Đang tải... (xem toàn văn)
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 thải lông vũ. Mỗi năm trên thế giới có vài triệu tấn lông vũ được tạo ra từ ngành 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 bột lông thương mại. Quá trình này tốn rất nhiều năng lượng và cũng không thủy phân hoàn toàn được lông vũ. Những phương pháp này phá hủy amino acid làm 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 - Keratin tự nhiên được tạo thành từ các tế bào sừng của cơ thể. Trong tự 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… - Tùy thuộc vào loại giống và độ tuổi của động vật mà tỉ lệ lông trên trọng lượng cơ thể có sự khác nhau. Đối với gà trưởng thành lông vũ chiếm 5 – 7 % khối lượng cơ thể. Đối với gia súc như lợn thì tỉ lệ này là 0,5 – 0,8 % khối lượng cơ thể. - 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 - Keratin là nhóm các protein có cấu trúc sợi có trong tế bào biểu mô của động vật có xương sống và là thành phần chủ yếu cấu tạo nên các thành phần phụ như móng, tóc, lông,… - Keratin ở các loài động vật có xương sống khác nhau có trình tự acid amin 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 - Trong số các acid min tạo nên các phân tử keratin thì cyscein là phổ biến nhất (có thể chiếm tới 24%).Trong cấu trúc của acid amin cyscein có chứa lưu huỳnh có khả năng tạo sự liên kết chéo chặt chẽ nhờ vào những cầu nối disunfua. Theo hàm lượng lưu huỳnh Keratin được phân thành hai nhóm chính dựa theo . Keratin cứng: hiện diện nhiều ở tóc, móng, guốc,… với hàm lượng cầu nối disunfua cao. keratin mềm: các cầu nối disunfua ít hơn và chủ yếu ở da, mô. 1.2.4 Tính chất của keratin - Keratin là protein rất bền, rất khó hòa tan và bị phân hủy bởi các proteaza thông thường như : trypsin, papain, pepsin. - Keratin có thể hòa tan hoàn toàn trong các dung dịch có chứa chất biến tính như urê. Keratin trong dung dịch có thể lắp ráp lại sợi trung gian. - Hầu hết các tế bào chứa nhiều keratin mà chúng ta gặp là tế bào chết và có 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 - Keratinaza có tên IUB là EC 3.4.99. Trọng lượng phân tử 33kDa. - Keratinaza từ vi sinh vật có pH tối ưu nằm trong khoảng từ trung tính đến kiềm (6-9) và là loại enzyme ưa nhiệt, nhiệt độ tối ưu từ 30 o C đến 80 o C, có khi đạt tới 100 o C. - Keratinaza là loại enzyme có khả năng phân hủy cơ chất chứa Keratin trong 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 - Tuy Keratin là một dạng protein khó bị phân hủy, nhưng thực tế ngoài tự 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 khuẩn, nấm mốc) có khả năng sinh ra enzym Keratinaza. 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. 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… 2.2 Nguồn Gốc - Keratinaza là một dạng protease rất phổ biến trong thế giới vi sinh vật. Vi 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 ) - Vi khuẩn Bacillus phân bố rộng trong tự nhiên, nhất là trong đất. Chúng 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 - Trong số các loài thuộc chi Bacillus thì B.licheniformis và B.subtilis được nghiên cứu là có khả năng thủy phân Keratin tốt. B.licheniformis là vi khuẩn Gram dương, được tìm thấy nhiều trong đất, nhiệt độ tăng trưởng tối ưu khoảng 30 o C, sinh enzyme tối đa ở 37 o C và có khả năng sinh bào tử ở môi trường khắc nghiệt. B.subtilis là trực khuẩn Gram dương, hiếu khí tùy tiện, sinh nội bào tử - Ngoài vi khuẩn thì còn một số nhóm vi sinh vật có khả năng sinh ra enzyme Keratinaza. Nhóm vi khuẩn: vi khuẩn Gram dương có khả năng phân hủy Keratin bao gồm Lysobacter, Kocurica, Nesternokia… và một vài dòng Gram âm như Vibrio, Xanthomonas, Stenotrophomonas… Nhóm xạ khuẩn chủ yếu là nhóm Streptomyces. 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 - Keratinaza có trong tế bào vi khuẩn sẽ bẻ gãy các cầu nối disulfide trong cấu 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. Như vậy quá trình phân hủy keratin bao gồm hai bước là phá hủy các cầu nối disulfide và phân hủy chuỗi protein Disulphide bonds NH 2 NH 2 CH 2 - S S - CH 2 CH 2 – S - S - - CH 2 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 NH 3 + - OOC NH 3 + - OOC NH ion-ion interactions CO NH CO CO HN CO NH R R R R t 0 ,enzym ,H + +H 2 O NH 2 -CH-COOH + NH 2 -CH-COOH + ……. + peptide mạch ngắn R CH- SH 3.2 Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Quá Trình Phân Hủy Lông 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 diệt tế bào vi sinh vật.( Hình 8). Nồng độ H + có trong môi trường làm thay đổi tính 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 [...]... 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 • Phương pháp chế biến Lông cắt nhỏ được ủ 5 ngày với keratinase, thuỷ phân và phơi khô đến khi lông gãy ra • Ưu điểm của sản phẩm - Phân hủy chất thải lông nhờ enzyme keratinaza tiết... Ăn Chăn Nuôi Bột lông vũ thủy phân theo phương pháp hiện đại ( bột lông vũ thương mại - Tại các cơ sở chế biến hiện đại, lông vũ được nấu dưới áp suất cao, sử dụng 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 men pepsin tạo ra sản phẩm thức ăn có tính ngon miệng cao Hoặc lông vũ có thể phân huỷ theo qui... năng tiêu hoá của bột lông thủy phân với Keratinase ở gà trưởng thành là 82% cao hơn so với bột lông thủy phân thương mại (60%) Khi cho gà thịt ăn thức ăn hỗn 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... 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 Biện pháp phân hủy lông sinh học đã khắc phục được nhược điểm trước đó Tạo ra sản phẩm bột lông vũ thủy phân chất lượng ưu việt hơn, chi phí sản xuất thấp, giá thành sản phẩm giảm Sử dụng vi sinh vật để phân hủy nguồn chất thải này là huớng đi... 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) - Từ kết quả của hình 8, hình 9 và bảng 2 cho thấy khả năng phân hủy bột lông gia cầm đạt hiệu suất cao nhất là 49,06% ở 370C và pH 7,5 - Khi phân tích ở cùng một nhiệt độ : hiệu suất phân hủy cao nhất ở pH 7,5 , giảm... 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 Trong môi trường có bổ sung glucose, sucrose hay rỉ đường đều làm giảm khả năng phân hủy bột lông gia cầm Khả năng phân hủy cơ chất bột lông đạt được cao nhất khi trong môi trường chỉ chứa lông là nguồn dinh dưỡng... 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... dụng phương pháp thủy phân hiện đại IV Kết Luận • • • • • Enzym Keratinaza được phân lập từ vi khuẩn Bacillus được nghiên cứu là có 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 Ở 370 C và pH 7,5 vi khuẩn phát triển tốt nhất và khả năng phân hủy bột lông cao nhất Các nguồn... 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... 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 3.3.1 . 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. 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. 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