SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT JOURNAL - NATURAL SCIENCES

A sub-journal of Science and Technology Development Journal from 2017

Skip to main content Skip to main navigation menu Skip to site footer

 Original Research

HTML

73

Total

7

Share

Optimization of protein extraction from green algae Chaetomorpha sp. by response surface methodology






 Open Access

Downloads

Download data is not yet available.

Abstract

Green brackish algae Chaetomorpha sp. are easily found in shrimp ponds in Mekong Delta, Vietnam. They can also be co-cultured with shrimps in brackish water shrimp ponds to increase shrimp health and yield. Chaetomorpha sp. algae contain high amount of protein from 10 to 20% w/w db, including water soluble protein and alkaline-soluble protein with over 88% total protein. Dried material were used for protein extraction by using cellulase enzyme (Crestone Conc., Genecor) and NaOH solution. In this research, we optimize the extraction condition of protein from green algae Chaetomorpha sp. by using response surface methodology (RSM). At optimal extraction conditions, dried material was used for protein extraction by using cellulase enzyme (Crestone Conc., Genecor) with the enzyme dosage of 121 UI/g db at 400C during 90 mins. After extraction, the slurry was centrifuged to separate the algae biomass residue to extract the alkaline-soluble protein. The protein extraction yield by using cellulase enzyme was 38.921 mg/g db. After that the, algae biomass residue was extracted by a 1.2% NaOH solution for 78 mins at 500C. The protein extraction yield was 68.651 mg/g db. The total protein extraction yield was 105.755 mg/g db. The extraction yield was increased 10.33% when using the response surface methodology. Concentrated algae protein can be used as a good protein source for food and feed products.


 

MỞ ĐẦU

Chaetomorpha là một chi bao gồm 81 loài phân bố từ vùng biển đến vùng nước lợ trên toàn thế giới. Tám loài đã được ghi nhận ở Thái Lan, hầu hết trong số đó được phát hiện ở dọc bờ biển, trong khi đó một số xuất hiện ở vùng nước tù đọng, bao gồm các ao nuôi trồng thủy sản, ống dẫn nước, các hồ chứa và đất ngập mặn 1 . Rong thường mọc thành những sợi dài, phát triển thành đám, nổi trên mặt nước. Trong quá trình phát triển, rong Chaetomorpha sử dụng nguồn dinh dưỡng dư thừa trong môi trường nước, do có khả năng hấp thụ phosphate và nitrate trong nước 2 . Theo kết quả báo cáo của Dự án SenterNovem ITB-Algen rong Chaetomorpha sp. có thể phát triển trong điều kiện độ mặn rộng và có tốc độ tăng trưởng nhanh (5 – 12%/ngày). Rong Chaetomorph a sp. được người dân địa phương gọi là “rong mền” do rong phát triển thành từng đám đan xen vào nhau như những thảm mền trên mặt nước, sợi rong rất dài từ 2 – 4 m. Loài Chaetomorpha sp. có mặt phổ biến trong các ao nuôi tôm nước lợ quảng canh, có hàm lượng carbohydrate cao (44 – 45% w/w chất khô) và protein dao động từ (11 – 23% w/w chất khô) tùy vào thời điểm thu hoạch. Việc nghiên cứu chuyển hóa sinh khối rong nước lợ thành các sản phẩm có giá trị, đặc biệt là các protein và peptide có hoạt tính sinh học là một cách tiếp cận mới mẻ và rất có triển vọng nhằm khai thác một cách hiệu quả nguồn sinh khối bền vững này 3 , 4 .

Tác nhân chủ yếu được sử dụng để trích ly protein trong rong là dung môi kiềm. Tác giả Barbarino và Lourenço 5 đã nghiên cứu quá trình trích ly protein từ 15 loại rong khác nhau sử dụng dung dịch NaOH 0,1N với sự hỗ trợ của quá trình đồng hóa trên rong được lạnh đông cho hiệu suất trích ly tốt nhất. Tuy nhiên, việc trích ly protein bị hạn chế bởi các thành phần polysaccharide trong thành tế bào như alginate, xylan, cellulose. Để cải thiện khả năng hòa tan của protein rong biển, phương án thường được lựa chọn là sử dụng hệ enzyme thủy phân thành tế bào và các polysaccharide bên trong tế bào. Các tác giả Amano 3 và Fleurence 6 cho thấy sử dụng các hỗn hợp enzyme cellulase, hemicellulase và glucanase giúp gia tăng khả năng trích ly protein từ rong lục. Theo Bạch Ngọc Minh 7 thành phần protein trong rong lục Chaetomorpha sp. gồm hai nhóm protein tan trong kiềm và protein tan trong nước lần lượt chiếm tỷ lệ 55,76% và 34,33% so với tổng khối lượng protein.

Phương pháp qui hoạch thực nghiệm ngày càng được sử dụng phổ biến trong bố trí thí nghiệm. Phương pháp này ưu điểm tiết kiệm thời gian và số lượng mẫu thí nghiệm, đồng thời có thể đánh giá mối tương quan giữa các yếu tố thí nghiệm. Trong số những phương pháp qui hoạch thực nghiệm hiện đại, phương pháp bề mặt đáp ứng với sự hỗ trợ của các phần mềm xử lý số liệu đã trở thành một công cụ hữu ích giúp các chuyên gia thực hiện nghiên cứu các quá trình tối ưu hóa đa nhân tố, nhằm tiết kiệm thời gian, chi phí 8 .

Mục tiêu của nghiên cứu này để xác định các giá trị tối ưu cho quá trình thu nhận protein từ rong Chaetomorpha sp. nhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu suất trích ly protein.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

Nguyên liệu

Rong mền Chaetomorpha sp . được thu nhận tại các ao nuôi tôm quảng canh tại huyện Giá Rai, tỉnh Bạc Liêu sau 15– 20 ngày phát triển tùy thuộc vào điều kiện thời tiết. Rong được vận chuyển trong thùng xốp trong ngày về phòng thí nghiệm (tại Viện Sinh học Nhiệt đới).

Enzyme sử dụng là chế phẩm enzyme cellulase của hãng Genecor, Mỹ với tên thương mại là Crestone Conc. Đây là một loại enzyme cellulase mới được Genecor phát triển, có khả năng hoạt động tốt trong vùng pH trung tính từ 6,0 – 7,5, nhiệt độ từ 45 –55 0 C; có hoạt tính 1.100 UI/mL.

Phương pháp thực nghiệm

Dựa trên kết quả các thí nghiệm trích ly protein từ rong lục Chaetomorpha sp. đã được thực hiện bởi Bạch Ngọc Minh và cộng sự 9 , chúng tôi tiến hành lựa chọn các yếu tố có ảnh hưởng lớn đến quá trình trích ly hai nhóm protein tan trong nước và tan trong kiềm của rong Chaetomorpha sp. và tiến hành mô hình tối ưu hoá bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm.

Trích ly protein tan trong nước bằng enzyme cellulase và nhóm protein tan trong kiềm bằng dung dịch NaOH

Rong nguyên liệu được đem tách protein tan trong nước với enzyme cellulase (tên thương mại Crestone Conc) trong dung dịch đệm potassium phosphate pH7, nồng độ cơ chất 10% w/v, các yếu tố nồng độ enzyme (UI/g cơ chất), thời gian và nhiệt độ trích ly được khảo sát. Sau khi kết thúc quá trình, dung dịch thí nghiệm được ly tâm 10.000 vòng/phút trong 10 phút và thu phần dịch nổi để xác định hàm lượng protein hòa tan. Phần bã rắn còn lại sau khi tách protein tan trong nước bằng enzyme được tiếp tục sử dụng để tách chiết protein tan trong dung môi NaOH với tỷ lệ nguyên liệu và dung môi là (1:20), ở nhiệt độ 50 o C, với 2 yếu tố nồng độ NaOH (%) và thời gian trích ly được khảo sát. Sau khi tách, ly tâm thu phần dịch nổi để xác định hàm lượng protein hòa tan.

Bố trí thí nghiệm tối ưu hoá trích ly protein bằng enzyme cellulase

Sau khi tiến hành các thí nghiệm đơn yếu tố, đã lựa chọn được ba yếu tố có vai trò quan trọng trong quá trình trích ly protein bằng enzyme để tiến hành thí nghiệm tối ưu hoá. Phương pháp bề mặt đáp ứng được lựa chọn để tối ưu hoá điều kiện trích ly theo mô hình trực giao cấp 2 có tâm xoáy với 3 thí nghiệm tại tâm. Với ba yếu tố độc lập là: nồng độ enzyme (X 1 ), nhiệt độ (X 2 ) và thời gian (X 3 ). Hàm mục tiêu lựa chọn là hàm lượng protein hoà tan thu được sau quá trình trích ly. Ma trận thí nghiệm được thiết kế bằng phần mềm Modde 5.0.

Thí nghiệm được thực hiện tương tự thí nghiệm trên với hai yếu tố biến đổi là nồng độ dung môi NaOH (X4) và thời gian trích ly (X 5 ).

Phương pháp phân tích

Xác định hàm lượng protein hoà tan

Hàm lượng protein hòa tan được xác định theo phương pháp Lowry trên máy đo quang phổ UV-Vis 10 .

Xử lý số liệu

Thí nghiệm tối ưu hóa quá trình trích ly được thực hiện theo mô hình tối ưu hóa hai yếu tố trực giao cấp 2 có tâm xoay với 3 thí nghiệm ở tâm, sử dụng phần mềm Modde 5.0 để thiết kế và xử lý số liệu thực nghiệm.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Tối ưu hoá quá trình trích ly protein bằng enzyme cellulase

Mô hình bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của các yếu tố: nồng độ enzyme (X 1 ), nhiệt độ (X 2 ) và thời gian (X 3 ) đến hàm lượng protein hòa tan (mg /g) thu được sau quá trình trích ly được trình bày ở Table 1 .

Sau khi phân tích dữ liệu bằng phần mềm Modde 5.0, nhận được kết quả trong Table 2Figure 1 . Phương trình hồi quy mô tả hàm lượng protein hòa tan thu được trong dịch trích như sau:

Y 1 = 37,024 + 3,452 X 1 + 2,322 X 3 – 3,137 X 1 2 – 1,417 X 3 2

Trong đó : Y 1 , X 1 , X 3 lần lượt là hàm lượng protein hòa tan thu được trong dịch trích (mg), nồng độ enzyme (UI/g) và thời gian trích ly (phút).

Table 1 Mô hình quy hoạch thực nghiệm và kết quả của quá trình trích ly khi thay đổi 3 yếu tố nồng độ enzyme, nhiệt độ và thời gian trích ly
STT Biến mã hoá Biến thực Hàm mục tiêu
X1 X2 X3 Enzyme (UI/g) Nhiệt độ (0C) Thời gian (phút) Hàm lượng protein (mg/g)
1 -1 -1 -1 50 40 30 27,36
2 1 -1 -1 150 40 30 32,12
3 -1 1 -1 50 60 30 28,72
4 1 1 -1 150 60 30 34,16
5 -1 -1 1 50 40 90 33,12
6 1 -1 1 150 40 90 36,04
7 -1 1 1 50 60 90 30,88
8 1 1 1 150 60 90 37,38
9 -2 0 0 16 50 60 20,26
10 2 0 0 184 50 60 36,63
11 0 -2 0 100 33 60 37,08
12 0 2 0 100 67 60 38,76
13 0 0 -2 100 50 10 28,36
14 0 0 2 100 50 110 38,26
15 0 0 0 100 50 60 37,04
16 0 0 0 100 50 60 35,75
17 0 0