Tài liệu Nghiên cứu sản xuất oligo cellulose kích thích sinh trưởng thực vật từ bã rong trong sản xuất agar

MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 3 1.1. Nguyên liệu rong biển và tình hình sản xuất agar ......................................... 3 1.2. Quy trình công nghệ sản xuất agar ............................................................... 4 1.3. Thành phần cơ bản trong bã rong ................................................................ 8 1.4. Các phương pháp xử lý bã rong ................................................................ ...8 1.5. Cellulose và oligo cellulose ......................................................................... 9 1.5.1. Cellulose............................................................................................. 9 1.5.2. Oligo saccharide ............................................................................... 12 1.5.3. Các phương pháp sản xuất oligo cellulose ........................................ 13 1.6. Enzyme Cellulase....................................................................................... 14 1.6.1. Định nghĩa và phân loại ................................................................... 14 1.6.2. Tính chất.......................................................................................... 16 1.6.3. Cơ chế thủy phân cellulose .............................................................. 16 1.7. Ứng dụng của oligo cellulose vào thực vật ................................................. 17 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................. 19 2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 19 2.1.1. Bã rong................................................................................................ 19 2.1.2. Enzyme ............................................................................................... 19 2.1.3. Hạt đậu xanh ....................................................................................... 21 2.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 22 2.2.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm ............................................................ 22 2.2.2. Phương pháp cảm quan ....................................................................... 30 2.2.3. Phương pháp phân tích hoá học ........................................................... 30 2.2.4. Phương pháp phân tích xử lý số liệu.................................................... 30 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................ 31 3.1. Thành phần bã rong của các quy trình sản xuất agar .................................. 31 3.2. Nghiên cứu chế độ thủy phân bã rong .......................................................33 3.2.1. Nghiên cứu thăm dò pH thủy phân thích hợp....................................... 33 3.2.2. Nghiên cứu thăm dò nhiệt độ thủy phân thích hợp ............................... 35 3.2.3. Nghiên cứu thăm dò thời gian thủy phân thích hợp.............................. 37 3.2.4. Nghiên cứu thăm dò tỷ lệ enzyme/bã rong thích hợp ........................... 39 3.3. Tối ưu hóa quá trình thủy phân bã rong ..................................................... 42 3.4. Đề xuất quy trình ...................................................................................... 44 3.5. Sản xuất thử theo quy trình đề xuất và đánh giá chất lượng sản phẩm thu được 45 3.6. Đánh giá hiệu quả quy trình ...................................................................... 46 3.6.1. Về mặt kinh tế..................................................................................... 46 3.6.2. Về môi trường..................................................................................... 47 3.7. Bước đầu đánh giá khả năng ứng dụng oligo cellulose làm chất kích thích sinh trưởng thực vật ...................................................................................... 48 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN .................................................................. 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 54 PHỤ LỤC 1. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................. 58 PHỤ LỤC 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ........................................... 67 PHỤ LỤC 3. HÌNH ẢNH MỘT SỐ THIẾT BỊ DÙNG TRONG QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU..................................................................................................... 83 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT B505 : Bacillus subtilis VTCC-B-505 CMC : Carbonyl - methyl cellulose C.ty : Công ty ĐC : Đối chứng FAO h : Food and Agriculture Organization : Giờ MS : Murashige-Skoog NC : Nghiên cứu NXB : Nhà xuất bản TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam ThS : Thạc sĩ TNHH : Trách nhiệm hữu hạn TB : Trung bình τ : Thời gian (h) toC : Nhiệt độ (oC) v/w : Tỷ lệ eznzyme/cơ chất (ml/g) DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3-1. Tỷ lệ bã rong/sản phẩm theo vùng nguyên liệu...................................... 31 Bảng 3-2: Thành phần hóa học của bã rong ........................................................... 32 Bảng 3-3: Thành phần kim loại nặng trong bã rong ............................................... 32 Bảng 3-4. Mức thí nghiệm của các yếu tố.............................................................. 42 Bảng 3-5. Ma trận trực giao cấp một, ba yếu tố ..................................................... 42 Bảng 3-6. Kết quả tối ưu hóa công đoạn thủy phân bã rong ................................... 43 Bảng 3-7. Kết quả đánh giá chất lượng cảm quan oligo cellulose .......................... 45 Bảng 3-8. Kết quả phân tích tỷ tệ các thành phần có trong oligo cellulose ............. 45 Bảng 3-9. Kết quả kiểm tra vi sinh vật của sản phẩm oligo cellulose ..................... 46 Bảng 3-10. Biến đổi khối lượng sản phẩm qua các công đoạn ............................... 46 Bảng 3-11. Chi phí nguyên vật liệu tính cho 1 kg sản phẩm .................................. 47 Bảng 3-12. Bảng mô tả thang điểm cảm quan của oligo cellulose.......................... 58 Bảng 3-13. Kết quả thí nghiệm thăm dò pH thủy phân thích hợp........................... 59 Bảng 3-14. Kết quả thí nghiệm thăm dò nhiệt độ thủy phân thích hợp ................... 59 Bảng 3-15. Kết quả thí nghiệm thăm dò thời gian thủy phân thích hợp.................. 60 Bảng 3-16. Kết quả thí nghiệm thăm dò tỷ lệ enzyme/bã rong thích hợp ............... 60 Bảng 3-17. Mức thí nghiệm của các yếu tố ............................................................ 61 Bảng 3-18. Ma trận trực giao cấp một, ba yếu tố ................................................... 61 Bảng 3-19. Bảng kết quả tính toán hệ số hồi quy ................................................... 62 Bảng 3-20. Bảng kết quả tính hệ số chuẩn Student ................................................ 62 Bảng 3-21 Số liệu dùng để tính toán S2dư ............................................................... 63 Bảng 3-22. Kết quả tối ưu hóa công đoạn thủy phân bã rong ................................. 65 Bảng 3-23. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu môi trường cơ bản của nước thải ..... 65 Bảng 3-24. Ảnh hưởng của oligo cellulose lên khả năng sinh trưởng của đậu xanh .... 66 Bảng 3-25. Nội dung sáu bậc đánh giá cho một chỉ tiêu cảm quan......................... 72 Bảng3-26. Bảng điểm cảm quan ............................................................................ 73 Bảng 3-27. Bảng phân cấp chất lượng sản phẩm theo TCVN 3215 – 79. ............... 73 Bảng 3-28. Giá trị giới hạn các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp. ................................................................................. 75 DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1-1. Rong câu (Gracilaria Verrucosa) ............................................................ 3 Hình 1-2. Cấu trúc cellulose và mạng lưới liên kết hydrogen [6] ............................10 Hình 1-3. Sự sắp xếp các chuỗi cellulose trong thành tế bào thực vật [33] ..............11 Hình 2-1. Bã rong...................................................................................................19 Hình 2-2. Enzyme B505 .........................................................................................20 Hình 2-3. Hạt đậu xanh...........................................................................................21 Hình 3-1. Ảnh hưởng của pH đến chất lượng cảm quan của oligo cellulose............34 Hình 3-2. Ảnh hưởng của pH đến hàm lượng đường khử của oligo cellulose..........34 Hình 3-3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng cảm quan của oligo cellulose....36 Hình 3-4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng đường khử của oligo cellulose..36 Hình 3-5. Ảnh hưởng của thời gian đến chất lượng cảm quan của oligo cellulose .......38 Hình 3-6. Ảnh hưởng của thời gian đến hàm lượng đường khử của oligo cellulose .....38 Hình 3-7. Ảnh hưởng của tỷ lệ enzyme/bã rong đến chất lượng cảm quan của sản phẩm.......................................................................................................40 Hình 3-8. Ảnh hưởng của tỷ lệ enzyme/bã rong đến hàm lượng đường khử của oligo cellulose..................................................................................................40 Hình 3-9. So sánh các chỉ tiêu môi trường cơ bản của nước thải.............................48 Hình 3-10. Ảnh hưởng của oligo cellulose lên sự sinh trưởng của rễ cây ................49 Hình 3-11. Ảnh hưởng của oligo cellulose lên sự sinh trưởng của thân cây ............49 Hình 3-12. Ảnh hưởng của oligo cellulose lên sinh khối tươi của thân cây .............50 Hình 3-13. Thiết bị thuỷ phân.................................................................................83 Hình 3-14. Máy ly tâm ...........................................................................................84 Hình 3-15. Máy UV xác định đường khử................................................................84 Hình 3-16. Sản phẩm thuỷ phân ở các nồng độ.......................................................85 Hình 3-17. Một số giai đoạn phát triển của cây đậu xanh........................................85 1 MỞ ĐẦU Trên thế giới, sản lượng agar ước tính khoảng 7.000 ÷ 10.000 tấn một năm. Ở Việt Nam, sản lượng rong tươi khoảng 3000 tấn/năm, phần lớn được dùng để sản xuất agar và carrageenan. Hàng năm, nước ta sản xuất khoảng 500 tấn agar, tuy nhiên lượng phế thải hữu cơ trong quá trình chế biến agar rất cao khoảng 6 ÷ 8 tấn bã rong/một tấn sản phẩm. Đặc biệt, bã rong có chứa một lượng nước và chất hữu cơ cao, vì vậy dễ phân hủy gây mùi hôi thối và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Nhiều cơ sở sản xuất đã đổ trực tiếp nguồn bã thải này ra môi trường tự nhiên. Nếu bã rong không được xử lý và tận thu sẽ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và lãng phí nguồn phế liệu. Trong bã rong, cellulose là thành phần hữu cơ chiếm tỷ lệ cao và rất khó bị phân hủy bởi cấu trúc phức tạp của nó. Trên thế giới hiện nay, người ta đã tiến hành xử lý bã rong để làm thức ăn gia súc bằng một số phương pháp thủy phân trong môi trường kiềm hoặc acid. Tuy nhiên việc thủy phân cellulose bằng phương pháp vật lý và hóa học rất phức tạp, tốn kém và gây độc hại cho môi trường. Trong khi đó, việc xử lý các chất thải hữu cơ chứa cellulose bằng công nghệ sinh học, đặc biệt sử dụng các enzyme cellulase ngoại bào từ vi sinh vật sẽ có nhiều ưu điểm về cả mặt kỹ thuật, kinh tế và môi trường. Do vậy, nghiên cứu ứng dụng enzyme cellulase thuỷ phân bã rong trong công nghệ sản xuất agar để sản xuất oligo-cellulose sẽ mang lại hiệu quả kinh tế vì giúp tận dụng lượng phế thải này một cách có hiệu quả. Nhưng quan trọng hơn cả là giúp giảm thiểu nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Ngoài ra còn giúp tiết kiệm chi phí xử lý chất thải cho các nhà máy chế biến agar. Vì vậy việc làm này mang tính cấp bách trong thực tế sản xuất hiện nay. Từ những yêu cầu thực tiễn nêu ra ở trên, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu sản xuất oligo cellulose kích thích sinh trưởng thực vật từ bã rong trong sản xuất agar”. Ý nghĩa khoa học của đề tài: - Sự thành công của đề tài sẽ cơ sở khoa học cho việc tận dụng bã rong từ công nghệ sản xuất agar trong sản xuất oligo cellulose. - Kết quả của đề tài là các kết quả có hệ thống về các thông số thuỷ phân bã rong. 2 - Tạo ra dữ liệu khoa học có giá trị tham khảo cho học sinh, sinh viên, các nhà nghiên cứu chế biến cũng như các nhà sản xuất trong lĩnh vực thuỷ sản, nông nghiệp. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: - Thành công của đề tài sẽ mở ra một hướng mới cho ngành thuỷ sản và nông nghiệp. - Góp phần giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường hiện nay của Việt Nam. - Số liệu của đề tài còn cung cấp thêm các thông số khoa học để bổ sung vào các tài liệu phục vụ cho giảng dạy ngành Công nghệ Chế biến, ngành Công nghệ sinh học và ngành Công nghệ Thực phẩm của Trường Đại học Nha Trang và là cơ sở cho các công trình nghiên cứu tiếp theo. Nội dung nghiên cứu của đề tài: - Khảo sát các thành phần cơ bản của bã rong trong công nghệ sản xuất agar tại Hải Phòng. - Nghiên cứu quy trình ứng dụng cellulase để sản xuất oligo cellulose từ bã rong. - Đánh giá chất lượng sản phẩm oligo cellulose thu nhận được. - Đánh giá hiệu quả của quy trình. - Bước đầu đánh giá khả năng ứng dụng oligo cellulose để làm chất kích thích sinh trưởng. 3 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Nguyên liệu rong biển và tình hình sản xuất agar Rong biển là thực vật thủy sinh có đời sống gắn liền với nước. Chúng có thể là đơn bào, đa bào sống thành quần thể. Chúng có kích thước hiển vi hoặc có khi dài hàng chục mét. Hình dạng của chúng có thể là hình cầu, hình sợi, hình phiến lá hay hình thù rất đặc biệt. Từ lâu, rong biển là đối tượng nghiên cứu của nhiều nước trên thế giới [6,31], chúng là loại thực vật biển quý giá được dùng làm nguyên liệu chế biến nhiều thực phẩm có giá trị cao. Rong Đỏ và rong Nâu là hai đối tượng được quan tâm nghiên cứu và được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp và đời sống. Một số loài rong Đỏ có hàm lượng agar, carrageenan, furcellaran cao [6]. Theo tài liệu FAO, nhóm rong cho agar thuộc ngành rong Đỏ bao gồm các loại như: Gelidium pusillum, Gracilaria asiatica và Acanthopeltis japonica. Rong biển phân bố ở các vùng nước mặn, nước lợ, cửa sông, vùng triền sâu, vùng biển cạn, ... Ở nước ta, có một số vùng chuyên canh trồng rong câu chỉ vàng, thuộc ngành rong Đỏ, như: Phá Tam Giang (Lăng Cô – Thừa Thiên Huế); Đầm Thị Nại (Bình Định); Đầm Ô Loan (Phú Yên) [6,15]. a. Tươi b. Khô Hình 1-1. Rong câu (Gracilaria Verrucosa) 4 Rong câu Gracilaria asiatica loài có giá trị kinh tế cao. Theo báo cáo điều tra khảo sát của chuyên gia tư vấn thuộc chương trình hỗ trợ phát triển nuôi trồng thuỷ sản nước lợ SUMA, sản lượng thu hoạch rong câu Gracilaria asiatica ở nước ta mỗi năm khoảng 5.000 tấn khô, còn theo con số ước tính của tổ chức FAO thì sản lượng này là khoảng 7.000 tấn. Rong câu phân bố chủ yếu ở các địa phương như Hải Phòng, Nam Hà, Thái Bình, Thanh Hoá và Thừa Thiên Huế [11;27]. Sản lượng agar trung bình hàng năm của toàn thế giới là 7.000 ÷ 10.000 tấn/năm. Nam Triều Tiên cung cấp nguyên liệu sản xuất agar chiếm 40% tổng sản lượng toàn thế giới. Sản lượng agar sản Bản và Hàn Quốc). - Châu Âu: 30% (Pháp, xuất tại các nước như sau: - Châu Á: 50% (chủ yếu là Nhật Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha). - Châu Mỹ: 15% (Mỹ, Achentina, Brazil, Chilê). - Châu Phi: 5% (Marốc) [33,15]. Việt Nam bắt đầu sản xuất agar từ 1960 tại Hải Phòng, sau đó triển khai tại Huế, Nha Trang và Thành phố Hồ Chí Minh năm 1976. Nguyên liệu sản xuất agar chủ yếu từ Gracilaria asiatica (rong câu chỉ vàng), Gelidiella acerosa, G. tenuistipitata. Gần đây nhóm nghiên cứu của phân viện Vật liệu Nha Trang đã nghiên cứu dùng G. teteroclada làm nguyên liệu sản xuất agar. Tổng sản lượng agar trên cả nước đạt khoảng 80 ÷ 100 tấn/năm. Hải Phòng là nơi tập trung các xưởng sản xuất agar, tính chung các quy mô khác nhau có khoảng 40 xưởng với tổng sản lượng agar ước tính đạt 500 tấn/năm. Riêng xưởng agar của công ty đồ hộp Hạ Long có thể sản xuất thường xuyên với công suất 50 tấn/năm, một số xưởng sản xuất agar được tư nhân đầu tư sản xuất với công suất trung bình 10 tấn/năm. Lượng phế thải hữu cơ tại các cơ sở sản xuất agar ở Hải Phòng, Thái Bình, Nam Hà khoảng 4.000 tấn. Việc xử lý bã rong đang là vấn đề nan giải cho các nhà máy sản xuất agar. 1.2. Quy trình công nghệ sản xuất agar Khảo sát tình hình sản xuất của một số cơ sở chế biến agar nhận thấy quy mô công nghệ sản xuất agar rất đa dạng, từ quy mô thủ công hộ gia đình có công suất từ 10 ÷ 30kg/ngày đến quy mô bán thủ công có công suất là 100 ÷ 300kg/ngày [4;8;13]. 5 - Quy trình công nghệ sản xuất agar theo quy mô thủ công: Quy mô sản xuất này phổ biến ở các cơ sở ở các tỉnh miền Trung như Huế, Nha Trang. Công suất chỉ khoảng 5 ÷ 10 kg/ngày. Quy mô nhỏ làm theo mùa vụ chủ yếu là bán lẻ cho các cơ sản sản xuất mứt, bánh kẹo, đông sương ở tỉnh. - Quy trình sản xuất agar theo quy mô hộ gia đình: Đây là quy mô sản xuất nhỏ, vốn đầu tư ít, thiết bị ít, lao động thủ công, công suất từ 10 ÷ 30kg/ngày. Sản phẩm chủ yếu là agar dạng sợi bán cho cơ sở thu mua phía Nam và bán lẻ cho các cơ sở sản xuất bánh kẹo. Chất lượng sản phẩm không cao, giá rẻ, chủ yếu là tiêu thụ nội địa[4;8]. - Quy trình công nghệ sản xuất agar theo quy mô bán cơ giới: Đây là quy mô sản xuất bán cơ giới, đầu tư nhiều thiết bị máy móc, công suất 100 ÷ 250 kg/ngày, tập trung ở Hải Phòng như Công ty Cổ phần đồ hộp Hạ Long, Công ty TNHH Hải Long, Công ty Cổ phần thương mại Duy Mai, Công ty TNHH Hải Đông, Công ty TNHH thương mại và sản xuất Hoàng Yến,… Chất lượng sản phẩm agar theo quy mô sản xuất này sức đông cao, màu trắng sáng, chất lượng ổn định tiêu thụ trong nước và xuất khẩu sang thị trường Hàn Quốc, Italia, Trung Quốc... giá thành sản phẩm khoảng 10 ÷ 12 USD/1kg sản phẩm. Nguồn rong câu để sản xuất agar là do các cơ sở thu mua từ các vùng ven biển Việt Nam và rong nhập khẩu từ Trung Quốc do đó tỷ lệ phế thải bã rong phụ thuộc rất nhiều vào loại rong và chất lượng rong. Rong câu chỉ vàng ở vùng Bạch Long Vĩ, Cát Hải - Hải Phòng và rong ở Phá Tam Giang, Lăng Cô - Huế thì có hàm lượng agar cao và tỷ lệ bã rong thấp khoảng 6,75tấn ÷ 7tấn/tấn sản phẩm, nhiều loại rong ở Thái Bình và Nam Định,… thì chất lượng rong kém hàm lượng agar thấp, tỷ lệ phế thải khoảng 9 ÷ 14tấn/tấn sản phẩm[4;8]. 6 * Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất agar theo quy mô bán cơ giới[6]: Nguyên liệu Xử lý kiềm Rửa trung tính Tẩy màu Xử lý acid Nấu chiết Lọc trong lần 1 Lọc trong có trợ lọc Làm nguội cắt sợi Ép tách nước Sấy khô Nghiền bột Agar bột Bao gói, Bảo quản Bã rong 7 + Nguyên liệu: Rong câu chỉ vàng Gracilaria asiatica được thu mua ở dạng khô ở các khu vực thuộc vùng ven biển Việt Nam. + Xử lý kiềm: Rong câu khô được xử lý trong dung dịch NaOH, nồng độ 24 g/l  0,5 g/l. Tỷ lệ dung dịch/rong là 20/1, nhiệt độ xử lý ở 80 ÷ 95oC, thời gian xử lý kể từ khi dung dịch NaOH sôi là 50 phút. Trong quá trình xử lý cần có chế độ khuấy đảo và lưu chuyển dịch NaOH trong nồi. + Rửa trung tính: Rửa sạch nước đến khi nước rửa trong và có pH = 7, sau đó để ráo. Rửa bằng máy rửa khuấy đảo trục. + Tẩy màu: Tẩy rong bằng dung dịch javen 5% tỷ lệ dung dịch/rong = 10/1. + Xử lý acid: Ngâm rong trong dung dịch acid citric có nồng độ 0,3 g/l vào khuấy đảo đều, thời gian 15 phút. Lượng acid sử dụng phụ thuộc vào màu sắc cũng như độ cứng của cây rong. Sau khi ngâm, rửa kỹ rong đến khi nước trong. Rửa bằng máy rửa khuấy đảo trục. + Nấu chiết: Đun sôi nước và thả rong câu đã xử lý ở trên vào, lượng nước dùng được tính theo công thức [6]: N A.D.R C.100 Trong đó: N: Lượng nước nấu (lít) A: Hàm lượng agar trong nguyên liệu (%) D: Sức đông của agar (g/cm3) R: Khối lượng rong khô cho một mẻ nấu (kg) C: Hệ số phụ thuộc sức đông Theo kinh nghiệm của các nhà sản xuất tỷ lệ nước cho vào nấu rong là nước/rong sạch = 5/1. + Lọc trong lần 1: Lọc dịch nấu chiết bằng máy ép lọc khung bản để lọc dịch và loại bỏ bã rong. Nhiệt độ dịch lọc khoảng 80 ÷ 900C. Sau đó, dịch lọc được bơm vào bể lọc 2. + Lọc lần 2: Bể lọc 2 có bổ sung chất trợ lọc có tác dụng hấp phụ màu. Dịch lọc trong được rót vào các khay tôn và để nguội tự nhiên. + Cắt sợi: Cắt sợi thạch bằng máy cắt hoặc ống cắt thủ công theo kích thước 5x5x30cm, sau đó cho sợi thạch vào các túi vải. + Ép tách nước: Ép các túi thạch dưới máy ép thuỷ lực, ép loại bỏ nước. 8 + Sấy khô: Tấm agar sau khi loại bỏ nước có độ ẩm là khoảng 30%, tiếp tục sấy khô đến 10÷12%. + Nghiền bột agar: Máy nghiền có đường kính mắt lưới là 13mm. + Đóng bao: Bột agar đựng trong bao polyetylen có hai lớp với kích thước trong của túi là 270 ÷ 300 mm, khối lượng tịnh của mỗi túi là 500  15g, hoặc tuỳ theo yêu cầu của đơn đặt hàng. Sau đó, được đóng trong bao bì carton có giấy lót chống ẩm. 1.3. Thành phần cơ bản trong bã rong Thành phần chính của chất thải sau quá trình sản xuất agar là bã rong chứa cellulose, protein và khoáng. Hàm lượng các chất trong bã rong phụ thuộc vào quy trình công nghệ sản xuất nhưng nhìn chung chứa khoảng 25% chất khô, hàm ẩm 75%. Thành phần chất khô có trong bã rong bao gồm khoảng 40 ÷ 50% hợp chất hữu cơ chủ yếu là cellulose, chất dinh dưỡng, protein và 50 ÷ 60% hợp chất vô cơ trong đó có 55% muối vô cơ không tan trong nước và nhiều nguyên tố vi lượng [4]. Cellulose là polyme mạch thẳng của hàng ngàn cấu tử glucose đuợc nối với nhau bằng liên kết -1,4 glucozit, tạo thành dạng sợi. Cấu trúc bậc 2,3 của cellulose rất phức tạp, dạng lớp được gắn kết bằng các liên kết hydro, lực liên kết hydro được trùng hợp nhiều lớp nhưng rất bền vững do đó cellulose không tan và khó phân giải. Hệ enzyme phân giải cellulose bao gồm: - Cellubiohydrolase có tác dụng cắt đứt liên kết hydro làm biến dạng cellulose tự nhiên, phân giải vùng kết tinh dạng cấu trúc vô định hình. - Endoglucanasecó khả năng cắt đứt các liên kết 1-4 glucosid bên trong phân tử tạo thành những chuỗi dài. Endoglucanase tiến hành phân giải các chuỗi dài trên thành các disacaride gọi là cellobiose–gluconase tiến hành thuỷ phân cellobiose thành glucose [4;13;33]. 1.4. Các phương pháp xử lý bã rong Đặc thù của công nghệ sản xuất agar là lượng phế thải hữu cơ tương đối cao, trung bình khoảng 6 tấn phế thải/1 tấn sản phẩm [10,15]. Qua các tài liệu và khảo sát hiện trạng xử lý các chất thải tại các cơ sở sản xuất agar cho thấy, việc xử lý bã rong ít được quan tâm. Đặc biệt, bã rong có chứa một lượng nước cao, chất hữu cơ dễ phân hủy, gây mùi chua thối độc hại cho con người. Hầu hết bã rong được xử lý 9 bằng cách đào hố chôn vùi hoặc ủ làm phân bón cho cây trồng gây ra mùi hôi thối, ô nhiễm môi trường khu vực sản xuất và dân cư. Nhìn chung, trong thực tế có bốn biện pháp xử lý bã rong sau: - Biện pháp chôn lấp: Đây là biện pháp mang tính cổ điển, thủ công, đơn giản nhưng đòi hỏi cần nhiều diện tích đất, tốn nhiều sức lao động, thời gian xử lý lâu, sinh mùi hôi thối và khí độc gây ô nhiễm môi trường không khí, đất và nguồn nước ngầm. - Biện pháp đốt: Bã rong rải ra phơi mưa nắng nhiều ngày rồi đem đốt, phương pháp này gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, gây hiệu ứng nhà kính và gây ra một số căn bệnh về đường hô hấp. - Đổ ra sông hồ: Bã rong được tập trung lại vài ngày và thuê xe chở đi đổ. Phương pháp này vừa gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng vừa tốn thêm công vận chuyển. Đây là cách xử lý phổ biến tại các cơ sở sản xuất agar trên địa bàn thành phố Hải Phòng. - Biện pháp sinh học: Trộn bã rong với một số chất khác, ủ lại làm phân bón cho cây trồng. Đây là biện pháp tối ưu hiện nay, vừa tránh gây ô nhiễm môi trường vừa tận dụng làm phân bón, song phương pháp này vẫn còn một số hạn chế như: phải có thiết bị, tốn nhân công, chưa có công nghệ cụ thể, thường làm theo thói quen, hiện nay chưa được sử dụng nhiều. 1.5. Cellulose và oligo cellulose 1.5.1. Cellulose Cellulose là hợp chất hữu cơ chiếm tỷ lệ cao nhất trong tự nhiên, là thành phần cơ bản cấu tạo nên thành tế bào thực vật. Năm 1838, Anselin Payen là người đầu tiên tìm ra cellulose trong sợi bông (chiếm 98%), sau đó những nghiên cứu khác cũng cho thấy cellulose có hàm lượng rất cao trong thực vật như ở sợi lanh (80%), gỗ (40 ÷ 50%) [19;6]. Cellulose là một polymer mạch thẳng không cuộn xoắn, được tạo nên từ các đơn vị là β-D-glucose thông qua liên kết β-1,4-glucoside. Mức độ polymer hóa được đánh giá dựa vào số phân tử glucose trong chuỗi. Đối với cellulose tự nhiên, con số này khoảng 10.000 ÷ 14.000 và trọng lượng phân tử của cả chuỗi là 1,5 x 106 ÷ 2,1 x 106 Da, dài 5mm ÷ 7mm [19;4]. Các phân tử glucose trong chuỗi polymer có 10 dạng ghế bành, phân tử này quay 180o so với phân tử kia. Các nhóm β-OH glycoside đều nằm trên mặt phẳng ngang của các phân tử glucose [33]. Hình 1-2. Cấu trúc cellulose và mạng lưới liên kết hydrogen [6] Liên kết β-1,4 glucoside giữa các phân tử đường trong chuỗi cellulose đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo nên những đặc tính riêng của cellulose và cả vi sợi. Nhờ liên kết này mà chuỗi cellulose trở nên mở rộng, ít linh động hơn so với cấu trúc amylose của tinh bột, điều này cần cho các chuỗi cellulose để chúng có thể kết hợp với nhau và tạo thành cấu trúc dạng sợi. Mặt khác sự tương tác qua lại giữa các gốc đường của hai chuỗi cellulose nằm cạnh nhau cho phép tạo nên liên kết hydrogen giữa các chuỗi. Thực tế, các nhóm -OH ở các vị trí C2, C3, C6 và nhóm Ohemiacetal trong phân tử glucose đều có thể tạo liên kết hydrogen với các gốc đường bên cạnh trong cùng chuỗi cellulose hoặc chuỗi cellulose khác. Chính mạng lưới liên kết hydrogen mở rộng và liên kết β-1,4 glucoside đã làm cho cấu trúc cellulose trở nên bền vững, chặt chẽ có thể tồn tại trong các dung dịch kiềm và acid đậm đặc. Bằng phương pháp phân tích sử dụng tia rơnghen, người ta đã tìm ra cấu trúc của cellulose trong tế bào thực vật có dạng sợi. Đơn vị nhỏ nhất của cellulose có đường kính vào khoảng 3nm. Các sợi sơ cấp hợp lại thành vi sợi hay còn gọi là mixen. Mỗi vi sợi thường có khoảng 60 phân tử cellulose, có đường kính từ 10 ÷ 40nm, dài 100 ÷ 40.000nm [4],[9]. Các vi sợi này hợp lại thành từng bó sợi to hơn 11 nằm đan xen vào nhau có thể quan sát được dưới kính hiển vi quang học. Các bó sợi cellulose liên kết với lớp polysaccharide trong thành tế bào thực vật tạo nên một phức hệ bền vững đóng vai trò như lớp kết dính sinh học trong thành tế bào thực vật (Hình 1.3). Hình 1-3. Sự sắp xếp các chuỗi cellulose trong thành tế bào thực vật [33] Cellulose có cấu trúc không đồng nhất gồm hai vùng: - Vùng kết tinh có trật tự cao. - Vùng vô định hình có cấu trúc không chặt chẽ, các mạch tập hợp với nhau nhờ lực Van der Waals, dễ bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài. Khi gặp nước, chúng có thể hấp thu nước và trương phồng lên, nhờ vậy enzyme cellulase rất dễ tác động. Trong khi đó ở vùng kết tinh, các mạch cellulose liên kết với nhau theo một trật tự đều đặn nhờ liên kết hydrogen nối nhóm –OH thứ nhất của mạch này với nhóm –OH ở C3 của mạch khác nên đã ngăn cản được sự trương này. Nhờ đó mà enzyme cũng như nhiều phân tử khác khó có thể xâm nhập vào được bên trong phân tử cellulose để thuỷ phân [4;13]. Trong tế bào thực vật, từng bó sợi cellulose được bao bọc bởi lớp vỏ lignin và hemicellulose. Chính nhờ cấu tạo chặt chẽ này đã tạo nên sự vững chắc cho tế 12 bào thực vật, hình thành một hàng rào thấm nước qua thành tế bào và mô xylan, ngăn cản sự xâm nhập của vi sinh vật gây bệnh. Ngoài ra, tính kỵ nước của chuỗi β-1,4-glucan cũng góp phần ngăn cản sự thủy phân của enzyme đối với cellulose. Cellulose là một hợp chất có cấu trúc và các đặc tính lý hóa vô cùng phức tạp chỉ bị phân hủy khi đun nóng với kiềm hoặc acid. Tuy nhiên nó có thể bị thủy phân dưới tác dụng của cellulase của các vi sinh vật ở điều kiện bình thường. Cellulose là hợp chất hữu cơ chiếm tỷ lệ cao nhất trong tự nhiên, là thành phần cơ bản cấu tạo nên thành tế bào thực vật. 1.5.2. Oligo saccharide Oligo saccharide là nhóm glucid cấu tạo bởi sự liên kết của một số ít monosaccharide vì vậy phân tử lượng của chúng không lớn lắm và chúng còn giữ được một số tính chất như các đường đơn giản. Chúng dễ tan trong nước và dễ kết tinh. Khi thủy phân bằng acid hoặc enzyme tương ứng sẽ làm đứt các liên kết glucoside giữa các monosaccharide thành phần của oligo saccharide và giải phóng các monosaccharide như saccaroza, maltoza, lactoza, ... - Disaccharide: Sự tạo thành disaccharide là do sự kết hợp của 2 monose cùng loại hay khác loại nhờ liên kết glucosidic. Liên kết glucosidic có thể được tạo thành giữa -OH glucoside của monose này với -OH glucoside của monose kia, hay giữa một nhóm OH glucoside của monose này với -OH (không phải -OH glucoside) của monosen kia. Disaccharide chỉ có tính khử khi ít nhất một trong 2 nhóm -OH glucoside ở trạng thái tự do. Nghĩa là disaccharide sẽ không có tính khử khi 2 nhóm -OH glucoside liên kết với nhau. Các disaccharide quan trọng: + Maltose do 2 phân tử D-glucose liên kết với nhau ở vị trí C1 - C4 tạo thành. Công thức cấu tạo: Maltose có nhóm -OH glucoside ở trạng thái tự do nên có tính khử. Maltose có nhiều trong mầm lúa và mạch nha (maltum) nên gọi nó là maltose. + Lactose (đường sữa) do một phân tử D-galactose liên kết với một phân tử Dglucose ở vị trí C1- C4. 13 + Saccharose do một phần tử D-glucose liên kết với một phân tử D-fructose ở vị trí C1-C2. Do đó nó không có tính khử, còn gọi là đường mía vì có nhiều trong mía, dễ bị thủy phân khi đun nóng. - Trisaccharide: Là oligo-saccharide có chứa 3 monosaccharide, phổ biến trong thiên nhiên là raffinose. Công thức cấu tạo như sau: -D-galactopyranosyl 1-2; -D glucopyranosyl 1-2; -D fructofuranose. Do có công thức như trên nên không có tính khử oxy. Dễ bị thủy phân, dưới tác dụng của fructofuranosidase sẽ tạo thành fructose và melobiose với galactosidase sẽ tạo thành galactose và saccharose. - Cấu tạo của Oligo saccharide Oligo theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là một vài (few), oligo saccharide có từ 2 ÷ 10 monosaccharide liên kết với nhau bằng các liên kết glycoside. Khi thủy phân bằng acid hoặc enzyme tương ứng sẽ làm đứt các liên kết glucosid giữa các monosaccharide thành phần của oligo saccharide và giải phóng ra các monosaccharide. Oligo saccharide có tính chất sinh học, có thể được dùng thêm vào và là nguyên liệu chính trong một vài thực phẩm. Nó được xem là nguồn nguyên liệu sinh học chức năng, có khả năng làm tăng chức năng miễn dịch, chống u, bướu, kháng sinh, tăng khả năng hấp thụ Ca. Vì vậy, nó là một nguyên liệu sinh học, được tập trung vào lĩnh vực thực phẩm và y học. 1.5.3. Các phương pháp sản xuất oligo cellulose Trên thế giới hiện nay người ta đã tiến hành thử nghiệm thành công nhiều phương pháp tận dụng bã rong theo phương pháp thuỷ phân trong môi trường kiềm hay acid, chủ yếu sản phẩm của các phương pháp này thuỷ phân này dùng để bổ sung vào thức ăn chăn nuôi, bao gồm [4]: - Phương pháp Bioca: Ngâm bã rong trong dung dịch Ca(OH)2 0,05N hay trong dung dịch acid mạnh như acid H2SO4 1N, thì tất cả protein của bã rong sẽ bị thuỷ phân thành acid amin và peptid dễ tiêu hoá. Sau đó trung hoà sản phẩm bằng acid hay kiềm thì sẽ thu được chế phẩm có giá trị chăn nuôi cao [4;13]. 14 - Phương pháp Jimca: Dùng để sản xuất sản phẩm chăn nuôi bằng phương pháp thuỷ phân bã rong trong môi trường acid. Xử lý sơ bộ bã rong trong dung dịch acid HCl 1,5% trong 2 giờ, ở nhiệt độ 200C. Thuỷ phân nguyên liệu bằng dung dịch HCl trong 2 giờ ở nhiệt độ 200C. Sau đó trung hoà sản phẩm bằng CaO khô đến pH=5,5 ÷ 5,6, lọc sản phẩm loại bỏ tạp chất rồi cô đặc chế phẩm. Chế phẩm dùng cho chăn nuôi là dịch lỏng màu nâu chứa khoảng 30% chất khô, chứa 7 loại acid amin không thay thế, chế phẩm này được dùng như chất phụ gia với cám chăn nuôi [4;13]. Ngoài ra các kết quả nghiên cứu của Trường Đại học công nghiệp Thực phẩm Odeca cho thấy hydratcacbon của bã rong dễ dàng phân giải dưới tác dụng của acid do đó các chế phẩm thuỷ phân tạo thành có thể sử dụng như các chất nền trong công nghiệp sản xuất men chăn nuôi. Hiện nay, ở nước ta cũng có rất nhiều đề tài đi sâu vào tận dụng bã thải từ nông nghiệp có hàm lượng lớn cellulose để sản xuất các chế phẩm sinh học như: - Nghiên cứu khả năng thủy phân bằng acid loãng và bước đầu đánh giá hiệu quả sản xuất etanol sinh học từ thân cây ngô, Đề tài nghiên cứu Khoa Môi trường Trường Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. - Nghiên cứu khả năng sản xuất etanol sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp Luận văn thạc sĩ - Trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội. - Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng môi trường các cơ sở chế biến agar, đề xuất các biện pháp quản lý, BCKH - Viện nghiên cứu Hải sản, Hải Phòng. 1.6. Enzyme cellulase 1.6.1. Định nghĩa và phân loại * Định nghĩa Cellulase là hệ enzyme xúc tác cho quá trình chuyển hóa cellulose thành sản phẩm hòa tan. Phức hệ enzyme cellulase là enzyme khá phức tạp. Một mặt chúng như enzyme cảm ứng (mà ở đây cellulose lại là chất cảm ứng không chặt chẽ). Một mặt chúng lại chịu tác động bởi cơ chế điều khiển bởi sản phẩm cuối và chịu sự kiểm soát bởi cơ chế dị hóa [5;6]. Cellulose là một loại phân tử polyme với các tiểu phần là D-glucose. Các gốc D-glucose được nối với nhau qua liên kết 1,4- ß-D-glycosid. Hệ thống enzyme thủy 15 phân cellulose bao gồm ít nhất 3 enzyme khác nhau: endoglucanase (1,4-ß-Dglucan-4-glucanohydrolase, EC.3.2.1.4), exoglucanase (1,4-ß-D glucan- cellobiohydrolase, EC.3.2.1.91) và ß-glucosidase (ß-D-glucosid glucohydrolase, EC.3.2.1.21). Các enzyme này có tính đặc hiệu khác nhau và hoạt động hỗ trợ nhau. Đầu tiên, endoglucanase phá vỡ liên kết 1,4-ß-D-glucoside trong phân tử cellulose, sau đó exoglucanase tiếp tục thủy phân cellulose thành các phân tử cellobiose và sau cùng ß-glucosidase phân cắt cellobiose thành glucose [24]. * Phân loại: Theo phân loại của Hội sinh học phân tử và sinh hóa quốc tế IUBMB, hệ thống thủy phân cellulose gồm có enzyme: endoglucanase có ký hiệu EC 3.2.1.4, exoglucanase ký hiệu EC 3.2.1.91 và ß-glucansidase có ký hiệu EC 3.2.1.21 [4]. + Endoglucanase EC 3.2.1.4 Tên thường gọi: cellulase Tên hệ thống: 1,4-(1,3:1,4)-ß-D-glucan-4-glucannohydrolase Đôi khi người ta cũng có thể gọi enzyme này bằng tên khác: endo-1,4-ß-Dglucanase; ß-1,4-glucanase; cellulase A; endoglucanase; alkali cellulase; cellulase A3; celludetrinase… Enzyme này thường thủy phân các liên kết 1,4-ß-D- glycoside trong cellulose và các ß-D-glucan của ngũ cốc. + Exoglucanase –EC 3.2.1.91 Tên thường gọi: cellulase 1,4-ß-cellobiosidase Tên hệ thống: 1,4,ß-D-glucan cellobiohydrolase Các tên khác: exo-cellobiohydrolase; exoglucanase; CBHI; cellulase C1; exoß-1,4-glucan cellobiohydrolase… Enzyme này có tác dụng thủy phân các liên kết 1,4-ß-D-glycosid, giải phóng cellobiose từ đầu không khử. + ß -glucosidase-EC 3.2.1.21 Tên thường gọi: ß-glucosidase Tên hệ thống: ß-D-glucosid glucohydrolase Các tên khác: cellobiase; ß-glucosid glucohydrolase; ß-1,6-glucosidase; salicilinase; arbutinase…