Development of bioactive paper based on Trametes versicolor laccase

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2010
Major/Subject
Biokemia ja mikrobiologia
Mcode
Kem-30
Degree programme
Language
en
Pages
viii + 98 + [2]
Series
Abstract
The aim of this thesis was to develop bioactive paper based on Trametes versicolor laccase enzyme. Bioactive paper is a paper or paper-like product that includes functionalities based on selective reactions of bioactive compounds, such as enzymes. Laccases catalyze the oxidation of many phenolic substrates with simultaneous reduction of oxygen to water. Many of laccase substrates, such as ABTS (2,2'-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6- sulphonic acid)) also change colour while oxidizing. Therefore, laccase based bioactive paper could be used for oxygen scavenging and oxygen indicating applications. These applications are further explored by reviewing previous studies and inventions. In this study, the bioactive ink composition was first developed. The stability and activity of T. versicolor laccase was determined on various solutions. Next, T. versicolor laccase was coated on different substrates with various polymers with and without additives. Various ink compositions and coating substrates were compared by evaluating the laccase activity of paper samples containing the different bioactive coatings. Besides, the surface profile of the paper samples was investigated by measuring roughness with profilometer. Finally, the indicator performance was examined. The colour changing reaction of ABTS was observed visually and instrumentally by applying ABTS solution to the papers containing laccase based ink. Based on the determination of the optimum pH for T. versicolor laccase activity (pH < 4.5 with ABTS substrate) and stability (pH 7 - 9), pH 6 was chosen for further use. Sulfo polyester resin, HZ1100D was a favourable coating component. The tests proved that laccase cannot retain its activity long time on papers without any ink. When laccase was coated with HZ1100D, laccase activity typically did not significantly decrease during eight weeks of storage. Additives enhanced the stability of laccase in solutions, but not on the paper with the coating. EUCA paper proved to be a good substrate for laccase based coating. The colour changing reaction of ABTS on EUCA paper was rapid and excellent colour change from colourless to dark green was observed on the paper samples containing laccase. The findings of the study indicate that T. versicolor laccase can be used together with HZ1100D polymer dispersion to prepare functional bioactive paper products. These kinds of bioactive paper products were found to be particularly useful for indicator applications. However, when used in oxygen scavenging applications, calculations suggest that more optimization is needed.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli kehittää bioaktiivista paperia käyttäen Trametes versicolor lakkaasi entsyymiä. Bioaktiivinen paperi on paperi tai paperin kaltainen tuote, jonka toiminta perustuu bioaktiivisten aineiden, kuten entsyymien, selektiivisiin reaktioihin. Lakkaasit katalysoivat monien fenolisten substraattien hapettumista pelkistäen samalla happea vedeksi. Monet lakkaasin substraateista, kuten ABTS (2,2'-atsino-bis- (3-etyylibentsotiatsoliini-6-sulfonihappo)), myös muuttavat väriä hapettuessaan. Lakkaasia sisältävää bioaktiivista paperia voitaisiin siten käyttää hapenpoisto- ja happi-indikaattorisovelluksissa. Näitä sovelluksia on tarkemmin käsitelty tarkastelemalla aikaisempia tutkimuksia ja keksintöjä. Tässä työssä kehiteltiin ensin bioaktiivinen musteseos. T. versicolor lakkaasin aktiivisuus ja stabiilisuus määritettiin erilaisissa liuoksissa. Seuraavaksi T. versicolor lakkaasilla päällystettiin erilaisia papereita erilaisten polymeerien kanssa ilman lisäaineita ja lisäaineiden kanssa. Erilaisia musteseoksia ja päällystysalustoja verrattiin määrittämällä lakkaasin aktiivisuus bioaktiivisilla päällysteillä päällystetyistä paperinäytteistä. Lisäksi paperinäytteiden pintaprofiilia tarkasteltiin mittaamalla pinnan karheus profilometrillä. Lopuksi indikaattorin toimintakykyä tutkittiin tarkastelemalla ABTS:n värinmuutosreaktiota visuaalisesti ja koneellisesti lisäämällä ABTS-liuosta lakkaasipohjaisella päällysteellä päällystetyille papereille. T. versicolor lakkaasille määritettiin optimiaktiivisuus pH (pH < 4.5, kun ABTS substraattina) ja optimistabiilisuus pH (pH 7 - 9). Määrityksiin perustuen valittiin pH 6 käytettäväksi. Sulfopolyesteri resiini HZ1100D osoittautui hyväksi päällysteaineeksi. Testit osoittivat, ettei lakkaasi pysy kauaa aktiivisena paperilla ilman mustetta. Kun lakkaasi päällystettiin HZ1100D:n kanssa, aktiivisuus ei yleensä merkittävästi laskenut kahdeksan viikon säilytyksen aikana. Lisäaineet paransivat lakkaasin stabiilisuutta liuoksissa, mutta eivät paperilla. EUCA-paperi osoittautui hyväksi pohjapaperiksi lakkaasipäällysteelle. ABTS:n värinmuutosreaktio EUCA paperilla oli nopea ja erinomainen: värinmuutos värittömästä tummanvihreään havaittiin lakkaasia sisältävissä papereissa. Työn tulokset osoittavat, että T. versicolor lakkaasi soveltuu hyvin käytettäväksi HZ1100D:n kanssa bioaktiivisien paperituotteiden valmistamiseen. Tällaiset bioaktiiviset paperituotteet soveltuisivat erityisen hyvin indikaattorisovelluksiin. Laskelmat osoittavat, että hapenpoistosovellusta varten tätä bioaktiivista paperia pitäisi vielä optimoida tarkemmin.
Description
Supervisor
Laakso, Simo
Thesis advisor
Smolander, Maria
Keywords
laccase, lakkaasi, bioactive paper, bioaktiivinen paperi, indicator, indikaattori, oxygen scavenging, hapen poistaja
Other note
Citation