کاربرد آنزیم ها در صنایع کاغذ و خمیر

مقدمه

کاربرد آنزیم ها در صنت کاغذ و خمیرکاغذ از دهه 1980 آغاز شد. امروزه اغلب فرایندهای کاغذ و خمیر کاغذ سازی با آنزیم ها درگیر هستند. بزرگترین محدودیت گسترش آنزیم در این صنعت، برخی خواص و نیز قیمت بالای آنزیم ها است. امروزه پرکاربردترین جنبه استفاده از آنزیم ها در کاغذسازی، سفیدکردن، جوهر زدایی، بهبود فعالیت ماشین های کاغذساز از طریق هیدرولیز برخی مواد، و تغییر فیبرها برای استفاده در کاربردهای خاص است. در دیگر بخش های این صنعت نیز استفاده از آنزیم ها در حال بررسی است، ولی هنوز تجاری نشده اند. البته جالب است که استفاده از زایلاناز در سفیدکاری به سرعت از مرحله آزمایشگاهی به حالت تجاری رسید. علت این سرعت، عدم لزوم تغییر ساختار کارخانه های صنایع کاغذ برای استفاده از آنزیم است. بدون ایجاد تغییرات خاص، بر اثر استفاده از آنزیم زمان و بازدهی بهبود می یابد. با توجه به ساختار پیچیده چوب، آنزیم های معرفی شده در جدول 1 برای صنعت کاغذ استفاده می شوند. تجزیه مواد لیگنوسلولزی چند آنزیم را درگیر می کند. سلولازها و همی سلولازها بیشتر از دیگر آنزیم ها در این زمینه مورد توجه قرار گرفته اند. در سال 2007 این بازار در آمریای شمالی 47 میلیون دلار بود که تا سال 2014 از نرخ رشد ترکیبی سالانه (CAGR) برابر با 4% برخوردار بود. سلولز، همی سلولز و لیگنین در این بازار خودنمایی می کنند. اینها فیبرهای سلولز را تغییر می دهند و لذا در فرایندهای سفید کردن، رنگزدایی، و فراوری پساب نقش دارند. به دلیل سازگاری بیشتر با محیط زیست، این فرایند جذابیت بیشتری دارد. دیگر مزیت های آن عبارتند از: صرفه جویی در انرژی، روشن تر شدن محصول، استحکام بیشتر محصول نساجی، کمتر شدن پرز و غبار، پاک شدن پساب، کاهش تقاضای اکسیژن.

سلولازها

سلولز به عنوان پلیمر گلوکز بخش اصلی مواد لیگنوسلولزی است. سلول های گیاهان بر خلاف دیگر سلول ها دارای دیواره ای است که به دلیل ساختار ویژه اش به گیاه استحکام می دهد. دیواره ی سلولی از ترکیباتی به نام لیگنوسلولز ساخته شده است. از نام آن پیداست که لیگنین و سلولز دو بخش عمده ی لیگنوسلولز هستند. لیگنوسلولز به طور عمده شامل سلولز، همی سلولز و لیگنین است که با نسبت های 50:25:25 در آن حضور دارند. این مواد، در برابر واکنشگرهای گرمایی، شیمیایی و زیستی، واکنش های متفاوتی نشان می دهند. اگرچه لیگنوسلولز غنی از کربوهیدرات ها (سلولز و همی سلولز) است، با این حال به خاطر ساختار پیچیده ای که دارد، در آب حل نمی شود.

به طور ساده، لیگنوسلولز مانند شبکه ای است که در آن پلیمرِ سلولز در غلافی از همی سلولز و لیگنین پیچیده شده است. وجود پیوند های فراوان میان زنجیر های سلولزی نیز بر دشواریِ تجزیه ی سلولز به قند های ساده می افزاید. به دلیل چنین مهندسی ویژه ای، پلی ساکارید های دیواره ی سلولی نسبت به سایر کربوهیدرات های ذخیره ای (مانند نشاسته) پایداریِ بیشتری در برابر تجزیه نشان می دهند. با این همه، به کار گیریِ آنزیم های تجزیه کننده ی سلولز (سلولازها) و نیز به کار گیری برخی روش های فیزیکی و شیمیایی، موجب می شود که سلولز و همی سلولز به قند های ساده و قابل تخمیر یعنی گلوکز (حاصل تجزیه ی سلولز) و گزیلوز (حاصل تجزیه ی همی سلولز) تجزیه شوند.

چنان که گفته شد، مواد ليگنوسلولزي به طور عمده از سلولز، همي سلولز، و ليگنين ساخته شده اند. در زیست توده های گوناگون، نسبتِ این مواد متفاوت است، اما در کل، اين سه ماده نزدیک به 90% وزن خشكِ ليگنوسلولز را می سازند. از ديگر اجزاي لیگنوسلولز می توان به مواد استخراج پذیر و خاكستر اشاره کرد.

سلولز فراوان ترین ماده ی آلی تجدید پذیر و فراوان ترین پلیمر طبیعی در کره ی زمین است که سالانه 40 میلیارد تن از آن در طبیعت تولید می شود. سلولز به فراوانی در ضایعات کشاورزی و جنگلی، پسماندهای صنایع کاغذ سازی و تولید شکر، و نیز در پسماند های شهری وجود دارد. در گذشته گمان می شد که این ماده تنها به وسیله ی گیاهان سنتز می شود، اما اکنون آشکار است که سلولز به وسیله ی برخی جانوران مانند تانیکات ها و برخی باکتری ها نیز تولید می شود. بسته به نوع و سن گیاه، محتوای سلولزی و چگونگی آرایش آن در دیواره ی سلولی متفاوت است. تنها در نمونه های اندکی (مانند پنبه) سلولز به شکل تقریبا خالص دیده می شود (نزدیک به 99 درصد وزن پنبه را سلولز می سازد).

سلولزِخالص سفيد رنگ بوده، در آب، اسيدها و قليا هاي رقيق نامحلول است. بهترين حلال آن محلول شوايتزر است. سلولز در محلول كلريد روي، اسيد كلريدريك، اسيد سولفوريك غليظ، اسيد كلريدريك دود كننده و سود غليظ حل مي شود. هيدروليز تدريجي آن به وسيله ی اسيدهاي معدني، دي ساكاريدی به نام سلوبيوز تولید مي كند، اما هيدروليز نهايي آن تنها مولكول هاي D-گلوكز توليد مي كند. اگر سلولز را به طور كامل متيله كرده و سپس هيدروليز كنيم، 6،3،2 تریو-متیل گلیکوزید  به دست خواهد آمد كه نشان مي دهد مولكول سلولز بدون شاخه است و نیز پيوندهاي گليكوزيدي آن، همگي از نوع 1،4 هستند. به این ترتیب، سلولز یک هومو پلیمر خطیِ تشکیل شده از D- آنیدروگلوکوپیرانوزها (D- گلوکز) است (شکل 4) و وزن مولکولی بالایی دارد. در این پلیمر، گلوکز ها ساختار فضایی بتا دارند و با پیوند β 1,4 به هم پیوند خورده اند. در گياهان گوناگون، طول زنجيره هاي سلولز متفاوت است. درجه ی پلیمریزاسیون آن، 1000 تا 10000 است. براي نمونه، سلولز روزنامه داراي 1000 واحد، و سلولز پنبه داراي 10000 واحد است. سلولزِ چوب هم که 50% وزن آن را تشکیل می دهد، داراي 10000 واحد گليكوزيل است.

زنجیره های پلیمری سلولز جدا از هم نیستند، بلکه میان گروه های هیدروکسیل همسایه پیوند هیدروژنی پدید می آید (شکل 4 و 5). همچنین پیوند های واندروالس نیز در این مولکول به فراوانی وجود دارد. به واسطه ی همین پیوند هاست که زنجیر های خطیِ سلولز به هم می پیوندند و پیش فیبریل ها (پروتوفیبریل ها) را پدید می آورند. پیش فیبریل ها 4 نانومتر عرض، 3 نانومتر ضخامت، و 10 نانومتر طول دارند و از به هم پیوستن نزدیک به 30 مولکول/زنجیره ی سلولز پدید می آیند. چندین پیش فیبریل به وسیله ی همی سلولز (که یک پلیمر تشکیل شده از گزیلوز است) به هم می پیوندند تا به این ترتیب میکروفیبریل ها پدید آیند. میکروفیبریل ها 25 نانومتر هستند. از کنار هم گذاشته شدن میکروفیبریل ها، فیبر های آشنای سلولزی ساخته می شوند. لایه های میکروفیبریل ها به وسیله ی لایه هایی از لیگنین (یک پلیمر فنیل پروپن) و همی سلولز در بر گرفته می شوند. لایه های همی سلولز و لیگنین، سلولز را از هجوم سلولاز ها در امان نگاه می دارند.

سلولاز ها به واسطه ی توانایی در شکستن پیوند های β 1,4 -گلیکوزیدی بین واحد های گلوکوزیل، از دیگر گلیکوزید هیدرولاز ها متمایز می شوند. مکانیسم تجزیه ی پیوند یاد شده، از طریق هیدرولیز اسیدی و با استفاده از یک گروه پروتون دهنده و نوکلئوفیل یا قلیا است. چنان که گفته شد، دو مکانیسم در این زمینه وجود دارد: وارونگی یا نگهداری ساختار فضاییِ آنومریِ کربن-1 در انتهای احیا کننده. از جهش زایی هدفمند برای تشریح ویژگی های سلولازها، شامل شناسایی و تشریح اسید های آمینه ی مسئول اتصال و کاتالیز، کمپلکس های آنزیم- سوبسترا، و ساختن کاتالیست های مصنوعی با عنوان گلیکوسینتازها استفاده می شود. به رغمِ آزمایش های فراوانی که روی سوبستراهای محلول و مشابه هایشان انجام شده و اطلاعات ارزشمندی که در پیِ آن به دست آمده است، مکانیسم تجزیه ی سوبستراهای طبیعی و سلولزهای کریستالی، هنوز چالشی بزرگ به حساب می آید. در ادامه، مکانیسم عمل آنزیم های سلولازی را با تکیه بر سیستم سلولازی تریکودرما رسئی که سیستمی نامجتمع به حساب می آید بررسی خواهیم کرد. این مکانیسم به شکل کلی برای دیگر سیستم های آزاد پذیرفته شده است.

عقیده بر این است که سه آنزیم تشکیل دهنده ی سلولاز تریکودرما رسئی (اندوگلوکاناز، اگزوگلوکاناز و بتا گلوکوزیداز) به صورت متعاون عمل می کنند. مکانیسم پذیرفته شده برای چگونگی عملکرد این آنزیم ها به این شرح است: اندوگلوکانازها آغازگر حمله به سلولز هستند. آنها پیوند های بتا گلوکوزیدیِ میان گلوکز ها را بختانه می شکنند و به این ترتیب زنجیره های کوتاه سلولزی می سازند. ساختار فضایی EGI (که از نظر ساختاری وابسته به CBHII است) نیز شناخته شده است. در ساختار اخیر، لوپ های سطحیِ کوچک تری وجود دارند که شیاری پدید می آورند. احتمال دارد این شیار رشته ی سلولز را برای شکستن آماده کند. در ساختار EG III نیز شکاف مشابهی دیده شده است. آنزیم اخیر، اندوگلوکانازی بدون CBD است. علت وجود 5 اندوگلوکاناز در سیستم سلولازیِ تریکودرما رسئی هنوز روشن نیست، به ویژه این که EGI و EGII که دو اندوگلوکاناز اصلیِ تریکودرما رسئی را تشکیل می دهند، 20% وزنی کل پروتئین های سیستم سلولازی را در بر می گیرند و درصد دیگر اندوگلوکاناز ها بسیار اندک است.

 اندوگلوکاناز با شکست زنجیزه های سلولز، درجه ی پلیمریزاسیون آن را کاهش می دهد. در این هنگام، اگزوگلوکاناز ها، این زنجیره های کوتاه را از دو انتهای احیا کننده و غیر احیا کننده تجزیه می کنند. چنان که گفته شد در تریکودرما رسئی دو نوع اگزوگلوکاناز وجود دارد که تفاوت آنها در انتخاب محل حمله به زنجیره های سلولز است. یعنی CHBI به انتها های احیاکننده، و CHBII به انتها های غیر احیاکننده ی سلولز حمله می کنند (شکل 6). گفته می شود که اگزوگلوکاناز، به نواحی کریستالی حمله می کند و به همین دلیل، فعالیتش کند است. به کمک پراش اشعه ی X، ساختار سلوبیو هیدرولاز های I و II متعلق به تریکودرما رسئی را شناخته اند. آنزیم CBH I دارای 4 لوپ سطحی است که دالانی به درازای 50 آنگستروم پدید می آورند. CBHII دارای دو لوپ سطحی است که دالانی به درازای 20 آنگستروم پدید می آورند. این دالان ها برای عملکرد سلوبیوهیدرولاز ها ضروری اند، زیرا تجزیه ی رشته های سلولزی را از انتها های احیا کننده و یا غیر احیا کننده آسان می کنند. ساختار فضاییِ CBHI تایید می کند که وقتی رشته ی سلولزی از دالان یاد شده عبور می کند، سلوبیوز به عنوان محصول آبدوستِ اصلی تولید می شود. البته گاهی در نخستین گام های فعالیت آنزیم، سلوتریوز یا گلوکز نیز تولید می شوند. نامحلول بودن سلولز آن را در برابر هیدرولیز پایدار کرده است. بنابر این، آنزیم هایی که فعالیتشان تجزیه مواد کریستالی است، نه تنها باید هیدرولیز انجام دهند، بلکه باید پیوندهای هیدروژنی ای که میان زنجیره های سلولز وجود دارد را از بین برده و آن را از حالت کریستالی دور کنند تا تجزیه ی آنزیمی انجام شود. اگزوگلوکاناز ها، ماشین کاتالیکی خود را در دالان های یاد شده قرار داده اند تا سبب جدا نگاه داشتنِ زنجیر سلولزِ منفرد شده و مانع تشکیل دوباره ی کریستال شود. مرحله ی دپلیمریزاسیون که به وسیله ی اندو و اگزوگلوکانازها رخ می دهد، مرحله محدود کننده ی سرعت کل فرایند هیدرولیز سلولز است. فعالیت سلوبیوهیدرولازی برای هیدرولیز سلولزِ میکرو کریستالی ضروری است. CBHI و CBHII از آنزیم های اصلیِ سیستم سلولازیِ تریکودرما رسئی هستند و به ترتیب، 60 و 20% وزنیِ کل پروتئین های سیستم سلولازی آن را تشکیل می دهند. اما این دو آنزیم با سرعت کمی فعالیت می کنند.

هیدرولیزهای اولیه ی اندو و اگزوگلوکاناز ها که در سطح سوبسترای جامد انجام می گیرد، قندهای محلولی با درجه پلیمریزاسیون تا 6 را به درون فاز مایع رها می کند. به این قند های کوتاه زنجیر در کل سلودکسترین می گویند که کوتاه ترین آنها سلوبیوز با 2 گلوکز است. در نهایت، بتاگلوکوزیداز وارد عمل می شود و سلوبیوز ها و سلو دکسترین ها را به گلوکز تجزیه می کند. با پیشرفت هیدرولیز، سرعت واکنش به تدریج کاهش می یابد و در نهایت، پیش از آن که تمام سوبسترا هیدرولیز شود، به پایان می رسد. در واقع، هیدرولیز ثانویه که در فاز مایع انجام می شود در بر گیرنده ی هیدرولیز سلوبیوز به گلوکز است، اگرچه برخی گلوکوزیدازها سلودکسترین های طویل تر را نیز تجزیه می کنند.

همی سلولازها

همي سلولز، هترو پليمري كوتاه ( با درجه ي پليمريزاسيون 100 تا 200)، سبک وزن، و بسيار شاخه دار است كه از D-گالاكتوز، D-گلوكز، D-مانوز، D-گزيلوز، و L-آرابينوز، به همراه قند هاي گوناگون ديگر و نيز اسيد اورونیک ساخته شده است. میزان قند های ساده در همی سلولز های گوناگون متفاوت است. اگر در یک همی سلولز قند مانوز بیشتر از دیگر قند ها باشد، آن را مانان می نامند. همچنین اگر گزیلوز و گالاکتوز فراوان تر باشند، همی سلولز را به ترتیب گزیلان (شکل 8) و گالاکتان می نامند. همي سلولز گياهانِ سخت-چوب به طور عمده از گزيلوز ساخته شده است، اما در گياهان نرم-چوب، گلوكز و مانوز بخش عمده ي آن را مي سازند. قند هاي 5 و 6 كربنه در همي سلولز با پيوند هاي گليكوزيديِ 1,3 و 1,4 و 1,6 به هم پیوند خورده و اغلب استيله مي شوند. به اين ترتيب يك ساختار بسيار آب دوست به دست مي آيد كه مانند چسبي ميان سلولز و ليگنين عمل مي كند. همي سلولز با پيوند كوالان به ليگنين، و با پيوند هاي هيدروژني به سلولز پيوند می خورد. رایجترین همی سلولازهای چوب، زایلاناز و گلوکوماناناز هستند. چوب های سخت بیشتر زایلان و چوب های نرم بیشتر گلوکومانان دارند.

همي سلولز، درجه ي پلیمریزاسیون و بلورینگیِ کمی دارد، پس كمتر ميكروفيبريل تشكيل مي دهد و نسبت به سلولز داراي ناحيه هاي بي شكل بيشتري است. به همين دليل، همي سلولز نسبت به سلولز از آمادگي بيشتري براي هيدروليز برخوردار است. آنزیم های زیادی برای تجزیه ی همی سلولز وجود دارند (شکل 10 و 11) که عبارتند از:

الف) برای گزیلان: اندو گزیلاناز، بتا گزیلناز، گزیلوزیداز، استیل گزیلن استراز، آلفا گلوکورنیداز، فرولُیل استراز و آلفا-L-آرابینوفورانوزیداز. گزیلناز کاربرد های گوناگونی دارد. از جمله این که به عنوان افزودنیِ غذاییِ طیور به کار گرفته می شود. همچنین برای بهبود کیفیت نان نیز به آرد افزوده می شود.

ب) برای گلوکومانان: بتا مانوزیداز و بتا ماناناز.

پ) برای  آرابینان ها: آرابیناز و آرابینو فورانوزیداز.

زایلاناز

اندوزایلانازها پیوندهای بتا-1و4-زایلوزیدیک را در زایلان هیدرولیز می کنند. اغلب زایلانازها می توانند انواع زایلان ها را هیدرولیز کنند و فقط در میزان و شرایط فعالیت و نیز نوع محصول تفاوت دارند.

مانانازها

اندومانانازها پیوندهای بتا-1و4 مانوپیرانوزیل را تصادفا هیدرولیز می کنند. اینها همانند سلولازها، دارای بخش اتصال به سوبسترا هستند.

عمل کنندگان بر لیگنین، آنزیم های اکسایشی

ليگنين عامل استحكام گياه است و اين امكان را پديد مي آورد كه درختاني با ارتفاع 100 متر بتوانند برافراشته بمانند. ليگنين يك شبكه ي  پليمر آروماتيكِ (پلي فنلي) سه بعدي با پيوند هاي بينابيني فراوان است، از مونومرهای فنيل پروپانوئيد ساخته شده است و در كل، 25% جرم ليگنوسلولز را می سازد. واحد هاي ياد شده مي توانند دي متوكسيله (سیرینجیل)، مونومتوكسيله (گوایاسیل) و يا نامتوكسيله (پارا هيدروكس فنيل) باشند. تفاوت در زير واحد ها و اسكلتِ فنيل پروپانوئيدي، اساس دسته بندی آنهاست. ليگنين سیرینجیل، داراي گروه هاي متوكسي در جايگاه كربن 3 است، و ليگنينِ گوایاسیل داراي گروه هاي متوكسي، در كربن های 3 و 5 است.

در واقع، ليگنين يک نام کلي براي پلي مرهاي حلقويِ پيچيده، تشکیل شده از واحدهاي فنيل پروپان با وزن مولکولي بالاست. واحدهاي اصلي گليکوزيديِ ليگنين، از سه نوع الکل که در موقعيت هاي 3 و5 با يکديگر اختلاف دارند به وجود مي آيد. ليگنين، حاصلِ آب گيري از این سه الكل مونومري است که به وسيله ي پيوند اتري به هم پيوند مي خورند. این الکل ها عبارتند از: ترانس-p-كوماريل الكل، ترانس-كونيفريل الكل، و ترانس-سيناپتيل الكل.

ليگنين همچون سيمانی ميان و درون ديواره هاي سلولي عمل مي كند و به همراه همي سلولز، ماتريكس بي شكلي را پدید مي آورد كه فيبر هاي سلولزي در ميان آن قرار گرفته و از تجزيه به وسيله ي عوامل زيستي حفظ مي شوند. در گياهان گوناگون، انواع گوناگونی از ليگنين وجود دارد. همچنين ليگنينِ موجود در بافت هاي مختلف چوب و لايه هاي ديواره ي سلولي نيز متفاوت است. براي نمونه، گياهان نرم-چوب ليگنينِ بيشتر (نزدیک به 30%) و گياهان سخت-چوب ليگنين كمتري (نزديك به 20%) دارند.

جالب است بدانید که پس از سلولز، لیگنین فراوان ترین ماده ی تجدید پذیر در کره ی زمین است. تنها در کاغذ سازی، سالانه 50 میلیون تن لیگنین تولید می شود. لیگنین کاربردهایی دارد که عبارتند از: چسب چوب، پایدار کننده ی UV، عامل رنگ ساز، افزودنی به زیست پلیمرها، سورفکتانت، کاربرد در فناوری رادیکال و عاملی برای افزایش مقاومت. ساختار بی شکل و نیز وجود حلقه های بنزنی فراوان، به لیگنین اجازه می دهد که در عین دارا بودن کشسانی، از استحکام بالایی برخوردار باشد.

لينگين بر اساس نوع وتعدادِ واحدهاي تشکيل دهنده اش به سه گروه، دسته بندی می شود: الف) ليگنين سوزني برگان، که بخش عمده ی آن را کانيفريل الکل تشکيل می دهد. ب) ليگنين پهن برگان، که واحدهای سازنده ی آن را الکل های سيناپيل وکانيفريل تشکیل می دهد. ج) ليگنين گندميان وعلف ها، که در آنها هر سه الکلِ پاراکوماريل سيناپيل وکانيفريل وجود دارد. بر خلاف لينگنين های الف و ب، نوعِ ج داراي ازت است که براي دام غير قابل هضم است.

ترکيبات فنولي علف ها، به وسیله ی پيوند کووالانسی به ديواره ی سلولي پیوند می خورند. بر این اساس نیز می توان آنها را به دو دسته تقسيم کرد: ليگنين داخلي و خارجي. لينگين هاي داخلي، پلي مرهايي هستند که به شدت فشرده شده اند و از پلي مري شدن دهيدروژاناتيوِ الکل های هيدروکسي سينامل والکل هاي پرکوماريل، کانيفريل، و سيناپيل ساخته می شود. ليگنين خارجي، شامل اسيدهای فنولي، اتري، و استري شده است که به ليگنين داخلي و پلي ساکاريد ها وصل است. در لیگنین خارجی، اسيد فروليک و پاراکوماريک غالب هستند. اين نوع ليگنين با قليا يا اسيد قابل استخراج است، در حالی که ليگنين داخلي در برابر این مواد پایدار است. اسيد هيدروکسي سيناميک، اسيدپرکوماريک و اسيد فروليک نقش مهمي در اتصالاتِ بين پلي ساکاريد هاي ديواره ی سلولي بازي مي کنند. اين اسيدها می توانند از طریق ساختن پیوند های استری و اتری، پل هايي میان اجزای ديواره سلولي برقرار کنند.

وقتي زيست توده هاي ليگنوسلولزي براي توليد اتانول به کار گرفته می شود، عمده ترين محصول جانبي اي كه توليد مي شود ليگنين است. ليگنين را مي توان به عنوان سوخت جامدِ بدون خاكستر، براي توليد گرما و برق به کار گرفت. وجود لیگنین بزرگ ترین دردسر در فرایند تجزیه ی زیست توده است. این امر از آنجا ناشی می شود که لیگنین، مانعی برای رسیدن سلولاز به سلولز است. از سوی دیگر، لیگنین می تواند اندوگلوکاناز و اگزوگلوکاناز را به خود جذب کند و مانع عملِ آنها روی سلولز شود. افزون بر اینها، لیگنین در فرایند های تجزیه ی زیست توده همواره به صورت جامد باقی می ماند و پمپ کردن و جابه جایی مواد را با دشواری و هزینه ی بیشتر روبرو می کند. ليگنين آب گريز است و در برابر تجزيه كننده هاي زيستي و شيميايي بسيار پايدار است. با این حال،  تعداد نسبتا كمي از جانداران هستند كه مي توانند ليگنين را تجزيه كنند. آنزیم های تجزیه کننده ی لیگنین عبارتند از: لاکاز، لیگنین پراکسیداز، و منگنز پراکسیداز. همچنین، چند روش فيزيكي و شيميايي براي جدا كردن سلولز از ليگنين وجود دارد. هدف از اين روش ها، آزاد كردن سلولز و افزايش سطح در دسترس آنها براي حمله هاي آنزيمي است. حذف لیگنین از لیگنو سلولز در صنعت اهمیت زیادی دارد.

آنزیم های اکسایشی نقشی مهم در تجزیه ترکیبات لیگنوسلولزی دارند. مهمترین این آنزیم ها لیگنین پراکساید، پراکسیداز وابسته به منگنز، و لاکاز هستند. لاکاز و پراکسیداز وابسته به منگنز نتایج بهتری داشته و توجه بیشتری را کسب کرده اند.

لیگنین پراکسیداز

پراکسیدازهای قارچی، هِم پروتئین هایی هستند که سوبسترایشان را با پراکسید هیدروژن اکسید می کنند. فعالیت این آنزیم ها نجر به تولید رادیکال هایی می شود که در نهایت حلقه آروماتیک را می شکنند. به دلیل توانایی پایین ارگانیسم های منشا در تولید مقدار زیاد این آنزیم، و نیز موفق نبودن تولید آن در دیگر میزبان ها، لیگنین پراکسیداز تاکنون تجاری نشده است.

منگنز پراکسیدازها

منگنز پراکسیداز یک آنزیم هِم دارد است که Mn²⁺ را به Mn³⁺ اکسید می کند. یون اکسید شده احتمالا بخش فنلی لیگنین را تجزیه می کند.

لاکاز

لاکاز ترکیبات فنولی را اکسید می کند. این کار از طریق احیای اکسیژن مولکولی به آب انجام می دهد.

آنزیم ها در فراوری کاغذ و خمیر کاغذ

خمیرسازی مکانیکی

برای جداکردن فیبرهای چوب می توان از دما و فشار توامان، و گاهی همراه با برخی مواد شیمیایی استفاده کرد. بازده این فرایند 95% است. ولی این فرایند انرژی زیادی مصرف می کند، و نیز کاغذهای تولید شده مشکلاتی دارند (استحکام کم، و پس دهی جوهر بالا). یک راه برای کاهش مصرف انرژی، پیش تیار مواد با آنزیم ها جهت آماده تر کردن شان است. پژوهش های فراوان در این زمینه برای تجاری سازی ادامه دارد.

خمیرسازی شیمیایی

در این روش از مواد شیمیایی مختلف برای حذف لیگنین استفاده می کنند. اکنون روش شیمیایی رایج ترین روش است. هدف درازمدت در بهینه سازی این روش، حذف مواد گوگردی است. همانند خمیرسازی مکانیکی، پیش از خمیرسازی شیمیایی نیز  توانایی برخی آنزیم ها در نفوذ به چوب محدود است. البته گزارش شده است که همی سلولازها، پکتینازها و سلولازها باعث افزایش نفوذ هیدروکسید سدیم به چوب شده اند.

سفید کردن

اولویت در سید کردن، حذف اندک لیگنین باقیمانده از مرحله پخت، بدون کاهش وزن مولکولی سلولز است. مقدار لیگنین در خمیر سفید نشده حدود 1% وزنی است. حذف لیگنین باقیمانده طی 5 مرحله انجام می شود. قبلا این کار توسط کلرین عنصری و دی اکسید کلرین انجام می شد. امروزه در اروپا روش های بدون کلر از قبیل استفاده از اکسیژن، اوزون، یا پراکسید کاربرد دارند.

استفاده از زایلاناز برای سفیدکاری مهمترین روش زیستی در صنعت کاغذ است. البته استفاده از زایلاناز به دلیل تجزیه نامستقیم لیگنین محدودیت هایی دارد. امروزه استفاده از لاکاز (که مستقیما لیگنین را تجزیه می کند) آینده بهتری را نشان می دهد (جدول 3).

زایلاناز زایلان را به نحوی تغییر می دهد که که لیگنین در مراحل بعدی سفیدسازی قابل دسترس شود. زایلانازهای قارچی و باکتریایی هر دو سفید سازی را تسریع می کنند. استفاده از زایلاناز منجر به کاهش استفاده از مواد شیمیایی در سفیدسازی می شود. کاهش 15 تا 25 درصدیِ مصرف ترکیبات کلرینه در مقیاس آزمایشگاهی و عملی گزارش شده است. امروزه از زایلاناز به شکل تجاری و صنعتی برای سفیدسازی کاغذ استفاده می شود. تا سال 2000 حدود 20 کارخانه کاغذسازی در آمریکای شمالی و اسکاندیناوی از آنزیم استفاده می کردند. استفاد از آنزیم ها در روش های بدون کلر رایج تر است و منجر به تولید کاغذ سفیدتر و روشن تر می شود. جالب است که قیمت استفاده از زایلاناز در سفید سازی در سال 2000 کمتر از 2 دلار به ازای هر تُن خمیر کاغذ بوده است. استفاده از آنزیم باعث کاهش مصرف ترکیبات کلر به میزان 2 دلار در هر تُن خمیر می شود. البته مواد کلری ارزانترین مواد شیمیایی مورد استفاده در این زمینه هستند. استفاده از موادی همچون اوزون یا پراکسید گرانتر است و با استفاده از آنزیم می توان مصرف آنها را نیز با صرفه اقتصادی بیشتری کم کرد.

لاکاز مستقیما لیگنین را تجزیه می کند. استفاده از لاکاز نیازمند وجود مولکول های میانجی تبادل الکترون است. انواع میانجی برای لاکاز بررسی و آزموده شده است. استفاده از لاکاز و زایلاناز به طور متوالی منجر به سفیدسازی بهتر می شود. به دلیل اثر مهارکنندگی برخی میانجی های لاکاز روی زایلاناز، استفاده توامان آنها شدنی نیست. ولی با استفاده از میانجی NHA می توان دو آنزیم را همزمان استفاده کرد که به نتیجه بهتری می انجامد.

کاغذسازی

 کاغذ از خمیر کاغذ، مواد شیمیایی و رنگدانه ساخته می شود. تولید کاغذ در دستگاه کاغذساز فرایندی سریع و چندمرحله ای است که به مقدار زیادی آب نیاز دارد. برای ایجاد چرخه بسته آب (جهت صرفه جویی)، یکی از مشکلات تجمع مواد کلوئیدی در آب فراوری شده است. این مواد اغلب همی سلولزها، پکتین ها، رزین های چوب، لیگنین های حل شده و لیگنان ها هستند. این مواد بر عملکرد دستگاه و کیفیت کاغذ اثر مستقیم دارند. این مواد می توانند توسط لیپازها، مانانازها، پکتینازها و آنزیم های اکساینده رفع شوند. یک لیپاز تجاری به نام Resinase (ساخت نووزایم) سالها در ژاپن برای حذف رزین ها در صنعت کاغذ استفاده می شود. لیپازها مشکل ضخامت کاغذ و بخش های زرینی (pitch) را حل می کنند. تیمار لیپاز موجب کاهش مصرف افزودنی های شیمیایی و مواد سطح فعال شده و منجر به بهبود کیفیت فیبرهامی شود. بهبود استحکام کششی فیبرها ظاهرا ناشی از افزایش آبدوستی فیبرهاست. علاوه بر آنزیم های هیدرولزکننده، آنزیم های اکساینده از قبیل لاکاز نیز برای تغییر ساختار مواد چربی دوست یا آبدوست استفاده می شوند.

جوهرزدایی

کاغذهای بازیافت شده در روزنامه، دستمال کاغذی و… استفاده می شوند. این کاغذها باید جوهر زدایی شوند، یعنی نخست باید خمیر شده و از آلودگی و جوهر تمیز شوند. جدا کردن جوهر به روش های مکانیکی و شیمیایی انجام می شود. استفاده از مخلوط سلولاز و همی سلولاز برای جوهرزدایی در مقیاس آزمایشگاهی تا صنعتی بررسی شده است. این قابلیت یکی از بزرگترین زمینه های بالقوه دخالت آنزیم در صنعت کاغذ است. که در مقیاس کارخانه نیز استفاده شده است. آنریم ها می توانند یا جوهر را آزاد کنند یا حامل و پوشاننده جوهر را هیدرولیز کنند. با حذف لایه اتصالی جوهر به کاغذ، جوهر جدا شده و با جریان سیال حذف می شود.