Tài liệu ảnh hưởng của việc bổ sung chế phẩm sinh học đến đặc điểm sinh khí của một số loại thức ăn thô dùng cho bò

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM BÙI THỊ THU HIỀN ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC BỔ SUNG CHẾ PHẨM SINH HỌC ĐẾN ĐẶC ĐIỂM SINH KHÍ CỦA MỘT SỐ LOẠI THỨC ĂN THÔ DÙNG CHO BÒ Ngành: Mã số: Người hướng dẫn khoa học: Chăn nuôi 60.62.01.05 TS. Phạm Kim Cương PGS. TS. Bùi Quang Tuấn NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả thu được là do bản thân trực tiếp theo dõi, thu thập với một thái độ hoàn toàn khách quan trung thực. Các tài liệu đã trích dẫn của các tác giả đều được liệt kê đầy đủ, không sao chép bất cứ tài liệu nào mà không có trích dẫn. Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận văn Bùi Thị Thu Hiền i năm 2016 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn nghiên cứu này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo khoa Chăn Nuôi, Học viện Nông nghiệp Việt Nam cũng như các đồng nghiệp và người thân. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Phạm Kim Cương, bộ môn Dinh dưỡng và thức ăn chăn nuôi, Viện chăn nuôi; PGS.TS Bùi Quang Tuấn trưởng bộ môn dinh dưỡng thức ăn, khoa Chăn Nuôi, Học Viện Nông nghiệp Việt Nam, đã luôn tạo điều kiện giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt thời gian học tập, thực hiện luận văn. Bên cạnh đó, tôi cũng gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc tới các bạn bè, đồng nghiệp, các thầy cô giáo đang công tác tại khoa Chăn nuôi – Học viện Nông Nghiệp Việt Nam, Trung tâm Bảo tồn vật nuôi - Viện Chăn nuôi đã luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi, sẵn lòng giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài này. Cuối cùng cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành tới những người thân trong gia đình, những người đã mang lại cho tôi sự tự tin ngày hôm nay. Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận văn Bùi Thị Thu Hiền ii năm 2016 MỤC LỤC Lời cam đoan ..................................................................................................................... i Lời cảm ơn ........................................................................................................................ ii Mục lục ........................................................................................................................... iii Danh mục chữ viết tắt ....................................................................................................... v Danh mục bảng ................................................................................................................ vi Danh mục hình ................................................................................................................ vii Trích yếu luận văn ......................................................................................................... viii Thesis abstract................................................................................................................... x Phần 1. Mở đầu ............................................................................................................... 1 1.1 1.2. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 1 Mục tiêu của đề tài.............................................................................................. 2 Phần 2. Tổng quan tài liệu ............................................................................................. 3 2.1. Đặc điểm của nguồn nguyên liệu thức ăn giàu xơ cho gia súc nhai lại .............. 3 2.1.2. Hemicellulose ..................................................................................................... 5 2.1.1. 2.1.3. 2.1.4. 2.2. 2.2.1. 2.2.2. 2.3. 2.3.1. 2.3.2. 2.5. 2.5.1. 2.5.2. Cellulose ............................................................................................................. 5 Lignin.................................................................................................................. 7 Đặc điểm của bông sợi. .................................................................................... 10 Tiêu hóa xơ của gia súc nhai lại ....................................................................... 11 Sơ lược chức năng cơ quan tiêu hóa gia súc nhai lại ........................................ 11 Quá trình tiêu hóa thành tế bào thực vật của vi sinh vật dạ cỏ ......................... 12 Các chế phẩm sinh học dùng cho gia súc nhai lại ............................................ 15 Chế phẩm enzyme ............................................................................................ 15 Chế phẩm sinh học bổ sung trực tiếp cho vi khuẩn .......................................... 16 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước ............................................ 18 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................... 18 Tình hình nghiên cứu trong nước ..................................................................... 19 Phần 3. Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu ....................................... 21 3.1. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................... 21 3.1.2. Thức ăn thô ....................................................................................................... 21 3.1.1. Chế phẩm sinh học ........................................................................................... 21 iii 3.1.3. Gia súc thí nghiệm ............................................................................................ 21 3.3. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................ 21 3.2. 3.4. 3.4.1. 3.4.2. 3.5. Địa điểm và thời gian nghiên cứu ..................................................................... 21 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 22 Phân tích thành phần hóa học ........................................................................... 22 Thí nghiệm in vitro gas production .................................................................. 22 Phương pháp xử lý số liệu ................................................................................ 27 Phần 4. Kết quả thảo luận ............................................................................................ 28 4.1. Thành phần hóa học của các loại thức ăn thí nghiệm ....................................... 28 4.2.1. Lượng khí sinh ra trong thí nghiệm in vitro của bông ..................................... 29 4.2. 4.2.2. 4.3. 4.3.1. 4.3.2. 4.4. 4.4.1. 4.4.2. 4.5. 4.5.1. 4.5.2. 4.6. 4.6.1. 4.6.2. Tốc độ và động thái sinh khí in vitro của bông ................................................ 29 Động thái sinh khí khi lên men in vitro bông ................................................... 33 Tốc độ và động thái sinh khí in vitro của rơm .................................................. 36 Lượng khí sinh ra trong thí nghiệm in vitro của rơm ....................................... 36 Động thái sinh khí in vitro của rơm .................................................................. 39 Tốc độ và động thái sinh khí in vitro của cỏ khô pangola ................................ 40 Lượng khí sinh ra trong thí nghiệm in vitro của cỏ khô Pangola ..................... 40 Động thái sinh khí in vitro của cỏ khô Pangola ................................................ 42 Tốc độ và động thái sinh khí in vitro của cỏ voi .............................................. 43 Lượng khí sinh ra trong thí nghiệm in vitro của cỏ voi .................................... 43 Động thái sinh khí in vitro của cỏ voi .............................................................. 45 Tốc độ và động thái sinh khí in vitro của thân cây ngô .................................... 46 Lượng khí sinh ra trong thí nghiệm in vitro của thân cây ngô ......................... 46 Động thái sinh khí in vitro của thân cây ngô .................................................... 48 Phần 5. Kết luận và kiến nghị ...................................................................................... 50 5.1. 5.2. Kết luận............................................................................................................. 50 Kiến nghị .......................................................................................................... 50 Tài liệu tham khảo .......................................................................................................... 50 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Việt Cs Cộng sự NDF Xơ không tan trong môi trường trung tính ADF Bs VCK Xơ không tan trong môi trường axit Bổ sung Vật chất khô v DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Bảng 2.2. Bảng 4.1. Bảng 4.2. Bảng 4.3. Các vi sinh vật dạ cỏ và hoạt tính enzyme của chúng liên quan tới phân giải thành tế bào thực vật trong dạ cỏ .............................................. 13 Các hoạt tính enzyme chủ yếu cần thiết cho quá trình thủy phân các polymer thành tế bào thực vật hiện diện trong dạ cỏ .................................. 15 Thành phần hóa học của các loại thức ăn thí nghiệm ................................. 28 Ảnh hưởng các mức bổ sung chế phẩm A đến lượng khí sinh ra khi lên men in vitro bông ................................................................................. 30 Ảnh hưởng các mức bổ sung chế phẩm C đến lượng khí sinh ra khi lên men in vitro bông ................................................................................. 32 Bảng 4.4a. Động thái sinh khí của bông gòn khi bổ sung chế phẩm A ........................ 34 Bảng 4.4b. Động thái sinh khí của bông gòn khi bổ sung chế phẩm C ........................ 35 Bảng 4.5. Bảng 4.6. Bảng 4.7. Bảng 4.8 Bảng 4.9. Ảnh hưởng các mức bổ sung chế phẩm đến lượng khí sinh ra khi lên men in vitro rơm ........................................................................................ 37 Động thái sinh khí của rơm khi bổ sung chế phẩm ở các mức khác nhau .................................................................................................... 39 Ảnh hưởng các mức bổ sung chế phẩm đến lượng khí sinh ra khi lên men in vitro cỏ khô Pangola ...................................................................... 41 Động thái sinh khí của cỏ khô khi bổ sung chế phẩm ở các mức khác nhau.................................................................................................................... 42 Ảnh hưởng các mức bổ sung chế phẩm đến lượng khí sinh ra khi lên men in vitro cỏ voi .................................................................................... 44 Bảng 4.10. Động thái sinh khí của cỏ voi khi bổ sung chế phẩm ở các mức khác nhau................................................................................................................... 45 Bảng 4.11. Ảnh hưởng các mức bổ sung chế phẩm đến lượng khí sinh ra khi lên men in vitro thân cây ngô ......................................................................... 47 Bảng 4.12. Động thái sinh khí của thân cây ngô khi bổ sung chế phẩm ở các mức khác nhau ................................................................................... 48 vi DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Cấu trúc thành tế bào thực vật ....................................................................... 3 Hình 2.2. Thành phần chủ yếu của lignocellulose ......................................................... 4 Hình 2.3. Công thức hóa học của cellulose.................................................................... 5 Hình 2.4. O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng ..................................... 7 Hình 2.5. Arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm ...................................... 7 Hình 2.6. Các đơn vị cơ bản của lignin.......................................................................... 8 Hình 2.7. Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính ............................... 9 Hình 2.8. Hình thái cây bông sợi ................................................................................. 10 Hình 4.1. Ảnh hưởng các mức bổ sung chế phẩm A đến lượng khí sinh ra khi lên men in vitro bông ............................................................................. 31 Hình 4.2. Ảnh hưởng các mức bổ sung chế phẩm C đến lượng khí sinh ra khi lên men in vitro bông ............................................................................. 33 Hình 4.3. Ảnh hưởng các mức bổ sung chế phẩm đến lượng khí sinh ra khi lên men in vitro rơm..................................................................................... 38 Hình 4.4. Ảnh hưởng các mức bổ sung chế phẩm đến lượng khí sinh ra khi lên men in vitro cỏ khô Pangola .................................................................. 43 Hình 4.5. Ảnh hưởng các mức bổ sung chế phẩm đến lượng khí sinh ra khi lên men in vitro cỏ voi ................................................................................. 44 Hình 4.6. Ảnh hưởng các mức bổ sung chế phẩm đến lượng khí sinh ra khi lên men in vitro thân cây ngô ....................................................................... 47 vii TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Tên tác giả: Bùi Thị Thu Hiền Tên Luận văn: “Ảnh hưởng của việc bổ sung chế phẩm sinh học đến đặc điểm sinh khí của một số loại thức ăn thô dùng cho bò”. Ngành: Chăn Nuôi Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam Mã số: 60.62.01.05 Mục đích nghiên cứu Đánh giá ảnh hưởng của chế phẩm sinh học bổ sung vào khẩu phần đến đặc điểm sinh khí khi lên men thức ăn trong điều kiện in vitro gas production. Phương pháp nghiên cứu a/ Đề tài có hai nội dung chính. - Nội dung 1: Ảnh hưởng của việc bổ sung chế phẩm sinh học đến tốc độ và đặc điểm sinh khí khi lên men in vitro gas production trên bông. - Nội dung 2: Ảnh hưởng của việc bổ sung chế phẩm sinh học đến tốc độ và đặc điểm sinh khí khi lên men in vitro gas production một số loại thức ăn thô (cỏ voi 45 ngày, thân cây ngô tươi sau thu bắp, rơm lúa khô và cỏ khô Pangola). b/ Nguyên vật liệu - 2 bò đực Lai Sind mổ lỗ dò có gắn canula. - Chế phẩm sinh học A và C (dạng bột do Viện Chăn nuôi và Viện Vi sinh vật phối hợp nghiên cứu và sản xuất). - Mẫu thử nghiệm: Bông, cỏ voi 45 ngày tuổi, thân cây ngô tươi sau thu bắp, cỏ khô Pangola, rơm lúa khô được nghiền qua mắt sàng 1mm. - Hóa chất và các dụng cụ làm thí nghiệm in vitro gas production. c/ Phương pháp nghiên cứu. Sử dụng phương pháp in vitro gas production để tiến hành thí nghiệm theo thủ tục của Menke và Steingass (1988). Phương pháp tiến hành đối với nội dung 1: Tiến hành qui trình thí nghiệm sinh khí in vitro gas production trên bông. Cân mẫu bông 200mg, đưa vào mỗi xilanh. Để ủ mẫu trong tủ ấm 390C qua đêm. Sáng hôm sau bổ sung vào mẫu chế phẩm A và C theo tỷ lệ 1‰; 3‰; 5‰; 7‰; 9‰; 11‰; 13‰; 15‰ và 17‰ (theo chất khô). Sau đó pha dung dịch đệm và bơm 30ml hỗn hợp dịch dạ cỏ và dung dịch đệm cho vào xilanh đã có mẫu và chế phẩm. Đưa xilanh vào tủ ấm 390C và đọc thể tích khí sinh ra tại các thời điểm viii Phương pháp tiến hành đối với nội dung 2: Từ kết quả thu được sẽ tìm ra 3 mức bổ sung chế phẩm A và 3 mức bổ sung chế phẩm C phù hợp cho thí nghiệm tiếp theo để đánh giá hiệu quả của việc bổ sung chế phẩm sinh học đến tốc độ và đặc điểm sinh khí khi lên men in vitro gas production thức ăn thô (cỏ voi 45 ngày tuổi, thân cây ngô tươi sau thu bắp, cỏ khô Pangola, rơm lúa khô). Kết quả chính và kết luận Bổ sung enzyme vào bông đã ảnh hưởng đến tốc độ và đặc điểm sinh khí khi lên men in vitro gas production. Bổ sung enzyme từ nấm Aspergillus niger vào bông ở mức 11‰ đạt tiềm năng sinh khí cao nhất (26,2 ml). Bổ sung enzyme từ nấm Aspergillus niger, các chủng thuộc giống Lactobacillus spp, Bacillus spp và Saccharomyces vào bông ở mức 13‰ đạt tiềm năng sinh khí cao nhất (23 ml) so với các mức còn lại. Bổ sung enzyme từ nấm Aspergillus (chế phẩm A) vào thức ăn thô khô (rơm, cỏ khô pangola), thức ăn thô xanh (cỏ voi, thân cây ngô) đã ảnh hưởng đến tốc độ và đặc điểm sinh khí khi lên men in vitro của chúng. Bổ sung ở mức 11‰ đạt được hiệu quả cao nhất với tiềm năng sinh khí lần lượt là 29,6ml; 32,9 ml; 38,9 ml; 39,3 ml, cao hơn hẳn so với mức bổ còn lại và đối chứng (23,5 ml; 25,7 ml; 32,8 ml; 34 ml) với P<0,05. Bổ sung enzyme từ nấm Aspergillus niger, các chủng thuộc giống Lactobacillus spp. Bacillus spp và Saccharomyces (chế phẩm C) vào thức ăn thô khô (rơm, cỏ khô pangola), thức ăn thô xanh (cỏ voi, thân cây ngô) đã ảnh hưởng đến tốc độ và đặc điểm sinh khí khi lên men in vitro của chúng. Bổ sung ở mức 13‰ đạt được hiệu quả cao nhất với tiềm năng sinh khí lần lượt là 29,3 ml; 24,4 ml; 30 ml; 30,1 ml; cao hơn hẳn so với mức bổ sung còn lại và đối chứng với P<0,05. ix THESIS ABSTRACT Master candidate: Bùi Thị Thu Hiền Thesis title: “EFFECTS OF PROBIOTICS SUPPLEMENT ON GAS PRODUCTION OF SEVERAL ROUGHAGE AS COW FEEDS”. Major: Animal science Code: 60.62.01.05 Educational organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA) Research Objectives: Assessing the effect of probiotics supplements on the rate and characteristics of in vitro gas production of roughage. Materials and Methods a / Two main contents - Contents 1: The effect of probiotics supplements on the rate and characteristics of in vitro gas production of cotton. - Contents 2: The effect of probiotics production supplements on the rate and characteristics of in vitro gas production of several roughages (elephant grass 45 days, maize stalk, dried rice straw and Pangola hay). b / Materials - 2 fistulated lai Sind bulls. - Probiotics products named: A and C (produced by the Institute of Animal Husbandry and Institute of Microbiology and Biotechnology). - Feed Sample: Cotton, elephant grass at 45 days old, maize stalk, Pangola hay and dried rice straw that crushed through a sieve 1mm. - Chemicals and laboratory equipment for in vitro gas production. c / Methods The procedure of in vitro gas production according to Menke and Steingass, 1988. - Procedure for the content 1: Approximately 200mg dry weight of cotton was weighed into triple glass syringes (Häberle Labortechnik, Germany) of 100 ml. The syringes were pre-warmed at 39°C overnight in incubator. The next morning added to the sample probiotics products of A and C at the rate of 1 ‰; 3 ‰; 5 ‰; 7 ‰; 9 ‰; 11 ‰; 13 ‰; 15 ‰ and 17 ‰ (on dry matter basic). Then injection of 30 ml rumen fluid buffer mixture consisting of 10 ml rumen liquor and 20 ml digestion medium into each syringe followed by incubation in an incubator at 39°C. Readings of gas production were recorded before incubation (0) and after 3, 6, 9, 12, 24, 48, 72 and 96 h of x incubation. Total gas values were corrected for blank incubation. Cumulative gas production data were fitted to the model of Ørskov and McDonald (1979). - Procedure for the content 2: results obtained from content 1, used of 3 levels probiotics products A and C that suitable preparations for the next experiments to determine the effects of probiotics supplements on the rate and characteristics of in vitro gas production of elephant grass 45 days, maize stalk, dried rice straw and Pangola hay. Main findings and conclusions Supplement of probiotics to cotton has affected to the rate and characteristics of the cumulative gas during in vitro fermentation. Additional enzyme from the fungus Aspergillus niger on cotton at the level of 11 ‰ achieve the highest potential gas (26.2 ml) while additional enzyme from the fungus Aspergillus niger, Lactobacillus spp, Bacillus spp and Saccharomyces to cotton at level of 13 ‰ to achieve the highest potential gas (23 ml) at P<0.05 cooperated to others level. Supplement enzymes from Aspergillus (product A) to dried forage (straw, Pangola hay) and forage (elephant grass, maize trunk) has affected to the rate and characteristics cumulative gas when fermented in vitro gas production. Additional at the level of 11 ‰ achieve the highest efficiency potential for gas of 29,6 ml; 32.9 ml; 38.9 ml; 39.3 ml respectively that much higher than the rest level of supplementation and also compared to control (23.5 ml; 25.7 ml; 32.8 ml; 34 ml) (P <0.05). Supplement enzyme from the fungus Aspergillus niger, Lactobacillus spp, Bacillus spp and Saccharomyces (product C) to dried forage (straw, Pangola hay) and forage (elephant grass, corn stalks) has affected to the rate and characteristics cumulative gas when fermented in vitro gas production. Additional at the level of 13 ‰ achieve the highest efficiency potential for gas of 29.3 ml; 24.4 ml; 30 ml; 30.1 ml respectively that much higher than the rest level of supplementation and also compared to control (P <0.05). xi PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Có rất nhiều công trình nghiên cứu cho thấy vai trò tích cực của enzyme đến khả năng tiêu hóa, đặc biệt là tiêu hóa chất xơ. Trong đó nấm đóng vai trò quan trọng, chúng sinh các loại enzyme cellulase, xylanase phân huỷ các cấu trúc polyme vững chắc của thành tế bào thực vật (Forsberg and Cheng, 1992; Wubah et al, 1993; Trinci et al, 1994). Thức ăn cho gia súc nhai lại thường có hàm lượng Cellulose cao hơn rất nhiều so với thức ăn cho lợn và gà. Đặc biệt hầu hết các thức ăn này có nguồn gốc thực vật như cây thức ăn, các loại phụ phẩm trồng trọt (rơm, thân cây ngô sau thu bắp, ngọn lá mía …) và phụ phẩm chế biến công - nông nghiệp (bã sắn, cám gạo, cám mỳ…). Hàm lượng dinh dưỡng của nguyên liệu giàu Cellulose này thường thấp do hàm lượng lignin trong đó khá cao (5-15%). Đây là thành phần mà vi sinh vật dạ cỏ không thể phân giải được và vì thế lignin được coi là một trong những nhân tố chính gây cản trở quá trình tiêu hóa thức ăn thô của vi sinh vật dạ cỏ. Lignin trong cấu trúc xơ của thực vật không những không bị vi sinh vật phân giải mà nó còn tạo mối liên kết chặt chẽ với Cellulose và hemicellulose của vách tế bào thực vật, làm hạn chế quá trình phân giải các thành phần xơ này của các vi sinh vật dạ cỏ (Arora and Sharma, 2009). Tuy nhiên hiện nay các nghiên cứu trong nước mới chỉ tập trung vào việc nghiên cứu các sản phẩm enzyme thích hợp dùng trong thức ăn cho lợn và gà, mà chưa có những nghiên cứu chuyên sâu vào việc sử dụng sản phẩm enzyme trong thức ăn cho loài nhai lại. Chính vì thế việc nghiên cứu sử dụng các chế phẩm sinh học có khả năng giúp nâng cao tỷ lệ tiêu hóa các phụ phẩm giàu xơ làm thức ăn cho gia súc nhai lại đang là một yêu cầu cấp thiết góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng thức ăn, giảm giá thành sản phẩm và làm tăng hiệu quả kinh tế cho người chăn nuôi. Xuất phát từ những lý do trên đề tài nghiên cứu này đã được tiến hành nhằm xác định “Ảnh hưởng của việc bổ sung chế phẩm sinh học đến khả năng tiêu hóa của một số loại thức ăn thô dùng cho gia súc nhai lại”. 1 1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.2.1. Mục Tiêu chung Đánh giá ảnh hưởng của chế phẩm sinh học bổ sung vào khẩu phần đến tốc độ và đặc điểm sinh khí khi lên men thức ăn trong điều kiện in vitro gas production. 1.2.2. Mục tiêu cụ thể cho bò. Xác định liều lượng bổ sung enzyme thích hợp vào khẩu phần thức ăn 2 PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA NGUỒN NGUYÊN LIỆU THỨC ĂN GIÀU XƠ CHO GIA SÚC NHAI LẠI Trong tự nhiên, các lớp của thành tế bào thực vật được minh họa bằng mô hình của gỗ (Hình 2.1). Ở giữa các tế bào có một hợp chất đóng vai trò như keo dán gắn kết các tế bào lại với nhau, đó là lớp gian bào. Lớp này cấu tạo từ các chất keo, có bản chất pectin và không có tác động về quang học. Bên trong là thành tế bào sơ cấp. Hình 2.1. Cấu trúc thành tế bào thực vật Thành tế bào sơ cấp có thể được chia thành mặt bên trong và mặt bên ngoài. Sự sắp xếp của các vi sợi trong thành tế bào sơ cấp phân tán tăng dần từ mặt trong ra mặt ngoài. Tiếp đến là thành tế bào thứ cấp gồm 3 lớp: lớp ngoài (S1), lớp giữa (S2) và lớp trong (S3). Sự phân chia thành tế bào thứ cấp thành ba lớp S chủ yếu là do sự định hướng khác nhau của các vi sợi trong ba lớp đó. Điển hình các vi sợi định hướng xoắn trong vách tế bào. Lớp ngoài của thành tế bào thứ cấp, các vi sợi được định hướng trong cấu trúc xoắn chéo có độ nghiêng tạo thành một góc lớn với trục dọc của tế bào. Lớp giữa là lớp dày nhất và ở lớp giữa có góc nhỏ và độ nghiêng của sợi xoắn ốc trong khi vi sợi trong lớp 3 được sắp xếp như ở lớp ngoài, với một góc rộng với trục dọc của tế bào. Ngoài ra trong một số trường hợp, trên mặt trong của thành tế bào có lớp sần sùi (W). Chức năng của thành tế bào là chống đỡ cho 3 các cơ quan của cây đặc biệt là các vách dày và cứng. Thành tế bào còn giữ các chức năng quan trọng chính như hấp thụ, thoát hơi nước hay vận chuyển và bài tiết. Lignocellulose là thành phần cấu trúc chính của thực vật thân gỗ và các thực vật khác như cỏ, lúa, ngô. Trong tự nhiên, chúng ta có thể tìm thấy lignocellulose ở thực vật hay các chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp và các chất thải rắn trong thành phố. Thành phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose, hemicellulose và lignin (Hình 2.2). Cellulose và hemicellulose là các đại phân tử cấu tạo từ các gốc đường khác nhau, trong khi lignin là một polymer dạng vòng được tổng hợp từ tiền phenylpropanoid. Thành phần cấu tạo và phần trăm của các polymer này là khác nhau giữa các loài. Hơn nữa, thành phần cấu tạo trong cùng một cây hay các cây khác nhau là khác nhau dựa vào độ tuổi, giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây và các điều kiện khác. Hình 2.2. Thành phần chủ yếu của lignocellulose 4 2.1.1. Cellulose Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức cấu tạo (C6H10O5)n, và là thành phần chủ yếu của thành tế bào thực vật, gồm nhiều cellobiose liên kết với nhau, 4-O- (β-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose (Hình 2.3). Hình 2.3. Công thức hóa học của cellulose Celluolose có cấu tạo tương tự carbohydrate phức tạp như tinh bột và glycogen. Các polysaccharide này đều được cấu tạo từ các đơn phân là glucose. Cellulose là glucan không phân nhánh, trong đó các gốc glucose kết hợp với nhau qua liên kết β-1->4-glycoside, đó chính là sự khác biệt giữa cellulose và các phân tử carbohydrate phức tạp khác. Giống như tinh bột, cellulose được cấu tạo thành chuỗi dài gồm ít nhất 500 phân tử glucose. Các chuỗi cellulose này sắp xếp song song tạo thành các vi sợi cellulose có đường kính khoảng 3,5nm. Mỗi chuỗi có nhiều nhóm OH tự do, vì vậy giữa các sợi ở cạnh nhau kết hợp với nhau nhờ các liên kết hydro được tạo thành giữa các nhóm OH của chúng. Các vi sợi lại liên kết với nhau tạo thành vi sợi lớn hay còn gọi là bó mixen có đường kính 20nm, giữa các sợi trong mixen có những khoảng trống lớn. Khi tế bào còn non, những khoảng này chứa đầy nước, ở tế bào già thì chứa đầy lignin và hemicellulose. Cellulose có cấu trúc rất bền và khó bị thủy phân. Người và động vật không có enzyme phân giải cellulose (cellulase) nên không tiêu hóa được cellulose, vì vậy cellulose không có giá trị dinh dưỡng. Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho thấy cellulose có thể có vai trò điều hòa hoạt động của hệ thống tiêu hóa.Vi khuẩn trong dạ cỏ của gia súc, các động vật nhai lại và động vật nguyên sinh trong ruột của mối sản xuất enzyme phân giải cellulose. Nấm đất cũng có thể phân hủy cellulose. Vì vậy chúng có thể sử dụng cellulose làm thức ăn. 2.1.2. Hemicellulose Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đên 200 đơn phân. Hemicellulose chứa cả đường 6 carbon gồm glucose, mannose và galactose và đường 5 gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của hemicellulose là β-D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β-(1-4). 5 Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiên có một vài đặc điểm chung gồm: - Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β-(1-4). - Xylose là thành phần quan trọng nhất. - Nhóm thế phổ biến nhất là acetyl O –liên kết với vị trí 2 hoặc 3. - Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc trisaccharide. Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này. Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị phân hủy. Hemicellulose là polysaccharide trong màng tế bào tan trong dung dịch kiềm và có liên kết chặt chẽ với cellulose, là một trong ba sinh khối tự nhiên chính. Cùng với cellolose và lignin, hemicellulose tạo nên thành tế bào vững chắc ở thực vật. Về cấu trúc, hemicellulose có thành phần chính là D-glucose, Dgalactose, D-mannose, D-xylose và L-arabinose liên kết với các thành phần khác và nằm trong liên kết glycoside. Hemicellulose còn chứa cả axit 4-Omethylglucuronic, axit D-galacturonic và axit glucuronic. Tromg đó, đường Dxylose, L-arabinose, D-glucose và D-galactose là phổ biến ở thực vật thân cỏ và ngũ cốc. Tuy nhiên, khác với hemicellulose thân gỗ, hemicellulose ở thực vật thân cỏ lại có lượng lớn các dạng liên kết và phân nhánh phụ thuộc vào các loài và từng loại mô trong cùng một loài cũng như phụ thuộc vào độ tuổi của mô đó. Tùy theo trong thành phần của hemicellulose có chứa monosaccharide nào mà nó sẽ co những tên tương ứng như manan, galactan, glucan và xylan. Các polysaccharide như manan, galactan, glucan hay xylan đều là các chất phổ biến trong thực vật, chủ yếu ở các thành phần của màng tế bào của các cơ quan khác nhau như gỗ, rơm rạ, v.v… Trong các loại hemicellulose, xylan là một polymer chính của thành tế bào thực vật trong đó có các gốc D-xylopyranose kết hợp với nhau qua liên kết β-1,4D-xylopyranose, là nguồn năng lượng dồi dào trên trái đất. Đa số phân tử xylan chứa nhiều nhóm ở trục chính và chuỗi bên. Các gốc thay thế chủ yếu trên khung chính của xylan là các gốc acetyl, arabinosyl và glucuronosyl. Các nhóm này có đặc tính liên kết tương tác cộng hóa trị và không hóa trị với lignin, cellulose và các polymer khác. 6 Cấu tạo, số lượng và vị trí của xylan ở các loài thực vật khác nhau là khác nhau. Xylan tồn tại ở dạng O-acetyl-O-methylgucuronoxylan ở cây gỗ cứng, hay arabino-4O-methyglucuronoxylan ở cây gỗ mềm, hay thành phần cấu tạo xylan là axit Dglucuronic, có hoặc không có ete 4-O-methyl và arabinose ở các loài ngũ cốc. Hình 2.4. O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng Hình 2.5. Arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm 2.1.3. Lignin Lignin là một phức hợp chât hóa học phổ biến được tìm thấy trong hệ mạch thực vật, chủ yếu là giữa các tế bào, trong thành phần tế bào thực vật. Lignin là một trong các polymer hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất. Lignin có cấu trúc 7 không gian 3 chiều, phức tạp, vô định hình, chiếm 17% đến 33% của gỗ. Lignin không phải là carbohydrate nhưng liên kết chặt chẽ với các nhóm này để tạo nên màng tế bào giúp thực vật cứng chắc và giòn, có chức năng vận chuyển nước trong cơ thể thực vật (một phần để làm bền thành tế bào và giữ cho cây không bị đổ, một phần là điều chỉnh dòng chảy của nước), giúp cây phát triển và chống lai sự tấn công của côn trùng và mầm bệnh. Thực vật càng già, lượng lignin tích tụ càng lớn. Hơn nữa, lignin đóng vai trò quan trọng trong chu trình carbon khí quyển trong mô của thực vật thân gỗ lâu năm, là một trong các thành phần bị phân hủy lâu nhất của thực vật sau khi chết, để rồi đóng góp một phần lớn chất mùn giúp tăng khả năng quang hợp của thực vật. Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trò là chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose (Hình 2.6). Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn. Lignin là polymer, được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấu trúc điển hình là: guaiacuy (G), trans-conifery alcohol; syringyl (S), transsinapyl alcohol; p-hydroxyphenyl (H), trans-p-courmary alcohol. Hình 2.6. Các đơn vị cơ bản của lignin Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của nó trong gỗ. Ngoài việc phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, lignin có thể được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicylsyringyl lignin. Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaicyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loại nguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin. 8