xử lí bột gỗ bằng xylanase để giảm độ vàng do tác động quang và nhiệt gây ra

ĐỀ TÀI:XỬ LÍ BỘT GỖ BẰNG XYLANASE ĐỂ GIẢM ĐỘ VÀNG DO TÁC ĐỘNG QUANG VÀ NHIỆT GÂY RA... Trong bài nghiên cứu này, xylanase tinh khiết được sử dụng để xử lí bột gỗ sau tác động hóa học CP

ĐỀ TÀI:

XỬ LÍ BỘT GỖ BẰNG XYLANASE ĐỂ GIẢM ĐỘ VÀNG DO

TÁC ĐỘNG QUANG VÀ NHIỆT GÂY RA

Tóm tắt

Xylanase được sử dụng phổ biến trong công nghiệp bột gỗ và giấy để giảm giá thành sản suất và bảo vệ môi trường Tác động tẩy trắng bột của xylanase rất ổn định, tuy nhiên, một số nghiên cứu cho thấy có liên quan đến tác động gây vàng lên bột gỗ, đặc biệt là hạn chế bột gỗ bị vàng sau khi bị tác động bởi cơ học Trong bài nghiên cứu này, xylanase tinh khiết được sử dụng để xử lí bột gỗ sau tác động hóa học (CP) ở rơm lúa và bột hóa nhiệt cơ (CTMP) ở gỗ dương để xác định tác động của chúng dựa vào độ sáng của bột và độ vàng của bột sau tác động quang và nhiệt Xylanase làm giảm độ vàng của bột theo từng cấp trong suốt quá trình xử lí quang và nhiệt Tuy nhiên cũng có sự khác biệt trong xử lí màu vàng bột ở CP ở rơm lúa mì và CTMP ở gỗ dương Dùng xylanase phân giải cho các thành phần hóa học như lignin, hemicellulose và HexA và sử dụng máy phân tích phổ hấp thu UV-VIS và Fourier biến đổi dưới dạng giảm bớt phổ phản chiếu được dùng để phát hiện sự ức chế độ vàng bột do hoạt động của xylanase

Giới thiệu

Tổng sản lượng giấy và cuộn giấy trên thế giới đạt xấp xỉ 400 triệu tấn trong năm 2012,

và yêu cầu thế giới về giấy và cuộn giấy được đóng gói tăng 75% trong vòng 5 năm Mức

độ tiêu thụ lignocellulose cao, nền cộng nghiệp sản xuất giấy nên nhanh chóng phát triển nguồn nguyên liệu tươi và cải thiện cách sử dụng nguồn nguyên liệu tươi, đặc biệt ở các quốc gia đang thiếu gỗ như Trung Quốc Dù nghèo tài nguyên gỗ nhưng thay vào đó là lúa mì và cây sậy có tốc độ sinh sản hàng năm nhanh và rẻ, nguồn tài nguyên này rất thích hợp cho nền công nghiệp sản xuất bột giấy Rơm được sử dụng phổ biến khi không

có gỗ trong công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy Hơn 70% việc tẩy trắng bột bằng hóa chất trên rơm lúa mì được ứng dụng tại Trung Quốc Tăng sản lượng bột giấy (HYPs) có thể bằng phương pháp bột hóa nhiệt cơ, làm tăng trưởng sản xuất vì giúp giảm giá thành

và cải thiện việc sử dụng gỗ So sánh với bột gỗ xử lí bằng hóa học, HYP cho thấy lợi thế trong sản xuất giấy bao gồm số lượng lớn, độ đồng đều Thêm vào đó, HYP có thể thay thế bột chỉ xử lý bằng hóa chất ở cả các sản phẩm có giá trị cao

Sự ngả vàng trở lại là một nhược điểm lớn đối với HYP và ứng dụng sản xuất bột giấy từ rơm Nói chung bột ngả vàng là do quang và nhiệt gây ra Bột giấy dễ dàng trờ thành màu vàng khi tiếp xúc với ánh sáng ban ngày, chiếu sáng trong nhà hoặc nhiệt độ cao Đối với bột xử lí bằng hóa chất, sự ngả vàng do nhiệt gây ra là chủ yếu Lượng lignin dư, nhóm cacbon, xylan, hexenuronic axit HexA, và các ion kim loại cũng ảnh hường đến độ vàng Lignin dư, các sản phẩm bị phân hủy của chuỗi polysaccharide và xylan là nguyên nhân chính gây ra sự ngả màu vàng của bột giấy được xử lí bằng hóa chất Sự ngả vàng do ánh sáng gây ra là do bột còn nhiều lignin Sự hỏng màu của HYP do phản ứng của mạch lignin bao gồm ketyl, phenoxyl, quá trình phenacyl, chu trình oxi hóa khử phenoxyl Và quá trình phân giải bởi quang học Quinoes và các chất chromegenic khác được tạo ra qua các con đường chuyển hóa

Nhiều nghiên cứu trước đã tiến hành các phương pháp giảm độ vàng bột và cho nhều giá trị Quang hấp thu UV được chứng minh là có khả năng đặc biệt McGarry và cộng sự tìm ra thứ có khả năng tác động ức chế lên độ sáng của giấy trong vòng 1 năm Tác nhân làm trắng là một loại cơ chất khác được thêm vào để ngăn độ vàng, và các nghiên cứu chỉ

ra rằng các biến đổi hóa học và lớp phủ là biện pháp hiệu quả cho vấn đề này Hầu hết các phương pháp này không phù hợp trong thực tế vì tỉ lệ giữa khả năng và giá thành, sự khác biệt công nghệ, độc tố, và một vài lí do khác; qui trình thân thiện với môi trường và giảm giá thành để giảm ngả màu bột là cần thiết

Công nghệ sinh học ứng dụng (phương pháp enzym cải thiện bột giấy và enzym giúp tăng hiệu quả tẩy trắng) vào nền công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy tăng lên và phổ biến Thêm vào đó, các ứng dụng cho thấy ưu điểm đáng chú ý và an toàn với môi trường Ramos và cộng sự áp dụng các enzym ligninolytic thô, trong đó có laccase, lignin

peroxidase và manganase peroxidase cho bã mía để tăng sự tạo bột và tính chất giấy Họ nhận thấy bột được tác động bởi enzym có độ sáng tăng 2% so với bình thường

Phương pháp tăng độ tẩy trắng bằng xylanase được nghiên cứu rộng rãi Phương pháp tẩy trắng này được dùng trong công nghiệp sản xuất bột giấy Ngoài việc cải thiện độ sáng của bột sau tẩy trắng, nghiên cứu đã chỉ ra rằng sử dụng xylanase cải thiện sự ổn định độ sáng của bột sau khi tẩy Một vài nghiên cứu đã khám phá ra cơ chế ức chế màu vàng bằng cách sử dụng xylanase tinh khiết mặc dù có một số nghiên cứu lưu ý việc dùng xylanase để tăng mức tẩy trắng Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, xylanase thô hoặc enzym tổng hợp được sử dụng Như vậy xác định cơ chế cụ thể thông qua ứng dụng xylanase trong tẩy trắng bột và cải thiện sự ổn định của độ sáng giấy là rất khó khăn Trong bài nghiên cứu này, chúng ta khảo sát ảnh hưởng của phương pháp enzym xylanase ức chế lên độ vàng bột do quang và nhiệt gây ra Xylanase tinh khiết (endo-1,

4-β xylanase) thu được bằng cách lọc xylanase thô từ quá trình lên men lỏng Pichia sp

GS115 tái tổ hợp được sử dụng trong nghiên cứu này Pichia sp GS115 tái tổ hợp có các gen xylanase từ Penicillium oxalicum 114-2 cho CTMP của cây dương và CP của rơm lúa

mì

Kết quả và thảo luận

Thành phần của bột khi xử lý bằng xylan.

Thành phần hóa học CP-rơm lúa mì và CTMP-gỗ dương trước và sau khi xử lí bằng xylanase, ở nồng độ 40U/g bột ( khối lượng khô ) được liệt kê ở bảng 1

Bảng 1 Thành phần hoá học của rơm lúa mì CP và CTMP trước và sau khi sử dụng

xylanase

Bảng 1 cho thấy , xylanase giảm lượng hemicelluse ở CM-rơm lớn hơn so với lượng đối chứng (p=0,00; n=3) bởi sự phân hủy polimer và xylan trong bột giấy Lượng hemicellulose ở CP-rơm lúa mì cao hơn CTMP-gỗ dương sau khi xử lý xylanase cùng điều kiện Kết quả này có lẽ là vì CP lúa mì chứa nhiều hemicelulose hơn CTMP-gỗ dương và xylan là đường hemicelluose cơ bản trong CP-rơn lúa mì Việc phân hủy xylan trong bột giấy mang lại lợi ích cho phân hủy lignin khối lượng phân tử thấp bởi vì tấn

công vào cấu trúc lignin cacbonhydrat(LCC) mà kết quả là lượng lignin giảm trong xử lý xylanase So với mẫu đối chứng, tổng lượng lignin, cellulose và hemicellulose sau khi

xử lí bằng xylanase thấp hơn , ví dụ như, bột gỗ thí nghiệm: 91,6%,bột gỗ đối chứng:95,7%, có thể vì xử lý bằng xylanase làm sinh ra nhiều đoạn oligosaccharides trong bột hơn và dễ tách trích trong nước và ethanol của quá trình phân tích thành phần hóa học Lignin cũng dễ bị thay đổi bằng cách xử lý enzyme Lượng lignin và đường giảm sau khi dùng xylanase HexA trong bột giấy giảm xấp xỉ khoảng 73,4% ở CP-lúa

mì và 4,1% ở CTMP-gỗ dương(p=0,00;n=3), được biểu diễn ở bảng 1

Bảng 2 Sự thay đổi thành phần hóa học của các chất trong giai đoạn điều sau khi sử dụng

xylanase (mg / mL)

Sau khi xử lý bằng xylanase , phân tích bằng sắc lý lỏng hiệu năng cao(HPLC) cho thấy rằng dịch lỏng của giai đoạn xử lý bằng enzyme chủ yếu chứa oligosaccharide và hầu như không có monosaccharide Vì vậy, dịch trích đầu tiên được thủy phân bằng acid sulfuric để xác định thành phần đường Bảng 2 cho thấy, xylose, arabinose , manose , acid lignin hòa tan tăng trong dịch lọc của CMTP-gỗ dương (p,0,01;n=3) và các thành phần monosaccharide và lignin hòa tan chắc chắn mất đi vì các phản ứng phân giải monosaccharide và ngưng tụ lignin xảy ra trong quá trình thủy phân acid của bộ lọc Phản ứng ngưng tụ lignin sẽ cho kết quả khối lượng phân tử lignin cao trong sản xuất và kết tủa chúng Kết quả chứng minh rằng một phần hemicellulose và lignin bị phân hủy trong suốt quá trình xử lý xylanase

Hình 1 Ảnh hưởng của nồng độ xylanase lên độ sáng của bột tẩy trắng của rơm lúa mỳ

CP và CTMP trước và sau khi sử lý bằng ngọn lửa nóng và ánh sáng.

Lượng đường hemicenllulose trong dịch trích của CP-rơm lúa mì cao hơn CTMP-gỗ dương cho thấy xylanase dễ dàng phân hủy hemicenllulose trong CP-rơm lúa mì.Sau khi

xử lý enzyme xylanase, sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) phân tích thấy rằng dịch lọc từ giai đoạn enzyme chủ yếu chứa oligosaccharides và hầu như không có monosacarit Vì vậy, dịch lọc đầu tiên được thủy phân bằng axit sunfuric để xác định thành phần đường

và hàm lượng của nó Bảng 2 cho thấy, xylose, arabinose, mannose, và lignin acid hòa tan tăng trong dịch lọc của rơm lúa mì CP ( P  <0,01, n = 3), và các hàm lượng của xylose và axit hòa tan lignin cũng tăng trong dịch lọc của mẫu cây bạch dương CTMP ( P  <0,05, n

= 3), mặc dù các bộ phận của monosacarit và lignin hòa tan được chắc chắn bị mất vì các

phản ứng của monosacarit suy thoái và sự ngưng tụ của lignin xảy ra trong quá trình thủy phân axit của các bộ lọc Phản ứng ngưng tụ lignin sẽ cho kết quả trong lignin với trọng lượng phân tử cao được sản xuất và kết tủa ra Các kết quả được minh họa rằng một phần của hemicellulose và lignin được hòa tan trong khi xử lý xylanase Hàm lượng cao hơn các loại đường hemicellulose trong xử lý chất dịch của rơm lúa mì CP so với các cây bạch dương CTMP cho thấy xylanase dễ dàng phân hủy hemicellulose trong rơm lúa mì CP

Ảnh hưởng của sử dụng xylanase lên độ sáng của bột giấy tẩy trắng

Đối với lúa mì rơm CP, xửdungj xylanase cải thiện độ sáng của bột tẩy trắng giấy khi liều lượng đạt 40 U / g bột sấy khô như trong hình 1 Ở cấp độ này, độ sáng của bột tăng 3,0% , 3,4% (ánh sáng gây ra màu vàng), và 2,7% (nhiệt gây ra màu vàng) ( P  <0,01, n = 3) so với mẫu đối chứng Sự thay đổi độ sáng của chất tẩy trắng CTMP rõ ràng là ít hơn

so với tẩy trắng rơm lúa mì CP Đối với mẫu CTMP và ánh sáng lão hóa, độ sáng bột giấy tẩy trắng tại một liều lượng xylanase của 40 U / g tăng 0,9% và 0,2% so với đối chứng ( P  <0,01, n = 3) Đối với hóa nhiệt tẩy trắng cây bạch dương CTMP, sử dụng xylanase không ảnh hưởng đến độ sáng bột giấy

Ảnh hưởng của liều lượng xylanase trên độ sáng của bột tẩy trắng của rơm lúa mì CP và cây bạch dương CTMP trước và sau khi nhiệt và ánh sáng gây ra

Hình 2

Ánh sáng và nhiệt độ gây ra màu vàng cho giấy, và độ sáng của bột giấy sau khi lão hóa ánh sáng giảm đáng kể trong điều kiện thí nghiệm, đặc biệt là cho cây bạch dương CTMP

( hìn 1 ), có thể là do sự chênh lệch về thành phần và tính chất của lignin trong bột tẩy trắng

Ảnh hưởng của sử dụng xylanase về sự ổn định độ sáng

Chỉ số màu Post (PCN) là một chỉ số thể hiện mức độ của sự trở lại độ sáng của bột trước

và sau khi lão hóa(tác động) Hình 2 (a) cho thấy, cùng với sự gia tăng của liều lượng xylanase, các PCN của lúa mì rơm CP giảm rõ ràng sau khi chiếu sáng và nhiệt gây ra vàng Các PCN của các mẫu bột giấy tẩy trắng tại 40 U / g xylanase sau khi ánh sáng và nhiệt độ gây vàng (aging) giảm 14,3% và 34,1% tương ứng so với mẫu đối chứng (mẫu đối chứng tương ứng với một liều lượng 0 U / g) Tuy nhiên, sử dụng xylanase cho thấy ít ảnh hưởng đến các PCN của cây dương CTMP sau khi ánh sáng và nhiệt độ gây vàng (aging) so với rơm lúa mì CP ( Fig 2b ) Một nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do hàm lượng nhiều hemicellulose và HexA trong rơm lúa mì CP và lignin trong cây bạch dương CTMP Polysaccharides hemicellulose, vì mức độ tương đối thấp của dễ dàng bị thủy phân thành các hợp chất carbohydrate phân tử thấp , mà sau đó trải qua tình trạng mất nước và các phản ứng ngưng tụ để tạo thành chất chromogenic ; Hexa cũng dễ dàng

bị phân hủy trong quá trình cách nhiệt và ánh sáng vàng gây ra để tạo ra hợp chất màu Tăng liều lượng xylanase dẫn đến tăng cường loại bỏ hemicellulose, ví dụ, liều lượng hemicellulose rơm lúa mì CP là 13,6% và 12,8% khi liều lượng xylanase là 20 và 80 U /

g, tương ứng, do đó giảm PCN của bột giấy CTMP bị ố vàng dễ hơn trong điều kiện bức

xạ so với rơm lúa mì CP ( Fig 2 ) vì ánh sáng vàng gây ra chủ yếu liên quan đến các phản ứng dựa trên lignin, và hàm lượng lignin cao trong cây bạch dương CTMP cho thấy hiệu quả ức chế vàng gây ra bởi các hemicellulose giảm sau khi sử dụng xylanase

Cơ chế ức chế màu vàng bằng cách xử lý xylanase

UV-vis DR Spectra của bột

UV-vis DR phân tích quang phổ là một phương pháp nhanh chóng và đơn giản để kiểm tra sự ổn định độ sáng Các quang phổ phản xạ rất nhạy cảm với những thay đổi trong cấu trúc chromophore và UV-active không màu gây ra bởi thời gian Khi phổ phản xạ đã được chuyển đổi để hấp thụ (K / S) phổ thông qua các phương trình Kubelka-Munk, thông tin về những thay đổi hóa học trong bột khiến vàng có thể được trực tiếp thu được Phổ UV-vis DR không điều trị và xử lý chưa tẩy trắng rơm lúa mỳ CP với xylanase trước

và sau khi cách nhiệt và ánh sáng vàng gây ra được thể hiện trong hình 3 (a)

Đối với ánh sáng gây ra hiện tượng vàng lúa mì rơm CP ( hình 3a ), ΔK / S của bột được

xử lý bằng enzyme xylanase là thấp hơn so với bột không được xử lý Kết quả này chỉ ra rằng việc điều trị xylanase giảm các hàm lượng của chromophore và tiền chất của nó Ngoài ra, tín hiệu cường độ ở 300 nm đến 350 nm là thấp hơn so với ở các bước sóng

khác Sự thay đổi này có thể được gây ra bởi sự hoà tan lignin (coniferaldehyde nưa), hoặc suy thoái của nhóm cacbonyl trong lignin, mà đã được chứng minh bởi tài liệu trước đây Đối với nhiệt gây ra sự vàng trên rơm lúa mì CP ( Fig 3a ), các ΔK / S của bột được

xử lý bằng các enzyme xylanase cũng thấp hơn so với bột không được xử lý Kết quả này ngụ ý rằng

chromophore ít được tạo ra sau khi nhiệt aging bằng cách xử lý xylanase Đặc biệt, ΔK /

S của bột giấy ở khoảng 285 nm sau khi nhiệt aging giảm đáng kể so với mẫu không được sử dụng Sự thay đổi này có thể được gây ra bởi sự suy thoái của HexA ( Bảng 1 ) Các HexA được chuyển đến (acid 5-formyl-2-furancarboxylic: FFA) UV- hợp chất dạng hoạt động, và sau đó hợp chất này (FFA) có thể sản xuất chromophore trong nhiệt aging

Hình 3

So với các điều khiển, tín hiệu cường độ của mẫu xylanase được nghiên cứu ở khoảng

285 nm là thấp hơn nhiều bất kể ánh sáng hoặc nhiệt aging Kết quả này có thể được gây

ra bởi sự giảm của guaiacyl vòng thơm của lignin Đối với mẫu cây bạch dương CTMP ( Fig 3b ), sự hấp thụ đáng chú ý đã được quan sát ở 340 nm cho bột xylanase được tác động và bột giấy không được tác động ánh sáng gây ra vàng Tình trạng này cho thấy rằng bức xạ ảnh hưởng khá lớn trên đảo chiều sáng cho bột giấy Nhiệt gây vàng cho gỗ dương CTMP, các ΔK / S cho các mẫu xylanase được xử lý hơi thấp hơn so với các mẫu không được xử lý cho thấy xử lý xylanase giảm nhẹ chromophore generation during heat aging Tuy nhiên, tác dụng ức chế về việc làm vàng do nhiệt gây ra của bột là rất yếu Kết quả này phù hợp với những thay đổi PCN như trong hình 2b Như thể hiện trong hình 3b , cường độ tín hiệu của kiểm soát dưới 350 nm là cao hơn so với bột xylanase được thử nghiệm Tuy nhiên, có sự khác biệt đã được quan sát giữa các mẫu không được tác động và tác động trong vùng nhìn thấy trong cả hai điều kiện quang và nhiệt gây ra màu vàng Tình trạng này cho thấy rằng tác động xylanase của CTMP giảm các hàm lượng của hợp chất UV-hoạt động Ngược lại, sự hình thành của chromophore không bị ức chế

Biến đổi Fourier hồng ngoại suy yếu tổng số phản xạ (FTIR-ATR) phân tích quang phổ (Fourier transform infrared-attenuated total reflectance (FTIR-ATR) spectrum analysis)

FTIR-ATR và quang phổ khác chưa tẩy trắng của rơm lúa mì CP và CTMP trước và sau khi tác động xylanase được thể hiện trong hình.4 và 5 Các quang phổ khác nhau ( Hình

4 ) vào khoảng 3333 và 2899 cm -1 vùng (đỉnh 1 và 2) tương ứng với O-H và CH nhánh Cường độ tín hiệu ở 1638 cm -1 (cao điểm 3) liên quan đến các nhóm cacbonyl liên hợp giảm Tình trạng này là phù hợp với kết quả phân tích cho ΔK / S, tức là, điều trị xylanase giảm các hàm lượng của lignin như trong hình 3a Như vậy, sự ổn định độ sáng của rơm lúa mì CP đã được nâng cao Thay đổi của tín hiệu ở 1509 cm -1 (đỉnh 4) tương ứng với rung động cấu trúc thơm chỉ ra rằng hàm lượng lignin trong rơm lúa mì CP giảm sau khi điều trị xylanase Phổ sự khác biệt ở 1104 cm -1 (đỉnh 6) tương ứng với C-O có khả năng liên quan đến việc giảm hàm lượng hemicellulose sau khi tác động xylanase Quan sát này đã được khẳng định thêm bởi một cường độ giảm tại 897 cm -1 (đỉnh 9) Kết quả này tương ứng với anomeric carbon (C1) dao động trong hemicellulose Việc giảm sự hấp thụ

ở 1031 cm -1 (đỉnh 8) tương ứng với C-H (guaiacyl) kéo dài rung động chỉ ra rằng lượng lignin trong lúa mì rơm CP giảm sau khi tác động xylanase Kết quả này phù hợp với kết quả của UV-vis DR phân tích quang phổ ở khoảng 280 nm