Enzyme mananase và ứng dụng trong công nghiệp giấy

Enzyme mananase và ứng dụng trong công nghiệp giấy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÁI NGUYÊN

KHOA CNSH-CNTP

-o0o -Bài tiểu luận

Tìm hiểu về enzym Mannanase và

Ứng dụng trong ngành công nghiệp giấy

Giảng viên: TS.Nguyễn Văn Duy

Lớp: K42- CNTP Nhóm thực hiện: 6 Chuyên đề: 7

Thái Nguyên, 10/2012

2.3 Cơ chế tác dụng2.4 Một số đặc tính2.5 Tách và tinh chế

B Ứng dụng của enzyme mannanase trong ngành công nghiệp

sản xuất giấy

1 Giới thiệu chung về ngành công nghiệp giấy

2 Vai trò của enzyme mannanase trong sản xuất giấy

III Kết luận

IV Tài liệu tham khảo

PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ

Mannanases là hydrolases glycoside làm suy giảm mannans và heteromannans Hydrolases glycoside là một nhóm phổ biến rộng rãi của các

enzym thủy phân polysaccharides

Enzym endo- beta-1,4-mannanase là một thành viên trong gia đình

mannase đã có nhiều ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và đồ uống, công

nghiệp sản xuất thức ăn gia súc, công nghiệp khai thác dầu mỏ và khí đốt, trong

xử lý ô nhiễm môi trường Ngoài ra enzyme này còn được ứng dụng rộng rãitrong công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy

Công nghiêp giấy là một ngành kinh tế quan trọng cần được ưu tiên pháttriển phù hợp với đường lối đổi mới của nền kinh tế, với tiến trình công nghiệphóa hiện đại hóa của đất nước

Bên cạnh đó, với thực trạng hiện nay và trước tình hình mới, vấn đề đápứng các yêu cầu về bảo vệ môi trường của công nghiệp giấy đang hết sức cấpbách Vì vậy song song với áp dụng các biện pháp kịp thời về sử lý chất thải,việc cải tiến công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm thiểu ảnhhưởng đến môi trường cần được quan tâm đúng mức

Để hiểu thêm về mannanase và khả năng ứng dụng của nó trong ngành

công nghiệp sản xuất giấy Chúng em xin được làm bài tiểu luận “ enzym

mannanase và ứng dụng của enzym trong ngành công nghiệp giấy”.

PHẦN II NỘI DUNG

1 Giới thiệu chung về enzym

Enzym: + Là chất xúc tác sinh học có bản chất là protein

+ Hòa tan trong nước và dung dịch muối loãng

+ Khối lượng phân tử lớn: từ 20000-1000000 Da

Enzym là những yếu tố quyết định xúc tác quá trình trao đổi chất và là trungtâm của nghiên cứu trên toàn thế giới tập trung Sự ra đời của enzymology đạidiện cho một bước đột phá quan trọng trong ngành công nghiệp công nghệ sinhhọc, với sự gia tăng trên toàn thế giới trong việc sử dụng các enzyme

Nửa sau của thế kỷ XX đã chứng kiến một sự mở rộng chưa từng có trongkiến thức của chúng ta về việc sử dụng các vi sinh vật, các sản phẩm trao đổichất của họ, và các enzym trong một khu vực rộng lớn của nghiên cứu cơ bản

và nghiên cứu ứng dụng tiềm năng công nghiệp của họ Các hydrolases như:

protease, amylases, amidases, esterase và carbohydrolases như: cellulase, hemicellulases và pectinase chiếm phần lớn của thị trường enzyme công

nghiệp Cellulase và hemicellulases có rất nhiều ứng dụng và tiềm năng của

công nghệ sinh học Người ta ước tính rằng khoảng 20% của hơn một tỷ đô la

Mỹ bán các enzyme công nghiệp của thế giới bao gồm cellulases,

hemicellulases và pectinase.

2 Enzym mannanase

Mannanases vi sinh vật đã trở nên quan trọng kể từ khi con người nhắm

mục tiêu quá trình thủy phân các polysaccharides phức tạp trong mô thực vật

thành các phân tử đơn giản như: Manno-oligosaccharides và mannoses

Endo-beta-1,4- mannanase là enzyme thủy phân liên kết

1,4-beta-manopyranozit trong mạch chính của mannan và heteropolysaccharide có chứađường mannanose, galactomanna, glucomanna

Sự thủy phân manna có chứa các polysaccharide bằng beta-mannanase tạo

ra các mano-oligosaccharide và một chuỗi các oligosaccharide chứa D-manose,

D-glucose và D-galactose.

2.1 Nguồn gốc

Nguồn thu mannanase rất phong phú: từ vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, tảo

nước ngọt, tảo biển, hạt nảy mầm và cả động vật

Trên thế giới mannanase được sản xuất trên quy mô công nghiệp nhằm

phục vụ cho nhiều ngành như: công nghiệp giấy, thức ăn chăn nuôi, dượcphẩm Ngoài ra, còn có cả sản xuất cà phê hòa tan

Mặc dù một số mannanase sản xuất từ nguồn vi khuẩn có sẵn, chỉ có một

ít được khai thác thương mại để làm giống tự nhiên hoặc tái tổ hợp, trong số

này, những cái quan trọng là: Bacillus sp, Streptomyces, Caldibacillus

cellulovorans, Caldicellulosiruptor Rt8B, Caldocellum saccharolyticum.

Tuy nhiên, việc sử dụng mannanase trong các ngành công nghiệp còn hạn

chế do hiệu suất sinh tổng hợp enzym này của vi sinh vật tự nhiên còn thấp, chi

phí sản xuất enzym còn cao Mặt khác, các chủng sinh tổng hợp mannanase

trong tự nhiên thường đồng thơi sinh tổng hợp nhiều loại enzym khác làm ảnhhưởng đến hiệu quả sử dụng enzym

Ngày nay, cùng với sự tiến bộ của khoa học, đặc biệt là sự phát triển của

các kĩ thuật sinh học phân tử tạo ra tiềm năng lớn để sản xuất mannanase từ vi

sinh vật Công nghệ gen cung cấp khả năng để hiện thị chỉ một loại enzymmong muốn trong các vật chủ mà không sinh tổng hợp enzym có liên quan, do

đó không cần tách và tinh chế enzym nhưng trong một số ứng dụng vẫn đạtđược hiệu quả mong muốn

 Từ Aspergillus Niger có M = 45 kDa

 Từ loài nhuyễn thể biển Littovena Reesei: có M = 42 kDa Endo-beta-1,4-mannanase của Pseudomonas cellulose bao gồm 423 axit amin, với cấu trúc chia thành 3 vùng : vùng A từ Prolin 44 đến Isoleucin 323, vùng B từ Leucin 32 đến Tryptophan 360 và vùng C từ Threonin 392 đến

Threinin 419 Các chuỗi Arg 39-Lys 43, Arg 324-Gly 331, Arg 361-Thr 391, và Leu 420-Lys 423 có chức năng nối các vùng trên lại với nhau Toàn bộ phân tử endo-beta-1,4-mannanase được cấu tạo bởi 8 chuỗi xoẵn anpha và 8 chuỗi

beta

Hình 2.1: Cấu trúc không gian của endo-beta-1,4-mannanase

2.3: Cơ chế tác dụng của endo-beta-1,4-mannanase

Hình 2.2: Cấu tạo phân tử manan

Mannanase (mannan mannohydrolase) phân cắt liên kết mannosit trong mạch mannan do vậy nó xúc tác thủy phân mannan,

beta-1,4-glucomannan, galactomannan và galatoglucomannan tạo thành mannobiose, mannotriose và hỗn hợp các oligosaccarit Quá trình này phụ thuộc vào cấu tạo

của cơ chất và lượng sản phẩm tạo thành

Hình 2.3: Cơ chế tác dụng của endo-beta-1,4-mannanase

2.4: Một số tính chất của endo-beta-1,4-mannanase

Endo-beta-1,4-mannanase có đặc tính khác nhau, tùy thuộc vào nguồn

gốc thu nhận

2.6 Một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình sinh tổng hợp endo-beta- 1,4-mannanase

B Ứng dụng của enzyme mannanase trong công nghiệp sản xuất giấy

1 Giới thiệu chung về ngành công nghiệp sản xuất giấy

1.1: Nguyên liệu trong sản xuất bột giấy

Nguyên liệu dùng làm giấy phải có tính chất sợi, có khả năng đan kết và

ép thành tấm đồng nhất, độ liên kết sợi được đánh giá qua độ kéo hay bục của

tờ giấy Do đó, giấy có thể được làm từ tất cả các loại cây có chứa cellulo như

gỗ và phi gỗ Giấy đã sử dụng cũng được thu hồi để sản xuất giấy Nguyên liệu

gỗ được chia làm 2 loại: Gỗ lá kim (gỗ mềm) như các loại thông, thông rụng

lá, vân sam, linh sam…và gỗ lá rộng (gỗ cứng) như bạch đàn, sồi,dương, keocác loại…

Nguyên liệu gôc như rơm rạ, bã mía, đay, lanh, gai và một số loại cỏ (cỏbang ) Tuy nhiên chỉ có một số cho hiệu quả tương đối cao mới được sử dụng

Loại bột giấy Chiều dài (mm) Đường kính (mm) Tỷ lệ(L/D)

Gỗ mềm

Gỗ cứng

42

4022

10090Bột rơm, rạ:

Rơm, lúa

Cỏ

0,51,1

910

6110

Bảng 1.1: Một số nguyên liệu làm giấy

1.2: Một số phương pháp sản xuất bột giấy

Sản xuất bột giấy là giai đoạn chế biến để tách thành phần sơ sợi từ nguyênliệu gỗ hay một số thực vật bắng các phương pháp hóa học hay cơ học Tùytheo yêu cầu sử dụng mà bột có thể tẩy trắng hoặc không với mức độ khácnhau Yêu cầu sử dụng mà bột có thể có hoặc không được tẩy trắng hoặc đượctẩy trắng với mức độ khác nhau

Một số phương pháp sản xuất bột cơ bản:

Để biến gỗ thành bột giấy, cần làm mềm hoặc hoà tan phần lignin (chất kếtdính các bó sợi tạo nên cầu trúc chặt chẽ của gỗ), từ đó các bó sợi sẽ được giảiphóng Dưới tác dụng của hoá học hoặc cơ học, các sợi xenlulô sẽ được tách rời

ra và tạo nên huyền phù đồng nhất trong nước

2 Vai trò của endo-beta-1,4-mannanase trong công nghiệp sản xuất giấy

2.1 Quy trình tẩy trắng bột giấy gỗ bằng enzym endo-beta-1,4-mannanase

Phần lớn tiềm năng ứng dụng của mannanase là trong việc sử dụng enzyme

đó để tấy trắng bột giấy Để bột gỗ được hòa tan trước tiên phải tách và loại bỏlignin Trước đây việc loại bỏ là phá hủy mối liên kết lignin trong

hemicelluloses, được tiến hành trong dung dịch kiềm Mặt hạn chế của phương

pháp này là chỉ đạt hiệu quả cao với bột gỗ mềm và nó cũng gây vấn đề ô

nhiễm đến môi trường Việc sử dụng enzyme mananase trong tẩy trắng bột giấy

không những mang lại kết quả tốt như việc sử dụng dịch kiềm để loại bỏ lignin

mà còn khắc phục được những vấn đề về ô nhiễm môi trường Đây là lợi ích tolớn mà công nghệ tẩy trắng bột giấy cần quan tâm Nó thực sự khả thi, tuy

nhiên việc tẩy trắng bằng enzyme đòi hỏi khi phá vỡ hemicelluloses mà không làm hư hỏng chất lượng sản phẩm khi tác động vào các sợi cellulose Thành phần chính của bột gỗ mềm chiếm 15-20% là hemicelluloses, thành phần cấu tạo là galactomannan, galactoglucomannan Mannanase có lợi cho quá trình

tẩy trắng bột giấy, máy móc, nó làm giảm bớt hoặc loại trừ những phần bị oxihóa trong quá trình tẩy trắng

Mannanase tác dụng dán tiếp tới lớp tẩy trắng Thông qua hoạt động

nhằm loại bỏ lignin

2.2: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tẩy trắng bột gỗ bằng mannanase

tái tổ hợp

2.2.1: Ảnh hưởng của nồng độ enzyme

2.2.2: Ảnh hưởng của pH

2.2.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ

2.2.4: Ảnh hưởng của thời gian thủy phân

PHẦN III KẾT LUẬN

Mannanase có nhiều ứng dụng trong các quá trình công nghiệp, nhu cầu

sử dụng enzym này trong từng lĩnh vực là rất lớn Enzym mananase là enzym

sử dụng chính trong việc cải thiện chất lượng của thực phẩm, thức ăn chănnuôi Đặc biệt là trong công nghệ tẩy trắng sản phẩm từ gỗ như giấy

Trước đây, việc loại bỏ là phá huỷ mối liên kết lignin trong hemicellulose,

được tiến hành trong dung dịch kiềm Mặt hạn chế của phương pháp này là chỉứng dụng với bột gỗ mềm và nó cũng gây nhiều vấn đề trong ô nhiễm môi

trường Việc sử dụng enzym mannanase trong tẩy trắng bột giấy không những

mang lại kết quả tốt như việc sử dụng dung dịch kiềm để loại bỏ lignin mà nócòn khắc phục được những vấn đề về ô nhiễm môi trường Đây là lợi ích to lớn

mà công nghệ tẩy trắng giấy và bột giấy quan tâm Nó thực sự khả thi

Tuy nhiên, việc tẩy trắng bằng enzym đòi hỏi khi phá vỡ hemicellulose mà

không làm hư hỏng chất lượng sản phẩm khi tác động vào các sợi cellulose

Thành phần chính của bột gỗ mềm chiếm 15-20% là hemicellulose, thành phần cấu tạo là galactomannan Mannanase là lớp dưới đặc biệt của galactomannase,

có cấu tạo đặc biệt và là yếu tố chính quyết định quá trình tẩy trắng Ngoài ra,bột giấy khi nóng lên nhiệt độ cao, có tỏa nhiệt và mananase là thành phần cơbản ổn định nhất, không bị biến tính và xúc tác phản ứng để nâng nhiệt độ này

Mannanase có lợi cho quá trình tẩy trắng bột giấy, máy móc, nó làm giảm bớt

hoặc loại trừ những phần bị oxi hóa trong quá trình tẩy trắng

Do đó, việc ứng dụng các đặc tính của enzym vào sản xuất giấy, đã giúp chocon người khắc phục được không ít những bất lợi khi sử dụng bằng các phươngpháp cơ học, phương pháp hóa học trong quá trình tẩy trắng bột giấy

PHẦN IV TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Quyền Đình Thi, Nguyễn Sỹ Lê Thanh, Phạm Việt Cường Biểu hiện của

endo-beta-1,4-mannanase từ chủng Bacillus subtilis G1 ở E.Coli và mopotj số tính chất của enzyme tái tổ hợp Tạp chí CNSH 6(2) 183 – 189 2008

2 Trần Đình Toại, Trần Thị Hồng Tạp chí khoa học ĐHQGHN Khoa học tựnhiên và công nghệ 23(2007) 75 – 85 2007

3 Đặng Thị Thu, Nguyễn Thị Xuân Sâm,Tố Kim Anh Thí nhiệm hóa sinh công

nghiệp Đại học Bách Khoa Hà Nôi,1997.

4 Đặng Thị Thu, Lê Ngọc Tú, Tố Kim Anh, Phạm Thị Thu Thủy,Nguyễn Thị

Xuân Sâm Công nghệ enzyme NXB Khoa Học & Kỹ Thuật Hà Nội, 2003.

5 Hồ Sỹ Tráng Cơ sở khoa học gỗ và xenlulose Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật.

6 KS.Nguyễn Tôn Quyền KS.Huỳnh Thạch KS.Vũ Bảo, Cẩm nang ngành lâm

nghiệp 2006