Đồ án công nghệ 1: CHITIN, CHITOSAN, CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHITIN, CHITOSAN, ỨNG DỤNG CỦA CHITIN, CHITOSAN TRONG VIỆC TẠO MÀNG BẢO QUẢN CHANH

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN5 Hình 2.1 Sơ đồ điều chế Chitin/ Chitosan bằng phương pháp hóa học... Để trả lời cho những câu hỏi như trên, một sản phẩm của ngành công nghệ sinhhọc ra

MỤC LỤC

Mục lục iii

Danh mục các hình vẽ trong đồ án v

Danh mục các bảng biểu trong đồ án v

Lời mở đầu 1

Chương 1: Tổng quan về Chitin, Chitosan 2

1.1 Lịch sử phát triển và nguồn gốc của Chitin, Chitosan 2

1.2 Khái niệm và cấu trúc của Chitin, Chitosan 2

1.2.1 Khái niệm và cấu trúc của Chitin 2

1.2.2 Khái niệm và cấu trúc cuả Chitosan 3

1.3 Các tính chất của Chitin, Chitosan 3

1.3.1 Tính chất vật lý 3

1.3.2 Tính chất hóa học 4

1.3.3 Tính chất sinh học 5

Chương 2: Các phương pháp điều chế Chitin, Chitosan 6

2.1 Phương pháp hóa học 6

2.1.1 Quá trình loại protein 7

2.1.2 Quá trình khử khoáng 7

2.1.4 Quá trình deacetyl hóa 8

2.2 Phương pháp sinh học 8

2.3 So sánh ưu nhược điểm của hai phương pháp trên 10

Chương 3: Ứng dụng của Chitin, Chitosan trong việc tạo màng bảo quản chanh 11

3.1 Giới thiệu về chanh 11

3.2 Màng Chitin/ Chitosan và tác dụng của màng 11

3.2 1 Màng Chitin/ Chitosan 11

3.2.2 Tác dụng của màng Chitin/ Chitosan 11

3.3 Phương pháp tạo màng Chitin/ Chitosan 12

3.4 Ảnh hưởng của nồng độ Chitosan đến các chỉ tiêu hóa lý của chanh trong quá trình bảo quản 12

3.4.1 Ảnh hưởng của nồng độ Chitosan đến biến đổi màu sắc vỏ quả trong quá trình bảo quản 12

3.4.2 Ảnh hưởng của nồng độ Chitosan đến hao hụt khối lượng tự nhiên và độ cứng của chanh trong quá trình bảo quản 14

3.4.3 Ảnh hưởng của nồng độ Chitosan đến hàm lượng chất khô của chanh trong quá trình bảo quản 14

3.4.4 Ảnh hưởng của nồng độ chitosan bảo đến hàm lượng axit hữu cơ tổng số của chanh trong quá trình bảo quản 15

Kết luận 17

Tài liệu tham khảo 18

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN

5 Hình 2.1 Sơ đồ điều chế Chitin/ Chitosan bằng phương pháp hóa

học

6

7 Hình 3.1 Các biểu đồ thể hiện giái trị L (I), a (II), b (III) của vỏ

9 Hình 3.3 Sự biến đổi chất khô tổng số của chanh bảo quản ở các

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG ĐỒ ÁN

1 2.1 So sánh ưu nhược điểm của các phương pháp

LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam là một nước có nền kinh tế đang phát triển, với định hướng phát triển làcông nghiệp hóa, hiện đại hóa Trong thời gian qua với sự phát triển vượt bậc của cácngành nghề, trong đó phải kể đến công nghệ sản xuất thực phẩm phục vụ cho nhu cầutrong nước và xuất khẩu

Thế nhưng, phát triển đồng thời và song song theo đó còn nhiều vấn đề mà chúng

ta, những người tiêu dùng và cả những cá nhân, tổ chức có trách nhiệm cần chú ý Đóchính là vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm Việc sử dụng chất kích thích cũng như chấtbảo quản cho trái cây qua thời gian trước khi đến tay người sử dụng đang là vấn đềnóng đang được xã hội quan tâm Làm sao để có thể đảm bảo trái cây được tươi mới và

an toàn khi được sử dụng qua một thời gian như vậy? Đó là câu hỏi mà các nông dântrồng hoa quả, cũng như những cá thể kinh doanh sản phẩm hoa quả lưu tâm

Một trong những ngành nghề mang lại hiệu quả kinh tế cao, cũng như chiếm mộtphần trong vai trò phát triển nền kinh tế quốc dân là đánh bắt và chế bến thủy sản đểphục vụ cho nhu cầu nội địa và ngoại địa Một trong những điều mà ít công ty chế biếnthủy sản quan tâm là phế thải từ ngành nghề kinh doanh này, đó la phế thải như vỏtôm, cua, nang mực…v…v… là rất lớn, có thể gây ô nhiễm cho môi trường nếu khôngđược xử lý đúng cách, sử dụng đúng công nghệ… Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể tựhỏi là phế thải đó, với số lượng lớn như thế, có hướng giải quyết nào mang lại hiệu quảkinh tế cho doanh nghiệp hay không?

Để trả lời cho những câu hỏi như trên, một sản phẩm của ngành công nghệ sinhhọc ra đời, tạo mối liên kết giữa phế thải trong thủy sản và bảo quản trái cây, mang tên

là sản phẩm bảo quản trái cây bằng màng Chitin/ Chitosan được sản xuất từ phế liệuthủy hải sản Vì Chitin là thành phần chủ yếu trong vỏ của động vật thủy sản

Sản phẩm màng Chitin/ Chitosan trong bảo quản thực phẩm đã được ứng dụngnhiều trên thị trường và đem lại hiệu quả cao, giúp trái thực phẩm giữ được độ tươi vàchất lượng trong thời gian dài mà không gây ảnh hưởng tới sức khỏe người tiêu dùng.Đồng thời một lượng lớn phế liệu đã được giải quyết, đảm bảo vấn đề môi trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHITIN, CHITOSAN

1.1 Lịch sử phát triển và nguồn gốc của chitin, chitosan.

Chitin đã được rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu từ đầu thế kỉ thứ XIX và đã córất nhiều phát hiện ứng dụng vào thực tiễn

Năm 1811, Henri Braconnot là người đầu tiên phát hiện ra Chitin trong cặn dịchchiết của một loại nấm [7]; [8]

Năm 1823, Odier phân lập được 1 chất từ bọ cánh cứng và cũng phân lập đượcChitin khi loại khoáng vỏ cua Từ đó ông cho rằng đây là hợp chất cơ bản có trong vỏcủa động vật giáp xác và con trùng Cả Henri Braconnot và Odier đều chưa phát hiện

sự có mặt của Nitơ trong cấu trúc của Chitin [7]; [8]

Năm 1929 Karrer đun sôi Chitin 24h trong dung dịch KOH 5% và đun tiếp 50 phút

ở 160ºC với kiềm bão hòa, ông thu đựơc sản phẩm có phản ứng màu đặc trưng vớithuốc thử, chất đó chính là Chitosan [7]; [8]

Như vậy, qua quá trình nghiên cứu, Chitin được phát hiện là thành phần hữu cơ chủyếu trong vỏ mai của các động vật thuộc ngành giáp xác như vỏ tôm, cua, mai mựcnang, mực ống, vỏ bao ngoài của loài bọ cánh cứng Ngoài ra, Chitin còn là thành phầncủa nấm, tảo Trong nấm, Chitin đóng vai trò như cellulose trong các loài cây

1.2 Khái niệm và cấu trúc của Chitin, Chitosan.

1.2.1 Khái niệm và cấu trúc của Chitin.

Khái niệm:

Chitin là một polysachride mạch thẳng, có trữ lượng đứng thứ hai trong tự nhiênsau cellulose Chitin có tên khoa học là poly-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.β-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.(1, 4)-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.2-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.axetamido-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.2-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.deoxy-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.D-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.glucose.[3]; [7]; [9]

Cấu trúc:

Chitin có công thức phân tử: (C8H13O5N)n .Có cấu trúc tương tự như cenlulosenhững chỉ khác là ở C α ở cenlulose là nhóm OH, còn ở Chitin là nhóm acetoamide(-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.NH-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.CO-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.CH3) [3];[7]; [9]

Hình 1.1: Công thức cấu tạo của Chitin.

1.2.2 Khái niệm và cấu trúc cuả Chitosan.

 Khái niệm: Chitosan là một dạng Chitin đã được khử axetyl (độ acetyl hóaDD> 50% được gọi là chitosan-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose được giải thích trong chương 2), là một polymepoly β − (1,4) – 2 – amino – 2 – deoxi −D−glucose.[3]

 Cấu trúc:Chitosan có công thức phân tử: (C6H11O4N)n

Hình 1.2: Công thức cấu tạo của chitosan.

Chitosan được cấu tạo từ các mắt xích D-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.glucozamin lên kết với nhau bởi các liênkết β-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.(1,4)-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.glycozit

1.3 Các tính chất của Chitin, Chitosan.

1.3.1 Tính chất vật lý.

Chitin và Chitosan là những polymer có khối lượng phân tử lớn

Chitin có hình thái tự nhiên ở dạng rắn Màu của vỏ giáp xác hình thành từ hợpchất của Chitin ( dẫn xuất của 4-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.xeton và 4,4’ di xeton-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.ß-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.carotene ), có màutrắng hoặc phớt hồng, dạng vảy hoặc dạng bột, không mùi, không vị, không tantrong nước, trong môi trường kiềm, axit loãng và các dung môi hữu cơ như ete,rượu…nhưng tan trong dung dịch đặc nóng của muối thioxianat liti (LiSCN) vàthioxianat canxi [Ca(SCN)2] tạo thành dung dịch keo, nó cũng có khả năng hấpthụ tia hồng ngoại có bước sóng 884 – 890 cm-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.1.

Chitosan có màu trắng ngà hoặc màu vàng nhạt, tồn tại ở dạng bột hoặc dạngvảy, không mùi, không vị, nhiệt độ nóng chảy 309-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.311˚C [5]; [9]

có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo các dẫn xuất thế khác nhau Mặt khác, Chitin/Chitosan là những polymer, các monomer của chúng được nối bởi liên kết (1,4)glicozit, các liên kết này dễ bị phân cắt bởi các chất hóa học như axit, bazơ, các tácnhân oxy hóa, emzyme thủy phân,…

Ngoài ra, Chitin/ Chitosan và dẫn xuất của chúng có khả năng hấp phụ tạo phứcvới các ion kim loại chuyển tiếp Do trong phân tử Chitin/ Chitosan có các nguyên

tử Oxi, Nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa sử dụng nên có khả năng tạophức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng và kim loại chuyển tiếp như Hg2+,

Cd2+, Zn2+, Co2+, Cu2+… Tùy nhóm chức trên mạch polymer mà thành phần cấu trúccủa phức khác nhau.

Chitin dưới tác dụng của NaOH đậm đặc khoảng 40-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose 50% ở nhiệt độ cao thì xảy

ra phản ứng đề acetyl hóa tạo thành Chitosan Đây là phản ứng dùng để điều chếChitosan [9]

các peptit-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose insulin, kích thích việc tiết ra insulin ở tuyến tụy nên có thể áp dụng trongviệc điều trị bệnh tiểu đường [14]; [15]

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHITIN, CHITOSAN.2.1 Phương pháp hóa học.

Chitin là thành phần chủ yếu trong vỏ của động vật thủy hải sản, vì vậy nó được xem

là nguồn nguyên liệu chính để điều chế Chitin và Chitosan

Nguyên liệu

Rửa và sấyNghiền, lọc

Loại protein

RửaKhử khoáng

Dung dịch NaOH 3%, nhiệt

độ 93-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.95˚C trong 3-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose 4 giờ

NaOH 50% trong 4giờ,nhiệt độ 110-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.120˚C

Rửa, khử màu

Hình 2.1: Sơ đồ điều chế Chitin/ Chitosan bằng phương pháp hóa học [7]

2.1.1 Quá trình loại protein.

Chitin trong tự nhiên thường liên kết với protein Một vài protein được tách khỏi vỏbằng phương pháp tự nhiên, nhưng phần khác lại không thể chiết được do protein liênkết đồng hóa trị với chitin tạo ra glycoprotein.Vỏ giáp xác (tôm, cua, nang mực,…)được nghiền và xử lý bằng dung dịch NaOH 1-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.10% ở nhiệt độ 65-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.100˚C trong 0,5-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.12giờ protein tùy từng phương pháp sử dụng để hòa tan và kiểm tra độ pH= 11-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.12 đểđảm bảo việc loại protein được hoàn toàn Trong suốt quá trình này sự tạo bọt diễn raliên tục vì vậy cần chú ý tới việc trào dung môi [6]; [7]

2.1.2 Quá trình khử khoáng.

Trong thành phần của vỏ giáp xác ngoài protein, Chitin còn có một số khoáng nhưCaCO3, MgCO3, Ca3(PO4)2 nên người ta dùng HCl 1N để khử khoáng Các phản ứngdiễn ra như sau:

CaCO3 +2 HCl = CaCl2 + H2O + CO2

MgCO3 +2 HCl = MgCl2 + H2O + CO2

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

Nồng độ HCl ảnh hưởng tới thời gian và hiệu quả khử khoáng Nồng độ HCl cao sẽrút ngắn thời gian khử nhưng làm thủy phân các liên kết β -β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose (1,4) – glycozit tạo ra cácpolymer có trọng lượng trung bình, thấp Nếu nồng độ HCl thấp hiệu quả , khử khoángkhông triệt để và thời gian khử kéo dài [7]; [10]

2.1.3 Quá trình khử màu.

Rửa sấy

Chitosan

Chitin thô có màu hồng nhạt do có sắc tố astaxanthin Do Chitin ổn định với cácchất oxy hóa như thuốc tím, nước Ja-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.ven, oxy già,…nên ta lợi dụng tính chất này đểkhử màu chitin.

Quá trình khử màu được thực hiện bằng cách: sau khi rửa Chitin được chiết bằngacetone và tẩy trắng bằng NaOCl 0,315% trong 5 phút ở nhiệt độ phòng [6]; [11]

2.1.4 Quá trình deacetyl hóa.

Deacetyl hóa là quá trình chuyển Chitin thành chitosan bằng cách khử nhóm acetyl.Thường được tiến hành bằng cách xử lý NaOH hoặc KOH 40-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.50% ở nhiệt độ 110-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.120˚C trong 4 giờ Trong suốt thời gian phản ứng, dung dịch phản ứng cần được gianhiệt và khuấy trộn đều

Độ deacetyl hóa (DD) là tỷ lệ thay thế nhóm -β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.NHCOCH3 bằng nhóm –NH2 trongphân tử Chitin

Công thức thực nghiệm để tính DD sản phẩm theo phương pháp xác định phổ hồngngoại:

DD = 100 – (A1655/ A3450) * 115 (DD < 50%: Chitin, DD >= 50%: Chitosan)

Trong đó:

A1655: diên tích phần phổ hấp thụ do dao động của nhóm amide I

A3450: diện tích phần phổ hấp thụ do dao động của nhóm OH

155: hệ số thực nghiệm

Ngoài ra, còn có những phương pháp khác như phương pháp dựa vào phổ cộnghưởng từ hạt nhân proton, chưng cất chitin, chitosan với acid photphoric, phản ứng tạomàu với nihidrin, xác định theo Nitơ cũng cho kết quả tương đương nhưng cách tínhkhác nhau.[4]; [7]; [8]; [11]

2.2 Phương pháp sinh học.

Rửa và sấy

HCl trong 30 phút ở nhiệt độ phòng

NaOH 50% trong 4 giờ, nhiệt độ 110-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.120˚C

Nghiền và lọcThủy phân protein bằng enzyme protease 13% tỷ lệ w/v = 1/5, pH = 5-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose 5,5, nhiệt độ 70-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.80˚C trong thời gian 4 giờ

độ 13% trong 4 giờ ở nhiệt độ 70-β-(1, 4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucose.80˚C để loại bỏ protein ra khỏi chitin Ngoài ra, ta cóthể tác động enzyme vào giai đoạn deacetyl Hiện nay, người ta còn sử dụng các chủng

vi sinh vật để khử protein như Bacillus, Pseudomonas, Micrococus radiatus, Flavobacterium aurantiacus,…[4]; [7]

Hình 2.2: Sơ đồ điều chế Chitin/ Chitosan bằng enzyme protease [7]

2.3 So sánh ưu nhược điểm của hai phương pháp trên.

Bảng 2.1: So sánh ưu nhược điểm của các phương pháp sản xuất Chitin/ Chitosan.

[5]

+ Chi phí đầu tư thiết bị thấp

+ Chất lượng sản phẩm cao hơn

do có thể thực hiện phản ứng ởnhiệt độ cao hơn

+Hiệu suất thu hồi sản phẩmkhá cao

+ Protein loại bỏ có thể tận dụng

để là nguyên liệu trong chăn nuôi.+ Sản phẩm chitin, chitosan cóchất lượng cao không ảnh hưởngnhiều bởi hóa chất

+ Giảm ô nhiễm môi trường

quan tới vấn đề xử lý nước thải

và thu hồi hóa chất

+ Điều kiện làm việc với hóachất NaOH ở nhiệt độ cao dễgây ăn mòn thiết bị

+ Chưa có biện pháp tận thuprotein sau khi loại ra khỏi vỏgiáp xác

+ Hiệu suất không cao Enzymeđược sử dụng thành công cho năngsuất cao khi và chỉ khi enzymeđược phá tinh thể trước khi chovào phản ứng deacetyl hóa

+Đòi hỏi phải cung cấp enzymethường xuyên, ổn định hay môitrường nuôi cấy thích hợp

+Thiết bị hiện đại

Cả hai phương pháp đều được sử dụng trong sản xuất Chitin/ Chitosan nhưngphương pháp hóa học vẫn chiếm ưu thế hơn vì vậy những nhược điểm của phươngpháp sản xuất cần được lưu tâm và có biện pháp khắc phục để đảm bảo vê sinh môitrường.

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA CHITIN, CHITOSAN TRONG VIỆC

TẠO MÀNG BẢO QUẢN CHANH3.1 Giới thiệu về chanh.

Chanh là một loại quả thuộc họ cam quýt, có chứa đường, canxi, sắt, và cácvitamin B1, B2, A, đặc biệt hàm lượng vitamin C rất cao Do phong phú vitamin nênchanh có thể ức chế và giảm huyết áp, hoãn giải thần kinh, hỗ trợ tiêu hóa, đồng thờiphân giải các độc tố của cơ thể Chanh được trồng nhiều ở các nước vùng nhiệt đớitrong đó có Việt Nam và đem lại giá trị kinh tế cao cho người nông dân Tuy có vai tròquan trọng nhưng do có hàm lượng nước cao nên tỷ lệ hư hỏng sau thu hoạch của quảchanh là rất lớn Vì vậy, cần có phương pháp bảo quản hiệu quả mà không làm mất đicác giá trị có trong quả chanh

3.2 Màng Chitin/ Chitosan và tác dụng của màng.

3.2 1 Màng Chitin/ Chitosan.

Màng Chitin/ Chitosan là màng bao sinh học được sản xuất từ Chitin/ Chitosan cónguồn gốc từ vỏ các loài giáp xác như vỏ tôm, mai mực, …

3.2.2 Tác dụng của màng Chitin/ Chitosan.

* Kiểm soát thành phần không khí, độ ẩm bên trong màng bao và đảm bảo cấu trúcsản phẩm Nếu dung bằng màng PE thì mức độ cung cấp oxy sẽ bị hạn chế, nước sẽ bịngưng đọng tạo môi trường cho nấm mốc phát triển

* Làm rau trái lâu bị thâm, đảm bảo màu sắc cho rau trái Rau quả bị thâm là do quátrình lên men tạo các sản phẩm polyme hóa của oquinon Nhờ bao gói bằng màng