CHƯƠNG 1. Định nghĩa Xylanase là glycosidase (O-glycosid hydrolase, EC 3.x) xúc tác quá trình thủy phân các liên kết 1,4-β-D-xylosidic trong xylan. Các enzym này giúp phân giải polysaccharid xylan mạch thẳng thành xylose, một nguồn carbon chính cho quá trình trao đổi chất của tế bào vi sinh vật. Xylanase được báo cáo lần đầu tiên vào năm 1955 [38], 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 được gán mã enzym EC 3.
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-xylanase. Phân loại Hệ thống phân loại các xylanase được giới thiệu năm 1989 [34] phân loại dựa trên sự so sánh cấu trúc sơ cấp của các vùng xúc tác và các nhóm enzym trong các họ có trình tự liên quan. Phân loại ban đầu đã nhóm các cellulase và xylanase thành 6 họ (A-F) [34], và được cập nhật thành 77 họ vào năm 1999 (1-77) [35] và tiếp tục phát triển khi các trình tự glycosidase mới được xác định. Hiện tại, có 172 họ glycosid hydrolase tồn tại được chú thích trong cơ sở dữ liệu CAZy [45].
Về cơ bản, xylanase được chia vào hai họ GH10 và GH11 dựa trên trình tự gen, xylanase cũng được tìm thấy trong các họ glycosid hydrolase khác, chẳng hạn như GH 5, 7, 8 và 43 [43]. Nguồn gốc và đặc tính Xylanase được tạo ra bởi nấm, vi khuẩn, nấm men, tảo biển, động vật nguyên sinh, ốc sên, động vật giáp xác, côn trùng,… [59]. Những xylanase này có đặc tính hóa lý, cấu trúc, khả năng hoạt động, sản lượng và tính đặc hiệu không giống nhau, do đó làm tăng hiệu quả và mức độ thủy phân xylan, cũng như sự đa dạng và phức tạp của các xylanase. Sự đa dạng này có thể là kết quả của sự dư thừa di truyền, một số trường hợp do sự khác biệt xử lý sau dịch mã.
Xylanase được tạo ra bởi vi khuẩn và xạ khuẩn (Bacillus sp.) hoạt động hiệu quả trong phạm vi pH rộng hơn từ 5-9, với nhiệt độ tối ưu cho hoạt động xylanase từ 35ºC đến 60ºC [52]. Các nghiên cứu về Bacillus spp. cho thấy hoạt tính xylanase cao hơn ở pH kiềm và nhiệt độ cao [48]. Nấm (Aspergillus spp.) là những nhà sản xuất xylanase quan trọng do giải phóng xylanase ngoại bào với sản lượng enzym cao.
Ngoài ra, xylanase của nấm có hoạt tính cao hơn so với vi khuẩn hoặc nấm men. Tuy nhiên, xylanase có nguồn gốc từ nấm có một số đặc điểm khiến chúng không khả dụng cho 3 một số ứng dụng công nghiệp [48]. Hầu hết các xylanase này hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ 40-60ºC và phạm vi pH từ 4-7 [13] [28]. Xylanase có thể được sản xuất công nhiệp bằng quá trình lên men rắn (SSF) hoặc lên men chìm (SmF), năng suất sinh enzym trong SSF cao hơn nhiều so với trong SmF [78].
Tuy nhiên, SSF hiện chỉ được sử dụng ở một mức độ nhỏ để sản xuất enzym và chất chuyển hóa thứ cấp do một số vấn đề về kỹ thuật quy trình. Ứng dụng Xylanase có nhiều ứng dụng công nghiệp từ công nghiệp giấy và bột giấy đến công nghiệp thực phẩm và thức ăn chăn nuôi. Ứng dụng chính của xylanase là biến đổi sinh học sinh khối lignocellulose hoặc chất thải nông nghiệp thành các sản phẩm lên men [59]. Xylanase đã được ứng dụng hiệu quả trong tẩy trắng sinh học và quá trình phân hủy sinh học của ngành công nghiệp giấy và bột giấy.
Xylanase giúp giảm hàm lượng lignin và tăng độ sáng của bột giấy [40]. Xylanase ổn nhiệt hỗ trợ quá trình đường hóa sinh khối lignocellulose thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao trước khi sản xuất cồn sinh học. Do đó, xylanase cũng đóng góp một vai trò quan trọng trong ngành nhiên liệu sinh học [60]. Các loại thức ăn chăn nuôi phổ biến như ngũ cốc, lúa mạch, và thức ăn có đậu nành rất giàu sinh khối lignocellulose.
Xử lý bằng xylanase đối với thức ăn chăn nuôi sẽ tạo điều kiện giải phóng các chất dinh dưỡng trong các đại phân tử, do đó các enzym tiêu hóa có thể tiếp cận tốt hơn với cơ chất của chúng, giúp cải thiện giá trị dinh dưỡng của thức ăn chăn nuôi [65]. Ứng dụng xylanase trong lĩnh vực y dược trong những năm gần đây đang ngày càng thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới. Các phương pháp enzym được ưu tiên để sản xuất các oligosaccharid thực phẩm và thuốc. Sản phẩm thủy phân được xúc tác bởi enzym còn tạo ra các sản phẩm có tác dụng sinh học cao.
Việc sử dụng phương pháp enzym hiện nay còn được coi là kinh tế, nhanh chóng và thân thiện với môi trường hơn so với các phương pháp xử lý hóa lý để tạo các sản phẩm thủy phân, quá trình xử lý bằng enzym không tạo ra các hợp chất có hại cũng như không yêu cầu các thiết bị đặc biệt [10] [41]. Quá trình thủy phân xylan được xúc tác bởi xylanase tạo ra xylo-oligosaccharid (XOS). Các oligosaccharid (xylo-oligomers, cello-oligomers) cho thấy một số ứng dụng trong lĩnh vực thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm và dinh dưỡng. XOS có đặc tính prebiotics và có thể được sản xuất bằng cách thủy phân xylan từ các nguồn khác nhau như lõi ngô, vỏ lúa mạch, vỏ trấu, rơm, lúa mì [53].
XOS ổn định ở nhiệt độ cao và pH có tính acid là nguồn carbon thích hợp giúp tăng cường hệ vi khuẩn có lợi ở đường ruột như Bifidobacteria, giúp tăng cường sức khỏe, cải thiện hệ tiêu hóa [21]. XOS cũng 4 được sử dụng trong một số sản phẩm đồ uống như sữa đậu nành, trà, cà phê và các sản phẩm từ sữa khác [39]. Cấu trúc và tính chất của XOS có thể thay đổi do sự thay đổi về mức độ trùng hợp, các phương pháp được sử dụng để chiết xuất và loại liên kết hiện có. XOS có tiềm năng đáng chú ý là prebiotics mới và cho thấy nhiều lợi ích khác nhau như tăng khả năng hấp thụ calci để tăng hoạt tính sinh học [54], hoạt tính gây độc tế bào trên bệnh bạch cầu [5], cải thiện chức năng ruột [70], giảm thiểu nguy cơ ung thư ruột kết [70], tác dụng cụ thể trên vị trí đối với bệnh đái tháo đường týp II [66], và các đặc tính chống oxy hóa [69].
XOS cũng đã chứng minh khả năng trong việc tổng hợp các hợp chất hoạt động chống lại các hợp chất gây ung thư và virus. Sự thay đổi cấu trúc của oligosaccharid đã cho thấy các đặc tính khác như kháng virus, kháng u, chống đông máu và các đặc tính tái tạo mô/sụn [55]. Nguồn gốc và vai trò của các oligosaccharid khác nhau [10] Oligosaccharids Nguồn cung cấp Chức năng Vỏ trấu Bengal, cám Chất chống oxy hóa, mỹ phẩm, Xylo-oligosaccharid lúa mì và rơm rạ, gỗ chất điều chỉnh, chất kích thích (XOS) cây dương, vỏ lúa tăng trưởng thực vật, prebiotic, mạch,. điều trị đái tháo đường,… Tỏi, cà chua, hành tây, mật ong, lúa mạch đen, lúa mạch, Các đặc tính cariogenic, giá trị Fructo-oligosaccharid chuối diếp xoăn, calo thấp.
thanh long, măng tây,… Phản ứng kích thích sinh trưởng Arabino-oligosaccharid của vi khuẩn trong ruột kết, tạo Củ cải đường (AOS) điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng dinh dưỡng của động vật. Các hoạt động chống oxy hóa, tăng cường miễn dịch, bảo vệ các Chitosan-oligosaccharid Sản phẩm khử phân tế bào bình thường khỏi quá trình (COS) tử chitosan apoptosis, chống tăng huyết áp, chống vi khuẩn và chống lại các tế bào ung thư, ung thư vú. Sữa bò và sữa người, Có tác dụng trên sức khỏe đường Galacto-oligosaccharid đường Lactose, hạt ruột, ung thư ruột kết, bệnh viêm đậu nành ruột. 5 Đậu cô ve, cẩm quỳ, đậu Hà Lan, hạt các Phòng trừ dịch bệnh cho động thực Raffinose-oligosaccharid loại đậu, đậu lăng, vật và con người.
đậu, composite và mù tạt Tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển ưu tiên của vi khuẩn Human milk Sữa mẹ bifidobacteria và lactobacilli oligosaccharid (HMO) trong ruột kết của trẻ sơ sinh bú sữa mẹ. Beta-Glucan Chế độ ăn kiêng dựa Tạo hiệu ứng “lactobacillogenic” oligosaccharid trên yến mạch tốt hơn. Thực vật bậc cao, Được sử dụng trong sữa công thức Pectin-derived acidic bao gồm trái cây và cho trẻ sơ sinh, làm giảm tiêu oligosaccharid (pAOS) rau quả, trái cây chảy. Mannan-oligosaccharid Các mảnh thành tế Điều chỉnh hệ vi sinh vật đường (MOS) bào của nấm men ruột của cá tráp biển vàng.
Algae derived marin Kích thích miễn dịch, chất chống oligosaccharid (ADMO) ung thư. Bảo vệ hiệu quả HDO chống lại sự Oligo-diaminogalactose phân cắt RNase A mà không làm (ODAGal) giảm hoạt tính RNase H của gapmer. Cello-oligosaccharid Dược phẩm, công thức thức ăn chăn nuôi và ứng dụng thực phẩm Bản chất không tiêu hóa của Rơm rạ, rơm lúa mì, Manno-oligosaccharid prebiotic, phản ứng kích thích sự lõi ngô, kẹo cao su phát triển của vi khuẩn trong ruột guar kết. Pectic-oligosaccharid Đặc tính chống kết dính.
Xylanase từ Aspergillus 1. Chi Aspergillus Chi Aspergillus bao gồm hơn 340 loài nấm sợi được chính thức chấp nhận là một trong những loài nấm phổ biến và phân bố khắp nơi trên trái đất [58]. Trong tự nhiên, nấm Aspergillus là tác nhân chính phân hủy các chất hữu cơ khác nhau. Nấm Aspergillus cũng gây ra một số bệnh và tạo ra các độc tố khác nhau gây hại cho thực vật.
Một số loài Aspergillus, chẳng hạn như A. flavus, có thể ảnh hưởng nghiêm 6 trọng đến sức khỏe cộng đồng bằng cách gây ra bệnh aspergillosis xâm lấn hoặc aspergillosis phế quản phổi dị ứng [19], [33]. Một số loài bao gồm A. parasiticus có thể làm ô nhiễm thực phẩm và thức ăn có nguồn gốc thực vật với độc tố aflatoxin nấm mốc, là chất gây ung thư mạnh nhất được tìm thấy trong tự nhiên.
Sử dụng thực phẩm hoặc thức ăn nhiễm aflatoxin có thể dẫn đến các tình trạng nghiêm trọng như nhiễm độc aflatoxin, hoại tử gan hoặc ung thư gan [33]. Mặc dù vậy, nhiều loài Aspergillus được sử dụng để sản xuất enzym, lên men thực phẩm, công nghệ sinh học và sản xuất dược phẩm. oryzae được sử dụng rộng rãi để lên men thực phẩm truyền thống ở Đông Á [37], A. niger được sử dụng để sản xuất các enzym khác nhau như amylase [6] và pectinase [44] và acid hữu cơ như acid citric [58].
Kể từ khi xylanase sinh ra từ A. niger lần đầu tiên được tinh sạch và biểu hiện vào năm 1977, A. niger được coi như một nhà sản xuất xylanase xuất sắc. Hiện nay, nhiều gen xylanase mới từ A.
niger mới đã được phân lập, nhân dòng và biểu hiện. Gen mã hóa xylanase từ chủng Aspergillus niger Tính đến nay, đã có 551 gen mã hóa cho protein khác nhau từ A. niger được giải trình tự hoàn toàn và lưu trữ trên kho lưu trữ Uniprot [73].