Thứ sáu, 05/06/2020 | 22:55

Thứ sáu, 05/06/2020 | 22:55

Bài báo khoa học

Cập nhật 07:41 ngày 22/05/2020

Nghiên cứu phản ứng thủy phân sụn khớp chân gà sử dụng enzyme papain

TÓM TẮT
Phụ phẩm của ngành công nghiệp chế biến thịt gà là nội tạng, đầu và chân (sụn khớp). Những phụ phẩm này chứa nhiều protein, và có thể được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm và thức ăn gia súc với giá thành rẻ. Mục đích của nghiên cứu này là sử dụng enzyme Papain để thủy phân sụn khớp chân gà nhằm thu acid amin (Aa). Các yếu tố chính ảnh hưởng đến phản ứng thủy phân được lựa chọn để khảo sát là nhiệt độ phản ứng (°C), tỉ lệ enzyme (%, trên cơ chất), thời gian phản ứng (phút). Sự khác biệt có ý nghĩa bằng phân tích ANOVA One-Way được sử dụng để lựa chọn điều kiện tốt nhất cho phản ứng thủy phân. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất thu nhận Aa đạt giá trị lớn nhất là 9,526± 4,763% khi nhiệt độ phản ứng, tỉ lệ enzyme: cơ chất, thời gian phản ứng thích hợp lần lượt là 60°C; 3,0% và 90 phút phản ứng.
Từ khóa: Dịch đạm thủy phân, hiệu suất thu nhận acid amin, Flavourzyme, sụn khớp chân gà, thủy phân. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Theo điều tra mới đây, bên cạnh thị trường nội địa, các nhà bán lẻ và bán buôn của Việt Nam đã nhập khẩu khoảng 70.000 tấn thịt gà (chủ yếu là chân và cánh) trị giá tổng cộng 63,7 triệu USD [1]. Cùng với nhu cầu và lượng xuất khẩu lớn, công nghiệp giết mổ gà đã thải ra môi trường một lượng lớn phụ phẩm hữu cơ: nội tạng, chân, đầu, ... Lượng phụ phẩm hữu cơ này chiếm 37% tổng khối lượng của gà [2]. Các biện pháp xử lý thông thường (chôn lấp) để phân giải hữu cơ này tiềm ẩn các nguy cơ ảnh hưởng xấu đến môi trường, con người, động vật như: ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm không khí, lây truyền dịch bệnh, ... Do đó, ngành công nghiệp chế biến phụ phẩm giết mổ gà thành các sản phẩm có giá trị đã làm giảm bớt các vấn đề xấu liên quan đến môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế [3]. Sụn khớp chân gà có thành phần protein khá cao (11,78 ± 0,21%) [4] nhưng chỉ được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi, phân bón hóa học hoặc các ngành hóa chất khác tại các nước phát triển. Tuy nhiên, tại các nước châu Á sụn khớp chân gà được sử dụng làm thực phẩm cho con người vì nó giàu dinh dưỡng và được tiêu thụ với số lượng lớn [3]. Đặc biệt sụn khớp chân gà có chứa nhiều thành phần có giá trị dinh dưỡng cao và tốt cho sức khỏe xương khớp, ví như collagen và nhiều hoạt chất sinh học khác. Ngoài ra, các nghiên cứu chỉ ra collagen thu nhận từ sụn khớp chân gà có tác dụng xóa nếp nhăn trên da, cho làn da trơn mượt, chống lão hóa [5].
Mục đích của nghiên cứu này là sử dụng enzyme Papain để thủy phân sụn khớp chân gà nhằm thu acid amin. làm phong phú các sản phẩm thu nhận từ sụn khớp chân gà và nâng cao khả năng ứng dụng của nghiên cứu vào thực tiễn.
2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Sụn khớp chân gà
Sụn khớp chân gà đông lạnh được bao gói và cung cấp bởi Công ty TNHH Việt Trường (TP. Hải Phòng). Các mẫu này được bảo quản trong ở -20°C cho những lần thí nghiệm của nghiên cứu.
2.2. Chất xúc tác và hóa chất
Enzyme papain được cung cấp bởi Công ty Cổ phần Dược phẩm Novaco, enzyme papain được thu nhận từ đu đủ có hoạt lực 3.000 UI/g, nhiệt độ hoạt động tối ưu: top =50-60°C, pH hoạt động tối thích pHop = 6 - 7. Hoạt lực của enzyme được kiểm tra lại bằng phương pháp Anson, hoạt lực enzyme được xác định lại là 2.245 UI/g. Các hóa chất sử dụng cho nghiên cứu có mức độ tinh khiết cao.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Quá trình thủy phân sụn khớp chân gà
Hỗn hợp khuỷu chân gà và nước được rã đông ở điều kiện thường, sau đó được nghiền nhuyễn. Tiếp theo, hỗn hợp nguyên liệu (10 g) được hòa trộn đều với enzyme papain ở tỉ lệ xác định trong bình phản ứng kín. Phản ứng thủy phân được thực hiện ở trong tủ sấy Ketong (Trung Quốc), tủ sấy Ketong có vai trò kiểm soát và duy trì nhiệt độ phản ứng suốt quá trình thủy phân. Sau khi kết thúc thời gian thủy phân, enzyme bị vô hoạt bằng cách đun cách thủy ở nhiệt độ 100°C với thời gian 10 phút. Sản phẩm thu được sau phản ứng thủy phân được làm nguội tới nhiệt độ phòng và được lọc qua giấy lọc (Whatman. No.1). Lượng chất rắn còn lại trên giấy lọc được sấy khô đến khối lượng không đổi ở 100°C dùng để xác định hiệu suất thủy phân. Dịch lỏng qua giấy lọc được bảo quản ở 4°C dùng cho các phân tích tiếp theo.
2.3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng
Các yếu tố ảnh hưởng chính đến phản ứng thủy phân khuỷu chân gà với xúc tác enzyme papain nhằm thu acid amin được lựa chọn để khảo sát trong nghiên cứu này gồm: Nhiệt độ phản ứng (°C), tỉ lệ enzyme (%, trên cơ chất) và thời gian phản ứng (phút). Các tham số ban đầu cho phản ứng thủy phân được lựa chọn dựa trên các nghiên cứu của Bùi Xuân Đông và cộng sự [12]. Mỗi thí nghiệm được lặp lại ba lần.
Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến phản ứng thủy phân khuỷu chân gà với xúc tác enzyme papain nhằm thu Aa được tiến hành với khoảng nhiệt độ phản ứng t = 30°C - 90°C (bước nhảy là 10°C). Thời gian phản ứng là 30 phút và tỉ lệ enzyme (%, so với cơ chất) là 0,1%.
Ảnh hưởng của tỉ lệ enzyme
Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ enzyme (%, dựa trên cơ chất) được tiến hành ở nhiệt độ tốt nhất (được lựa chọn từ khảo sát trên) và thời gian phản ứng T = 30 phút. Tỉ lệ enzyme (%, so với cơ chất) được lựa chọn để khảo sát bao gồm: 0,1%; 0,5%; 1%; 1,5%; 2%; 2,5%; 3%; 3,5%; 4%; 4,5% và 5%, tương ứng với 2.245 UI/kg nguyên liệu, ... tới 11.225 UI/kg ở mức cao nhất.
Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Nhiệt độ phản ứng tốt nhất, tỉ lệ enzyme tốt nhất (được lựa chọn từ các khảo sát nêu trên) được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến phản ứng thủy phân khuỷu chân gà với xúc tác enzyme papain nhằm thu Aa. Các khoảng thời gian phản ứng được lựa chọn để khảo sát T = 30 phút - 90 phút (chênh lệch thời gian giữa hai điểm khảo sát là 15 phút) và t = 120 phút - 240 phút (chênh lệch thời gian giữa hai điểm khảo sát là 30 phút).
2.4. Các phương pháp phân tích và xử lý số liệu
2.4.1. Xác định hiệu suất thủy phân
Hiệu suất thủy phân được xác định theo công thức: 

Trong đó, Mi là lượng chất khô có trong dịch đạm thủy phân sụn khớp chân gà (g), xác định bằng đo bằng chiết quang kế (Refractometer) và từ 0Brix quy đổi ra g; Mr là lượng chất rắn (cặn chưa thủy phân) còn lại sau phản ứng thủy phân (g); Hh là hiệu suất thủy phân (%).
2.4.2. Xác định hiệu suất thu nhận acid amin
Aa của sản phẩm thô được xác định bằng phương pháp đồng được xây dựng bởi C.P. Pope và M.F. Stevens [11]. Hiệu suất thu nhận Aa được tính theo công thức:
Trong đó, Maa là hàm lượng nitơ Aa (theo TCVN 3708:1990) có trong dịch đạm thủy phân (%), Mpm là lượng protein có trong sụn khớp chân gà (%), tính bằng lượng nitơ tổng số (Kjeldahl) X 6,25; và Haa là hiệu suất thu nhận Aa (%).
2.4.3. Phương pháp xử lý số liệu
Phần mềm Minitab 16 (Version 16, Minitab Inc, Pennsylvania State, USA) được sử dụng để phân tích phương sai ANOVA One-Way cho sự khác biệt có ý nghĩa nhằm lựa chọn điều kiện tốt nhất cho từng yếu tố ảnh hưởng.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
Ở các nghiên cứu song song, chúng tôi đã xác định được thành phần hóa học của sụn khớp chân gà, cụ thể: độ ẩm chiếm tỷ lệ lớn (2/3 khối lượng), tương ứng với 64,65%, tro chiếm 6,13%, lipid chiếm 10,54%, protein với 16,12%, các thành phần khác - 2,56%. Sụn khớp chân gà trong nghiên cứu này có hàm lượng protein tương đối cao, là nguyên liệu thích hợp để thủy phân thu nhận Aa.
3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
Sự thay đổi của hiệu suất thủy phân, hiệu suất thu nhận Aa với ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng (°C) được trình bày ở Hình 01. Trong khoảng nhiệt độ phản ứng được lựa chọn để khảo sát t = 30°C - 90°C, hiệu suất thủy phân tăng chậm từ 47,7 ± 0,77% ở nhiệt độ phản ứng 30°C và đạt giá trị lớn nhất 60,7 ± 0,028% ở nhiệt độ 80°C, sau đó hiệu suất thủy phân giảm. Hiệu suất thủy phân giảm có thể do protein biến tính, đông tụ ở nhiệt độ cao làm cho hiệu suất thủy phân giảm. Hiệu suất thu nhận Aa tăng nhẹ từ 5,24 ± 2,27% ở nhiệt độ phản ứng 30°C và đạt giá trị lớn nhất 15,28 ± 2,73% ở nhiệt độ 60°C. Aa có thể bị phân hủy hoặc chuyển hóa thành các hợp chất khác ở nhiệt độ phản ứng cao hơn 60°C do đó nhiệt độ phản ứng tăng từ 60°C đến 90°C làm cho hiệu suất thu nhận Aa giảm. Phân tích sự khác biệt có ý nghĩa ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đối với hiệu suất thu nhận Aa được tiến hành nhằm xác định nhiệt độ phản ứng tốt nhất cho các khảo sát tiếp theo (ảnh hưởng của tỉ lệ enzyme trên cơ chất) và ảnh hưởng của thời gian phản ứng) và tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng. Kết quả phân tích ở Bảng 1 cho thấy, hiệu suất thủy phân đạt giá trị lớn nhất (15,281 ± 2,727%) ở nhiệt độ phản ứng 60°C và có sự khác biệt hoàn toàn so với các nhiệt độ phản ứng khác. Do đó, nhiệt độ phản ứng 60°C được lựa chọn là nhiệt độ phản ứng tốt nhất cho các khảo sát tiếp theo. Điều này cũng tương tích với thông tin vềkhoảng nhiệt độ hoạt động tối thích của enzyme papain mà nhà sản xuất đã cung cấp.
3.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ enzyme đối với hiệu suất thủy phân và hiệu suất thu nhận Aa
Tỉ lệ enzyme : cơ chất có vai trò quyết định đến hiệu quả của phản ứng thủy phân. Tỉ lệ enzyme (%, dựa trên cơ chất) được lựa chọn trong khảo sát này có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất thu nhận Aa, tuy nhiên, ảnh hưởng của tỉ lệ enzyme không thể hiện rõ đối với hiệu suất thủy phân. Sự thay đổi của hiệu suất thủy phân và hiệu suất thu nhận Aa được trình bày ở Hình 2. Hiệu suất thủy phân không có sự thay đổi nhiều trong khoảng tỉ lệ enzyme papain được lựa chọn để khảo sát (R = 0,1% - 5%) và dao động xung quanh giá trị 48,89%. Trong khoảng tỉ lệ từ 0,1% đến 3%, tỉ lệ enzyme có ảnh hưởng thuận đối với hiệu suất thu nhận Aa, hiệu suất thu nhận Aa tăng từ 15,281 ± 2,727% ở tỉ lệ enzyme 0,1% và đạt giá trị lớn nhất 48,573 ± 4,066% ở tỉ lệ enzyme 3%. Ảnh hưởng nghịch của tỉ lệ enzyme được tìm thấy khi tỉ lệ enzyme tăng từ 3% đến 5%. Trong khoảng tỉ lệ enzyme từ 3% đến 5%, hiệu suất thu nhận Aa giảm đều từ giá trị lớn nhất đến 15,593 ± 7,562%.
Để lựa chọn được tỉ lệ enzyme (%, dựa trên cơ chất) thích hợp cho phản ứng thủy phân khuỷu chân gà với xúc tác enzyme papain nhằm thu Aa để tiến hành khảo sát tiếp theo (ảnh hưởng của thời gian phản ứng) và tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng, phân tích sự khác biệt có ý nghĩa ảnh hưởng của tỉ lệ enzyme (%, dựa trên cơ chất) với hàm mục tiêu là hiệu suất thu nhận Aa được tiến hành. Kết quả phân tích cho thấy với tỉ lệ enzyme 3% có hiệu suất thu nhận Aa cao nhất (35,658 ± 1,880%) và có sự khác biệt hoàn toàn so với các tỉ lệ enzyme khác. Tỉ lệ enzyme 3% (tương ứng 6.735 UI/kg nguyên liệu) được lựa chọn là tỉ lệ enzyme tốt nhất cho khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng và tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng thủy phân khuỷu chân gà với xúc tác enzyme papain nhằm thu Aa.
3.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tới hiệu suất thủy phân và hiệu suất thu nhận Aa
Tương tự với ảnh hưởng của tỉ lệ enzyme, hiệu suất thủy phân không thay đổi khi tăng thời gian phản ứng từ 30 phút đến 240 phút. Tuy nhiên, hiệu suất thu nhận Aa tăng khi thời gian phản ứng tăng từ 30 phút đến 90 phút và sau đó hiệu suất thu nhận Aa giảm nếu tiếp tục tăng thời gian phản ứng. Hình 3 cho thấy, hiệu suất thủy phân dao động xung quanh 49,89% khi tăng thời gian phản ứng từ 30 phút đến 240 phút, có thể phản ứng thủy phân đạt trạng thái cân bằng do đó hiệu suất thủy phân không tăng khi tăng thời gian phản ứng. Hiệu suất thu nhận Aa tăng từ 34,927 ± 2,161% ở thời gian phản ứng 30 phút và đạt giá trị lớn nhất 67,616 ± 1,296% ở thời gian phản ứng 90 phút. Tuy nhiên, hiệu suất thu nhận Aa giảm từ giá trị lớn nhất ở thời gian phản ứng 90 phút đến 9,526 ± 4,763% ở thời gian phản ứng 240 phút khi tiếp tục tăng thời gian phản ứng. Điều này có thể do Aa bị phân hủy hoặc chuyển hóa thành các hợp chất khác khi thời gian phản ứng lớn hơn 90 phút đã làm cho hiệu suất thu nhận Aa giảm.
Sự khác biệt có ý nghĩa được phân tích với phương pháp ANOVA One-way cho thời gian phản ứng với hàm mục tiêu là hiệu suất thu nhận Aa nhằm lựa chọn thời gian phản ứng tốt nhất. Kết quả phân tích cho thấy với thời gian phản ứng 90 phút hiệu suất thu nhận Aa có giá trị lớn nhất và có sự khác biệt hoàn toàn đối với các thời gian phản ứng khác. Do đó, thời gian phản ứng 90 phút được lựa chọn là thời gian phản ứng tốt nhất cho phản ứng thủy phân khuỷu chân gà với xúc tác enzyme papain nhằm thu Aa.
4. KẾT LUẬN
Trong nghiên cứu này, các yếu có ảnh hưởng lớn đến phản ứng thủy phân sụn khớp chân gà với xúc tác enzyme papain nhằm thu Aa đã được khảo sát. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất thu nhận Aa đạt giá trị lớn nhất là 9,562±4,763% khi nhiệt độ phản ứng, tỉ lệ enzyme, thời gian phản ứng thích hợp lần lượt là 60°C; 3,0%; 90 phút. Nghiên cứu của chúng tôi có thể góp phần tăng mức độ đa dạng của các sản phẩm thu nhận từ sụn khớp chân gà, giải quyết các vấn đề liên quan đến môi trường và có thể khắc phục các hạn chế của các nghiên cứu đã được tiến hành.
Lời cám ơn
Bài báo này được hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí của Đề án “Phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học trong lĩnh vực chế biến đến năm 2020” của Bộ Công Thương thông qua Dự án sản xuất thử nghiệm mã số SXTN.04.19/CNSHCB 
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Vietnamese poultry raisers to sue the US for chicken meat dumping [cited 02/2020; Available from: http://vietnamlawmagazine.vn/vietnamese-poultry-raisers-to- sue-the-us-for-chicken-meat-dumping-5023.html]
[2] Agromonitor, 2018. Tổng quan về ngành chăn nuôi gà của Việt Nam. 07/2018 [cited 8/2019; Available from: http://nhachannuoi.vn/tong-quan-ve-nganh-chan-nuoi- ga-cua-viet-nam/]
[3] Association, N.R., 2006. Essential Rendering-All about the Animal By-products Industry. Alexandria, VA: National Renderers Association [4] Arạuo I. B. D. S. et al., 2018. Optimal conditions for obtaining collagen from chicken feet and its characterization. Food Science and Technology, Vol. 38: 167-173.
[5] Giang, H., 2018. Lịch sử nghiên cứu Collagen. 7/2018 [cited 8/2019; Available from: http://collagen6500.com/tin-tuc/lich-su-nghien-cuu-collagen/.
[6] Nakano, T. and J. Sim, 1995. A study of the chemical composition of the proximal tibial articular cartilage and growth plate of broiler chickens. Poultry science, Vol 74(3): 538-550.
[7] Seyer, J., D. Brickley, and M. Glimcher, 1974. The identification of two types of collagen in the articular cartilage of postnatal chickens. Calcified tissue research, Vol 17(1): 43-55.
[8] Wisuthiphaet, N., S. Klinchan, and S. Kongruang, 2016. Fish protein hydrolysate production by acid and enzymatic hydrolysis. King Mongkut's University of Technology North Bangkok International Journal of Applied Science and Technology, Vol 9(4).
[9] Hoa, N.T., et al., Investigation of Enzymatic Optimization by Flavourzyme and
Celluclast for Soy Protein Hydrolysate Powder. IJAPBC - Vol. 3(3): 550-562
[10] Horwitz, W., 2010. Official methods of analysis of AOAC International. Volume I, agricultural chemicals, contaminants, drugs/edited by William Horwitz. 2010: Gaithersburg (Maryland): AOAC International, 1997.
[11] Pope, C. and M.F., 1939. Stevens, The determination of amino-nitrogen using a copper method. Biochemical Journal, Vol 33(7): p. 1070.
[12] Bùi Viết Cường, N.T.M.N., Bùi Xuân Đông và Trần Thị Thu Vân, 2018. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng thủy phân cơ thịt đỏ cá ngừ sọc dưa (Sarda orientalis) với xúc tác NaOH nhằm thu dịch protein thủy phân. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy Sản, Vol 2(2018): 16-23. 
STUDY ON HYDROLYSIS REACTION OF CHICKEN CARTILAGE
USING ENZYME PAPAIN
ABSTRACT
Many byproduct of chicken meat undustry such as viscera, head and feet (cartilage). This byproducts contain proteins, that can be utilized in the food and feed industry with low production costs The purpose of this research was to use enzyme Papain as catalyst to hydrolyze chicken cartilage to produce amino acid. The factors affecting to hydrolysis reaction were selected to screen: Reaction temperature (°C), enzyme ratio (%, based on substrate), and reaction time (min). The significant difference using ANOVA One-Way analysis was carried out to select the suitable parameters for hydrolysis reaction. The results had indicated amino acid yield reached the highest value of 9,562± 4,763%, respectively, while reaction temperature was 60°C, enzyme ratio was 3%, reaction time was 90 min.
Keywords: protein hydrolysate, amino acid yield, Flavourzyme, chicken cartilage, hydrolysis
BÙI VIẾT CƯỜNG, BÙI XUÂN ĐÔNG, ĐẶNG MINH NHẬT
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
(Bài đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 41 tháng 4 năm 2020)
Tổng số lượt truy cập :
  • 1
  • 2
  • 5
  • 0
  • 3
  • 0
  • 9
lên đầu trang