Nghiên Cứu Sử Dụng Enzym Vi Sinh Vật Để Tăng Hiệu Suất Tách Vỏ Hạt Cà Phê

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng enzym vi sinh vật để tăng hiệu suất tách vỏ hạt cà phê, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Ngoâ Ñình Ly Na
• Người hướng dẫn: Th.S. Ñaëng Vuõ Bích Haïnh
• Trường học: Trường Đại Học Mở - Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Sử Dụng Enzym Vi Sinh Vật Tăng Hiệu Suất Tách Vỏ Hạt Cà Phê
• Loại tài liệu: Luận Văn Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2001-2005
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. PHẦN I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. ĐỊNH NGHĨA ENZYM
• 1.2. ENZYM TỪ VI SINH VẬT
• 1.2.1. MỘT SỐ VI SINH VẬT TỔNG HỢP ENZYM CELLULASE
• 1.2.2. ỨNG DỤNG VSV TRONG CÔNG NGHIỆP
• 1.2.3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ENZYM
• 1.3. CẤU TẠO CELLULOSE
• 1.4. CELLULASE
• 1.4.1. PHÂN LOẠI ENZYM
• 1.4.2. CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA CELLULASE
• 1.5. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT LỰC CỦA ENZYM

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Enzym Vi Sinh Vật Tăng Hiệu Suất Tách Vỏ Hạt Cà Phê

Nghiên cứu về enzym vi sinh vật trong việc tách vỏ hạt cà phê đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm. Việc sử dụng enzym không chỉ giúp tăng hiệu suất tách vỏ mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Các enzym như cellulase và hemicellulase đã được chứng minh là có khả năng phân hủy cellulose trong vỏ hạt cà phê, từ đó làm tăng hiệu quả tách vỏ.

1.1. Định Nghĩa Enzym và Vai Trò Trong Nông Nghiệp

Enzym là các chất xúc tác sinh học, chủ yếu là protein, có vai trò quan trọng trong các phản ứng sinh hóa. Trong nông nghiệp, sử dụng enzym giúp cải thiện quy trình sản xuất và tăng năng suất cây trồng.

1.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng Enzym Trong Tách Vỏ Hạt Cà Phê

Việc áp dụng enzym trong tách vỏ hạt cà phê không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Enzym giúp phân hủy các thành phần khó tách, từ đó làm cho quá trình tách vỏ trở nên hiệu quả hơn.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Quy Trình Tách Vỏ Hạt Cà Phê

Mặc dù việc sử dụng enzym vi sinh vật mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quy trình tách vỏ hạt cà phê. Các vấn đề như chi phí sản xuất enzym, điều kiện tối ưu cho enzym hoạt động và khả năng tái sử dụng enzym là những yếu tố cần được xem xét.

2.1. Chi Phí Sản Xuất Enzym và Ảnh Hưởng Đến Quy Trình

Chi phí sản xuất enzym có thể cao, ảnh hưởng đến giá thành sản phẩm cuối cùng. Việc tìm kiếm nguồn enzym rẻ và hiệu quả là một thách thức lớn trong ngành công nghiệp chế biến cà phê.

2.2. Điều Kiện Tối Ưu Cho Enzym Hoạt Động

Mỗi loại enzym có điều kiện hoạt động tối ưu riêng, bao gồm pH và nhiệt độ. Việc duy trì các điều kiện này trong quy trình sản xuất là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối đa.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Enzym Vi Sinh Vật Trong Tách Vỏ Hạt Cà Phê

Nghiên cứu về enzym vi sinh vật trong tách vỏ hạt cà phê thường sử dụng các phương pháp như phân lập và xác định hoạt tính enzym. Các nghiên cứu này giúp xác định loại enzym nào có hiệu quả nhất trong việc tách vỏ.

3.1. Phân Lập Enzym Từ Vi Sinh Vật

Phân lập enzym từ các loại vi sinh vật như Aspergillus niger và Trichoderma reesei là bước đầu tiên trong nghiên cứu. Các vi sinh vật này có khả năng sản xuất cellulase cao, giúp tăng hiệu suất tách vỏ.

3.2. Xác Định Hoạt Tính Enzym

Xác định hoạt tính enzym là bước quan trọng để đánh giá hiệu quả của enzym trong quy trình tách vỏ. Các phương pháp như đo lường lượng glucose sản sinh từ quá trình phân hủy cellulose được sử dụng phổ biến.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Enzym Trong Tách Vỏ Hạt Cà Phê

Việc ứng dụng enzym vi sinh vật trong tách vỏ hạt cà phê đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng enzym không chỉ tăng hiệu suất tách vỏ mà còn cải thiện chất lượng hạt cà phê sau khi chế biến.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu Về Hiệu Suất Tách Vỏ

Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng cellulase có thể tăng hiệu suất tách vỏ lên đến 30% so với phương pháp truyền thống. Điều này giúp giảm thời gian và chi phí sản xuất.

4.2. Cải Thiện Chất Lượng Hạt Cà Phê

Sử dụng enzym không chỉ giúp tách vỏ hiệu quả mà còn giữ lại chất lượng hạt cà phê. Hạt cà phê sau khi chế biến bằng enzym có hương vị và màu sắc tốt hơn.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Nghiên Cứu Enzym Trong Tách Vỏ Hạt Cà Phê

Nghiên cứu về enzym vi sinh vật trong tách vỏ hạt cà phê đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp chế biến thực phẩm. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến trong quy trình sản xuất và chất lượng sản phẩm.

5.1. Triển Vọng Phát Triển Nghiên Cứu Enzym

Với sự phát triển của công nghệ sinh học, việc nghiên cứu và ứng dụng enzym trong tách vỏ hạt cà phê sẽ ngày càng được mở rộng. Các nghiên cứu mới sẽ giúp tối ưu hóa quy trình và giảm chi phí sản xuất.

5.2. Tác Động Đến Ngành Công Nghiệp Cà Phê

Việc áp dụng enzym trong tách vỏ hạt cà phê không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Ngành công nghiệp cà phê sẽ hưởng lợi từ những cải tiến này trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thị trường cà phê toàn cầu ghi nhận mức tiêu thụ trung bình vượt 4,2 triệu tấn mỗi năm, trong đó các thị trường Bắc Mỹ và Châu Âu chiếm hơn 3,6 triệu tấn. Tại Việt Nam, ngành sản xuất cà phê đóng vai trò mũi nhọn với sản lượng định hướng tăng trưởng mạnh mẽ từ 140.000 tấn lên trên 200.000 tấn. Tuy nhiên, chất lượng cà phê nhân sau thu hoạch thường bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi công đoạn tách lớp vỏ xơ cứng, nơi thành phần cellulose chiếm tỷ trọng từ 13,77% ở cà phê tươi đến 17,94% ở cà phê rang. Việc áp dụng các biện pháp cơ học truyền thống thường dẫn đến tỷ lệ vỡ nát hạt cao, hao hụt giá trị thương phẩm và tiêu tốn nhiều năng lượng.

Đề tài nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa công đoạn sau thu hoạch thông qua việc xác định khả năng sinh tổng hợp enzym cellulase của 3 chủng nấm mốc thuộc chi Aspergillus gồm Aspergillus oryzae, Aspergillus niger, Aspergillus awamori, từ đó ứng dụng chế phẩm enzym thô để nâng cao hiệu suất tách vỏ hạt cà phê tươi. Phạm vi nghiên cứu được triển khai trong thời gian 6 tháng (từ tháng 8 đến tháng 2) trên đối tượng giống cà phê mít thu hoạch vào vụ đông tại vùng nguyên liệu tỉnh Đồng Nai kết hợp phân tích thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Sinh hóa. Đóng góp nổi bật của công trình là thiết lập quy trình tách vỏ sinh học đạt hiệu suất vượt 60%, giúp giảm tỷ lệ tổn thất cơ học xuống dưới 3% và tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp tại chỗ để giảm giá thành sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng thuyết xúc tác sinh học enzyme và mô hình động học thủy phân cơ chất sinh khối. Bản chất của enzym là chất xúc tác sinh học có cấu trúc protein bậc ba và bậc bốn, tương tác đặc hiệu với cơ chất qua trung tâm hoạt động nhằm hạ thấp năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Đối với cơ chất cellulose, chuỗi homopolymer của các gốc beta-D-glucose liên kết bằng cầu nối beta-1,4-glucan với độ polymer hóa trung bình đạt 3.000 đơn vị, tồn tại ở hai dạng cấu trúc gồm vùng kết tinh bền vững và vùng vô định hình dễ trương nở.

Mô hình phối hợp của Erikson được áp dụng để làm sáng tỏ cơ chế hiệp đồng của 3 nhóm enzyme thuộc hệ cellulase: Endoglucanase (cắt đứt ngẫu nhiên liên kết nội mạch tại vùng vô định hình tạo các đầu tự do), Exoglucanase hay Cellobiohydrolase (tấn công đầu không khử giải phóng cellobiose) và beta-glucosidase (thủy phân cellobiose thành sản phẩm cuối cùng là glucose). Phản ứng phân giải các bó vi sợi microfibril có kích thước bề rộng từ 100 đến 300 Angstrom chỉ đạt hiệu quả tối đa khi có sự tương tác đồng bộ của cả ba nhóm enzym này trong điều kiện nhiệt độ và độ pH thích hợp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng cỡ mẫu thực nghiệm tiêu chuẩn gồm 100g quả cà phê mít tươi cho mỗi mẻ lên men, thu hoạch tại Đồng Nai vào tháng 12. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng từ các vườn cây đạt độ tuổi kinh tế 12 năm nhằm bảo đảm độ chín đồng đều và hàm lượng ẩm tự nhiên của quả. Quy trình sinh tổng hợp enzym cellulase sử dụng phương pháp lên men bán rắn trên môi trường xốp chứa 65% cám gạo, 25% trấu, 2% muối (NH4)2SO4 và độ ẩm ban đầu 60%, khử trùng ở áp suất 1 atm trong 30 phút.

Quá trình tách chiết enzym thô thực hiện bằng cách nghiền mịn canh trường với nước cất theo tỷ lệ 1:6, sau đó ly tâm tách bã ở tốc độ 4.000 vòng/phút trong thời gian 10 phút. Hoạt tính cellulase được xác định thông qua phương pháp Schaffer-Hartman trên cơ chất dung dịch CMC 1% ở điều kiện 50 độ C trong 15 phút, sau đó chuẩn độ lượng iod giải phóng bằng dung dịch Na2S2O3 nồng độ N/200 với chỉ thị hồ tinh bột 3%. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích Schaffer-Hartman là vì phương pháp này sở hữu độ nhạy hóa học cao, khả năng định lượng chính xác từng vi lượng đường khử glucose tự do sinh ra từ phản ứng thủy phân mà không bị nhiễu bởi các hợp chất màu hay protein phức tạp trong dịch chiết thô. Mọi thí nghiệm đều được lặp lại 3 lần độc lập nhằm đảm bảo độ tin cậy thống kê.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận 4 phát hiện thực nghiệm then chốt:

Thứ nhất, chủng nấm mốc Aspergillus oryzae thể hiện năng lực sinh tổng hợp cellulase vượt trội nhất với đường kính vòng thủy phân CMC đạt 51 mm tại điều kiện pH 5,0, nhiệt độ 30 độ C và độ ẩm 60% sau 48 giờ nuôi cấy. Hoạt tính enzyme thô thu được từ Aspergillus oryzae đạt đỉnh 32,048 UI/g nguyên liệu khô.

Thứ hai, hai chủng nấm mốc còn lại có hoạt tính enzym thấp hơn rõ rệt: Aspergillus awamori đạt cực đại 22,344 UI/g tại độ ẩm 55%, nhiệt độ 30 độ C sau 48 giờ (thấp hơn 30,28% so với Aspergillus oryzae); trong khi Aspergillus niger đạt 20,748 UI/g tại độ ẩm 60%, nhiệt độ 37 độ C sau 72 giờ (thấp hơn 35,26%).

Thứ ba, hiệu suất bóc tách vỏ hạt cà phê tươi tỷ lệ thuận với nồng độ enzyme và thời gian xử lý. Ở nồng độ enzym 5% sau 96 giờ ủ, chế phẩm từ Aspergillus oryzae cho hiệu suất bóc vỏ cao nhất đạt 62,8%, tăng gấp 2,13 lần so với mốc 48 giờ ở nồng độ 3% (đạt 29,5%).

Thứ tư, khi xử lý ở nồng độ thấp 1%, chủng Aspergillus awamori lại thể hiện khả năng thích ứng cao hơn các chủng khác sau 96 giờ với hiệu suất tách vỏ đạt 35,7%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp Aspergillus oryzae đạt hiệu suất tách vỏ cao nhất là nhờ khả năng bài tiết tổ hợp enzym cellulase đồng bộ với hoạt độ endoglucanase mạnh, nhanh chóng thủy phân cấu trúc vô định hình của lớp vỏ quả cà phê chứa 13,77% cellulose. Khi các liên kết glucan bị bẻ gãy, lớp vỏ xơ trương nở và tách rời khỏi nhân mà không làm tổn hại đến lớp vỏ lụa bên trong.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các đồ thị phân bố động học dạng parabol hình chuông. Đồ thị đường kính thủy phân và hoạt tính enzym theo nhiệt độ xác nhận đỉnh tối ưu đơn cực tại 30 độ C cho Aspergillus oryzae, giảm mạnh 66,7% khi nhiệt độ tăng lên 51 độ C do hiện tượng biến tính nhiệt của protein enzym. Bảng ma trận hiệu suất tách vỏ theo thời gian (48 đến 96 giờ) và nồng độ (1% đến 5%) cho thấy xu hướng tăng trưởng tuyến tính rõ rệt, minh chứng phản ứng thủy phân đạt trạng thái cân bằng động thuận lợi khi kéo dài thời gian ủ.

Kết quả này hoàn toàn tương thích với các nghiên cứu của Loginova và Sugiura về nấm sợi, đồng thời mở ra triển vọng thay thế phương pháp chà xát cơ học gây tổn thương hạt bằng công nghệ sinh học ủ mềm enzyme, giúp giảm tỷ lệ vỡ hạt từ khoảng 15% trong thực tế sản xuất xuống dưới mức 3%.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm chuyển giao công nghệ sinh học vào thực tiễn chế biến nông sản:

1. Tiêu chuẩn hóa quy trình sản xuất chế phẩm enzym thô quy mô bán công nghiệp: Doanh nghiệp và phòng kỹ thuật công nghệ cần ứng dụng quy trình nhân nuôi Aspergillus oryzae trên cơ chất 65% cám gạo và 25% trấu ở nhiệt độ 30 độ C trong 48 giờ. Mục tiêu đạt hoạt tính enzym thô ổn định trên 30.000 UI/g nguyên liệu, giảm chi phí nhập khẩu chế phẩm thương mại xuống 25% trong lộ trình 3 tháng đầu triển khai.

2. Tối ưu hóa thông số ủ enzym trong quy trình chế biến ướt: Các hợp tác xã và nhà máy chế biến cà phê cần ứng dụng chế phẩm enzym nồng độ 4% đến 5% cho các bồn ủ cà phê tươi trong khung thời gian từ 72 đến 96 giờ. Mục tiêu nâng hiệu suất tách vỏ đồng loạt lên trên 65%, rút ngắn 40% thời gian chà xát cơ học và hoàn thành áp dụng đại trà trong vòng 6 tháng.

3. Xây dựng chuỗi cung ứng cơ chất từ phụ phẩm nông nghiệp địa phương: Cơ quan quản lý nông nghiệp phối hợp cùng doanh nghiệp chế biến lúa gạo tận dụng nguồn cám và trấu dồi dào tại chỗ để cung cấp nguyên liệu nuôi cấy vi sinh vật. Mục tiêu tái chế hơn 50 tấn phụ phẩm nông nghiệp mỗi năm, hoàn thành xây dựng mạng lưới cung ứng trong 12 tháng.

4. Tự động hóa hệ thống kiểm soát môi trường lên men: Các cơ sở sản xuất cần lắp đặt hệ thống cảm biến giám sát nhiệt độ 30 độ C và pH 5,0 tự động trong buồng ủ vi sinh vật. Mục tiêu tăng độ ổn định của hoạt tính enzym thêm 18%, hạn chế rủi ro tạp nhiễm vi khuẩn xuống dưới 1% trong thời hạn 9 tháng thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị ứng dụng và học thuật chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

1. Kỹ sư công nghệ sinh học và chế biến thực phẩm: Khai thác chi tiết quy trình phân lập, tối ưu hóa môi trường bán rắn nuôi cấy nấm sợi Aspergillus để thu nhận enzym cellulase hoạt tính cao ứng dụng trong công nghệ sau thu hoạch.

2. Doanh nghiệp và hợp tác xã sản xuất cà phê: Tiếp cận giải pháp kỹ thuật bóc vỏ sinh học ở nồng độ enzym 4% đến 5%, giúp nâng cao phẩm cấp cà phê nhân xuất khẩu, cắt giảm chi phí điện năng vận hành máy móc và giảm tỷ lệ hạt vỡ nát.

3. Giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vi sinh - Hóa sinh: Sử dụng làm tài liệu tham khảo thực nghiệm về phương pháp định lượng đường khử Schaffer-Hartman và mô hình tương tác enzym với cơ chất thực vật.

4. Cơ quan quản lý khuyến nông và môi trường: Tham khảo cơ sở khoa học để xây dựng quy chuẩn chế biến cà phê sinh thái, giảm thiểu lượng nước thải và ô nhiễm hữu cơ tại các vùng nguyên liệu trọng điểm.

Câu hỏi thường gặp

1. Chủng nấm mốc nào thể hiện hoạt tính cellulase cao nhất trong nghiên cứu? Aspergillus oryzae cho hoạt tính cao nhất đạt 32,048 UI/g sau 48 giờ nuôi cấy ở nhiệt độ 30 độ C, pH 5,0 và độ ẩm 60%, tạo đường kính vòng phân giải 51 mm, vượt trội hơn khoảng 30% đến 35% so với Aspergillus awamori và Aspergillus niger.

2. Nồng độ enzym và thời gian ủ tối ưu để bóc vỏ cà phê đạt hiệu quả cao nhất là bao nhiêu? Chế phẩm enzym nồng độ 5% ủ trong 96 giờ cho hiệu suất tách vỏ cao nhất đạt 62,8%. Trong thực tế sản xuất, mức nồng độ 4% sau 96 giờ đạt hiệu suất 59,1% cũng là phương án tối ưu về mặt kinh tế.

3. Vì sao phương pháp Schaffer-Hartman được lựa chọn để chuẩn độ hoạt tính enzym? Phương pháp Schaffer-Hartman cho phép định lượng chính xác lượng đường khử giải phóng thông qua chuẩn độ thể tích Na2S2O3 N/200, đảm bảo độ lặp lại cao và không bị sai lệch bởi các hợp chất hữu cơ đa dạng trong dịch lên men.

4. Cơ chất nuôi cấy bán rắn nấm mốc gồm những thành phần cụ thể nào? Môi trường bán rắn tối ưu gồm 65% cám gạo, 25% trấu, 2% muối (NH4)2SO4 với độ ẩm ban đầu 60% và pH 5,5, cung cấp đầy đủ nguồn carbon, nitơ khoáng và độ xốp thông khí cho nấm phát triển.

5. Ứng dụng enzym cellulase mang lại lợi ích gì so với phương pháp cơ học truyền thống? Phương pháp enzyme giúp bóc tách vỏ tự nhiên đạt hiệu suất trên 60%, giảm tỷ lệ nát hạt xuống dưới 3%, tiết kiệm khoảng 40% điện năng chà xát và hạn chế tối đa ô nhiễm môi trường do nước thải xơ vỏ.

Kết luận

• Xác lập thành công thông số tối ưu nuôi cấy Aspergillus oryzae đạt hoạt tính cellulase đỉnh 32,048 UI/g ở nhiệt độ 30 độ C, pH 5,0 trong 48 giờ.
• Đạt hiệu suất tách vỏ hạt cà phê tươi lên tới 62,8% khi sử dụng chế phẩm enzym nồng độ 5% trong thời gian 96 giờ.
• Tận dụng hiệu quả 65% cám gạo và 25% trấu làm nguồn phụ phẩm giá rẻ để sản xuất enzym sinh học quy mô lớn.
• Chuẩn hóa quy trình phân tích Schaffer-Hartman đạt độ chính xác cao qua 3 lần lặp thí nghiệm độc lập.
• Đặt nền móng vững chắc cho công nghệ chế biến cà phê sinh học thân thiện với môi trường tại vùng nguyên liệu Đồng Nai.

Lộ trình kế tiếp sẽ tập trung thử nghiệm quy mô pilot 500 kg/mẻ trong 6 tháng tới và chuyển giao công nghệ cho các nhà máy chế biến trong vòng 12 tháng. Hãy tham khảo toàn văn công trình nghiên cứu và liên hệ với nhóm tác giả để ứng dụng công nghệ enzym đột phá vào dây chuyền sản xuất thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BOÄ GIAÙO DUÏC & ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC MÔÛ _ BAÙN COÂNG TPHCM KHOA COÂNG NGHEÄ SINH HOÏC ÑEÀ TAØI: NGHIEÂN CÖÙU SÖÛ DUÏNG ENZYM VI SINH VAÄT ÑEÅ TAÊNG HIEÄU SUAÁT TAÙCH VOÛ HAÏT CAØ PHEÂ. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP CÖÛ NHAÂN KHOA HOÏC CHUYEÂN NGAØNH: SINH HOAÙ GIAÙO VIEÂN HÖÔÙNG DAÃN : TH.S ÑAËNG VUÕ BÍCH HAÏNH SINH VIEÂN THÖÏC HIEÄN : NGOÂ ÑÌNH LY NA KHOAÙ HOÏC: 2001-2005 Lôøi Caûm Ôn Xin kính gôûi nhöõng lôøi caûm ôn chaân thaønh vaø saâu saéc nhaát ñeán: ✔ Coâ Th.s Ñaëng Vuõ Bích Haïnh ñaõ nhieät tình höôùng daãn, ñoäng vieân, giuùp ñôõ, taïo ñieàu kieän toát nhaát cho em hoaøn thaønh luaän vaên naøy. ✔ Quyù thaày coâ Khoa Coâng Ngheä Sinh Hoïc ñaõ mang heát nhöõng taâm huyeát cuûa mình ñeå truyeàn ñaït cho em nhöõng kieán thöùc quyù baùu. ✔ Anh Nguyeãn Vaên Höng ñaõ truyeàn ñaït nhöõng kinh nghieäm cho em trong quaù trình laøm luaän vaên.

✔ Caùc anh chò ôû phoøng thí nghieäm sinh hoaù ñaõ nhieät tình giuùp ñôõ em hoaøn thaønh luaän vaên naøy. Luaän vaên toát nghieäp LÔØI MÔÛ ÑAÀU Söï soáng cuûa con ngöôøi vaø caùc loaøi sinh vaät phuï thuoäc vaøo maïng löôùi chuyeån hoaù vaät chaát voâ cuøng phöùc taïp vaø coù lieân quan chaët cheõ vôùi nhau, haàu nhö khoâng coù moät quaù trình hoaù hoïc naøo trong cô theå soáng laïi khoâng lieân quan maät thieát ñeán caùc quaù trình xuùc taùc sinh hoïc do taùc duïng cuûa enzym, coù theå noùi raèng söï soáng gaén lieàn vôùi vai troø cuûa enzym. Trong caùc ngaønh coâng ngheä thöïc phaåm, vaø moät soá ngaønh coâng ngheä khaùc enzym cellulase coù moät giaù trò söû duïng roäng raõi.Vieäc söû duïng cellulase ñaõ trôû thaønh vieäc raát phoå bieán vaø quan troïng trong coâng taùc nghieân cöùu choïn gioáng thöïc vaät. Saûn xuaát Glucose töø cheá phaåm cellulose saûn xuaát ra Glucose tinh khieát laøm chaát boå döôõng cho ngöôøi ; hoaëc laøm dòch Glucose thoâ roài söû duïng dòch naøy ñeå cheá bieán thöùc aên gia suùc, hoaëc duøng noù ñeå leân men naám men cho gia suùc, laøm phaân boùn cho caây troàng.

Coù theå thu nhaän cellulase töø nhieàu nguoàn, trong ñoù vi sinh vaät laø ñaùng keå nhaát. Hieän nay naám moác laø ñoái töôïng ñang ñöôïc quan taâm nhö: Asp.viride, Penicillium notatum…. Ôû Vieät Nam ñaõ coù moät soá nghieân cöùu veà khaû naêng sinh cellulase ôû naám moác nhö Trichoderma vaø xaï khuaån…Cellulase coøn ñöôïc öùng duïng trong caùc lónh vöïc nhö y hoïc, xöû lyù moâi tröôøng, cheá bieán thöïc phaåm, trong ñoù naâng cao hieäu quaû thu nhaän caùc saûn phaåm sau thu hoaïch cuõng ñang ñöôïc chuù yù. Vì vaäy, chuùng toâi choïn höôùng nghieân cöùu öùng duïng cellulase trong taùch voû caø pheâ.

Ñoù laø lyù do ra ñôøi cuûa ñeà taøi “nghieân cöùu öùng duïng enzym vi sinh vaät ñeå taêng hieäu suaát taùch voû haït caø pheâ”. SVTH : Ngoâ Ñình Ly Na Trang 1 Luaän vaên toát nghieäp Phaïm vi nghieân cöùu cuûa ñeà taøi: 1. Xaùc ñònh khaû naêng toång hôïp enzym cellulase cuûa Aspergillus treân 3 chuûng: Asp. So saùnh khaû naêng toång hôïp enzym cellulase cuûa 3 chuûng.

Xaùc ñònh hieäu quaû boùc voû cuûa cheá phaåm enzym thoâ treân 3 chuûng vi sinh vaät. Thôøi gian thöïc hieän laø 6 thaùng, töø thaùng 8 ñeán thaùng 2 naêm 2006. SVTH : Ngoâ Ñình Ly Na Trang 2 Luaän vaên toát nghieäp PHAÀN I TOÅNG QUAN TAØI LIEÄU SVTH : Ngoâ Ñình Ly Na Trang 3 Luaän vaên toát nghieäp SVTH : Ngoâ Ñình Ly Na Trang 4 Luaän vaên toát nghieäp 1.1 Ñònh nghóa enzym. Enzym hay coøn goïi laø MEN laø chaát xuùc taùc sinh hoïc coù baûn chaát laø protein.Vì coù nguoàn goác töø caùc hoaït ñoäng sinh hoïc do ñoù enzym thöôøng ñöôïc goïi laø chaát xuùc taùc sinh hoïc (biocatalisateur) nhaèm phaân bieät vôùi caùc chaát xuùc taùc hoùa hoïc khaùc.2 Caáu taïo hoùa hoïc cuûa enzym: ❖ Caáu taïo cuûa enzym:.

Döïa vaøo thaønh phaàn hoùa hoïc cuûa enzym, ngöôøi ta chia enzym ra laøm 2 nhoùm lôùn: ✔ Enzym moät caáu töû: laø enzym trong thaønh phaàn caáu taïo chæ coù protein. Ví duï:urease, amylase… ✔ Enzym hai caáu töû: laø enzym trong thaønh phaàn cuûa noù ngoaøi protein (goïi laø “feron” hay “apoenzym”) coøn coù moät phaàn phi protein (khoâng phaûi protein) goïi laø “nhoùm ngoaïi” (hay “Agon”, hay “coenzym”). Baûn chaát hoùa hoïc cuûa nhoùm ngoaïi enzym raát ña daïng, phong phuù. Thöôøng nhoùm ngoaïi enzym laø caùc daãn xuaát cuûa vitamin, caùc kim loaïi, nucleotide…Viduï: catalase, b peroxydase, cytocrom… Apoenzym quyeát ñònh tính ñaëc hieäu cao cuûa enzym vaø laøm taêng hoaït tính xuùc taùc cuûa coenzym.

Coenzym quyeát ñònh kieåu phaûn öùng maø enzym xuùc taùc, tröïc tieáp tham gia trong phaûn öùng vaø laøm taêng ñoä beàn apoenzym ñoái vôùi caùc yeáu toá gaây bieán tính. ❖ Trung taâm hoaït ñoäng cuûa enzym. Trung taâm hoaït ñoäng laø moät phaàn cuûa phaân töû enzym tröïc tieáp keát hôïp vôùi cô chaát, taïo thaønh vaø chuyeån hoùa phöùc chaát trung gian giöõa enzym vaø cô SVTH : Ngoâ Ñình Ly Na Trang 5 Luaän vaên toát nghieäp chaát. Phaàn naøy thöôøng coù kích thöôùc raát nhoû so vôùi toaøn boä phaân töû enzym.

Soá trung taâm hoaït ñoäng cuûa phaân töû enzym coù theå laø moät hay nhieàu hôn. Vôùi enzym moät caáu töû thì trung taâm hoaït ñoäng goàm moät soá nhoùm chöùc cuûa acid amin lieân keát laïi vôùi nhau. Nhôø coù caáu truùc baäc 3,4 caùc nhoùm naøy tuy naèm xa nhau trong maïch polypeptide, nhöng do xoaén cuoän maïch maø ñöôïc gaàn nhau. Vôùi enzym hai caáu töû, ngoaøi moät soá nhoùm chöùc cuûa acid anim coøn coù nhoùm ngoaïi tham gia trong trung taâm hoaït ñoäng cuûa enzym.

Moät soá nhoùm ñònh chöùc thöôøng tham gia taïo thaønh trung taâm hoaït ñoäng cuûa enzym nhö: -SH cuûa cystein, OH cuûa serin, voøng imidazol cuûa histidin, ε - NH2 cuûa lizin, ω -COOH cuûa aspartic vaø glutamic, α-COOH cuûa acid anim cuoái maïch. ❖ Cô cheá taùc duïng cuûa enzym: Baûn chaát cuûa caùc phaûn öùng enzim laø khi coù söï tham gia xuùc taùc cuûa caùc enzim, caùc cô chaát seõ ñöôïc hoaït hoùa maïnh, töø ñoù laøm thay ñoåi tính chaát hoùa hoïc cuûa cô chaát, keát quaû sau phaûn öùng seõ taïo ra nhöõng saûn phaåm cuûa phaûn öùng. Döôùi taùc duïng cuûa enzim cô chaát coù theå coù nhöõng thay ñoåi, khoâng chæ veà caáu truùc hoùa hoïc maø coøn thay ñoåi tính chaát hoùa hoïc. Quaù trình xuùc taùc cuûa enzim xaûy ra qua 3 giai ñoaïn : ✔ Giai ñoïan thöù nhaát : Enzim seõ keát hôïp vôùi cô chaát baèng lieân keát yeáu, nhôø ñoù taïo ra phöùc heä enzim-cô chaát.

Phöùc heä naøy thöôøng khoâng beàn, phaûn öùng taïo ra phöùc heä enzim-cô chaát thöôøng xaûy raát nhanh vaø ñoøi hoûi moät ít naêng löôïng. ✔ Giai ñoïan thöù hai: Khi cô chaát taïo phöùc vôùi enzim seõ bò thay ñoåi caû caáu hình khoâng gian, caû veà möùc ñoä beàn vöõng cuûa caùc lieân keát. Keát quaû laø caùc lieân keát bò phaù vôõ vaø taïo ra saûn phaåm. ✔ Giai ñoïan thöù ba :Ñaây laø cuoái cuøng, saûn phaâm phaûn öùng ñöôïc taïo thaønh vaø taùch khoûi enzim.

SVTH : Ngoâ Ñình Ly Na Trang 6 Luaän vaên toát nghieäp E + S ⇔ ES → E + P E-enzim S-côchaát (substrate) P-saûn phaåm(products) ❖ Xaùc ñònh khaû naêng xuùc taùc cuûa enzim: Ngöôøi ta xaùc ñònh khaû naêng xuùc taùc cuûa enzim thoâng qua vieäc xaùc ñònh hoaït ñoä hoaït ñoäng cuûa enzim. Ngöôøi ta cuõng khoâng theå ñònh löôïng enzym tröïc tieáp maø phaûi xaùc ñònh giaùn tieáp thoâng qua hoaït ñoä hoaït ñoäng cuûa chuùng hoaëc thoâng qua khaû naêng laøm giaûm cô chaát sau moät thôøi gian phaûn öùng. Hieän nay nhieàu phoøng thí nghieäm söû duïng moät trong ba nhoùm phöông phaùp sau ñeå xaùc ñònh khaû naêng xuùc taùc cuûa enzym. Tieán haønh ño löôïng cô chaát bò maát ñi hay löôïng saûn phaûm taïo thaønh sau moät thôøi gian nhaát ñònh vaø löôïng enzim ñaõ xaùc ñònh tröôùc.

Tieán haønh xaùc ñònh thôøi gian caàn thieát ñeå thu nhaän moät long bieán ñoåi nhaát ñònh cuûa löôïng cô chaát hay löôïng saûn phaåm töông öùng vôùi moät löôïng enzim nhaát ñònh. Tieán haønh choïn noàng ñoä enzim caàn thieát ñeå trong moät thôøi gian nhaát ñònh seõ thu ñöôïc söï bieán ñoåi nhaát ñònh veà cô chaát hay saûn phaåm.2 ENZYM TÖØ VI SINH VAÄT Enzym thu nhaän töø vi sinh vaät coù hoaït tính raát cao.1 Moät soá Vi Sinh Vaät toång hôïp enzym cellulase: Trong ñieàu kieän töï nhieân, cellulose bò phaân huûy bôûi vi sinh vaät caû trong ñieàu kieän hieáu khí vaø caû trong ñieàu kieän yeám khí. Caùc loaøi vi sinh vaät thay phieân nhau phaân huyû cellulose ñeán saûn phaåm cuoái cuøng laø glucose. Altenaria tenuis, Aspergillus fumigatus, Aspergillus flavus, Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus sydovii, Aspergillus terrus, Celluvibrio gilvus, Fusarium culmorum, Fusarium oxysporum, Fusarium solani, Trichoderma koningi, Trichoderma lignorum, Trichoderma roseum, Trichoderma reesei, Actnomyces spp, Penicillium spp.

SVTH : Ngoâ Ñình Ly Na Trang 7 Luaän vaên toát nghieäp Chuùng thuoäc naám sôïi xaï khuaån, vi khuaån vaø trong moät soá tröôøng hôïp, caùc nhaøkhoa hoïc, coøn thaáy caû naám men cuõng tham gia quaù trình phaân giaûi naøy. Trong ñoù, nhöõng vi sinh vaät ñöôïc caùc nhaø khoa hoïc nghieân cöùu kyõ nhaát: Ñoái töôïng chuû yeáu trong caùc nghieân cöùu veà cellulose hieän nay thöôøng laø naám (naám moác vaø naám coù quûa theå), moät soá loaøi ñöôïc chuù yù nhieàu : • Alternaria tenuis • Aspergillus amstelodamy Nghieân cöùu cuûa Loginova (1965) cho bieát hoïat tính enzim coù t°opt (nhieät ñoä toái thích) laø 55°C,ø pH opt =4,5 • Aspergillus flavus • Aspergillus niger Nghieân cöùu cuûa suguira vaø ñoàng söï (1966) cho bieát cellulose cuûa naám naøy phaân huyû giaáy loïc vaø hoaït tính enzim coù t° opt = 40°C, pH opt = 4,5, oån ñònh ôû nhieät ñoä 37-50°C • Aspergillus oryzae • Aspergillus terreus • Aspergillus sydovii…. Theo nghieân cöùu cuûa Wa-tanabe(1968) thì cellulose cuûa naám naøy coù troïng löôïng phaân töû (MW) =25800, hoïat tính enzim coù t°opt=40°C, pHopt=4,0 vaø moät soá caùc chuûng vi sinh vaät khaùc. ❖ Öùng duïng VSV trong coâng nghieäp: VSV ñöôïc öùng duïng nhieàu trong coâng nghieäp vì: ⮚ Toác ñoä sinh saûn cuûa VSV raát maïnh: Trong moät thôøi gian ngaén, ta coù theå thu ñöôïc moät löôïng sinh khoái raát lôùn.

Nhieàu nghieân cöùu cho thaáy raèng trong moät ngaøy ñeâm toác ñoä taïo sinh khoái ôû VSV cao gaáp haøng ngaøn laàn so vôùi toác ñoä taêng sinh khoái ôû ñoäng vaät vaø thöïc vaät. Ñeå ñaït ñöôïc toác ñoä taêng sinh khoái lôùn nhö vaäy, VSV phaûi chuyeån hoùa moät khoái löôïng lôùn SVTH : Ngoâ Ñình Ly Na Trang 8 Luaän vaên toát nghieäp cô chaát. Bôûi vì, moïi chuyeån hoùa cô chaát trong teá baøo laø do enzym ñaûm nhaän. Chính vì theá, neáu söû duïng VSV nhö nguoàn sinh hoïc ñeå saûn xuaát enzim raát coù lôïi.

⮚ Enzym thu nhaän töø VSV coù hoïat tính raát cao: Öu ñieåm naøy gaén lieàn vôùi toác ñoä chuyeån hoùa cô chaát vaø gaén lieàn vôùi toác ñoä sinh saûn vaø phaùt trieån cuûa VSV ❖ Moät soá öùng duïng cuûa enzim: ✔ Öùng duïng enzim trong cheá bieán boät vaø saûn xuaát baùnh keïo. ✔ Öùng duïng enzim trong saûn xuaát siroâ vaø caùc saûn phaåm chöùa ñöôøng. ✔ Öùng duïng enzim trong coâng ngheä saûn xuaát baùnh mì .