Tiểu luận Tìm hiểu về enzym Mannanase và Ứng dụng trong ngành công nghiệp giấy

1 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 Danh sách thành viên nhóm: 1.Trần Huy Hoàng 2.Nguyễn Thị Hồng (DTN1053170024) 3.Nguyễn Thị Hồng (DTN1053170060) 4.Nông Thị Huệ 5.Trương Mạnh Hùng 3 Mục lục: I. Đặt vấn đề II. Nội dung A. Enzym mannanase 1. Tổng quát về enzym 2. Enzym mannanase (enzym endo- beta-1,4-mannanase) 2.1 Nguồn gốc thu nhận 2.2 Cấu tạo 2.3 Cơ chế tác dụng 2.4 Một số đặc tính 2.5 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 4 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 rãi trong công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy. Công nghiêp giấy là một ngành kinh tế quan trọng cần được ưu tiên phát triển phù hợp với đường lối đổi mới của nền kinh tế, với tiến trình công nghiệp hóa hiện đại hóa của đất nước. Bên cạnh đó, với thực trạng hiện nay và trước tình hình mới, vấn đề đáp ứng các yêu cầu về bảo vệ môi trường của công nghiệp giấy đang hết sức cấp bách. 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 ảnh hưởng 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”. 5 PHẦN II. NỘI DUNG A. Enzym và enzym mananase 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 trung tâm của nghiên cứu trên toàn thế giới tập trung. Sự ra đời của enzymology đại diện cho một bước đột phá quan trọng trong ngành công nghiệp công nghệ sinh học, 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 trong kiến thức của chúng ta về việc sử dụng các vi sinh vật, các sản phẩm trao đổi chất 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. 6 Endo-beta-1,4- mannanase là enzyme thủy phân liên kết 1,4-beta- manopyranozit trong mạch chính của mannan và heteropolysaccharide có chứa đường 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, dược phẩm.. 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 ảnh hưởng 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 enzym mong 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 đạt được hiệu quả mong muốn. 7 2.2 Cấu tạo Mannanase có nguồn gốc khác nhau thì có thành phần cấu tạo và cấu trúc khác nhau.  Từ nấm mốc Sclerotium Rolfsii: là một glucoprotein có M = 46.5 kDa  Từ vi khuẩn ưa nhiệt Thermotoga Neapolitana 5068: là enzyme một cấu tử, có M = 65 kDa  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 8 2.3 : Cơ chế tác dụng của endo-beta-1,4-mannanase Hình 2.2: Cấu tạo phân tử manan 9 Mannanase (beta-1,4-mannan mannohydrolase) phân cắt liên kết beta-1,4- mannosit trong mạch mannan do vậy nó xúc tác thủy phân mannan, 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 10 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. Ví dụ: 11 2.5 Tách và thu nhận endo-beta-1,4-mannanase Đối với mỗi nguồn thu enzym endo-beta-1,4-mannanase thì đều có mỗi cách thu nhận khác nhau. Thu nhận endo-beta-1,4-mannanase từ Aspergillus Niger 2.6 . Một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình sinh tổng hợp endo-beta- 1,4-mannanase 12 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, keo các loại… Nguyên liệu gôc như rơm rạ, bã mía, đay, lanh, gai và một số loại cỏ (cỏ bang ). Tuy nhiên chỉ có một số cho hiệu quả tương đối cao mới được sử dụng. 13 Loại bột giấy Chiều dài (mm) Đường kính (mm) Tỷ lệ(L/D) Gỗ mềm Gỗ cứng 4 2 40 22 100 90 Bột rơm, rạ: Rơm, lúa Cỏ 0,5 1,1 9 10 6 110 Bã mía 1,7 20 80 Tre, lứa 2,8 15 180 Sợi lá chuối 6 24 250 Lá dứa dại 2,8 21 130 Sợi bông vải 30 20 1500 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 nguyên liệu gỗ hay một số thực vật bắng các phương pháp hóa học hay cơ học. Tùy theo yêu cầu sử dụng mà bột có thể tẩy trắng hoặc không với mức độ khác nhau. Yêu cầu sử dụng mà bột có thể có hoặc không được tẩy trắng hoặc được tẩy trắng với mức độ khác nhau. 14 Một số phương pháp sản xuất bột cơ bản: Để biến gỗ thành bột giấy, cần làm mềm hoặc hoà tan phần lignin (chất kết dính các bó sợi tạo nên cầu trúc chặt chẽ của gỗ), từ đó các bó sợi sẽ được giải phóng. 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. 15 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 16 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 bỏ lignin. 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 to lớn 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 oxi hóa trong quá trình tẩy trắng. Mannanase tác dụng dán tiếp tới lớp tẩy trắng. Thông qua hoạt động nhằm loại bỏ lignin. 17 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 18 2.2.2: Ảnh hưởng của pH 19 2.2.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ 20 2.2.4: Ảnh hưởng của thời gian thủy phân 21 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 chăn nuôi. 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 chỉ ứng 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 nó còn 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 cơ bản 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 cho con người khắc phục được không ít những bất lợi khi sử dụng bằng các phương pháp cơ học, phương pháp hóa học trong quá trình tẩy trắng bột giấy. 22 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 tự nhiên 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