TIỂU LUẬN TỔNG QUAN VỀ ENZYME CYLANASE

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA HÓA
------

TIỂU LUẬN

TỔNG QUAN VỀ ENZYME CYLANASE
GVHD: TS.NGUYỄN HOÀNG MINH
SVTH :
LỚP : 17SH
Đà Nẵng, 3/2021


TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

MỤC LỤC

2
2
GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG MINH


TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

DANH MỤC HÌNH

3
3
GVHD: TS. NGUYỄN HỒNG MINH

TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

DANH MỤC BẢNG

4
4
GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG MINH


TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

LỜI MỞ ĐẦU

Sản xuất enzyme là một lĩnh vực đang ngày càng phát triển, là một trong những
hướng đi hàng đầu của ngành công nghệ sinh học và công nghệ thực phẩm. Nhu cầu sử
dụng các loại enzyme có nguồn gốc từ vi sinh vật ngày càng tăng cao, trong đó có
enzyme xylanase.
Xylanase là một trong những loại enzyme được sử dụng trong nhiều ngành sản xuất
trên toàn thế giới. Trong sinh giới, động vật và thực vật khơng có khả năng tự sinh
xylanase, do đó vai trò thủy phân xylan phụ thuộc chủ yếu vào nguồn vi sinh vật, đặc biệt
quan trọng là các nhóm vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm. Bên cạnh đó, các lĩnh vực liên quan
đến enzyme xylanase và ứng dụng của loại enzyme này rất được quan tâm.
Chính vì tầm quan trọng cũng như các ứng dụng thiết thực của enzyme xylanase
trong các ngành công nghiệp nên bài tiểu luận của nhóm sẽ đề cập những vấn đề tổng
quan về enzyme xylanase và các vấn đề liên quan.

5
5
GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG MINH

TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

1. XYLAN

1.1 Xylan
Xylan là thành phần chính của hemicellulose thực vật, là polysaccharide phổ biến
thứ hai trong tự nhiên chỉ sau cellulose và được tìm thấy trong thành tế bào thực vật. Là
một phức hợp polysaccharide gồm: xylan, xylanglucan, glucomannan,
galactoglucomannan và arabinogalactan. Phức hợp này cùng với cellulose và lignin hình
thành nên thành phần polymer của vách tế bào thực vật. Xylan còn tham gia vào cấu trúc
và giúp lignocellulose bền hơn1.
1.2 Cấu trúc của Xylan
Xylan là một polysaccharide không đồng nhất, bao gồm các gốc D-xylose liên kết
với nhau bằng liên kết β-1,4-xylanosidic (β-1,4- D-xylopyranosyl) giữa đường
xylopyranose với acetyl, arabinosyl và glucuronysy.

Hình 1. 1 Cấu trúc hóa học của Xylan2 .
2. ENZYME PHÂN GIẢI XYLAN – XYLANASE
2.1 Khái niệm

Xylanase là glycosidase ( O -glycoside hydrolase, EC 3.2.1.x) xúc tác q trình thủy
phân endohydro hóa các liên kết 1,4-β- D -xylosidic trong xylan, một polysaccharide
không đông nhất. Chúng là một phức hệ các enzyme cần thiết, tham gia vào việc sản xuất
xylose, một nguồn cacbon chính cho quá trình trao đổi chất của tế bào và trong q trình
6
6
GVHD: TS. NGUYỄN HỒNG MINH

TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

lây nhiễm tế bào thực vật bởi các mầm bệnh thực vật, và được tạo ra bởi rất nhiều sinh
vật bao gồm vi khuẩn, tảo, nấm, động vật nguyên sinh, động vật chân bụng và nhân trắc 3.
Phát hiện về xylanase được báo cáo lần đầu tiên vào năm 1955, ban đầu chúng được
gọi là pentosanase và được Liên minh Hóa sinh và Sinh học Phân tử Quốc tế (IUBMB)
công nhận vào năm 1961 khi chúng được gán mã enzym EC 3.2.1.8. Tên chính thức của
chúng là endo-1,4-β-xylanase, nhưng các thuật ngữ đồng nghĩa thường được sử dụng bao
gồm xylanase, endoxylanase, 1,4-β- D -xylan-xylanohydrolase, endo-1,4-β- D -xylanase,
β- 1,4-xylanase và β-xylanase3.
2.2 Phân loại và cấu trúc của Xylanase

2.2.1 Phân loại
Enzyme xylanase thường được tìm thấy ở thực vật và vi sinh vật. Xylanase chủ yếu
được phân loại thành GH10 (Glycoside hydrolase họ 10) và 11 dựa trên phân tích cụm kỵ
nước của các miền xúc tác và sự tương đồng trong trình tự axit amin.
Xylanase từ họ GH10 (hoặc họ G) có khối lượng phân tử thấp với pI từ 8-9,5:
Glycoside hydrolase họ 10 bao gồm endo-1,4-β-xylanase và endo-1,3-β-xylanase, có cấu
trúc α/β gấp cuộn 8 lần và thủy phân các liên kết glycoside vẫn giữ được hình thể nguyên
vẹn.
Xylanase từ họ GH11 (hoặc họ F) có khối lượng phân tử cao và giá trị pI thấp hơn:
Có độ chọn lọc cơ chất và hiệu suất xúc tác cao, kích thước nhỏ và nhiều giá trị pH và
nhiệt độ tối ưu, làm cho chúng phù hợp trong các điều kiện khác nhau và trong nhiều ứng
dụng.
2.2.2 Cấu trúc

7
7
GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG MINH

TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

Hình 2. 1 Cấu trúc khơng gian của Xylanse được phân lập từ Bacillus subtilis 4.
Cấu trúc là điển hình của hầu hết các Xylanase G11 và chứa hai tấm β xoắn tạo
thành một nếp gấp trơng giống một bàn tay phải, trong đó các sợi β riêng lẻ luồn qua lại
để tạo thành "ngón tay" và các miền "lòng bàn tay" (được hiển thị như các vùng F và P).
Một vòng mở rộng tạo thành miền "ngón tay cái" (được hiển thị dưới dạng T), có thể mở
và đóng trên vị trí hoạt động, do đó điều chỉnh sự tiếp cận của cơ chất đến vùng xúc tác
của enzym. Lùi dô
2.3 Nguồn phân lập enzyme xylanases
2.3.1 Các lồi có khả năng sinh enzyme xylanase đã được nghiên cứu.
Enzyme xylanase có thể tìm thấy trong nhiều sinh vật sống khác nhau như: vi sinh
vật, động vật nguyên sinh, động vật thân mềm và trong dạ cỏ của động vật nhai lại.Tuy
nhiên ở quy mô công nghiệp, các xylanase chủ yếu được sản xuất bởi vi sinh vật như vi
khuẩn, nấm và xạ khuẩn.
Một số các vi khuẩn có khả năng sinh xylanase có thể kể đến như một số chủng vi
khuẩn Bacillus sp. đã được báo cáo là sinh ra enzyme có độ phân giải xylano mạnh nhất:
B.halodurans,
B.pumilus,
B.subtilis,
B.amyloliquefacials,
B.circulans
và
B.stearotherphilus. Xylanase với tính bền nhiệt cao, ổn định trong kiềm/axit và thích ứng
được với nhiệt độ lạnh đã được phân lập từ nhiều loại vi khuẩn được tìm thấy trong môi
trường khắc nghiệt. Xylanase của chất làm mát có thể hoạt động ở nhiệt độ từ 60-70 độ C
có thể được phân lập từ Bacillus Halodurans TSEV1, Closditrium thermocellum,
Rhodothermus marinus, Streptomyces sp., Stenotrophomonas maltophila, Thermotoga

8
8
GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG MINH


TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

thermarum. Một số xylanase bền kiềm có thể phân lập từ một số vi khuẩn như:
Clostridium sp. PXLY1, Flavobacterium frigidarium, Pseudoalteromonas haloplanktis
TAH3A5.
Nguồn xylanase từ nấm ưa nhiệt có thể kể đến thuộc các chi Aspergillus và
Trichoderma là loài sản xuất xylanase mạnh và được áp dụng rộng rãi để sản xuất thương
mại. Một số chủng có khả năng sản xuất xylanase siêu ưa nhiệt có thể kể đến như:
Thielavia terrestris, Talaromyces thermophilus, Paecilomyces thermophile, Rhizomucor
pusillus, Rasamsonia emersonii, Melanocarpus albomyces và Aspergillus oryzae LC1.
Một số xylanase bền kiềm được thu nhận từ các chủng nấm khác nhau như: Paenbacillus
barcinonensis, Aspergillus fumigatus MA28, Cladosporium oxysporum và Aspergillus
oryzae LC15.
2.3.2 Thành phần môi trường để phân lập các chủng vi sinh vật và nấm có tiềm
năng sinh enzym xylanase.
Mặc dù xylanase đã được phát hiện từ nhiều loài vi khuẩn và nấm sợi nhưng tùy vào
mục đích sử dụng khác nhau mà chủng vi khuẩn sinh enzyme xylanase sẽ được chọn
phân lập từ các nguồn tương ứng khác nhau. Mẫu vi sinh vật dùng để phân lập có thể lấy
từ mẫu đất, đất rừng, phân, mẫu giống cũ, kho giống,...
Thành phần môi trường dùng để phân lập các chủng vi sinh vật và nấm có khả năng
sinh enzyme xylanase:
Bảng 2. 1 Thành phần môi trường phân lập sơ cấp6
Thành phần
NH4NO3
KH2PO4

NaCl
MgSO4

Hàm lượng (1000ml dung
dịch)
1,5g
2,5g
1g
1,5g

MnSO4
FeSO4
CaCl2
Xylan
Agar

0,01g
0,005g
0,05g
0,1g
20g

9
9
GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG MINH


TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

pH của môi trường được điều chỉnh tới 5,0 và được khử trùng ở nhiệt độ 121°C với áp

suất 15 lb trong 20 phút. Sau đó môi trường được đổ vào đĩa petri đã được khử trùng.
Mơi trường lỏng dùng để phân lập vi nấm có thành phần tương tự nhưng khơng có agar.
Lùi dơ
*Các bước để phân lập chủng vi khuẩn sinh enzyme xylanase.
Thu thập mẫu và đưa vào thùng vô trùng bảo quản ở 4°C cho tới khi cần dùng
Hàm lượng (w/v)
tiếp. Thành phần
• Pha Xylan
loãng mẫu
0,5%
với Cao sinh khối nấm 0.5%
nước cất
theo men
thứ tự tới
0.2 %
khi Pepton
có độ pha
lỗng MgSO4.7H2O
cao nhất là
0.02%
10 - K2HPO 4
5/0,1 mL
0.1%
sau
đó cấy trải
Agar Bảng 2.2 Thành 2%
phần mơi trường phân lập thứ cấp6.
trên
nền giàu
hemicellulose. Nếu cần chủng chịu kiềm thì có thể chỉnh ph của mơi trường lên

9,0 bằng dung dịch Na2CO3 10%
• Ủ 3 ngày để sự phát triển của vi sinh vật được phong phú (ủ ở nhiệt độ 50°C để
•

lựa chọn được giống có khả năng chịu nhiệt).
• Các vi sinh vật thu được sau bước sàng lọc sơ bộ này được thu khuẩn lạc đơn và
tiếp tục nuôi cấy trên môi trường thạch xylan như một bước sàng lọc thứ cấp.

10
10
GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG MINH


TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

Sau khi ủ 3 ngày, kiểm tra khả năng xylanase ngoại bào bằng thuốc thử Congo đỏ.
Đặt trong dung dịch Congo đỏ 1% và giữ trong vịng 10-15 phút. Sau đó khử bằng dung
dịch NaCl 1M để có thể nhìn thấy vùng thủy phân.
Chọn chủng có vịng thủy phân rộng nhất, ni cấy thử nghiệm và tính hiệu suất của
giống.
2.4 Cơ chế hoạt động của enzyme Xylanase
Xylanase phân giải polysaccharide xylan mạch thẳng thành xylose bằng cách xúc
tác quá trình thủy phân liên kết glycosidic(β-1,4) của xyloside thành phần chính của
hemicellulose,làm phá vỡ hemicellulose một trong những thành phần chính của thành tế
bào7.
Trong trung tâm hoạt động của xylanase, axit amin quyết định sự hoạt động của
enzyme là axit glutamic.
Sự thủy phân xylan đòi hỏi sự hỗ trợ hoạt động của các thành phần trong hệ thống
enzyme xylanolytic.

11
11
GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG MINH


TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

Hình 2. 2 Phương thức hoạt động của Xylanase

1

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme Xylanase
Hoạt động xúc tác của enzyme bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố.
 Yếu tố số 1: Nhiệt độ

Hình 2. 3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động của xynalase8
Nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của xylanase được phát hiện là 60 ° C. Tương tự, trong các nghiên cứu
khác được thực hiện với Trichoderma sp. kết luận rằng nhiệt độ tối ưu thay đổi trong khoảng từ 45
đến 60 ° C (Dekker, 1983; Gomes và cộng sự, 1992). Ngoài ra, đối với nấm xylanase, nhiệt độ tối ưu
là 60 ° C (Chandra và Chandra, 1995; Chandra và Chandra, 1996; Gandhi và cộng sự, 1994).
 Yếu tố số 2: Độ pH
12
12
GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG MINH


TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

Hình 2. 4 Ảnh hưởng của độ pH đến hoạt động của xynalase8
Các nghiên cứu của Ghanem và cộng sự cho thấy hoạt động của xylanase là tối đa ở khoảng pH

5. Trong các nghiên cứu được thực hiện với Trichoderma sp., người ta cũng kết luận rằng giá trị
pH thích hợp nhất cho hoạt động của xylanase là 5 (Dekker, 1983; Gomes và cộng sự, 1992;
Royer và Nakkas, 1991). PH tối ưu cũng là khoảng 5 trong các thí nghiệm tương tự trên xylanase
của nấm (Milagres và cộng sự, 1993; Gandhi và cộng sự, 1994; Sigoillot và cộng sự, 2002). Trong
một số nghiên cứu khác, để xác định hoạt tính của xylanase, pH thường được giữ ở khoảng 5
(Bailey và cộng sự, 1992). Nhưng giá trị pH tối ưu được phát hiện là 3 trong một nghiên cứu
được thực hiện với T. reesei Rut C-30 (Couchon và LeDuyt, 1985). Kết quả của các thí nghiệm
tương tự cho thấy rằng pH tối ưu cho xylanase của vi khuẩn nói chung là cao hơn một chút so
với pH tối ưu của xylanase nấm, (Pham và cộng sự, 1998; Subramaniyan và cộng sự, 2000; SáPereira và cộng sự, 2002).
 Yếu tố số 3: Thời gian phản ứng

Hình 2. 5 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hoạt tính của xylanase8
Khi ảnh hưởng của thời gian phản ứng được khảo sát, người ta quan sát thấy hoạt động của
xylanase là tối đa ở 50 phút. Khi thời gian tương tác cơ chất của enzyme tăng lên, lượng sản phẩm cũng
13
13
GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG MINH


TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

tăng lên đến một thời điểm nhất định. Có các báo cáo về sự thay đổi trong thời gian ủ để xác định hoạt
tính xylanase. Điều này là do vi sinh vật và nguồn xylan khác nhau (Royer và Nakas, 1991; Deschamps và
Huet, 1985; Atev và cộng sự, 1987; Dekker, 1983; Gomes và cộng sự, 1993)
 Yếu tố số 4: Ảnh hưởng của các ion kim loại
Đề cập đến việc sử dụng tiềm năng của enzyme xylanase trong ngành công nghiệp giấy và bột giấy,
một số ion kim loại xuất hiện trong bột giấy đã được đưa vào nghiên cứu này. Trong số các ion kim
loại đó, Mn 2+ , Ca 2+ và Zn 2+ tăng cường hoạt tính xylanase trong khi K 2+ làm giảm hoạt tính. Mg 2+ và
Cu 2+ khơng có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính.

Hình 2. 6 Ảnh hưởng của các ion kiêm loại đến hoạt tính của xylanase8 kim loại cập nhật
lại tên hình
Tương tự như phát hiện kết quả thực nghiệm của Ghanem et al. đối với Aspergillus
terreus (Ghanem và cộng sự, 2000) và Cesar và Mrsa đối với T. lanuginosus (Cesar và Mrsa, 1996) cho
thấy Ca 2+ tăng cường hoạt động xylanase. Các ion Mn 2+ và Zn 2+ cũng có ảnh hưởng tích cực đến hoạt
động xylanase (Castro và cộng sự, 1997; Cesar và Mrsa, 1996).

2.6 Ứng dụng của enzyme xylanase
Từ lâu xylanase đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
 Một trong những ứng dụng phổ biến được biết đến của xylanse là được dùng để bổ

sung vào thức ăn chăn nuôi.
- Xylanase sẽ giúp phá vỡ cấu trúc của arabinoxylan trong thành phần thức
ăn làm giảm độ nhớt của nguyên liệu tươi.
- Bổ sung xylanase vào thức ăn gia súc làm tăng khả năng hấp thu dưỡng
chất của hệ tiêu hóa, giúp quá trình sử dụng thức ăn hiệu quả hơn.
 Xylanase cịn được ứng dụng nhiều trong cơng nghiệp sản xuất bánh mì, thức ăn
và đồ uống.
14
14
GVHD: TS. NGUYỄN HỒNG MINH


TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

- Bổ sung xylanase vào bột bánh mì sẽ làm phá vỡ các cấu trúc

hemicellulose trong bột bánh mì làm cho bột dễ nhào hơn và nở to, xốp
hơn.
- Tương tự như thành phần nguyên liệu tươi thì xylanse cịn giúp giảm độ

nhớt của hoa quả giúp quá trình ép dễ hơn phù hợp trong ngành sản xuất
nước hoa quả
- Ngoài ra, việc bổ sung xylanase sẽ làm giảm độ đục của bia cũng như dịch
quả.
 Xylanase có vai trị quan trọng trong ngành cơng nghiệp sản xuất giấy và bột giấy.
Đối với ngành công nghiệp giấy, việc sử dụng một lượng lớn hóa chất gốc clo và
natri hydrosulfit gây ra tình trạng ơ nhiễm và các vấn đề về nước thải, chính vì thế việc sử
dụng enzyme xylanse để tẩy trắng giấy bằng cách phân hủy lignin có trong thành phần
giấy dường như mang lại hiệu quả tốt hơn và đảm bảo an tồn mơi trường.
 Ứng dụng trong chuyển hóa sinh học các chất lignocellulose:

Thành phần các phụ phẩm nông nghiệp chủ yếu là hemicellulose là các đường và
một lượng nhỏ các axit hữu cơ. Việc phân giải xylan trong hemicellulose dẫn đến phá hủy
cấu trúc tổ hợp lignocellulose tạo thành các loại đường làm cơ chất cho quá trình lên
men các sản phẩm cơng nghiệp khác.
2.6 Tình hình sản xuất enzyme xylanase:
Từ lâu xylanase đã được sản xuất ở quy mô công nghiệp từ Aspergillus spp.và
Trichoderma 9.
Hầu hết các nhà sản xuất sản xuất xylanase bằng kỹ thuật lên men chìm từ một số
học vi khuẩn như Bacillus, Streptomyces.
Ngoài ra ở cấp độ sinh học phân tử xylanase được sản xuất nhân tạo bằng kỹ thuật
DNA tái tổ hợp với đối tượng được nghiên cứu là vi khuẩn như Escherichia coli, nấm
men như Saccharosemyces cerevisae, nấm sợi như P.griseofulvum.

15
15
GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG MINH


TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

Xylanases - tổng quan | Chủ đề ScienceDirect.
Accessed March 13, 2021.

2.

Xylan – Wikipedia tiếng Việt. Accessed March
14, 2021.

3.

Xylanases, xylanase families and extremophilic xylanases | FEMS Microbiology
Reviews | Oxford Academic.
/>login=true&fbclid=IwAR2AptnsVa7ivoAVJYLlXTrpBK2ESOPHJ67dEQnO85JirHBvz61il6XBKA#90530939.
Accessed March 14, 2021.

4.

Xylanase structure.
/>Accessed March 14, 2021.

5.

Optimization of Xylanase Production through Response Surface Methodology by
Fusarium sp. BVKT R2 Isolated from Forest Soil and Its Application in
Saccharification. />fbclid=IwAR1qshWYz_uEv98-AjhyUpjbvikBLc4MLXDDPZBXr0qSxqHvEoYatqU9_k. Accessed March 14, 2021.

6.

Isolation, Identification and Partial Optimization of Novel Xylanolytic Bacterial
Isolates from Bhilai-Durg Region, Chhattisgarh, India.
/>fbclid=IwAR2mmxcdyw1p9qpWhOWdLvi4crT8KEZqZjAqyNUOwul268W3L3JXlKtGRg. Accessed March 14, 2021.

7.

Xylanase - an overview | ScienceDirect Topics.
Accessed March 13, 2021.

8.

(PDF) Factors affecting xylanase functionality in the degradation of arabinoxylans.
/>
16
16
GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG MINH


TỔNG QUAN VỀ ENZYME XYLANASE

ctionality_in_the_degradation_of_arabinoxylans. Accessed March 14, 2021.
9.

Nguyễn Thị Hiền; Công nghệ sản xuất enzyme,protein và ứng dụng; Nhà xuất bản
Giáo Dục; 2012.

17
17

GVHD: TS. NGUYỄN HOÀNG MINH