Fungsionalisasi Lignin secara Enzimatik

Enzim saat ini banyak dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi, diantaranya untuk memfungsionalisasikan lignin yang sangat melimpah di alam.

1.       Enzim untuk fungsionalisasi Lignin

a.       Heme Peroxidase

·         Peroksidase (EC 1.11.1.7) adalah enzim yang mengandung iron(III) protoporphyrin IX, tersebar pada tanaman, mikroorganisme, dan hewan. Fungsi pada tanaman yaitu metabolisme asam indole-3-asetat, lignifikasi, crosslinking polimer dinding sel, pembentukan suberin dan resistensi terhadap infeksi.

·         Lignin peroksidase (LiPs) dan mangan peroksidase (MnP) tersebar luas pada jamur. Pada jamur, LiP terlibat dalam degradasi unit lignin non-fenolik yang menyusun 90% polimer lignin, sementara MnP menghasilkan Mn³⁺, yang bertindak sebagai pengoksidasi yang dapat terdifusi yang menyerang unit fenolik dan non-fenolik pada lignin.

·         Heme peroksidase mengkatalisis oksidasi beberapa zat organik (fenol) menggunakan hidrogen peroksida atau beberapa hidroperoksida. Mekanisme katalitiknya melibatkan oksidasi dua elektron dari bagian heme menjadi intermediet (senyawa I). Reduksi satu elektron secara berturut-turut mengembalikan enzim pada resting state menggunakan perantara kedua (senyawa II) menghasilkan radikal bebas. Reaksi ini memerlukan H₂O₂ sebagai kofaktor untuk oksidasi lignin.

b.       Laccase

·         Laccase (benzenediol: oksigen oksidoreduktase, EC 1.10.3.2) adalah enzim multicopper yang mengkatalisis reaksi oksidasi berbagai substrat, seperti fenol, polifenol, anilin, aril diamina, methoxy-substituted phenols, hidroksiindol, benzenethiol, senyawa logam anorganik/organik dengan reduksi oksigen secara simultan menjadi air.

·         Laccase mengkatalisis reduksi empat elektron dari O₂ menjadi air, serta secara simultan mengoksidasi substrat. Laccase bisa ditemukan pada serangga, bakteri, fungi darat dan laut (Ascomycetes, Deuteromycetes, jamur pembusuk dan ektomikoriza, dan Basidiomycetes). Pada serangga dan bakteri, laccase berhubungan dengan sintesis pigmen, sedangkan pada fungi laccase terlibat dalam degradasi lignin.

2.       Fungsionalisasi Lignin

a.       Monomer dan Ikatan pada Lignin

-          Monomer lignin terdiri dari p-coumaryl alcohol, coniferyl alcohol dan sinapyl alcohol. Tiga monolignol tersebut berbeda dalam tingkat metoksilasi, dan dikatalisis oleh peroksidase dan/atau laccase untuk membentuk unit p-hidroksifenil (H), guaiacyl (G), dan syringyl (S).

-          Lignin adalah polimer terbanyak kedua di bumi, menyusun 30% karbon organik nonfosil dan merupakan produk sampingan utama industri pulp dan kertas. Namun, hanya 2% lignin digunakan sebagai campuran polimer dalam konstruksi, perekat, dan lain-lain.

-          Pemanfaatan lignin terhambat oleh heterogenitas fisikokimia lignin sehingga tidak dapat bercampur karena rendahnya entropi. Diperlukan modifikasi untuk meningkatkan reaktivitasnya, mengurangi heterogenitas dan meningkatkan sifat dispersi. Kemampuan oksidoreduktase (peroksidase dan lakase) untuk mengoksidasi lignin berpotensi untuk pemanfaatan  lignin teknis dalam sintesis berbagai polimer fungsional.

-          Grafting molekul fungsional pada lignin bisa dilakukan untuk sulfonasi, penambahan florofenol, akrilamida, asam lemak, epoksida, akrilamina rantai panjang, molekul mengandung amino, dan hyperbranced tris (2-mercaptoetil)amina.

b.       Tipe Lignin Teknis

-          Kraft : Sebagian besar lignin diproduksi dengan proses pembuatan pulp kraft sebagai produk sampingan dalam industri kertas. Proses kraft memecah lignin dengan pelarut alkali yang kuat (natrium hidroksida dan natrium sulfida cair). Lignin yang dihasilkan Kraft sangat hidrofobik dan memiliki kandungan sulfur tinggi sekitar 1–2% berat.

-          Ligninsulfonate : Dalam proses sulfit, kayu atau biomassa bereaksi dengan kalsium atau magnesium sulfit (125–150^oC, 3–7 jam) diikuti perlakuan asam sebagai pengganti pelarut alkali pada pembuatan pulp kraft. Lignosulfonat kaya gugus hidroksil dan sulfonat, larut dalam air dan memiliki kandungan sulfur lebih tinggi, sekitar 5% berat.

-          Soda : Proses soda adalah metode pembuatan pulp tertua dan sekarang digunakan untuk mengolah bahan non-kayu. Lignin Soda pulp bebas dari belerang sehingga lebih mirip lignin alami sehingga aplikasinya lebih ekonomis.

-          Organosolv : Organosolv menggunakan pelarut organik untuk mengekstraksi lignin dari biomassa dengan adanya katalis asam atau basa. Pelarut organik seperti etanol, metanol, dan asam format atau katalis basa digunakan dalam proses ini. Organosolv lignin bersifat hidrofobik, bebas sulfur, dan memiliki berat molekul rendah, sedangkan penggunaan pelarut organik meningkatkan biaya proses dan menurunkan nilai ekonomis.

c.        Faktor yang mempengaruhi aplikasi industri lignin

1.       Reaktivitas, yang dipengaruhi oleh jumlah gugus hidroksil dan ketersediaan situs reaksi pada struktur aromatik. 

2.       Sifat dan posisi gugus samping, misalnya metil/metoksil, gugus asetil atau rantai samping alifatik lainnya. Misalnya, p- dan m-substituted phenolics telah banyak digunakan sebagai substrat yang baik untuk polimerisasi oksidatif. 

3.       Gugus substituen yang dominan, baik gugus akseptor elektron atau gugus donor elektron (gugus donor elektron meningkatkan aktivitas laccase dan peroksidase, sedangkan gugus akseptor elektron memiliki efek negatif). 

4.       Jenis lignin (lignin terkondensasi atau mudah terhidrolisis) 

5.       Metode yang digunakan untuk memperoleh lignin, misalnya kraft (tidak larut dalam air) dan ligno suphonat (larut dalam air).

d.       Aplikasi Grafting Lignin

-          Resin Fenolik dapat dihasilkan dari grafting molekul fungsional pada lignin menghasilkan berbagai produk dengan berbagai aplikasi seperti sebagai bahan pelapis, perekat, laminasi, molding, dan insulasi.

-          Kopolimer hibrida dari lignin teknis dan prekursor silan dapat digunakan sebagai bahan pelapis atau perekat

-          Perlakuan terhadap kayu yang dibusukkan oleh brown-rot fungi dengan adanya natrium borohidrida diikuti dengan pencampuran dengan polietilenimin menghasilkan perekat kayu yang bebas formaldehida, kuat dan tahan air.

-          Polimerisasi lignokatekol dan lignokresol yang dimediasi peroksidase menghasilkan resin fenolik yang memiliki potensi aplikasi sebagai agen pengikat dan bahan rekayasa.

-          Grafting akrilamida pada lignin berpotensi menghasilkan produk baru, misalnya plastik.