NGHIÊN cứu sử DỤNG ENZYME PROTEASE TRONG QUI TRÌNH sản XUẤT CHITIN CHITOSAN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG  ĐẶNG THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ENZYME PROTEASE TRONG QUI TRÌNH SẢN XUẤT CHITIN- CHITOSAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH MÃ SỐ: 60.54.10 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRANG SĨ TRUNG NHA TRANG - 2008 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Trang Sĩ Trung đã hướng dẫn khoa học hết sức tận tình và chu đáo trong suốt thời gian làm luận văn nghiên cứu. Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiệu, Phòng Quan hệ Quốc tế, Khoa Chế biến Trường Đại học Nha Trang, Trung tâm Nghiên cứu Chế biến Trường Đại học Nha Trang, Công ty Cổ phần Nha Trang SeaFoods (F17) đã tạo điều kiện giúp đỡ về dụng cụ, thiết bị phục vụ nghiên cứu và tạo điều kiện về mặt thời gian cho tôi hoàn thành khoá học. Cảm ơn PGS. TS. Ngô Đăng Nghĩa, các thầy cô trong Khoa Chế biến cùng các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện các nghiên cứu. Nha Trang, tháng 06 năm 2008 Học viên Đặng Thị Hiền LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tác giả luận văn Đặng Thị Hiền i MỤC LỤC Trang DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3 1.1. GIỚI THIỆU VỀ PHẾ LIỆU TÔM VÀ CÁC HƯỚNG TẬN DỤNG 3 1.1.1. Phế liệu tôm 3 1.1.2. Thành phần hóa học của phế liệu tôm 4 1.1.3. Các hướng tận dụng phế liệu tôm 5 1.2. CÁC SẢN PHẨM CÓ GIÁ TRỊ TỪ PHẾ LIỆU TÔM 6 1.2.1. CHITIN, CHITOSAN 6 1.2.1.1. Giới thiệu chung về chitin, chitosan 6 1.2.1.3. Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin, chitosan trên thế giới và Việt Nam 8 1.2.2. PROTEIN VÀ ASTAXANTHIN 21 1.2.2.1. Astaxanthin trong phế liệu tôm 21 1.2.2.2. Các phương pháp thu nhận protein và astaxanthin 26 1.2.2.3. Nghiên cứu thu hồi chitin, protein và astaxanthin bằng phương pháp sử dụng enzyme 29 1.3. BẢN CHẤT, CƠ CHẾ VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN 33 Chương 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38 2.1. Nguyên vật liệu nghiên cứu 38 2.2. Phương pháp nghiên cứu 39 2.2.1. Phương pháp thu nhận mẫu 39 2.2.2. Bố trí thí nghiệm xác định các thông số quy trình 40 2.2.3. Bố trí thí nghiệm xác định các điều kiện thích hợp cho quá trình thủy ii phân protein đầu vỏ tôm bằng enzyme Alcalase 41 2.2.4. Bố trí thí nghiệm xác định chế độ chiết astaxanthin từ phế liệu tôm 44 2.2.5. Các phương pháp phân tích 48 2.2.6. Phương pháp xử lý số liệu 50 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 51 3.1. Thành phần hóa học của phế liệu tôm Thẻ 51 3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài đến quá trình tách protein 51 3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ enzyme Alcalase/nguyên liệu 51 3.2.2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân 54 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân 56 3.2.4. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân 57 3.2.5. Tối ưu hóa công đoạn tách protein của vỏ đầu tôm bằng enzyme Alcalase 59 3.3. Kết quả lựa chọn chế độ thích hợp để thu hồi asthaxanthin 64 3.3.1. Xác định môi trường và thời gian thích hợp để chiết astaxanthin 64 3.3.2. Xác định nhiệt độ thích hợp để chiết astaxanthin 66 3.3.3. Xác định tỷ lệ dung môi/nguyên liệu thích hợp để chiết astaxanthin 67 3.3.4. Tối ưu hóa quá trình chiết astaxanthin 68 3.4. Đề xuất qui trình ứng dụng enzyme protease trong công nghệ sản xuất chitin 73 3.5. Đánh giá sơ bộ hiệu quả quy trình sử dụng enzyme so với phương pháp hóa học 76 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO iii DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Kí hiệu viết tắt Diễn giải AU Đơn vị hoạt độ enzyme thủy phân protein DH Độ thủy phân DA Độ deacetyl hóa ES Phức hợp enzyme-cơ chất E/S Tỷ lệ enzyme/cơ chất N TS Nitơ tổng số PE Petroleum ether iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Nội dung Trang 1.1 Thành phần khối lượng của tôm 4 1.2 Thành phần (%) đầu và vỏ tôm 5 1.3 Một số chỉ tiêu chất lượng của Chitosan từ vỏ tôm sú theo phương pháp xử lý kiềm một giai đoạn (Trần Thị Luyến, 2003) 15 1.4 Chỉ tiêu chất lượng của Chitosan sản xuất từ vỏ ghẹ (Trần Thị Luyến, 2004). 16 1.5 Chỉ tiêu chất lượng của Chitosan sản xuất từ vỏ tôm Mũ ni (Huỳnh Nguyễn Duy Bảo, 2002). 17 1.6 Một số chỉ tiêu chất lượng của Chitosan sản xuất theo quy trình Papain (Trần Thị Luyến, 2003) 20 2.1 Tiêu chuẩn màu sắc cho bột carotenoprotein do Thái Lan sản xuất 48 2.2 Tiêu chuẩn mùi cho bột carotenoprotein do Thái Lan sản xuất 48 3.1 Thành phần hóa học cơ bản của phế liệu tôm Thẻ chân trắng 51 3.2 Sự biến đổi trạng thái cảm quan của các mẫu theo thời gian 57 3.3 Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố thí nghiệm 60 3.4 Ma trận trực giao cấp hai, ba yếu tố 61 3.5 Bảng kết quả kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy 62 3.6 Kết quả tối ưu hóa quá trình thủy phân phế liệu tôm bằng enzyme 63 3.7 Mức thí nghiệm của các yếu tố 68 3.8 Ma trận trực giao cấp hai, ba yếu tố 69 3.9 Bảng kết quả kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy 70 3.10 Kết quả tối ưu hóa quá trình chiết astaxanthin 71 3.11 Các chỉ tiêu chất lượng của chitin từ quy trình hoá học và quy trình kết hợp bổ sung enzyme 75 3.12 Các chỉ tiêu chất lượng của chitosan từ quy trình hoá học và quy 75 v trình kết hợp bổ sung enzyme 3.13 Chất lượng của bột carotenoprotein 76 3.14 Thành phần amino acid trong bột carotenoprotein thu hồi từ quá trình thủy phân phế liệu tôm 77 3.15 Nguyên vật liệu cho công nghệ sản xuất chitin theo phương pháp sử dụng enzyme và phương pháp hóa học (100 kg đầu vỏ tôm) 78 3.16 Chi phí thực nghiệm sản phẩm chitin (tính trên 1kg chitin) sản xuất theo phương pháp thông thường 78 3.17 Chi phí thực nghiệm sản phẩm chitin (tính trên 1kg chitin) sản xuất theo phương pháp sử dụng enzyme 79 3.18 Thu hồi các sản phẩm từ 100 kg đầu vỏ tôm 79 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Nội dung Trang 1.1 Sơ đồ ứng dụng của phế liệu tôm 5 1.2 Công thức cấu tạo của chitin 6 1.3 Công thức cấu tạo của chitosan 7 1.4 Quy trình của Stevens 8 1.5 Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm hùm của Hackman 9 1.6 Quy trình thủy nhiệt của Yamashaki và Nakamichi (Nhật Bản) 10 1.7 Quy trình sản xuất của Pháp 11 1.8 Quy trình sản xuất của Đỗ Minh Phụng, Trường Đại Học Thủy Sản 12 1.9 Quy trình sản xuất chitin của xí nghiệp Thủy sản Hà Nội 13 1.10 Quy trình sản xuất chitosan ở Trung tâm cao phân tử thuộc Viện khoa học Việt Nam 14 1.11 Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm Sú bằng phương pháp hóa học với một công đoạn xử lý kiềm (Trần Thị Luyến, 2003) 15 1.12 Quy trình công nghệ sản xuất chitosan từ vỏ ghẹ (Trần Thị Luyến, 2004) 16 1.13 Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm Mũ ni (Huỳnh Nguyễn Duy Bảo, 2002) 17 1.14 Quy trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thuỷ sản 18 1.15 Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto (2006) 19 1.16 Quy trình sử dụng enzyme Papain để sản xuất chitosan (Trần Thị Luyến, 2003) 20 1.17 Cấu trúc phân tử astaxanthin 21 1.18 Sự thay đổi cấu trúc phân tử astaxanthin khi tương tác với acid 23 1.19 Astacene 23 1.20 Crustaxanthin 23 vii 3.1 Biểu đồ biểu thị khả năng tách protein của enzyme Alcalase phụ thuộc vào tỷ lệ enzyme/nguyên liệu 52 3.2 Biểu đồ biểu hiện khả năng tách protein của enzyme Alcalase phụ thuộc vào pH 54 3.3 Biểu đồ biểu hiện khả năng tách protein của enzyme Alcalase theo nhiệt độ 56 3.4 Biểu đồ biểu thị khả năng tách protein của enzyme Alcalase theo thời gian 58 3.5 Ảnh hưởng của môi trường và thời gian chiết đến hiệu suất thu hồi astaxanthin 64 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi astaxanthin 66 3.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ dầu nành so với nguyên liệu đến hiệu suất thu hồi astaxanthin 67 [...]... astaxanthin đã và đang được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, các cơ sở nghiên cứu sản xuất trong và ngoài nước Tuy nhiên để hoàn thiện quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm đòi hỏi phải nghiên cứu sâu hơn nữa Chính vì vậy, tôi tiến hành thực hiện đề tài: Nghiên cứu sử dụng enzyme Protease trong qui trình sản xuất Chitin – Chitosan dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trang Sĩ Trung Mục tiêu... 1.2.1.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin, chitosan t rên thế giới và Việt Nam Việc nghiên cứu về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất lý hoá ứng dụng của chitosan đã được công bố từ những năm 30 của thế kỷ XX Những nước đã thành công trong lĩnh vực nghiên cứu sản xuất chitosan đó là: Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Phá p Cho đến nay trên thế giới đã có nhiều quy trình sản xuất chitin - chitosan, với nhiều... sấy Chitosan Hình 1.14 Quy trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thuỷ sản Quy trình của Trung tâm Chế biến có ưu điểm là đơn giản, không đòi hỏi máy móc thiết bị phức tạp Do đó rất dễ á dụng để sản xuất lớn Tuy nhiên thời p gian sản xuất kéo dài và nồng độ hoá chất sử dụng còn khá cao, vẫn chưa có hướng 19 để xử lý nước thải từ quá trình sản xuất  Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp sử dụng enzyme. .. thế hoàn toàn cho h NaOH đặc trong công đoạn deacetyl Từ các quy trình sản xuất chitin- chitosan bằng phương pháp hóa học và phương pháp sử dụng enzyme có thể rút ra một số nhận xét sau: - Phương pháp hóa học thì thời gian sản xuất kéo dài, lượng hóa chất sử dụng khá cao, dẫn đến sản phẩm chitin- chitosan thu được có chất lượng thấp - Phương pháp sử dụng enzyme thời gian sản xuất được rút ngắn đáng kể,... khả năng sinh sản của các loài động vật này Astaxanthin cũng có những ứng dụng quan trọng khác trong thực phẩm chức năng, trong mỹ phẩm và trong công nghiệp thực phẩm Chitin và dẫn xuất của nó chitosan được ứng dụng rộng rãi không chỉ trong công nghiệp thực phẩm mà còn trong công nghiệp dược, mỹ phẩm, xử lý nước thải và trong nông nghiệp Nhiều công trình nghiên cứu sản xuất chitin- chitosan trong và ngoài... Ứng dụng trong nông nghiệp Ứmg dụng trong các ngành khác Chitosan Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm Ứng dụng trong công nghiệp dược Ứng dụng trong công nghiệp sinh học Hình 1.1 Sơ đồ ứng dụng của phế liệu tôm 6 1.2 CÁC SẢN PHẨM CÓ GIÁ TRỊ TỪ PHẾ LIỆU TÔM 1.2.1 CHITIN, CHITOSAN 1.2.1.1 Giới thiệu chung về chitin, chitosan Chitin là polymer hữu cơ phong phú thứ hai trên trái đất sau cellulose Nhiều nghiên. .. nghiên cứu như: Trường Đại học Thủy sản, Trung tâm nghiên cứu polymer - Viện khoa học Việt Nam, Xí nghiệp Thủy sản Hà Nội, Trung tâm Công nghệ và sinh học Thủy sản - Viện nghiên cứu môi trường thuỷ sản 2,…đã tập trung vào nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này Trong đó, các kết quả công bố gần đây của các nhà khoa học thuộc trường Đại học Thủy sản Nha Trang đã đi sâu nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản. .. suất quy trình có ưu thế hơn hẳn Nhưng để nâng cao chất lượng của chitosan có thể sử dụng enzyme papain thay thế cho NaOH để khử protein trong vỏ tôm Đặc biệt dịch thủy phân thu được sử dụng cho các mục đích thu hồi protein và tận dụng, điều đó chắc chắn man lại hiệu quả cao Tuy g nhiên, cần nghiên cứu quy trình xử lý tận dụng dịch thủy phân này Cần tiếp tục nghiên cứu sản xuất và chiết rút enzyme deacetylase... công nghệ này khó áp dụng trong điều kiện sản xuất của nước ta hiện nay Việc nghiên cứu sản xuất chitosan và các ứng dụng của chúng trong sản xuất, phục vụ đời sống là một vấn đề tương đối mới ở nước ta Năm 1978 trường Đại học Thủy sản bắt đầu nghiên cứu tách chiết chitin – chitosan do Đỗ Minh Phụng thực hiện 12 - Quy trình của Đỗ Minh Phụng, Trường Đại học Thủy sản [9] Vỏ tôm khô Ngâm HCl Rửa trung tính... bằng enzyme Alcalase nhằm giảm thiểu hóa chất sử dụng, giảm ô nhiễm môi trường, đồng thời đưa ra biện pháp thu hồi protein-astaxanthin Nội dung của đề tài: - Xác định thông số tối ưu cho quá trình tách protein bằng enzyme protease: tỷ lệ enzyme/ nguyên liệu, pH, nhiệt độ, thời gian thủy phân Đề xuất quy trình ứng dụng enzyme vào quá trình sản xuất chitin từ phế liệu tôm - So sánh chất lượng chitin- chitosan . Tối ưu hóa quá trình chiết astaxanthin 68 3.4. Đề xuất qui trình ứng dụng enzyme protease trong công nghệ sản xuất chitin 73 3.5. Đánh giá sơ bộ hiệu quả quy trình sử dụng enzyme so với phương. enzyme protease: tỷ lệ enzyme/ nguyên liệu, pH, nhiệt độ, thời gian thủy phân. Đề xuất quy trình ứng dụng enzyme vào quá trình sản xuất chitin từ phế liệu tôm. - So sánh chất lượng chitin- chitosan. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG  ĐẶNG THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ENZYME PROTEASE TRONG QUI TRÌNH SẢN XUẤT CHITIN- CHITOSAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG