Nghiên cứu qui trình thu hồi protein từ dung dịch máu cá tra trong quá trình chế biến cá tra

Ngoài ra, để tăng cường hiệu quả, rút ngắn thời gian xử lý trong quá trình thu hồi protein từ nước thải thủy sản, một số chất keo tụ, tạo bông thường được sử dụng như các muối vô cơ NaCl

Trang 1

ii

LỜI CAM KẾT

Luận văn Thạc sỹ khoa học này được kỹ sư Mã Huy thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sỹ Trang Sĩ Trung, khoa chế biến, Trường Đại học Nha Trang, Việt Nam

Những kết quả thực nghiệm của chúng tôi thu được trong luận văn Thạc sỹ khoa học này là hoàn toàn mới và chưa được ai công bố chính thức Tôi xin cam đoan đây là sự thật và hoàn toàn chịu trách nhiệm với những kết quả mình đã công bố

Nha Trang, ngày 30 tháng 10 năm 2009

co m

Trang 2

iii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

- Thầy TS Trang Sĩ Trung, trưởng Bộ môn Hóa - vi sinh- Khoa chế biến - Trường Đại học Nha Trang đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài;

- Thạc sỹ Nguyễn Công Minh, Bộ môn Hóa - vi sinh - Khoa chế biến - Trường Đại học Nha Trang đã trợ giúp tôi trong suốt quá trình thực hiện thí nghiệm;

- Toàn thể thầy, cô Viện công nghệ sinh học & môi trường, Bộ môn Hóa –

Vi sinh – Khoa Chế Biến - Trường Đại học Nha Trang tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình triển khai các thí nghiệm;

- Ban giám đốc nhà máy chế biến thủy sản Ấn Độ Dương, thuộc tập đoàn Nam Việt đã hỗ trợ chúng tôi trong quá trình kháo sát và thu mẫu dung dịch máu cá tra tại nhà máy Chân thành cảm ơn ban giám đốc các nhà máy IDI thuộc tập đoàn Sao Mai, tỉnh An Giang, nhà máy Trường Nguyên, khu công nghiệp Trà Nóc 1 cùng các bạn hữu, kỹ sư thuộc các nhà máy chế biến cá tra khu vự đồng bằng Sông Cửu Long, đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình khảo sát hiện trạng xử lý dịch máu thải của nhà máy

- Ban lãnh đạo và cán bộ Trung tâm Khuyến nông - ngư, Chi Cục phát triển nông thôn tỉnh Cà Mau đã tạo điều kiện, chia sẻ khó khăn và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài;

- Ba mẹ và gia đình đã luôn động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp;

- Cùng các bạn hữu, đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ và cùng tôi chia sẻ những khó khăn để hoàn thành luận văn này

Tôi mãi mãi ghi nhận sự giúp đỡ quí báu của quí thầy, cô, đồng nghiệp và bạn hữu

Click to buy NOW!

co m

Trang 3

iv

MỤC LỤC

Số trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TẮT TRONG LUẬN VĂN VII DANH MỤC BẢNG VIII DANH MỤC HÌNH IX

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Tổng quan về cá Tra 4

1.1.1 Sản lượng chế biến cá tra 4

1.1.2 Thành phần và giá trị dinh dưỡng của cá tra 5

1.1.3 Dung dịch máu cá, nước thải và thực trạng xử lý nước thải của các nhà máy chế biến cá tra hiện nay 8

1.2 Protein, tính chất và phương pháp thu hồi protein 9

1.2.1 Tính chất hòa tan của protein 9

1.2.2 Các phương pháp thu hồi protein hòa tan trong dung dịch 10

1.3 Tổng quan về chitosan và ứng dụng chitosan trong việc thu hồi protein 16

1.3.1 Cấu trúc và tính chất của chitosan 16

1.3.2 Ứng dụng của chitosan thu trong hồi protein 17

1.4 Clorua canxi và ứng dụng làm chất trợ lắng 19

CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Nguyên vật liệu 22

2.1.1 Máu cá tra 22

2.1.2 Dụng cụ, thiết bị, hóa chất sử dụng 22

2.2 Phương pháp nghiên cứu 22

2.2.1 Khảo sát hiện trạng dung dịch máu cá tại một số nhà máy chế biến cá Tra ở Đồng bằng Sông Cửu Long và xác định các tính chất cơ bản của dung dịch máu cá 22

w

.d oc u -tra c k.

co m

Click to buy NOW! w

w d oc u -tra c k.

co m

w

co m

Trang 4

v

2.2.2 Nghiên cứu qui trình thu hồi protein từ dung dịch máu cá 23

2.2.3 Bố trí thí nghiệm tổng quát 24

2.2.4 Bố trí thí nghiệm xác định pH thích hợp để kết tủa protein trong dung dịch máu cá tra 25

2.2.5 Bố trí thí nghiệm xác định nhiệt độ thích hợp để kết tủa protein trong dung dịch máu cá tra 26

2.2.6 Nghiên cứu xác định thời gian xử lý nhiệt thích hợp 27

2.2.7 Nghiên cứu xác định chế độ xử lý thích hợp khi sử dụng phương pháp điểm đẳng điện kết hợp với chitosan làm chất trợ lắng 28

2.2.8 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ deacetyl và phân tử lượng chitosan đến hiệu suất thu hồi và thời gian lắng của protein 29

2.2.9 Nghiên cứu xác định chế độ xử lý thích hợp khi sử dụng phương pháp điểm đẳng điện kết hợp với CaCl2 làm chất trợ lắng 30

2.2.10 Nghiên cứu xác định chế độ xử lý thích hợp khi sử dụng phương pháp xử lý nhiệt kết hợp với chitosan làm chất trợ lắng 31

3.3 Phương pháp phân tích 31

3.3.1 Xác định hàm lượng protein 31

3.3.2 Xác định hàm lượng lipid theo phương pháp Folch 32

3.3.3 Xác định hàm lượng ẩm theo phương pháp sấy ở 1050C 32

3.3.4 Phương pháp xác định hàm lượng tro .32

3.3.5.Phương pháp xác định thành phần acid amin 32

3.3.6 Phương pháp xác định thời gian lắng .32

3.3.7 Phương pháp xử lý số liệu 32

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 Kết quả khảo sát hiện trạng dung dịch máu cá ở một số nhà máy chế biến cá Tra ở đồng bằng sông Cửu Long 34

3.2 Kết quả khảo sát thành phần hóa học và các chỉ tiêu môi trường cơ bản của nguyên liệu dung dịch máu cá tra 39

3.3 Kết quả nghiên cứu qui trình thu hồi protein từ dung dịch máu cá Tra 40

3.3.1 Nghiên cứu qui trình thu hồi protein bằng phương pháp đẳng điện 40

w

co m

w

co m

Trang 5

vi

3.3.2 Nghiên cứu qui trình thu hồi protein bằng phương xử lý nhiệt 48

3.3.3 Đánh giá hiệu quả về mặt môi trường khi xử lý dung dịch máu cá 54

3.3.4 Đề xuất qui trình thu hồi protein từ dung dịch máu cá tra 55

3.3.5 Đề xuất các trang thiết bị trong qui trình thu hồi protein từ dung dịch máu cá tra 56

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 58

Kết luận 58

Đề xuất ý kiến 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

w

co m

w

co m

Trang 6

1 BOD Biochemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh hóa)

2 COD Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)

3 TSS Total Suspendid Solid (Tổng hàm lượng chất rắn lơ

lửng)

co m

Trang 7

viii

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Các loài thuộc giống cá tra ở Việt Nam 4

Bảng 1.2 Sản lượng chế biến cá tra 5

Bảng 1.3 Tỷ lệ khối lượng các thành phần của cá tra trong chế biến 5

Bảng 1.4 Thành phần hoá hoc cơ bản của cá tra philê 5

Bảng 1.5 So sánh thành phần acid amin không thay thế trong protein cá tra với một số nguồn protein khác 6

Bảng 1.6 Tính chất của một số loại chitosan thương mại (Cho và cộng sự, 1998) 17

Bảng 3.1 Hiện trạng thải bỏ máu cá năm 2008 của một số nhà máy chế biến cá tra 38

Bảng 3.2 Thành phần hóa học và các chỉ tiêu môi trường cơ bản của dung dịch máu cá tra 39

Bảng 3.3 Kết quả ảnh hưởng của pH đến trạng thái kết tủa của protein 40

Bảng 3.4 Các chỉ tiêu hóa lý của bột protein thu được dung dịch máu cá từ hai phương pháp xử lý 51

Bảng 3.5 Thành phần acid amin trong bột protein từ máu cá tra 52

Bảng 3.6 Kết quả chỉ tiêu VSV trong bột protein 53

w

co m

w

co m

Trang 8

ix

DANH MỤC HÌNH

Trang Hình 1.1 Quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm cá tra phi-lê đông IQF tại Công

ty cổ phần Nam Việt, An Giang 7

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của chitosan 17

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát thu hồi protein từ dung dịch máu cá tra 24

Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm chọn giá trị pH thích hợp để kết tủa protein từ dung dịch máu cá tra 25

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định nhiệt độ thích hợp để thu hồi protein 26

Hình 2.4 Xác định thời gian xử lý nhiệt thích hợp 27

Hình 2.5 Sơ đồ nghiên cứu thu hồi protein bằng phương pháp điểm đẳng điện có bổ sung chitosan làm chất trợ lắng 28

Hình 2.6 Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của độ deacetyl và phân tử lượng chitosan đến hiệu suất thu hồi và thời gian lắng của protein 29

Hình 2.7 Sơ đồ nghiên cứu thu hồi protein bằng phương pháp điểm đẳng điện có bổ sung CaCl2 làm chất trợ lắng 30

Hình 2.8 Sơ đồ nghiên cứu thu hồi protein bằng phương pháp xử lý nhiệt có bổ sung chitosan làm chất trợ lắng 31

Hình 3.1 Bồn ngâm tiết tại công ty tnhh trường nguyên 34

Hình 3.2 Bồn ngâm tiết tại nhà máy Ấn Độ Dương 36

Hình 3.3 Bồn ngâm tiết tại nhà máy chế biến thủy sản đa quốc gia IDI 37

Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu suất thu hồi protein 40

Hình 3.5 Ảnh hưởng của pH và chitosan đến hiệu suất thu hồi protein 42

Hình 3.6 Ảnh hưởng của việc xử lý ph kết hợp bổ sung chitosan đến chiều cao cột kết tủa protein 42

Hình 3.7 Ảnh hưởng của độ deacetyl chitosan đến hiệu suất thu hồi protein 43

Hình 3.8 Ảnh hưởng của độ deacetyl chitosan đến chiều cao cột kết tủa protein 44

w

co m

w

co m

Trang 9

x

Hình 3.9 Ảnh hưởng của phân tử lượng chitosan đến hiệu suất thu hồi protein 45

Hình 3.10 Ảnh hưởng của độ phân tử lượng chitosan đến chiều cao cột kết tủa protein 45

Hình 3.11 Ảnh hưởng việc kết hợp pH và CaCl2 đến hiệu suất thu hồi protein 46

Hình 3.12 Ảnh hưởng của việc kết hợp pH và CaCl2 đến chiều cao cột kết protein 47

Hình 3.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi protein 48

Hình 3.14 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi protein 49

Hình 3.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ và chitosan đến hiệu suất thu hồi protein 50

Hình 3.16 Ảnh hưởng của sự kết hợp nhiệt độ và chitosan đến chiều cao cột kết tủa protein 50

Hình 3.17 Hiệu quả về mặt môi trường khi xử lý dung dịch máu cá bằng phương pháp xử lý nhiệt và bổ sung chitosan 54

Hình 3.18 Sơ đồ qui trình thu hồi protein trong dung dung dịch máu cá tra 55

Hình 3.19 Mô hình tổng thể thiết bị thu hồi protein từ dung dịch máu cá tra 56

w

co m

w

co m

Trang 10

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay vấn để ô nhiễm môi trường do nước thải chế biến thủy sản đang ở mức báo động Một trong những nguyên nhân là do chúng ta chưa có biện pháp hợp lý để tận thu các phụ phẩm hữu cơ, chủ yếu là protein trong nước thải của quá trình chế biến

mà thường thải các thành phần này ra môi trường hoặc chưa xử lý đúng yêu cầu nên gây ô nhiễm Chế biến cá tra đang phát triển rất nhanh ở Đồng bằng Sông Cửu Long

Theo thống kê năm 2008, nguồn nguyên liệu cá tra, basa đạt gần 1,2 triệu tấn, doanh

số xuất khẩu cá tra, cá basa ước đạt 1,4 tỉ USD (Bộ NN&P TNT, 2008) Quá trình chế biến cá tra tạo ra một lượng dung dịch máu cá, theo ước tính thì trung bình mỗi tấn cá tạo ra từ 0,5 đến 0,7 m3 hoặc cao hơn tùy theo qui trình áp dụng Do đó, với sản lượng chế biến cá năm 2008 thì sinh ra một lượng dung dịch máu cá rất lớn, lên cả vài trăm ngàn m3 Trong dung dịch máu cá có một lượng protein hòa tan lớn, có giá trị dinh dưỡng rất cao Hiện nay, lượng dung dịch máu c á chưa được xử lý đúng mức mà thường đưa trực tiếp vào hệ thống xử lý nước thải, gây quá tải hệ thống, dẫn đến ô nhiễm môi trường Vì vậy, việc thu hồi protein trong dịch máu cá là yêu cầu thiết yếu, vừa để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, lại giúp tăng hiệu quả sử dụng nguồn lợi protein Hiện nay, để thu hồi protein thì có một số phương pháp thông dụng như phương pháp đẳng điện (điều chỉnh pH bằng acid, kiềm) hoặc xử lý nhiệt để kết tủa protein Ngoài ra, để tăng cường hiệu quả, rút ngắn thời gian xử lý trong quá trình thu hồi protein từ nước thải thủy sản, một số chất keo tụ, tạo bông thường được sử dụng như các muối vô cơ (NaCl, Al2(SO4)3, FeCl3), các polyme như alginate, chitosan, polyme tổng hợp (Marti và cộng sự, 1994; Wibowo và cộng sự, 2005; Chakrabarti, 2006; Trang Sĩ Trung và cộng sự, 2008) Đặt biệt chitosan, một polyme sinh học được chiết rút chủ yếu từ phế liệu thủy sản, có tính keo tụ và tạo bông rất tốt và đã được ứng dụng nhiều trong thu hồi protein (Zeng và cộng sự, 2008; Renault và cộng sự, 2009)

Ngoài ra, vì chitosan không độc và có hoạt tính sinh học có lợi như kháng nấm, kháng khuẩn, chống oxy hóa, bảo vệ protein (protein protectant) nên sản phẩm protein thu hồi có thể sử dụng trong chế biến thức ăn cho người và động vật (Hirano, 1996)

Xuất phát từ những vấn đề trên, mục đích đề tài “Nghiên cứu qui trình thu hồi

protein từ dung dịch máu cá tra trong quá trình chế biến cá tra”, nghiên cứu qui trình

thu hồi protein, có sử dụng các chất trợ lắng thích hợp cho các nhà máy chế biến cá tra

co m

Trang 11

ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long Một mặt tận thu nguồn protein phế thải, mặt khác tìm ra giải pháp hợp lý cho việc giảm tải hệ thống xử lý nước thải của các nhà máy chế biến cá tra hiện nay Đây chính là hướng đi mới, nhằm tìm tìm ra những giải pháp thích hợp, để giải quyết những vấn đề bức xúc và nan giải của các nhà máy chế biến thủy sản nói chung và các nhà máy chế biến cá tra ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói riêng

2 Ý nghĩa khoa học của đề tài

 Khảo sát hiện trạng dung dịch máu cá tại các cơ sở chế biến cá Tra ở đồng bằng sông Cửu Long

 Nghiên cứu thu hồi protein từ dung dịch máu cá bằng phương pháp điểm đẳng điện

 Nghiên cứu thu hồi protein từ dung dịch máu cá bằng phương pháp xử lý nhiệt

 Nghiên cứu bổ sung chất trợ lắng chitosan trong việc thu hồi protein

 Đánh giá chất lương bột protein thu được và đánh giá hiệu quả về mặt môi trường

 Xây dựng được quy trình công nghệ thu hồi protein từ dung dịch máu cá Tra

3 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

 Đánh giá hiện trạng và thành phần cơ bản của dung dịch máu cá để từ đó có biện pháp xử lý phù hợp

 Quy trình thu hồi protein từ dung dịch máu cá đáp ứng được yêu cầu xử lý dung dịch máu cá để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn lợi

4 Kết cấu của luận văn

Luận văn bao gồm các chương mục sau:

 Mở đầu

 Chương 1: Tổng quan tài liệu

 Chương 2: Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu

 Chương 3: Kết quả và thảo luận

 Kết luận và đề xuất ý kiến

 Tài liệu tham khảo

co m

Trang 12

Chương 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

co m

Trang 13

1.1 Tổng quan về cá Tra

Cá tra tên khoa học là Pangasius hypohthalmus, trước đây còn gọi là Pangasius

shutchi, hay Sangasius micronemus, rất phổ biến ở Thái Lan, Cam-Pu-Chia, Việt Nam,

Philipin, Singapore, nó được xếp vào nhóm cá da trơn

Có khoảng 20 loài trong giống cá tra được tìm thấy ở châu Á, ở Việt Nam có

khoảng 9 loài thuộc giống cá này

Bảng 1.1 Các loài thuộc giống cá tra ở Việt Nam

Trong tự nhiên cá tra sống tập trung ở lưu vực sông Mê Kông (Thái Lan, Lào, Cam-Pu-Chia và Việt Nam) Nghề nuôi cá tra ở Việt Nam đã có từ những năm 60 Cá Tra có khả năng sống tốt trong điều kiện ao tù, nước đọng, cá ăn được mùn bã hữu cơ, rau quả, động vật thân mềm, cá tạp…do đó nó đã trở thành đối tượng nuôi truyền thống trong ao hồ của người dân đồng bằng sông Cửu Long với nguồn giống tự nhiên được cung cấp từ 2 tỉnh An Giang và Đồng Tháp [8]

1.1.1 Sản lượng chế biến cá tra

Tháng 5 năm 1995 khoa thủy sản Trường Đại Học Cần Thơ cho sinh sản nhân tạo thành công giống cá tra, từ đó đáp ứng được nhu cầu về giống cho các hộ nuôi thương phẩm cũng như thúc đẩy nghề nuôi cá tra lang rộng sang các tỉnh, thành khác

Hiện nay ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long cá tra là loài thủy sản có sản lượng xuất khẩu cao nhất, trữ lượng cá tra nuôi tăng lên hàng năm rất nhanh, các nhà máy chế

co m

Trang 14

biến cá tra xuất khẩu cũng mọc lên ngày càng nhiều, tập trung ở cá khu công nghiệp của các tỉnh Đồng Tháp, An Giang, Cần Thơ, Tiền Giang, Vĩnh Long Các nhà máy này ngày càng hiện đại và đáp ứng nhu cầu xuất khẩu cũng như tiêu thụ sản phẩm của các hộ dân nuôi, theo thống kê cho thấy, có trên 80% lượng cá được xuất khẩu, và hiện nay có trên 50 quốc gia trên thế giới nhập khẩu các sản phẩm chế biến từ các doanh nghiệp chế biến cá tra ở Việt Nam

Bảng 1.2 Sản lượng chế biến cá tra

(triệu tấn) 0,04 0,086 0,114 0,162 0,255 0,825 1,0 1,2

1.1.2 Thành phần và giá trị dinh dưỡng của cá tra

Cũng như các loài thủy sản khác cá tra là loại cá dễ nuôi và có gía trị dinh dưỡng cao, các hình thức nuôi khác nhau thì thành phần dinh dưỡng trong cá cũng khác nhau

Bảng 1.3 Tỷ lệ khối lượng các thành phần của cá tra trong chế biến [7]

Hình thức nuôi

Phi-lê

Đầu xương, vây, đuôi

Protein tổng số (N*6,25)

Lipid (%)

Tro (%)

co m

Trang 15

Bảng 1.5 So sánh thành phần acid amin không thay thế trong protein cá tra với

một số nguồn protein khác

Nguồn protein Acid amin

co m

Trang 16

Quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm cá tra phi-lê đông IQF tại công ty cổ phần Nam Việt, An Giang

Hình 1.1 Quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm cá tra phi-lê đông IQF tại công

ty cổ phần Nam Việt, An Giang

Nguồn nguyên liệu cung cấp cho nhà máy chế biến cá tra là nguyên liệu còn tươi sống hay nói cách khác là cá còn đang bơi lội Cá được thu hoạch và vận chuyển đến nhà máy bằng phương tiện tàu, xe và được đưa vào nhà máy để chế biến thành nhiều mặt hàng khác nhau để phục vụ cho xuất khẩu cũng như tiêu thụ nội địa, do đó

Tiếp nhận nguyên liệu

Dung dịch nước thải máu cá

co m

Trang 17

nguồn nguyên liệu không có hoặc rất ít được bảo quản bằng các hoá chất bảo quản như các nguồn nguyên liệu thuỷ sản khác

1.1.3 Dung dịch máu cá, nước thải và thực trạng xử lý nước thải của các nhà máy chế biến cá tra hiện nay

Cùng với sự phát triển của nghề nuôi cá tra ở đồng bằng sông Cửu Long hiện nay, các nhà máy chế biến cá tra cũng mọc lên nhiều đáp ứng nhu cầu tiêu thụ nguyên liệu cho các hộ dân, góp phần giải quyết các vấn đề về kinh tế, xã hội cho các tỉnh

Bên cạnh đó vấn đề môi truờng ngày càng ô nhiễm trầm trọng, các nhà máy chế biến

có công suất chế biến từ vài chục đến vài trăm tấn nguyên liệu cá tra nguyên liệu trên một ngày đã thải ra môi trường một lượng rất lớn chất thải chứa một hàm lượng rất lớn protein và các chất hữu cơ khác nhưng chưa được thu hồi

Trong quá trình chế biến cá Tra phi lê có công đoạn cắt tiết và sau đó cho vào bồn ngâm để loại máu Công đoạn này tạo ra một lượng dung dịch máu cá lớn, theo ước tính thì trung bình mỗi tấn cá tạo ra từ 0,5 đến 0,6 m3 Do đó, với sản lượng chế biến cá tra hiện nay thì sinh ra một lượng dung dịch máu cá rất lớn, lên đến vài trăm ngàn m3/năm Vì vậy, lượng dung dịch máu cá nếu không được xử lý thích hợp sẽ gây

ô nhiễm môi trường xung quanh các nhà máy chế biến cá tra

Máu cá cũng như máu các loài động vật khác chứa nhiều thành phần có giá trị dinh dưỡng cao như protein, acid amin, khoáng, vitamin, lipid nên rất thuận lợi cho vi sinh vật phát triển, gây ôi máu, tạo ra các mùi hôi khó chịu, gây ô nhiễm môi trường

Đặc biệt, trong dung dịch máu cá có một lượng protein hòa tan lớn, có giá trị dinh dưỡng rất cao Hiện nay, lượng dung dịch máu cá chưa được xử lý đúng mức mà thường đươc đưa trực tiếp vào hệ thống xử lý nước thải, gây quá tải hệ thống, dẫn đến gây ô nhiễm môi trường Vì vậy, việc thu hồi protein trong dung dịch máu cá là yêu cầu thiết yếu, vừa để giải quyết vấn đề môi trường, lại giúp tăng hiệu quả sử dụng nguồn lợi

Ngoài ra, nước thải trong nhà máy chế biến cá tra còn có thịt vụn, lipid Các thành phần này đã góp phần gây nên sự ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Khi phân tích nước thải trong chế bíến cá tra người ta nhận thấy hàm lượng BOD ở mức 1000-

2000 mg O2/lít cho nên rất khó sử dụng qui trình sinh học để xử lý, mặt khác trong thành phần nước thải còn có clo dư trong quá trình khử trùng và vệ sinh nhà xưởng với hàm lượng cao, do đó nó ảnh hưởng lớn đến hệ vi sinh vật trong qui trình xử lý, cho nên

co m

Trang 18

cách tốt nhất hiện nay là làm cách nào tách bớt hàm lượng các thành phần trong nước thải trước khi đưa vào khu xử lý

Hiện nay người ta có nhiều biện pháp nhằm giảm thiểu lượng thải như là dùng phương pháp tuyển nổi lipid, dùng lược để thu hồi thịt vụn trước khi thải ra môi trường

Biện pháp giải quyết việc quản lý và xử lý nước thải trong chế biến thuỷ sản đang được áp dụng theo hai hướng cơ bản Một mặt chủ động giảm lượng nước thải ngay trong quá trình sản xuất bằng cách áp dụng các công nghệ chế biến hiệu quả như áp dụng qui trình sản xuất sạch hơn, sử dụng nước trong chế biến hợp lý hơn, phương pháp này vừa làm tăng tính hiệu quả của qui trình vừa giảm thiểu độ ô nhiễm của nước thải,

từ đó giảm chi phí xử lý nước thải Mặt khác áp dụng công nghệ xử lý nước thải tiên tiến

có chi phí tiết kiệm nhất, nghiên cứu tìm biện pháp thu hồi lượng chất hữu cơ hoà tan trong nước thải và cho phép tận dụng những chất này vào nhiều mục đích khác nhau

Xuất phát từ hai hướng cơ bản trên các nhà nghiên cứu đã và đang tìm biện pháp phù hợp cho từng đối tượng nước thải và điều kiện sản xuất của từng xí nghiệp Nhiều nhà máy ở An Giang, Cần Thơ đã nghiên cứu thử nghiệm áp dụng biện pháp thu hồi lượng protein trong dung dịch máu cá sau khi cắt tiết bằng nhiều biện pháp khác nhau tuy nhiên chỉ mới thử nghiệm do đó dung dịch máu cá hịện nay vẫn được thải ra trực tiếp môi trường và tình trạng ô nhiễm môi trường do các nhà máy chế biến cá tra hiện nay vẫn chưa có biện pháp khắc phục Khó khăn và trở ngại nhất hiện nay là hàm lượng protein trong dung dịch máu cá cao, chủ yếu ở dạng protein hòa tan nên không thể sử dụng các biện pháp thông thường thu hồi

1.2 Protein, tính chất và phương pháp thu hồi protein 1.2.1 Tính chất hòa tan của protein

Quá trình hòa tan của phân tử protein trong nước bắt đầu từ sự tiếp xúc giữa các phân tử nước với phân tử protein Khi đó các phân tử nước có độ phân cực cao bị hấp phụ bởi các nhóm phân cực trên bề mặt các phân tử protein Kế đến sự phân tán các phân tử protein trong môi trường nước sẽ góp phần làm tăng bề mặt tiếp xúc liên pha, dẫn đến hình thành lớp vỏ hydrate bao quanh bề mặt phân tử protein, làm cho protein hòa tan vào trong môi trường nước (bằng phương pháp nhiễu xạ tia X người ta đã xác định được lớp vỏ hydrate này là lớp nước đơn phân tử, có bề dày khoảng 3A0, đúng bằng kích thước của phân tử nước) Khi đó trạng thái hòa tan của các phân tử protein

co m

Trang 19

trong nước sẽ được duy trì bởi 2 yếu tố: độ bền của lớp vỏ hydrate bao quanh bề mặt phân tử và khả năng tích điện cùng dấu của các phân tử protein (lực đẩy tĩnh điện giữa các phân tử)

Do vậy, yếu tố đầu tiên ảnh hưởng đến tính chất hòa tan của protein là cấu tạo của phân tử protein Trật tự sắp xếp và tỷ lệ giửa các nhóm phân cực (nhóm ưa nước)

và các nhóm không phân cực (nhóm kỵ nước) trong phân tử protein sẽ đặc trưng cho khả năng hòa tan của phân tử protein Cụ thể là với các nhóm như -OH, -SH, -COOH, -NH2, có tính ưa nước sẽ làm tăng độ hòa tan của phân tử protein trong nước trong khi

đó các nhóm có tính kỵ nước như -CH3, -C2H5, -C3H7, sẽ làm giảm tính tan của protein trong nước Các phân tử protein có cấu trúc không gian dạng sợi như keratin, fibroin, miozin, tan kém trong nước, còn các phân tử protein dạng hình cầu như albumin, mioglobin, hemoglobin, lại tan tốt trong nước

Ngoài ra, dưới tác dụng cộng hợp của các yếu tố môi trường như: pH, nhiệt độ, nồng độ muối trumg tính trong dung dịch, dung môi hữu cơ thì khả năng hòa tan của protein cũng thay đổi rất nhiều [3,4,5]

1.2.2 Các phương pháp thu hồi protein hòa tan trong dung dịch

Để thu hồi protein trong dung dịch nói chung và trong dung dịch máu cá nói riêng thì quan trọng nhất là phải có phương pháp thích hợp nhất Mỗi công nghệ, phương pháp đều có ưu, khuyết điểm nhất định Do đó tuỳ theo điều kiện của mỗi nhà máy, chi phí đầu tư, thời gian, chi phí năng lượng, hoá chất, nhân công, hiệu suất thu hồi…và chất lượng sản phẩm thu được sẽ mang lại gía trị lợi nhuận cho nhà sản xuất bao nhiêu và quan trọng nhất có giải quuyết được vấn đề ô nhiễm môi trường cho nhà máy hiện nay hay không mà chúng ta chọn công nghệ, phương pháp cho thích hợp

Các phương pháp thu hồi protein chính + Phương pháp kết tủa [1]

Đây là phương pháp ứng dụng nhiều nhất trong công nghiệp để thu nhận chế phẩm protein từ dung dịch Nguyên tắc của phương pháp này là dưới tác động của các yếu tố bên ngoài tương tác giữa protein với nước, giữa protein với protein, giữa protein với các thành phần khác sẽ bị thay đổi, dẫn đến kết quả là làm giảm khả năng tan của protein trong dung dịch, các phân tử protein tập hợp lại thành một khối kết tủa

co m

Trang 20

và tách ra khỏi dung dịch Tùy theo tác nhân gây biến tính mà sự biến tính của protein được chia thành 2 dạng:

* Biến tính thuận nghịch

Là dạng biến tính thường gây ra những thay đổi bên ngoài phân tử như: sự phá

vỡ lớp vỏ hydrate trên bề mặt phân tử protein hay điện tích của các phân tử bị trung hòa Bên cạnh đó biến tính thuận nghịch cũng có thể biến đổi vể mặt cấu trúc không gian của phân tử protein mà nguyên nhân là do có sự phá hủy các liên kết trong phân

tử Chủ yếu là do các liên kết như liên kết ion, liên kết hydro, liên kết kỵ nước (liên kết Van der Wals) bị phá vỡ tương ứng với các cấu trúc bậc 4, bậc 3 bị thay đổi chuyển thành cấu trúc bậc 2 thậm chí cấu trúc bậc 2 bị thay đổi một phần Nói chung ở đây hầu như không có sự phân hủy các liên kết bền trong phân tử (tiêu biểu là liên kết cầu nối disulfua) Chính vì thế mà khi tác nhân gây biến tính được loại ra thì các cấu trúc ban đầu của phân tử protein được phục hồi trở lại (biến tính thuận nghịch)

* Biến tính không thuận nghịch

Là dạng biến tính gây ra những biến đổi sâu sắc, dẫn đến mất khả năng phục hồi trở lại cấu trúc ban đầu của phân tử protein Khi đó các liên kết hóa học yếu có trong phân tử kể cả một số liên kết mạnh như cầu disulfua cũng bị phá hủy Đầu tiên phân tử protein duỗi mạch chuyển về cấu trúc đơn giản (bậc 1 hoặc bậc 2), sau đó có thể hình thành những liên kết mới, trong trường hợp này do mất đi các liên kết bền ban đầu mà phân tử protein không còn khả năng phục hồi lại cấu trúc tự nhiên ngay cả khi tác nhân gây biến tính được loại bỏ, điều này cũng đồng nghĩa với việc phân tử protein

bị mất đi các tính chất ban đầu Trên cơ sở đó phương pháp kết tủa gây biến tính không thuận nghịch được ứng dụng rất nhiều để thu nhận protein với mụch đích giữ lại các giá trị dinh dưỡng của sản phẩm

Tùy vào điều kiện cụ thể mà các tác nhân gây biến tính được ứng dụng độc lập hay phối hợp với nhau sao cho quá trình thu nhận đạt được hiệu quả mong muốn

+ Kết tủa bằng điều chỉnh pH

Do tính chất phân li lưỡng cực nên khi hòa tan trong dung dịch, ở một giá trị pH nhất định các phân tử protein chủ yếu ở dạng lưỡng cực với các nhóm amin bị proton hóa (nhận proton), còn các nhóm carboxyl bị phân ly (mất proton) Khi đó do tích diện

co m

Trang 21

cùng dấu nên các phân tử protein có lực đẩy tỉnh điện Ngo ài ra bề mặt các phân tử protein cũng được bao quanh bởi lớp vỏ hydrat, cho nên trạng thái của dung dịch keo protein được duy trì

Bằng các tác nhân axit, kiềm, ta có thể điều chỉnh pH của dung dịch protein về một giá trị mà tại đó điện tích của các phân tử protein bị trung hòa, khiến cho lực đẩy tỉnh điện của các phân tử bị mất đi, đồng thời sự tương tác giữa các phân tử protein với các phân tử nước bị giảm, dẫn đến lớp vỏ hydrate bên ngoài bị phá vỡ, làm tăng tương tác giữa các phân tử protein, tạo điều kiện cho các phân tử protein tập hợp lại với nhau hình thành kết tủa Ở đây do không có sự thay đổi cấu trúc phân tử nên sau khi loại bỏ tác nhân gây kết tủa ra khỏi dung dịch thì các phân tử protein có thể hòa tan trở lại

Mặt khác, trong trường hợp pH của dung dịch thay đổi quá thấp hoặc quá cao thì biến tính không thuận nghịch có thể xảy ra Khi đó điện tích các nhóm phân cực mạch bên của acid amin thay đổi, tạo ra lực đẩy tỉnh điện giữa các nhóm bị ion hóa nên làm giản mạch các phân tử protein, các nhóm kỵ nước xuất hiện trên bề mặt, tương tác giữa các protein chiếm ưu thế, kết quả là các phân tử protein tiến lại gần nhau làm xuất hiện kết tủa

Vì cơ chế kết tủa bằng pH có thể mang tính thuận nghịch nên áp dụng để tách hợp chất protein có hoạt tính sinh học ra khỏi hỗn hợp mà vẫn đảm bảo giữ được hoạt tính và cấu trúc phân tử tuy nhiên thời gian tủa thường xảy ra rất lâu, hiệu suất thu hồi lại thấp và chi phí cao nên hiệu quả kinh tế không cao

+ Kết tủa bằng nhiệt độ

Khi đun nóng sẽ làm phá lớp vỏ điện tích và làm giảm khả năng hydrate hóa của phân tử protein Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nội tại của các phân tử protein tăng làm phá vỡ các liên kết hydrogen giữa các phân tử protein, do đó khả năng hấp thụ nước của protein bị giảm Ngo ài ra khi đung nóng sẽ gây biến tính và tập hợp protein làm cho bề mặt của phân tử protein bị giảm, do đó khả năng giữ nước của các nhóm có cực ở protein cũng giảm Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, các liên kết sẽ bị phá hủy, các cấu trúc bậc 2 bậc 3 và bậc 4 trong phân tử protein bị giãn mạch, xuất hiện các nhóm kỵ nước trên bề mặt phân tử protein, làm giảm tương tác giữa protein với nước nên gây kết tủa protein Tất cả các trường hợp biến tính ở nhiệt độ cao đều là biến tính không thuận nghịch do khi đó cầu disulfua hầu như bị phá hủy hoàn toàn

co m

Trang 22

Mỗi loại protein khác nhau đều có nhiệt độ biến tính khác nhau, cường độ và thời gian quyết định mức độ biến đổi protein, trong đa số các trường hợp các protein đều bắt đầu biến tính ở nhiệt độ khoảng 45 – 500C, nhiệt độ càng tăng thì mức độ biến tính càng sâu sắc

Bên cạnh đó các yếu tố như hoạt độ nước, pH của môi trường, hàm lượng muối, bản chất và nồng độ của các chất khác cũng có ảnh hưởng nhất định Protein khi được gia nhiệt ở điểm đẳng điện sẽ cho kết tủa nhanh hơn, do đó người ta thường dùng cách này để phân lập và tinh chế protein từ lactoserum, máu hoặc huyết tương Tuy nhiên người ta cũng nhận thấy một số trường hợp protein kết tủa ở nhiệt độ thấp (trường hợp protein của trứng, sữa) Điều này cũng được giải thích là do các protein có tỷ lệ các acid amin kỵ nước/ acid amin háo nước cao nên nhiệt độ thấp làm giảm liên kết hydro giữa protein và nước, tăng tương tác giữa protein với protein, làm xuất hiện kết tủa

Vì vậy phương pháp này rất ưu việt trong việc tách protein từ dung dịch mà khi chúng ta ít quan tâm đến hoạt tính hay cấu trúc của nó Ngược lại để thu nhận enzyme cần phải tiến hành ở nhiệt độ thấp P hương pháp kết tủa bằng nhiệt xảy ra nhanh hơn, triệt để, ít gây ô nhiễm môi trường

Bên cạnh các ưu điểm, nó còn có những nhược điểm chi phí năng lượng cho quá trình này là quá lớn

+ Kết tủa muối trung tính [1]

Khi cho dung dịch muối trung tính vào dịch chứa protein, muối sẽ hòa tan làm tăng nồng độ các ion trong dung dịch, khi đó sự cạnh tranh nước giữa các ion muối trung tính và phân tử protein Ở nồng độ muối thấp thì độ tan của protein xem như tỷ

lệ với nồng độ muối (tỷ lệ thuận với lực ion trong dung dịch) Khi nồng độ muối tăng thì độ tan của protein sẽ tăng dần và độ tan của protein sẽ đạt cực đại ở một giá trị nào

đó của nồng độ muối (điểm tích muối), khi đó nếu nồng độ muối tiếp tục tăng thì độ tan của protein sẽ giảm do tương tác muối – nước lúc này sẽ tăng mạnh dẫn đến làm giảm tương tác giữa muối và protein, lớp vỏ hydrate trên bề mặt phân tử protein sẽ bị phá vỡ Thêm vào đó các ion của muối trung tính sẽ bám trên bề mặt phân tử protein tạo thành lớp có đện tích trung hòa, kết quả làm cho kết tủa protein

co m

Trang 23

Nồng độ của dung dịch muối cần dùng tùy thuộc vào bản chất của protein trong dung dịch Các ion âm và ion dương trong phân tử muối sẽ quyết định hiệu quả của loại muối đó, cụ thể là:

Hiệu quả của các ion âm sẽ giảm dần theo thứ tự sau: phosphate > sulfate >

acetate > choride

Các ion dương cho hiệu quả cao thường được sử dụng là: NH4+ > K+ > Na+ Trong đó muối được sử dụng nhiều nhất là muối (NH4)2SO4 với lý do là giá thành rẽ độ hòa tan cao Tỷ trọng của dung dịch (NH4)2SO4 bảo hòa ở khoảng 1,235 g/ml với nồng độ tương ứng là 4M Muối thường được bổ sung vào ở dạng dung dịch, nhưng khi không muốn thể tích dung dịch này bị thay đổi thì dùng muối ở dạng bột

Nồng độ muối kết tủa thường dùng là 50-80 % độ bảo hòa Lượng muối trong sản phẩm có thể tách ra bằng cách lọc qua màng thẩm tích

Ưu điểm của phương pháp này là không gây biến tính không thuận nghịch protein, nên có thể ứng dụng để tinh sạch enzyme Ngoài ra với lớp ion muối bao quanh bề mặt phân tử protein có tác dụng ngăn cản sự thủy phân protein, chống lại tác động của vi sinh vật

Tuy nhiên lượng hóa chất sử dụng có thể gây ô nhiễm môi trường, hiệu suất tủa không cao nên khó triển khai ở qui mô công nghiệp

+ Kết tủa bằng dung môi hữu cơ [1]

Các dung môi hữu cơ tan trong nước như: ethanol, acetone, methanol, isopropanol khi được bổ sung vào dung dịch protein, một mặt vừa làm giảm hằng số điện môi của dung dịch, khiến cho tương tác giữa các phân tử protein tăng lên Mặt khác do tính chất háo nước nên khi cho vào dung dịch protein, các phân tử dung môi hữu cơ sẽ hút nước, làm giảm tương tác giữa nước và phân tử protein, dẫn đến sự phá

vở lớp vỏ hydtrate của phân tử protein làm gây kết tủa protein

Nồng độ ion trong dung dịch có ảnh hưởng đến quá trình kết tủa Nồng độ ion trong dung dịch khoảng 0,05-0,2M là thích hợp Với nồng độ ion cao hơn thì lượng dung môi nhiều hơn và nguy cơ biến tính tăng lên Nếu nồng độ ion quá thấp thì kết tủa thu được sẽ quá mịn và khó tách

co m

Trang 24

Nếu điều chỉnh pH của dung dịch về giá trị pI thì quá trình kết tủa xảy ra nhanh hơn và nồng độ dung môi hữu cơ cũng sẽ thấp hơn Bên cạnh đó kích thước của các phân tử protein cũng ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình kết tủa, với các phân tử protein có kích thước phân tử lớn thì sự kết tủa xảy ra nhanh chóng và dể dàng hơn các phân tử protein có cùng tính chất nhưng có kích thước nhỏ hơn

Acetone và ethanol là hai dung môi được sử dụng phổ biến nhất trong việc kết tủa protein, trong đó aceton được sử dụng nhiều hơn và lượng dùng cũng ít hơn Hầu hết các protein trong dung dịch sẽ kết tủa khi acetone trong dung dịch chiếm 50 %, còn đối với ethanol là 80 % Điều cần chú ý là để tránh nồng độ protein trở nên quá loãng khi thêm dung môi làm giảm hiệu quả kết tủa, cho nên dung dịch protein trước đó cần

Ưu điểm của phương pháp này là các kết tủa bằng polyme hầu như không gây biến tính protein, không độc hại và hiệu quả thu nhận cao Do đó phương pháp này áp dụng để tận thu các chế phẩm enzyme và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác

+ Phương pháp siêu lọc

Phân tử protein có kích thước lớn nên không thể khuyếch tán qua màng bán thấm Do đó dưới áp lực cao hoặc li tâm khi cho dung dịch protein qua màng bán thấm thì chỉ có nước và các phân tử nhỏ khác có thể đi qua, các phân tử protein có thể bị giữ lại Tuy nhiên, chi phí về thiết bị là rất lớn nên thông thường chỉ được áp dụng ở qui

mô phòng thí nghiệm, nhưng ưu điểm của phương pháp này là protein thu nhận có độ tinh sạch cao

co m

Trang 25

Ở một số nước tiên tiến đã nghiên cứu và ứng dụng một vài quy trình thu hồi protein trong nước rửa rất hiệu quả như Mỹ, Mexico, Nhật, Hàn Quốc… Hiện nay có các phương pháp thu hồi protein trong nước rửa là : phương pháp acid hoá - kiềm hóa, phương pháp sử dụng các chất trợ lắng và dùng nhiệt Đặc điểm chung của các phương pháp này là đều đưa pH của dung dịch nước rửa về pH trùng với pI của đa số protein

để có thể kết tủa được nhiều protein, sau đó kết hợp với nhiều phương pháp khác để tách triệt để lượng protein đã kết tủa này

Nước thải từ các cơ sở chế biến thủy sản là một vấn đề đã và đang được quan tâm vì mức độ gây ô nhiễm cao, trong nước thải chế biến thủy sản gồm cả dung dịch máu cá chứa một lượng đáng kể các phụ phẩm như protein, lipid Hiện nay, trên thế giới có một số nghiên cứu thu hồi protein từ nước rửa thủy sản, chủ yếu từ nước rửa trong quá trình sản xuất surimi Wibowo và cộng sự (2005) đã nghiên cứu thu hồi protein từ nước rửa surimi xử lý bởi phức chitosan – alginat Ở một số nước tiên tiến

đã nghiên cứu và ứng dụng một vài quy trình thu hồi protein trong nước rửa và trong dung dịch máu rất hiệu quả như Mỹ, Mexico, Trung Quốc (Wiboro và cộng sự, 2005;

Chakrabarti, 2006) Đặc điểm chung của các phương pháp này là đều đưa pH của dung dịch nước rửa về pH trùng với pI của đa số protein để có thể kết tủa được nhiều protein, sau đó kết hợp với nhiều phương pháp khác để tách triệt để lượng protein đã kết tủa này và protein còn lại trong dung dịch (Chen và cộng sự, 2007) Việc thu hồi các chất hữu cơ, đặc biệt là protein trong nước thải thủy sản giúp cho quá trình xử lý được dễ dàng hơn và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Đồng thời, tùy theo tính chất của phụ phẩm thu được mà có thể tận dụng làm thức ăn gia súc hoặc phân bón nông nghiệp

1.3 Tổng quan về chitosan và ứng dụng chitosan trong việc thu hồi protein 1.3.1 Cấu trúc và tính chất của chitosan

Chitosan là dẫn xuất của chitin Chitosan có tên hóa học là: deoxy-D-glucopyranose Chitosan có cấu trúc tuyến tính từ các đơn vị β-D-glucosamin liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4 Glucozit [2]

β-(1,4)-2-amino-2-Công thức phân tử: ( C6H11O4N)n Phân tử lượng : M= (161.07)n

co m

Trang 26

Công thức cấu tạo

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của Chitosan [2]

Chitosan có nguồn gốc tự nhiên, không độc, dùng an toàn cho người trong thực phẩm, dược phẩm, có tính hòa hợp sinh học cao với cơ thể, có khả năng tự phân hủy sinh học, có nhiều tác dụng sinh học đa dạng: có khả năng hút nước, giữ ẩm, kháng nấm, kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau, kích thích tăng sinh tế bào ở người, động vật, thực vật, có khả năng nuôi dưỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh dưỡng

Chitosan là chất rắn, xốp, nhẹ, màu trắng ngà, không mùi, không vị, hòa tan dễ dàng trong dung dịch acid loãng Chitosan có khả năng kết dính, tạo màng, tạo gel, khả năng hấp phụ chất màu, đặc biệt là khả năng ức chế vi sinh vật Chitosan có phân tử lượng càng lớn thì có độ nhớt càng cao Đặc biệt, chitosan được ứng dụng rất nhiều trong công nghệ xử lý nước thải vì chitosan có khả năng tạo phức với ion kim loại, các hợp chất hữu cơ như lipid, protein và đ ã thể hiện là một chất keo tụ, tạo bông rất tốt, được ứng dụng rất phổ biến ở Nhật, Châu Âu và Mỹ

Bảng 1.6 Tính chất của một số loại chitosan thương mại (Cho và cộng sự, 1998)

Sản phẩm

Hàm lượng nitơ (%)

Hàm lượng khoáng (%)

Độ deacetyl (%)

Mật độ khối (g/ml)

Độ nhớt (cps)

1.3.2 Ứng dụng của chitosan thu trong hồi protein

Chitosan là một amino polysaccharit, nó được hình thành từ quá trình deacetyl hóa chitin Chitosan được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, y học và xử lý môi trường Nó thể hiện là một chất keo tụ rất tốt, có

co m

Trang 27

khả năng tạo phức hợp rất tốt với nhiều chất hữu cơ, vô cơ khác nhau vì vậy nó được ứng dụng rất nhiều trong việc thu hồi các chất hữu cơ, xử lý nước thải, đặc biệt là trong việc thu hồi protein Mặc khác chitosan không có tính độc, có hoạt tính sinh học

có lợi nên sản phẩm thu được khi sử dụng chitosan có thể ứng dụng tốt trong các mục đích chế biến tiếp theo [5 , 9, 10]

Chitosan được xem như là tác nhân thu hồi protein từ nước thải của ngành công nghệ thực phẩm [5, 12, 14] Nhiều công trình nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm sử dụng chitosan để thu hôi protein từ nước rửa surimi, dung dịch máu cá, nước thải trong quá trình chế biến cá, chế biến sữa Cơ chế thu hồi protein bằng chitosan dựa trên các tương tác tĩnh điện, kẹp giữ cơ học (mechanical entrapment) của các nhóm amino trên chitosan với các nhóm anion trên các phân tử protein và khả năng hấp phụ của chitosan Thêm vào đó, khi ở trong dung dịch, các nhóm amino trên mạch chitosan tích điện dương, do đó chitosan có thể hấp phụ được với nhiều polyme tích điện âm như alginate, carrageenan và pectin nhờ vào tương tác tĩnh điện giữa COO- hoặc SO32–

và NH3+ hình thành phức hợp theo nghiên cứu của Savant và Torre, 2000 [14] Phân tử chitosan cũng có khả năng hấp phụ, tạo cầu nối để liên kết các hạt keo protein đ ã kết tủa thành các phân tử có kích thước lớn hơn và lắng xuống Ngoài ra, chitosan có độ deacetyl cao thì trong dung dịch có chứa nhiều gốc amin tích điện dương sẽ trung hòa điện tích của các phân tử protein tích điện âm trong dung dịch nước rửa, giảm khả năng hydrat hóa, tập hợp lại và kết tụ Chitosan thể hiện là một chất keo tụ, tạo bông tốt, ứng dụng có hiệu quả trong việc thu hồi các chất hữu cơ trong nước, đặc biệt là protein Bổ sung chitosan với vai trò là chất trợ lắng ở tỷ lệ 80 ppm có thể thu hồi được trên 55% protein hòa tan trong nước rửa surimi với thời gian xử lý 15-20 phút [5]

Xử lý thu hồi protein bằng chitosan cho phép tận dụng protein thu được làm thức ăn gia súc vì chitosan an toàn, được phép sử dụng trong thức ăn gia súc Chất lượng protein thu có chất lượng tốt, chứa đầy đủ các acid amin thiết yếu, phù hợp trong việc tái sử dụng trong quá trình chế biến surimi hoặc chế biến thức ăn gia súc

Nhiều công trình nghiên c ứu đã tiến hành thực nghiệm sử dụng chitosan để thu hồi protein từ nước rửa surimi, dung dịch máu cá, nước thải trong quá trình chế biến cá, chế biến sữa

Phân tử chitosan cũng có khả năng hấp phụ, tạo cầu nối để liên kết các hạt keo protein đã kết tủa thành các phân tử có kích thước lớn hơn và lắng xuống Ngoài ra,

co m

Trang 28

chitosan có độ deacetyl cao thì trong dung dịch có chứa nhiều gốc amin tích điện dương sẽ trung hòa điện tích của các phân tử protein tích điện âm trong dung dịch nước rửa, giảm khả năng hydrat hóa, tập hợp lại và kết tụ [12], [17]

Ngoài ra, nồng độ chitosan cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu quả thu hồi, cần sử dụng chitosan ở một nồng độ hợp lý vì khi tăng nồng độ chitosan làm tăng số điện tích cùng dấu, đẩy nhau tạo nên một mạng lưới keo, nên cản trở quá trình keo tụ lắng xuống của các phân tử protein

Xử lý thu hồi protein bằng chitosan cho phép tận dụng protein thu được làm thức ăn gia súc vì chitosan an toàn, được phép sử dụng trong thức ăn gia súc Chất lượng protein thu có chất lượng tốt, chứa đầy đủ các acid amin thiết yếu, phù hợp trong việc tái sử dụng trong quá trình chế biến surimi hoặc chế biến thức ăn gia súc

Ngoài ra, có thể sử dụng kết hợp chitosan với alginate trong việc thu hồi protein (Wibowo và cộng sự, 2005) Dùng 100 mg chitosan-alginate/L nước rửa surimi trong

1 giờ thu được 83 % protein và là giảm đến 97 % độ đục trong nước rửa surimi

Chitosan có độ deacetyl hóa càng cao thì các nhóm tích điện dương trên mạch chitosan càng nhiều, thuận lợi trong tương tác ion để thu hồi protein hòa tan

1.4 Clorua canxi và ứng dụng làm chất trợ lắng

Clorua canxi là muối màu trắng, có dạng bột hay dạng viên, vị mặn chát Calcium chloride dạng rắn có tính hút ẩm mạnh, tỏa nhiệt khi hòa tan trong nước Khối lượng phân tử, điểm nóng chảy, khối lượng riêng của chlorua canxi phụ thuộc vào trạng thái

ngậm nước của nó

- CaCl2 thường được sử dụng làm chất trợ lắng trong xử lí nước thải thông thường hay trong các bể xử lí kị khí Hiệu quả xử lí nước thải của CaCl2 cao hơn nhiều so với việc sử dụng các muối của bari hay magiê Sử dụng CaCl2 giúp trung hòa nước thải có tính kiềm và duy trì pH thích hợp cho nước thải trước khi thải ra môi trường

- Ngoài ra, chỉ cần sử dụng CaCl2 với một lượng rất nhỏ làm chất trợ lắng sẽ đạt được hiệu quả mong muốn, trong khi các hóa chất trợ lắng khác phải dùng với lượng nhiều hơn lại có giá thành đắc hơn

- Khi ở trong dung dịch, CaCl2 phân li trong nước thành Ca2 + và Cl- Ca2+ là một cation có thể tạo cầu nối với các phần tử mang điện âm trong dung dịch và gắn kết chúng lại thành khối lớn hơn, tăng khối lượng và dễ dàng bị lắng xuống Tương tác của Ca2+ với các phần tử này là bởi lực hút tĩnh điện và lực Van der Waals

co m

Trang 29

- Đối với các phần tử mang điện dương trong dung dịch thì ion Ca2+ sẽ tương tác với lớp hydrate hóa bao quanh các phần tử này và làm thành cầu nối gắn kết chúng lại với nhau Vì vậy khi thêm CaCl2 vào thì các phần tử lơ lửng trong dung dịch sẽ lắng

rất nhanh

Trong việc kết tủa, thu hồi protein, CaCl2 được áp dụng có hiệu quả khi bổ sung CaCl2 vào dung dịch protein máu cho hiệu suất tăng thêm 7,4 % (Đặng Văn Hạnh, 2009) Ngoài ra người còn sử dụng CaCl2 để kết tủa protein đậu tương, trong sản xuất đậu phụ

co m

Trang 30

Chương 2

NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

co m

Trang 31

2.1 Nguyên vật liệu 2.1.1 Máu cá tra

Máu cá tra được lấy tại nhà máy chế biến cá tra Ấn Độ Dương, thuộc Công ty Nam Việt tỉnh An Giang Dung dịch máu cá đựơc lấy từ bồn rửa xả máu cá tại công đoạn cắt tiết trong qui trình chế biến cá tra phi-lê Sau đó được cho vào chai nhựa 250ml (chai nước suối) và đem cấp đông ngay trên dây chuyền cấp đông sản phẩm của nhà máy ở nhiệt độ - 320C Sau khi cấp đông các chai đựng dung dịch máu cá được cho vào thùng cách nhiệt (thùng xốp) và vận chuyển đến trường Đại học Nha Trang bằng xe lạnh, sau đó kiểm tra lại và cho và cho vào kho lạnh của bộ môn Kỹ thuật lạnh thuộc khoa Chế biến bảo quản ở nhiệt độ - 200C để phục vụ trong suốt quá trình nghiên cứu

- Máy UV-vis mini

- Thiết bị chưng cất đạm tổng quát bán tự động

- CaCl2 dạng rắn pha thành dung dịch CaCl2 1%

- Các hóa chất khác thuộc dạng phân tích (HCl 0,1N, NaOH 0,1N .)

2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Khảo sát hiện trạng dung dịch máu cá tại một số nhà máy chế biến cá Tra ở Đồng bằng Sông Cửu Long và xác định các tính chất cơ bản của dung dịch máu cá

- Tiến hành khảo sát hiện trạng dung dịch máu cá tại 3 nhà máy chế biến cá Tra

và từ đó tổng quát hóa hiện trạng dung dịch máu cá ở các nhà máy chế biến cá Tra chính ở tại Đồng bằng Sông Cửu Long

- Dung dịch máu cá được mang về phòng thí nghiệm rã đông, sau đó tiến hành

lấy mẫu phân tích

co m

Trang 32

- Xác định các thông số cơ bản của máu cá như: pH, tổng số chất lơ lửng (TSS), BOD, COD

-Xác định thành phần hóa học cơ bản của dung dịch máu cá: hàm lượng tro, protein tổng số, nitơ tổng số

2.2.2 Nghiên cứu qui trình thu hồi protein từ dung dịch máu cá

Trong quá trình khảo sát thực tế các nhà máy chế biến cá tra ở đồng bằng sông Cửu Long, chúng tôi tiến hành nghiên cứu qui trình thu hồi protein trong dung dịch nước thải máu cá tra theo hai phương pháp:

* Nghiên cứu qui trình thu hồi protein trong dung dịch máu cá tra theo phương pháp điểm đẳng điện

Dùng tác nhân acid HCl để đưa dung dịch máu cá về pH đẳng điện, tại đây các protein trong dung dịch sẽ có khuynh hướng tạo kết tủa cao nhất Chọn được pH đẳng điện, sau nghiên cứu bổ sung chitosan và chlorua canxi làm chất trợ lắng

* Nghiên cứu qui trình thu hồi protein trong dung dịch máu cá tra theo phương pháp xử lý nhiệt

Dùng nhiệt để nâng dung dịch máu cá đến một giá trị nhiệt độ thích hợp mà tại

đó cho hiệu suất kết tủa protein là cao nhất Chọn được nhiệt độ thích hợp, sau nghiên cứu bổ sung chitosan và clorua canxi làm chất trợ lắng

co m

Trang 33

Bổ sung chitosan

Bổ sung chitosan hoặc CaCl2 tùy theo kết quả ở Phương pháp điểm

đẳng điện

Xác định hiệu suất thu hồi protein

Xác định hiệu suất thu hồi protein, chọn chất trợ lắng thích hợp

Phương pháp

xử lý nhiệt

Đề suất qui trình thu hồi protein

Bổ sung CaCl2

co m

Trang 34

2.2.4 Bố trí thí nghiệm xác định pH thích hợp để kết tủa protein trong dung dịch máu cá tra

Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm chọn giá trị pH thích hợp để kết tủa protein từ dung

co m

Trang 35

2.2.5 Bố trí thí nghiệm xác định nhiệt độ thích hợp để kết tủa protein trong dung dịch máu cá tra

Mục đích để tìm ra giá trị nhiệt độ thích hợp cho quá trình kết tủa protein

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định nhiệt độ thích hợp để thu hồi protein

Thí nghiệm được tiến hành như sau: chuẩn bị 7 bình tam giác dung tích 250 ml, cho vào mỗi bình 100 ml dung dịch máu cá Sau đó nâng nhiệt các mẫu dung dịch máu

cá lần lượt ở 60oC, 62oC, 64oC, 660C , 680C, 700C, 72oC trong bể ổn nhiệt trong tời gian 20 phút

Nhiệt độ khảo sát ở đây được tính là nhiệt độ tại tâm của bình tam giác chứa dung dịch máu cá Thời gian xử lí nhiệt là 20 phút, không tính thời gian tăng nhiệt

Trong khi xử lí lắc đều dịch máu cá Sau khi nâng nhiệt xong, lọc thu lấy phần dịch và xác định hàm lượng protein còn lại theo phương pháp Microbiuret

Thí nghiệm được lập lại 3 lần, kết quả ghi nhận cuối cùng là kết quả cho hiệu suất thu hồi protein cao nhất và là kết quả trung bình của 3 lần thí nghiệm

Kết tủa protein bằng phương pháp nâng nhiệt

Nâng nhiệt ở các chế độ nhiệt độ khác nhau

600C, 620C, 640C, 660C, 680C, 700C,720C

trong thời gian 20 phút

Lọc thu kết tủa

co m

Trang 36

2.2.6 Nghiên cứu xác định thời gian xử lý nhiệt thích hợp

Hình 2.4 Xác định thời gian xử lý nhiệt thích hợp

Sau khi xác định được nhiệt độ xử lý thích hợp, tiến hành nâng nhiệt đến nhiệt

độ thích hợp trong các thời gian 5, 10, 15, 20, 25, 30 phút Sau đó xác định hiệu suất thu hồi protein

Kết quả thời gian xử lý nhiệt được chọn là kết quả cho hiệu suất thu hồi cao nhất và là kết quả trung bình của 3 lần thí nghiệm

co m

Trang 37

2.2.7 Nghiên cứu xác định chế độ xử lý thích hợp khi sử dụng phương pháp điểm đẳng điện kết hợp với chitosan làm chất trợ lắng

Hình 2.5 Sơ đồ nghiên cứu thu hồi protein bằng phương pháp điểm đẳng điện có

bổ sung chitosan làm chất trợ lắng

* Cách tiến hành như sau: lấy một cốc thủy tinh 1000 ml sau đó cho vào 700

ml dung dịch máu cá, sau đó dùng HCl 10 % điều chỉnh dung dịch về giá trị pH được

chọn ở thí nghiệm trước (Điểm đẳng điện)

Chuẩn bị 6 bình tam giác 250 ml, cho vào mỗi bình 100 ml dung dịch máu cá

đã điều chỉnh về giá trị pH được chọn ở thí nghiệm trước Sau đó bổ sung chitosan vào

6 bình tam giác với các nồng độ khác nhau 0, 25, 50, 75, 100, 125 ppm có khuấy đảo, sau đó đem lắng trong thời gian 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 phút Phân tích hiệu suất thu hồi và thời gian lắng, kết quả thu được là hiệu suất thu hồi protein cao nhất và thời gian lắng là thấp nhất Kết quả cuối cùng là kết quả trung bình của 3 lần

co m

Trang 38

2.2.8 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ deacetyl và phân tử lượng chitosan đến hiệu suất thu hồi và thời gian lắng của protein

Hình 2.6 Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của độ deacetyl và phân tử lượng chitosan

đến hiệu suất thu hồi và thời gian lắng của protein

Mục đích chọn chitosan có phân tử lượng và độ deacetyl thích hợp cho quá trình kết tủa và lắng protein

Dung dịch máu cá được điều chỉnh về pH đẳng điện, sau đó bổ sung chitosan có phân tử lượng 800, 1200, 1400 Kda để xác định chitosan có phân tử lượng thích hợp

Đồng thời bố trí thí nghiệm khảo sát chitosan ở các độ deacetyl 73%, 80%, 86%, 93%

để xác định loại chitosan có độ deacetyl thích hợp Trong các thí nghiệm này, nồng độ chitosan thích hợp đã chọn ở thí nghiệm trước

Dung dịch máu cá

Điều chỉnh về pH thích hợp

Bổ sung chitosan có phân tử lượng

800, 1200, 1400 (KDa)

ở nồng độ thích hợp

Bổ sung chitosan có độ deacetyl 73%, 80%, 86%, 93% ở nồng độ thích hợp

Xác định hiệu suất thu hồi và thời gian lắng

Chọn loại chitosan thích hợp

co m

Trang 39

2.2.9 Nghiên cứu xác định chế độ xử lý thích hợp khi sử dụng phương pháp điểm

Hình 2.7 Sơ đồ nghiên cứu thu hồi protein bằng phương pháp điểm đẳng điện có

* Cách tiến hành như sau: lấy một cốc thủy tinh 1000 ml sau đó cho vào 700

ml dung dịch máu cá, dùng HCl 10 % điều chỉnh pH dung dịch về giá trị pH được

chọn ở thí nghiệm trước (Điểm đẳng điện)

Chuẩn bị 6 bình tam giác 250 ml, cho vào mỗi bình 100 ml dung dịch máu cá

đã điều chỉnh về giá trị pH được chọn ở thí nghiệm trước Sau đó bổ sung chitosan vào

6 bình tam giác với các nồng độ khác nhau 0, 5, 10, 15, 20, 25 ppm có khuấy đảo, sau

đó đem lắng trong thời gian 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 phút Phân tích hiệu suất thu hồi và thời gian lắng, kết quả thu được là hiệu suất thu hồi protein cao nhất và thời gian lắng là thấp nhất Kết quả cuối cùng là kết quả trung bình của 3 lần lập lại thí

co m

Trang 40

2.2.10 Nghiên cứu xác định chế độ xử lý thích hợp khi sử dụng phương pháp xử

lý nhiệt kết hợp với chitosan làm chất trợ lắng

Hình 2.8 Sơ đồ nghiên cứu thu hồi protein bằng phương pháp xử lý nhiệt có bổ

sung chitosan làm chất trợ lắng

Chuẩn bị 6 bình tam giác 250 ml, cho vào mỗi bình 100 ml dịch thải máu cá, tiến hành nâng nhiệt đến nhiệt độ đã xác định ở thí nghiệm trước Sau đó bổ sung chitosan vào 6 bình tam giác với các nồng độ khác nhau 0, 25, 50, 75, 100, 125 ppm

có khuấy đảo, sau đó đem lắng trong thời gian 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 phút Phân tích hiệu suất thu hồi và thời gian lắng, kết quả thu được là hiệu suất thu hồi protein cao nhất và thời gian lắng là thấp nhất

Kết quả cuối cùng là kết quả trung bình của 3 lần lập lại thí nghiệm

3.3 Phương pháp phân tích 3.3.1 Xác định hàm lượng protein (tham khảo phần phụ lục)

Hàm lượng protein được xác định theo phương pháp Kejldahl

- Hiệu suất thu hồi protein được tính theo công thức sau:

Bổ sung Chitosan ở các nồng độ khác nhau (25 ppm, 50 ppm, 75 ppm, 100 ppm, 125 ppm)

Lắng ở các thời gian khác nhau (5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 phút)

Xác định hiệu suất thu hồi và

co m

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	1,73 MB