Đánh giá ảnh hưởng của tính chất nguyên liệu đầu vào đến hiệu quả khử protein bằng NaOH trong qui trình sản xuất chitin

i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt đề tài này là nhờ sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô và bạn bè .Qua đây em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô, Thạc sĩ Ngô Thị Hoài Dương, người đã tận tình truyền đạt những kiến thức trong quá trình học tập và trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo những kinh nghiệm quý báu để em hoàn thành tốt đề tài. Em xin bày tỏ lòng biết ơn trân trọng nhất tới các thầy cô trong khoa chế biến đã nhiệt tình truyền đạt cho em những kiến thức trong những năm học vừa qua. Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy, cô phụ trách phòng thí nghiệm Hóa-Vi sinh thực phẩm, cùng thầy cô bộ môn công nghệ chế biến, viện công nghệ sinh học và môi trường trường Đại học Nha Trang đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian thực tập. Chân thành cảm ơn các bạn sinh viên lớp 50CB, cùng toàn thể các bạn sinh viên thực tập tại phòng thí nghiệm đã nhiệt tình giúp đỡ động viên em. Nha Trang tháng 07 năm 2012 Sinh viên Nguyễn Văn Mạnh ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I MỤC LỤC II DANH MỤC IV C HƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1. 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 [1] 4 1.1.3. Các hướng tận dụng của nguồn phế liệu tôm 7 1.2. TỔNG QUAN VỀ CHITIN 8 1.2.1. Nguồn gốc và sự tồn tại của chitin trong tự nhiên [1] 8 1.2.2. Cấu tạo và tính chất chitin 9 1.2.3. Ứng dụng của chitin - chitosan [5] 11 1.2.4. Công nghệ sản xuất chitin 13 C HƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 25 2.1.1. Phế liệu vỏ, đầu tôm 25 2.1.2. Hóa chất nghiên cứu 25 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.2.1. Phương pháp thu nhận mẫu 25 2.2.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm: 25 2.2.3. Phương pháp phân tích và xác định các chỉ tiêu 29 2.2.4. Thiết bị 29 C HƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 30 3.1. Kết quả nghiên cứu quá trình khử protein cho vỏ 30 3.1.1. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình khử protein trên vỏ 30 3.1.2. Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên vỏ 32 iii 3.2. Kết quả nghiên cứu quá trình khử protein cho đầu - vỏ tôm 37 3.2.1. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình khử protein trên đầu - vỏ tôm 37 3.2.2. Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên đầu-vỏ 40 3.3. Kết quả nghiên cứu quá trình khử protein cho đầu 44 3.3.1. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình khử protein trên đầu 44 3.3.2. Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên đầu 46 3.4. So sánh chế độ khử protein tối ưu của đầu, vỏ, và đầu - vỏ 51 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 56 iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ tổng hợp các hướng tận dụng phế liệu tôm 8 Hình 1.2. .Cấu tạo của Chitin. 10 Hình 1.3. Sự sắp xếp của chuỗi polymer của α-chitin, β-chitin và γ-chitin 10 Hình 1.4. Chitosan và glucosamine tạo thành từ sự thủy phân chitin 11 Hình 1.5. Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất chitin, chitosan từ phế liệu thủy sản 13 Hình 1.6. . Quy trình sản xuất của Pháp 17 Hình 1.7. Quy tình sản xuất của Stevens, Viện công nghệ Châu Á (AIT), Thái Lan (2002) 18 Hình 1.8. Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy sản Nha Trang 19 Hình 1.9. Quy trình sản xuất chitin và chitosan của Trang Sĩ Trung, Đại học Nha Trang (2006) 20 Hình 1.10. Quy Trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thủy sản 21 Hình 1.11. Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto 22 Hình 1.12. Quy trình sử dụng Enzyme papain để sản xuất chitosan (Trần Thị Luyến, 2003) 23 Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 26 Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng và tương tác của các yếu tố nghiên cứu . 31 Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn theo thí nghiệm 36 Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn xác suất phân phối chuẩn theo độ lệch chuẩn 36 Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng và tương tác của các yếu tố nghiên cứu . 39 Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn xác suất phân phối chuẩn theo độ lệch chuẩn 43 Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng và tương tác của các yếu tố nghiên cứu . 45 Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn theo thí nghiệm 50 Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn xác suất phân phối chuẩn theo độ lệch chuẩn 50 Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn phương trình đường chuẩn của phương pháp Microbiuret 59 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần khối lượng của một số loài tôm 4 Bảng 1.2. Thành phần hóa học của đầu và vỏ tôm sú 6 Bảng 1.3. Thành phần hóa học của đầu và vỏ tôm thẻ chân trắng 6 Bảng 1.4. Tổng hợp điều kiện khử protein trong quá trình sản xuất chitin từ các nguồn phế liệu khác nhau 15 Bảng 1.5. Tổng hợp các thông số của công đoạn khử protein –của một số nghiên cứu trong và ngoài nước. 24 Bảng 2.1. Ma trận thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố 27 Bảng 2.2. Ma trận thí nghiệm tối ưu công đoạn khử protein bằng NaOH 28 Bảng 3.1. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố 30 Bảng 3.2. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khi xử lý NaOH với vỏ tôm thẻ chân trắng 31 Bảng 3.3. Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên vỏ 32 Bảng 3.4. Kết quả phân tích dự đoán mô hình 33 Bảng 3.5. Kết quả phân tích ANOVA 33 Bảng 3.6. Kết quả phân tích các chỉ số thống kê ứng với mô hình lựa chọn 35 Bảng 3.7. Kết quả chọn chế độ tối ưu trên phần mềm DX 37 Bảng 3.8. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố 37 Bảng 3.9. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khi xử lý NaOH với đầu + vỏ tôm thẻ chân trắng 38 Bảng 3.10. Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên đầu-vỏ 40 Bảng 3.11. Kết quả phân tích dự đoán mô hình 41 Bảng 3.12. Kết quả phân tích ANOVA 41 Bảng 3.13. Kết quả phân tích các chỉ số thống kê ứng với mô hình lựa chọn 42 Bảng 3.14. Kết quả chọn chế độ tối ưu trên phần mềm DX 44 Bảng 3.15. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố 44 vi Bảng 3.16. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khi xử lý NaOH với đầu tôm thẻ chân trắng 45 Bảng 3.17. Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên đầu 46 Bảng 3.18. Kết quả phân tích dự đoán mô hình 47 Bảng 3.19. Kết quả phân tích ANOVA 48 Bảng 3.20. Kết quả phân tích các chỉ số thống kê ứng với mô hình lựa chọn 49 Bảng 3.21. Kết quả chọn chế độ tối ưu 51 Bảng 3.22. Tổng hợp chế độ tối ưu cho hiệu quả khử cao nhất 51 Bảng 3.23. Bảng tối ưu khi cố đinh hiệu quả khử protein ở 97.42% 52 Bảng 3.23 cho thấy với cùng hiệu suất thu được như nhau nhưng với các đối tượng khác nhau cho chế độ khử khác nhau. 52 Bảng 3.24. Bố trí thí nghiệm chạy đường chuẩn của ph ương pháp Microbiuret 58 Bảng 3.25. Kết quả đo OD330nm 59 Bảng 3.26. Thành phần khối lượng của tôm thẻ chân trắng 60 1 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 trong những năm gần đây đã đạt được những thành tựu quan trọng về nuôi trồng, chế biến thuỷ sản cũng như xuất nhập khẩu, trong đó lĩnh vực chế biến tôm xuất khẩu đóng góp một vai trò đáng kể. Mặc dù đã có sự quan tâm cải tiến công nghệ, đa dạng hoá mặt hàng để khai thác triệt để nguồn lợi giáp xác nuôi trồng và đánh bắt được nhưng tỷ lệ nguyên liệu còn lại trong chế biến tôm còn khá cao, khoảng 30-40%, đòi hỏi phải được xử lý để tận thu nhằm hạn chế tổn thất và ô nhiễm môi trường. Nguyên liệu còn lại trong quá trình chế biến tôm gồm có đầu, vỏ và thịt vụn, trong đó đầu và vỏ tôm có thể sử dụng để sản xuất chitin và chitosan mang lại giá trị kinh tế cao. Một số nghiên cứu đã cho thấy đầu và vỏ tôm có đặc điểm cấu tạo và thành phần hoá học khác nhau đáng kể, nhưng trong các qui trình sản xuất chitin hiện nay ở nước ta hai đối tượng này vẫn được xử lý chung trong cùng một qui trình. Điều này có thể dẫn đến việc sử dụng lượng hoá chất không hợp lý và ảnh hưởng xấu đến chất lượng của chitin thu được. Thực tế cho thấy trong dây chuyền sản xuất tôm, đầu và vỏ tôm hoàn toàn có thể tách riêng một cách dễ dàng vì vậy việc áp dụng chế độ xử lý theo đặc điểm riêng của từng đối tượng là cần thiết và khả thi nhằm kiểm soát lượng hoá chất sử dụng và hạn chế tác động không có lợi đến tính chất của chitin thành phẩm. Xuất phát từ thực tế trên, được sự đồng ý của Chủ nhiệm Khoa Công Nghệ Thực Phẩm, Trường Đại học Nha Trang, đề tài: “Đánh giá ảnh hưởng của tính chất nguyên liệu đầu vào đến hiệu quả khử protein bằng NaOH trong qui trình sản xuất chitin” đã được thực hiện. 2 2. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu tối ưu hóa công đoạn khử protein trong quy trình sản xuất chitin cho riêng đầu; vỏ; và đầu + vỏ tôm thẻ chân trắng . Từ đó, đề xuất chế độ khử protein hợp lý cho từng đối tượng, 3. Nội dung nghiên cứu - Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình khử protein trên vỏ, đầu, và đầu + vỏ tôm - Tối ưu hóa công đoạn khử protein cho vỏ tôm bằng NaOH. - Tối ưu hóa công đoạn khử protein cho đầu tôm bằng NaOH. - Tối ưu hóa công đoạn khử protein cho đầu - vỏ tôm bằng NaOH. - Đề xuất chế độ khử protein hợp lý riêng cho đầu, vỏ, và đầu-vỏ. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng bên cạnh một số kết quả đạt được 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 2012 Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Mạnh 3 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. NGUỒN PHẾ LIỆU TÔM VÀ CÁC HƯỚNG TẬN DỤNG 1.1.1. Nguồn phế liệu tôm Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tôm rất dồi dào, được thu từ 2 nguồn chính là đánh bắt tự nhiên và nuôi trồng. Đặc biệt, nuôi tôm đã phát triển mạnh trong những năm gần đây và trở thành ngành kinh tế mũi nhọn. Năm 2008 Kim ngạch xuất khẩu thủy sản đạt 4,27 tỉ USD. Năm 2009 kim ngạch xuất khẩu cả năm ước đạt 4,3 tỷ USD. Năm 2010 xuất khẩu thủy sản trên 5 tỷ USD, tăng 18% so với năm 2009. Đây là lần đầu tiên xuất khẩu tôm của Việt Nam vượt 2 tỷ USD, với 241.000 tấn, tăng 13,4% về khối lượng và 24,4% về giá trị so với 209.567 tấn và 1,675 tỷ USD của năm 2009. Năm 2011, XK thủy sản của Việt Nam đạt 6,1 tỷ USD, tăng 21% so với năm 2010 và tăng gấp hơn 3 lần so với mức 2 tỷ USD năm 2002, XK tôm của Việt Nam tiếp tục tăng trưởng mạnh với giá trị năm 2011 đạt gần 2,4 tỷ USD, trong đó XK tôm sú chiếm 59,7% tổng giá trị, XK tôm chân trắng chiếm 29,3%, còn lại là tôm các loại khác. 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 tính riêng cho phế liệu tôm ước tính khoảng 70.000 tấn/năm [9]. 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 [13]. Phần lớn tôm được đưa vào chế biến dưới dạng tôm vỏ bỏ đầu hoặc tôm lột PTO. Từ thực tế trên ta thấy chất rắn thải trong sản xuất sản phẩm tôm chủ yếu là đầu và vỏ nhưng tỷ lệ đầu tôm cao hơn. Phần đầu chiếm 34 ÷ 45%, phần vỏ 10 ÷ 15% trọng lượng tôm nguyên liệu[2]. Sản lượng xuất khẩu tôm ngày càng cao thì lượng phế thải ra càng lớn. Phế liệu đầu và vỏ tôm chiếm 50- 70% nguyên liệu ban đầu (Đỗ Văn Nam và cộng sự, 2005: Shahidi và Synowiecki, 1991). Nguồn phế liệu tôm này nếu biết tận dụng triệt để sẽ mang lại nguồn lợi khổng lồ. Nó không chỉ đem lại giá trị kinh tế cao mà còn có ý nghĩa bảo vệ môi trường. Thành phần phế liệu đầu và vỏ một số loài tôm ở Bảng 1.1 4 Bảng 1.1. Thành phần khối lượng của một số loài tôm:[3] Loài tôm Đầu tôm (%) Vỏ tôm (%) He 29,80 10,00 Thẻ 28,00 9.00 Sú 31,40 8,90 Rằn 33,90 10,40 Gân 33,14 11,27 Chì 31,85 11,07 Bột 31,55 12,15 Sắt 42,38 11,62 Càng 51,95 8,56 Hùm 63,40 5,50 Mũ ni 52,02 12,57 1.1.2. Cấu tạo và thành phần hóa học của phế liệu tôm [1] 1.1.2.1. Cấu tạo vỏ tôm 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. [...]... c a chitin ph thu c vào c u trúc c a chitin Ngư i ta chia c u trúc chitin thành ba d ng: α -chitin, β -chitin, γ -chitin (Hackman và Goldberg, 1965) C u trúc c a chitin các d ng trên xu t phát t ngu n chi t rút chitin, chitin t tôm và cua có d ng α -chitin, còn chitin t m c có d ng β -chitin Ba d ng chitin nêu trên có s khác nhau v tính hydrat hóa, kích thư c c a m i ơn v c u trúc và s m ch chitin trong. .. 2 1 : 15 – 20 5% NaOH 100 0.5 1:1 5% NaOH un sôi 0.5 2:3 5% NaOH 65 3 1 : 10 1N NaOH 80 3h x 2 l n - 2% NaOH 90 2 1 : 20 1N NaOH 50 6 - 5% NaOH 90 2 - 1N NaOH 60 5 - 5% Cua 5% NaOH 65 1 1 : 15 Phương trình kh protein như sau: 16 Quá trình kh protein thư ng kèm theo quá trình kh lipid do lipid có th ph n ng v i ki m t o thành xà phòng theo phương trình ph n ng sau: i v i quá trình kh protein, nhi t óng... p i u ki n kh protein trong quá trình s n xu t chitin t các ngu n ph li u khác nhau [5] Ngu n Ch N ng Tôm hùm ki m kh protein Nhi t (0C) T l (w/v) 12h x 5 l n 1 : 5.5 72 - 1N NaOH 10% NaOH 10% NaOH 100 2.5 1 : 50 15% NaOH 65 3 1 : 10 Tôm 3% NaOH 100 1 - sú 1% NaOH 65 1 1 : 10 1% kOH 90 2 1 : 20 4% NaOH un sôi 1 - 1N NaOH 100 1 1:6 5N NaOH 100 1 - Tôm th 100 Th i gian (h) Nhi t phòng NaOH H i lưu 2... Kenching, 1973) [18] Hình 1.3 S s p x p c a chu i polymer c a α -chitin, β -chitin và γ -chitin Chitin có màu tr ng, cũng gi ng cellulose, chitin có tính k nư c cao ( c bi t i v i α -chitin) và không tan trong nư c, trong ki m, trong acid loãng và các dung môi h u cơ như ete, rư u Tính không tan c a chitin là do chitin có c u trúc ch t ch , có liên k t trong và liên k t phân t m nh thông qua các nhóm hydroxyl... xu t theo quy trình này màu tr ng, hàm lư ng protein và khoáng th p, c Quy trình c a acetyl tương i cao (t 84-88%) Minh Ph ng, Trư ng i h c Th y s n:[1] V tôm khô Ngâm HCl R a trung tính Ngâm NaOH HCl 6N o t phòng t = 48h w/v = 1/2,5 NaOH 8% t0 = 1000C t = 2h w/v = 1/2,5 R a trung tính T y màu chitin NaOH 40% t0 = 800C t = 24h w/v = 1/1 N u trong NaOH R a trung tính chitosan Hình 1.8 Quy trình c a Minh... α -chitin có r n phân t cao nh t và d ng r n ch c và các m ch chitin s p x p song song nhưng ngư c chi u nhau (Carlsstrom, 1957) β -chitin bao g m các m ch chitin song song cùng chi u nhau, có r n th p, tính hydrat hóa cao γ -chitin s p x p c 2 m ch song song cùng chi u thì có m t m ch ngư c chi u Trong t nhiên, α -chitin có m t nhi u nh t và thư ng r t c ng Trong khi β -chitin, γ -chitin thì t o nên tính. .. NG QUAN V CHITIN 1.2.1 Ngu n g c và s t n t i c a chitin trong t nhiên [1] Chitin ư c tách chi t l n u tiên vào năm 1811 b i nhà dư c hóa h c ngư i Pháp Henri Braconnot t n m (Braconnot, 1811) Chitin là polymer h u cơ ph bi n trong t nhiên sau cellulose, chúng ư c t o ra trung bình 20g trong 1 năm/1m2 b m t trái t i c ng v t và th c v t Trong gi i m ts t Trong thiên nhiên chitin t n ng v t, chitin là... - Khi un nóng chitin trong dung d ch NaOH c thì chitin b kh m t g c acetyl t o thành chitosan - Khi un nóng chitin trong dung d ch HCl c thì chitin s b th y phân t o thành các phân t glucosamine có ho t tính sinh h c cao Khi un nóng chitin trong HCl m c t o thành 88,5% D-glucosamine và 22,5% acid acetic Hình 1.4 Chitosan và glucosamine t o thành t s th y phân chitin 1.2.3 ng d ng c a chitin - chitosan... ph m Công nghi p dư c Kh protein Thu h i protein B sung vào th c ph m Chi t rút astaxanthin Kh khoáng Chitin B sung vào th c ăn chăn nuôi Deacety hóa ng d ng trong công nghi p dư c S n xu t th c ăn cho tôm, cá, gia súc Chitosan ng d ng trong công nghi p th c ph m ng d ng trong công nghi p dư c Hình 1.1 Sơ ng d ng trong công nghi p sinh h c ng d ng trong nông nghi p ng d ng trong các ngành khác t ng... nha trang (2006) Nguyên li u NaOH 4% t0 = phòng t = 24h Ngâm NaOH R a trung tính HCl = 4% o t 300C t = 18h Ngâm HCl R a trung tính S y khô chitin NaOH 50% t0 650C T = 20h Deacety hóa R a trung tính S y khô chitosan Hình 1.9 Quy trình s n xu t chitin và chitosan c a Trang Sĩ Trung, ih c Nha Trang (2006) Nguyên li u là v tôm ư c kh protein b ng NaOH và kh khoáng b ng HCl nhi t th p, th i gian dài Công o . ý của Chủ nhiệm Khoa Công Nghệ Thực Phẩm, Trường Đại học Nha Trang, đề tài: Đánh giá ảnh hưởng của tính chất nguyên liệu đầu vào đến hiệu quả khử protein bằng NaOH trong qui trình sản xuất. Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên vỏ 32 iii 3.2. Kết quả nghiên cứu quá trình khử protein cho đầu - vỏ tôm 37 3.2.1. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình khử protein. trên đầu - vỏ tôm 37 3.2.2. Kết quả tối ưu quá trình khử protein trên đầu- vỏ 40 3.3. Kết quả nghiên cứu quá trình khử protein cho đầu 44 3.3.1. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến