BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
=====***=====
LÊ TRỌNG KIÊN
NGHIÊN CỨU THỦY PHÂN CACBONHYDRAT TỪ RONG NÂU (SARGASSUM
POLYCYSTUM) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC 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

sự cố gắng nỗ lực của bản thân, sự giúp đỡ tận tình và quý báu của Thầy, Cô giáo, sự
động viên khích lệ của bạn bè tôi đã hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình.
Trước hết cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng, sự biết ơn đến Ban Giám
Hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban Chủ nhiệm Khoa Công nghệ Thực phẩm, nơi
tôi học tập trong những năm vừa qua.
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới cô giáo Lê Thị Tưởng, người
đã tận tình định hướng và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô giáo phụ trách các phòng thí
nghiệm: Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Chế biến, Bệnh học Thủy sản và phòng
Thực hành hóa đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành tốt đề tài.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô giáo trong trường và đặc biệt là các thầy,
cô giáo Khoa Công nghệ Thực phẩm đã trang bị cho tôi kiến thức bổ ích về chuyên
ngành đào tạo trong thời gian qua để tôi có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Cảm ơn sự giúp đỡ, góp ý và cộng tác của các bạn cùng khóa.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến cha mẹ, anh, chị, em
và những người thân đã luôn ở bên cạnh và động viên tôi trong suốt khóa học. Nha Trang, tháng 6 năm 2013
Sinh viên thực hiện

Lê Trọng Kiên ii

MỤC LỤC


1.4. Tổng quan về ethanol 19
1.4.1. Giới thiệu chung về quá trình lên men 19
1.4.1.1. Khái quát chung 19
1.4.1.2. Vi sinh vật tham gia vào quá trình lên men ethanol 20
1.4.1.3. Cơ chế chuyển hóa của quá trình lên men ethylic 22
1.4.2. Các phương pháp sản xuất ethanol sinh học 22
1.4.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về thủy phân cacbonhydrat và sản xuất
ethanol sinh học từ rong biển 23
1.4.3.1. Các nghiên cứu ngoài nước 23
1.4.3.2. Các nghiên cứu trong nước 28
CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30
2.1. Đối tượng nghiên cứu 30
2.1.1. Rong nâu khô Sargassum polycystum 30
2.1.2. Nấm men Saccharomyces cerevisiae 31
2.1.3. Dụng cụ và hóa chất 31
2.1.3.1. Dụng cụ 31
2.1.3.2. Thiết bị 31
2.1.3.3. Hóa chất 35
2.2. Nội dung nghiên cứu 36
2.3. Phương pháp nghiên cứu và xử lý số liệu 36
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu 36
2.3.1.1. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu 36
2.3.1.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm 37
2.3.2. Phương pháp xử lý số liệu 37
2.4. Bố trí thí nghiệm 38
2.4.1. Bố trí thí nghiệm tổng quát 38
2.4.1.1. Quy trình nghiên cứu dự kiến 38
2.4.1.2. Thuyết minh sơ đồ quy trình 39
2.4.2. Bố trí thí nghiệm chi tiết 40

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Một số thiết bị sử dụng trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp 33
Bảng 2.2. Một số hóa chất sử dụng trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp 35
Bảng 3.1. Sự thay đổi hàm lượng đường khử ở các mẫu bổ sung nấm men với các
tỷ lệ khác nhau 64
Bảng 3.2. Sự thay đổi hàm lượng đường khử trước và sau lên men ảnh hưởng bởi
các môi trường có pH lên men khác nhau 66
Bảng 3.3. Sự biến đổi hàm lượng đường khử trước và sau lên men dưới tác động
của thời gian lên men 68

trình thủy phân rong nâu 68
Hình 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân tới hàm lượng đường khử tạo thành 60
Hình 3.5. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến sự biến đổi hàm lượng đường khử
tạo thành 64
Hình 3.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ nấm men bổ sung đến sự biến đổi hàm lượng đường
khử còn lại sau lên men 65

vii

Hình 3.7. Ảnh hưởng của pH đến hàm lượng đường khử còn lại sau quá trình lên men 67
Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian đến sự biến đổi hàm lượng đường khử còn lại
sau lên men 69
Hình 3.8. Sơ đồ quy trình sản xuất hoàn thiện 71 1

LỜI MỞ ĐẦU
Nhu cầu năng lượng của con người đã hiện diện cách đây hàng trăm ngàn
năm và ngày nay nhu cầu năng lượng cũng không ngừng gia tăng theo sự phát triển
kinh tế - xã hội, an ninh quốc phòng của mỗi quốc gia. Theo tính toán của các

Với yêu cầu cấp bách như vậy, được sự hướng dẫn tận tình của cô Lê Thị
Tưởng và được sự đồng ý của Khoa Công nghệ Thực phẩm, tôi đã thực hiện đề tài:
“Nghiên cứu thủy phân cacbonhydrat từ rong nâu (Sargassum polycystum) bằng
phương pháp hóa học và ứng dụng dịch thủy phân trong sản xuất ethanol sinh
học” nhằm mục đích tạo sản phẩm từ nguồn thực vật tự nhiên, đồng thời góp phần
giải quyết vấn đề năng lượng, lương thực và tình trạng ô nhiễm môi trường.
Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm những phần sau:
- Xác định hàm lượng cacbonhydrat trong rong nâu Sargassum polycystum.
- Xác lập các điều kiện thủy phân tối ưu bằng một số loại acid.
- Xác lập các điều kiện lên men ethanol tối ưu từ dịch thủy phân.
- Chưng cất thu nhận ethanol từ dịch lên men.
Mặc dù bản thân có nhiều cố gắng song do đây là lần đầu tiên làm quen với
công tác nghiên cứu khoa học, kiến thức, kinh nghiệm và điều kiện thực hiện còn
hạn chế, thời gian thực tập khá ngắn nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót.
Rất mong sự chỉ bảo của quý thầy cô và ý kiến đóng góp của các bạn sinh viên để
đồ án được hoàn thiện hơn.

Nha trang, tháng 6 năm 2013
Sinh viên thực hiện

Lê Trọng Kiên

3

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ RONG BIỂN
1.1.1. Giới thiệu chung về rong biển.[12]
Rong biển hay tảo biển có tên khoa học là marine-alage, marine plant hay
seaweed. Rong biển là thực vật thủy sinh có đời sống gắn liền với nước. Chúng có
thể đơn bào, đa bào sống thành quần thể. Chúng có kích thước hiển vi hoặc có khi

2. Ngành rong Trần (Englenophyta).
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 trường hợp rong chỉ là
tế bào trần không có vỏ còn lại đại đa số có vỏ riêng như chất pectin hay Cellulose.
 Ngành rong Nâu: Có trên 190 chi, hơn 900 loài, phần lớn sống ở biển, số
chi, loài tìm thấy trong nước ngọt không nhiều lắm. Rong có cấu tạo nhiều tế bào
dạng màng giả, dạng phiến, dạng sợi đơn giản, một hàng tế bào chia nhánh, dạng
ống hoặc phân nhánh phức tạp hơn thành dạng cây có gốc, rễ, lá, thân. Rong sinh
trưởng ở đỉnh, ở giữa, ở gốc các lóng. Ngoài ra, do các tế bào rong dạng phiến chia
cắt sinh trưởng khuếch tán gọi là sinh trưởng bề mặt.
 Ngành rong Đỏ: Có 2,500 loài, gồm 400 chi, thuộc nhiều họ, phần lớn
sống ở biển, có cấu tạo từ nhiều tế bào, trừ một số dạng từ một tế bào hay quần thể.
Rong có dạng hình trụ dẹp dài, phiến chia hoặc không chia nhánh. Sinh trưởng chủ
yếu ở đỉnh, ở giữa đốt hay phân tán. Đặc trưng của loài này là chứa nhiều sắc tố đỏ,
giữa các tế bào có chứa nhiều chất keo (Agar).

5

Rong biển rất nhiều khắp thế giới, sản lượng rong biển hàng năm khoảng 15
triệu tấn và dự tính khoảng 22 triệu tấn vào năm 2020.[5]
1.1.3.2. Nguồn lợi rong biển Việt Nam
Với đường bờ biển trải dài, cùng với nhiều điều kiện tự nhiên thuận lợi đã
tạo cho Việt Nam có một hệ sinh thái biển đa dạng và phong phú. Ở nước ta có
khoảng 794 loài rong biển, phân bố ở vùng biển miền Bắc 310 loài, miền Nam 484
loài, 156 loài tìm thấy ở cả hai miền. Trong đó có các đối tượng quan trọng là: rong
Câu (Gracilaria), rong Mơ (Sargassum), rong Đông (Hypnea), rong Mứt
(Porphyza), rong Bún (Enteromorpha).
Nguồn rong trồng bao gồm chủ yếu các loại rong Đỏ. Trong đó rong Câu chỉ
vàng và rong Câu (G.asiatica) được trồng ở vùng nước lợ từ năm 1970 ở phía Bắc,

7

phía Nam từ 1980 với tổng diện tích 1,000 ha đạt sản lượng khoảng 1,500 ÷ 2,000
tấn khô/năm. Rong Câu cước cũng được trồng ở vùng thủy triều, vịnh, ao, đìa với
diện tích khoảng 100 ha, sản lượng khoảng 150 ÷ 200 tấn khô/năm.
Nguồn rong mọc tự nhiên chủ yếu là rong Nâu, với trữ lượng khoảng 10,000
tấn khô/năm. Nguồn rong Đỏ tự nhiên cũng có khoảng 1,500 ÷ 2,000 tấn khô/năm.
Rong biển mọc tự nhiên trải khắp bờ biển các tỉnh từ Quảng Ninh đến Cà Mau,
Minh Hải, Hà Tiên. Nhưng Bình Trị Thiên cũ là một vựa rong của Việt Nam.
Nguồn rong Nâu có trữ lượng lớn và chất lượng cao chủ yếu ở khu vực miền
Trung và Nam Trung Bộ. Trong đó rong Nâu phân bố tại vùng biển Quảng Nam –
Đà Nẵng không nhiều so với vùng biển Khánh Hòa và Ninh Thuận.Vùng biển
Khánh Hòa là vùng có diện tích rong Mơ mọc cao nhất, tổng diện tích có rong lên
tới 2,000,000 m
2
, trữ lượng có thể khai thác được hàng năm có thể ước tính hơn
11,000 tấn rong tươi. Khánh Hòa có nhiều vùng rong như Hòn Chồng, Bãi Tiên,
bán đảo Cam Ranh, Hòn Tre và một số đảo khác.

như S.polycystum và S.longicaulis.[12]
1.2.2. Thành phần hóa học của rong Nâu
1.2.2.1. 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.
1.2.2.2. Cacbonhydrat
a. Monosacaride
Monosaccharide quan trọng trong rong nâu là đường mannitol được
Stenhouds phát hiện ra năm 1884 và được Kylin (1913) chứng minh thêm.
Mannitol: có công thức là HOCH
2
-(CHOH)
4
-CH
2
OH.
Mannitol tan được trong Alcol, dễ tan trong nước có vị ngọt.
Hàm lượng mannitol trong rong nâu dao động từ 14-25% trọng lượng rong
khô tùy thuộc vào hoàn cảnh địa lý và nơi sinh sống. Theo kết quả nghiên cứu của
Viện Hải Dương học Nha Trang năm 1979, xác định sự biến động hàm lượng

9

mannitol trên 2 đối tượng rong nâu S.mcclurie và S.kjellmanianum tại vùng biển
Hòn Chồng, Nha Trang lần lượt là 15.79 ÷ 16.36 (từ tháng 3 đến tháng 5); 12.40 ÷
13.82 (từ tháng 3 đến tháng 4). Còn kết quả nghiên cứu của Trần Thị Luyến,
Nguyễn Anh Tuấn, Trường Đại học Nha Trang, xác định hàm lượng mannitol vào
tháng 4 trong rong nâu S.mcclurie ở vùng biển Quảng Nam-Đà Nẵng, Bình Định,

rong nâu nhiều hơn trong rong đỏ.
1.2.2.3. Protein
Protein của rong nâu không cao nhưng khá hoàn hảo. Do vậy rong nâu có thể
dùng làm thực phẩm. Protein của rong nâu thường ở dạng kết hợp với Iod tạo nên
Iod hữu cơ như: MonoIodInzodizin, DiIodInzodizin. Iod hữu cơ rất có giá trị trong
y học. Do vậy rong nâu còn được dùng làm thuốc phòng bệnh bướu cổ.
Hàm lượng protein rong nâu vùng biển Nha Trang dao động Từ 8.05 -
21.11% so với trọng lượng rong khô. Hàm lượng acid amin cũng đáng kể và có giá
trị cao trong protein của rong biển.
1.2.2.4. 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.[12]
1.2.3. Rong nâu S.polycystum
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 chi Sargassum với số loài lúc này là 62
loài. Sau thời gian đó rất nhiều tác giả khác tiếp tục giới thiệu về Sargassum như
Yendo (1907), Reinbold (1913), Grunow (1915, 1916) và Setchell (1931). Số loài
sargassum lên đến 230. Năm 1954 Womersley công bố hệ thống phân loại
sargassum của mình ở Úc, cùng với các tác giả đương thời ở nhiều vùng khác nhau
trên thế giới như Phạm Hoàng Hộ của Việt Nam, Chou, Chiang của Taiwan và Ang,

11

Trono của Philippin, đến nay tổng số loài của chi Sargassum đã lên đến hơn 500.

2
O lấy từ rong

12

biển (rong nâu). Trong rong nâu, Iod chiếm với tỷ lệ lớn. Đến 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 phát triển mạnh và ngày càng ứng dụng
nhiều trong thực tế.[12][16]
Giá trị công nghiệp của rong biển là cung cấp các chất keo quan trọng như
Agar, Alginate, Carrageenan, Furcellazan dùng cho thực phẩm và nhiều ngành công
nghiệp khác. Các loại keo rong biển là các loại polysaccharide có tính keo khi hòa
tan trong nước, được chiết suất từ rong biển. Từ rong nâu có thể chiết suất được:
Alginic, Alginate, Laminarin.
Keo Alginate, Agar và Carrageenan được chiết rút từ khoảng 1,300,000 tấn
rong tươi các loại. Tổng sản lượng keo rong biển gồm: 35,000 tấn Alginate, 25,000
tấn Carrageenan và 10,000 tấn Agar, với tổng giá trị lên đến 750 triệu USD.
Ở nước ta cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về ứng dụng các hợp chất
được chiết rút từ rong nâu. Cụ thể là các đề tài “Nghiên cứu sử dụng Iod chiết rút từ
rong nâu để phối chế nước mắm Iod”, “Nghiên cứu hoàn thiện và cải tiến quy trình
công nghệ sản xuất Alginate Natri” của tác giả Trần Thị Luyến.
Ngày nay, các hợp chất khác có hoạt tính sinh học của rong nâu như Manitol,
Fuccoidan cũng đang được nghiên cứu rộng rãi.
1.3. Tìm hiểu quá trình thủy phân
1.3.1. Quá trình thủy phân
Quá trình thủy phân có bản chất là quá trình phân cắt các hợp chất cao phân
tử thành hợp chất đơn giản hơn dưới tác dụng của các chất xúc tác và có sự tham
gia của nước trong phản ứng.[10]
Là phản ứng phổ biến và quan trọng trong công nghệ thực phẩm và công

1.3.2. Các phương pháp thủy phân
1.3.2.1. Thủy phân bằng phương pháp hóa học
a. Khái quát chung
Đây là phương pháp thủy phân cổ điển nhất, quá trình thủy phân có thể được
thực hiện trong các môi trường: acid vô cơ (HCl, H
2
SO
4
…); acid hữu cơ (acid
citric, acid ascorbic …) và kiềm (NaOH, KOH …). Điều kiện của quá trình thủy
phân phải đảm bảo nhiệt độ cao và thời gian dài.[10]
Đun nóng lâu cellulose với dung dịch acid sunfuric, các liên kết β-glucozit bị
đứt tạo thành sản phẩm cuối cùng là glucose:
(C
6
H
10
O
5
)
n
+ nH
2
O → nC
6
H
12
O
6
(xúc tác H

α: hoạt độ của chất xúc tác vô cơ.
N: nồng độ đương lượng tác nhân (mol đương lượng/lít dung dịch).
δ: tính chất của cơ chất bị thủy phân.
t
0
: nhiệt độ của phản ứng.
τ: thời gian của phản ứng.
m: hệ số modul
 Ảnh hưởng của hoạt độ xúc tác (α) đến hằng số phản ứng:
Acid sử dụng làm tác nhân xúc tác phản ứng thủy phân có hệ số phân ly càng
mạnh thì phản ứng thủy phân xảy ra càng mạnh, HCl có hoạt độ lớn nhất nên được
sử dụng phổ biến. Tuy nhiên, mặc dù H
2
SO
4
có hoạt độ bằng một nửa hoạt độ của
HCl nhưng vẫn được dùng, vì giá thành rẻ hơn, ít bay hơi, ít gây độc cho người sản

15

xuất, ít ăn mòn thiết bị vì khả năng phân ly yếu hơn.
 Ảnh hưởng của chất xúc tác và nồng độ xúc tác:
Nồng độ xúc tác càng cao và lượng chất xúc tác càng nhiều thì tốc độ phản
ứng thủy phân xảy ra càng nhanh. Nhưng các đại lượng này chỉ cho phép tăng đến
một giá trị nào đó để quá trình thủy phân xảy ra triệt để, sản phẩm thủy phân ít phân
hủy, ít ăn mòn thiết bị, ít độc hại. Dựa vào cơ chế của phản ứng thủy phân và kiểm
tra sản phẩm tạo thành mà định lượng chất xúc tác.
 Ảnh hưởng của cơ chất thủy phân:
Tốc độ phản ứng thủy phân phụ thuộc vào tính chất của cơ chất thủy phân,
nồng độ cơ chất, độ tinh khiết của nguyên liệu. Nếu nồng độ cơ chất tăng thì năng

phân cellulose M = 3÷5 thì quá trình thủy phân không diễn ra, và với quá trình thủy
phân protein, lipit thì M = 6÷10.[10]
1.3.2.2. Thủy phân bằng enzyme[10]
a. Khái quát chung
Phương pháp thủy phân bằng enzyme là phương pháp sử dụng tác nhân hóa
sinh. Enzyme là những protein giữ chức năng xúc tác các phản ứng sinh hóa học.
Nhờ enzyme xúc tác mà các phản ứng sinh hóa học cần thiết cho sự sống và sự sinh
sản của tế bào diễn ra.
Enzyme có nguồn gốc từ các nguồn như: thực vật (dứa, nhựa đu đủ, sung,
hạt ngũ cốc); động vật (tụy tạng, màng nhầy dạ dày lợn, dạ dày bê và nội tạng
khác); vi sinh vật và các chế phẩm enzyme thương mại.
Đây là phương pháp an toàn, giảm chi phí năng lượng, thời gian thủy phân
ngắn. Thủy phân bằng enzyme có nhiều ưu điểm hơn phương pháp thủy phân bằng
kiềm và acid:
- Không tạo thành sản phẩm phụ nên dịch thủy phân có độ thuần khiết.
- Phản ứng tiến hành ở điều kiện nhẹ nhàng hơn.
- Khi thủy phân bằng enzyme thì cường lực xúc tác lớn và ít tốn năng lượng.
Tuy nhiên, phương pháp này lại có một số nhược điểm như:
- Thời gian thủy phân dài dẫn đến chu kỳ sản xuất kéo dài.
- Muốn có hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tốt thì phải có chế phẩm
enzyme tinh khiết.

Trích đoạn Vi sinh vật tham gia vào quá trình lên men ethanol Các phương pháp sản xuất ethanol sinh học Các nghiên cứu ngoài nước Các nghiên cứu trong nước Phương pháp nghiên cứu và xử lý số liệu

---