Đánh giá ảnh hưởng của tính chất nguyên liệu đầu vào đến hiệu quả khử protein bằng NaOH trong qui trình sản xuất chitin

Một số nghiên cứu đã cho thấy đầu và vỏ tôm có đặc điểm cấu tạo và thành phần hoá học khác nhau đáng kể, nhưng trong các qui trình sản xuất chitin hiện nay ở nước ta hai đối tượng này vẫ

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt đề tài này là nhờ sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô và bạn

bè Qua đây em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô, Thạc sĩ Ngô Thị Hoài Dương, người đã tận tình truyền đạt những kiến thức trong quá trình học tập và trực tiếp

hướng dẫn, chỉ bảo những kinh nghiệm quý báu để em hoàn thành tốt đề tài

Em xin bày tỏ lòng biết ơn trân trọng nhất tới các thầy cô trong khoa chế biến

đã nhiệt tình truyền đạt cho em những kiến thức trong những năm học vừa qua Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy, cô phụ trách phòng thí nghiệm Hóa-Vi sinh thực phẩm, cùng thầy cô bộ môn công nghệ chế biến, viện công nghệ sinh học và môi trường trường Đại học Nha Trang đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian thực

tập

Chân thành cảm ơn các bạn sinh viên lớp 50CB, cùng toàn thể các bạn sinh

viên thực tập tại phòng thí nghiệm đã nhiệt tình giúp đỡ động viên em

Nha Trang tháng 07 năm 2012

Sinh viên Nguyễn Văn Mạnh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN I MỤC LỤC II DANH MỤC .IV

CHƯƠNG 1:TỔNGQUAN 3

1.1 NGUỒN PHẾ LIỆU TÔM VÀ CÁC HƯỚNG TẬN DỤNG 3

1.1.1 Nguồn phế liệu tôm 3

1.1.2 Cấu tạo và thành phần hóa học của phế liệu tôm [1] 4

1.1.3 Các hướng tận dụng của nguồn phế liệu tôm 7

1.2 TỔNG QUAN VỀ CHITIN 8

1.2.1 Nguồn gốc và sự tồn tại của chitin trong tự nhiên [1] 8

1.2.2 Cấu tạo và tính chất chitin 9

1.2.3 Ứng dụng của chitin - chitosan [5] 11

1.2.4 Công nghệ sản xuất chitin 13

CHƯƠNG 2:ĐỐITƯỢNGVÀPHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU 25

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 25

2.1.1 Phế liệu vỏ, đầu tôm 25

2.1.2 Hóa chất nghiên cứu 25

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.2.1 Phương pháp thu nhận mẫu 25

2.2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm: 25

2.2.3 Phương pháp phân tích và xác định các chỉ tiêu 29

2.2.4 Thiết bị 29

CHƯƠNG 3:KẾTQUẢNGHIÊNCỨUVÀTHẢOLUẬN 30

3.1 Kết quả nghiên cứu quá trình khử protein cho vỏ 30

3.1.1 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình khử protein trên vỏ 30

3.1.2 Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên vỏ 32

3.2 Kết quả nghiên cứu quá trình khử protein cho đầu - vỏ tôm 37

3.2.1 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình khử protein trên đầu - vỏ tôm 37

3.2.2 Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên đầu-vỏ 40

3.3 Kết quả nghiên cứu quá trình khử protein cho đầu 44

3.3.1 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình khử protein trên đầu 44

3.3.2 Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên đầu 46

3.4 So sánh chế độ khử protein tối ưu của đầu, vỏ, và đầu - vỏ 51

KẾTLUẬNVÀĐỀXUẤTÝKIẾN 53

TÀILIỆUTHAMKHẢO 54

PHỤLỤC 56

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ tổng hợp các hướng tận dụng phế liệu tôm 8

Hình 1.2 .Cấu tạo của Chitin 10

Hình 1.3 Sự sắp xếp của chuỗi polymer của α-chitin, β-chitin và γ-chitin 10

Hình 1.4 Chitosan và glucosamine tạo thành từ sự thủy phân chitin 11

Hình 1.5 Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất chitin, chitosan từ phế liệu thủy sản 13

Hình 1.6 Quy trình sản xuất của Pháp 17

Hình 1.7 Quy tình sản xuất của Stevens, Viện công nghệ Châu Á (AIT), Thái Lan (2002) 18

Hình 1.8 Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy sản Nha Trang 19

Hình 1.9 Quy trình sản xuất chitin và chitosan của Trang Sĩ Trung, Đại học Nha Trang (2006) 20

Hình 1.10 Quy Trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thủy sản 21

Hình 1.11 Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto 22

Hình 1.12 Quy trình sử dụng Enzyme papain để sản xuất chitosan (Trần Thị Luyến, 2003) 23

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 26

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng và tương tác của các yếu tố nghiên cứu 31 Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn theo thí nghiệm 36

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn xác suất phân phối chuẩn theo độ lệch chuẩn 36

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng và tương tác của các yếu tố nghiên cứu 39 Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn xác suất phân phối chuẩn theo độ lệch chuẩn 43

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng và tương tác của các yếu tố nghiên cứu 45 Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn theo thí nghiệm 50

Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn xác suất phân phối chuẩn theo độ lệch chuẩn 50

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn phương trình đường chuẩn của phương pháp Microbiuret 59

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần khối lượng của một số loài tôm 4

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của đầu và vỏ tôm sú 6

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của đầu và vỏ tôm thẻ chân trắng 6

Bảng 1.4 Tổng hợp điều kiện khử protein trong quá trình sản xuất chitin từ các nguồn phế liệu khác nhau 15

Bảng 1.5 Tổng hợp các thông số của công đoạn khử protein –của một số nghiên cứu trong và ngoài nước 24

Bảng 2.1 Ma trận thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố 27

Bảng 2.2 Ma trận thí nghiệm tối ưu công đoạn khử protein bằng NaOH 28

Bảng 3.1 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố 30

Bảng 3.2 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khi xử lý NaOH với vỏ tôm thẻ chân trắng 31

Bảng 3.3 Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên vỏ 32

Bảng 3.4 Kết quả phân tích dự đoán mô hình 33

Bảng 3.5 Kết quả phân tích ANOVA 33

Bảng 3.6 Kết quả phân tích các chỉ số thống kê ứng với mô hình lựa chọn 35

Bảng 3.7 Kết quả chọn chế độ tối ưu trên phần mềm DX 37

Bảng 3.8 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố 37

Bảng 3.9 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khi xử lý NaOH với đầu + vỏ tôm thẻ chân trắng 38

Bảng 3.10 Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên đầu-vỏ 40

Bảng 3.11 Kết quả phân tích dự đoán mô hình 41

Bảng 3.12 Kết quả phân tích ANOVA 41

Bảng 3.13 Kết quả phân tích các chỉ số thống kê ứng với mô hình lựa chọn 42

Bảng 3.14 Kết quả chọn chế độ tối ưu trên phần mềm DX 44

Bảng 3.15 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố 44

Bảng 3.16 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khi xử lý NaOH với đầu tôm thẻ

chân trắng 45

Bảng 3.17 Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên đầu 46

Bảng 3.18 Kết quả phân tích dự đoán mô hình 47

Bảng 3.19 Kết quả phân tích ANOVA 48

Bảng 3.20 Kết quả phân tích các chỉ số thống kê ứng với mô hình lựa chọn 49

Bảng 3.21 Kết quả chọn chế độ tối ưu 51

Bảng 3.22 Tổng hợp chế độ tối ưu cho hiệu quả khử cao nhất 51

Bảng 3.23 Bảng tối ưu khi cố đinh hiệu quả khử protein ở 97.42% 52

Bảng 3.23 cho thấy với cùng hiệu suất thu được như nhau nhưng với các đối tượng khác nhau cho chế độ khử khác nhau 52

Bảng 3.24 Bố trí thí nghiệm chạy đường chuẩn của ph ương pháp Microbiuret 58

Bảng 3.25 Kết quả đo OD330nm 59

Bảng 3.26 Thành phần khối lượng của tôm thẻ chân trắng 60

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Là một trong những ngành kinh tế trọng tâm của nền kinh tế quốc dân, ngành Thuỷ sản trong những năm gần đây đã đạt được những thành tựu quan trọng về nuôi trồng, chế biến thuỷ sản cũng như xuất nhập khẩu, trong đó lĩnh vực chế biến tôm xuất khẩu đóng góp một vai trò đáng kể Mặc dù đã có sự quan tâm cải tiến công nghệ, đa dạng hoá mặt hàng để khai thác triệt để nguồn lợi giáp xác nuôi trồng và đánh bắt được nhưng tỷ lệ nguyên liệu còn lại trong chế biến tôm còn khá cao, khoảng 30-40%, đòi hỏi phải được xử lý để tận thu nhằm hạn chế tổn thất và ô nhiễm môi trường

Nguyên liệu còn lại trong quá trình chế biến tôm gồm có đầu, vỏ và thịt vụn, trong đó đầu và vỏ tôm có thể sử dụng để sản xuất chitin và chitosan mang lại giá trị kinh tế cao Một số nghiên cứu đã cho thấy đầu và vỏ tôm có đặc điểm cấu tạo và thành phần hoá học khác nhau đáng kể, nhưng trong các qui trình sản xuất chitin hiện nay ở nước ta hai đối tượng này vẫn được xử lý chung trong cùng một qui trình Điều này có thể dẫn đến việc sử dụng lượng hoá chất không hợp lý và ảnh hưởng xấu đến chất lượng của chitin thu được

Thực tế cho thấy trong dây chuyền sản xuất tôm, đầu và vỏ tôm hoàn toàn có thể tách riêng một cách dễ dàng vì vậy việc áp dụng chế độ xử lý theo đặc điểm riêng của từng đối tượng là cần thiết và khả thi nhằm kiểm soát lượng hoá chất sử dụng và hạn chế tác động không có lợi đến tính chất của chitin thành phẩm

Xuất phát từ thực tế trên, được sự đồng ý của Chủ nhiệm Khoa Công Nghệ

Thực Phẩm, Trường Đại học Nha Trang, đề tài: “Đánh giá ảnh hưởng của tính chất nguyên liệu đầu vào đến hiệu quả khử protein bằng NaOH trong qui trình sản xuất chitin” đã được thực hiện

2 Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu tối ưu hóa công đoạn khử protein trong quy trình sản xuất chitin cho riêng đầu; vỏ; và đầu + vỏ tôm thẻ chân trắng Từ đó, đề xuất chế độ khử protein hợp lý cho từng đối tượng,

3 Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình khử protein trên vỏ, đầu, và đầu + vỏ tôm

- Tối ưu hóa công đoạn khử protein cho vỏ tôm bằng NaOH

- Tối ưu hóa công đoạn khử protein cho đầu tôm bằng NaOH

- Tối ưu hóa công đoạn khử protein cho đầu - vỏ tôm bằng NaOH

- Đề xuất chế độ khử protein hợp lý riêng cho đầu, vỏ, và đầu-vỏ

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng bên cạnh một số kết quả đạt được đề tài vẫn còn có rất nhiều thiếu sót Kính mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô

và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Nha Trang, tháng 07 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Mạnh

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 NGUỒN PHẾ LIỆU TÔM VÀ CÁC HƯỚNG TẬN DỤNG

1.1.1 Nguồn phế liệu tôm

Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tôm 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 trong những năm gần đây và trở thành ngành kinh tế mũi nhọn Năm 2008 Kim ngạch xuất khẩu thủy sản đạt 4,27 tỉ USD Năm 2009 kim ngạch xuất khẩu cả năm ước đạt 4,3 tỷ USD Năm 2010 xuất khẩu thủy sản trên 5 tỷ USD, tăng 18% so với năm 2009 Đây

là lần đầu tiên xuất khẩu tôm của Việt Nam vượt 2 tỷ USD, với 241.000 tấn, tăng 13,4% về khối lượng và 24,4% về giá trị so với 209.567 tấn và 1,675 tỷ USD của năm

2009 Năm 2011, XK thủy sản của Việt Nam đạt 6,1 tỷ USD, tăng 21% so với năm

2010 và tăng gấp hơn 3 lần so với mức 2 tỷ USD năm 2002, XK tôm của Việt Nam tiếp tục tăng trưởng mạnh với giá trị năm 2011 đạt gần 2,4 tỷ USD, trong đó XK tôm

sú chiếm 59,7% tổng giá trị, XK tôm chân trắng chiếm 29,3%, còn lại là tôm các loại khác

Theo thống kê của Trung tâm Nghiên cứu Chế biến Thủy sản, Đại học Nha Trang sản thì lượng phế liệu năm 2004 tại Việt Nam ước tính khoảng 45.000 tấn phế liệu, năm 2005 tính riêng cho phế liệu tôm ước tính khoảng 70.000 tấn/năm [9] Đến năm 2008, các nhà máy chế biến thủy sản xuất khẩu chế biến khoảng 200.000 tấn tôm/năm, quá trình chế biến tôm tạo ra một lượng phế liệu (đầu, vỏ) khoảng 100.000 tấn [13]

Phần lớn tôm được đưa vào chế biến dưới dạng tôm vỏ bỏ đầu hoặc tôm lột PTO Từ thực tế trên ta thấy chất rắn thải trong sản xuất sản phẩm tôm chủ yếu là đầu

và vỏ nhưng tỷ lệ đầu tôm cao hơn Phần đầu chiếm 34 ÷ 45%, phần vỏ 10 ÷ 15% trọng lượng tôm nguyên liệu[2] Sản lượng xuất khẩu tôm ngày càng cao thì lượng phế thải ra càng lớn Phế liệu đầu và vỏ tôm chiếm 50- 70% nguyên liệu ban đầu (Đỗ Văn Nam và cộng sự, 2005: Shahidi và Synowiecki, 1991) Nguồn phế liệu tôm này nếu biết tận dụng triệt để sẽ mang lại nguồn lợi khổng lồ Nó không chỉ đem lại giá trị kinh tế cao mà còn có ý nghĩa bảo vệ môi trường Thành phần phế liệu đầu và vỏ một số loài tôm ở Bảng 1.1

Bảng 1.1 Thành phần khối lượng của một số loài tôm:[3]

1.1.2 Cấu tạo và thành phần hóa học của phế liệu tôm [1]

1.1.2.1 Cấu tạo vỏ tôm

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

Lớp biểu bì, lớp màu, lớp canxi hóa cứng do sự lắng đọng của canxi Lớp màu, lớp canxi hóa, lớp không bị canxi hóa chứa chitin nhưng lớp biểu bì thì không Ta gọi các lớp có chứa chitin là lớp endocuticle

- Lớp biểu bì (epicuticle): Những nghiên cứu cho thấy lớp màng này nhanh chóng bị biến đỏ bởi fuxin, có điểm pH=5,1 không chứa chitin Nó khác với các lớp

vỏ còn lại, bắt màu với anilin xanh Lớp epicuticle có lipid vì thế nó cản trở tác động của acid ở nhiệt độ thường trong công đoạn khử khoáng bằng acid hơn là các lớp bên trong Màu của lớp này thường vàng rất nhạt có chứa polyphenol-oxidase và bị hóa cứng bởi quinone-tanin Lớp epicuticle liên kết với một số màng mỏng bên ngoài cản trở hòa tan ngay cả trong môi trường acid đậm đặc do nó có chứa các mắt xích paratin mạch thẳng

- Lớp màu: Tính chất của lớp này do sự có mặt của những thể hình hạt của vật chất mang màu giống dạng melanin Chúng gồm những túi khí hoặc những không bào Một vài vùng xuất hiện những hệ thống rãnh thẳng đứng có phân nhánh, là con đường cho canxi thẩm thấu vào

- Lớp canxi hóa: Lớp này chiếm phần lớn vỏ, thường có màu xanh trải đều khắp, chitin ở trạng thái tạo phức với canxi

- Lớp không bị canxi hóa: Vùng trong cùng của lớp vỏ được tạo thành bởi một phần tương đối nhỏ so với tổng chiều dày bao gồm các phức chitin-protein bền vững không có canxi và quinone

1.1.2.2 Thành phần hóa học của phế liệu tôm

Thành phần hóa học chiếm tỉ lệ đáng kể trong phế liệu tôm là protein, chitin, khoáng, enzyme và sắc tố Trong đó đầu tôm có hàm lượng protein chiếm khoảng 50%, trong khi vỏ chỉ chiếm khoảng 22% Ngoài ra, một số loài tôm trong vỏ, đầu có hàm lượng lipid tương đối cao (trên 10%) thì cần phải lưu ý công đoạn xử lý lipid Thông thường lượng lipid này cũng được loại đi trong công đoạn khử protein Thành phần khoáng của phế liệu tôm, cua, ghẹ, nang mực chủ yếu là Ca; ngoài ra có P, K,

Mg, Mn và Fe

Đối với tôm sú ta có bảng thành phần ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của đầu và vỏ tôm sú [3]

Trong thời gian gần đây, việc nuôi tôm thẻ chân trắng (Penaaus vannamei)

thương phẩm phát triển mạnh, nguồn phế liệu tôm thẻ trở thành nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin Tương tự như phế liệu tôm sú, thành phần protein trong phế liệu tôm thẻ tương đối cao

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của đầu và vỏ tôm thẻ chân trắng[3][4]

Kết quả ở Bảng 1.3 cho thấy đầu tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) có

hàm lượng protein cao hơn đáng kể so phần vỏ Vì vậy, trong quá trình sản xuất chitin từ phế liệu tôm thẻ cần lưu ý đến đặc điểm này

Protein trong phế liệu tôm thường là loại protein không hoà tan do đó khó tách

ra khỏi vỏ, tồn tại dưới 2 dạng [2]: Dạng tự do tồn tại trong nội tạng và trong các cơ thịt tôm, dạng phức tạp ở dạng này protein không hòa tan và thường liên kết với chitin, canxi carbonate, với lipid tạo lipoprotein, với sắc tố tạo protein-carotenoid… như một phần thống nhất quyết định tính bền vững của vỏ tôm

Chitin: Tồn tại dưới dạng liên kết với protein, khoáng và nhiều hợp chất hữu

cơ khác, đây là nguyên nhân gây khó khăn cho việc tách và tinh chế chúng

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

Sắc tố: Trong vỏ tôm có nhiều loại sắc tố nhưng chủ yếu là astaxanthin Trong

vỏ và đầu tôm thì astaxanthin kết hợp với protein một cách chặt chẽ Cũng nhờ có liên kết này mà thành phần astaxanthin trong vỏ tôm được bảo vệ Khi liên kết astaxanthin–protein không còn nữa thì astaxanthin sẽ dễ dàng bị oxy hoá tạo thành astaxin

Enzyme: Phế liệu tôm cũng có chứa một số enzyme Trong đầu tôm có chứa enzyme tiêu hoá chymotrypsin, nó được sử dụng trong điều trị bệnh ung thư Một vài loại enzyme khác có mặt trong phế liệu tôm gồm alkaline phosphatase, chitinase, -N-acetyl glucosamidase cũng được ứng dụng nhiều trong thực tế Hoạt độ enzyme protease của đầu tôm khoảng 6,5 đơn vị hoạt độ/g tươi [12]

Ngoài các thành phần chủ yếu ở trên, trong vỏ đầu tôm còn có các thành phần khác như: Nước, lipid, photpho…

Từ thành phần hoá học của nguồn phân loại tôm ta thấy có thể tận dụng nguồn phế liệu này làm thức ăn chăn nuôi hoặc sản xuất chitin và chitosan để vừa góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế vừa góp phần giảm sự ô nhiễm môi trường do nguồn phế liệu tôm được thải ra

1.1.3 Các hướng tận dụng của nguồn phế liệu tôm

Phế liệu tôm có thể tận dụng để thu hồi protein, astaxanthin, chitin, chitosan và enzyme protease Qua nhiều tài liệu khoa học, có thể tổng kết các lĩnh vực ứng dụng khác nhau của phế liệu tôm ở sơ đồ hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ tổng hợp các hướng tận dụng phế liệu tôm

1.2 TỔNG QUAN VỀ CHITIN

1.2.1 Nguồn gốc và sự tồn tại của chitin trong tự nhiên [1]

Chitin được tách chiết lần đầu tiên vào năm 1811 bởi nhà dược hóa học người Pháp Henri Braconnot từ nấm (Braconnot, 1811)

Chitin là polymer hữu cơ phổ biến trong tự nhiên sau cellulose, chúng được tạo ra trung bình 20g trong 1 năm/1m2 bề mặt trái đất Trong thiên nhiên chitin tồn tại ở cả động vật và thực vật

Trong giới 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

Thức ăn gia súc Phế liệu tôm Chiết rút enzyme

Chiết rút astaxanthin

Sản xuất thức ăn cho tôm,

cá, gia súc

Ứng dụng trong công nghiệp dược Deacety hóa

Chitosan

Ứng dụng trong các ngành khác

Ứng dụng trong nông nghiệp

Ứng dụng trong công nghiệp sinh học

Ứng dụng trong công nghiệp dược

Công nghiệp dược

thực vật, chitin có trong vách tế bào của nấm và một số loài tảo chlorophyceae Chitin tồn tại trong tự nhiên ở dạng tinh thể Nó có cấu trúc gồm nhiều phân tử được nối với nhau bằng cầu nối hydro và tạo thành một hệ thống dạng 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 và enzyme Do đó nó gây khó khăn cho việc tách chiết và tinh chế Tùy thuộc vào đặc tính 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 động vật thủy sản đặc biệt là vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin chiếm

tỉ lệ khá cao, từ 14-35% so với trọng lượng khô Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu tiềm năng sản xuất chitin-chitosan và các sản phẩm từ chúng

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 của mối chúa

Ngày nay chitin – chitosan có rất nhiều ứng dụng trong đời sống vì vậy việc nghiên cứu và sản xuất ngày càng có ý nghĩa quan trọng

1.2.2 Cấu tạo và tính chất 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 1.2 .Cấu tạo của Chitin

Tính chất của chitin phụ thuộc vào cấu trúc của chitin Người ta chia cấu trúc chitin thành ba dạng: α-chitin, β-chitin, γ-chitin (Hackman và Goldberg, 1965) Cấu trúc của chitin ở các dạng trên xuất phát từ nguồn chiết rút chitin, chitin từ tôm

và cua có dạng α-chitin, còn chitin từ mực có dạng β-chitin Ba dạng chitin nêu trên

có sự khác nhau về tính hydrat hóa, kích thước của mỗi đơn vị cấu trúc và số mạch chitin trong mỗi đơn vị cấu trúc α-chitin có độ rắn phân tử cao nhất và ở dạng rắn chắc và các mạch chitin sắp xếp song song nhưng ngược chiều nhau (Carlsstrom, 1957) β-chitin bao gồm các mạch chitin song song cùng chiều nhau, có

độ rắn thấp, tính hydrat hóa cao γ-chitin sắp xếp cứ 2 mạch song song cùng chiều thì có một mạch ngược chiều Trong tự nhiên, α-chitin có mặt nhiều nhất và thường rất cứng Trong khi β-chitin, γ-chitin thì tạo nên tính dai, dẻo (Rudall & Kenching, 1973) [18]

Hình 1.3 Sự sắp xếp của chuỗi polymer của α-chitin, β-chitin và γ-chitin

Chitin có màu trắng, cũng giống cellulose, chitin có tính kỵ nước cao (đặc biệt đối với α-chitin) và không tan trong nước, trong kiềm, trong acid loãng và các dung môi hữu cơ như ete, rượu Tính không tan của chitin là do chitin có cấu trúc chặt chẽ, có liên kết trong và liên kết phân tử mạnh thông qua các nhóm hydroxyl

và acetamide (Urbanczyk và cộng sự, 1997) Tuy nhiên, β-chitin, không giống như chitin, có tính trương nở với nước cao (Blackwel, 1969) [18]

α Chitin hòa tan được trong dung dịch acid đậm đặc như HCl, H3PO4 và dimethylacetamide chứa 5% lithium chloride

- Chitin tự nhiên có độ deacetyl dao động trong khoảng từ 8-12%, phân tử lượng trung bình lớn hơn 1 triệu dalton Tuy nhiên, chitin chiết rút từ vi sinh vật thì

có phân tử lượng thấp, chỉ khoảng vài chục ngàn dalton

- Khi đun nóng chitin trong dung dịch NaOH đặc thì chitin bị khử mất gốc acetyl tạo thành chitosan

- Khi đun nóng chitin trong dung dịch HCl đặc thì chitin sẽ bị thủy phân tạo thành các phân tử glucosamine có hoạt tính sinh học cao Khi đun nóng chitin trong HCl đậm đặc tạo thành 88,5% D-glucosamine và 22,5% acid acetic

Hình 1.4 Chitosan và glucosamine tạo thành từ sự thủy phân chitin

1.2.3 Ứng dụng của chitin - chitosan [5]

1.2.3.1 Trong công nghiệp thực phẩm

Trong công nghệ thực phẩm, chitin đặc biệt là chitosan là những hợp chất polyme tự nhiên an toàn với những tính chất đặc trưng như khả năng kháng nấm, kháng khuẩn, chống ôxy hóa, tạo màng , tạo gel, làm trong nên chitosan được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực cộng nghệ chế biến và bảo quản thực phẩm

- Tạo màng, chống biến nâu, chống mất nước, hạn chế hao hụt trọng lượng, kháng nấm bảo quả trái cây như dâu , vải, nhãn, na, xoài, thăng long

- kháng khuẩn, kháng nấm, chống ôxy hóa trong bảo quản và chế biến thịt, cá, đậu, đậu phụ, bánh mỳ

- chitosan làm chất trợ lắng trong công nghệ sản xuất nước quả và rượu

1.2.3.2 Ứng dụng trong nông nghiệp

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 chống bệnh đạo ôn, khô vằn cho lúa

1.2.3.3 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

1.2.3.4 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 nh ư: Thuốc điều trị liền vết thương, vết phỏng, vết mổ vô trùng, thuốc bổ d ưỡng cơ thể: Hạ lipid và cholesterol máu, thuốc chữa bệnh đau dạ dày, tiểu đường, xưng khớp, viêm khớp, viêm x ương, loãng xương, chống đông tụ máu, kháng nấm, kháng khuẩn, điều trị suy giảm miễn dịch, có khả năng hạn chế sự phát triển của tế bào u, tế bào u ng thư và chống HIV Dùng làm vật liệu y sinh: Da nhân tạo, màng sinh học, chất nền cho da nhân tạo, chỉ khâu 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…

1.2.3.5 Trong công nghiệp

Vải col dùng cho may mặc, vải chịu nhiệt, chống thấm, vải chitosan dùng cho may quần áo diệt khuẩn trong y tế…

Phế liệu Khử khoáng Khử protein Tẩy màu chitin Deacetyl hóa Chitosan

1.2.3.6 Trong công nghệ in ấn

Dùng làm mực in cao cấp trong công nghệ in, tăng cường độ bám dính của mự in…

1.2.3.7 Trong công nghệ môi trường

Chitin – chitosan được ứng dụng khá phổ biến trong xử lý môi trường nhờ khả năng hấp phụ, tạo phức với các ion kim loại (pb, Hg, Cd, Fe, Cu, ), các chất màu, khả năng keo tụ, tạo bông rất tốt với các chất hữu cơ Do đó chitin, chitosan được sữ dụng như một nhóm tác nhân chính để xử lý nước thải (hiranp, 1996; matteus, 1997; synowwiecki và Ali-Khateeb, 2003) nhuộm vải, xử lý nước trong công nghiệp nuôi tôm, cá…

1.2.4 Công nghệ sản xuất chitin

Quy trình hóa học sản xuất chitin thông thường gồm công đoạn tách khoáng, tách protein, và tẩy màu Công đoạn tẩy màu ở các nước nhiệt đới như Việt Nam thường thực hiện kết hợp với quá trình phơi khô sản phẩm chitin dưới ánh nắng mặt trời Chitosan được sản xuất từ chitin qua quá trình tách nhóm acetyl (deacetylation) Tất cả các công đoạn trên đều được xử lý bằng hóa chất, tùy theo loại nguyên liệu, công nghệ, và yêu cầu về chất lượng sản phẩm chitin và chitosan mà các điều kiện xử

lý sẽ khác nhau Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất chitin, chitosan từ phế liệu thủy sản được trình bày ở Hình 1.5

Hình 1.5 Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất chitin, chitosan từ phế liệu thủy sản

- Khử khoáng: Quá trình khử khoáng được thực hiện bằng việc sử dụng HCl hoặc acid hữu cơ khác hoặc kết hợp cả hai ở nhiệt độ phòng với cơ chế như sau:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O

Ca3(PO4)2 + 6HCl = 3CaCl2 + 2H3PO4Nồng độ acid: Nồng độ acid quá thấp sẽ không khử được hết khoáng dẫn đến sản phẩm còn nhiều tạp chất Nồng độ quá cao sẽ gây đứt mạch chitin, giảm chất lượng sản phẩm

Tỉ lệ acid/nguyên liệu: Nếu quá nhỏ thì sẽ không khử hết khoáng, nếu quá lớn

sẽ ảnh hưởng xấu đối với mạch, tốn chi phí

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

- Rửa trung tính: Công đoạn này có tác dụng rữa trôi hết lượng CaCl2 tạo thành, loại bỏ HCl dư bởi vì lượng HCl nếu còn sẽ trung hòa làm tốn lượng NaOH cho công đoạn khử protein hay deacetyl Trong quá trình rửa cũng có phần nào sắc tố

bị rửa trôi

- Khử protein:[5]

Quá trình khử protein từ phế liệu thủy sản có thể được thực hiện với nhiều loại hóa chất như NaOH, Na2CO3, Na2HCO3, KOH, K2CO3, Ca(OH)2 Tuy nhiên NaOH được sử dụng nhiều nhất, nồng độ tù 1 – 10%, ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ cao, có khi lên đến 1000C Thời gian xử lý từ vài giờ đến vài ngày

Bảng 1.4 Tổng hợp điều kiện khử protein trong quá trình sản xuất chitin từ các

nguồn phế liệu khác nhau [5]

Quá trình khử protein thường kèm theo quá trình khử lipid do lipid có thể phản ứng với kiềm tạo thành xà phòng theo phương trình phản ứng sau:

Đối với quá trình khử protein, nhiệt độ đóng vai trò qua trọng, ở nhiệt độ thường quá trình tách protein diễn ra chậm, thời gian thủy phân 1 đến vài ngày Khi nâng nhiệt nhiệt độ xử lý thì thời gian cần thiết để tách protein giảm đáng kể Để rút ngắn thời gian tách protein còn vài giờ thì nhiệt độ cần đạt khoảng 90 – 1000C Ngoài

ra tỷ lệ phế liệu với dung dịch hóa chất đóng vai trò quyết định hiệu quả tách protein Tuy nhiên cũng lưu ý là sử dụng nhiệt độ cao hoặc thời gian dài sẽ dẫn đến quá trình cắt mạch sản phẩm chitin

Trong phế liệu tôm và cua có chứa một lượng lớn chất màu (astaxanthin) vì vậy để chitin có màu trắng, đẹp thì cần có một công đoạn tẩy màu Việc tẩy màu này

có thể thực hiện bằng cách phơi dưới ánh sáng mặt trời hoặc xử lý bằng các chất tẩy màu thông dụng Theo Roberts (1998) thì phương pháp tẩy màu đơn giản nhất là sử dụng H2O2 hoặc NaOCl Tuy nhiên, quá trình tẩy màu bằng hóa chất thường đi kèm với quá trình cắt mạch chitin nên dẫn đến chitosan có phân tử lượng thấp, độ nhớt thấp Vì vậy, chế độ tẩy màu cần phải được nghiên cứu lựa chọn phù hợp để hạn chế quá trình cắt mạch chitin Quá trình tẩy màu cần tiến hành nhanh, sử dụng nồng độ thích hợp cho từng loại nguyên liệu Thông thường quá trình tẩy màu chỉ sử dụng đối với phế liệu tôm vì hàm lượng sắc tố cao, còn đối với xương mực thì không cần thiết phải có bước tẩy màu

1.2.4.2 Công nghệ sản xuất chitin-chitosan bằng phương pháp hoá học

a Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm của Pháp[1]

Hình 1.6 Quy trình sản xuất của Pháp

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 rất đắt

Vỏ tôm Hấp chín phơi khô Xay nhỏ Tách protein Rửa trung tính Ngâm HCl

Ngâm aceton

Ngâm NaOCl Rửa trung tính

HCl = 1N

to phòng

t = 2h w/v = 1/10

to phòng

T = 30 phút w/v = 1/5 NaOCl 0,135%

to phòng

t = 6 phút w/v = 1/10

NaOH 40%

to = 85oC

t = 4h

tiền, tổn thất nhiều, giá thành sản phẩm cao Chưa kể đến các yếu tố an toàn sản xuất công nghệ này khó áp dụng trong điều kiện sản xuất của nước ta hiện nay

b Quy tình sản xuất của Stevens, Viện công nghệ Châu Á (AIT), Thái Lan (2002) [12]

Hình 1.7 Quy tình sản xuất của Stevens, Viện công nghệ Châu Á (AIT),

Thái Lan (2002)

Nguyên liệu sử dụng là vỏ tôm hoặc vỏ cùng với đầu tôm được nghiền nhỏ và

ép, công đoạn này giúp giảm được một phần protein Cho nên nó giúp quá trình khử protein bằng NaOH và khử khoáng bằng HCl ở điều kiện nồng độ thấp và nhiệt độ thấp hiệu quả hơn Công đoạn đề acetyl được thực hiện 1 lần ở nhiệt độ trung bình (650C), thời gian 20h Đây là một quy trình mới, tiết kiệm được lượng xút và acid dùng, đồng thời tránh được quá trình cắt mạch chitosan do xử lý ở nồng độ acid

chitosan Phơi khô hoặc sấy ở 600, 10h

Tách protein Rửa trung tính Ngâm HCl

HCl 2,5%

t0 phòng

t = 12h w/v = 1/10 Rửa trung tính

Nghiền nhỏ và ép Tách protein

NaOH 2,5%

to = 30oC

t = 24h w/v = 1/10 Nguyên liệu

Rửa trung tính

NaOH 50%

t0 = 650C

t = 20h w/v = 1/10

cao Sản phẩm chitosan sản xuất theo quy trình này màu trắng, hàm lượng protein

và khoáng thấp, độ đề acetyl tương đối cao (từ 84-88%)

c Quy trình của Đỗ Minh Phụng, Trường Đại học Thủy sản:[1]

Hình 1.8 Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy sản Nha Trang

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 khử khoáng) làm cắt mạch polymer trong môi trường acid dẫn đến độ nhớt giảm

Vỏ tôm khô Ngâm HCl Rửa trung tính Ngâm NaOH Rửa trung tính Tẩy màu

HCl 6N

to phòng

t = 48h w/v = 1/2,5

NaOH 40%

t0 = 800C

t = 24h w/v = 1/1

d Quy trình sản chitin và chitosan của Trang Sĩ Trung, Đại Học nha trang (2006)

Hình 1.9 Quy trình sản xuất chitin và chitosan của Trang Sĩ Trung, Đại học

Nha Trang (2006)

Nguyên liệu là vỏ tôm được khử protein bằng NaOH và khử khoáng bằng HCl

ở nhiệt độ thấp, thời gian dài Công đoạn khử acetyl được thực hiện ở nhiệt độ không cao, thời gian kéo dài Sản phẩm chitosan sản xuất theo quy trình này có màu sắc đẹp, hàm lượng protein và khoáng thấp, độ đề acetyl tương đối cao, độ nhớt cao

e 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 máy móc thiết bị phức tạp Do đó rất dễ dàng để sản xuất lớn Tuy nhiên thời gian sản xuất kéo

Nguyên liệu Ngâm NaOH Rửa trung tính Ngâm HCl Rửa trung tính Sấy khô

Deacety hóa

Sấy khô chitosan

dài và nồng độ hóa chất sử dụng còn khá cao, vẫn chưa có hướng xử lý nước thải từ quá trình sản xuất

Hình 1.10 Quy Trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thủy sản

Phế liệu tôm Rửa sơ bộ Khử khoáng Rửa trung tính Khử protein Rửa trung tính

Ngâm rửa trung tính

chitosan

HCL 7%

v/w=5/1

To phòng T=24h

NaOH 6%

v/w=5/1

To phòng T=24h

NaOH 40%

v/w10/1

t0 =80oC T=6,5h

Phơi, sấy Deacety hóa

1.2.4.3 Sản xuất chitin-chitosan bằng phương pháp sử dụng enzyme

a Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto[12]

Hình 1.11 Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto

Rửa trung tính

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 công đoạn chiết astaxanthin Ngoài ra còn tận thu được protein và astaxanthin mang lại hiệu quả kinh tế cao, đồng thời giảm thiểu đáng kể lượng hóa chất sử dụng

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

b Quy trình sử dụng Enzyme papain để sản xuất chito san (Trần Thị

HCl 10%

T0 phòng

T = 5h w/v = 1/5

Làm khô

deacetyl

Rửa trung tính

chitosan chitin

Papain 13%

T0 = 70 – 800C

T = 4h w/v = 1/5

Bảng 1.5 Tổng hợp các thông số của công đoạn khử protein –của một số nghiên

cứu trong và ngoài nước

Thời gian (giờ)

Tỉ lệ (v/w) Nguyên liệu Quy trình sản xuất

khô Trung tâm chế biến đại

Nguyễn hoàng vân

Phế liệu tôm thẻ chân trắng

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

2.1.1 Phế liệu vỏ, đầu tôm

Phế liệu vỏ và đầu tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) được lấy tại

phân xưởng chế biến, Công ty Cổ phần Nha Trang Seafoods (F17)

2.1.2 Hóa chất nghiên cứu

Natri hydroxit và các hoá chất khác sử dụng trong nghiên cứu đều thuộc loại tinh khiết

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2.1 Phương pháp thu nhận mẫu

Phế liệu vỏ v à đ ầu tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) được thu mua

tại phân xưởng chế biến của Công ty cổ phần Nha Trang Seafoods (F17) Yêu cầu nguyên liệu phải tươi, không có mùi lạ, không bị biến đỏ, không lẫn tạp chất Nguyên liệu sau khi lấy cho ngay vào thùng xốp cách nhiệt và vận chuyển ngay

về phòng thí nghiệm Nguyên liệu được ép sơ bộ bằng thiết bị ép thủ công trước khi tiến hành làm thí nghiệm Trong trường hợp chưa làm thí nghiệm ngay thì cho vào túi polymer, bảo quản đông ở điều kiện nhiệt độ -200C cho đến khi sử dụng

Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát

Mô tả quy trình:

- Giai đoạn 1: Bố trí thí nghiệm với mô hình 2-leve factorial nhằm đánh giá sự

tác động của 3 yếu tố nhiệt độ, nồng độ, thời gian đến từng đối tượng trước khi

tối ưu

- Giai đoạn 2: Do hai mô hình 2-leve factorial và mô hình CCD có một số thí

nghiệm giống nhau nên ta bổ sung thêm các thí nghiệm còn thiếu để tiến hành tối ưu cho vỏ, đầu, đầu + vỏ Nhờ tối ưu bằng mô hình CCD ta tìm được chế

độ xử lý protein hợp lý nhất Sau đó so sánh các chế độ tối ưu của vỏ, đầu,

đầu-vỏ để đánh giá riêng cho từng đối tượng

vỏ, đầu, đầu + vỏ Đánh giá ảnh hưởng cho từng đối tượng

2.2.2.1 Bố trí thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố đến quá trình khử protein trên vỏ; đầu; và đầu - vỏ

Nghiên cứu tài liệu tham khảo từ các công trình đã được công bố ở 0 và Bảng 1.5 miền nghiên cứu được chọn như sau:

- Nhiệt độ : 60 – 800C

- Nồng độ : 4 – 8 %

- Thời gian: 8 – 14h

- tỉ lệ nguyên liệu/dung dịch = 1/5, tỉ lệ này được cố định

Ma trận thí nghiệm thiết kế theo mô hình 2-level factorial với 3 yếu tố khảo sát được trình bày ở Bảng 2.1

Bảng 2.1 Ma trận thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố

N U1 (nhiệt độ) U2

(thờigian)

U3 (nồng độ) X0 X1 X2 X3

Y(%) (Hiệu quả khử protein)