nghiên cứu tối ưu hóa công đoạn khử khoáng và khử protein của phế liệu tôm thẻ chân trắng sau khi ép trong quy trình sản xuất chitin-chitosan

Tuy nhiên quá trình sản xuất chitin và chitosan hiện nay chủ yếu dùng phương pháp hóa học, do đó một lượng hoá chất rất lớn được sử dụng và thời gian xử lý rất dài, điều này không những

Trước hết tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Ban giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban chủ nhiệm Khoa Chế biến cùng quý thầy cô đã giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Sự biết ơn sâu sắc nhất tôi xin gửi đến TS Trang Sĩ Trung và ThS Nguyễn Công Minh - những người đã định hướng và tận tình hướng dẫn, động viên, góp ý những ý kiến thiết thực, quý giá trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Qua đây, tôi xin chân thành cám ơn đến toàn thể thầy cô và cán bộ Bộ môn Hóa sinh – Vi sinh thực phẩm, Bộ môn Công nghệ chế biến, Bộ môn Công nghệ thực phẩm, Bộ môn Kỹ thuật lạnh và Viện công nghệ sinh học và Môi trường – Trường Đại học Nha Trang, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành

Nha Trang, tháng 06 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Vân

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH v

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHẾ LIỆU TÔM VÀ CÁC HƯỚNG TẬN DỤNG 3

1.1.1 Nguồn phế liệu tôm 3

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

1.1.3 Các hướng tận dụng nguồn phế liệu tôm 7

1.2 TỔNG QUAN VỀ CHITIN VÀ CHITOSAN 8

1.2.1 Nguồn gốc và sự tồn tại của chitin-chitosan trong tự nhiên 8

1.2.2 Cấu tạo và tính chất của chitin-chitosan 9

1.3 ỨNG DỤNG CỦA CHITIN-CHITOSAN 15

1.3.1 Ứng dụng của chitosan trong các ngành công nghệ thực phẩm 15

1.3.2 Ứng dụng trong các ngành khác 15

1.4 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN-CHITOSAN 16

1.4.1 Công nghệ sản xuất chitin-chitosan bằng phương pháp hoá học 20

1.4.2 Sản xuất chitin-chitosan bằng phương pháp sinh học 25

1.4.3 Sản xuất chitin-chitosan bằng phương pháp sinh học và phương pháp kết hợp sinh học với hóa học 27

CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.1 NGUYÊN VẬT LIỆU 30

2.1.1 Phế liệu vỏ tôm nghiên cứu 30

2.1.2 Hóa chất nghiên cứu 30

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.2.1 Phương pháp thu nhận mẫu 30

2.2.2 Phương pháp phân tích 30

2.2.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm xây dựng đường chuẩn 31

2.2.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm 31

2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu 43

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 44

3.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CƠ BẢN CỦA PHẾ LIỆU VỎ TÔM TRƯỚC VÀ SAU KHI ÉP 44

3.2 KẾT QUẢ BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC KHOẢNG TỐI ƯU THÍCH HỢP CHO CÔNG ĐOẠN KHỬ KHOÁNG 45

3.2.1 Xác định tỷ lệ phế liệu/dung dịch acid thích hợp 45

3.2.2 Xác định khoảng nồng độ HCl thích hợp 46

3.2.3 Xác định khoảng nhiệt độ thích hợp 47

3.2.4 Xác định khoảng thời gian thích hợp 48

3.3 KẾT QUẢ TỐI ƯU CHO CÔNG ĐOẠN KHỬ KHOÁNG 49

3.4 KẾT QUẢ BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC KHOẢNG TỐI ƯU THÍCH HỢP CHO CÔNG ĐOẠN KHỬ PROTEIN 53

3.4.1 Xác định tỷ lệ phế liệu/dung dịch NaOH thích hợp 53

3.4.2 Xác định khoảng nồng độ thích hợp 54

3.4.3 Xác định khoảng nhiệt độ thích hợp 55

3.4.4 Xác định khoảng thời gian thích hợp 56

3.5 KẾT QUẢ TỐI ƯU CÔNG ĐOẠN KHỬ PROTEIN 57

3.6 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA CHITOSAN THU ĐƯỢC 62

3.7 TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ MANG LẠI CỦA QUY TRÌNH TỐI ƯU 63

3.8 QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHITIN-CHITOSAN ĐỀ XUẤT 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 BSA Bovine Serum Albumin (huyết thanh bò)

2 cps Centipoise

3 DA Hiệu suất khử khoáng

4 DP Hiệu suất khử protein

5 DD Độ deacetyl

6 Glc Glucosamine

7 Glc-NAC Glucosamine N-Acetyl

8 IQF Individually Quick Frozen (hệ thống cấp đông nhanh)

9 KPH Không phát hiện

10 NXB Nhà xuất bản

11 PE Poly Etylen

12 QT1 Quy trình sản xuất chitin-chitosan tối ưu

13 QT2 Quy trình sản xuất chitin-chitosan đối chứng

14 USD Đô la Mỹ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Thành phần hoá học cơ bản của phế liệu tôm Penaaus vannamei (Trang

Sĩ Trung và cộng sự, 2007), Crangon crangon và Pandalus borealis (Synowiecki

và cộng sự, 2000) 5 Bảng 1.2 Tính chất của chitosan có độ DD khác nhau (Trang Sĩ Trung và cộng sự, 2006) 13 Bảng 3.1 Thành phần hoá học cơ bản, khối lượng của phế liệu vỏ tôm thẻ chân trắng trước và sau khi ép 44 Bảng 3.2 Kết quả hàm lượng khoáng còn lại ở các chế độ khử khoáng bằng acid HCl 49 Bảng 3.3 Thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử khoáng bằng acid HCl 49 Bảng 3.4 Thông số tối ưu cho công đoạn khử khoáng 53 Bảng 3.5 Kết quả hàm lượng protein còn lại ở các chế độ khử protein bằng NaOH 58 Bảng 3.6 Thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng NaOH 58 Bảng 3.7 Kết quả hàm lượng protein và hiệu suất khử protein của các thí nghiệm tối ưu hóa theo đường dốc nhất 59 Bảng 3.8 Thông số tối ưu cho công đoạn khử protein 61 Bảng 3.9 Chỉ tiêu phân tích chitin thu được từ quy trình tối ưu và quy trình đối chứng 61 Bảng 3.10 Chỉ tiêu chất lượng cơ bản của chitosan thu được từ quy trình tối ưu và quy trình đối chứng 62 Bảng 3.11 Đơn giá của phế liệu vỏ tôm và hóa chất 63 Bảng 3.12 Lượng hóa chất và phế liệu sử dụng để sản xuất ra 1kg chitosan theo quy trình tối ưu 64 Bảng 3.13 Lượng hóa chất và phế liệu sử dụng để sản xuất ra 1kg chitosan theo quy trình đối chứng 64

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của chitin 9

Hình 1.2 Sự sắp xếp của chuỗi polymer của α-chitin, β-chitin và γ-chitin 10

Hình 1.3 Chitosan và glucosamine tạo thành từ sự thủy phân chitin 11

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của chitosan 12

Hình 1.5 Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất chitin, chitosan từ phế liệu thủy sản 17 Hình 1.6 Sơ đồ biễu diễn quá trình deacetyl 19

Hình 1.7 Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm của Pháp 21

Hình 1.8 Quy tình sản xuất của Stevens, Viện công nghệ Châu Á (AIT), Thái Lan (2002) 22

Hình 1.9 Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy sản Nha Trang 23

Hình 1.10 Quy trình sản xuất chitin và chitosan của Trang Sĩ Trung, Đại học Nha Trang (2006) 24

Hình 1.11 Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto (2006) 25

Hình 1.12 Quy trình sử dụng enzyme flavourzyme trong công nghệ sản xuất chitin từ phế liệu tôm (Trang Sĩ Trung và cộng sự, 2007) 26

Hình 1.13.Quy trình sản xuất chitin ứng dụng papain để khử protein (Trần Thị Luyến, 2000) 27

Hình 1.14 Quy trình sử dụng enzyme flavourzyme trong công nghệ sản xuất chitin từ phế liệu tôm (Trang Sĩ Trung và cộng sự, 2007) 28

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 32

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ phế liệu/dung dịch acid HCl thích hợp 33

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định khoảng nồng độ HCl thích hợp 34

Hình 2.4 Bố trí thí nghiệm xác định khoảng nhiệt độ thủy phân thích hợp 35

Hình 2.5 Bố trí thí nghiệm xác định khoảng thời gian thủy phân thích hợp 36

Hình 2.6 Bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ phế liệu/dung dịch NaOH thích hợp 37

Hình 2.7 Bố trí thí nghiệm xác định khoảng nồng độ NaOH thích hợp 38

Hình 2.8 Bố trí thí nghiệm xác định khoảng nhiệt độ thích hợp 39

Hình 2.9 Bố trí thí nghiệm xác định khoảng thời gian thích hợp 40

Hình 2.10 Bố trí thí nghiệm cho quy trình đối chứng 41

Hình 2.11 Bố trí thí nghiệm cho công đoạn deacetyl 42

Hình 3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ phế liệu/dung dịch acid đến hiệu suất quá trình khử khoáng 45

Hình 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ HCl đến hiệu suất quá trình khử khoáng 46

Hình 3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất quá trình khử khoáng 47

Hình 3.4 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình khử khoáng 48

Hình 3.5 Kết quả bố trí thí nghiệm tối ưu khử khoáng 52

Hình 3.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ phế liệu/dung dịch NaOH đến hiệu suất quá trình khử protein 53

Hình 3.7 Ảnh hưởng của nồng độ đến hiệu suất quá trình khử protein 54

Hình 3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất quá trình khử protein 55

Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất quá trình khử protein 56 Hình 3.10 Kết quả bố trí thí nghiệm tối ưu công đoạn khử protein theo hiệu suất khử protein 60 Hình 3.11 Quy trình sản xuất chitin-chitosan đề xuất 65

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Là một trong những ngành kinh tế trọng tâm của nền kinh tế quốc dân, ngành Thuỷ sản đã đóng góp một phần không nhỏ vào sự phát triển của nền kinh tế Cùng với nhịp độ phát triển của nền kinh tế trong và ngoài nước, ngành Thuỷ sản trong những năm gần đây đã đạt được những thành tựu đáng kể về nuôi trồng, chế biến thuỷ sản cũng như xuất nhập khẩu Nhưng đi cùng với sự phát triển của ngành, vấn

đề phế liệu trong chế biến thuỷ sản là một điểm hạn chế do lượng phế liệu thải ra từ công nghiệp chế biến thuỷ sản hàng năm là rất lớn Phế liệu tôm là một nguồn cung cấp chitin và chitosan rất phong phú Vì vậy, ngoài việc dùng phế liệu tôm để chế biến thức ăn chăn nuôi thì chúng ta còn có thể sử dụng chúng để sản xuất chitin và chitosan mang lại giá trị kinh tế cao

Tuy nhiên quá trình sản xuất chitin và chitosan hiện nay chủ yếu dùng phương pháp hóa học, do đó một lượng hoá chất rất lớn được sử dụng và thời gian

xử lý rất dài, điều này không những gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường, gây lãng phí về chi phí trong quá trình sản xuất mà còn làm cho chất lượng của chitin và chitosan bị giảm

Xuất phát từ thực tế trên, được sự đồng ý của Chủ nhiệm Khoa Chế biến,

Trường Đại học Nha Trang, đề tài: “Nghiên cứu tối ưu hóa công đoạn khử

khoáng và khử protein của phế liệu tôm thẻ chân trắng sau khi ép trong quy trình sản xuất chitin-chitosan” được thực hiện

2 Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu tối ưu hóa công đoạn khử khoáng và khử protein của phế liệu tôm thẻ chân trắng sau khi ép trong quy trình sản xuất chitin-chitosan Từ đó, xây dựng quy trình cho chất lượng chitin-chitosan tốt nhất, sử dụng lượng hóa chất thấp nhất và thời gian xử lý ngắn nhất

3 Nội dung nghiên cứu

- Xác định thành phần phế liệu tôm trước và sau khi ép

- Tối ưu hóa công đoạn khử khoáng bằng HCl với các yếu tố: Nồng độ HCl, nhiệt độ và thời gian xử lý

- Tối ưu hóa công đoạn khử protein bằng NaOH với các yếu tố: Nồng độ NaOH, nhiệt độ và thời gian xử lý

- Đánh giá chất lượng chitin-chitosan thu được

- Đề xuất quy trình sản xuất chitin-chitosan tối ưu

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng bên cạnh việc đạt được một số kết quả nhất định thì đề tài vẫn còn có rất nhiều thiếu sót Kính mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Nha Trang, tháng 07 năm 2010

Sinh viên thực hiện Nguyễn Hoàng Vân

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHẾ LIỆU TÔM VÀ CÁC HƯỚNG TẬN DỤNG

1.1.1 Nguồn phế liệu tôm

Sự phát triển rất nhanh của ngành chế biến thủy sản đã góp phần lớn vào việc nâng cao giá trị xuất khẩu của nước ta, hàng triệu tấn thủy sản đã được xuất khẩu hàng năm Tuy nhiên, quá trình chế biến các sản phẩm thủy sản cũng tạo một lượng lớn phế liệu

Phế liệu tôm chủ yếu là đầu và các mảnh vỏ, ngoài ra còn phải kể đến phần thịt vụn do bóc nõn không cẩn thận, một số tôm bị hư hỏng Tuỳ theo giống loài, phương pháp gia công chế biến mà lượng phế liệu có thể lên đến 60% sản lượng khai thác được Phần đầu tôm càng xanh chiếm khoảng 60% khối lượng toàn bộ, với tôm sú thì đầu chiếm khoảng 40% so với khối lượng toàn bộ Đối với sản phẩm tôm bóc nõn và rút ruột mất mát theo vỏ và đuôi khoảng 25% trọng lượng tôm

Theo thống kê của Trung tâm Nghiên cứu Chế biến Thủy sản, Đại học Nha Trang sản thì lượng phế liệu năm 2004 tại Việt Nam ước tính khoảng 45.000 tấn phế liệu, năm 2005 ước tính khoảng 70.000 tấn/năm [3] Đến năm 2008, các nhà máy chế biến thủy sản xuất khẩu chế biến khoảng 200.000 tấn tôm/năm, quá trình chế biến tôm tạo ra một lượng phế liệu (đầu, vỏ) khoảng 100.000 tấn [8]

Theo tạp chí Khoa học và Công nghệ Thuỷ sản (số 2 năm 2005) thì trong công nghiệp chế biến thuỷ sản, các dạng chính của tôm đông lạnh như sau:

 Tôm tươi còn vỏ, đầu (nguyên con) cấp đông IQF hoặc Block

 Tôm vỏ bỏ đầu cấp đông IQF hoặc Block

 Tôm bóc vỏ, bỏ chỉ lưng cấp đông IQF

 Tôm bóc vỏ, còn đốt đuôi cấp đông IQF

 Tôm dạng sản phẩm định hình, làm chín

Qua đó phần lớn tôm được đưa vào chế biến dạng bóc vỏ bỏ đầu Và như vậy, phế liệu chính là đầu tôm và vỏ tôm Phần đầu thường chiếm khoảng 35-45%

trọng lượng của tôm nguyên liệu, phần vỏ chiếm từ 10-15% Tỷ lệ này phụ thuộc vào giống loài, giai đoạn sinh trưởng, mùa vụ, phương pháp gia công chế biến…

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

1.1.2.1 Cấu tạo vỏ tôm [3]

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

Lớp biểu bì, lớp màu, lớp canxi hóa cứng do sự lắng đọng của canxi Lớp màu, lớp canxi hóa, lớp không bị canxi hóa chứa chitin nhưng lớp biểu bì thì không

Ta gọi các lớp có chứa chitin là lớp endocuticle

* Vỏ chia làm 4 lớp chính:

+ Lớp biểu bì (epicuticle)

+ Lớp màu

+ Lớp canxi

+ Lớp không bị canxi hóa

- Lớp biểu bì (epicuticle): Những nghiên cứu cho thấy lớp màng nhanh chóng bị biến đỏ bởi fuxin, có điểm pH=5,1 không chứa chitin Nó khác với các lớp vỏ còn lại, bắt màu với anilin xanh Lớp epicuticle có lipid vì thế nó cản trở tác động của acid ở nhiệt độ thường trong công đoạn khử khoáng bằng acid hơn là các lớp bên trong Màu của lớp này thường vàng rất nhạt có chứa polyphenol-oxidase và bị hóa cứng bởi quinone-tanin Lớp epicuticle liên kết với một số màng mỏng bên ngoài cản trở hòa tan ngay cả trong môi trường acid đậm đặc do nó có chứa các mắt xích paratin mạch thẳng

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

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

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

1.1.2.2 Thành phần hóa học của phế liệu tôm

Nguồn nguyên liệu khác nhau dẫn đến quy trình chiết rút chitin có sự khác nhau, tùy thuộc vào hàm lượng khoáng và protein có trong phế liệu Trong các loại phế liệu thủy sản, vỏ cua có hàm lượng khoáng cao nhất, có thể lên đến trên 50% nên quá trình loại khoáng khó khăn hơn, trong khi hàm lượng protein trong đầu tôm khá cao Ngoài ra, một số loài tôm trong vỏ, đầu có hàm lượng lipid tương đối cao (trên 10%) thì cần phải lưu ý công đoạn xử lý lipid Thông thường lượng lipid này cũng được loại đi trong công đoạn khử protein Thành phần khoáng của phế liệu tôm, cua, ghẹ, nang mực chủ yếu là Ca; ngoài ra có P, K, Mg, Mn và Fe

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

thương phẩm phát triển mạnh, nguồn phế liệu tôm thẻ trở thành nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin Tương tự như phế liệu tôm sú, thành phần protein trong phế liệu tôm thẻ tương đối cao, gần 50% (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Thành phần hoá học cơ bản của phế liệu tôm Penaaus vannamei (Trang Sĩ Trung và cộng sự, 2007) [9], Crangon crangon và Pandalus borealis

(Synowiecki và cộng sự, 2000)

STT Chỉ tiêu

phân tích

Penaaus vannamei

Crangon crangon

Pandalus borealis

trong phế liệu tôm còn có một lượng astaxanthin đáng kể Vì vậy, trong quá trình sản xuất chitin từ phế liệu tôm thẻ cần có biện pháp tận thu protein và astaxanthin

để chế biến thức ăn cho người và gia súc

Thành phần chiếm tỷ lệ đáng kể trong đầu tôm là protein, chitin, khoáng, sắc tố

Tỷ lệ các thành phần này không ổn định, chúng thay đổi theo giống, loài, đặc điểm sinh thái, sinh lý… Thành phần chitin và protein trong vỏ tôm tươi tương ứng là 4,5% và 8,05%, trong vỏ tôm khô là 11–27,5% và 23,3–53,0%

Hàm lượng chitin, protein, khoáng và carotenoid trong phế liệu vỏ tôm thay đổi phụ thuộc vào quá trình chế biến cũng như phụ thuộc vào loài, trạng thái dinh dưỡng, chu kỳ sinh sản Vỏ giáp xác chứa chủ yếu là protein (30–40%), khoáng (30–50%), chitin (13–42%)

Protein: Protein trong phế liệu tôm thường là loại protein không hoà tan do

đó khó tách ra khỏi vỏ, tồn tại dưới 2 dạng [2]:

- Dạng tự do: Dạng này tồn tại trong cơ quan nội tạng và trong các cơ gắn phần vỏ

- Dạng phức tạp: Ở dạng này protein không hòa tan và thường liên kết với chitin, canxi carbonate, với lipid tạo lipoprotein, với sắc tố tạo protein-carotenoid… như một phần thống nhất quyết định tính bền vững của vỏ tôm

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

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

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

Sắc tố: Trong vỏ tôm có nhiều loại sắc tố nhưng chủ yếu là astaxanthin Trong vỏ và đầu tôm thì astaxanthin kết hợp với protein một cách chặt chẽ Cũng nhờ có liên kết này mà thành phần astaxanthin trong vỏ tôm được bảo vệ Khi liên kết astaxanthin–protein không còn nữa thì astaxanthin sẽ dễ dàng bị oxy hoá tạo thành astaxin

Enzyme: Phế liệu tôm cũng có chứa một số enzyme Trong đầu tôm có chứa enzyme tiêu hoá chymotrypsin, nó được sử dụng trong điều trị bệnh ung thư Một vài loại enzyme khác có mặt trong phế liệu tôm gồm alkaline phosphatase, chitinase, -N-acetyl glucosamidase cũng được ứng dụng nhiều trong thực tế Hoạt

độ enzyme protease của đầu tôm khoảng 6,5 đơn vị hoạt độ/g tươi (theo tạp chí

Khoa học và Công nghệ Thủy sản, số 5/1993)

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

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

1.1.3 Các hướng tận dụng nguồn phế liệu tôm

1.1.3.1 Sản xuất chitin, chitosan và glucosamine

Ngày nay cùng với khoa học công nghệ ngày càng phát triển, nhiều nhà nghiên cứu khoa học đã công cố nhiều công trình nghiên cứu về sản xuất chitin, chitosan và glucosamin từ phế liệu tôm

Việc sản xuất chitin, chitosan nhìn chung gồm các công đoạn sau:

Hiện nay có hai phương pháp được áp dụng phổ biến trong sản xuất bột tôm

là phương pháp sấy khô bằng nhiệt và phương pháp ủ xilô

- Phương pháp sấy khô bằng nhiệt: Phương pháp có ưu điểm là đơn giản, có thể chế biến nhanh một lượng lớn phế liệu tôm đông lạnh, tính kinh tế cao Nhược điểm là chất lượng kém và giá trị dinh dưỡng không cao

- Phương pháp ủ xilô: Theo phương pháp này người ta sử dụng acid hữu cơ

và vô cơ trong việc ủ nhằm làm tăng tác động của enzyme, khử trùng và hạn chế sự phát triển của vi sinh vật Sau khi ủ, tiến hành trung tính bằng các chất kiềm, chất ủ được làm thức ăn chăn nuôi Phương pháp này có ưu điểm là chất lượng tốt nhưng giá thành cao, phức tạp, không kinh tế

1.1.3.3 Sản xuất bột màu astaxanthin [3]

Thành phần hóa học của phế liệu tôm đặc biệt rất giàu protein nên khi sản xuất chitin cần phải xem xét thu hồi protein Bên cạnh đó sắc tố astaxanthin tuy hàm lượng nhỏ nhưng giá thành lại cao trên thị trường (2500USD/kg) Hơn nữa astaxanthin còn là một carotenoid có tác dụng kích thích sinh trưởng, kháng một số bệnh Nó là chất tạo màu nên được sử dụng trong kỹ thuật nuôi trồng thủy sản, công nghiệp, thực phẩm Vì vậy hiện nay vấn đề tận dụng astaxanthin trong công nghiệp chế biến phế liệu tôm là vấn đề đang được nhiều nước quan tâm …

1.2 TỔNG QUAN VỀ CHITIN VÀ CHITOSAN

1.2.1 Nguồn gốc và sự tồn tại của chitin-chitosan trong tự nhiên [7]

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

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

Trong giới động vật, chitin là thành phần cấu trúc quan trọng của vỏ bao của một số động vật không xương sống như côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác, giun tròn Chitin được coi là chất tạo xương hữu cơ chính ở động vật không xương sống

Trong thực vật, chitin có trong vách tế bào của nấm và một số loài tảo chlorophyceae Chitin tồn tại trong tự nhiên ở dạng tinh thể Nó có cấu trúc gồm nhiều phân tử được nối với nhau bằng cầu nối hydro và tạo thành một hệ thống dạng sợi ít nhiều có tổ chức Trong tự nhiên rất ít gặp dạng tồn tại tự do của chitin,

nó liên kết dưới dạng phức hợp chitin-protein, chitin với các hợp chất hữu cơ… Khi tồn tại như thế, chitin có sự đề kháng đối với các chất thủy phân, hóa học và enzyme Do đó nó gây khó khăn cho việc tách chiết và tinh chế Tùy thuộc vào đặc tính của cơ thể và sự thay đổi từng giai đoạn sinh lý mà trong cùng một loài, người

ta có thể thấy sự thay đổi về hàm lượng cũng như chất lượng của chitin

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

Trong tự nhiên, chitosan rất hiếm gặp, chỉ có trong vách ở một số lớp vi nấm (đặc biệt zygomycetes, mucor…) và ở vài loại côn trùng như ở thành bụng của mối chúa

Việc nghiên cứu sản xuất chitin-chitosan và các ứng dụng của chúng trong sản xuất phục vụ đời sống là một vấn đề tương đối mới mẻ và đang được quan tâm nghiên cứu ở nước ta

1.2.2 Cấu tạo và tính chất của chitin-chitosan

1.2.2.1 Cấu tạo và tính chất của chitin

Công thức phân tử: (C8H13O5N)n, phân tử lượng: M = (203,19)n

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của chitin

Chitin là polysaccharide có đạm không độc hại, có khối lượng phân tử lớn Cấu trúc của chitin là một tập hợp các phân tử liên kết với nhau bởi các cầu nối glucoside và hình thành một mạng các sợi có tổ chức Hơn nữa chitin tồn tại rất hiếm ở trạng thái tự do và hầu như luôn luôn nối với nhau bởi các cầu nối đẳng trị (Coralente) với các protein, CaCO3 và các hợp chất hữu cơ khác

Qua nghiên cứu về sự thủy phân chitin bằng enzyme hay HCl đậm đặc thì người ta thấy rằng chitin có cấu trúc là một polymer được tạo thành từ các đơn vị N-acetyl-β-D glucosamine liên kết với nhau bởi liên kết β-1,4 glucoside

Chitin có cấu tạo hóa học giống cellulose và có thể xem là một dẫn xuất của cellulose với nhóm acetamido ở cacbon số 2 Chitin đóng vai trò là thành phần tạo nên độ cứng chắc của thành tế bào của nấm và vỏ của giáp xác

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

sự khác nhau về tính hydrat hóa, kích thước của mỗi đơn vị cấu trúc và số mạch chitin trong mỗi đơn vị cấu trúc α-chitin có độ rắn phân tử cao nhất và ở dạng rắn chắc và các mạch chitin sắp xếp song song nhưng ngược chiều nhau (Carlsstrom, 1957) β-chitin bao gồm các mạch chitin song song cùng chiều nhau, có độ rắn thấp, tính hydrat hóa cao γ-chitin sắp xếp cứ 2 mạch song song cùng chiều thì có một mạch ngược chiều Trong tự nhiên, α-chitin có mặt nhiều nhất và thường rất cứng Trong khi β-chitin, γ-chitin thì tạo nên tính dai, dẻo (Rudall & Kenching, 1973)[19]

Hình 1.2 Sự sắp xếp của chuỗi polymer của α-chitin, β-chitin và γ-chitin

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

và acetamide (Urbanczyk và cộng sự, 1997) Tuy nhiên, cần lưu ý là β-chitin, không giống như α-chitin, có tính trương nở với nước cao (Blackwel, 1969) [19]

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

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

có phân tử lượng thấp, chỉ khoảng vài chục ngàn dalton Khi đun nóng chitin trong dung dịch NaOH đặc thì chitin bị khử mất gốc acetyl tạo thành chitosan

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

Hình 1.3 Chitosan và glucosamine tạo thành từ sự thủy phân chitin

- Độ rắn (crystallinity) của chitin cao và biến đổi tùy theo từng loại chitin

1.2.2.2 Cấu tạo và tính chất của chitosan [7]

Chitosan là dẫn xuất đề acetyl hoá của chitin Chitosan được cấu tạo từ các mắt xích D-glucosamine liên kết với nhau bởi các liên kết β-1,4 glucosiside, do vậy

chitosan có thể gọi là poly 2-amino-2-deoxi-D-glucose hoặc là poly D-glucosamin

β-(1-4)-Công thức phân tử: (C6H11O4N)n

Phân tử lượng: M=(161,07)n

Công thức cấu tạo:

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của chitosan

Chitosan là một amino polysaccharide, được hình thành từ quá trình deacetyl hoá chitin Chitosan được phát hiện lần đầu tiên bởi Rouget vào năm 1859 Chitosan thường ở dạng vẩy hoặc dạng bột có màu trắng ngà

Công thức cấu tạo của chitosan gần giống như chitin và cellulose, chỉ khác là chitosan chứa nhóm amin ở cacbon thứ 2 Không giống như chitin chỉ tan trong một

số ít hệ dung môi, chitosan tan tốt trong các acid hữu cơ thông thường như: acid formic, acid acetic, acid propionic, acid citric, acid lactic Khi hoà tan chitosan trong môi trường acid loãng tạo thành keo dương Đây là một điểm rất đặc biệt vì đa

số các keo polysaccharide tự nhiên tích điện âm Chitosan tích điện dương sẽ có khả năng bám dính bề mặt các ion tích điện âm và có khả năng tạo phức với các ion kim loại và tương tác tốt với các polymer tích điện âm

Chitosan không hoà tan trong nước, kiềm, cồn

 Độ deacetyl của chitosan

Độ deacetyl của chitosan là một thông số quan trọng, đặc trưng cho tỉ lệ giữa 2-acetamido-2-deoxy-D-glucopyranose với 2-amino-2-deoxy-D-glucopyranose trong phân tử chitosan Tính chất của chitosan như khả năng hút nước, khả năng hấp

phụ chất màu, kim loại, kết dính với chất béo, kháng khuẩn, kháng nấm, mang DNA

…phụ thuộc rất lớn vào độ deacetyl hóa Chitosan có độ deacetyl cao thì có khả năng hấp phụ chất màu, tạo phức với kim loại tốt hơn Tương tự, khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của chitosan cao hơn ở các mẫu chitosan có độ deacetyl cao Cụ thể, khả năng kháng khuẩn tốt đối với chitosan có độ deacetyl trên 90% Tuy nhiên, chitosan khả năng hút nước của chitosan thì giảm đi khi tăng độ deacetyl Kết quả nghiên cứu của Trang Sĩ Trung và cộng sự (2006) cho thấy khả năng hút nước của chitosan có độ deacetyl hóa thấp (75%) đạt đến 659% cao hơn nhiều so với chitosan

có độ deacetyl hóa cao chỉ đạt 486% (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Tính chất của chitosan có độ DD khác nhau (Trang Sĩ Trung và cộng

Độ tan (%) 99,4 ± 0,1 99,6 ± 0, 3 99,5 ± 0,2

 Phân tử lượng và độ nhớt của chitosan

Phân tử lượng của chitosan cũng là một thông số quan trọng, nó quyết định tính chất của chitosan như 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 Tuy nhiên, chitosan có phân tử lượng thấp thì thường

có hoạt tính sinh học cao hơn, thường có nhiều ứng dụng trong nông nghiệp, y học

và công nghệ sinh học Chitosan có phân tử lượng lớn có khả năng tạo màng tốt và màng chitosan tạo thành có sức căng tốt Độ nhớt của chitosan phụ thuộc vào phân

tử lượng Chitosan có phân tử lượng thấp có độ nhớt từ 30-200cps và chitosan có phân tử lượng lớn hơn 1 triệu dalton có độ nhớt lên đến 3000-4000cps Ngoài ra, độ nhớt của chitosan còn phụ thuộc vào độ deacetyl, cường độ ion, pH, nhiệt độ

 Độ rắn của chitosan

Độ rắn của chitosan phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nguồn gốc chitin, độ deacetyl hóa, phân tử lượng và quá trình xử lý chitin và chitosan

 Khả năng kháng nấm, kháng khuẩn của chitosan

Chitosan có khả năng ức chế nhiều chủng vi sinh vật: Vi khuẩn Gram âm, vi khuẩn Gram dương và vi nấm Khả năng ức chế vi sinh vật của chitosan phụ thuộc vào độ deacetyl, phân tử lượng So với chitin, chitosan có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm tốt hơn vì chitosan tích điện dương ở vị trí cacbon thứ 2 ở pH nhỏ hơn 6 Chitosan có độ deacetyl cao trên 85% thì có khả năng kháng kháng khuẩn, kháng nấm tốt Chitosan có phân tử lượng dưới 2000 dalton thì khả năng ức chế vi sinh vật kém Chitosan có phân tử lượng trên 9000 dalton thì có khả năng ức chế vi sinh vật cao (Jeon và cộng sự, 2000) Tuy nhiên, chitosan có phân tử lớn thì khả năng kháng khuẩn cũng thấp Chitosan được hòa tan trong các dung môi hữu cơ như acid acetic, acid lactic và được sử dụng để xử lý kháng khuẩn, kháng nấm Chitosan có khả

năng ức chế: Staphylococcus aureus, Bacillus cereus, Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Rhodotorula glutensis, Botrytis cinerea, Rhizopus stolonifer, Aspergillus niger

 Khả năng tạo màng của chitosan

Chitosan có khả năng tạo màng rất tốt Tính chất cơ lý của màng chitosan như độ chịu kéo, độ rắn, độ ngấm nước, phụ thuộc nhiều vào phân tử lượng và độ deacetyl hóa của chitosan

độ tinh khiết của chitosan Chitosan có độ deacetyl cao thì thường hấp phụ màu tốt

1.3 ỨNG DỤNG CỦA CHITIN-CHITOSAN [11]

1.3.1 Ứng dụng của chitosan trong các ngành công nghệ thực phẩm

 Chất làm trong - Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất nước quả

Chitosan là tác nhân tốt loại bỏ đi đục, giúp điều chỉnh acid trong nước quả

 Sử dụng trong thực phẩm chức năng

Chitosan có khả năng làm giảm hàm lượng cholesterol trong máu Ngoài ra chitosan còn xem là chất chống đông tụ máu Nguyên nhân việc giảm cholesterol trong huyết và chống đông tụ máu được biết là không cho tạo các mixen Điều chú

ý là ở pH=6-6,5 chitosan bắt đầu bị kết tủa, toàn bộ chuỗi polysaccharide bị kết lắng

và giữ lại toàn bộ lượng mixen trong đó Chính nhờ đặc điểm quan trọng này chitosan ứng dụng trong sản phẩm thực phẩm chức năng

 Phân tách rượu-nước

 Ứng dụng làm màng bao (bảo quản hoa quả)

Lớp màng không độc bao quanh bên ngoài bao toàn bộ khu cư trú từ bề mặt khối nguyên liệu nhằm hạn chế sự phát triển vi sinh vật bề mặt (nguyên nhân chính gây thối hỏng thực phẩm)

1.3.2 Ứng dụng trong các ngành khác

 Trong y dược

Từ chitosan vỏ cua, vỏ tôm có thể sản xuất glucosamine - một dược chất quý dùng để chữa bệnh khớp đang phải nhập khẩu ở nước ta, chỉ phẫu thuật tự hoại, chito-olygosaccaride, da nhân tạo, kem chống khô da, dùng làm thuốc chữa bệnh

viêm loét dạ dày, tá tràng, dùng bào chế dược phẩm, thuốc giảm béo…

 Trong công nghiệp

Vải col dùng cho may mặc, vải chịu nhiệt, chống thấm, vải chitosan dùng

cho may quần áo diệt khuẩn trong y tế…

 Trong nông nghiệp

Bảo quản quả, hạt giống mang lại hiệu quả cao, dùng như một thành chính trong thuốc trừ nấm bệnh (đạo ôn, khô vằn…), dùng làm thuốc kích thích sinh trưởng cây trồng cho lúa, cây công nghiệp, cây ăn quả, cây cảnh…

 Trong công nghệ in ấn

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

 Trong công nghệ môi trường

Xử lý nước thải công nghiệp rất hiệu quả, xử lý nước thải trong công nghiệp nhuộm vải, xử lý nước trong công nghiệp nuôi tôm, cá…

 Trong công nghệ sinh học

Chất mang cố định enzyme và cố định tế bào

 Trong công nghệ thực phẩm

Sản xuất ra màng mỏng để bao gói thực phẩm, thay thế cho PE, màng

chitosan dễ phân hủy trong môi trường tự nhiên…

1.4 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN-CHITOSAN [6]

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 Tuy nhiên, hiện nay các quy trình sản xuất chitin ở qui mô lớn chủ yếu sử dụng phương pháp hóa học Phương pháp hóa học có ưu điểm như nhanh, đơn giản, dễ thực hiện

ở qui mô lớn Tuy nhiên, phương pháp hóa học cũng có nhiều nhược điểm như sản phẩm chitin, chitosan có phân tử lượng thấp, độ nhớt thấp, dư lượng hóa chất lớn, ô nhiễm môi trường, ăn mòn thiết bị

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

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

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

sản

- Khử khoáng

Trong vỏ tôm, thành phần khoáng chủ yếu là muối CaCO

3 và rất ít Ca

2 tạo thành được rửa trôi, nồng độ HCl có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của chitosan thành phẩm, đồng thời nó ảnh hưởng lớn tới thời gian và hiệu quả khử khoáng Nồng độ HCl cao sẽ rút ngắn được thời gian khử khoáng nhưng độ nhớt chitin-chitosan giảm nó sẽ làm cắt mạch polysaccharide (mạch này bị phân huỷ khi thuỷ phân) dẫn đến chất lượng của chitin-chitosan sau này bị giảm Ngược lại nếu nồng độ HCl thấp thì thời gian khử khoáng sẽ tăng nhưng ít bị ảnh hưởng, song nếu như nồng độ HCl quá thấp thì khử

khoáng sẽ không triệt để và thời gian xử lý kéo dài ảnh hưởng tới chất lượng của chitin-chitosan, đồng thời phải kéo dài chu kỳ sản xuất

Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến tốc độ khử khoáng Nhiệt độ càng cao thì rút ngắn thời gian khử khoáng Tuy nhiên ở nhiệt độ cao HCl bay hơi gây ô nhiễm môi trường, đồng thời nhiệt độ cao nó sẽ làm thuỷ phân cắt mạch polysacaride của chitin-chitosan trong môi trường acid, do đó nó sẽ làm cho mức độ trùng hợp của polymer chitin giảm, dẫn đến làm giảm độ nhớt của sản phẩm chitosan sau này Qua nghiên cứu thực tiễn sản xuất người ta thường khử khoáng ở nhiệt độ phòng

Tỷ lệ nguyên liệu và dung dịch HCl (%) cũng ảnh hưởng tới hiệu quả khử khoáng Nếu tỷ lệ này cao thì hiệu quả khử khoáng thấp do không đủ lượng HCl cần

để phản ứng hết lượng khoáng có trong nguyên liệu Nếu tỷ lệ này nhỏ có nghĩa là lượng dịch HCl sử dụng cao gây cồng kềnh thí nghiệm, chi phí tốn kém, giảm năng suất dây chuyền, khả năng cắt mạch polymer lớn làm giảm chất lượng chitosan sau này

+ Xử lý kiềm loãng để khử protein (Phương pháp 2 giai đoạn xử lý kiềm)

 Thuỷ phân protein:

Protein acid amin + peptid hoà tan vào dịch rửa

Xà phòng tạo thành có tác dụng tẩy rửa và hấp thụ các chất màu trong nguyên liệu

- Tẩy màu

Trong phế liệu tôm và cua có chứa một lượng lớn chất màu (astaxanthin) vì vậy để chitin có màu trắng, đẹp thì cần có một công đoạn tẩy màu Việc tẩy màu này có thể thực hiện bằng cách phơi dưới ánh sáng mặt trời hoặc xử lý bằng các chất tẩy màu thông dụng Theo Roberts (1998) thì phương pháp tẩy màu đơn giản nhất là sử dụng H2O2 hoặc NaOCl Tuy nhiên, quá trình tẩy màu bằng hóa chất

thường đi kèm với quá trình cắt mạch chitin nên dẫn đến chitosan có phân tử lượng thấp, độ nhớt thấp Vì vậy, chế độ tẩy màu cần phải được nghiên cứu lựa chọn phù hợp để hạn chế quá trình cắt mạch chitin Quá trình tẩy màu cần tiến hành nhanh, sử dụng nồng độ thích hợp cho từng loại nguyên liệu Thông thường quá trình tẩy màu chỉ sử dụng đối với phế liệu tôm vì hàm lượng sắc tố cao, còn đối với xương mực thì không cần thiết phải có bước tẩy màu

- Xử lý kiềm đặc (deacetyl)

Quá trình sản xuất chitosan từ chitin được thực hiện bởi công đoạn deacetyl (deacetylation), là quá trình tách nhóm acetyl khỏi phân tử chitin Thông thường quá trình deacetyl hóa được thực hiện bằng cách xử lý chitin với dung dịch NaOH hoặc KOH đậm đặc Nồng độ thường sử dụng từ 40–50%, ở nhiệt độ từ 40-100oC hoặc cao hơn Công đoạn deacetyl hóa 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 hóa Tuy nhiên, việc xử lý bằng acid đặc thường kèm theo quá trình cắt mạch của polymer, do đó thực hiện quá trình deacetyl trong môi trường kiềm đặc vẫn là phương pháp thường được sử dụng

Hình 1.6 Sơ đồ biễu diễn quá trình deacetyl

Tuy nhiên 2 công đoạn xử lý kiềm này có thể cho phép gộp lại thành một giai đoạn xử lý kiềm đặc Khi xử lý kiềm có nồng độ cao từ 35-45% trong điều kiện

nhiệt độ và thời gian thích hợp sẽ xảy ra đồng thời các phản ứng thuỷ phân protein thuỷ phân lipid và deacetyl hoá (trường hợp phương pháp một giai đoạn xử lý kiềm)

Hiệu quả của quá trình deacetyl hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố Các nhân tố ảnh hưởng chính đến quá trình này bao gồm:

- Nhiệt độ của quá trình deacetyl hóa

- Thời gian và nồng độ kiềm

- Tỷ lệ giữa chitin và dung dịch kiềm

- Ảnh hưởng của chất lượng chitin ban đầu

- Điều kiện môi trường xử lý

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 hóa của sản phẩm chitosan thu được phụ thuộc nhiều vào các yếu tố nồng

độ NaOH sử dụng, nhiệt độ và thời gian xử lý Nồng độ NaOH và nhiệt độ xử lý càng cao thì độ deacetyl hóa đạt càng cao Tuy nhiên, phân tử lượng của sản phẩm chitosan thu được càng thấp

Để đạt được độ deacetyl hóa cao trên 90% thì cần thực hiện quá trình deacetyl hóa nhiều lần Kết quả nghiên cứu của Trang Sĩ Trung và cộng sự (2006) cho thấy muốn chitosan thành phẩm đạt được độ deacetyl 96% khi sử dụng chitin từ phế liệu tôm thì cần phải thực hiện công đoạn deacetyl ở nhiệt độ 65oC và xử lý 2 lần Tuy nhiên, cần phải lưu ý là chế độ deacetyl hóa ảnh hưởng lớn đến phân tử lượng của sản phẩm chitosan

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

* Một số quy trình sản xuất chitin-chitosan bằng phương pháp hóa học thông dụng:

1.4.1.1 Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm của Pháp [7]

Hình 1.7 Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm của Pháp

Ưu điểm: Quy trình sản xuất này rút ngắn được thời gian sản xuất rất nhiều Sản phẩm thu được rất sạch có màu trắng đẹp do đã khử được sắc tố triệt để

Nhược điểm: Do NaOCl là một chất oxy hóa mạnh nên ảnh hưởng đến mạch polymer làm cho độ nhớt của sản phẩm giảm một cách rõ rệt Mặt khác, aceton rất

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

1.4.1.2 Quy tình sản xuất của Stevens, Viện công nghệ Châu Á (AIT), Thái Lan (2002) [2]

Hình 1.8 Quy tình sản xuất của Stevens, Viện công nghệ Châu Á (AIT),

Thái Lan (2002)

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

và ép, công đoạn này giúp giảm được một phần protein Cho nên nó giúp quá trình khử protein bằng NaOH và khử khoáng bằng HCl ở điều kiện nồng độ thấp và nhiệt

Chitosan

NaOH 50%

to = 65oC

t = 20h w/v = 1/10 Tách protein

độ thấp hiệu quả hơn Công đoạn đề acetyl được thực hiện 1 lần ở nhiệt độ trung bình (65oC), thời gian 20h Đây là một quy trình mới, tiết kiệm được lượng xút và acid dùng, đồng thời tránh được quá trình cắt mạch chitosan do xử lý ở nồng độ acid cao Sản phẩm chitosan sản xuất theo quy trình này màu trắng, hàm lượng protein và khoáng thấp, độ đề acetyl tương đối cao (từ 84-88%)

1.4.1.3 Quy trình của Đỗ Minh Phụng - Đại học Thủy sản Nha Trang (1980) [7]

Hình 1.9 Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy sản Nha Trang

Nhận xét: Chitin thu được có độ trắng cao mặc dù không có công đoạn tẩy màu Tuy nhiên, lại có nhược điểm là thời gian sản xuất kéo dài, tiêu tốn nhân công,

Chitosan

NaOH 40%

to = 800C

t = 24h w/v = 1/1 Nấu trong NaOH

HCl 6N

to phòng

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

nồng độ hóa chất sử dụng cao kết hợp với thời gian sử lý dài (công đoạn khử khoáng) làm cắt mạch polymer trong môi trường acid dẫn đến độ nhớt giảm

1.4.1.4 Quy trình sản xuất chitin và chitosan của Trang Sĩ Trung, Đại Học Nha Trang (2006)

Hình 1.10 Quy trình sản xuất chitin và chitosan của Trang Sĩ Trung, Đại học

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

1.4.2 Sản xuất chitin-chitosan bằng phương pháp sinh học

1.4.2.1 Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto [2]

Hình 1.11 Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto (2006)

Ưu điểm: Quy trình này rút ngắn được thời gian sản xuất rất nhiều Sản phẩm chitin thu được có chất lượng khá tốt, màu trắng đẹp do đã khử được sắc tố trong công

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

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

1.4.2.2 Quy trình sử dụng enzyme flavourzyme trong công nghệ sản xuất chitin từ phế liệu tôm (Trang Sĩ Trung và cộng sự, 2007)

Hình 1.12 Quy trình sử dụng enzyme flavourzyme trong công nghệ sản xuất

chitin từ phế liệu tôm (Trang Sĩ Trung và cộng sự, 2007)

Các enzyme tripsin, pepsin và papain cũng được nghiên cứu để thủy phân

carotenoprotein từ vỏ tôm Metapenaeus monoceros (Chakrabarti, 2002) Kết quả

E/S: 0,1%

Thời gian: 6h Nhiệt độ: 50oC pH: 6,5

Xay nhỏ (0,5-0,6cm)

Khử protein bằng

enzyme

Thu dịch protein astaxanthin

cho thấy, trypsin có hiệu suất thu hồi carotenoid cao nhất là 55% trong 4 giờ ở

28oC, pepsin và papain chỉ thu được 50%

Tóm lại, có nhiều nghiên cứu và triển khai thử nghiệm sử dụng enzyme protease để thủy phân protein trong quá trình sản xuất chitin từ phế liệu thủy sản Tuy nhiên, các triển khai này chủ yếu ở qui mô nhỏ, thử nghiệm, đang trên quá trình hoàn thiện quy trình

1.4.3 Sản xuất chitin-chitosan bằng phương pháp sinh học và phương pháp kết hợp sinh học với hóa học

1.4.3.1 Quy trình sản xuất chitin ứng dụng papain để khử protein (Trần Thị Luyến, 2000) [7]

Hình 1.13 Quy trình sản xuất chitin ứng dụng papain để khử protein (Trần

nhiễm môi trường, lượng papain dồi dào thu nhận từ thực vật Ngoài ra, protein trong dịch thủy phân có thể sử dụng bổ sung vào thức ăn gia súc

1.4.3.2 Quy trình sử dụng enzyme flavourzyme trong công nghệ sản xuất chitin từ phế liệu tôm (Trang Sĩ Trung và cộng sự, 2007) [8]

Hình 1.14 Quy trình sử dụng enzyme flavourzyme trong công nghệ sản xuất

chitin từ phế liệu tôm (Trang Sĩ Trung và cộng sự, 2007)

Nhìn chung các quy trình sản xuất chitin-chitosan đang được áp dụng ở quy

mô sản xuất lớn tại Việt Nam hiện nay chủ yếu là quy trình hóa học Các quy trình chỉ tập trung vào việc thu nhận chitin và chitosan, không hoặc chưa chú trọng đến

Tỷ lệ alcalase/phế liệu: 0,1% Thời gian: 6h

Nhiệt độ: 50oC pH=6,5

Xay nhỏ (0,5-0,6cm)

Khử protein bằng enzyme flavourzyme

Thu dịch protein astaxanthin

Khử protein còn lại bằng NaOH loãng

Rửa trung tính

Khử khoáng bằng HCl

Rửa trung tính

Chitin Phế liệu tôm thẻ

việc tận thu nhận các sản phẩm khác của phế liệu tôm như protein, astaxanthin, khoáng Hơn nữa, chất lượng chitin, chitosan cũng chưa được quan tâm đúng mức, chỉ mới tập trung vào việc sản xuất chitin và chitosan dạng thô, hoặc dạng công nghiệp, chưa đưa ra được quy trình sản xuất chitin, chitosan có chất lượng cao, phục

vụ cho các ngành y dược hoặc mỹ phẩm, công nghệ sinh học Do đó, vấn đề đặt ra

là tìm ra quy trình sản xuất chitin và chitosan mới không hoặc hạn chế sử dụng hoá chất, giảm thiểu thời gian xử lý và tận dụng những sản phẩm của quá trình là yêu cầu cấp bách hiện nay

CHƯƠNG 2 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 NGUYÊN VẬT LIỆU

2.1.1 Phế liệu vỏ tôm nghiên cứu

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

xưởng chế biến, Công ty Cổ phần Nha Trang Seafoods (F17) Nguyên liệu sau khi lấy được vận chuyển ngay bằng thùng xốp cách nhiệt về phòng thí nghiệm Phế liệu vỏ tôm trước khi sử dụng được rửa sạch, để ráo trong thời gian 5 phút Trong trường hợp chưa tiến hành thí nghiệm ngay thì rửa sạch bao gói bảo quản đông trong điều kiện nhiệt độ -20oC tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ Sinh học và Môi trường

2.1.2 Hóa chất nghiên cứu

Các hóa chất được sử dụng ở dạng tinh khiết phục vụ phân tích

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2.1 Phương pháp thu nhận mẫu

Phế liệu vỏ tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) được thu mua tại phân

xưởng chế biến của Công ty cổ phần Nha Trang Seafoods (F17) Yêu cầu nguyên liệu phải tươi, không có mùi lạ, không bị biến đỏ, không lẫn tạp chất Nguyên liệu sau khi lấy cho ngay vào thùng xốp cách nhiệt và vận chuyển ngay về phòng thí nghiệm Nguyên liệu được rửa sạch và sau đó mang đi ép bằng thiết bị ép và tiến hành làm thí nghiệm ngay Trong trường hợp chưa làm thí nghiệm ngay thì rửa sạch, cân và cho vào túi polymer, bảo quản đông ở điều kiện nhiệt độ -20oC cho đến khi sử dụng

2.2.2.3 Xác định hàm lượng protein theo phương pháp Biuret và phương pháp Microbiuret

Độ đục của chitosan được đo bằng máy đo độ đục HACH

2.2.2.7 Xác định độ deacetyl của chitosan [17], [18]

Phụ lục 2

2.2.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm xây dựng đường chuẩn

2.2.3.1 Bố trí thí nghiệm xây dựng đường chuẩn cho phương pháp Biuret và phương pháp Microbiuret

Quy trình đối chứng

Kiểm tra các chỉ tiêu chất lượng

Tối ưu khử protein

Xác định

Thành phần hóa học cơ bản tôm

2.2.4.1 Bố trí thí nghiệm xác định các khoảng tối ưu khử khoáng thích hợp

Bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ phế liệu/dung dịch acid HCl thích hợp

Các mẫu phế liệu sau khi ép được tiến hành khử khoáng ở điều kiện: Nồng

độ HCl 4%, nhiệt độ 40oC, thời gian 5h với các tỷ lệ phế liệu/dung dịch acid HCl như sau: 1/0,8, 1/1, 1/1,2, 1/1,4, 1/1,6, 1/1,8, 1/2 Bố trí thí nghiệm được trình bày ở Hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ phế liệu/dung dịch acid

HCl thích hợp

Phế liệu

Bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ thích hợp

Cố định: HCl 4%, nhiệt độ 40oC, thời gian 5h

Thay đổi tỷ lệ phế liệu/dung dịch acid HCl

Chọn tỷ lệ phế liệu/dung dịch acid

HCl thích hợp 1/1