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
( Nguồn: G T. Park, H J. Son et al.2007)

Hình 9. ảnh hưởng của pH 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 37
0
C và pH 7,5.
- Khi phân tích ở cùng một nhiệt độ : hiệu suất phân hủy cao nhất ở pH
7,5 , giảm dần ở các điều kiện pH thấp hoặc cao hơn 7,5 và thấp nhất
ở pH 6.
- Khi phân tích ở cùng một pH : hiệu suất phân hủy cao nhất ở 37
0
C và
giảm nhanh khi nhiệt độ từ 45
0
C trở lên.
 Có thể kết luận tại điều kiện 37
0
C và pH 7,5 cho hiệu suất phân hủy bột lông
cao nhất ( Mức nhiệt độ và pH này sẽ được sử dụng cho các thí nghiệm về
sự ảnh hưởng tiếp theo)
3.2.2 Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng Cacbon
(Nguồn: Dương Trọng Tín. Đại Học 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 trưởng, phát triển.
- Rỉ đường cũng là một tác nhân gây ức chế quá trình sinh ra keratinase từ vi
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
duy nhất.
3.2.3 Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng Nitơ
(Nguồn: Dương Trọng 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 trường chỉ chứa
cơ chất keratin là nguồn dinh dưỡng duy nhất, vi khuẩn sẽ bị kích 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 Chế Biến Thức Ăn Chăn Nuôi
3.3.1 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 trình: khử bởi Na
2
S
2
O
5
rồi thuỷ phân bằng NaOH,
sau đó được trung hoà bởi HCL. Dịch sau thuỷ phân trộn với cám (tỷ lệ 2/1)
có màu vàng sáng, hơi khét và có hàm lượng protein có thể tiêu hóa được là
50%. ( Đinh Văn Cải, Viện Khoa học Nông nghiệp miền Nam)
- Tuy nhiên quá trình này đòi hỏi rất nhiều năng lượng và chi phí đầu tư sản
xuất lớn. Giá 1kg bột lông vũ thương mại từ 11.000 đ – 13.000 đ ( Thức ăn
chăn nuôi Bảo 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 ra từ vi khuẩn tạo ra
một nguồn protein có tỉ lệ dinh dưỡng cân bằng hơn, cải thiện giá trị
dinh dưỡng của sản phẩm, giữ lại được các axit amin thiết yếu như
Methionine, Lysine, trypophan.
- Hàm lượng protein có thể tiêu hóa được cao chiếm tới 70% trong khẩu
phần.
- Thí nghiệm trên gà, người ta nhận thấy rằng, Khả 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 phẩm thức ăn có
nhiều ưu điểm vượt trội hơn. nhưng do phương pháp này chưa được mở rộng và
điều kiện sản xuất nguyên liệu từ vi khuẩn và nấm chưa đáp ứng nên phần lớn các
công ty sản xuất loại thức ăn này vẫn áp 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 37
0

C và pH 7,5 vi khuẩn phát triển tốt nhất và khả năng phân hủy bột
lông cao nhất.
• Các nguồn dinh dưỡng chứa cacbon và nitơ khác nhau có ảnh hưởng đến
hoạt động của vi 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 mới trong
việc giải quyết ô nhiễm môi trường và ứng dụng trong thức ăn chăn nuôi.
V.Tài Liệu Tham Khảo
- Ashis K. Mukherjee, Sudhir K. Rai, Naba K. Bordoloi (2011), Biodegradation of
waste chicken-feathers by an alkaline -keratinase (Mukartinase) purified from a
mutant Brevibacillus sp. strain AS-S10-II, International Biodeterioration &

Biodegradation 65, 1229-1237.
- Taha I. Zaghloul, Amira M. Embaby, Ahmed R. Elmahdy (2011), Biodegradation
of chicken feathers waste directed by Bacillus subtilis recombinant cells: Scaling
up in a laboratory scale fermentor, Bioresource Technology 102, 2387–2393.
- Geun-Tae Park, Hong-Joo Son (2009), Keratinolytic activity of Bacillus
megaterium F7-1, a feather-degrading mesophilic bacterium, Microbiological
Research164, 478- 485.
- Salon 129: Wool Dyeing History, with Focus on Dyeing of Rugs by Pierre
Galafassi, />- Bad Hair Days? Chemistry to the Rescue by Marlene M. Gutierrez
/>- Lê Thị Thu Huyền, Phân lập vi khuẩn có hoạt tính keratinaza và một số đặc tính
của enzim (2012)
- Dương Trọng tín, Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển và khả năng
phân hủy lông gia cầm cảu vi khuẩn Bacillus Cereus K13 ( 2013)