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
Hình 1.6: 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 1.6). 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 [2].
Carbon alpha (Cα) 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 200
o
C, 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 [29].
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.
9
1.1.4. 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 -(14).
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 -(14).
- 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, thông 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 vô 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,
D-xylose 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 loài và từng loại mô trong cùng một loài
cũng như phụ thuộc vào độ tuổi của mô đó.
10
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-D-
xylopyranose, 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 [7]. 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 không hóa trị với lignin, cellulose và
các polymer khác [32].
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 1.7), hay arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm (Hình 1.8) [39],
hay thành phần cấu tạo xylan là axit D-glucuronic, có hoặc không có ete 4-O-methyl
và arabinose ở các loài ngũ cốc.
Hình 1.7: O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng
11
Hình 1.8: Arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm
1.2. Enzyme thủy phân lignocellulose
Hầu hết những quy trình xử lý rác thải đều sử dụng một trong hai phương
pháp hóa lý hoặc sinh học hoặc kết hợp. Phương pháp xử lý bằng enzyme là trung
gian giữa hai phương pháp truyền thống, nó bao gồm các quy trình hóa học trên cơ
sở hoạt động của các chất xúc tác có bản chất sinh học. Enzyme có thể hoạt động
trên các chất ô nhiễm đặc biệt khó xử lý để loại chúng bằng cách kết tủa hoặc
chuyển chúng thành dạng khác. Ngoài ra chúng có thể làm thay đổi các đặc tính của
chất thải đưa chúng về dạng dễ xử lý hoặc chuyển thành các sản phẩm có giá trị
hơn.
Phương pháp xử lý bằng enzyme so với phương pháp xử lý thông thường có
những ưu điểm vượt trội như: áp dụng được đối với các hợp chất sinh học khó xử
lý; tác dụng ở cả vùng nồng độ chất ô nhiễm cao và thấp; một số enzyme riêng biệt
có tác dụng trên phạm vi của pH, nhiệt độ, độ mặn…; không gây ra những biến
động bất thường; không ảnh hưởng đến cân bằng sinh thái.
12
Dựa trên phương pháp enzyme học về quá trình phân hủy cellulose,
hemicellulose và lignin ngày nay đã có một vài phương pháp sinh học thực hiện chu
trình xử lý lignocellulose. Trong tương lai gần, các quy trình sử dụng enzyme thủy
phân lignocellulose hoặc dựa vào vi sinh vật có thể mang lại cho chúng ta nhiều lợi
ích lớn và thân thiện với môi trường. Mối quan hệ giữa cellulose và hemicellulose
trong thành tế bào ở thực vật bậc cao chặt chẽ hơn chúng ta tưởng trước đó. Đó có
thể là do các phân tử tại các liên kết cellulose-hemicellulose hoặc tại các vùng
cellulose tinh thể đòi hỏi phải có các enzyme khác nhau để thủy phân hiệu quả hơn.
Mỗi polymer bị thủy phân bởi một số vi sinh vật sản xuất các enzyme hoạt động hỗ
trợ nhau. Nếu đúng như vậy, điều này có thể giúp chúng ta giải thích được tại sao vi
sinh vật cellulolytic tổng hợp đặc trưng nhiều enzyme cellulase khác nhau có tính
đặc hiệu gối nhau và tại sao một số enzyme xylanase lại mang vùng liên kết cơ chất
gần với cellulose. Các vi sinh vật cellulolytic và xylanolytic không ở trong môi
trường riêng biệt mà chúng tồn tại cùng với các loài khác như nấm và vi khuẩn. Các
chủng này sẽ đóng vai trò như trung tâm thủy phân polymer để tạo ra đường và các
sản phẩm thủy phân khác.
1.1.5. 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 [12].
Liên kết chủ yếu trong cấu trúc của cellulose là β-(14) 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
13
enzyme cellulase của nấm Trichoderma reesei [36], hệ enzyme thủy phân gồm 3
loại hoạt tính enzyme (Hình 1.9):
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 vô 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)
β-glucosidase hay β-D-glucoside glucohydrolase giải phóng phân tử D-
glucose từ đường cellodextrin hòa tan và một loạt các glucoside khác.
14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét