Ứng dụng tiến bộ công nghệ sinh học trong một số công đoạn của quá trình tiền thuộc da là một công nghệ đầy hứa hẹn. Enzyme là chất xúc tác sinh học được cấu tạo bởi các phân tử protein, có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng hóa học. Enzyme có nguồn gốc chủ yếu từ vi sinh vật, bao gồm các enzyme thủy phân và oxy hóa nằm trong hệ thống enzyme nội bào và ngoại bào của vi sinh vật. Chúng được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: thực phẩm, y dược, dệt may, da giầy, mỹ phẩm, nông nghiệp, vv... Đối với ngành công nghiệp thuộc da, hệ enzyme thủy phân tác dụng hiệp đồng (protease, amylase, collagenase, lipase và keratinase) không chỉ thay thế các hóa chất độc hại (Na₂S, Ca(OH)₂, axít, các muối vô cơ, vv...) trong công đoạn tiền thuộc da theo phương pháp truyền thống mà còn thay thế các hóa chất truyền thống trong một số công đoạn (ngâm vôi, tẩy vôi) hướng tới tinh gọn quy trình nhằm rút ngắn thời gian, nâng cao chất lượng da thuộc thành phẩm và góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1. Giới thiệu

       Ngày nay, luật bảo vệ môi trường ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn do lo ngại về những tác động tiêu cực đến môi trường đối với tất cả các ngành công nghiệp. Hơn nữa, với xu hướng hội nhập quốc tế, Việt Nam đang tham gia các Hiệp định thương mại tự do (FTA) tạo điều kiện nâng cao chất lượng, mẫu mã hàng hóa xuất khẩu, đồng thời được nhận nhiều ưu đãi về hàng rào thuế quan khi đáp ứng được các rào cản kỹ thuật áp đặt từ các nước nhập khẩu (Mỹ, EU, Nhật Bản, vv…). Trong đó, hàng hóa xuất khẩu vào các thị trường phải đáp ứng quy định theo đạo luật hạn chế hóa chất độc hại (Reach) của Liên minh Châu Âu [1]. Quy định các hóa chất có đặc tính nguy hiểm được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm tiêu dùng sẽ bị hạn chế bắt đầu từ năm 2012 và bị cấm từ năm 2020.

       Hiện nay, nhiều giải pháp thay thế đã được nghiên cứu để giảm tải lượng ô nhiễm tại các doanh nghiệp thuộc da như: thay đổi công nghệ, giảm thiểu hoặc thay thế hóa chất độc hại, tái sử dụng chất thải nhằm tạo ra các sản phẩm mới có giá trị [2]. Trong số các giải pháp thay thế, việc sử dụng chất xúc tác sinh học (enzyme thủy phân) có nguồn gốc vi sinh vật (nấm, vi khuẩn) là lựa chọn hiệu quả do rút ngắn thời gian, nâng cao chất lượng da thuộc và góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

2. Khái niệm Công nghệ sinh học

       Công nghệ sinh học là tập hợp các ngành khoa học (Sinh học phân tử, Di truyền học, Vi sinh vật học, Sinh hoá học và Công nghệ học) nhằm tạo ra các công nghệ khai thác ở quy mô công nghiệp dựa trên các hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật. Công nghệ sinh học có tác động đến các lĩnh vực sản xuất công - nông nghiệp rất đa dạng, cung cấp việc làm mới, tạo ra các giống thực vật kháng bệnh, chống chịu điều kiện thời tiết cực đoan, tạo ra các loại vật liệu mới có khả năng phân hủy sinh học hay sản xuất nhiên liệu sinh học và các lĩnh vực khác đảm bảo hiệu quả cao và ít gây ô nhiễm môi trường [3]. Theo nghiên cứu của Tổ chức Hợp tác và phát triển kinh tế Châu Âu (OECD) cho thấy việc áp dụng tiến bộ khoa học trong lĩnh vực công nghệ sinh học ngày càng tăng trong một số lĩnh vực như sản xuất giấy, dệt may, da giầy, vv…[4].

3. Xúc tác sinh học (enzyme)

       Chất xúc tác sinh học hay enzyme có bản chất protein không độc hại, có hoạt lực xúc tác mạnh và khá phổ biến trong tự nhiên, cần thiết cho rất nhiều quá trình hóa học trong tế bào sinh vật sống. Tính đặc hiệu cao của một enzyme được xác định bởi kích thước và cấu trúc ba chiều của nó, tạo ra vùng ái lực đối với cơ chất [5]. Trong cơ thể, hầu hết tất cả các phản ứng đặc trưng cho quá trình trao đổi chất được xúc tác bởi các enzyme. Nhờ enzyme mà các quá trình sinh hóa trong cơ thể sống xảy ra rất nhạy với tốc độ lớn trong điều kiện bình thường. Khi có enzyme xúc tác, tốc độ của một phản ứng có thể tăng hàng triệu lần. Nếu tế bào không có các enzyme thì các hoạt động sống không thể duy trì được vì tốc độ của các phản ứng sinh hoá xảy ra quá chậm. Theo nghiên cứu, tổng số enzyme ước tính khoảng 6.000-7.000, trong đó chỉ có khoảng 130 trong số này được sử dụng cho mục đích công nghiệp. Hầu hết các enzyme có nguồn gốc từ vi sinh vật có xu hướng ổn định hơn so với các enzyme ở thực vật và động vật [6].

Bảng 1: Phân loại enzyme theo loại phản ứng có xúc tác

4. Ứng dụng Enzyme

       Hiện nay, việc sản xuất chế phẩm enzyme đã và đang phát triển mạnh mẽ trên quy mô công nghiệp, không ngừng tăng về khối lượng, chủng loại và lĩnh vực ứng dụng. Thực tế đã có hàng nghìn chế phẩm enzyme bán trên thị trường trong và ngoài nước, các chế phẩm này đã được khai thác và tinh chế có mức độ tinh khiết cao theo tiêu chuẩn công nghiệp. Các chế phẩm enzyme được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như làm chất tẩy rửa, dược phẩm, y dược, thực phẩm, dệt may, mỹ phẩm, da giầy, nông nghiệp và các lĩnh vực khác. Do vậy, enzyme là một thành phần quan trọng trong phát triển công nghiệp bền vững, trong thực tế việc sử dụng chất xúc tác sinh học từ vi sinh vật sống hoặc enzyme tinh khiết để loại bỏ hoặc biến đổi các chất gây ô nhiễm môi trường thành các dạng ít độc hại diễn ra hiệu quả, tiết kiệm thời gian và kinh phí cho doanh nghiệp [7].

• Hệ enzyme sử dụng trong quá trình sản xuất sạch hơn ngành thuộc da

       Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ sinh học, enzyme đã được sử dụng trong ngành công nghiệp thuộc da và đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng. Việc sử dụng hỗn hợp các enzyme thủy phân (protease, lipase, collagenase, amylase và keratinase) tác dụng hiệp đồng sẽ thay thế và giảm thiểu các hóa chất độc hại (Na₂S, Ca(OH)₂, axít, các muối cô cơ, vv...) được sử dụng theo phương pháp truyền thống trong công đoạn tiền thuộc da. Hơn nữa, khi tích hợp hệ enzyme thủy phân vào quy trình công nghệ sẽ tăng hiệu quả loại bỏ mỡ, tách lông và các chất phi collagen trong phần hạ bì của da, đồng thời thay thế các hóa chất trong một số công đoạn (ngâm vôi, tẩy vôi) hướng tới tinh gọn quy trình nhằm rút ngắn thời gian, nâng cao chất lượng da và góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường [8]. Nguồn gốc và chức năng của hỗn hợp các enzyme thủy phân chính tham gia vào quá trình sản xuất da thuộc, bao gồm:

Protease:

         Protease (EC.3.4.21.62) là nhóm enzyme thủy phân có khả năng cắt mối liên kết peptide (-CO~NH-) trong các phân tử polypeptide, protein và một số cơ chất khác tương tự thành các amino acid tự do hoặc các peptide phân tử thấp. Do protease kiềm từ Bacillus được tạo thành với lượng lớn, có đặc tính bền vững, hoạt động tốt với nhiệt độ và pH cao nên chúng được ứng dụng ở nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Quá trình tiền thuộc da bao gồm một số công đoạn như: hồi tươi, ngâm vôi, xẻ da, tẩy lông, tẩy trắng và axít hóa. Thông thường các phương pháp thuộc da thường dùng các hóa chất độc hại như natri sunfit (Na₂S), làm ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến chất lượng nguồn nước  khi thải ra môi trường. Việc sử dụng enzyme để thay thế hay giảm thiểu các hóa chất độc hại đã rất thành công trong việc nâng cao chất lượng da và làm giảm ô nhiễm môi trường. Protein là một thành phần cơ bản của da và lông nên protease đã được sử dụng để thủy phân một số thành phần phi collagen của da. Dưới tác dụng của protease các chất nhờn được tách ra, một số chất phi collagen bị phá hủy và loại bỏ các protein không hòa tan như albumin, globulin trong quá trình thuộc da rất hiệu quả. Do vậy, các thuộc tính của da có độ mềm nhất định, cải thiện độ bền kéo và độ giãn dài.

Keratinases:

       Keratin là protein chiếm thành phần chính cấu tạo nên lớp biểu bì của da, chúng tồn tại chủ yếu trong da, lông và móng của động vật. Keratinase giúp loại bỏ lông trên bề mặt da, rút ngắn thời gian, không gây ô nhiễm môi trường và làm da có chất lượng tốt hơn. Việc xử lý được tiến hành bằng cách ngâm da trong dung dịch enzyme. Enzyme sẽ tách các chất nhờn và làm đứt gãy một số liên kết trong phân tử collagen làm cho da mềm hơn. Thực tế cho thấy, khi xử lý da bằng hỗn hợp chế phẩm enzyme (protease và keratinase) từ vi sinh vật có thể rút ngắn thời gian làm mềm và tách lông xuống nhiều lần. Chế phẩm enzyme có thể sử dụng trong nhiều công đoạn sản xuất da thuộc như: hồi tươi, tẩy lông (loại bỏ lông và tạo cấu trúc mở cho da), làm mềm (loại bỏ các protein không cần thiết), tẩy mỡ (loại bỏ mỡ trong da). Lông không cần xử lý thêm sau khi ngâm trong dịch enzyme do chất béo được tách hết trước đó. Như ta biết, Lông có lượng protein keratin thô rất cao (90-95%), nhưng phần lớn protein trong lông không hòa tan trong nước. Mặc dù rất khó bị phân hủy, nhưng các chất thải keratin vẫn bị phân hủy bởi các chủng vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp keratinase. Do vậy, enzyme thủy phân lông có nguồn gốc từ vi sinh vật đang là hướng nghiên cứu mới rất được quan tâm.

Lipase:

       Hầu hết các lipase hiện đang được sản xuất từ nấm và nấm men, nhưng sự quan tâm đến lipase ở vi khuẩn tăng do tính ổn định cao hơn khi tiếp xúc với nhiệt độ cao hoặc các điều kiện khắc nghiệt so với các enzym từ nguồn khác. Lipase xúc tác quá trình thủy phân triglycerid thành glycerol và các axit béo tự do nhờ hoạt động trên bề mặt giữa pha dầu và nước, có hoạt tính mạnh đối với các chất không tan trong nước, ưa dầu mỡ, thể hiện hoạt tính bề mặt. Hoạt động mạnh trong hệ nhũ hóa, đặc biệt là hệ nhũ đảo (nước trong dầu) có khả năng chịu kiềm và nhiệt. Lợi thế của việc dùng lipase là màu sắc da được giữ nguyên và loại sạch các chất béo trên bề mặt da. Lipase cũng cải thiện tính không thấm nước và da không bị vết hoen ố như sử dụng dung môi và chất hoạt động bề mặt [10].

Amylases:

       Amylase có tác dụng phân cắt và chuyển hóa chất béo, tinh bột và protein, chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Amylase được ứng dụng trong các ngành công nghiệp như dệt, bột giấy và giấy, da giầy, chất tẩy rửa, bia, bánh mì, thức ăn gia súc, vv…. Enzym này có thể được tinh sạch từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm thực vật, động vật và chủ yếu ở vi sinh vật để sử dụng cho quy mô công nghiệp. Trong quá trình thuộc da, amylase có thể sử dụng để tạo ra các lỗ rỗng trong cấu trúc dạng sợi của da sống [11].

Collagenase:

       Collagenase bao gồm một chuỗi polypeptide đơn có chiều dài xấp xỉ 1,000 amino acid. Trong số các axit amin bên trong cấu trúc collagen, phổ biến nhất là hydroxyproline (11,28%), prolin (11,77%), glyxin (33,43%), alanin (11,97%) và arginine (5,04%). Collagenase là một protease cắt liên kết giữa amino axít trung tính (X) và glycine trong trình tự Pro-X-Gly-Pro. Trình tự này xuất hiện với tần số cao trong protein collagen. Collagenase là protein duy nhất có khả năng phá vỡ cấu trúc các sợi collagen tự nhiên xoắn bậc ba, được thấy trong các mô liên kết như da, gân, mạch máu và xương. Chúng phá vỡ liên kết giữa axit amin proline và các axit amin khác. Do đó, hàm lượng hydroxyproline thường được sử dụng làm chỉ thị để xác định nồng độ collagen trong da. Trong quá trình thuộc da, việc sử dụng collagenase làm tăng khả năng hấp thụ tannin và khuếch tán tannin vào da tốt hơn, làm da mềm và bóng hơn [12].

Bảng 2: Các công đoạn trong quy trình thuộc da có thể sử dụng enzyme thay thế

5. Kết luận

      Quá trình thuộc da vẫn là một lĩnh vực đầy thách thức liên quan đến phát triển bền vững và áp dụng công nghệ sản xuất sạch hơn. Hệ enzyme thủy phân tác dụng hiệp đồng có thể được sử dụng như một công nghệ mới thay thế cho phương pháp truyền thống bởi vì các enzyme là tự nhiên, an toàn và tốt hơn cho môi trường. Vì vậy, trong tương lai cần có những nghiên cứu sâu hơn liên quan chất xúc tác sinh học trong ngành công nghiệp thuộc da. Việc sử dụng enzyme để loại bỏ lông, mỡ và các chất phi collagen trong quá trình tiền thuộc da cho thấy kết quả đầy hứa hẹn và giảm ô nhiễm của chất thải hữu cơ (rắn, lỏng) trong quá trình sản xuất. Hơn nữa, sử dụng enzyme cũng góp phần làm giảm thời gian, tăng chất lượng da thuộc thành phẩm thông qua độ mềm, độ bền kéo giãn của da được cải thiện và thân thiện môi trường.

Tác giả:

TS. Vũ Đình Giáp

Phòng nghiên cứu Khoa học & Công nghệ, Viện Nghiên cứu Da-Giầy, Bộ Công thương

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. https://ec.europa.eu/environment/chemicals/reach/reach_en.htm.
2. Saravanabhavan, S., Aravindhan, R., Thanikaivelan, P., Rao, J.R., Nair, B.U; Green Solution for Tannery Pollution: Effect of Enzyme Based Lime-Free Unhairing and Fibre Opening in Combination with Pickle-Free ChromeTanning. Green Chem., 5, 707-714, 2003.
3. http://www.guiabrasileirodocouro.com.br/dados-estatisticos.
4. Whiteley, C.G., Lee, D.J; Enzyme Technology And Biological Remediation. Enzyme Microb. Technol., 38, 291-316, 2006.
5. Van. Beilen; Enzyme Technology: An Overview: Curr Opin Biotechnol., 13, 338–344, 2002.
6. Kreysa,G., Marquardt, R: Biotechnology: From de Transparent Cell to Custom. Designed Process, 53-57, 2005.
7. Whiteley, C.G., Lee, D.J: Enzyme Technology And Biological Remediation. Enzyme Microb Technol., 38, 291-316, 2006.
8.  Jian. S., Wenyi, T., Wuyong, C: Ultrasound-accelerated enzymatic hydrolysis of solid leather waste. J. Cleaner Prod., 16, 591-597, 2008.
9. Kumar, C.G., Takagi, H: Microbial Alkaline Proteases: Froma Bioindustrial Viewpoint Biotechnol Adv., 17, 561-594, 1999.
10. Lotrakul, P., Dharmsthiti, S: Purification And Characterization of Lipase from Aeromonas sobria LP004. J. Biotechnol., 54,113-120,1997.
11. Thanikaivelan, P., Chandrasekaran, B., Bharath, C.K., Anandhi, C: Single Step of Hair Removal and Fiber Opening Process: Simultaneous and Successive Addition of Protease and Alpha-Amylase. JALCA., 101, 388-398, 2006.
12. Kanth, S.V., Venba, R., Madhan, B., Chandrababu, N.K., Sadulla, S: Cleaner Tanning Practices for Tannery Pollution Abatement: Role of Enzymes in Eco-Friendly Vegetable Tanning. J Cleaner Prod., 17, 507-515, 2009.

13. TS. Vũ Đình Giáp

    Phòng nghiên cứu Khoa học & Công nghệ, Viện Nghiên cứu Da-Giầy, Bộ Công Thương