Khoa hoc Cong nghe Thuy san indd Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy sản Số 2/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 107 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VISCOZYME L TRONG SẢN XU[.]
Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2013 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VISCOZYME L TRONG SẢN XUẤT CARRAGEENAN TỪ RONG SỤN (KAPPAPHYCUS ALVAREZII (DOTY) DOTY) STUDIES ON THE USE OF VISCOZYME L FOR EXTRACTION OF CARRAGEENAN FROM KAPPAPHYCUS ALVAREZII (DOTY) DOTY Lê Thị Thúy Hằng1, Vũ Ngọc Bội2 Ngày nhận bài: 03/7/2012; Ngày phản biện thông qua: 07/01/2013; Ngày duyệt đăng: 15/5/2013 TÓM TẮT Hiện nay, việc sử dụng chế phẩm enzyme để thay hóa chất tách chiết carrgeenan từ rong sụn giảm thiểu ô nhiễm môi trường hướng quan tâm Viscozyme L endo-beta-glucanase thủy phân liên kết (1-3)- (1-4)- beta-D-glucans nên sử dụng để xử lý rong sụn trước nấu chiết carrageenan thay cho xử lý hóa chất Nghiên cứu tìm điều kiện tối ưu cho việc xử lý rong để sản suất carrageenan enzyme Viscozyme L sau: tỷ lệ enzyme/rong = 1,45%; t0 = 420C; pH =5,1; t = 60 phút Xử lý rong theo điều kiện tối ưu thu carrageenan có màu trắng sáng sức đơng 655g/cm2 Từ khóa: Kappaphycus alvarezii (Doty) Doty, carrageenan, Viscozyme L ABSTRACT The applying enzyme product replaced some chemicals to extract carrageenan from Kappaphycus alvarezii is the new method which can reduce environmental pollution and up to now it would be more and more popular Viscozyme L is an endo-beta-glucanase that hydrolyzes (1,3)- or (1,4)-linkages in beta-D-glucans Therefore, it can be use to treat Kappaphycus alvarezii before extraction of carrageenan instead of chemical treatment This study found that the optimal condition for treating Kappaphycus alvarezii as follows: enzyme/seaweed ratio = 1,45%; t0 = 420C; pH =5,1; t = 60 minutes Carrageenan obtained by treatment of seaweed under the optimal condition had white color with a gel strength of 665g/cm2 Keywords: Kappaphycus alvarezii (Doty) Doty, carrageenan, Viscozyme L I ĐẶT VẤN ĐỀ Rong sụn (Kappaphycus alvarezii (Doty) Doty) lồi rong biển nhiệt đới có giá trị kinh tế cao Thành phần hoá học chủ yếu rong sụn Carrageenan, chiếm 40 - 55% khối lượng rong khô Việc sản xuất Carrageenan năm 1862 Hiện nay, nước sản xuất Carrageenan nhiều giới Philipine, Mỹ, Đan Mạch, Pháp… Năm 2001, tổng sản lượng Carrageenan giới 42.390 tấn, đó: Châu Âu chiếm 32%, Mỹ 21%, Châu Á - Thái Bình Dương 47% Sản lượng rong sụn nước ta năm 2005 khoảng 150 khô tiếp tục gia tăng năm tiếp Tuy nhiên, sở sản xuất carrageenan từ rong sụn hạn chế nhỏ lẻ, nguồn carrageenan thường nhập để đáp ứng nhu cầu tiêu dùng nước [1], [2] Hiện nay, cơng trình nghiên cứu rong sụn chủ yếu tập trung vào nghiên cứu nuôi trồng thu nhận carrageenan từ rong sụn quy trình xử lý rong hóa chất Phương pháp xử lý rong hóa chất để sản xuất carrageenan có nhược điểm carrageenan thu thường lẫn với hóa chất nên q trình tinh chế gặp nhiều khó khăn sử dụng carrageenan lĩnh vực y dược dược phẩm Ngồi ra, việc sử dụng hóa chất cịn Lê Thị Thúy Hằng: Lớp Cao học Công nghệ Sau thu hoạch 2009 - Trường Đại học Nha Trang TS Vũ Ngọc Bội: Khoa Công nghệ thực phẩm - Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 107 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản gây nên vấn đề ô nhiễm môi trường Nhiều nghiên cứu gần cho thấy việc sử dụng enzyme polysaccharase để thu carrageenan có nhiều ưu điểm hiệu suất carrageenan thu dễ dàng tinh chế Nghiên cứu Soovendran cộng (2009) cho thấy sử dụng enzyme cellulase để thu nhận carrageenan từ rong sụn cho hiệu suất cao khoảng 45% Viscozyme L phức hợp đa enzyme bao gồm arabanase, cellulase, β-glucanase, hemicellulase xylanase, sử dụng chế phẩm để xử lý nguyên liệu thực vật có tác dụng làm giảm độ nhớt, cải thiện tính chất nguyên liệu giúp tăng hiệu suất trình tách chiết thành phần mong muốn thực vật Do vậy, đề tài nghiên cứu sử dụng chế phẩm enzyme Viscozyme L để thay hóa chất xử lý rong sụn (Kappaphycus alvarezii (Doty) Doty) để sản xuất carrageenan II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu a Rong sụn (Kappaphycus alvarezii (Doty) Doty) trồng vùng biển Khánh Hòa, Việt Nam Rong sụn sau thu mua, rửa cát, muối phơi khô để đạt độ ẩm khoảng 30,5% Sau Giải thích sơ đồ: rong sụn ngâm trương nở từ 10 sau đem xử lý với Viscozyme L thời gian 60 phút Lần lượt nghiên cứu điều kiện thích hợp để xử lý rong enzyme với tỷ lệ enzyme/rong từ 1% - 1,5%, nhiệt độ ngâm rong 40 - 500C pH 4,6 5,2 Sau đó, rong đem nấu chiết 900C, tỷ lệ nước/rong khô: 50/1 thời gian 80 phút Hỗn hợp lọc qua lớp vải, bổ sung 0,3% KCl vào dịch lọc, để đông tự nhiên, cắt miếng, cấp đông, rã đông làm khô thu sản phẩm carrageenan Kết đánh giá: hiệu suất thu nhận sức đơng carrrageenan Số 2/2013 đó, rong bảo quản phịng thí nghiệm sử dụng cho nghiên cứu b Chế phẩm enzyme: Visozyme L hãng Novozymes, hoạt độ 100 FBG/g, điều kiện thích hợp để chế phẩm hoạt động: pH 3,3 - 5,5 nhiệt độ 50 - 550C Bảo quản chế phẩm nhiệt độ 1- 100C c Hóa chất: CH3COOH, NaOH, KCl hóa chất đạt tiêu chuẩn phân tích Trung Quốc sản xuất Phương pháp nghiên cứu - Xác định hàm ẩm: phương pháp sấy đến khối lượng không đổi theo tiêu chuẩn TCVN 3700-90 - Xác định đường tổng số: phương pháp Dubois [4] - Xác định hàm lượng 3,6- anhydro-galactose: phương pháp Yaphe [7] - Xác định hàm lượng sulfate: phương pháp Terho [6] - Xác định độ nhớt: phương pháp Craigle [3] - Xác định độ bền gel: phương pháp Craigle [3] - Phương pháp tối ưu hóa: tối ưu hóa q trình nghiên cứu phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp I Quá trình thu carrageenan bố trí theo thí nghiệm sau: Rong sụn khô Ngâm nước – 10h Xử lý enzyme Viscozyme L E/R= 1% - 1,5% t0 = 400C – 500C pH : 4,6 – 5,2 Rửa Tỷ lệ nước/rong khô: 50/1 Nhiệt độ: 900C Thời gian 80 phút 108 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Nấu chiết Lọc Dịch lọc Bã Lạnh đông tan giá KCl 0,3% Phơi khơ Carrageenan Đánh giá chất lượng Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm sử dụng Viscozyme L để xử lý rong sụn sản xuất carrageenan Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2013 Tiếp theo, để khảo sát giá trị tối ưu, áp dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp I với yếu tố Z1 hàm mục tiêu theo sơ đồ sau: Y1 Z2 Công đoạn ngâm Y2 rong Z Ta có biến đầu vào: - Z1: nồng độ enzyme/rong 1% - 1,5% - Z2: nhiệt độ xử xử lý rong 400C – 500C - Z3: pH 4,6 – 5,2 Hàm mục tiêu: - Y1: Sức đông carrageenan - Y2 : Hiệu suất thu carrageenan Các yếu tố ảnh hưởng n = số thí nghiệm N = 2k + = 11 Phương trình hồi quy có dạng: Y = b0 + b1x + b2x + b3x + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123x1x2x3 Hàm mục tiêu lựa chọn trình tối ưu hóa hàm sức đơng hàm hiệu suất thu carrageenan, tiêu quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng ảnh hưởng lớn đến chi phí sản xuất Thực tế khơng thể có nghiệm chung cho hai trình để đạt y1 y2 gần y1max, y2max Để tìm nghiệm thỏa mãn sử dụng phương pháp chập tuyến tính: YL = α1y1 + α2y2 Trong - α1: hệ số quan trọng ứng với hàm mục tiêu sức đông (y1) - α2: hệ số quan trọng ứng với hàm mục tiêu hiệu suất (y2) Với mục đích thu nhận carrageenan có chất lượng cao nên ưu tiên cho hàm mục tiêu sức đông, chọn α1 = 0,6, α2 = 0,4 (Vì sức đơng yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng carrageenan hiệu suất ảnh hưởng nhiều đến chi phí sản xuất) Ta có hàm đa mục tiêu: YL = 0,6y1 + 0,4y2 III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Tối ưu hóa cơng đoạn ngâm rong Bảng Khoảng biến đổi yếu tố ảnh hưởng đến trình thu carrageenan Các yếu tố ảnh hưởng Các mức Z1 (tỷ lệ enzyme/rong) Z2 (nhiệt độ) Z1 (pH) 1,5% 1,25% 1% 0,25% 50 C 450C 400C 50C 5,2 4,6 4,9 0,3 Mức (+1) Mức sở (0) Mức (-1) Khoảng biến thiên Quy hoạch thực nghiệm gồm 11 thí nghiệm, kết thực nghiệm trình bày sau: STT Biến mã Y1 Y2 -1 569 33,9 571,3 36,5 -1 529,4 33 -1 -1 564 34,9 -1 -1 567 35,5 -1 -1 -1 581,4 36,8 x1 x2 x3 x12 x13 x23 x123 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1 563,3 35,2 1 1 1 582,9 33,9 T1 0 0 0 580,87 34,5 T2 0 0 0 577,57 34 T3 0 0 0 581 34,3 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 109 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2013 Hàm sức đông hiệu suất thu hồi carrageenan biểu diễn theo mơ hình sau: Y1 = 566,04 + 8,86x1 – 6,14x2 + 7,6x3 + 4,69x12 + 5,59x23 - 3,39x123 Y2 = 34,96 + 0,56x1 - 0,71x2 + 0,39x3 - 0,41x12 - 0,56x13 Phân tích hồi quy cho thấy hai mơ hình hồn tồn có ý nghĩa thơng kê với độ tin cậy 99,95% Lần lượt xét ảnh hưởng yếu tố đến sức đông hiệu suất thu nhận carrageenan Khi tăng lượng chế phẩm Viscozyme L bổ sung để ngâm rong sức đơng hiệu suất tăng theo, chế phẩm Viscozyme L chứa enzyme polysacharase có tác dụng bào mòn tế bào thân rong thu lượng carrageenan Nhiệt độ ngâm rong ảnh hưởng lớn đến sức đơng hiệu suất, nhiệt độ thích hợp tạo điều kiện để enzyme xúc tác phản ứng thủy phân thân rong Trong khoảng nhiệt độ nghiên cứu 40- 550C, để tăng hai yếu tố cần phải giảm nhiệt độ xử lý nhiệt độ cao lại yếu tố kìm hãm hoạt độ xúc tác enzyme thủy phân rong chất enzyme protein, dễ bị biến tính nhiệt độ cao Ngồi ra, sức đơng hiệu suất chịu ảnh hưởng rõ rệt pH ngâm rong, pH yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng thủy phân màng cellulose thân rong, làm thay đổi trạng thái ion hóa nhóm định chức trung tâm hoạt động enzyme Khi tăng pH khoảng nghiên cứu sức đơng hiệu suất thu nhận tăng theo Quá trình tách chiết carrageenan từ rong sụn tiến hành cho thu carrageenan có sức đơng hiệu suất cao Vì vậy, nghiên cứu tối ưu hóa hàm mục tiêu phương pháp chập tuyến tính Bảng Kết thí nghiệm theo hướng leo dốc hàm chập YL Hệ số b b0 b1 b2 b3 b12 b13 b23 b123 Y1 566,04 8,86 -6,14 7,6 4,69 Y2 34,96 0,56 -0,71 0,39 -0,41 -0,56 YL 353,61 5,54 -3,97 4,72 2,65 -0,65 5,59 -3,39 5,59 -3,39 Ta có phương trình hồi quy: YL = 353,61 + 5,54x1 – 3,97x2 + 4,72x3 + 2,65x12 – 0,65x13 + 5,59x23 – 3,39x123 Rong sụn khơ Kết tối ưu hóa thu Ngâm nước – 10h sau: tỷ lệ enzyme/ rong 1,45%, nhiệt độ ngâm Xử lý Viscozyme L rong 420C, pH 5,1 Khi carrageenan thu có sức đơng đạt 655g/cm2, hiệu suất thu nhân đạt 34,5% Nhiệt độ: 900C Tỷ lệ nước/rong khô: 50/1 Thời gian nấu: 80 phút Đề xuất quy trình cơng nghệ Sau nghiên cứu, quy trình cơng nghệ sử dụng chế phẩm Viscozyme L thu nhận carrageenan đưa Enzyme/rong: 1,45%; pH 5,1 Nhiệt độ: 420C pH: 5,1 Nấu chiết Lọc Bã Dịch lọc KCl 0,3% Lạnh đông tan giá sau: Phơi khơ Carrageenan Hình Quy trình cơng nghệ sử dụng chế phẩm Viscozyme L thu nhận carrageenan 110 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2013 IV KẾT LUẬN Sau nghiên cứu, đưa thông số kỹ thuật tối ưu cho công đoạn xử lý rong chế phẩm Viscozyme L đề xuất quy trình cơng nghệ tách chiết carrageenan từ rong sụn trồng vùng biển Khánh Hòa Chất lượng carrageenan tách chiết theo quy trình thể qua tiêu chất lượng sau: + Sức đông: 655 g/cm2 + Hiệu suất thu nhận carrageenan đạt 34,5% + Màu sắc: trắng sáng TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Đào Trọng Hiếu, 2007 Tối ưu hóa quy trình cơng nghệ tách chiết carrageenan từ rong sụn Kappaphycus alvarezii Tạp chí Khoa học cơng nghệ Kinh tế thủy sản, Tập số 7: trang 15 – 17 Trần Đình Toại, Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải, Nguyễn Bích Thủy, Trần Thị Hồng (2006) Carrageenan từ rong biển - Sản xuất ứng dụng NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Craigie, J.C, Leigh, C, 1978 Carrageenan and agar In handbook of phycoligical method, Physiological and Biochemical methods - Cambridge Univ Press 09 - 31 Dubois, W S., Wilton, O C., Cas Kill, J.MC., Humm, HJ.and Wolf, F.A 1956 Colorimetric method for determination of sugar and related subtances Analytical Biochemistry, 28, 350 - 356 Soovendran A/l Varadarajan, Nazaruddin Ramli, Arbakariya Ariff, Mamot Said, Suhaimi Md Yasir, 2009 Development of high yielding carragenan extraction method from Eucheuma Cotonii using cellulase and Aspergillus niger, Prosiding Seminar Kimia Bersama UKM-ITB VIII - 461 Terho, T.T., Kartiala, 1971 Method for determinantion of the sulphate contenf of glycosaminoglycan Analytical Biochemistry, 41, 471 - 476 Yaphe, W., Arsenault, G P., 1965 Improved resorciol reagent for the determination of fructose and 3,6 anhydrogeatose in polysaccharides Analytical Biochemistry, 3, 143 – 148 Tiếng Anh TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 111 ... -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1 563,3 35,2 1 1 1 582,9 33,9 T1 0 0 0 580,87 34,5 T2 0 0 0 577,57 34 T3 0 0 0 581 34,3 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 109 Tạp chí Khoa. .. Mức (-1 ) Khoảng biến thiên Quy hoạch thực nghiệm gồm 11 thí nghiệm, kết thực nghiệm trình bày sau: STT Biến mã Y1 Y2 -1 569 33,9 571,3 36,5 -1 529,4 33 -1 -1 564 34,9 -1 -1 567 35,5 -1 -1 -1 581,4... b0 b1 b2 b3 b12 b13 b23 b123 Y1 566,04 8,86 -6 ,14 7,6 4,69 Y2 34,96 0,56 -0 ,71 0,39 -0 ,41 -0 ,56 YL 353,61 5,54 -3 ,97 4,72 2,65 -0 ,65 5,59 -3 ,39 5,59 -3 ,39 Ta có phương trình hồi quy: YL = 353,61