THÔNG BÁO KHOA HỌCĐIỀU KIỆN Ủ THÍCH HỢP VÀ KHẢ NĂNG THỦY PHÂN TINH BỘT VÀ PROTEIN TRONG BÃ SẮN CỦA CHỦNG BACILLUS SUBTILIS C7 SUITABLE FERMENTING CONDITIONS AND HYDROLYSIS OF STARCH AND
Trang 1THÔNG BÁO KHOA HỌC
ĐIỀU KIỆN Ủ THÍCH HỢP VÀ KHẢ NĂNG THỦY PHÂN TINH BỘT
VÀ PROTEIN TRONG BÃ SẮN CỦA CHỦNG BACILLUS SUBTILIS C7
SUITABLE FERMENTING CONDITIONS AND HYDROLYSIS OF STARCH AND PROTEIN IN CASSAVA RESIDUE OF BACILLUS SUBTILIS C7
Phạm Hồng Ngọc Thùy 1 , Nguyễn Thị Thanh Hải 2 , Nguyễn Minh Trí 3
Ngày nhận bài: 09/10/2014; Ngày phản biện thơng qua: 21/6/2015; Ngày duyệt đăng: 15/6/2016
TĨM TẮT
Chủng Bacillus subtilis C7 cĩ khả năng sinh các enzyme amylase và protease để thủy phân tinh bột và protein cĩ trong bã sắn Bã sắn được ủ với chủng Bacillus subtilis C7 ở mật độ 10 6 CFU/g hỗn hợp để nâng cao hiệu quả sử dụng tinh bột và protein Chế độ ủ bã sắn với chủng Bacillus subtilis C7 thích hợp như sau: Nhiệt
độ ủ 36 ± 1°C, thời gian ủ 48 giờ, tỉ lệ nước/hỗn hợp là 2/1 (v/w), tỉ lệ đậu nành bổ sung 10% (w/w) Hiệu suất thủy phân tinh bột sau khi ủ theo chế đơ trên là 26,42 ± 0,43%; hàm lượng axit amin đạt 0,87 ± 0,01%.
Từ khĩa: Bacillus subtilis C7, bã sắn, tinh bột, protein
ABSTRACT
Bacillus subtilis C7 has ability to synthesize amylase and protease to hydrolyze starch and protein in cassava residue Cassava residue was added Bacillus subtilis C7 at the bacterial density 10 6 CFU/g mixture and fermented in order to enhance the effect of utilizing starch and protein Suitable fermenting conditions of cassava residue with Bacillus subtilis C7 are as follows: Fermenting temperature was 36 ± 1 o C, fermenting time was 48 hours, the ratio of water to mixture was 2/1 (v/w), the content of added soybean was 10% (w/w) The hydrolysis productivity of starch after the fermentation was 26.42 ± 0.43% and the content of amino acid was 0.87 ± 0.01%.
Keywords: Bacillus subtilis C7, cassava residue, starch, protein
1 Khoa Cơng nghệ thực phẩm – Trường Đại học Nha Trang,
2 Viện Cơng nghệ sinh học và Mơi trường – Trường Đại học Nha Trang,
3 Trường Đại học Nha Trang
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Sắn được xem là cây lương thực cĩ sản
lượng lớn thứ hai sau cây lúa và đang cĩ xu
hướng tiếp tục tăng về diện tích và sản lượng
Hiện nay, sắn chủ yếu được dùng làm nguyên
liệu cho các nhà máy chế biến tinh bột; bã sắn
cơng nghiệp là phụ phẩm của quá trình sản
xuất tinh bột, nĩ chiếm khoảng 45% so với khối
lượng sắn nguyên củ [6] Thành phần bã sắn
chứa chất hữu cơ chiếm 97,2% chất khơ, trong đĩ cĩ tinh bột chiếm 68%, protein thơ 3,6% [11] Nếu khơng sử dụng nguồn bã sắn hiệu quả sẽ gây lãng phí và ơ nhiễm mơi trường Hiện nay, bã sắn đã và đang được sử dụng làm nguồn thức ăn chăn nuơi, nhưng nhằm cung cấp thêm chất xơ là chính, chưa chú ý đến khai thác hiệu quả các chất khác cĩ trong bã sắn như tinh bột và protein
Trang 2Chủng vi khuẩn Bacillus subtilis C7 được phân
lập và tuyển chọn từ đất cho thấy có khả năng
sinh bốn loại enzyme: amylase, protease,
phytase, cellulose [5]; hiệu quả thủy phân
cellulose và phytase đã được khảo sát bởi
Mạch Trần Phương Thảo và các cộng sự
(2014) [4] Nghiên cứu này tập trung vào tìm
điều kiện ủ thích hợp và đánh giá khả năng
thủy phân tinh bột và protein của chủng
Bacillus subtilis C7 với mục đích nâng cao hiệu
quả khi dùng bã sắn làm thức ăn chăn nuôi
II ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU
1 Đối tượng và vật liệu nghiên cứu
1.1 Chủng Bacillus subtilis C7: Được phân
lập từ mẫu đất (lấy mẫu từ đất vườn, thuộc
phường Vĩnh Hải, thành phố Nha Trang)
Chủng này được lưu trữ tại Phòng thí nghiệm
Vi sinh thuộc Trung tâm thí nghiệm thực hành,
Trường Đại học Nha Trang
1.2 Bã sắn: Bã sắn được thu nhận từ các nhà
máy chế biến tinh bột sắn tại Cam Ranh, tỉnh
Khánh Hòa và sấy khô đến hàm lượng ẩm từ
5 – 6% để tiến hành nghiên cứu
1.3 Đậu nành: Đậu nành được sấy khô đến
hàm lượng ẩm khoảng 5 – 6%, sau đó xay nhỏ
và sử dụng cho nghiên cứu
2 Phương pháp nghiên cứu
2.1 Bố trí thí nghiệm
Bã sắn xay nhỏ được bổ sung thêm bột
đậu nành với tỉ lệ lần lượt là 0%, 5%, 10%,
15%, 20% (w/w), sau đó được thêm nước
với tỉ lệ nước/hỗn hợp lần lượt là 1/1; 1,5/1;
2/1; 2,5/1 (v/w) và được hấp vô trùng ở nhiệt
độ 121oC trong 15 phút rồi làm nguội Chủng
Bacillus subtilis C7 được bổ sung với tỷ lệ
106CFU/g hỗn hợp và ủ ở các mức nhiệt độ
khác nhau 24 ± 1°C; 30 ± 1°C và 36 ± 1°C
với các khoảng thời gian từ 12 đến 96 giờ
(bước nhảy là 12 giờ) Hiệu suất thủy phân
tinh bột và hàm lượng axit amin sau khi ủ được xác định để chọn thông số thích hợp
cho quá trình ủ bã sắn với chủng Bacillus
subtilis C7.
2.2 Phương pháp phân tích các chất
2.2.1 Xác định độ ẩm
Độ ẩm được xác định theo TCVN 4326:2001 [7]
2.2.2 Xác định hàm lượng tinh bột Hàm lượng tinh bột trong 2g mẫu được xác định thông qua hàm lượng đường glucose tạo thành từ quá trình thủy phân tinh bột bằng HCl, trong đó hàm lượng glucose được xác định bằng thuốc thử DNS (3,5-Axit Dinitrosalicylic) Hàm lượng tinh bột được tính bằng cách lấy hiệu số giữa hàm lượng glucose trong mẫu sau khi thủy phân bằng HCl và trước khi thủy phân nhân với hệ số 0,9 [3], thí nghiệm được thực hiện với 3 lần lặp
2.2.3 Xác định hàm lượng nitơ axit amin Hàm lượng nitơ axit amin được tính bằng cách lấy hàm lượng đạm formol trừ đi hàm lượng nitơ NH3 Trong đó hàm lượng đạm formol được xác định bằng phương pháp chuẩn độ, hàm lượng NH3 được xác định theo phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước [2] Khối lượng mẫu dùng để xác định hàm lượng đạm formol và hàm lượng nitơ NH3 là 2g, thí nghiệm được lặp lại 3 lần
3 Phương pháp xử lý số liệu
Kết quả trình bày là trung bình cộng của
3 lần thí nghiệm ± Độ lệch chuẩn SD Số liệu được xử lý bằng phần mềm MS Excel 2003, SPSS 16.0
III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
1 Ảnh hưởng của thời gian ủ đến sự thủy phân tinh bột và protein
Bã sắn được phối trộn với 5% bột đậu nành (w/w), tỷ lệ nước/hỗn hợp là 2/1 (v/w)
và được hấp vô trùng Sau đó, hỗn hợp được
Trang 3Khi tăng thời gian ủ từ 0 giờ đến 48 giờ
thì hiệu suất thủy phân tinh bột tăng Cụ thể,
sau khi ủ 12 giờ hiệu suất thủy phân tinh bột
là 12,29 ± 0,34%, nếu tăng thời gian ủ lên 48
giờ thì hiệu suất thủy phân tinh bột tăng lên
gấp đôi Tuy nhiên tiếp tục tăng thời gian ủ thì
hiệu suất thủy phân tinh bột thay đổi không
đáng kể (p > 0,05) Điều này có thể giải thích
như sau: Từ 12 giờ tới 48 giờ hiệu suất thủy
phân tinh bột tăng dần do đây là giai đoạn sinh
tổng hợp mạnh mẽ các enzyme thủy phân cơ
chất trong quá trình sinh trưởng của Bacillus
subtilis C7 Ở giai đoạn này hoạt độ amylase
cao, quá trình thủy phân diễn ra mạnh Sau đó
tiếp tục tăng thời gian lên thì hoạt độ amylase
giảm nên hiệu suất thủy phân tinh bột không
tăng lên nữa Kết quả nghiên cứu của
Gaewchingduang và cộng sự (2010) cũng
cho thấy lượng đường khử thu hồi lớn nhất
khi tiến hành ủ bã sắn với a - amylase thương
mại trong điều kiện nhiệt độ 55oC trong thời
gian 48 giờ [9] Do đó, thời gian ủ bã sắn với
Bacillus subtilis C7 thích hợp là 48 giờ để quá
trình thủy phân tinh bột đạt hiệu suất cao
Đối với quá trình thủy phân protein, khi tăng
thời gian ủ bã sắn với vi khuẩn Bacillus subtilis
C7 từ 12 đến 36 giờ thì hàm lượng axit amin tăng và đạt cực đại ở thời gian ủ từ 24 - 36 giờ Nhưng nếu tiếp tục tăng thời gian ủ lên 48 giờ thì hàm lượng nitơ axit amin giảm 8% và tiếp tục giảm hơn 40% khi ủ đến 84 giờ Hiện tượng này có thể được giải thích là do khi kéo dài thời gian thủy phân thì một phần axit amin
được vi khuẩn Bacillus subtilis C7 sử dụng và
một phần axit amin tiếp tục bị phân hủy tạo thành các sản phẩm cấp thấp nên hàm lượng axit amin giảm Như vậy, thời gian ủ thích hợp
để thủy phân tinh bột và protein là 48 giờ
2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến sự thủy phân tinh bột và protein
Bã sắn được phối trộn với 5% bột đậu nành (w/w), tỷ lệ nước/hỗn hợp là 2/1 (v/w) Hỗn hợp được hấp vô trùng và làm nguội, sau
đó chủng Bacillus subtilis C7 được bổ sung với
tỷ lệ 106CFU/g hỗn hợp và ủ ở các nhiệt độ 24
± 1oC, 30 ± 1oC, 36 ± 1oC, thời gian ủ được xác định từ kết quả thí nghiệm trên Kết quả được thể hiện trên hình 3 và hình 4
Hình 1 Hiệu suất thủy phân tinh bột theo thời gian ủ Hình 2 Hàm lượng nitơ axit amin theo thời gian ủ
(Các chữ cái a, b, c, d thể hiện sự khác biệt có ý nghĩa giữa các giá trị trung bình (p ≤ 0,05))
làm nguội, bổ sung Bacillus subtilis C7 với
tỷ lệ 106CFU/g hỗn hợp và được ủ ở nhiệt
độ phòng trong thời gian từ 12 đến 96 giờ
Sau từng thời gian ủ, chúng tôi xác định
hiệu suất thủy phân tinh bột và hàm lượng axit amin trong hỗn hợp để chọn thời gian ủ thích hợp Kết quả được thể hiện trên hình 1
và hình 2
Trang 4Ba mức nhiệt độ là 24 ± 1oC, 30 ± 1oC và
36 ± 1oC được chọn để nghiên cứu sự ảnh
hưởng của nhiệt độ đến sự thủy phân tinh bột
và protein vì kết quả nghiên cứu sẽ được ứng
dụng thủy phân bã sắn dùng trong chăn nuôi
heo thịt, việc lựa chọn ba mức nhiệt độ này có
thể áp dụng vào thực tế sản xuất ở Việt Nam
khi điều kiện thời tiết thay đổi giữa các mùa
trong năm; ở các địa phương trồng sắn và sản
xuất tinh bột
Khi tăng nhiệt độ từ 24 ± 1oC đến 36 ± 1oC
thì hiệu suất thủy phân tinh bột tăng Nghiên
cứu của Suman và Ramesh (2010) trên
B subtilis KCPSS-12SS cho thấy 35oC là
nhiệt độ tối ưu để chủng này sinh tổng hợp
α-amylase cực đại [12] Ngoài ra, Kokab và
cộng sự (2003) khi nuôi cấy rắn chủng B subtilis
trên môi trường vỏ chuối được băm nhỏ cũng
cho kết quả tương tự [10]
Hàm lượng nitơ axit amin tăng cao nhất khi
ủ ở nhiệt độ 36 ± 1°C Kết quả này tương tự
như kết quả của Ahaotu và cộng sự (2011) khi nghiên cứu thủy phân protein sắn ở nhiệt độ
36 ± 1°C thì hiệu suất thủy phân đạt hiệu quả cao [8] Từ những kết quả trên cho thấy khi thủy phân bã sắn ở nhiệt độ 36 ± 1°C thì hiệu quả thủy phân tinh bột và hàm lượng axit amin cao hơn nhiệt độ ủ ở 24 ± 1°C và 30 ± 1°C
Vì vậy, chúng tôi chọn nhiệt độ ủ bã sắn với
chủng Bacillus subtilis C7 là 36 ± 1°C.
3 Ảnh hưởng của tỷ lệ nước đến sự thủy phân tinh bột và protein
Bã sắn được phối trộn 5% đậu nành (w/w),
tỷ lệ nước/hỗ hợp được nghiên cứu lần lượt
là 1/1; 1,5/1; 2/1; 2,5/1 (v/w) Sau đó hỗn hợp được hấp vô trùng, làm nguội và bổ sung
chủng Bacillus subtilis C7 với tỷ lệ 106CFU/g hỗn hợp Sau 48 giờ ủ ở nhiệt độ 36 ± 1oC, tiến hành xác định hiệu suất thủy phân tinh bột và hàm lượng axit amin trong các mẫu có tỷ lệ nước bổ sung khác nhau Kết quả được thể hiện trên hình 5 và hình 6
(Các chữ cái a, b, c thể hiện sự khác biệt có ý nghĩa giữa các giá trị trung bình (p ≤ 0,05))
(Các chữ cái a, b, c thể hiện sự khác biệt có ý nghĩa giữa các giá trị trung bình (p ≤ 0,05))
Trang 5Khi tăng tỷ lệ nước/hỗn hợp từ 1/1 (v/w)
lên 2/1 (v/w) thì hiệu suất thủy phân tinh bột
tăng Hiệu suất thủy phân tinh bột đạt cao nhất
ở tỷ lệ nước/hỗn hợp là 2/1 (v/w) và thấp nhất
ở tỷ lệ nước/hỗn hợp là 1/1 (v/w) Nếu tăng tỷ
lệ nước/hỗn hợp lên 2,5/1 (v/w) thì hiệu suất
thủy phân tinh bột thay đổi không đáng kể
(p > 0,05) Điều này có thể giải thích như sau:
Nếu độ ẩm tăng cao quá 55 - 70% sẽ làm giảm
độ thoáng khí của môi trường, còn thấp hơn
sẽ kìm hãm sinh trưởng và phát triển của vi
khuẩn cũng như sự sinh tổng hợp tạo enzyme
amylase Trong điều kiện vô trùng tốt (trong tủ
ấm phòng thí nghiệm) hoạt lực amylase cao
nhất thu được ở độ ẩm môi trường 65-68% [1]
Do đó, khi ủ bã sắn với Bacillus subtilis C7 nên
chọn tỷ lệ nước/hỗn hợp là 2/1 (v/w) sẽ thích
hợp cho quá trình thủy phân tinh bột
Đối với quá trình thủy phân protein, khi tăng
tỷ lệ nước/hỗn hợp từ 1/1 (v/w) đến 2,5/1 (v/w)
thì hàm lượng nitơ axit amin tăng Cụ thể,
ở tỷ lệ 1/1 (v/w) hàm lượng nitơ axit amin là 0,61 ± 0,01%; tăng tỷ lệ lên 2/1 (v/w) thì hàm lượng nitơ axit amin là 0,81 ± 0,01% Khi tỷ lệ nước/hỗn hợp tăng đến 2,5/1 (v/w) thì hàm lượng nitơ axit amin thay đổi không đáng kể
(p > 0,05).
Từ những kết quả trên cho thấy tỷ lệ nước/ hỗn hợp là 2/1 (v/w) là thích hợp nhất
4 Ảnh hưởng của tỉ lệ đậu nành đến sự thủy phân tinh bột và protein
Bã sắn được bổ sung thêm bột đậu nành với tỷ lệ bột đậu nành lần lượt là 0%, 5%, 10%, 15% và 20% (w/w) Sau đó cho thêm nước với
tỷ lệ nước/hỗn hợp là 2/1 (v/w) và hấp vô trùng Hỗn hợp được để nguội và bổ sung chủng
Bacillus subtilis C7 với mật độ 106CFU/g rồi tiến hành ủ ở nhiệt độ 36 ± 1oC trong 48 giờ Hiệu suất thủy phân tinh bột và hàm lượng axit amin được thể hiện trên hình 7 và hình 8
(Các chữ cái a, b, c, d thể hiện sự khác biệt có ý nghĩa giữa các giá trị trung bình (p ≤ 0,05))
Hiệu suất thủy phân tinh bột đạt cao nhất
khi bổ sung 10% đậu nành, thấp nhất khi
không bổ sung đậu nành Khi tiếp tục tăng tỷ
lệ đậu nành bổ sung lên 15% và 20% thì hiệu
suất thủy phân tinh bột lại giảm Cụ thể, hiệu
suất thủy phân tinh bột ở mẫu không bổ sung
đậu nành là 15,27 ± 0,22%, khi bổ sung 10%
đậu nành thì hiệu suất thủy phân tinh bột tăng
lên, đạt 26,42 ± 0,43% Hiệu suất thủy phân
tinh bột ở tỷ lệ đậu nành 15% và 20% giảm so
với bổ sung 10% đậu nành, lần lượt là 24,29 ±
0,19 % và 24,75 ± 0,45%
Hàm lượng nitơ axit amin tăng ở tỷ lệ đậu nành 5% và 10%, giảm dần khi tỷ lệ đậu nành
bổ sung tăng hơn 10% Cụ thể, ở 5% hàm lượng nitơ axit amin 0,83 ± 0,03%, nếu tăng
tỷ lệ đậu nành lên 10% thì hàm lượng nitơ axit amin tăng lên 0,87 ± 0,01% Nếu tiếp tục tăng
tỷ lệ đậu nành lên 20% thì hàm lượng nitơ axit amin giảm còn 0,84 ± 0,01% Khi tăng tỷ
lệ đậu nành lên 15% và 20% thì hàm lượng nitơ axit amin và hiệu suất thủy phân tinh bột
có xu hướng giảm dần do trong môi trường
ủ có nhiều thành phần chất dinh dưỡng nên
Trang 6vi khuẩn Bacillus subtilis C7 sử dụng trực tiếp
và làm chậm quá trình thủy phân tinh bột và
protein, một phần axit amin sẽ được vi khuẩn
sử dụng, một phần tiếp tục bị phân hủy tạo NH3
Do đó, chúng tôi chọn tỉ lệ đậu nành bổ
sung khi ủ bã sắn là 10% (w/w)
IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1 Kết luận
Chế độ ủ bã sắn với chủng Bacillus subtlis
C7 (mật độ 106CFU/g hỗn hợp) để hiệu quả
thủy phân tinh bột và protein cao là: Nhiệt độ ủ
36 ± 1°C, thời gian ủ 48 giờ, tỉ lệ nước/hỗn hợp
là 2/1 (v/w), tỉ lệ đậu nành bổ sung 10% (w/w) Hiệu suất thủy phân tinh bột sau khi ủ theo chế
độ trên là 26,42 ± 0,43%; hàm lượng axit amin đạt 0,87 ± 0,01%
2 Kiến nghị
Ứng dụng quy trình ủ bã sắn với chủng
Bacillus subtlis C7 trong chăn nuôi heo thịt.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Quách Đĩnh, 1982 Sử dụng chế phẩm enzyme trong công nghiệp thực phẩm NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội
2 Nguyễn Thị Hiền, Từ Việt Phú, Trần Thanh Đại, 2010 Phân tích thực phẩm NXB Lao động
3 Nguyễn Đức Lượng, Cao Cường, 2003 Thí nghiệm công nghệ sinh học, Tập 1: Thí nghiệm hóa sinh học NXB Đại học Quốc Gia TP HCM
4 Mạch Trần Phương Thảo, Phạm Hồng Ngọc Thùy, Nguyễn Minh Trí, 2014 Khả năng thủy phân phytate và
cellulose trong bã sắn của chủng Bacillus subtilis C7 Tạp chí Khoa học - Công nghệ thủy sản Số 3/2014, trang
180-184
5 Nguyễn Minh Trí, Mạch Trần Phương Thảo, Nguyễn Thị Thanh Hải, Phạm Hồng Ngọc Thùy, 2013 Tuyển chọn
chủng Bacillus spp sinh enzyme và nhân sinh khối trên môi trường bã sắn Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển
Nông thôn Số 223/2013, trang 84-88
6 Bùi Quang Tuấn, 2005 Ủ bã sắn làm thức ăn dự trữ cho trâu bò Tạp chí chăn nuôi số 7
7 TCVN 4326:2001 (ISO 6496:1999) Thức ăn chăn nuôi - Xác định độ ẩm và hàm lượng chất bay hơi khác
Tiếng Anh
8 Ahaotu, I., Oqueke, C C., Owuamanam, C I., Ahaotu, N N , Nwosu, J N., 2011 Protein improvement in Gari
by the use of pure cultures of microorganisms involved in the natural fermentation process Pakistan Journal of Biological Sciences, 14: 933-938
9 Gaewchingduang, S., Pengthemkeerati, P., 2010 Enhancing effi ciency for reducing sugar from cassava bagasse
by pretreatment World Academy of Science, Engineering and Technology, 4: 625-628
10 Kokab, S., Asghar, M., Rehman, K., Asad, M J., Adedyo, O., 2003 Bio-Processing of Banana Peel for α-amylase
production by Bacillus subtilis International Journal of Agriculture and Biology, 1: 36-39.
11 Sriroth, K., Chollakup, R., Chotineeranat, S., Piyachomkwan, K., Oates, C G., 2000 Processing of cassava waste for improved biomass utilization Bioresource Technology, 71: 63-69
12 Suman, S and Ramesh, K 2010 Production of a thermostable extracellular amylase from thermophilic Bacillus
species Journal of Pharmaceutical Sciences and Research, 2: 149-154
