Nghiên cứu thủy phân Cacbonhydrat từ rong nâu (Sargassum polycystum) bằng phương pháp hóa học và ứng dụng dịch thủy phân trong sản xuất Ethanol sinh học

Do vậy, sản xuất chất đốt sinh học từ các nguồn nguyên liệu khác phải được nghiên cứu và phát triển.[25] Rong biển là loại sinh vật tự dưỡng nhờ quá trình quang hợp, chúng phát triển mạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Nha trang, tháng 06 năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

GVHD: ThS LÊ THỊ TƯỞNG

Nha trang, tháng 06 năm 2013

LỜI CẢM ƠN

Sau 3 tháng thực tập tại phòng thí nghiệm trường Đại học Nha Trang, cùng với

sự cố gắng nỗ lực của bản thân, sự giúp đỡ tận tình và quý báu của Thầy, Cô giáo, sự động viên khích lệ của bạn bè tôi đã hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình

Trước hết cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng, sự biết ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban Chủ nhiệm Khoa Công nghệ Thực phẩm, nơi tôi học tập trong những năm vừa qua

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới cô giáo Lê Thị Tưởng, người

đã tận tình định hướng và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô giáo phụ trách các phòng thí nghiệm: Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Chế biến, Bệnh học Thủy sản và phòng Thực hành hóa đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành tốt đề tài

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô giáo trong trường và đặc biệt là các thầy,

cô giáo Khoa Công nghệ Thực phẩm đã trang bị cho tôi kiến thức bổ ích về chuyên ngành đào tạo trong thời gian qua để tôi có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Cảm ơn sự giúp đỡ, góp ý và cộng tác của các bạn cùng khóa

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến cha mẹ, anh, chị, em

và những người thân đã luôn ở bên cạnh và động viên tôi trong suốt khóa học

Nha Trang, tháng 6 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Lê Trọng Kiên

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN .i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC BẢNG .v

DANH MỤC CÁC HÌNH .vi

LỜI MỞ ĐẦU .1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN .3

1.1 Tổng quan về rong biển .3

1.1.1 Giới thiệu chung về rong biển 3

1.1.2 Hình thái – phân loại rong biển 4

1.1.3 Nguồn lợi rong biển .6

1.1.3.1 Nguồn lợi rong biển thế giới .6

1.1.3.2 Nguồn lợi rong biển Việt Nam 6

1.2 Rong nâu .7

1.2.1 Đặc điểm chung của rong nâu 7

1.2.2 Thành phần hóa học của rong nâu .8

1.2.2.1 Sắc tố .8

1.2.2.2 Cacbonhydrat .8

1.2.2.3 Protein .10

1.2.2.4 Chất khoáng .10

1.2.3 Rong nâu Sargassum polycystum 10

1.2.4 Tình hình chế biến và nghiên cứu ứng dụng của các sản phẩm từ rong nâu .11

1.3 Tìm hiểu quá trình thủy phân .12

1.3.1 Quá trình thủy phân 12

1.3.2 Các phương pháp thủy phân .14

1.3.2.1 Thủy phân bằng phương pháp hóa học .14

1.3.2.2 Thủy phân bằng enzyme .16

1.4 Tổng quan về ethanol .19

1.4.1 Giới thiệu chung về quá trình lên men 19

1.4.1.1 Khái quát chung .19

1.4.1.2 Vi sinh vật tham gia vào quá trình lên men ethanol .20

1.4.1.3 Cơ chế chuyển hóa của quá trình lên men ethylic .22

1.4.2 Các phương pháp sản xuất ethanol sinh học .22

1.4.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về thủy phân cacbonhydrat và sản xuất ethanol sinh học từ rong biển .23

1.4.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước 23

1.4.3.2 Các nghiên cứu trong nước .28

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.1 Đối tượng nghiên cứu .30

2.1.1 Rong nâu khô Sargassum polycystum 30

2.1.2 Nấm men Saccharomyces cerevisiae 31

2.1.3 Dụng cụ và hóa chất 31

2.1.3.1 Dụng cụ .31

2.1.3.2 Thiết bị .31

2.1.3.3 Hóa chất .35

2.2 Nội dung nghiên cứu .36

2.3 Phương pháp nghiên cứu và xử lý số liệu .36

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu 36

2.3.1.1 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu .36

2.3.1.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 37

2.3.2 Phương pháp xử lý số liệu 37

2.4 Bố trí thí nghiệm .38

2.4.1 Bố trí thí nghiệm tổng quát .38

2.4.1.1 Quy trình nghiên cứu dự kiến .38

2.4.1.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình .39

2.4.2 Bố trí thí nghiệm chi tiết .40

2.4.2.1 Bố trí thí nghiệm xác định chế độ thủy phân .40

2.4.2.2 Bố trí thí nghiệm sản xuất thử nghiệm ethanol sinh học từ dịch rong nâu thủy phân .48

CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .54

3.1 Kết quả xác định hàm lượng cacbonhydrat trong rong nâu Sargassum polycystum (S.polycystum) .54

3.2 Kết quả xác định chế độ thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu S.polycystum 55

3.2.1 Kết quả xác định acid thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu S.polycystum 55

3.2.2 Kết quả xác định nồng độ acid thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu Sargassum polycystum .57

3.2.3 Kết quả xác định nhiệt độ thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu S.polycystum 60

3.2.4 Kết quả xác định thời gian thủy phân cacbonhydat trong rong nâu S.polycystum 61

3.3 Kết quả nghiên cứu thử nghiệm sản xuất ethanol sinh học từ dịch thủy phân 64

3.3.1 Kết quả xác định tỷ lệ nấm men bổ sung thích hợp .64

3.3.2 Kết quả xác định pH môi trường lên men thích hợp 66

3.3.3 Kết quả xác định thời gian lên men thích hợp .68

3.5 Đề xuất quy trình sản xuất ethanol sinh học từ rong nâu Sargassum polycystum bằng phương pháp hóa học 71

3.5.1 Quy trình sản xuất .71

3.5.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình .72

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN .74

Kết luận .74

Đề xuất ý kiến .75

TÀI LIỆU THAM KHẢO .76

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Một số thiết bị sử dụng trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp .33 Bảng 2.2 Một số hóa chất sử dụng trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp .35 Bảng 3.1 Sự thay đổi hàm lượng đường khử ở các mẫu bổ sung nấm men với các

tỷ lệ khác nhau .64 Bảng 3.2 Sự thay đổi hàm lượng đường khử trước và sau lên men ảnh hưởng bởi các môi trường có pH lên men khác nhau 66 Bảng 3.3 Sự biến đổi hàm lượng đường khử trước và sau lên men dưới tác động của thời gian lên men .68

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Một số loại rong biển (A) Macrocystis pyrifera;

(B) Laminaria digitata .5

Hình 1.2 Một số loài rong Đỏ phổ biến tại Nha Trang .5

Hình 1.3 Một số loài rong Lục tại Nha Trang 5

Hình 1.4 Lên men ethanol trực tiếp bằng nấm men từ cellulose được tiền xử lý chất lỏng ion 26

Hình 2.1 Các loại rong nâu được sử dụng trong nghiên cứu (a) S.micropolycystum, (b) S.binderi, (c) S.mcclurei, (d) S.polycystum .30

Hình 2.2 Nấm men Saccharomyces cerevisiae 31

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình dự kiến thu nhận ethanol sinh học từ dịch rong nâu thủy phân bằng acid 38

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định loại acid thủy phân thích hợp .41

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định nồng độ acid thủy phân thích hợp .43

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định nhiệt độ thủy phân thích hợp 45

Hình 2.7 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian thủy phân thích hợp .47

Hình 2.8 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ nấm men bổ sung thích hợp .49

Hình 2.9 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định pH môi trường lên men thích hợp .51

Hình 2.10 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian lên men thích hợp 53

Hình 3.1 Hàm lượng cacbonhydrat của một số loại rong nâu tại vùng biển Nha Trang 54

Hình 3.2 Sự thay đổi hàm lượng đường khử khi thủy phân bằng các loại acid khác nhau 55

Hình 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ acid đến hàm lượng đường khử tạo thành của quá trình thủy phân rong nâu .68

Hình 3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân tới hàm lượng đường khử tạo thành 60

Hình 3.5 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến sự biến đổi hàm lượng đường khử tạo thành 64

Hình 3.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ nấm men bổ sung đến sự biến đổi hàm lượng đường khử còn lại sau lên men 65

Hình 3.7 Ảnh hưởng của pH đến hàm lượng đường khử còn lại sau quá trình lên men .67 Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian đến sự biến đổi hàm lượng đường khử còn lại sau lên men 69 Hình 3.8 Sơ đồ quy trình sản xuất hoàn thiện 71

LỜI MỞ ĐẦU

Nhu cầu năng lượng của con người đã hiện diện cách đây hàng trăm ngàn năm và ngày nay nhu cầu năng lượng cũng không ngừng gia tăng theo sự phát triển kinh tế - xã hội, an ninh quốc phòng của mỗi quốc gia Theo tính toán của các chuyên gia năng lượng, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm khoảng 60-80% cán cân năng lượng thế giới Với tốc độ tiêu thụ năng lượng như hiện nay và trữ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ nhanh chóng bị cạn kiệt trong vòng 40-50 năm nữa Hơn nữa, các chất đốt hóa thạch làm tăng lượng carbon dioxide trong khí quyển, góp phần làm nhiệt độ trái đất ngày càng nóng lên[25],vốn là một vấn đề mà nhiều tổ chức, quốc gia muốn tìm cách hạn chế trong nhiều năm qua

Tại Việt Nam, Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ngày 20 tháng 11 năm 2007 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê duyệt đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 do Bộ Công thương chủ trì với mục đích thay thế một phần nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.[31]

Tuy nhiên, theo số liệu của FAO, hiện nay những cây lương thực chính của thế giới ước tính khoảng 3.6 tỷ tấn, trong đó khoảng 10% dùng vào sản xuất chất đốt sinh học Mặt khác, theo tính toán của các chuyên gia năng lượng, sản xuất chất đốt sinh học từ lương thực mới chỉ đáp ứng được khoảng 1% nhu cầu năng lượng thế giới hiện nay Vì vậy, việc sử dụng các cây lương thực để sản xuất chất đốt sinh học không phải chiến lược tương lai của Việt Nam và thế giới vì nó góp phần làm thiếu lương thực toàn cầu Do vậy, sản xuất chất đốt sinh học từ các nguồn nguyên liệu khác phải được nghiên cứu và phát triển.[25]

Rong biển là loại sinh vật tự dưỡng nhờ quá trình quang hợp, chúng phát triển mạnh, tăng sinh khối nhanh Theo các tài liệu đã công bố, sản lượng rong biển thế giới hiện nay khoảng 15 triệu tấn/năm và dự tính khoảng 22 triệu tấn vào năm

2020 với giá thành rẽ Tuy nhiên, con người chỉ mới quan tâm khai thác rong biển phục vụ vào mục đích thực phẩm, y dược mà chưa quan tâm khai thác triệt để nguồn polysaccharide từ rong biển để sản xuất chất đốt sinh học Lượng rong biển

chưa khai thác sử dụng hết đã bị phân hủy gây lãng phí tài nguyên và gây ô nhiễm môi trường[5]

Với yêu cầu cấp bách như vậy, được sự hướng dẫn tận tình của cô Lê Thị Tưởng và được sự đồng ý của Khoa Công nghệ Thực phẩm, tôi đã thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu thủy phân cacbonhydrat từ rong nâu (Sargassum polycystum) bằng phương pháp hóa học và ứng dụng dịch thủy phân trong sản xuất ethanol sinh học” nhằm mục đích tạo sản phẩm từ nguồn thực vật tự nhiên, đồng thời góp phần

giải quyết vấn đề năng lượng, lương thực và tình trạng ô nhiễm môi trường

Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm những phần sau:

- Xác định hàm lượng cacbonhydrat trong rong nâu Sargassum polycystum

- Xác lập các điều kiện thủy phân tối ưu bằng một số loại acid

- Xác lập các điều kiện lên men ethanol tối ưu từ dịch thủy phân

- Chưng cất thu nhận ethanol từ dịch lên men

Mặc dù bản thân có nhiều cố gắng song do đây là lần đầu tiên làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, kiến thức, kinh nghiệm và điều kiện thực hiện còn hạn chế, thời gian thực tập khá ngắn nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong sự chỉ bảo của quý thầy cô và ý kiến đóng góp của các bạn sinh viên để

đồ án được hoàn thiện hơn

Nha trang, tháng 6 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Lê Trọng Kiên

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ RONG BIỂN

1.1.1 Giới thiệu chung về rong biển.[12]

Rong biển hay tảo biển có tên khoa học là marine-alage, marine plant hay seaweed Rong biển là thực vật thủy sinh có đời sống gắn liền với nước Chúng có thể đơn bào, đa bào sống thành quần thể Chúng có kích thước hiển vi hoặc có khi dài hàng chục mét Hình dạng của chúng có thể là hình cầu, hình sợi, hình phiến lá hay hình thù rất đặc biệt

Rong biển thường phân bố ở các vùng nước mặn, nước lợ, cửa sông, vùng triền sâu, vùng biển cạn…Rong biển hấp thụ một lượng thức ăn phong phú chảy trôi dạt từ lục địa ra Đời sống của rong biển phụ thuộc vào các yếu tố sinh thái như: địa bàn sinh trưởng, nhiệt độ, ánh sáng, độ muối, độ pH, muối dinh dưỡng, khí hòa tan, mức triều, sóng, gió, hải lưu

Rong biển là loại thực vật biển quý giá được dùng làm nguyên liệu chế biến thành các sản phẩm có giá trị trong công nghiệp và thực phẩm Giá trị dinh dưỡng của rong biển là cung cấp đầy đủ các chất khoáng đặc biệt là các nguyên tố vi lượng, các axit amin cần thiết cho cơ thể, các loại vitamin (đặc biệt là thuộc nhóm

A, B, C, E, …), các cacbonhydrat đặc trưng (mono-, olygo- và polysacaride) và các chất hoạt tính sinh học (lectin, sterol, antibiotics,…) có lợi cho sức khỏe và có khả năng phòng bệnh tật (huyết áp, nhuận tràng, béo phì, đông tụ máu, xơ vữa động mạch,…) Vì vậy ngày nay rong biển được xếp vào loại thực phẩm chức năng (functional food) và ngày càng được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới Các sản phẩm hữu cơ từ rong biển ngày nay được sử dụng hết sức rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, công nghệ dệt, nông nghiệp, công nghệ sinh học, nghiên cứu khoa học,

Ngày nay, nhiều công dụng khác của rong biển còn đang được các nhà nghiên cứu tiếp tục khám phá

1.1.2 Hình thái - phân loại rong biển

Tùy thuộc vào thành phần cấu tạo, thành phần sắc tố, đặc điểm hình thái, đặc điểm sinh sản mà rong biển được chia thành 9 ngành sau:

1 Ngành rong Lục (Chlorophyta)

2 Ngành rong Trần (Englenophyta)

3 Ngành rong Giáp (Pyrophyta)

4 Ngành rong Khuê (Bacillaareonphyta)

5 Ngành rong Kim (Chryrophyta)

6 Ngành rong Vàng (Xantophyta)

7 Ngành rong Nâu (Phaeophyta)

8 Ngành rong Đỏ (Rhodophyta)

9 Ngành rong Lam (Cyanophyta)

Trong đó, ba ngành có giá trị kinh tế cao là rong Lục, rong Nâu, rong Đỏ

Ngành rong Lục: có trên dưới 360 chi và hơn 5,700 loài, thành phần sống

trong nước ngọt, nét đặc trưng của loài rong này là có màu lục, sản phẩm quang hợp

là tinh bột Rong có dạng tế bào đơn giản hoặc phức tạp, nhiều tế bào hình phiến hay dạng sợi, chia nhánh hoặc không chia nhánh Trừ một số trường hợp rong chỉ là

tế bào trần không có vỏ còn lại đại đa số có vỏ riêng như chất pectin hay Cellulose

Ngành rong Nâu: Có trên 190 chi, hơn 900 loài, phần lớn sống ở biển, số

chi, loài tìm thấy trong nước ngọt không nhiều lắm Rong có cấu tạo nhiều tế bào dạng màng giả, dạng phiến, dạng sợi đơn giản, một hàng tế bào chia nhánh, dạng ống hoặc phân nhánh phức tạp hơn thành dạng cây có gốc, rễ, lá, thân Rong sinh trưởng ở đỉnh, ở giữa, ở gốc các lóng Ngoài ra, do các tế bào rong dạng phiến chia cắt sinh trưởng khuếch tán gọi là sinh trưởng bề mặt

Ngành rong Đỏ: Có 2,500 loài, gồm 400 chi, thuộc nhiều họ, phần lớn

sống ở biển, có cấu tạo từ nhiều tế bào, trừ một số dạng từ một tế bào hay quần thể Rong có dạng hình trụ dẹp dài, phiến chia hoặc không chia nhánh Sinh trưởng chủ yếu ở đỉnh, ở giữa đốt hay phân tán Đặc trưng của loài này là chứa nhiều sắc tố đỏ, giữa các tế bào có chứa nhiều chất keo (Agar)

Hình 1.1 Một số loại rong biển (A) Macrocystis pyrifera; (B) Laminaria digitata

Hình 1.2 Một số loài rong Đỏ phổ biến tại Nha Trang

Hình 1.3 Một số loài rong Lục tại Nha Trang

1.1.3 Nguồn lợi rong biển

1.1.3.1 Nguồn lợi rong biển thế giới

Rong biển là sinh vật tự dưỡng nhờ quá trình quang hợp mà sinh trưởng, phát triển nên sản lượng rong biển trên thế giới rất dồi dào Theo số liệu của tổ chức FAO, năm 2006 thống kê, nguồn rong biển tự nhiên ở các vùng biển trên thế giới rất lớn, có thể sử dụng nguồn này để sản xuất ethanol sinh học thay thế cho các nguồn lương thực khác, như Trung Quốc sản lượng rong tươi hằng năm là 323 nghìn tấn/năm, Chile là 305 nghìn tấn/năm, NaUy là 145 nghìn tấn/năm, Nhật Bản

là 113 nghìn tấn/năm, Pháp là 75 nghìn tấn/năm và Ireland là 29 nghìn tấn/năm Ngoài ra, tổ chức FAO cũng thống kê các nước trồng rong lớn nhất thế giới thuộc vào các nước Châu Á, như Trung Quốc là 10,800 nghìn tấn/năm, Philippin là 1,300 nghìn tấn/năm, Indonesia là 900 nghìn tấn/năm và những nước khác là 2,000 nghìn tấn/năm.[20]

Nguồn lợi rong biển trên thế giới rất lớn, song sản lượng rong được khai thác

và sử dụng hằng năm không đều Châu Á là khu vực cung cấp rong Đỏ Nguồn lợi rong Nâu chủ yếu tập trung ở các nước châu Âu và Bắc Mỹ Mỗi năm trên thế giới, rong Nâu được khai thác khoảng 1.3 triệu tấn, sản lượng này có thể tăng lên 12 lần nếu tiếp tục khai thác dọc bờ Đại Tây Dương kể cả biển Đen và Địa Trung Hải.[12]

Rong biển rất nhiều khắp thế giới, sản lượng rong biển hàng năm khoảng 15 triệu tấn và dự tính khoảng 22 triệu tấn vào năm 2020.[5]

1.1.3.2 Nguồn lợi rong biển Việt Nam

Với đường bờ biển trải dài, cùng với nhiều điều kiện tự nhiên thuận lợi đã tạo cho Việt Nam có một hệ sinh thái biển đa dạng và phong phú Ở nước ta có khoảng 794 loài rong biển, phân bố ở vùng biển miền Bắc 310 loài, miền Nam 484 loài, 156 loài tìm thấy ở cả hai miền Trong đó có các đối tượng quan trọng là: rong

Câu (Gracilaria), rong Mơ (Sargassum), rong Đông (Hypnea), rong Mứt (Porphyza), rong Bún (Enteromorpha)

Nguồn rong trồng bao gồm chủ yếu các loại rong Đỏ Trong đó rong Câu chỉ

vàng và rong Câu (G.asiatica) được trồng ở vùng nước lợ từ năm 1970 ở phía Bắc,

phía Nam từ 1980 với tổng diện tích 1,000 ha đạt sản lượng khoảng 1,500 ÷ 2,000 tấn khô/năm Rong Câu cước cũng được trồng ở vùng thủy triều, vịnh, ao, đìa với diện tích khoảng 100 ha, sản lượng khoảng 150 ÷ 200 tấn khô/năm

Nguồn rong mọc tự nhiên chủ yếu là rong Nâu, với trữ lượng khoảng 10,000 tấn khô/năm Nguồn rong Đỏ tự nhiên cũng có khoảng 1,500 ÷ 2,000 tấn khô/năm Rong biển mọc tự nhiên trải khắp bờ biển các tỉnh từ Quảng Ninh đến Cà Mau, Minh Hải, Hà Tiên Nhưng Bình Trị Thiên cũ là một vựa rong của Việt Nam

Nguồn rong Nâu có trữ lượng lớn và chất lượng cao chủ yếu ở khu vực miền Trung và Nam Trung Bộ Trong đó rong Nâu phân bố tại vùng biển Quảng Nam –

Đà Nẵng không nhiều so với vùng biển Khánh Hòa và Ninh Thuận.Vùng biển Khánh Hòa là vùng có diện tích rong Mơ mọc cao nhất, tổng diện tích có rong lên tới 2,000,000 m2, trữ lượng có thể khai thác được hàng năm có thể ước tính hơn 11,000 tấn rong tươi Khánh Hòa có nhiều vùng rong như Hòn Chồng, Bãi Tiên, bán đảo Cam Ranh, Hòn Tre và một số đảo khác

1.2 RONG NÂU

1.2.1 Đặc điểm chung của rong nâu

Rong nâu là một trong các loại rong biển, sinh sống ở biển là chủ yếu Rong nâu có nhiều loài, có độ đậm nhạt của màu nâu khác nhau do sự khác nhau về các thành phần sắc tố trong cấu tạo Cây rong sẽ tùy vào từng loại sẽ có độ dài khác nhau nhưng đều là loài rong to, mọc thành bụi, gồm vài chục chính quanh nhánh, nhánh mang phiến có dạng lá, phiến có răng mịn, hầu như các loài rong nâu đều có phao, tuy nhiên số lượng và kích thước của phao khác nhau, hình dạng của phao là hình cầu hay trái xoan, đường kính của phao nhỏ khoảng 0.5-0.8 mm, phao lớn khoảng 5-10 mm Phao có thể mang cánh hoặc không

Là loài mọc ở những vùng biển ấm nóng, trên nền đá vôi, san hô chết, nơi sóng mạnh và nước trong, nhất là ven các đảo Chúng mọc trên tất cả các loài vật bám cứng, trên vách đá dốc cứng, các vách đá dốc đứng, các bãi đá tảng, các vùng

có đá ngầm hay rạn san hô ngầm, nhưng thích nghi nhất là trên vật bám đá san hô

Trên các bờ dốc đứng, chúng phân bố thành các đai hẹp ở các mức thủy triều thấp đến sâu khoảng 0.5 m Ở các bờ biển đá tảng nằm trên nền cát hay đá cuội, chúng mọc thành các khóm dày trên các tảng đá

Đa số các loài rong đều thích mọc nơi có sóng mạnh Ở các đảo, bờ phía Đông chúng mọc dày và phong phú hơn bờ phía Tây Ở các bãi đá hướng ra biển khơi, chúng phát triễn mạnh và sinh lượng nhiều hơn so với các bãi trong các vũng, vịnh yên sóng

Chúng sinh trưởng mạnh vào các tháng 2-3, đa số các loài có kích thước tối

đa vào tháng 3, 4 và hình thành cơ quan sinh sản, sau đó bị song biển nhổ tấp vào

bờ và tàn lụi Đến tháng 7 các bãi rong đều trơ trụi Một số loài mọc lên cao như

S.mcclurei, S.kjellmanianum, S.polystum phát triển và tàn lụi sớm Còn các loài mọc

ở vùng dưới triều như S.binderi, S.microcystum, … mọc chậm hơn Một số loài

thích nghi trong các vũng, vịnh yên sóng có thể tồn tại và phát triển tốt vào tháng 7

như S.polycystum và S.longicaulis.[12]

1.2.2 Thành phần hóa học của rong Nâu

1.2.2.1 Sắc tố

Sắc tố trong rong nâu là diệp lục tố (Chlorophyl), diệp hoàng tố (Xantophyl), sắc tố màu nâu (Fucoxanthin), sắc tố đỏ (Caroten) Tùy theo tỷ lệ các loại sắc tố mà rong có màu từ nâu - vàng nâu - nâu đậm - vàng lục Nhìn chung sắc tố của rong nâu khá bền

1.2.2.2 Cacbonhydrat

a Monosacaride

Monosaccharide quan trọng trong rong nâu là đường mannitol được Stenhouds phát hiện ra năm 1884 và được Kylin (1913) chứng minh thêm

Mannitol: có công thức là HOCH2 -(CHOH)4 -CH2OH

Mannitol tan được trong Alcol, dễ tan trong nước có vị ngọt

Hàm lượng mannitol trong rong nâu dao động từ 14-25% trọng lượng rong khô tùy thuộc vào hoàn cảnh địa lý và nơi sinh sống Theo kết quả nghiên cứu của Viện Hải Dương học Nha Trang năm 1979, xác định sự biến động hàm lượng

mannitol trên 2 đối tượng rong nâu S.mcclurie và S.kjellmanianum tại vùng biển

Hòn Chồng, Nha Trang lần lượt là 15.79 ÷ 16.36 (từ tháng 3 đến tháng 5); 12.40 ÷ 13.82 (từ tháng 3 đến tháng 4) Còn kết quả nghiên cứu của Trần Thị Luyến, Nguyễn Anh Tuấn, Trường Đại học Nha Trang, xác định hàm lượng mannitol vào

tháng 4 trong rong nâu S.mcclurie ở vùng biển Quảng Nam-Đà Nẵng, Bình Định,

Khánh Hòa, Ninh Thuận lần lượt là 15.6; 11.3; 15.4 và 14.8 Nếu rong bảo quản không tốt, độ ẩm cao làm cho mannitol bị phá hủy Hàm lượng mannitol trong rong nâu ở vùng biển Khánh Hòa được phân tích có hàm lượng trung bình vào khoảng

6.3 ÷ 11.35% trọng lượng rong khô tuyệt đối Trong đó, loài S.mcclurei có hàm

lượng cao hơn cả Tháng 4 và 5 là lúc rong nâu đã trưởng thành, có kích thước lớn nhất, hàm lượng acid alginic và mannitol cao nhất.[12]

trong rong S.mcclurie và S.kjellmanianum ở vùng biển miền trung Việt Nam dao

động từ 39.24 ÷ 44.40% so với rong khô tuyệt đối từ tháng 3 đến tháng 5 Còn kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học Trường Đại học Nha Trang năm 1998 - 2000,

hàm lượng alginic trong rong S.mcclurie và S.kjellmanianum ở vùng biển miền

trung Việt Nam trong tháng 4 dao động từ 35.9 đến 39.4% so với trọng lượng rong khô tuyệt đối.[12]

Fuccoidan: là sulfate polysaccharide dị hợp Hàm lượng khoảng 8-10% rong khô tuyệt đối

Laminarin: Laminarin là β)1→3,1→6 glucan Laminarin có hàm lượng từ 10-15% trọng lượng rong khô tùy thuộc vào loại rong, vị trí địa lý và môi trường

sinh sống của rong Nâu, thường mùa hè hàm lượng laminarin giảm vì phải tiêu hao cho quá trình sinh trưởng và phát triển của cây xanh

Cellulose: là thành phần tạo nên vỏ cây rong Hàm lượng cellulose trong rong nâu nhiều hơn trong rong đỏ

1.2.2.3 Protein

Protein của rong nâu không cao nhưng khá hoàn hảo Do vậy rong nâu có thể dùng làm thực phẩm Protein của rong nâu thường ở dạng kết hợp với Iod tạo nên Iod hữu cơ như: MonoIodInzodizin, DiIodInzodizin Iod hữu cơ rất có giá trị trong

y học Do vậy rong nâu còn được dùng làm thuốc phòng bệnh bướu cổ

Hàm lượng protein rong nâu vùng biển Nha Trang dao động Từ 8.05 - 21.11% so với trọng lượng rong khô Hàm lượng acid amin cũng đáng kể và có giá trị cao trong protein của rong biển

1.2.2.4 Chất khoáng

Hàm lượng các nguyên tố khoáng trong rong nâu thường lớn hơn nước biển Hàm lượng khoáng của các loài rong nâu Nha Trang dao động từ 15.51- 46.30% phụ thuộc vào mùa vụ và thời kỳ sinh trưởng Ngoài ra trong rong nâu còn có mặt các chất khác như acetogenin, polyphenolic, terpenoids, lipid… Rong nâu phân bố tại Việt Nam chủ yếu là rong mơ bao gồm các loài sargassum và turbinaria.[12]

1.2.3 Rong nâu S.polycystum

Hệ thống phân loại Sargassum trên thế giới rất phức tạp, năm 1753 ba loài thuộc chi Fucus: Fucus natans, F.acinarius và F.lendigerus do Linnaeus mô tả lần đầu tiên nay được thay thế bằng chi Sargassum Giữa những năm 1808 đến 1819,

36 loài rong thuộc chi Fucus được mô tả ngày nay cũng được chuyển sang chi Sargassum, năm 1820 J.Agardh giới thiệu chi Sargassum với số loài lúc này là 62 loài Sau thời gian đó rất nhiều tác giả khác tiếp tục giới thiệu về Sargassum như

Yendo (1907), Reinbold (1913), Grunow (1915, 1916) và Setchell (1931) Số loài

sargassum lên đến 230 Năm 1954 Womersley công bố hệ thống phân loại sargassum của mình ở Úc, cùng với các tác giả đương thời ở nhiều vùng khác nhau

trên thế giới như Phạm Hoàng Hộ của Việt Nam, Chou, Chiang của Taiwan và Ang,

Trono của Philippin, đến nay tổng số loài của chi Sargassum đã lên đến hơn 500 Sargassum tại Việt Nam hiện nay có khoảng 70 loài (thực vật chí Việt Nam), với

sản lượng khai thác ước tính đạt trên 10,000 tấn khô/năm, tương đương với 400 đến

100 tấn fucoidan thô Số lượng loài Sargassum phân bố trên các nước luôn thay đổi theo các nghiên cứu gần đây nên khó có thể kết luận hiện nay Sargassum phân bố

nhiều nhất ở nước nào Riêng tính đến 1998 thì nhiều nhất là ở Ấn Độ, Philippin và Việt Nam

Rong Sargassum polycystum mọc thành bụi to có khi dài 2 m Đĩa bám hình

nón to cỡ 1cm, có các rễ bò phân nhánh, phát triển nhiều Trục chính hình trụ dài 0.5 – 1 cm, mang theo 3 – 5 nhánh chính hình trụ to 1 – 2 mm có nhiều gai nhỏ, đơn hay kép, đầu thường phù ra, các nhánh bên mọc dày Lá hình bầu dục dài 2 – 4 cm, nhánh và lá rất dày Phao nhiều, hình cầu to 2 mm, phao luôn luôn có cánh nhỏ, cánh này nhiều khi chỉ là một mũi nhỏ ở đầu hay nhiều gai nhỏ Rong khô có màu nâu Đây là loài rong gặp phổ biến khắp nơi, thích nghi rộng ngoại trừ những nơi có sóng mạnh, chúng có khả năng mọc gần cửa sông Chúng bao phủ các vùng san hô chết từ phía trên mực thủy triều cho đến nhiều mét sâu hơn Các cá thể ở vùng trên thường bị bày khô nhiều giờ khi triều xuống Rong trưởng thành phóng thích giao

tử vào tháng 4 Vào lúc phần lớn các loài rong biển hay rong Mơ khác tàn lụi (tháng

9, 10), ta vẫn gặp các quần thể S.polycystum Nhờ hệ thống rễ bò phát triển, chúng

có thể sinh sản sinh dưỡng Các rễ như những nhánh có mang các lá nhỏ, ở các nách

lá sẽ nãy chồi cho ra cây mầm và đĩa bám, bám vào vật bám cho ra cây mới

1.2.4 Tình hình chế biến và nghiên cứu ứng dụng các sản phẩm từ rong nâu

Rong biển được sử dụng chế biến rộng rãi trong công nghệ thực phẩm, thức

ăn chăn nuôi, hóa học, mỹ phẫm và dược phẩm Công nghệ chế biến các sản phẩm

từ rong biển chủ yếu ở các nước ở châu Á như: Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Triều Tiên, Indonesia… Mỹ, Canada và một số nước châu Âu như Pháp, Đức đang

cố gắng thiết lập sản xuất rong biển ở quy mô lớn.[15]

Đã từ lâu rong biển được tạo ra các sản phẩm ứng dụng vào đời sống Từ những năm 1870, người ta đã điều chế xà phòng từ các chất K2O, Na2O lấy từ rong

biển (rong nâu) Trong rong nâu, Iod chiếm với tỷ lệ lớn Đến năm 1812, Iod đã được điều chế từ rong nâu với giá trị dược học cho con người Năm 1914 – 1915

Mỹ, Đức dùng rong nâu để điều chế KCl, than hoạt tính Năm 1930 công nghệ chế biến các chất như: Alginate, Manitol, Agar phát triển mạnh và ngày càng ứng dụng nhiều trong thực tế.[12][16]

Giá trị công nghiệp của rong biển là cung cấp các chất keo quan trọng như Agar, Alginate, Carrageenan, Furcellazan dùng cho thực phẩm và nhiều ngành công nghiệp khác Các loại keo rong biển là các loại polysaccharide có tính keo khi hòa tan trong nước, được chiết suất từ rong biển Từ rong nâu có thể chiết suất được: Alginic, Alginate, Laminarin

Keo Alginate, Agar và Carrageenan được chiết rút từ khoảng 1,300,000 tấn rong tươi các loại Tổng sản lượng keo rong biển gồm: 35,000 tấn Alginate, 25,000 tấn Carrageenan và 10,000 tấn Agar, với tổng giá trị lên đến 750 triệu USD

Ở nước ta cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về ứng dụng các hợp chất được chiết rút từ rong nâu Cụ thể là các đề tài “Nghiên cứu sử dụng Iod chiết rút từ rong nâu để phối chế nước mắm Iod”, “Nghiên cứu hoàn thiện và cải tiến quy trình công nghệ sản xuất Alginate Natri” của tác giả Trần Thị Luyến

Ngày nay, các hợp chất khác có hoạt tính sinh học của rong nâu như Manitol,

Fuccoidan cũng đang được nghiên cứu rộng rãi

1.3 Tìm hiểu quá trình thủy phân

1.3.1 Quá trình thủy phân

Quá trình thủy phân có bản chất là quá trình phân cắt các hợp chất cao phân

tử thành hợp chất đơn giản hơn dưới tác dụng của các chất xúc tác và có sự tham gia của nước trong phản ứng.[10]

Là phản ứng phổ biến và quan trọng trong công nghệ thực phẩm và công nghệ sinh học Người ta đã ứng dụng phản ứng thủy phân để sản xuất hàng loạt các sản phẩm mới có tính chất khác xa với tính chất nguyên liệu ban đầu ví dụ sản xuất glucose, mạch nha, sản xuất nước chấm, tương chao, nước chấm lên men… Sau phản ứng thủy phân chất lượng cảm quan và dinh dưỡng của thực phẩm có thể tăng

lên đáng kể Tuy nhiên trong một số trường hợp phản ứng thủy phân lại gây sự hư hỏng thực phẩm trong bảo quản thịt, cá, trứng, sữa, dầu, mỡ…

Phản ứng thủy phân là phản ứng mở đầu cho hang loạt các phản ứng khác tiếp diễn Ví dụ: protit sau khit hủy phân thành acid amin, sau đó acid amin bị phân giải sâu xa hơn như dezamin hóa, decarboxyl hóa… Cuối cùng tạo ra sản phẩm có hại về mặt cảm quan và dinh dưỡng của thực phẩm Polysaccharide sau khi thủy phân tạo monosacaride (monoza); các monoza tiếp tục oxy hóa sâu xa hơn tạo 1 loạt sản phẩm trung gian và sản phẩm cuối là CO2 và H2O Lipit bị thủy phân tạo acid béo và glixerin, acid béo tiếp tục bị oxy hóa, tạo sản phẩm có mùi vị khó chịu (sự ôi của chất béo)

Trong những trường hợp có hại trên, ta phải tạo điều kiện hạn chế phản ứng thủy phân như bảo quản lạnh, sấy khô… vô hoạt enzyme thủy phân

Còn trong trường hợp phản ứng thủy phân có lợi, ta phải tạo điều kiện để tốc

độ phản ứng xảy ra tối đa và tìm cách ứng dụng chúng trong mỗi lịch vực tạo ra các sản phẩm tốt, có lợi ích trong đời sống Ngày nay phản ứng thủy phân ngày càng được ứng dụng rộng rãi – trong nhiều lĩnh vực sản xuất – đặc biệt là công nghệ thực phẩm Trong công nghệ thực phẩm, thông thường tác nhân thủy phân có thể là acid, kiềm, hay enzyme, trong đó đặc biệt được dung rộng rãi và có hiệu quả là enzyme thủy phân từ vi sinh vật.[3]

1.3.2 Các phương pháp thủy phân

1.3.2.1 Thủy phân bằng phương pháp hóa học

a Khái quát chung

Đây là phương pháp thủy phân cổ điển nhất, quá trình thủy phân có thể được thực hiện trong các môi trường: acid vô cơ (HCl, H2SO4 …); acid hữu cơ (acid citric, acid ascorbic …) và kiềm (NaOH, KOH …) Điều kiện của quá trình thủy phân phải đảm bảo nhiệt độ cao và thời gian dài.[10]

Đun nóng lâu cellulose với dung dịch acid sunfuric, các liên kết β-glucozit bị đứt tạo thành sản phẩm cuối cùng là glucose:

(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6 (xúc tác H+, t0)

Phản ứng này áp dụng trong sản xuất ethanol công nghiệp, xuất phát từ nguyên liệu chứa cellulose (vỏ bào, mùn cưa, tre, nứa, v.v ).[32]

Phương pháp thủy phân bằng acid có ưu điểm là rẻ và nhanh, hiệu suất thủy phân cao từ 85 – 90%, thời gian và quy trình sản xuất được rút ngắn Nhược điểm của phương pháp này là: chi phí năng lượng và thiết bị cao do phải chịu nhiệt và chống acid ăn mòn, việc sử dụng HCl đặc độc hại và gây ô nhiễm môi trường

b Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ thủy phân bằng xúc tác vô cơ

Tốc độ phản ứng thủy phân khi có xúc tác vô cơ được tính theo công thức:

x: lượng cơ chất được thủy phân trong thời gian τ

a: lượng cơ chất ban đầu

α: hoạt độ của chất xúc tác vô cơ

N: nồng độ đương lượng tác nhân (mol đương lượng/lít dung dịch)

δ: tính chất của cơ chất bị thủy phân

t0: nhiệt độ của phản ứng

τ: thời gian của phản ứng

m: hệ số modul

Ảnh hưởng của hoạt độ xúc tác (α) đến hằng số phản ứng:

Acid sử dụng làm tác nhân xúc tác phản ứng thủy phân có hệ số phân ly càng mạnh thì phản ứng thủy phân xảy ra càng mạnh, HCl có hoạt độ lớn nhất nên được

sử dụng phổ biến Tuy nhiên, mặc dù H2SO4 có hoạt độ bằng một nửa hoạt độ của HCl nhưng vẫn được dùng, vì giá thành rẻ hơn, ít bay hơi, ít gây độc cho người sản

xuất, ít ăn mòn thiết bị vì khả năng phân ly yếu hơn

Ảnh hưởng của chất xúc tác và nồng độ xúc tác:

Nồng độ xúc tác càng cao và lượng chất xúc tác càng nhiều thì tốc độ phản ứng thủy phân xảy ra càng nhanh Nhưng các đại lượng này chỉ cho phép tăng đến một giá trị nào đó để quá trình thủy phân xảy ra triệt để, sản phẩm thủy phân ít phân hủy, ít ăn mòn thiết bị, ít độc hại Dựa vào cơ chế của phản ứng thủy phân và kiểm tra sản phẩm tạo thành mà định lượng chất xúc tác

Ảnh hưởng của cơ chất thủy phân:

Tốc độ phản ứng thủy phân phụ thuộc vào tính chất của cơ chất thủy phân, nồng độ cơ chất, độ tinh khiết của nguyên liệu Nếu nồng độ cơ chất tăng thì năng suất thủy phân tăng lên, song nồng độ cơ chất càng nhỏ thì phản ứng thủy phân xảy

ra càng triệt để hơn, do đó tùy theo yêu cầu chất lượng sản phẩm mà khống chế nồng độ cơ chất thủy phân thích hợp Độ tinh khiết của nguyên liệu càng cao thì phản ứng thủy phân xảy ra càng nhanh và chất lượng sản phẩm đạt cao hơn

Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Nhiệt độ có ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng thủy phân, nếu thủy phân ở nhiệt

độ càng cao thì tốc độ phản ứng thủy phân càng mạnh Nhưng nếu thủy phân ở nhiệt độ quá cao sẽ làm thủy phân một số hợp chất hữu cơ khác gây tổn thất sản phẩm thực phẩm và ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm sau thủy phân

Ảnh hưởng của thời gian thủy phân:

Dưới tác dụng của chất xúc tác các liên kết nhị dương trong cơ chất bị phân cắt, sau đó sản phẩm thủy phân được tách ra khỏi cơ chất và khuếch tán vào trong dung dịch Thời gian này phụ thuộc nhiều vào nồng độ vật chất trong dung dịch và trong nguyên liệu, phụ thuộc vào mức độ nghiền nhỏ của nguyên liệu và nhiệt độ của quá trình Trong thực tế người ta lựa chọn thời gian thủy phân dựa trên những thí nghiệm thăm dò điều kiện thực hiện phản ứng thủy phân và trên kinh nghiệm thực tế sao cho đảm bảo chất lượng sản phẩm và đảm bảo hiệu suất thủy phân của phản ứng là cao nhất

Ảnh hưởng của modul:

Modul là đại lượng đặc trưng cho tính chất nguyên liệu được định nghĩa theo công thức sau:

Khối lượng dung dịch đã được thủy phân

M =

Khối lượng nguyên liệu (tính theo chất khô)

Từ công thức trên cho thấy modul là giới hạn của quá trình thủy phân, nếu thấp hơn giá trị của modul thì quá trình thủy phân không diễn ra Ví dụ với thủy phân cellulose M = 3÷5 thì quá trình thủy phân không diễn ra, và với quá trình thủy phân protein, lipit thì M = 6÷10.[10]

1.3.2.2 Thủy phân bằng enzyme[10]

a Khái quát chung

Phương pháp thủy phân bằng enzyme là phương pháp sử dụng tác nhân hóa sinh Enzyme là những protein giữ chức năng xúc tác các phản ứng sinh hóa học Nhờ enzyme xúc tác mà các phản ứng sinh hóa học cần thiết cho sự sống và sự sinh sản của tế bào diễn ra

Enzyme có nguồn gốc từ các nguồn như: thực vật (dứa, nhựa đu đủ, sung, hạt ngũ cốc); động vật (tụy tạng, màng nhầy dạ dày lợn, dạ dày bê và nội tạng khác); vi sinh vật và các chế phẩm enzyme thương mại

Đây là phương pháp an toàn, giảm chi phí năng lượng, thời gian thủy phân ngắn Thủy phân bằng enzyme có nhiều ưu điểm hơn phương pháp thủy phân bằng

kiềm và acid:

- Không tạo thành sản phẩm phụ nên dịch thủy phân có độ thuần khiết

- Phản ứng tiến hành ở điều kiện nhẹ nhàng hơn

- Khi thủy phân bằng enzyme thì cường lực xúc tác lớn và ít tốn năng lượng Tuy nhiên, phương pháp này lại có một số nhược điểm như:

- Thời gian thủy phân dài dẫn đến chu kỳ sản xuất kéo dài

- Muốn có hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tốt thì phải có chế phẩm enzyme tinh khiết

- Dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường: pH, t0, kim loại nặng, nồng độ enzyme, nồng độ cơ chất, chất hoạt hóa và chất ức chế [8]

Về mặt tổng quát, cơ chế tác dụng của enzyme theo cơ chế chung sau:

ES: Phức hợp của enzyme – cơ chất

b Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Bản chất ủa enzyme là protein nên khi tăng hay giảm nhiệt độ thường có thể ảnh hưởng tới hoạt tính của enzyme, enzyme thể hiện hoạt tính cao nhất ở một giới hạn nhiệt độ thích hợp nhất định Thông thường đối với đa số enzyme thì nhiệt độ thích hợp nằm trong khoảng từ 40 – 500C, ở nhiệt độ lớn hơn 700C da số enzyme bị mất hoạt tính Do vậy, nhiệt độ 700C gọi là nhiệt độ tới hạn của enzyme Khi nhiệt

độ thấp hơn 700C, trong phạm vi thích hợp nếu nhiệt độ tăng 100C thì tốc độ thủy phân tăng 1.5 – 2 lần Nhiệt độ thích hợp đối với một enzyme có thể thay đổi khi thay đổi về cơ chất, pH

Ảnh hưởng của pH môi trường

Enzyme rất nhạy cảm với đối với sự thay đổi pH môi trường Mỗi enzyme chỉ hoạt động ở 1 vùng pH nhất định gọi là pH tối thích pH tối thích của đa số enzyme nằm trong vùng trung tính, acid yếu hoặc bazơ yếu, chỉ rất ít enzyme hoạt

động mạnh trong vùng acid hay kiềm

Ảnh hưởng của thời gian

Thời gian thủy phân kéo dài hay rút ngắn đều ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình do enzyme tác động và chất lượng sản phẩm Thời gian kéo dài thì enzyme có điều kiện để cắt mạch triệt để, dẫn đến sự biến đổi sâu sắc của cơ chất Nhưng nếu kéo dài thời gian thủy phân quá mức thì sẽ các vi sinh vật sẽ hoạt động

sinh ra nhiều sản phẩm thứ cấp, đồng thời khi thời gian kéo dài hiệu quả kinh tế giảm, chỉ áp dụng thí nghiệm, trong sản xuất không áp dụng Thời gian thủy phân rút ngắn, sự phân giải protein chưa triệt để Hiệu suất thủy phân kém và gây lãng

phí nguyên liệu và khó khăn cho công đoạn sau

Ảnh hưởng của nồng độ enzyme

Khi nồng độ enzyme thấp, lượng cơ chất lớn, vận tốc thủy phân phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ enzyme Khi nồng độ enzyme tăng, tốc độ phản ứng thủy phân tăng đến một giá trị giới hạn v = vmax thì nếu tiếp tục tăng nồng độ enzyme, tốc

độ phản ứng thủy phân bởi enzyme tăng không đáng kể, thậm chí không tăng

Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất

Khi enzyme kết hợp với cơ chất thì tạo ra phức trung gian E – S, phức chất này sẽ kéo căng liên kết và chuyển hóa thành sản phẩm dịch đạm và giải phóng enzyme Quá trình này cứ tiếp tục xảy ra đến khi cơ chất hết, nếu nồng độ cơ chất

đủ thích hợp với lượng enzyme sẽ làm cho quá trình thủy phân diễn ra đều đặn,

nhanh chóng

E + S ES P + E

Khi tăng nồng độ cơ chất, tốc độ phản ứng thủy phân càng tăng, nhưng khi tốc độ phản ứng thủy phân đạt dến giới hạn v = vmax , nếu tiếp tục tăng nồng độ cơ chất thì vận tốc phản ứng hầu như không tăng

Ảnh hưởng của hàm lượng nước

Nước là môi trường thuận lợi của enzyme và vi sinh vật hoạt động Các nghiên cứu cho thấy điều kiện để các loại enzyme và các vi sinh vật hoạt động được

là môi trường phải có nước và hàm lượng nước phải linh động (nước phải ở trạng thái tự do) chiếm tối thiểu là 15%, do vậy trong quá trình thủy phân nếu ta bổ sung hàm lượng nước quá thấp thì nó cũng ức chế sự hoạt động của vi sinh vật nhưng đồng thời nó cũng ức chế sự hoạt động của enzyme làm giảm hiệu suất thủy phân Nhưng nếu bổ sung hàm lượng nước quá cao thì chính nước là môi trường thuận lợi

để cho vi sinh vật hoạt động và phát triển, nó sẽ thủy phân sản phẩm thành các sản phẩm thứ cấp khác

Ảnh hưởng của chất kìm hãm

Chất kìm hãm (hay chất ức chế) là những chất vô cơ hay hữu cơ mà khi có

sự hiện diện của chúng, enzyme có thể bị giảm hoặc mất hoạt tính Với mỗi enzyme

ta có các chất kìm hãm khác nhau, vì vậy khi sử dụng enzyme ta phải biết rõ các chất kìm hãm của nó để điều chỉnh phản ứng

Ảnh hưởng của chất hoạt hóa

Chất hoạt hóa là chất khi có mặt của chúng trong phản ứng thì có tác dụng làm tăng hoạt tính enzyme, các chất này có bản chất khác nhau, có thể là ion kim loại, anion hoặc các chất hữu cơ Tuy nhiên, các chất hoạt hóa chỉ có tác dụng trong một giới hạn nồng độ xác định, khi dùng quá nồng độ cho phép, hoạt độ enzyme sẽ

bị giảm

Ảnh hưởng của diện tích tiếp xúc

Khi thủy phân diện tích tiếp xúc giữa enzyme và cơ chất cũng ảnh hưởng lớn đến tốc độ thủy phân Diện tích tiếp xúc giữa enzyme với cơ chất càng lớn thì quá trình thủy phân càng dễ dàng và ngược lại.[8]

1.4 Tổng quan về ethanol

1.4.1 Giới thiệu chung về quá trình lên men

1.4.1.1 Khái quát chung

Trong công nghiệp sản xuất thực phẩm, sản phẩm được tạo thành từ các quá trình lên men ngày càng đa dạng và có vai trò quan trọng trong đời sống xã hội Lên men là một trong những kỹ thuật lâu đời của ngành chế biến thực phẩm

Lên men là các quá trình oxy hóa khử cơ chất mà kết quả là một phần cơ chất bị khử còn một phần khác lại bị oxy hóa Oxy phân tử không tham gia vào quá trình oxy hóa này mà ở đây sở dĩ có sự oxy hóa chỉ là do việc tách hidro ra khỏi cơ chất Hidro tách ra có thể được thải ra dưới dạng khí hoặc có thể lại được liên kết ngay với các sản phẩm phân giải của chính chất hữu cơ đó Năng lượng sinh ra trong quá trình lên men sẽ được chi phí một phần cho các phản ứng khử, ngoài ra còn được tích lũy lại một phần trong các liên kết cao năng.[7]

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử, quá trình này xảy ra trong cơ thể vi sinh vật dưới tác dụng của hệ thống enzyme Cho nên quá trình lên men còn được gọi là quá trình oxy hóa- khử sinh học [11]

Các quá trình lên men đều bắt đầu từ hydrocacbon để tạo ra acid pyruvic qua con đường EMP và các con đường đường phân khác Từ acid pyruvic để tạo năng lượng cung cấp cho hoạt động sống thì thực hiện 6 con đường lên men:

1 Lên men lactic 2 Lên men ethanol 3 Lên men acid hỗn hợp

4 Lên men butanediol 5 Lên men butyrate 6 Lên men propyonic[8]

Lên men rượu là một quá trình sinh hóa phức tạp, cần có sự tham gia của nấm men, hoặc một số vi khuẩn khác Trong quá trình lên men rượu, đường được biến đổi thành ethanol và CO2 Quá trình lên men rượu kèm theo sự hình thành các sản phẩm, đồng thời giải phóng năng lượng So với sự phân giải kỵ khí các acid hữu

cơ khác thì lên men rượu trải qua quá trình phức tạp hơn nhờ sự xúc tác của hàng loạt các hệ enzyme khác nhau Trong phản ứng lên men, đường được chia cắt thành các hợp chất có mạch cacbon đơn giản hơn [9]

1.4.1.2 Vi sinh vật tham gia vào quá trình lên men ethanol

Trong sản xuất rượu người ta thường dùng những nhóm vi sinh vật sau:

- Nấm men, để lên men địch đường thành rượu

- Nấm mốc, để thủy phân dịch hồ tinh bột thành đường

- Vi khuẩn lactic, dùng để acid hóa dịch đường trước khi lên men

Trường hợp dùng vi khuẩn lactic không phải là phổ biến, nhưng thực tế sản xuất đã cho thấy dùng nhóm vi khuẩn này đảm bảo quá trình lên men thuận lợi hơn, nâng cao được dinh dưỡng cho nấm men (vi khuẩn lactic tích tục ác hợp chất nitơ

dễ được nấm men đồng hóa) và tăng được hiệu quả tạo ethanol

Trong sản xuất ethanol, người ta thường dùng những nòi nấm men thuộc

giống Saccharomyces cerevisiae Giữa các nòi này có các đặc điểm khác nhau Các

nòi lên men ethanol cần phải có những đặc điểm sau:

- Có sức phát triển mạnh trong dịch đường lên men

- Có khả năng tiết ra hệ enzyme zyma để lên men nhanh chóng và hoàn toàn

- Có thể lên men ở nhiệt độ tương đối cao của mùa hè

- Có khả năng chịu được độ cồn cao trong qua trình lên men

- Chịu được môi trường có độ acid cao

Nhiệt độ tối thích đối với sinh trưởng cho nấm men trong khoảng 25 – 300C, còn nhiệt độ tối thiểu khoảng 2-30C Ở nhiệt độ 400C, sinh trưởng ngừng lại và men

bị chết Trong môi trường có nồng độ đường cao nấm men ngừng các quá trình sống Đối với các nòi nấm men khác nhau thì nồng độ đường thích hợp cũng khác nhau Các giống men rượu đều thuộc giống nấm men nổi có khả năng lên men mạnh, có thể lên men được mono và disaccarit, cũng như một phần dextrin (chủ yếu

là dextrin cuối).[6]

Các loài nấm Saccharomyces Chúng có tế bào hình ovan, kích thước khoảng

3-10×5-12µm Các loài này sinh sản vô tính theo cách thức nảy chồi hình thành bào

tử trong điều kiện nhất định Chúng sống kỵ khí không bắt buộc Là loài có khả năng phân giải kỵ khí các loại đường khác nhau Một số nấm men thuộc loài

Saccharomyces thường dùng trong lên men rượu: S.cerevisiae, S.ellipsoides, S.carlsbergensis.[9]Các nòi men này được chia làm hai loại: men nổi và men chìm

- Men nổi là chủng nấm men khi lên men hay phát triển trong dịch nuôi cấy, chúng tạo thành từng đám với từng bọt tương đối dầy và duy trì trong suốt thời gian lên men Sau khi kết thúc chúng (những tế bào nấm men) mới lắng dần xuống đáy

và tạo thành một lớp xác men không chặt chẽ

- Men chìm là chủng nấm men khi lên men hay phát triển trong dịch nuôi cấy, lên men không tạo thành lớp bọt dầy trên bề mặt dịch và các tế bào lắng dần xuống đáy thùng tạo thành lớp cặn men khá chặt chẽ Đặc biệt của men chím là lắng nhanh tạo cho dịch có độ trong sáng và các nòi men có enzyme α- galactozidaza nên có thể dùng hoàn toàn đường rafinoza cho lên men, còn các nòi men nổi chỉ có một số là đồng hóa được 1/3 rafinaza thành rượu và CO2

Đa số các nòi nấm men bia và rượu vang đều thuộc men chìm, còn các nòi men rượu, men bánh mì và một ít nòi men bia thuộc men nổi

Yêu cầu chung đối với men rượu dùng trong sản xuất là phải có lực lên men mạnh, biến đường thành rượu nhanh và càng triệt để càng tốt, có khả năng chịu được các chất kháng khuẩn và biến động các điều kiện nuôi cấy (t0, pH, O2 ).[6]

Ngoài ra còn có một số nấm mốc như: Mucor, Penicillium, Aspergillus… và

một số vi khuẩn lên men ethylic như Zymomonas mobilis (đây là loại vi khuẩn hình

que, kích thước 1.4-2×4-5µm, thường xếp thành đôi, đôi khi thành chuỗi).[7][9]

1.4.1.3 Cơ chế chuyển hóa của quá trình lên men ethylic

Phương trình tổng quát của quá trình lên men rượu có thể viết là:

C6H12O6  2 C2H5OH + 2 CO2 + 113.4 KJ

Thực ra phản ứng của quá trình lên men rượu rất phức tạp, nó trải qua hơn 10 phương trình phản ứng khác nhau Được chia làm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Đường phân chuyển glucose  Acid pyruvic

Giai đoạn 2: Acid pyruvic  Axetaldehyt

Giai đoạn 3: Axetaldehyt  rượu ethylic.[9]

1.4.2 Các phương pháp sản xuất ethanol sinh học

Ethanol có thể sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau:

Công nghệ sản xuất ethanol tổng hợp:

Tổng hợp ethanol có nghĩa là sản xuất ethanol bằng phương pháp hoá học, trên thế giới người ta sản xuất ethanol bằng nhiều phương pháp khác nhau Trong công nghệ tổng hợp hoá dầu ethanol được sản xuất bằng dây chuyền công nghệ hydrat hoá đối với khí etylen hoặc công nghệ cacbonyl hoá với methanol

Hydrat hoá: CH2=CH2 + H2O C2H5OH

Cacbonyl: CH3OH + CO + 2 H2 C2H5OH + H2O

Công nghệ sản xuất ethanol sinh học:

Công nghệ này dựa trên quá trình lên men các nguồn cacbonhydrat có trong

tự nhiên như: nước quả ép, nước thải men bia, ngô, sắn, mùn, gỗ

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + Q

Ở nước ta, công nghệ sản xuất ethanol còn rất nhỏ bé và lạc hậu Chỉ có ngành sản xuất ethanol sinh học mà nguồn nguyên liệu chủ yếu từ tinh bột (sắn,

ngô, khoai…) và từ rỉ đường Hoàn toàn chưa có nhà máy sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu chứa cellulose (rơm rạ, mùn cưa, cây cỏ…) Sản phẩm chủ yếu

là ethanol thực phẩm (nồng độ 40% đến 45%) và cồn công nghiệp (nồng độ từ 95.57% đến 96%), một lượng nhỏ được làm khan thành sản phẩm ethanol tuyệt đối (nồng độ 99.5%)

Để sản xuất ethanol ta có thể đi từ nhiều phương pháp khác nhau Tuy nhiên, xuất phát từ điều kiện Việt Nam là một nước nông nghiệp có sản phẩm nông nghiệp rất phong phú nên đề tài này chỉ đề cập đến việc sản suất ethanol từ nguồn nguyên liệu chính:

Sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa tinh bột (sắn, ngô)

Sản xuất ethanol từ nguyên liệu là rỉ đường

Sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa cellulose (rơm rạ, mùn cưa…)

1.4.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về thủy phân cacbonhydrat và sản xuất ethanol sinh học từ rong biển

1.4.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới, công nghệ sản xuất ethanol sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công ở nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam Tuy nhiên, nguyên liệu phục vụ cho công nghệ sản xuất ethanol sinh học chủ yếu từ các cây lương thực, rơm rạ[2][18][24], còn từ nguồn rong biển chưa được nghiên cứu và ứng dụng nhiều Đối với Việt Nam vấn đề này vẫn còn rất mới mẻ và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học

Những nguyên liệu có thể dùng để sản xuất ethanol là đường, tinh bột và nguyên liệu chứa cellulose ( Bailey and Ollis, 1986) Đường có thể biến đổi trực tiếp thành ethanol nhưng tinh bột phải được thủy phân thành đường dưới tác dụng của enzyme rồi mới lên men thành ethanol, còn cellulose cũng phải biến đổi thành đường trước khi lên men bằng acid vô cơ (Bashir and Lee, 1994) Sở dĩ có thể dùng rong biển để sản xuất ethanol vì nhiều loài rong biển có chứa hàm lượng cacbohydrat cao, có thể dùng để chuyển hóa lên men rượu Đã có nhiều tài liệu

nước ngoài công bố về vấn đề này như rong nâu Laminaria ở vùng biển Ireland

được đất nước này khai thác để sản xuất ethanol sinh học có chứa 6% cellulose, 23% alginates, 12% mannitol, fucoidan 5%, laminaran 14%, proteins 2%, lipid 2%, không thấy hàm lượng tinh bột, hemicellulose và lignin Khác với rong nâu, rong lục có hàm lượng ẩm cao hơn rất nhiều, chiếm đến 85%, hàm khoáng 24%, protein 19%, lipid 2%, cellulose 18%, ulvan 20%, tinh bột 2%, hợp chất sunfat 8% và chất màu nhỏ hơn 1%.[15][20]

Alginate là một polysaccharide trong rong nâu không thể lên men nhờ những

vi sinh vật truyền thống, mà muốn lên men được phải qua xử lý ở nhiệt độ cao trước khi lên men hoặc dùng những vi sinh vật lên men thích ứng Ở NaUy, Horn và

cộng sự năm 2004 đã tìm ra chủng nấm men P.angophorae để lên men rong nâu

nhưng hiệu suất lên men không cao, còn các nhà nghiên cứu của trường đại học

quốc gia Ireland (NUIG) đã tách được một enzyme từ nấm kỵ khí Talaromyces emersonii được xem là cắt đứt rất tốt các hợp chất đường phức tạp để tạo ra đường

đơn giản.[20]

Năm 2007, nhóm tác giả Aizawa, M; Asaoka, K; Atsumi, M; Sakou, T của trường Đại học Tokai Nhật Bản đã công bố kết quả nghiên cứu về sản xuất ethanol sinh học của Nhật Bản do Tokyo Fisheries Promotion Foundation đầu tư trên tạp

chí Oceans 2007 Dự án sản xuất ethanol từ rong biển Sargassum horneri là một

loại rong nâu, có hàm lượng cacbohydrate 5.8%, kết quả thu được 29.6 kg ethanol hoặc 38.0 lít ethanol trên 1 tấn rong tươi có độ ẩm 90%.[14]

Năm 2009, nhóm tác giả DuBok Choi, Heung Sun Sim, Yu Lan Piao, Wu Ying và Hoon Cho của hai trường Đại học Cho-dang và Chusun Hàn Quốc đã công

bố kết quả nghiên cứu về sản xuất đường từ nguyên liệu rong biển thô trên tờ báo Industrial and Engineering Chemistry Kết quả công bố, rong biển thô được cắt nhỏ 5cm, sau đó bổ sung HCl, acid Ascorbic và NaOH từ 0.25 ÷ 2%, hỗn hợp được gia nhiệt ở 1210C; 0.98 bar, trong thời gian 1-3h, tác giả so sánh hiệu quả thủy phân giữa các mẫu bằng cách so sánh độ nhớt giữa các hỗn hợp sau khi kết thúc thủy phân, trường hợp rong biển thủy phân trong acid Ascorbic cho thấy độ nhớt giảm một cách nhanh chóng, tiếp đến là mẫu xử lý HCl và cuối cùng là mẫu xử lý NaOH

Nhóm tác giả trên cũng công bố cho biết khi rong biển thủy phân bằng hỗn hợp enzyme Liquozyme, Dextrozyme, Viscozyme và Rapidase trong điều kiện nhiệt

độ 300C, thời gian 360 phút thì hàm lượng đường sinh ra nhiều hơn so với dùng acid Ascorbic.[19]

Năm 2010 nhóm tác giả Churl Kim, Hyun Jin Ryu, Sang Hyoun Kim, Jeong – Jun Yoon, Hoon Sik Kim và Yong Jin Kim của trường đại học Kyung Hee đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Bull Korean Chem.Soc về sử dụng chất lỏng ion để chuyển hóa agar thành hỗn hợp đường Phản ứng đường hóa agar được

tiến hành như sau: Một hỗn hợp 10g agar được trích ly từ Gelidium amansii cho vào

hỗn hợp nước chứa chất lỏng ion có tính chất acid ([Chol][HSO4]) Phản ứng thủy phân được thực hiện ở 1210C trong 15 phút, sau đó điều chỉnh hỗn hợp pH về 5.5 bằng cách bổ sung CaCO3 và chất lỏng ion được tách ra bằng cách ly tâm.[17]

Năm 2011, nhóm tác giả Kazunori Nakashima và cộng sự của trường Đại học Kobe Nhật Bản đã công bố kết quả nghiên cứu về sản xuất bioethanol từ cellulose bằng cách kết hợp giữa nấm men có chứa enzyme cellulase với tiền xử lý chất lỏng ion (ionic liquid) trên trang Green Chemistry Kết quả công bố, khi cellulose được tiền xử lý với các chất lỏng ion như [Emim][Cl]; [Emim][OAc]; [Emim][DEP] ở điều kiện 800C, thời gian 30 phút; sau đó hỗn hợp được trung hòa bằng dung dịch đệm acetat, điều chỉnh pH về 5.0, hỗn hợp tiếp tục bổ sung 5ml hỗn hợp nấm men endoglucanase (EG), cellobiohydrolase (CBH), và β-glucosidase

(BGL), đồng thời bổ sung nấm men 5ml S.cerevisiae tiến hành lên men ở nhiệt độ

300C, thời gian 96h thì hiệu suất thu ethanol lên đến 90% và có thể tái sử dụng các chất lỏng ion đến 82%.[21]

Hình 1.4 Lên men ethanol trực tiếp bằng nấm men từ cellulose được tiền xử lý

chất lỏng ion

NaUy đã nghiên cứu sản xuất ethanol từ hai loài rong nâu là Laminaria hyperborea và Ascophyllum nodosum thành công, họ đã chiết laminaran và mannitol từ rong nâu Laminaria hyperborea để sản xuất ethanol (Horn, et al.,

2000)[28][30] Hàm lượng mannitol và laminaran trong rong nâu khô khoảng 25 ÷ 30% (Jensen and Haug, 1956) Quá trình lên men ethanol từ mannitol nhờ vi khuẩn

Zymobacter palmae, còn vi khuẩn Pichia angophorae có thể tham gia sản xuất

ethanol cả hai nguồn mannitol và laminaran Những vi sinh vật phổ biến được sử

dụng để lên men ethanol là Saccharomyces cerevisiae và vi khuẩn Zymomonas mobilis (Dumsday et al, 1997).[20]

Năm 2011 nhóm tác giả Krish Purnawan Candra, Sarwono, Sarinah của trường Đại học Mulawarman Indonesia đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí

Journal of Coastal Development về sản xuất ethanol sinh học từ rong đỏ Eucheuma cottonii trên vùng biển Baotang của Indonesia theo quy trình sau: Rong sau khi thu

hoạch được phơi khô và bảo quản trong các túi nilon, đưa về phòng thí nghiệm được bảo quản ở nhiệt độ phòng, 100 g rong khô cho vào 300 ml nước, sau đó đun

sôi ở nhiệt độ 800C trong 2 giờ cho đến khi gel được hình thành, sau đó làm nguội xuống nhiệt độ phòng 25 ml H2SO4 5% rót vào một lọ thủy tinh chứa 100g gel rong biển đem đun sôi ở 1000C trong 2 giờ, sau đó dung dịch được điều chỉnh về pH = 5 bằng cách nhỏ 0.1M NaOH, hàm lượng đường xác định là 15.8mg/ml dịch thủy phân bằng phương pháp Nelson Somogyi Hỗn hợp được lên men từ 5-6 ngày ở nhiệt độ phòng từ 28-300C bằng nấm men Saccharomyces cereviceae thì thu được sản lượng cồn tối đa là 4.6%.[22]

Năm 2011 nhóm tác giả Leilei Ge, Peng Wang, Haijin Mou của trường College of Food Science and Engineering và Ocean University của Trung Quốc đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Renewable Energy về nghiên cứu công nghệ đường hóa bã rong để chuyển hóa ethanol Nguyên liệu dùng nghiên cứu là phần bã thừa của quá trình sản xuất alginate được xay nhỏ và sấy khô ở 400C, sau

đó bảo quản ở nhiệt độ phòng Bã rong được tiền xử lý bằng acid sulfuric loãng lần lượt là 0.1; 0.2; 0.5 và 1% trong thời gian 0.5; 1.0 và 1.5 giờ tại nhiệt độ 1210C Sau đó, phần bã không tan được lọc tách ra và rửa với nước nóng Hỗn hợp được điều chỉnh về pH = 4.8 bằng dung dịch đệm acetat, tiếp tục bổ sung enzyme cellulase và cellobiase để thủy phân cellulose, hemicellulose và lignin không tan ở nhiệt độ 500C trong 48h Sau đó hỗn hợp được lên men bằng Saccharomyces cerevisiae ở nhiệt độ 300C trong 36h, lượng ethanol thu được là 41.2%, tương ứng với hiệu suất là 80.8%.[23]

Năm 2011 nhóm tác giả Mitsunori Yanagisawa, Kanami Nakamura, Osamu Ariga, Kiyohiko Nakasaki của Viện công nghệ Tokyo và trường đại học công nghệ Kochi Nhật Bản đã công bố kết quả nghiên cứu các loài rong có chứa polysaccharides có thể thủy phân một cách dễ dàng dùng để sản xuất rượu sinh học trên tạp chí Process Biochemistry Nhóm tác giả đã nghiên cứu trên 3 đối tượng

rong: rong lục Ulva pertusa Kjellman, rong nâu Alaria crasssifolia và rong đỏ Gelidium elegans Kuetzing, đối với rong lục và rong nâu sau khi thu hoạch về được

phơi nắng trong 5h để dùng làm thí nghiệm, còn rong đỏ được sấy ở 600C trong 2 ngày Tất cả các loại rong đều xay nhỏ đến 0.5 mm Tổng hàm lượng cacbohydrat

trong 3 loại rong này được xác định bằng tổng của NFE (nitrogen –free extrac) và phần sợi thô được xác định bằng phương pháp chuẩn dùng phân tích thực phẩm lần lượt là 68.8; 61.0 và 83.2%, hàm lượng glucan trong các loại rong này lần lượt là 22.0; 24.5 và 21.8% trọng lượng rong khô tuyệt đối Hàm lượng galactan chỉ có trong rong đỏ với hàm lượng 26.5% trọng lượng rong khô tuyệt đối Đây là những polysaccharide chứa các đường có thể lên men một cách dễ dàng.[26]

Như vậy, kết quả nghiên cứu của nhiều nhóm tác giả đã công bố cho thấy, sản xuất ethanol sinh học từ rong biển có thể sử dụng nhiều phương pháp tiền xử lý rong để tạo dung dịch đường như tiền xử lý bằng acid H2SO4[23][29], HCl[19], acid ascorbic[19], xút (NaOH)[19], enzyme[15][19][20] hoặc kết hợp giữa các phương pháp với nhau[23] Còn sử dụng bằng chất lỏng ion kết hợp với phương pháp dùng enzyme hoặc acid hiệu quả đối với nguyên liệu chứa nhiều cellulose như phụ phẩm nông nghiệp[17][21][27] Hàm lượng cellulose trong rong biển không cao [4][15][20]trong khi chất lỏng ion lại đắt nên việc sử dụng chất lỏng ion để tiền xử

lý rong biển không hiệu quả, chỉ hiệu quả đối với các phế liệu nông nghiệp như rơm, rạ, mùn cưa, [27]

1.4.3.2 Các nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu về sản lượng rong biển tại Việt Nam và Khánh Hòa:

Hiện nay tại Việt Nam chưa có bất kỳ tác giả nào công bố kết quả nghiên cứu về sản xuất ethanol sinh học từ rong biển mà chỉ dừng nghiên cứu khảo sát sản lượng rong biển phục vụ sản xuất ethanol và nghiên cứu một số thành phần hóa học của một số loại rong có tại Việt Nam, trong đó có hàm lượng polysaccharide, như tác giả Lê Như Hậu và cộng sự của Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang với đề tài “ Nghiên cứu và đề xuất giải pháp khai thác hợp lý và bền vững cho rong nguyên liệu sản xuất ethanol ở ven biển Nha Trang” năm 2010 đã công bố, trữ lượng các ngành rong biển tại Nha Trang như sau: Khu vực vịnh Nha Trang có diện tích rong Mơ 546.20ha Rong Mơ phát triển thành thảm với sinh lượng trung bình đạt 571.90g khô/m2, trữ lượng 4840.4 tấn khô/năm Rong Đỏ là 231.97 tấn khô/năm và rong lục là 16.53 tấn khô/năm[5] Tác giả cũng công bố kết quả nghiên cứu

trong báo cáo hội nghị khoa học nhân dịp kỷ niệm 35 năm Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam diễn ra tại Hà Nội vào tháng 10 năm 2010 là Rong biển Việt Nam

gồm những chi có sản lượng lớn Sargassum, Hormophysa, Hydroclathrus (rong nâu); Gracilaria, Hydropuntia, Hypnea, Kappaphycus (Rong Đỏ); Ulva, Chaetomorpha, Cladophora (Rong Lục), hiện nay có thể khai thác 79,126.3 tấn

rong khô trên diện tích 75,322.0 ha Diện tích mặt nước có tiềm năng nuôi trồng và khai thác rong biển trong thời kỳ 2010-2015 khoảng 900,000 ha với sản lượng 600-700,000 tấn khô/năm.[5]Như vậy, rong biển Việt Nam, cũng như rong biển tại các vùng biển Khánh Hòa có trữ lượng rất lớn, có khả năng đáp ứng nguồn nguyên liệu cho công nghệ sản xuất ethanol sinh học ở quy mô công nghiệp bằng khai thác nguồn nguyên liệu tự nhiên và nuôi trồng bằng mô hình kết hợp hoặc luân canh trong các ao nuôi tôm và ở các bãi triều ven biển, đặc biệt vùng ven biển Nha Trang

các nhóm rong có trữ lượng lớn là rong đỏ, rong lục và rong mơ

Như vậy, từ các tài liệu đã công bố tại Việt Nam và trên thế giới cho thấy, sản lượng rong biển rất dồi dào với giá thành thấp, trong rong biển chứa một hàm lượng cacbonhydrat cao nên việc sử dụng rong biển để sản xuất ethanol sinh học là khả thi

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Rong nâu

Rong nâu: Sargassum mcclure (S.mcclure), Sargassum polycystum (S.polycystum), Sargassum microcystum (S.microcystum), Sargassum binderi (S.binderi) Rong được mua tại các đầu nậu từ Nha Trang Rong đã được phơi khô

và chứa trong các túi PP, được bảo quản ở nơi khô ráo thoáng mát Sau đó vận chuyển về phòng thí nghiệm dùng dần

Rong sau khi đem về được xử lý để loại các tạp chất cũng như các loài rong tạp Sau đó được bảo quản ở điều kiện như trên Mỗi lần thí nghiệm sẽ lấy một ít đem đi cắt và xay nhỏ Yêu cầu rong không được có các hiện tượng như bị ẩm, bị mốc trên bề mặt rong

Hình 2.1 Các loại rong nâu được sử dụng trong nghiên cứu (a) S.microcystum,

(b) S.bindery, (c) S.mcclurei, (d) S.polycystum

2.1.2 Nấm men Saccharomyces cerevisiae

Có tên thương mại là nấm men Themosacc Dry yeast, sản phẩm của hãng Lauemanol – Canada Thường dùng để lên men rượu, cồn Nấm men được mua từ Công ty TNHH Thương mại – Dịch vụ Nam Giang, TP Hồ Chí Minh Sau khi mua

về phải được bảo quản trong ngăn mát tủ lạnh

Hình 2.2 Nấm men Saccharomyces cerevisiae

Các thiết bị trên các phòng thí nghiệm

Bảng 2.1 Một số thiết bị sử dụng trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp