Cellulase là gì? Các công bố khoa học về Cellulase

Cellulase là gì?

Cellulase là nhóm enzyme có chức năng phân giải cellulose, thành phần polysaccharide chính trong thành tế bào thực vật, thành các phân tử glucose đơn giản. Cellulase không phải là một enzyme đơn lẻ mà bao gồm tập hợp các loại enzyme phối hợp hoạt động để thủy phân cellulose. Những enzyme này được sản xuất tự nhiên bởi nấm, vi khuẩn, một số loài động vật như mối, ốc sên, và các động vật nhai lại. Việc khám phá và ứng dụng cellulase có vai trò thiết yếu trong công nghiệp dệt may, thực phẩm, nhiên liệu sinh học và xử lý môi trường.

Phân loại cellulase

Cellulase được chia thành nhiều nhóm dựa trên cơ chế tác động:

• Endoglucanase (EC 3.2.1.4): Phá vỡ liên kết β-1,4-glycosidic ở giữa chuỗi cellulose, tạo ra các đoạn ngắn oligosaccharide.
• Exoglucanase hay cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91): Cắt các đầu mạch cellulose để giải phóng dần cellobiose hoặc glucose.
• β-glucosidase (EC 3.2.1.21): Thủy phân cellobiose thành hai phân tử glucose tự do.
• Lytic polysaccharide monooxygenase (LPMO): Một nhóm enzyme mới được phát hiện, tham gia vào quá trình oxy hóa liên kết glycosidic, giúp cải thiện khả năng phân hủy cellulose [Nguồn: Nature Chemical Biology].

Cơ chế phản ứng của cellulase

Phản ứng thủy phân cellulose thành glucose bởi cellulase diễn ra theo quá trình từng bước:

1. Endoglucanase tấn công vào các vị trí ngẫu nhiên trong chuỗi cellulose tinh thể, tạo thành các đầu mới.
2. Exoglucanase tiếp tục tấn công các đầu mạch mới sinh ra, cắt ra các đơn vị cellobiose.
3. β-glucosidase phân giải cellobiose thành các phân tử glucose.

Phương trình phản ứng tổng quát được biểu diễn như sau:

$(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)_n + n\text{H}_2\text{O} \rightarrow n\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$

Ứng dụng thực tiễn của cellulase

Nhờ khả năng phân giải cellulose, cellulase được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp:

• Dệt may: Cellulase được sử dụng trong quy trình stone-washing để làm mềm, mịn vải denim và tạo hiệu ứng cổ điển cho quần jeans [Nguồn: ScienceDirect].
• Công nghiệp thực phẩm: Ứng dụng để chiết xuất nước ép từ trái cây, làm trong nước trái cây, cải thiện kết cấu bánh mì và các sản phẩm nướng khác.
• Chăn nuôi: Bổ sung vào thức ăn gia súc nhằm tăng cường khả năng tiêu hóa cellulose, nâng cao hiệu suất chuyển hóa thức ăn [Nguồn: Animal Feed Science and Technology].
• Nhiên liệu sinh học: Phân giải sinh khối thành đường đơn để lên men thành ethanol, đóng vai trò then chốt trong công nghệ sản xuất bioethanol thế hệ hai.
• Xử lý chất thải hữu cơ: Hỗ trợ phân hủy các vật liệu hữu cơ trong quá trình ủ phân và xử lý nước thải sinh học.

Quá trình sản xuất cellulase công nghiệp

Cellulase thương mại chủ yếu được sản xuất từ các chủng vi sinh vật đặc biệt qua quá trình lên men:

• Lên men chìm (Submerged Fermentation - SmF): Sử dụng môi trường lỏng, phổ biến nhờ khả năng kiểm soát điều kiện nuôi cấy.
• Lên men trạng thái rắn (Solid-State Fermentation - SSF): Áp dụng cho các vi sinh vật ưa môi trường khô, tiết kiệm nước và năng lượng [Nguồn: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology].

Yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của cellulase

Hoạt tính cellulase chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường:

Yếu tố	Ảnh hưởng
pH	pH tối ưu từ 4,5 đến 6,5; pH quá thấp hoặc quá cao làm giảm hoạt tính enzyme.
Nhiệt độ	Nhiệt độ tối ưu khoảng 45°C–55°C, enzyme có thể biến tính ở nhiệt độ cao hơn.
Chất ức chế	Cellobiose dư thừa có thể ức chế hoạt động exoglucanase.
Chất trợ giúp	Sự bổ sung β-glucosidase có thể cải thiện quá trình thủy phân tổng thể.

Vai trò sinh học tự nhiên của cellulase

Trong tự nhiên, cellulase có vai trò thiết yếu trong chu trình carbon toàn cầu bằng cách phân hủy cellulose thành các hợp chất hữu cơ đơn giản, cung cấp dinh dưỡng cho hệ sinh vật đất. Một số hệ vi sinh vật cộng sinh trong ruột động vật, như mối và bò, dựa vào cellulase để tiêu hóa chất xơ thực vật khó phân hủy.

Xu hướng nghiên cứu cellulase hiện đại

Hiện nay, nghiên cứu cellulase tập trung vào:

• Phát triển enzyme bền nhiệt, bền pH: Phục vụ các quy trình công nghiệp khắc nghiệt.
• Thiết kế enzyme đa chức năng: Kết hợp nhiều hoạt tính enzyme trong cùng một phân tử để cải thiện hiệu quả thủy phân.
• Ứng dụng kỹ thuật di truyền: Sử dụng CRISPR-Cas9 và công nghệ DNA tái tổ hợp để tạo các chủng vi sinh vật siêu sản xuất cellulase [Nguồn: FEMS Microbiology Reviews].
• Phát triển hệ thống enzyme bất đối xứng: Phân giải cellulose tinh thể và vô định hình đồng thời với tốc độ cao hơn.

Kết luận

Cellulase là công cụ sinh học thiết yếu trong việc khai thác tài nguyên sinh học, bảo vệ môi trường và sản xuất năng lượng tái tạo. Sự phát triển của công nghệ enzyme cellulase hứa hẹn sẽ mở ra nhiều ứng dụng đột phá trong tương lai gần, đặc biệt trong lĩnh vực bioeconomy và nền kinh tế tuần hoàn sinh học.