Ứng dụng chitosan trong bảo quản thực phẩm

Ứng dụng chitosan bảo quản thực phẩm Lên men-k50 MỤC LỤC Phần I CHITOSAN VÀ CÁC TÍNH CHẤT I CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHITOSAN Mức độ deacetyl hóa Trọng lượng phân tử Độ nhớt Tính tan Tỷ trọng Khả kết hợp với nước khả kết hợp với chất béo .9 Khả tạo màng 10 II TÍNH KHÁNG KHUẨN CỦA CHITOSAN .12 Phần 2: ỨNG DỤNG CỦA CHITOSAN I ỨNG DỤNG CỦA CHITOSAN TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Chất làm - Ứng dụng công nghiệp sản xuất nước 16 Sử dụng thực phẩm chức 16 Thu hồi protein 17 Phân tách rượu- nước 17 Ứng dụng làm màng bao 17 II ỨNG DỤNG TRONG CÁC NGÀNH CÔNG NGHIỆP KHÁC Trong y dược 22 Trong công nghiệp .22 Trong nông nghiệp .23 Trong công nghệ in ấn 23 Trong công nghệ sinh học 23 Trong công nghệ thực phẩm 23 Phần SẢN XUẤT CHITOSAN Nguyên liệu 25 Sơ đồ sản xuất 26 2.1 Quá trình khử protein 27 2.2 Q trình khử khống 27 2.3 Quá trình khử màu 28 2.4 Quá trình deacetyl .28 KẾT LUẬN 30 Tài liệu tham khảo 31 Viện công nghệ Sinh học-Thực phẩm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng chitosan bảo quản thực phẩm Lên men-k50 LỜI MỞ ĐẦU Chitosan polysacharid nhiều thứ hai sau cellulose tìm thấy tự nhiên Sản phẩm chitin - chitosan có nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng thực tế Chitin có ứng dụng làm da nhân tạo nguyên liệu trung gian cho chất quan trọng chitosan, glucosamin chất có giá trị khác Chitosan có nhiều ứng dụng ngành công nghiệp, nông nghiệp, y dược bảo vệ môi trường như: sản xuất glucosamin, khâu phẫu thuật, thuốc kem, vải, sơn, chất bảo vệ hoa quả, bảo vệ môi trường…Với khả ứng dụng rộng rãi chitin – chitosan mà nhiều nước giới Việt Nam nghiên cứu sản xuất sản phẩm Giáp xác nguồn nguyên liệu thủy sản dồi chiếm 1/3 tổng sản lượng nguyên liệu thủy sản Việt Nam Trong công nghiệp chế biến thủy sản xuất khẩu, tỷ lệ cấu mặt hàng đông lạnh giáp xác chiếm từ 70 - 80% công suất chế biến Hàng năm nhà máy chế biến thải bỏ lượng phế liệu giáp xác lớn khoảng 70.000 tấn/năm Việc sản xuất chitosan có nguồi gôc từ vỏ tôm Mang lại hiệu kinh tế cao Với khả ứng dụng rộng rãi chitin – chitosan mà nhiều nước giới Việt Nam nghiên cứu sản xuất sản phẩm Đó yêu cầu cần thiết Vậy nên báo cáo đặt vấn đề ứng dụng chitosan công nghệ thực phẩm, bảo quản rau Viện công nghệ Sinh học-Thực phẩm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng chitosan bảo quản thực phẩm Lên men-k50 Phần I CHITOSAN VÀ CÁC TÍNH CHẤT Về mặt lịch sử, chitin Braconnot phát vào năm 1821, cặn dịch chiết từ loại nấm Ông đặt tên cho chất “Fungine” để ghi nhớ nguồn gốc Năm 1823 Odier phân lập chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi chitin hay “chiton”, tiếng Hy lạp có nghĩa vỏ giáp, ơng khơng phát có mặt nitơ Cuối Odier Braconnot đến kết luận chitin có dạng cơng thức giống với xellulose Trong động vật, chitin thành phần cấu trúc quan trọng vỏ số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác giun tròn Trong động vật bậc cao monome chitin thành phần chủ yếu mơ da giúp cho tái tạo gắn liền vết thương da Trong thực vật chitin có thành tế bào nấm họ zygenmyctes, sinh khối nấm mốc, số loại tảo Chitin có cấu trúc thuộc họ polysaccharide, hình thái tự nhiên dạng rắn.Do đó, phương pháp nhận dạng chitin, xác định tính chất, phương pháp hố học để biến tính chitin việc sử dụng lựa chọn ứng dụng chitin gặp nhiều khó khăn Q trình chiết tách chintin Viện công nghệ Sinh học-Thực phẩm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng chitosan bảo quản thực phẩm Lên men-k50 Cịn chitosan sản phẩm biến tính chitin, chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, xay nhỏ thành kích cỡ khác Chitosan xem polymer tự nhiên quan trọng Với đặc tính hồ tan tốt môi trường acid, chitosan ứng dụng nhiều lĩnh vực thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm Giống cellulose, chitosan chất xơ, không giống chất xơ thực vật, chitosan có khả tạo màng, có tính chất cấu trúc quang học…Chitosan có khả tích điện dương có khả kết hợp với chất tích điện âm chất béo, lipid acid mật Chitosan polymer khơng độc, có khả phân hủy sinh học có tính tương thích mặt sinh học Trong nhiều năm qua, polymer có nguồn gốc từ chitin đặc biệt chitosan ý đặc biệt loại vật liệu có ứng dụng đặc biệt công nghiệp dược ,y học, xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm tác nhân kết hợp, gel hóa, hay tác nhân ổn định… Trong loài thủy sản đặc biệt vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng,chitin - chitosan chiếm cao đao động từ 14 - 35% so với trọng lượng khơ Vì vỏ tơm, cua, ghẹ nguồn ngun liệu để sản xuất chitin - chitosan * Cấu trúc chitosan: Chitosan polymer sinh học có khối lượng phân tử lớn giống cellulose Viện công nghệ Sinh học-Thực phẩm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng chitosan bảo quản thực phẩm Lên men-k50 Chitin Chitosan Cellulose Như hình vẽ trên, khác biệt chitosan cellulose nhóm amin (-NH2) vị trí C2 tritosan thay nhóm hydroxyl (-OH) cellulose Chitosan tích điện dương có khả liên kết hóa học với chất tích điện âm chất béo, lipid, cholesterol, protein đại phân tử Chitin chitosan có lợi ích mặt thương mại nguồn vật chất tự nhiên tính chất đặc biệt chúng tính tương thích mặt sinh học, khả hấp thụ, khả tạo màng giữ ion kim loại Viện công nghệ Sinh học-Thực phẩm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng chitosan bảo quản thực phẩm Lên men-k50 Màu vỏ giáp xác hình thành từ hợp chất chitin ( dẫn xuất của4-xeton 4,4’ di xeton-ß-carotene ) Bột chitosan có dạng sệt tự nhiên màu sắc biến đổi từ vàng nhạt đến trắng tinh bột cellulose lại có cấu trúc mịn màu trắng I Các tính chất chitosan Mức độ deacetyl hóa: Q trình deacetyl hóa bao gồm q trình loại nhóm acetyl khỏi chuỗi phân tử chitin hình thành phân tử chitosan với nhóm amin hoạt động hóa học cao Mức độ acetyl hóa đặc tính quan trọng trình sản xuất chitosan ảnh hưởng đến tính chất hóa lý khả ứng dụng chitosan sau Mức độ acetyl hóa chitosan vào khoảng 56%-99% (nhìn chung 80%) phụ thuộc vào loài giáp xác phương pháp sử dụng Chitin có mức độ acetyl hóa khoảng 75% trở lên thường gọi chitosan Có nhiều phương pháp để xác định mức độ acetyl hóa chitosan bao gồm thử ninhydrin, chuẩn độ theo điện thế, quang phổ hồng ngoại, chuẩn độ HI… Phương pháp sử dụng quang phổ hồng ngoại thường sử dụng để thiết lập giá trị mức độ acetyl hóa chitosan Phương pháp nhanh không giống phương pháp quang phổ khác khơng địi hỏi mẫu phải tinh chế, khơng cần hịa tan mẫu vào dung dịch Tuy nhiên phương pháp sử dụng đường chuẩn cách xây dựng đường chuẩn ảnh hưởng đến kết Ngoài ra, chuẩn bị mẫu, dụng cụ sử dụng điều kiện ảnh hưởng đến việc phân tích mẫu Khi mức độ acetyl hóa thấp, chitosan có khả hút ẩm lớn mức độ cao trước phân tích chitosan cần phải sấy Viện công nghệ Sinh học-Thực phẩm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng chitosan bảo quản thực phẩm Lên men-k50 Trọng lượng phân tử: Chitosan polymer sinh học có khối lượng phân tử cao Giống cấu tạo, khối lượng nguồn nguyên liệu phương pháp chế biến Khối lượng chitin thường lớn triệu Dalton sản phẩm chitosan thương phẩm có khối lượng khoảng 100,000-1,200,000 Dalton, phụ thuộc q trình chế biến loại sản phẩm Thông thường, nhiệt độ cao, có mặt oxy sức kéo dẫn đến phân hủy chitosan Giới hạn nhiệt độ 280°C, phân hủy nhiệt xẩy mạch polymer nhanh chóng bị phá vỡ, khối lượng phân tử giảm Ngun nhân q trình depolymer sử dụng nhiệt độ cao acid đặc HCl, H2SO4 dẫn đến thay đổi khối lượng phân tử * Bảng so sánh thay đổi khối lượng phân tử mức độ decaetyl hóa thay đổi thứ tự sản xuất chitosan: Mẫu DCMPA DMCPA DMPCA DMPAC Vanson 75 Sigma 91 Khối lượng phân tử(Dat) Mức độ deacetyl hóa(%) 10 596.62 73 639.34 70 984.29 71 674.49 531.99 70 194 71 - : khơng xác định DCMPA: khử màu, khử khống, khử protein, deacetyl DMCPA: khử khoáng, khử màu, khử protein, deacetyl DMPCA: khử khoáng, khử protein, khử màu, deacetyl DMPAC: khử khoáng, khử protein, deacetyl, khử màu Vanson 75, Sigma 91: hai sản phẩm thương mại Khối lượng phân tử chitosan xác định phương pháp sắc kí, phân tán ánh sáng đo độ nhớt Viện công nghệ Sinh học-Thực phẩm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng chitosan bảo quản thực phẩm Lên men-k50 Độ nhớt Độ nhớt nhân tố quan trọng để xác định khối lượng phân tử chitosan Chitosan phân tử lượng cao thường làm cho dung dịch có độ nhớt cao, điều khơng mong muốn đóng gói cơng nghiệp Nhưng chitosan có độ nhớt cao thu từ phế phẩm lồi giáp xác thuận tiện cho đóng gói Một số nhân tố trình sản xuất mức độ deacetyl hóa, khối lượng nguyên tử, nồng độ dung dịch, độ mạnh lực ion, pH nhiệt độ ảnh hưởng đến sản xuất chitosan tính chất Ví dụ, độ nhớt chitosan tăng thời gian khử khoáng tăng Độ nhớt chitosan dung dịch acid acetic tăng pH dung dịch giảm, nhiên lại giảm pH dung dịch HCl giảm, việc tăng đưa đến định nghĩa độ nhớt bên chitosan, hàm phụ thuộc vào mức độ ion hóa lực ion Quá trình loại protein dung dịch NaOH 3% khử q trình khử khống làm giảm độ nhớt dung dịch chitosan thành phẩm Tương tự vậy, độ nhớt chitosan bị ảnh hưởng đáng kể biện pháp xử lý vật lý (nghiền, gia nhiệt, hấp khử trùng, siêu âm) hóa học (sử lý ozon), trừ q trình làm lạnh giảm thời gian nhiệt độ xử lý tăng Dung dịch chitosan bảo quản 4°C cho ổn định Tính tan Chitin tan hầu hết dung môi hữu cơ, chitosan tan dung dịch acid pH 6.0 Các acid hữu acetic, formic lactic thường sử dụng để hòa tan chitosan Thường sử dụng dung dịch chitosan 1% pH 4.0 Chitosan tan dung dịch Viện công nghệ Sinh học-Thực phẩm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng chitosan bảo quản thực phẩm Lên men-k50 HCl 1% không tan H2SO4 H3PO4 Dung dịch acid acetic nồng độ cao nhiệt độ cao dẫn đến depolymer hóa chitosan Ở pH cao, xảy tượng kết tủa đơng tụ ngun nhân hình thành hỗn hợp poly_ion với chất keo anion Tỉ lệ nồng độ chitosan acid quan trọng Ở nồng độ dung môi hữu cao 50%, chitosan hoạt động chất gây nhớt giúp cho dung dịch mịn Có vài nhân tố ảnh hưởng đến dung dịch chitosan bao gồm nhiệt độ thời gian q trình deacetyl hóa, nồng độ chất kiềm, việc xử lý sơ bộ, kích thước phần tử Tuy nhiên tính tan dung dịch cịn bị ảnh hưởng mức độ acetyl hóa, mức độ deacetyl hóa 85% để đạt tính tan mong muốn Tỷ trọng: Tỷ trọng chitin từ tôm cua thường 0.06 0.17 g/ml, điều cho thấy chitin từ tôm xốp từ cua Chitin từ nhuyễn thể xốp từ cua 2.6 lần Trong nghiên cứu dẫn nhiệt cho thấy tỷ trọng chitin tritosan từ giáp xác cao (0.39g/cm3) Sự so sánh tỷ trọng giáp xác chitin, chitosan thương phẩm vài khác biệt, điều lồi giáp xác phương pháp chế biến, ra, mức độ deacetyl hóa làm tăng tỷ trọng chúng Khả kết hợp với nước (WBC) khả kết hợp với chất béo (FBC) Sự hấp thụ nước chitosan lớn nhiều so với cellulose hay chitin Thông thường, khả hấp thụ chitosan khoảng 581-1150% (trung bình 702%), thay đổi thứ tự sản xuất q trình khử khống khử protein ảnh hưởng đáng kể đến khả giữ nước giữ chất béo Sự khử protein sau trình khử khống làm khả giữ Viện công nghệ Sinh học-Thực phẩm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng chitosan bảo quản thực phẩm Lên men-k50 nước tăng Bên cạnh q trình khử màu nguyên nhân làm giảm khả chitosan chitosan từ giáp xác không khử trắng * Khả gữ nước, chất béo phụ thuộc thứ tự tiến hành: Mẫu WBC (%) DCMPA DMCPA DMPCA DMPAC Vanson 75 Sigma 91 660.6 673.8 745.4 274.2 941.5 548.7 Đậu tương 519.7 511.8 533.4 470.8 650.5 393.4 FBC(%) Ngô Hướng dương 539.6 519.8 505.8 533.3 579.1 573.3 464.3 469.1 634.8 638.2 413.4 370.2 Oliu 545.6 545.7 574.9 505.4 665.4 459.1 Khả hấp thụ chất béo chitin chitosan khoảng 315-170%, chitosan có khả thấp nhiều chitin Trong nghiên cứu khả giữ chất béo trung bình chitosan từ giáp xác chitosan thương phẩm từ cua 706% 587% Bước tẩy trắng trình sản xuất làm giảm khả ảng hưởng đến độ nhớt chitosan Các bước tiến hành theo thứ tự: khử khoáng , khử protein, deacetyl hóa làm tăng khả theo thứ tự khử protein, khử khống, deacetyl hóa Khả tạo màng Chitosan có khả tạo màng sử dụng bảo quản thực phẩm nhằm hạn chế tác nhân gây bệnh tâm thần sản phẩm đóng gói áp suất thay đổi thịt, cá tươi hay qua chế biến * Khi dùng màng chitosan, dễ dàng điều chỉnh độ ẩm, độ thoáng khơng khí cho thực phẩm Nếu dùng bao gói PE mức cung cấp oxy bị hạn chế, nước bị ngưng đọng tạo môi trường cho nấm mốc phát triển * Màng chitosan dai, khó xé rách, có độ bền tương đương với số chất dẻo dùng làm bao gói * Màng chitosan làm chậm lại trình bị thâm rau Rau sau thu hoạch bị thâm, làm giảm chất lượng giá trị Rau 10 Viện công nghệ Sinh học-Thực phẩm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng chitosan bảo quản thực phẩm Lên men-k50 Thu hồi protein Whey coi chất thải công nghiệp sản xuất format , có chứa lượng lớn lactose protein dạng hịa tan Nếu thải trực tiếp ngồi gây nhiễm mơi trường , cịn xử lý nước thải tốn vận hành hệ thống mà hiệu kinh tế không cao.Việc thu hồi protein whey xem biện pháp làm tăng hiệu kinh tế sx format Whey protein thu hồi bổ xung vào đồ uống, thịt băm, loại thực phẩm khác Đã đưa nhiều phương pháp khác nhằm thu hồi hạt protein chitosan coi mang lại nhiều hiệu suất tách cao Tỷ lệ chitosan để kết hạt lơ lửng 2,15% ( 30mg / lit ); độ đục thấp pH 6.0 Nghiên cứu protein thu phương pháp : Khơng có khác biệt giá trị protein có chứa chitosan protein thu đông tụ casein whey protein Ngoài thu hồi protein từ whey, người ta sử dụng chitosan thu hồi axit- amin nước sản xuất đồ hộp , thịt, cá… Phân tách rượu- nước Chitosan xử lý đặc biệt để tạo dạng màng rỗng Với việc điều chỉnh tốc độ thẩm thấu ( lượng chất lỏng qua màng khoảng m / 1h ) Màng sử dụng hệ thống phản ứng đòi hỏi không dùng nhiệt độ không cao Việc phân tách loại nước, kết , hàm lượng ethanol nên đến 80 % Ứng dụng làm màng bao ( bảo quản hoa ) Lớp màng khơng độc bao quanh bên ngồi bao tồn khu cư trú từ bề mặt khối nguyên liệu nhằm, hạn chế phát triển vi sinh vật bề mặt- Một nguyên nhân gây thối hỏng thực phẩm 17 Viện công nghệ Sinh học-Thực phẩm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng chitosan bảo quản thực phẩm Lên men-k50 Chuối mau bị mốc bảo quản cách thông thường Chuối dễ bị độ tươi, độ tự nhiên thối rữa sau vài ngày mua từ cửa hàng rau loại vi khuẩn nấm “chuyên” gây thối rữa thực phẩm nói chung, trái nói riêng nấm mốc aspergillus niger, vi khuẩn gram âm - pseudomonas aeruginosa vi khuẩn gram dương - staphylococcus aureus Chuối tươi lâu nhờ sử dụng chế phẩm sinh học chitosan để bảo quản 18 Viện công nghệ Sinh học-Thực phẩm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng chitosan bảo quản thực phẩm Lên men-k50 N- O carboxymethy (NOCC) xử lý đặc biệt từ phản ứng chitosan monochloroacetic acid điều kiện kiềm, NOCC bị hòa tan dung dịch pH >6 pH