ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, nhận thức ngày càng tăng về ô nhiễm môi trƣờng do hoạt động hóa học trong nhiều ngành công nghiệp đã mở đƣờng cho việc sử dụng các phƣơng tiện tiết kiệm năng lƣợng hơn, hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trƣờng hơn, chẳng hạn nhƣ enzyme. Enzyme nói chung và enzyme xylanase nói riêng đã thu hút đƣợc sự quan tâm nghiên cứu đáng kể vì tiềm năng của chúng trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau. Trong thực tế, enzyme xylanase không thể tự tổng hợp từ động vật và thực vật mà chủ yếu dựa vào ngu n vi sinh vật, đặc biệt quan trọng là các nhóm vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm. Việc kết hợp nhiều phƣơng pháp khác nhau sẽ giúp đẩy nhanh hơn nữa việc nghiên cứu và hiểu biết về xylanase từ vi sinh vật, để có đƣợc loại enzyme hiệu quả đáp ứng nhu cầu bảo vệ môi trƣờng.
Sự hiểu biết sâu sắc về sinh học và hóa sinh của xylanase vi sinh vật sẽ mang lại hiệu quả cao cho mục đích công nghiệp. Hiện nay, ở nƣớc ta các doanh nghiệp sản xuất giấy với khối lƣợng rất lớn. Theo số liệu công bố của Tổng công ty Giấy Việt nam, năm 2016 nƣớc ta đã sản xuất 104.300 tấn giấy các loại, trong đó nhà máy giấy Bãi Bằng sản xuất 93. Ngoài ra, nhà máy giấy Bãi Bằng còn xuất khẩu dăm mảnh đạt 66.
Để sản xuất bột giấy với lƣợng lớn trên các nguyên liệu chính đƣợc sử dụng là gỗ cứng g m bạch đàn, keo tai tƣợng và keo lai, trong đó tỷ lệ gỗ keo chiếm 70%, còn gỗ bạch đàn chiếm 30%. Tỷ lệ này đang có xu hƣớng thay đổi tăng lƣợng gỗ keo và giảm lƣợng gỗ bạch đàn. Trong quá trình sản xuất giấy, bột giấy, dăm mảnh từ gỗ trục phải trải qua công đoạn bóc vỏ. Công đoạn bóc vỏ hiện này sử dụng chủ yếu là máy.
Tuy nhiên, do không đƣợc bóc một cách triệt để đã dẫn đến có một lƣợng nhỏ vỏ cây lẫn vào sản phẩm, làm tiêu tốn hơn về hóa chất và năng lƣợng. Từ đó, làm tăng thêm hóa chất và thời gian, ảnh hƣởng không nhỏ đến chất lƣợng và giá thành sản phẩm, đ ng thời làm ô nhiễm môi trƣờng. Gỗ đƣợc tạo thành từ các nguyên tố cơ bản nhƣ: C, H, O, N, ngoài ra gỗ còn chứa một lƣợng nhỏ các nguyên tố khoáng chất. Các hợp chất hóa học cấu tạo nên vách tế bào gỗ có thể đƣợc phân làm hai nhóm: Thành phần chủ yếu và thành phần thứ yếu.
Thành phần chủ yếu bao g m cellulose, hemicellulose và lignin; các thành phần thứ yếu bao g m nhựa cây, tannin, tinh dầu, sắc tố, khoáng chất, pectin, protein, hợp chất vô cơ… [11]. 1 Về mặt công nghệ, bóc vỏ gỗ không triệt để gây ảnh hƣởng đến một loạt yếu tố của quá trình vận hành và chất lƣợng bột giấy, nhƣ tăng tiêu hao kiềm khi nấu bột giấy, tăng độ bụi, giảm độ bền cơ học của bột giấy và giấy, kết bám bề mặt thiết bị, lƣới xeo,. Để giải quyết vấn đề trên, ứng dụng các chế phẩm enzyme vào trong quá trình bóc vỏ gỗ là giải pháp kỹ thuật tiên tiến và hiệu quả, các enzyme đã làm yếu liên kết giữa vỏ cây và lớp cabium trong công đoạn bóc vỏ gỗ trục trƣớc khi sản xuất bột giấy, giúp tiết kiệm tiêu thụ năng lƣợng và giảm thất thoát gỗ. Xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn cấp thiết, chúng tôi nghiên cứu tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu tuyển chọn một số chủng xạ khuẩn và nấm có hoạt tính xylanase cao ứng dụng vào quy trình bóc vỏ gỗ keo trong sản xuất dăm mảnh”.
Mục tiêu nghiên cứu - Tuyển chọn, phân loại đƣợc các chủng xạ khuẩn và nấm mốc có khả năng sinh xylanase cao phù hợp với điều kiện sản xuất. - Xác định một số yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng sinh xylanase của các chủng nghiên cứu. - Ứng dụng chủng nghiên cứu vào bóc vỏ gỗ keo trong sản xuất dăm mảnh. Nội dung nghiên cứu - Phân lập và tuyển chọn, phân loại các chủng xạ khuẩn và nấm mốc sinh xylanase phù hợp với điều kiện sản xuất từ các mẫu vỏ cây keo.
- Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng sinh xylanase của chủng tuyển chọn. - Bƣớc đầu đánh giá hiệu quả của enzyme xylanase thu đƣợc từ chủng nghiên cứu vào bóc vỏ gỗ keo 2 CHƢƠNG 1. Xylan Xylan là thành phần cấu trúc chính của thành tế bào thực vật và sau cellulose là loại polysacarit tái tạo d i dào thứ hai trong tự nhiên [16]. Nó là hemicellulose chính trong gỗ cứng từ thực vật hạt kín và ít có trong gỗ mềm từ thực vật hạt trần, chiếm khoảng 15 ÷ 30% và 7 ÷ 12% tổng trọng lƣợng khô của chúng [48].
Trong các mô gỗ, xylan nằm chủ yếu ở thành tế bào thứ cấp, nơi cùng với lignin, nó tạo thành một ma trận vô định hình và gắn các vi sợi cellulose. Xylan tƣơng tác với lignin và cellulose thông qua các liên kết cộng hóa trị và không cộng hóa trị, những tƣơng tác này có tầm quan trọng trong việc bảo vệ các vi sợi cellulose chống lại sự phân hủy sinh học và duy trì tính toàn vẹn cấu trúc của thành tế bào. Sự có mặt của xylan trong tế bào thực vật Về mặt cấu trúc, xylan là một chất đ ng nhất của các gốc D-xylopyranose trong các liên kết β (1→4) với mức độ trùng hợp nằm trong khoảng từ 150 đến 200. Đoạn mạch này đƣợc thay thế bằng một số loại đƣờng và axit hữu cơ, chẳng hạn nhƣ arabinose, axit glucuronic, ferulic.
Xylan đƣợc phân loại rộng rãi thành bốn nhóm chính dựa trên các nhóm thế của nó, viz., homoxylan, arabinoxylan, glucuronoxylan và glucuronoarabinoxylan. Homoxylan chỉ chứa dƣ lƣợng xyloza và có thể là tuyến tính hoặc phân nhánh [43]. Arabinoxylans bao g m chuỗi chính (1→4)-β-xylan, nhƣng đƣợc thay thế bằng gốc α-arabinosyl. Các gốc D-xylopyranosyl đƣợc liên kết với β-(1→4) đƣợc thay thế bằng một axit 4- O - methyl- D -glucuronic đƣợc liên kết với α-(1→2) trong trƣờng hợp glucuronoxylan; trong khi ở glucuronoarabinoxylans, đoạn mạch tƣơng tự đƣợc liên 3 kết với arabinofuranose và axit uronic [20].
Chuỗi bên xác định độ hòa tan, cấu trúc vật lý và khả năng phản ứng của phân tử xylan với các thành phần hemicellulose khác, do đó, ảnh hƣởng lớn đến phƣơng thức và mức độ phân cắt enzyme. Đặc điểm sinh học lớp vỏ cây keo Cây keo là loại cây có tên khoa học là Acacia, thuộc chi Keo họ đậu (Fabaceae), xuất xứ từ đại lục cổ Gondwana. Cây gỗ keo đƣợc tr ng ở nhiều vùng trên thế giới nên đƣợc phân ra thành các loại khác nhau. Cụ thể nhƣ: wattle (loại cây gỗ keo vùng Úc), acacia (loại cây gỗ keo vùng châu Phi, châu Mỹ).
Ở Việt Nam, cây keo đƣợc du nhập từ lâu, đƣợc tr ng và ứng dụng nhiều trong đời sống: lấy gỗ, sản xuất tannin… và chống xói mòn ở nhiều vùng khác nhau. Nhiều loại nghiên cứu đã đƣợc thực hiện để khám phá tiềm năng của việc sử dụng vỏ cây trong việc thiết kế các sản phẩm mới. Ngoài ra, việc sử dụng vỏ cây cũng mang lại lợi ích về môi trƣờng, kỹ thuật, xã hội và kinh tế. Vỏ cây có thành phần hóa học phức tạp, do đó có nhiều lợi ích từ giải phẫu, sinh lý, hóa học, tính chất cơ lý, cách sử dụng và bóc vỏ.
Có nhiều tài liệu về việc sử dụng vỏ cây nhƣng chỉ sử dụng tƣơng đối ít về mặt kinh tế do tính phức tạp và sự khác biệt lớn giữa vỏ của các loài khác nhau. Vỏ của hầu hết các cây keo đều giàu tannin, đƣợc sử dụng trong thuộc da, thuốc nhuộm, mực, dƣợc phẩm và các sản phẩm khác. Một số cây keo Úc là ngu n cung cấp tannin có giá trị, trong số đó có keo vàng (A. pycnantha), keo xanh (A.
decurrens) và keo bạc. Vỏ cây chiếm 10% ÷ 25% trọng lƣợng thân cây khô và lên tới 25% thể tích thân cây, tùy thuộc vào loài cây, độ tuổi và thổ nhƣỡng. Sau khi cây đổ, vỏ cây thƣờng bƣớc vào quá trình phân hủy trong khi vẫn còn dính vào gỗ. Vỏ cây còn dính bao lâu tùy thuộc vào loài cây, độ phân hủy thời gian và điều kiện môi trƣờng [41].
Vỏ cây là lớp ngoài cùng của thân cây, bảo vệ cây khỏi các điều kiện môi trƣờng bất lợi bao g m thời tiết, sâu, bệnh hại. Lớp vỏ bên ngoài đƣợc làm mới liên tục từ bên trong, giúp giữ ẩm khi trời mƣa, giúp cây không bị mất độ ẩm khi không khí khô. Vỏ bên trong (phloem) nơi dự trữ chất dinh dƣỡng và có chức năng dẫn các chất dinh dƣỡng từ lá cây xuống gốc theo thân cây để sinh trƣởng và phát triển. Nó chỉ sống đƣợc một thời gian ngắn r i chết đi và chuyển sang dạng bần để trở thành một phần của lớp vỏ bảo vệ bên ngoài.
Vỏ cây có lớp ngoài và lớp trong (phloem) tạo thành hai trong số năm lớp thân cây. Ở nƣớc ta, gỗ cây lá rộng (chủ yếu là keo và bạch đàn) đƣợc sử dụng nhiều làm nguyên liệu sản xuất giấy, cây thƣờng có độ tuổi 4 ÷ 6 năm, đƣờng 4 kính thân cây tầm 1,3 m, trung bình 20 ÷ 30 cm. Tùy điều kiện địa lý và khí hậu khác nhau, cây nguyên liệu vùng nhiệt đới thƣờng không đ ng đều về kích thƣớc, có sự chênh lệch khá lớn về đƣờng kính giữa phần gốc và phần ngọn, do cây phát triển nhanh. Trong thành phần vỏ cây, ngoài thành phần pectin còn có thành phần hemicellulose chiếm một lƣợng khá lớn.
Hemicellulose là hỗn hợp của một số loại polysacarit phổ biến, đứng thứ hai trong gỗ cứng và thực vật chiếm 20 ÷ 30%. Trong cấu trúc của hemicellulose, các đơn vị đƣờng liên kết với hemicellulose theo những cách khác nhau chủ yếu tạo thành xylan, mannans, glucomannans, và xyloglucans. Ngoài ra, các chuỗi polyme của hemicellulose có các nhánh ngắn và vô định hình. Do hình thái vô định hình, các hemicellulose có thể hòa tan một phần hoặc hòa tan trong nƣớc.
Cấu trúc chính của chuỗi hemicellulose có thể là homopolyme (thƣờng bao g m đơn vị lặp lại đƣờng đơn) hoặc dị trùng hợp (hỗn hợp của các loại đƣờng khác nhau). Hemicellulose trong gỗ mềm khác với cấu trúc trong gỗ cứng. Hemicellulose đƣợc chiết xuất từ các ngu n thực vật và vị trí thực vật khác nhau có cấu trúc và phân tử khác nhau [22, 36]. Hemicelluloses trong vách thứ cấp của tế bào gỗ cứng chủ yếu là glucuronoxylan hoặc 4-O-methyl- glucuronoxylan với một số nhóm acetyl; trong khi đó hemicellulose của tế bào gỗ mềm chủ yếu là mannan, galactose, glucose hoặc O-ethyl-galactose, glucose, mannan [25].