Đang tải... (xem toàn văn)
0 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM *** ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT SINH HỌC Đề tài Xây dựng quy trình công nghệ lên men bề mặt sản xuất enzyme xylanase từ nấm mốc[.]
0 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM *** ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT SINH HỌC Đề tài: Xây dựng quy trình cơng nghệ lên men bề mặt sản xuất enzyme xylanase từ nấm mốc Aspergillus niger GVHD: TS Nguyễn Tiến Thành ThS Lê Thị Lan Chi Sinh viên thực hiện: Dương Diệu Linh MSSV: 20190346 Hà Nội, 2023 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .3 1.1 Tổng quan Xylan 1.1.1 Xylan 1.1.2 Tính chất xylan 1.2 Enzyme phân giải xylan – Xylanase .6 1.2.1 Khái niệm Xylanase 1.2.2 Phân loại cấu trúc Xylanase 1.2.3 Nguồn thu enzyme Xylanase 1.2.4 Cơ chế phản ứng Xylanase 11 1.2.5 Ứng dụng Xylanase 13 1.2.6 Vị trí enzyme xylanase tế bào .14 1.3 Thực trạng sản xuất enzyme xylanase 15 1.3.1 Một số sản phẩm enzyme xylanase có thị trường 15 1.3.2 Các phương pháp sản xuất enzyme xylanase .16 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 18 2.1 Lựa chọn quy trình cơng nghệ 18 2.1.1 Lựa chọn chủng .18 2.1.2 Lựa chọn phương pháp lên men 20 2.1.3 Lựa chọn nguyên liệu cách xử lý nguyên liệu 20 2.1.4 Lựa chọn phương pháp thu hồi enzyme 20 2.2 Lựa chọn thiết bị .22 2.2.1 Thiết bị đảo trộn 22 2.2.2 Thiết bị tiệt trùng 23 2.2.3 Thiết bị nhân giống cấp 24 2.2.4 Thiết bị lên men 24 2.2.5 Thiết bị trích ly 26 2.2.6 Thiết bị ly tâm .26 2.2.7 Thiết bị lọc màng 28 2.2.8 Thiết bị sấy phun 29 2.2.9 Thiết bị đóng gói 30 CHƯƠNG 3: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 32 3.1 Chuẩn bị môi trường lên men .32 3.1.1 Xử lý nguyên liệu .32 3.1.2 Tiệt trùng làm nguội 33 3.2 Chuẩn bị giống cho lên men 34 3.2.1 Hoạt hoá giống 34 3.2.2 Nhân giống .34 3.3 Lên men 38 3.4 Quá trình thu hồi enzyme 39 3.4.1 Trích ly enzyme .39 3.4.2 Ly tâm 40 3.4.3 Lọc màng 40 3.4.4 Sấy phun 41 3.4.5 Đóng gói 42 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 MỞ ĐẦU Việt Nam nước nông nghiệp, trồng trọt chăn nuôi coi kinh tế mũi nhọn nước ta Tuy nhiên ngành chăn ni cịn số vấn đề chưa cải thiện Ở vật nuôi quan trọng đường ruột, đường ruột không khỏe mạnh ảnh hưởng đến nhung mao, hội để vi khuẩn có hại phát triển, tiết chất nhầy mức dẫn đến giảm lượng ăn vào, chuyển hóa thức ăn tỷ lệ chết Sự phát triển enzyme thức ăn, xylanase, phytase protease … với tiến miễn dịch học công nghệ sinh học, cho phép nhà khoa học hiểu rõ tác động enzyme đến sức khỏe đường ruột, khả tiêu hóa chất dinh dưỡng suất vật nuôi Enzyme xylanase giúp cải thiện khả tiêu hóa thành phần thức ăn có nguồn gốc thực vật giảm độ nhớt chất tiêu hóa, làm cho vật ni hấp thu tốt Xylanase (endo-1,4-β-xylanase) có tác dụng phân giải xylan, xylanase tạo vi sinh vật tìm thấy từ tảo, động vật nguyên sinh, ốc sên, động vật giáp xác loại hạt thuộc nhóm ngũ cốc Xylan hợp chất phổ biến thứ hai giới chưa khai thác ứng dụng nhiều Bên cạnh rác thải ngành cơng nghiệp khác như: bã mía từ nhà máy sản xuất đường, bã đậu tương từ nhà máy ép dầu,… bị thải môi trường Đây coi nguồn chất tiềm để sản xuất enzyme xylanase Nhận thấy, thị trường enzyme xylanase Việt Nam chủ yếu nhập từ nước với giá thành tương đối cao Xuất phát từ vấn đề nêu trên, Đồ án chuyên ngành Kĩ thuật sinh học này, với kiến thức học hướng dẫn TS Nguyễn Tiến Thành ThS Lê Thị Lan Chi, em xin trình bày đồ án với đề thiết kế sau: “Xây dựng quy trình cơng nghệ lên men bề mặt sản xuất enzyme xylanase từ nấm mốc Aspergillus niger” Với thực trạng nay, enznyme xylanase Việt Nam chưa sản xuất công nghiệp phổ biến giới hạn kiến thức sai sót trình làm đồ án, em xin nhận góp ý q thầy để hoàn thiện CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Xylan 1.1.1 Xylan Xylan, thành phần hemicellulose, polysaccharide chiếm tỉ lệ lớn thứ hai sau cellulose thành tế bào thực vật, tồn dạng liên kết không liên kết với cellulose, lignin, pectin hay polysaccharide khác để trì tính ngun trạng thành tế bào Xylan polysaccharide hỗn tạp có chứa nhóm phụ gốc acetyl, 4-O-methyl-D-glucuronosyl α-arabinofuranosyl liên kết với khung tạo gốc xylopyranose Bộ khung liên kết với theo kiểu β-1,4- glycozit Lignin bao quanh xylan, liên kết với xylan liên kết este gốc axit 4-O-methyl-D-glucuronic Hình 1.1 Cấu trúc xylan (a) Cấu trúc monome, (b) Cấu trúc xylan tự nhiên Xylan, thành phần hemicellulose tìm thấy thành tế bào thực vật polysaccharide thứ hai sau cellulose, chiếm gần phần ba carbon hữu phục hồi trái đất Xylan thành phần hemicelulose, phức hợp polysaccharide gồm: xylan, xylanglucan, glucomannan, galactoglucomannan arabinogalactan Phức hợp với cellulose lignin hình thành nên thành phần polymer vách tế bào thực vật Xylan tìm thấy lượng lớn gỗ cứng từ thực vật hạt kín (15-30%), gỗ mềm từ thực vật hạt trần (7- 10%) hàng năm (30%) Đặc biệt rộng, xylan chiếm tới 35% tổng trọng lượng chất khơ thực vật Hình 1.2 Cấu trúc thành tế bào thực vật Ba thành phần cấu trúc vách tế bào thực vật, tương tác với nhờ liên kết cộng hóa trị khơng cộng hóa trị Xylan ranh giới ligin cellulose, vị trí quan trọng cho kết dính chất xơ tính tồn vẹn vách tế bào thực vật Hemicellulose polysaccharide màng tế bào tan dung dịch kiềm có liên kết chặt chẽ với cellulose, ba sinh khối tự nhiên Cùng với cellulose lignin, hemicellulose tạo nên thành tế bào vững thực vật Về cấu trúc, hemicellulose có thành phần D-glucose, D-galactose, D-mannose, D-xylose Larabinose liên kết với thành phần khác nằm liên kết glycoside Hemicellulose chứa axit 4-O-methylglucuronic, axit D-galacturonic axit glucuronic Trong đó, đường D-xylose, L-arabinose, D-glucose D-galactose phổ biến thực vật thân cỏ ngũ cốc Tuy nhiên, khác với hemicellulose thân gỗ, hemicellulose thực vật thân cỏ lại có lượng lớn dạng liên kết phân nhánh phụ thuộc vào loài loại mơ lồi phụ thuộc vào độ tuổi mơ Tùy theo thành phần hemicellulose có chứa monosaccharide mà có tên tương ứng manan, galactan, glucan xylan Các polysaccharide manan, galactan, glucan hay xylan chất phổ biến thực vật, chủ yếu thành phần màng tế bào quan khác gỗ, rơm rạ,… Trong loại hemicellulose, xylan polymer thành tế bào thực vật gốc D-xylopyranose kết hợp với qua liên kết β-1,4-D-xylopyranose, nguồn lượng dồi thứ hai trái đất Đa số phân tử xylan chứa nhiều nhóm trục chuỗi bên Các gốc thay chủ yếu khung xylan gốc acetyl, arabinosyl glucuronosyl Các nhóm có đặc tính liên kết tương tác cộng hóa trị khơng hóa trị với lignin, cellulose polymer khác Cấu tạo, số lượng vị trí xylan loài thực vật khác khác Xylan tồn dạng O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan gỗ cứng), hay arabino-4O-methylglucuronoxylan gỗ mềm, hay thành phần cấu tạo xylan axit Dglucuronic, có khơng có liên kết ete 4-O-methyl arabinose lồi ngũ cốc Hình 1.3 O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan gỗ cứng Hình 1.4 Arabino-4-O-methylglucuronoxylan gỗ mềm 1.1.2 Tính chất xylan Xylan khơng mùi, khơng vị Nhiệt độ hịa tan xylan phụ thuộc vào nguồn gốc Xylan có nguồn gốc từ gỗ cứng có nhiệt độ hịa tan 150 – 200 oC; gỗ mềm, nhiệt độ hịa tan 70-130oC Trong gỗ cứng, cấu trúc xylan có chứa nhóm acetyl, cịn gỗ mềm khơng chứa nhóm acetyl Do đó, xylan gỗ cứng tan nước tốt Hình 1.5 Cấu trúc xylan gỗ; (a) gỗ mềm; (b) gỗ cứng 1.2 Enzyme phân giải xylan – Xylanase 1.2.1 Khái niệm Xylanase Xylanase glycoxidase (O- glycoside hydrolase, EC 3.2.1.x) xúc tác trình thủy phân endohydro hóa liên kết 1,4-β-D-xylosidic xylan, có nghĩa thủy phân mạch hemicellulose lại không ảnh hưởng đến cellulose, từ tạo khơng gian giải phóng lignin bị giữ lại gỗ Chúng phức hệ enzyme cần thiết, tham gia vào sản xuất xylose, nguồn cacbon cho q trình trao đổi chất tế bào trình lây nhiễm tế bào thực vật mầm bệnh thực vật, tạo nhiều sinh vật bao gồm vi khuẩn, tảo, nấm, động vật nguyên sinh, động vật chân bụng nhân trắc Phát xylanase báo cáo vào năm 1955, ban đầu chúng gọi pentosanase Liên minh Hóa sinh Sinh học phân tử quốc tê (IUBMB) công nhận vào năm 1961 chúng gán mã enzyme EC 3.2.1.8 tên thức chúng endo- 1,4- β- xylanase, thuật ngữ đồng nghĩa thường sử dụng bao gồm xylanase, endoxylanase, 1,4- β- D- xylan- xylanohydrolase, endo- 1,4- β- xylanase, 1,4β- xylanase β- xylanase 1.2.2 Phân loại cấu trúc Xylanase Xylanase thuộc nhóm enzyme thủy phân liên kết glycoside (glycoside hydrolase, GH), thủy phân xylan Glycoside hydrolase nhóm enzyme phân bố rộng rãi, thủy phân liên kết glycoside chuỗi polysaccharide oligosaccharide Do cấu trúc phức tạp carbonhydrate tự nhiên, nên enzyme đặc hiệu chất khác tồn số lượng lớn song song với GH từ nguồn khác phân loại thành họ khác dựa vào trình tự axit amin tương đồng Nguyên tắc từ trình tự axit amin bậc thấy mối liên kết trực tiếp cấu trúc bậc cuộn gấp enzyme thành viên hệ định Dựa vào tương đồng trình tự acid amin kết phân tích cấu trúc không gian, xylanase chủ yếu xếp vào họ 10 11 hệ enzyme thủy phân glycoside (Collin & cộng sự, 2005; Jeya & cộng sự, 2009; Sibtain & cộng sự, 2009) Xylanase hai họ 10 11 thủy phân xylan chế thay hai lần liên quan đến hai acid glutamic (Sinnot, 1990) Hai phân tử acid nằm trung tâm hoạt động enzyme định phần đến hình thành cấu trúc xylanase Một phân tử acid hoạt động chất xúc tác cách thêm proton vào chất, phân tử acid thứ hai có lực mạnh với nhân, có vai trò mở đầu cho phản ứng phân cắt hình thành enzyme α-glycosyl (Collin & cộng sự, 2005) Các thành viên họ xylanase 10 có cấu trúc (α/β)8 barrel trọng lượng phân tử xấp xỉ 48 kDa, pI thấp, thủy phân liên kết glycoside với giữ hình thể ngun vẹn, đó, họ xylanase 11 có cấu trúc mạch β gập hình bánh sandwich gần giống với cấu trúc bàn tay phải có khối lượng phân tử nhỏ hơn, vào khoảng 20 kDa, pI cao thủy phân liên kết glycoside với chế xúc tác đổi chỗ hai lần (Hakylinen & cộng sự, 2003; Zhou & cộng sự, 2009) Xylanase thuộc hệ GH10 thuộc nhóm acid xylanase Xylanase thuộc hệ GH11 thuộc nhóm alkaline xylanase Hình 1.6 Cấu trúc không gian chiều Xylanase họ 10 từ Bacillus harodurans Hình 1.7 Cấu trúc khơng gian chiều Xylanase họ 11 1.2.3 Nguồn thu enzyme Xylanase Xylanase có mặt khắp nơi tự nhiên và tìm thấy nhiều sinh vật sống như: vi khuẩn biển, cạn cỏ, nấm ưa nhiệt nấm ưa, động vật nguyên sinh, giáp xác, ốc sên, côn trùng, tảo, thực vật hạt giống (hạt dưa chuột chưa trưởng 10