Chương 1. Tổng quan galactomannan) cũng là thành phần chính của lớp sơ cấp và lớp thứ cấp, trong đó xyloglucan là thành phần hemicellulose được tìm thấy nhiều nhất trong lớp sơ cấp; pectin và pectic acid là thành phần cấu tử chính của lớp gian bào (middle lamella) nhưng đồng thời cũng được tìm thấy trong lớp sơ cấp. Lớp gian bào (Middle lamella) Lớp cơ bản (Primary cell wall) Các sợi cellulose được bao ngoài bởi các hemicellulose Hemicellulose Lignin Protein Hình 1. Mô hình phân bố của các sợi cellulose, hemicellulose và pectin trong cấu trúc thành tế bào thực vật Hơn nữa, tùy thuộc vào loại thực vật, nguồn gốc, độ tuổi, giai đoạn sinh trưởng và phát triển của thực vật mà thành phần cấu tạo và phần trăm của các polysaccharide này là khác nhau.
Đối với các loại quả, nhìn chung vách tế bào của chúng chứa một lượng lớn các hợp chất pectin (Kazuyuki Wakabayashi, 2000). Phần thịt quả bao gồm những tế bào lớn có thành tế bào là pecto-cellulose. Thành pecto-cellulose có cấu trúc phức tạp. Nó bao gồm vi sợi cellulose, liên kết với chất nền xyloglucan, mannan, xylan và pectin, và được hợp nhất bởi mạng protein thứ cấp (Ortega-Regules et al.
(2006), Hayashi và Maclachlan (1984), Fujino et al. Cơ chất hemicellulose - Hemicellulose là polysaccharide trong thành tế bào, tan trong dung dịch kiềm và có liên kết chặt chẽ với cellulose, là một trong ba sinh khối phổ biến trong tự nhiên. Cùng với cellulose và lignin, hemicellulose tạo nên tính vững chắc ở thành tế bào thực vật (Ronald P. de Vries và Jaap Visser, 2001).
Tổng quan - Hemicellulose thuộc loại polymer phân nhánh phức tạp, độ trùng hợp từ 70 đến 200 đơn phân. Phân tử hemicellulose chứa cả đường 6 carbon (glucose, mannose và galactose) và đường 5 carbon (xylose và arabinose). Các hemicellulose chính trong thành tế bào thực vật bao gồm: Xylan - Xylan là một polymer mà mạch chính của nó gồm các gốc D-xylopyranose kết hợp với nhau bằng liên kết β-1,4. Mạch bên của xylan liên kết với mạch chính bởi các nhóm acetyl, arabinosyl và glucuronosyl (Ronald P.
de Vries và Jaap Visser, 2001). Mô hình cấu tạo phân tử xylan Xyloglucan - Xyloglucan là một polymer mà mạch chính của nó gồm các phân tử đường D- glucopyranose (Glp) kết hợp với nhau bằng liên kết β-(14), mạch bên của nó được hình thành nhờ liên kết α-1,6 với các phân tử đường D-xylopyranose (Xyp). Ngoài ra một số oligosaccharide khác cũng hiện diện ở mạch bên của phân tử xyloglucan như D-galactopyranose (L-Galp), L-fucopyranose (L-Glcp) và L-arabinofuranose (L-Araf) (Ronald P. de Vries và Jaap Visser, 2001) (Hình 1.
- Hai loại xyloglucan chính đã được xác định trong thành tế bào thực vật là XXXG và XXGG (Ronald P. de Vries và Jaap Visser, 2001): + Xyloglucan loại XXXG: mạch chính của nó bao gồm ba phân tử đường D- glucopyranose (Glcp) (phân nhánh tại vị trí α-1,6 với gốc D-xylopyranose) liên kết với một phân tử đường D-glucopyranose không phân nhánh thông qua liên kết β-1,4 (Hình 1. + Xyloglucan loại XXGG: mạch chính của nó bao gồm hai phân tử đường D- glucopyranose (phân nhánh tại vị trí α-1,6 với gốc D-xylopyranose) liên kết với hai phân tử đường D-glucopyranose không phân nhánh thông qua liên kết β-1,4. Tổng quan G = -4)-β-D-Glcp-(1- X = α-D-Xylp-(1-6)-β-D-Glcp-(1- 4 L = β-D-Galp-(1-2)-α-D-Xylp-(1-6)- β-D-Glcp-(1- 4 F = α-L-Fucp-(1-2)-β-D-Galp(1-2)-α-D-Xylp-(1-6)-β-D-Glcp-(1- 4 S = α-L-Araf-(1-2)- α-D-Xylp-(1-6)-β-D-Glcp-(1- 4 T = α-L-Araf-(1-3)- α-L-Araf-(1-2)- α-D-Xylp-(1-6)-β-D-Glcp-(1- 4 a b c d Hình 1.
Sơ đồ cấu tạo phân tử xyloglucan a, b, c: phân tử đường D-glucopyranose (phân nhánh tại vị trí α-1,6 với gốc D-xylopyranose). d: phân tử đường D-glucopyranose không phân nhánh Galacto(gluco)mannan - Galactomannans và galactoglucomannans tạo thành nhóm thứ hai phổ biến trong cấu trúc hemicellulose hiện diện ở thành tế bào thực vật. - Mạch chính của chúng gồm các nhóm D-mannose nối kết với nhau bằng liên kết β- 1,4. Mạch bên của chúng gồm các phân tử đường D-galactose liên kết với D-mannose ở mạch chính bằng liên kết α-1,6 (Hình 1.
Tổng quan Hình 1. Sơ đồ mô hình cấu tạo của galactomannan Riêng đối với galacto(gluco)mannan, ngoài các phân tử D-mannose liên kết với nhau, các phân tử này cũng liên kết với phân tử D-glucose tại vị trí β-1,4 tạo thành ở mạch chính của nó. Galacto(gluco)mannan gồm hai loại: loại tan được trong nước và loại không tan trong nước (Hình 1. Galactoglucomannan hòa tan được trong nước có hàm lượng galactose cao hơn galactoglucomannan không hòa tan được trong nước, ngoài ra chúng còn chứa các nhóm acetyl gắn với chuổi mạch chính (Timell T.
Và khoảng 20 đến 30% các nhóm glucose và/ hoặc mannose ở khung chính bị ester hóa với các nhóm acetyl ở vị trí C-2 hoặc C-3 (Lindberg B. Sơ đồ mô hình cấu tạo của hai loại galacto(gluco)mannan 1. Hoạt động của hệ enzyme hemicellulase - Dựa vào hoạt động phân cắt, các enzyme hemicellulase có thể được chia thành 2 nhóm (Brigham S., 1996): Endo acting enzyme: thủy phân liên kết ở bên trong chuỗi polysaccharide, khó xúc tác phản ứng khi cơ chất là các oligomer mạch ngắn (mức độ polymer hóa DP<3). Exo acting enzyme: thủy phân liên kết từ đầu khử (ví dụ enzyme β-D- glucuronidase (EC 3.31)) hoặc đầu không khử của phân tử polysaccharide (ví dụ enzyme β-D-glucosidase (EC 3.
Hệ enzyme hemicellulase Do cơ chất hemicellulose khá đa dạng và có cấu tạo phức tạp nên để thủy phân hoàn toàn phân tử này đòi hỏi sự phối hợp hoạt động của nhiều enzyme, chẳng hạn như để thủy phân hoàn toàn galacto(gluco)mannan thì cần có các enzyme như β-mannanase và β-manosidase; để thủy phân xylan thì cần có các enzyme như endoxylanase và β- xylosidase; để thủy phân hoàn toàn xyloglucan thì cần có các enzyme như β-glucanase và β-glucosidase. Tuy nhiên, trong giới hạn luận văn này, chúng tôi sẽ trình bày enzyme thủy phân chính có trong chế phẩm enzyme Viscozyme L (endo-glucanase) mà chúng tôi được sử dụng. Tùy vào vị trí liên kết bị phân cắt mà các enzyme endo-beta-glucanase được xếp vào các nhóm có số EC khác nhau (Bảng 1. Phân loại các enzyme endo-beta-glucanase EC Tên enzyme Tên khác Cơ chế xúc tác EC 3.4 Endo 1,4-β-D- Thủy phân liên kết β-1→4-glucosidic của glucanase các cellulose vô định hình, các β-1,3;1,4- glucan và các β-1,4-glucan phân nhánh nhiều (ví dụ như tinh bột me (tamarind)).6 Endo-1,3(4)-β- Laminarinase; Thủy phân liên kết β-1→3 hoặc β-1→4 glucanase Laminaranase trong phân tử β-D-glucan khi nhóm glucose nằm trong liên kết bị thủy phân có nhóm thế ở vị trí C-3.39 glucan endo-1,3- Endo-1,3- β- Thủy phân liên kết β-1→3 trong phân tử β-D-glucosidase glucanase; hoặc 1→ 3-β-D-glucan.
Laminarinase Lưu ý: Hoạt động phân cắt rất hạn chế đối với các cơ chất chứa hỗn hợp liên kết (1,3- 1,4-)-β-D-glucan.73 Licheninase Endo-beta-1,3- - Thủy phân liên kết β-1,4- glucosidic trong 1,4 glucanase; các phân tử β-glucan có chứa cả liên kết β- hoặc 1,3; và β-1,4 Licheninase - Lưu ý: nó chỉ cắt liên kết β-1,4 liền kề với liên kết β-1,3; đồng thời enzyme này cũng không hoạt động trên những β-1,3-glucan mạch thẳng hoặc các β-D-glucan chỉ chứa liên kết 1,3 hoặc 1,4.75 Endo-1,6- β-D- glucan endo- Thủy phân liên kết β-1,6-glucosidic trong glucanase 1,6-β- phân tử (1→6)-β-D-glucans glucosidase - 14 - Chương 1. Tổng quan Các enzyme beta-glucanase có thể được tổng hợp từ nhiều nguồn khác nhau trong tự nhiên, trong đó nguồn gốc chủ yếu là từ vi sinh vật (vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn…). Nấm mốc là một trong những đối tượng vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp endo-beta-glucanase mạnh nhất. Một số nấm mốc thuộc các chi Aspergillus đã được nghiên cứu là có khả năng sản sinh ra các enzyme glucanase nội bào và ngoại bào mạnh như: Aspergillus niger, Aspergillus flavus, Aspergillus fumigatus, Aspergillus terreus (Ronald P.
de Vries và Jaap Visser, 2001). Tuy nhiên các enzyme được sinh tổng hợp từ các chi Aspergillus khác nhau cũng sẽ có các đặc tính vật lý khác nhau. Liên kết β-(1→4) Liên kết β-(1→3) Hình 1. Liên kết β-1,3-1,4 trong phân tử barley beta glucan Liên kết β-(1→3) Liên kết β-(1→4) Vị trí thủy phân của Licheninase Vị trí thủy phân của Endo 1,4-β-D-glucanase Hình 1.
Mô hình các liên kết β-1→3 và β-1→4 trong chuỗi mạch chính của phân tử beta glucan và vị trí cắt của một số enzyme endo-betaglucanse 1. Ứng dụng chế phẩm hemicellulase trong chế biến nước quả Một số các enzyme thủy phân polysaccharide trong thành tế bào của mô quả như pectinase, cellulase và hemicellulase được nghiên cứu và ứng dụng trong quá trình thu nhận dịch quả không những giúp giải quyết những khó khăn do quá trình lọc gây ra mà còn giúp cải thiện chất lượng dịch quả sau trích ly (Thomas Schäfer et al. Nhìn chung, trong công nghiệp chế biến nước quả, các chế phẩm hemicellulase được sử dụng ít phổ biến hơn khi so sánh với các chế phẩm enzyme pectinase (do đặc tính - 15 - Chương 1. Tổng quan thành tế bào của quả chủ yếu là pectin như đã trình bày ở trên) (Kashyap D.
Tuy nhiên, một số nghiên cứu cũng cho thấy hemicellulase cũng có nhiều tiềm năng trong quá trình trích ly trong ngành công nghiệp sản xuất nước quả. Ting Sun et al. (2007) sử dụng chế phẩm hemicellulase (Viscozyme) trong sản xuất nước măng tây. Kết quả cho thấy với hàm lượng enzyme sử dụng 1% (w/w) ở nhiệt độ 37oC, trong 1 giờ xử lý đầu tiên hiệu suất thu hồi chất chiết tăng 68.6% so sánh với mẫu đối chứng không xử lý và sau đó không thay đổi đáng kể.
Hơn nữa hoạt tính chống oxy hóa trong dịch trích nước măng tây cũng cao hơn 6 lần so với mẫu đối chứng sau 8h xử lý. Trong một nghiên cứu khác, Ting Sun et al. Nghiên cứu của Yoo-Mi Park và Joogkee Kim (1998) sử dụng 11 loại enzyme thương mại để thủy phân thành tế bào quả lê trong sản xuất nước quả lê và thấy rằng 4 loại chế phẩm enzyme cho hiệu suất trích ly cao nhất là Pectinex Ultra SP-L, Cytolase M102, Viscozyme L và Rapidase liq(+). Hiệu suất trích ly đạt khoảng 88% đến 91%; đồng thời độ đục của dung dịch nước quả sau trích ly giảm đáng kể khi được xử lý bằng chế phẩm Pectinex Ultra SP-L, Viscozyme L.
Trong một nghiên cứu khác của Zheng et al. (2009) khi sử dụng các chế phẩm enzyme như cellulase (Cellulast 1.5L), hemicellulase (Viscozyme L), pectinase (Pectinex 5XL) trong quá trình trích ly các thành phần phenolics từ quả táo. Kết quả cho thấy chế phẩm hemicellulase (Viscozyme L) cho hiệu quả trích ly là cao nhất khi so sánh với các chế phẩm enzyme khác. Với tỷ lệ enzyme/cơ chất là 0.02 (v/w), quá trình thủy phân được thực hiện ở pH 3.7, nhiệt độ 50oC trong thời gian 12h thì hàm lượng các hợp chất phenolics, đường khử và hiệu suất trích ly tăng lần lượt 3; 1.5 và 2 lần so với mẫu đối chứng.
Tổng quan về sóng siêu âm 1. Một số khái niệm và tính chất của sóng siêu âm 1. Khái niệm - Sóng siêu âm là các sóng cơ học ở tần số cao hơn ngưỡng nghe của con người (>16 kHz).