Manufacturing Komposit Kayu secara Enzimatis

Produksi fiberboard dan bahan komposit kayu lainnya saat ini menggunakan perekat berbasis formaldehida dalam jumlah besar. Permasalahan utama perekat thermoset tersebut adalah emisi formaldehyde yang bersifat karsinogenik. Saat ini terdapat minat dalam penggunaan laccase untuk mendorong self-bonding  dalam produksi fiberboard. Tabel 1 di bawah ini menunjukkan perkembangan fiberboard tanpa penggunaan perekat berbasis formaldehida.

Tabel 1. Perkembangan Penting dalam pembuatan Fiberboard melalui Self-Bonding fiber

Metode	Keuntungan	Kelemahan	Reference
Perlakuan Ferric sulfate sebelum proses pressing	Tanpa perekat	Tidak resisten air	Linzell (1945)
Hydrochloric acid + ferrous sulfate  dispray pada serat kayu	Kekuatan mekanik yang tinggi	Korosif	Stofko and Zavarin (1977)
Kopolimerisasi lignin dengan senyawa dengan massa molekuler rendah	Enzim laccase	Intensitas polimerisasi yang rendah	Milstein et al. (1994)
Perlakuan Laccase pada fiber alami untuk mengaktivasi lignin pada fiber	eco friendly	Hidrofilik	Felby et al. (1997)
Laccase mediator (hydroxyl benzotriazole) untuk meningkatkan self bonding fiber	Peningkatan kekuatan basah kertas	Hidrofilik	Wong et al. (2000)
Lignin plasticizing dengan pemanasan suhu di atas glass transition temperature (Tg)	eco friendly	Memerlukan suhu tinggi	Thielemans et  al. (2002)
Native lignin plasticizing dengan steam explosion	Eco-friendly	Hidrofilik	Salvadó et al.  (2003)
Fiberboard disiapkan dengan lignin yang teraktivasi oleh laccase	Eco-friendly	Kekuatan yang rendah	Felby et al. (2004)
Binderless fiberboard dari rubber wood fiber  yang diberi perlakuan laccase	Eco-friendly	Kekuatan yang rendah/ Hidrofilik	Nasir et al. (2013a)
Enzyme-hydrolysed lignin (EHL) untuk pembuatan MDF dengan laccase	Peningkatan kekuatan mekanik	Hidrofilik	Nasir et al. (2014b)
Soy-EHL dengan perlakuan laccase yang ditambahkan pada fiberboard	Peningkatan kekuatan mekanik	Resistensi air yang rendah	Nasir et al. (2014a)

Penggunaan Laccase pada produksi fiberboard  

Saat ini laccase dipertimbangkan sebagai enzim paling murah dan tersedia secara luas untuk penggunaan komersial. Laccase digunakan secara komersial sebagai agen delignifikasi pada produksi pulp. Beberapa penelitian akhir-akhir ini mulai mengaplikasikan laccase pada komposit kayu untuk membuat papan alami. Tabel 2 menunjukkan kronologi pengembangan aplikasi laccase pada fiberboard dengan beragam metode.

Tabel 2. Kronologi pengembangan aplikasi laccase pada fiberboard dengan beragam metode

Reference	Novelty	Aplikasi
Yoshida (1883)	Penemuan laccase	Penemuan pertama kali pada latex dari Japanese lacquer tree (Rhus vernicifera)
Yamaguchi et al. (1992)	Polimerisasi dehidrogenatif fenol	Terjadi ikatan antar serat kayu melalui polimerisasi
Bao et al. (1993)	Biosintesis pada tanaman	Penemuan adanya laccase pada tanaman dan perannya dalam biosintesis lignin
Milstein et al. (1994)	Polimerisasi Lignin	Polimerisasi lignin dikatalisis laccase dengan radical  coupling, alkyl–aryl cleavage, atau oksidasi Ca
Kharazipour et al. (1997)	Aktivasi permukaan Fiber	Fiber kayu teraktivasi untuk produksi komposit kayu
Bourbonnais et al. (1997)	Laccase mediator	Aktivitas Laccase meningkat dengan adanya mediator dan berperilaku seperti enzim non spesifik
Xu et al. (1998)	Penggunaan pada pulp	Analisis mekanisme reaksi dan berbagai parameter reaksi enzim pada pulp
Ikeda et al. (1998)	Polimerisasi radikal	Polimerisasi radikal diinduksi laccase dari radikal fenoksi pada lignin dengan atau tanpa mediator
Gianfreda et al. (1999)	Penghitungan massa molekul	Massa molekul rata-rata laccase sebesar 60 hingga 70 kDa.
Setti et al. (1999) and Lund and Ragauskas (2001)	Coupling oksidatif pada molekul lignoselulosa	Grafting 4- hydroxyphenylacetic acid (PAA) dan guaiacol sulfonate pada kraft lignin
Nyanhongo et al. (2002)	Sifat laccase yang tidak spesifik	Laccase dapat bekerja tidak hanya pada fenol tetapi juga pada polyphenols, anilines, aryl diamines, methoxy  substituted phenols, hydroxyindols, benzenethiols,  dll.
Felby et al. (2004) and Felby et al. (2002)	Binderless board	Binderless board diproduksi dari fiber dengan perlakuan laccase
Suurnäkki et al. (2010)	Modifikasi permukaan fiber	Sejumlah kecil enzim cukup untuk aktivasi serat pulp dalam skala yang lebih besar
Nasir et al. (2013a)	Parameter perlakuan serat dan parameter fabrikasi	Papan binderless yang disiapkan dari serat yang diolah dengan laccase dengan beragam parameter produksi
Schubert et al. (2015)	Perekat sintetis dikombinasikan dengan laccase	Optimasi serat yang dimodifikasi Laccase dan perekat sintetis dapat mengurangi kebutuhan perekat hingga 40%

Modifikasi komposit kayu dengan Laccase

Laccase diterapkan pada komposit kayu dengan dua tujuan:  modifikasi fisik dan modifikasi kimiawi. Modifikasi fisik dapat mencakup perubahan kristalinitas atau morfologi permukaan serat. Perubahan tersebut dapat meningkatkan kekuatan mekanik dan memfasilitasi self-bonding serat dengan mechanical interlocking. Modifikasi kimiawi meliputi aktivasi molekul lignin dari serat lignoselulosa untuk menginduksi reaksi polimerisasi lignin.

Modifikasi permukaan

Enzim dapat digunakan untuk cross-linking/self-bonding serat kayu untuk membuat fiberboard tanpa perekat eksternal. Nasir dkk. (2013a) mengolah serat kayu pohon karet dengan laccase dan mengamati doposisi (pengendapan) lignin yang halus ke permukaan. Serat yang dimodifikasi secara enzimatis dapat meningkatkan kekuatan inter-bonding dalam banyak hal, seperti kehalusan/kekasaran permukaan atau perilaku adsorpsi/desorpsi, yang dapat menyebabkan interlocking mekanis antar serat. Interl­­ocking mekanis adalah jenis gaya fisik di mana dua komponen interface berbeda disatukan. Mekanisme ini mirip dengan dovetail joints, di mana permukaan satu komponen disematkan ke komponen lainnya. Dalam proses hidrolisis laccase, seiring dengan pemecahan lignin, presipitasi dan adsorpsi lignin juga terjadi secara simultan. Permukaan yang teradsorbsi lignin dapat mengubah karakteristik penyerapan, stabilitas dimensi, dan adhesi antar molekul dari serat.

Modifikasi Kimiawi 

Modifikasi kimiawi melibatkan reaksi kimia langsung dari komponen pada interface, baik reaksi radikal bebas, reaksi ionik, ikatan hidrogen, atau ikatan karbonil. Gambar di bawah ini menunjukkan reaksi self-bonding yang mungkin terjadi pada saat proses hot pressing.

Laccase adalah pendekatan yang baik untuk menghasilkan radikal fenoksi dari lignin melalui reaksi redoks. Radikal bebas ini mengalami reaksi polimerisasi dan membentuk jaringan polimer dengan coupling (mirip dengan perekat termoset). Dalam studi terbaru, telah diketahui dengan baik bahwa enzim laccase yang diperoleh dari jamur paling cocok untuk aktivasi lignin asli dan mempercepat coupling oksido-reduktase lignin. Pendekatan lain untuk meningkatkan self-bonding serat adalah dengan membawa matriks kopolimer (lignin dan hemiselulosa) ke permukaan serat sehingga dapat mengambil bagian dalam auto-adhesi serat saat serat dipress pada suhu tinggi. Laccase adalah enzim spesifik yang bekerja pada lignin, tetapi laccase yang dilengkapi dengan mediator dapat bekerja pada berbagai substrat (senyawa fenolik). Hal ini dapat mengoksidasi berbagai senyawa organik yang ada di dinding sel tumbuhan, seperti lignin, orto- dan para-difenol, aminofenol, polifenol, aril diamina, poliamina, dan beberapa ion anorganik. Kopolimer dinding sel ini menunjukkan sifat amfifilik dan berfungsi sebagai permukaan yang menyerap dan amfifil yang dapat diserap. Terbukti bahwa komposit lignoselulosa dapat berhasil dibentuk jika permukaan kayu dilapisi dengan matriks sel termoplastik seperti lignin atau hemiselulosa.

Penggunaan lignosulfonat dioksidasi oleh peroksidase atau laccase sebagai pengikat untuk produksi papan partikel berhasil menghasilkan papan partikel yang melampaui persyaratan transverse tensile strength (DIN 52365 test) sebesar 0,35 MPa yang ditentukan oleh standar Eropa EN 312-4. Sayangnya, papan partikel tersebut membengkak di air karena adanya gugus sulfonat, sehingga hanya cocok untuk penggunaan indoor. Penggunaan lignin yang dibusukkan brown-rot fungi sebagai pengganti lignosulfonat lebih menguntungkan yang mengarah pada substitusi 35% dari fenol dan papan dengan kekuatan yang sebanding dengan papan yang direkatkan dengan resin PF konvensional, sedangkan inkorporasi metilen difenil diisosianat mengurangi pembengkakan dan menggandakan tensile strength.

 

Membuat Permukaan Reaktif yang Stabil pada Polimer

Polimerisasi lignin dimulai dengan oksidasi gugus hidroksil fenil-propana. Prekursor lignin mengalami dimerisasi melalui dehidrogenasi enzimatik, yang diinisiasi oleh transfer elektron dan menghasilkan radikal fenoksi yang distabilkan oleh resonansi. Dalam struktur resonansi, radikal mengubah posisi untuk menstabilkan senyawa fenolik yang teroksidasi, tetapi radikal membentuk berbagai ikatan dengan radikal lain di salah satu posisi elektron yang tidak berpasangan. Monolignol tersebut, yang memiliki radikal bebas, dapat mengalami reaksi coupling radikal dan menghasilkan sejumlah dimer, yang disebut dilignol. Jenis ikatan β-O-4 dan β-5 menghasilkan struktur polimer linier. Namun, polimer bercabang dapat terbentuk ketika senyawa nukleofilik, seperti alkohol, gugus hidroksil fenolik, atau air, menyerang karbon benzil dari zat antara kuinon metida.

Oksidasi dan aktivasi permukaan kayu dapat dilakukan menggunakan oksidoreduktase. Namun begitu terbentuk, radikal-radikal ini biasanya distabilkan melalui resonansi, dan oleh karena itu reaktivitas molekul teroksidasi bergantung pada posisi radikal. Jika radikal dilindungi oleh molekul substituen seperti gugus metoksil, radikal menjadi kurang dapat diakses untuk coupling. Oleh karena itu, tidak mengherankan bahwa hingga 90% radikal yang terbentuk pada permukaan kayu dipadamkan dalam beberapa jam dalam pulp termomekanis yang dibleaching dengan laccase. Untuk mengatasi permasalahan ini, maka digunakan molekul reaktif stabil yang bertindak sebagai gugus anchor yang dapat digunakan untuk coupling lebih lanjut dari molekul fungsional. Fungsionalisasi katalisasi laccase pada partikel kayu spruce dengan 4-hidroksi-3-metoksibenzilurea secara signifikan meningkatkan kekuatan ikatan internal papan serat dalam langkah-langkah pemrosesan selanjutnya. Kudanga dkk. ​​juga melakukan grafting berbagai amina aromatik reaktif ke lignin yang menghasilkan peningkatan coupling molekul antijamur ke permukaan reaktif. Mekanisme untuk pengikatan kovalen amina aromatik menunjukkan bahwa tyramine terikat ke syringylglycerol-guaiacylether melalui ikatan 4-O-5, meninggalkan gugus -NH2 bebas untuk pengikatan lebih lanjut ke molekul fungsional. Produk coupling yang diperoleh dengan syringylglycerol-guaiacylether menunjukkan bahwa kehadiran gugus metoksil memblokir posisi ke-5, mendorong pengikatan pada posisi ke-4.

Berbeda dengan mekanisme pengikatan pada syringylglycerol-guaiacylether, terlepas dari struktur kimianya, semua amina fenolik lebih condong untuk dicoupling ke dibenzodioksosin melalui posisi 5 menghasilkan coupling C-C (5–5). Namun, dalam kedua kasus, gugus NH2 terlepas untuk reaksi grafting lebih lanjut.

Manufacturing MDF (medium-density fibreboard)

Kemampuan peroksidase dan laccase untuk meningkatkan auto-adhesi lignin pada MDF diteliti secara luas. Penggunaan HRP dan laccase brown-rot fungi menghasilkan laminasi dengan kekuatan shear yang relatif baik, meskipun lebih rendah daripada yang diperoleh dengan perekat konvensional, namun materialnya membengkak di air. Dalam studi lain, konsumsi energi berkurang hingga 40% saat serpihan kayu diberi perlakuan awal dengan Trametes hirsuta dan Gloeophyllum trabeum, serta Coniophora puteana dan Fomitopsis pinicola. Menariknya, serpihan kayu yang telah dipretreat dengan enzim dapat melekat tanpa menambahkan perekat apa pun. Körner dkk. juga menunjukkan bahwa serat yang diperoleh dari serpihan kayu yang difermentasi menghasilkan MDF dengan kekuatan lentur 3,5 kali lebih tinggi dan modulus elastisitas 3 kali lebih tinggi daripada papan yang ditekan dari serat yang tidak diberi pretreatment. Dalam studi paralel lainnya, improving rekayasa reaksi menghasilkan MDF dengan peningkatan kekuatan ikatan internal dan mengurangi pembengkakan dalam air. Baik laccase dan peroksidase menghasilkan papan MDF yang memenuhi standar Eropa CIN DIN 622-5. Penggunaan seluruh kultur fermentasi terbukti menghasilkan MDF dengan kekuatan dua kali lipat dibandingkan dengan yang diperoleh oleh laccase T. versicolor yang dimurnikan, menunjukkan bahwa molekul fenolik di seluruh kultur membantu dalam ikatan silang. Baru-baru ini, Widsten et al. menggunakan laccase dan penambahan wax ke formulasi asam tanat-laccase dapat meningkatkan stabilitas dimensi papan serat.

Improving sifat kertas

Aplikasi laccase dan peroksidase dalam industri pulp dan kertas telah dipelajari secara intensif untuk biopulping, biobleaching, dan proses penghilangan tinta pada air dan pengolahan limbah. Namun, penelitian terbaru telah bergeser ke arah fungsionalisasi pulp untuk menghasilkan produk kertas baru. Grafting senyawa fungsional dengan bantuan enzim ke pulp memberikan peluang baru untuk mengubah sifat fisikokimia dari produk kertas yang dihasilkan. Tren baru-baru ini adalah pengembangan bahan kemasan fungsional dengan sifat antimikroba yang bertujuan mengurangi kebutuhan untuk memasukkan agen antimikroba ke dalam makanan. Aplikasi utama laccase dan peroksidase dalam meningkatkan sifat kertas dirangkum dalam Tabel di bawah ini.

Molekul Fungsional	Produk
Vanillic acid, catechol, mimosa tannin dan tannic acid onto TMP	Kertas dengan peningkatan tensile strength dan water resistance
Kraft lignin + spruce sulfite pulp	Pandsheets dengan tear dan wet strength lebih tinggi
Beech TMP fibres + ferulic acidarabinoxylan dimer	Kertas dengan peningkatan wet strength dan penurunan bulk thickness
Acrylamide + lignin	Partikulat seperti Fibril
Unbleached high-yield pulp	Peningkatan wet strength dari kraft paper yang didapatkan dari unbleached high-yield pulp
Lignin-rich extractives + high-yield kraft pulp	Peningkatan wet strength
Low Mw phenolics + high-kappa pulps	Peningkatan kekuatan kertas yang terbuat dari high-kappa pulps
Cationic dye phenol celestine blue onto kraft paper	Peningkatan kekuatan kertas kraft high-kappa
Antimicrobial phenols onto unbleached kraft liner fibres	Kertas Handsheet efektif menghambat bakteri gram-positive dan gram-negative
Low-molecular-weight ultra-filtered lignin fraction + kraft pulp	Kraft liner pulp
Amino acids onto high-lignin content pulps to	Peningkatan sifat fisik produk kertas
Methyl syringate + unbleached kraft pulp	Peningkatan Wet tensile strength

Meningkatkan Tampilan Estetika Polimer Lignoselulosa

Gambar di bawah ini menunjukkan beberapa warna indah yang diperoleh dari oksidasi laccase senyawa fenolik tak berwarna.

Warna yang indah setelah oksidasi laccase/peroxidase berbagai monomer lignin (2,6-dimethoxyphenol, syringaldazine, sinapic acid, cafeic acid)