24247

BIOTECH3 40

دكتري

ريززيست فناوري (نانو بيوتكنولوژي)

علوم و فناوري‌‌‌هاي زيستي

1403/11/02

103 ص.

دكتر اصغر طاهري كفراني , دكتر حميد اميري‌دستنائي

لاكاز , تثبيت آنزيم , نانوذرات مغناطيسي , نانوسلولز , زيست توده ليگنوسلولزي

امروزه يكي از چالش‌هاي اساسي در فرآيند توليد سوخت‌هاي زيستي از بقاياي كشاورزي، تشكيل تركيبات بازدارنده است كه در نتيجه تجزيه زيست‌توده ليگنوسلولزي ايجاد مي‌شوند و عملكرد اين فرآيند را مختل مي‌كنند. تجزيه بيولوژيكي زيست توده ليگنوسلولزي با استفاده از آنزيم‌هاي ليگنينوليتيك مانند لاكاز، به دليل انتخاب‌پذيري بالا براي تجزيه ليگنين، به عنوان يك روش ايمن ليگنين زدايي در جهت بهبود فرايند هيدروليز آنزيمي تركيبات سلولزي و همي سلولزي استفاده مي شود. در اين پژوهش رويكردي نوآورانه براي تهيه نانوبيوكاتاليست كارامد بر مبناي آنزيم لاكاز تثبيت‌شده بر روي سطح نانوذرات مغناطيسي اصلاح‌شده با نانوسلولز (Fe3O4@NC@Enz) براي تجزيه تركيبات فنولي موجود در ساختار زيست‌توده‌هاي ليگنوسلولزي استفاده شده است. در مرحله اول اين پژوهش، آزمون¬هاي دستگاهي و مشخصه يابي هاي مختلف به منظور بررسي صحت انجام فرآيند تثبيت و توليد يك نانوبيوكاتاليست با فعاليت كاتاليزوري بالا انجام شدند. در ادامه نتايج مشخص كرد كه آنزيم لاكاز تثبيت شده فعاليت آنزيمي، پايداري دمايي و pH، شاخصه¬هاي سينتيكي، و مدت ماندگاري بالاتري نسبت به آنزيم آزاد دارد. همچنين آنزيم لاكاز تثبيت شده بعد از 60 روز نگهداري حدود %70 از فعاليت اوليه¬ي خود را حفظ نموده است. در مرحله دوم اين پژوهش، كاربرد نانوبيوكاتاليزور سنتز شده براي تجزيه تركيبات فنولي موجود در ساختار ليگنين بررسي شد و نتايج نشان داد كه نانوسامانه طراحي شده قادر به هيدروليز 84.74% از كل محتواي پلي‌فنولي است. همچنين نانوسامانه سنتز شده توانست 72.4% از فعاليت اوليه¬ي خود را پس از 12 چرخه استفاده مجدد حفظ نمايد. علاوه بر اين، نتايج تأثير لاكاز تثبيت‌شده در فرآيند ليگنين‌زدايي و سم‌زدايي چوب ذرت و سورگوم نشان داد كه نانوحامل آنزيمي پس از 12 ساعت انكوباسيون، نرخ‌هاي ليگنين‌زدايي براي چوب ذرت و سورگوم به ترتيب 72% و 80.69% و نرخ‌هاي سم‌زدايي 86.69% و 66.21% را به دست آورد. به طوركلي، پژوهش حاضر نشان مي‌دهد كه تثبيت آنزيم لاكاز بر روي نانوذرات مغناطيسي اصلاح‌شده با نانوسلولز نه‌تنها موجب بهبود پايداري و فعاليت آنزيم مي‌شود، بلكه قابليت استفاده مجدد از آن را نيز افزايش مي‌دهد. اين رويكرد نويدبخش مي‌تواند به‌عنوان يك روش كارآمد و پايدار براي فرآيندهاي ليگنين‌زدايي و سم‌زدايي زيست‌توده‌هاي ليگنوسلولزي مورد استفاده قرار گيرد و گامي مؤثر در جهت بهينه‌سازي توليد انرژي زيستي و بهره‌وري از منابع تجديدپذير باشد.

Laccase , Enzyme immobilization , Magnetic nanoparticles , Nanocellulose , Lignocellulosic biomas

Delignification and detoxification of lignocellulosic materials using laccase enzyme immobilized on functionalized iron oxide nanoparticles

زيست فناوري

Nowadays, a primary challenge in the manufacture of biofuel from agricultural residues is the formation of inhibitory compounds resulting from lignocellulosic biomass degradation, reducing process efficiency. The biological degradation of lignocellulosic biomass through ligninolytic enzymes like laccase, noted for their high selectivity in lignin decomposition, is regarded as a safe delignification method that improves the enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicellulose. This study used a novel approach to create an efficient nanobiocatalyst, featuring laccase immobilized on nanocellulose-functionalized magnetic nanoparticles (Fe3O4@NC@Enz), aimed at degrading phenolic compounds in lignocellulosic biomass. In the first phase, various tests confirmed the immobilization process and produced a nanobiocatalyst with high catalytic activity. The results revealed that immobilized laccase exhibited higher enzymatic activity, thermal and pH stability, kinetic properties, and longer shelf life compared to free laccase. Furthermore, the immobilized laccase retained approximately 70% of its initial activity after 60 days of storage. In the second phase, the nanobiocatalyst degraded lignin phenolic compounds and hydrolyzed 84.74% of polyphenolic content. After 12 reuse cycles of Fe3O4@NC@Enz, the nanosystem retained 72.4% of its initial activity, maintaining high catalytic performance. Additionally, the effects of immobilized laccase in delignification and detoxification processes of corn and sorghum biomass showed that after 12 hours of incubation, the enzymatic nanocarrier achieved delignification rates of 72% and 80.69% and detoxification rates of 86.69% and 66.21% for corn and sorghum biomass, respectively. Overall, this study demonstrates that immobilizing laccase on nanocellulose-modified magnetic nanoparticles enhances enzyme stability and activity and improves its reusability. This approach can serve as an efficient and sustainable method for delignification and detoxification of lignocellulosic biomass, representing a significant step toward optimizing bioenergy production and utilizing renewable resources.

4