Luận văn Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sản xuất Chitin theo phương pháp sinh học kết hợp hóa học doc

Một số đề xuất cần tiếp tục nghiên cứu:...59 TÀI LIỆU THAM KHẢO...60 PHỤ LỤC...1 1 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa cho công đoạn khử protein từ phế liệu tôm bằng enzyme A

Luận văn Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sản xuất Chitin theo phương pháp sinh học kết hợp hóa học

Em xin bày tỏ lòng biết ơn trân trọng nhất tới các thầy cô trong khoacông nghệ hoá phân tích đã nhiệt tình truyền đạt cho em những kiến thứctrong những năm học vừa qua Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy, côphụ trách phòng thí nghiệm hoá phân tích, cùng thầy cô bộ môn công nghệhoá, bộ môn hoá phân tích và công nghệ thực phẩm, các anh chị và cô chú

ở Viện nghiên cứư và ứng dụng công nghệ Nha Trang đã tạo điều kiện thuậnlợi trong suốt thời gian thực tập

Chân thành cảm ơn các bạn sinh viên lớp CĐH 29, cùng các bạn sinhviên thực tập tại phòng thí nghiệm ở Viện đã nhiệt tình giúp đỡ động viênem

Cuối cùng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố, mẹ kính mếncùng anh chị em thân yêu Những người đã ủng hộ nhiệt tình cả vật chất lẫntinh thần trong quá trình học tập và thực hiện đề tài

Sinh viên

Trần Thị Mỹ Châu

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

LỜI MỞ ĐẦU 1

PHẦN 1 3

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHITIN-CHITOSAN 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ CHITIN-CHITOSAN 3

1.1.1 Sự tồn tại của Chitin-Chitosan trong tự nhiên 3

1.1.2 Cấu trúc và tính chất của Chitin-Chitosan 3

1.1.2.1Cấu trúc của Chitin-chitosan 3

1.1.2.2 Tính chất của Chitin-Chitosan 5

1.1.3 Ứng dụng của Chitin-Chitosan 6

1.1.3.1.Trong y học và mỹ phẩm 6

1.1.3.2.Trong công nghiệp thực phẩm 7

1.1.3.3 Ứng dụng trong nông nghiệp 7

1.1.3.4 Ứng dụng trong sinh học 7

1.1.3.5 Ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác 7

1.2 GIỚI THIỆU VỀ PHẾ LIỆU TÔM VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN-CHITOSAN 8

1.2.1 Giới thiệu về phế liệu tôm 8

1.2.2 Công nghệ sản xuất Chitin-Chitosan 11

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHITIN-CHITOSAN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 14

1.3.1 Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học 14

1.3.2 Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học cải tiến: 17

1.3.3 Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp sử dụng enzyme: 25

PHẦN 2 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 NGUYÊN VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 29

2.1.1 Nguyên liệu đầu tôm 29

2.1.2 Enzyme Protease 29

2.1.3 Acid benzoic (C6H5COOH) 30

2.1.4 Nguyên liệu khác 30

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

2.2.1 Phương pháp thu nhận mẫu 31

2.2.2 Bố trí thí nghiệm xác định các thông số kỹ thuật 31

2.2.2.1 Bố trí thí nghiệm xây dựng đường chuẩn của phương pháp Microbiuret và phương pháp Biuret 34

2.2.2.2 Bố trí thí nghiệm xác định thành phần hóa học của phế liệu đầu tôm thẻ chân trắng 35

2.2.2.3 Thí nghiệm xác định chế độ khử protein tối ưu 35

a Khử lần 1: dùng enzyme alcalase 35

b Khử lần 2 dùng NaOH: 37

2.2.2.4 Thí nghiệm xác định chế độ khử khoáng 38

a Khử lần 1: Dùng acid benzoic 39

b Khử lần 2: Dùng acid chlohydric 40

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÓA HỌC:[1] 41

2.3.1 Xác định hàm lượng ẩm bằng phương pháp sấy ở nhiệt độ 105oC theo TCVN 3700-1990 41

2.3.2 Xác định hàm lượng khoáng bằng phương pháp nung ở 600oC 41

2.3.3 Xác định hàm lượng protein theo phương pháp Microbiuret: 41

2.3.3.1 Dụng cụ 42

2.3.3.2 Hóa chất 42

2.3.3.3 Tiến hành 42

2.3.4 Xác định hàm lượng Protein theo phương pháp Biuret 43

2.3.4.1 Dụng cụ 43

2.3.4.2 Hóa chất 43

2.3.4.3 Tiến hành 43

2.3.5 Phương pháp xử lý số liệu 44

PHẦN 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Kết quả đường chuẩn xây dựng được theo phương pháp Microbiuret và phương pháp Biuret 45

3.1.1 Kết quả xây dựng đường chuẩn của phương pháp Microbiuret : 45

3.1.2 Kết quả xây dựng đường chuẩn của phương pháp Biuret: 45

3.2 Thành phần hóa học của phế liệu tôm thẻ 46

3.3 Kết quả nghiên cứu công đoạn khử protein bằng enzyme Alcalase 47

3.4 Kết quả nghiên cứu công đoạn khử protein bằng NaOH 49

3.5 Kết quả nghiên cứu công đoạn khử khoáng bằng acid benzoic 52

3.6 Kết quả nghiên cứu công đoạn khử khoáng bằng HCl 55

PHẦN 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 59

4.1 Kết luận: 59

4.2 Một số đề xuất cần tiếp tục nghiên cứu: 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 1

1) Phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa cho công đoạn khử protein từ phế liệu tôm bằng enzyme Alcalase 1

2) Phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa cho công đoạn khử protein từ phế liệu tôm bằng NaOH: 6

3) Phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa cho công đoạn khử khoáng từ phế liệu tôm bằng C6H5COOH: 11

4) Phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa cho công đoạn khử khoáng từ phế liệu tôm bằng HCl: 15

5) Một số thiết bị sử dụng trong đề tài: 19

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Một số chỉ tiêu chất lượng của chitosan từ vỏ tôm sú theo phương

pháp xử lý kiềm một giai đoạn (Trần Thị Luyến, 2003) 23Bảng 2 Một số chỉ tiêu chất lượng của chitosan sản xuất theo quy trình

Papain (Trần Thị Luyến, 2003) 27Bảng 3.Bố trí thí nghiệm chạy đường chuẩn của phương pháp Microbiuret 34Bảng 4 Bố trí thí nghiệm chạy đường chuẩn của phương pháp Biuret 34Bảng 5 Bố trí thí nghiệm theo qui hoạch thực nghiệm với biến ảo của công

đoạn khử protein bằng enzyme Alcalase 36Bảng 6 Bố trí thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng

enzyme Alcalase 36Bảng 7 Bố trí thí nghiệm theo qui hoạch thực nghiệm với biến ảo của công

đoạn khử protein bằng NaOH 38Bảng 8 Bố trí thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng

NaOH 38Bảng 9 Bố trí thí nghiệm theo qui hoạch thực nghiệm với biến ảo của công

đoạn khử khoáng bằng C6H5COOH 39Bảng 10 Bố trí thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử khoáng bằng

C6H5COOH 40Bảng 11 Bố trí thí nghiệm theo qui hoạch thực nghiệm với biến ảo của công

đoạn khử khoáng bằng HCl 41Bảng 12 Bố trí thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử khoáng bằng

HCl 41Bảng 13 Thành phần hóa học của phế liệu tôm thẻ chân trắng (%) 46Bảng 14 Kết quả hàm lượng protein còn lại ở các chế độ khử protein bằng

enzyme Alcalase 47Bảng 15 Thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng

enzyme Alcalase 47

Bảng 16 Kết quả hàm lượng protein các thí nghiệm tối ưu theo đường dốc nhất 48

Bảng 17 Kết quả hàm lượng protein ở các chế độ khử protein bằng NaOH 49

Bảng 18 Thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng NaOH 50

Bảng 19 Kết quả hàm lượng protein các thí nghiệm tối ưu theo đường dốc nhất 50

Bảng 20 Thành phần hóa học của phế liệu tôm thẻ Chân Trắng sau khi khử lý khử protein bằng enzyme Alcalase và NaOH ở điều kiên tối ưu 52

Bảng 21 Kết quả hàm lượng khoáng còn lại trong phế liệu tôm ở các chế độ khử khoáng bằng C6H5COOH 53

Bảng 22 Thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử khoáng bằng C6H5COOH 53

Bảng 23 Thành phần hóa học của phế liệu tôm thẻ Chân Trắng sau khi khử protein bằng enzyme Alcalase, NaOH và C6H5COOH ở điều kiên tối ưu 55

Bảng 24 Kết quả hàm lượng khoáng còn lại trong phế liệu tôm ở các chế độ khử khoáng bằng HCl 55

Bảng 25 Thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử khoáng bằng HCl .55

Bảng 26 Kết quả đo OD330nm 1

Bảng 27 Kết quả đo OD570nm 1

Bảng 28 Bảng bố trí thí nghiệm 2

Bảng 29.Các thí nghiệm ở tâm phương án 3

Bảng 30 Các thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng enzyme Alcalase 3

Bảng 31.Các số liệu dùng để tính toán 4

Bảng 32 Kết quả thực nghiệm tối ưu hóa công đoạn thủy phân khử protein bằng enzyme 6

Bảng 33.Các thông số tối ưu 6

Bảng 34 Bảng bố trí thí nghiệm 7

Bảng 35.Các thí nghiệm ở tâm phương án 7

Bảng 36.Các thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng NaOH 8

Bảng 37 Các số liệu dùng để tính toán 9

Bảng 38.Kết quả thực nghiệm tối ưu hóa công đoạn khử protein bằng NaOH .10

Bảng 39.Các thông số tối ưu 10

Bảng 40 Bảng bố trí thí nghiệm 11

Bảng 41 Các thí nghiệm ở tâm phương án 12

Bảng 42 Các thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử khoáng bằng C6H5COOH 12

Bảng 43.Các số liệu dùng để tính toán 13

Bảng 44 Kết quả thực nghiệm tối ưu hóa công đoạn khử khoáng bằng C6H5COOH .14

Bảng 45 Các thông số tối ưu 15

Bảng 46 Bảng bố trí thí nghiệm 15

Bảng 47 Các thí nghiệm ở tâm phương án 16

Bảng 48 Các thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng NaOH 16

Bảng 49 Các số liệu dùng để tính toán 17

Bảng 50 Kết quả thực nghiệm tối ưu hóa công đoạn khử khoáng bằng HCl 18

Bảng 51 Các thông số tối ưu 19

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.Cấu tạo của Chitin 4

Hình 2 Cấu tạo của Chitosan 5

Hình 3.Quy trình của Stevens (2002) Học Viện Công Nghệ Châu Á 15

Hình 4.Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm hùm của Hackman 17

Hình 5.Quy trình nhiệt của Yamashaki và Nakamichi (Nhật Bản) 17

Hình 6.Quy trình sản xuất của Pháp 18

Hình 7.Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy Sản 20

Hình 8 Quy trình sản xuất Chitosan ở Trung tâm cao phân tử thuộc Viện khoa học Việt Nam 21

Hình 9 Quy trình sản xuất Chitosan từ vỏ tôm Sú bằng phương pháp hóa học với một công đoạn xử lý kiềm (Trần Thị Luyến, 2003) 22

Hình 10 Quy trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thủy sản 24

Hình 11 Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto (2006) 25

Hình 12 Quy trình sử dụng Enzyme papain để sản xuất chitosan 26

Hình 13.Quy trình dự kiến sản xuất 32

Hình 14.Quy trình sản xuất Chitin không dùng acid benzoic.(đối chứng) 33

Hình 15.Công thức của phức Biuret 42

Hình 16 Phương trình đường chuẩn của phương pháp Microbiuret 45

Hình 17 Phương trình đường chuẩn của phương pháp Biuret 46

Hình 18 Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa chế độ thủy phân bằng enzyme theo phương pháp đường “lên dốc” của BoxWillson 49

Hình 19 Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa chế độ ngâm NaOH theo phương pháp đường “lên dốc” của BoxWillson 51

Hình 20 Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa chế độ ngâm C6H5COOH theo phương pháp đường “lên dốc” của BoxWillson 54

Hình 21 Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa chế độ ngâm HCl theo phương pháp đường “lên dốc” của BoxWillson 57

Hình 22.Thiết bị ổn nhiệt Memmert 19

Hình 23 Thiết bị đo Uvmini-1240 19

Hình 24.Máy li tâm 20

Hình 25.Thiết bị Vortex 20

Hình 26.Sự bắt màu của dung dịch BSA sau khi cho thuốc thử Biuret 20

Hình 27 Công thức cấu tạo của Sodium citrate 21

Hình 28 Mono Sodium Citrate Anhydrous 21

Hình 29 Dung dịch protein và thuốc thử Biuret 21

Hình 30 Thủy phân đầu tôm 21

Hình 31 Đầu tôm đã được vô hoạt enzyme sau khi thủy phân(dùng nhiệt) 22

Hình 32 Phế liệu tôm sau khi thủy phân 22

Hình 33 Phế liệu tôm sau khi thủy phân bằng enzyme Alcalase và xử lý NaOH 22

Hình 34 Phế liệu tôm đã khử protein và khư khoáng lần 1 bằng C6H5COOH 23

Hình 35 Phế liệu tôm(PLT) đã khử protein bằng enzyme(trái), PLT đã khử protein bằng enzyme và NaOH 23

Hình 36 PLT đã khử protein bằng enzyme và NaOH(trái), PLT đã khử protein và khử khoáng bằng C6H5COOH 23

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Ở Việt Nam hiện nay chủ yếu sản xuất chitin-chitosan theo phương pháp hoáhọc có sử dụng các loại hoá chất với nồng độ cao, thời gian xử lý dài gây ảnh hưởngtới chất lượng chitin-chitosan và các chế phẩm khác được sản xuất từ phế liệu giápxác Vì vậy, việc nghiên cứu một quy trình kết hợp phương pháp hoá học vớiphương pháp sinh học đồng thời giảm tối đa lượng hoá chất sử dụng là rất cần thiếtgóp phần giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm

Ngoài ra, còn có rất nhiều hướng nghiên cứu sử dụng phế liệu giáp xác sản xuất cácmặt hàng có giá trị khác như: Astaxanthin, thức ăn chăn nuôi, chiết rút chất mùi…nhưng công nghệ gây ô nhiễm nên không cho phép tận dụng các chất có hoạt tínhkhác

Do đó việc sử dụng nguồn phế liệu từ vỏ tôm đã được triển khai tại rất nhiềucác khu vực trong nước Việc tận dụng phế liệu vỏ tôm tập trung chủ yếu vào sảnxuất thức ăn cho gia súc, các sản phẩm Chitin-Chitosan, glucosamine,oligosaccharide… Tuy nhiên theo điều tra ban đầu thì trong công nghệ sản xuấtChitin-Chitosan trong nước hiện nay đều thực hiện chủ yếu theo phương pháp hóahọc dẫn đến chất lượng chưa cao, hầu hết các cơ sở sản xuất Chitin-Chitosan chưa

có một hệ thống xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn Nguyên nhân chủ yếu là do hàmlượng chất lơ lửng, trong đó chủ yếu là các chất có nguồn gốc từ protein Chúng cótính chất là rất khó lắng trong quá trình xử lí Như vậy, nếu chúng ta có thể thu hồiprotein sau quá trình thủy phân bằng enzyme Alcalase thì sẽ tận dụng được nguồnchất dinh dưỡng trong phế liệu đầu vỏ tôm để làm bột dinh dưỡng cho người, thức

ăn cho gia súc, gia cầm, từ đó nâng cao nâng cao được giá trị của nguyên liệu, giảmtải cho quá trình xử lí nước thải, hạn chế sự ô nhiễm môi trường Đồng thời việc sửdụng thủy phân bằng enzyme sẽ hạn chế việc sử dụng hóa chất, gây ô nhiễm môitrường Trong thực tế hiện nay tại các cơ sở sản xuất phải thu nhân nguyên liệu từcác khu vực xa, không tập trung và khối lượng không lớn gây khó khăn về chi phívận chuyển Do vậy việc nghiên cứu ứng dụng chế độ thủy phân bằng enzyme góp

phần kéo dài thời gian bảo quản nguyên liệu, giảm chi phí do phơi hoặc sấy khônguyên liệu, giảm sự ô nhiễm môi trường do không vận chuyển tạm thời, đồng thờiloại bỏ một phần các chất khoáng, protein.

Xuất phát từ thực tế trên, được sự đồng ý của Bộ môn Công nghệ Chế Khoa Chế biến-Trường Đại học Nha Trang, dưới sự hướng dẫn của cô Thạc sĩ Ngô

biến-Thị Hoài Dương, em đã thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sản

xuất Chitin theo phương pháp sinh học kết hợp hóa học.”

2.Mục đích của đề tài:

Xác định các điều kiện tối ưu để khử protein từ phế liệu tôm thẻ chân trắng

(Penaeus vannamei) bằng enzyme Alcalase và NaOH, đồng thời xác định các điều

kiện tối ưu để khử khoáng bằng acid benzoic kết hợp HCl nhằm giảm thiểu hóa chất

sử dụng, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao chất lượng Chitin

3 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài:

Thành công của đề tài sẽ được áp dụng tại các cơ sở sản xuất chitin với mụcđích tận dụng nguồn protein từ đầu tôm, hạn chế sử dụng hóa chất nhằm giảm ônhiễm môi trường và sản xuất ra chitin-chitosan có chất lượng cao và ứng dụng vào các lĩnh vực đặc biệt như ứng dụng trong y học, mỹ phẩm… Đề tài cũng là nguồn tài liệu hữu ích phục vụ cho công tác nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này

4 Nội dung của đề tài:

- Tổng quan về công nghệ sản xuất chitin-chitosan

- Nghiên cứu sản xuất Chitin bằng phương pháp sinh học

Tối ưu hóa quá trình khử protein bằng enzyme kết hợp với NaOH

Tối ưu hóa quá trình khử khoáng có sử dụng acid benzoic

- Đề xuất quy trình.

PHẦN 1.

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA

CHITIN-CHITOSAN.

1.1 TỔNG QUAN VỀ CHITIN-CHITOSAN

1.1.1 Sự tồn tại của Chitin-Chitosan trong tự nhiên

Chitin và dẫn xuất của nó là Chitosan là những polysaccharide mạch thẳng,chúng phổ biến trong tự nhiên chỉ sau cellulose, Chitin tồn tại ở cả động vật và thựcvật Ở động vật thủy sản, Chitin tồn tại rất nhiều, đặc biệt là ở vỏ tôm, cua, ghẹ,…

Vì vậy, chúng là nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất Chitin-Chitosan

Trong động vật: Chitin là thành phần cấu trúc quan trọng của vỏ bao của một

số động vật không xương sống như côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác, giun tròn,Chitin được coi là chất tạo xương hữu cơ chính ở động vật không xương sống

Trong thực vật: Chitin có trong vách tế bào của nấm và một số loài tảochlorophyceae Chitin tồn tại trong tự nhiên ở dạng tinh thể Nó có cấu trúc gồmnhiều phân tử được nối với nhau bằng cầu nối hydro và tạo thành một hệ thốngdạng sợi ít nhiều có tổ chức Trong tự nhiên rất ít gặp dạng tồn tại tự do của Chitin,

nó liên kết dưới dạng phức hợp Chitin-protein,Chitin với các hợp chất hữu cơ,…khi tồn tại như thế Chitin có sự đề kháng đối với các chất thủy phân, hóa học vàenzyme Do đó nó gây khó khăn cho việc tách chiết và tinh chế Tùy thuộc vào đặctính của cơ thể và sự thay đổi từng giai đoạn sinh lý mà trong cùng một loài, người

ta có thể thấy sự thay đổi về hàm lượng cũng như chất lượng của Chitin

Trong tự nhiên, Chitosan rất hiếm gặp, chỉ có trong vách ở một số lớp vi nấm(đặc biệt: zygomycetes, mucor,…) và ở vài loại côn trùng như ở thành bụng củamối chúa Sự deacetyl bằng kiềm, Chitin tạo thành Chitosan và tan được trong dungdịch acid acetic loãng

1.1.2 Cấu trúc và tính chất của Chitin-Chitosan

1.1.2.1 Cấu trúc của Chitin-chitosan

Chitin-Chitosan là một polysaccharide nên có cấu trúc dạng chuỗi

Trong đó : Chitin : R : -NH-COCH3

Chitosan : R : -NH2

CHITIN: Chitin là một polysaccharide mạch thẳng, nó có cấu trúc tuyến tính

gồm các đơn vị N-acetyl-glucosamine nối với nhau nhờ cầu β-1,4glucoside

Công thức phân tử: (C8H13O5N)n

Phân tử lượng : M = (203,19)n

Trong đó n phụ thuộc vào nguồn gốc nguyên liệu:

Đối với tôm hùm : n = 700÷800

Đối với cua : n = 500÷600

Đối với tôm thẻ: n = 400÷500

Công thức cấu tạo:

Hình 1.Cấu tạo của Chitin.

CHITOSAN: Chitosan là một polysaccharide mạch thẳng, gồm các phân tử

D-1,4glucosamine Khi xử lý kiềm đặc từ Chitin ta thu được Chitosan

Công thức phân tử : (C6H11O4N)n

Phân tử lượng: M= (161,07)n

Công thức cấu tạo :

Hình 2 Cấu tạo của Chitosan.

1.1.2.2 Tính chất của Chitin-Chitosan

CHITIN:

Chitin có màu trắng, không tan trong nước, trong kiềm, trong acid loãng vàcác dung môi hữu cơ khác như ete, rượu Chitin hòa tan được trong dung dịch đậmđặc, nóng của muối thyoxyanat liti (LiSCN) và muối thyoxyanat canxi (Ca(SCN)2)tạo thành dung dịch keo

Chitin ổn định với chất oxy hóa như KMnO4, nước javen, NaClO, …người talợi dụng tính chất này để khử màu cho Chitin

Chitin có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại ở bước sóng 884÷890 cm

Chitin là một polysaccharide nguồn gốc tự nhiên, có hoạt tính sinh học cao, có tínhhòa hợp sinh học và tự phân hủy trên da Chitin bị men lysozyme, một loại men chỉ

có ở cơ thể người, phân giải thành monome N-acetyl-D-glucosamine

Chitin kết tinh ở dạng vô định hình, khó hòa tan trong dung dịch amoniac(NH3), không hòa tan trong thuốc thử Schueizer-Sacrpamonia Điều này có thể là do

sự thay đổi nhóm hydroxy (-OH) tại vị trí C2 bằng nhóm acetamic (NHCOCH3) đãngăn cản sự tạo thành các phức hợp cần thiết

Khi nung nóng Chitin trong dung dịch NaOH đặc thì Chitin sẽ bị khử mấtgốc acetyl tạo thành Chitosan Khi đun nóng Chitin trong acid HCl đặc thì Chitin sẽ

bị thủy phân tạo thành Glucosamine 85,5%, acid acetic 14,5%

Đặc tính cơ bản của Chitosan: Chitisan có nguồn gốc thiên nhiên, không độc,dùng an toàn cho người trong thức ăn, thực phẩm, dược phẩm, có tính hòa hợp sinhhọc cao với cơ thể, có khả năng tự phân hủy sinh học, có nhiều tác dụng sinh học đadạng: có khả năng hút nước, giữ ẩm, kháng nấm, kháng khuẩn với nhiều chủng loạikhác nhau, kích thích tăng sinh tế bào ở người, động vật, thực vật, có khả năng nuôidưỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh dưỡng

Tính chất hóa học : Chitosan là chất rắn, xốp, nhẹ, màu trắng ngà, khôngmùi, không vị, hòa tan dễ dàng trong dung dịch acid loãng Loại Chitosan có khốilượng trung bình thấp từ 100000÷400000 hay được dùng nhiều nhất trong y tế vàtrong thực phẩm

Tính chất sinh học: Chitosan có nhiều tác dụng sinh học đa dạng như : tínhkháng nấm, tính kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau, kích thích sự pháttriển tăng sinh của tế bào, có khả năng nuôi dưỡng tế bào trong điều kiện nghèodinh dưỡng, tác dụng cầm máu, chống sưng u

Ngoài ra, Chitosan còn có tác dụng làm giảm cholesterol và lipid máu, làm to

vi động mạch và hạ huyết áp, điều trị thận mãn tính, chống rối loạn nội tiết

Với khả năng thúc đẩy hoạt động của các peptid- insulin, kích thích việc tiết

ra insulin ở tuyến tụy nên Chitosan được dùng để điều trị bệnh tiểu đường Nhiềucông trình đã công bố khả năng kháng đột biến, kích thích làm tăng cường hệ thốngmiễn dịch cơ thể, khôi phục bạch cầu, hạn chế sự phát triển của các tế bào u, ungthư, HIV/AISD, chống tia tử ngoại, chống ngứa,… của Chitosan

1.1.3 Ứng dụng của Chitin-Chitosan:[2][5][10]

1.1.3.1 Trong y học và mỹ phẩm

Dùng làm phụ gia trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm:

Tá dược độn, tá dược chính, tá dược dẫn thuốc, màng bao phim, viên nang mềm, nang cứng…làm chất mang sinh học để gắn thuốc, tạo ra thuốc polymer tác dụng chậm kéo dài, làm hoạt chất chính để chữa bệnh như: Thuốc điều trị liền vếtthương, vết phỏng, vết mổ vô trùng, thuốc bổ dưỡng cơ thể: Hạ lipid và cholesterol

máu, thuốc chữa bệnh đau dạ dày, tiểu đường, xưng khớp, viêm khớp, viêm xương,loãng xương, chống đông tụ máu, kháng nấm, kháng khuẩn, điều trị suy giảm miễndịch, có khả năng hạn chế sự phát triển của tế bào u, tế bào ung thư và chống HIV.Dùng làm vật liệu y sinh: Da nhân tạo, màng sinh học, chất nền cho da nhân tạo, chỉkhâu phẫu thuật, mô cấy ghép…

Trong mỹ phẩm chitosan được bổ sung vào kem chống khô da, kem lột mặt để tăng

độ bám dính, tăng độ hòa hợp sinh học với da, chống tia cực tím…

1.1.3.2 Trong công nghiệp thực phẩm[3]

Chitosan được xem như một phụ gia tạo độ cứng, tạo keo, phân lớp và khử axit của trái cây và đồ uống, tăng cường mùi vị tự nhiên Tạo màng để bao gói thực phẩm, hoa quả, rau tươi Là một polyme dùng an toàn cho người, lại có hoạt tính sinh học đa dạng, chitosan được coi là thành phần bổ dưỡng đưa vào thực phẩm, bánh kẹo, nước giải khát, thức ăn vật nuôi và thủy sản Chitosan sử dụng để chống hiện tượng mất nước trong quá trình làm lạnh, làm đông thực phẩm

1.1.3.3 Ứng dụng trong nông nghiệp[2][5]

Dùng bảo quản hạt giống, tăng cường khả năng nảy mầm của hạt, tác nhân chống nấm, chống vi khuẩn gây bệnh cho môi trường xung quanh

Ngoài ra, chitosan còn dùng làm chất kích thích sinh trưởng cây trồng, thuốc chốngbệnh đạo ôn, khô vằn cho lúa

1.1.3.4 Ứng dụng trong sinh học

Làm giá thể hoạt hóa cho công nghệ cố định enzyme và các tế bào vi sinh vật, làm chất mang sử dụng trong sắc ký chọn lọc, màng lọc sinh học, tổng hợp polymer sinh học

1.1.3.5 Ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác.

Trong công nghiệp dệt:

Chitosan được dùng để hồ vải: cố định hình in hoa, ưu điểm có thể thay thếđược hồ tinh bột bằng chitosan làm cho vải hoa, ti, sợi bền chịu được cọ xát, bề mặtđẹp, bền trong kiềm

Làm vải chịu nước, không bắt lửa: Hòa tan chitosan trong dung dịch acidacetic loãng cùng với axetat nhôm và axit stearic thu được hỗn hợp Hỗn hợp nàyđem sơn lên vải, khi khô tạo thành màng mỏng, chắc, bền, chịu nước và không bắtlửa Vải này được sử dụng để sản xuất đồ bảo hộ lao động.

Làm sợi Chitin: Ngâm chitosan trong dung dịch Na2SO4 bão hòa rồi đem kéosợi, rửa trong nước ở nhiệt độ cao thu được giống sợi gai Đem sợi này trộn với sợicellulose tỷ lệ 30% thu được sợi Chitin-cellulose Khả năng bắt màu thuốc nhuộmcàng tăng khi ta tăng hệ sợi chitin

Trong công nghiệp giấy:

Chitosan có tác dụng làm tăng độ bền của giấy, chỉ cần thêm trọng lượng bằng 1%trọng lượng của giấy thì sẽ làm tăng gấp đôi độ bền của giấy khi ẩm ướt, tăng độ nétkhi in Các loại giấy này dùng làm giấy vệ sinh, giấy in, túi giấy

1.2 GIỚI THIỆU VỀ PHẾ LIỆU TÔM VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN-CHITOSAN.

1.2.1 Giới thiệu về phế liệu tôm

Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tôm là rất dồi dào, được thu từ 2 nguồn chính

là đánh bắt tự nhiên và nuôi trồng Đặc biệt, nuôi tôm đã phát triển mạnh trongnhững năm gần đây và trở thành ngành kinh tế mũi nhọn Diện tích nuôi tôm đãtăng từ 250.000 ha năm 2000 lên đến 478.000 ha năm 2001 và 540.000 ha năm

2003 Năm 2002, giá trị xuất khẩu thuỷ sản đạt hơn 2 tỷ USD, trong đó xuất khẩutôm đông lạnh chiếm 47%, đứng thứ 2 sau xuất khẩu dầu khí Năm 2004, xuất khẩu

thuỷ sản đạt giá trị 2,4 tỷ USD, chiếm 8,9% tổng giá trị xuất khẩu cả nước trong đótôm đông lạnh chiếm 53% tổng giá trị xuất khẩu thuỷ sản Năm 2006 kim ngạchxuất khẩu thủy sản đã qua mốc 3 tỷ đạt 3,31 tỷ USD, tăng gần 600 triệu USD so vớinăm 2005, trong đó mặt hàng tôm truyền thống chiếm vị trí đầu bảng xấp xỉ 1,5 tỷUSD, chiếm 44,3 % tổng kim ngạch xuất khẩu Năm 2007, tổng kim ngạch xuấtkhẩu thủy sản đạt 3,75 tỷ USD tăng 12% so với năm 2006

Mục tiêu xuất khẩu thuỷ sản đến năm 2010, Việt Nam phấn đấu đạt giá trị 4 4,5 tỷ USD Ðịnh hướng đến năm 2020, chế biến xuất khẩu thủy sản tiếp tục làđộng lực thúc đẩy phát triển nuôi trồng thuỷ sản, khai thác thuỷ sản và mang lạinhiều lợi ích kinh tế ngành, nâng cao thu nhập và đời sống lao động nghề cá Tômđược dự kiến đạt khoảng 483 nghìn tấn nguyên liệu để phục vụ cho xuất khẩukhoảng 390.000 tấn năm 2010 Theo thống kê của Trung tâm Nghiên cứu Chế biếnThủy sản, Đại học Thuỷ sản thì lượng phế liệu năm 2004 tại Việt Nam ước tínhkhoảng 45.000 tấn phế liệu, năm 2005 ước tính khoảng 70.000 tấn/năm Trần ThịLuyến (2004) cho biết trong vỏ tôm tươi chitosan chiếm khoảng 5% khối lượng,trong vỏ tôm khô khoảng 20-40% khối lượng Như vậy hàng năm có thể sản xuấtgần 5000 tấn chitosan phục vụ sản xuất trong nước và xuất khẩu, mang lại hiệu quảkinh tế cho ngành Thuỷ sản

-Phế liệu tôm (PLT) là những thành phần phế thải từ các cơ sở chế biến tômbao gồm đầu, vỏ và đuôi tôm Ngoài ra, còn có tôm gãy thân, tôm lột vỏ sai quycách hoặc tôm bị biến màu Tuỳ thuộc vào loài và phương pháp xử lý mà lượng phếliệu có thể vượt quá 60% khối lượng sản phẩm Có thể lấy tôm càng xanh

Macrobrachium rosenbergii làm ví dụ, đầu tôm chiếm tới 60% trọng lượng tôm.

Đầu tôm sú Penaeus monodon cũng chiếm tới 40% trọng lượng tôm Với sản phẩm

tôm lột vỏ, rút chỉ lưng, lượng đuôi và vỏ đuôi của tôm chiếm khoảng 25% trọnglượng tôm Đối với tôm thẻ, lượng phế liệu đầu tôm chiếm 28% và vỏ chiếm 9%,như vậy tổng lượng phế liệu vỏ đầu tôm thẻ là 37% Lượng phế liệu này có thểgiảm ít nhiều bằng cách nâng cao hiệu quả lột vỏ nhờ các thiết bị và công nghệ chếbiến tốt hơn Giảm lượng phế liệu từ khâu chế biến hoặc tìm giải pháp tái sử dụng

chúng đang trở nên phổ biến như một phương cách giúp làm tăng lợi nhuận chongành thuỷ sản.

Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy tỷ lệ của phế liệu tôm từ 30-70%(Watkin và cộng sự, 1982 ; Evers và Carroll [19], trung bình khoảng 50% so vớikhối lượng tôm chưa chế biến Halanda và Netto (2006) cho rằng phế liệu tôm cóthể chiếm 50-70% so với nguyên liệu [20] Phần lớn tôm được đưa vào chế biếndưới dạng bóc vỏ, bỏ đầu Phần đầu thường chiếm khối lượng 34-45%, phần vỏ,đuôi và chân chiếm 10-15% trọng lượng của tôm nguyên liệu Tuy nhiên, tỉ lệ nàytuỳ thuộc vào giống loài và giai đoạn sinh trưởng của chúng [5] [6]

Cấu tạo và thành phần sinh hóa của vỏ tôm[5]

Lớp ngoài cùng của vỏ tôm có cấu trúc chitin-protein bao phủ, lớp vỏ nàythường bị hóa cứng khắp bề mặt cơ thể do sự lắng đọng của muối canxi và các chấthữu cơ khác nằm dưới dạng phức tạp do sự tương tác giữa protein và các chấtkhông hòa tan

Vỏ chia làm 4 lớp chính:

Lớp biểu bì

Lớp màu

Lớp canxi

Lớp không bị canxi hóa

- Lớp biểu bì, lớp màu, lớp canxi hóa cứng do sự lắng đọng của canxi Lớpmàu, lớp canxi hóa, lớp không bị canxi hóa chứa chitin nhưng lớp biểu bì thì không

- Lớp màu: Tính chất của lớp này do sự hiện diện của những thể hình hạt củavật chất mang màu giống dạng melanin Chúng gồm những túi khí hoặc nhữngkhông bào Một vài vùng xuất hiện những hệ thống rãnh thẳng đứng có phân nhánh,

là con đường cho caxi thẩm thấu vào

- Lớp biểu bì: những nghiên cứu cho thấy lớp màng nhanh chóng bị biến đỏbởi Fucxin, có điểm pH =5,1 không chứa chitin Nó khác với các lớp vỏ còn lại, bắtmàu xanh với anilin xanh Lớp biểu bì có lipid vì vậy nó cản trở tác động của acid ởnhiệt độ thường hơn các lớp bên trong Màu của lớp này thường vàng rất nhạt

- Lớp canxi hóa: Lớp này chiếm phần lớn lớp vỏ, thường có màu xanh trảiđều khắp.

- Lớp không bị canxi hóa: Vùng trong cùng của lớp vỏ được tạo bởi mộtphần tương đối nhỏ so với tổng chiều dày bao gồm các phức chitin – protein bềnvững không có canxi và puinone

Thành phần sinh hoá của vỏ tôm

Protein: Thành phần protein trong phế liệu tôm thường tồn tại ở hai dạngDạng tự do: Dạng này là phần thịt tôm từ một số tôm bị biến đổi được vứtlẫn vào phế liệu hoặc phần thịt còn sót lại trong đầu và nội tạng của đầu tôm Nếucông nhân vặt đầu không đúng kỹ thuật thì phần protein bị tổn thất vào phế liệunhiều làm tăng định mức tiêu hao nguyên vật liệu, mặt khác phế liệu khó xử lý hơn

Dạng phức tạp: Ở dạng này protein không hòa tan và thường liên kết vớichitin, Canxi Carbonate, với lipid tạo lipoprotein, với sắc tố tạo proteincarotenoit…như một phần thống nhất quyết định tính bền vững của vỏ tôm

Chitin: Tồn tại dưới dạng liên kết bởi những liên kết đồng hóa trị với cácprotein dưới dạng phức hợp chitin-protein; liên kết với các hợp chất khoáng và cáchợp chất hữu cơ khác gây khó khăn cho việc tách và chiết chúng

Canxi: Trong vỏ, đầu tôm, vỏ ghẹ có chứa một lượng lớn muối vô cơ, chủyếu là muối CaCO3, hàm lượng Ca3(PO4)2 mặc dù không nhiều nhưng trong quátrình khử khoáng dễ hình thành hợp chất CaHPO4 không tan trong HCl gây khókhăn cho quá trình khử khoáng

Sắc tố: Trong vỏ tôm thường có nhiều loại sắc tố nhưng chủ yếu làAstaxanthin

Enzyme: Theo tạp chí Thủy sản (số 5/1993) hoạt độ enzyme protease củađầu tôm khoảng 6,5 đơn vị hoạt độ/g tươi Các enzyme chủ yếu là enzyme của nộitạng trong đầu tôm và của vi sinh vật thường trú trên tôm nguyên liệu

Ngoài thành phần chủ yếu kể trên, trong vỏ đầu tôm còn có các thành phầnkhác như: nước, lipid, phospho,…

1.2.2 Công nghệ sản xuất Chitin-Chitosan

Mặc dù chitin phân bố rộng rãi trong tự nhiên nhưng nó không được tìm thấy

ở dạng tinh khiết Chitin ở trạng thái tự nhiên thì liên kết với protein, lipid, sắc tố vàcanxi Vì vậy, nó cần phải được làm sạch trước khi sử dụng cho bất kỳ mục đíchthương mại nào Phương pháp dùng để phân tách và tinh sạch chitin phải đảm bảolấy đi khoáng và tận dụng được các hợp chất có giá trị khác Do đó, nhiều phươngpháp đã được áp dụng cho việc thu hồi chitin Hơn nữa, tính hữu ích của các nguồnchitin khác nhau phụ thuộc vào sự sẵn có của nguyên liệu, phương pháp đơn giản,hàm lượng chitin, và sự phù hợp để tận thu các sản phẩm có giá trị khác

Hiện nay việc làm sạch chitin bao gồm hai bước chính:

- Khử khoáng: Loại bỏ khoáng bằng acid hoặc là một tác nhân tạo phức

- Khử protein: Tách protein bằng kiềm hoặc một enzyme protease

Hai bước này có thể đổi vị trí cho nhau phụ thuộc vào phương pháp thu hồiprotein, carotenoid và hơn nữa là ứng dụng chitin Chitin sử dụng như một chất hấpthụ hay hỗ trợ enzyme nên khử khoáng trước, bởi vì bước này lấy đi muối khoáng

và bảo vệ cấu trúc chitin đảm bảo sự deacetyl polysaccharid khi xử lý kiềm nhẹ đểkhử protein Tăng cường mức deacetyl gia tăng các nhóm amino tự do tham gia vàoquá trình hấp phụ và gắn kết protein Tuy nhiên, để thu hồi protein thì nên thực hiệnbước khử protein trước Khi đó, sản lượng protein và chất lượng là lớn nhất Sauquá trình khử khoáng và khử protein, sản phẩm được tẩy màu bằng acetone hoặchydrogen peroxide Bước này là không cần thiết và phụ thuộc vào yêu cầu của sảnphẩm cuối cùng Có hai phương pháp chính để sản xuất chitin: phương pháp hóahọc và phương pháp sinh học

-Phương pháp hóa học: Quá trình khử khoáng được thực hiện bằng việc sửdụng HCl hoặc acid hữu cơ khác hoặc kết hợp cả hai ở nhiệt độ phòng với cơ chếnhư sau:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O

Ca3(PO4)2 + 6HCl = 3CaCl2 + 2H3PO4

Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình này là:

a Nồng độ acid: Nồng độ acid quá thấp sẽ không khử được hết khoáng dẫn đếnsản phẩm còn nhiều tạp chất Nồng độ quá cao sẽ gây đứt mạch chitin, giảmchất lượng sản phẩm.

b Tỉ lệ acid/nguyên liệu: Nếu quá nhỏ thì sẽ không khử hết khoáng, nếu quálớn sẽ ảnh hưởng xấu đối với mạch, tốn chi phí

c Nhiệt độ, thời gian xử lí: hai yếu tố này cũng rất quan trọng, ảnh hưởng đếnchất lượng sản phẩm Nếu thời gian xử lí dài và nhiệt độ cao thì sản phẩm bịnát sẽ rất khó xử lí sau này, đồng thời sẽ ảnh hưởng tới độ nhớt của sản phẩmsau này Nếu nhiệt độ thấp và thời gian xử lí ngắn thì khoáng sẽ không bịloại triệt để

Thông thường khi tiến hành ở nhiệt độ cao thì thời gian phải ngắn nếu cóđiều kiện ta có thể xử lý ở nhiệt độ thấp thời gian dài thì chất lượng sẽ tốt hơn.-Phương pháp sinh học: Trong phương pháp sinh học chỉ khác tại công đoạnkhử protein và deacetyl không sử dụng hoá chất mà có thể sử dụng hệ vi khuẩn,nấm men hoặc các enzyme để loại bỏ protein một cách triệt để Việc deacetyl đượcthực hiện bởi enzyme deacetylase Sản phẩm chitosan thu được có chất lượng cao

do không bị ảnh hưởng nhiều bởi hoá chất [6]

Việc sử dụng phương pháp sinh học cũng gặp phải rất nhiều khó khăn nhưgiá thành sản phẩm có thể sẽ cao tuỳ thuộc vào loại enzyme sử dụng, việc loại bỏhoàn toàn protein có thể đạt được bằng phương pháp hoá học nhưng không thể đạtđược bằng phương pháp sinh học Vì vậy, người ta có thể kết hợp hai phương phápnày nhằm khắc phục những nhược điểm của từng phương pháp Hiện nay, mộttrong những khó khăn trong phương pháp hoá học để sản xuất chitin là thể tích chấtthải có chứa các chất ăn mòn, các chất lơ lửng khó xử lý quá lớn Những chất này là

do trong công đoạn khử khoáng và khử protein sinh ra Chính vì vậy, cần thiết phải

có các biện pháp xử lý trước khi thải ra môi trường và điều này làm cho giá thànhsản phẩm tăng lên Quá trình sản xuất chitin bằng phương pháp hoá học có thể gâynên sự thuỷ phân polymer (Simpson và cộng sự, 1994; Healy và cộng sự, 1994),biến đổi tính chất vật lý (Gagne và Simpson, 1993) và gây ô nhiễm môi trường

(Allan và cộng sự, 1978) [20] Điều này là do không xác định được bản chất hoạtđộng của hoá chất cũng như sự khác nhau về hàm lượng chitin trong nguyên liệu.Ngược lại, trong phương pháp sinh học thì thể tích chất không lớn, protein sau quátrình thủy phân bằng enzyme có thể được thu hồi làm bột dinh dưỡng, thức ăn chogia súc, gia cầm, các chất khác như lipid, các sắc tố cũng được thu hồi Hơn nữa sẽhạn chế được việc xử lý môi trường Vì vậy, muốn sản phẩm chitin có được sự đồngnhất hơn về các đặc tính lý hoá thì chúng ta phải áp dụng những phương pháp xử lýnhẹ hơn như việc sử dụng enzyme.

Legarraeta và cộng sự (1996) đã sử dụng enzyme protease và vi khuẩn cókhả năng tạo protease để tách protein nhằm thay thế cho phương pháp hoá học Quátrình này giúp tận dụng tối đa giá trị của nguồn phế liệu và hạn chế ảnh hưởng đếnmôi trường Hall & De Silva (1994) đã đề xuất một phương pháp khử khoáng đơngiản bằng việc sử dụng lên men lactic như là một phương pháp bảo quản phế liệu.Phương pháp này là dạng ủ chua ban đầu được phát triển cho bảo quản phế liệu tômpandan trước quá trình chế biến ở khí hậu nhiệt đới

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHITIN-CHITOSAN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

Việc nghiên cứu về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất lý hóa ứng dụng củaChitosan đã được công bố từ những năm 30 của thế kỷ XX Những nước đã thànhcông trong lĩnh vực nghiên cứu sản xuất chitosan đó là: Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Ấn

Độ, Pháp

Cho đến nay trên thế giới đã có nhiều quy trình sản xuất chitin-chitosan, vớinhiều nguồn nguyên liệu khác nhau nhưng chủ yếu là vỏ tôm, cua, ghẹ như:[5]

1.3.1 Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học

- Quy trình của Stevens

Hình 3.Quy trình của Stevens (2002) Học Viện Công Nghệ Châu Á

Cao hơn 1%

Cao hơn 1%

Phế liệu tôm tươi

Khử protein(NaOH 4%, t = 24 giờ,

to=30oC)Kiểm tra hàm lượng protein

Khử khoáng(HCl 4%, t=24 giờ, to=30oC)Kiểm tra hàm lượng khoáng

Chitin

- Quy trình sản xuất Chitosan từ vỏ tôm hùm của Hackman:

HCl 2M

to phòng

t = 48hw/v = 1/2.5

Vỏ tôm hùmNgâm HClRửa trung tính,sấy khô, nghiền mịn

Ngâm HCl

Li tâmRửa trung tínhNgâm NaOH

Li tâmRửa trung tínhNgâm NaOH

Li tâmRửa trung tính

Rửa sạch bằng li tâm

Làm khôChitin dạng bột màu kem

NaOH 1M

to = 100oCt= 42hw/v = 1/2,5

NaOH 1M

To = 100oCT= 12hw/v = 1/2,5

HCl 2M

to phòng

t = 5hw/v= 1/10

Hình 4.Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm hùm của Hackman

Nhận xét: Quy trình này gồm nhiều công đoạn, thời gian sản xuất kéo dài 65

giờ nên chỉ có ý nghĩa trong công tác nghiên cứu thí nghiệm vì khi đưa ra sản xuấtđại trà thì thiết bị cồng kềnh, tốn kém, hóa chất đắt tiền, dễ hao hụt khi sản xuất

- Quy trình thủy nhiệt của Yamashaki và Nakamichi (Nhật Bản):

Hình 5.Quy trình nhiệt của Yamashaki và Nakamichi (Nhật Bản)

Nhận xét: Quy trình đã đơn giản hóa công đoạn, rút ngắn đáng kể thời gian

sản xuất so với các quy trình khác Hóa chất sử dụng ít (HCl và NaOH), chitosanthu được có độ tinh khiết cao Tuy nhiên sản phẩm chitosan thu được có độ nhớtthấp do nhiệt độ xử lý ở các công đoạn khá cao

1.3.2 Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học cải tiến:

Vỏ cua khôKhử chất vô cơRửa trung tínhSấy khôKhử protein và chitinRửa trung tính

HCl 2M

to=120oCt= 1h

Quy trình sản xuất của Pháp:

Hình 6.Quy trình sản xuất của Pháp

Hấp chín, phơi khôXay nhỏTách proteinRửa trung tính

NaOH 3,5%

to = 65oC

t = 2hw/v = 1/10

NaOCl 0,135%

to phòng

t = 6 phútw/v = 1/10

Ưu điểm: Quy trình sản xuất này rút ngắn được thời gian sản xuất rất nhiều.

Sản phẩm thu được rất sạch có màu trắng đẹp do đã khử được sắc tố triệt để

Nhược điểm: Do NaOCl là một chất oxy hóa mạnh nên ảnh hưởng đến mạch

polymer làm cho độ nhớt của sản phẩm giảm một cách rõ rệt Mặt khác, aceton rấtđắt tiền, tổn thất nhiều, giá thành sản phẩm cao Chưa kể đến các yếu tố an toàn sảnxuất công nghệ này khó áp dụng trong điều kiện sản xuất của nước ta hiện nay

Việc nghiên cứu sản xuất Chitosan và các ứng dụng của chúng trong sản xuấtphục vụ đời sống là một vấn đề tương đối mới ở nước ta Năm 1978 trường Đại họcThủy sản bắt đầu nghiên cứu tách chiết Chitin-Chitosan do Đỗ Minh Phụng thực hiện

- Quy trình của Đỗ Minh Phụng, Trường Đại học Thủy sản:

Nhận xét: Sản xuất chitosan theo quy trình này sản phẩm tạo thành có chất

lượng khá tốt, chitin có màu sắc đẹp Song thời gian còn dài, sử dụng nhiều chấtoxy hóa do đó dễ làm ảnh hưởng đến độ nhớt của sản phẩm

Gần đây, khi chitosan trở thành nhu cầu trong nhiều ngành công nghiệp và

có giá trị thì rất nhiều cơ quan nghiên cứu như: trường Đại học Thủy sản, Trung tâmnghiên cứu polymer – Viện khoa học Việt Nam, Xí nghiệp Thủy sản Hà Nội, Trungtâm Công nghệ và sinh học Thủy sản – Viện nghiên cứu môi trường Thủy sản 2, …

đã tập trung vào nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này Trong đó, các kết quảcông bố gần đây của các nhà khoa học thuộc trường Đại học Thủy sản Nha Trang

đã đi sâu nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất ở bước cao hơn theo hướng giảmthiểu sử dụng hóa chất trong xử lý, ứng dụng công nghệ enzyme Những kết quả đó

đã góp phần đáp ứng yêu cầu cấp bách xử lý phế liệu của tôm đông lạnh và trướcnhững yêu cầu khắc khe hơn về chất lượng của chitin, chitosan trên thị trường đầytiềm năng hiện nay

Hình 7.Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy Sản.

Nhận xét : Chitin thu được có độ trắng cao mặc dù không có công đoạn tẩy

màu Tuy nhiên, lại có nhược điểm là thời gian sản xuất kéo dài, tiêu tốn nhân công,nồng độ hóa chất sử dụng cao kết hợp với thời gian sử lý dài (công đoạn khửkhoáng) làm cắt mạch polymer trong môi trường acid dẫn đến độ nhớt giảm

Vỏ tôm khôNgâm HClRửa trung tínhNgâm NaOHRửa trung tính

HCl 6N

to phòng

t = 48hw/v = 1/2,5

NaOH 8%

to = 100oC

t = 2hw/v = 1/2,5

Tẩy màuChitinNấu trong NaOHRửa trung tínhChitosan

NaOH 40%

to = 80oC

t = 24hw/v = 1/1

- Quy trình sản xuất chitosan ở Trung tâm cao phân tử thuộc Viện khoa học Việt Nam.

Hình 8 Quy trình sản xuất Chitosan ở Trung tâm cao phân tử thuộc Viện khoa học Việt Nam

Nhận xét: Sản phẩm chitosan sản xuất theo quy trình này có màu sắc không

đẹp bằng sản phẩm theo quy trình của Đỗ Minh Phụng, thời gian thực hiện lại kéodài, nhiều công đoạn

Ngâm HClRửa trung tínhNấu trong NaOHRửa trung tínhNgâm HCl

Nấu trong NaOHRửa trung tínhNấu trong NaOH đặcChitosan

- Quy trình sản xuất Chitosan từ vỏ tôm Sú bằng phương pháp hóa học với một công đoạn xử lý kiềm (Trần Thị Luyến)

Hình 9 Quy trình sản xuất Chitosan từ vỏ tôm Sú bằng phương pháp hóa học với một công đoạn xử lý kiềm (Trần Thị Luyến, 2003)

Nhận xét: phương pháp xử lý kiềm một giai đoạn cho sản phẩm chitosan có

chất lượng không thua kém so với quy trình thông thường với hai giai đoạn xử lýkiềm tổng thời gian cần thiết giảm rất nhiều và như vậy nếu so về mặt kinh tế thịđây là phương pháp tốt hơn hẳn Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn nhược điểm

là dung dịch NaOH đặc sau khi deacetyl có màu sẫm gây khó khăn cho việc tái sửdụng Theo quy trình công nghệ này sản phẩm chitosan dạt được có các chỉ tiêuchất lượng như bảng 1

HCl 10%

to phòngt= 5hw/v = 1/5

NaOH 40%

to = 80±2oC

t = 5hw/v = 1/10Rửa trung tính

Chitosan

Bảng 1 Một số chỉ tiêu chất lượng của chitosan từ vỏ tôm sú theo phương pháp

xử lý kiềm một giai đoạn (Trần Thị Luyến, 2003)

-Quy trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thủy sản.

Quy trình của trung tâm chế biến có ưu điểm là đơn giản, không đòi hỏi máymóc thiết bị phức tạp Do đó rất dễ dàng để sản xuất lớn Tuy nhiên thời gian sảnxuất kéo dài và nồng độ hóa chất sử dụng còn khá cao, vẫn chưa có hướng xử lýnước thải từ quá trình sản xuất

Hình 10 Quy trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thủy sản

Phế liệu tômRửa sơ bộKhử khoángNgâm rửa trung tínhKhử protein

HCL 7%v/w=5/1

Tophòng

T=24h

NaOH 40%v/w10/1

To=80oCT=6,5h

Rửa trung tínhDeacetyl hóaNgâm rửa trung tínhPhơi, sấyChitosan

NaOH 6%v/w=5/1

To phòngT=24h

1.3.3 Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp sử dụng enzyme:

-Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto[27]

Hình 11 Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto (2006)

Ưu điểm: Quy trình này rút ngắn được thời gian sản xuất rất nhiều Sản phẩm

Chitin thu được có chất lượng khá tốt, màu trắng đẹp do đã khử được sắc tố trong côngđoạn chiết astaxanthin Ngoài ra còn tận thu được protein và astaxanthin mang lại hiệu quảkinh tế cao, đồng thời giảm thiểu đáng kể lượng hóa chất sử dụng

Chitin

Nhược điểm: Enzyme đắt tiền dẫn đến chi phí giá thành sản phẩm cao.

- Quy trình sử dụng Enzyme papain để sản xuất chitosan (Trần Thị Luyến, 2003)[6]

Hình 12 Quy trình sử dụng Enzyme papain để sản xuất chitosan

(Trần Thị Luyến, 2003)

Rửa trung tínhKhử protein

HCl 10%

To phòng

T = 5hw/v = 1/10

HCl 10%

To phòng

T = 5hw/v = 1/5

Rửa sạch

DeacetylRửa trung tínhLàm khô

ChitosanChitin

Rửa trung tính

Bảng 2 Một số chỉ tiêu chất lượng của chitosan sản xuất theo quy trình Papain (Trần Thị Luyến, 2003)

Nhận xét : Quy trình papain cho sản phẩm có độ nhớt cao hơn các quy trình

khác Đặc biệt độ deacetyl, độ tan và hiệu suất của quy trình có ưu thế hơn hẳn.Nhưng để nâng cao chất lượng của chitosan có thể sử dụng enzyme papain thay thếcho NaOH để khử protein trong vỏ tôm Đặc biệt dịch thủy phân thu được sử dụngcho các mục đích thu hồi protein và tận dụng, điều đó chắc chắn mang lại hiệu quảcao Tuy nhiên, cần nghiên cứu quy trình xử lý tận dụng dịch thủy phân này Cầntiếp tục nghiên cứu và sản xuất enzyme deacetylase để thay thế hoàn toàn choNaOH đặc trong công đoạn deacetyl

Gần đây Đề tài “ Nghiên cứu tách chiết Chitin từ đầu-vỏ tôm bằng cácphương pháp sinh học (Sử dụng Bromelanin trong dịch ép vỏ dứa) do tác giảNguyễn Văn Thiết và Đỗ Ngọc Tú thực hiện nhằm thu nhận chitin từ phế liệu đầu

vỏ tôm bằng phương pháp công nghệ enzyme.[12][13]

Nguyên liệu để phục vụ thí nghiệm bao gồm: phụ phẩm đầu và vỏ tôm khô (NamĐịnh), phụ phẩm sau khi mua về được sấy lại cho khô giòn ở nhiệt độ 40oC rồi nghiền nhỏthành bột để thu nhận chitin Vỏ dứa được thu mua ở chợ Nghiên cứu thử nghiệm táchchiết chitin bằng phương pháp hóa học Kết quả cho thấy, lượng chitin trung bìnhthu được từ 100g nguyên liệu bột đầu – vỏ tôm khô là 7,4-7,5 g Kết quả này thấphơn nhiều so với các số liệu công bố trong các tài liệu khác Nguyên nhân là donhóm nghiên cứu đã sử dụng đầu vỏ tôm chứa nhiều thịt Hiệu suất thu hồi chitinphụ thuộc vào mẫu nguyên liệu đó chứa nhiều hay ít protein

Tiếp tục tách chiết chitin nhờ sử dụng enzyme bromelanin, tác giả cho rằng,việc xử lý bột vỏ tôm với dịch ép bã dứa không chỉ loại được phần lớn lượng

protein của vỏ tôm mà còn loại được hết các chất khoáng trong vỏ tôm Dịch ép bãdứa có nhiều axit hữu cơ có phản ứng với các chất khoáng trong vỏ tôm Phươngpháp này tỏ ra có nhiều ưu điểm như: không cần axit để loại khoáng, tiêu tốn ít xútcho loại protein, hiệu quả thu hồi chitin cao hơn, chất lượng phế phẩm chitin nhậntốt hơn và ít gây ô nhiễm môi trường hơn Nhược điểm duy nhất của phương pháp

là mất nhiều thời gian thực hiện quy trình

PHẦN 2 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 NGUYÊN VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU

2.1.1 Nguyên liệu đầu tôm

Đầu tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) được chọn là đối tượng nghiên

cứu Đầu tôm được lấy từ nguyên liệu tôm Thẻ chân trắng chế biến tại Công ty Cổphần Nha Trang Seafoods (F17), Khánh Hòa Nguyên liệu sau khi lấy được vậnchuyển ngay bằng thùng xốp cách nhiệt có nhiệt độ < 5oC về phòng thí nghiệm.Nguyên liệu trước khi sử dụng được rửa sạch, để ráo trong thời gian 5 phút Trongtrường hợp chưa làm ngay thì rửa sạch → bao gói → bảo quản đông ở điều kiệnnhiệt độ -20oC tại phòng thí nghiệm Trung tâm Công nghệ sinh học và Môi trường

2.1.2 Enzyme Protease[15]

Đề tài sử dụng enzyme Alcalase được mua tại công ty Novozyme, Tp HồChí Minh Enzyme Alcalase 2.4 FG thu được từ Bacillus licheniformis Đây làenzyme được phân tách và tinh sạch từ nguồn vi sinh vật Sử dụng enzyme Alcalasecho phép điều chỉnh dễ dàng độ thủy phân, tính toán được lượng base yêu cầu đểduy trì pH không đổi trong suốt quá trình thủy phân Chọn enzyme này cũng dựatrên đặc trưng của nó cho khả năng không hút nước của các amino acid vào giaiđoạn cuối, dẫn đến sản phẩm thủy phân không có vị đắng (Adler-Nissen, 1986),đồng thời sản phẩm có sự cân bằng tốt các amino acid thiết yếu (Kristinsson vàRasco, 2000)

Hoạt tính 2,4 AU-A/g

Nhiệt độ bảo quản tốt nhất là 0÷10oC

Điều kiện hoạt động tối ưu cho enzyme Alcalase AF 2.4 L: pH = 8

Nhiệt độ: 50 ÷ 60 oC (122 ÷ 1400F)

DH (%) tối đa 15 ÷ 25

Để kiểm soát đặc tính chức năng của sản phẩm thủy phân thì nên dừng phảnứng enzyme gần với DH % xác định Tất cả protease có thể bị bất hoạt bằng cách