بخشی از مقاله
تبديل زيستي ضايعات ليگنوسلولزي به موادي باارزش افزوده با استفاده از آنزيم
چکيده
ليگنوسلولز ساختار اصلي گياهان چوبي و علفي است و يکي از منابع بزرگ مواد آلي برگشت پذير مـي باشـد. ايـن مـاده بـه عنوان پسماند کارخانه هاي توليد کاغذ و تمبر و صنايع تبديل مواد غذايي مي باشد و دفع آن علاوه بر ايجاد هزينـه ، منجـر به مشکلات زيست محيطي نيز مي گردد. اين ضايعات در کشورهاي در حال توسعه براي توليد حـرارت سـوزانده مـي شـوند ولي دانشمندان امروزه دريافته اند که ضايعات ليگنوسلولزي به عنوان منابع با ارزشي براي توليد سوخت هاي زيستي و برخي مواد شيميايي گران قيمت مانند بيواتانول ميباشند. علاوه بر آن مي توان به عنوان منابع ارزان قيمت در تخميـر يـا بهبـود کيفيت غذاي دام و تهيه برخي ريز مغذي هاي غذاي انسان از آن بهره جسـت . در ايـن مقالـه بـه تبـديل زيسـتي ضـايعات ليگنوسلولزي پرداخته شده و انواع آنزيم هاي تجزيه کننده ليگنوسلولز مورد بررسي قرار گرفتـه انـد. دو آنـزيم جديـد کـه بـا عناوين CBM٣٣ و GH٦١ طبقه بندي شده اند معرفي شده و مکانيسم عمل آن ها مورد بحث قرار گرفته اسـت . ايـن دو آنزيم به صورت اکسيداتيو زنجيره پلي ساکاريدي را مي شکنند و باعث ايجاد يک زنجيره نرمـال بـا انتهـاي غيراحياکننـده و يک زنجيره ديگر که معمولا کربن شماره يک آن اکسيد شده است و آلدونيک اسيد نام دارد، مـي شـود و در نتيجـه باعـث افزايش دسترسي آنزيم هاي هيدروليتيکي به سوبسترا مي شود .
کلمات کليدي: ليگنوسلولز، تبديل زيستي، سلولاز، CBM٣٣، GH٦١
١. مقدمه
ليگنوسلولز متشکل از سلولز (٤٠- ٥٠%)، همي سلولز(٢٠- ٤٠%) و ليگنين (٢٠- ٣٠%) مي باشد(٢).ميزان زيادي از ضايعات ليگنوسلولزي طي عمليات کشاورزي، فعاليت کارخانجات توليد کاغذ و تمبر و کارخانجات تبديل مواد غذايي ايجاد مي شود و باعث ايجاد مشکلات زيست محيطي مي گردد. بسياري از اين ضايعات در کشورهاي در حال توسعه به عنوان سوخت سوزانده مي شود (٣). ولي بايد توجه داشت که مقدار قابل توجهي از باقيمانده هاي گياهي که بعنوان ضايعات شناخته مي شوند، قابليت تبديل شدن به مواد با ارزش مانند سوخت هاي زيستي و مواد شيميايي مختلف مانند اتانول را دارند. علاوه بر آن مي توان به عنوان منابع ارزان قيمت در تخمير از آن ها بهره جست . براي بهبود کيفيت خوراک دام و تهيه برخي ريز مغذي هاي غذاي انسان نيز کاربرد دارد(١
بيومس به توده اي از مواد آلي گفته مي شود که از مواد بيولوژيکي به دست آمده باشد. منابع گسترده اي از بيومس در دسترس مي باشد که مي تواند تبديل به بيوپروداکت ها شود (١). گياه کامل ، بخش هايي از گياه مانند دانه ها و ساقه ها، ترکيبات گياهي مانند نشاسته ، ليپيد، پروتئين و فيبر، موادي با منشا دريايي و حيواني و ضايعات برخي کارخانجات مي توانند براي توليد مواد زيستي جديد مورد استفاده قرار گيرند (٤
تبديل بيولوژي ضايعات ليگنوسلولزي مي تواند به توليد مواد شيميايي آلي کمک قابل توجهي نمايد. بيش از ٧٥% مواد شيميايي آلي از پنج ماده شيميايي اصلي شامل اتيلن ، پروپيلن ، بنزن ، تولوئن و گزيلن توليد مي شود (٥). در کشورهاي توسعه يافته از ضايعات ليگنوسلولزي با استفاده از روش -هاي بيولوژي اتانول توليد مي نمايند (١). اتانول يکي از افزودني هاي بنزين است که در بهبود عدد اکتان بنزين نيز نقش مهمي دارد (٤). در امريکا اتانول از تخمير ذرت به دست مي آمده ولي توليد آن به اين روش از لحاظ اقتصادي مقرون بصرفه نيست و حتي در مقايسه با سوخت هاي فسيلي گران تر نيز مي باشد. بنابراين با پيشرفت تکنولوژي، بر توليد اتانول با استفاده از باقيمانده هاي مواد ليگنوسلولزي توجه ويژه اي شده است که از لحاظ اقتصادي بسيار توجيه پذير مي باشد(١).برخي بيوپروداکت ها مانند اسيدهاي آلي، آمينواسيدها، ويتامين ها و برخي پلي ساکاريدهاي باکتريايي و قارچي مانند گزانتان از تخمير گلوکز به دست مي آيد ولي مي توان اين محصولات را از ضايعات ليگنوسلولزي نيز به دست آورد (١). به عنوان مثال مي توان گزيليتول را از همي سلولز به دست آورد. روش هاي تبديل بيولوژي مختلفي براي توليد گزيليتول از همي سلولز با استفتده از
ميکروارگانيسم ها يا آنزيم ها وجود دارد. اين ماده مي تواند جايگزين ساکارز در مواد غذايي شود. علاوه بر آن به دليل داشتن خاصيت ضدميکروبي در فرمولاسيون آدامس ها و خمير دندان ها از گزيليتول استفاده مي شود (٧ .(
ليگنوسلولز
همان طور که قبلا اشاره شد ليگنوسلولز از ليگنين ، سلولز و همي سلولز تشکيل شده است . به دليل اينکه حل شدن ليگنين بدون تخريب آن امکان پذير نيست و نيز به دليل حضور برخي ريز واحدها، تعيين دقيق ساختا شيميايي آن دشوار است (١).
ولي در کل ليگنين حاوي سه الکل آروماتيک شامل کونيفريل الکل ، سيناپيل و کوماريل مي باشد. علاوه بر آن ليگنين علف ها و گياهان دولپه مقدار زيادي فنوليک اسيد و فروليک اسيد دارند که با الکل استريفيه شده اند (١). همي سلولز ماکرومولکولي است که معمولاپلي مري از پنتوز (گزيلوز و آرابينوز)، هگزوز (مانوز) و تعدادي قند اسيدها مي باشد درحاليکه سلولز پلي مر هوموژني از گلوکز است . در بين اين سه ترکيب ليگنين در برابر تجزيه شدن مقاوم ترين است و سپس سلولز به دليل ساختار کريستالي مقاوم تر از همي سلولز مي باشد(١.(
تبديل زيستي مواد ليگنوسلولزي
روش هاي تجزيه قليايي و اسيدي براي تجزيه ليگنوسلولز مورد استفاده قرار گرفته اند. ولي در بسياري از موارد، آنزيم ها به اسيد يا قليا ترجيح داده شده -اند زيرا آن ها بيوکاتاليزورهاي اختصاصي هستند، در شرايط ملايم تري عمل مي کنند، محصولات ناخواسته توليد نمي کنند و به محيط زيست آسيب نمي-رسانند (١). تکنولوژي تبديل زيستي ليگنوسلولز به اتانول و ساير ترکيبات شيميايي در دسترس مي باشد ولي اين تکنولوژي بايد توسعه يابد تا سوخت و بيوپروداکت هاي ارزان قيمت تري توليد گردد. با تمرکز بر ضايعات کشاورزي مي توان هزينه مواد اوليه را تا حد زيادي کاهش داد ولي ساير مراحل فرآيند شامل پيش تيمار جهت بهينه کردن عمليات تبديل زيستي، توليد آنزيم ها و پليمريزه کردن مواد خام پيچيده به نسبت گران قيمت مي باشند. بيوپروداکت هاي توليد شده نيز نيازمند خالص سازي مي باشد
ليگنازها
کپک ها قادر به شکستن ليگنين به صورت هوازي با استفاده از مجموعه اي از آنزيم هاي خارج سلولي هستند که ليگنازها ناميده مي شوند. آنزيم هايي که به طور گسترده در تجزيه آنزيمي ليگنين نقش دارند شامل فنول دي اکسيدها (لاکازها)، پروکسيدازها (ليگنين پروکسيداز) و منگنز پروکسيداز (٩). آنزيم -هاي ديگري که نقش آن ها به طور کامل مشخص نيست مانند آنزيم هاي توليد کننده HO٢٢ شامل گلوکسي اکسيداز، گلکوزاکسيداز، الکل اکسيداز ، متانول - اکسيداز و اکسيدوردوکتاز (٩.( آنزيم هاي شرکت کننده در تجزيه ليگنين بسيار بزرگ تر از آن هستند که بتوانند از ديواره سلولي تغييرناپذير گياهان عبور نمايند. پس حال اين سوال پيش مي آيد که ليگناز چگونه مي تواند بر تجزيه زيستي ليگنين تاثير بگذارد. برخي محققان بر اين باورند که ليگنازها مولکول هاي کوچک و قابل انتشار واکنش پذير را به کار مي گيرند تا باعث تغييرات اوليه در مواد ليگنيني شوند (٨
همي سلولازها
همي سلولز به مجموعه اي از پلي ساکاريها گفته مي شود که در قليا محلول بوده و متصل به سلولز موجود در ديواره سلولي گياهان مي باشد. همي سلولز مي تواند شامل -Dβ– گلوکان ، مواد پکتيکي (پلي گالاکتورانان ها) و هتروپلي ساکاريدهاي مختلف که اغلب از گالاکتوز، مانوز و گزيلوز تشکيل شده اند، باشد (١). همي سلولازها نيز مانند بسياري از آنزيم هاي تجزيه کننده پلي ساکاريدهاي ديواره سلولي گياهي، multi domainپروتئين دارند (٩). اين پروتئين ها از دو بخش کاتاليتيکي و غيرکاتاليتيکي تشکيل شده اند. بخش غيرکاتاليتيکي از کربوهيدرات هاي باند شده به Domain تشکيل شده اند که اين بخش هدف گيري پلي ساکاريد توسط آنزيم را فراهم مي کند و باعث ايجاد پيوندهاي بين Domain مي شود. بر اساس توالي اسيد آمينه يا اسيد نوکلوئيک بخش کاتاليکي، همي سلولاز مي تواند گليکوزيدهيدرولاز باشد يعني باندهاي گليکوزيدي را هيدروليز نمايد يا کربوهيدرات استراز باشد و باندهاي استري استات و فروليک اسيد را هيدروليز نمايد (٩.(
گزيلان فراوان ترين همي سلولز است و گزيلاناز يکي از مهم ترين همي سلولازها است که باند ٤-١ βرا در ساختار گزيلان مي شکند و ايجاد گزيلوليگومر مي کند که با اثر -β گليکوزيداز بر آن واحدهاي گزيلوز به دست مي آيد (١ .(
-βماناز، مانان همي سلولز را به زنجيره هاي کوچک تر ٤-١ βمانوليگومر مي-شکند که سپس در اثر آنزيم -β مانوزيداز واحدهاي مانوز ايجاد مي شود (١). از ساير گزيلانازها مي توان به D-α گلوکورونيداز اشاره کرد که باند ٢-١ αگليکوزيد موجود در زنجيره جانبي گزيلان را هيدروليز مي کند (١). استرازهاي همي سلولزي شامل استيل استراز که استخلاف استيل در گزيلوز و فروليول استراز که پيوند بين آرابينوز و فروليک اسيد را مي شکند. فروليول استراز به جدا شدن همي سلولز از ليگنين کمک مي کند و پلي ساکاريد آزاد ايجاد شده راحت تر توسط ساير همي سلولازها تجزيه مي شود (١٠.(
سلولازها
در اغلب مواد ليگنوسلولزي، سلولز ترکيب غالب مي باشد. سلولز ترکيبي غير محلول با زنجيره خطي از گلوکز با واحدهاي ٤-١ βمي باشد . سلولز مشکل از بخش هاي کريستالي و آمورف است و ساختاري بسيار منسجم و پايدار، به ويژه بخش کريستالي آن ، در برابر هيدروليز آنزيمي دارد. سلولازها متشکل از مجموعه اي از پروتئين هاي آنزيمي هستند که هر کدام به طور اختصاصي باندهاي ليکوزيدي را هيدروليز مي کنند (١). سلولازها بر
