ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

------------

 ----------

BÁO CÁO KẾT QUẢ
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ENZYME ĐỂ SẢN XUẤT
ĐƯỜNG CHỨC NĂNG XYLOSE TỪ LÕI NGÔ DÙNG TRONG CÔNG
NGHIỆP THỰC PHẨM

T2012 - 03

MÃ SỐ:
CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI:

TRẦN THỊ LÝ

THÁI NGUYÊN - 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số
liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa được sử
dụng trong bất kỳ một nghiên cứu nào.
Tôi xin cam đoan, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều đã được chỉ

rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày 30 tháng 7 năm 2012
Tác giả

Trần Thị Lý


MỤC LỤC
PHẦN I. MỞ ĐẦU.....................................................................................

1

1.1. Đặt vấn đề .............................................................................................

1

1.2. Mục đích và yêu cầu của đề tài ............................................................

2

1.2.1. Mục đích của đề tài ...........................................................................

3

1.2.2. Yêu cầu của đề tài .............................................................................

3

PHẦN II. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................


4

2.1. Giới thiệu chung về đường xylose .......................................................

4

2.1.1. Đặc điểm của đường xylose ..............................................................

4

2.1.2. Các phương pháp sản xuất đường xylose …………………………..

6

2.1.3. Ứng dụng của đường xylose ……………………………………..... 10
2.2. Enzyme xylanase .................................................................................. 12
2.2.1. Cấu tạo và cơ chế xúc tác của enzyme xylanase ………………….. 12
2.2.2. Nguồn enzyme xylanase …………………………………………… 14
2.2.3. Ứng dụng thực tiễn của xylanase ………………………………….. 16
2.3. Lõi ngô - nguồn xylan ……………………………………………….. 19
2.4. Tình hình nghiên cứu và sản xuất đường xylose trên thế giới và ở
Việt Nam ……………………………………………………………......... 22
2.4.1. Tình hình nghiên cứu và sản xuất đường xylose trên thế giới……... 22
2.4.2. Tình hình nghiên cứu và sản xuất đường xylose ở Việt Nam ........... 24
PHẦN III. VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.. 26

3.1. Đối tượng và vật liệu nghiên cứu…………………………………...... 26
3.1.1. Đối tượng và vật liệu ……………………………………………..... 26
3.1.2. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất …………………………………........ 26

3.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu …………………………………... 27
3.3. Nội dung nghiên cứu …………………………….………………....... 27
3.4. Phương pháp bố trí thí nghiệm……………………………………….. 28
3.4.1. Sơ đồ qui trình xuất đường xylose từ lõi ngô…………………......... 28


3.4.2. Bố trí các thí nghiệm xác định các thông số công nghệ trong xử lý
nguyên liệu lõi ngô………………………………………………………... 30
3.4.3. Bố trí thí nghiệm xác định các thông số quá trình thủy phân dịch
chứa xylan thành đường xylose bằng enzyme xylanase……......................

31

3.4.4. Bố trí thí nghiệm xác định một số thông số công nghệ của quá trình 32
tách chiết, làm sạch và thu hồi đường xylose quy mô phòng thí nghiệm ...
3.5. Phương pháp phân tích ………………………………………………. 33
3.5.1. Các phương pháp vật lý ……………………………………………. 33
3.5.2. Phương pháp phân tích chỉ tiêu hóa học …………………………... 34
3.5.3. Phương pháp đánh giá cảm quan…………………………………...

36

3.5.4. Phương pháp xử lý số liệu………………………………………...... 36
PHẦN IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ……………………………... 37
4.1. Xác định các thông số công nghệ trong xử lý nguyên liệu lõi ngô ….. 37
4.1.1. Lựa chọn dung môi xử lý ………………………………………….. 37
4.1.2. Xác định tỷ lệ nguyên liệu/dung môi thích hợp trong xử lý lõi ngô.. 38
4.1.3. Xác định nhiệt độ thủy phân axit thích hợp trong xử lý lõi ngô…… 40
4.1.4. Xác định thời gian thủy phân axit thích hợp trong xử lý lõi ngô…... 42
4.2. Xác định các thông số của quá trình thủy phân dịch xylan thành

đường xylose bằng enzyme xylanase …………………………………….. 43
4.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme xylanase đến hiệu quả thủy phân
xylan ……………………………………………………………………… 43
4.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến hiệu quả thủy phân xylan …... 45
4.2.3. Ảnh hưởng của thời gian thuỷ phân đến hiệu quả thủy phân xylan .. 47
4.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả thủy phân xylan …………… 49
4.2.5. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả thủy phân xylan ………………… 51
4.3. Nghiên cứu công nghệ tách chiết, làm sạch và thu hồi đường xylose
quy mô thí nghiệm ………………………………………………………... 52
4.3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ than hoạt tính đến hiệu quả tinh sạch dịch


đường sau thủy phân ……………………………………………………... 52
4.3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ tinh thể đường xylose bổ sung để làm mồi đến
quá trình kết tinh thu hồi đường xylose ………………………………….

54

4.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình sấy khô đường … 56
4.4. Đánh giá chất lượng của đường xylose thành phẩm và đưa ra quy
trình sản xuất xylose từ lõi ngô …………………………………………... 57
PHẦN V. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ………………………………….. 60
5.1. Kết luận ………………………….…………………………………... 60
5.2. Đề nghị ………………………….…………………………………… 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………….…………………... 61
PHỤ LỤC ………………………….…………………………………...... 66


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.6. Khả năng sinh enzyme xylanase trên phế phụ phẩm nông

nghiệp của một số chủng Aspergillus ........................................................ 16
Bảng 2.7. Tình hình sản xuất ngô Việt Nam ……………………………. 20
Bảng 2.8. Thành phần các hợp chất của lõi ngô ........................................ 22
Bảng 2.9. Thành phần hemicellulose trong sinh khối thực vật ................. 20
Bảng 2.10. Lượng sản xuất và giá cả các loại đường trên thế giới ........... 23
Bảng 4.1. Hiệu quả thủy phân nguyên liệu lõi ngô bằng axit ................... 37
Bảng 4.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu trên dung môi tới hiệu quả
xử lý lõi ngô .............................................................................................. 39
Bảng 4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân axit tới hiệu quả xử lý
lõi ngô ........................................................................................................ 41
Bảng 4.4. Ảnh hưởng thời gian thủy phân axit tới hiệu quả xử lý lõi ngô. 42
Bảng 4.5. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme xylanase đến hiệu quả thủy
phân dịch xylan lõi ngô ............................................................................. 44
Bảng 4.6. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến hiệu quả thủy phân dịch
xylan lõi ngô .............................................................................................. 46
Bảng 4.7. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả thủy phân
dịch xylan lõi ngô ...................................................................................... 48
Bảng 4.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả thủy phân xylan ……...

50

Bảng 4.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả thủy phân xylan …………… 52
Bảng 4.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ than hoạt tính đến hiệu quả tinh sạch


dịch đường sau thủy phân .........................................................................

53

Bảng 4.11. Ảnh hưởng của tỷ lệ mầm tinh thể đường xylose bổ sung để

làm mồi đến hiệu suất kết tinh .................................................................. 55
Bảng 4.12. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình sấy khô đường ............ 56
Bảng 4.13. Thành phần của đường xylose sản xuất .................................. 57

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Công thức cấu tạo của đường xylose.........................................

4

Hình 2.2. Công thức cấu tạo của Xylan....................................................

5

Hình 2.3. Công thức cấu tạo hóa học của một số loại xylan ....................

6

Hình 2.4. Ứng dụng chính của đường Xylose............................................ 11
Hình 2.5. Tác động của các loại enzyme xylanase lên mạch xylan …….. 14

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 3.1. Quy trình dự kiến sản xuất đường xylose bằng enzyme
xylanase …………………………………………………………………. 29
Sơ đồ 4.14. Quy trình công nghệ sản xuất đường xylose từ lõi ngô…….. 58


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ viết thường


CNTP

Công nghiệp thực phẩm

g

gam

l

lit

ml

mililit

mg

miligam

Xyl

Xylose

FOS

Fructooligosaccharide

XOS


Xylooligosaccharide

DNS

Dinitro Salicylic


TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ
Tên đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ enzyme để sản xuất
đường chức năng xylose từ lõi ngô dùng trong công nghiệp thực phẩm”.
Mã số: T2012-03
Chủ trì đề tài: Trần Thị Lý

Tel.: 0934 281 481

E-mail:
Cơ quan chủ trì đề tài: Đại học Nông Lâm Thái Nguyên
Cơ quan và cá nhân phối hợp thực hiện:
1. Phạm Thị Vinh - Giảng viên Khoa Công nghệ sinh học và công
nghệ thực phẩm - Trường đại học Nông Lâm Thái nguyên
Thời gian thực hiện: Từ tháng 6 năm 2012 đến tháng 6 năm 2013
1. Mục tiêu:
Xác định được các thông số cơ bản của các công đoạn chính trong quy
trình sản xuất đường xylose từ lõi ngô bằng phương pháp thủy phân enzyme
dùng trong công nghiệp thực phẩm.
2. Nội dung chính:
- Xác định các thông số công nghệ trong xử lý nguyên liệu lõi ngô.
- Xác định các thông số của quá trình thủy phân dịch xylan thành

đường xylose bằng enzyme xylanase.
- Xác định một số thông số công nghệ của quá trình tách chiết, làm
sạch và thu hồi đường xylose quy mô phòng thí nghiệm.
- Đánh giá chất lượng đường xylose thành phẩm và đưa ra quy trình sản
xuất xylose từ lõi ngô.
3. Kết quả chính đạt được:


- Đã chọn được phương pháp xử lý nguyên liệu là sử dụng dung dịch
axit H2SO4 0,75%. Phương pháp này cho hiệu quả thuỷ phân cao hơn gấp 2
đến 3 lần phương pháp xử lý bằng nước.
- Đã xác định được các điều kiện xử lý nguyên liệu phù hợp để thu dịch
xylan, bao gồm: Tỷ lệ nguyên liệu/H2SO4 0,75% là 1/10; Nhiệt độ 120oC
trong thời gian 90 phút.
- Đã xác định được các thông số công nghệ thích hợp cho quá trình
thủy phân xylan thành đường xylose bằng enzyme xylanase, bao gồm: Nhiệt
độ 45oC; Thời gian 8 giờ; pH 4,5; Nồng độ enzyme xylanase 40 µl; Nồng độ
cơ chất 20g/l.
- Đã xác định được một số thông số công nghệ của quá trình tách chiết,
làm sạch và thu hồi đường xylose quy mô nhỏ phòng thí nghiệm, bao gồm:
Tỷ lệ than hoạt tính 2,5 %; Tỷ lệ tinh thể đường xylose làm mồi cho quá trình
kết tinh là 2%; Nhiệt độ sấy đường 40oC.
- Đánh giá chất lượng đường sản phẩm trên một số chỉ tiêu về vật lý và
hoá học. Sản phẩm có dạng bột mịn, màu trắng ngà, có mùi thơm đặc trưng
của đường, độ ẩm 3,8%, pH khi tan trong nước là 6,5.
- Xây dựng được quy trình sản xuất đường xylose từ lõi ngô với độ tinh
sạch cao (Hàm lượng đường xylose có trong dung dịch xấp xỉ 90%).


Summary of results research

The subject of science and technology level basic

Name of title: " Research on the application of enzyme technology to
produce function sugar xylose from corn used in food industry "

Code number: T2012-03
Author: Tran Thi Ly

Tel: 0934 281 481

E-mail:
Implementing Institution: Thai Nguyen University of Agriculture and
Forestry.
Cooperating Institution(s):
Pham Thi Vinh - Lecturer faculty of biotechnology and food
technology - Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry.
Duration: From March 2012 to March 2013
1. Objectives: Identify the basic parameters of the main steps in the
production process sugar xylose from corn by enzyme hydrolysis methods
used in the food industry
2. Main contents:
- Determine the parameters of technologies in handling corn cobs
- Determine the parameters of the hydrolysis of xylan solution into
xylose by xylanase
- Determine a number of technological parameters of the process of
extraction, clean up and recovery xylose in laboratory


- Assess the quality of the final xylose and provide manufacturing
process xylose from corn cobs

3. Results obtained:
- I have identified the material handling method is to use acid H2SO4
0.75 %. This method has effect higher than hydrolysis by water from 2 to 3
times
- I have identified the material handling conditions for solution of
xylan, include : Rate of the quantity of material / H2SO4 0.75 % is 1/10;
Temperature is 120oC during 90 minutes.
- Determine the technological parameters of the process of hydrolysis
of xylan create xylose by xylanase, including: temperature is 45oC; time: 8
hour; pH 4.5; concentration of xylanase: 40 µl; concentration of substrate: 20
g/l
- Identify some of the technological parameters of the process of
extraction , cleaning and recovery of xylose in the laboratory, including:
Activated carbon 2.5%; rate of crystal sugar xylose is used as bait for the
crystallization: 2%; temperature of drying sugar is 40oC.
- Assess the quality of the final xylose on a number of indicators of
physical and chemical of the products. they have form powder, ivory white,
characteristic aroma of sugar, moiture 3.8 %, pH when dissolved in water is
6.5.
- I built a process of producing xylose from corn cobs with high purity


PHẦN I. MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Thực phẩm chức năng là loại thực phẩm được chế biến từ các nguyên
liệu tự nhiên như các nguồn thực vật và động vật giàu hoạt chất sinh học.
Thực phẩm chức năng giúp cho con người duy trì và tăng cường sức khỏe,
kéo dài tuổi thọ, phòng và chữa được nhiều bệnh hiểm nghèo. Trong các
nhóm thực phẩm chức năng thì đường chức năng là một bộ phận quan trọng,
được tập trung nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây do có các đặc tính

sinh học có lợi cho sức khỏe như phòng chống bệnh tiểu đường, không gây
béo phì, có khả năng kích thích hoạt động của hệ tiêu hóa… Các loại đường
chức năng phổ biến hiện có là đường xylooligosaccharide, panatinose,
maltitol, fructooligosaccharide, xylose, lactitol, galactooligosaccharide. Trong
số đó, đường xylose đang có xu hướng gia tăng ở nhiều quốc gia trên thế giới
với các ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm như
làm chất phụ gia thực phẩm, bổ sung vào các loại đồ uống dinh dưỡng, làm
nguyên liệu đầu của thuốc tổng hợp điều trị bệnh ung thư, phòng chống một
số bệnh (tiểu đường, mất ngủ, đường ruột,…).
Xylose là một đường năm cacbon có công thức phân tử C5H1005 còn
được gọi là “đường gỗ” vì có mặt trong nhiều loại gỗ. Xylose là thành phần
chủ yếu của đường pentose - một trong hai nhóm đường chính thu được khi
thủy phân hemicellulose trong nguyên liệu gỗ và các chất thải xơ nông nghiệp
như rơm lúa mỳ, lúa nước, thân và lõi ngô. Khi thuỷ phân rơm rạ thu được
khoảng 18% pentose và 26,8% hexose [4]. Chính vì vậy, hiện nay trên thế
giới đã có nhiều công trình nghiên cứu sản xuất đường xylose bằng cách lên
men các nguyên liệu giàu xylan như các chất thải nông nghiệp. Với phương
pháp này, xylose được sản xuất từ các nguyên liệu giàu xylan. Các nguyên
liệu này trước hết được thủy phân axit để tạo thành dịch chứa xylan. Sau đó,
dùng các vi sinh vật sử dụng xylan làm nguồn cacbon để lên men tạo dịch
1


thủy phân enzyme chứa xylose [16]. Đường xylose được thu hồi trong một số
ần công đoạn tiếp theo rồi thường được sấy phun. Sản xuất xylose theo
phương pháp thủy phân enzyme nhờ vi sinh vật có nhiều ưu điểm so với
phương pháp sản xuất hóa học.
Việc nghiên cứu sản xuất đường xylose ở Việt Nam còn rất mới mẻ và
chưa có nhiều kết quả được công bố. Trong khi nước ta là một nước nông
nghiệp rất phong phú nguồn tài nguyên chất thải xơ, trong đó có lõi ngô. Hầu

hết các chất thải nông nghiệp đều chưa được khai thác hoặc khai thác chưa
hợp lý dẫn tới lãng phí tài nguyên và gây ô nhiễm môi trường. Nếu sử dụng
lõi ngô làm nguyên liệu để sản xuất được đường xylose thì sẽ mang lại tác
động kép vì không những tạo ra sản phẩm mới có giá trị mà còn hỗ trợ giảm
thiểu ô nhiễm môi trường do phải thải hoặc đốt.
Chính vì vậy chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng
dụng công nghệ enzyme để sản xuất đường chức năng xylose từ lõi ngô
dùng trong công nghiệp thực phẩm”
1.2. Mục đích và yêu cầu của nghiên cứu
1.2.1. Mục đích của nghiên cứu
Xác định được các thông số cơ bản của các công đoạn chính trong quy
trình sản xuất đường xylose từ lõi ngô bằng phương pháp thủy phân enzyme
dùng trong công nghiệp thực phẩm.
1.2.2. Yêu cầu của nghiên cứu
- Xác định các điều kiện xử lý nguyên liệu tạo dịch xylan;
- Xác định các điều kiện thủy phân dịch xylan bằng enzyme xylanase;
- Xác định một số thông số công nghệ của quá trình thu hồi và làm sạch
đường xylose quy mô phòng thí nghiệm;
- Đánh giá chất lượng của đường xylose thành phẩm và đưa ra quy
trình sản xuất xylose từ lõi ngô.

2


PHẦN II. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Giới thiệu chung về đường xylose
2.1.1. Đặc điểm của đường xylose
Xylose là một đường 5 cacbon, có công thức phân tử là C5H10O5.
Xylose còn có tên gọi là “đường gỗ”, là đường có mặt trong nhiều loại gỗ.
Khi thủy phân hemicellulose trong thân lúa mì người ta thu được 31% xylose,

59% glucose và khoảng vài phần trăm các đường khác (arabinose, galactose,
mannose…). Khi thuỷ phân rơm rạ thu được khoảng 18% pentose và 26,8%
hexose [1]. Công thức cấu tạo của đường xylose được thể hiện ở hình 2.1.

Hình 2.1. Công thức cấu tạo của đường xylose
Xylose là thành phần chủ yếu thuộc đường pentose, cùng với glucose là
hai nhóm đường chính thu được khi thủy phân hemicellulose trong nguyên liệu
gỗ và chất thải nông nghiệp. Khi thủy phân hemicellulose bằng axit có thể giải
phóng ra nhiều loại đường khác nhau ngoài đường xylose như D - galactose, D glucose, D - mannose và L - arabinose. Kèm theo đó còn là các sản phẩm thủy
phân khác như fucfural, 5 - hydroxymethyl fucfural, axit acetic, axit syringic
[32].
Khi một chuỗi các nhóm xylose liên kết với nhau qua liên kết β - (1 - 4)
glycoside và phân nhánh bởi các chuỗi carbonhydrate ngắn như axit D glucuronic hoặc đồng phân của nó 4 - O - methylether, α - arabinose hoặc các
Oligosaccharide tạo thành từ D - xylose, L - arabinose, D - hay L - galactose
và D - glucose sẽ tạo thành xylan.
3


Cấu tạo của xylan được thể hiện qua hình 2.2.

Hình 2.2. Công thức cấu tạo của xylan
Thành tế bào thực vật là một vật liệu phức tạp trong đó cellulose chiếm
35-50%, hemicellulose chiếm 20-30%. Xylan là thành phần chính cấu tạo nên
hemicellulose. Xylan được tìm thấy chủ yếu trong cấu trúc thứ cấp của thành
tế bào thực vật và tạo thành pha giữa giữa lignin và các hợp chất
polysaccharide khác [28].
Xylan gồm nhiều loại khác nhau, có thể được chia thành homoxylan và
heteroxylan bao gồm: glucuronoxylan, (arabino) glucuronoxylan, (glucurono)
arabinoxylan, arabinoxylan và tổ hợp heteroxylan. Homoxylan có cấu tạo bao
gồm các xylopyranose được liên kết với nhau bởi liên kết β - (1 - 3) glycoside

hoặc hỗn hợp β - (1 - 3, 1 - 4) glycoside. Cấu tạo kiểu homoxylan được tìm
thấy trong tảo biển Palmariales và Nemaliales. Heteroxylan có cấu tạo là các
mạng lưới β - (1 - 4) - D xylopyranose gắn với chuỗi mono và oligoglycosy.
Heteroxylan có mặt ở trong các loại ngũ cốc, hạt cây, mủ và nhựa cây.
Xylan đa dạng về cấu trúc và khối lượng phân tử. Trong tự nhiên,
chúng được thay thế một phần bằng acetyl 4 - 0 - methyl - d - glucuronosyl và
arabinofuranosyl tạo thành cấu trúc polymer không đồng nhất. Việc tách chiết
xylan từ các nguyên liệu trong tự nhiên không thể tránh khỏi những biến đổi
về cầu trúc vì vậy tác động của xylan về mặt cấu trúc vẫn chưa được xác định
rõ ràng [6].
Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc phân hủy xylan, đặc biệt là vi
sinh vật tiết ra enzyme xylanase [16].

4


a) Heteroxylan

b) (4 - O - Methyl - α - D - glucurono) - D - Xylan
Hình 2.3. Công thức cấu tạo hóa học của một số loại xylan
2.1.2. Các phương pháp sản xuất đường xylose
Có hai phương pháp chủ yếu để sản xuất đường xylose là phương pháp
hóa học và phương pháp lên men nhờ vi sinh vật [1,4].
2.1.2.1. Sản xuất xylose bằng phương pháp hoá học
Sản xuất xylose bằng phương pháp hoá học dựa trên quá trình hydro
hóa dịch thủy phân hemicellulose (chứa thành phần chủ yếu là xylan) thành
xylose. Trong quá trình hydro hoá có khoảng 60% lượng xylan ban đầu
chuyển thành xylose. Sau phản ứng dịch hydro hóa được kết tinh để thu hồi
đường xylose. Phương pháp này có ưu điểm là hiệu suất thuỷ phân cao, ít yêu


5


cầu về công nghệ nhưng có nhược điểm là gây hao mòn thiết bị, tạo sản phẩm
có độ tinh khiết thấp và không an toàn cho người sử dụng nếu chưa xử lý hết
lượng acid dùng để thuỷ phân, gây ô nhiễm môi trường bởi lượng acid thải ra.
Các nghiên cứu trước đây đưa ra quy trình sản xuất đường xylose từ
nguyên liệu lignocellulose có chứa hemicellulose, quy trình bao gồm các
bước như sau:
- Thủy phân lignocellulose với nước để tạo ra phần hoà tan và phần
không hoà tan. Phần hoà tan có chứa đường xylose, phần không hoà tan có
chứa lignin và cellulose.
- Tách phần không tan từ dịch thuỷ phân.
- Xử lý phần hoà tan có chứa đường xylose để dịch chuyển các chất
hữu cơ và các ion ra ngoài.
- Tập trung phần có chứa đường xylose thành dạng sirô có chứa 20% 40% nước.
- Trộn sirô với ethanol để tạo thành dạng ethanolic hòa tan và kết tinh
đường xylose từ dạng ethanolic hòa tan.
Trong sản xuất xylose từ nguyên liệu lignocellulose quy mô thương
mại, vấn đề quan trọng là phải giảm thiểu tối đa lượng xylose bị mất đi khi
tách xylose ra khỏi sản phẩm sau thủy phân. Quy trình sản xuất đường xylose
từ nguyên liệu lignocellulose quy mô thương mại gồm các bước như sau:
Bước 1: Thủy phân nguyên liệu bằng dung dịch axit để tạo ra hai phần.
Phần hoà tan chứa xylose và phần không hòa tan chứa lignin và cellulose.
Dung dịch axit nên được sử dụng ở nồng độ 0,5 - 5%. Có thể sử dụng axit vô
cơ (như axit H2SO4, HCl hoặc H3PO4) hoặc axit hữu cơ (như acetic hoặc
trifluoracetic). Trong quá trình thủy phân hỗn hợp phản ứng được duy trì ở
nhiệt độ từ 70 - 270oC. Thời gian thủy phân từ 2 phút đến 2 giờ. Quá trình
thủy phân được tiến hành trong sự kết hợp của cả 3 yếu tố: nhiệt độ, nồng độ
axit và thời gian.

6


Bước 2: Tách phần không hòa tan.
Bước 3: Xử lý phần dung dịch xylose để loại bỏ những hợp chất hữu cơ
(gồm protein, lipit và chất màu). Các hợp chất này được loại bỏ bằng phương
pháp xử lý với thuốc thử (như than hoạt tính hoặc chất hấp phụ polymer).
Những tạp chất ion chủ yếu là axit sử dụng ở bước 1 được loại bỏ bằng thiết
bị điện phân, sau đó được cho qua thiết bị có chứa nhựa trao đổi ion.
Bước 4: Dung dịch xylose được cô đặc thành dạng siro có hàm lượng
nước dao động từ 20 - 40 % về khối lượng. Cô đặc xylose ở hàm lượng vừa
đủ để xylose có thể kết tinh khi nó được trộn với ethanol ở bước 5. Điều kiện
cô đặc thích hợp nhất là sử dụng quá trình bay hơi bằng thiết bị bay hơi có
màng hay quay. Siro thu được sau bước 4 này đem bảo quản và sử dụng cho
bước 5.
Bước 5: Trộn siro với ethanol để tạo dung dịch hòa tan và kết tinh
đường xylose từ dạng ethanolic hòa tan. Tiến hành kết tinh ở điều kiện nhiệt
độ thường. Bổ sung ethanol ở nồng độ không quá 2 lần ethanol so với lượng
dịch (nên chọn lượng ethanol bằng lượng dịch siro). Hỗn hợp ethanol và siro
được giữ trong thời gian 10 - 18 giờ, thỉnh thoảng lắc để xylose kết tinh.
Phản ứng thủy phân ở bước 1 có thể được tiến hành ở dạng liên tục
hoặc gián đoạn. Sự có mặt của những oligosaccharide có thể ảnh hưởng đến
quá trình kết tinh của xylose. Chính vì vậy, dịch thuỷ phân cần phải loại bỏ
hoặc khử bớt lượng oligosaccharide có trong dịch bằng cách gia nhiệt dịch
xylose đến nhiệt độ 50 - 150oC duy trì trong khoảng 2 phút đến 2 giờ có bổ
dung axit ở nồng độ 0,5 - 5%. Tinh thể xylose được sản xuất ra từ bước 5
được rửa sạch bằng dung dịch ethanol có nồng độ 90% để nâng cao độ tinh
sạch và đáp ứng tiêu chuẩn chế biến tốt hơn.
2.1.2.2. Sản xuất đường xylose bằng phương pháp lên men nhờ vi sinh vật
a) Sản xuất xylose bằng phương pháp lên men nhờ vi sinh

Với phương pháp sản xuất xylose bằng phương pháp lên men nhờ vi sinh
vật xylose được sản xuất từ các nguyên liệu giàu xylan. Nguyên liệu trước hết
7


được thủy phân để tạo thành dung dịch chứa xylan. Sau đó các vi sinh vật sử
dụng xylan làm nguồn cacbon để lên men dịch thủy phân [32]. Đường xylose
được thu hồi bằng phương pháp cô quay chân không và sấy phun. Sản xuất
xylose theo phương pháp lên men xylan nhờ vi sinh vật có nhiều ưu điểm hơn
so với phương pháp hóa học như tạo ra sản phẩm an toàn hơn, không gây ô
nhiễm môi trường hay làm hao mòn thiết bị. Phương pháp này có nhược điểm
là công nghệ yêu cầu cao hơn, hiệu suất thuỷ phân thấp hơn so với phương
pháp hoá học. Việc thu nhận và tinh sạch đường xylose gặp nhiều khó khăn
do dịch lên men ngoài đường xylose còn lẫn rất nhiều tạp chất như đạm, muối
vô cơ, acid amin. Đường xylose lại dễ tạo phản ứng Maillard với axit amin
tạo sản phẩm có màu sẫm.
Haltrich cùng các cộng sự đã chỉ ra một số vi sinh vật có thể sử dụng để
lên men xylan bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc như Aspergillus,
Trichoderma, Bacillus, Cryptococcus, Penicillium, Aureobasidium, Fusarium, Chaetomium, Phanerochaete, Rhizomucor, Humicola, Talaromyces
[32]. Các loại vi sinh vật này có khả năng sinh enzyme xylanase vào môi
trường lên men có chứa nhiều xylan. Hiện nay đã có khá nhiều nghiên cứu về
các chủng vi sinh vật trên trong đó các nghiên cứu tập chung chủ yếu vào sử
dụng nấm mốc Aspergillus nige để lên men xylan [29]. Pang Pei Kheng và
cộng sự đã sử dụng phần mềm của thực vật ngọt làm chất nền để phân lập và
tuyển chọn được chủng nấm mốc Aspergillus niger USA AI 1. Sau đó sử
dụng chủng nấm mốc này để lên men xylan. Theo Pang Pei Kheng, sử dụng
Aspergillus niger để lên men không những nâng cao được năng suất, hiệu quả
lên men mà còn tận dụng được các phế phụ phẩm của ngành nông nghiệp như
lõi ngô, bã mía, rơm rạ [34].
b) Sản xuất xylose bằng phương pháp enzyme

Phương pháp sản xuất đường xylose bằng enzyme tách riêng hai quá
trình là tổng hợp và thu nhận enzyme qua lên men. Sau đó dùng enzyme để
thuỷ phân dịch xylan thành đường xylose. Với phương pháp này ta có thể
8


khắc phục được nhược điểm của phương pháp sản xuất đường xylose nhờ vi
sinh vật.
Xylanase là enzyme thủy phân xylan nó có thể được tách chiết, thu hồi
từ vi khuẩn (Clostridium, Cellulomonas, Bacillus và Thermonospora…) hoặc
nấm (Trichoderma, Aspergillus, Schizophyllum và Penicillium…). Tuy nhiên,
do phát triển trong điều kiện yếm khí nên enzyme xylanase do vi khuẩn sinh
ra thường có hàm lượng và hoạt tính thấp hơn enzyme xylanase sinh ra bởi
nấm mốc. Hiện nay người ta thường sử dụng enzyme xylanase sinh ra từ các
chủng mấm mốc để sản xuất đường xylose [28].
Năm 1986 Allenza và cộng sự đã nghiên cứu sản xuất xylose bằng
enzyme xylanase sinh ra từ chủng Aureobasidium plll/ulam Y-2JII·1 trên hai
dạng enzyme xylanase cố định và tự do ở nhiệt độ 40oC, pH =4,5 - 4,75 [30].
Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng thủy phân xylan thành xylose ở cả hai
dạng là gần như nhau (0,16% khối lượng đối với xylanase ở dạng tự do và
0,21% khối lượng đối với xylanase ở dạng cố định). Hoạt tính enzyme ở dạng
tự do sau 16 giờ còn 54% trong khi hoạt tính của xylanase dạng cố định chỉ
còn 47% sau 16 giờ.
Năm 2009 Goldman nghiên cứu quá trình thủy phân xylan thành đường
xylose bằng enzyme xylanase [29]. Kết quả nghiên cứu cho thấy enzyme
xylanase từ các chủng nấm mốc khác nhau ảnh hưởng khác nhau đến khả
năng thuỷ phân xylan. Enzyme xylanase sinh ra bởi chủng Aspergillus niger
AN-1.15, sau 5 giờ có 70% saccharide chuyển thành xylan. Enzyme xylanase
sinh ra bởi chủng Thermobifida fusca sau 30 phút ở 70oC chuyển hóa được
10% xylan. Enzyme xylanase sinh ra bởi chủng Trichoderma sp. K930 chỉ có

1,4% saccharide chuyển thành xylan [29].
2.1.3. Ứng dụng của đường xylose
Xylose là một loại đường tự nhiên có nhiều ứng dụng trong thực tế.
Hiện nay, xylose đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại sản phẩm
9


khác nhau ở nhiều quốc gia trên thế giới. Phạm vi ứng dụng của xylose chủ
yếu thuộc về hai lĩnh vực chính là công nghiệp thực phẩm và dược phẩm [13].
Những ứng dụng chính của đường xylose được thể hiện ở hình 2.4.
Xylose

Công nghiệp thực phẩm

Dược phẩm

- Thành phần của các thực
phẩm chức năng: sử dụng
cho người bệnh tiểu đường,
người béo phì,…

- Nguyên liệu đầu cho các
loại thuốc điều trị ung thư,
AIDS, bệnh tiểu đường, béo
phì,…

- Phụ gia thực phẩm: tạo
hương vị, tạo màu trong chế
biến một số thực phẩm,…


- Nguyên liệu cho sản xuất
đường xylitol: dùng cho
người mắc bệnh tiểu đường,
viêm loét dạ dày,…

Hình 2.4. Ứng dụng chính của đường Xylose
2.1.3.1. Trong công nghiệp thực phẩm
Xylose được sử dụng để sản xuất bánh kẹo, dùng làm chất phụ gia thực
phẩm và là sản phẩm được bổ sung vào các loại đồ uống. Nhờ xylose có độ
ngọt tương đương với đường sucrose (Vị ngọt của đường xylose tương ứng
khoảng 67% so với đường sucrose) và do đặc điểm mất nhiệt khi hoà tan nên
tạo cảm giác mát lạnh trong miệng. Đặc tính này làm cho xylose rất hấp dẫn
trong một số sản phẩm thực phẩm, đặc biệt là đồ uống. Xylose còn được sử
dụng làm tăng hương vị trong chế biến một số sản phẩm cao cấp như: trong
chế biến thịt quay, bánh mì…. Vì xylose là một nguồn saccharide lý tưởng
cho các phản ứng Maillard để sản xuất các chất tăng cường hương vị với thời
gian phản ứng ngắn hơn so với các đường 6 cacbon khác [11].
2.1.3.2. Trong lĩnh vực y dược
10


Không giống như đường glucose và fructose, đường xylose là nguồn
năng lượng lý tưởng để sản xuất nước uống giàu năng lượng không gây cao
đường huyết. Xylose bị hấp thu rất ít ở ruột non, đến ruột già xylose bị hấp
thu vào tế bào của vi sinh vật đường ruột. Tại ruột già xảy ra phản ứng lên
men lên sinh ra axit hữu cơ khiến pH hạ thấp ức chế nhóm vi khuẩn có hại,
kích thích vi khuẩn có lợi Bifidobacteria phát triển giúp cải thiện hệ tiêu hoá
của con người, giảm huyết áp, lipid và cholesterol trong máu... [11].
2.2. Enzyme xylanase
2.2.1. Cấu tạo và cơ chế xúc tác của enzyme xylanase

2.2.1.1. Cấu tạo của enzyme xylanase
Các xylanase có cấu tạo gồm nhiều chuỗi polypeptide xoắn lại với nhau
tạo cấu trúc bậc 2 và tiếp tục cuộn xoắn trong không gian để tạo thành cấu
trúc bậc 3. Các chuỗi có cấu trúc bậc 3 kết hợp với nhau tạo cấu trúc bậc 4
[31]. Ở mức phân tử protein, xylanase gồm vùng chức năng, vùng không chức
năng và vùng nối. Vùng nối thường có nhiều amino axit, hydroxyl được
glycosyl hóa ở vị trí O. Sự glycosyl hóa này giúp chúng không bị enzyme
protease phân cắt. Vùng chức năng được chia thành vùng xúc tác và vùng
bám cơ chất, hai vùng này có thể tách biệt nhau về cấu trúc hoặc không. Tính
chất của xylanase có mối tương quan rất lớn đến các gốc hydro liên kết với
các xylanase. Nếu xylanase có tính bazơ thì amino axit là asparagines,
xylanase có tính axit thì amino axit là aspartic [28].
2.2.1.2. Cơ chế xúc tác của enzyme xylanase
Cơ chế hoạt động của xylanase bao gồm các bước sau [6, 29]:
Bước 1: Enzyme xylanase nhận mặt xylan và liên kết với nó bằng cách
thay đổi cấu hình ở phần cánh trái cuộn xoắn lại 3 lần.
Bước 2: Gốc xylosyl ở vị trí thứ nhất bị vặn méo và hút về phía gốc xúc
tác, liên kết glycoside bị kéo căng và bị bẻ gãy và tạo thành dạng trung gian
đồng hóa trị enzyme-cơ chất.
11


Bước 3: Dạng trung gian bị tấn công bởi một phân tử nước hoạt động.
Phân tử nước này tách thành ion H+ và OH-. Ion H+ gắn vào gốc glycosyl vừa
được tách ra trong khi ion OH- gắn vào đầu khử của mạch xylan vừa tạo ra
theo cơ chế thủy phân glycosyl, nhờ đó sản phẩm được giải phóng, đồng thời
enzyme tiếp tục xúc tác cho phản ứng khác.
Sơ đồ tóm tắt của quá trình như sau:
Xylanase + xylan


xylan-xylanase

xylanase + sản phẩm

Đầu tiên cơ chất xylan xoắn ốc được đặt vào vị trí đối diện với khe giữ
Tyr 65 và Tyr 69. Axit glutamic 172 là chất xúc tác axit/bazơ và axit
Glutamic 78 là chất cho điện tử (nucleophile). Cơ chất bám vào vị trí
Glutamic 78 tạo thành dạng sản phẩm trung gian và được giữ vững trong suốt
quá trình phản ứng chuyển glycosylate. Một phân tử nước thay thế vị trí của
chất cho điện tử (nucleophile). Có sự phân tách và phân tán các đường
(xylobiose) cho phép enzyme di chuyển đến một vị trí mới trên cơ chất [2].
2.2.1.3. Enzyme xylanase và sự thuỷ phân xylan
Thủy phân xylan bằng enzyme là quá trình để phá vỡ chuỗi xylan thu
được từ quá trình tiền xử lý lõi ngô thành các phân tử đường xylose bằng tác
dụng của các enzyme thủy phân. Quá trình này còn được gọi là quá trình
đường hóa. Xylan có cấu tạo phức tạp và nguồn xylan phong phú nên các
enzyme xylanase có cấu tạo cũng rất phức tạp. Mỗi loại vi sinh vật khác nhau
sẽ thu được sẽ khác nhau. Hầu hết enzyme xylanase từ các chủng vi sinh vật
đều chứa trên một hoạt tính. Để phân giải xylan thành xylose cần tác dụng
đồng thời của 2 loại enzyme chính bao gồm: endoxylanase (còn được gọi là β1,4-xylanase, β-D-xylanase hay Endo-1,4-β-D-xylanase) và β-xylosidase.
Endo-xylanase thường cắt mạch chính của xylan ở những điểm bất kỳ tại giữa
mạch và giải phóng olygoxylose. Sau đó, β-xylosidase cắt các đoạn
olygoxylose để giải phóng đường đơn xylose. Ngoài ra còn cần thêm các loại
enzyme để phân cắt đường chuỗi bên như α-L-arabinofuranosidase, α12


glucuronidase…[28]. Nguyên tắc các enzyme thuỷ phân mạch xylan được mô
tả trong hình 2.5.

Hình 2.5. Tác động của các loại enzyme xylanase lên mạch xylan

2.2.2. Nguồn enzyme xylanase
Trong thời gian gần đây việc nghiên cứu sản xuất enzyme xylanase đã
thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, trong đó các công trình
nghiên cứu sản xuất enzyme xylanase chủ yếu từ vi sinh vật như nấm và vi
khuẩn [6].
13