Nghiên cứu khả năng hấp phụ chất màu Tartrazine của bột nang mực lên men nhờ vi khuẩn tuyển chọn

Bài viết Nghiên cứu khả năng hấp phụ chất màu Tartrazine của bột nang mực lên men nhờ vi khuẩn tuyển chọn được thực hiện với mục tiêu tuyển chọn một số chủng vi khuẩn có khả năng hấp phụ chất màu tartrazine sử dụng môi trường chứa nang mực, đánh giá khả năng hấp phụ chất màu tartrazine của bột nang mực trước và sau lên men

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CHẤT MÀU TARTRAZINE CỦA BỘT NANG MỰC LÊN MEN NHỜ VI KHUẨN TUYỂN CHỌN Đoàn Chiến Thắng1, Trần Thị Ngọc1, Nguyễn Anh Dũng1, Wang San Lang2 ABSTRACT The study isolated 45 bacteria strains from agricultural soils using squid pen-containing media The strains T4, T26 and T29 had the highest tartrazine adsorption capacity on squid pen powder-containing medium Identification of screened bacteria showed that they were Bacillus cereus The tartrazine adsorption capacity of components of bacterial cultures were investigated The result showed that fermented squid pen powder was the most important for tartrazine adsorption (79,33% – 90,33%) The optimal pH and cultural time for tartrazine adsorption of fermented squid pen powders were pH and – days The FT-IR and SEM results demonstrated the tartrazine adsorption capacity of fermented squid pen powders The tartrazine adsorption process on fermented squid pen powders followed Freudlich model and pseudo-second order kinetic Key words: adsoption, Bacillus cereus,squid pen powder, tartrazine TÓM TẮT Nghiên cứu phân lập 45 chủng vi khuẩn có khả lên men bột nang mực từ môi trường đất Tuyển chọn chủng T4, T26 T29 có khả tạo môi trường lên men bột nang mực hấp phụ tartrazine cao Kết qủa định danh sinh học phân tử chủng vi khuẩn Bacillus cereus Thành phần mơi trường lên men có khả hấp phụ tốt tartrazine xác định Kết cho thấy bột nang mực lên men thành phần hấp phụ tartrazine chủ yếu môi trường (79,33 % - 90,33 %) Thời gian 1-2 ngày, pH thích hợp cho trình hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men Kết FT-IR SEM chứng minh khả hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men vi khuẩn tuyển chọn Quá trình hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men tuân theo mô hình Freundlich phương trình động học biểu kiến bậc Từ khóa: Bacillus cereus, Bột nang mực, hấp phụ, tartrazine ĐẶT VẤN ĐỀ Chất màu thành phần khơng thể thiếu q trình chế biến thực phẩm, dược phẩm mỹ phẩm Chúng chấp nhận diện rộng rãi nhiều sản phẩm khác Hiện nay, có khoảng 100,000 loại chất màu có mặt thị trường (Nigam cộng sự, 2000).Quá trình sản xuất chất màu trình sản xuất sản phẩm chứa chất màu thải môi trường lượng không nhỏ chất thải chứa chất Các chất màu azo nói chung tartrazine nói riêng khó bị xử lý cấu trúc vòng thơm bền vững Thơng thường chất màu azo xử lý nhiều phương pháp khác phân hủy vi sinh, quang phân hủy, phân hủy điện hóa, hấp phụ đặc biệt sử dụng vật liệu sinh học với tham gia vi sinh vật Các loại phế phẩm vỏ tôm, nang mực, vỏ cua chứng minh chứa thành phần protein, chitin, có tiềm làm vật liệu hấp phụ chất màu (Liang cộng sự, 2015, Longhinotti cộng sự, 1998, Figueiredo cộng sự, 2005) Quá trình điều chế vật liệu hấp phụ từ loại phế phẩm đơn giản rẻ tiền Mặt khác, loại phế phẩm sử dụng thành phần dinh dưỡng để nuôi cấy vi khuẩn (Liang cộng sự, 2015) Những vi Trường Đại học Tây Nguyên Trường Đại học Tam Kang, Đài Loan 439 sinh vật tiết enzyme chitinase để phân hủy chitin thành phân tử ngắn thay đổi phân tử chitin trước sau bị phân cắt ảnh hưởng tới khả hấp phụ chất màu (Suitcharit cộng sự, 2011; Ali cộng sự, 2012; Liang cộng sự, 2015) Buôn Ma Thuột vùng có điều kiện tự nhiên thích hợp nhiều lồi vi sinh vật Nghiên cứu nhằm tìm kiếm, khai thác vi sinh vật địa phương có khả nâng cao khả hấp phụ tartrazine bột nang mực góp phần xử lý chất thải Tartrazin mơi trường MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu - Tuyển chọn số chủng vi khuẩn có khả hấp phụ chất màu tartrazine sử dụng môi trường chứa nang mực - Đánh giá khả hấp phụ chất màu tartrazine bột nang mực trước sau lên men 2.2 Nội dung nghiên cứu - Phân lập, tuyển chọn, nghiên cứu số đặc điểm sinh học định danh vi khuẩn hấp phụ tartrazine - Khả hấp phụ tartrazine sinh khối vi khuẩn, dịch môi trường bột nang mực lên men - Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men - Nghiên cứu mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt động học hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men - Phân tích FT – IR SEM bột nang mực lên men 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Nguyên vật liệu Tartrazine tinh khiết, vi khuẩn đối chứng Bacillus cereus TKU034 cung cấp Đại học TamKang, Đài Loan Bột nang mực điều chế từ nang mực thải 2.3.2 Môi trường nuôi cấy Môi trường nuôi cấy vi khuẩn: 1% bột nang mực, 0,1% K2HPO4, 0,05% MgSO4 7H2O (Liang cộng sự, 2015) Khử trùng 121 0C, 15 phút 2.3.3 Phương pháp phân lập tuyển chọn vi khuẩn Thu nhận làm chủng vi khuẩn mọc đĩa thạch chứa bột nang mực Nuôi cấy vi khuẩn ngày môi trường bột nang lắc 150 rpm Phương pháp xác định khả hấp phụ tartrazine môi trường nuôi cấy (Liang cộng sự, 2015): Tartrazine thêm vào môi trường nuôi cấy vi khuẩn với tỷ lệ 1% dung dịch tartrazine 0,1% (w/v) lắc 150 rpm, 15 phút Ly tâm 5000 rpm 10 phút, thu dịch Đo OD dịch 427 nm Khả hấp phụ tính theo cơng thức: D= 100 x (Aini – Afin)/Aini 440 D: Khả hấp phụ chất màu (%); Aini: Chỉ số mật độ quang ban đầu; Afin: Chỉ số mật độ quang sau hấp phụ 2.3.4 Xác định khả hấp phụ tartrazine thành phần môi trường nuôi cấy vi khuẩn Sau ni cấy vi khuẩn mơi trường có bột nang mực, thành phần mơi trường gồm có: sinh khối vi khuẩn, dịch môi trường bột nang mực lên men Xác định khả hấp thu Tartrazine thành phần thời điểm 0, 1, 2, 3, ngày nuôi cấy chủng vi khuẩn tuyển chọn để đánh giá khả hấp phụ vật liệu 2.3.5.Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men Khả hấp phụ chất màu ảnh hưởng pH môi trường Nuôi cấy vi khuẩn tuyển chọn pH 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 điều kiện nhiệt độ phòng, tốc độ lắc 150 rpm để nghiên cứu 2.3.6 Mơ hình hấp phụ Sử dụng hai mơ hình phổ biến mơ hình Freundlich mơ hình Langmuir để nghiên cứu trình hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men Nồng độ tartrazine khảo sát từ 10 – 900 mg/l 2.3.7 Động học hấp phụ Động học hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men khảo sát theo phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc bậc Thời gian tiếp xúc bột nang mực lên men tartrazine khảo sát từ – 80 phút 2.3.8 Phân tích FT – IR bột nang mực lên men Phổ hồng ngoại quét khoảng bước sóng 400 – 4000 cm-1 Vật liệu hấp phụ trộn với KBr ép thành đĩa trước quét phổ máy quang phổ hồng ngoại FT-IR Excalibur 3100 2.3.9 Phân tích SEM bột nang mực lên men Ảnh SEM bột nang mực lên men chụp kính hiển vi điện tử quét FE – SEM S4800 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Phân lập tuyển chọn vi khuẩn hấp phụ tartrazine Phân lập 45 chủng vi khuẩn mơi trường có bột nang mực Tuyển chọn chủng vi khuẩn T4, T26 T29 thể khả hấp phụ tartrazine tốt (25,07 – 63,66 %), cao so với đối chứng B cereus TKU034 (10,11%) Kết hấp phụ tartrazine môi trường nuôi cấy ba chủng T4, T26 T29 tương đương với nghiên cứu Liang cộng (2015) đối tượng bột nang mực lên men vi khuẩn B cereusTKU034, TKU030 TKU027 441 Hình Khả hấp phụ tartrazine chủng vi khuẩn phân lập Vi khuẩn T4, T26 T29 có khuẩn lạc màu trắng, đường kính từ – mm, tế bào hình que, gram dương Khi đánh giá đặc điểm sinh hóa, T4, T26, T29 có khả sinh catalase, lên men đường glucose, fructose, sucrose, có khả sinh enzyme ngoại bào cellulose, protease Kết hợp với kết định danh sinh học phân tử dựa trình tự gen 16 S RNA cho thấy vi khuẩn Bacillus cereus Hình Kết định danh vi khuẩn tuyển chọn 3.2 Khả hấp phụ tartrazine thành phần môi trường nuôi cấy vi khuẩn Kết nghiên cứu hình cho thấy khả hấp phụ tartrazine môi trường nuôi cấy chủng vi khuẩn đạt cao khoảng 64,17 – 78,33 % Trong đó, bột nang mực lên men chủng vi khuẩn ngày có khả hấp phụ tartrazine cao đạt 79,33 - 90,33 % Sinh khối chủng vi khuẩn cho khả hấp phụ tartrazine từ 2,10 % - 15,00 %; khả hấp phụ tartrazine dịch môi trường 7,30 - 16,00% Như vậy, bột nang mực lên men thành phần hấp phụ tartrazine chủ yếu môi trường ni cấy vi khuẩn Ngồi ra, kết hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men (sau ngày) cao 1,19 – 1,41 lần so với bột nang mực chưa lên men Khả hấp phụ tartrazine thành phần mơi trường có biến động theo ngày nuôi cấy Ở môi trường nuôi cấy chủng vi khuẩn ngày ni cấy – cho khả hấp phụ tartrazine cao nhất, bột nang mực lên men hấp phụ tốt sau ngày, sinh khối vi khuẩn ngày dịch môi trường nuôi cấy 1, 442 Hình Khả hấp phụ tartrazine thành phần môi trường nuôi cấy vi khuẩn:A Môi trường nuôi cấy vi khuẩn; B bột nang mực lên men; C Sinh khối vi khuẩn; D dịch môi trường nuôi cấy 3.3 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men pH đóng vai trò quan trọng hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men thông qua điện bề mặt chất hấp phụ, bậc ion hóa phân ly nhóm chức Q trình hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men tiến hành khoảng pH – 10 Hình Biểu đồ ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men Ghi chú:C1: Đối chứng bột nang mực lên men B cereus TKU034; C2: Đối chứng bột nang mực không lên men Các nghiệm thức khả hấp phụ tartrazine đạt cực đại pH (2 79,97% 98,82%) giảm dần tăng pH Khi tăng pH có mặt ion OH- làm giảm khả hấp phụ tartrazine bột nang mực chất màu mang tính kiềm, tích điện tích âm 3.4 Mơ hình hấp phụ Để dự đốn tương tác phân tử tartrazine với bề mặt vật liệu hấp phụ, ước tính dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu, hai mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich Langmuir sử dụng Bảng Phương trình mơ hình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich Nghiệm thức Mơ hình đẳng nhiệt Langmuir Mơ hình đẳng nhiệt Freundlich T4 Ce/qe = 0.0352ce + 6.6596 lnqe = 0.6508lnce - 1.4512 R2 = 0.7467 R2 = 0.97 T26 Ce/qe = 0.0239ce + 3.9504 lnqe = 0.7125lnce - 1.5484 R2 = 0.7998 R2 = 0.9858 T29 Ce/qe = 0.017ce + 2.964 lnqe = 0.779lnce - 1.7542 R2 = 0.7668 R2 = 0.9871 443 C1 C2 Ce/qe = 0.0229ce + 3.8272 R2 = 0.8115 Ce/qe = 0.0306ce + 6.0301 R2 = 0.6571 lnqe = 0.7343lnce - 1.6153 R2 = 0.9876 lnqe = 0.7332lnce - 1.9009 R2 = 0.9472 Ghi chú:C1: Đối chứng bột nang mực lên men B cereus TKU034; C2: Đối chứng bột nang mực không lên men Kết nghiên cứu cho thấy hệ số R2 mơ hình Langmuir nằm khoảng 0,65 – 0,81 thấp hệ số R2 mơ hình Freundlich (0,95 – 0,99) Do đó, mơ hình Freundlich phù hợp mơ hình Langmuir trình hấp phụ tartrazine bột nang mực Như vậy, hấp phụ tartrazine bột nang mực tuân theo hấp phụ vật liệu khơng đồng nhất, có tính thuận nghịch Dung lượng hấp phụ cực đại bột nang mực nghiệm thức nằm khoảng 28,40 – 58,82 mg/g So sánh với nghiên cứu tro than, Deolied, lơng gà, than hoạt tính, chitin, chitosan, carbon từ vỏ dừa, Polyaniline nano layer composite, dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu nghiên cứu tương đương cao chitin, chitosan than hoạt tính 3.5 Động học hấp phụ Động học hấp phụ thông số quan để áp dụng mơ hình hấp phụ vào thực tế xử lý dự đóan tốc độ tách chất nhiễm khỏi nước Có hai mơ hình thường sử dụng để nghiên cứu động học hấp phụ động học hấp phụ biểu kiến bậc động học hấp phụ biểu kiến bậc NT T4 T26 T29 C1 C2 Bảng Một số tham số theo động học hấp phụ biểu kiến bậc Phương trình R2 K1 (phút- qe exp (mg/g) qe cal (mg/g) ) Log(qe-qt) = -0,0283t-0,1263 0,73 0,0623 2,32 0,75 Log(qe-qt) = -0,032t-0,0714 0,91 0,0705 2,72 0,85 Log(qe-qt) = -0,0225t-0,2074 0,81 0,0496 2,91 0,62 Log(qe-qt) = -0,0241t-0,2642 0,65 0,0555 2,51 0,54 Log(qe-qt)= -0,0264t-0,1836 0,89 0,0607 2,44 0,66 Ghi chú:C1: Đối chứng bột nang mực lên men B cereus TKU034; C2: Đối chứng bột nang mực không lên men NT T4 T26 T29 C1 C2 Bảng Một số tham số theo động học hấp phụ biểu kiến bậc Phương trình R2 K2 (g.mg-1.phút-1) qe exp (mg/g) qe cal (mg/g) t/q=0,4157t + 1,0619 0,99 0,1627 2,32 2,41 t/q=0,3562t + 0,7364 0,99 0,1723 2,72 3,81 t/q=0,3358t + 0,5268 0,99 0,2141 2,91 2,98 t/q=0,3903t + 0,6691 0,99 0,2277 2,51 2,56 t/q=0,3982t + 0,749 0,99 0,2117 2,44 2,51 Ghi chú:C1: Đối chứng bột nang mực lên men B cereus TKU034; C2: Đối chứng bột nang mực không lên men 444 Kết giá trị R2 mơ hình động học biểu kiến bậc cao bậc Ngoài ra, giá trị qe thực nghiệm qe tính tốn mơ hình động học biểu kiến bậc sai lệch mơ hình động học biểu kiến bậc Do đó, kết luận q trình hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc 3.6 Phân tích FT – IR bột nang mực lên men Phân tích FT – IR bột nang mực bột nang mực lên men chứa nhóm chức có khả hấp phụ tốt tartrazine OH (3421 – 3438 cm-1), C=O amide (1646 – 1654cm-1) Hình Kết FT – IR bột nang mực lên men trước sau hấp phụ tartrazine Phổ FT – IR đỉnh có thay đổi nhỏ vị trí Vì vậy, khơng có thay đổi cấu trúc hóa học bột nang mực q trình hấp phụ Do đó, q trình hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men tuân theo hấp phụ vật lý 3.7 Phân tích SEM bột nang mực lên men Quá trình hấp phụ phụ thuộc vào cấu trúc xốp vật liệu Hình bề mặt bột nang mực bột nang mực lên men có cấu trúc gồ ghề, nhiều lỗ, khơng đồng Chứng tỏ bột nang mực lên men khơng lên men có khả hấp phụ tartrazine hiệu Hình Kết chụp ảnh SEM bột nang mực lên men sau ngày lên men 100 rpm, pH KẾT LUẬN - Nghiên cứu tuyển chọn /45 chủng vi khuẩn có khả hấp phụ tartrazine cao T4, T26 T29, cao B cereus TKU034 2,48 – 6,29 lần - Vi khuẩn T4, T26, T29 Bacillus cereus 445 - Khả hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men cao so với sinh khối vi khuẩn (6,02 - 37,38 lần); so với dịch lên men (5,65 – 10,87 lần) so với bột nang mực chưa lên men (1,19 – 1,41 lần) Ở pH 2, bột nang mực lên men hấp phụ tartrazine tối ưu - Quá trình hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men từ vi khuẩn Bacillus cereus T4, T26 T29 tn theo mơ hình Freundlich phương trình hấp phụ biểu kiến bậc TÀI LIỆU THAM KHẢO Elisane Longhinotti, Fabíola Pozza, Lígia Furlan, Maria de Nazaré de M (1998) Adsorption of Anionic Dyes on the Biopolymer Chitin J Braz Chem Soc vol.9 no.5 Figueiredo SA, Loureiro JM, Boaventura RA (2005) Natural waste materials containing chitin as adsorbents for textile dyestuffs: batch and continuous studies Water Res 2005 Oct;39(17):4142-52 Mohammed A Kassem, and Gamal O El-Sayed (2014) Adsorption of Tartrazine on Medical Activated Charcoal Tablets under Controlled Conditions J Environ Anal Chem 2014, 1:1 Sushmita Banerjee, M.C Chattopadhyaya (2013) Adsorption characteristics for the removal of a toxic dye, tartrazine from aqueous solutions by a low cost agricultural byproduct Arabian Journal of Chemistry Syiffa Fauzia, Firda Furqani, Rahmiana Zein, and Edison Munaf (2015) Adsorption and reaction kinetics of tatrazine by using Annona muricata L seeds Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, 2015, 7(1):573-582 Tzu-Wen Liang, Chih-Ting Huang, Nguyen Anh Dzung, San-Lang Wang (2015) Squid Pen Chitin Chitooligomers as Food Colorants Absorbers Mar Drugs 2015 Jan; 13(1): 681–696 Tzu-Wen Liang, Bo-Chang Lo, and San-Lang Wang (2015) Chitinolytic BacteriaAssisted Conversion of Squid Pen and Its Effect on Dyes and Pigments Adsorption Mar Drugs 2015, 13, 4576-4593 Takayuki Shibamoto, Leonard F Bjeldanes and Steve Taylor (1993) Introduction to Food Toxicology A volume in Food Science and Technology Y Z Song, J M Xu, J S Lv, H Zhong, Y Ye, J M Xie (2010) Electrochemical reduction of tartrazine at multi-walled carbon nanotube-modified pyrolytic graphite electrode J of Chemistry 1030 – 1034 10 San-Lang Wang, Yan-Cheng Chen, Yue-Horng Yen, Tzu-Wen Liang (2012) Utilisation of chitinous materials in pigment adsorption Food Chemistry 135 (2012) 1134–1140 446 ... hưởng pH đến khả hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men - Nghiên cứu mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt động học hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men - Phân tích FT – IR SEM bột nang mực lên men 2.3 Phương... chủng vi khuẩn tuyển chọn để đánh giá khả hấp phụ vật liệu 2.3.5.Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ tartrazine bột nang mực lên men Khả hấp phụ chất màu ảnh hưởng pH môi trường Nuôi cấy vi khuẩn tuyển chọn. .. cứu - Tuyển chọn số chủng vi khuẩn có khả hấp phụ chất màu tartrazine sử dụng môi trường chứa nang mực - Đánh giá khả hấp phụ chất màu tartrazine bột nang mực trước sau lên men 2.2 Nội dung nghiên