tìm hiểu về enzyme mannanase ứng dụng trong công nghiệp tẩy trắng giấy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CNSH & KTMT
---------------o0o---------------

TIỂU LUẬN
MÔN CÔNG NGHỆ ENZYME

ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU VỀ ENZYME MANNANASE
ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP TẨY TRẮNG GIẤY

GVHD: ThS. Đỗ Thị Hiền
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 05 năm 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CNSH & KTMT
----------------------------------------------------------------------------

ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU VỀ ENZYME MANNANASE
ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP TẨY TRẮNG GIẤY

1

Đinh Thị Kim Ngân

2008140175

2

Lại Mai Anh

2008140010

3

Lâm Huyền Trân

2008140322

4

Trần Quốc Việt

2008140373

GVHD: Th.S ĐỖ THỊ HIỀN
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 05 năm 2017


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Mục lục
Mục lục bảng .......................................................................................................... 2
Mục lục hình ảnh .................................................................................................... 2
Lời mở đầu.............................................................................................................. 3
1. Enzyme mannanase.......................................................................................... 4

1.1 Tổng quan về enzyme ............................................................................... 4
1.1.1 Tính chất của enzyme......................................................................... 4
1.1.2 Cơ chế hoạt động của enzyme............................................................ 4
1.2 Enzyme Mannanase .................................................................................. 5
1.2.1 Giới thiệu chung về mannanase ......................................................... 5
1.2.2 Nguồn thu nhận .................................................................................. 5
1.2.3 Cấu tạo................................................................................................ 6
1.2.4 Cơ chế tác dụng của endo-beta-1,4-mannanse ................................... 7
1.2.5 Đặc tính .............................................................................................. 8
1.2.6 Tách và tinh chế ...................................................................................... 9
2. Ứng dụng của enzyme mannanase trong ngành công nghiệp giấy................ 11
2.1 Giới thiệu chung về ngành công nghiệp giấy ở Việt Nam .......................... 11
2.1.1 Nguyên liệu sử dụng sản xuất bột giấy................................................ 12
2.1.2 Một số phương pháp sản xuất bột giấy ................................................. 12
2.1.3 Quy trình sản xuất bột giấy.................................................................. 13
2.2 Vai trò enzyme mannanase trong công nghiệp giấy ................................... 15
3. Bài báo khoa học............................................................................................ 16
3.1 Mục đích...................................................................................................... 16
3.2 Khái quát ..................................................................................................... 17
3.3 Thí nghiệm và kết luận................................................................................ 18
3.3.1 Thí nghiệm ............................................................................................ 18
3.3.2 Kết quả .................................................................................................. 19
4. Kết luận và kiến nghị ..................................................................................... 25
Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 26

1


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Mục lục bảng
Bảng 1. Nguồn thu nhận enzyme mannanase ......................................................... 6
Bảng 2. Đặc tính một số endo-β-1,4-mannanase.................................................... 9
Bảng 3. Tình hình tiêu thụ giấy ở Việt Nam qua các năm ................................... 11
Bảng 4. Một số phương pháp sản xuất bột giấy cơ bản ....................................... 13

Mục lục hình ảnh
Hình 1. Cơ chế xúc tác của enzyme ....................................................................... 4
Hình 2. Cấu trúc không gian của endo-beta-1,4-mannanase .................................. 7
Hình 3. Cơ chế tác dụng của endo-beta-1,4-mannanase ........................................ 8
Hình 4. Thu nhận endo-beta-1,4-mannanase từ Aspergillus Niger ...................... 10
Hình 5. Nguyên liệu dùng trong sản xuất giấy ..................................................... 12
Hình 6. Sơ đồ quy trình sản xuất bột giấy ............................................................ 14
Hình 7. Quy trình tẩy trắng bột giấy..................................................................... 15
Hình 8. Ảnh hưởng pH đối với việc sản xuất enzyme mannanase và xylanase .. 19
Hình 9. Thời gian sản xuất xylanase và mannanase ............................................. 20
Hình 10. Ảnh hưởng pH đến hoạt động enzyme mannanse và xylanase ............. 21
Hình 11. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối sự ổn định của xylanase và mannanase ... 22
Hình 12. Hoạt động của enzyme đo tương đối với mức kiểm soát là 100% ....... 23
Hình 13. Hoạt động tẩy trắng của mannase và xylanase ...................................... 23
Hình 14. Mức độ tẩy trắng của mannasee và xylanase ........................................ 24

2


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Lời mở đầu
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ,
đời sống sinh hoạt hằng ngày… Con người đã thải ra hàng trăm triệu tấn rác thải vào
môi trường. Một trong những nguồn thải gây ô nhiễm lớn nhất là của nhà máy sản xuất
giấy và bột giấy. Công nghiệp giấy sử dụng một lượng lớn tài nguyên nước ngọt đồng
thời thải ra một lượng lớn chất thải vào nguồn nước, đặc biệt là ở các nhà máy không
có thu hồi hoá chất.
Với thành phần chính là xenluylô, một loại polyme mạch thẳng và dài có trong gỗ,
bông và các loại cây khác. Trong gỗ, xenluylô bị bao quanh bởi một mạng lignin cũng
là polyme. Để tách xenluylô ra khỏi mạng polyme đó người ta phải sử dụng phương
pháp nghiền cơ học hoặc xử lý hóa học. Quy trình sản xuất bột giấy bằng phương pháp
nghiền cơ học là quy trình có hiệu quả thu hồi xenluylô cao nhưng tiêu tốn nhiều năng
lượng và không loại bỏ hết lignin, khiến chất lượng giấy không cao. Dư lượng lignin
trong bột giấy làm cho giấy có màu nâu, vì vậy muốn sản xuất giấy trắng vàng chất
lượng cao thì phải loại bỏ hết lignin. Thường người ta oxy hóa lignin bằng clo nhưng
quá trình xử lý này cần một lượng lớn hóa chất để xử lý nguyên liệu, đây là một vấn đề
rất đáng quan ngại.
Một giải pháp thay thế được đặt ra là sử dụng enzyme để xử lý nguyên liệu giấy.
Giải pháp này đã được nghiên cứu và áp dụng, giải pháp này cho thấy nó có thể giảm
thiểu một lượng lớn hóa chất độc hại được sử dụng trong quá trình sản xuất giấy bằng
cách thay thế hoạt tính hóa học của các chất đó bằng hoạt tính sinh hóa của enzyme để
xử lý nguyên liệu.
Qua nghiên cứu, tìm hiểu, và đặc biệt là sự hướng dẫn của cô. Nhóm em xin chọn
đề tài “ Sử dụng enzyme mannanase trong quá trình tẩy trắng giấy ”. Nghiên cứu đề tài
này, chúng em muốn hiểu biết hơn về các đặc tính sinh hóa của enzyme và ứng dụng
của chúng trong đời sống và trong quá trình sản xuất, và đặc biệt là ứng dụng của
enzyme trong quá trình tẩy trắng giấy. Đây là lần đầu chúng em nghiên cứu về mảng
đề tài này, có gì thiếu sót mong quý thầy, cô chỉ bảo và các bạn sinh viên đóng góp.

3


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

1. Enzyme mannanase
1.1 Tổng quan về enzyme
Trong cuộc sống sinh vật xảy ra rất nhiều phản ứng hóa học với hiệu suất rất cao,
mặc dù ở điều kiện bình thường về nhiệt độ, áp suất, pH. Sở dĩ như vậy vì nó có sự
hiện diện của chất xúc tác sinh học được gọi chung là enzyme. Enzyme là chất xúc tác
sinh học có thành phần cơ bản là protein.

[7]

Trong các phản ứng này, các phân tử lúc

bắt đầu của quá trình được gọi là cơ chất, enzyme sẽ biến đổi chúng thành các phân tử
khác nhau. Tất cả các quá trình xảy ra trong tế bào đều cần enzyme. Enzyme có tính
chọn lọc rất cao đối với cơ chất của nó.

1.1.1 Tính chất của enzyme
Enzyme có bản chất là protein nên có tất cả thuộc tính lý hóa của protein. Đa số
enzyme có dạng hình cầu và không đi qua màng bán thấm do có kích thước lớn.
Enzyme tan trong nước và các dung môi hữu cơ phân cực khác, không tan trong
ete và các dung môi không phân cực.
Enzyme không bền dưới tác dụng của nhiệt độ, nhiệt độ cao thì enzyme bị biến
tính. Môi trường axít hay bazơ cũng làm enzyme mất khả năng hoạt động.
Enzyme có tính lưỡng tính. Tùy pH của môi trường mà chúng tồn tại ở các dạng

như cation, anion hay trung hòa điện. [7]

1.1.2 Cơ chế hoạt động của enzyme
Trong quá trình xúc tác, chỉ có một phần enzyme tham gia trực tiếp vào phản ứng
để kết hợp với cơ chất gọi là "trung tâm hoạt động". Cấu tạo đặc biệt của trung tâm
hoạt động quyết định tính đặc hiệu và hoạt tính xúc tác của enzyme. Một enzyme có
thể có 2 hoặc nhiều trung tâm hoạt động, tác dụng của các trung tâm hoạt động không
phụ thuộc vào nhau. Là một chất xúc tác có nguồn gốc sinh học, về mặt cơ chế hoá
học, enzyme tác dụng lên cơ chất chỉ khi có tiếp xúc trực tiếp với cơ chất, hay nói cách
khác, các cơ chất kết hợp với trung tâm hoạt động tạo phức hợp enzyme-cơ chất
Đây là một giai đoạn cần thiết trong quá trình có sự tham gia của enzyme.
Enzyme + Cơ chất

Tổ hợp (Enzyme +
Cơ chất)

Enzyme + Sản
phẩm

Hình 1. Cơ chế xúc tác của enzyme
4

[7]


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Enzyme chỉ tác dụng lên một số cơ chất và một số kiểu liên kết hóa học nhất định

trong phản ứng. Chính vì vậy, enzyme có tính chọn lọc rất cao và hạn chế được ảnh
hưởng đến cấu trúc khác. Tính đặc hiệu của enzyme thể hiện như sau:
 Đặc hiệu lập thể: Chỉ tác dụng lên một dạng đồng phân quang học. Enzyme
cũng thể hiện tính đặc hiệu với các đồng phân hình học, chỉ tác dụng lên một
dạng đồng phân cis hoặc trans.
 Đặc hiệu tuyệt đối: Enzyme chỉ có khả năng tác dụng lên một cơ chất nhất
định. Cấu trúc trung tâm hoạt động của enzyme phải kết hợp chặt chẽ với cấu
trúc của cơ chất, một khác biệt nhỏ về cấu trúc của cơ chất cũng làm enzyme
không thể hiện được tính xúc tác.
 Đặc hiệu tương đối: Enzyme có tác dụng lên một kiểu nối hóa học nhất định
trong phân tử cơ chất mà không phụ thuộc vào bản chất hóa học của các cấu
tử tham gia tạo thành liên kết đó.


Đặc hiệu nhóm: Enzyme có khả năng tác dụng lên một kiểu liên kết nhất định
khi một hay hai cấu tử tham gia tạo thành liên kết này có cấu tạo nhất định. [7]

Chính vì cơ chế hoạt động chọn lọc và hiệu quả, enzyme đã được sử dụng rộng rãi,
trong đó phải kể đến sự tham gia của enzyme trong quá trình tẩy trắng giấy.

1.2 Enzyme Mannanase
1.2.1 Giới thiệu chung về mannanase
Enzyme Mannanase hay còn gọi là hydrolases glycoside. Được biết Hydrolases
glycoside là một nhóm phổ biến rộng rãi của các enzym thủy phân polysaccharides.
Điển hình như Enzyme endo- beta-1,4-mannanase là một thành phần trong cụm
mannase, đây là enzyme thủy phân đường glycosyl của mạch polymannan tạo ra các
manno-oligosaccharide nên có vai trò phân hủy hemicellulose trong sinh khối thực vật.
Enzyme này được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống,
công nghiệp sản xuất thức ăn gia súc và đặc biệt là trong ngành công nghiệp sản xuất
bột giấy và giấy. [9]

1.2.2 Nguồn thu nhận

5


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Từ tự nhiên

Từ vi khuẩn

- Nấm mốc

- Bacillus sp

- Nấm men

- Streptomyces

- Tảo biển/ tảo nước ngọt

- Caldibacillus cellulovorans

- Hạt nảy mầm

- Caldicellulosiruptor Rt8B

- Động vật …

- Caldocellum saccharolyticum …

=> thường rất phong phú.

=> còn hạn chế, số lượng nhỏ.

Bảng 1. Nguồn thu nhận enzyme mannanase
Tuy nhiên, việc sử dụng mannanase trong các ngành công nghiệp còn hạn chế do
hiệu suất sinh tổng hợp enzyme này của vi sinh vật tự nhiên còn thấp, chi phí sản xuất
enzyme còn cao. Mặt khác, các chủng sinh tổng hợp mannanase trong tự nhiên thường
đồng thời sinh tổng hợp nhiều loại enzyme khác làm ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng
enzyme. [10]
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 gene cung cấp khả năng để hiện thị chỉ một loại enzyme mong muốn trong các
vật chủ mà không sinh tổng hợp enzyme có liên quan.

1.2.3 Cấu tạo
Mannanase có nguồn gốc khác nhau thì có thành phần cấu tạo và cấu trúc khác
nhau:
Nguồn gốc

Bản chất

Khối lượng phân tử

Nấm mốc Sclerotium Rolfsii

Glucoprotein

M = 46.5 kDa

Vi khuẩn ưa nhiệt

enzyme một cấu tử

M = 65 kDa

Thermotoga Neapolitana 5068
Aspergillus Niger

M = 45 kDa

Nhuyễn thể biển

M = 42 kDa

6


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Littovena Reesei
Ở đây ta chỉ xét 1 nhóm điển hình Endo-beta-1,4-mannanase
Ví dụ : 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. Cấu trúc không gian của endo-beta-1,4-mannanase

1.2.4 Cơ chế tác dụng của endo-beta-1,4-mannanse
Endo-beta-1,4-mannanse có tác dụng thủy phân liên kết beta-1,4-mannosidic trong
chuỗi polysaccaride galactomannan, glucomannan, galactoglucomannan và mannan.
Sự thủy phân mannan và các hợp chất của mannan bằng beta-1,4-mannanase tạo ra
các sản phẩm là beta-D mannooligosaccharides và hỗn hợp các oligosaccharides có
chứa các D-mannose, D-glucoe và D-galactose. [9]

7


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Hình 3. Cơ chế tác dụng của endo-beta-1,4-mannanase

=>Giải thích : Mannanase (beta-1,4-mannan mannohydrolase) phân cắt liên kết beta1,4-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.

1.2.5 Đặc tính
Mannanase

có nguồn gốc khác nhau có đặc tính khác nhau. Nhìn chung,

mannanase có pH tối ưu tại cùng acid yếu hoặc trung tính. Nhiệt độ tối ưu khá cao, độ
bền nhiệt tốt.[9]
Mannanase có kích thước lớn hơn so với Xylanase ( trọng lượng phân tử 3090kDa) và có điểm đẳng điện trong môi trường acid, có vai trò khử tính trùng hợp, làm
cho độ bền kết tụ giảm, làm giảm khả năng hòa tan. [5]

8


Công nghệ enzyme

Gen

Nhóm 10
Hệ

Nguồn

mManA

mManA

thống

biểu hiện

Thermoanaerobacterium Escherichia
polyaccharolyticum

coli

Clostridium

Escherichia

thermocellum

coli

KLPT

tootp

pHotp

75oC

5,8

116

60oC

6,5

70

(kDa)

BL21(DE3)
Aspergillus

fumigatu Aspergillus

IMI 385708

sojae

và 60oC và

Pichia

45OC

pastoris
Aspergillu sulphureus

Pichia
pastoris

MManAd3

Caldibacillus

Escherichia

cellulovorans

coli

Bacillu sp.N16-5

Pichia
pastoris

Bacillus subtilis

Pichia
pastoris

4,5
và

60

5,2

0oC

2,4

5oC

6,0

70oC

6,0

50oC

5,5

48

40

Bảng 2. Đặc tính một số endo-β-1,4-mannanase

1.2.6 Tách và tinh chế
1.2.6.1 Sơ lược về tách và tinh chế enzyme
Việc tách enzyme đáp ứng yêu cầu về mặt kinh tế chỉ có thể tiến hành khi nguyên
liệu có chứa một lượng lớn enzyme cũng như cho phép thu được enzyme với hiệu suất
cao và dễ dàng tinh chế chúng
Vi sinh vật rất nhạy cảm đối với tác động của môi trường, thành phần dinh dưỡng
nuôi chúng cũng như một số tác nhân lý hóa, cơ học khác. Do đó có thể thay đổi những
điều kiện nuôi cấy để chọn giống tạo những chủng đột biến cho ta hàm lượng enzyme
đáng kể với hoạt tính xúc tác cao
Muốn có chế phẩm tinh khiết phải qua giai đoạn tách và tinh chế enzyme

9


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Để làm tăng lượng enzyme ở vi sinh vật chúng ta cần chú ý tuyển lựa và chọn
giống các chủng vi sinh vật có hoạt tính enzyme cao, tổng hợp được enzyme cần thiết

và với số lượng nhiều
Tùy thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần môi trường nuôi cấy, nhiệt độ, pH và chủng
vi sinh vật mà hoạt độ Mannanase thu được là khác nhau. Nhìn chung, vận tốc sinh
tổng hợp mannanase từ vi khuẩn cao hơn từ nấm mốc. Song đa phần các công trình
nghiên cứu đều cho kết quả là hoạt độ của mannanase thu được từ nấm mốc cao hơn
rất nhiều so với thu được từ vi khuẩn. Với nồng độ cao trong canh trường nấm mốc sẽ
tạo điều kiện thuận lợi và giảm chi phí trong quá trình thu nhận và làm sạch enzyme

1.2.6.2 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.[1][3]

Hình 4. Thu nhận endo-beta-1,4-mannanase từ Aspergillus Niger

10


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

2. Ứng dụng của enzyme mannanase trong ngành công nghiệp giấy
2.1 Giới thiệu chung về ngành công nghiệp giấy ở Việt Nam
Ngành giấy là một trong những ngành được hình thành từ rất sớm tại Việt Nam,
khoảng năm 284. Từ giai đoạn này đến đầu thế kỷ 20, giấy được làm bằng phương
pháp thủ công để phục vụ cho việc ghi chép, làm tranh dân gian, vàng mã…[12]
Ngành công nghiệp giấy nước ta không ngừng phát triển. Năm 1912, nhà máy sản
xuất bột giấy đầu tiên bằng phương pháp công nghiệp đi vào hoạt động với công suất
4.000 tấn/năm tại Việt Trì. Đến năm 1975, tổng công suất thiết kế của ngành giấy Việt
Nam đạt được 72 ngàn tấn/năm nhưng sản lượng thực tế chỉ 28 ngàn tấn/năm, một con

số quá nhỏ nhoi so với nhu cầu tiêu thụ hơn 2 triệu tấn. Thế nhưng chỉ hơn 30 năm sau,
ngành giấy đã đáp ứng được gần 64% nhu cầu tiêu dùng trong nước. [13]
Sản lượng bột giấy sản xuất trong nước năm 2010 đạt 345,9 nghìn tấn. Năm 2012, sản
lượng bột giấy nước ta thiết lập mức tăng trưởng khủng, cao hơn 30% so với năm
2011, đạt tới 484,3 nghìn tấn. Tuy nhiên, với khối lượng này còn xa mới đáp ứng được
nhu cầu cho ngành sản xuất giấy, bởi vậy hàng năm nước ta vẫn còn phải nhập khẩu
lượng bột giấy và các sản phẩm giấy với lượng gần tương đương sản lượng trong
nước.
Năm

2010

2011

2012

(ước tính)

(ước tính)

Giấy in báo

45,2

58,7

70

Giấy in/viết

444

515

585

Giấy bao bì

1.551,9

1.730

1.975,1

Giấy vàng mã

210

220

190

Khác

2.294,4

2.598,9

2.903,4

Tổng cộng

2.294,4

2.598,9

2.903,4

Bảng 3. Tình hình tiêu thụ giấy ở Việt Nam qua các năm
11


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

2.1.1 Nguyên liệu sử dụng sản xuất bột giấy
Nguyên liệu thô được dùng trong sản xuất giấy và bột giấy ở Việt Nam gồm hai
nguồn căn bản là từ rừng (tre và gỗ mềm) và giấy tái chế.
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. [13]
 Xơ sợi nguyên thủy: là loại xơ chưa từng qua sử dụng, không hoặc có thể đã
qua quá trình sấy khô hay xử lí cơ học
+ Gỗ: gỗ cứng( cây hạt kín,lá rộng), gỗ mềm( cây hạt trần, lá kim).
+ Phi gỗ: rơm rạ,bã mía…


Xơ sợi thứ cấp: là loại xơ sợi đã qua quá trình sử dụng, thường đã trải qua
một số giai đoạn trung gian như in ấn, gia công… [13]

Hình 5. Nguyên liệu dùng trong sản xuất giấy

2.1.2 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.

12


Công nghệ enzyme

Loại gỗ

Hiệu
suất (%)

Gỗ mềm

Gỗ đoạn

90-95

5

3

Gỗ mềm

Dăm gỗ

90-95

5-6

3

Gỗ mềm

Dăm gỗ

90

6-7

Gỗ cứng

Gỗ đoạn

85-90

5-6

Gỗ cứng

Dăm gỗ

85-90

5-6

Gỗ cứng

Dăm gỗ

85-80

6

Gỗ mềm

Dăm gỗ

55-75

7

6

Gỗ mềm

Dăm gỗ

50-70

7

6

Sunphat

Cả hai

Dăm gỗ

40-59

10

7-8

Sunfit

Cả hai

Dăm gỗ

45-55

9

7

Soda

Gỗ cứng

Dăm gỗ

45-55

Phương
pháp

Bột cơ
học

Bột mài

Bột bán
hóa

Bột
nghiền
Bột nhiệt
cơ
Bột mài
có xử lý
Bột kiềm
lạnh
NSCC
Sunphit
hiệu suất
cao
Sunphit
hiệu suất
cao

Bột hóa

Độ bền tương đối

Dạng
nguyên
liệu

Phân
loại

Bột cơ
hóa

Nhóm 10

Gỗ mềm/ Gỗ cứng

7-8

Bảng 4. Một số phương pháp sản xuất bột giấy cơ bản

2.1.3 Quy trình sản xuất bột giấy
Các phương pháp sản xuất bột giấy là các phương pháp xử lý nguyên liệu (gỗ hoặc
phi gỗ) để phá vỡ các liên kết trong nội bộ cây thành dạng các xơ sợi riêng lẻ gọi là bột
giấy. Về cơ bản, để phá vỡ liên kết cấu trúc cây có thể sử dụng năng lượng cơ học,
nhiệt, hóa học hoặc là sự kết hợp của các loại năng lượng này với nhau. [12]
Ứng với các loại năng lượng được sử dụng để phân tách cấu trúc xơ sợi sẽ cho ra
những loại bột như: Bột cơ học, bột hóa học hoặc bột bán hóa học (loại bột sản xuất
dựa vào sự kết hợp giữa hóa học và cơ học). Tùy theo yêu cầu cụ thể, bột giấy có thể
không tẩy trắng hoặc tẩy trắng ở các mức độ khác nhau.

13


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Hình 6. Sơ đồ quy trình sản xuất bột giấy

Trường hợp 1: Gỗ được khai thác về được cưa thành nhiều đoạn nhỏ rồi bóc vỏ.
Nghiền mịn gỗ và trộn với nước, tẩy màu đi ta được bột giấy. Hoặc từ gỗ người ta cho
vào máy cắt vụn rồi cho vào silo như trường hợp 2.
Trường hợp 2: Xuất phát từ nguyên liệu phoi bào gỗ, phoi bào được đưa tới các
tháp silo đồng nhất rồi cho vào máy tinh chế TMP, sau khi tinh chế xong trộn lẫn với
nước và đem đi tẩy mầu ta được bột giấy.
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. [12]

14


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

2.2 Vai trò enzyme mannanase trong công nghiệp giấy
Quy trình tẩy trắng bột giấy gỗ bằng enzyme endo-beta-1,4 mannanase.[8]

Hình 7. Quy trình tẩy trắng bột giấy

15


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

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.[8] 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.[3]

3. Bài báo khoa học
Xylanase and Mannanase enzymes from Streptomyces galbus NR and their
use in biobleaching of softwood kraft pulp
Amany L. Kansoh* and Zeinat A. Nagieb

Microbial Chemistry Department and Cellulose and Paper Laboratory,
National Research Centre (NRC), Dokki, Cairo, Egypt; *Author for
correspondence

3.1 Mục đích
Mục tiêu của cuộc kiểm chứng này là khảo sát dòng Streptomyces hoạt động
mạnh nhất, cho thấy hoạt tính xylanolytic và mannanolytic từ các Streptomyces
spp khác nhau. Bài báo này nhằm mục đích nghiên cứu các yêu cầu về dinh
dưỡng, các điều kiện lên men tối ưu cho sản lượng tối đa của xylanase và
mannanase từ các vật liệu chi phí thấp và mô tả đặc tính của cả hai enzyme. Vai
trò của mỗi enzyme và sự kết hợp của chúng trong việc cải thiện tính chất tẩy
trắng của gỗ mềm bột giấy kraft.

16


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

3.2 Khái quát
Trong những năm gần đây, những nỗ lực sử dụng các enzyme trong ngành
giấy và bột giấy đã thu hút được sự quan tâm. Tuy nhiên, có rất ít hệ thống
enzyme được ứng dụng trong công nghiệp giấy vì hoạt động của chúng thường
gây bất lợi đến hàm lượng xenlulo trong bột giấy.
Các chế phẩm enzyme tinh chế một phần của enzyme xylanase và
mannanase cho thấy hoạt tính tẩy trắng cao, đây là một sự phát hiện quan trọng
đối với ngành công nghiệp. Xylanase được tìm thấy hiệu quả hơn cho việc tẩy
giấy hơn mannanase. Khi xylanase và mannanase được phối hợp với nhau (đồng
thời), cả hai enzyme đều có thể tăng cường giải phóng các loại đường giảm và

cải thiện tính chất tẩy trắng bột giấy.
Xylan là một phân tử phức tạp bao gồm chuỗi xylose liên kết beta-1,4, với
các nhánh có chứa arabi và acid 4-O-methylglucuronic. Đây là thành phần chính
của cây gỗ cứng và cây kim lọ lục địa và thường liên quan đến cellulose và lignin
thành phần của thành tế bào thực vật. Xylanases (1,4-beta-d-xylan
xylanohydrolase, EC 3.2.1.87) xúc tác sự phân huỷ của xylan, và đã chứng minh
là có giá trị các enzyme trong quá trình tẩy bột đầu tiên để tăng cường sự phân
hủy của bột giấy bằng cách tạo điều kiện cho loại bỏ lignin khỏi bột giấy
Mannans là thành phần chính của hemicel-lulose trong gỗ mềm. Các
polysaccharides cũng được tìm thấy trong hạt và đậu khác nhau, nơi chúng đóng
một vai trò quan trọng trong hoạt động cơ học và xảy ra trong quá trình nảy
mầm. beta-mannanase (1,4-beta-d-mannan, mannanohydrolase; EC 3.2.1.78) xúc
tác sự thủy phân ngẫu nhiên của beta-1,4 mối liên kết mannosidic trong beta-1,4mannan, gluco-mannan và galactomannan.
Mặc dù có những ứng dụng tiềm năng, việc sử dụng mannanase trong công
nghiệp còn hạn chế, chủ yếu là do năng suất thấp và chi phí sản xuất cao.
Trong ngành giấy và bột giấy, mannanases có thể hoạt động với xylanase
như là các đơn vị tiền chất sinh học cho bột gỗ mềm. Cách xử lý này dẫn đến giá
trị độ sáng cuối cùng cao hơn hoặc để tiết kiệm trong việc tiêu thụ các hóa chất
tẩy trắng

17


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Chỉ có một vài mannanase tinh khiết, chẳng hạn như ly trích từ Trichoderma
được báo cáo tăng đáng kể khả năng chất tẩy của gỗ mềm mà không cần sự phối
hợp của enzyme xylanase.

3.3 Thí nghiệm và kết luận

3.3.1 Thí nghiệm
 Nguồn vi sinh vật : Sử dụng chủng Streptomyces để thu nhận hoạt tính
xylanolytic cũng như hoạt tính mannanolytic. Streptomyces được cô lập từ đất Ai
Cập tại các vị trí khác nhau của đồng bằng sông Nile.
 Thí nghiệm lên men: Các thí nghiệm được thực hiện trong môi trường lắc
để xác định các điều kiện sinh lý và thể chất có thể ảnh hưởng đến hoạt động của
xylanolytic và mannanolytic của đối tượng. Hai lần lặp lại đã được chuẩn bị cho
mỗi thí nghiệm.
Thời gian sản xuất enzyme được thu từ thạch agar 7 ngày, dùng để cấy các bình
Erlenmeyer (250 ml) chứa 50 ml dung dịch thích hợp B.S.M và 1% (w / v) xylan
hoặc 1% (w / v) galactoman-nan như một nguồn carbon duy nhất. Chúng được ủ
ở 35 ° C trên máy lắc quay ở tốc độ 200 vòng / phút trong 5 ngày. Sự phát triển
của tế bào trên cả hai chất nền được tiến hành bằng cách xác định trọng lượng tế
bào. Môi trường nuôi cấy đã được giải phóng khỏi tế bào bằng cách ly tâm ở tốc
độ 5000 vòng / phút ở 4 ° C trong 10 phút và các chất trên được sử dụng như các
chế phẩm enzym thô, để làm giảm một phần các enzyme và các thí nghiệm tẩy
trắng
 Xác định hoạt tính enzyme:
Hoạt tính của Xylanase và mannanase được xác định bằng cách sử dụng 5 mg
/ ml xylan (Sigma) hoặc galactomannan, tương ứng trong 1 ml 50 mM phosphate
đệm phosphate, pH 6.5. Các hỗn hợp khảo nghiệm có 1,0 ml của mỗi chế phẩm
enzyme và được ủ ở 45 ° C trong 30 phút.
Hoạt tính cellulaza cũng được xác định bằng cách sử dụng quy trình tương tự và
5 mg / ml CM-cellulose

18

Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Các phân tử đường làm giảm được giải phóng theo phương pháp SomogyiNelson (Nelson 1945). Một đơn vị hoạt động enzyme được định nghĩa là lượng
enzyme phóng thích 1 mmol đường giảm (tương đương với xylose, mannose và
glucose tương ứng) mỗi phút trong các điều kiện chuẩn.

3.3.2 Kết quả
Khảo sát điều kiện lên men tối ưu nhằm tạo ra sản lượng và chất lượng
xylanase và mannanase tốt nhất

3.3.2.1 Nhiệt độ và pH ban đầu
Sản xuất Xylanase và mannanase và sự tăng trưởng của vi sinh vật là tối ưu
khi môi trường nuôi cấy được ủ ở 35 ° C. Mức độ của cả hai enzyme giảm đến
khoảng 80% sản lượng tối đa của chúng khi ở 25 ° C. Mức xylanase và
mannanase giảm xuống 25 và 15% so với mức tối đa của chúng, khi môi trường
nuôi cấy được ủ ở 45 ° C . Sự ảnh hưởng của pH ban đầu của môi trường nuôi
đến sản xuất enzyme xylanase và mannanase được điều tra trong khoảng pH 5.09.0 ( hình 8). Các hoạt động đã được quan sát ở môi trường có pH ban đầu 8,0 và
9,0. Trong khi các hoạt động tối đa được nhận thấy ở pH 7,0. Hoạt động của
xylanase và mannanase đã giảm xuống còn 72,1 và 82,1% ở pH 9,0 và 25,4% và
41,1% ở pH 5.0. Điều này cho thấy độ pH trung hòa và kiềm là phù hợp hơn cho
việc sản xuất enzyme. Các kết quả này giống với dữ liệu được công bố trước đây
(Begium và Aubert 1994; Khanongnuch et al. 1999).

Hình 8. Ảnh hưởng pH đối với việc sản xuất enzyme mannanase và xylanase

19

Công nghệ enzyme

Nhóm 10

3.3.2.2 Thời gian hoạt động của xylanase và mannanase
Các kết quả được trình bày trong hình 9 cho thấy rằng cả hai enzyme được
sản xuất tối đa vào ngày ủ thứ 5. Hoạt động enzyme tối đa đã đạt được vào cuối
giai đoạn logarithmic và bắt đầu pha tĩnh. Hoạt tính của mannanase bắt đầu
giảm trong giai đoạn tĩnh, có thể là do sự hiện diện của hoạt tính proteolytic.
Nghiên cứu này cho thấy S. galbus NR mang lại các hoạt động enzyme đáng kể
khi được cấy trên các chất nền được chuẩn bị từ các chất thải địa phương (xylan
và mannan) và điều này có thể hữu ích cho việc sản xuất quy mô lớn trong các
quá trình công nghiệp.

Hình 9. Thời gian sản xuất xylanase và mannanase

3.3.2.3 Ảnh hưởng của pH lên hoạt tính của xylanase và
mannanase và độ ổn định
Enzyme xylanase có hoạt động tối ưu ở pH 6,5 (hình 10A). Enzyme ổn định
ở khoảng pH 5,0-8,0 sau khi ủ ở 4 ° C trong 1 giờ. (Hình 10B), hơn 80% hoạt
tính của nó được duy trì trong phạm vi này. Tuy nhiên, sự suy giảm đáng kể hoạt
động được quan sát ở pH 5.0 hoặc 8.5.
Enzyme mannanase cho thấy hoạt tính cao nhất ở pH 6,5 (Hình 10A) và ổn
định từ pH 5,5 đến 7,5 trong 1 giờ ở 4

0

C( Hình 10B), khoảng 90% hoạt động

được duy trì trong phạm vi này. Một sự giảm nhẹ hoạt động được nhận thấy khi

pH lên đến pH 8,5

20


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Hình 10. Ảnh hưởng pH đến hoạt động enzyme mannanse và xylanase

3.3.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt tính của xylanase và
mannanase và độ ổn định
Các enzyme Xylanase và mannanase có hoạt tính tối ưu ở 50 và 40 ° C,( tương
ứng (Hình 11A). Tuy nhiên, cả hai enzyme đều cho hoạt động đáng kể lên đến 60
° C. Sự ổn định của cả hai enzyme đến nhiệt độ được nghiên cứu bằng cách ủ sẵn
trong 30 phút nhiệt độ từ 25 đến 90 ° C (Hình 11B). Cả hai enzyme bảo tồn hầu
hết các hoạt động của chúng ở nhiệt độ lên đến 50 ° C. Tuy nhiên, ủ ở nhiệt độ
cao đã làm bất hoạt cả hai enzyme. Dữ liệu này gợi ý rằng cả hai enzyme này sẽ
có lợi cho các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là trong điều kiện phổ biến để xử
lý bột giấy trong ngành tẩy trắng bột giấy

21


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Hình 11. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối sự ổn định của xylanase và mannanase

3.3.2.5 Ảnh hưởng của cation và EDTA đối với hoạt động của
xylanase và mannanase
Ảnh hưởng của các ion kim loại khác nhau lên hoạt tính của cả hai enzyme được
tóm tắt trong hình 12. Dữ liệu cho thấy các ion cation đơn Na và K có tác động
kích thích nhẹ lên cả hoạt tính của xylanase và mannanase. Cation Mg 2+ và Ca 2+
có ảnh hưởng ức chế nhẹ đối với xylanase nhưng có tác động kích thích nhẹ lên
hoạt tính của mannanase. ion Fe

2+

làm giảm nhẹ hoạt động của cả 2 enzyme.

Các ion Zn 2+, Cu 2+ và Fe 3+ làm giảm đáng kể hoạt tính của xylanase nhưng lại
ức chế mạnh hoạt tính của mannanase. Mn 2+ ức chế hoàn toàn hoạt tính xylanase
trong khi hoạt tính của mannanase bị ức chế khoảng 60%. Cả hai hoạt động của
enzym đều bị ức chế hoàn toàn bởi Hg

2+

và Pb

2+

. Điều này cho thấy rằng hoạt

động của enzim có thể phụ thuộc vào sự hiện diện của một nhóm sulfhydryl.
EDTA ức chế hoạt tính xylanase và mannanase tương ứng khoảng 20-30%. Điều
này có thể là do sự pha trộn các cation cần thiết có trong các lượng vết và là cần
thiết cho hoạt động của enzyme

22


Công nghệ enzyme

Nhóm 10

Hình 12. Hoạt động của enzyme đo tương đối với mức kiểm soát là 100%

3.3.2.6 So sánh việc tẩy trắng của mannanase và xylanase
Bột giấy kraft mềm được tẩy trắng bởi sự kết hợp xylanase và mannanase.
Sự bổ sung xylanase sau khi bổ sung mannanase (hình 13), dẫn đến sự giải phóng
các loại đường giảm, chỉ chiếm 0,49% trọng lượng khô của bột giấy sau 8 giờ.

Hình 13. Hoạt động tẩy trắng của mannase và xylanase

23