Luận văn: Tìm hiểu về enzym Mannanase và Ứng dụng trong ngành công nghiệp giấy pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÁI NGUYÊN KHOA CNSH-CNTP o0o - Bài tiểu luận Tìm hiểu enzym Mannanase Ứng dụng ngành công nghiệp giấy Giảng viên: TS.Nguyễn Văn Duy Lớp: K42- CNTP Nhóm thực hiện: Chuyên đề: Thái Nguyên, 10/2012 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 Mục lục: I Đặt vấn đề II Nội dung A Enzym mannanase Tổng quát enzym 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 tinh chế B Ứng dụng enzyme mannanase ngành công nghiệp sản xuất giấy Giới thiệu chung ngành cơng nghiệp giấy Vai trị enzyme mannanase sản xuất giấy III Kết luận IV Tài liệu tham khảo PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ Mannanases hydrolases glycoside làm suy giảm mannans heteromannans Hydrolases glycoside nhóm phổ biến rộng rãi enzym thủy phân polysaccharides Enzym endo- beta-1,4-mannanase thành viên gia đình mannase có nhiều ứng dụng công nghiệp thực phẩm đồ uống, công nghiệp sản xuất thức ăn gia súc, công nghiệp khai thác dầu mỏ khí đốt, xử lý nhiễm mơi trường Ngồi enzyme cịn ứng dụng rộng rãi công nghiệp sản xuất bột giấy giấy Công nghiêp giấy ngành kinh tế quan trọng cần ưu tiên phát triển phù hợp với đường lối đổi kinh tế, với tiến trình cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước Bên cạnh đó, với thực trạng trước tình hình mới, vấn đề đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường công nghiệp giấy cấp bách Vì song song với áp dụng biện pháp kịp thời sử lý chất thải, việc cải tiến công nghệ nhằm nâng cao hiệu kinh tế giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường cần quan tâm mức Để hiểu thêm mannanase khả ứng dụng ngành công nghiệp sản xuất giấy Chúng em xin làm tiểu luận “ enzym mannanase ứng dụng enzym ngành công nghiệp giấy” PHẦN II NỘI DUNG A Enzym enzym mananase Giới thiệu chung enzym Enzym: + Là chất xúc tác sinh học có chất protein + Hịa tan nước dung dịch muối loãng + Khối lượng phân tử lớn: từ 20000-1000000 Da Enzym yếu tố định xúc tác trình trao đổi chất trung tâm nghiên cứu toàn giới tập trung Sự đời enzymology đại diện cho bước đột phá quan trọng ngành công nghiệp công nghệ sinh học, với gia tăng toàn giới việc sử dụng enzyme Nửa sau kỷ XX chứng kiến mở rộng chưa có kiến thức việc sử dụng vi sinh vật, sản phẩm trao đổi chất họ, enzym khu vực rộng lớn nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng tiềm công nghiệp họ Các hydrolases như: protease, amylases, amidases, esterase carbohydrolases như: cellulase, hemicellulases pectinase chiếm phần lớn thị trường enzyme cơng nghiệp Cellulase hemicellulases có nhiều ứng dụng tiềm công nghệ sinh học Người ta ước tính khoảng 20% tỷ đô la Mỹ bán enzyme công nghiệp giới bao gồm cellulases, hemicellulases pectinase Enzym mannanase Mannanases vi sinh vật trở nên quan trọng kể từ người nhắm mục tiêu trình thủy phân polysaccharides phức tạp mơ thực vật thành phân tử đơn giản như: Manno-oligosaccharides mannoses Endo-beta-1,4- mannanase enzyme thủy phân liên kết 1,4-betamanopyranozit mạch mannan heteropolysaccharide có chứa đường mannanose, galactomanna, glucomanna Sự thủy phân manna có chứa polysaccharide beta-mannanase tạo mano-oligosaccharide chuỗi oligosaccharide chứa D-manose, D-glucose D-galactose 2.1 Nguồn gốc Nguồn thu mannanase phong phú: từ vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, tảo nước ngọt, tảo biển, hạt nảy mầm động vật Trên giới mannanase sản xuất quy mô công nghiệp nhằm phục vụ cho nhiều ngành như: công nghiệp giấy, thức ăn chăn ni, dược phẩm Ngồi ra, cịn có sản xuất cà phê hòa tan Mặc dù số mannanase sản xuất từ nguồn vi khuẩn có sẵn, có khai thác thương mại để làm giống tự nhiên tái tổ hợp, số này, quan trọng là: Bacillus sp, Streptomyces, Caldibacillus cellulovorans, Caldicellulosiruptor Rt8B, Caldocellum saccharolyticum Tuy nhiên, việc sử dụng mannanase ngành cơng nghiệp cịn hạn chế hiệu suất sinh tổng hợp enzym vi sinh vật tự nhiên cịn thấp, chi phí sản xuất enzym cịn cao Mặt khác, chủng sinh tổng hợp mannanase tự nhiên thường đồng thơi sinh tổng hợp nhiều loại enzym khác làm ảnh hưởng đến hiệu sử dụng enzym Ngày nay, với tiến khoa học, đặc biệt phát triển kĩ thuật sinh học phân tử tạo tiềm lớn để sản xuất mannanase từ vi sinh vật Công nghệ gen cung cấp khả để thị loại enzym mong muốn vật chủ mà không sinh tổng hợp enzym có liên quan, khơng cần tách tinh chế enzym số ứng dụng đạt hiệu mong muốn 2.2 Cấu tạo Mannanase có nguồn gốc khác có thành phần cấu tạo cấu trúc khác  Từ nấm mốc Sclerotium Rolfsii: glucoprotein có M = 46.5 kDa  Từ vi khuẩn ưa nhiệt Thermotoga Neapolitana 5068: enzyme cấu tử, có M = 65 kDa  Từ Aspergillus Niger có M = 45 kDa  Từ lồi nhuyễn thể biển Littovena Reesei: có M = 42 kDa Endo-beta-1,4-mannanase Pseudomonas cellulose bao gồm 423 axit amin, với cấu trúc chia thành vùng : vùng A từ Prolin 44 đến Isoleucin 323, vùng B từ Leucin 32 đến Tryptophan 360 vùng C từ Threonin 392 đến Threinin 419 Các chuỗi Arg 39-Lys 43, Arg 324-Gly 331, Arg 361-Thr 391, Leu 420-Lys 423 có chức nối vùng lại với Toàn phân tử endo-beta-1,4-mannanase cấu tạo chuỗi xoẵn anpha chuỗi beta Hình 2.1: Cấu trúc không gian endo-beta-1,4-mannanase 2.3 : Cơ chế tác dụng endo-beta-1,4-mannanase Hình 2.2: Cấu tạo phân tử manan Mannanase (beta-1,4-mannan mannohydrolase) phân cắt liên kết beta-1,4mannosit mạch mannan xúc tác thủy phân mannan, glucomannan, galactomannan galatoglucomannan tạo thành mannobiose, mannotriose hỗn hợp oligosaccarit Quá trình phụ thuộc vào cấu tạo chất lượng sản phẩm tạo thành Hình 2.3: Cơ chế tác dụng endo-beta-1,4-mannanase 2.4: Một số tính chất endo-beta-1,4-mannanase Endo-beta-1,4-mannanase có đặc tính khác nhau, tùy thuộc vào nguồn gốc thu nhận Ví dụ: 10 2.5 Tách thu nhận endo-beta-1,4-mannanase Đối với nguồn thu enzym endo-beta-1,4-mannanase có cách thu nhận khác Thu nhận endo-beta-1,4-mannanase từ Aspergillus Niger 2.6 Một số yếu tố ảnh hưởng tới trình sinh tổng hợp endo-beta1,4-mannanase 11 B Ứng dụng enzyme mannanase công nghiệp sản xuất giấy Giới thiệu chung ngành công nghiệp sản xuất giấy 1.1 : Nguyên liệu sản xuất bột giấy Ngun liệu dùng làm giấy phải có tính chất sợi, có khả đan kết ép thành đồng nhất, độ liên kết sợi đánh giá qua độ kéo hay bục tờ giấy Do đó, giấy làm từ tất loại có chứa cellulo gỗ phi gỗ Giấy sử dụng thu hồi để sản xuất giấy Nguyên liệu gỗ chia làm loại: Gỗ kim (gỗ mềm) loại thông, thông rụng lá, vân sam, linh sam…và gỗ rộng (gỗ cứng) bạch đàn, sồi,dương, keo loại… Nguyên liệu gôc rơm rạ, bã mía, đay, lanh, gai số loại cỏ (cỏ bang ) Tuy nhiên có số cho hiệu tương đối cao sử dụng 12 Loại bột giấy Chiều dài (mm) Đường kính (mm) Tỷ lệ(L/D) Gỗ mềm 40 100 Gỗ cứng 22 90 Rơm, lúa 0,5 Cỏ 1,1 10 110 Bã mía 1,7 20 80 Tre, lứa 2,8 15 180 Sợi chuối 24 250 Lá dứa dại 2,8 21 130 Sợi vải 30 20 1500 Bột rơm, rạ: Bảng 1.1: Một số nguyên liệu làm giấy 1.2: Một số phương pháp sản xuất bột giấy Sản xuất bột giấy giai đoạn chế biến để tách thành phần sơ sợi từ nguyên liệu gỗ hay số thực vật bắng phương pháp hóa học hay học Tùy theo yêu cầu sử dụng mà bột tẩy trắng khơng với mức độ khác Yêu cầu sử dụng mà bột có không tẩy trắng tẩy trắng với mức độ khác 13 Một số phương pháp sản xuất bột bản: Để biến gỗ thành bột giấy, cần làm mềm hoà tan phần lignin (chất kết dính bó sợi tạo nên cầu trúc chặt chẽ gỗ), từ bó sợi giải phóng Dưới tác dụng hố học học, sợi xenlulô tách rời tạo nên huyền phù đồng nước 14 Vai trị endo-beta-1,4-mannanase cơng nghiệp sản xuất giấy 2.1 Quy trình tẩy trắng bột giấy gỗ enzym endo-beta-1,4-mannanase 15 Phần lớn tiềm ứng dụng mannanase việc sử dụng enzyme để tấy trắng bột giấy Để bột gỗ hòa tan trước tiên phải tách loại bỏ lignin Trước việc loại bỏ phá hủy mối liên kết lignin hemicelluloses, tiến hành dung dịch kiềm Mặt hạn chế phương pháp đạt hiệu cao với bột gỗ mềm gây vấn đề nhiễm đến môi trường Việc sử dụng enzyme mananase tẩy trắng bột giấy mang lại kết tốt việc sử dụng dịch kiềm để loại bỏ lignin mà khắc phục vấn đề ô nhiễm môi trường Đây lợi ích to lớn mà công nghệ tẩy trắng bột giấy cần quan tâm Nó thực khả thi, nhiên việc tẩy trắng enzyme địi hỏi phá vỡ hemicelluloses mà khơng làm hư hỏng chất lượng sản phẩm tác động vào sợi cellulose Thành phần bột gỗ mềm chiếm 15-20% hemicelluloses, thành phần cấu tạo galactomannan, galactoglucomannan Mannanase có lợi cho q trình tẩy trắng bột giấy, máy móc, làm giảm bớt loại trừ phần bị oxi hóa q trình tẩy trắng Mannanase tác dụng dán tiếp tới lớp tẩy trắng Thông qua hoạt động nhằm loại bỏ lignin 16 2.2: Các yếu tố ảnh hưởng đến trình tẩy trắng bột gỗ mannanase tái tổ hợp 2.2.1: Ảnh hưởng nồng độ enzyme 17 2.2.2: Ảnh hưởng pH 18 2.2.3: Ảnh hưởng nhiệt độ 19 2.2.4: Ảnh hưởng thời gian thủy phân 20 PHẦN III KẾT LUẬN Mannanase có nhiều ứng dụng q trình công nghiệp, nhu cầu sử dụng enzym lĩnh vực lớn Enzym mananase enzym sử dụng việc cải thiện chất lượng thực phẩm, thức ăn chăn nuôi Đặc biệt công nghệ tẩy trắng sản phẩm từ gỗ giấy Trước đây, việc loại bỏ phá huỷ mối liên kết lignin hemicellulose, tiến hành dung dịch kiềm Mặt hạn chế phương pháp ứng dụng với bột gỗ mềm gây nhiều vấn đề ô nhiễm môi trường Việc sử dụng enzym mannanase tẩy trắng bột giấy mang lại kết tốt việc sử dụng dung dịch kiềm để loại bỏ lignin mà cịn khắc phục vấn đề ô nhiễm môi trường Đây lợi ích to lớn mà cơng nghệ tẩy trắng giấy bột giấy quan tâm Nó thực khả thi Tuy nhiên, việc tẩy trắng enzym đòi hỏi phá vỡ hemicellulose mà không làm hư hỏng chất lượng sản phẩm tác động vào sợi cellulose Thành phần bột gỗ mềm chiếm 15-20% hemicellulose, thành phần cấu tạo galactomannan Mannanase lớp đặc biệt galactomannase, có cấu tạo đặc biệt yếu tố định q trình tẩy trắng Ngồi ra, bột giấy nóng lên nhiệt độ cao, có tỏa nhiệt mananase thành phần ổn định nhất, khơng bị biến tính xúc tác phản ứng để nâng nhiệt độ Mannanase có lợi cho q trình tẩy trắng bột giấy, máy móc, làm giảm bớt loại trừ phần bị oxi hóa q trình tẩy trắng Do đó, việc ứng dụng đặc tính enzym vào sản xuất giấy, giúp cho người khắc phục bất lợi sử dụng phương pháp học, phương pháp hóa học q trình tẩy trắng bột giấy 21 PHẦN IV TÀI LIỆU THAM KHẢO Quyền Đình Thi, Nguyễn Sỹ Lê Thanh, Phạm Việt Cường Biểu endo-beta-1,4-mannanase từ chủng Bacillus subtilis G1 E.Coli mopotj số tính chất enzyme tái tổ hợp Tạp chí CNSH 6(2) 183 – 189 2008 Trần Đình Toại, Trần Thị Hồng Tạp chí khoa học ĐHQGHN Khoa học tự nhiên công nghệ 23(2007) 75 – 85 2007 Đặng Thị Thu, Nguyễn Thị Xn Sâm,Tố Kim Anh Thí nhiệm hóa sinh cơng nghiệp Đại học Bách Khoa Hà Nôi,1997 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 Hồ Sỹ Tráng Cơ sở khoa học gỗ xenlulose Nhà xuất khoa học kỹ thuật KS.Nguyễn Tôn Quyền KS.Huỳnh Thạch KS.Vũ Bảo, Cẩm nang ngành lâm nghiệp 2006 22 ... tâm mức Để hiểu thêm mannanase khả ứng dụng ngành cơng nghiệp sản xuất giấy Chúng em xin làm tiểu luận “ enzym mannanase ứng dụng enzym ngành công nghiệp giấy? ?? PHẦN II NỘI DUNG A Enzym enzym mananase... dụng enzyme mannanase ngành công nghiệp sản xuất giấy Giới thiệu chung ngành công nghiệp giấy Vai trò enzyme mannanase sản xuất giấy III Kết luận IV Tài liệu tham khảo PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ Mannanases... endo-beta1,4 -mannanase 11 B Ứng dụng enzyme mannanase công nghiệp sản xuất giấy Giới thiệu chung ngành công nghiệp sản xuất giấy 1.1 : Nguyên liệu sản xuất bột giấy Nguyên liệu dùng làm giấy phải