Hemicellulase

1 Hemicellulase là gì?

1.1 Định nghĩa

Hemicellulase là một nhóm enzyme đa dạng có khả năng thủy phân hemicellulose - một trong những nhóm polysaccharide phổ biến nhất trong tự nhiên. Mỗi enzyme sẽ chịu trách nhiệm phân huỷ mỗi loại polysaccharide khác nhau.

Cơ chất của các enzyme này, hemicellulose - thành phần chính của thành tế bào thực vật, là một nhóm polysaccharide mạch thẳng, phân nhánh, không đồng nhất, liên kết với các vi sợi cellulose trong thành tế bào thực vật thông qua liên kết hydro, tạo thành một mạng lưới bền chắc. Hemicellulose cũng liên kết cộng hóa trị với lignin, cùng với cellulose tạo thành một cấu trúc cực kỳ phức tạp.

1.2 Nguồn gốc

Hemicellulase được sản xuất bởi nhiều loại vi sinh vật khác nhau trong tự nhiên. Việc phân lập các vi sinh vật sản xuất hemicellulase từ tự nhiên là cách quan trọng để phát hiện các hemicellulase mới có các tính chất khác nhau hoặc khai thác các gen mã hóa hemicellulase.

Thông thường, hemicellulase được sản xuất bởi các vi sinh vật hoại sinh, chúng phát triển trên các vật liệu đã chết và đang phân hủy.

Hemicellulase từ nấm và vi khuẩn chịu nhiệt có giá trị thương mại vì chúng có thể chịu đựng được các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ và pH cực đoan. Các vi khuẩn sản xuất hemicellulase đã được phân lập từ nhiều môi trường khác nhau, bao gồm đất, công viên và rừng. Các vi sinh vật trong dạ dày của bò và các động vật có dạ dày phức tạp cũng là nguồn tiềm năng để tìm các vi sinh vật sản xuất hemicellulase bản địa.

Các thành viên của chi Bacillus và Paenibacillus từ lâu đã được sử dụng trong sản xuất nhiều enzyme, bao gồm cả hemicellulase. Ví dụ, Bacillus subtilis có thể sản xuất xylanase và β-xylosidase đồng thời. Khi kết hợp xylanase và β-xylosidase, lượng đường giải phóng (xylose, xylobiose, xylotriose, xylotetraose) tăng 90% so với chỉ sử dụng xylanase một mình.

Thermobacillus xylanilyticus là một vi khuẩn chịu nhiệt và có khả năng phân hủy xylan mạnh mẽ. Nó sản xuất các enzyme bền và ổn định, bao gồm GHs và esterases, có tiềm năng đặc biệt trong việc phát triển các nhà máy bio-refinery tích hợp. Thành phần sinh khối mà vi khuẩn này phát triển trên đó ảnh hưởng đến sự phát triển và các hồ sơ sản xuất enzyme của nó.

Mặc dù một số lượng lớn vi sinh vật đã được phân lập, chỉ một số ít trong số đó có khả năng sản xuất hemicellulase với mức độ thương mại có giá trị. Do đó, việc cải thiện sản xuất hemicellulase bằng cách đột biến toàn bộ gen của các chủng bản địa thường là một lựa chọn. 

1.3 Cấu trúc

Hemicellulose là một chuỗi polysaccharide có cấu trúc phức tạp nên điều này yêu cầu nhiều enzyme khác nhau phối hợp cùng nhau để phân hủy hoàn toàn hemicellulose. Tuy nhiên, một số đặc điểm chung có thể nhận thấy là: 

• Hemicellulase thường mang ít nhất một miền xúc tác, có nhiệm vụ chính trong việc phân giải hemicellulose. Miền xúc tác này có thể bao gồm các cấu trúc bậc hai như kết cấu phiến (beta-sheet), xoắn ốc (alpha-helix), hoặc sự kết hợp giữa chúng. 
• Hemicellulase cũng có thể sở hữu một hoặc nhiều miền liên kết carbohydrate (carbohydrate binding domain - CBD), đóng vai trò quan trọng trong việc gắn kết với hemicellulose, từ đó nâng cao hiệu quả của quá trình xúc tác. Các miền CBD thường có cấu trúc phiến và bao gồm các vòng disaccharide hoặc trisaccharide. 
• Hemicellulase còn mang thêm các miền liên kết không xúc tác (non-catalytic binding domain - NBD), giúp enzyme tương tác với các yếu tố khác trong môi trường sinh học như lipid, protein, hay ion kim loại. Các miền này có thể có cấu trúc bậc hai đa dạng, với các khu vực có tính chất ưa nước hoặc ưa dầu.

2 Cơ chế tác dụng

Hemicellulase là các enzyme có vai trò quan trọng trong việc phân hủy hemicellulose, một thành phần cấu trúc trong thành tế bào thực vật. Hemicellulase có khả năng phân hủy các hemicellulose như xylan, xyloglucan, arabinoxylan và glucomannan từ sinh khối thực vật. Cấu trúc và tổ chức biến đổi của hemicellulose yêu cầu sự phối hợp của nhiều enzyme để phân hủy hoàn toàn.

Các enzyme hemicellulase thường là các protein dạng module, có nghĩa là ngoài vùng có chức năng xúc tác, chúng còn có các module chức năng khác. Các module quan trọng nhất là module gắn kết carbohydrate, giúp enzyme định hướng vào các polysaccharide không hòa tan, và module dockerin, giúp kết nối các miền xúc tác thông qua các tương tác cohesin–dockerin, từ đó liên kết enzyme với bề mặt tế bào vi sinh vật hoặc các phức hợp enzym lớn như cellulosome.

Hemicellulase có hoạt động tương tự với cellulase do sự hiện diện của các liên kết β-1,4-glycosid trong cấu trúc xương sống của hemicellulose trong sinh khối thực vật. Một trong các module xúc tác chính của hemicellulase là glycoside hydrolases (GHs), có khả năng thủy phân các liên kết glycoside. Substrate hemicellulose là một cấu trúc carbohydrate phức tạp, gồm nhiều polymer dễ thủy phân, như pentose (ví dụ, xylose và arabinose), hexose (ví dụ, mannose, Glucose và galactose), và sugar acids. Một module xúc tác chính khác của hemicellulase là carbohydrate esterase, có khả năng thủy phân các liên kết ester của các nhóm axetat hoặc ferulic acid. Các enzyme như xylanase, α-d-glucuronidase, α-l-arabinofuranosidase, α-d-galactosidase, β-xylosidase, và β-mannanase tấn công các liên kết glycoside, trong khi các enzyme acetyl hoặc feruloyl esterases thủy phân các liên kết ester của các nhóm axetat hoặc ferulic acid trong cấu trúc màng tế bào thực vật.

3 Ứng dụng trong lâm sàng

Cải thiện khả năng tiêu hóa và hấp thu dưỡng chất:

Hemicellulase tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy chất xơ phức tạp, giảm đầy hơi và khó tiêu. Các nghiên cứu trên động vật đã chỉ ra rằng việc bổ sung hemicellulase vào khẩu phần ăn không chỉ giúp cải thiện sự tiêu hóa các dưỡng chất mà còn làm tăng hiệu quả chuyển hóa thức ăn, từ đó nâng cao hiệu suất sinh trưởng và phát triển. Điều này cũng có thể áp dụng cho con người, đặc biệt là đối với những người có hệ tiêu hóa kém hoặc già yếu.

Một vấn đề phổ biến khi lão hóa là sự suy giảm chức năng của hệ tiêu hóa, đặc biệt là khả năng sản xuất enzyme tiêu hóa. Các enzyme do tuyến tụy sản xuất giảm dần theo tuổi tác, điều này làm giảm khả năng tiêu hóa và hấp thu các dưỡng chất. Hemicellulase có thể giúp bù đắp sự thiếu hụt này, cải thiện khả năng tiêu hóa ở những người lớn tuổi, giúp họ hấp thu tốt hơn các dưỡng chất từ thực phẩm.

Giảm nguy cơ nhiễm nấm Candida:

Hemicellulase giúp giảm nguy cơ nhiễm nấm Candida, một loại nấm thường gây nhiễm trùng nấm men, đặc biệt ở các vùng như miệng, âm đạo, hoặc dạ dày. Candida có thành tế bào được cấu thành từ hemicellulose, do đó, hemicellulase có thể phân hủy lớp màng tế bào của Candida, làm giảm sự phát triển của nấm này. Những nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bổ sung hemicellulase có thể giúp giảm tình trạng nhiễm nấm men, đặc biệt là đối với những người có nguy cơ cao như người dùng kháng sinh lâu dài hoặc có hệ miễn dịch yếu.

4 Ứng dụng trong công nghiệp

Hemicellulase đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như thực phẩm, bánh nướng, nước ép, thức ăn chăn nuôi, dệt may, chất tẩy rửa và xử lý nước thải nhờ khả năng phân hủy carbohydrate phức tạp thành đường đơn.

Ngành công nghiệp thực phẩm:

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, hemicellulase được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm cải thiện kết cấu và hương vị của thực phẩm, giảm thiểu chất thải và tăng cường giá trị dinh dưỡng. Xylanase là một trong những hemicellulase được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp thực phẩm. Nó được sử dụng để cải thiện chất lượng bánh mì bằng cách phân hủy arabinoxylan có trong bột mì. Enzyme này cũng làm tăng giá trị dinh dưỡng của bánh mì bằng cách tăng cường khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng như khoáng chất và vitamin. Glucanase là một hemicellulase khác được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, chủ yếu trong sản xuất bia. Nó giúp phân hủy glucan có trong lúa mạch và các loại ngũ cốc khác, giảm độ nhớt của dịch nghiền và cải thiện năng suất chiết xuất cũng như hiệu suất ủ bia.

Ngành công nghiệp làm bánh:

Ngành công nghiệp bánh nướng sử dụng hemicellulase để cải thiện chất lượng các sản phẩm nướng như bánh ngọt và bánh mì. Xylanase là hemicellulase được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp bánh nướng. Nó giúp phân hủy hemicellulose trong bột mì, cải thiện đặc tính xử lý bột, tăng thể tích và kết cấu ruột bánh mềm hơn. Mặt khác, pectinase được sử dụng trong sản xuất nước ép trái cây để tăng sản lượng nước ép và làm trong nước ép.

Ngành công nghiệp nước ép:

Pectinase thường được sử dụng trong quá trình chế biến nước ép để phân hủy pectin trong trái cây và rau quả. Bằng cách phân hủy pectin, pectinase có thể giúp giảm độ nhớt của nước ép, giúp quá trình chế biến dễ dàng hơn và tăng năng suất chiết xuất. Điều này giúp chiết xuất nhiều nước ép hơn từ nguyên liệu thô và cải thiện độ trong và độ ổn định của sản phẩm cuối cùng. Ngoài pectinase, các loại hemicellulase khác có thể được sử dụng trong quá trình chế biến nước ép để nhắm mục tiêu vào các thành phần khác nhau của thành tế bào. Ví dụ, mannanase có thể phân hủy mannan, một loại hemicellulose khác, thường có trong trái cây họ cam quýt. 

Ngành thức ăn chăn nuôi:

Ngành công nghiệp thức ăn chăn nuôi sử dụng hemicellulase để cải thiện khả năng tiêu hóa thức ăn chăn nuôi. Xylanase, mannanase và glucanase là những hemicellulase được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp thức ăn chăn nuôi. Chúng giúp phân hủy hemicellulose có trong thức ăn có nguồn gốc thực vật, giúp vật nuôi dễ tiêu hóa và hấp thụ chất dinh dưỡng hơn.

Ngành dệt may:

Hemicellulase, chẳng hạn như pectinase, được sử dụng trong ngành dệt may thông qua một quy trình gọi là tẩy rửa sinh học. Tẩy rửa sinh học là một phương pháp tự nhiên và thân thiện với môi trường để loại bỏ tạp chất khỏi sợi cellulose, chẳng hạn như bông, gai dầu hoặc lanh, trước khi chúng được xử lý thành vải dệt.

Hemicellulase phân hủy thành phần hemicellulose trong nguyên liệu thực vật, vốn khó loại bỏ bằng các phương pháp truyền thống. Bằng cách loại bỏ các tạp chất này, sợi vải trở nên thấm hút tốt hơn và có thể nhuộm hoặc in dễ dàng hơn. Hemicellulase đóng vai trò quan trọng trong quá trình này bằng cách phá vỡ các liên kết hemicellulose liên kết tạp chất với sợi vải, giúp loại bỏ chúng dễ dàng hơn trong quá trình giặt.

Ngành công nghiệp chất tẩy rửa:

Hemicellulase là enzyme được sử dụng trong chất tẩy rửa để phân hủy carbohydrate phức tạp có trong các vết bẩn trên vải như sô cô la và cỏ. Cụ thể, mannanase là một loại hemicellulase có khả năng phân hủy thành phần hemicellulose của thành tế bào thực vật có trong các vết bẩn này, giúp loại bỏ chúng dễ dàng hơn trong quá trình giặt. Việc sử dụng hemicellulase trong chất tẩy rửa có thể cải thiện hiệu quả loại bỏ vết bẩn và giảm nhu cầu sử dụng các chất tẩy rửa mạnh hơn.

Ngành xử lý nước thải:

Hemicellulase có thể được sử dụng trong xử lý nước thải để phân hủy thành phần hemicellulose của chất hữu cơ có trong nước thải. Điều này có thể giúp giảm độ nhớt tổng thể của nước thải và giảm nhu cầu oxy sinh học (BOD).

5 Thận trọng

Một số người dùng có thể bị đầy hơi hoặc chướng bụng do enzyme này hoạt động để phân hủy chất xơ. Sử dụng quá mức có thể dẫn đến rối loạn tiêu hóa như tiêu chảy ở một số người.

Khi sử dụng Hemicellulase, người dùng cần tuân thủ đúng liều lượng được khuyến nghị và cần tham khảo ý kiến của bác sĩ trước khi dùng chung với bất kỳ thực phẩm chức năng/ thuốc nào để đảm bảo an toàn.

Những người có tiền sử dị ứng với các enzyme tiêu hóa hoặc gặp phải các vấn đề về dạ dày, ruột như viêm loét dạ dày, cần tham khảo ý kiến bác sĩ trước khi sử dụng Hemicellulase. Việc tự ý sử dụng có thể làm trầm trọng thêm các vấn đề sức khỏe.

6 Tài liệu tham khảo

1. Tác giả Dalia Shallom, Yuval Shoham (Năm 2003). Microbial hemicellulases. sciencedirect.com. Truy cập ngày 30 tháng 8 năm 2025.

2. Tác giả Yanglei Yi (Năm 2021). Hemicellulases. sciencedirect.com. Truy cập ngày 30 tháng 8 năm 2025.