NGHIÊN cứu HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ THU NHẬN CARRAGEENANCHẤT LƯỢNG CAO từ RONG sụn

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ THU NHẬN CARRAGEENAN CHẤT LƯNG CAO TỪ RONG SỤN Học viên: Dương Chí Thanh Ngành: Công nghệ sau thu hoạch Mã số: 60.54.10 Nha Trang, 2007 2 MỞ ĐẦU Rong sụn Kappaphycus alvarezii là loại rong có giá trò kinh tế cao. Hiện rong sụn được nuôi trồng chủ yếu ở Philippines, Indonesia,… Sản lượng rong sụn hàng năm của Philippines vào khoảng 120 tấn rong khô/năm. Trong rong sụn có nhiều các chất khoáng như: Mg 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ ,… Hơn thế nữa, trong rong sụn còn có chứa carrageenan, một loại polysaccharide được ứng dụng nhiều trong mỹ phẩm, công nghiệp dệt, dược phẩm,… đặc biệt là trong công nghệ thực phẩm. Trong thực phẩm carrageenan được sử dụng làm phụ gia để ổn đònh, tăng khả năng nhũ tương cao cho các sản phẩm sữa, đồ uống,… Ngoài ra, carrageenan còn được sử dụng để tăng khả năng đông tụ, giữ nước cho nhiều sản phẩm từ thòt và cá. Hơn nữa, rong sụn còn được sử dụng như là một loại rau cao cấp trong bữa ăn hàng ngày của nhiều người Á châu như: Nhật Bản, Hàn Quốc,… Từ năm 1993, rong sụn đã được du nhập về nuôi trồng ở một số tỉnh ven biển của Việt Nam: Bình Đònh, Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận, Kiên Giang,… Các nhà khoa học của Việt Nam cũng chỉ mới quan tâm nghiên cứu về rong sụn trong một vài năm trở lại đây. Các công trình nghiên cứu về rong sụn mới chỉ tập trung vào nghiên cứu nuôi trồng và sơ bộ nghiên cứu tách chiết carrageenan từ rong sụn. Tuy vậy, để có thể sản xuất carrageenan từ rong sụn đòi hỏi phải có các công trình nghiên cứu rất cụ thể về công nghệ thu nhận carrageenan từ rong sụn. Do vậy, đề tài: “Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ thu nhận carrageenan chất lượng cao từ rong sụn Kappaphycus alvarezii” là rất cần thiết, làm cơ sở cho việc sản xuất carrageenan từ rong sụn, góp phần nâng cao giá trò rong sụn Việt Nam. Mục đích của đề tài: 3 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến thành phần, chất lượng của carrageenan thu nhận từ rong sụn (Kappaphycus alvarezii). Nội dung của đề tài: 1. Nghiên cứu sự biến đổi hàm lượng carrageenan và một số khoáng chất trong chu kỳ sống và phát triển của rong sụn. 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại kiềm, acid tới chất lượng của carrageenan. 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian nấu chiết tới chất lượng của carrageenan. 4. Xây dựng quy trình hoàn thiện sản xuất carrageenan có chất lượng cao phục vụ cho lónh vực thực phẩm. Ý nghóa khoa học Kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghóa cao về khoa học, chứng minh rằng các điều kiện công nghệ, chế độ xử lý và nấu chiết có thể ảnh hưởng tới chất lượng của carrageenan thu nhận từ rong sụn. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là các số liệu thực tế bổ sung cho lý thuyết để phục vụ cho công tác giảng dạy tại Trường Đại học Nha Trang. Ý nghóa thực tiễn Thành công của đề tài sẽ là cơ sở cho việc sản xuất carrageenan sử dụngï cho lónh vực thực phẩm ở quy mô lớn. 4 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RONG SỤN VÀ CARRAGEENAN 1.1. GIỚI THIỆU VỀ RONG SỤN Rong sụn có tên thương mại là cottonii, ký hiệu là KA, thuộc ngành hồng tảo Rhodophyta, lớp Rhodophyceae, phân lớp Florideophycidae, bộ Gigartinales, họ Areschougiaceae, giống Kappaphycus, loài alvarezii (Hình 1.1, 1.2, 1.3). Hình 1.1. Hình ảnh về rong sụn (Kappaphycus alvarezii) tươi Hình 1.2. Rong sụn khô Hình1.3. Rong sụn khô Macxxell Doty là người đầu tiên tìm thấy rong sụn ở vùng biển Philippines vào năm 1972. Người có công thu mẫu cùng với ông là Alvarezii. Do vậy, Macxxell Doty đặt tên loại rong này là Euchuma alvarezii Doty. Khi phân tích 5 thành phần hóa học của loại rong này, Macxxell Doty đã đổi tên Euchuma alvarezii Doty thành Kappaphycus alvarezii (Doty). Sau đó, Macxxell Doty cùng với một nhóm các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Hawaii bắt đầu nghiên cứu phát triển phương pháp nuôi trồng rong sụn ở Hawaii. Từ đó, rong sụn được nuôi trồng và phát triển rộng rãi ở các nước Indonesia, Malaysia, Tanzania, Ấn độ,… Rong sụn là loài sinh trưởng phát triển nhanh, từ 100 gram rong giống ban đầu sau một năm nuôi trồng có thể tăng trưởng thành bụi rong nặng tới 14 – 16 Kg. Thân rong dạng hình trụ tròn, đường kính thân chính khi phát triển cực đại có thể đạt tới 20 mm. Thân chứa nhánh phân bố không theo quy luật. Khi đang sinh trưởng trong nước biển thì thân rong hơi nhớt, có màu xanh nâu, thân rong giòn, dễ gẫy. Rong sụn tươi thường có màu xanh hoặc màu đỏ nâu do trong rong có hai loại sắc tố là phycobline (bao gồm phycocyanine có màu xanh tím, phycocythrine có màu đỏ) và chlorophyll. Sau khi thu hoạch, phơi khô rong sụn thường có màu vàng nâu, thể tích bò giảm đến ¾ so với khi ở trong nước biển và có trạng thái rắn chắc. Nhiệt độ thích hợp nhất cho sự để sinh trưởng và phát triển của rong sụn là từ 25  28 0 C. Nhiệt độ cao hơn 30 0 C và thấp hơn 20 0 C sẽ ảnh hưởng đến sinh trưởng của rong. Nếu nhiệt độ thấp hơn 15  18 0 C thì rong sẽ ngừng phát triển. Rong sụn là loài ưa mặn, chúng chỉ sinh trưởng và phát triển tốt ở nơi có độ mặn cao (28  32 0 / 00 ), ở độ mặn thấp (18  20 0 / 00 ) rong sụn chỉ có thể tồn tại trong thời gian ngắn (5  7 ngày) và nếu kéo dài nhiều ngày rong sẽ ngừng phát triển, có hiện tượng đứt gẫy và dẫn đến tàn lụi. Rong sụn thuộc ngành rong đỏ Rhodophyta có chứa các sắc tố chlorophyll và phycobline nên rong sụn chỉ thích nghi với ánh sáng có bước sóng ngắn với cường độ ánh sáng không cao, từ 12.000  50.000 lux, thích hợp nhất từ 30.000  50.000 lux. Ánh sáng quá thấp hoặc quá cao thì đều ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của rong. Rong sụn phát triển tốt ở vùng nước thường 6 xuyên trao đổi và luân chuyển (tạo ra do dòng chảy, dòng triều hay sóng bề mặt) - đây là yếu tố cực kỳ quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng và phát triển cũng như chất lượng của rong sụn. Trong điều kiện nhiệt độ không quá cao, nước được trao đổi thường xuyên, rong sụn hầu như không đòi hỏi nhiều về các chất dinh dưỡng, các chất dinh dưỡng có sẵn trong nước đủ cung cấp cho rong sụn phát triển. Chỉ trong điều kiện nước tónh, ít được trao đổi và nhiệt độ nước cao (mùa nắng – nóng, trong các thuỷ vực nước yên như: ao, đìa nhân tạo) rong sụn đòi hỏi dinh dưỡng cung cấp thêm các chất: Amon và Phot phat cao hơn cho sự sinh trưởng. Nhìn chung ở các vùng có hàm lượng các chất dinh dưỡng: Amon, Natri, Phot phat cao, tốc độ sinh trưởng của rong sụn cao và các lọai chất dinh dưỡng này còn giúp rong sụn phát triển bình thường trong các điều kiện không thuận lợi về nhiệt độ, độ mặn hay nước ít lưu chuyển. Tốc độ tăng trưởng của rong sụn cao nhất vào khoảng tuần thứ 2 đến tuần thứ 4, khi kích thước rong ở 200  700g/cụm. Khi rong đạt bình quân trên 1000g/cụm (ở tuần thứ 5 hoặc thứ 6) tốc độ sinh trưởng của rong giảm dần, hàm lượng kappa-carrageenan càng cao khi kéo dài thời gian trồng. Do đó để đảm bảo cho việc nuôi trồng rong sụn có năng suất và chất lượng cao, thời gian thu hoạch rong ít nhất sau hai tháng trồng là hợp lý. Nhìn chung, tốc độ tăng trưởng của rong sụn từ 5  7%/ngày trong mùa mát và từ 1  3% trong mùa nóng. Rong sụn và đa số các loài rong có mùi tanh đặc trưng, mùi của rong sụn là yếu tố phức tạp được cấu thành bởi nhiều yếu tố trong đó có sự tham gia đáng kể của bihenic acid, là loại acid do vi khuẩn sống trên thân cây rong sinh ra. Các vi khuẩn này có rất nhiều trong nước biển. Để khử mùi cho rong sụn, người ta có thể phơi rửa rong nhiều lần bằng nước sạch hoặc ngâm trong nước gạo, dấm ăn, nước trà,… Thành phần hóa học của rong sụn [4]: 7 Thành phần chính của rong sụn là carrageenan. Hàm lượng carrageenan có thể chiếm đến 40% trọng lượng khô của rong. Trong đó carrageenan tan chiếm khoảng 33% và carrageenan không tan chiếm 7%. Thành phần hóa học cơ bản của rong sụn nguyên liệu thu hoạch ở biển, phơi nắng đến độ ẩm khoảng 20%, rửa sạch bằng nước sinh hoạt và sấy khô ở 40  50 0 C để đạt trở lại độ ẩm 19  20% thể hiện ở bảng 1.1. Bảng 1.1. Thành phần hóa học của rong sụn [4] Thành phần Hàm lượng Đơn vò tính Thành phần Hàm lượng Đơn vò tính Protein 2,40 % Cu 2,30 % Đường tổng 0,00 % S 2,60 % Cellulose 4,00 % SO 4 2- 8,08 ppm Ẩm 19,60 % I 23,00 % Tro tổng 20,00 % Cl 6,87 % Carrageenan 40,00 % Hg 0,01 % K 2,20 % As 0,02 % Na 2,40 % Pb 0,75 % Ca 0,36 % Cd 0,31 % Fe 0,04 ppm Sb 5,08 % Rong sụn có chứa hàm lượng tro rất đáng kể. Khi xử lý chế biến rong thành thực phẩm thì hàm lượng tro còn lại so với lúc chưa xử lý là 6/10 (hay đạt khoảng 16% chất khô). Như vậy sau khi xử lý lượng khoáng bám ở lớp bên ngoài rong đã bò giảm đi khá nhiều. Nhưng trong rong sụn sau xử lý vẫn chứa nhiều loại nguyên tố vi lượng như: Mo, Fe, Cu, Mg, Zn, Ca, Na, K; và các chất 8 phi kim loại như: I, S, P, đây là các chất cần thiết cho cơ thể con người. Ngoài ra trong rong nuôi ở môi trường ô nhiễm có thể chứa các ion kim loại nặng như: Hg, As, Pb, Cd,… Nhưng nhiều nghiên cứu về rong sụ cho thấy hàm lượng các chất này đều ở dưới mức độ cho phép của theo tiêu chuẩn của Bộ Y Tế ngày 4/4/1998. Khi đã xử lý chế biến rong sụn thành thực phẩm có hàm lượng ẩm cao tới 80  90%, hàm lượng các kim loại nặng sẽ giảm xuống thấp hơn. Trong rong sụn còn chứa protein. Protein của rong sụn có giá trò dinh dưỡng cao do có chứa 11 amino acid với hàm lượng khá cao bao gồm 5 amino acid không thay thế (bảng 1.2). Vì vậy, có thể nói nguyên liệu rong sụn là nguồn nguyên liệu thực phẩm giàu dinh dưỡng và không gây độc hại. Bảng 1.2. Hàm lượng amino acid của rong sụn [4] Amino acid Hàm lượng (%) Amino acid Hàm lượng (%) Leucin 0,080 Alanin 0,140 Methionin 0,070 Glutamin 0,280 Phenylalanin 0,230 Glycin 0,130 Valin 0,070 Prolin 0,230 Tryptophan 0,082 Serin 0,110 tyrosin 0,080 Các quá trình biến đổi của rong nguyên liệu sau thu hoạch [8] Quá trình phá vỡ cấu trúc cây rong và phân giải các hợp chất keo rong polymer Glucoside Trên rong biển thường chứa 20 loại vi sinh vật khác nhau, có nhiều loại chuyên phân hủy keo rong (Agar, Alginic). Các loại vi sinh vật này rất thích nghi với sự có mặt của các muối có trong thành phần nước biển. Khi cây rong còn sống nó tạo ra các Antibiotic để chống lại hoạt động của các vi khuẩn này. Khi 9 cây rong đã chết không còn khả năng trên, vi sinh vật sẽ xâm nhập vào thân cây rong và phá hủy tế bào của nó, phân hủy các chất keo rong. Nếu cứ để môi trường nước biển bám trên cây rong thì càng làm cho vi sinh vật nhanh chóng phá hủy cây rong trong thời gian ngắn. Đồng thời trong rong biển còn chứa các enzyme đặc hiệu có khả năng thủy phân các chất polymer keo rong thành các thành phần đơn giản, đặc biệt chúng hoạt động trong điều kiện độ ẩm cao và làm cho tế bào rong bò phá hủy. Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng tự phân của tế bào cây rong. Hình 1.4. Sự phân giải carrageenan thành carrageenan dextrin Tác hại của quá trình biến đổi này là làm cho chất lượng keo rong giảm, cụ thể là độ nhớt của keo rong giảm do kích thước phân tử keo rong ngắn hơn. Sinh nhiệt do hô hấp tế bào Sau khi rong vớt lên khỏi mặt nước, rong biển vẫn tiếp tục hô hấp trong một thời gian nữa. Quá trình hô hấp tế bào sẽ sinh ra lượng nhiệt làm cho khối O O CH 2 O 2 O O O O OH n Enzyme H 2 O VSV O O CH 2 O 2 - SO O O O OH n=3-10 Carrageenan Carrageenan dextrin 10 rong nóng lên nếu không chú ý làm tản nhiệt cho khối rong. Khi nhiệt tỏa ra làm cho nhiệt độ tăng lên cao sẽ góp phần tích cực vào quá trình phá hủy tế bào và các hợp chất polymer. Quá trình thối rửa Sau quá trình phá hủy cấu trúc và thủy phân các hợp chất keo rong là quá trình phân hủy các chất có trong rong biển như Agar, Alginate, cellulose, protein,…. tạo thành các hợp chất phân hủy thối rửa. 1.2. GIỚI THIỆU VỀ CARRAGEENAN Carrageenan là một lọai polysaccaride tìm thấy trong các lòai rong đỏ như là: Chondrus, Gigartina, Eucheuma, Furcellaria, Phyllophora,… từ những năm 1837. Stanford (1862) đã đặt tên loại polysaccaride được chiết bằng nước từ loài Chondrus crispus là “Carrageenin”. Việc tinh sạch chúng bằng phương pháp kết tủa cồn đã được thực hiện vào năm 1871. Tên gọi “carrageenan” được đề nghò và được Ủy Ban Danh pháp thuật ngữ carbohydrate của Hội Hóa học Mỹ thông qua. Nhưng việc sản xuất carrageenan chỉ thực sự được quan tâm trong những thập niên 1930 khi một số công ty ở bờ biển phía Tây nước Mỹ phát hiện ra carrageenan có độ nhớt cao và có khả năng tạo gel. Hiện nay, các nước sản xuất carrageenan chủ yếu là: Mỹ, Đan Mạch, Pháp, Nhật, Tây Ban Nha, Trung Quốc, Hàn Quốc, Brazil, Philippines,… Ở Trung Quốc bắt đầu việc sản xuất carrageenan trong thập niên 1970. Ban đầu họ dùng loại rong Eucheuma gelatinae có ở đảo Hải Nam làm nguyên liệu tách chiết và sau đó loại rong Hypnea sp được dùng nhiều hơn. Carrageenan có tính chất giống như Agar, ngày nay được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm. Do khả năng ứng dụng của carrageenan trong lónh vực chế biến sữa và công nghệ sinh học tốt hơn agar nên việc sản xuất carrageenan tăng lên khá nhanh và gần đây đã vượt qua agar. Sản lượng carrageenan sản xuất hàng năm trên thế giới khoảng 15.000 tấn. Trong đó, Trung Quốc chiếm khoảng 600 tấn. [...]... trường); các loài rong mơ có tác dụng hạn chế mức độ cholesterol trong máu, chống đông máu và mỡ cao trong máu Đống Thò Anh Đào (1999) đã nghiên cứu thu nhận carrageenan từ rong sụn Kappaphycus alvarezii nuôi trồng ở Ninh Thu n Kết quả cho thấy, hàm lượng carrageenan trong rong sụn chiếm đến 40% tổng số các thành phần Ngoài ra, tác giả còn tìm thấy trong thành phần protein của rong sụn còn có chứa 11... chất khoáng Do đó, ngoài việc xử lý rong sụn để thu nhận carrageenan, chúng ta cũng nên xử lý và chế biến rong sụn thành các sản phẩm khác ăn liền như gỏi rong hay một số sản phẩm khác Người ta cho rằng trong rong sụn còn có một số ion kim lọai nặng như: As2+, Pb2+, Hg2+ Tuy vậy kết quả phân tích hàm lượng Hg2+ trong rong sụn cho thấy hàm lượng Hg2+ trong các mẫu rong sụn ở các giai đọan khác nhau đều... nghiệm xác đònh chế độ xử lý kiềm Mục tiêu của công đoạn này là xác đònh hiệu suất, sức đông, độ nhớt, hàm lượng 3,6 -anhydro galactose và hàm lượng SO42- của carrageenan được thu nhận từ rong sụn ở từng nồng độ và thời gian xử lý kiềm khác nhau Từ đó, xác đònh được thời gian và nồng độ xử lý kiềm thích hợp cho quy trình thu nhận carrageenan từ rong sụn Rong nguyên liệu Ngâm, rửa Xác đònh các chế độ... CỦA RONG SỤN NGUYÊN LIỆU Rong sụn (Kappaphycus alvarezii) được nuôi trồng và thu hoạch tại phường Cam Nghóa, thò xã Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa Trong suốt quá trình nuôi trồng, rong sụn được lấy mẫu đònh kỳ (cứ sau 15 ngày tiến hành lấy mẫu một lần) và đem phân tích để xác đònh hàm lượng carrageenan và hàm lượng một số khoáng chất có trong rong sụn theo từng giai đoạn phát triển của chúng 3.1.1 Hàm lượng. .. iota-carrageenan [23] Năm 1993, Clinton J Dawes, A O Lluisma và G C Trono đã nghiên cứu tốc độ phát triển của hai loại rong sụn (rong sụn nâu và rong sụn xanh) trong phòng thí nghiệm Kết quả cho thấy, rong sụn phát triển rất nhanh, đặc biệt là ở 23 vùng nhiệt đới Nghiên cứu này cũng đã chứng minh khả năng thành công, cho hiệu suất cao và được ứng dụng rộng rãi ở Philippines.[24] 1.4 MỘT SỐ QUY TRÌNH TÁCH... kép Trong môi trường acid yếu, carrageenan chuyển thành carrageenic acid ROSO3H 20 Trong môi trường kiềm, carrageenan bò khử các gốc –SO3 và hình thành liên kết anhydro 1.3 TỔNG QUAN CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ RONG SỤN VÀ CARRAGEENAN Các công trình nghiên cứu trong nước Năm 1993, tác giả Huỳnh Quang Năng, phân viện phó Phân viện Khoa học Vật liệu Nha Trang là người có công đầu trong... tổng lượng khoáng ở rong còn biến đổi phụ thu c nhiều vào điều kiện môi trường [12] Nguyễn Bích Thủy (2003) đã nghiên cứu chiết tách và một số tính chất của carrageenan từ rong đỏ từ vùng biển Việt Nam Thành Thò Thu Thủy, Trần Thò Thanh Thủy, Trần Thò Thanh Vân (2003) đã nghiên cứu thành phần hóa học và cấu trúc của  -carrageenan từ tảo biển đỏ ở vùng biển Việt Nam Phạm Văn Đạt (2004) đã nghiên cứu. .. nắng Nghiền, xay carrageenan bán tinh chế Công nghệ sản xuất carrageenan bán tinh chếâ đơn giản Rong nguyên liệu được ngâm và nấu trong dung dòch KOH ở 1000C, và sau đó được ngâm trong nước sạch để loại bỏ kiềm Tiếp theo, sản phẩm được sấy khô và nghiền thành bột CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU 27 Đối tượng nghiên cứu là rong sụn Kappaphycus alvarezii Doty, nuôi trồng... đội nên các nhà khoa học tập trung nghiên cứu tìm kiếm các chất thay thế cho gelatin Cuối cùng người ta đã tìm thấy carrageenan có tính chất gần giống với gelatin Năm 1952, Kzevter, Krishna-pilla (1957) đã nghiên cứu hàm lượng khoáng có trong rong đỏ, đây là loài có chứa nhiều carrageenan Kết quả nghiên cứu của tác giả cho thấy, hàm lượng các chất khoáng tồn tại trong rong đỏ dưới dạng muối hoà tan như:... 30 2.2.2.4 Bố trí thí nghiệm xác đònh chế độ xử lý acid Mục tiêu của công đoạn này là xác đònh hiệu suất, sức đông, độ nhớt và pH của carrageenan tách chiết được từ rong sụn ở từng nồng độ và thời gian xử 31 lý acid khác nhau Từ đó, xác đònh được thời gian và nồng độ xử lý acid thích hợp cho quy trình thu nhận carrageenan từ rong sụn Rong nguyên liệu Ngâm, rửa Xử lý kiềm Rửa Xác đònh các chế độ xử lý . nghiên cứu rất cụ thể về công nghệ thu nhận carrageenan từ rong sụn. Do vậy, đề tài: Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ thu nhận carrageenan chất lượng cao từ rong sụn Kappaphycus alvarezii” là rất. TRANG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ THU NHẬN CARRAGEENAN CHẤT LƯNG CAO TỪ RONG SỤN Học viên: Dương Chí Thanh Ngành: Công nghệ sau thu hoạch Mã số: 60.54.10. nghiên cứu nuôi trồng và sơ bộ nghiên cứu tách chiết carrageenan từ rong sụn. Tuy vậy, để có thể sản xuất carrageenan từ rong sụn đòi hỏi phải có các công trình nghiên cứu rất cụ thể về công nghệ