Nghiên cứu công nghệ sản xuất keratinase ứng dụng trong chế biến lông vũ làm thức ăn bổ sung trong chăn nuôi

Xuất phát từ nhu cầu sản xuất bột lông vũ trên thị trường lớn, đặc biệt là bột lông vũ dễ tiêu hóa sử dụng trong chăn nuôi gia cầm, gia súc, năm 2015, TS Nguyễn Huy Hoàng đến từ Viện nghiên cứu gen, VAST cùng các đồng nghiệp đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất keratinase ứng dụng trong chế biến lông vũ làm thức ăn bổ sung trong chăn nuôi” với các mục tiêu sau:


- Mục tiêu tổng quát:
Xây dựng quy trình sản xuất keratinase tái tổ hợp và ứng dụng để chế biến lông vũ làm thức ăn bổ sung trong chăn nuôi và giảm ô nhiễm môi trường.

- Mục tiêu cụ thể:
* Tạo chủng vi sinh vật tái tổ hợp có khả năng thủy phân keratin;
* Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ sản xuất keratinase;
* Ứng dụng keratinase trong xử lý thu hồi phế thải lông vũ tạo ra sản phẩm bột lông vũ bổ sung thức ăn trong chăn nuôi.

Lông vũ có lượng protein keratin thô rất cao (90-95%), nhưng phần lớn protein trong lông vũ không hòa tan trong nước. Mặc dù rất khó bị phân hủy, nhưng các chất thải keratin vẫn có thể bị phân hủy bởi các chủng vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm có khả năng sinh tổng hợp keratinase. Các keratinase tham gia thủy phân các chất thải keratin từ lông vũ trong công nghiệp chăn nuôi gia cầm đã tạo ra các sản phẩm có giá trị như thức ăn chăn nuôi, phân bón, các polymer và các amino acid hiếm gặp như serine, cysteine và proline. Đến nay, các keratinase được nghiên cứu chủ yếu có nguồn gốc từ vi khuẩn như: Bacillus, Chryseobacterium Pseudomonas,… Vì vậy, việc khai thác đa dạng vi sinh vật sẽ cung cấp sản phẩm keratinase phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

Hiện nay, nguồn lông vũ phế thải từ các trại chăn nuôi, các nơi giết mổ gia cầm đang được tạn dụng để sản xuất bột lông vũ bằng quá trình xử lý vật lý và hóa học. Tuy nhiên, quá trình này tạo ra sản phẩm có chất lượng dinh dưỡng thấp, phá hủy một lượng amno acid nhất định, giảm khả năng tiêu hóa và chất lượng của protein. Mặt khác, chế biến lông vũ bằng các tác nhân hóa học làm tăng nguy cơ ô nhiễm môi trường ở các cơ sở sản xuất. Sử dụng enzyme từ vi khuẩn có nhiều ưu điểm hơn, giá thành thấp hơn và thân thiện với môi trường hơn. Enzyme thủy phân lông vũ có nguồn gốc từ vi khuẩn đang là hướng nghiên cứu rất được quan tâm.

Ở Việt Nam hiện nay, ngành công nghiệp tái tạo nguồn phế thải làm phân bón và thức ăn cho gia súc vẫn còn non trẻ và đang trong giai đoạn tìm nguồn nguyên liệu cũng như định hướng để phát triển. Phương pháp được ứng dụng phổ biến hiện nay để xử lý phế thải lông vũ là sử dụng kiềm/ acid hoặc thủy phân. Tuy nhiên, phương pháp này còn nhiều hạn chế như: giá thành cao, hiệu suất thấp…, do vậy, việc ứng dụng enzyme từ vi khuẩn để xử lý phế thải có nhiều ưu điểm hơn như tạo sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, giá thành thấp, mặt khác còn rất thân thiện với môi trường. Vì vậy, việc nghiên cứu enzyme từ vi khuẩn để thủy phân lông vũ vừa có ý nghĩa khoa học, vừa có ý nghĩa thực tiễn.

1. Sau một thời gian áp dụng những phương pháp nghiên cứu cơ bản, hiện đại, |Đề tài đã đảm bảo đầy đủ về số lượng, khối lượngvà chủng loại các sản phẩm theo đăng ký và đã đạt được nhiều kết quả đáng tin cậy, cụ thể như sau: Đã phân lập 50 chủng vi khuẩn, trong đó, có 13 chủng có khả năng thủy phân lông vũ mạnh từ 70-85%, 2 chủng không có hoạt tính, 21 chủng có khả năng thủy phân khoảng từ > 50%, còn lại 14 chủng có hoạt tính yếu dưới 50%. Tối ưu điều kiện nuôi cấy: nhiệt độ, pH, môi trường và đặc điểm sinh học của 5 chủng Đ.NĐ.1.2, L.TO.2.1, L.NĐ.3.4, HT10 và Đ.HY.1.1. Định danh 3 chủng đến loài là B. subtilis Đ.NĐ.1.2, B. licheniformis HT10 và B. Megaterium Đ.HY. 1.1.
2. Đã nhân, giải trình tự gen và chọn dòng gen keratinase (ker 1 và ker 2) từ 2 chủng B. subtilis Đ.NĐ.1.2, B. licheniformis HT10. Đã tạo được vector tái tổ hợp biểu hiện trong E.coli là pET22b+ker 1, biểu hiện trong B. subtilis 168M là pHT43 [Bspr.Ker2] và pHT43 [Pgrac.Ker1].
3. Đã tối ưu biểu hiện của chủng vi khuẩn E.coli BL21(DE) mang vector pET22b+ker1 sinh tổng hợp keratinase tái tổ hợp ở qui mô 3-5 L có hoạt lực là 60,5 U/ml.
4. Đã tối ưu biểu hiện chủng B. subtilis 168M [Pgrac.Ker1] sinh tổng hợp mạnh keratinase từ 8-24 giờ ở qui mô 3-5 L có hoạt lực đạt 1354,2 U/ml.
5. Đã tối ưu biểu hiện chủng B. subtilis 168M [Bspr.Ker2] sinh tổng hợp mạnh keratinase có hoạt tính keratinase đạt cực đại (1890 U/ml -789,1 U/mg) sau 24 giờ lên men ở qui mô 5-7 L.
6. Đã xác định được keratinase hoạt động mạnh nhất ở 60oC, pH 9. Các ion Ca2+, Na+, Ba2+, Mg2+, Zn2+ và glycerin làm tăng hoạt tính keratinase. Ngược lại, các ion kim loại Cu2+, Hg2+, Fe3+ và EDTA làm giảm hoạt tính enzyme.
7. Chế phẩm keratinase hòa trong đệm K-photphate 0,5M và 10% glycerol đã tăng khả năng bảo quản tới 4 tháng ở nhiệt độ thấp 4oC đến -20oC là 98%. Ngoài ra chế phẩm keratinase hòa trong đệm 14% NaCL, 30% surcose, 1% Na-benzonate, 1% K-sorbate và 10% glycerol cũng giữ được hoạt tính đến 70% sau 6 tháng.
8. Xây dựng được quy trình công nghệ thu nhận keratinase từ chủng B. subtilis 168M [Bspr.Ker2] ở qui mô 70L/mẻ, thời gian lên men 26 giờ, pH ổn định ở 7,0 - 7,2, sục khí 50L/phút, nhiệt độ lên men 37oC.
9. Xác định được điều kiện bảo quản keratinase tái tổ hợp. Dung dịch bảo quản keratinase hoạt tính 688,5 U/ml gồm có 20% glyxerol và 5 mM MgSO4. Enzyme giữ được hoạt tính 90% sau 3 tháng bảo quản.
10. Xây dựng được quy trình và thiết kế hệ thống sản xuất bột lông vũ qui mô 3-5 kg/mẻ và qui mô 100kg/mẻ với thời gian ủ enzyme là 12- 16 giờ, thời gian thủy phân lông vũ ở 120oC, 1,2 atm; nhiệt độ sấy ở 60oC.
11. Đã xác định được tỉ lệ bột lông vũ bổ sung trong thức ăn chăn nuôi gà, với tỉ lệ 6% bột lông vũ thủy phân trong khi chất lượng thịt đùi tương đương với các lô bổ sung 2% và 4% tỉ lệ bột lông vũ thủy phân.
12. Đã tính toán sơ bộ được giá thánh 1kg bột lông vũ thủy phân bằng keratinase, giá thành sản phẩm của đề tài thấp hơn so với giá thành bột lông vũ thủy phân nhập ngoại.

Bên cạnh những kết quả thu được, hiệu quả của dự án trong khoa học - công nghệ, kinh tế - xã hội cũng được đánh giá cao, cụ thể như sau:

a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:
Việc ứng dụng kỹ tái tổ hợp đã góp phần tạo ra chủng tái tổ hợp sinh keratinase có hiệu suất cao hơn. Kết quả của nghiên cứu đã đưa ra được quy trình công nghệ sản xuất enzyme bằng phương pháp hiện đại, tạo được chế phẩm bột lông vũ có bổ sung enzyme keratinase tái tổ hợp.

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:
Việc sản xuất bột lông vũ có thủy phân bằng keratinase đã tận dụng được nguồn phế thải lông vũ làm cơ chất nên có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường, đồng thời với công nghệ tái tổ hợp cũng tạo ra được chủng tái tổ hợp sinh keratinase có hiệu suất cao nên giá thành của sản phẩm bột lông vũ thấp hơn so với các sản phẩm tương đương nhập ngoại. Trong phạm vi của đề tài, sản phẩm bột lông vũ cũng được thử nghiệm bổ sung thức ăn chăn nuôi gà, kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu quả kinh tế khi bổ sung 6% bột lông vũ thủy phân keratinase vào khẩu phần ăn cho gà.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (MS: 11471/2015) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

                                                                                                                                                                  P.K.L (NASATI)