Một nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Adelaide, Australia vừa phát hiện một loại enzyme mới có khả năng biến lignin, một phế phẩm từ quá trình sản xuất gỗ, thành các hợp chất hóa học có giá trị cao.

Đặc biệt, quy trình này hoàn toàn “xanh” khi sử dụng hydrogen peroxide thân thiện với môi trường, mở ra hướng đi bền vững thay thế cho các quy trình sản xuất hóa chất truyền thống dựa trên dầu mỏ.

Enzym mới được xác định đánh dấu màu hồng

Biến phế thải thành tài nguyên

Hiện nay, có tới 98% lượng lignin, sản phẩm phụ trong ngành lâm nghiệp, bị loại bỏ hoặc không được tận dụng hiệu quả. Với enzyme mới này, lignin giờ đây có thể được xử lý và chiết xuất hiệu quả thành các phân tử có giá trị thông qua các quy trình hóa học xanh.

Những phân tử này được xem là "nguyên liệu vàng" trong sản xuất các sản phẩm như nước hoa, hương liệu, nhiên liệu sinh học và cả dược phẩm. Từ một dòng chất thải gần như vô giá trị, lignin đang đứng trước cơ hội được “tái sinh” thành nguồn tài nguyên quý giá.

Nữ tiến sĩ Fiona Whelan, nhà nghiên cứu tại Adelaide Microscopy và là tác giả của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications cho biết: “Các quy trình hóa học truyền thống để tổng hợp các loại hóa chất này hiện nay chủ yếu dựa trên các hợp chất ban đầu từ dầu mỏ và chất xúc tác kim loại nặng, khiến chúng không chỉ độc hại mà còn không thể tái tạo.

Phương pháp xử lý xúc tác mới này sẽ hỗ trợ sự phát triển của các “nhà máy enzyme” hóa học xanh hoặc nhà máy lọc sinh học khác để biến lignin và các dòng chất thải sinh học thành một kho lưu trữ quý giá các hóa chất tinh khiết”.

Lignin, “kho báu” bị lãng quên

Lignin là một loại polymer cứng, đóng vai trò nâng đỡ cấu trúc cho cả gỗ cứng lẫn gỗ mềm, đồng thời cũng là một trong những polymer phong phú nhất trên hành tinh. Hàng năm, khoảng 100 triệu tấn lignin được thải ra từ ngành nông – lâm nghiệp và phần lớn đều bị bỏ phí.

Theo Phó Giáo sư Stephen Bell từ Trường Khoa học Vật lý, Hóa học và Trái đất thuộc Đại học Adelaide, “Hiện tại, việc khai thác sử dụng lignin đòi hỏi sự kết hợp của các quy trình hóa học và sinh học khắc nghiệt như nhiệt độ và áp suất cao, axit mạnh và dung môi độc hại.

Các hợp chất có giá trị bị mắc kẹt trong chất thải sau đó được chiết xuất và trải qua quá trình xử lý hóa học tiếp theo ở nhiệt độ cao hơn 400°C để “nâng cao giá trị” của lignin. Các quy trình này tốn kém và có hại cho môi trường”.

Lignin trong gỗ cứng có cấu trúc phức tạp, gồm hai thành phần chính cần xử lý để có thể tạo ra hợp chất hữu ích. Trong khi các nhà khoa học trước đây đã tìm ra enzyme xử lý được một phần lignin, cũng được tìm thấy trong gỗ mềm, thì phần phức tạp còn lại, chiếm tới 50% lignin, vẫn là “ẩn số”.

Theo tiến sĩ Whelan, “Trong tự nhiên, sự phân hủy sinh học của lignin xảy ra trong một quần thể vi sinh vật phức tạp, với các enzyme nấm có khả năng phá vỡ các polymer cứng và vi khuẩn tiếp tục xử lý các hợp chất phân tử nhỏ hơn để lấy năng lượng trao đổi chất”.

Thông qua nghiên cứu hệ vi sinh vật đất, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra vi khuẩn Amycolatopsis thermoflava có khả năng sản xuất enzyme phân giải lignin hiệu quả với chi phí thấp, nhờ sự hỗ trợ của hydrogen peroxide thúc đẩy phản ứng.

Không chỉ dừng lại ở việc phát hiện enzyme, nhóm nghiên cứu còn xây dựng mô hình để ứng dụng cơ chế xúc tác hydrogen peroxide vào các enzyme khác nhằm mở ra khả năng phát triển các "nhà máy enzyme", nơi sản xuất hàng loạt hóa chất giá trị cao phục vụ ngành công nghiệp hương liệu, nước hoa và hóa dược, một cách bền vững và ít gây hại cho hệ sinh thái.