Vì độ polyme thấp, phân nhánh và hỗn hợp nhiều đƣờng nên hemicellulose khơng có cấu trúc chặt chẽ nhƣ ở cellulose và độ bền hóa lý cũng thấp hơn. Hemicellulose dễ tan trong dung dịch kiềm, trong nƣớc nóng và dễ bị phân hủy bởi acid loãng.
Xylan là một hemicellulose phổ biến nhất trong tự nhiên chiếm 30% khối lƣợng rơm rạ, 20-25% trong gỗ cây lá rộng, 7-17% trong gỗ cây lá kim.
b. Vi sinh vật phân giải hemicellulose
Khi nghiên cứu hemicellulose, ngƣời ta thấy chúng giống với cellulose về cấu tạo, liên kết hoá học và cấu trúc đại phân tử. Nhiều tác giả cho rằng, hemixenlulose có tính chất tƣơng đồng với cellulose về cơ chế tác động, tính chất cảm ứng tổng hợp. Tuy nhiên, giữa hemixenlulose và cellulose cũng có nhiền sự khác biệt. Hemicellulose có khối lƣợng phân tử nhỏ hơn, cấu trúc đơn giản và kém bền vững hơn [27,31].
Đa số vi sinh vật có khả năng tổng hợp celluloza cũng có khả năng tổng hợp xynalaza để phân huỷ xylan. Khả năng này thƣờng thấy ở vi sinh vật sống trong dạ cỏ động vật nhai lại nhƣ: Bacillus, Bacteriodes, Butyvibrio, Ruminococus và các vi khuẩn chi Clostridium.
Ngoài ra, một số loài nấm sợi nhƣ Mycotheciumverrucria, Chactomium, Stachybtrys… một số loài nấm xốp trắng cũng có khả năng phân giải hemicellulose nhƣ: Corrodusversicolor, Polyrus anceps,
Phanerochaete, aspergillus fumigatus… và nhóm xạ khuẩn gồm Streptomyces, Pseudomonas, Bacillus… [31,36].
1.5. Vai trị của vi sinh vật trong q trình lên men rƣợu
1.5.1. Quá trình lên men rượu
Phƣơng trình tổng quát về lên men rƣợu nhƣ sau: C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 + Q
Theo Pasteur, sự lên men chỉ xảy ra khi có mặt của vi sinh vật. Nếu ngăn cản không cho vi sinh vật tiếp xúc với dịch đƣờng thì hiện tƣợng lên men sẽ không xảy ra.
Nhƣ vậy, sự lên men rƣợu là một q trình sinh học có lên hệ mật thiết tới hoạt động của tế bào men.
Cơ chế lên men rƣợu xảy ra nhƣ sau: Đƣờng và các chất dinh dƣỡng đƣợc hấp thụ qua bề mặt tế bào rồi thẩm thấu vào bên trong. Ở đó, các enzym sẽ tác dụng qua nhiều giai đoạn trung gian để cuối cùng tạo ra sản phẩm chính là rƣợu và khí cacbonic. Hai chất này đều khuếch tán và tan vào môi trƣờng xung quanh. Rƣợu do rất linh động nên hòa tan nhanh trong dịch lên men, cịn khí cacbonic hịa tan kém và khuếch tán chậm. Lúc đầu CO2 hòa tan hồn tồn, dần dần tạo thành các bọt khí bám quanh tế bào men và lớn dần tới mức lực đẩy Archimedes lớn hơn khối lƣợng tế bào men cộng bọt khí. Khi đó, tế bào cùng bọt khí nổi dần lên, khi tới bề mặt các bọt khí sẽ tan vỡ và tạo thành tiếng rào rào (ta quen gọi là men ăn). Bọt khí tan, tế bào men lại chìm dần, tiếp xúc với dịch đƣờng để hấp thụ và lên men rồi lại sản ra rƣợu và khí Cacbonic. Nhƣ vậy, tế bào nấm men từ chỗ là vi sinh vật không chuyển động đã biến thành tế bào ln chuyển động trong q trình lên men. Nhờ đó mà tăng nhanh tốc độ hấp thụ và chuyển hóa đƣờng thành rƣợu. Khi đƣờng và các chất dinh dƣỡng trong mơi trƣờng cịn ít, một lƣợng lớn tế bào men sẽ lắng xuống đáy thùng, dịch lên men sẽ trong dần.
nhƣng chậm. Nồng độ thích hợp cho đa số nấm men dùng trong sản xuất rƣợu là 15 đến 18%. Nồng độ cao thì áp suất thẩm thấu sẽ lớn, do đó ảnh hƣởng xấu tới hiệu quả lên men, lên men sẽ kéo dài, đƣờng sót lại trong giấm chín sẽ tăng. Nếu lên men ở nồng độ đƣờng thấp cũng khơng có lợi vì tổn thất do tạo men sẽ tăng. Ví dụ khi lên men dịch đƣờng có nồng độ 16,9% , tổn thất đƣờng do tạo men chiếm 6% so với lƣợng đƣờng có trong dung dịch; nếu nồng độ đƣờng là 8,6% thì tổn thất do tạo men chiếm tới 9,84%. Mặt khác, lên men ở nồng độ thấp sẽ làm giảm năng suất của thiết bị, tốn nhiều hơi khi chƣng cất và làm tăng tỉ lệ tổn thất rƣợu trong bã và nƣớc thải.
Khi lên men có khoảng 95% đƣờng biến thành rƣợu và CO2, còn 5% là tạo các sản phẩm khác và đƣờng sót.
Lên men thƣờng đƣợc tiến hành ở nhiệt độ 280
C - 320C và pH = 4,5- 5,2. Ở nhiệt độ cao thì tổn thất đƣờng trong quá trình lên men sẽ lớn do tạp khuẩn dễ phát triển, tạo nhiều este aldehyt. Khi lên men ở 29,50C, tổn thất do tạo men là 7,37%, ở 17,50C là 5,32% và nếu lên men dịch đƣờng ở 100C thì tổn thất do tạo men chỉ chiếm 4,42% lƣợng đƣờng có trong dung dịch. Xét về ảnh hƣởng của pH thì tổn thất sẽ ít nhất khi lên men ở pH= 4,4. Nếu tăng pH thì tổn thất sẽ tăng nhanh và nhiều hơn so với giảm pH. Khi Giảm pH từ 5,6 xuống 4,42 hiệu suất lên men tăng 2,3%.
Trên đây mới đề cập đến một vài yếu tố có ảnh hƣởng nhiều tới kết quả lên men nhƣng còn xét ở các trƣờng hợp riêng rẽ. Trong thực tế sản xuất, các yếu tố ảnh hƣởng có liên quan mật thiết và chi phối lẫn nhau. Vì vậy khi xem xét một trƣờng hợp cụ thể ta cần đặt chúng trong một thể thống nhất, phải căn cứ vào điều kiện cụ thể, trang thiết bị ở từng cơ sở sản xuất để định ra chế độ kỹ thuật phù hợp nhằm đạt hiệu quả sản xuất cao nhât.
1.5.2. Nấm men dùng trong sản xuất rượu etylic
Trong sản xuất cồn, rƣợu vang và bia ngƣời ta hay dùng loài Saccharomyces và chia thành: Nấm men nổi và nấm men chìm. Cách phân
biệt này là do sự khác nhau trong giai đoạn lên men. Đặc điểm nổi bật của nấm men chìm là một số chủng có chứa enzym α-galactozidaza có khả năng lên men hồn tồn đƣờng rafinoza, cịn đối với nấm men nổi thì chỉ một số ít chủng có khả năng chuyển hóa đƣờng rafinoza thành rƣợu và CO và đƣờng chỉ vào khoảng 1/3 tổng số đƣờng.
Đa số nấm men bia, rƣợu vang đều thuộc nấm men chìm. Cịn men rƣợu, men bánh mì và số ít men bia thuộc nấm men nổi.
Yêu cầu chung của nấm men dùng trong sản xuất cồn etylic là phải có năng lực lên men mạnh, biến đƣờng thành rƣợu nhanh và hoàn toàn. Đồng thời phải ổn định và chịu đƣợc những biến đổi của môi trƣờng.
1.6. Bèo tây và thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam
1.6.1. Đặc điểm của bèo tây
Bèo tây (danh pháp khoa học: Eichhornia crassipes) còn đƣợc gọi là
lục bình hay bèo Nhật Bản là một loài thực vật thủy sinh, thân thảo, sống nổi theo dòng nƣớc, thuộc về chi Eichhornia của họ Họ Bèo tây (Pontederiaceae).
Cây bèo tây mọc cao khoảng 30cm với dạng lá hình trịn, màu xanh lục, láng và nhẵn mặt. Lá cuốn vào nhau nhƣ những cánh hoa. Cuống lá nở phình ra nhƣ bong bóng, xốp ruột giúp cây bèo nổi trên mặt nƣớc. Ba lá đài giống nhƣ ba cánh. Rễ bèo trông nhƣ lông vũ sắc đen buông rủ xuống nƣớc, dài 1m.
Vào mùa hè, cây bèo nở hoa sắc tím nhạt, điểm chấm màu lam, cánh hoa trên có 1 đốt vàng. Có 6 nhụy gồm 3 dài 3 ngắn. Bầu thƣợng 3 ơ đựng nhiều nỗn, quả nang. Dị hoa đứng thẳng đƣa hoa vƣơn cao lên khỏi túm lá.
Cây sinh sản vơ tính bằng thân bò là chủ yếu, nhƣng vẫn có thể sinh sản bằng hạt. Bèo tây sống và phát triển mạnh cả ở nơi nƣớc đứng, nƣớc chảy và càng phát triển tốt ở trong nƣớc bị ô nhiễm chất hữu cơ.
1.6.2. Sự phân bố bèo tây ở Việt Nam
Cây bèo tây xuất xứ từ Nam Mỹ (Venezuala) và đã lan rộng ra hơn 50 nƣớc trên thế giới. Bèo tây đƣợc du nhập vào Việt Nam khoảng năm 1905.
Bèo tây thích nghi đƣợc với mơi trƣờng sống của các nƣớc khí hậu nhiệt đới và có khả năng phát triển rất nhanh về sinh khối. Ở Việt Nam, bèo tây thƣờng xuất hiện nhiều ở các thuỷ vực kênh rạch, ao hồ, đầm lầy, sông suối. Chỉ cần một vài cá thể bèo tây xuất hiện trong thuỷ vực thì trong một thời gian ngắn bèo tây sẽ phủ kín mặt nƣớc.
1.6.3. Thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam
Trong quá khứ, bèo tây đã đƣợc biết đến nhƣ là một cây thuốc kháng sinh trong nền y học dân gian với tác dụng sơ phong thanh nhiệt, giải độc tiêu sƣng, giảm đau. Ngoài ra, bèo tây cũng đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành lĩnh vực khác nhƣ:
- Làm sạch nguồn nước và phân giải các chất độc hại: Bèo tây làm sạch nguồn nƣớc, làm giảm bớt ô nhiễm môi trƣờng. Chỉ cần 1/3 ha bèo, mỗi ngày đủ để lọc 2225 tấn nƣớc bị ô nhiễm các chất thải sinh học và các hoá chất. Bèo tây còn loại đƣợc các kim loại nặng độc nhƣ thuỷ ngân, chì, kền, bạc, vàng...[12]. Qua thực nghiệm ở nƣớc ngồi: 1 ha mặt nƣớc thả lục bình, trong 24 giờ nó có thể hút đƣợc 34 kg Na, 22 kg Ca, 17 kg P, 4 kg Mn, 2,1 kg Phenol, 89g Hg, 104g Al, 321g stronti… Khả năng hút kẽm rất mạnh và cịn có thể phân giải phenol và cyanua…
- Cung cấp năng lượng: Dùng vi khuẩn cho bèo lên men; 1kg bèo sẽ
cho 0,3 m3 khí metan. Bã bèo sau khi lên men có thể dùng làm phân bón. - Chế biến và gia công hàng mỹ nghệ: Phần thân của bèo đƣợc phơi khơ, sau đó đƣợc gia cơng thành nhiều mặt hàng thủ công nhƣ: giỏ, túi sách, bàn ghế, giƣờng…xuất khẩu sang thị trƣờng châu Âu và Trung Đông.
- Sản xuất giấy: Bèo tây đƣợc cắt thành từng khúc với chiều dài khoảng 10 - 15cm, sau đó đƣợc xử lý ở độ khơ phù hợp rồi đƣa vào nồi nấu cùng với một số loại hóa chất. Tiếp đó là là cơng đoạn tẩy trắng, nghiền thành bột mịn; dung dịch bột bèo đƣợc ép theo định lƣợng 85g/m2 làm giấy thành phẩm.
- Làm môi trường trồng nấm rơm và phân hữu cơ: Toàn bộ gốc, rễ, lá, thân bèo tây phế liệu dùng làm giá thể để trồng nấm rơm rất tốt, năng suất cao gấp bốn lần trồng trên rơm, bởi giữ đƣợc độ ẩm lâu, giảm công tƣới, meo nấm
tốn ít hơn, chất lƣợng nấm ngon hơn, giòn hơn so với trồng nấm rơm truyền thống, lại giàu dinh dƣỡng, không độc tố… Bã của bèo tây sau khi trồng nấm rơm ủ thành phân hữu cơ để bón thẳng cho các loại cây ăn trái rất có hiệu quả.
Những năm trở lại đây, các nhà khoa học trên thế giới đang nghiên cứu một ứng dụng khác của bèo tây, đó là khả năng sản xuất Etanol sinh học. Do đặc điểm thành phần của bèo tây là chủ yếu cellulose nên các nhà khoa học đánh giá đây sẽ là nguồn sinh khối tiềm năng cho việc sản xuất Etanol sinh học trong tƣơng lai.
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
2.1.1 Đối tượng nghiên cứu
- Mẫu bèo tây đƣợc lấy tại hồ khu vực Bắc Linh Đàm, quận Hoàng Mai, Hà Nội. Sau khi rửa sạch bèo tây, cắt bỏ phần rễ, sau đó đƣợc sấy bằng tủ sấy đến khối lƣợng không đổi.
- Đề tài sử dụng loại khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109 do thạc sĩ Trần Đăng Thuần phân lập từ quá trình ủ phân cừu và cỏ Napier khô tại Đài Loan.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp tiền xử lý
- Bèo tây đƣợc sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 700C đến khối lƣợng không đổi, sau đó đƣợc cắt ngắn khoảng 2-3 cm và nghiền nhỏ bằng máy nghiền thành dạng bột. Bột bèo đƣợc bảo quản trong hộp kín, tránh bị ẩm mốc.
2.2.2. Phương pháp thủy phân
Bèo tây đƣợc thủy phân trong 120ml dung dịch axit H2SO4 lỗng 2,5%, sau đó đun ở 1000
C bằng máy điều nhiệt trong 35 phút. Làm lạnh đƣa về nhiệt độ phòng, trung hòa dung dịch sau thủy phân bằng NaOH sau đó lọc bằng giấy lọc băng xanh. Xác định hàm lƣợng đƣờng khử của dung dịch thu đƣợc bằng phƣơng pháp so màu.
Trong quá trình thủy phân, mục tiêu của đề tài là tìm ra đƣợc các thơng số tối ƣu có ảnh hƣởng trực tiếp đến sản phẩm thủy phân bèo tây: thời gian, nồng độ axit, tỷ lệ rắn lỏng.
2.2.3. Phương pháp xác định hàm lượng đường khử
- Nguyên tắc: Phƣơng pháp này dựa trên cơ sở phản ứng tạo màu giữa đƣờng khử với thuốc thử axit dinitrosalicylic (DNS). Ban đầu dung dịch axit dinitro – salicylic (DNS) có màu vàng nhạt, sau khi phản ứng với đƣờng khử chuyển sang màu da cam – đỏ đậm. Cƣờng độ màu của hỗn hợp phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ đƣờng khử trong một phạm vi nhất định. Tiến hành so màu ở bƣớc sóng 550nm. Dựa vào đồ thị đƣờng chuẩn của D-glucose với thuốc thử DNS sẽ tính đƣợc hàm lƣợng đƣờng khử của mẫu.
Phƣơng trình phản ứng tạo màu giữa đƣờng khử và DNS axit:
2.2.4. Phương pháp lên men
Nhân giống vi khuẩn lên men:
Môi trƣờng nhân giống gồm (pepton 5g/l; NaCl 5g/l). Lấy 100ml dung dịch mơi trƣờng nhân giống đƣa vào bình thủy tinh có nút cao su. Khử trùng trong nồi hấp ở nhiệt độ 60-700C trong 15 phút.
Cấy vi sinh vật vào dung dịch: Công việc đƣợc tiến hành trong tủ khuấy vô khuẩn để tránh bị nhiễm các vi sinh vật khác có ảnh hƣởng xấu đến vi khuẩn và quá trình lên men sau này. Dùng que cấy vịng và đƣợc vơ khuẩn trên đèn cồn chấm vào lọ đựng vi sinh vật sau đó từ từ đƣa vào bình thủy tinh chứa dung dịch mơi trƣờng nhân giống. Tiến hành ni cấy ở nhiệt độ phịng trong 24h.
Lên men mẫu:
Lấy 100ml dung dịch nƣớc lọc bèo của quá trình thủy phân cho vào bình có nút cao su. Khử trùng trong nồi hấp ở nhiệt độ 60-700C trong 60 phút.
Sử dụng kim tiêm lấy 1ml dung dịch từ bình ni cấy cho vào bình lên men. Ni ở nhiệt độ phòng. Cứ 24h tiến hành lấy mẫu 1 lần, mỗi lần lấy 6ml.
2.2.5. Phương pháp xác định hàm lượng Etanol
Dung dịch sau khi lên men đƣợc phân tích hàm lƣợng Etanol trên máy sắc khí GC tại phịng thí nghiệm của Khoa Mơi trƣờng, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên.
Thiết bị sử dụng phân tích Etanol là máy sắc ký khí Detector cộng kết điện tử GC-ECD 2010 của hãng Shimazhu, Nhật Bản.
Điều kiện phân tích đã lựa chọn:
- Cột mao quản chiều dài 30m, đƣờng kính trong 0,25 mm; - Nhiệt độ cổng bơm mẫu: 1200C;
- Nhiệt độ detector ECD: 2800C; - Khí mang N2 tốc độ dịng 1ml/phút; - Phƣơng pháp bơm mẫu Splitless
- Chƣơng trình nhiệt độ cột: Nhiệt độ ban đầu là 1200C (giữ trong 1 phút), sau đó tăng lên 1500
C với tốc độ 100C/phút và giữ ở 1500C trong 4 phút. - Tổng thời gian chạy mẫu là 8 phút.
- Bơm mẫu theo kiểu heat-spray: Gồm 3 bƣớc theo thứ tự (1), (2) và (3): Mẫu ban đầu (1) đƣợc gia nhiệt đến trạng thái bão hòa (2), sau đó hút nhƣ ở (3) và bơm vào cổng bơm mẫu của máy sắc ký khí.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Thành phần và khả năng phát triển của bèo tây 3.1. Thành phần và khả năng phát triển của bèo tây
3.1.1. Thành phần lý hóa học của bèo tây
Phần thân bèo tây ban đầu có màu xanh lá cây, sau khi sấy khô bằng tủ sấy chuyển sang màu nâu nhạt.
Khối lƣợng bèo tây ban đầu: 1kg phơi khô tự nhiên, sấy khô ở 700C đến khối lƣợng không đổi là 0,115 kg
Nhƣ vậy trong bèo tây nghiên cứu có chứa lƣợng nƣớc: (1 - 0,115) * 100% = 88,5%
Kết quả phân tích thành phần mẫu bèo tây của Viện Chăn nuôi Việt Nam theo 3 yếu tố cellulose, hemicellulose và lignin:
Bảng 7. Thành phần khối lượng bèo tây
Thành phần % Khối lƣợng (khô)
Cellulose 34
Hemicellulose 43
Lignin 8
Khác 15
Trên thế giới, các nghiên cứu về bèo tây đã chỉ ra rằng: hầu hết hàm lƣợng cellulose và hemicellulose tập trung tại thân và lá của bèo tây; bộ phận