nghiên cứu quá trình thủy phân dịch ép đầu tôm thẻ chân trắng bằng enzyme protamex

Phế liệu tôm đã được sử dụng là nguyên liệu sản xuất chitin – chitosan có ứng dụng lớn trong nhiều ngành như công nghiệp, nông nghiệp, y học, thực phẩm...ngoài ra phế liệu đầu tôm còn ứn

LỜI CẢM ƠN

Đồ án này là chuyên khảo mang tính tổng hợp cuối cùng của thời sinh viên, để tôi hoàn thành chương trình đại học của mình Đây cũng như một cơ hội cuối cùng để tôi có thể bày tỏ tấm lòng của mình đến với những người luôn trong suy nghĩ của tôi Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành và kính trọng đến với Th.S Ngô Thị Hoài Dương - người đã tận tình hướng dẫn, góp nhiều ý kiến quý giá, thiết thực và

đã để lại trong tôi bao kỉ niệm đẹp trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy, cô Viện công nghệ sinh học & môi trường, Bộ môn hóa sinh – vi sinh thực phẩm – Khoa chế biến - Trường Đại học Nha Trang đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành đề tài Đồng gửi đến những người thân, bạn bè đã chân thành giúp đỡ và gắn bó với tôi trong suốt quãng đời sinh viên

Xin chúc Bố mẹ, các Thầy cô và những người đã đồng hành cùng tôi lời chúc sức khoẻ và có nhiều niềm vui trong thời gian sắp tới

Nha Trang, tháng 07 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Đào Thị Tuyết Mai

MỤC LỤC.

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC .ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 2

1.1 PHẾ LIỆU TÔM VÀ KHẢ NĂNG TẬN DỤNG 2

1.1.1 Xuất khẩu tôm ở Việt Nam và tận dụng phế liệu 2

1.1.2 Thành phần tính chất của phế liệu tôm 6

1.1.3 Biện pháp sử dụng phế liệu tôm tại Việt Nam .7

1.2 ENZYME PROTEASE VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHẾ LIỆU 14

1.2.1 Đặc tính của Enzyme protease 14

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của Enzyme protease 15

1.2.3 Nguồn thu nhận Enzyme protease 20

1.2.4 Ứng dụng của Enzyme protease trong xử lý phế liệu 23

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 29

2.1.1 Dịch đầu tôm 29

2.1.2 Enzyme Protamex 29

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.2.1 Phương pháp thu nhận mẫu 30

2.2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 31

2.2.2.1 Xác định hiệu suất thu dịch ép 33

2.2.2.2 Xác định thành phần hóa học cơ bản của dịch tôm 34

2.2.2.3 Xác định chế độ thủy phân dịch tôm 35

2.2.3 Phương pháp xác định các chỉ tiêu 37

2.2.4 Phương pháp thu thập và xử lý số liệu 37

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 Hiệu suất thu dịch ép đầu tôm từ phế liệu 38

3.2 Thành phần hóa học cơ bản của dịch tôm thẻ 39

3.3 Kết quả nghiên cứu hiệu quả thủy phân dịch tôm bằng Enzyme Protamex 40

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 49

4.1 Kết luận 49

4.2 Đề xuất ý kiến 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC

DANH MỤC BẢNG.

Bảng 1.1 Thành phần trọng lượng của tôm (%) 4

Bảng 2.1 Bố trí thí nghiệm theo qui hoạch thực nghiệm với biến ảo của quá trình thủy phân bằng enzyme Protamex 36

Bảng 2.2 Bố trí thí nghiệm tại tâm phương án 36

Bảng 3.1 Thành phần hóa học cơ bản của dịch tôm thẻ chân trắng 39

Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm ma trận quy hoạch thực nghiệm 41

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm tại tâm phương án 42

Bảng 3.4 Kết quả kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số phương trình hồi quy 43

Bảng 3.5 Bảng kết quả kiểm định sự tương thích của phương trình hồi quy 43

Bảng 3.6 Kết quả tối ưu hóa quá trình thủy phân dịch ép đầu tôm bằng Enzyme Protamex 46

DANH MỤC HÌNH.

Hình 1.1 Cấu trúc chitin 7

Hình 1.2 Cấu trúc chitosan .8

Hình 1.3 Chất kìm hãm cạnh tranh 17

Hình 1.4 Chất kìm hãm không cạnh tranh 18

Hình 1.5 Chất kìm hãm hỗn tạp 18

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 31

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định hiệu suất thu dịch ép đầu tôm 33

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định hàm lượng chất khô trong dịch tôm 34

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định hàm lượng khoáng tổng số trong dịch tôm 35

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định hàm lượng protein trong dịch tôm 36

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định hàm lượng đạm acid amin trong dịch tôm 37

Hình 3.1 Biểu đồ biểu diễn hiệu suất thu dịch ép 38

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn mức độ thủy phân protein ở các điều kiện 46

Hình 3.3 Quy trình thủy phân dịch đầu tôm bằng Enzyme Protamex đề xuất 48

LỜI MỞ ĐẦU

Ngành chế biến thủy sản trong nước và trên thế giới hàng năm đã thải ra một lượng lớn các phế liệu Trước đây nó được xem và xử lý như một loại chất thải Chi phí xử lý lượng phế liệu này rất lớn nhưng hiệu quả xử lý thì không cao và kết quả

nó vẫn ảnh hưởng đáng kể đến môi trường Ngày nay khoa học phát triển, nhiều nghiên cứu đã cho thấy được giá trị của nguồn phụ phế phẩm thủy sản và việc nghiên cứu sản xuất, ứng dụng các sản phẩm sản xuất từ nguồn phế liệu này ngày càng được đẩy mạnh Điều này không chỉ đem lại nguồn lợi ích to lớn cả về kinh tế

mà còn cả lợi ích xã hội và đặc biệt giải quyết được vấn đề môi trường

Một trong những phế liệu thủy sản có sản lượng rất lớn và có chứa nhiều hợp chất giá trị cao đó là phế liệu từ tôm Phế liệu tôm đã được sử dụng là nguyên liệu sản xuất chitin – chitosan có ứng dụng lớn trong nhiều ngành như công nghiệp, nông nghiệp, y học, thực phẩm ngoài ra phế liệu đầu tôm còn ứng dụng để thu bột đạm sản xuất thức ăn chăn nuôi nâng cao giá trị dinh dưỡng hay thu các chế phẩm Enzyme nội tạng ứng dụng trong quá trình thủy phân Theo nghiên cứu cơ bản cho thấy trong phế thải tôm chứa một lượng dịch khá lớn và cụ thể là dịch đầu tôm có chứa hàm lượng protein cao nhưng chưa được tận dụng Đây là một nguồn lợi lớn

cần được nghiên cứu và ứng dụng Vì thế em đã chọn đề tài “nghiên cứu quá trình thủy phân dịch ép đầu tôm thẻ chân trắng bằng enzyme Protamex” để có thể áp

dụng kiến thức đã học nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số tới quá trình thủy phân dịch đầu tôm, từ đó nâng cao hiệu suất thu hồi protein từ phế liệu tôm

Nội dung đề tài:

- Tổng quan về enzyme protease và quá trình thủy phân protein

- Xác định thành phần hóa học cơ bản của dịch ép đầu tôm thẻ chân trắng

- Xác định các thông số tối ưu cho quá trình thủy phân dịch ép đầu tôm bằng Enzyme Protamex

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 PHẾ LIỆU TÔM VÀ KHẢ NĂNG TẬN DỤNG

1.1.1 Xuất khẩu tôm ở Việt Nam và tận dụng phế liệu

* Xuất khẩu tôm ở Việt Nam

Thủy sản là một trong những mặt hàng xuất khẩu chính của xuất khẩu Việt Nam Trong số đó các sản phẩm từ tôm luôn chiếm vị trí rất quan trọng, hàng năm kim ngạch xuất khẩu của các mặt hàng này đem lại lớn Theo thống kê mới nhất của FAO về xuất khẩu tôm sú trên thế giới, số liệu năm 2006, Việt Nam tiếp tục 4 năm liền đứng thứ 1 về giá trị xuất khẩu, đạt 1,25 tỷ USD Về sản lượng Việt Nam đứng thứ 4, với 131,615 tấn sau Thái Lan, Ấn Độ, Indonesia ( VASEP)

Số liệu xuất khẩu tôm của Việt Nam cho thấy ngành này vẫn tiếp tục tăng trưởng mặc dù 2009 là năm hết sức khó khăn do ảnh hưởng suy thoái kinh tế toàn cầu Theo Hải quan Việt Nam, đến hết tháng 11 của năm 2009, số liệu xuất khẩu mặt hàng tôm đi các thị trường của Việt Nam đạt: 190.490,000 tấn, trị giá 1,518 tỷ USD Cả nước có hơn 300 doanh nghiệp tham gia xuất khẩu tôm, trong đó có 60 doanh nghiệp dẫn đầu chiếm hơn 80% kim ngạch; 120 doanh nghiệp có giá trị xuất khẩu tôm hơn 1 triệu USD Chủ yếu xuất cho các thị trường lớn như Nhật, Hoa Kỳ,

Úc, Anh, Belgium, Canada, Trung Quốc, Đức, Đài Loan và Nam Triều Tiên

Về loài tôm, trên thị trường thế giới từ chỗ tôm sú là sản phẩm chủ lực và dẫn đầu về giá trị xuất khẩu trong các mặt hàng thủy sản đông lạnh thì đến nay theo tính toán của một số tổ chức thủy sản quốc tế tiêu thụ tôm thẻ chân trắng đang chiếm 2/3 tiêu thụ tôm toàn cầu Năm 2009, xuất khẩu tôm được giữ vững, phần nhiều nhờ công đóng góp của con tôm thẻ chân trắng Tỷ lệ tôm thẻ chân trắng vẫn tiếp tục xu hướng tăng dần lên trong cơ cấu chung bởi loại tôm này có năng suất cao, chất lượng tương đương mà giá thành nuôi lại rẻ hơn Hơn nữa người tiêu dùng trên thế giới đang thắt chặt chi tiêu, cần mua tôm giá rẻ tôm thẻ chân trắng càng có lợi thế bứt phá Mặt khác Việt Nam có lợi thế ở thị trường tôm chân trắng cỡ nhỏ do có nguồn lao động Thống kê năm 2009 cho thấy, Nhật Bản gia tăng nhập khẩu tôm chân trắng, chiếm 18% khối lượng, Mỹ thị trường nhập khẩu tôm chân trắng lớn

nhất chiếm 28% Theo thống kê sơ bộ, xuất khẩu tôm thẻ chân trắng năm 2009 đạt hơn 50,000 tấn với kim ngạch hơn 300 triệu USD

Năm 2009, theo hiệp hội VASEP riêng ngành tôm đạt khối lượng xuất khẩu gần 210 nghìn tấn với kim ngạch xuất khẩu trên 1,67 tỷ USD, so với năm 2008 tăng 9,4% về khối lượng và 3% về giá trị Cũng theo tổng thư kí hiệp hội VASEP năm

2010 xuất khẩu tôm chân trắng của Việt Nam dự kiến đạt 500 triệu USD, sản lượng đạt khoảng 150 000 tấn, tăng gấp đôi năm ngoái Cùng với sự tăng nhanh sản lượng xuất khẩu sản phẩm tôm ra thị trường thì nguồn phế liệu do ngành này tạo ra cũng tăng lên nhanh chóng

Theo thống kê của tổ chức Nông Lâm thế giới FAO thì sản lượng tôm trên thế giới khoảng trên dưới 4 triệu tấn /năm Hầu hết sản lượng tôm trên thế giới từ các nước đang phát triển như: Thái Lan, Việt Nam, Trung Quốc, Ecudo, Malaysia, Ấn

Độ, và Indonexia Theo đó đã tạo ra một lượng phế liệu tôm rất lớn, ước tính có khoảng 1,6 triệu tấn/năm [1]

Các sản phẩm tôm xuất khẩu rất đa dạng chủ yếu là sản phẩm:

- Tôm nguyên con (HOSO) cấp đông IQF

- Tôm vỏ bỏ đầu (HLSO)cấp đông IQF, block

- Tôm PDTO hấp cấp đông IQF (IQF CPTO)

- Tôm vỏ bỏ đầu hấp cấp đông IQF

- Tôm PDTO hấp cấp đông IQF

- Tôm PDTO NOBASHI

- Tôm NOBASHI tẩm bột ( EBI FURAI)

- Tôm PD, PTO xẻ bướm tẩm bột

- Tôm lột PTO ( bỏ đầu, bỏ vỏ còn đuôi) cấp đông IQF, block

- Tôm lột PD ( bỏ đầu, bỏ vỏ, bỏ đuôi) cấp đông IQF, block

- Tôm lột PTO xiên que đông IQF

- Tôm lột PD xiên que đông IQF

Phần lớn tôm được đưa vào chế biến dưới dạng tôm vỏ bỏ đầu hoặc tôm lột PTO Từ thực tế đó ta thấy chất thải rắn trong sản xuất sản phẩm từ tôm chủ yếu là

đầu và vỏ nhưng tỷ lệ đầu tôm cao hơn Phần đầu thường chiếm 34 ÷ 45%, phần vỏ

10 ÷ 15% trọng lượng tôm nguyên liệu [10] Sản lượng xuất khẩu tôm càng cao thì phế liệu tôm thải ra càng lớn Phế liệu đầu và vỏ tôm thường chiếm 50 – 70% nguyên liệu ban đầu (Đỗ Văn Nam và cộng sự, 2005; Shahidi và Synowiecki, 1991) Nguồn phế liệu này nếu biết tận dụng triệt để sẽ đem lại nguồn lợi nhuận khổng lồ

Nó không chỉ đem lại giá trị kinh tế cao mà còn có ý nghĩa bảo vệ môi trường

Bảng 1.1 Thành phần trọng lượng của tôm (%) [10]

và các dẫn xuất của nó, đồng thời thu hồi chất màu axtaxanthin, protein, khoáng Các nước ở châu Á như Thái Lan, Trung Quốc, Việt Nam và Ấn Độ việc chế biến và xuất khẩu tôm phát triển nên khả năng sản xuất chitin và chitosan rất phong

phú Theo số liệu thống kê của Viện Công nghệ châu Á (AIT), sản lượng khai thác tôm của các nước Đông Nam Á là 900.000 tấn, một nửa trong số đó là phế thải Các phế thải cho đến nay chủ yếu bỏ phí, chỉ một lượng nhỏ được xuất sang Nhật Bản để sản xuất chitosan làm phụ gia thức ăn Lượng chitin ở tôm ở các vùng nhiệt đới nhiều hơn 30-60% so với tôm ở các vùng khí hậu ôn hòa và khí hậu lạnh

Hiện nay đi đầu trong lĩnh vực này là Nhật và Mỹ đã sản xuất theo thứ tự là

600 tấn/năm và 400 tấn/năm chitosan Ngoài ra còn có các nước như Trung Quốc,

Ấn Ðộ, Pháp cũng sản xuất sản phẩm này nhưng với số lượng thấp (khoảng 2 tấn/năm)

Ở Việt Nam, tháng 6 năm 2002, dự án sản xuất thử chất chitosan bắt đầu được thực hiện tại trường Đại học Thủy sản Nha Trang Quy trình sản xuất chất chitosan của trường Đại học Thủy sản khá đơn giản Vỏ tôm, cua, ghẹ được đưa vào bể xử lý

- chúng là nguyên liệu để làm ra chất chitin Từ chitin qua xử lý thu được chitosan rất có giá trị Phần lớn phế liệu tôm ở Việt Nam đều được dùng làm nguyên liệu để sản xuất chitin – chitosan Thực tế đã có nhiều công ty chuyên sản xuất các sản phẩm chitin - chitosan như: công ty Phương Duy, khu công nghiệp và khu chế xuất Cần Thơ, công ty TNHH kỹ nghệ sinh hóa Quốc Thành Việt Trung - những doanh nghiệp tiên phong trong xử lý phế liệu thủy sản Hàng năm tiêu thụ gần 30000 tấn phế liệu thủy sản

Tuy nhiên các công ty này phần lớn chỉ tập chung vào sản xuất chitin mà chưa quan tâm đến việc thu hồi các phụ phẩm có giá trị như: protein, astaxanthin…Các phụ phẩm này đặc biệt là protein khi thải ra ngoài cùng với các hóa chất xử lý sẽ gây

ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Vì vậy việc nghiên cứu tận thu lượng protein trong phế liệu tôm là cần thiết, vừa nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu vừa góp phần bảo vệ môi trường tốt hơn

Ngoài ra phế liệu tôm được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi theo các phương pháp truyền thống, làm thủ công Hiện nay phế liệu tôm được sử dụng sản xuất thức

ăn chăn nuôi theo hướng cải tiến hơn Nâng cao chất lượng sản phẩm và tận dụng tối đa được giá trị của nguồn phế liệu tôm có sẵn

1.1.2 Thành phần tính chất của phế liệu tôm

* Thành phần phế liệu tôm

Phế liệu tôm bao gồm đầu tôm, vỏ tôm và đuôi tôm Ngoài ra trong quá trình

sản xuất còn có các dạng phế liệu như các mảnh tôm đứt gẫy, tôm biến đỏ, biến đen nhưng số lượng ít Chủ yếu vẫn là đầu tôm Đối với tôm thẻ phế liệu đầu tôm chiếm 29%, phế liệu vỏ tôm chiếm 9% Đầu tôm được loại bỏ qua quá trình sơ chế ngay ban đầu Vì vậy phế liệu đầu được tách riêng và tập trung còn vỏ tôm được loại qua quá trình xử lý tùy theo từng dạng sản phẩm

* Thành phần hóa học của đầu tôm

Thành phần hóa học chiếm tỷ lệ đáng kể trong đầu tôm là protein, chitin, khoáng, enzyme và sắc tố Trong đó hàm lượng protein lên chiếm tới trên 50%

- Protein trong đầu tôm tồn tại ở 2 dạng:

+ Dạng tự do: dạng này tồn tại trong nội tạng tôm hay trong cơ thịt + Dạng liên kết: đây là protein không hòa tan, thường liên kết với chitin, calci carbonate, với lipid tạo thành lipoprotein, sắc tố tạo proteincarotenoid như một phần thống nhất quyết định tính bền vững của vỏ tôm

- Enzyme:

Trong đầu tôm chứa một lượng không nhỏ enzyme nội tại, đó là enzyme protease Nó tồn tại trong nội tạng nên chủ yếu nằm trong đầu tôm Hoạt độ enzyme protease của đầu tôm khoảng 6,5 đơn vị hoạt độ/g tươi Ngoài ra còn có enzyme alkaline phosphatesa, chitinase, -N-acetyl glucosamidase

- Chitin: tồn tại dưới dạng liên kết với protein, khoáng và những hợp chất hữu cơ khác

- Khoáng: trong thành phần đầu tôm có chứa một lượng muối vô cơ, chủ yếu

là calci carbonate

- Sắc tố: sắc tố trong đầu tôm cũng như vỏ tôm chủ yếu là astaxanthin Chất này kết hợp với protein một cách chặt chẽ Nhờ liên kết này mà thành phần astaxanthin trong vỏ được bảo vệ, khi liên kết giữa astaxanthin và protein không còn nữa thì astaxanthin dễ dàng tách ra khỏi đầu tôm và bị oxy hóa thành astaxin

1.1.3 Biện pháp sử dụng phế liệu tôm tại Việt Nam

Sản lượng tôm xuất khẩu ngày càng tăng nhanh kéo theo nguồn phế liệu tôm tạo ra càng lớn, ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Giải quyết vấn đề này nước

ta bước đầu cũng đã có các nghiên cứu tận dụng phế liệu tôm:

* Sử dụng phế liệu tôm trong sản xuất chitin – chitosan

Đây là biện pháp sử dụng phế liệu chính không chỉ ở Việt Nam mà hầu hết các nước trên thế giới Sử dụng phế liệu tôm sản xuất chitin chitosan mang lại lợi ích kinh tế cao và có ý nghĩa lớn bởi những dụng tuyệt vời từ sản phẩm này

Trong động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng của các vỏ một số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn Chitin có cấu trúc thuộc họ polysaccharide, hình thái tự nhiên ở dạng rắn

Nó là polyme sinh học có nhiều trong thiên nhiên chỉ đứng sau xenluloza Cấu trúc hóa học của chitin gần giống với xenluloza Trong động vật bậc cao monome của chitin là một thành phần chủ yếu trong mô da nó giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da Trong thực vật chitin có ở thành tế bào nấm họ zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo

Cấu tạo chitin:

Chitin được cấu tạo từ nhiều đơn vị N-acetyl--D glucosamin liên kết với nhau thông qua cầu nối -1,4 glucoside 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 lưới các sợi có

tổ chức

Hình 1.1 Cấu trúc chitin

Tính chất:

- Chitin có màu trắng

- Không tan trong nước, trong môi trường kiềm, acid loãng và các dung môi hữu cơ như: rượu, ether

- Tan tốt trong các dung dịch đặc nóng như NaOH, thioxianat Liti (LiSCN)

và thioxianat canxi Ca(SCN)2

- Khi kết hợp chitosan với aldehyde trong điều kiện thích hợp sẽ hình thành gel

- Có khả năng tạo màng tốt, nhiệt độ nóng chảy 309 - 311oC

Ứng dụng của chitin chitosan:

Chitin, chitosan và các dẫn xuất của chúng có nhiều đặc tính quý báu như: có hoạt tính kháng nấm, kháng khuẩn, có khả năng tự phân huỷ sinh học cao, không gây dị ứng, không gây độc hại cho người và gia súc, có khả năng tạo phức với một

số kim loại chuyển tiếp như: Cu(II), Ni(II), Co(II) Do vậy chitin và một số dẫn xuất của chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: Trong lĩnh vực xử lý nước thải và bảo vệ môi trường, dược học và y học, nông nghiệp, công nghiệp, công nghệ sinh học, trong công nghiệp thực phẩm như: là tác nhân kết hợp, gel hóa, tác nhân ổn định…

- Trong y dược: từ chitosan vỏ cua, vỏ tôm có thể sản xuất ra một loạt các

dược phẩm có giá trị như: Glucosamin ( một dược chất quý dùng để chữa khớp đang phải nhập khẩu ở nước ta), chito-olygosaccarid, chỉ phẫu thuật tự tiêu, kem chống khô da, kem dưỡng da ngăn chặn tia cực tím phá hoại da, thuốc chữa bệnh viêm loét

dạ dày tá tràng, hay bào chế dược phẩm, thuốc giảm béo Chế tạo kính áp tròng, làm bọc nang thuốc Chitosan còn được dùng làm da nhân tạo đắp lên vết thương rất mau lành Vải làm từ chitosan có tác dụng giải quyết vấn đề lây nhiễm vi khuẩn từ môi trường, vi khuẩn bám vào vải chitosan sẽ bị tiêu diệt; người ta dùng vải chitosan để may khẩu trang, áo blouse

Nhờ vào tính ưu việt của chitosan cộng với đặc tính không độc, hợp với cơ thể,

tự tiêu huỷ được, nên chitosan được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm, làm thuốc chữa bỏng, giảm đau, thuốc hạ cholesterol, thuốc chữa bệnh dạ dày, chống đông tụ máu, tăng sức đề kháng, chữa xương khớp và chống bệnh ung thư

- Trong công nghiệp: chitosan không chỉ có ứng dụng lớn trong lĩnh vực y

dược mà còn ứng dụng trong rất nhiều các ngành công nghiệp khác như: công nghiệp giấy, dệt, xây dựng Cụ thể: vải col dùng cho may mặc, vải chịu nhiệt, chống thấm Vải chitosan dùng cho may quần áo diệt khuẩn trong y tế Làm tăng độ

bền của giấy Dùng làm thấu kính tiếp xúc Góp phần tăng tính bền của hoa vải Sử dụng trong sản xuất sơn chống mốc và chống thấm

- Trong nông nghiệp: chitosan dùng để bảo quản quả, hạt giống mang lại

hiệu quả cao Ngoài ra nó còn dùng như một thành chính trong thuốc trừ nấm bệnh (đạo ôn, khô vằn) Hay dùng làm thuốc kích thích sinh trưởng cây trồng cho lúa, cây công nghiệp, cây ăn quả, cây cảnh…

- Trong phim ảnh: phim chitosan có độ nét cao

- Trong công nghệ in ấn: chitosan được dùng làm mực in cao cấp trong

công nghệ in Nó có tác dụng tăng cường độ bám dính của mực in

- Trong công nghệ môi trường: chitosan ứng dụng xử lý nước thải công

nghiệp rất hiệu quả Nó dùng để xử lý nước thải trong công nghiệp nhuộm vải và xử

lý nước trong công nghiệp nuôi tôm, cá

- Trong công nghệ sinh học: chitosan được sử dụng là chất mang cố định

enzyme và cố định tế bào

- Trong công nghệ thực phẩm: [20]

+ Chất làm trong: ứng dụng trong công nghiệp sản xuất nước quả

Trong sản xuất nước quả, việc làm trong là yêu cầu bắt buộc Chitosan là tác nhân tốt loại bỏ đi đục, giúp điều chỉnh acid trong nước quả Đối với dịch quả táo, nho, chanh, cam không cần qua xử lý pectin, sử dụng chitosan để làm trong Đặc biệt nước táo, độ đục có thể giảm tối thiểu chỉ ở mức xử lý với 0.8 kg/ m3 mà không gây ảnh hưởng xấu tới chỉ tiêu chất lượng của nó

+ Sử dụng trong thực phẩm chức năng

Chitosan có khả năng làm giảm hàm lượng cholesterol trong máu và còn được xem là chất chống đông tụ máu hiệu quả

+ Thu hồi protein

Chất thải của trong công nghiệp sản xuất format có chứa lượng lớn lactose và protein ở dạng hòa tan Nếu thải trực tiếp ra ngoài nó gây ô nhiễm môi trường, còn nếu xử lý nước thải thì tốn kém trong vận hành hệ thống mà hiệu quả kinh tế không cao Việc thu hồi protein trong chất thải này bằng chitosan được xem là biện pháp

làm tăng hiệu quả kinh tế của sản xuất format Protein khi thu hồi được bổ sung vào

đồ uống, thịt băm, và các loại thực phẩm khác

Ngoài ra còn sử dụng chitosan trong thu hồi các acid - amin trong nước của sản xuất đồ hộp, thịt, cá…

+ Phân tách rượu - nước

Chitosan đã được xử lý đặc biệt để tạo ra dạng màng rỗng Màng này được sử dụng trong hệ thống phản ứng đòi hỏi không dùng nhiệt độ không quá cao Việc phân tách này chỉ loại đi nước, kết quả là hàm lượng ethanol có thể lên đến 80 %

+ 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 - một nguyên nhân chính gây thối hỏng thực phẩm

Chitosan và các dẫn xuất của chúng đều có tính kháng khuẩn, ức chế hoạt động của một số loại vi khuẩn như E.Coli, diệt được một số loại nấm hại dâu tây, cà rốt,

đậu và có tác dụng tốt trong bảo quản các loại rau quả có vỏ cứng bên ngoài

* Sử dụng phế liệu tôm trong tách chiết astaxanthin

Biện pháp này cũng là một hướng đi đem lại giá trị cao cho nguồn phế liệu tôm tại Việt Nam

Astaxanthin có công thức hoá học là dihydroxy -3, 3’ dioxo -4, 4’ -caroten, một sắc tố thuộc dòng họ xanthophylle (carotenoid), kết tinh màu tím Chất này hiện diện trong các loài giáp xác (như cua, tôm càng, tôm sú, tôm hùm), cá hồi, cá tráp hồng, một số cá có màu đỏ và trong lông của một số loài chim Trong các loại giáp xác thủy sản astaxanthin chủ yếu tập trung ở phần vỏ ngoài chiếm 58 ÷ 87% tổng hàm lượng carotenoid Nó thường tồn tại dưới dạng mono – hay di-ester với các acid béo không no mạch dài, hoặc dưới dạng phức carotenoprotein của đồng phân quang học (3S, 3’S) Hàm lượng astaxanthin trong vỏ tôm, cua thay đổi đáng kể tùy theo loài ( từ 10 – 140mg/kg trọng lượng ướt)

Trong vỏ giáp xác astaxanthin tham gia vào trong thành phần của lipoprotein, astaxanthin tồn tại ở dạng liên kết với protein và dễ bị tách ra dưới tác dụng của nhiệt

Astaxanthin có màu đỏ, hòa tan trong dung môi hữu cơ: ete, aceton, cồn và dễ

bị tách ra dưới tác dụng của nhiệt, oxy không khí

Ứng dụng của astaxanthin:

- Sử dụng astaxanthin trong y dược là chủ yếu bởi những tác dụng to lớn của

nó như: chống oxy hóa, bảo vệ phospholipid của màng tế bào khỏi sự peroxid hóa

Làm giảm triệu chứng của viêm loét dạ dày do Helicobacter pylori, tăng cường

miễn dịch cho cơ thể, ngăn ngừa tác nhân gây ung thư bàng quang, vòm họng Hay tác dụng hữu ích đối với tim mạch bằng cách thay đổi nồng độ LDL và HDL cũng đồng thời làm giảm phản ứng viêm Astaxanthin bảo vệ võng mạc khỏi bị oxy hóa, cải thiện những tổn thương ở võng mạc Ngoài ra astaxanthin còn có chức năng chống lại các tia tử ngoại nhờ khả năng bắt giữ các gốc tự do hình thành do sự quang hóa

- Astaxanthin được dùng làm thức ăn tạo màu cho cá cảnh, làm tăng sắc tố cho lòng đỏ trứng gà Ngoài ra còn làm thức ăn của cá, tạo màu cần thiết cho một số sản phẩm như cá ướp đông, cá khô, sản phẩm thủy phân, thịt cá hồi

* Sử dụng phế liệu tôm trong sản xuất thức ăn chăn nuôi

Tùy theo từng vùng mà nguồn phế liệu này được dùng làm thức ăn chăn nuôi ở các dạng khác nhau Ở Nha Trang thường là dạng tươi (phế liệu nghiền nhỏ) và làm thức ăn cho tôm cá dưới dạng bột Chất lượng bột phụ thuộc vào chất lượng phế liệu

và phương pháp chế biến Tận dụng theo hướng này mới chỉ giải quyết được 1/3 số phế liệu

Có 2 phương pháp :

Ủ xilo: sử dụng hỗn hợp acid hữu cơ và vô cơ làm tăng tác dụng của enzyme, khử trùng và hạn chế sự phát triển của vi sinh vật Sau khi ủ trung tính bằng kiềm chất ủ được làm thức ăn chăn nuôi

Sấy khô bằng nhiệt: phương pháp này đơn giản và có thể chế biến một lượng lớn nhưng lại cho sản phẩm có chất lượng kém hơn

Phương pháp sinh học: lên men lactic Phế liệu nghiền nhỏ phối trộn cơ chất có

bổ sung vi khuẩn hoặc không rồi đem ủ được sản phẩm dạng sệt

Vỏ đầu tôm đã được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi với các phương pháp truyền thống như: Sấy khô hoặc phơi nắng sau đó đem xay mịn bổ sung vào thức ăn chăn nuôi Việc sấy khô đòi hỏi năng lượng lớn, tốn kém Phơi nắng thì phụ thuộc vào thời tiết, mất vệ sinh gây ô nhiễm môi trường Cả hai phương pháp này không loại được khoáng và chitin mà 2 chất này gây khó tiêu cho gia súc, gia cầm Vậy nếu lợi dụng tổng hợp phế thải này bằng cách tách riêng phần protein ở đầu tôm ra phục vụ chăn nuôi, tách hợp chất màu (astaxanthin) để phục vụ công nghiệp nhuộm, chế biến chitosan để phục vụ nông nghiệp, công nghiệp, mỹ phẩm, y tế thì giá trị mang lại từ nguồn phế liệu tôm sẽ lớn hơn gấp nhiều lần so với chỉ đem phế liệu tôm đi sấy khô hay phơi nắng nghiền bột cho gia súc, gia cầm Nghiên cứu thủy phân phế liệu tôm bằng Enzyme để tận dụng protein là một hướng đi cũng đang được nhiều các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu

* Sử dụng phế liệu tôm sản xuất bột đạm đầu tôm

Bột đạm đầu tôm được sản xuất từ nguồn phế liệu tôm và những nguồn nguyên liệu tôm chất lượng thấp như tôm đứt gẫy, tôm đã bắt đầu biến màu và tôm nhỏ, tôm vụn Đây là một nguồn protein động vật tốt cho gia súc Bột đầu tôm có khoảng 33 – 34% protein, trong đó có 4 – 5% lyzin, 2,7% methionin Ngoài ra bột đầu tôm giàu canxi 5,2%, photpho 0,9% và các nguyên tố vi lượng khác

Bột đầu tôm hiện nay được chế biến bằng cách thủ công Nếu là tôm lớn thì người ta dùng tay để bóc vỏ và đầu ra khỏi thân tôm Phần thịt tôm được sấy hoặc phơi khô là phần chính phẩm, còn phần vỏ và đầu được phơi nắng là phần phụ phẩm được dùng cho chăn nuôi Còn nếu là tôm loại nhỏ thì tôm được cho vào bao

50 kg rồi dùng cây để đập dập cho đầu tôm tách khỏi thân tôm Phần thân tôm được tách riêng bằng cách cho tất cả lên một sàn lớn, rồi dùng tay chà xát để tách riêng ra từng phần một

Bột đầu tôm có những phần đen với những màu khác nhau như: vàng nhạt, hồng, cam và có mùi rất đặc trưng Có hai loại bột đầu tôm, loại có nhiều vỏ và loại

có nhiều thịt

Bột đầu tôm chứa nhiều vỏ là loại bột sử dụng làm thức ăn cho chăn nuôi như thức ăn cho tôm, cá Bột đầu tôm có nhiều thịt và được sản xuất với công nghệ cao hơn được ứng dụng trực tiếp làm thực phẩm cho người Các sản phẩm như bột canh tôm hay các sản phẩm surimi có bổ sung bột tôm vừa tăng giá trị dinh dưỡng vừa tạo mùi đặc trưng của sản phẩm Ứng dụng bày không chỉ nâng cao được giá trị cho phế liệu tôm mà còn đa dạng hóa được sản phẩm thực phẩm

1.2 ENZYME PROTEASE VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ PHẾ LIỆU 1.2.1 Đặc tính của enzyme protease

Enzyme là chất xúc tác sinh học mang bản chất protein do tế bào sinh ra, có khả năng xúc tác cho các phản ứng hóa học xảy ra nhanh chóng trong điều kiện sinh

lý bình thường của cơ thể sống và chỉ cần một lượng nhỏ cũng xúc tác để chuyển hóa một lượng cơ chất lớn Bản thân enzyme không bị thay đổi khi phản ứng hoàn thành

Enzyme có hoạt tính mạnh, tốc độ phản ứng nhờ xúc tác enzyme rất lớn, thường gấp 109 – 1011 lần tốc độ của các phản ứng nhờ xúc tác hóa học

Đặc tính của enzyme: enzyme có tính đặc hiệu cao

Tính đặc hiệu là khả năng chọn lọc cao của enzyme khi xúc tác Đây là đặc tính khác biệt rõ nhất của nó so với các chất vô cơ khác Tính đặc hiệu này thể hiện:

- Đặc hiệu kiểu phản ứng: là enzyme chỉ xúc tác một kiểu phản ứng nhất định để chuyển hóa một chất nhất định Phần nhiều mỗi enzyme đều có tính đặc hiệu với một loại phản ứng nhất định Những chất có khả năng xảy ra nhiều loại phản ứng hóa học thì mỗi loại phản ứng ấy phải do một enzyme đặc hiệu xúc tác Ví dụ: amino acid có khả năng xảy ra phản ứng khử carboxyl, phản ứng khử amin bằng cách oxy hóa và phản ứng vận chuyển nhóm amin, mỗi phản ứng ấy cần có một enzyme đặc hiệu tương ứng xúc tác theo thứ tự là decarboxylase, aminoacid oxydase và aminotransferase

- Đặc hiệu cơ chất: mỗi enzyme chỉ xúc tác cho sự chuyển hóa một hoặc một số chất nhất định Mức độ đặc hiệu cơ chất của các enzyme khác nhau không giống nhau Với cơ chất enzyme đòi hỏi ở hai mức độ:

+ Đặc hiệu cơ chất tuyệt đối: enzyme chỉ xúc tác cho một kiểu liên kết nhất định và đòi hỏi rất khắt khe các nhóm nguyên tử xung quanh liên kết mà enzyme tác dụng

+ Đặc hiệu cơ chất tương đối: enzyme chọn một kiểu liên kết để xúc tác nhưng đòi hỏi không quá khắt khe với nhóm nguyên tử xung quanh liên kết

mà nó tác dụng

Đặc hiệu quang học (đặc hiệu lập thể): Hầu như tất cả các enzyme đều có tính đặc hiệu không gian rất chặt chẽ, nghĩa là enzyme chỉ tác dụng với một trong hai dạng đồng phân không gian của cơ chất Enzyme chỉ tác dụng với một trong hai dạng đồng phân quang học của các chất

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme protease

Enzyme mang bản chất protein, yếu tố ảnh hưởng đến chúng là: nhiệt độ, pH môi trường, chất kìm hãm, chất hoạt hóa và nồng độ cơ chất Hoạt lực của enzyme

sẽ cao khi tất cả các yếu tố trên là phù hợp với hoạt động của enzyme đó và ngược lại Chỉ cần thay đổi một trong số các yếu tố ảnh hưởng sẽ làm giảm khả năng xúc tác hoặc bất hoạt enzyme đó Cụ thể như:

* Ảnh hưởng của nhiệt độ

Enzyme hoạt động trong một vùng nhiệt độ gọi là nhiệt độ hoạt động của enzyme Giá trị nhiệt độ thấp nhất hoặc cao nhất mà tại đó enzyme mất hoạt tính gọi

là nhiệt độ tới hạn của enzyme Giá trị nhiệt độ mà enzyme thể hiện cao nhất khả năng xúc tác của mình gọi là nhiệt độ tối thích Trong thực tế nhiệt độ tối thích của enzyme là một vùng lân cận hẹp Nhiệt độ tối thích của một enzyme không phải là một hằng số, nó còn phụ thuộc vào pH môi trường, nồng độ cơ chất Đặc biệt xúc tác với thời gian dài nhiệt độ tối thích giảm Nhiệt độ môi trường hoạt động của enzyme quá cao khiến enzyme biến tính không thuận nghịch Nhiệt độ thấp enzyme biến tính thuận nghịch

Enzyme mang bản chất protein Khi ta tăng nhiệt độ lên trên 40-500C xảy ra quá trình phá hủy chất xúc tác Sau nhiệt độ tối thích tốc độ phản ứng do enzyme xúc tác sẽ giảm Nhờ tồn tại nhiệt độ tối ưu người ta phân biệt phản ứng hóa sinh với các phản ứng vô cơ thông thường

Mỗi enzyme có một nhiệt độ tối thích khác nhau, phần lớn phụ thuộc nguồn cung cấp enzyme, thông thường ở trong khoảng từ 40-600C, cũng có enzyme có nhiệt độ tối thích rất cao như enzyme của những chủng ưa nhiệt

* Ảnh hưởng của thời gian

Thời gian cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của enzyme Khi enzyme tiếp xúc với cơ chất trong thời gian ngắn hiệu quả thấp vì khi đó enzyme và cơ chất chưa tiếp xúc triệt để Trong thời gian enzyme tác dụng với cơ chất sẽ tạo ra sản phẩm Ở mỗi thời gian khác nhau sản phẩm tạo ra sẽ khác nhau Ví dụ khi thủy phân protein, thời gian enzyme thủy phân cắt mạch cơ chất ngắn sản phẩm thủy phân sẽ

là các đoạn mạch dài peptid, thủy phân không hoàn toàn Thời gian thủy phân dài sản phẩm thủy phân là các đoạn mạch ngắn hay là các acid amin Vì vậy tùy theo mục đích thủy phân mà ta chọn thời gian thủy phân khác nhau

* Ảnh hưởng của pH

Giá trị pH có vai trò tạo trạng thái ion hóa cho enzyme và cơ chất Sự phân li khác nhau của một phân tử protein ở các giá trị pH khác nhau làm thay đổi tính chất của trung tâm liên kết cơ chất và hoạt động ở phân tử enzyme, dẫn đến giá trị xúc tác khác nhau phụ thuộc vào giá trị pH Giá trị pH tối thích là giá trị pH mà tại

đó cả enzyme lẫn cơ chất đạt đến trạng thái ion hóa phù hợp nhất Chúng dễ dàng tương tác với nhau nên vận tốc enzyme xúc tác tăng Độ pH môi trường cũng liên quan đến độ bền của enzyme Môi trường quá acid hay quá kiềm enzyme đều kém bền Hầu hết các enzyme hoạt động tốt ở môi trường pH xấp xỉ 7 Cùng 1 loại enzyme lấy từ các nguồn khác nhau pH tối thích cũng khác nhau

* Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất

Nồng độ cơ chất có ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng của enzyme Tại nồng độ nhất định enzyme tiếp xúc với cơ chất triệt để, tốc độ phản ứng nhanh Dưới nồng

độ cơ chất đó, enzyme và cơ chất khó tiếp xúc phản ứng thủy phân xảy ra chậm chạp không hiệu quả Khi nồng độ enzyme và cơ chất bão hòa tăng nồng độ enzyme hiệu quả thủy phân không tăng

* Ảnh hưởng của nồng độ enzyme

Trong điều kiện thừa cơ chất, vận tốc phản ứng phụ thuộc tuyến tính vào nồng

độ enzyme Cũng có trường hợp nồng độ enzyme quá lớn vận tốc phản ứng tăng chậm

* Ảnh hưởng của chất kìm hãm

Là chất làm giảm khả năng xúc tác hoặc vô hoạt enzyme, chất kìm hãm kết hợp thuận nghịch với enzyme Chúng là các chất hữu cơ phân tử thấp, ion kim loại, phi kim Nó có thể là chất kìm hãm thuận nghịch hay bất thuận nghịch Kìm hãm thuận nghịch có thể là cạnh tranh, không cạnh tranh hay hỗn tạp

Trường hợp đặc biệt chất kìm hãm cạnh tranh là kìm hãm bằng sản phẩm Trường hợp này xảy ra khi một sản phẩm phản ứng tác dụng trở lại enzyme

và chiếm vị trí hoạt động của phân tử enzyme

+ Chất kìm hãm không canh tranh Là chất không kết hợp vào trung tâm hoạt động mà kết hợp vào các điểm dị không gian làm thay đổi cấu trúc trung tâm hoạt động của enzyme không có lợi cho quá trình xúc tác Đặc trưng của kiểu kìm hãm này là chất kìm hãm chỉ liên kết với phức hợp ES mà không liên kết với enzyme tự do

Trường hợp kìm hãm enzyme bằng nồng độ cao của cơ chất gọi là kìm hãm cơ chất

Kìm hãm bất thuận nghịch là chất kìm hãm có tác dụng bất thuận nghịch Đôi khi khó để phân biệt giữa thuận nghịch và bất thuận nghịch và chất kìm hãm có thể hiểu như chất kìm hãm thuận nghịch không cạnh tranh

Nhìn chung hiệu quả kìm hãm phụ thuộc nồng độ chất kìm hãm, nồng độ enzyme, thời gian tác dụng

* Ảnh hưởng của chất kích hoạt, chất hoạt hóa

Là chất làm tăng hoạt động của enzyme, enzyme từ không hoạt động sang hoạt động hoặc hoạt động ít chuyển sang hoạt động nhiều Chất hoạt hóa có tác dụng cắt một vài đoạn peptid đang ức chế hoạt động của enzyme để hình thành lại trung tâm hoạt động của enzyme và enzyme trở nên hoạt động Mỗi enzyme đòi hỏi một số chất hoạt hóa mang bản chất khác nhau Chất hoạt hóa có thể là các ion kim loại, phi kim làm cầu nối giữa enzyme và cơ chất hoặc làm tăng diện tích tiếp xúc giữa enzyme và cơ chất

Chất hoạt hóa có thể kết hợp vào các điểm dị không gian giúp trung tâm hoạt động biến đổi theo hướng có lợi với chất xúc tác Ngoài ra chất hoạt hóa, chất kích hoạt còn có vai trò phục hồi nhóm chức chưa hoạt động hoặc hoạt động ít trở nên hoạt động mạnh mẽ hơn

* Ảnh hưởng của tỷ lệ nước bổ sung

Nước có khả năng điều chỉnh phản ứng thủy phân, nước là môi trường tăng cường quá trình phân cắt các liên kết nhị dương là môi trường khuyếch tán enzyme

và cơ chất tạo điều kiện cho phản ứng xảy ra

* Ảnh hưởng của diện tích tiếp xúc

Diện tích tiếp xúc giữa enzyme và cơ chất cũng ảnh hưởng đến quá trình thủy phân Diện tích tiếp xúc càng lớn thì quá trình thủy phân xảy ra càng nhanh Vì vậy đối với nguyên liệu có kích thước lớn thường được làm nhỏ để hiệu quả thủy phân cao hơn

* Ảnh hưởng của các yếu tố khác

+ Ánh sáng: Có ảnh hưởng khác nhau đến từng loại enzyme, các bước sóng khác nhau có ảnh hưởng khác nhau, thường ánh sáng trắng có tác động mạnh nhất,

ánh sáng đỏ có tác động yếu nhất Ánh sáng vùng tử ngoại cũng có thể gây nên những bất lợi, enzyme ở trạng thái dung dịch bền hơn khi được kết tinh ở dạng tinh thể, nồng độ enzyme trong dung dịch càng thấp thì càng kém bền, tác động của tia tử ngoại sẽ tăng lên khi nhiệt độ Ví dụ: dưới tác động của tia tử ngoại ở nhiệt độ cao, enzyme amylase nhanh chóng mất hoạt tính

+ Sự chiếu điện: Điện chiếu với cường độ càng cao thì tác động phá hủy càng mạnh Tác động sẽ mạnh hơn đối với dịch enzyme có nồng độ thấp Có thể do tạo thành những gốc tự do, từ đó tấn công vào phản ứng enzyme

+ Sóng siêu âm: Tác động rất khác nhau đối với từng loại enzyme, có enzyme

bị mất hoạt tính, có enzyme lại không chịu ảnh hưởng

Nhận xét chung:

Độ bền phụ thuộc vào trạng thái của tồn tại enzyme, càng tinh khiết thì Enzyme càng kém bền, dịch càng loãng thì độ bền càng kém, tác động của một số ion kim loại trong dịch với nồng độ khoảng 10-3M như Ca2+ làm tăng tính bền

1.2.3 Nguồn thu nhận enzyme protease

Enzyme protease là protein được sinh vật sinh tổng hợp trong tế bào và là chất tham gia xúc tác cho mọi phản ứng sinh học Mọi sinh vật đều được xem là nguồn thu nhận để sản xuất enzyme Nhưng chủ yếu là ba nguồn chính: động vật, thực vật

và vi sinh vật

* Từ động vật

Trong các enzyme protease, enzyme của hệ tiêu hóa được nghiên cứu sớm hơn

cả Enzyme từ động vật chủ yếu là các enzyme từ nội tạng, bao gồm enzyme trypsin, pepsin

Ngoài ra trong ngăn thứ tư của dạ dày bê có tồn tại enzyme thuộc nhóm protease là renin - được sử dụng phổ biến trong công nghệ phomat Renin làm biến đổi cazein thành paracazein có khả năng kết tủa trong môi trường sữa có đủ nồng độ

Ca2+ Trong thực tế nhiều chế phẩm renin bị nhiễm pepsin (trong trường hợp thu chế phẩm renin ở bê quá thì Khi đó dạ dày bê đã phát triển đầy đủ có khả năng tiết ra pepsin) thì khả năng đông tụ sữa kém đi

Gần đây có nghiên cứu sản xuất protease từ vi sinh vật có đặc tính renin như ở

các loài Eudothia Parasitica và Mucor Purillus

* Từ thực vật

Enzyme protease thực vật được phát hiện muộn hơn Có 3 loại protease thực vật như bromelain, papain và ficin Papain thu được từ nhựa của lá, thân, quả đu đủ Bromelain thu từ quả, chồi dứa, vỏ dứa Các enzyme này được sử dụng để chống lại hiện tượng tủa trắng của bia khi làm lạnh do kết tủa protein Những ứng dụng khác của protease thực vật này là trong công nghệ làm mềm thịt và trong mục tiêu tiêu hoá Ficin thu được từ nhựa cây cọ Enzyme được sử dụng thuỷ phân protein tự

nhiên

* Từ vi sinh vật

Trước đây người ta mới chỉ chú ý nhiều đến nguồn nguyên liệu động vật nhưng khoa học ngày càng phát triển thì vấn đề thu tách enzyme protease từ vi sinh vật càng được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn Có thể nói enzyme ở vi sinh vật là phong phú nhất Nó có mặt ở hầu hết các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm mốc, xạ

khuẩn gồm nhiều loài thuộc Aspergillus, Bacillus, Penicillium, Clotridium, Streptomyces và một số và một số loại nấm men

Trong các chủng vi khuẩn có khả năng tổng hợp mạnh protease là Bacillus subtilis, B mesentericus, B thermorpoteoliticus và một số giống thuộc chi Clostridium Trong đó, B subtilis có khả năng tổng hợp protease mạnh nhất

(Nguyễn Trọng Cẩn và cộng sự, 1998) Các vi khuẩn thường tổng hợp các protease hoạt động thích hợp ở vùng pH trung tính và kiềm yếu

Các protease trung tính của vi khuẩn hoạt động ở khoảng pH hẹp (pH 5-8) và

có khả năng chịu nhiệt thấp Các protease trung tính tạo ra dịch thủy phân protein thực phẩm ít đắng hơn so với protease động vật và tăng giá trị dinh dưỡng Các protease trung tính có khả năng ái lực cao đối với các amino acid ưa béo và thơm

Chúng được sinh ra nhiều bởi B subtilis, B mesentericus, B thermorpoteoliticus

và một số giống thuộc chi Clostridium

Protease của Bacillus ưa kiềm có điểm đẳng điện bằng 11, khối lượng phân tử

từ 20.000-30.000 Ổn định trong khoảng pH 6-12 và hoạt động trong khoảng pH rộng 7-12

- Nấm mốc

Nhiều loại nấm mốc có khả năng tổng hợp một lượng lớn protease được ứng

dụng trong công nghiệp thực phẩm là các chủng: Aspergillus oryzae, A terricola,

A fumigatus, A saitoi, Penicillium chysogenum… Các loại nấm mốc này có khả

năng tổng hợp cả ba loại protease: acid, kiềm và trung tính Nấm mốc đen tổng hợp chủ yếu các protease acid, có khả năng thủy phân protein ở pH 2,5 - 3

Một số nấm mốc khác như: A candidatus, P cameberti, P roqueforti… cũng

có khả năng tổng hợp protease có khả năng đông tụ sữa sử dụng trong sản xuất phomat

- Xạ khuẩn

Xạ khuẩn được nghiên cứu ít hơn vi khuẩn và nấm mốc, đã tìm được một số

chủng có khả năng tổng hợp protease cao như: Streptomyces grieus, S fradiae, S trerimosus

Các chế phẩm protease từ xạ khuẩn được biết nhiều là pronase (Nhật) được

tách chiết từ S grieus, enzyme này có đặc tính đặc hiệu rộng, có khả năng thủy phân

tới 90% liên kết peptide của nhiều protein thành amino acid Ở Liên Xô (cũ), người

ta cũng tách được chế phẩm tương tự từ S grieus có tên là protelin

Từ S fradiae cũng có thể tách chiết được keratinase thủy phân karetin Ở Mỹ, chế phẩm được sản xuất có tên là M-Zim dùng trong sản xuất da Protease từ S

fradiae cũng có hoạt tính elastase cao, do đó chúng được dùng trong công nghiệp chế biến thịt

Hầu hết các protease phân cắt protein ở các liên kết đặc hiệu, vì thế có thể sử dụng các enzyme này theo chiều phản ứng tổng hợp để tổng hợp các liên kết peptide định trước Yếu tố tăng cường quá trình tổng hợp bao gồm pH, các nhóm carboxyl hoặc nhóm amine được lựa chọn để bảo vệ, khả năng kết tủa sản phẩm, phản ứng trong hệ hai pha lỏng

Enzyme thu từ vi sinh vật có nhiều ưu điểm hơn enzyme thu từ nguồn động thực vật:

- Vi sinh vật có khả năng chuyển hóa một khối lượng lớn cơ chất, lớn hơn khối lượng cơ thể chúng hàng ngàn lần sau một ngày một đêm

- Enzyme từ vi sinh vật có hoạt tính cao

- Tốc độ sinh sản của vi sinh vật mạnh, trong thời gian ngắn có thể thu một lượng sinh khối lớn

- Trong quá trình sinh trưởng, phát triển và sinh tổng hợp enzyme của vi sinh vật không phụ thuộc khí hậu bên ngoài

- Nguồn nguyên liệu để sản xuất enzyme theo quy mô công nghiệp rẻ tiền và dễ kiếm

1.2.4 Ứng dụng của enzyme protease trong xử lý phế liệu

Enzyme protease được ứng dụng rộng rãi trong y học, nông nghiệp, hóa học,

công nghiệp dệt, mỹ phẩm, công nghiệp da, phim ảnh và đặc biệt là trong công nghiệp thực phẩm như: công nghiệp thịt, cá, công nghiệp chế biến sữa, bánh mì, bánh kẹo, bia, sản xuất sữa khô và bột trứng Ngoài ra enzyme protease còn được ứng dụng trong xử lý phế liệu để thu hồi các sản phẩm có giá trị và bước đầu đã đem lại hiệu quả đáng kể Các ứng dụng cụ thể của enzyme protease:

* Trong công nghiệp thực phẩm

- Trong công nghiệp chế biến thịt: Protease được dùng làm mềm thịt nhờ sự thủy phân protein trong thịt

- Trong chế biến thủy sản Chế biến nước mắm ngắn ngày rút ngắn thời gian chế biến và nâng cao hiệu quả kinh tế

- Trong công nghiệp sữa: protease được dùng trong sản xuất phomat nhờ tác dụng làm đông tụ sữa

- Trong sản xuất bánh mì, bánh quy protease làm giảm thời gian nhào trộn, tăng độ dẻo và làm nhuyễn bột, tạo độ xốp và độ nở tốt hơn

- Trong sản xuất nước giải khát: làm tăng độ bền của bia và rút ngắn thời gian lọc Làm trong và ổn định nước quả, rượu vang

 Trong y học

Protease dùng làm thuốc tắc nghẽn tim mạch, tiêu mủ vết thương, làm thông đường hô hấp, chống viêm, làm thuốc tăng tiêu hóa protein, thành phần của các loại thuốc dùng trong da liễu và mỹ phẩm Trong y học protease cũng dùng để sản xuất môi trường dinh dưỡng nuôi cấy vi sinh vật sản xuất ra kháng sinh, chất kháng độc Ngoài ra còn dùng để cô đặc và tinh chế các huyết thanh kháng độc để chữa bệnh

 Trong nông nghiệp:

- Có thể sử dụng các loại chế phẩm enzyme khác nhau để chuyển hóa các phế liệu, đặc biệt là các phế liệu nông nghiệp cải tạo đất phục vụ nông nghiệp

- Công nghệ này khá phổ biến ở nhiều quốc gia Ở nước ta việc dùng enzyme vi sinh vật góp phần trong sản xuất phân hữu cơ đang được khai thác để thay thế cho phân hóa học

- Trong nghiên cứu cấu trúc hóa học người ta cũng sử dụng enzyme, ví dụ dùng protease để nghiên cứu cấu trúc protein, dùng endonuclease để nghiên cứu cấu trúc nucleic acid …

- Dùng làm thuốc thử trong hóa phân tích

- Trong các ngành công nghiệp khác như: Điều chế dịch đạm thủy phân dùng làm chất dinh dưỡng, chất tăng vị trong thực phẩm và sản xuất một số thức ăn kiêng

- Protease của nấm mốc và vi khuẩn phối hợp với amylasa tạo thành hỗn hợp enzyme dùng làm thức ăn gia súc có độ tiêu hóa cao, có ý nghĩa lớn trong chăn nuôi gia súc và gia cầm

- Điều chế môi trường dinh dưỡng của vi sinh vật để sản xuất vaccine, kháng sinh

- Sản xuất keo động vật, chất giặt tổng hợp để giặt chất bẩn protein, sản xuất

mỹ phẩm

* Ứng dụng trong xử lý phế liệu

Ngày nay tốc độ ô nhiễm môi trường đang gia tăng, các phương pháp xử lý hoá học và sinh học thông thường ngày càng khó đạt được mức độ cần thiết để loại bỏ các chất ô nhiễm này Do đó, những phương pháp xử lý nhanh hơn, rẻ hơn, đáng tin cậy hơn được đưa vào áp dụng Hiện nay người ta đã biết nhiều loại enzyme khác nhau của thực vật và vi sinh vật Số lượng enzyme đã biết đạt tới con số hơn 3000 enzyme Trong đó có enzyme protease – một enzyme quan trọng trong xử lý protein Protease thuộc nhóm enzyme thủy phân protein được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm như trong chế biến cá và thịt Protease có thể thủy phân các protein có trong chất thải, để sản xuất các dung dịch đặc hoặc các chất rắn khô có giá trị dinh dưỡng cho cá hoặc vật nuôi Protease thủy phân các protein không tan thông qua nhiều bước, ban đầu chúng được hấp thụ lên các chất rắn, cắt các chuỗi polypeptit tạo thành các liên kết lỏng trên bề mặt Sau đó, quá trình hoà tan những phần rắn xảy ra với tốc độ chậm hơn phụ thuộc vào sự khuếch tán enzyme lên bề mặt cơ chất và tạo ra những phần nhỏ Chính vì tính chất trên mà protease được sử

dụng một mặt để tận dụng các phế thải từ nguồn protein để những phế thải này không còn là các tác nhân gây ô nhiễm môi trường, một mặt để xử lý các phế thải protein tồn đọng trong các dòng chảy thành dạng dung dịch rửa trôi không còn mùi hôi thối

Lông tạo nên 5% trọng lượng cơ thể gia cầm và có thể được coi như là nguồn protein cao tạo nên cấu trúc keratin cứng được phá huỷ hoàn toàn Lông có thể được hoà tan sau khi xử lý với NaOH, làm tan bằng cơ học và bằng các enzyme thủy

phân, như protease kiềm từ Bacillus subtilis tạo thành sản phẩm có dạng bột, màu

xám với hàm lượng protein cao có thể được sử dụng làm thức ăn Protease ngoại

bào được tiết ra từ Bacillus polymyxa, Bacillus megaterium, Pseudomonas marinoglutinosa và Acromonas hydrophila có thể cố định trong canxi alginat để

thực hiện các phản ứng liên tục thu được sản lượng cao trong các phản ứng thủy phân thịt cá [9]

* Ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm từ phế liệu thủy sản

- Ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm từ phế liệu tôm, cua, ghẹ :

Enzyme protease được dùng để thủy phân protein trong sản xuất chitin, astaxanthin, bột đạm Phần lớn phế liệu tôm tại Việt Nam cũng như trên thế giới hiện nay đang chủ yếu được sử dụng để sản xuất chitin – chitosan, một ứng dụng có

ý nghĩa lớn Công nghệ sản xuất chitin, chitosan còn đang gặp nhiều bất cập khi các quy trình sản xuất chitin-chitosan quy mô lớn tại Việt Nam chủ yếu là quy trình hóa học Việc sử dụng hóa chất với nồng độ cao dẫn đến lượng chitin-chitosan thu được chưa cao và nhiều tạp chất Mặt khác, các quy trình này chỉ tập trung vào việc thu nhận chitin-chitosan chưa chú trọng đến việc tận thu các sản phẩm khác của phế liệu tôm như protein, chất màu Các hóa chất và chất hữu cơ chưa được tận thu thải

ra gây ô nhiễm môi trường

Việc kết hợp sử dụng enzyme protease trong quá trình sản xuất chitin-chitosan

có ưu thế hơn so với phương pháp hóa học truyền thống Nó giảm thiểu lượng hóa chất sử dụng và thải ra môi trường Mặt khác, quy trình cải tiến với sự vượt trội về chất lượng chitin, chitosan thu được và thu hồi sản phẩm protein-astaxanthin có giá

trị dinh dưỡng và sinh học, làm hạn chế các chất hữu cơ chứa trong nước thải, giảm thiểu chi phí xử lý môi trường Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường trầm trọng do các cơ sở chế biến chitin-chitosan gây ra, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp sản xuất chitin-chitosan từ phế liệu thủy sản Đây là một hướng đi cho phương pháp sản xuất sạch hơn Bên cạnh

đó, việc kết hợp sinh học và hóa học còn đảm bảo vấn đề giá thành sản xuất hợp lý,

cơ hội cho mở rộng sản xuất với quy mô lớn Chitin - chitosan thu được có chất lượng cao hơn so với phương pháp hóa học, đặc biệt là độ nhớt và phân tử lượng Đồng thời, giảm hơn 50% lượng hóa chất sử dụng so với phương pháp hóa học truyền thống [20]

Sử dụng enzyme protease trong việc thu hồi một phần protein từ phế liệu tôm cũng là một hướng tận dụng được nghiên cứu rộng rãi ( Simpson và Hard, 1985; Cano – Lopezandothers, 1987; Synowiecki và Al-Khateeb, 2000; Gildberg và Stenberg, 2001; Mizani và cộng sự, 2005) Các enzyme protease như enzyme Alcalase đã được sử dụng để thủy phân protein từ phế liệu tôm ( Chabeaud, Guerard, Laroque và Dufosse 2007; Mizani, Aminlari, 2005) Trypsin, Papain, Pepsin (Synowiecki và Al-Khateeb, 2000; Chakrabarty, 2002), enzyme Neutrase và protease ( Rutanapornvareeskul, 2006)

Jozef Synowiecki và cộng sự (1999) nghiên cứu ứng dụng Alcalase khử protein của phế liệu vỏ tôm Crangon crangon nhằm thu hồi chitin và protein.[14] Wenhong Cao và các cộng sự , 2008 đã cho đầu tôm thủy phân bằng enzyme nội tại có sự điều chỉnh nhiệt độ bằng cách nâng nhiệt độ dần lên từ 400C÷700C, cứ sau 30 phút thì tăng lên 50C, pH tự nhiên và bằng cách đó nghiên cứu thu hồi protein của phế liệu đầu tôm thẻ chân trắng.[17]

- Ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm từ phế liệu cá:

Enzyme protease được dùng để thủy phân phế liệu cá để sản xuất chế phẩm dẫn mùi giàu đạm dùng trong thức ăn nuôi tôm, cá hạn chế ô nhiễm môi trường Với công nghệ sản xuất đơn giản sử dụng chất xúc tác enzyme của vi khuẩn đã phân lập được bổ sung vào phế liệu thủy sản (đầu, xương cá), chúng sẽ tự tách phần thịt ra