắt chất xơ trong rơm rạ và các loại thức ăn thô tương tự chủ yếu là
cellulose, hemicelluloses, và lignin, gọi chung là lignocellulose. Giữa chúng
có các liên kết hố học tạo nên từ sự bền vững của màng tế bào thực vật.
2.3. Thành phần cấu tạo phụ phế phẩm giàu xơ
2. 3.1. Cấu trúc của lignocelluloses:
2.3.1.1. Cấu trúc thành tế bào thực vật :
Trong tự nhiên, các lớp của thành tế bào thực vật được minh họa bằng mơ hình

của gỗ (Hình 3.1). 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 khơng có tác động về quang học. Bên trong là thành tế
bào sơ cấp (primary wall).

Hình 2.1: Cấu trúc thành tế bào thực vật
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).
SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

6


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Sự phân chia thành tế bào thứ cấp thành ba lớp S chủ yếu là do sự định hướng
khác nhau của các vi sợi trong ba lớp đó. Điển hình các vi sợi định hướng xoắn trong
vách tế bào. Lớp ngoài của thành tế bào thứ cấp, các vi sợi được định hướng trong cấu
trúc xoắn chéo có độ nghiêng tạo thành một góc lớn với trục dọc của tế bào. Lớp giữa
là lớp dày nhất và ở lớp giữa có góc nhỏ và độ nghiêng của sợi xoắn ốc trong khi vi sợi
trong lớp 3 được sắp xếp như ở lớp ngồi, 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 3.2).
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 3.1).

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

7


Khố luận tốt nghiệp 2011

Hình 2.2: Thành phần chủ yếu của lignocelluloses

Hình 2.3: Tỉ lệ % các thành phần có trong lignocelluloses

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

8


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Bảng 2.3: Thành phần lignocellulose trong rác thải và phế phẩm phổ biến

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 bong

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

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

9


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Các loại cỏ (trị số trung bình 25-40

25-50

10-30

30

18.9

cho các loại)
Bã thơ

33.4

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.
2.3.1.2. Cellulose :
Cellulose là hợp chất hữu cơ có cơng 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-DGlucopyranosyl)-D-glucopyranose (Hình 3.4). 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 2.4: Cơng 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 vơ định hình. Trong vùng tinh
thể, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn cơng bởi

enzyme cũng như hóa chất.

SVTH: Trần Ngọc Phú Q
Lớp: 08CSH2

10


Khố luận tốt nghiệp 2011

Ngược lại, trong vùng vơ định hình, cellulose liên kết khơng chặt với nhau nên dễ
bị tấn cơng. Có hai mơ hình cấu trúc của cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng
tinh thể và vơ định hình như (Hình 3.5).

Hình 2.5: Mơ hình Fringed fibrillar và mơ hình chuỗi gập
Trong mơ 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 vơ định hình.
Trong mơ 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 vơ định hình, càng vào giữa,
tính chất kết tinh càng cao. Trong vùng vơ 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 tồn mạch.

SVTH: Trần Ngọc Phú Q
Lớp: 08CSH2

11

Khố luận tốt nghiệp 2011

Vùng vơ 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 khơng 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. Cellulose là
glucan khơng phân nhánh, trong đó các gốc glucose kết hợp với nhau qua liên kết β1 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 cịn 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 khơng có
enzyme phân giải cellulose (cellulase) nên khơng tiêu hóa được cellulose, vì vậy
cellulose khơng có giá trị dinh dưỡng. Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho thấy cellulose
có thể có vai trị điều hịa 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.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

12

Khoá luận tốt nghiệp 2011

2.3.1.3. 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 khơng gian 3 chiều, phức
tạp, vơ định hình, chiếm 17% đến 33% thành phần của gỗ. Lignin khơng phải là
carbohydrate nhưng có liên kết chặt chẽ với nhóm này để tạo nên màng tế bào giúp
thực vật cứng chắc và giịn, có chức năng vận chuyển nước trong cơ thể thực vật (một
phần là để làm bền thành tế bào và giữ cho cây không bị đổ, một phần là điều chỉnh
dòng chảy của nước), giúp cây phát triển và chống lại sự tấn công của côn trùng và
mầm bệnh. Thực vật càng già, lượng lignin tích tụ càng lớn. Hơn nữa, lignin đóng vai
trị 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
trị 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 3.6).

SVTH: Trần Ngọc Phú Q
Lớp: 08CSH2

13

Khố luận tốt nghiệp 2011

Hình 2.6: 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
ngun liệu đó sẽ khó bị tấn cơng bởi enzyme hơn syringyl lignin.
Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hồn tồn khơng đồng nhất trong
cấu trúc. Lignin dường như bao gồm vùng vơ định hình và các vùng có cấu trúc hình
thn hoặc hình cầu. Lignin trong tế bào thực vật bậc cao khơng có vùng vơ định hình.
Các vịng 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 khơng 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.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

14


Khố luận tốt nghiệp 2011

Hình 2.7: 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 3.7). 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)

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

15


Khoá luận tốt nghiệp 2011

trong cấu trúc phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết cao nhất với khối
hemicellulose. Ngược lại, các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và
acid 4-O-methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin. Các liên kết có thể
là ether, ester (liên kết với xylan qua acid 4-O-methyl-D-glucuronic), hay glycoside
(phản ứng giữa nhóm khử của hemicellulose và nhóm OH phenolic của lignin)
Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pH
thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước. Ở nhiệt độ phản ứng cao
hơn 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 q 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 khơng bị tiêu hóa
bởi enzyme của cơ thể vật chủ. Lignin còn liên kết với nhiều polysaccharide và protein
màng tế bào ngăn trở q 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.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

16


Khoá luận tốt nghiệp 2011

2.3.1.4. Hemicellulose :
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng
70 đến 200 đơn phân. Hemicellulose chứa cả đường 6 carbon gồm glucose, mannose
và galactose và đường 5 gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của
hemicellulose là β – D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β -(14).
Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy
nhiên có một vài điểm chung gồm:
 Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β -(14).
 Xylose là thành phần quan trọng nhất.
 Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3.
 Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thơng thường là disaccharide
hoặc trisaccharide. Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với
lignin là nhờ các mạch nhánh này. Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở
dạng vơ định hình và vì thế dễ bị thủy phân.
Hemicellulose là polysaccharide trong màng tế bào tan trong dung dịch kiềm và
có liên kết chặt chẽ với cellulose, là một trong ba sinh khối tự nhiên chính. Cùng với
cellulose và lignin, hemicellulose tạo nên thành tế bào vững chắc ở thực vật. Về cấu
trúc, hemicellulose có thành phần chính là D-glucose, D-galactose, D-mannose, Dxylose và L-arabinose liên kết với các thành phần khác và nằm trong liên kết glycoside.
Hemicellulose còn chứa cả axit 4-O-methylglucuronic, axit D-galacturonic và axit
glucuronic. Trong đó, đường D-xylose, L-arabinose, D-glucose và D-galactose là phổ

biến ở thực vật thân cỏ và ngũ cốc. Tuy nhiên, khác với hemicellulose thân gỗ,
hemicellulose ở thực vật thân cỏ lại có lượng lớn các dạng liên kết và phân nhánh phụ
thuộc vào các lồi và từng loại mơ trong cùng một lồi cũng như phụ thuộc vào độ tuổi
của mơ đó.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

17


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Tùy theo trong thành phần của hemicellulose có chứa monosaccharide nào mà nó
sẽ có những tên tương ứng như manan, galactan, glucan và xylan. Các polysaccharide
như manan, galactan, glucan hay xylan đều là các chất phổ biến trong thực vật, chủ yếu
ở các thành phần của màng tế bào của các cơ quan khác nhau như gỗ, rơm rạ, v.v…
Trong các loại hemicellulose, xylan là một polymer chính của thành tế bào thực
vật trong đó các gốc D-xylopyranose kết hợp với nhau qua liên kết β-1,4-Dxylopyranose, là nguồn năng lượng dồi dào thứ hai trên trái đất. Đa số phân tử xylan
chứa nhiều nhóm ở trục chính và chuỗi bên. Các gốc thay thế chủ yếu trên khung chính
của xylan là các gốc acetyl, arabinosyl và glucuronosyl. Các nhóm này có đặc tính liên
kết tương tác cộng hóa trị và khơng hóa trị với lignin, cellulose và các polymer khác.
Cấu tạo, số lượng và vị trí của xylan ở các loài thực vật khác nhau là khác nhau.
Xylan tồn tại ở dạng O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng (Hình 3.8),
hay arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm (Hình 3.9), hay thành phần cấu
tạo xylan là axit D-glucuronic, có hoặc khơng có ete 4-O-methyl và arabinose ở các
lồi ngũ cốc.

Hình 2.8: O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

18


Khố luận tốt nghiệp 2011

Hình 2.9: Arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm
2.3.2. Enzyme thủy phân lignocelluloses:
Phần lớn quá trình phân hủy phụ phế phẩm giàu xơ trong thiên nhiên xảy ra là
nhờ enzyme.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

19


Khố luận tốt nghiệp 2011

Hình 2.10: Sự phân hủy vật liệu lignocelluloses trong tự nhiên nhờ các vi sinh vật
phân hủy lignin, hemicelluloses (xylan) và cellulose tạo ta đườn cung cấp dinh
dưỡng cho những vi sinh vật khác dẫn đến sự phân hủy hồn tịan chất hữu cơ
thành CO2 và CH4 (phân hủy kị khí).
Các hệ enzyme phân hủy lignin, hemicelluloses và cellulose không phần lớn do vi
sinh vật sinh tổng hợp. Chúng không hoạt động riêng rẽ mà hoạt động hiệp lực giữa
các enzyme trong cùng một phức hợp enzyme, cũng như trong một hệ sinh thái vi sinh
vật, có sự phối hợp giữa các quần thể vi sinh vật tiết các phức hợp ligninase,
hemicellulase và cellulase.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

20


Khoá luận tốt nghiệp 2011

3.3.2.1. Enzyme cellulolytic :
Enzyme thủy phân cellulose có khả năng thủy phân chất thải chứa cellulose,
chuyển hóa các hợp chất kiểu lignocellulose và cellulose trong rác thải tạo nên nguồn
năng lượng thông qua các sản phẩm, ethanol, khí sinh học hay các sản phẩm giàu năng
lượng khác. Thí dụ như từ các chất thải nhà máy giấy như các sản phẩm từ bột giấy và
giấy có thể thu nguồn năng lượng như ethanol.
Liên kết chủ yếu trong cấu trúc của cellulose là β-(14) glucoside. Nói chung, để
phá hủy hoàn toàn cấu trúc của polysaccharide này cần có các enzyme cellulase với
những tác động đặc trưng riêng biệt. Dựa theo nghiên cứu về hệ enzyme cellulase của
nấm Trichoderma reesei, hệ enzyme thủy phân gồm 3 loại hoạt tính enzyme (Hình
3.10):
 Endoglycanase hoặc 1,4-β-D-glucan glucanohydrolase (EC 3.2.1.4):
Enzyme nội bào endoglycanase hoặc 1,4-β-D-glucan glucanohydrolase là enzyme
thủy phân nội bào liên kết 1,4-β-D-glucosidic trong phân tử cellulose bởi tác dụng
ngẫu nhiên trong chuỗi polymer hình thành các đầu chuỗi khử tự do và các chuỗi
oligosaccharide ngắn. Các endoglucanase không thể thủy phân cellulose tinh thể hiệu
quả nhưng nó sẽ phá vỡ các liên kết tại khu vực vơ định hình tương đối dễ tiếp cận.
 Exoglucanase:
Enzyme ngoại bào exoglucanase gồm cả 1,4-beta-D-glucan glucanohydrolase
(EC 3.2.1.74), giải phóng D-glucose từ β-glucan và cellodextrin và 1,4-beta-D-glucan
cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) mà giải phóng D-cellobiose. Tỷ lệ thủy phân của
enzyme cellobiohydrolase ngoại bào bị hạn chế bởi sự sẵn có các đầu chuỗi cellulose.

 β-glucosidase hay β-D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21):

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

21


Khố luận tốt nghiệp 2011

β-glucosidase hay β-D-glucoside glucohydrolase giải phóng phân tử D-glucose
từ đường cellodextrin hòa tan và một loạt các glucoside khác.

Hình 2.11: Tác dụng của từng enzyme trong cellulose
3.3.2.2. Enzyme xylanolytic :
Do tính khơng đồng nhất của xylan, sự thủy phân của nó địi hỏi các ảnh hưởng
của một hệ thống enzyme phức tạp. Enzyme này thường bao gồm hai loại: enzyme
không phân nhánh (β-1,4-endoxylanse, β-xylosidase) và enzyme phân nhánh (αarabinofuranosidase, α-glucuronidase, esterase xylan acetyl và esterase axit phenolic)
(Hình 3.11). Tất cả các enzyme này tác động tương hỗ để chuyển đổi xylan thành cấu
tử đường của nó. Hệ thống enzyme xylanolytic đa chức năng như vậy khá phổ biến ở
những vi khuẩn và nấm. Các xylan khác loại chứa nhóm thể khác nhau trong mạch
chuỗi chính và chuỗi bên.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

22


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Như vậy, sự phân giải polysaccharide phức tạp như vậy có thể gồm hoạt động hỗ
trợ giữa các thành phần khác nhau của hệ thống enzyme xylanolytic.

Hình 2.12: (A) Enzyme xylanolytic liên quan đến quá trình phân giải xylan. Ac:
nhóm acetyl; α-Araf: α-arabinofuranose; α-4-O-Me-GlcA: α-4-O-methylglucuronic
acid. (B) Thủy phân các xylooligosaccharide bởi enzyme β-xylosidase.
 β-Xylosidase:
β-D-xylosidase (β-D-xyloside xylohydrolase; EC 3.2.1.37) là enzyme ngoại bào
exoglyosidase thủy phân các oligosaccharide ngắn và xylobiose thành đường xylose. βxylobiose thật có thể phân tách chất nhân tạo như p-nitrophenyl β-D-xyloside [11].
Trong số các xylooligomer, xylobiose thường là cơ chất tốt nhất. Ái lực của enzyme
đối với xylooligosaccharide giảm theo mức độ tăng của phản ứng polymer hóa.

SVTH: Trần Ngọc Phú Q
Lớp: 08CSH2

23


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Hầu hết các β-xylosidase được nghiên cứu cho đến nay đều bị ức chế bởi xylose
sản phẩm thủy phân của chúng. Nhiều β-xylosidase có hoạt tính transferase, đặc biệt là
ở các nồng độ cơ chất cao, tạo ra sản phẩm phân tử lượng cao.
 α-L-Arabinofuranosidase:
Mặc dù enzyme arabinosidase đóng vai trị quan trọng trong q trình thủy phân
xylan, chỉ có một vài enxyme đã được cơ lập và mơ tả. Có hai loại enzyme arabinase,
các enzyme α-L-arabinofuranosidase ngoại bào (EC 3.2.1.55) hoạt hóa ngược lại với pnitrophenly-α-L-arabinofuranoside và trên các arabinan phân nhánh, và các enzyme
1,5-alpha-L-arabinase nội bào (EC3.2.1.99), chỉ hoạt hóa các arabinan dạng thẳng.
α-L-Arabinofuranosidase có khả năng thủy phân cả hai liên kết 1,3- và 1,5-α-Larabinofuranosyl trong arabinoxylolan đã được báo cáo trong A. ninger và B. subtilis.

Enzyme này đặc hiệu cao đối với arabinoxylan và có thể giải phóng mỗi arabinose từ
arabinoxylan. Khi giải phóng arabinose, mạch chính xylan khơng bị thủy phân và
không tạo ra xylooligosaccharide. Enzyme này không tác động đối với α-L-1,3 hoặc α1,5 liên kết arabinose từ arabinan, arabinogalactan, hoặc p-nitrophenyl-alpha-Larabinofuranoside.
 α-Glucuronidase:
α-D-Glucuronidase phân giải liên kết α-1,2 giữa axit glucuronic và gốc xylose
trong phân tử glucuronoxylan. Tính đặc hiệu của α-glucuronidase là khác nhau phụ
thuộc vào nguồn gốc của enzyme.
 Esterase acetylxylan:
Enzyme esterase acetylxylan là enzyme có thể cắt đứt giữa các nhóm acetyl với
2 hoặc 3 vị trí của gốc xylose và góp phần đóng vai trị thủy phân xylan trong tự nhiên.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

24


Khố luận tốt nghiệp 2011

Trong các nghiên cứu trước đó đã chứng minh được enzyme này được chứng minh là
sinh ra từ một số loài vi khuẩn và nấm.
3.3.2.3. Enzyme phân hủy lignin (ligninase):
Lignin peroxidase (LiP) được trích ly từ nấm mục trắng Phanerochaete
chrysosporium và Manganese peroxidase (MnP) được trích ly từ Lentinula edodes. Các
enzyme này phân hủy các hợp chất có vịng thơm, trong đó có lignin. Cho đến nay
chúng chưa được nghiên cứu nhiều, nhiều vi sinh vật có khả năng tiết enzyme này
trong đất vẫn chưa được khám phá.
Như vậy trong 3 thành phần chính của lignocelluloses, lignin là khó phân hủy
nhất. Đây cũng chính là rào cảm sự tấn công của các enzyme khác vào thủy phân hiệu
quả hemicelluloses và cellulose.

2.4. Ứng dụng của enzyme lignocellulolytic:
Thế hệ nhiên liệu sinh học đầu tiên dựa trên đường, tinh bột và dầu thực vật,
khơng có được những ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp, vì các ngun vật liệu này
cũng được sử dụng làm thức ăn. Lignocellulose được xem là thế hệ nhiên liệu sinh học
thứ hai. Trong thập kỷ qua, enzyme thủy phân lignocellulose ngày càng được quan
tâm. Cellulose và xylan rất phổ biến trong tự nhiên. Hàng năm, lượng lignocellulose do
thực vật tổng hợp nên là 1011 tấn. Sự phân hủy lignocellulose chủ yếu là do vi sinh vật.
Do đó mà q trình phân hủy lignocellulose bằng các enzyme từ vi sinh vật có một ý
nghĩa lớn về lý thuyết cũng như về thực tế. Bởi lẽ do vi sinh vật phân hủy cellulose mà
hàng năm bầu khí quyển của trái đất được bổ sung đầy đủ lượng CO2 cần thiết cho sự
sống.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

25