BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
––––––––––
TRẦN ðỨC HUY
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT XỬ LÝ PHẾ THẢI
VỎ QUẢ CÀ PHÊ LÀM PHÂN HỮU CƠ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: Khoa học Môi trường
MÃ SỐ: 60440301 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. LÊ NHƯ KIỂU
Hµ Néi – 2013
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp i
LỜI CAM ðOAN
Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu,
kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa ñược ai công bố trong bất
kỳ luận văn nào trước ñây. Người hướng dẫn Tác giả luận văn
TS. Lê Như Kiểu Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp iii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG vii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ viii
Chương I MỞ ðẦU 1
1.1. ðẶT VẤN ðỀ 1
1.2. MỤC TIÊU 3
1.3. YÊU CẦU 3
Chương II TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4
2.1. KHỐI LƯỢNG VÀ THÀNH PHẦN PHẾ PHỤ PHẨM TỪ SẢN XUẤT
CÀ PHÊ 4
2.2. BIỆN PHÁP XỬ LÝ PHẾ PHỤ PHẨM CÀ PHÊ 5
2.2.1. ðốt 5
2.2.2. Ủ làm phân 5
2.2.3. Ủ trực tiếp vào ñất, trên ruộng 9
2.2.4. Tái sử dụng tạo ra các sản phẩm hữu ích khác 10
2.3. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI PHẾ THẢI VỎ
CÀ PHÊ 11
2.3.1. Hệ thống enzym vi sinh vật 11
2.3.2. Cơ sở khoa học của quá trình phân hủy 11
2.3.2.1. Phân giải xenluloza 12
2.4.2.2. Phân giải tinh bột 18
2.3.2.3. Phân giải protein 20
2.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình xử lý phế thải làm phân bón 21
2.3.3.1. Yếu tố phi sinh học 22
2.3.3.2. Yếu tố sinh học 25
3.3.5.2. Nghiên cứu tính ñối kháng giữa các chủng VSV 43
3.3.5.3. Sản xuất chế phẩm vi sinh vật 44
3.3.6. Các phương pháp phân tích vi sinh vật, sinh vật 45
3.3.6.1. Kiểm tra mật ñộ tế bào vi khuẩn, xạ khuẩn 45
3.3.6.2. Kiểm tra vi sinh vật tạp 46
3.3.6.3. Kiểm tra mật ñộ Colifom 46
3.3.6.4. Kiểm tra mật ñộ Salmonella (TCVN 4829 – 2005) 46
3.3.6.5. Kiểm tra mật ñộ E.coli (TCVN 6846:2007) 47
3.3.6.6. Xác ñịnh trứng giun 47
3.3.7. Phân tích các chỉ tiêu lý tính, hóa tính của các mẫu cà phê sau ủ 47
3.3.7.1. Các chỉ tiêu lý tính 47
3.3.7.2 Các chi tiêu hóa tính 48
3.3.8. Nghiên cứu hiệu quả của chế phẩm vi sinh vật 48
3.3.8.1. Thí nghiệm nhà lưới 48
3.3.8.2. Phương pháp Plant test (Subrao – Indian, 1980) 49
3.3.9. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 49
Chương IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50
4.1. PHÂN LẬP VÀ TUYỂN CHỌN VI SINH VẬT PHÂN GIẢI XENLULO 50
4.1.1. Phân lập các chủng vi sinh vật phân giải xenlulo 50
4.1.2. Tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo mạnh 51
4.2. PHÂN LOẠI VÀ ðỊNH TÊN VI SINH VẬT 52
4.2.1. ðặc ñiểm hình thái, kích thước 52
4.2.2. ðặc ñiểm sinh lý, sinh hóa của các chủng VSV tuyển chọn 53
4.2.2. Giải trình tự ADNr16S và phân loại vi sinh vật 54
4.3. ẢNH HƯỞNG CỦA ðIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG ðẾN KHẢ NĂNG
SINH TRƯỞNG, PHÁT TRIỂN VÀ SINH ENZYM NGOẠI BÀO CỦA
CÁC CHỦNG VI SINH VẬT LỰA CHỌN 56
4.3.1. Ảnh hưởng của môi trường nuôi cấy khác nhau 56
4.3.2. Ảnh hưởng của pH và nhiệt ñộ 58
4.3.3. Ảnh hưởng của nguồn cơ chất 60
CTðC Công thức ñối chứng
CTTN Công thức thí nghiệm
EDTA Ethylene diamine tetra acetic
ISP International Streptomyces Preject
(Chương trình xạ khuẩn quốc tế)
PCR Polymerase Chain Reaction
(Phản ứng chuỗi trùng hợp)
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
VSV Vi sinh vật
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng Trang
Bảng 4.1. Các chủng VSV phân lập 49
Bảng 4.2. Hoạt tính sinh học các chủng VSV tuyển chọn 50
Bảng 4.3. Một số ñặc ñiểm hình thái của các chủng VSV tuyển chọn 51
Bảng 4.4. ðặc ñiểm sinh lý, sinh hóa của các chủng VSV tuyển chọn 53
Bảng 4.5. Ảnh hưởng của các môi trường nuôi cấy ñến sinh trưởng và
sinh enzym ngoại bào của các chủng P1.1, P5.1, P2.2, P3.2
56
Bảng 4.6. Ảnh hưởng của pH ñến sinh trưởng và phát triển của VSV 57
Bảng 4.7. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến sinh trưởng và phát triển của
VSV
58
Bảng 4.8. Ảnh hưởng của các nguồn cacbon ñến sinh trưởng và sinh
Hình 2.3. Cơ chế phân hủy xenluloza của Reese 14
Hình 2.4. Cơ chế phân hủy xenluloza của Klyosov 15
Hình 2.5. Sự biến ñổi của pH biểu diễn theo thời gian trong quá trình
sản xuất compost
25
Hình 3.1. Mô hình cấy vạch nghiên cứu tính ñối kháng 43
Hình 4.1. ðường kính vòng phân giải CMC của các chủng VSV
sử dụng sản xuất chế phẩm
50
Hình 4.2. Khuẩn lạc chủng P1.1 51
Hình 4.3. Tế bào chủng P1.1 51
Hình 4.4. Khuẩn lạc chủng P5.1 52
Hình 4.5. Tế bào chủng P5.1 52
Hình 4.6. Khuẩn lạc chủng P2.2 52
Hình 4.7. Tế bào chủng P2.2 52
Hình 4.8. Khuẩn lạc chủng P3.2 52
Hình 4.9. Tế bào chủng P3.2 52
Hình 4.10. Vị trí phân loại chủng P1.1 và P5.1 với các loài có quan hệ
họ hàng gần
54
Hình 4.11. Vị trí phân loại chủng P2.2 và P3.2 với các loài có quan hệ
họ hàng gần
55
Hình 4.12. Hình ảnh minh họa khả năng tác ñộng tương hỗ với nhau
của các chủng VSV tuyển chọn
61
Sơ ñồ 4.1. Quy trình sản xuất chế phẩm VSV dạng bột 63
Sơ ñồ 4.2. Quy trình xử lý vỏ quả cà phê bằng chế phẩm VSV 69
của chúng tạo ra nhiều mùi hôi thối ảnh hưởng ñến môi trường sống của con
người [3].
Mặt khác, hơn 50 năm qua thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng sử
dụng rộng rãi ñến mức lạm dụng phân bón hóa học. Giờ ñây, dần dần người ñã
thấy mặt trái của nó như phá hủy hệ sinh thái ñất. Phân bón hóa học tồn dư trong
ñất gây vô cơ hóa ñất và gây ô nhiễm ñất. Người ta cũng tìm ra nhiều ñộc chất
còn ñi vào chuỗi thực phẩm (rau quả, ngũ cốc, ) là nguyên nhân của các bệnh
rối loạn tiêu hóa, nội tiết, thần kinh và cả ung thư. Mặt khác, quá trình sản xuất
phân bón cần một sự chi phí ñầu tư rất lớn. ðể tiến ñến một nền nông nghiệp sinh
thái bền vững ñòi hỏi con người phải tìm ra những giải pháp phù hợp với thiên
nhiên, một trong những giải pháp ñó là sản xuất phân bón hữu cơ có nguồn gốc
từ các hợp chất tự nhiên.
Trong quá trình chế biến nông sản, chế biến cà phê thải ra môi trường một
lượng vỏ rất lớn. Hiện nay ở Việt Nam, diện tích gieo trồng cà phê có xu hướng
tăng và ñã ñạt ñến con số 616.000ha [2]. Sản lượng cà phê trên thế giới cũng như
của Việt Nam ñều tăng qua các năm. Năm 2012 sản lượng cà phê của Việt Nam
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
2
ñạt 1.450.000 tấn/năm và năng suất cũng tăng lên, ñạt 2,36 tấn/ha [11]. Cùng với
việc gia tăng về sản lượng cà phê, ñồng thời cũng gia tăng về phế liệu vỏ cà phê.
Theo con số ước tính, vỏ cà phê thường chiếm khoảng 40 – 45% trọng lượng của
quả cà phê. Như vậy, số lượng vỏ cà phê bỏ ñi trong nước có thể lên ñến 652.500
tấn/năm, con số không nhỏ này ñòi hỏi phải có biện pháp xử lý thích hợp, ñảm
bảo vệ sinh môi trường, ñem lại lợi ích cho cộng ñồng.
Trên thế giới, người ta ñã biết ñây là một nguồn phế thải rất quan trọng ở
các vùng nhiệt ñới. Họ cũng ñã tiến hành nghiên cứu trên ñối tượng vỏ cà phê
như coffein, lên men pha rắn, ủ xilo, nghiên cứu các hợp chất polyphenol và các
hợp chất kháng sinh. Mục tiêu của họ là xử lý nguồn phế thải ñể sản xuất thức ăn
– Sản xuất ñược chế phẩm VSV có khả năng phân giải cao và nhanh
xenlulo từ ñó sử dụng chúng ñể phân giải vỏ cà phê làm phân bón.
– ðề xuất ñược quy trình ứng dụng chế phẩm vi sinh phân giải nhanh vỏ cà
phê làm phân bón. Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
4
Chương II
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. KHỐI LƯỢNG VÀ THÀNH PHẦN PHẾ PHỤ PHẨM TỪ SẢN
XUẤT CÀ PHÊ
Chất thải của ngành công nghiệp sản xuất và chế biến cà phê gồm: nước
thải, phế thải rắn.
Nghiên cứu của Hajipakkos cho thấy, nước thải từ các nhà máy chế biến cà
phê có hàm lượng BOD và COD rất cao (tương ứng 3.000 kg/ngày và 4.000
mg/l). Chất rắn lơ lửng 1.500 mg/l, gần gấp 3 lần hàm lượng cho phép, ngoài ra
còn dầu mỡ với nồng ñộ cao gấp hai lần bình thường. Sau nhiều lần thử nghiệm
các phương pháp xử lý khác nhau, phương pháp xử lý yếm khí ñã ñược chọn ñể
xử lý nước thải cho ngành công nghiệp cà phê [21,25].
Thịt quả cà phê thu ñược trong quá trình chế biến cà phê chiếm khoảng
40% trọng lượng toàn bộ quả cà phê. Vỏ cà phê có ñộ ẩm cao (80–85%), giàu
hydratcacbon, protein, vitamin và các nguyên tố khoáng là nguyên liệu lý tưởng
cho các quá trình lên men VSV. Một số nông dân ñem trộn vỏ cà phê với phân
chuồng ñể làm phân bón cho vụ sau nhưng không có qui trình ủ nên hiệu quả
không cao. Mặc dù vậy, vỏ cà phê chứa nhiều cafein và tanin có khả năng ức chế
VSV, làm chậm quá trình phân hủy trong môi trường tự nhiên (chỉ phân hủy sau
2 năm). Chính vì vậy, ở những nơi không có biện pháp xử lý, phế phụ phẩm này
là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và là nguồn mang sâu bệnh hại tích lũy
cuối cùng là chất mùn và chất dinh dưỡng mà cây trồng có thể hấp thu ñược [51].
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
6
Từ xa xưa, con người ñã biết ủ lá cây, phân gia súc thành phân hữu cơ ñể
bón cho cây trồng mang lại hiệu quả kinh tế cao, ghi nhận tại Ai Cập từ 3.000
năm trước công nguyên như là một quá trình xử lý chất thải nông nghiệp ñầu tiên
trên thế giới. Người Trung Quốc ñã ủ chất thải cách ñây 4.000 năm, người Nhật
ñã sử dụng compost làm phân bón từ nhiều thế kỷ trước. Nhưng việc sản xuất và
sử dụng phân ủ chỉ theo những kinh nghiệm dân gian, chưa có những nghiên cứu
ñầy ñủ về phương pháp này.
Hutchison và Richards (1921) là những người ñầu tiên nghiên cứu quá trình
ủ phân. Tuy nhiên ñến năm 1943, quá trình ủ compost mới ñược nghiên cứu một
cách khoa học và báo cáo bởi giáo sư người Anh – Howard thực hiện tại Ấn ðộ.
Howard ñã ñưa ra “phương pháp hữu cơ” tức là trộn xác hữu cơ với phân gia súc
theo tỉ lệ 3:1 có ñảo trộn thường xuyên. Ông ñã phát triển phương pháp ủ trên
những loại nguyên liệu khác nhau theo từng lớp và có ñảo trộn ñể tạo ñiều kiện
hiếu khí. ðây là phương pháp mang tên nơi ông ñang làm việc.
Từ năm 1926 ñến 1941, Warksman và các cộng tác viên nghiên cứu sự
phân hủy hiếu khí bã thực vật, ñộng vật. Ông ñã kết luận, nhiệt ñộ và VSV có
ảnh hưởng ñến sự phân hủy chất thải hữu cơ.
Ở Mỹ vào những năm 1940, Rodale ñã kết hợp các nghiên cứu của Howard
với thực nghiệm của mình và ñã ñưa ra phương pháp hữu cơ trong trồng trọt, làm
vườn. Phương pháp này cũng ñã ñược rất nhiều nước trên thế giới áp dụng và thu
ñược kết quả khả quan. Khi áp dụng phương pháp này ở trang trại của mình,
người dân Nhật, Trung Quốc, Ấn ðộ ñều nhận thấy rằng, ban ñầu năng suất có
giảm ñi nhưng ñã ổn ñịnh qua vài năm và lợi nhuận tăng lên rõ rệt bởi giảm ñược
chi phí ñáng kể khi không phải sử dụng hóa chất trong nông nghiệp.
Golass và cộng sự (1950–1952) ñã nghiên cứu các nguyên tắc cơ bản của
ngày ủ, lần thứ hai cách lần ñầu 15 ngày, lần thứ ba cách 1 tháng.
Trên nguyên lý của phương pháp Indore, phương pháp ủ ñống ra ñời (heap
method). Mỗi ñống ủ theo phương pháp này có kích thước 1,5m chiều cao, 2m
chiều rộng hoặc hơn. Trong ñống ủ, mỗi lớp phế thải có nguồn gốc cacbon (lá,
cỏ, rơm, rạ, cành cây, lá cây ngô, cây bông) dày 20cm, 10cm nguyên liệu giàu
nitơ (phân chuồng, bùn, than bùn).
Phương pháp Banglore
Phương pháp này chia làm hai giai ñoạn:
(1) Giai ñoạn ủ hiếu khí: khoảng 8–10 ngày ñể nhiệt ñộ tăng cao nhằm tiêu
diệt các VSV gây bệnh và cỏ dại.
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
8
(2) Giai ñoạn ủ yếm khí: sau thời gian ủ hiếu khí, dùng bùn ñắp chẹn bên
ngoài ñống ủ ñể không khí không lọt vào ñược. Trong giai ñoạn này, hoạt ñộng
của VSV diễn ra trong ñiều kiện yếm khí.
Phương pháp này ñòi hỏi thời gian dài ñể hoàn thành ñống ủ, thường từ 6–8
tháng. Ưu ñiểm của phương pháp này là giữ ñược ñộ ẩm và không hao tổn nitơ.
So với phương pháp Indore, phương pháp Banglore kém hiệu quả kinh tế
hơn, ñiều này thể hiện thời gian ủ lâu hơn và mức ñộ phân hủy chậm hơn.
Trên nền của hai phương pháp trên, Gaur ñã ñưa ra phương pháp phân ủ
nhanh [24].
Phương pháp phân ủ nhanh
Thời gian ủ ảnh hưởng ñến hiệu quả quay vòng của các chất hữu cơ thông
qua việc hình thành CO
2
và sinh khối của VSV. Thời gian ủ kéo dài từ 6–8 tháng
sẽ làm giảm tỉ lệ C/N, thường, tỉ lệ C/N khi kết thúc ủ là 20/1, nhưng với phương
pháp phân ủ nhanh thì tỉ lệ C/N ñạt ñược là 15/1 hoặc 10/1.
chế phẩm VSV hữu ích; sử dụng sâu (Philipine, Cuba, Ấn ðộ); sử dụng thông
khí cưỡng bức
2.2.3. Ủ trực tiếp vào ñất, trên ruộng
Phế phụ phẩm sau thu hoạch ñược vùi trực tiếp vào ñất, sau ñó các VSV sẽ phân
hủy chúng ñể cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng vụ sau, cải thiện các ñặc tính lý hóa,
sinh học của ñất, nâng cao ñộ phì nhiêu của ñất ñể sản xuất ổn ñịnh lâu dài. ðây là
việc làm không những trả lại cho ñất hầu hết các chất dinh dưỡng mà các cây trồng ñã
lấy ñi từ ñất mà còn kiểm soát ñược sâu bệnh còn sót trên những phế thải này [17].
Gangwar và cộng sự (1999) ñã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của rơm rạ
ñến năng suất lúa mì tại cao nguyên Indo – Gangetic – Ấn ðộ từ năm 1998 –
2001 với 12 công thức thí nghiệm trên hai mức ñạm 120 và 150kg N/ha; 26kg
P
2
O
5
và 16kg K
2
O kết hợp với (1) không vùi rơm rạ; (2) ñốt rơm rạ tại chỗ; (3)
vùi rơm rạ vào ñất với lượng 5 tấn/ha. Kết quả sau 3 năm nghiên cứu cho thấy:
năng suất lúa mì tại vụ thứ nhất ở mức ñạm 120kg N/ha; ở công thức (1) là 4,07
tấn/ha; ở công thức (2) là 4,20; công thức (3) là 4,59 tấn/ha. Ở mức ñạm 150kg
N/ha, năng suất lúa mì ở công thức (1) là 4,14 tấn/ha; ở công thức (2) là 4,33
tấn/ha; ở công thức (3) là 4,88 tấn/ha [23].
ðề tài KN 01–10–08, “Sử dụng hợp lý sản phẩm phụ nông nghiệp nhằm
tăng năng suất cây trồng và ổn ñịnh ñộ phì nhiêu của ñất bạc màu” do ðỗ Thị
Xô, Nguyễn Văn ðại thực hiện ñã chứng minh: Vùi phế phụ phẩm nông nghiệp
nông nghiệp ñã làm tăng năng suất cây trồng từ 4–21% so với ñối chứng. Các
công thức vùi phế phụ phẩm cả 3 vụ cho năng suất cao hơn các công thức ñược
vùi phế phụ phẩm một vụ; vùi phế phụ phẩm có thể tiết kiệm ñược phân khoáng.
Việc vùi rơm rạ vào ñất mặc dù tác dụng lên năng suất lúa vụ kế tiếp là
4
sẽ ít hơn so với
việc vùi rơm rạ lúc làm ñất ngay trước khi gieo trồng [23].
Bên cạnh những lợi ích trên thì việc vùi rơm rạ vào ñất có một số nhược
ñiểm như: tốn thêm chi phí, có thể gây ra một số bệnh cho lúa, có thể làm chậm
sự sinh trưởng và làm giảm năng suất lúa.
2.2.4. Tái sử dụng tạo ra các sản phẩm hữu ích khác
Ngoài các biện pháp trên, còn có rất nhiều biện pháp khác tái sử dụng phế
phụ phẩm nông nghiệp ñể tạo ra các sản phẩm hữu ích khác: dùng làm thức ăn
gia súc [10], sản suất etanol từ rơm rạ [59], sản xuất giấy từ rơm rạ [60]
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
11
2.3. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI PHẾ THẢI
VỎ CÀ PHÊ
2.3.1. Hệ thống enzym vi sinh vật
Tất cả các chuyển hóa hóa sinh trong cơ thể VSV ñều có sự tham gia của
enzym, dưới tác dụng của các enzym, các phản ứng xảy ra cực kỳ nhanh chóng
mà không ñòi hỏi những ñiều kiện về nhiệt ñộ, áp suất cao, môi trường axit hay
bazơ, cũng như các chất xúc tác hóa học khác. Enzym không những hoạt ñộng
lúc còn ñang trong tế bào VSV mà khi thoát ra ngoài tế bào trong ñiều kiện thích
hợp nó vẫn hoạt ñộng mạnh. ðiều này có một ý nghĩa quan trọng ñối với hoạt
ñộng của con người [8,37].
Tế bào VSV chứa nhiều loại enzym khác nhau, enzym có thể ñược sản xuất
từ ñộng vật và thực vật như amylaza từ hạt ñại mạch nảy mầm, dứa hoặc từ dạ
dày, tụy tạng Nhưng quá trình sản xuất này còn gặp nhiều khó khăn và giá
thành rất cao. Cách ñây 30 năm, người ta tìm thấy nguồn enzym mới vô cùng
phong phú, ñó là enzym VSV.
Tế bào VSV có khả năng tạo ra cho mình một tập hợp enzym xúc tác các
bằng các liên kết hydro và các liên kết Vanñervan tạo thành các bó nhỏ gọi là
micro fibrin có cấu trúc không ñồng nhất và tạo nên cấu trúc mixen của xenluloza.
Các sợi micro fibrin có chiều rộng từ 100–300A
0
và có chiều dài 40–100A
0
(Conovalov– 1972).
Cấu trúc mixen của xenluloza bao gồm hai vùng chính:
- vùng kết tinh có cấu trúc trật tự rất cao, cấu trúc sợi ñậm ñặc và chặt chẽ
như tinh thể và chiếm khoảng ¾ cấu trúc xenluloza. Do có mạng lưới liên kết
hydrogen dày ñặc ngăn cản sự hấp thụ nước và trương lên nên vùng kết tinh rất
khó bị tác dụng ngay cả với enzym xenlulaza (enzym xenlulaza chỉ có thể tác
dụng lên bề mặt các sợi). Vùng vô ñịnh hình có cấu trúc kém chặt chẽ hơn vùng
kết tinh nên dễ bị tác ñộng hơn. Vùng này có thể hấp thụ nước và trương lên tạo
ñiều kiện thuận lợi giúp cho enzym xenlulaza tấn công dễ dàng.
Hình 2.2. Cấu trúc phân tử xenluloza
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
13
Trong tự nhiên, xenluloza là một trong những hợp chất khá bền vững,
chúng không tan trong nước mà chỉ bị trương lên do hấp thụ nước (phần vô ñịnh
hình). Xenluloza bị thủy phân khi ñun nóng với axit hoặc kiềm ở nồng ñộ cao, bị
thủy phân ở nhiệt ñộ 40 – 50
0
C bởi enzym xenlulaza [16].
Xenlulaza
Enzym xenlulaza do hoạt ñộng sống của VSV tiết ra ñể phân hủy chuyển hóa
khác nhau. Nhưng ñể phân giải hoàn toàn xenluloza tự nhiên cần có sự tác dụng
hiệp ñồng của cả 3 thành phần trong phức hệ xenlulaza [16].
Cơ chế tác dụng
Các thành phần riêng rẽ trong phức hệ xenlulaza không có khả năng thủy
phân xenluloza kết tinh mà phải có sự hiệp ñồng của cả 3 thành phần. Cơ chế tác
dụng của các enzym này như sau [16, 33]:
Trong ñó:
C
1
– tương ứng với exoglucanaza; C
x
– tương ứng với endoglucanaza.
Hình 2.3. Cơ chế phân hủy xenluloza của Reese
Theo Reese, C
1
là "tiền nhân tố thủy phân" hay là enzym không ñặc hiệu,
nó làm trương xenluloza tự nhiên biến thành các chuỗi xenluloza hoạt ñộng có
mạch ngắn hơn và bị enzym C
x
tiếp phân cắt tạo thành các ñường tan và cuối
cùng thành glucoza. Tác giả cho rằng VSV phát triển trên xenluloza hòa tan:
Cacboxymetyl xenluloza (CMC), cacboxyetyl xenluloza (CEC) chỉ tạo ra C
x
,
trong khi ñó VSV phát triển trên xenluloza có trật tự cao thì có cả C
1
và C
x
.
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp
15
glucoza. Từ ñây enzym β–glucozidaza mới bắt ñầu hoạt ñộng, chúng thủy phân
tiếp các mạch xenlo–oligosaccarit và xenlobioza thành glucoza. Như vậy, cơ chế
này nêu rõ ñược vai trò của từng loại enzym thành phần và giải thích ñược tác
ñộng hợp ñồng giữa chúng trong quá trình thủy phân xenluloza [19].
Tuy nhiên, Klyosov và các cộng sự. lại cho rằng quá trình chuyển hóa
xenluloza có thể xảy ra do nhiều phức hệ enzym xenlulaza, các enzym xenlulaza
thành phần hoạt ñộng ở vùng nào của xenluloza, ở giai ñoạn nào của quá trình là
tùy thuộc vào cấu trúc phân tử của cơ chất, mức ñộ polyme hóa, ñiều kiện thủy
phân, thành phần phức hợp xenlulaza và các yếu tố khác. Theo tác giả, quá trình
thủy phân xenluloza diễn ra theo sơ ñồ hình 2.4.
E
1
– Endoglucanaza E
3
– Xenlobiaza
E
2
– Xenlobiohydrolaza E
4
– Exoglucozidaza
Hình 2.4. Cơ chế phân hủy xenluloza của Klyosov
Trong ñó ở con ñường (4) E
4
là enzym xúc tác nhưng trong một số trường
hợp còn có cả E
Xenlo
oligosaccari
Xenlobioza(1)
(2)
(3)
E
2
E
3
E
4
(4)
Glucoza
Copyright: Tài liệu đại học ©