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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM THÁI NGUN
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

1


Danh sách thành viên nhóm:

1.Trần Huy Hồng
2.Nguyễn Thị Hồng (DTN1053170024)
3.Nguyễn Thị Hồng (DTN1053170060)
4.Nông Thị Huệ
5.Trương Mạnh Hùng

2

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 cơng nghiệp giấy
2. Vai trị của enzyme mannanase trong sản xuất giấy

III.

Kết luận

IV.

Tài liệu tham khảo

3


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 ơ nhiễm mơi trường. Ngồi ra enzyme này cịn 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 cơng 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
cơng nghiệp sản xuất giấy. Chúng em xin được làm bài tiểu luận

“ enzym

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

4

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
+ Hịa 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
cơng 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.

5


Endo-beta-1,4- mannanase là enzyme thủy phân liên kết 1,4-betamanopyranozit 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 ni, dược
phẩm.. Ngồi ra, cịn 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 cơng nghiệp cịn hạn
chế do hiệu suất sinh tổng hợp enzym này của vi sinh vật tự nhiên cịn thấp, chi
phí sản xuất enzym cịn 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 khơng sinh tổng hợp enzym có liên quan, do
đó khơng cần tách và tinh chế enzym nhưng trong một số ứng dụng vẫn đạt
được hiệu quả mong muốn.

6


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 lồi 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 khơng gian của endo-beta-1,4-mannanase

7


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

Hình 2.2: Cấu tạo phân tử manan

8


Mannanase (beta-1,4-mannan mannohydrolase) phân cắt liên kết beta-1,4mannosit 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

9


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:

10


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-beta1,4-mannanase

11


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.

12


Loại bột giấy

Chiều dài (mm)

Đường kính (mm)

Tỷ lệ(L/D)

Gỗ mềm

4

40

100

Gỗ cứng

2

22

90

Rơm, lúa

0,5

9

6

Cỏ

1,1

10

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 bơng 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 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 khơng với mức độ khác
nhau. Yêu cầu sử dụng mà bột có thể có hoặc khơng được tẩy trắng hoặc được
tẩy trắng với mức độ khác nhau.

13


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 hố học hoặc cơ học, các sợi xenlulô sẽ được tách rời
ra và tạo nên huyền phù đồng nhất trong nước.

14


2.

Vai trị của endo-beta-1,4-mannanase trong cơng nghiệp sản xuất giấy
2.1 Quy trình tẩy trắng bột giấy gỗ bằng enzym endo-beta-1,4-mannanase

15


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 ơ nhiễm mơi 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 địi hỏi khi phá vỡ hemicelluloses mà khơng
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 q trình
tẩy trắng bột giấy, máy móc, nó làm giảm bớt hoặc loại trừ những phần bị oxi
hóa trong 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 quá trình tẩy trắng bột gỗ bằng mannanase
tái tổ hợp
2.2.1: Ảnh hưởng của nồng độ enzyme

17


2.2.2: Ảnh hưởng của pH

18


2.2.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ

19


2.2.4: Ảnh hưởng của thời gian thủy phân

20


PHẦN III. KẾT LUẬN
Mannanase có nhiều ứng dụng trong các q trình cơng 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 ơ 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
cịn khắc phục được những vấn đề về ơ nhiễm mơi trường. Đây là lợi ích to lớn

mà cơng 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 q trình tẩy trắng. Ngồi 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 q trình tẩy trắng bột giấy, máy móc, nó làm giảm bớt
hoặc loại trừ những phần bị oxi hóa trong q 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 khơng ít những bất lợi khi sử dụng bằng các phương
pháp cơ học, phương pháp hóa học trong q trình tẩy trắng bột giấy.

21


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 cơng nghệ 23(2007) 75 – 85. 2007
3. Đặng Thị Thu, Nguyễn Thị Xn Sâm,Tố Kim Anh. Thí nhiệm hóa sinh cơng
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

22