آنزیمهای سلولاز بخش نخست

آنزیمهای سلولاز بخش نخست

آنزیمهای سلولاز بخش نخست

 سلولاز ها آنزیمهای هیدرولیز کننده پلی D-β(۱-۴) گلوکز هستند.

 سلولازها کاتالیست های پروتئینی کلوئیدی با وزن مولکولی بالا هستند که دستخوش تغییر شده و از موادی چون Tricoderma Viride , Fusarium Solani , Tricoderma , Aspergillus Niger ,  و … به دست می آیند.

پیوندهای β ۶-۱  بین واحدهای تکرار شونده مجاور در زنجیر پلیمری سلولز مکان هایی هستند که نسبت به هیدرولیز کاتالیزوری به وسیله سلولاز آسیب پذیرند .

 سلولز با یک آنزیم تنها هیدرولیز نمی شود اما به کمک مجموعه فعالیتهای آنزیمی که با نظم خاص عمل می کنند هیدرولیز می شود تجزیه سلولز در طبیعت به آهستگی انجام می پذیرد زیرا معدودی از میکروارگانسیم ها سلولاز تولید می کنند که قادر به تجزیه و کامل سلولز و تولید گلوکز است. ساختار بلورین سلولز حمله  آنزیمی را مشکل می کند ولی قسمت بی شکل خیلی سریع تجزیه می شود. در ضمن همراه بودن سلولز با همی سلولز ، لیگنین و گاهی پکتین باعث می شود که حمله آنزیمی سلولاز به سلولز کندتر شود .

پکتین به همی سلولز ، سلولز و نیز پروتئین ها متصل گردیده است به علاوه پکتین با یونهای فلزات قلیایی  خاکی و فلزات سنگین نظیر کلسیم یا آهن ترکیبات نامحلول در آب تشکیل می دهند. کمپلکس حاوی پکتین شبیه یک شبکه توری روی پنبه قرار گرفته و از پاک شدن چربی و واکس موجود در ساختمان پنبه جلوگیری می کند. شناخت ترکیبات مختلف پکتین برای انتخاب آنزیم مناسب و تبعاً بالا بردن راندمان عملکرد آنزیم قطعاً ضروری می باشد.

آنزیمهای سلولاز تهیه شده از منابع مختلف دارای خواص مولکولی متفاوت از جمله وزن مولکولی ، ترکیب آمینو اسیدها و ترتیب قرار گرفتن آنها ؛ نقطه ایزوالکتریک و محتوای کربوهیدارت اند .نسبت اجزای سلولاز ها به منبع و محیط کشت بستگی دارد.

ساختمان مولکولی آنزیمها مشابه پروتئین ها بوده و از نوع اول ، دوم ، سوم وچهارم می باشد و در مقابل درجه حرارت، تشعشعات یونی ، نور ، اسیدها ، قلیایی ها ، و فاکتورهای موثر بیولوژیکی بسیار حساس است وتخریب می گردد .

بر اساس مطالعات انجام گرفته انواع مختلفی از آنزیمها  در سیستمهای سلولازی وجود دارد که بر حسب نوع عملکرد تقسیم بندی می شوند و مهمترین آنها عبارتند از :

  • اندوسلولاز ها EGS)(Endo β-۱,۴,Glucanase)) (C.3.2.1.4) که در هر محل شکستن تولید باقیمانده ای با گروه انتهایی و باقیمانده دیگری بدون گروه انتهایی می کنند .
  • سلوبیوهیدرولازها Exo β-۱,۴Glucanase)) CBH)) C.3.2.1.91)) که واحدهای سلوبیوز را از انتهای زنجیر بصورت مرحله ای تولید می کند .
  • بتاگلوکوزیدازها یا سلوبیازها C.3.2.1.2)) که هیدرولیز سلوبیوز به گلوکز را بعهده دارند ممکن است یک گونه قارچی مجموعه این فعالیت های آنزیمی را به دست دهد .

اندوسلولاز ها پیوندهای داخلی سلولاز را به طور تصادفی هیدرولیز می کنند و دو زنجیر کوتاهتر با سرهای آزاد می دهند که زمینه را برای عمل آنزیمهای سلوبیوهیدرولاز فراهم میکند . این آنزیمها ابتدا نواحی بی شکل  را هیدرولیز می‌کنند و سپس به قسمت نواحی بلوری با فعالیت کم هیدرولیتی پیش می روند. سیستمهای سلولازی کامل که باعث تخریب سلولز می شوند اندوسلولازهایی دارند که قویا روی سطح سلولز جذب می شوند و می توانند سلولز بلوری را نیز تخریب کنند .

 سلوبیوهیدرولازها اگزوگلوکانازهایی اند که واحدهای سلوبیوز را از انتهای غیر احیایی سلولز هیدرولیز کرده و یک واحد سلوبیوز را از یکی دو سر زنجیر سلولزی جدا می کنند .مطالعات انجام شده به وسیله میکروسکوپ الکترونی نشان می دهد که دونوع CBH(I,II) وجود دارند که یکی از آنها روی انتهای زنجیر عمل کرده در حالی که دیگری به سطح بلوری حمله می کند این آنزیمها روی سلودکسترینها وسلولز بلوری اثر می کنند اما بر سلوبیوز یا کربوکسی متیل سلولز ( CMC) بی اثرند . بتاگلوکوزیدازها زنجیرهای الیگوساکاریدی کوتاه که از سلولز مشتق شده اند و همین طور سلوبیوز را هیدرولیز می کنندکه در این صورت  موکوزیدازها زنجیرهای الیگوساکار بدن کوتاه ز بلوری اثر می کنند اما بر سلوبیوز یا کربوکسی متیل سلولز ( نجیر سلولزمونومرهای گلوکز تولید می شود و نمی توانند سلودکسترینهای با زنجیره بلند را هیدرولیز کنند. در حین عملیات آنزیمی مقدار سلوبیوز افزایش می یابد وباعث می شود که سلوبیوزها در فرآیند عمل آنزیمی به عنوان بازدارنده عمل کنند اما از طرفی بتاگلوکوزیدازها در این فرآیند از کند شدن فعالیت آنزیمی جلوگیری می کنند .

اولین مرحله  تخریب سلولز روی نواحی بی نظم صورت می گیرد و سرانجام به تخریب نواحی بلوری نیز منجر می گردد شکل ۲-۲ نحوه عمل آنزیم های سلولاز در تخریب سلولز را نشان می دهد .

 

شکل- تخریب سلولز با آنزیمهای سلولاز که CX, C1  به ترتیب فعالیت آنزیمهای اگزوسولاز و اندوسولاز است
شکل- تخریب سلولز با آنزیمهای سلولاز که CX, C1  به ترتیب فعالیت آنزیمهای اگزوسولاز و اندوسولاز است

 رطوبت موجود ، اندازه و خصوصیات نفوذ پذیری مولکولهای سلولز و درجه تبلور آن ابعاد سلول واحد ، ساختار فضایی و ممانعت فضایی واحدهای گلوکز و درجه پلیمریزاسیون  از جمله عواملی هستند که برفعالیت سلولازها اثر می گذارند.

بنابراین فعالیت سلولازها روی سلولز نامحلول به عملیات قبلی که روی آن انجام شده است بستگی زیادی دارد. چنین عملیاتی شامل گرما دادن ، اکسید شدن قلیایی و تخریب مکانیکی است.

کاواکوپائولو در تحقیقاتی که روی فعالیت های سلولولیتیکی سلولاز و اندوگلوکاناز خالص بررسی نمود دریافت که فعالیت اگزو (Exo activity) سلولاز کامل ( سلولاز کامل شامل مخلوطی از سه آنزیم گفته شده است ) توسط حرکات مکانیکی زیاد،کاهش می یابد بنابراین برتری جذب اندوگلوکاناز بر خلاف اگزوگلوکاناز در میزان حرکات مکانیکی زیاد بیان شد . انتخاب PH  ، دما ،L:R ، نوع تجهیزات سطح حرکتی و شرایط توزیع مواد مناسب ما را به نتایج مطلوب در فرآیند با آنزیم خواهدرساند.

سلولاز  ها معمولاً بر اساس محدوده PH حداکثر فعالیت خود طبقه بندی می شوند در این دسته بندی سلولازهایی که در نساجی کاربرد دارند به سه دسته تقسیم بندی می شوند :

  • پایدار در محیط اسیدی
  • پایدار در محیط خنثی
  • پایدار در محیط قلیایی

آنزیمهای پایدار در محیط خنثی در ۵/۷-۶ =PH بهترین فعالیت را دارند ودمای بهینه فعالیت آنها ۵۰°C  است.

آنزیمهای اسیدی در ۵/۵-۵/۴=PH و دمای ۵۰°C بهترین فعالیت را نشان میدهند این دو نوع سلولاز در نساجی مفیدند و سلولازهای مقاوم در محیط قلیایی در شوینده های خانگی قابل استفاده اند تا به لکه گیری در شستشو کمک کرده ، پس از چند بار شستشو باعث نرمی وبهبود سطحی پوشاک می شود .

اکثر آنزیمهای سلولازی از یک پروتئین مرکزی تشکیل شده اند که موضع کاتالیزوری است در این قسمت بخش انعطاف پذیر غنی از آمینو اسیدهای سرین ، پرولین و تره ئونین وجود دارد که قسمت پیوند نامیده می شود و به موضع اتصال به سوبسترا متصل شده است .

موضع اتصال CBD  دارای یک گروه COOHیا –NH۲   است و قسمت اساسی آنزیم برای حمله به سلولز بلوری است .

برای شناخت مکانیسم حمله آنزیمی به سلولز و صنعتی کردن آن بررسی تأثیر خصوصیات ساختار مواد بر سرعت هیدرولیز آنزیمی لازم است خصوصیاتی که اثرشان بر هیدرولیز مطالعه می شود عبارتند از :

  • درجه تبلور در آب
  • بلورینگی
  • آرایش مولکولی
  • مقدار مواد همراه سلولز مانند لیگنین و همی سلولز
  • ساختار لوله مویین الیاف و سطوح قابل دسترس
  • درجه پلیمر شدن
  • پیوندهای گلوکوزیدی در دسترس

بحث درباره مکانیسم تجزیه سلولاز روی پنبه همچنان با ارائه نظریه های متفاوت ادامه دارد اما روشن است که با حمله اندوسلولازها صورت می گیرد و کمپلکس تشکیل می‌شود. جذب تحت تأثیر خواص شیمیایی و فیزیکی سوبسترا ، ترکیب اجزای سلولاز و عوامل واکنش مانند دما و PH است .گفته می شود که جذب بهتر باعث فعالیت کاتالیزوری بیشتر می شود بعد از شکستن یک واحد گلوکز ، مولکول آنزیم به موضع دیگر حمله می کند یا از همان جا به تجزیه ادامه می دهد .اینکه آنزیم به موضع دیگری می رود یا نه ، وابسته به ماهیت سلولاز یا حتی ساختار لیف است مولکول سلولاز داران سه ناحیه است :

  • بخشی که به سرعت به مولکول سلولز می چسبد .
  • مرکز یا هسته ای که فعالیت کاتالیزوری دارد .
  • اتصال دهنده (‌linker) که پلی بین آنزیم وسلولز است .

بر اساس پژوهشهای انجام شده گروهی از محققان شکل ۳-۲ را برای تجزیه آنزیمی سلولز پیشنهاد کرده اند .

مدل تجزیه آنزیمی سلولز
مدل تجزیه آنزیمی سلولز

مهمترین مطالعات انجام گرفته در زمینه استفاده از آنزیم سلولاز در نساجی شامل آهار‌گیری شستشو و سفید گری ، سنگشویی و زیست پرداخت کالای پنبه ای است. تأثیر عملیات مرسریزه شدن در هیدرولیز آنزیمی و اسیدی نیز بررسی شده است.

بعضی از عواملی که سبب  توقف بازگشت ناپذیر فعالیت آنزیمی می شوند (سموم آنزیم )عبارتند از فرمالدئید ،‌اسیدهای تانیک مانند تانن های طبیعی ، مواد           After Treatmentبر مبنای ساختمانی پلی فنولیک های ، پروتازها ، مواد سطح فعال ( انواع خاص آن ) و همچنین میکروبیواسیدها.

اثر انزیم بر کاهش وزن و استحکام

همان طور که قبلاً بیان شد ، آنزیم باعث تجزیه سلولز شده و آن را به واحدهای قابل حل در آب ، تبدیل می کند، بنابراین بخشی از سلولز کاسته شده و از بین می رود . در نتیجه مقداری از وزن کالا کاهش می یابد. معمولاً فرآیند زیست پرداخت (Bio Polishing) به صورت مستقیم یا غیر مستقیم از طریق کاهش وزنی پارچه، کنترل می شود و کاهش وزن پارچه نیز ناگزیر باعث کاهش استحکام بعضی از پارچه‌ها می شود معهذا این کاهش استحکام را با کنترل زمان فرآیند می توان کم کرد کاهش وزن ۳-۵% معمولاً باعث می شود بدون اینکه استحکام پارچه بیش از اندازه کم شود اثرات زیست پرداخت  در پارچه ظاهر گردد .‍

 به طور کلی بررسی زمان فرآیند و غلظت آنزیم  مصرف شده بر اساس کاهش وزن و کاهش استحکام بررسی می‌شوند. بنابراین برای بدست آوردن شرایطی که هم از نظر زمان فرآیند و غلظت آنزیم مصرف شده و هم از نظر کاهش وزن و استحکام و هم از نظر نتیجه حاصل شده از فرآیند کاملاً مطلوب باشد باید غلظت آنزیم و زمان عملیات با وزن و استحکام پارچه توأماً بررسی شود .‍

 اثر PH‌ در تکمیل آنزیمی پنبه

 آنزیم سلولاز نیز مانند هر آنزیم دیگری تحت شرایط خاصی از PH ‌فعالیت مطلوب خواهد داشت . از آنجا که تغییرات PH مستقیماً در راندمان عملیات اثر دارد ، کنترل و تنظیم آن در یک حد مطلوب ، اهمیت زیادی دارد که جهت ثابت نگه داشتن PH حمام ، در طول فرآیند باید از یک سیستم بافر متشکل از اسید استیک و استات سدیم یا اسید استیک و هیدروکسید سدیم استفاده کرد .

به طور کلی با استفاده از مقادیر مختلف اسید استیک و استات سدیم ،‌PH های متفاوتی به دست می آید که در جدول آمده است .

PH محلول بافر‌اسید استیک و استات سدیم با توجه‌به‌غلظتهای‌مختلف هریک 

درصدحجمی‌اسیداستیک(‌مولار۱/۰)درصد حجمی استات سدیم (۰/۱ مولار )PH
۸۹.۱۱۰.۹۳.۸
۸۳.۴۱۶.۶۴
۷۶.۱۲۳.۹۴.۲
۶۶.۵۳۳.۵۴.۴
۵۵.۱۴۴.۹۴.۶
۴۳.۴۵۶.۶۴.۸
۳۲.۲۶۷.۸۵
۲۳.۲۷۶.۸۵.۲
۱۶۸۴۵.۴
۱۰.۷۸۹.۳۵.۹

در مورد محلول بافر اسید استیک و هیدروکسید سدیم شرکت Genencor   ۳/۶گرم در لیتر اسید استیک ۵۶% با ۹/۱ گرم در لیتر هیدروکسید سیدم ۵۰% را برای محدوده PH ۴ تا ۵/۵ پیشنهاد می کند.

نمودار ۱-۲ میزان فعالیت آنزیم سلولاز اسیدی را بر حسب  تغییرات PH ‌نشان می‌دهد همان طور که مشاهده می شود در محدوده ۵/۶-۴= PHعملکرد آنزیم اپتیمم می باشد .

 

فعالیت آنزیم سلولاز اسیدی بر حسب تغییرات PH
فعالیت آنزیم سلولاز اسیدی بر حسب تغییرات PH

 

 این نمودار فعالیت آنزیم را نسبت به PH های مختلف در درجه حرارت ۶۰°C  نشان می دهد. هرگونه تغییری در درجه حرارت شکل منحنی را تغییر خواهد داد این منحنی ، فعالیت سلولاز را روی موادی چون CMC و کاغذ صافی مشخص میکند و ممکن است آزمایشات به عمل آمده ، به درستی فعالیت سلولاز روی پارچه  پنبه ای نباشد.

 نکته قابل توجه اینکه PH باید قبل از شروع فرآیند و قبل از رسیدن به درجه حرارت مورد نظر جهت عملیات تخریبی ، تنظیم و درست باشد همچنین باید اثر PH فرآیندهای قلیایی قبلی که برروی پارچه های سلولزی انجام می گیرد تصحیح گردد .

 اثر دما در تکمیل آنزیمی پنبه

 در واکنشهای شیمیایی معمولاً هر چه دما بالاتر رود سرعت واکنش بیشتر خواهد شد ولی در فرآیند بیوکاتالیکی سلولاز روی کالای پنبه ای در دمای نسبتاً پایین فعالیت آنزیم کم است و عملیات احتیاج به زمان زیادی دارد و در دماهای بالا فعالیت آنزیم به سرعت کاهش می یابد .

 در نمودارهای ۳-۲ و ۴-۲ اثر درجه حرارت روی سلولازهای اسیدی نشان داده شده است .

همانطور که مشاهده می شود در دمای حدود ۴۰°C فعالیت آنزیم فقط ۵۰% است و ماکزیمم فعالیت آنزیم در دماهای ۶۰ تا ۶۵ درجه سانتیگراد دیده می شود.

 به طور کلی در مورد سلولازهای اسیدی ، برای انجام یک عملیات مطلوب درجه حرارت بین ۵۵-۶۰ درجه سانتیگراد انتخاب می شود و حرارت پایین تر از آن باعث می شود به زمان بیشتری احتیاج باشد .

 

نمودار فعالیت آنزیم سلولاز اسیدی بر حسب درجه حرارت
نمودار فعالیت آنزیم سلولاز اسیدی بر حسب درجه حرارت

 این نمودار فعالیت آنزیم را در حرارتهای مختلف نشان می دهد چون در این منحنی فقط حرارت بررسی شده است PH مطلوب ۵/۴ ثابت بوده است و هر تغییری در PH‌ باعث تغییر شکل منحنی می شود این نمودار نیز فعالیت آنزیم را روی موادی از قبیل CMC و کاغذ صافی نشان می دهد و ممکن است در مورد پارچه پنبه ای صادق  نباشد.

 

نمودار تأثیر دما در فعالیت سلولاز
نمودار تأثیر دما در فعالیت سلولاز

 

مکانیسم فعالیت تخریبی سلولاز

recent-trends-in-textile-wet-processing-40-728

 سلولازها قادر به شکستن باندهای ۱-۴-β گلوکزیدی و زنجیر سلولزی است شکل در این رابطه ، یک واحد سلولاز می تواند تحت شرایط PH ‌و دمای مطلوب یک مولکول کوچک از گروه های احیاء شونده را آزاد کند. بنابراین میتوان سلولاز را به عنوان یک هیدرولاز – کاتالیزور تجزیه هیدرولیکی ( تجزیه توسط آب ) به حساب آورد. مکان واکنش یک سلول کامل بیولوژیکی در منطقه آمورف است .

 

شکسته شدن پیوند 1-4، گلوکزیدی توسط آنزیم سلولاز
شکسته شدن پیوند ۱-۴، گلوکزیدی توسط آنزیم سلولاز

شکستن پیوندهای سلولز به صورت آماری اتفاق نمی افتد اما مشخصاً در نقاطی که دارای خلل وفرج بوده ( بسته به اجزاء‌ترکیبی سلولاز ) به صورت تصادفی به وقوع می پیوندد . مکانیزم اثر  آنزیمها ( به عنوان مثال کاتالیزورهای آنزیمی ) به گونه ای است که ابتدا یک کمپلکس مبنا ایجاد می کند .

آنزیمها حاوی مراکز فعالیت با ساختمان سه بعدی مانند سوراخ ، حفره و .. هستند. عوامل زیادی برروی فعالیت بنیان کمپلکس آنزیمی تشکیل شده ( مثلاً کمپلکس سلولاز – سلولز ) تأثیر می گذارد کمپلکس چند تایی آنزیم سلولاز در وهله اول ( بسته به شرایط تولید ) کاملاً بی شکل است، که همین امر سبب ویژگی تأثیر پذیری آن می باشد کمپلکس ذکر شده تحت تأثیر فرآیند تولیدش قرار گرفته ودر نتیجه می تواند توسط واکنشهای انتخابی تولید شود . نکته دیگری که باید به آن اشاره شود ویژگی کالاها از نظر انتخاب توسط واکنشهای تخریبی آنزیمی ( با توجه به ساختمان بی شکل سلولز ) می باشد و نهایتاً نوع نخ ، ساختمان مولکولی و طرح منسوج برروی تخریب سلولز تأثیر می گذارد نخهای ظریف و یا کالاهایی که دارای ساختمان باز مولکولی  هستند ( بویژه الیافی که قابل دسترسی می باشد ) مستعد تخریبی بیشتری است .

مولکول آنزیم سلولاز ۱۰۰ برابربزرگتر از مولکول آب است ودر نتیجه کمپلکس تشیل شده نیز برای نفوذ به داخل لیف پنبه بزرگ می باشد و روی سطح عمل می کند البته ضربات مکانیکی ملایم سبب افزایش برخورد و تماس آنزیم با سطح الیاف شده وتخریب درنقاط برخورد بیشتر از سایر قسمتها خواهد شد .

 واکنشهای بیولوژیکی کمپلکس آنزیم از طریق کاهش انرژی اکتیواسیون و همچنین افزایش سرعت واکنش ایجاد می شود که به صورت ساده تر تحت عنوان تجزیه وفساد تدریجی بیان می گردد و نهایتاً کمپلکس ایجاد شده سلولز را تجزیه میکند که این امر با آزاد شدن محصولات جانبی واکنش مشخص می گردد. همچنین آنزیم اولیه دوباره ایجادمی شود و مجدداً قابل استفاده است .

 فعالیت آنزیمها و بر مبنای آن اثرات تکنیکی به کارگیری آنها ، به درجه  حرارت بستگی دارد همچنین متغیرهای موثر شیمیایی (‌مانند نمکهای آلی ، آهن ، منیزیم ،روی و غیره ) بر روی فعالیتهای آنزیمها یا غیر فعال شدن آنها و نیز تغییر ماهیت آنها اثر می گذارد .

تغییر ماهیت آنزیمها تحت عوامل مختلفی ایجاد می گردد که از آن جمله انبار کردن تحت شرایط خاص و افزایش درجه حرارت می باشد. از اثر درجه حرارت جهت توقف واکنش تخریبی در یک مرحله خاص از فرآیند در آزمایشات انجام شده استفاده شده است .

بخش دوم

درباره نویسنده

مدیر

وبسایت Textile DB با هدف ارتقا صنعت نساجی وارد عرصه شده است و با بخش های علمی ٬ صنعتی و بازرگانی سعی دارد با فراهم آوردن امکانات لازم شرایط بهتری را برای قشر های مختلف از جمله دانشجویان ٬ اساتید و صنعت گران و فعالین اقتصادی بوجود آورد.

مطالب مرتبط

2 نظر

  1. ‍پینگ بک: آنزیمهای سلولاز بخش دوم - مرجع تخصصی صنایع نساجی ایران

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

This site is protected by wp-copyrightpro.com