Cellulase enzyme là gì? Cơ chế, tác dụng, ứng dụng trong đời sống

Enzyme cellulase đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân giải cellulose thành glucose, từ đó cung cấp năng lượng trực tiếp cho vi sinh vật và động vật. Nhờ hoạt động của các enzyme, cellulase không chỉ hỗ trợ tiêu hóa mà còn ứng dụng rộng rãi trong y học, thực phẩm, công nghiệp sinh học và chăn nuôi. Bài viết dưới đây, Mediphar USA sẽ giúp bạn hiểu rõ về enzyme cellulase, bao gồm cơ chế hoạt động, tác dụng và ứng dụng thực tiễn trong đời sống.

Cellulase là gì?

Cellulase là một nhóm enzyme xúc tác cho quá trình thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong cellulose. Nhờ enzyme cellulase, các mạch dài cellulose được cắt nhỏ thành cellobiose và cuối cùng thành glucose.

Cellulase gồm nhiều loại enzyme đa chức năng bao gồm endoglucanase, exoglucanase và β – glucosidase. Sự kết hợp nhiều enzyme giúp phân giải mạnh mẽ, chuyển hóa nguồn carbon trong tự nhiên thành năng lượng có ích. [1]

Cellulase xúc tác cho quá trình thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic ở cellulose

Enzyme cellulase có ở đâu?

Enzyme cellulase phổ biến trong tự nhiên và giữ vai trò quan trọng đối với sự sống. Nhờ khả năng phân giải cellulose, enzyme góp phần giúp nhiều loài sinh vật hấp thu năng lượng và duy trì cân bằng sinh thái.

Động vật ăn cỏ: Ở các loài như bò, trâu, dê hay ngựa, cellulase được tạo ra nhờ hệ vi sinh vật cộng sinh trong đường ruột. Nhờ có enzyme này, chúng có khả năng phân giải cellulose trong thực vật thành đường đơn để làm nguồn năng lượng.
Ngũ cốc nảy mầm: Trong quá trình nảy mầm, các loại hạt như đại mạch, yến mạch hay lúa mạch đen sản xuất cellulase. Enzyme giúp phá vỡ cấu trúc thành tế bào, giải phóng dinh dưỡng cho sự phát triển của mầm.
Vi sinh vật tự nhiên: Nhiều loài vi sinh vật như xạ khuẩn, vi khuẩn, nấm sợi và nấm men có khả năng tiết cellulase. Chúng phân hủy chất xơ cellulose từ xác thực vật, góp phần tái chế chất thải hữu cơ và duy trì cân bằng hệ sinh thái trong môi trường.

Cellulase được tạo ra trong đường ruột ở động vật ăn cỏ

Cơ chế hoạt động cellulase

Enzyme cellulase hoạt động thông qua sự phối hợp của nhiều loại enzyme chuyên biệt để chuyển hóa cellulose thành glucose có thể hấp thụ:

Đầu tiên, endoglucanase tác động lên các liên kết β-1,4-glycosid ở giữa chuỗi cellulose, tạo ra các điểm gãy ngẫu nhiên và lộ ra các đầu tự do.
Tiếp theo, exoglucanase cắt dần từ các đầu tự do này, giải phóng cellobiose, một disaccharide gồm hai phân tử glucose.
Cuối cùng, β-glucosidase thủy phân cellobiose thành glucose tự do, là nguồn năng lượng trực tiếp cho sinh vật. [2]

Quá trình phân giải cellulose bằng cellulase đạt hiệu quả tối ưu trong môi trường có pH và nhiệt độ phù hợp, đặc trưng cho từng chủng vi sinh vật sản xuất enzyme. Nhờ cơ chế phối hợp này, cellulase đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp sinh học, xử lý chất thải hữu cơ và sản xuất nhiên liệu sinh học.

Cellulase có tác dụng gì?

Các tác dụng chính của enzyme cellulase bao gồm:

Phân giải cellulose thành đường đơn: Cellulase phân giải cellulose thành glucose thông qua cơ chế phối hợp của endoglucanase, exoglucanase và β-glucosidase, cung cấp nguồn năng lượng trực tiếp cho vi sinh vật và các quá trình sinh học.
Hỗ trợ tiêu hóa thực vật: Trong chăn nuôi, cellulase giúp động vật tiêu hóa thức ăn giàu cellulose, tăng khả năng hấp thụ dưỡng chất và cải thiện hiệu suất sinh trưởng.
Tiêu hủy chất thải sinh học: Cellulase phân huỷ chất thải từ thực vật, rơm rạ, bã mía… tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy sinh học hoặc ủ làm phân hữu cơ.
Tiền xử lý trong công nghiệp sinh học: Cellulase là bước quan trọng trong chuyển hóa nguyên liệu lignocellulose thành đường đơn, phục vụ sản xuất ethanol sinh học, enzyme, và các sản phẩm sinh học khác.

Cellulase tạo điều kiện cho quá trình phân hủy sinh học ở chất thải từ thực vật

Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của cellulase

Hoạt tính của enzyme cellulase phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường và điều kiện phản ứng. Việc kiểm soát những yếu tố này sẽ giúp giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất và nâng cao hiệu quả khi ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu sinh học. Dưới đây là những yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme cần lưu ý:

Nhiệt độ: Nhiệt độ tối ưu cho các enzyme cellulase hoạt động nằm trong khoảng 50 – 55°C, giúp enzyme đạt hiệu quả xúc tác cao nhất. Nếu nhiệt độ vượt quá mức tối ưu, enzyme dễ bị biến tính và mất hoạt tính.
Độ pH: Môi trường acid nhẹ phù hợp nhất với cellulase, với khoảng pH tối ưu từ 4,2 – 5,8, enzyme hoạt động mạnh nhất. Ngoài ra, ở các môi trường có pH quá cao hoặc quá thấp so với ngưỡng tối ưu, hoạt động của enzyme cũng giảm đáng kể.
Nồng độ cơ chất: Hàm lượng cellulose quá cao hoặc sự tích tụ sản phẩm như glucose dư thừa có thể gây ức chế và làm chậm tốc độ phản ứng.
Chất ức chế: Sản phẩm trung gian như cellobiose dư thừa có thể gây ức chế hoạt động của exoglucanase, làm giảm hiệu suất thủy phân cellulose. [3]

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme cellulase

Cellulase được sản xuất như thế nào?

Cellulase chủ yếu được sản xuất từ các chủng vi sinh vật đặc biệt thông qua quá trình lên men, bao gồm hai phương pháp chính:

Lên men chìm: Sử dụng môi trường lỏng, phương pháp này phổ biến nhờ khả năng kiểm soát pH, nhiệt độ, oxy và dinh dưỡng trong quá trình nuôi cấy, giúp tối ưu hóa năng suất enzyme.
Lên men trạng thái rắn: Áp dụng cho các vi sinh vật ưa môi trường khô, phương pháp này tiết kiệm nước và năng lượng, đồng thời thích hợp cho việc sử dụng nguyên liệu nông nghiệp rắn như rơm rạ, bã mía.

Sau quá trình nuôi cấy, cellulase được thu nhận từ dịch nuôi, trải qua các bước lọc, tinh sạch và sấy khô để tạo chế phẩm enzyme thương mại. Nhờ công nghệ sinh học hiện đại, quy trình sản xuất cellulase ngày càng hiệu quả, đáp ứng nhu cầu lớn trong thực phẩm, dệt may, năng lượng sinh học và y học.

Cellulase được sản xuất thông qua quá trình lên men

Ứng dụng của enzyme cellulase

Enzyme cellulase được khai thác rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ y học, thực phẩm, công nghiệp cho đến chăn nuôi. Nhờ khả năng thủy phân cellulose thành các đường đơn dễ hấp thu, cellulase mang lại nhiều lợi ích thiết thực và góp phần nâng cao hiệu quả trong sản xuất cũng như chăm sóc sức khỏe. [4]

Ứng dụng của enzyme cellulase trong y học

Cellulase ngày càng được quan tâm trong y học nhờ khả năng giúp hỗ trợ tiêu hóa và mở ra nhiều ứng dụng trên lâm sàng. Một số ứng dụng có thể kể đến như:

Hỗ trợ tiêu hóa: Cellulase có trong các chế phẩm enzyme bổ sung, giúp phân giải chất xơ từ rau quả và ngũ cốc. Nhờ vậy, cơ thể dễ dàng hấp thu dinh dưỡng, đồng thời hạn chế tình trạng đầy hơi và khó tiêu.
Điều trị bezoar dạ dày: Ở những bệnh nhân bị tích tụ khối thực vật trong dạ dày, cellulase từ nấm có thể phân hủy cellulose trong bezoar, hỗ trợ làm tan hoặc thu nhỏ khối này, qua đó giảm nhu cầu can thiệp ngoại khoa.
Phá vỡ biofilm vi khuẩn: Biofilm do vi khuẩn tạo ra chứa polysaccharide với cấu trúc tương tự cellulose. Cellulase có thể cắt đứt các liên kết β-1,4, phá vỡ cấu trúc biofilm, từ đó hỗ trợ kiểm soát nhiễm trùng trên bề mặt thiết bị y tế hoặc trong các bệnh mạn tính.
Ứng dụng trong vật liệu y sinh: Cellulase cũng được sử dụng gián tiếp trong xử lý chitosan khi kết hợp cùng các enzyme khác, tạo ra vật liệu sinh học như màng tái tạo mô, sợi khâu phẫu thuật và các ứng dụng trong kỹ thuật y học tái tạo.

Tìm hiểu thêm enzyme tiêu hóa là gì

Ứng dụng của enzyme cellulase trong thực phẩm

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, enzyme cellulase được ứng dụng như sau:

Trong sản xuất nước trái cây, cellulase giúp làm trong, giảm độ nhớt và tăng giá trị cảm quan của sản phẩm.
Cellulase có thể kết hợp với các enzyme khác như pectinase, cellulase cải thiện độ nở của bột, chất lượng bánh mì và các sản phẩm nướng.
Enzyme cũng được sử dụng trong chiết xuất hợp chất sinh học từ thực vật và cải thiện chất lượng dầu ô liu bằng cách gia tăng hàm lượng phenolic và khả năng chống oxy hóa.

Ứng dụng của enzyme cellulase trong công nghiệp

Không chỉ có giá trị trong y học và thực phẩm, enzyme cellulase còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp như:

Trong ngành dệt may: Cellulase được dùng để làm mềm vải, tạo hiệu ứng màu cho denim và làm bóng bề mặt sợi
Trong công nghiệp giấy: Enzyme này giúp giảm năng lượng tiêu thụ khi nghiền bột giấy, tẩy mực giấy tái chế và nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Trong sản xuất chất tẩy rửa: Cellulase giúp làm sáng màu, loại bỏ xơ sợi thừa, giữ cho quần áo mềm mại và bền màu.
Trong sản xuất nhiên liệu sinh học: Cellulase đóng vai trò quan trọng trong thủy phân sinh lignocellulose thành đường để lên men thành ethanol.

Ứng dụng của enzyme cellulase trong ngành công nghiệp giấy

Ứng dụng của enzyme cellulase trong chăn nuôi

Trong lĩnh vực chăn nuôi, cellulase được xem là một phụ gia enzyme hữu ích giúp nâng cao hiệu quả dinh dưỡng và giảm chi phí thức ăn:

Cellulase được bổ sung vào khẩu phần ăn của gia súc và gia cầm nhằm tăng khả năng tiêu hóa chất xơ, cải thiện hiệu suất chuyển hóa thức ăn.
Enzyme này giúp giải phóng dinh dưỡng từ nguồn thức ăn thô xanh, nâng cao năng suất tăng trọng và sản lượng sữa ở động vật nhai lại.
Việc bổ sung cellulase còn giúp giảm chi phí thức ăn và tối ưu hiệu quả sử dụng nguyên liệu trong ngành chăn nuôi.

Enzyme cellulase mua ở đâu uy tín?

Enzyme cellulase hiện được bán rộng rãi dưới dạng chế phẩm sinh học phục vụ nghiên cứu, sản xuất công nghiệp, chăn nuôi và thực phẩm. Tuy nhiên, để đảm bảo chất lượng và hiệu quả sử dụng, người tiêu dùng nên lựa chọn mua từ nhà cung cấp uy tín. Một số nhà cung cấp và địa điểm mua uy tín bao gồm:

Các công ty cung cấp chuyên nghiệp: Một số đơn vị như ICFOOD Việt Nam hay INGREDA là những nhà phân phối uy tín, cung cấp enzyme cellulase chất lượng cao, có chứng nhận rõ ràng.
Sàn thương mại điện tử: Người dùng có thể tìm mua enzyme cellulase trên các nền tảng như Shopee, Lazada, nơi có nhiều lựa chọn về sản phẩm và giá cả.

Ngoài ra, bạn nên lưu ý một số vấn đề khi lựa chọn mua enzyme: Cần kiểm tra kỹ thông tin sản phẩm, nguồn gốc xuất xứ, chứng nhận chất lượng và đọc đánh giá từ người dùng trước. Điều này giúp đảm bảo bạn chọn được sản phẩm chính hãng, an toàn và đạt hiệu quả sử dụng tối ưu.

Cần kiểm tra kỹ thông tin sản phẩm trước khi lựa chọn mua cellulase

Kết luận

Enzyme cellulase có vai trò quan trọng, giúp hỗ trợ tiêu hóa, xử lý chất thải sinh học và sản xuất năng lượng sinh học. Với các ứng dụng đa dạng trong y học, thực phẩm, công nghiệp, dệt may và chăn nuôi, cellulase chứng tỏ vai trò quan trọng trong đời sống và sản xuất hiện đại. Việc nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng enzyme này không chỉ góp phần tối ưu hóa năng suất và hiệu quả kinh tế mà còn thúc đẩy phát triển bền vững, thân thiện với môi trường.

Nguồn tham khảo:

Mời bạn đánh giá chất lượng bài viết!

Dược sĩ Phạm Cao Hà

Đã kiểm duyệt nội dung

Tôi là dược sĩ Phạm Cao Hà, hiện đang giữ vai trò cố vấn chuyên môn tại Công ty TNHH Mediphar USA. Với gần 40 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu và quản lý chất lượng sản phẩm thực phẩm chức năng bảo vệ sức khỏe, tôi cam kết cung cấp những thông tin chính xác và hữu ích cho cộng đồng.

Hy vọng rằng những kiến thức và kinh nghiệm mà tôi chia sẻ trên website medipharusa.com sẽ hỗ trợ Quý Đối Tác và Khách Hàng của công ty trong việc hiểu biết sâu sắc hơn về lĩnh vực dược phẩm và thực phẩm chức năng.

> Xem thêm về tác giả