Vpliv metod predobdelave na sinergizem celulaze in ksilanaze pri hidrolizi bagase

Uvod

Lignocelulozne surovine so odpadni material v kmetijstvu in lesni industriji. Lahko se jih uporablja kot vir energije za proizvodnjo biogoriv, vendar je treba celulozo najprej sprostiti s kompleksov s hemicelulozo (ksilan) in ligninom. Povezanost polisaharidov in lignina v celičnih stenah predstavlja namreč problem pri encimski razgradnji rastlinske biomase, ker onemogoča dober dostop celulaz do celuloznih vlaken in zmanjša hidrolizo. Pri predelavi biomase je tako prva stopnja predobdelava s kislinami, bazami, vodikovim peroksidom ali s povišano temperaturo in tlakom.

Izhodišča in cilji raziskave

Bagasa je odpadni lignocelulozni material, ki nastane pri predelavi sladkornega trsa. Je primeren za proizvodnjo biogoriv, npr. bioetanola, ker ima visoko vsebnost polisaharidov in je dober substrat za encimsko razgradnjo. Bagaso v ta namen predobdelajo in nato encimsko razgradijo do reducirajočih sladkorjev (glukoza, ksiloza, celobioza itd.) in dalje fermentirajo in destilirajo. Celulozo razgrajujejo s glukanazami (celulazami), dodajo pa še pomožne encime, predvsem ksilanaze, ki razgrajujejo hemicelulozo. Na ta način postane celuloza bolj dostopna za razgradnjo s celulazami, hkrati pa pridobijo več sladkorjev. Celulaze in ksilanaze imajo pri hidrolizi sinergistični učinek, ki pa je odvisen od načina predobdelave biomase. Lili Jia in sodelavci (Bioresource Technology, 2015 [1]) so raziskali dva načina predobdelave bagase, in sicer s perocetno kislino (PAA) ter ionsko tekočino z 1-etil-3-metilimidazolijevim acetatom (EmimOAc). Preučili so vpliv teh dveh načinov predobdelave bagase na učinkovitost encimov in njihov sinergistični učinek. Sistematično so preučili encime endoglukanazo, Cel6A (GH6, s CBM, domeno za vezavo ogljikovih hidratov) iz Thermobifida fusca, in dve endoksilanazi, XynZ-C (GH10, brez CBM) iz Clostridium thermocellum in Xyn11A (GH11, z XBM, notranjo domeno za vezavo celuloze/ksilana) iz Thermobifida fusca.

Potek dela

Bagaso z delci do 200 μm so predobdelali s PAA in EmimOAc ter izmerili vsebnost sladkorjev s HPLC, vsebnost preostalega lignina so določili z merjenjem absorbance pri 240 nm, s SEM (vrstična elektronska mikroskopija) pa so opazovali spremembe površine bagase. Rentgensko difrakcijo so uporabili za merjenje razmerja med kristalinično in amorfno obliko celuloze (Manjša vsebnost celuloze v kristalinični obliki pomeni lažjo hidrolizo z encimi). Sledila je encimska hidroliza pri čemer so uporabili kombinacije encimov s koncentracijo 2 mg encimov na g biomase. 100μl vzorce so analizirali po 0, 3, 6, 12, 24, 48 in 72 urah.

Sinergizem encimov so izračunali po formuli: DS = Y(1+2) / (αY1 + βY2) oziroma DS = Y(1+2 + 3) / (αY1 + βY2 + γY3)

α, β in γ so deleži encimov, Y1, Y2, Y3, Y(1+2), Y(1+2 + 3) pomenijo pretvorbo glukana oz. ksilana z določenim encimov ali kombinacijo encimov. Nivo sinerizma (DS) večji od 1 pomeni sinergistični učinek encimov.

Rezultati

Različna načina predobdelave vplivata na spremembe v sestavi bagase. Bagasa, predobdelana z EmimOAc vsebuje več hemiceluloze, zlasti arabinoze; bagasa, predhodno obdelana s PAA, pa vsebuje večji delež celuloze v kristalinični obliki. Predobdelava z EmimOAc odstrani več lignina kot predobdelava s PAA. Predobdelava vpliva tudi na strukturo bagase, po obdelavi s PAA se je površina bagase občutno povečala.

Ugotovili so, da je sinergistični učinek encimov odvisen od vsebnosti hemiceluloze, zlasti arabinana, in kristaliničnost celuloze v bagasi. Največji sinergizem encimov pri pretvorbi glukana (nad 3,4) so opazili pri bagasi, ki so jo predhodno obdelali s PAA in je vsebovala nizke ravni arabinana. Največji sinergizem pri pretvorbi ksilana (nad 1,9) so opazili pri bagasi, ki so jo predhodno obdelali z EmimOAc in je vsebovala manj kristalizirane celuloze. Pokazali so, da je za sinergizem pomembna tudi molekularna struktura encimov, saj je kombinacija encimov Cel6A in Xyn11A (brez CBM) privedla do višjega sinergizma pri pretvorbi glukana kot kombinacija encimov Cel6A in XynZ-C. Prisotnost CBM regije v encimu je pomembna za pretvorbo ksilana, ker izboljša interakcijo encima s substratom.

Zaključek

Bagasa predstavlja potencialno dober vir za proizvodnjo bioetanola z encimsko razgradnjo. Zaenkrat se jo kot vir energije bolj izkorišča z zažiganjem za proizvajanje toplote in elektrike, uporablja se jo tudi v proizvodnji papirja in kartona.