Nghiên cứu và tối ưu hóa các điều kiện thu nhận chitosan từ vỏ tôm thẻ chân trắng

Theo nghiên cứu thu nhận chitin-chitosan từ vỏ tôm thẻ chân trắng của Nguyễn Thị Trúc Loan, Phan Thị Loan 2018 thì việc sử dụng acid EDTA thay thế cho HCl trong quá trình khử khoáng có t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA HÓA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

để tăng hiệu suất và chất lượng thành phẩm

Kết quả từ các thí nghiệm khảo cho thấy:

- Quá trình thủy phân protein thực hiện ở nhiệt độ 600C, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi 1/10, nồng độ NaOH 0,8 M, thời gian thủy phân 60 phút đạt hiệu suất 73,74%

- Quá trình deacetyl thực hiện ở điều kiện nồng độ NaOH 45%, nhiệt độ 1100C, tỉ

lệ nguyên liệu/dung môi 1/15, thời gian 5h, độ deacetyl đạt được là 80,38%

- Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin: thủy phân protein bằng NaOH 0,79M, nhiệt độ 63,860C, tỉ lệ nguyên liệu / dung môi 1/12 (w/v), thời gian 75 phút, hiệu suất thủy phân protein đạt 77,73% Điều kiện tối ưu cho quá trình khử khoáng là: EDTA 0,35M, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi là 1/10 (w/v), thời gian 150 phút Trong điều kiện này thì hàm lượng khoáng còn lại trong mẫu là 0,53% Hiệu suất chitin thu nhận là 30,56%

- Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitosan: nồng độ NaOH 47%, nhiệt độ 110,60C, thời gian 5,4 giờ, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi 1/15, độ deacetyl đạt 82,05% Hiệu suất thu nhận chitosan là 71,42%

- Chitosan thành phẩm có độ deacetyl hóa là 82,49%, độ tan là 93,51% , độ nhớt đạt 213 cps Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm 4 chương:

+ Chương 1: Tổng quan

+ Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

+ Chương 3: Kết quả và thảo luận

+ Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Họ tên sinh viên: Nguyễn Thị Vinh Số thẻ sinh viên: 107150192

1 Tên đề tài đồ án: Nghiên cứu và tối ưu hóa các điều kiện thu nhận chitosan từ vỏ tôm thẻ chân trắng

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

- Đặt vấn đề

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

- Chương 3: Kết quả và thảo luận

- Chương 4: Kết luận và kiến nghị

- Tài liệu tham khảo

- Phụ lục

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): Không

6 Họ tên người hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Trúc Loan

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 01/09/2019

8 Ngày hoàn thành đồ án: 18/12/2019

Đà Nẵng, ngày tháng 12 năm 2019

PGS.TS Đặng Minh Nhật TS Nguyễn Thị Trúc Loan

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Nghiên cứu và tối ưu hóa các điều kiện thu nhận chitosan từ vỏ tôm thẻ chân trắng”, bên cạnh sự nỗ lực phấn đấu của bản thân, tôi luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô, bạn bè và gia đình

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Hóa trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng nói chung, Bộ môn Công nghệ thực phẩm nói riêng đã truyền đạt cho em kiến thức trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và cũng như có hành trang vững chắc cho sự nghiệp trong tương lai

Bên cạnh đó, em xin được tỏ lòng biết ơn và gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Nguyễn Thị Trúc Loan, người trực tiếp hướng dẫn đồ án này Cô đã luôn tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi tìm ra hướng nghiên cứu, tìm kiếm tài liệu, xử lý, phân tích số liệu và giải quyết vấn đề… nhờ đó em mới có thể hoàn thành được đồ án tốt nghiệp của mình

Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô phòng thí nghiệm khoa Hóa trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, phòng thí nghiệm bộ môn Công nghệ thực phẩm trường Đại học sư phạm kỹ thuật Đà Nẵng đã tạo điều kiện cho em về trang thiết bị, phòng thí nghiệm, giúp em hoàn thành đề tài thuận lợi và đúng tiến độ

Em cũng xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đã luôn bên cạnh ủng hộ, giúp đỡ và động viên trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong hội đồng bảo vệ tốt nghiệp đã dành thời gian quý báu của mình để đọc và nhận xét đồ án của em

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, mặc dù đã cố gắng hoàn thiện đề tài qua tham khảo tài liệu, trao đổi và tiếp thu ý kiến đóng góp nhưng chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Vì vậy em rất mong nhận được sự góp ý chân thành của Quý Thầy,

Cô và bạn đọc

Đà Nẵng, ngày tháng 12 năm 2019 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Vinh

ii

CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng em Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định Các kết quả nghiên cứu trong đồ án do em tự thực hiện, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Vinh

MỤC LỤC

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án

Lời nói đầu i

Cam đoan ii

Mục lục iii

Danh sách bảng v

Danh sách hình vi

Danh sách các cụm từ viết tắt vii

Mở đầu 1

Chương 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về chitin và chitosan 3

1.1.1 Tìm hiểu chung 3

1.1.2 Cấu trúc và tính chất của chitin 4

1.1.3 Cấu trúc và tính chất của chitosan 5

1.2 Ứng dụng của chitin – chitosan 11

1.2.1 Ứng dụng chitosan trong ngành công nghệ thực phẩm 11

1.2.2 Ứng dụng trong ngành nông nghiệp 11

1.2.3 Ứng dụng trong ngành y học-dược học 12

1.2.4 Ứng dụng trong những ngành công nghiệp khác 12

1.3 Giới thiệu về nguồn nguyên liệu và công nghệ sản xuất chitin- chitosan 14

1.3.1 Nguồn thu nhận chitin-chitosan 14

1.3.2 Công nghệ sản xuất chitin-chitosan 15

1.4 Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin-chitosan trên thế giới và ở việt nam 19

1.4.1 Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin-chitosan trên thế giới 19

1.4.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin- chitosan ở việt nam 20

Chương 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1 Đối tượng, thiết bị, dụng cụ và hóa chất sử dụng 22

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 22

2.1.2 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất sử dụng 22

2.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 22

iv

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu 23

2.3 Bố trí thí nghiệm 25

2.3.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn thủy phân protein bằng dung dịch NaOH 25

2.3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn deacetyl hóa 26

2.3.3 Bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin-chitosan 27

2.4 Phương pháp xử lý số liệu 29

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 30

3.1 Thành phần hóa học cơ bản của vỏ tôm 30

3.2 Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân protein bằng dung dịch NaOH 31

3.2.1 Kết quả xác định ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thủy phân protein 31

3.2.2 Kết quả xác định ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu/dung dịch naoh đến hiệu suất thủy phân protein 32

3.2.3 Kết quả tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thủy phân protein 33

3.2.4 Kết quả tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất khử khoáng 36

3.3 Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình deacetyl hóa 38

3.3.1 Kết quả xác định ảnh hưởng của nồng độ naoh đến độ deacetyl hóa của chitosan 38

3.3.2 Kết quả xác định ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ deacetyl hóa của chitosan 39

3.3.3 Kết quả xác định ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu/dung dịch naoh đến độ deacetyl hóa của chitosan 40

3.3.4 Kết quả xác định ảnh hưởng của thời gian đến độ deacetyl hóa của chitosan 41

3.3.5 Kết quả khảo sát quá trình tối ưu hóa quá trình deacetyl hóa 42

3.4 Đánh giá hiệu suất thu hồi và chất lượng chitosan thành phẩm thu được 44

3.4.1 Hiệu suất thu hồi chitin-chitosan 44

3.4.2 Đánh giá chất lượng chitosan thành phẩm 44

KẾT LUẬN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHỤ LỤC 1

PHỤ LỤC 2

PHỤ LỤC 3

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1 1 Nồng độ tối thiểu của chitosan để ức chế các loài 10

Bảng 1 2 Các điều kiện để thủy phân protein trong quá trình sản xuất chitin từ các 16

Bảng 1 3 Các điều kiện để khử khoáng trong quá trình sản xuất chitin từ các nguồn phế liệu khác nhau [17] 17

Bảng 2 1 Ma trận bố trí thí nghiệm mã hóa các biến độc lập của quá trình khử protein……… 27

Bảng 2 2 Ma trận bố trí thí nghiệm mã hóa các biến độc lập của quá trình khử khoáng 28

Bảng 2 3 Ma trận bố trí thí nghiệm mã hóa các biến độc lập của quá trình khử protein 29

Bảng 3 1 Thành phần hóa học cơ bản của vỏ tôm………30

Bảng 3 2 Mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy để thủy phân protein 33

Bảng 3 3 Phân tích phương sai của phương trình hồi quy để thủy phân protein 34

Bảng 3 4 Mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy để khử khoáng 36

Bảng 3 5 Phân tích phương sai của phương trình hồi quy khử khoáng 36

Bảng 3 6 Mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy để deacetyl hóa 42

Bảng 3 7 Phân tích phương sai của phương trình hồi quy để deacetyl hóa 42

Bảng 3 8 Hiệu suất thu hồi thành phẩm (%) 44

Bảng 3 9 So sánh một số chỉ tiêu chất lượng của chitosan 45

vi

Hình 1 1 Cấu tạo của chitin [28] 4

Hình 1 2 Công thức so sánh cấu tạo chitin, chitosan, cellulose [23] 6

Hình 1 3 Chuỗi phản ứng của chitosan và các dẫn xuất 7

Hình 1 4 Phức Ni (II) của chitin và chitosan 8

Hình 1 5 Phản ứng N-acyl hóa của chitosan 8

Hình 1 6 Phản ứng depolyme hóa của chitosan 8

Hình 1 7 Ứng dụng của chitosan trong may mặc 13

Hình 1 8 Quy trình thu nhận chitin-chitosan [17] 16

Hình 3 1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thủy phân protein……… 31

Hình 3 2 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến hiệu suất thủy phân protein 32

Hình 3 3 Biểu đồ 2D (I, II, …, IV) và biểu đồ bề mặt 3D (a, b,…, f) xác định phạm vi tối ưu của các điều kiện thủy phân protein 35

Hình 3 4 Biểu đồ 2D (I, II, III) và biểu đồ bề mặt 3D (a, b, c) xác định phạm vi tối ưu của các điều kiện khử khoáng 37

Hình 3 5 Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến độ deacetyl hóa của chitosan 38

Hình 3 6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ deacetyl hóa của chitosan 39

Hình 3 7 Ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu /dung môi đến độ deacetyl hóa của chitosan 40

Hình 3 8 Ảnh hưởng của thời gian đến độ deacetyl hóa của chitosan 41

Hình 3 9 Biểu đồ 2D (I, II, III) và biểu đồ bề mặt 3D (a, b, c) xác định phạm vi tối ưu của các điều kiện deacetyl hóa 43

ANOVA: Analysic of variance

DDA: Degree of deacetylation

EDTA: Ethylenediaminetetraacetic acid

RSM: Response Surface Methodology

RCCD: Rotatable Central Composite Design

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, ngành chế biến thủy sản được xem là ngành mũi nhọn thúc đẩy GDP của cả nước, trong đó chế biến và xuất khẩu tôm đang tăng trưởng mạnh Theo hiệp hội Chế biến và Xuất Khẩu thủy Sản Việt Nam (VASEP) cho biết, kim ngạch xuất khẩu tôm năm 2018 đạt 3.58 tỷ USD Trong đó tôm thẻ chân trắng giữ

vị trí chủ đạo trong cơ cấu mặt hàng tôm xuất khẩu của Việt Nam Việc đẩy mạnh xuất khẩu tôm đã dẫn đến tình trạng một khối lượng lớn vỏ tôm tạo ra gây khó khăn trong việc thu gom, xử lý, từ đó dẫn đến các vấn đề về môi trường Tuy nhiên chính lượng phế thải này lại là tiềm năng lớn cho việc sản xuất chitin-chitosan – một polymer tự

nhiên có ứng dụng rộng rãi trong các ngành nghề sản xuất

Chitin-chitosan là những polysaccharide tồn tại trong tự nhiên với sản lượng rất lớn đứng thứ hai sau cellulose Chitosan là sản phẩm deacetyl hóa chitin với các mức deacetyl hóa khác nhau Giống như chitin, chitosan có một số tính chất đáng quan tâm như phân hủy sinh học, tương hợp sinh học và đặc biệt là không độc đối với con người

và môi trường Song khác với chitin, nó có thể hòa tan tốt trong các dung dịch axit loãng, giúp dễ dàng áp dụng hơn Điều này làm cho nó trở thành vật liệu tiềm năng có thể ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau từ nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, y

tế và môi trường

Trong những năm gần đây, có thể thấy việc tìm ra những ứng dụng mới của chitin, chitosan và dẫn xuất, việc sản xuất và tiêu thụ các sản phẩm nguồn gốc chitin, chitosan không ngừng gia tăng Nhiều nghiên cứu quá trình thu nhận chitin-chitosan bằng phương pháp sinh học đã được công bố, tuy nhiên việc sử dụng enzym đắt tiền làm cho giá thành sản phẩm cũng tăng theo Vì vậy phương pháp hóa học vẫn được ưu tiên sử dụng do có ưu điểm nhanh, đơn giản, dễ thực hiện

Theo nghiên cứu thu nhận chitin-chitosan từ vỏ tôm thẻ chân trắng của Nguyễn Thị Trúc Loan, Phan Thị Loan (2018) thì việc sử dụng acid EDTA thay thế cho HCl trong quá trình khử khoáng có thể làm giảm hiện tượng cắt mạch chitin, nâng cao chất lượng sản phẩm và ít gây ô nhiễm môi trường Nghiên cứu này cũng đã khảo sát được điều kiện nồng độ, thời gian thích hợp để hiệu suất thủy phân protein là tốt nhất

Tuy nhiên, chưa nghiên cứu kỹ về các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khử protein, deacetyl hóa và chưa tối ưu hóa các điều kiện Chính vì vậy, việc nghiên cứu sâu hơn các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn trong quá trình thu nhận chitin-

chitosan có chất lượng thương mại là hết sức cần thiết

Xuất phát từ những thực tế trên, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu và

tối ưu hóa các điều kiện thu nhận chitosan từ vỏ tôm thẻ chân trắng” nhằm tìm ra

một quy trình sản xuất chitin-chitoan cho hiệu suất cao, rút ngắn thời gian tiến hành và

nâng cao chất lượng sản phẩm thu được

❖ Mục đích nghiên cứu của đề tài:

- Xác định thành phần hóa học của vỏ tôm thẻ chân trắng

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân protein và quá trình deacetyl hóa

- Tối ưu hóa các điều kiện thu nhận chitin-chitosan thành phẩm

- Đánh giá chất lượng chitin-chitosan thành phẩm

❖ Mục tiêu nghiên cứu:

- Xây dựng được quy trình thu nhận chitin-chitosan cho hiệu suất cao và chất lượng tốt

❖ Đối tượng nghiên cứu: Vỏ tôm thẻ chân trắng thu nhận từ công ty Xuất Nhập Khẩu

Miền Trung- Đà Nẵng

❖ Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp vật lý, hóa học, phương pháp xử lý số liệu

trên các phần mềm như Excel, Minitab, ANOVA,…

❖ Nội dung bài báo cáo: gồm 4 chương

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

- Chương 3: Kết quả và thảo luận

- Chương 4: Kết luận và kiến nghị

1823, A.Odier phân lập được một chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi là “chitin” hay

“chiton” Nhưng ông không phát hiện ra sự có mặt của Nitơ trong đó, cuối cùng cả Odier và Braconnot đều đi đến kết luận rằng cấu trúc của chitin giống cấu trúc của cellulose [2]

Ở thực vật, chitin có trong vách tế bào của nấm và một số loài tảo chlorophyceae

Ở 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 Đặc biệt, chitin tồn tại rất nhiều ở vỏ tôm, cua, ghẹ,… Vì vậy, chúng là nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất chitin-chitosan [1]

Chitin tồn tại trong tự nhiên ở dạng tinh thể: 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 thường liên kết dưới dạng phức hợp chitin-protein, chitin với các hợp chất hữu cơ,… khi tồn tại như thế chitin có

sự trơ 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 [1]

Năm 1894, Winterstein phát hiện ra khi xử lý nấm với H2SO4 hay NaOH rồi thủy phân trong HCl thì đều thu được cùng loại monosaccharide và acid acetic Tuy nhiên, ông vẫn gọi hợp chất này là “cellulose” Cũng trong năm này, khi đun chitin trong dung dịch KOH ở 180 ºC, Hope – Seyler thu được một hợp chất mới có số nguyên tử giống như trong chitin và gọi nó là chitosan [3]

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 Chitosan lần đầu tiên được phát hiện năm 1859 bởi nhà khoa học C Rouget, cũng từ thời điểm này giới khoa học bắt đầu nghiên cứu thực nghiệm và sử dụng

những polyme này Sự deacetyl bằng kiềm, chitin tạo thành chitosan và tan được trong dung dịch acid acetic loãng [1]

1.1.2 Cấu trúc và tính chất của chitin

1.1.2.1 Công thức cấu tạo của chitin

Chitin là một dạng polysaccharide mạch thẳng gồm các tiểu phân glucosamine kết hợp lại với nhau theo liên kết β-1,4-glycoside, chúng phổ biến trong

N-acetyl-D-tự nhiên chỉ sau cellulose

Chitin có công thức phân tử: (C8H13O5N)n

Có thể biểu diễn mỗi mắt xích này bằng mũi tên chỉ nhóm –CH2OH, phần đuôi chỉ nhóm –NHCOCH3, thì các cấu trúc α, β, γ - chitin được mô tả như sau:

Trong số 3 trạng thái tinh thể của chitin, phổ biến và bền vững nhất là α-chitin, trong phân tử có các liên kết đôi song song, chính nhờ các liên kết hydro Phân tử β-chitin và γ - chitin kém bền vững và ít gặp hơn [13]

Hình 1 1 Cấu tạo của chitin [28]

Chitin tan trong các dung dịch acid vô cơ đặc nhưng lại có tính kỵ nước cao và không tan trong nước, trong môi trường kiềm, acid loãng và các dung môi hữu cơ như ete, rượu… do chitin có cấu trúc chặt chẽ, có liên kết trong và liên phân tử mạnh thông qua các nhóm hydroxyde và acetamide Tuy nhiên, β – chitin có tính trương nở với nước cao Chitin có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại có bước sóng λ = 884 - 890 µm

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 từ vi sinh vật thì có phân tử

lượng thấp, chỉ khoảng vài chục nghìn Dalton [4]

1.1.2.3 Tính chất hóa học của chitin

Chitin ổn định với các chất oxy hoá mạnh như thuốc tím (KMnO4); oxy già (H2O2); nước javen (NaOCl-NaCl)… lợi dụng tính chất này mà người ta sử dụng các chất oxy hoá trên để khử màu cho chitin

Chitin phản ứng với HCl đâm đặc, ở nhiệt độ cao tạo thành 88,5% D-glucosamin

và 21,5% acid acetic

Khi đun nóng chitin trong dung dịch NaOH đậm đặc (40-50%), ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan

Phản ứng este hóa:

- Chitin tác dụng với HNO3 đậm đặc cho sản phẩm chitin nitrat

- Chitin tác dụng với anhydride sunfuric trong pyridin, dioxan và dimetylanilin cho sản phẩm chitin sunfonat

N,N-Phản ứng nhiệt phân: Nhiệt phân chitin ở nhiệt độ cao (khoảng 9000C) sẽ tạo ra một số các hợp chất có mùi thơm thơm đặc trưng

Từ thế kỷ trước các nghiên cứu về việc hấp thu, tạo phức với kim loại nặng đã được thực hiện Chitin có thể tạo phức với nhiều kim loại như đồng, chì, crom …[4]

1.1.3 Cấu trúc và tính chất của chitosan

1.1.3.1 Công thức cấu tạo của chitosan

Chitosan là một chuỗi polysaccharide bao gồm các đơn vị D-glucosamine liên kết với nhau bằng các liên kết β-(1-4)-glucoside

Tên gọi khoa học: Poly (1-4)-2-amino-2-deoxi- β -D-glucose

là –OH (H ở nhóm hydroxyl bậc 1 linh động hơn H ở nhóm hydroxyl bậc 2 trong vòng

6 cạnh) còn chitosan có 2 nhóm chức hoạt động là –OH, -NH2, do đó chitosan ít kết tinh hơn so với chitin, dễ dàng tham gia phản ứng hóa học hơn chitin

Do quá trình deacetyl hóa xảy ra không hoàn toàn nên người ta quy ước nếu độ deacetyl hóa (degree of deacetylation) DDA > 50% thì gọi là chitosan, nếu DDA < 50% gọi là chitin

1.1.3.2 Tính chất vật lý của chitosan

Chitosan là một sản phẩm deacetyl hóa của chitin, là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, dai hơn chitin, có thể xay nhỏ theo các kích cỡ khác nhau, có màu trắng hay màu vàng nhạt, nhiệt độ nóng chảy là 309 – 3110C [13]

Chitosan có tính kiềm nhẹ, không tan trong nước, dung dịch kiềm và acid đậm đặc nhưng tan trong acid loãng như acid acetic, acid fomic, acid lactic , tạo thành dung dịch keo trong suốt

Hình 1 2 Công thức so sánh cấu tạo chitin, chitosan, cellulose [23]

Chitosan là một trong những dẫn xuất quan trọng của chitin, vì khả năng tan tốt của

nó trong các dung dịch acid loãng, cũng như có một số hoạt tính sinh học đáng quan tâm khác ngoài khả năng phân hủy, tương hợp sinh học và không độc giống như chitin Chitosan có khả năng tạo màng tốt và có khả năng hấp phụ chất

Do là một polycationic mang điện tích dương nên chitosan có khả năng bám dính trên các bề mặt có điện tích âm như protein, aminopolysaccharide (alginate), acid béo

và phospholipid nhờ sự có mặt của nhóm amino (NH2) [7]

1.1.3.3 Tính chất hóa học của chitosan

Trong phân tử chitosan có chứa các nhóm chức -OH, -NH2 trong các mắt xích glucosamin có nghĩa chúng vừa là alcol vừa là amin Phản ứng hoá học có thể xảy ra ở

D-vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế -OH, dẫn xuất thế N-, hoặc dẫn xuất thế O, N- [6] Mặt khác chitosan là những polymer mà các monomer được nối với nhau bởi các liên kết β-(1-4)-glucoside, các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hoá học như:

acid, base, tác nhân oxy-hóa và các enzyme thuỷ phân

a.Tính chất hóa học chung của chitosan và các dẫn xuất

Hình 1 3 Chuỗi phản ứng của chitosan và các dẫn xuất

b Khả năng hấp phụ tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp

Trong phân tử chitosan và một số dẫn xuất của chitin chứa các nhóm chức mà trong đó các nguyên tử oxi và nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa sử dụng, do

đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+… tùy nhóm chức trên mạch polymer mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau

Ví dụ: với phức Ni (II) nếu chitin có cấu trúc bát diện có số phối trí bằng 6, nếu chitosan có cấu trúc tứ diện có số phối trí bằng 4

c Phản ứng N-acyl hóa của chitosan

Đây là phản ứng giữa anhydide acid với chitosan để điều chế N-acyl chitosan

1.1.3.4 Tính chất sinh học của chitosan

Vật liệu chitosan có nguồn gốc tự nhiên, không độc, dùng an toàn cho người Chúng có tính hòa hợp sinh học cao với cơ thể, có khả năng tự phân huỷ sinh học Chitosan có nhiều tác dụng sinh học đa dạng như: có khả năng hút nước, giữ ẩm, tính kháng nấm, tính kháng khuẩn, cầm máu, chống sưng u, chống ngứa.… [8]

- Có tác dụng làm giảm đáng kể số lượng vi sinh vật tổng số trên bề mặt thực phẩm [7]

- Ngoài ra, chitosan còn có tác dụng làm giảm cholesterol và lipid máu, làm

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

1.1.3.5 Một số đặc tính quan trọng đánh giá chất lượng của chitosan

Chất lượng và đặc tính của chitosan được đánh giá thông qua độ tinh sạch, độ deacetyl, độ tan, độ nhớt, khối lượng phân tử trung bình, mức độ phân bố khối lượng phân tử, kiểu phân bố của các monomer trên chuỗi polymer và cấu trúc hình thái [29]

a Độ acetyl hóa (DDA)

Độ deacetyl hóa có thể dùng để so sánh chitin và chitosan vì nó xác định hàm lượng các nhóm amin tự do có trong chuỗi polyme (DDA > 50% thì gọi là chitosan,

nếu DDA < 50% thì gọi là chitin)

Mức độ deacetyl hóa ảnh hưởng đến tính chất vật lý, hóa học, sinh học của chitosan cũng như khả năng phân hủy sinh học, tự tổng hợp, tính chất hấp phụ,… Mức độ deacetyl hóa của chitosan vào khoảng 56-99% (thường 80%) phụ thuộc vào loài giáp xác và phương pháp sử dụng [25],[39]

b Độ nhớt

Độ nhớt là một nhân tố quan trọng để xác định khối lượng phân tử của chitosan Chitosan phân tử lượng thường có độ nhớt từ 30 – 200 cps và chitosan phân tử lượng lớn hơn 1 triệu dalton có độ nhớt lên đến 3000 – 4000 cps

Ngoài ra độ nhớt của chitosan còn phụ thuộc vào độ deacetyl hóa, khối lượng nguyên tử, nồng độ dung dịch, độ mạnh của lực ion, pH và nhiệt độ…

Độ nhớt chitosan còn bị ảnh hưởng đáng kể bởi các biện pháp xử lý vật lý (nghiền, gia nhiệt, hấp khử trùng…) và hóa học (xử lý bằng ozon), trừ quá trình làm lạnh thì nó sẽ giảm khi thời gian và nhiệt độ xử lý tăng Vì vậy, dung dịch chitosan bảo quản ở 4ºC được cho là ổn định nhất [24]

c Khối lượng phân tử

Chitosan là một polyme sinh học có khối lượng phân tử cao Khối lượng chitosan thường lớn hơn 1 triệu Dalton trong khi các sản phẩm chitosan thương phẩm có khối lượng 100,000-1,200,000 Dalton, phụ thuộc nguồn chitin, điều kiện deacetyl và thường rất khó kiểm soát

Khối lượng phân tử của chitosan quyết định tính chất của chitosan như khả năng tạo màng, tạo gel, khả năng hấp phụ chất màu, đặc biệt là khả năng ức chế vi sinh vật Thông thường, nhiệt độ cao, sự có mặt của oxy và sức kéo có thể dẫn đến phân hủy chitosan Giới hạn nhiệt độ là 2800C, sự phân hủy do nhiệt độ có thể xảy ra và mạch polyme nhanh chóng bị phá vỡ, do đó khối lượng phân tử giảm [25], [39]

d Tính tan

Chitosan nhờ có nhóm amin tự do nên có năng lượng tự do lớn, pKa (hằng số phân ly) của chitosan có giá trị từ 6,2 đến 6,8 tạo điều kiện cho chitosan có thể hòa tan trong các dung dịch của acid loãng tạo thành keo dương [25]

Tính tan của chitosan bị ảnh hưởng của mức độ acetyl hóa, độ acetyl hóa càng tăng khi độ deacetyl hóa tăng Ngoài ra, các nhân tố nhiệt độ và thời gian quá trình deacetyl hóa, nồng độ các chất kiềm, việc xử lý sơ bộ, kích thước của các phân tử cũng ảnh hưởng đến tính tan của dung dịch chitosan [25],[39]

*Các cơ chế kháng khuẩn của chitosan

+ Nhờ tác dụng của những nhóm NH3+ trong chitosan lên các vị trí mang điện tích âm ở trên màng tế bào vi sinh vật, dẫn tới sự thay đổi tính thấm của màng tế bào làm cho quá trình trao đổi chất qua màng bị ảnh hưởng Lúc này, vi sinh vật không

Bảng 1 1 Nồng độ tối thiểu của chitosan để ức chế các loài

vi khuẩn khác nhau [14],[26]

thể nhận các chất dinh dưỡng cơ bản, làm mất cân bằng giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào và cuối cùng dẫn đến sự chết của tế bào [7]

+ Các nhóm amino trong chitosan có thể tác dụng với các nhóm anion của bề mặt thành tế bào, lấy đi các ion kim loại quan trọng của tế bào vi khuẩn, ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn [8]

+ Chitosan có khả năng phá huỷ màng tế bào thông qua tương tác của những nhóm NH3+ với những nhóm phosphoryl của thành phần phospholipid của màng tế bào vi khuẩn

Ngoài ra, hoạt tính tạo chelat của chitosan cũng đã tước đoạt các kim loại, yếu tố

vi lượng hoặc các chất dinh dưỡng cần thiết cũng được đề xuất như một yếu tố giới hạn sự tăng trưởng của vi khuẩn [14]

1.2 Ứng dụng của chitin – chitosan

1.2.1 Ứng dụng chitosan trong ngành công nghệ thực phẩm

Diệt khuẩn: Do chitosan có tính chất diệt khuẩn và có khả năng tạo màng tốt

nên chitosan được dùng để sản xuất các màng mỏng để bao gói thực phẩm chống ẩm mốc, chống mất nước

Đặc tính diệt khuẩn của chitosan được thể hiện trên các mặt sau:

- Khi tiếp xúc với thực phẩm chitin – chitosan sẽ lấy đi từ các vi sinh vật này các ion thiết yếu, ví dụ như ion Cu2+ Như vậy vi sinh vật sẽ bị chết do sự mất cân bằng liên quan đến các ion thiết yếu

- Phá hoại chức năng màng tế bào Gây ra sự rò rỉ các phần bên trong tế bào Như vậy việc dùng chất chitosan bao bọc quanh bề mặt thực phẩm có thể kéo dài thời gian bảo quản, giảm sự hư hỏng do khả năng kháng nấm, kháng khuẩn của nó

Chất phụ gia: Chitosan có thể thay thế hàn the làm chất phụ gia bảo quản tốt

cho giò và bánh cuốn ở nhiệt độ phòng và bảo quản tốt đến 26 ngày ở T= 800C Trong chế biến bảo quản giò thì lượng Chitosan được dùng tốt nhất là 2,5 g/kg thịt và được đưa vào ở giai đoạn xay nhuyễn cùng với muối và gia vị trước khi cho nước mắm của quy trình sản xuất giò truyền thống

Trong chế biến bảo quản bánh cuốn thì lượng Chitosan được dùng tốt nhất là

24 g dung dịch 3,5% cho 1 kg bột nước và được đưa vào ở giai đoạn trước khi tráng bánh Sản phẩm giò và bánh cuốn có phụ gia chitosan giá thành phù hợp với an toàn sức khoẻ [15]

1.2.2 Ứng dụng trong ngành nông nghiệp

Dùng như một thành phần chính trong thuốc trừ nấm bệnh Chitosan phòng trừ được các bệnh cây do các nhóm vi sinh vật như nấm, vi khuẩn, tuyến trùng và cả virút

Có thể coi chitosan như một loại vắc-xin thực vật Ở ta hiện nay hoạt chất chitosan đăng ký với với nhiều tên thương mại như Olicide, Thumb, Stop phòng trừ nhiều loại bệnh do nấm, vi khuẩn và tuyến trùng cho lúa và nhiều cây trồng khác

Chitosan là các polymer glucosamine có ảnh hưởng đến chuyển hóa và sinh học phân tử của tế bào thực vật Các mục tiêu di động là màng tế bào và nhiễm sắc thể trong nhân Chitosan sẽ tác động lên màng tế bào, nhiễm sắc thể, DNA, các kinase, các phản ứng oxy hóa…Do đó, chitosan còn dùng làm chất kích thích sinh trưởng, tăng năng suất cây trồng, Trong sản xuất rượu vang, chitosan được sử dụng để tinh lọc, ngăn ngừa hư hỏng sản phẩm

Từ 1986, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (Environmental Protection Agency) đã cho phép dùng chitosan rộng rãi trong nông nghiệp [11]

1.2.3 Ứng dụng trong ngành y học-dược học

- Chitosan có khả năng thúc đẩy quá trình đông máu Các muối chitosan có được

từ pha trộn chitosan với axit hữu cơ như axit succinic hoặc lactic sẽ tác dụng với màng

tế bào hồng cầu, tiểu cầu khiến sự hình thành cục máu đông được nhanh chóng hơn

- Chitosan cũng có tác dụng giảm đau do khả năng ngăn chặn xung động ở các mút tận cùng các dây thần kinh cảm giác

- Chitosan có tính nhầy dính (mucoadhesive) nên được sử dụng để đưa thuốc vào

cơ thể qua da, như sử dụng với miếng dán insulin

- Chitosan cũng có thể được kết hợp với các vật liệu khác tạo thành những composite dùng trong y khoa

- Chitosan là một tá dược quan trọng dùng để độn, dẫn thuốc, màng bao phim, viên nang mềm, nang cứng, làm chất mang thuốc giúp thuốc tác dụng chậm kéo dài

- Chitosan là nguyên liệu để làm vật liệu y sinh như da nhân tạo, màng sinh học, chất nền cho da nhân tạo, …

1.2.4 Ứng dụng trong những ngành công nghiệp khác

1.2.4.1 Xử lý nước thải

Nước thải của hoạt động khai thác mỏ, mạ kim loại, nhà máy điện, chế tạo thiết

bị điện và đặc biệt là hoạt động của các tổ hợp nhiên liệu hạt nhân, các cơ sở quốc phòng, v.v có chứa các kim loại có độc tính cao như crôm, cađimi, chì, thủy ngân, niken, đồng cần được xử lý trước khi thải Hấp phụ sinh học là phương pháp sử dụng các vật liệu sinh học để tách kim loại hay các hợp chất và các hạt khỏi dung dịch Trong những năm gần đây, phương pháp này được đánh giá là một trong những phương pháp hiệu quả về cả kinh tế và kỹ thuật để loại bỏ các kim loại gây nhiễm bẩn nguồn nước mặt và nhiều loại nước thải công nghiệp

1.2.4.2 Hấp phụ kim loại nặng

Chitosan có khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng Do đặc tính của nhóm amino tự do trong cấu trúc chitosan được tạo thành khi deacetyl hóa chitin, các phức chelat của nó làm cho khả năng hấp phụ kim loại tăng gấp 5 đến 6 lần so với chitin Khi ghép một số nhóm chức vào khung cấu trúc của chitosan sẽ làm tăng khả năng hấp phụ kim loại của chitosan lên nhiều lần

Chitosan có thể sử dụng như một chất hấp thụ để tách các đồng vị phóng xạ nguy hiểm từ nước bị nhiễm phóng xạ và thu hồi Uranium từ nước biển và nước ngọt [22] + Loại bỏ các polymer hiện diện trong nước thải, giảm mùi hôi thối

+ Ngoài ra, chitosan có thể ứng dụng để xử lý các vệt dầu loang, xử lý nước thải sinh hoạt, thu hồi protein và khoáng từ nước thải nông nghiệp và tách các độc chất từ dung dịch

1.2.4.3 Công nghệ nhiếp ảnh, dệt và in ấn

- Trong kỹ thuật nhiếp ảnh, chitosan được sử dụng như tác chất tạo ra các acid màu trong gelatin và đóng vai trò như chất hỗ trợ cho quá trình phản xạ ánh sáng Phim chitosan có độ nhớt rất cao, không tan trong nước, acid Độ cứng được cải thiện bằng cách tổng hợp đúc chitosan, rồi xử lý phim bằng dung dịch acid [11]

- Chitosan có thể được dùng làm chất cầm màu trong khi nhuộm và in sợi dệt Khả năng kháng khuẩn của chitosan giúp vải có độ bền cao hơn Có thể thay hồ tinh bột bằng chitosan để hồ vải, nó tác dụng làm tơ sợi mềm, mịn, bóng đẹp, cố định hình

in, chịu được acid và kiềm nhẹ [22]

- Trong công nghệ in, chitosan là mực in sinh học (bioprinting), các sản vật in sinh học này khi bỏ đi sẽ tự phân hủy sinh học không độc hại môi trường [11]

- Làm tăng độ bền của giấy: Do có cấu trúc tương tự như cellulose nên chitosan

được nghiên cứu bổ sung vào làm nguyên liệu sản xuất giấy Chitosan làm tăng độ bền dai của giấy, đồng thời việc in trên giấy cũng tốt hơn Trong sản xuất giấy qua nghiên cứu người ta thấy nếu bổ sung 1% chitosan thì độ bền của giấy tăng lên khi bị ướt

Hình 1 7 Ứng dụng của chitosan trong may mặc

Mặc khác chitosan có khả năng tự phân hủy sinh học nên rất thuận tiện cho quá trình tái chế giấy và gây ô nhiễm môi trường

1.2.4.4.Mỹ phẩm

Chitosan được sử dụng trong sản xuất kem chống khô da, do bản chất chitosan cố định dễ dàng trên biểu bì da bởi những nhóm NH4+ thường được các nhà khoa học gắn với những chất giữ nước hoặc những chất lọc tia cực tím Vì vậy chitosan là gạch nối giữa hoạt chất của kem và da [11]

1.3 Giới thiệu về nguồn nguyên liệu và công nghệ sản xuất chitin- chitosan

1.3.1 Nguồn thu nhận chitin-chitosan

1.3.1.1 Từ vỏ các loài giáp xác ( tôm, cua, mực)

Theo thống kê của FAO, hàng năm có khoảng 20 triệu tấn phế thải của công nghiệp chế biến thuỷ sản, chiếm khoảng 25% tổng sản lượng đánh bắt, chế biến thuỷ hải sản trên thế giới Đây là nguồn nguyên liệu giàu protein nếu không sử dụng để sản xuất chitin sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng

Nguồn phế thải chế biến hải sản chứa 15-40% chitin (tùy theo loài và mùa khai thác), 20-40% protein, 20-50% CaCO3 Ngoài ra, trong phế liệu chế biến hải sản còn

có chất màu, lipid, khoáng

Trong công nghiệp sản xuất chitin, chitosan nếu tận dụng hết các sản phẩm này

sẽ nâng cao được giá trị của quy trình chế biến chitin và hạn chế được ô nhiễm môi trường Hiện nay, nguồn phế thải trong chế biến hải sản là nguồn chính để sản xuất chitin trên thế giới [17]

1.3.1.2 Từ vi sinh vật

Chitin cũng tồn tại khá phổ biến trong thế giới vi sinh vật như nấm, nấm mốc,

nấm men, một số loài tảo, và một số xạ khuẩn Streptomyces Ngoài chitin, chitosan còn hiện diện khá phổ biến trong các loài thuộc nhóm nấm tiếp hợp Zygomycets như nấm Mucor rouxii, Aspergiluss niger, Rhizopus delemar, Rhizopus oryae, Mucor sp

Hàm lượng chitosan phụ thuộc tuy loài, biến thiên 5-25%

Hàm lượng, tính chất của chitin, chitosan từ nguồn vi sinh vật phụ thuộc rất lớn vào chủng, điều kiện nuôi cấy như môi trường, nhiệt độ, pH, công nghệ lên men [17]

1.3.1.3 Từ côn trùng

Chitin cùng với melanin và protein cấu tạo nên vỏ của côn trùng Thành phần chitin trong vỏ của các loài như muỗi, gián, ong mật, nhộng tằm, tuyến trùng đã được nghiên cứu và công bố Trong cấu tạo của ong mật có chứa 23-32% chitin, 35-45% protein, 30-40% melanin và khoảng 3% khoáng chất (Nemtset, 2004) Trong cấu tạo

vỏ của tằm (Silkworm) có khoảng 20% là chitin [17]

1.3.2 Công nghệ sản xuất chitin-chitosan

Mặc dù chitin phân bố rộng rãi trong tự nhiên nhưng nó không được tìm thấy ở dạng tinh khiết Chitin tồn tại trong nguyên liệu dưới dạng liên kết với protein, khoáng, nên trong quá trình sản xuất chitin cần phải khử các hợp chất phi chitin này ra khỏi chitin và tận dụng được các hợp chất có giá trị khác Các hợp chất phi chitin bao gồm protein, chất khoáng, chất màu, lipid và các hợp chất khác với hàm lượng biến đổi tùy theo loại nguyên liệu [17]

Để sản xuất chitin từ phế liệu thủy sản có thể thực hiện bằng phương pháp hóa học, phương pháp sinh học hoặc phương pháp kết hợp hóa học với sinh học Những hữu ích của các nguồn chitin khác nhau phụ thuộc vào sự sẵn có của nguyên liệu, phương pháp đơn giản, hàm lượng chitin, và sự phù hợp

để tận thu các sản phẩm có giá trị khác Hiện nay việc làm sạch chitin bao gồm hai giai đoạn:

- Thu nhận chitin:

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

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

- Deacetyl hóa chitin để thu nhận chitosan

Thông thường phương pháp hóa học được sử dụng rộng rãi với ưu điểm là nhanh, đơn giản, dễ thực hiện ở quy mô lớn

Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất chitin, chitosan từ phế liệu thủy sản được trình bày ở hình 1.8

Thủy phân protein

Khử khoáng

Deacetyl hóa Nguyên liệu

Chitin

1.3.2.1 Thủy phân protein

Mục đích: Sử dụng tác nhân hóa học để cắt đứt đi các liên kết cộng hóa trị giữa chitin và protein trong phức chitin-chitosan nhằm loại bỏ protein ra khỏi vỏ tôm Việc loại protein là rất quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực dược phẩm Nếu hàm lượng protein còn lại trong sản phẩm quá cao thì nó sẽ gây ra một số tác dụng phụ đối với những người dị ứng với các loại thực phẩm có nguồn gốc từ biển [28]

Có rất nhiều tác nhân đã được nghiên cứu để loại protein như: NaOH, Na2CO3, NaHCO3, KOH, K2CO3, Ca(OH)2, Na2SO3, NaHSO3, CaHSO3, Na3PO4và Na2S Các điều kiện phản ứng thay đổi đáng kể trong mỗi nghiên cứu Tuy nhiên NaOH vẫn là tác nhân được ưa chuộng sử dụng nhất do tính phổ biến và khả năng loại protein tốt của nó [28] Khi có sự hiện diện của NaOH thì ion của nó sẽ tác dụng với gốc carboxyl trong protein, làm cho điện tích trên gốc amin của chitin bị ức chế, dẫn đến sự phá vỡ liên kết cộng hóa trị của phức chitin-chitosan Trong môi trường kiềm mạnh, hiện tượng thẩm thấu được diễn ra mạnh mẽ gây trương nở nguyên liệu, khi đó các sản phẩm của quá trình thủy phân protein (peptit, pepton, acid) hòa tan trong nước và dễ dàng loại bỏ

ra khỏi vỏ tôm Theo một số công bố nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng kiềm (NaOH) cho giai đoạn thủy phân protein thì cấu trúc chitin thu được ít bị biến đổi [22]

Vì vậy NaOH là tác nhân thích hợp cho quá trình thủy phân protein

Bảng 1 2 Các điều kiện để thủy phân protein trong quá trình sản xuất chitin từ các

nguồn phế liệu khác nhau [17]

mà chúng ta cần phải chọn chế độ để thủy phân protein thích hợp [17]

1.3.2.2 Khử khoáng

Mục đích: Loại bỏ hàm lượng khoáng có trong vỏ tôm để thu nhận chitin có độ tinh khiết cao Công đoạn khử khoáng là một trong những công đoạn quan trọng trong quá trình thu nhận chitin-chitosan Hàm lượng khoáng còn lại trong sản làm cho độ nhớt và

độ tan của chitosan giảm đi, ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm [19], [28]

Bảng 1 3 Các điều kiện để khử khoáng trong quá trình sản xuất chitin từ các

nguồn phế liệu khác nhau [17]

Thông thường quá trình tách khoáng được thực hiện trong dung dịch acid clohydric loãng ở nhiệt độ phòng Tương tự như quá trình tách protein, chế độ tách khoáng rất đa dạng, nồng độ HCl từ 0,5 đến 2N, nhiệt độ rất thấp đến nhiệt độ phòng, thời gian từ 0,5 đến 48h (bảng 1.3) Tùy theo từng loại nguyên liệu và yêu cầu chất lượng của chitin mà chế độ khử khoáng áp dụng khác nhau

Tuy nhiên HCl là một acid rất độc, có tính ăn mòn kim loại cao, một số nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng acid HCl ở nồng độ cao, thời gian kéo dài dẫn đến hiện tượng cắt mạch chitin, làm giảm độ nhớt, khối lượng phân tử cũng như chất lượng của sản phẩm cuối cùng

Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Trúc Loan, Phan Thị Loan (2018), việc sử dụng EDTA (Ethylenediaminetetraacetic acid, C10H16N2O8) làm tác nhân khử khoáng thay cho HCl có thể rút ngắn thời gian sản xuất, không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cũng như tiết kiệm được chi phí sản xuất

Chính vì vậy, ở nghiên cứu này lựa chọn EDTA làm tác nhân khử khoáng để làm giảm hiện tượng cắt mạch do HCl gây ra

1.3.2.3 Deacetyl hóa

Deacetyl hóa là quá trình tách nhóm acetyl khỏi phân tử chitin trong dung dịch NaOH hoặc KOH đậm đặc nồng độ thường sử dụng 40% đến 50%, ở nhiệt độ 1000C hoặc cao hơn Công đoạn deacetyl được thực hiện ở các chế độ rất đa dạng, phong phú tùy thuộc vào nguồn chitin và yêu cầu về tính chất của chitosan

Ngoài ra người ta có thể sử dụng acid đặc để thực hiện quá trình deacetyl Tuy nhiên việc xử lý bằng acid đặc thường kèm theo quá trình cắt mạch của polymer, do đó thực hiện deacetyl trong môi trường kiềm đặc vẫn là phương pháp được sử dụng, Phương trình deacetyl hóa:

Quá trình deacetyl hóa diễn ra chậm, đặc biệt ở nhiệt độ thấp, vì vậy muốn rút ngắn thời gian sản xuất thì công đoạn deacetyl nên thực hiện ở nhiệt độ cao Độ deacetyl của sản phẩm chitosan thu được cũng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng

độ NaOH sử dụng, nhiệt độ và thời gian xử lý…

1.4 Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin-chitosan trên thế giới và ở Việt Nam

1.4.1 Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin-chitosan trên thế giới

Những công trình đầu tiên ở Nga, liên quan tới việc điều chế chitin được thực hiện dưới sự chỉ đạo của Viện sĩ P Sorugin những năm 1934-1935 Các thí nghiệm sử dụng chitosan được F Cadov thực hiện năm 1941 Hiện nay, những nghiên cứu về chitin – chitosan đã đạt những thành công nhất định Tại Nhật Bản, một chương trình nghiên cứu dài hơn 10 năm cũng bắt đầu khởi động Trung Quốc tuy là nước bắt đầu nghiên cứu chậm hơn so với những nước khác nhưng lại đang phát triển rất nhanh trong lĩnh vực này

Sau khi người ta phát hiện tiềm năng của các polyme thiên nhiên thì đến năm

1951, quyển sách về chitin đã được xuất bản

Năm 1954, Hackman đã nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm hùm Với quy trình này thì có nhiều công đoạn tăng khả năng khử khoáng, khử protein song

do cồng kềnh, và thời gian sản xuất kéo dài 65 ngày giờ nên chỉ có ý nghĩa trong công tác nghiên cứu thí nghiệm vì khi đưa ra sản xuất đại trà thì thiết bị cồng kềnh, tốn kém, hóa chất đắt tiền, dễ hao hụt khi sản xuất [2]

Năm 1975, Capozza đã nghiên cứu quy trình điều chế chitin với công đoạn khử khoáng được thực hiện lần lượt với HCl trong 48 giờ và HCOOH để qua đêm, sau đó sản phẩm tiếp tục ngâm trong NaOH trong 2,5 giờ Hiệu suất thu được là 44,3% Ở quy trình này cũng trải qua nhiều công đoạn kéo dài thời gian, hiệu suất không cao nên không có ý nghĩa về kinh tế [2]

Viện kỹ thuật Masachusetts (năm 1977) của Mỹ tiến hành xác định giá trị của chitin và protein trong vỏ tôm, cua đã cho thấy việc thu hồi các chất này rất có lợi trong công nghiệp Phần chitin thu được để sản xuất các dẫn xuất khác

Vào năm 1978, một hội nghị đầu tiên nói về chitin và chitosan diễn ra tại Mỹ và thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới

Năm 1981, Synowiecki và các cộng sự đã nghiên cứu quy trình thu nhận chitin

từ phế liệu tôm Kril bằng cách sử dụng 22% HCl (1/10) trong 2 giờ ở nhiệt độ thường

và trong công đoạn protein sử dụng 3% KOH (1/10) ở nhiệt độ 950C, kéo dài trong 2 giờ Sản phẩm thu được có hàm lượng khoáng đạt 0,06%, hàm lượng protein đạt

6,27% protein Quy trình này đã rút ngắn rất nhiều thời gian, giảm chi phí sản xuất Tuy nhiên, bằng việc sử dụng hóa chất nồng độ cao dẫn đến hiện tượng cắt mạch chitin, làm giảm chất lượng sản phẩm [33]

Năm 2003, A.Percot và cộng sự đã nghiên cứu và tối ưu các điều kiện chiết xuất chitin từ vỏ tôm Trong điều kiện tối ưu, công đoạn khử khoáng được thực hiện bằng 0,25M HCl trong 15 phút, tiếp tục loại protein bằng 1M NaOH trong 24 giờ ở nhiệt độ 700C Kết quả sản phẩm thu được ít bị biến đổi cấu trúc, có độ deacetyl hóa trên 95% Tuy nhiên, hàm lượng protein và khoáng còn lại chưa được xác định [22] Năm 2006, tách Holanda và Netto sử dụng enzym để khử protein trong quy trình chiết đã rút ngắn được thời gian sản xuất rất nhiều Sản phẩm chitin có chất lượng khá tốt, màu trắng đẹp do đã khử được sắc tố trong công đoạn chiết astaxanthin Mặc dù bằng phương pháp sử dụng enzym giảm thiểu đáng kể lượng hóa chất cần dùng, nhưng enzym đắt tiền dẫn đến chi phí giá thành sản phẩm cao [2]

Năm 2016, Florica Alca Ahing cũng đã nghiên cứu quá trình chiết chitosan từ

vỏ tôm bằng phương pháp hóa học truyền thống Chitin-chitosan thu được có độ acetyl cao 85,26%, độ hòa tan đạt 98,01% Tuy vậy nhưng thời gian để thu nhận sản phẩm kéo dài 5 ngày làm tăng chi phí sản xuất

1.3.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin- chitosan ở Việt Nam

Năm 1987, trường Đại học Thủy sản bắt đầu nghiên cứu tách chiết Chitin- Chitosan do Đỗ Minh Phụng thực hiện Sản xuất theo quy trình này sản phẩm tạo thành có chất lượng khá tốt, chitin có màu sắc đẹp Song thời gian còn dài, sử dụng nhiều chất oxy hóa do đó dễ làm ảnh hưởng đến độ nhớt của sản phẩm [2]

Năm 1998–2000, Trường đại học Nha Trang đã sản xuất thành công Chitin – Chitosan từ vỏ tôm sú, tôm Mũ ni, vỏ tôm hùm, vỏ ghẹ

Năm 2003, Trần Thị Luyến đã sử dụng phương pháp hóa học với một công đoạn xử lý kiềm để chiết chitosan từ vỏ tôm sú, cho sản phẩm có chất lượng không thua kém so với quy trình thông thường với hai giai đoạn xử lý kiềm, tổng thời gian cần thiết giảm rất nhiều và như vậy nếu so về mặt kinh tế thì đây là một phương pháp tốt hơn hẳn Tuy nhiên phương pháp này sử dụng dung dịch NaOH đậm đặc sau khi deacetyl có màu sẫm gây khó khăn cho việc sử dụng [2]

Năm 2008, Ngô Thị Hoài Dương, Trang Sĩ Trung đã kết hợp xử lý sơ bộ bằng acid formic 0,4% trong quy trình chế biến phế liệu tôm tạo ra sản phẩm có màu trắng sáng, hàm lượng khoáng và protein thấp hơn 1%, đạt yêu cầu dùng trong công nghiệp Bên cạnh công đoạn tiền xử lý này đã cho phép giảm hơn 50% lượng hóa chất và thời gian xử lý, góp phần giảm thiểu chi phí và ô nhiễm môi trường Tuy nhiên phương

pháp này chưa được thử nghiệm ở quy mô lớn và chưa phân tích rõ ảnh hưởng của acid formic đến tính chất của chitin-chitosan [12]

Năm 2012, Phạm Thị Đan Phượng, Trang Sĩ Trung đã tiến hành khử protein bằng phương pháp hóa học kết hợp sinh học trong quy trình chiết chitin-chitosan từ vỏ tôm sú Chitin và chitosan chiết rút từ vỏ tôm sú sử dụng quy trình khử protein bằng phương pháp sinh học có hàm lượng khoáng và protein còn lại khá cao nên phải tiếp tục

xử lý chitin thu được với dung dịch NaOH và HCl với nồng độ và thời gian ngắn [10] Năm 2018, Nguyễn Thị Trúc Loan, Phan Thị Loan đã nghiên cứu quá trình tiền

xử lý vỏ tôm và khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân protein bằng NaOH, khử khoáng bằng EDTA và deacetyl hóa Vỏ tôm nguyên liệu sau khi thu nhận về sẽ được phân loại, rửa sạch, sấy khô ở nhiệt độ 50-60oC trong vòng 6 giờ, nghiền nhỏ và bảo quản ở nhiệt độ thường Theo nghiên cứu này thì quá trình thủy phân đạt hiệu suất lớn nhất khi thủy phân protein bằng NaOH 0,8M trong 60 phút là 85,83% Thực hiện quá trình khử khoáng bằng acid EDTA thay cho HCl làm giảm hiện tượng cắt mạch chitin, nâng cao chất lượng sản phẩm đem lại giá trị kinh tế cao

và ít gây ô nhiễm môi trường Hàm lượng khoáng còn lại sau khi thực hiện giai đoạn khử khoáng ở các điều kiện tối ưu (nhiệt độ phòng, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi 1/15, nồng độ EDTA 0,3M) đạt được là 1,26 % Chitosan thu được khi thực hiện quá trình deacetyl hóa ở nhiệt độ 1200C, nồng độ NaOH 40%, tỷ lệ nguyên liệu/ dung dịch NaOH (1/20), thời gian 5 giờ có chất lượng tương đối cao với độ deacetyl hóa và độ tan đạt giá trị cao (76,83%, 92,67% tương ứng) Tuy nhiên độ nhớt và khối lượng phân tử thấp (153,93 cps, 33940 Dalton tương ứng) do dùng NaOH nồng độ cao trong thời gian dài

để thực hiện quá trình deacetyl hóa chitin Điều này dẫn đến hiện tượng cắt mạch chitin, làm giảm độ nhớt, khối lượng phân tử cũng như chất lượng của sản phẩm cuối cùng

Có thể thấy khi chitosan trờ thành nhu cầu trong nhiều ngành công nghiệp và có giá trị thì rất nhiều cơ quan nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này Mặc dù gần đây có rất nhiều nghiên cứu quá trình thu nhận chitin-chitosan bằng phương pháp sinh học đã được công bố nhưng việc sử dụng enzym đắt tiền làm tăng giá trị thành phẩm, điều này không được mong đợi Vì vậy phương pháp hóa học vẫn được xem là một phương pháp tối ưu Tuy nhiên, các nghiên cứu thu nhận chitin-chitosan bằng phương pháp hóa học đều có thời gian xử lý dài và chưa có nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện

Trên cơ sở nghiên cứu của Nguyễn Thị Trúc Loan và Phan Thị Loan (2018), tiến

hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu và tối ưu hóa các điều kiện thu nhận chitosan từ

vỏ tôm thẻ chân trắng”, để tăng hiệu suất và chất lượng thành phẩm

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng, thiết bị, dụng cụ và hóa chất sử dụng

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Vỏ tôm được thu nhận từ công ty cổ phần XNK Thủy sản Miền Trung –TP Đà Nẵng Vỏ tôm sau khi thu nhận được phân loại, rửa sạch, sau đó đem đi sấy khô ở nhiệt độ 50-600C trong 6h, nghiền nhỏ và bảo quản ở nhiệt độ thường (Nguyễn Thị Trúc Loan, Phan Thị Loan, 2018)

Địa điểm tiến hành nghiên cứu:

- Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ thực phẩm – Khoa Hóa, Trường Đại học Bách Khoa – Đà Nẵng

- Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ thực phẩm – Khoa Hóa, Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật- Đại học Đà Nẵng

2.1.2 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất sử dụng

2.1.2.1 Thiết bị

- Máy đo độ nhớt, tủ sấy, lò nung, bể ổn nhiệt, máy đo UV-Vis mini, máy đo pH

và các thiết bị thông dụng trong phòng thí nghiệm khác

2.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan tài liệu về cấu tạo và tính chất, công nghệ sản xuất và ứng dụng của chitin-chitosan

- Khảo sát thành phần hóa học của vỏ tôm

- Khảo sát và tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thu nhận chitin- chitosan