Biofehérítés

A biofehérítés célja a cellulóz alapú szálasanyagok színes kísérőanyagainak a degra-dációja és/vagy eltávolítása enzimkatalizált reakciókkal. Főként a xilanázok, valamint a lignin degradációját katalizáló oxidatív enzimek hatását vizsgálták⁷⁵.

Az endo-1,4--D-xilanázok véletlenszerűen hasítják a xilánban lévő -1,4-kötéseket, a keletkező xilo-oligoszacharidokat pedig a -xilozidázok hidrolizálják D-xilózzá. További enzi-mek (pl. -L-arabino-furanozidázok, -glükuronidázok) az oldalláncok lehasításában és az acetil-csoportok hidrolízisében (acetil-xilán-észteráz) vesznek részt. Számos gomba (pl.

Trichoderma harzianum) és baktérium (pl. Bacillus subtilis) képes a xilanázok termelésére. A gomba eredetű xilanázok általában savas vagy semleges közegben működnek. A bakteriális xilanázok között vannak savas és lúgos közegben eredményes és hőstabil enzimfajták is¹⁰⁵.

A xilanáz enzimes kezelés indirekt fehérítési módszer, mivel a xilanáz nem hat a szí-nért felelős ligninre, de a lignin-tartalom csökkenését eredményezi. Hőstabil, lúgos közeg-ben aktív és celluláz-mentes xilanáz enzimeket – főként endo-xilanázokat – alkalmaznak a folyamatban¹. Egyik lehetséges mechanizmus szerint a xilanáz a ligninhez kémiailag kötődő

xilán hidrolízisét katalizálja a lignin-szénhidrát komplexben. A xilánok hidrolízise révén mó-dosul a szubsztrátum szerkezete és nő a hozzáférhetősége az enzimes kezelést követő kémi-ai kezelések (pl. fehérítés) vegyszereivel szemben. Ennek révén a lignin eltávolítása eredmé-nyesebbé válik és javul a világosság (15. ábra)¹. Jelentős fehérség/világosság javulást értek el juta-¹⁰⁶ és pamutszövet¹⁰⁷ xilanázos kezelésével. A papíriparban a xilanáz enzimes kezelés, mint előfehérítés alkalmazásával a vegyszerfelhasználás az azt követő kémiai fehérítés során kb. 10-20 %-kal csökkenthető¹⁰⁸.

15. ábra. A xilanáz enzimmel végzett biofehérítés egy lehetséges mechanizmusa¹ Az Aspergillus versicolor által termelt endo-xilanáz aktivitása EDTA jelenlétében közel a felére csökkent, mivel a működéséhez kalcium-ion szükséges¹⁰⁹. Az enzimaktivitást azon-ban nem befolyásolta az EDTA adagolása akkor, amikor a kötőhely tartalmazott kalciu-mot¹¹⁰. A celluláz kísérőenzimtől mentes, hőstabil alkálikus xilanázokat elsősorban a papír-iparban használják előfehérítésére¹⁰⁸. Az utóbbi időben egyre több publikációban említik a xilanázok textilipari alkalmazását¹⁰⁶.

Az enzimes lignindegradáció ígéretes biofehérítési technológia, de még nincs ipari al-kalmazása. Elterjedésének legfontosabb akadálya az enzimek magas ára. Főként a mangán-peroxidázzal és a lakkázzal végzett kísérletek eredményesek, de a lignin-tartalom csökkenés nem mindig párosul a világosság növekedésével. Az enzimes folyamatot követő kémiai fehé-rítési lépésben viszont minden esetben javul a világosság és további jelentős lignin-tartalom csökkenés is bekövetkezik. Az enzimes kezelés során a ligninben kialakuló reaktív csoportok (pl. α-karbonil-csoport) ugyanis a hidrogén-peroxiddal könnyen reakcióba vihetők, és ezáltal fokozódik a lignin fragmentációja és eltávolítása¹.

A ligninben lévő fenil-propán egységeket összekapcsoló szén-szén és éter-kötések bontása redox-reakciókkal lehetséges. Feltételezhető, hogy a lignin enzimes degradációja redox mediátorok segítségével zajlik, amelyek molekulamérete megfelelően kicsi ahhoz, hogy a pórusokon keresztül elérjék a sejtfal lignifikált régióit és ott katalizálják az aromás gyűrű oxidációját. A hatékony ligninbontó enzimeket a fehérkorhadást okozó gombák (pl. Phanerochaete chrysosporium) termelik¹¹¹. A lignindegradációt katalizáló oxidatív enzi-mek fontos képviselői a lignin-peroxidázok (LiP) és a mangán-peroxidázok (MnP). A LiP a ligninben nagy mennyiségben jelenlévő nem-fenolos egységeket is képes degradálni, míg a

MnP kizárólag a lignin fenolos egységeit támadja. A reakcióban keletkező instabil aromás kation-gyök bomlik, és az aromás gyűrűhöz kapcsolódó csoportok (Cα–C and C4–éter) deg-radációja révén aromás aldehidek (pl. vanillin) keletkeznek (16. ábra)¹¹². A Ph.

chrysosporium képes az enzimek katalitikus ciklusához szükséges hidrogén-peroxidot biztosí-tó glioxál-oxidáz enzim termelésére is¹¹³.

16. ábra. A lignin enzimes degradációjának egyszerűsített vázlata¹¹²

A lakkáz (Lac) enzim a lignin polimerizációjában és depolimerizációjában is részt vesz¹¹⁴. Önmagában csak a fenolos lignin egységeket képes oxidálni, redox mediátorok al-kalmazásával azonban már a nem-fenolos lignint is. Bebizonyították, hogy lignin degradációs termékek, mint természetes lakkáz mediátorok működhetnek a biodegradációs folyamat-ban. A legtöbb izolált és jellemzett lakkáz gomba eredetű. Hosszú ideig a LiP-t, ma inkább a lakkázt tekintik a lignin biodegradációjában legfontosabb enzimnek. A lakkáz működéséhez ugyanis csupán oxigénre van szükség, míg a peroxidázokhoz hidrogén-peroxidra. Legered-ményesebb a delignifikáció a három enzim együttes alkalmazásával. Feltételezik, hogy a lig-nin degradáció kezdeti szakaszában a lakkázok hatnak, és amikor már vannak peroxid bom-lástermékek a rendszerben, akkor megkezdik működésüket a peroxidázok¹¹⁴. Természetes környezetben a lignindegradáló gombák lignocellulóz szubsztráton nőnek, és mindig termel-nek hemicelluláz és celluláz enzimeket is¹¹⁶.

A lignin enzimes degradációja a bioelőkészítés és biofehérítés során is fontos, hiszen a végső cél az, hogy a cellulóz alapú szálasanyagok tisztító műveleteinek valamennyi részfo-lyamata biotechnológiai úton legyen megvalósítható. Főzött lenszövet lakkáz enzimes biofehérítése során a fehérség javulása és a lignin-tartalom csökkenése kismértékben elma-radt a hidrogén-peroxidos fehérítés során mért változástól²¹⁰. Lakkáz enzimes kezelés, mint előfehérítés után kisebb hidrogén-peroxid koncentrációval érték el a kontroll (vegyszeresen fehérített) minta világosság értékét, és a szövet szakítószilárdsága is kedvezőbb volt⁹⁹. A xilanázos és lakkázos előfehérítést egymás után alkalmazva javultak a rost tulajdonságok és jelentős volt a kémiai fehérítés során a vegyszer megtakarítás¹¹⁷.