B. CÁC NGHIEĐN CỨU VEĂ TRÂU
3.17. KHẠO SÁT QUÁ TRÌNH THỤY PHAĐN
So sánh thụy phađn trâu khođng noơ hơi và trâu noơ hơi
Với quá trình thụy phađn, tođi dự định tiên hành các thí nghieơm khạo sát các yêu tô pH, tư leơ enzyme, tư leơ bã khođ, và thời gian thụy phađn thích hợp. Tođi thực hieơn các thí nghieơm thụy phađn nhieău lây kêt quạ trung bình, đoăng thời có theơ nhaơn biêt được các quy luaơt, cũng như các sai sót trong quá trình thực hieơn. Ngoài ra, trong quá trình này tođi cũng khạo sát theđm, các ạnh hưởng cụa từng chê đoơ noơ hơi đôi với quá trình thụy phađn.
So sánh kêt quạ thụy phađn trâu khođng noơ hơi và trâu đã noơ hơi
Thực hieơn thí nghieơm với hàm lượng bã trâu khođ 5% (w/v), tư leơ enzyme 5% (v/v). Theơ tích toàn dung dịch 100ml . Chê đoơ noơ hơi trâu thí nghieơm là chê đoơ 200oC. Thời gian khạo sát là 48h.
Bạng 4.6 Kêt quạ thụy phađn như sau
Noăng đoơ (g/l) Đoơ chuyeơn hoá
Trâu thường 0.826 3.86%
Nồng độ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Trấu thường Trấu nổ hơi N ồ ng độ gl us e Độ chuyển hô 0 5 10 15 20 25 30 35 Trấu thường Trấu nổ hơi %
Hình 4.3 Đoă thị bieơu dieên noăng đoơ và đoơ chuyeơn hoá
(noăng đoơ gluco tính baỉng gam/Lit)
giữa trâu khođng xử lý và trâu được xử lý baỉng noơ hơi
Nhaơn xét
Hình 4.3 cho thây raỉng lượng đường táo ra từ hai lối trâu khác nhau rõ reơt: với trâu khođng được xử lý dù sao đã nghieăn thaơt nhỏ kích thước 250µm nhưng chư có theơ táo được noăng đoơ 0.826 g/l trong khi nêu được xử lý baỉng phương pháp noơ hơi nước thì noăng đoơ sẽ cao hơn nhieău (6.978g/l). Trâu khođng xử lý sẽ có các lớp rào cạn silica, lignin-hemicellulose, ngaín chaịn sự tiêp xúc enzyme với cellulose. Qua sô lieơu này cho thây vieơc tieăn xử lý nguoăn nguyeđn lieơu đaău rât quan trĩng.
Sau khi noơ hơi, kích thước loê xôp sẽ lớn vì hemicellulose đã bị thụy phađn, đoăng thời câu trúc cụa cellulose đã bị biên tính, neđn khạ naíng tân cođng cụa các tác nhađn thụy phađn sẽ cao hơn là mău chưa được xử lý. Trong cellulose chưa xử lý (noơ hơi), chư có moơt phaăn nhỏ cụa loê tiêp caơn được với tác nhađn thụy phađn [17]. Stone và Scallan [1] tìm ra raỉng kích thước loê xôp phú thuoơc mánh mẽ vào mức đoơ trương nở, rơm rá sau khi đã noơ hơi sẽ có mức đoơ trương nở cao hơn do đó theơ tích loê xôp lớn hơn. Phương pháp noơ hơi được nhaơn thây là có hieơu quạ đôi với goê cứng và chât thại nođng nghieơp [18]. Tuy nhieđn, noơ hơi nước khođng theơ phá hoàn toàn “ma traơn” lignin – carbohydrate, làm gia taíng đoơ kêt tinh cụa cellulose và có theơ táo ra những hợp chât ức chê sự phát trieơn cụa vi sinh vaơt leđn men [19]. Nhưng đieău đó hoàn toàn có theơ khaĩc phúc được thođng qua vieơc rửa nguyeđn lieơu thaơt sách đeơ lối bỏ những chât ức chê trong nguyeđn lieơu đoăng thời hoà tan hemicellulose[8].
Khạo sát tư leơ enzyme ạnh hưởng đên quá trình leđn men
210oC chúng tođi dựa tređn cơ sở hieơu suât thu hoăi glucose ở phaăn noơ hơi. Chúng tođi nhaơn thây raỉng tái chê đoơ noơ hơi này hàm lượng glucose toơng coơng thu được là cao nhât, nhưng đieău đó văn chưa sáng tỏ raỉng ở chê đoơ noơ hơi này quá trình thụy phađn sẽ hieơu quạ hơn các chê đoơ khác, chúng tođi sẽ khạo sát theđm veă các chê đoơ noơ hơi.
Chúng tođi tiên hành khạo sát tư leơ enzyme (% v/v) laăn lượt là 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14. Với tư leơ bã khođ ban đaău là 10% (w/v), pH chúng tođi chĩn pH tôi ưu do nhà sạn xuât cung câp là 4.8. Toơng theơ tích cụa dung dịch thụy phađn là 100 ml. Phạn ứng thực hieơn trong vòng 48h , chúng tođi sẽ lây mău trong khoạng thời gian này và đo lượng glucose sinh ra.
Kêt quạ thí nghieơm như sau
0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 thoi gian N ong do 2ml 4ml 6ml 8ml 10ml 12ml 14ml
Hình 4.4 Đoă thị bieơu dieên quá trình thụy phađn theo tư leơ enzyme
(Noăng đoơ glucođ tính baỉng g/l, thời gian tính theo giờ)
Nhaơn xét
Dựa vào đoă thị có theơ nhaơn thây raỉng khi taíng tư leơ enzyme từ 2% đên 8% quá trình thụy phađn có sự khác bieơt rõ reơt, các đoă thị thụy phađn theo enzyme từ tư leơ 2% đên 8% tách bieơt ra. Trong khoạng tư leơ này, vieơc taíng tư leơ enzyme có vẹ hợp lý. Tư leơ enzyme trong khoạng này taíng cũng có nghĩa chúng ta làm gia taíng tôc đoơ phạn ứng thụy phađn, do đó với cùng thời gian thụy phađn như nhau chúng ta có theơ thây được noăng đoơ đường táo có khuynh hướng taíng daăn. Kêt quạ này cũng phù hợp với thí nghieơm cụa Zeng và Mashimoto khi thực hieơn với bã mía, hai ođng đưa ra nhaơn định raỉng khi taíng tư leơ enzyme trong khoạng tư leơ còn thâp, tôc đoơ
táo ra đường taíng mánh. Sô lieơu cho thây khi taíng tư leơ từ 2% đên 4% lượng đường glucose táo ra trong thời gian 24h taíng 1.5 laăn. Tôc đoơ taíng này văn khođng thay đoơi nhieău nêu thay đoơi tư leơ enzyme từ 4% leđn 8%, lượng glucose táo ra sau 24h ở tư leơ 4% là 12.33 g/l, và ở tư leơ 8% là 18.38 g/l.
Tuy nhieđn, mức đoơ taíng như thê có sự thay đoơi khi taíng tư leơ 8% leđn cao hơn, tôc đoơ thụy phađn thay đoơi khođng đáng keơ, có “khuynh hướng” chaơm lái rõ reơt. Nhât là trong khoạng từ 10% đên 14% tôc đoơ thụy phađn trong thời gian đaău cụa moêi tư leơ lái “chaơp” nhau, và càng ít thay đoơi trong thời gian sau. Như vaơy, trong khoạng tư leơ này, vieơc taíng tư leơ khođng làm gia taíng đáng keơ tôc đoơ thụy phađn. Nêu xét veă maịt chi phí cho enzyme, rõ ràng taíng tư leơ enzyme theo tư leơ tređn 10% khođng có lợi veă maịt chi phí.
Nguyeđn nhađn cụa sự taíng khođng đáng keơ có theơ do khi taíng lượng enzyme, thì ạnh hưởng ức chê cụa glucose và cellobiose cũng gia taíng theo, khi bị glucose ức chê enzyme β- glucosidase khođng tiêp xúc với cơ chât, khođng theơ caĩt cellobiose thành glucose, neđn tôc đoơ thụy phađn khođng thay đoơi nhieău. Thaơm chí nêu sự ức chê dieên ra mánh, đođi khi với tư leơ enzyme lớn nhưng noăng đoơ đường thâp hơn so với khi dùng tư leơ enzyme ít hơn, cú theơ tư leơ 14% enzyme thâp hơn 12%. Tái thời đieơm 48h với giá trị tư leơ nâm men 6%, noăng đoơ đường thâp hơn tái thời đieơm 24h, nguyeđn nhađn chúng tođi nghĩ do sai sô trong quá trình đo và quá trình lây mău.
Dựa vào nguyeđn nhađn tređn, chúng tođi quyêt định chĩn tư leơ enzyme cho quá trình thụy phađn là 10%. Chúng tođi nghĩ đađy là con sô phù hợp với sự thụy phađn trâu.
Khạo sát ạnh hưởng cụa pH
Dù pH tôi ưu cụa enzyme được cung câp là 4.8, nhưng chúng tođi nghĩ có theơ tùy vào nguoăn nguyeđn lieơu mà con sô pH hốt đoơng tôi ưu cụa enzyme có theơ thay đoơi. Chúng tođi tiên hành khạo sát với tư leơ bã khođ văn là 10%, tư leơ enzyme 10%, pH chúng tođi dự định khạo sát từ 4-5 vì theo nhieău tài lieơu tham khạo pH hốt đoơng cụa enzyme cellulase từ 4-5.
Các môc pH sẽ khạo sát: 4, 4.2, 4.4, 4.6, 4.8, 5. Cũng tiên hành đo noăng đoơ theo thời gian, và kêt quạ cụa quá trình khạo sát như sau
0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Thời gian N ồ ng độ pH 4 pH 4.2 pH 4.4 pH 4.6 pH 4.8 pH 5
Hình 4.5 Đoă thị bieơu dieên quá trình thụy phađn theo pH
(Noăng đoơ glucođ tính baỉng g/l, thời gian tính theo giờ)
Nhaơn xét
Theo tiên sĩ Mochidzuki có nhaơn xét, thođng thường pH hốt đoơng cụa cellulase từ 4-5 neđn có theơ thực hieơn quá trình thụy phađn ở các pH khác nhau, và moêi chụng lối enzyme sẽ có moơt vùng hốt đoơng tôi ưu khác nhau. OĐng đã thực hieơn vieơc nghieđn cứu quá trình thụy phađn nguoăn trâu ở pH 5. Veă pH theo đoă thị, có nhaơn xét đaău tieđn enzyme Cellusoft L văn hốt đoơng tôt trong khoạng pH 4-5. Các đường theo từng pH naỉm gaăn nhau neđn yêu tô enzyme khođng hẳn là yêu tô ạnh hưởng mánh đên quá trình thụy phađn. Enzyme cellulase có khạ naíng hốt đoơng trong khoạng pH lớn sẽ có lợi, và trong khoạng pH đó caăn xác định moơt vùng cú theơ đeơ enzyme hốt đoơng có hieơu quạ nhât.
Xem xét đoă thị tređn, vùng pH mà enzyme làm vieơc tôt dao đoơng xung quanh pH 4.8, đaịc bieơt tái pH 4.6 đường thụy phađn cao hơn so với các đường khác, tuy nhieđn đieău đó khođng có nghĩa pH tôi ưu cụa nhà sạn xuât khođng đúng vì có theơ ứng với từng nguoăn nguyeđn lieơu pH hốt đoơng sẽ thay đoơi.
Trong quá trình thụy phađn, đeơ pH văn cô định thì dung dịch thụy phađn caăn cho theđm dung dịch đeơm pH, vì trong quá trình thụy phađn có sự hieơn dieơn cụa các axit do quá trình thụy phađn, có theơ làm thay đoơi pH nêu khođng dùng theđm dung dịch đeơm.
Chúng tođi quyêt định chĩn thụy phađn theo pH 4.6 ở các khạo sát tiêp theo.
Khạỏ sát theo tư leơ bã khođ và thời gian thụy phađn thích hợp
Tư leơ bã khođ khạo sát laăn lượt là 2.5, 5, 7.5, 10, 12.5, 15% (w/v). Tư leơ enzyme văn giữ khođng đoơi là 10%, pH khạo sát 4.6.
Kêt quạ thí nghieơm như sau (xem phú lúc ) 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 Thời gian N ồ ng độ 2.50% 5% 7.50% 10% 12.50 % 15%
Hình 4.6 Đoă thị bieơu dieên quá trình thụy phađn theo tư leơ bã khođ
(Noăng đoơ glucođ tính baỉng g/l, thời gian tính theo giờ)
Nhaơn xét:
Tư leơ bã khođ có ạnh hưởng nhieău trong quá trình thụy phađn, theo lý thuyêt veă quá trình thụy phađn, ạnh hưởng cụa tư leơ bã khođ được theơ hieơn qua đoă thị:
Dựa vào phương trình có theơ nhaơn xét được noăng đoơ cơ chât tư leơ với tôc đoơ táo thành glucose. Trong khoạng noăng đoơ cơ chât còn thâp, quan heơ giữa tư leơ bã khođ và tôc đoơ phạn ứng thụy phađn gaăn như tuyên tính. Do đó mà trong khoạng noăng đoơ cơ chât thâp, lượng glucose sinh ra tương ứng. Maịt khác, khi taíng noăng đoơ cơ chât ban đaău tới moơt mức nào đó, quy luaơt khođng còn tuyên tính nữa, mà theo dáng hàm cong, dù có taíng tư leơ bã khođ cho vào thì noăng đoơ glucose taíng khođng nhieău, thaơm chí có theơ noăng đoơ glucose sẽ khođng đoơi hoaịc giạm xuông. Theo chị Khánh Thạo đã nghieđn cứu, tư leơ rơm rá cao noăng đoơ glucose khuynh hướng giạm xuông, do lúc này lượng enzyme khođng đụ đeơ thụy phađn, neđn làm cho quá trình tiêp xúc giữa cơ chât và enzyme khođng đeău, lượng đường sinh ra khođng cao.
Tređn thực tê, quá trình thụy phađn trâu theo tư leơ bã khođ cũng tuađn theo quy luaơt hình tređn. Hình dưới bieơu dieơn môi quan heơ giữa tư leơ bã khođ và noăng đoơ glucose táo ra tái thời đieơm 24h. 0 5 10 15 20 25 30 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 Tỉ lệ bê khơ N ồ ng độ gl uc o s e
(Noăng đoơ glucođ tính baỉng g/l, tư leơ bã khođ với khôi lượng dung dịch đem thụy phađn)
Từ tư leơ 2.5 đên 10% bã khođ, quan heơ này gaăn tuyên tính: tư leơ bã trâu là 5% và 7.5% , tương ứng noăng đoơ glucose là 11.72 và 15.75 g/l. Khi tiêp túc taíng tư leơ bã, đoă thị có chieău hướng “cong” đi, rõ nhât từ khoạng 12.5% đên 15%. Noăng đoơ glucose taíng từ 23g/l leđn 24.61 g/l. Theo dự đoán cụa chúng tođi, thực hieơn tiêp thí nghieơm với tư leơ trâu cao hơn thì đoă thị sẽ baĩt đaău đi ngang. Tuy nhieđn, chúng tođi khođng thực hieơn tiêp vì tái môc 15% bã lượng bã chiêm theơ tích khá nhieău gađy khó khaín khi lây mău cũng như quá trình troơn đeău bã với dung dịch, ạnh hưởng đên noăng đoơ đường glucose sinh ra.
Xét đên yêu tô hieơu suât chuyeơn hoá, khi taíng daăn tư leơ bã trâu thì hieơu suât cụa quá trình thụy phađn giạm daăn. Phaăn traím cellulose chuyeơn hoá được tính bằng lượng đường táo thành tređn lượng cellulose ban đaău [1]. Khi tỷ leơ cơ chât còn thiêu so với enzyme cellulase, thì lượng đường táo ra khá lớn so với lượng cellulose ban đaău, vì haău như toàn boơ cơ chât đã bị chuyeơn hoá, do đó mà hieơu suât chuyeơn hoá cao ứng với tư leơ bã thâp. Khi noăng đoơ cơ chât cao (tỷ leơ >10% đên 20%), nghĩa là lượng cơ chât baĩt đaău thừa so với enzyme, lượng đường được táo ra thâp hơn so với lượng đường có khạ naíng táo ra từ lượng cellulose ban đaău, neđn % cellulose chuyeơn hoá bị giạm xuông.
Hieơu suât chuyeơn hoá theo tư leơ bã 2.5, 5, 7.5, 10, 12.5, 15 tái thời đieơm 48h tương ứng là 68.81%, 52.07%, 44.1%, 41%, 37.73%, 33.76% phù hợp với lý thuyêt. Ở tư leơ enzyme 10% dựa vào hieơu suât chuyeơn hoá, chúng tođi nhaơn thây tư leơ enzyme tređn đụ đeơ thụy phađn 15% bã trâu khođ, quá trình thụy phađn baĩt đaău chaơm lái tái khoạng tư leơ enzyme này. Đeơ chĩn ra moơt tư leơ thích hợp cho quá trình thụy phađn chúng tođi xem xét tređn 2 yêu tô: noăng đoơ đường táo ra và hieơu suât chuyeơn hoá
0 5 10 15 20 25 30 2.5 5 7.5 10 12.5 15 Tỉ lệ bê khơ N ồ ng độ gl uc os e 0 10 20 30 40 50 60 70 Độ ch u y ể n hô
Hình 4.8 Đoă thị bieơu dieên sự thay đoơi noăng đoơ glucose và đoơ chuyeơn hoá theo tư leơ bã khođ tái thời đieơm 24h
(noăng đoơ gluco g/l, tư leơ bã khođ tínht theo khôi lượng dung dịch đem thụy phađn)
Sự lựa chĩn moơt tư leơ bã trâu cho quá trình thụy phađn phại đạm bạo hai yêu tô sau
• Lượng đường táo ra càng nhieău.
• Hieơu suât chuyeơn hoá thành đường cũng phại cao.
• Naíng lượng tieđu tôn cho quá trình thâp
Dựa tređn đoă thị 4.8 khó mà đát được cạ hai múc đích vì môi quan heơ giữa noăng đoơ đường táo ra và hieơu suât chuyeơn hoá trái ngược nhau. Vì vaơy chúng tođi đưa ra phương án chĩn moơt đieơm thoạ mãn tương đôi moơt trong hai yêu tô tređn: chúng tođi mong muôn táo ra nhieău đường caăn thiêt cho sự leđn men coăn, nhưng hieơu suât chuyeơn hoá cũng khođng quá thâp. Dựa tređn đoă thị, hai đường đoă thị noăng đoơ và đoơ chuyeơn hoá giao nhau tái đieơm có tư leơ bã khođ khoạng gaăn 8.75%, tái đieơm này noăng đoơ đường và đoơ chuyeơn hoá tương đôi tôt. Tuy nhieđn chúng tođi khođng chĩn đieơm này vì múc đích chúng tođi muôn là noăng đoơ đường cao, neđn chúng tođi chĩn giá trị 10% bã. Lý do đeơ chúng tođi lựa chĩn giá trị 10% dựa tređn 2 cơ sở: Cạ hai đieơm 7.5 và 10% bã khođ naỉm trong vùng có noăng đoơ glucose và hieơu suât chuyeơn hoá đát thoạ mãn hai yeđu caău cụa quá trình thụy phađn.
Trong hai yeđu caău, chúng tođi ưu tieđn cho yeđu caău veă noăng đoơ đường nhieău hơn. Tái giá trị 10% bã, chúng tođi thây noăng đoơ glucose taíng nhanh hơn so với sự giạm hieơu suât chuyeơn hoá (đoơ dôc cụa đường noăng đoơ trong khoạng 7.5-10% cao hơn so với đoơ giạm hieơu suât chuyeơn hoá).
Đôi với yêu tô naíng lương tieđu tôn, tái môc tư leơ 12.5% hoên hợp dung dịch và bã đaịc neđn sẽ caăn tieđu tôn nhieău naíng lượng khuây đeơ làm hoên hợp được tiêp xúc đeău với enzyme. Vì vaơy chúng tođi chĩn tư leơ bã 10% cho quá trình thụy phađn.
Veă yêu tô thời gian thích hợp cho quá trình thụy phađn: chúng tođi nhaơn thây khi thời gian thụy phađn taíng thì noăng đoơ glucose taíng theo. Trong thời gian đaău lúc cơ chât còn nhieău, đụ cho enzyme hốt đoơng thì tôc đoơ thụy phađn taíng rât nhanh, quá trình thụy phađn xạy ra trieơt đeơ hơn. Tuy nhieđn càng kéo dài thời gian thụy phađn, tôc đoơ thụy phađn chaơm hơn. Từ sau 24h trở đi, tôc đoơ thụy phađn taíng khođng đáng keơ, noăng đoơ glucose baĩt đaău đát mức oơn định. Như vaơy, thời gian thụy phađn càng dài sẽ tôn kém chi phí cho quá trình thụy phađn, ngược lái