Ứng dụng enzym Keratinaza trong phân hủy lông gia cầm làm thức ăn chăn nuôi

Ứng dụng enzym Keratinaza trong phân hủy lông gia cầm làm thức ăn chăn nuôi

Đại học Khoa học Tự nhiên_ ĐHQGHN

BÀI TIỂU LUẬN

Ứng dụng enzym keratinaza trong phân hủy lông gia cầm làm thức ăn

chăn nuôi

Giảng viên : Nguyễn Thị Hà

Nhóm 7 K57 CNKTMT

Danh sách thành viên:

1 Phạm Thị Liễu

2 Đinh Thị Diệu Linh

3 Huỳnh Thị Phương Linh

Nội Dung

I. Chất thải lông gia cầm

I.1 Thực trạng chất thải lông gia cầm

I.2 Keratin

1.2.1 Nguồn gốc Keratin

1.2.2 Cấu trúc Keratin

1.2.3 Tính chất keratin

II. Enzym Keratinaza

II.1 Đặc tính enzyme Keratinaza

II.2 Nguồn gốc enzyme keratinaza

III. Ứng dụng enzyme keratinaza trong phân hủy lông gia cầm

III.1 Cơ chế phân hủy keratin

III.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phân hủy

III.3 Sản xuất thức ăn chăn nuôi

IV. Kết luận

V. Tài liệu tham khảo

I.Chất Thải Lông Gia Cầm

1.1 Thực trạng rác thải lông gia cầm

Phát triển ngành chăn nuôi là một phần quan trọng trong giải quyết vấn đề lương thực, thực phẩm trên thế giới Quá trình này đồng thời tạo ra lượng lớn rác

chế biến gia cầm và tỉ lệ tăng hàng năm là khoảng 4,5% Đây là chất thải rất khó

xử lý do thành phần chính là keratin - một loại protein có khả năng chống lại các tác nhân phân hủy cao, thời gian để lông vũ tự phân hủy hoàn toàn trong tự nhiên

là từ 5 – 7 năm

Phế phẩm lông gia súc gia cầm thường được xử lý bằng phương pháp chôn lấp hoặc đốt cháy, thậm chí thải trực tiếp ra môi trường, gây ô nhiễm nghiêm trọng cho

môi trường đất, nước, không khí ( hình 1)

Hình 1 Chất thải lông gia cầm không được thu gom xử lý

Xử lý lông vũ không đúng quy định gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con

người và môi trường ( hình 2 )

Hình 2 Xử lý, chế biến lông vũ không đúng quy định

Do bản chất của lông gia cầm là protein nên nếu được xử lý phù hợp thì có thể trở thành nguồn protein bổ sung hiệu quả vào thức ăn chăn nuôi, đem lại hiệu quả cao về kinh tế và có thể giải quyết các vấn đề liên quan đến môi trường Tuy

nhiên hiện nay các cơ sở sản xuất thường áp dụng công nghệ hiện đại để sản xuất

giảm chất lượng và tỉ lệ tiêu hóa Protein

Bảng 1: Thành phần tỉ lệ của protein và acid amin trong lông vũ

( nguồn latshaw et al 1994)

Việc sử dụng enzyme thủy phân là phương án hiệu quả, không tốn năng lượng

mà hiệu suất thủy phân gần như hoàn toàn Trong những năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về các vi sinh vật có hoạt tính

keratinaza, về đặc điểm và ứng dụng của chúng, bước đầu phục vụ cho việc phân hủy phế phẩm lông dùng làm thức ăn chăn nuôi và giải quyết được nhiều vấn đề môi trường

1.2 Keratin

1.2.2 Nguồn gốc

nhiên keratin là thành phần chính cấu tạo nên các cấu trúc như lông, tóc, móng, guốc, sừng, da, biểu mô của tế bào động vật có xương sống…

lượng cơ thể có sự khác nhau

- Keratin chiếm đến 90% khối lượng lông vũ nên đây được xem như là nguồn protein tiềm năng thay thế cho một số nguồn protein khác để bổ sung vào

thành phần thức ăn chăn nuôi

1.2.3 Cấu trúc của keratin

vật có xương sống và là thành phần chủ yếu cấu tạo nên các thành phần phụ như móng, tóc, lông,…

và cấu trúc cơ bản tương tự nhau Trình tự acid amin quyết định đến các liên kết trong phân tử và tính chất của những cấu trúc bậc cao hơn, cũng như ảnh hưởng đến các liên kết trong phân tử keratin Các chuỗi acid amin này được cuộn chặt, ở dạng xoắn α (α – keratin) hoặc ở dạng phiến β (β – keratin ) và gấp nếp tạo thành cấu trúc ba chiều ( hình 3)

Hình 3 : cấu tạo hình học của α – keratin và β – keratin

nhất (có thể chiếm tới 24%).Trong cấu trúc của acid amin cyscein có chứa

disunfua Theo hàm lượng lưu huỳnh Keratin được phân thành hai nhóm chính dựa theo

cầu nối disunfua cao

1.2.4 Tính chất của keratin

thông thường như : trypsin, papain, pepsin

như urê Keratin trong dung dịch có thể lắp ráp lại sợi trung gian

thể được rụng ra hoặc bị các tế bào mới đẩy lên Nếu các tế bào đã chết này được lưu giữ trong tình trạng tốt, chúng sẽ có tác dụng như một lớp cách điện, cách nhiệt, không thấm nước,… bảo vệ các tế bào phía dưới

II Enzym Keratinaza

2.1 Đặc Tính Của Keratinaza

kiềm (6-9) và là loại enzyme ưa nhiệt, nhiệt độ tối ưu từ 30oC đến 80oC, có khi đạt tới 100oC

tự nhiên Keratinaza chủ yếu được xếp vào nhóm proteaza serin do có đến 97% cấu trúc giống với cấu trúc của proteaza serin và cũng bị ức chế bởi các chất ức chế proteaza serin

Hình 4 : enzyme keratinaza

nhiên các dạng cơ chất chứa Keratin như lông, móng, sừng…vẫn bị phân hủy Điều này có được là do hoạt động của các vi sinh vật (vi khuẩn, xạ

tấn công vào các liên kết disulfide (S-S), làm suy giảm các protein dạng sợi fibrin, elastin, collagen và sợi protein khác Tuy nhiên khả năng tạo ra enzym này của vi sinh vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chủng vi sinh vật, nguồn cơ chất và cả điều kiện của môi trường Đây được xem như nguồn enzym quan trọng có khả năng ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp da, phân bón, thức ăn chăn nuôi, y dược…

sinh vật tổng hợp Keratinaza được phân lập từ nhiều vị trí địa lý khác nhau,

từ đất Nam cực đến suối nước nóng, kể cả ở điều kiện môi trường kỵ khí và

hiếu khí Đến nay Keratinaza được nghiên cứu chủ yếu có nguồn gốc từ vi khuẩn, đặc biệt là từ chi Bacillus ( hình 5 )

tham gia tích cực vào sự phân hủy vật chất hữu cơ nhờ khả năng sinh nhiều loại enzyme ngoại bào Đây là những vi khuẩn hình que, Gram dương, sinh trưởng hiếu khí hoặc kị khí không bắt buộc và hình thành nội bào tử

Hình 5: vi khuẩn bacillus Hình 6: nấm Chrysosporium

nghiên cứu là có khả năng thủy phân Keratin tốt

Keratinaza

bao gồm Lysobacter, Kocurica, Nesternokia… và một vài dòng Gram

âm như Vibrio, Xanthomonas, Stenotrophomonas…

 Nhóm nấm: Chrysosporium ( hình 6) , Fusarium, Geomyces,

Monodictys, Urocladium…

III Ứng Dụng Enzym Keratinaza Trong Phân Hủy Lông Gia Cầm

3.1 Cơ Chế Phân Hủy

trúc của keratin, tạo thành các chuỗi protein có cấu trúc đơn giản hơn, hỗ trợ cho quá trình phân hủy của enzyme ngoại bào Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy bao gồm peptide mạch ngắn có khả năng hòa tan và các axit amin

nối disulfide và phân hủy chuỗi protein

Disulphide bonds NH2 NH2 CH2 - S S - CH2 CH2 – S - S - - CH2

NH CO NH CO

CO - HN CO NH

R hydrogen bonds R t 0 , H + /OH R R

NH CO + E NH + CO

OC NH CO NH NH3 + - OOC NH3 + - OOC

NH ion-ion interactions CO NH CO

CO HN CO NH

R R R R

t 0 ,enzym ,H+ +H2O

NH2-CH-COOH + NH2-CH-COOH + …… + peptide mạch ngắn

R CH- SH

3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH

Nhiệt độ và PH là 2 yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến sự tồn tại và phát triển của vi

sinh vật Nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao sẽ làm ức chế quá trình trao đổi chất, tiêu

thấm của tế bào, ảnh hưởng đến hệ enzyme trên thành tế bào cũng như các enzyme ngoại bào tử, làm ảnh hưởng đến khả năng trao đổi chất và phát triển của tế bào vsv

( Nguồn: G.-T Park, H.-J Son et al.2007)

Hình 8 ảnh hưởng của nhiệt độ đến mật độ và hoạt động của enzyme kerstinza

( Nguồn: G.-T Park, H.-J Son et al.2007)

Hình 9 ảnh hưởng của pH đến mật độ và hoạt động của enzyme kerstinza

Bảng 2 : Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH đến hiệu suất phân hủy keratin của enzyme keratinas

(Nguồn: Dương Trọng Tín Đại Học Cần Thơ 2013)

7,5 , giảm dần ở các điều kiện pH thấp hoặc cao hơn 7,5 và thấp nhất

ở pH 6

giảm nhanh khi nhiệt độ từ 450C trở lên

cao nhất ( Mức nhiệt độ và pH này sẽ được sử dụng cho các thí nghiệm về

sự ảnh hưởng tiếp theo)

3.2.2 Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng Cacbon

(Nguồn: Dương Trọng Tín Đại Học Cần Thơ 2013) Hình 10 Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng cacbon đến khả năng phân hủy

keratin của enzym Keratinaza.

Từ Hình 10 ta thấy, sự có mặt của glucose hay sucrose trong môi trường sẽ làm giảm khả năng phân hủy keratin do:

- glucose và sucrose làm ức chế khả năng sinh ra enzyme keratinaza từ vi khuẩn, vi khuẩn không thể phân hủy keratin được nữa dẫn đến thiếu hụt nguồn dinh dưỡng và giảm sự sinh trưởng, phát triển

khuẩn, nó làm giảm khả năng phân hủy keratin mặc dù thành phần chính của nó là carbohydrate cùng vitamin và khoáng chất, một nguồn dinh dưỡng rất tốt cho sự phát triển tăng sinh khối của vi khuẩn

đạt được cao nhất khi trong môi trường chỉ chứa lông là nguồn dinh dưỡng duy nhất

3.2.3 Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng Nitơ

(Nguồn: Dương Trọng Tín Đại Học Cần Thơ 2013

Hình 11 Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng nitơ đến khả năng phân hủy keratin của enzym

Từ kết quả của hình 11 cho thấy, việc bổ sung thêm các nguồn dinh dưỡng chứa nitơ khác nhau làm cho khả năng phân hủy keratin bị giảm Tỉ lệ lông bị phân hủy cao nhất khi không bổ sung Như vậy khả năng phân hủy lông của vi khuẩn phụ thuộc nhiều vào thành phần dinh dưỡng của môi trường Khi môi trường chỉ chứa

cơ chất keratin là nguồn dinh dưỡng duy nhất, vi khuẩn sẽ bị kích thích tiết ra nhiều enzyme keratinaza phân hủy cơ chất có trong môi trường để hấp thu vào tế bào Khi môi trường xuất hiện nguồn dinh dưỡng khác dễ tiêu hóa hơn như Yeast extract và bột đậu nành, vi khuẩn sẽ ưu tiên sử dụng nguồn dinh dưỡng này trước, sau khi nguồn dinh dưỡng này cạn kiệt mới chuyển sang sử dụng nguồn keratin trong môi trường Đây là lý do khiến khả năng phân hủy lông bị giảm

3.3 Chế Biến Thức Ăn Chăn Nuôi

3.3.1 Bột lông vũ thủy phân theo phương pháp hiện đại ( bột lông vũ thương

mại

hơi nước trực tiếp thủy phân một phần protein, phá hủy các cầu nối bên trong cấu trúc keratin Sau đó bột lông vũ thủy phân sẽ được xử lý bằng

có thể phân huỷ theo qui trình: khử bởi Na2S2O5 rồi thuỷ phân bằng NaOH, sau đó được trung hoà bởi HCL Dịch sau thuỷ phân trộn với cám (tỷ lệ 2/1)

chăn nuôi Bảo Minh) Quá trình gia nhiệt và xử lý hóa học cũng làm phá hủy một số axit amin nhạy cảm với nhiệt có trong thành phần lông, gây giảm sút giá trị dinh dưỡng của sản phẩm

3.3.2 Bột lông vũ thủy phân bằng enzyme keratinase

Lông cắt nhỏ được ủ 5 ngày với keratinase, thuỷ phân và phơi khô đến khi lông gãy ra

một nguồn protein có tỉ lệ dinh dưỡng cân bằng hơn, cải thiện giá trị

dinh dưỡng của sản phẩm, giữ lại được các axit amin thiết yếu như Methionine, Lysine, trypophan

phần

lông thủy phân với Keratinase ở gà trưởng thành là 82% cao hơn so với

hợp có bột lông vũ này, người ta thấy màu sắc của da vàng hơn, thịt có

vị đậm đà, không có mùi lạ của bột lông vũ

Chi phí sản xuất thấp => Giá thành thấp hơn

Nhược điểm : mùi hôi của lông

Tuy phương pháp thủy phân bằng enzyme keratinaza cho ra sản phẩm thức ăn có nhiều ưu điểm vượt trội hơn nhưng do phương pháp này chưa được mở rộng và điều kiện sản xuất nguyên liệu từ vi khuẩn và nấm chưa đáp ứng nên phần lớn các công ty sản xuất loại thức ăn này vẫn áp dụng phương pháp thủy phân hiện đại

IV Kết Luận

khả năng thủy phân Keratin tốt nhất Keratinase chủ yếu tấn công vào các liên kết disulfide(S-S), làm suy giảm các protein dạng sợi fibrin, elastin, collagen và sợi protein khác

lông cao nhất

hoạt động của vi khuẩn gây ức chế và làm giảm khả năng phân hủy keratin Khả năng phân hủy bột lông cao nhất khi trong môi trường chỉ có cơ chất keratin là nguồn dinh dưỡng duy nhất

Tạo ra sản phẩm bột lông vũ thủy phân chất lượng ưu việt hơn, chi phí sản xuất thấp, giá thành sản phẩm giảm

việc giải quyết ô nhiễm môi trường và ứng dụng trong thức ăn chăn nuôi

V.Tài Liệu Tham Khảo

- Ashis K Mukherjee, Sudhir K Rai, Naba K Bordoloi (2011), Biodegradation of waste chicken-feathers by an alkaline -keratinase (Mukartinase) purified from a mutant Brevibacillus sp strain AS-S10-II, International Biodeterioration &

Biodegradation 65, 1229-1237

- Taha I Zaghloul, Amira M Embaby, Ahmed R Elmahdy (2011), Biodegradation

of chicken feathers waste directed by Bacillus subtilis recombinant cells: Scaling

up in a laboratory scale fermentor, Bioresource Technology 102, 2387–2393

- Geun-Tae Park, Hong-Joo Son (2009), Keratinolytic activity of Bacillus

megaterium F7-1, a feather-degrading mesophilic bacterium, Microbiological Research164, 478- 485

- Salon 129: Wool Dyeing History, with Focus on Dyeing of Rugs by Pierre

- Bad Hair Days? Chemistry to the Rescue by Marlene M Gutierrez

http://www.teachers.yale.edu/curriculum/viewer/initiative_11.05.04_u

- Lê Thị Thu Huyền, Phân lập vi khuẩn có hoạt tính keratinaza và một số đặc tính của enzim (2012)

- Dương Trọng tín, Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển và khả năng phân hủy lông gia cầm cảu vi khuẩn Bacillus Cereus K13 ( 2013)