Đánh giá khả năng sử dụng enzym pepsin để khử protein cho đầu tôm trong quá trình sản xuất chitin

i LỜI CẢM ƠN Đồ án tốt nghiệp này đã được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ tận tình của rất nhiều thầy cô giáo, bạn bè, gia đình và các tập thể trực thuộc trường Đại học Nha Trang. Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tất cả các cá nhân và tập thể đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn cô Th.S Ngô Thị Hoài Dương, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tận tình chỉ bảo những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian em thực hiện đề tài. Em xin chân thành biết ơn các, cô giáo trong khoa Chế biến đã dạy dỗ và truyền đạt cho em những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt quá trình học tập. Em xin chân thành biết ơn Ban giám đốc và các anh, chị tại Phòng thí nghiệm Trung tâm Công nghệ sinh học và Môi trường đã tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình thực tập. Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thành viên trong gia đình, các bạn đồng môn đã động viên và giúp đỡ để em có thể thực hiện tốt đề tài này. Nha trang, tháng 7 năm 2011 Sinh viên Vũ Thị Thúy ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH vi LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1 TỔNG QUAN VỀ CHITIN VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN 3 1.1.1 Chitin và sự tồn tại trong tự nhiên 3 1.1.2 Tính chất của chitin và các dẫn xuất 5 1.1.3 Phương pháp sản xuất chitin và yêu cầu về chất lượng 6 1.2 TỔNG QUAN VỀ PHẾ LIỆU TÔM 8 1.2.1 Tình hình sản xuất tôm và phế liệu còn lại 8 1.2.2 Đặc điểm của đầu và vỏ tôm 12 1.2.3 Các hướng tận dụng phế liệu đầu tôm [7] 13 1.3 TỔNG QUAN VỀ ENZYME PROTEASE VÀ PEPSIN 15 1.3.1 Các loại enzyme protease 15 1.3.2 Nguồn thu nhận enyme protease 17 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình thủy phân protein bằng enzyme protease[1] 18 1.3.4 Pepsin và ứng dụng của pepsin 21 1.4 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ TẬN DỤNG PHẾ LIỆU TÔM VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN 22 iii 1.4.1 Nghiên cứu trong nước 22 1.4.2 Nghiên cứu ngoài nước 23 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 25 2.1.1 Đầu tôm 25 2.1.2 Enzyme Pepsin 25 2.1.3 Hóa chất 25 2.2 SƠ ĐỒ BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 25 2.2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 26 2.2.2 Xác định thành phần hóa học cơ bản của bã ép, dịch và bã sau khi thủy phân 27 2.2.3 Xác định mức độ khử khoảng và pH khi sử dụng axit HCl ở các nồng độ khác nhau. 31 2.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của pH tới hoạt động của enzyme 32 2.2.5 Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ enzyme 33 2.2.6 Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân 35 2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 36 2.3.1 Phương pháp nghiên cứu 36 2.3.2 Phương pháp xử lí số liệu 37 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 Kết quả xác định thành phần hóa học của đầu tôm Thẻ chân trắng đã ép38 3.2 Kết quả khảo sát mức độ khử khoáng ở các nồng độ axit HCl khác nhau39 3.3 Kết quả ảnh hưởng của pH tới hoạt động của enzyme 42 3.4 Kết quả ảnh hưởng của nồng độ enzyme 43 iv 3.5 Kết quả ảnh hưởng của thời gian thủy phân 45 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 48 KẾT LUẬN 48 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC 1 v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Hàm lượng chitin trong một số loài động vật giáp xác [3] 4 Bảng 1.2: Thành phần (%) đầu và vỏ tôm [10] 12 Bảng 3.1: Thành phần hóa học của tôm Thẻ chân trắng 38 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Chitin – chitosan – 1 số loại vỏ giáp xác 4 Hình 1.2: Cấu tạo phân tử của Chitin 5 Hình 1.3: Cấu tạo phân tử của Chitosan 6 Hình 2.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 26 Hình 2.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thành phần hóa học của bã ép 28 Hình 2.3: Sơ đồ bố trí xác định thành phần hóa học sau thủy phân 29 Hình 2.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định mức độ khử khoáng khi sử dụng HCl ở các nồng độ khác nhau 30 Hình 2.5: Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH đến hoạt động của pepsin 31 Hình 2.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ enzyme thủy phân .33 Hình 2.7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân 35 Hình 3.1: Kết quả hàm lượng khoáng còn lại sau khi bổ sung axit HCl ở các nồng độ khác nhau 39 Hình 3.2: Hiệu suất khử khoáng ở các nồng độ axit khác nhau 39 Hình 3.3: Kết quả theo dõi pH khi bổ axit ở các nồng độ (1-4%) trong 3 giờ 41 Hình 3.4: Kết quả ảnh hưởng của mức độ khử khoáng và pH tới hoạt động của enzyme 42 Hình 3.5: Hiệu suất khử khoáng và protein ở pH= 1÷4 42 Hình 3.6: Kết quả ảnh hưởng của nồng độ enzyme Pepsin 43 Hình 3.7: Hiệu suất khử khoáng và protein khi bổ sung các tỉ lệ enzyme 0-500 UI/kg protein 44 Hình 3.8: Kết quả ảnh hưởng của thời gian thủy phân 45 Hình 3.9: Hiệu suất khử khoáng và protein tại các thời gian thủy phân 46 1 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, chitin và các dẫn xuất của chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: y học, sản xuất mỹ phẩm, bảo quản nông sản, xử lý môi trường. Hướng nghiên cứu và tách chiết chitin từ vỏ giáp xác là một hướng tận dụng nguyên liệu còn lại trong sản xuất tôm đông lạnh một cách có hiệu quả, tạo ra sản phẩm giá trị gia tăng nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên biển đã được thực hiện hơn một thế kỷ nay và cho tới bây giờ vẫn được nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới. Hiện nay, ở nước ta nguồn phế liệu đầu và vỏ tôm được thải ra với một số lượng khổng lồ cho phép Việt Nam phát triển nền công nghiệp phát triển chitin và dẫn xuất của chúng. Tuy nhiên nguồn phế liệu chưa được tận dụng trên quy mô lớn và chủ yếu được dùng cho sản xuất chitin. Các quy trình sản xuất chitin đang sử dụng là các quy trình hóa học và chỉ tập trung thu hồi chitin (Robert, 1997) mà không thu hồi các thành phần khác có giá trị như protein và astaxanthin. Chất lượng của protein và astaxanthin trong qui trình hóa học thường có chất lượng thấp do ảnh hưởng của các hóa chất xử lí và vì vậy không được thu hồi mà thải ra môi trường, dẫn đến gây ô nhiễm môi trường xung quanh các cơ sở chế biến phế liệu tôm. Tình trạng trên đặt ra yêu cầu cấp bách cho các nhà khoa học công nghệ, cho ngành thuỷ sản là phải sử dụng hợp lý và hiệu quả lượng phế liệu tôm rất lớn do các nhà máy chế biến thuỷ sản tạo ra hàng ngày để sản xuất ra sản phẩm có giá trị cao, chitin – chitosan. Một trong những hướng giải quyết vấn đề trên là phải nghiên cứu ra công nghệ sản xuất chitin và dẫn xuất bằng con đường sinh học trong đó việc sử dụng chế phẩm enzyme thuỷ phân protein trong đầu tôm để sản xuất ra sản phẩm chitin và dẫn xuất có chất lượng cao, chúng ta vừa có thể giải quyết được vấn đề môi trường, vừa có thể thu hồi protein có nhiều hoạt tính sinh 2 học bổ sung vào thực phẩm. Tuy nhiên vẫn cần phải tiếp tục nghiên cứu để rút ngắn thời sản xuất và có thể dùng nhiều loại enzyme để sản xuất. Nhiều loại enzyme protease đã được trích ly từ tự nhiên và được ứng dụng rộng rãi như: protease từ nội tạng tôm cá, bromelaine từ dứa, papain từ đu đủ, pepsin từ niêm mạc lợn, protease từ vi sinh vật vv. Trong đó pepsin là loại protease acid, có pH hoạt động thấp nên có khả năng hoạt động vừa khử protein song song với khử khoáng. Chính vì thế dưới sự hướng dẫn của cô Th.s Ngô Thị Hoài Dương em đã chọn đề tài “Đánh giá khả năng sử dụng enzym Pepsin để khử protein cho đầu tôm trong quá trình sản xuất chitin” và áp dụng các kiến thức đã học để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số tới quá trình khử protein bằng enzyme pepsin để có thể rút ngắn thời gian quy trình sản xuất chitin và dẫn xuất và nâng cao chất lượng cho quá trình sản xuất chitin và chất lượng của dịch thủy phân.  Mục tiêu của đề tài Đánh giá khả năng sử dụng Enzyme pepsin để khử protein kết hợp với quá trình khử khoáng bằng HCl trên đầu tôm.  Nội dung của đề tài - Tổng quan về tình hình xử lý phế liệu tôm và công nghệ sản xuất chitin. - Xác định thành phần hóa học cơ bản của đầu tôm thẻ chân trắng đã ép sơ bộ. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của enzyme Pepsin. - Đánh giá chất lượng của chitin. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ CHITIN VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN 1.1.1 Chitin và sự tồn tại trong tự nhiên Chitin tiếng Hy Lạp nghĩa là vỏ trong hay lớp bọc ngoài được Odier đặt cho chất mà ông chiết ra được từ cánh cứng của những con bọ da vào những năm 1823. Nó cũng chính là chất mà Braconnot tìm ra từ nấm mốc bậc cao. Chitin có tên khoa học là poli–β–(1,4) 2–axetamido–2–deoxy–Dglucose. Tên gọi chitin được dùng đến ngày nay cho cả chitin có nguồn gốc động vật hay thực vật. Chitin là một polysaccarit phổ biến trong tự nhiên, chỉ sau xenlulozơ. Chúng là một thành phần quan trọng cấu tạo nên vỏ của giáp xác, biểu bì của côn trùng cũng như có trong nhuyễn thể chân đầu và nấm. Các nguồn chitin từ công nghiệp thuỷ sản bao gồm vỏ tôm, cua, vỏ tôm hùm, mai mực ống, mực nang. Nhìn chung hàm lượng chitin trong phế liệu giáp xác chiếm khoảng 10 − 60% so với khối lượng chất khô. Chitin tồn tại trong tự nhiên ở dạng tinh thể đó là một cấu trúc gồm nhiều phân tử được nối với nhau bằng các nối hydrogene và tạo thành một hệ thống sợi. Chitin hiếm khi tồn tại ở trạng thái tự do và gần như luôn luôn liên kết bởi những nối đồng hoá trị với các protein dưới dạng phức hợp chitin – proteiques. Hậu quả là nó khó bị enzyme thủy phân và tham gia phản ứng với nhiều hoá chất gây nhiều khó khăn cho việc nghiên cứu. Mặt khác không chỉ có duy nhất một loại chitin mà còn có các loại polime khác nhau về kích thước, tỷ lệ axetyl hoá, trạng thái tinh thể tuỳ vào đặc tính của cơ thể và sự thay đổi theo mùa. [4] Chitin là một trong những polyme có nhiều trong các loài động vật như tôm, cua. Tận dụng nguồn nguyên liệu chitin này, chúng ta tạo ra được 4 chitosan có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau mang lại hiệu quả kinh tế cao. Hình 1.1: Chitin – chitosan – 1 số loại vỏ giáp xác Từ kết quả nghiên cứu về chitin ta thấy được hàm lượng chitin có trong các loài động vật giáp xác thay đổi tùy theo giống loài và bộ phận được thể hiện qua bảng sau: Bảng 1.1: Hàm lượng chitin trong một số loài động vật giáp xác [4] Nguồn Vỏ tôm nâu Vỏ tôm hồng Nang mực Mai mực ống Vỏ cua Vỏ loài tép nhỏ Hàm lượng 21,53% 23,72% 5,40% 49,00% 16,73% 20,06% Chitin - chitosan được thu nhận được chiết rút từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau: phế liệu thủy sản, vi nấm, vi khuẩn. Tuy nhiên, nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin – chitosan là phế liệu thủy sản, đặc biệt là phế liệu tôm, cua, mực. Hàm lượng chitin biến đổi theo từng loại nguyên liệu, [...]... hướng nghiên cứu sử dụng phế liệu tôm để sản xuất các chế phẩm có giá trị trong đó quan trọng nhất là việc sản xuất chitn-chitosan từ vỏ giáp xác 1.2.2 Đặc điểm của đầu và vỏ tôm Thành phần chiếm tỷ lệ đáng kể trong đầu tôm là protein, chitin, canxi cacbonate, sắc tố… Tỷ lệ các thành phần này không ổn định, chúng thay đổi theo giống, loài, đặc điểm sinh thái, sinh lý… Hàm lượng chitin, protein, khoáng... VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ TẬN DỤNG PHẾ LIỆU TÔM VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN 1.4.1 Nghiên cứu trong nước Đề tài nghiên cứu tách chiết chitin từ đầu vỏ tôm bằng các phương pháp sinh học của Nguyễn Văn Thiết, Đỗ Ngọc Tú[5] Trong công trình này, nhóm tác giả nghiên cứu, thu nhận chitin từ phế liệu đầu vỏ tôm bằng công nghệ enzyme Vật liệu dùng trong quá trình nghiên cứu là phụ phẩm đầu và vỏ tôm khô Phụ phẩm sau... dụng trong kỹ thuật nuôi trồng thủy sản, thực phẩm, công nghiệp Vì 15 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 1.2.3.3 Sản phẩm súp và canh Có thể sử dụng các mẩu thừa của tôm chất lượng cao sau khi chế biến làm món canh và súp tôm Đầu tôm được sử dụng làm nguyên liêu tạo mùi cho món súp tôm đặc biệt Tôm vụn được sử dụng. .. phần có giá trị phi chitin (protein, khoáng và astaxanthin), giảm thiểu chất thải hóa học ra môi trường, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp sản xuất chitin/ chitosan Phương pháp này sử dụng enzyme và vi sinh vật để khử 8 protein và dùng acid hữu cơ để khử khoáng Bên cạnh đó phương pháp này có một số nhược điểm là: + Không tách triệt để lượng protein Vì vậy lượng protein còn lại trong chitin. .. cộng sự (2008) [9] nghiên cứu ứng dụng ủ xi lô bằng acid focmic kết hợp với enzyme nâng cao chất lượng của chitin và chitosan từ phế liệu tôm và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Kết quả là đã loại được 83.1% protein và 66,1% khoáng từ phế liệu tôm trong quá trình sản xuất chitin Tiếp tục khử protein bằng Alcalase và khử khoáng bằng acid lacic cho phép thu được sản phẩm chitin, chitosan có chất lượng tốt,... cao Bên cạnh đó, quy trình mới cho phép thu được dịch ủ có giá trị dinh dưỡng cao, có thể sử dụng trong chế biến thức ăn gia súc 1.4.2 Nghiên cứu ngoài nước Asbjørn Gildberg và Even Stenberg, (2000)[11] đã nghiên cứu thu hồi protein trong quá trình sản xuất chitosan chất lượng cao dùng trong mỹ phẩm Trong quá trình thủy phân, tác giả dùng enzyme thương mại có sẵn (alcalase) và protein thủy phân được... chất thích hợp với lượng enzyme sẽ làm cho quá trình thủy phân diễn ra đều đặn, nhanh chóng * Độ tươi của nguyên liệu: Độ tươi của phế liệu tôm có vai trò quan trọng quyết định đến chất lượng của sản phẩm protein thu hồi từ quá trình thủy phân và chitin Độ tươi của phế liệu tôm giảm thì làm giảm chất lượng của bột protein do có sự phân hủy protein trong đầu tôm tạo thành những sản phẩm cấp thấp như:... tôm nuôi, trong đó đại đa số đối tượng nuôi là tôm Sú, đã tăng từ 60.000 tấn (năm 1999) lên 193.000 tấn (năm 2002) Trong năm 2003, sản lượng tôm nuôi nước lợ đạt 200.000210.000 tấn, giá trị xuất khẩu đạt hơn 1 tỷ USD Theo số liệu chiến lược xuất khẩu của Bộ Thuỷ sản đến năm 2005, sản lượng tôm xuất khẩu đạt 140.000 tấn/năm Cùng với việc tăng sản lượng tôm xuất khẩu sẽ là sự tăng lượng phế liệu vỏ tôm. .. carotenoid trong phế liệu tôm thay đổi rất rộng phụ thuộc vào điều kiện sơ chế trong quá trình chế biến cũng như phụ thuộc vào loài, trạng thái dinh dưỡng, chu kỳ sinh sản Bảng 1.2: Thành phần (%) đầu và vỏ tôm [2] Bộ phận Protein thực Chất béo Chitin Tro Nito Photpho Đầu 53,5 8,9 11,1 22,6 7,2 1,69 Vỏ 53,5 0,4 27,2 11,7 11,1 3,16  Protein: protein đầu tôm thường tồn tại ở 2 dạng chính là dạng tự do (có trong. .. gồm các sản phẩm chính là tôm đông lạnh, cá đông lạnh, nhuyễn thể chân đầu, mực khô, cá ngừ và một số mặt hàng khác Năm 2004, xuất khẩu thủy sản đạt 2,3 tỷ USD, chiếm 8,9% tổng giá trị xuất khẩu cả nước trong đó tôm đông lạnh chiếm 53% tổng giá trị xuất khẩu thủy sản Năm 2006 kim ngạch xuất khẩu thủy sản đã qua mốc 3 tỷ đạt 3,31 tỷ USD, tăng gần 600 triệu USD so với năm 2005, trong đó mặt hàng tôm truyền . Đánh giá khả năng sử dụng enzym Pepsin để khử protein cho đầu tôm trong quá trình sản xuất chitin và áp dụng các kiến thức đã học để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số tới quá trình khử. đề tài Đánh giá khả năng sử dụng Enzyme pepsin để khử protein kết hợp với quá trình khử khoáng bằng HCl trên đầu tôm.  Nội dung của đề tài - Tổng quan về tình hình xử lý phế liệu tôm và công. thông số tới quá trình khử protein bằng enzyme pepsin để có thể rút ngắn thời gian quy trình sản xuất chitin và dẫn xuất và nâng cao chất lượng cho quá trình sản xuất chitin và chất lượng của