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

Luận văn thạc sĩ năm 2011
Đề tài: 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 hoáhọc . 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 v à 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

MỞ ĐẦU
Trên thế giới,sản lượng agar ước tính khoảng 7.000 ư 10.000 tấn một năm.
Ở Việt Nam, sản lượng rong tươi khoảng 3000 tấn/năm, phầnlớn được dùng để sản
xuất agarvà carrageenan. Hàng năm, nước ta sản xuất khoảng 500 tấn agar, tuy
nhiên lượng phế thải hữu cơ trong quá trình chế biến agarrất cao khoảng 6 ư 8 tấn
bã rong/một tấn sản phẩm. Đặc biệt, bã rongcó chứa một lượng nước và chất hữu
cơcao, 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 phếliệu.
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 rongđể làm thức ăn gia súc bằng một số phương pháp thủy phân trong môi
trường kiềmhoặc 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 thựctế 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 xuấtoligo 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 hìnhthù 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, furcellarancao [6].
Theo tài liệu FAO, nhóm rong cho agar thuộc ngành rong Đỏ bao gồm các
loại như: Gelidium pusillum, Gracilaria asiatica vàAcanthopeltis 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 (GracilariaVerrucosa)
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 ư 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. teterocladalàm nguyên liệu sản xuất agar. Tổng sản lượng agar
trên cả nước đạt khoảng 80 ư 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 agarđược 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 nghệsản 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 ư 30kg/ngày đến quy mô bán thủ công có công suất là 100 ư 300kg/ngày
[4;8;13].

TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG VIỆT
1. Nguyễn Cảnh, Nguyễn Đình Soa (1994), Tối ưu hóa thực nghiệm trong hoá học
và kỹ thuật hoá học , Trường Đại Học Kỹ Thuật TP HCM.
2. Nguyễn Xuân Cự (2010), 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.
3. Đặng Văn Giáp (1997), Phân tích dữ liệu khoa học bằng chương trình M-S
Excel. Nhà xuất bản giáo dục.
4. Đặng Văn Hợp, Đỗ Minh Phụng, Nguyễn Thuần Anh, Vũ Ngọc Bội(2002),
Phân tích kiểm nghiệm thực phẩm thủy sản.NXB Khoa học và kỹ thuật.
5. Phạm Thị Ánh Hồng (2003), Kỹ thuật sinh hoá, NXB Đại học quốc gia TP. Hồ
Chí Minh.
6. Trần Thị Luyến, Đỗ Minh Phụng, Nguyễn Anh Tuấn, Ngô Đăng Nghĩa (2004),
Chế biến rong biển, Nhà xuất bản Nông Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh.
7. Nguyễn Đức Lượng (2001), Công nghệ sinh học,Nhà xuất bản ĐHQG TP. Hồ
Chí Minh.
8. Nguyễn Đức Lượng (1996), Nghiên cứu tính chất của một số vi sinh vật có khả
năng tổng hợp cellulase cao và ứng dụng trong công nghệ xử lý chất thải hữu
cơ,Luận văn tiến sĩ khoa học, trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội.
9. Nguyễn Đức Lượng, Phan Thị Huyền, Nguyễn Ánh Tuyết (2003), Thí nghiệm
Công nghệ Sinh học,Nhà xuất bản Đại học Quốc gia. TP Hồ Chí Minh.
10. Đỗ Văn Nam (2004), Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng môi trường các cơ sở
chế biến agar, đề xuấtcác biện pháp quản lý,BCKH -Viện nghiên cứu Hải sản,
Hải Phòng.
11. Lương Đức Phẩm (2004), Công nghệ vi sinh vật,NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà
nội, trang 386-390.
12. Lương Đức Phẩm , Hồ Sưởng (1978), Vi sinh tổng hợp,Nhà xuất bản khoa học
kỹ thuật Hà Nội.
55
13. Nguyễn Tiến Thắng, Ngô Kế Sương, Trần Hạnh Phúc, Võ Hồng Nhân, (1994),
Công nghệ sinh học và một số ứng dụng tại Việt Nam,Tập 1, Nhà xuất bản
Nông nghiệp.
14. Nguyễn Văn Thục (2003), Báo cáo “Nghiên cứu công nghệ sản xuất agar chất
lượng cao”,Bộ thủy sản -Viện nghiên cứu hải sản.
15. Lê Ngọc Tú, La Văn Chứ, Phạm Trân Châu, Nguyễn Lân Dũng (1982). Enzyme
Vi sinh vật tập 2, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội.
16. Lê Ngọc Tú và các tác giả (1997), Hóa sinh học công nghiệp,Nhà xuất bản
khoa học kỹ thuật Hà Nội.
TÀI LIỆU NƯỚC NGOÀI
17. Albersheim P, Darvill A, Augur C, Cheong JJ, Eberhard S, Hahn MGV, Marfa
V, Mohnen D, O’Neill MA(1992), Oligosaccharins-oligosaccharides
regulatory molecules. Accounts Chem Res, 25:77-83.
18. Coughlan M.P., Folan M.A (1979), Cellulose and cellulase: food for throught,
food for future, InT.J.Biochem, (10), pp 103-168.
19. Dumville JC, Fry SC(2000), Uronic acid-containing oligosaccharins: their
biosynthesis, degradation and signalling roles in non-diseased plant tissues.
Plant Physiol Biochem, 38:125-140.
20. Rydley BL, O’Neill MA, Mohnen D(2001), Pectins: structure, biosynthesis
and oligogalacturonide-related signaling. Phytochemistry, 57:929-967.
21. Fan L.T and Lee L.H (1983), Kinetic studies of enzymatic hydrolysis of insoluble
cellulose, a mechannistic kinetic model Biotech. Bioeng, (15), pp 2707-2733.
22. Đỗ Văn Khương, (1995), Final workshop of the regional study on the taxonomy,
Ecology and processing of commercially important seaweeds.Country status
report of Việt Nam.
23. Gascoigne J. and Gascoigne M.M (1960), Biological degradation of cellulose,
Butterwozch and Co.Limited, London, pp 17-21.
24. Gupta, V.K., M.P.S. Bakshi, and P.N. Langar (1987), Microbiological Changes
During Natural Fermentation of Urea-wheat Straw,Biological Wastes 21.
56
25. H. Ariffim, N. Abdulah, M.S. Umi Kalsom, Y. Shirai and M.A. Hassam. ( 2006).
Production and characterisation of cellulase by Bacillus pulmilus EB3.
International Journal of Engineering and Technology. Vol. 3, No 1, 47-53.
26. Hayer J.F. and Mc Carthy J.C (1970), The effect of selection at different ages
for high and low weigh are the pattern of deposition in mice. International
Journal of Engineering and Technology, Vol. 3, No. 1, 2006, pp. 47-53.
27. Helmul Uhlig, Ph. D(2007). Industrial enzym and theor applications.John
Wiley and Sons, inc. New York.
28. Howard R.L., Abotsi E., Jansen van Rensburg and Howard S (2003),
Lignocellulose biotechnology: issues of bioconversion and enzyme production,
African Journal of Biotechnology Vol. 2 (12), p. 602-619.
29. Hurst. PL, Nielsen J, Sullivan PA and ShepherdMG, (1977), Purification and
Properties of a Cellulase from Aspergillus niger. Biochem. J. 165, 33-41.
30. L.M. Marchal, A.M.J. van der Laar, E. Goetheer, E.B. Schimmelpennink, J.
Bergsma, H.H. Beeftink, J. Tramper (1999). Effect of temperature on saccharide
composition upon β-amylolysis of starch.Research published as:
Biotechnol.Bioeng. 63: 344 -355.)
31. Mawadza, C.Rahni, H.Zvauya, R.and Bo, M (2000), Purification and
characterization of cellulases produced by two Bacillus strains. Journal of
Biotechnology, 83:177-187.
32. Ole Rasmussen, Olave Jansen, Đỗ Văn Khương, Nguyễn Văn Thục (2001).
Seaweed processing and market for Viet Nam. Report for SUMA programe.
33. Reese E.T (1963), Advances in enzymatic hydrolysis of cellulose and related
material,Perganom press, London, pp 394-420.
34. Ryan CA, Farmer EE(1991): Oligosaccharide signal in plants: a current
assessment.Annu Rev Plant Physiol, 42:651-674.
35. Seung Hwan Park, Ha Keun Kim and Moo Young Pack, (1991)
Characterization and Structure of the Cellulase Gene of Bacillus subtilis
BSE616. Agric. Biol. Chem., 55 (2), 441-448.
57
36. Singh, J., Batra, N. and Sobti, R.C. (2004), Purification and characterisation of
alkaline cellulase produced by a novel isolate, Bacillus sphaericus JS1. Journal
of Industrial Microbiology and Biotechnology, 31:51-56.
37. S. Landaud, P. Piquerel and J. Pourquie ( 1995), Screening for bacilli producing
cellulolytic enzyme active in the neutral pH range. Letters in Applied
Microbiology, 21, 319-321.
38. Vasquez MJ, Alonso JL, Dominguez H, Parajo JC(2000),
Xylooligosaccharides: manufacture and applications.Trends Food Sci Technol ,
11:387-393.
39. Một số tài liệu trên Internet
http://www.chem. qmul.ac.uk/iubmb/enzym/EC 3/2/1/4.html
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/wood/figures/cellulose.png
http://botit.botany.wisc.edu/toms_fungi/thanks.html
http://www.fao.org/docrep/w7241e/w7241e08.htm 3.2.1%20cellulase
http://www.argriviet.com
http://www.thuviensinhhoc.com