Nghiên cứu điều kiện thủy phân rong lục Chaetomorpha linum bằng enzyme và ứng dụng trong sản xuất bioethanol

Trong bài viết này, chúng tôi đã chọn rong Lục, Chaetomorpha linum, là đối tượng nghiên cứu và tiến hành nghiên cứu điều kiện thủy phân rong bằng enzym và ứng dụng trong sản xuất ethanol, đây là loài rong được nhiều tác giả quan tâm, vì loài này có sinh khối lớn, thành phần polysaccharid cao và khi đường hóa sẽ tạo ra môi trường giàu glucan thích hợp cho lên men ethanol.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu điều kiện thủy phân rong lục Chaetomorpha linum bằng enzyme và ứng dụng trong sản xuất bioethanolTAPthủyCHISINHHOC2016, 38(2): 201-206Nghiên cứu điều kiệnphânronglục ChaetomorphalinumDOI:10.15625/0866-7160/v38n2.7095NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN THỦY PHÂN RONG LỤC Chaetomorpha linumBẰNG ENZYME VÀ ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT BIOETHANOLVõ Thành Trung1 *, Lê Như Hậu1, Nguyễn Thanh Hằng21Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang, Viện Hàn lâm KH & CN Việt Nam,*vothanhtrung@nitra.vast.vn2Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Bách khoa Hà NộiTÓM TẮT: Rong Chaetomorpha linum có hàm lượng carbohydrate cao, có chứa nhiều loạipolysacchrid, trong đó cellulose là polyme chiếm tỷ trọng lớn trong nguyên liệu. Vì vậy, trongnghiên cứu này chúng tôi sử dụng enzyme visocozyme L thủy phân Chaetomorpha linum và tìmđược điều kiện thủy phân thích hợp với nồng độ enzyme: 0,85 ml/gam chất khô (hoạt độ là 42,5UI/g); thời gian thủy phân 33 giờ; nhiệt độ thủy phân 50oC; pH dịch thủy phân 5,2. Kết quả thủyphân rong Ch. linum tạo ra dịch đường 50,3 g/l và tiến hành lên men với nấm men Red ethanoltrong điều kiện pH 4,5; nhiệt độ 27oC; số vòng khoáy 50 rpm và mật độ tế bào nấm men là 109/lvới thời gian lên men 108 giờ. Kết quả lên men dịch thủy phân rong lục Ch. linum đã tạo ra 14,4 g/lethanol.Từ khóa: Chaetomorpha linum, enzyme, lên men, thủy phân.MỞ ĐẦUKhi nhu cầu năng lượng thế giới tiếp tụctăng và nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạchđang cạn kiệt, sinh khối thực vật biển đang nhậnđược sự quan tâm ngày càng lớn như là mộtnguồn sinh khối hấp dẫn cho các nghiên cứu sảnxuất nhiên liệu và hóa chất. Nguyên liệu từ sinhkhối thực vật biển có nhiều lợi thế hơn sinh khốithực vật trên mặt đất. Những đột phá gần đâytrong việc chuyển đổi các dạng đường từ sinhkhối rong biển thành nhiên liệu sinh học(ethanol sinh học) thông qua kỹ thuật chuyểnhóa đã chứng minh tiềm năng sinh khối rongbiển như một hứa hẹn. Đã có những nghiên cứuphương pháp canh tác, thu hoạch rong biển vàcác phương pháp xử lý, đường hóa và lên menbởi vi sinh vật từ rong biển để tạo ra nhiên liệusinh học [4]. Kết quả nghiên cứu của Mitsunoriet al. (2011) [5] cho thấy, rong Ulva pertusa có43,5% là polysaccharid trong đó 15,2%cellulose và 28,3% polyme khác, cácpolysaccharid này đã được đường hóa bằngenzyme Meicelase tạo ra dịch đường 43g/l vàlên men tạo ra 18,5 g/l ethanol [5]. Một kết quảnghiên cứu khác của Nadja et al. (2013) [7]cũng cho biết rong Chaetomorpha linum có61,5% là polysaccharid trong đó 40% cellulosevà 21,5% polyme khác; các polysaccharid nàyđã được đường hóa bằng enzyme cellulast 1,5Ltạo ra dịch đường 49 g/l và lên men tạo ra 18,1g/l ethanol [7] .Trong bài báo này, chúng tôi đã chọn rongLục, Chaetomorpha linum, là đối tượng nghiêncứu và tiến hành nghiên cứu điều kiện thủyphân rong bằng enzym và ứng dụng trong sảnxuất ethanol, đây là loài rong được nhiều tác giảquan tâm, vì loài này có sinh khối lớn, thànhphần polysaccharid cao và khi đường hóa sẽ tạora môi trường giàu glucan thích hợp cho lênmen ethanol.VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUVật liệu nghiên cứu được sử dụng là rongLục, Chaetomorpha linum, thuộc họCladophoraceae, bộ Cladophorales, lớpUlvophycea, ngành Chlorophyta [3].Sinh khối Ch. linum nghiên cứu được thu tạixã Vĩnh Thái, Thành phố Nha Trang, tỉnhKhánh Hòa và được định danh tại Viện Nghiêncứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang. Thờigian thu mẫu vào tháng 5-2014.Enzyme visocozyme L được thu nhận từAspergillus sp.. Enzyme này có khả năng thủyphân các polysacchrid (celluose, B-glucan,hemicellulose, xylan), và có hoạt độ 1000UI/g.Enzyme này mua từ Công ty hóa chất Sigmacủa Hoa kỳ.201Vo Thanh Trung et al.Nấm men Saccharomyces cerevisiae có tênthương mại Ethanol Red® là một loại nấm menkhô của hãng Fermentis (Pháp) được sử dụngtrong sản xuất ethanol. Số lượng tế bào≥2,5×1010 tế bào/g.Phương pháp thủy phân và lên men rongChaetomorpha linumXử lý sơ bộ: sử dụng các biện pháp cơ học,lý học nhằm làm sạch nguyên liệu và tạo điềukiện cho quá trình thủy phân diễn ra dễ dàng.Rong tươi sau khi thu hoạch được phơi khôdưới ánh nắng mặt trời cho đến khi rong khôgiòn. Sau khi phơi khô cho rong vào nước ngọtngâm 20-30 phút, vừa ngâm vừa khuấy trộnnhằm rửa mặn và giảm bớt lượng tạp chất bámtrên rong. Sau đó rong được vớt ra phơi nắnglần hai cho đến khi lượng ẩm còn 5-10%, rongđược xay nhỏ chuẩn bị cho quá trình thủy phân.Tiền xử lý: trước khi tiến hành thủy phânbằng enzyme, rong khô được phối trộn nướctheo tỷ lệ 1:10, sau đó được tiền xử lý với axitH2SO4 loãng có nồng độ 0,3% (v/v) trong 15phút, nhiệt độ 121oC. Quá trình tiền xử lý nhằmtách một số liên kết giữa các loại polysacharidvà phá hủy một số cấu trúc polyphenol, vàenzyme tiếp xúc trực tiếp với các polysacharidđể thủy phân diễn ra dễ dàng.Thủy phân enzymeEnzyme visocozyme L có hoạt độ 1000UI/g được pha loãng 20 lần để sử dụng trongnghiên cứu.Các thí nghiệm nghiên cứu sự thay đổi nồngđộ enzyme với lượng enzyme pha loãng là 0;0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1 ml enzyme/gam chất khôtương ứng hoạt độ 0; 10; 20; 30; 40; 50 UI/g; sựthay đổi thời gian thuỷ phân là 6, 12, 24, 30 và36 giờ, sự thay đổi pH là 3; 4; 4,5; 5; 5,5 và 6,sự thay đổi nhiệt độ 30, 40, 50, 55 và 60oC. Saukhi kết thúc khảo sát sơ bộ các yếu tố ảnhhưởng đến quá trình thủy phân, chúng tôi chọnyếu tố có ảnh hưởng lớn đến quá trình thủyphân để tiến hành tối ưu các điều kiện thủyphân.Lập ma trận thực nghiệm: dùng 24 bình tamgiác 50ml, cân cho vào mỗi bình 5g nguyên liệucó độ ẩm 10%. Bổ sung vào bình 50ml dungdịch 0,3 (% v/v) axit H2SO4. Dùng que thủy tinh202trộn đều rồi nút các bình bằng bông không thấmnước và hấp tiền xử lý tại 121oC trong 15 phút.Hấp xong để nguội bổ sung các nồng độenzyme theo tỷ lệ 1 ml enzyme/1g nguyên liệu.Các bình tam giác được giữ trong điều kiệnnhiệt độ 40 và 50oC, pH=4,5 và 5,5. Sau 24 và40 giờ lấy ra xác định hàm ...