Cellulase

Cellulase thường được sử dụng trong các trường hợp sau đây:

• Hỗ trợ tiêu hóa: Cải thiện quá trình phân giải thực phẩm giàu chất xơ, rau củ quả.
• Giảm triệu chứng khó tiêu: Cải thiện đầy hơi, chướng bụng, cảm giác nặng bụng sau khi ăn.
• Tăng cường hấp thu dinh dưỡng: Đặc biệt ở người có chế độ ăn nhiều thực vật hoặc người cao tuổi có khả năng tiêu hóa suy giảm.
• Hỗ trợ điều trị rối loạn tiêu hóa: Thường được kết hợp với các enzyme khác trong các trường hợp kém hấp thu dưỡng chất.

Enzyme cellulase còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ các sản phẩm thực phẩm chức năng, nước uống bổ sung cho đến các ngành sản xuất công nghiệp quy mô lớn. Đặc biệt, trong công nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi, các nguồn nguyên liệu thực vật thường chứa nhiều polysaccharide như cellulose và β-glucan, đây là những chất có liên kết β-1,4 glucoside gây tăng độ nhớt trong đường ruột, cản trở tiêu hóa. Việc bổ sung trực tiếp cellulase vào khẩu phần ăn sẽ giúp thủy phân các liên kết này, làm giảm độ nhớt, từ đó gia tăng đáng kể khả năng đồng hóa, hấp thu và chuyển hóa dinh dưỡng của vật nuôi.

Bên cạnh đó, trong công nghiệp sản xuất rượu, cellulase đóng vai trò quan trọng trong việc phá vỡ vách tế bào thực vật, giúp tinh bột tiếp xúc nhanh hơn với enzyme amylase. Quá trình này không chỉ đẩy nhanh tốc độ phản ứng mà còn giúp tối ưu hóa hiệu suất thu hồi rượu thành phẩm.

Hiện chưa có liều chuẩn quốc tế cho cellulase vì enzyme này thường được đưa vào các chế phẩm hỗn hợp enzyme tiêu hóa, do đó hàm lượng và hoạt lực (CU – Cellulase Units) sẽ khác nhau tùy từng sản phẩm. Theo các tài liệu của nhà sản xuất nguyên liệu (như Nutraceuticals Group) và thông tin ghi nhận trên Drugs.com, cellulase thường được cung cấp với mức 100 - 400 CU mỗi viên trong các chế phẩm hỗ trợ tiêu hóa, tương đương khoảng 100 - 500 mg tùy hoạt lực nguyên liệu và được dùng 1 - 3 lần mỗi ngày theo khuyến cáo trên nhãn.

Người sử dụng nên uống cellulase trước hoặc ngay khi bắt đầu bữa ăn, đặc biệt là các bữa ăn giàu chất xơ cứng như rau xanh, ngũ cốc nguyên hạt hoặc vỏ hạt để enzyme hoạt động tối ưu trong lòng ruột. Với người có dạ dày nhạy cảm, có thể dùng cùng bữa ăn để giảm kích ứng. Không tự ý tăng liều vì có thể gây rối loạn tiêu hóa. Nếu sau 1 - 2 tuần không cải thiện triệu chứng thì cần đánh giá lại vì cellulase có thể không phù hợp với tình trạng của người dùng.

Những đối tượng sau đây nên thận trọng hoặc tránh dùng cellulase:

• Những người mẫn cảm với nấm, vi khuẩn lên men cellulase nên thận trọng khi sử dụng.
• Những người mắc các bệnh lý viêm tụy cấp, tắc ruột hoặc vấn đề về nhu động ruột nên tham khảo ý kiến bác sĩ trước khi dùng các enzyme tiêu hóa.
• Phụ nữ mang thai, cho con bú nên hỏi ý kiến bác sĩ trước khi dùng.

Cellulase nhìn chung được dung nạp tốt, nhưng vẫn có thể gây một số tác dụng phụ nhẹ do đây là enzyme ngoại sinh đưa vào đường tiêu hóa. Các phản ứng thường gặp nhất bao gồm đầy hơi, khó chịu bụng, tiêu chảy hoặc buồn nôn, xuất phát từ sự thay đổi quá trình phân giải chất xơ trong ruột. Một số người có cơ địa nhạy cảm với protein có thể gặp dị ứng như ngứa, nổi mẩn hoặc hiếm hơn là phản ứng quá mẫn. Ở các chế phẩm chứa nhiều enzyme phối hợp, tác dụng phụ đôi khi không phải do cellulase mà do các thành phần khác, nhưng vẫn cần theo dõi khi bắt đầu sử dụng. Nếu xuất hiện triệu chứng khó chịu kéo dài hoặc phản ứng bất thường, nên ngừng dùng và tham khảo ý kiến nhân viên y tế.

Cellulase khi được sử dụng trong các chế phẩm enzyme phối hợp (amylase/cellulase/lipase/protease) vẫn có khả năng gây tương tác thuốc. Đáng chú ý nhất là tương tác với acarbose và miglitol - hai thuốc hạ đường huyết thuộc nhóm ức chế α-glucosidase do việc dùng đồng thời có thể làm thay đổi quá trình tiêu hóa carbohydrate và ảnh hưởng đến cân bằng chuyển hóa trong đường ruột. Bên cạnh đó, ở một số sản phẩm kết hợp chứa hyoscyamine và phenyltoloxamine, việc dùng cùng các thuốc khác có thể làm tăng nguy cơ xuất hiện các tác dụng không mong muốn như khô miệng, chóng mặt hoặc táo bón.

Cellulase và các enzyme tiêu hóa khác không ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương và khả năng lái xe hoặc vận hành máy móc.

Cellulase là một phức hệ enzyme có khả năng xúc tác quá trình thủy phân cellulose. Quá trình này diễn ra thông qua việc cắt đứt các liên kết β-1,4-glucoside trong mạch cellulose, chuyển hóa chúng thành cellobiose và sản phẩm cuối cùng là glucose.

Về nguồn gốc

Trong tự nhiên, cellulase phân bố khá đa dạng:

• Động vật: Tìm thấy trong dịch tiết dạ dày bò và một số loài thân mềm.
• Thực vật: Có trong các loại hạt ngũ cốc nảy mầm (đại mạch, yến mạch, lúa mạch, lúa mì đen...).
• Vi sinh vật: Đây là nguồn sinh tổng hợp phong phú nhất, bao gồm xạ khuẩn, vi khuẩn, nấm sợi và nấm men.

Mặc dù nguồn gốc đa dạng, nhưng trong thực tế sản xuất công nghiệp, vi sinh vật là nguồn thu nhận cellulase chủ yếu do khả năng sinh tổng hợp mạnh mẽ. Các chủng thường được sử dụng bao gồm:

• Nấm mốc: Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus candidus.
• Xạ khuẩn: Actinomyces griseus, Streptomyces reticuli.
• Vi khuẩn: Acetobacter xylinum, Bacillus subtilis, Bacillus pumilis.

Cấu trúc phân tử

Về bản chất hóa học, cellulase là protein được cấu tạo từ các axit amin nối với nhau bằng liên kết peptid (-CO-NH-). Tuy nhiên, điểm đặc biệt trong cấu trúc của hệ cellulase (cụ thể là nhóm endo-glucanase và exo-glucanase ở nấm sợi) nằm ở sự phân chia chức năng rõ ràng:

• Trung tâm xúc tác: Nơi thực hiện phản ứng thủy phân.
• Vùng gắn kết cellulose (Cellulose Binding Domain - CBD): Nằm ở đuôi tận cùng, được nối với trung tâm xúc tác qua vùng glycosyl hóa (vùng linker).

Vai trò của CBD: Vùng này có khả năng tạo liên kết đặc thù với cellulose tinh thể, khác biệt so với các liên kết protein thông thường. Có một sự tương quan chặt chẽ giữa ái lực của enzyme với cơ chất và khả năng xúc tác: CBD giúp enzyme bám chặt vào bề mặt tinh thể cellulose, hỗ trợ cắt đứt các liên kết bền vững. Do đó, bất kỳ sự thay đổi nào về chiều dài vùng glycosyl hóa hay cấu trúc CBD đều ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính của enzyme.

Phân loại

Dựa trên cơ chế cắt mạch, phức hệ enzyme cellulase được chia thành 3 loại chính:

• Endo-β-1,4-glucanase (EC 3.2.1.4).
• Exo - β -1,4-glucanase: chia thành 1,4-β-D-glucan-4-glucanohydrodase (EC 3.2.1.74) và 1,4-β-D-glucan cellobiohydrodase (EC.3.2.1.91).
• β - glucosidase.

Đặc tính lý hóa của Endo-β-1,4-glucanase

Đối với enzyme Endo-β-1,4-glucanase (thường thu nhận từ các chủng nấm), các nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được những tính chất quan trọng sau:

• Điều kiện hoạt động: Enzyme hoạt động tối ưu ở nhiệt độ 55°C và pH 5,5 (duy trì hoạt tính cao tại pH 6). Enzyme bền nhiệt trong khoảng 30 - 45°C.
• Độ bền dung môi: Ít bị ảnh hưởng bởi các dung môi hữu cơ, ngoại trừ n-butanol (gây ức chế).
• Chất ức chế: Hoạt tính enzyme bị giảm mạnh khi có mặt các ion kim loại nặng hoặc EDTA ở nồng độ 4 - 12 mM.