BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
=====***=====NGUYỄN THỊ HỒNG HÂNNGHIÊN CỨU THỦY PHÂN CACBONHYDRAT
TRONG RONG NÂU (SARGASSUM POLYCYSTUM)
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC KẾT HỢP VỚI
ENZYME VÀ ỨNG DỤNG DỊCH THỦY PHÂN
TRONG SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Nha trang, tháng 06 năm 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Trước hết tôi xin gửi tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang,
Ban Chủ nhiệm Khoa Công nghệ Thực phẩm, Lãnh đạo Phòng Đào tạo Đại
học niềm kính trọng, sự tự hào được học tập tại trường trong những năm qua.
Sự biết ơn sâu sắc nhất tôi xin được giành cho Cô: ThS. Lê Thị Tưởng đã tận
tình hướng dẫn và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt
nghiệp này.
Xin chân thành cám ơn: Các cán bộ của phòng Hóa, phòng Công nghệ
Thực phẩm, phòng Công nghệ Chế biến, phòng Bệnh học Thủy Sản đã tạo
điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài tốt nghiệp này.
Đặc biệt xin được ghi nhớ tình cảm, sự giúp đỡ của: các thầy cô giáo
trong Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, trong khoa Công nghệ Thực phẩm đã
giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian tôi học tập tại
Trường trong thời gian qua.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã tạo điều kiện,
động viên khích lệ để tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập vừa qua.
Nha Trang, tháng 7/2013
SV thực hiện
Nguyễn Thị Hồng Hân
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC BẢNG vii
DANH MỤC HÌNH viii
LỜI MỞ ĐẦU 1
1.4.2. Tiềm năng sản xuất ethanol sinh học 17
1.4.3. Các nguyên liệu thường dùng để sản xuất ethanol hiện nay 19
1.5. Tìm hiểu về nấm men lên men ethanol 21
1.6. Các nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực đề tài 23
1.6.1. Các nghiên cứu ngoài nước 23
1.6.2. Các nghiên cứu trong nước 29
CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32
2.1. Đối tượng nghiên cứu 32
2.1.1. Nguyên liệu rong Nâu 32
2.1.2. Nấm men 33
2.1.3. Enzyme viscozyme 33
2.1.4. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 34
2.1.4.1. Hóa chất 34
2.1.4.2. Dụng cụ 36
2.1.4.3. Máy móc và thiết bị 37
2.2. Nội dung nghiên cứu 38
2.3. Phương pháp nghiên cứu và xử lí số liệu 38
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu 38
2.3.1.1. Phương pháp phân tích 38
iv
2.3.1.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm 39
2.3.2. Phương pháp xử lí số liệu 39
2.4. Xây dựng quy trình nghiên cứu dự kiến 40
2.4.1. Quy trình dự kiến thủy phân cacbonhydrat trong Nâu Sargassum polycystum. 40
2.4.1.1. Quy trình dự kiến 40
2.4.1.2. Thuyết minh quy trình 40
2.5.6. Thí nghiệm 6: Xác định tỷ lệ nấm men sử dụng 54
2.5.6.1. Mục đích 54
2.5.6.2. Cách tiến hành 54
2.5.6.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm 55
2.5.7. Thí nghiệm 7: Xác định pH môi trường lên men thích hợp 56
2.5.7.1. Mục đích 56
2.5.7.2. Cách tiến hành 56
2.5.7.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm 57
2.5.8. Thí nghiệm 8: Xác định thời gian lên men thích hợp 58
2.5.8.1. Mục đích 58
2.5.8.2. Cách tiến hành 58
2.5.8.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm 59
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 60
3.1. Kết quả xác định hàm lượng cacbonhydrat trong một số loại rong Nâu
khác nhau tại vùng biển Nha Trang 60
3.2. Kết quả các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân 61
3.2.1. Kết quả xác định nồng độ enzyme thủy phân thích hợp 61
3.2.2. Kết quả xác định pH môi trường thủy phân thích hợp 63
3.2.3. Kết quả xác định nhiệt độ thủy phân thích hợp 64
3.2.4. Kết quả xác định thời gian thủy phân thích hợp 66
vi
3.2.5. Kết quả xác định nồng độ viscozyme thủy phân cacbonhydrat trong
rong Nâu khi kết hợp thủy phân acid và enzyme 68
3.3. Kết quả các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tạo ethanol sinh học 71
3.3.1. Kết quả khảo sát tỷ lệ nấm men bổ sung vào dịch lên men 71
3.3.2. Kết quả khảo sát pH môi trường dịch lên men thích hợp 74
Bảng 2.1. Các dụng cụ được sử dụng trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp 34
Bảng 2.2. Một số hóa chất sử dụng trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. 36
Bảng 2.3. Máy móc và thiết bị sử dụng trong đề tài 37
Bảng 3.1. Sự thay đổi hàm lượng đường khử trước và sau lên men khi bổ
sung nấm men ở các nồng độ khác nhau 71
Bảng 3.2. Sự thay đổi hàm lượng đường khử trước và sau lên men ở các pH
môi trường khác nhau. 74
Bảng 3.3. Sự thay đổi hàm lượng đường khử trước và sau lên men ở các thời
gian lên men khác nhau 76
Hình 2.12. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định pH môi trường lên men etanol
thích hợp 57
Hình 2.13. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian lên men etanol thích
hợp…… 59
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn hàm lượng cacbonhydrat (%) trong 4 loài rong Nâu
tại vùng biển Nha Trang 60
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ enzyme đến hàm lượng
đường khử tạo thành 61
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH môi trường đến hàm lượng
đường khử tạo thành 63
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến sự tạo
thành đường khử. 65
ix
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến sự tạo
thành đường khử. 67
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng nồng độ enzyme viscozyme kết hợp
aicd đến sự tạo thành đường khử. 69
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ nấm men đến hiệu quả lên
men ethanol. 72
Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH môi trường đến hiệu quả lên
sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 do Bộ Công thương chủ trì
với mục đích thay thế một phần nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch, góp phần
bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường [26].
Tuy nhiên, theo số liệu của FAO, hiện nay những cây lương thực chính
của thế giới ước tính khoảng 3.6 tỷ tấn, trong đó khoảng 10% dùng vào sản
xuất chất đốt sinh học. Mặt khác, theo tính toán của các chuyên gia năng
lượng, sản xuất chất đốt sinh học từ lương thực mới chỉ đáp ứng được khoảng
1% nhu cầu năng lượng thế giới hiện nay. Vì vậy, việc sử dụng các cây lương
thực để sản xuất chất đốt sinh học không phải chiến lược tương lai của Việt
Nam và thế giới vì nó góp phần làm thiếu lương thực toàn cầu. Do vậy, sản
xuất chất đốt sinh học từ các nguồn nguyên liệu khác phải được nghiên cứu
và phát triển.
Rong biển là loại sinh vật tự dưỡng nhờ quá trình quang hợp, chúng
phát triển mạnh, tăng sinh khối nhanh. Theo các tài liệu đã công bố, sản lượng
rong biển thế giới hiện nay khoảng 15 triệu tấn/năm và dự tính khoảng 22
2
triệu tấn vào năm 2020 với giá thành rẽ. Tuy nhiên, con người chỉ mới quan
tâm khai thác rong biển phục vụ vào mục đích thực phẩm, y dược mà chưa
quan tâm khai thác triệt để nguồn cacbonhydat từ rong biển để sản xuất chất
đốt sinh học. Lượng rong biển chưa khai thác sử dụng hết đã bị phân hủy gây
lãng phí tài nguyên và gây ô nhiễm môi trường [3]. Để giải quyết vấn đề năng
lượng, lương thực và tình trạng ô nhiễm môi trường, đề tài “Nghiên cứu thủy
phân carbonhydrat từ rong Nâu (Sargassum polycystum) bằng phương
pháp hóa học kết hợp với enzyme và ứng dụng dịch thủy phân trong sản
xuất ethanol sinh học.” là phù hợp và cấp thiết.
Nội dung của đồ án:
antibiotics,…) có lợi cho sức khỏe và có khả năng phòng bệnh tật (huyết áp,
nhuận tràng, béo phì, đông tụ máu, xơ vữa động mạch,…). Vì vậy ngày nay
rong biển được xếp vào loại thực phẩm chức năng (functional food) và ngày
càng được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới. Các sản phẩm hữu cơ từ rong
biển ngày nay được sử dụng hết sức rộng rãi trong các ngành công nghiệp
như: thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, công nghệ dệt, nông nghiệp, công
nghệ sinh học, nghiên cứu khoa học,
1.1.2. Hình thái - phân loại rong biển
Tùy thuộc vào thành phần cấu tạo, thành phần sắc tố, đặc điểm hình
thái, đặc điểm sinh sản mà rong biển được chia thành 9 ngành:
1. Ngành rong Lục (Chlorophyta)
2. Ngành rong Trần (Englenophyta)
4
3. Ngành rong Giáp (Pyrophyta)
4. Ngành rong Khuê (Bacillaareonphyta)
5. Ngành rong Kim (Chryrophyta)
6. Ngành rong Vàng (Xantophyta)
7. Ngành rong Nâu (Phaeophyta)
8. Ngành rong Đỏ (Rhodophyta)
9. Ngành rong Lam (Cyanophyta)
Trong đó, ba ngành có giá trị kinh tế cao là rong Lục, rong
Nâu, rong Đỏ.
- Ngành rong Lục: có trên dưới 360 chi và hơn 5.700 loài, thành phần
sống trong nước ngọt, nét đặc trưng của loài rong này là có màu lục, sản phẩm
quang hợp là tinh bột. Rong có dạng tế bào đơn giản hoặc phức tạp, nhiều tế
bào hình phiến hay dạng sợi, chia nhánh hoặc không chia nhánh. Trừ một số
Alginat
Carrageenan Ion/trung tính Fucoidan
Carragar - -
Xylan sulfat hóa - -
Các loại khác - -
Trong dịch tế bào
Tinh bột
Floridean
Tinh bột Laminaran
Dạng trọng lượng
phân tử thấp
Floridosid - Manitol
Iso-floridosid - -
Sorbitol - -
1.1.3. Tình hình sử dụng rong biển
Rong biển đã được sử dụng từ rất sớm, khoảng 2700 năm trước công
nguyên ở Trung quốc. Sze Teu đã viết rằng 600 năm trước công nguyên, rong
biển đã được chế biến thành một món ăn quí dành cho vua chúa[18].
Thuốc“trường sinh bất tử” được vị hoàng đế đầu tiên của Trung Hoa là Tần
Thuỷ Hoàng sử dụng vào năm 200 trước Công nguyên đã được khoa học hiện
đại chứng minh đó chính là thành phần của rong Nâu sau hơn 2000 năm.
Trong mười năm gần đây, chính quyền Trung Quốc đã chi phí đến 12 triệu
USD để phát triển một loại thuốc trị AIDS từ rong Nâu với tên thương phẩm
6
là FUCOIDAN-GLYCALYX (F-GX). Loại thuốc tự nhiên này có khả năng
7
nước bao gồm: Achentina, Bangladesh, Canada, Chile, Pháp, Hawaii,
Israel,Italy, Kenya, Malaysia, Myanmar, Bồ Đào Nha, Thailan…. Rong
đỏ(Rhodophyta) phân bố nhiều ở Việt Nam bao gồm một số loài như:
Betaphycus gelatinum, Calaglossa leprieurii, Gelidiella acerosa,
Gigartinaintermedia, Gloiopeltis spp., Gracilaria spp., Gracilaria asisatica,
Gracilariacoronopifera, Gracilaria eucheumoides, Gracilaria firma,
Gracilariaheteroclada, Gracilaria salicornia, Gracilaria tenuistipitata var.
liui, Hypneamuscoides, Hypnea valentiae, Kappaphycus cottonii, Porphyra
crispata,Porphyra suborbiculata, Acanthophora spicifera. Sau đó cùng với số
lượng loài tương đương nhau ở Nhật Bản, Chile, Indonesia, Philippin,
Canada, Hàn Quốc tiếp theo sau là Thailan, Brazil, Pháp, Bồ Đào Nha, Trung
Quốc,Hawaii, Myanmar, Nam Phi, ít hơn nữa là Anh, Bangladesh, Caribbe,
Ireland, Peru, Tây Ban Nha, Achentina, ấn Độ, Italy, Malaysia, Mexico, New
Zealand, Mỹ sau hết là rải rác có mặt ở Iceland, Alaska, Kenya, Madagascar,
Kiribati,Ai Cập, Israel, Ma rốc, Namibia, Tanzania. Rong Nâu (Phaeophyta)
phân bố nhiều nhất ở Nhật Bản, tiếp theo là Canada, Việt Nam, Hàn Quốc,
Alaska, Ireland, Mỹ, Pháp, ấn Độ, kế tiếp là Chile, Achentina, Brazil, Hawaii,
Malaysia, Mexico, Myanmar, Bồ Đào Nha.
Trong đó bộ Fucales, đối tượng phổ biến và kinh tế nhất của rong Nâu
đại diện là họ Sargassaceae với hai giống Sargassum và Turbinaria phân bố
chủ yếu ở vùng cận nhiệt đới.[phụ lục 1.1]
Hệ thống phân loại Sargassum trên thế giới rất phức tạp, năm 1753 ba
loài thuộc chi Fucus: Fucus natans, F. acinarius và F. lendigerus do Linnaeus
mô tả lần đầu tiên nay được thay thế bằng chi Sargassum. Giữa những năm
1808 đến 1819, 36 loài rong thuộc chi Fucus được mô tả ngày nay cũng được
chuyển sang chi Sargassum, năm 1820 J.Agardh giới thiệu chiSargassum với
số loài lúc này là 62 loài. Sau thời gian đó rất nhiều tác giả khác tiếp tục giới
Porphyra, tiếp đến là Trung Quốc với khoảng 31.000 tấn chủ yếu là Porphyra,
9
Indonesia khoảng 26.000 tấn chi Euchuema và Gracilaria…Việt Nam khoảng
2.000 tấn chi Gracilaria.
Sản lượng rong Nâu lớn nhất thế giới tập trung tại Trung Quốc với trên
667.000 tấn khô, tập trung vào 3 chi Laminaria, Udaria, Ascophyllum. Korea
khoảng 96.000 tấn với 3 chi Udaria, Hizakia, Laminaria. Nhật Bản khoảng
51.000 tấn Laminaria, Udaria, Cladosiphon, Na Uy khoảng 40.000 tấn, Chile
khoảng 27.000 tấn [phụ lục 1.2].
Rong mơ việt nam: Năm 1790 Loureiro là tác giả đầu tiên để ý đến một
số loài rong mơ nhưng chỉ mô tả sơ lược, không hình vẽ trong thực vật chí
Đông Dương “Flora Cochinchinensis”. Năm 1837 cuộc thám hiểm bờ biển
Việt Nam được thực hiện trên tàu “La Bonite”, Gaudichaud đã thu được một
loài Turbinaria và 4 loài Sargassum, sau đó Busseuil thu thêm 4 loài nữa. Mãi
đến năm 1954 Dawson đến làm việc tại Viện Hải Dương Học Nha Trang có
mô tả thêm 2 loài. Toàn bộ các mẫu vật đó hiện nay đều không còn lưu giữ tại
Việt Nam. Giáo sư Phạm Hoàng Hộ năm 1961 trong luận án đã mô tả 15 loài,
đến năm 1967 mô tả được 41 loài. Ở miền bắc, Nguyễn Hữu Dinh trong luận án
năm 1972 mô tả được 22 loài, nếu so với rong miền nam đã bổ sung được 9 loài
cho hệ rong mơ Việt Nam. Năm 1992 Nguyễn Hữu Đại trong luận án 20 đã mô
tả 52 loài và trong “Rong mơ Việt Nam nguồn lợi và sử dụng” 1997 đã mô tả 68
loài [8].
Hầu hết các loài rong Mơ sinh trưởng và phát triển ở dạng sống bám
với hình thức sinh sản chủ yếu là hữu tính, thích hợp với điều kiện sinh thái
môi trường có độ mặn cao, nước trong và có sóng. Vì vậy rong Mơ phân bố
phổ biến ở các bãi triều đáy cứng (đá tảng, đá, san hô chết, các rạn ngầm )
khác nhau, hình dạng của phao là hình cầu hay trái xoan, đường kính của
phao nhỏ khoảng 0,5-0,8 mm, phao lớn khoảng 5-10 mm.
1.2.2 Điều kiện sinh trưởng và phát triển
Là loài mọc ở những vùng biển ấm nóng, trên nền đá vôi, san hô chết,
nơi sóng mạnh và nước trong, nhất là ven các đảo. Chúng mọc trên tất cả các
loài vật bám cứng, trên vách đá dốc cứng, trên các vách đá dốc đứng, các bãi
đá tảng. Trên các bờ dốc đứng, chúng phân bố thành các đai hẹp ở các mức
11
thủy triều thấp đến sâu khoảng 0,5 m. Đa số chúng thích mọc ở nơi sóng
mạnh, ở các đảo, bờ phía đông chúng mọc dày và phong phú hơn bờ phía tây.
Ở các bãi đá hướng ra biển khơi, chúng phát triễn mạnh và sinh lượng nhiều hơn.
Chúng sinh trưởng mạnh vào các tháng 2 - 3, đa số các loài có kích
thước tối đa vào tháng 3 - 4 và hình thành cơ quan sinh sản, sau đó bị sóng
biển nhổ đánh tấp vào bờ và tàn lụi. Đến tháng 7 các bãi rong đều trơ.
1.2.3. Thành phần hóa học của rong Nâu
1.2.3.1. Sắc tố
Sắc tố trong rong Nâu là diệp lục tố (Chlorophyl), diệp hoàng tố
(Xantophyl), sắc tố màu nâu ( Fucoxanthin), sắc tố đỏ ( Caroten). Tùy theo tỷ
lệ các loại sắc tố mà rong có màu từ nâu - vàng nâu - nâu đậm - vàng lục.
Nhìn chung sắc tố của rong Nâu khá bền.
1.2.3.2. Carbohydrate
a. Monosacarid
Mannitol: có công thức là HOCH
2
-(CHOH)
4
Hàm lượng protein rong Nâu vùng biển Nha Trang dao động từ 8,05-
21,11% so với trọng lượng rong khô.
1.2.3.4. Chất khoáng
Hàm lượng các nguyên tố khoáng trong rong Nâu thường lớn hơn nước
biển. Hàm lượng khoáng của các loài rong Nâu Nha Trang dao động từ 15,51-
46,30% phụ thuộc vào mùa vụ và thời kỳ sinh trưởng. Ngoài ra trong rong
Nâu còn có mặt các chất khác như acetogenin, polyphenolic, terpenoids,
lipid… Rong Nâu phân bố tại Việt Nam chủ yếu là rong mơ bao gồm các loài
Sargassum và turbinaria.
1.2.4. Tình hình chế biến và nghiên cứu ứng dụng các sản phẩm từ rong Nâu
Rong biển được sử dụng chế biến rộng rãi trong công nghệ thực phẩm,
thức ăn chăn nuôi, hóa học, mỹ phẫm và dược phẩm. Công nghệ chế biến các
sản phẩm từ rong biển chủ yếu ở các nước ở châu Á như: Trung Quốc, Nhật
Bản, Hàn Quốc, Triều Tiên, Indonesia… Mỹ, Canada và một số nước châu Âu
như Pháp, Đức đang cố gắng thiết lập sản xuất rong biển ở quy mô lớn [5].
Đã từ lâu rong biển được tạo ra các sản phẩm ứng dụng vào đời sống.
Từ những năm 1870, người ta đã điều chế xà phòng từ các chất K
2
O, Na
2
O
lấy từ rong biển (rong Nâu). Trong rong Nâu, Iod chiếm với tỷ lệ lớn. Đến
13
năm 1812, Iod đã được điều chế từ rong Nâu với giá trị dược học cho con
người. Năm 1914 – 1915 Mỹ, Đức dùng rong Nâu để điều chế KCl, than hoạt
tính. Năm 1930 công nghệ chế biến các chất như: Alginate, Manitol, Agar
Đặc tính của sản phẩm Viscozyme :
- Màu sắc : nâu
- Trạng thái vật lí : lỏng
- Chất bảo quản : kali sorbet
1.3.2. Hoạt động
Viscozyme có chứa một loạt các carbohydrases arabanase, cellulase,
beta-glucanase, hemixenlulaza và xylanase. Nó cũng phá vỡ nhánh pectin như
chất được tìm thấy trong thành tế bào thực vật. Các điều kiện
tốiưucho Viscozyme với các hoạt động khác nhau và phức tạp của nó là một
phạm vi pH 3,7 - 6 và nhiệt độ 25-55° C.
1.3.3. Bảo quản
Chuẩn bị enzym nên được bảo quản ở 3-5 ° C. Ở nhiệt độ này, các
enzyme sẽ duy trì hoạt động của nó ít nhất một năm. Ở 25 ° C, enzyme có thể
duy trì hoạt ít nhất 3 tháng [27].
1.3.4. Ứng dụng của enzyme viscozyme
Viscozyme tìm thấy một loạt các sử dụng trong ngành công nghiệp, đặc
biệt là nơi các sản phẩm hữu ích được chiết xuất từ nguyên liệu thực vật trong
chế biến các loại ngũ cốc và rau quả. Nó có thể tăng cường sự sẵn có của tinh
bột trong quá trình lên men làm giảm polysaccharides trong nguyên liệu thực
vật. Nó thường làm giảm độ nhớt của vật liệu có nguồn gốc từ thực vật và do
đó có thể cải thiện sản lượng khai thác. Viscozyme 120L chịu được nồng độ
rượu thấp nhưng chịu được nồng độ đường cao hơn nên được sử dụng để làm
trong dịch quả cô đặc.
1.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân
Quá trình thủy phân rong Nâu tùy theo mức độ thủy phân, thời gian
thủy phânmà thu được các loại đường đơn, đường phân tử thấp. Quá trình
thủy phân rong Nâu bằng viscozyme có nhiều yếu tố ảnh hưởng: