nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất chitin đạt tiêu chuẩn thị trƣờng nhật để sản xuất glucosamine

Lượng phế liệu tôm thải ra hàng năm gần 200.000 tấn, chủ yếu được sử dụng để sản xuất thức ăn trong chăn nuôi và sản xuất chitin và các chế phẩm từ chitin như chitosan, glucosamin,... Bê

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

- Thầy PGS TS Trang Sĩ Trung – Phó hiệu trưởng – Trường Đại học Nha Trang, đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

- Thạc sỹ Nguyễn Công Minh, Bộ Môn Công nghệ sinh học – Viện Công nghệ sinh học và Môi trường – Trường Đại học Nha Trang đã trợ giúp tôi trong việc thực hiện các phân tích và xử lý kết quả

- Toàn thể thầy, cô Viện Công nghệ sinh học và 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 làm đề tài

Và xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân và bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm động viên, góp ý, giúp đỡ và cùng tôi chia sẻ những khó khăn để hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Bùi Thị Minh Phước

LỜI CAM KẾT

Luận văn Thạc sỹ khoa học này đã được tác giả thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Trang Sĩ Trung, Phó hiệu trưởng, Trường Đại học Nha Trang, Việt Nam

Những kết quả thực nghiệm của chúng tôi thu được trong luận văn Thạc sỹ khoa học này là hoàn toàn mới và chưa được ai công bố chính thức Tôi xin cam đoan đây là sự thật và hoàn toàn chịu trách nhiệm với những kết quả mình đã công bố

Nha Trang, ngày 15 tháng 11 năm 2012

Tác giả thực hiện

Bùi Thị Minh Phước

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM KẾT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

I.1 Tổng quan nguồn phế liệu tôm sản xuất chitin 4

I.2 Xuất xứ nguồn gốc và các biện pháp đảm bảo chất lượng cho nguyên liệu (phế liệu tôm) 5

I.2.1 Xuất xứ nguồn gốc nguyên liệu 5

I.2.2 Biện pháp đảm bảo chất lượng cho nguyên liệu trước khi sản xuất chitin 7

I.2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm chitin 7

I.2.2.2 Phương pháp bảo quản nguyên liệu 8

I.2.2.3 Tiêu chuẩn chất lượng cho nguyên liệu 9

I.3 Tổng quan về chitin và glucosamin 10

I.4 Một số quy trình sản xuất chitin, chitosan thông dụng và hạn chế 17

27

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

II.1 Đối tượng nghiên cứu 29

30

II.3 Phương pháp nghiên cứu 30

II.3.1 Bố trí thí nghiệm tổng quát 30

pro 32

II.3.3 35 II.3.4 Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất chitin bằng phương pháp kết

42

II.3.6 Bố trí thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thành phần nguyên liệu đến chất lượng chitin 43

III.3 Phương pháp xử lý số liệu 44

CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 45

45

46

51

51

55

59

) ở quy mô 10kg nguyên liệu/mẻ 60

III.6 Ảnh hưởng của thành phần nguyên liệu đến chất lượng chitin 63

III.6.1 Đánh giá cảm quan chitin thu được từ các thành phần nguyên liệu ban đầu 64

III.6.2 Chỉ tiêu hóa học cơ bản của chitin từ các thành phần nguyên liệu ban đầu 65

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 69

KẾT LUẬN 69

ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 1

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1: Phân tích thành phần hoá học của đầu và vỏ phế liệu tôm(%) 4

Bảng 1.2: Chỉ tiêu chất lượng chitin đáp ứng nhu cầu của thị trường Nhật để dùng làm nguyên liệu sản xuất glucosamine 28

Bảng 3.1: Thành phần hóa học cơ bản của vỏ đầu tôm thẻ chân trắng (Panaeus vannamei) 45

Bảng 5.1: Chỉ tiêu chất lượng cơ bản của chitin 61

61

Bảng 6.1: Chỉ tiêu hóa học cơ bản của đầu tôm và vỏ tôm thẻ chân trắng 64

Bảng 6.2: Đánh giá cảm quan cho chitin từ các thành phần nguyên liệu ban đầu 65

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1: 1) Chitin; 2) Chitosan; 3) Cellulose 11

Hình 1.2: Công thức cấu tạo của chitin 11

Hình 1.3: Sự sắp xếp của chuỗi polymer của α-chitin, β-chitin và γ-chitin 12

Hình 1.4: Công thức cấu tạo của chitin và glucosamine 15

Hình 1.5: Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất chitin, chitosan, glucosamine từ phế liệu thuỷ sản 17

Hình 2.1: Phế liệu tôm 29

Hình 3.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất khử protein của phế liệu tôm

bằng Alcalase 46

Hình 3.2: Ảnh hưởng của tỷ lệ enzyme sử dụng đến hiệu suất khử protein của phế 48

liệu tôm bằng Alcalase 48

Hình 3.3: Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến hiệu suất khử protein của 49

phế liệu tôm bằng Alcalase 49

51

51

52

52

54

54

Hình 55

55

Hình 57

57

Hình 3.9: Hà 58

58

62

63

(chitin 2) 63

Hình 3.12: Hàm lượng protein còn lại của chitin được sản xuất theo thành phần 65

nguyên liệu ban đầu 65

Hình 3.13: Hàm lƣợng khoáng còn lại của chitin đƣợc sản xuất theo thành phần 66

nguyên liệu ban đầu 66

67

(a) 67

(b) 67

MỞ ĐẦU

Là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn, ngành thủy sản đã đóng góp một phần không nhỏ vào nền kinh tế quốc dân của nước ta Cùng với nhịp độ phát triển của nền kinh tế trong và ngoài nước, ngành thủy sản những năm gần đây đã đạt được những thành tựu đáng kể trong lĩnh vực nuôi trồng, chế biến thủy sản cũng như xuất khẩu Trong đó, tôm là mặt hàng có giá trị quan trọng, hàng năm chiếm gần 50% tổng sản lượng thủy sản xuất khẩu (Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu Thủy sản Việt Nam),

đã đem về rất nhiều ngoại tệ cho đất nước Tuy nhiên, song song với quá trình gia công chế biến thì lượng phế liệu tôm thải ra cũng tương đối lớn, chiếm 34 – 45% tổng khối lượng tôm nguyên liệu Riêng tỉnh Khánh Hòa sản lượng tôm nuôi năm 2007 là 6478 tấn, năm 2008 là 7569 tấn, đây là những con số rất đáng kể Vì vậy, nếu lượng phế liệu tôm không được thu gom xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường và gây lãng phí

Theo thống kê của Tổng cục Hải quan, năm 2009, xuất khẩu tôm của Việt Nam ước đạt 190.000 tấn, trị giá trên 1,5 tỉ USD, tăng 7,4% về lượng và 0,73% về giá trị so với năm 2008 Đây là mặt hàng thủy sản duy nhất tăng trưởng trong năm 2009 Lượng phế liệu tôm thải ra hàng năm gần 200.000 tấn, chủ yếu được sử dụng để sản xuất thức

ăn trong chăn nuôi và sản xuất chitin và các chế phẩm từ chitin như chitosan, glucosamin, Đây là những polyme sinh học được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như thực phẩm, nông nghiệp, môi trường, y học và mỹ phẩm

Hiện nay, các quá trình sản xuất chitin và chitosan thường sử dụng phương pháp hóa học, với lượng lớn hóa chất xút, acid chlohydric ở nồng độ cao, thời gian sản xuất dài dẫn đến chất lượng sản phẩm chitin thu được chưa cao và nhiều tạp chất, nên sản xuất chitosan, glucosamin từ chitin còn chưa đạt chất lượng cao, theo những tiêu chuẩn yêu cầu phù hợp sử dụng trong một số lĩnh vực, đặc biệt là trong y học Bên cạnh đó, lượng xút, acid thải ra cùng với các chất hữu cơ trong quá trình sản xuất không có hướng xử lý tốt, tận thu thích hợp nên khi xả thải sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường xung quanh cơ sở chế biến chitin – chitosan Việc gây ô nhiễm này

có thể làm cho nhiều cơ sở chế biến chitin từ phế liệu tôm hiện nay của ta đứng trước nguy cơ đóng cửa, phá sản Một số nghiên cứu sử dụng phương pháp sinh học và kết hợp sinh học đã được triển khai (Trần Thị Luyến, 2004; Trang Sĩ Trung, 2008) và kết quả đã chứng minh cho thấy chất lượng chitin, chitosan được nâng lên, giảm thiểu hóa

chất sử dụng, giảm ô nhiễm môi trường Việc nghiên cứu kết hợp xử lý enzyme để giảm nhẹ hóa chất sử dụng trong qui trình sản xuất chitin cho thấy là một hướng đi phù hợp Tuy nhiên, các nghiên cứu này cũng chỉ mới thực hiện ở qui mô phòng thí nghiệm, cần tiếp tục hoàn chỉnh thực hiện ở qui mô thử nghiệm và qui mô lớn để có thể ứng dụng vào sản xuất thực tế Đồng thời, các nghiên cứu này chưa áp dụng biện pháp xử lý nhiệt trong quá trình khử protein còn lại sau khi xử lý enzyme và khử khoáng nên thời gian xử lý dài, chưa đáp ứng được yêu cầu rút ngắn thời gian xử lý của các cơ sở sản xuất

Bên cạnh đó, các nghiên cứu về chitin chỉ mới tập trung ở quy trình chiết rút, chưa nghiên cứu có hệ thống các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm chitin cũng như chưa định hướng sản phẩm chitin đạt tiêu chuẩn cho các thị trường khó tính như Nhật, Hàn Quốc Do đó, để sản xuất các dẫn xuất từ chitin như chitosan hay glucosamin đạt chất lượng tốt ứng dụng trong y dược, thực phẩm, mỹ phẩm thì trước tiên cần có chitin đạt chất lượng cao (hàm lượng tro và protein thấp, độ deacetyl thấp), các yêu cầu về đảm bảo chất lượng nguyên liệu, nguồn gốc nguyên liệu, yêu cầu về chất lượng nước sử dụng trong sản xuất cần được đảm bảo, hoàn thiện qui trình công nghệ sản xuất chitin từ phế liệu tôm theo hướng đảm bảo chất lượng sản phẩm và yếu

tố môi trường, yêu cầu về đảm bảo vệ sinh trong quá trình sản xuất Đặc biệt là sản xuất chitin đáp ứng theo tiêu chuẩn của thị trường Nhật

, là một thị trường khó tính, hầu như với các sản phẩm ngoại nhập Dựa vào tiêu chí đó, chitin sản xuất ra sẽ đạt chất lượng tốt hơn trước khi sản xuất các chế phẩm sinh học cần thiết khác Chính vì những điều trên nên việc thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất chitin đạt tiêu chuẩn thị trường Nhật

để sản xuất glucosamine” là cần thiết, đáp ứng yêu cầu hiện nay Xây dựng quy trình

sản xuất chitin hay khác hơn là cải thiện quy trình sản xuất chitin theo hướng thân thiện hơn với môi trường, sản phẩm chitin đạt chất lượng cao, lượng hóa chất sử dụng không lớn, quy trình sản xuất hiệu quả và không quá phức tạp

* Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài

- Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu kết hợp phương pháp sinh học ) phương pháp hóa học trong quá trình sản xuất chitin Từ đó xây dựng quy trình sản xuất chitin đạt chất lượng cao theo tiêu chuẩn

thị trường Nhật, thông qua việc giảm thiểu lượng hóa chất sử dụng, hạn chế ô

nhiễm môi trường, nâng cao chất lượng chitin trước khi

* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc nghiên cứu sản xuất chitin từ phế liệu tôm là vấn đề không mới ở nước ta Tuy nhiên, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng chitin đảm bảo các khía cạnh về chất lượng, môi trường, hạn chế hóa chất, đảm bảo là nguyên liệu tốt để sản xuất glucosamine là vấn đề mới Việc nghiên cứu để xây dựng quy trình sản xuất chitin chất lượng cao sẽ góp phần phát triển nền công nghiệp sản xuất chitin – chitosan nước

ta, đồng thời thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước trong xã hội năng động và phát triển hiện nay Nguồn phế liệu sẽ được giải quyết, hạn chế ô nhiễm môi trường, nguồn lao động sẽ tăng thêm, sản phẩm thu được có chất lượng cao, là thuận lợi cho việc nghiên cứu sâu rộng các ứng dụng của chitin cũng như những dẫn xuất từ chitin mang lại

*Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Nguồn nguyên liệu được thực hiện tại nguồn phế liệu tôm thẻ chân trắng thu nhận tại Khánh Hòa, các thí nghiệm được thực hiện ở qui mô 10 kg nguyên liệu/mẻ

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU I.1 Tổng quan nguồn phế liệu tôm sản xuất chitin

* Phế liệu tôm chủ yếu là đầu và vỏ tôm, còn kể đến cả phần thịt tôm vụn do

gãy thân, gia công không cẩn thân, lột vỏ sai quy cách hay do tôm bị biến màu Tùy từng loài và từng phương pháp xử lý, gia công chế biến khác nhau mà lượng phế liệu tôm có thể vượt quá 60% khối lượng sản phẩm

- Phần lớn tôm được đưa vào chế biến thường ở dạng bóc vỏ bỏ đầu Do đó, trong thành phần phế liệu tôm, phần đầu thường chiếm khoảng 35 45% trọng lượng của tôm nguyên liệu, phần vỏ chiếm 10 15% Tuy vậy, tỷ lệ này còn phụ thuộc vào giống loài, giai đoạn sinh trưởng, mùa vụ, phương pháp chế biến…

- Lượng phế liệu tôm nhiều hay ít do quá trình gia công lột vỏ, có thể bằng máy hay thủ công Khi lột vỏ tôm bằng máy, một lượng thịt tôm bị hao hụt ở khâu lột vỏ, vận chuyển, rửa tôm Trái lại, khi lột vỏ tôm bằng tay, số lượng tôm bị gãy nhiều hơn

- Ô nhiễm từ chất thải rắn hay phế liệu tôm, nước thải phát sinh từ chế biến đã trở thành một vấn đề cần được quan tâm Giảm thiểu lượng phế liệu từ khâu chế biến, tìm các biện pháp tái sử dụng chúng đang trở nên phổ biến như một giải pháp làm gia tăng lợi nhuận kinh tế cho nhà sản xuất, kinh doanh từ nguồn phế liệu thuỷ sản hiện nay

* Chiếm tỷ lệ đáng kể trong phế liệu tôm là những thành phần có giá trị như là: Chitin, protein, calci cacbonat, sắc tố, và tỷ lệ thành phần này không ổn định, chúng thay đổi theo đặc điểm sinh thái, sinh lý, loài…

Bảng 1.1: Phân tích thành phần hoá học của đầu và vỏ phế liệu tôm(%) [6]

Phế liệu Protein Chitin Lipid Tro Calci Phospho

chitosan, glucosamine,… ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau, và quan trọng hơn là ứng dụng trong y học

* Chitin trong phế liệu tôm tồn tại dưới dạng liên kết với protein, khoáng và những hợp chất hữu cơ khác, chủ yếu là CaCO3 là thành phần chính cấu tạo nên vỏ tôm Chính sự liên kết này gây khó khăn trong việc tách chiết và tinh chế chúng

- Trong thành phần phế liệu tôm có chứa lượng lớn chitin (10 – 20% trọng lượng vỏ khô), nên đây là nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất chitin, glucosamine,…được tiến hành qua các giai đoạn như khử khoáng, khử protein, deacetyl bằng acid chlohydric nồng độ cao

- Hiện nay, chitin và những chế phẩm sinh học từ chitin càng được ứng dụng nhiều và phổ biến hơn thông qua những nghiên cứu, thử nghiệm đã được chứng minh trong và ngoài nước Do đó, giá thành của chúng cũng khá cao Vì vậy, nếu biết tận dụng được nguồn phế liệu này để sản xuất chitin một cách hiệu quả, bên cạnh việc hạn chế ô nhiễm từ quá trình sản xuất, hướng tới sản xuất các dẫn xuất chitosan, glucosamine,…sẽ mở ra một hướng phát triển tốt cho phế liệu tôm hiện nay

* Hiện nay phế liệu tôm được thu hồi và tận dụng cho các mục đích sau:

- Sản xuất Chitin – Chitosan và Glucosamine

- Sản xuất thức ăn chăn nuôi

- Sản xuất bột màu astaxanthin

- Làm sản phẩm định hình, súp và canh (sử dụng thịt tôm vụn không đạt kích cỡ); bánh phồng tôm (đầu tôm, thịt vụn)

I.2 Xuất xứ nguồn gốc và các biện pháp đảm bảo chất lượng cho nguyên liệu (phế liệu tôm)

I.2.1 Xuất xứ nguồn gốc nguyên liệu

Tôm là nguồn thuỷ sản dồi dào và có giá trị kinh tế cao nhưng việc khai thác, đánh bắt phụ thuộc rất lớn vào điều kiện tự nhiên và mang tính mùa vụ vì vậy ngoài đánh bắt tự nhiên người ta còn đẩy mạnh theo hướng nuôi trồng đảm bảo cung cấp nguyên liệu một cách thường xuyên cho các nhà máy chế biến Thủy sản xuất khẩu Biển Việt Nam, có rất nhiều loài tôm, khả năng khai thác từ 25÷30 nghìn tấn/năm Toàn vùng biển Nam bộ có trữ lượng và khả năng khai thác lớn nhất nước ta; ước tính khả năng khai thác bằng 50% sản lượng của cả nước [8]

Hiện nay ở nước ta, quá trình khai thác, đánh bắt và kỹ thuật nuôi tôm ngày càng phát triển, đã và đang cung cấp nhiều nguyên liệu cho các nhà máy chế biến thủy sản trong nước để sản xuất nhiều mặt hàng tôm đông lạnh, có các dạng chính như: Tôm tươi còn vỏ, đầu (nguyên con) cấp đông IQF hoặc block; Tôm vỏ bỏ đầu cấp đông IQF hoặc block; Tôm bóc vỏ bỏ chỉ lưng cấp đông IQF; Tôm bóc vỏ bỏ chỉ lưng nấu chín cấp đông IQF; Tôm bóc vỏ còn đốt đuôi cấp đông IQF; Tôm dạng sản phẩm

Với sản phẩm tôm lột vỏ, rút chỉ lưng, lượng đuôi và vỏ đuôi của tôm chiếm khoảng 25% trọng lượng tôm [6] Đối với tôm thẻ, lượng phế liệu đầu tôm chiếm 28%

và vỏ chiếm 9%, như vậy tổng lượng phế liệu vỏ đầu tôm thẻ là 37%

, 2003) [16] Lượng phế liệu này có thể giảm ít nhiều bằng cách nâng cao hiệu quả lột vỏ nhờ các thiết bị và công nghệ chế biến tốt hơn

Giáp xác là nguồn nguyên liệu thủy sản dồi dào chiếm từ 30-35% tổng sản lượng nguyên liệu ở Việt Nam Trong công nghiệp chế biến Thuỷ sản xuất khẩu, tỷ lệ

cơ cấu các mặt hàng đông lạnh giáp xác chiếm từ 70-80% công suất chế biến Hàng năm các nhà máy chế biến đã thải bỏ một lượng phế liệu giáp xác khá lớn khoảng 70.000 tấn Riêng ở tỉnh Khánh Hòa lượng phế liệu này vào khoảng 2.300 tấn/năm [48]

Ở tỉnh Khánh Hòa trong những năm gần đây mặt hàng tôm đông lạnh được đẩy mạnh nhất là ở các xí nghiệp chế biến Thủy sản như: Nha Trang seafood (F17, F90), xí nghiệp chế biến Khaspexco, xí nghiệp đông lạnh Việt Thắng, xí nghiệp chế biến Vân Như, xí nghiệp chế biến Anh Đào,…Do đó, việc tiêu thụ một số lượng lớn tôm nguyên liệu của các nhà máy chế biến Thủy sản đã thải ra một lượng lớn phế liệu chủ yếu là vỏ

và đầu tôm Các loại phế liệu này nếu thải trực tiếp ra môi trường sẽ gây ô nhiễm môi trường trầm trọng và nếu đem xử lý chất thải thì chi phí sẽ rất lớn

Ngày nay đã có rất nhiều hướng nghiên cứu sử dụng phế liệu tôm để sản xuất các chế phẩm có giá trị trong đó quan trọng nhất là việc sản xuất chitin-chitosan từ vỏ giáp xác Giảm lượng phế liệu từ khâu chế biến hoặc tìm giải pháp tái sử dụng chúng đang trở nên phổ biến như một phương cách giúp làm tăng lợi nhuận cho ngành thuỷ sản, đẩy mạnh sản xuất các sản phẩm có giá trị gia tăng từ nguồn phế liệu hay phần còn lại sau nguyên liệu chính theo hướng mới

I.2.2 Biện pháp đảm bảo chất lượng cho nguyên liệu trước khi sản xuất chitin [1] [6] I.2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm chitin

a Loại nguyên liệu và trạng thái chất lượng

Đặc điểm của phế liệu tôm là chứa nhiều enzyme và vi sinh vật Do đó, khi chưa được sử dụng để sản xuất mà không áp dụng các biện pháp bảo quản cho nguyên liệu đầu vào thì phế liệu tôm sẽ nhanh chóng bị hư hỏng Bên cạnh đó, phế liệu tôm còn chứa nội tạng, nước thải kèm theo trong quá trình gia công, chế biến do vậy rất dễ tạo mùi hôi thối nếu không qua xử lý kịp thời Trong đó, lượng protrein

ở trong đầu tôm theo thời gian bị ươn thối cũng góp phần tạo ra sự hư hỏng cho nguyên liệu

Qua thực tế nghiên cứu cho thấy nguyên liệu có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và chế độ xử lý để tạo ra sản phẩm chitin Tùy theo từng loại vỏ nguyên liệu giáp xác cần có một chế độ xử lý khác nhau để tạo thành thành phẩm có chất lượng khác nhau Vỏ tôm có chế độ xử lý nhẹ hơn đầu tôm vì phần đầu tôm có cấu tạo phức tạp, có chứa nhiều tạp chất sắc tố và nhất là protein, vậy nên cần có chế độ xử lý mạnh hơn vỏ thân tôm

+ Nguyên liệu tươi thì cho chất lượng sản phẩm chitin tốt hơn

+ Nguyên liệu khô đã qua bảo quản dưới tác dụng của nhiệt độ, ánh sáng, oxy, enzyme nội tạng làm protein bị biến tính, cấu trúc bị biến đổi gây trở ngại cho hoạt động thủy phân kiềm sau này

+ Với nguyên liệu bị ố đen, mốc để có được sản phẩm thì cần tốn nhiều hóa chất, nhất là ở khâu tẩy màu và khâu khử khoáng Chất lượng sản phẩm đạt được cũng không như mong muốn, tỷ lệ sản phẩm thu được trên nguyên liệu rất thấp, giá thành cao sản xuất có thể bị thua lỗ

b Các giai đoạn xử lý hóa chất

- Nồng độ hóa chất: Nếu nồng độ quá thấp sẽ không khử được hết khoáng hay protein có trong nguyên liệu, sản phẩm chitin thu được còn nhiều tạp chất, sản xuất chitosan hay glucosamin cho chất lượng không cao Nếu nồng độ quá cao sẽ gây đứt mạch chitin và cũng làm giảm chất lượng sản phẩm về sau

- Tỷ lệ hóa chất/nguyên liệu: Nếu tỷ lệ này quá nhỏ sẽ không khử hết protein hay khoáng do không đủ diện tích tiếp xúc giữa hóa chất và nguyên liệu, quá trình khuấy đảo không thuận lợi Nếu tỷ lệ này quá lớn sẽ gây tốn hóa chất, ảnh hưởng xấu

đối với mạch chitin, làm giảm độ nhớt của sản phẩm, vấn đề xử lý nước thải khó khăn,

I.2.2.2 Phương pháp bảo quản nguyên liệu

Việc nghiên cứu và đưa ra phương pháp bảo quản nguyên liệu trước khi sản xuất chitin là rất cần thiết Có nhiều phương pháp khác nhau để bảo quản nguyên liệu đầu vào như: phơi (sấy) khô, làm lạnh, cấp đông, luộc hay sử dụng hóa chất bảo quản…

- Làm lạnh: Nhiệt độ của nguyên liệu giảm dần xuống gần như không thấp hơn nhiệt độ điểm băng Cách làm này hạn chế được một phần sự phát triển của vi sinh vật

và enzyme Tuy nhiên, thời gian bảo quản ngắn không đảm cho chất lượng nguyên liệu trong quá trình vận chuyển đến nơi sản xuất Có thể áp dụng trong trường hợp cơ

sở sản xuất chitin gần với nơi chế biến

- Phơi (sấy) khô là phương pháp làm giảm độ ẩm của nguyên liệu Từ đó góp phần kìm hãm hoạt động của enzyme và vi sinh vật Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay, thích hợp cho quá trình vận chuyển đường dài đến cơ sở sản xuất chitin

- Sử dụng hóa chất bảo quản: Đây là phương pháp đang được nghiên cứu để áp dụng r ng rãi trong thực tế Nguyên tắc chung của phương pháp này là dùng hóa chất

để ức chế hoạt động của vi sinh vật và enzyme Hóa chất sử dụng có thể là acid hữu

cơ, acid vô cơ và các chất có tác dụng bảo quản khác Khi sử dụng các acid để bảo quản nguyên liệu hay phế liệu tôm, chúng có tác dụng phòng thối, làm giảm pH của môi trường xuống, tạo điều kiện bất lợi cho hoạt động của các tác nhân gây hư hỏng nguyên liệu Mặt khác các acid này cũng tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động của enzyme protease nội tại hoạt động, nguyên liệu sẽ giảm được lượng protein và khoáng sau thời gian sử dụng acid để bảo quản, việc xử lý sản xuất chitin ít tốn chi phí hơn…

Do đó việc sử dụng các acid không những có tác dụng để bảo quản nguyên liệu

mà nó còn được coi là một bước tiền xử lý, góp phần làm giảm nồng độ của các hoá chất được sử dụng trong quá trình sản xuất chitin & chitosan sau này Điều này vừa giúp giảm ô nhiễm môi trường do lượng hoá chất thải ra vừa làm giảm giá thành của sản phẩm

Thông thường acid formic với hàm lượng 3% (w/v) được sử dụng làm tác nhân acid hoá để hạ pH xuống 4,0 hay thấp hơn nữa Acid formic chứa một số thành phần

có tác dụng khử trùng, ức chế vi khuẩn và bảo quản phế liệu Ngoài ra còn có thể sử dụng hỗn hợp acid hữu cơ và vô cơ như aicd formic, acid acetic, acid clohydric và/hoặc acid sulfuric, acid propionic…với tỷ lệ và nồng độ thích hợp

, 2005), [6]

- Phương pháp luộc, cấp đông phế liệu thường ít hoặc không được sử dụng do chi phí sản xuất cao

I.2.2.3 Tiêu chuẩn chất lượng cho nguyên liệu

Trong quá trình thu mua, nguyên liệu nếu bảo quản không tốt, vi sinh vật xâm nhập có thể gây những tác hại như:

+ Sản sinh sắc tố làm việc tẩy màu khó khăn, màu sắc sản phẩm chitin không trắng + Sản sinh các sản phẩm phụ mà quy trình xử lý không loại bỏ được làm cho tạp chất còn trong sản phẩm còn rất nhiều

+ Sản sinh enzyme gây biến tính protein và tấn công lên mạch polysaccharide của chitin làm gãy mạch và dẫn đến giảm sản lượng và độ nhớt của sản phẩm

Do vậy, để sản xuất sản phẩm chitin có chất lượng tốt, tiêu chuẩn chất lượng cho nguyên liệu đầu vào phải đảm bảo theo các yếu tố sau:

- Màu sắc: màu tự nhiên của vỏ, đầu tôm tươi Có thể bị biến màu nhưng không quá nhiều

- Trạng thái: Vỏ đầu tôm ở trạng thái càng tươi thì chất lượng thành phẩm càng cao

+ Nếu đã qua cấp đông: tiến hành rã đông, kiểm tra trạng thái vỏ, đầu tôm (chắc hay mềm do bị hư hỏng từ vi sinh vật), kiểm tra mùi của nguyên liệu sau khi rã (hôi, nồng…hay mùi còn tự nhiên của vỏ tôm)

+ Nếu là vỏ tôm khô: tiến hành kiểm tra mốc, nguyên liệu bị hỏng do côn trùng

g m nhấm, vẫn còn giữ mùi tự nhiên của vỏ, đầu tôm khô…

- Mùi: có mùi tự nhiên của tôm tươi, không có mùi lạ do vi sinh vật gây thối tạo nên

Bên cạnh, cũng cần kiểm tra không lẫn quá nhiều tạp chất rắn khác ngoài vỏ đầu tôm: PE, giấy, kim loại, mảnh san hô, rong,…sẽ gây cản trở cho quá trình sản xuất chitin

Thực tế, một số các nhà máy chế biến thường đổ đống vỏ, đầu tôm được chuyển vào một kho riêng phía sau xưởng sản xuất chế biến Phế liệu tôm tập trung tại kho thường

bị lẫn các tạp chất rắn như PE, vỏ ốc, giấy carton lẫn cát sạn ở nền nhà, nguy cơ nhiễm bẩn cao, tạo môi trường cho vi sinh vật gây thối dễ hoạt động,…Tuy nhiên, các

xí nghiệp chế biến thường ít chú trọng đến việc bảo quản phế liệu tôm Nếu biết cách bảo quản tốt, chi phí bán cho nơi cần thu mua sẽ cao hơn, tạo thu nhập tăng thêm cho công nhân Phế liệu tôm thường được chở đi tới các nơi thu mua để vận chuyển đến các nơi cần sản xuất hay chở trực tiếp tới cơ sở sản xuất Do đó, việc bảo quản nguyên liệu đầu vào là một việc làm cần thiết để đảm bảo cho chất lượng thành phẩm về sau

I.3 Tổng quan về chitin và glucosamin [12], [13], [14], [16], [45]

* Chitin

- Nguồn gốc và sự tồn tại của chitin trong tự nhiên

Chitin là một trong ba loại polysacchride phong phú nhất trong thiên nhiên (cellulose, tinh bột và chitin) Trong tự nhiên chitin tồn tại trong cả động vật và thực vật, vi sinh vật và đặc biệt nhiều trong vỏ giáp xác (Rinaudo, 2006) [40]

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 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 , 1995) [2]

Chitin được nhà dược hóa học người Pháp Henri Braconnot phát hiện đầu tiên vào năm 1811, trong cặn dịch chiết từ một loại nấm Ông đặt tên cho chất này là “Fungine”

để ghi nhớ nguồn gốc của nó Năm 1823 Odier phân lập được một chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi là chitin hay “chiton”, tiếng Hy lạp có nghĩa là vỏ giáp, nhưng ông không phát hiện ra sự có mặt của nitơ trong đó Cuối cùng cả Odier và Braconnot đều

đi đến kết luận chitin có dạng công thức giống với cellulose (Braconnot, 1811) [22]

Hình 1.1: 1) Chitin; 2) Chitosan; 3) Cellulose

Chitin có công thức phân tử: (C8H13O5)n , n thay đổi tùy thuộc vào nguyên liệu

Hình 1.2: Công thức cấu tạo của chitin

Qua công thức cấu tạo, thấy rằng Chitin có thể được coi như là một dẫn xuất của cellulose ở nhóm hydroxy của C2 đã bị thay thế bởi nhóm acetamide (NH-COCH3)

- Tính chất của chitin [12], [16]

Tính chất của chitin phụ thuộc vào cấu trúc của chitin Chitin có cấu trúc tinh thể rất chặt chẽ và đều đặn Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X Người ta đã chứng

minh được chitin tồn tại ở ba dạng cấu hình: α-chitin, β-chitin và γ-chiti

Trung, 2010) [12]

Các dạng này của chitin chỉ do sự sắp xếp khác nhau về hướng của mỗi mắt xích (N-acetyl-D-glucosamin) trong mạch chitin Có thể biểu diễn mỗi mắt xích này bằng mũi tên sao cho phần đầu của mũi tên chỉ nhóm –CH2OH, phần đuôi chỉ nhóm –NHCOCH3, thì các cấu trúc α, β, γ-chitin được mô tả như sau:

Hình 1.3: Sự sắp xếp của chuỗi polymer của α-chitin, β-chitin và γ-chitin

Ba dạng chitin nêu trên có sự khác nhau về tính hydrat hóa, kích thước của mỗi

đơn vị cấu trúc và số mạch chitin trong mỗi đơn vị cấu trúc

α-chitin có độ rắn phân tử cao nhất và ở dạng rắn chắc, các mạch được sắp xếp

ngược chiều nhau đều đặn, nên ngoài liên kết hydro trong một lớp và hệ chuỗi, nó còn

có liên kết hydro giữa các lớp do các chuỗi thuộc lớp kề nhau nên rất bền vững Do các mắt xích sắp xếp đảo chiều, xen kẽ thuận lợi về mặt không gian và năng lượng

β-chitin bao gồm các mạch chitin song song cùng chiều nhau, có độ rắn thấp,

tính hydrat hóa cao

γ-chitin sắp xếp cứ 2 mạch song song cùng chiều thì có 1 mạch ngược chiều

Dạng β - chitin cũng có thể chuyển sang dạng α - chitin nhờ quá trình axetyl hóa cho cấu trúc tinh thể bền vững hơn Trong tự nhiên, α-chitin phổ biến nhất và thường rất cứng, trong khi β-chitin và γ-chitin thì tạo nên tính dai, dẻo

Chitin có màu trắng, cũng giống cellulose, chitin có tính kỵ nước cao (đặc biệt đối với α-chitin) và không tan trong nước, trong môi trường kiềm, axit loãng và các dung dịch hữu cơ như este, rượu…Tuy nhiên, cần lưu ý là β-chitin, không giống như α-chitin, có tính trương nở với nước cao , 2010) [12]

Chitin hòa tan trong dung dịch đặc nóng của muối thyoxyanat liti (LiSCN) và thyoxanat Canxi (Ca(SCN)2) tạo thành dung dịch keo Chitin còn hòa tan được trong dung dịch acid đậm đặc như HCl, H3PO4 và dimethylacetamide chứa 5% lihtium

Chitin tương đối ổn định với các chất chống oxyhóa-khử: KMnO4, nước Javen (NaClO) hay Ca(ClO)2, oxy già (H2O2)…Do đó, lợi dụng tính chất này, người ta sử dụng các chất oxy hóa trên để tẩy màu cho Chitin

Chitin kết tinh ở dạng vô định hình, khó hòa tan trong dung dịch amoniac, không hòa tan trong thuốc thử Schweizei Sapranora

Chitin có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại ở bước sóng: = 884 890 m

Chitin là polysaccharide nguồn gốc tự nhiên, có hoạt tính sinh học cao, có tính hòa hợp sinh học và tự phân hủy trên da Chitin bị một loại men lyzozyme - một loại men chỉ có trên da người, phân giải thành monome N-acetyl-D-Glucosamine

Chitin khi đun nóng trong acid HCl đậm đặc thì bị thủy phân hoàn toàn tạo thành 88,5% D-Glucosamine và 22,5% acid acetic, quá trình thủy phân xảy ra bắt đầu

ở mối nối glucoside, sau đó là sự loại bỏ nhóm acetyl (-CO-CH3)

Khi đun nóng Chitin trong dung dịch NaOH đậm đặc thì Chitin bị mất gốc acetyl tạo thành Chitosan

Chitin + n NaOH (đậm đặc) Chitosan + n CH3COONa

- Ứng dụng

Do tính chất không tan trong nước mà chitin ít được sử dụng trực tiếp Nhưng

từ chitin trải qua nhiều giai đoạn xử lý hóa chất có thể điều chế ra được các dẫn xuất như chitosan, glucosamine…, thì được ứng dụng rất rộng rãi

Chitin được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, một số ứng dụng quan trọng như:

- Dùng làm phân bón trong nông nghiệp và bổ sung vào thức ăn cho gia súc

- Dùng trong ngành dệt: Làm cho vải hoa, tơ sợi bền màu, bền sợi, chịu được cọ xát

- Làm chất chống nước: Vải sợi sau lúc xử lý bằng chitin ngoài tính năng chống nước, còn có những tính năng khác như: chống lửa, cách nhiệt, chịu nắng và chống thối, những tính chất đó làm cho chitin có khả năng dùng làm nguyên liệu để sản xuất vải bao dây điện, những dụng cụ bảo hộ trong sản xuất, nghiên cứu

- Dùng trong công nghiệp thực phẩm để sản xuất giấy trong suốt và những màng mỏng Vi thể chitin là chất tạo gel hay chất làm đặc để tạo liên kết, ổn định và tăng cường kết cấu thực phẩm, dùng làm màng mỏng có thể thay thế polyetylen để sản xuất giấy bọc thực phẩm cao cấp

- Sản xuất sợi chitin không tan trong acid, có độ dai tăng rõ rệt, không độc, ứng dụng làm chỉ khâu tự tiêu trong y học

- Dùng làm màng mỏng polymer sinh học trong chữa lành vết thương, vết bỏng

và dùng trong phẫu thuật vá da

- Chitin kết hợp với muối kim loại tạo thành hợp chất associated Nếu kết hợp với muối của Pb, Cd, Zn tạo thành cellulose, loại cellulose này có tính năng chống tia phóng xạ (chủ yếu là và ), mở ra con đường mới cho việc sử dụng chitin

- Xử lý bùn thải công nhiệp: Chitin có khả năng thu giữ các kim loại nặng, các cao phân tử linh động và các nhóm amin hoạt tính cao được sử dụng như mạng cố định Sau khi xử lý bùn thải bằng chitin, kim loại nặng có thể được giải hấp bằng các acid để thu hồi Chitin cũng có khả năng tái hấp phụ các kim loại nặng Việc sử dụng chitin có nguồn gốc từ vỏ tôm để khử kim loại nặng trong công nghiệp không những giúp giảm lượng chất thải độc hại ra môi trường mà còn giúp giải quyết lượng lớn phế liệu thủy sản [48]

- Từ chitin có thể sản xuất các dẫn xuất quan trọng: chitosan, glucosamine, Các dẫn xuất sinh học này được ứng dụng rộng rãi và phổ biến trong nhiều lĩnh vực Chitosan và các dẫn xuất của chúng có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp nhẹ, y học và một số ngành khác biệt là glucosamine được nghiên cứu và ứng dụng trong y học để điều trị viêm khớp xương, phục hồi và tái tạo mô sụn, chất nhờn giúp khớp linh động hơn,…

D-Glucosamine là một amino-mono-saccharide có trong mọi mô của cơ thể con người Glucosamine được cơ thể dùng để sản xuất ra các proteoglycan Glucosamine kích thích tế bào tăng tổng hợp và trùng hợp nên cấu trúc proteoglycan bình thường Kết quả của quá trình trùng hợp là tạo ra mucopolysaccharit, hình thành mô sụn, thành phần cơ bản tạo nên sụn khớp Bình thường sụn khớp được cấu tạo chủ yếu bởi nước, collagen và proteoplycan

Glucosamin đồng thời ức chế các enzym phá hủy sụn khớp như collagenase, phospholipase A2 và giảm các gốc tự do superoxid phá hủy các tế bào sụn.Glucosamin còn có tác dụng kích thích sinh sản mô liên kết của xương, giảm quá trình mất canxi của xương Khi thiếu glucosamin thì sụn đặc biệt là sụn khớp háng, đầu gối

bị hỏng, cứng, tạo gai xương gây biến dạng khớp làm hạn chế vận động, dẫn đến bệnh viêm xương khớp phát triển Do glucosamin làm tăng sản xuất chất nhầy dịch khớp nên tăng độ nhớt, khả năng bôi trơn của dịch khớp, vì thế không những làm giảm triệu chứng của thoái hóa khớp (đau, khó vận động) mà còn ngăn chặn quá trình thoái hóa khớp, ngăn chặn bệnh tiến triển , 2006) [7]

Nguồn cung cấp để tổng hợp Glucosamine lấy từ glucose trong cơ thể Trong các khớp bị viêm, lớp mô sợi của bao khớp và màng hoạt dịch làm giảm sự khuếch tán glucose vào mô sụn Hơn nữa hiện tượng viêm trong khớp đã tiêu thụ lượng glucose có giới hạn của cơ thể Chính vì thế có sự thiếu hụt glucosamine [45]

Các muối của glucosamin có khả năng giải phóng và sản sinh mucopolysacharit khuếch tán tốt vào dịch khớp, phát huy tốt tác dụng chống viêm khớp

Các dẫn xuất glucosamin thông dụng được dùng phổ biến ngày nay là:

+ Dạng bột có màu , có khả năng hòa tan trong nước, có vị

+ Được cắt mạch từ chitin hay chitosan, nên cũng có tính chất kháng khuẩn rất tốt

H H

H

H H

CH2OH OH NHCOCH3

3 COCH NH OH

OH 2 CH

O

n H

H

H H

H

Lấy đi từ các vi sinh vật này các ion quan trọng Cu2+ vì các vi sinh vật sẽ bị chết do sự mất cân bằng liên quan đến các ion quan trọng

Ngăn chặn phá hoại chức năng màng tế bào gây ra sự rò rỉ các phân tử trong

Ở Việt Nam hiện nay cũng đang sử dụng một số loại thuốc có chứa glucosamin như : Lubrex, Lubrex-F, Glucosamin, Glusivac, Nhưng các thuốc này chủ yếu vẫn nhập khẩu từ nước ngoài [7]

Glucosamine là một loại đường hiếm rất cần cho công nghiệp dược và những nghiên cứu hóa sinh Nó làm tăng khả năng hấp thu kháng sinh vào máu cũng như góp phần điều trị bệnh viêm khớp và các khối u Ngoài ra, glucosamin còn là nguyên liệu ban đầu để điều chế các chất trung gian như D - arabrinose và D- arabonic acid cần thiết để sản xuất riboflavin và vitamine B6 [45]

Glucosamine là chất có nhiều ứng dụng trong y học Nó đóng vai trò sinh lý sinh hoá trong cơ thể người, tham gia vào chức năng giải độc của gan và thận, chống viêm gan, chống dị ứng và chống thiếu oxi trong máu Glucosamine là nguyên liệu chủ yếu để tổng hợp các chất nhờn và sụn ở các khớp của cơ thể Khi các khớp bị tổn thương, nó là nguyên liệu để cơ thể sản xuất các chất cần thiết như collagen, proteoglycan và glucosaminoglycan để phục hồi sụn khớp và tái cung cấp chất nhờn

giúp các khớp linh động trở lại Ngoài ra, glucosamine còn có tác dụng chống ung thư, chữa tổn thương đường ruột và dạ dày , 2005) [13]

I.4 Một số quy trình sản xuất chitin, chitosan thông dụng và hạn chế [10], [12], [14], [16]

Chitin có thể được chiết rút từ nhiều nguồn nguyên liệu nhác nhau như vỏ tôm,

vỏ cua ghẹ, tảo, nấm mốc, vi khuẩn, sâu bọ Tuy vậy, hiện nay chitin, chitosan chủ yếu được thu nhận từ nguồn phế liệu thuỷ sản Nguồn phế liệu tôm, cua, ghẹ, nang mực trong quá trình chế biến thủy sản là nguồn nguyên liệu sẵn có, lượng lớn, chứa hàm lượng chitin, chitosan cao Đây là nguồn nguyên liệu rất tốt, thuận lợi cho việc xây dựng và phát triển ngành công nghiệp sản xuất chitin, chitosan

Chitin trong nguyên liệu thường tồn tại dưới dạng liên kết với protein, khoáng nên trong quá trình sản xuất chitin cần phải khử các hợp chất phi chitin này ra khỏi chitin Các hợp chất phi chitin bao gồm protein, chất khoáng, chất màu, lipid và các hợp chất khác với hàm lượng biến đổi theo nguyên liệu

Việc khử các thành phần phi chitin để sản xuất chitin từ phế liệu thuỷ sản có thể thực hiện bằng phương pháp hoá học, phương pháp sinh học hoặc phương pháp kết hợp hoá học với sinh học Tuy nhiên, hầu như các quy trình sản xuất chitin ở quy mô công nghiệp chủ yếu sử dụng phương pháp hoá học Phương pháp hoá học có ưu điểm nhanh, đơn giản, dễ thực hiện ở quy mô lớn Bên cạnh cũng có nhiều hạn chế như chất lượng chitin không cao dẫn đến sản xuất chitosan, glucosamine… có chất lượng không tốt, phân tử lượng thấp, độ nhớt thấp…dư lượng hoá chất lớn, ô nhiễm môi trường, ăn mòn thiết bị [12]

- Tổng quát quy trình sản xuất Chitin như sau:

Phế liệu Khử protein Khử khoáng Tẩy màu Chitin deacetyl Chitosan Glucosamine

Hình 1.5: Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất chitin, chitosan, glucosamine từ phế

NaOCl 0,135%

t0 phòng

= 6 phút w/v =1/10

mô lớn chủ yếu là các quá trình xử lý hoá học Bên cạnh , đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng phương pháp sinh học hay

, 2006;

, 2009) [27], [11] để tách protein và khử khoáng như việc sử dụng enzyme và vi sinh vật Quá trình xử lý sinh học kết hợp enzyme và vi sinh vật cho phép loại bỏ hơn 90% lượng protein có trong phế liệu , 2000) [34],

, 2005) [21] Tuy nhiên phương pháp sinh học để khử protein có nhược điểm là không thể loại bỏ triệt để lượng protein trong nguyên liệu [27], các quy trình chỉ mới ở giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm, chi phí của phương pháp này cao, khá tốn kém, vì cần phải nghiên cứu sản xuất enzyme, vi sinh vật với số lượng lớn phù hợp cho quy mô công nghiệp Do vậy, phương pháp sinh học vẫn chưa được áp dụng phổ biến và rộng rãi như như là phương pháp hoá học trong sản xuất chitin Sau đây là một số quy trình sản xuất chitin, chitosan thông dụng

[16]

, phơi khô

Ngâm HCl Ngâm aceton Ngâm NaOCl

Deacetyl chitin

Chitosan

NaOH 3,5%

t0 = 650C = 2h w/v =1/10 HCl 1N

t0 Phòng = 2h w/v = 1/10

t0 Phòng =30 phút w/v = 1/5

NaOH 40%

t0 = 850C = 4h w/v =1/14

thời gian sản xuất ngắn, sản phẩm có màu sắc đẹp, sạch do có hai bước khử sắc tố Tuy nhiên do NaOCl là một chất oxy hoá mạnh, ảnh hưởng đến mạch polymer, do đó độ nhớt của sản phẩm giảm rõ rệt

Mặt khác aceton rất đắt tiền, tổn thất nhiều, giá thành sản phẩm cao Chưa kể đến các yếu tố an toàn sản xuất, công nghệ này khó áp dụng trong điều kiện sản xuất của nước ta hiện nay

Quy trình sản xuất của Stevens, Viện công nghệ Châu Á (AIT), Thái Lan (2002) [41]

Nguyên liệu Nghiền nhỏ và ép Ngâm trong NaOH 2.5%, 30oC, 24h

Rửa trung tính Ngâm trong HCl 2.5%, 30oC, 12h Rửa trung tính (Chitin) Nấu trong NaOH 50%, 65o

C, 20h Rửa trung tính

Phơi khô hoặc sấy ở 60oC, 10h

Chitosan

(650

(84 – 88%)

Quy trình sản xuất của PGS – TS Trần Thị Luyến, Đại học Nha Trang (2004) [17]

Nguyên liệu (vỏ tôm)

Khử khoáng bằng HCl 10%, nhiệt độ phòng, 12h

Rửa trung tính Khử protein bằng ngâm trong NaOH 8%, nhiệt độ phòng, 12h

Rửa trung tính (Chitin) Deacetyl trong NaOH đặc 35-40%, nhiệt độ 80-100oC, thời gian 5-6,5 giờ

Rửa trung tính Phơi khô hoặc sấy Chitosan với nhiều mức deacetyl và độ nhớt

đ

Quy trình sản xuất chitin, chitosan tại Trung tâm Chế biến Thủy sản – ĐH Nha Trang [10]

Chitosan Trung tâm

Qua các quy trình trên, quá trình khử protien bằng phương pháp hoá học sử dụng NaOH ở nồng độ tương đối cao, thời gian dài Phương pháp hoá học có một số

ưu điểm đơn giản, không đòi hỏi thiết bị máy móc phức tạp và chi phí thấp Do đó, rất

dễ áp dụng để sản xuất lớn Tuy vậy, cũng có những mặt hạn chế như chitin, chitosan thu được có độ nhớt, phân tử lượng thấp Việc dụng xút nồng độ cao ảnh hưởng đến chất lượng và độ tinh khiết của chitin, cũng như của chitosan sau này Đặc biệt hơn để sản xuất chế phẩm sinh học như glucosamine trong y học đòi hỏi chitin có chất lượng tốt và tinh sạch hơn nhiều Mặt khác, do xử lý xút ở nồng độ cao, thời gian dài, nên muốn tận thu protein trong dịch thủy phân là không hiệu quả vì protein bị biến tính phần lớn Bên cạnh đó là lượng astaxanthin cũng không được thu hồi, đây là loại chất màu quan trọng có hoạt tính sinh học cao, được ứng dụng rộng rãi trong nuôi trồng thủy sản và thực phẩm chức năng Đồng thời, lượng hoá chất thải ra cùng với các chất hữu cơ trong quá trình xử lý thường được các cơ sở sản xuất thải ra ngoài môi trường, gây ô nhiễm và ảnh hưởng môi trường sống của các khu dân cư lân cận

Tách chiết chitin bằng phương pháp hóa học tuy đơn giản, hiệu quả, dễ triển khai ở quy mô rộng Nhưng thời gian xử lý dài, nồng độ hoá chất sử dụng lớn dẫn đến chất lượng sản phẩm chitin thu được không tốt và có thể còn chứa tạp chất hoá học nếu quá trình rửa không đúng cách, lượng chất thải gây ô nhiễm môi trường Do đó, sản xuất các dẫn xuất sinh học như glucosamine, chitosan không thể đạt chất lượng cao

để ứng dụng trong y học, mỹ phẩm, những tiêu chuẩn đặt ra của khách hàng và của thị trường xuất khẩu Vì vậy, hạn chế sử dụng hoá chất, cải tiến công nghệ theo hướng thân thiện môi trường, ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất chitin, glucosamine,…là xu thế hiện nay nhằm nâng cao chất lượng chitin, chitosan, tận thu các thành phần có giá trị phi chitin (protein, astaxanthin, ), giảm thiểu chất thải hoá học, sản xuất các chế phẩm sinh học từ chitin đạt chất lượng tốt hơn, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp sản xuất chitin, chitosan

Những năm gần đây, việc sử dụng phương pháp sinh học kết hợp phương pháp hóa học (vi sinh vật, enzyme) để loại bỏ protein khỏi phế liệu vỏ của loài giáp xác là một

xu hướng hiện tại được các nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Trong đó enzyme protease được nghiên cứu rất nhiều để khử protein của phế liệu giáp xác trong quá trình sản xuất chitin Từ những năm 60 của thế kỷ trước, một số nghiên cứu về ứng dụng enzyme protease để thủy phân protein trong phế liệu giáp xác đã được thực hiện bởi Takeda và Abe (1962), Tekeda và Katsuura (1964) Những năm tiếp theo và gần đây, sử dụng enzyme ngày càng được quan tâm thể hiện qua các nghiên cứu của Shimahara và

Takiguchi (1988) đã dùng enzyme protease từ vi sinh vật Pseudomonas maltophilia để

(57,5 – 64,6%) [27]; Synowiecki và cộng sự

(2000) dùng Alcalase để thủy phân protein từ phế liệu tôm Crangon, thu hồi được

64,3% protein [42], Maryam Mizani và Mahmood Aminlari (2007) sử dụng Alcalase

thủy phân protein để sản xuất chitin từ đầu tôm P Semisulcatus và thu hồi 64% protein [19]

a

600C Chitin Tại Việt Nam, một số nghiên cứu đã ứng dụng protease (papain, Alcalase, Protamex, Flavourzyme) ( Luyến, 2005; Trung và cộng sự, 2007) để khử protein trong quá trình sản xuất chitin từ phế liệu thủy sản [12] Việc sử dụng enzyme protease trong sản xuất chitin nhằm thay thế NaOH khắc phục đƣợc các hạn chế của việc

sử dụng một lƣợng lớn hoá chất sử dụng Đặc biệt là enzyme thu nhận đƣợc từ vi sinh vật cho hiệu quả cao

Một số quy trình sử dụng enzyme protease trong quá trình sản xuất chitin nhƣ sau

(1:2, w:v)

) NaOH 4M

Ethanol 10:1; v:w Acetone

(10:1, v:w)

Quy trình sản xuất chitin ứng dụng papain để khử protein (GS-TS.Trần Thị Luyến, Đại Học Nha Trang, 2000)

Vỏ tôm khô Vỏ tôm tươi

Ngâm HCl 10%, tỷ lệ 1:10; Ngâm HCl 10%, tỷ lệ 1:5;

t C phòng, 5h t C phòng, 5h

Rửa sạch

Khử protein bằng papain 13%;

tỷ lệ 1:5; pH = 5÷5,5; t C = 70÷80%; 4h Rửa sạch, tẩy, làm khô 60 C

Chitin Deacetyl bằng NaOH 35%; tỷ lệ 1:10; t C = 90 C; 5,5h

Rửa sạch Chitosan

Q sử dụng enzyme Flavourzyme trong công nghệ sản xuất chitin từ phế

liệu tôm (Trang Sĩ Trung, ĐH Nha Trang và cộng sự, 2008)

Phế liệu vỏ đầu tôm thẻ

Xay nhỏ (0,5 – 0,6 cm)

Khử protein bằng

Enzyme Flavourzyme

Thu dịch protein, astaxanthin

Khử protein còn lại bằng NaOH loãng Rửa trung tính

Khử khoáng bằng HCl

Rửa trung tính

tỷ lệ enzyme/phế liệu: 0,1% thời gian: 6h

nhiệt độ: 55 C

pH = 6,5

Từ những quy trình trên kết quả cho thấy, khi dùng papain để thủy phân loại bỏ protein trong chitin cho sản phẩm chitosan có độ nhớt cao hơn các quy trình khác, độ deacetyl, độ tan và hiệu suất quy trình cũng tăng Như vậy, để nâng cao chất lượng của chitosan có thể sử dụng papain thay thế cho xút để khử protein cho vỏ, đầu tôm Tuy vậy, quá trình thủy phân protein bằng enzyme không triệt để, nên vẫn còn sử dụng một lượng xút lớn, nhiệt độ nấu cao để thủy phân triệt để lượng protein còn lại trong chitin

Hiện tại, có nhiều nghiên cứu và triển khai thử nghiệm sử dụng protease để thủy phân protein trong quá trình sản xuất chitin từ phế liệu thủy sản Tuy nhiên các kết quả đều cho thấy sử dụng enzyme không khử triệt để được protein từ phế liệu thuỷ sản Ngoài ra, chi phí xử lý bằng enzyme thường cao hơn xử lý bằng phương pháp hoá học

và thời gian xử lý dài hơn Đây là một số khó khăn chính khi triển khai ở quy mô lớn trong quá trình sản xuất chitin

Ngoài việc sử dụng enzyme, vi sinh vật trong quá trình khử protein, việc khử khoáng bằng acid hữu cơ cũng được nghiên cứu thử nghiệm để kết hợp với xử lý hoá học, giảm thiểu lượng hoá chất trong quá trình sản xuất Thông thường các quá trình khử khoáng được thực hiện bằng HCl, tuy đơn giản, dễ thực hiện, nhưng cũng có mặt hạn chế của nó như cắt mạch chitin, ăn mòn thiết bị và gây ô nhiễm môi trường Do

đó, một số nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm quá trình khử khoáng bằng lên men lactic Để tăng hiệu quả cho quá trình lên men lên men lactic có thể bổ sung rỉ đường hay đường mật dạng lỏng Đồng thời các acid hữu cơ sử dụng như acid lactic, acid formic, acid acetic…

Trong vỏ của các loài giáp xác, chitin liên kết với protein và khoáng theo từng lớp, tạo nên độ chắc cho lớp vỏ Quá trình khử khoáng, chủ yếu là các muối canxi được thực hiện trong môi trường acid Trong quá trình sản xuất chitin truyền thống, quá trình tách khoáng chỉ tiến hành 1 giai đoạn, lượng khoáng trong vỏ được loại bỏ dưới tác dụng của HCl ở nhiệt độ cao, thời gian dài Hiệu quả tách khoáng khá cao, nhưng chất lượng chitin bị ảnh hưởng đáng kể (Trần Thị Luyến, 2000; Percot và cộng

sự, 2003) [15], [33] Khi bổ sung quá trình xử lý sơ bộ bằng acid formic, quá trình khử khoáng trong phế liệu được thực hiện qua 2 giai đoạn Giai đoạn đầu là acid formic tương tác với chất khoáng trong vỏ tôm hình thành các muối format, chủ yếu là canxi format, có khả năng tăng tương đối, được loại bỏ trong quá trình rửa Ngoài ra, acid

formic còn có tác dụng phòng thối, giảm pH môi trường, tạo điều kiện cho enzym protease nội tại hoạt động và thuỷ phân protein

Phương trình tách khoáng:

CaCO3 + HCl CaCl2 + H2O + CO2CaCO3 + H2SO4  CaSO4 + H2O + CO2CaCO3 + HCOOH (HCOO)2Ca + H2O + CO2Phương trình thủy phân protein:

H2N-CH-CO-NH-CH-CO H2N-CH-COOH + H2N-CH-CO-NH-CH

R1 R2 R1 R2 R3

Polypeptid Acid amin Peptid

Sau quá trình xử lý sơ bộ bằng acid formic, vỏ tôm trở nên sạch khoáng và protein hơn, nhờ đó quá trình khử khoáng ở giai đoạn sau bằng HCl được thuận lợi và triệt để hơn, hàm lượng khoáng còn lại trong vỏ tôm thấp hơn 1% [5]

Sử dụng các acid hữu cơ có tính ưu việt là ít gây tác hại với môi trường, có thể giữ được đặc tính của chitin, các chất phi chitin ít bị ảnh hưởng chất lượng khi tận thu Tuy nhiên, thời gian khử khoáng kéo dài hơn so với acid vô cơ Có thể xem đây như là một bước tiền xử lý, giảm được lượng acid sau này trong quá trình xử lý hoá học Hơn nữa, khi sử dụng acid hữu cơ để tách khoáng thì chitin, chitosan thu được có độ tinh sạch cao, có thể đáp ứng về yêu cầu tinh sạch của chitin trong y dược, thực phẩm

Nhìn chung, các quy trình sản xuất chitin, chitosan đang được áp dụng ở quy mô sản xuất lớn tại Việt Nam hiện nay chủ yếu là quy trình hoá học Các quy trình chỉ tập trung vào việc thu nhận chitin, chitosan chưa chú trọng đến việc thu hồi các sản phẩm khác ngoài chitin như protein, astaxanthin, nên việc xả thải gây ô nhiễm môi trường do chưa quan tâm xử lý triệt theo đúng quy định trước khi thải ra môi trường Hơn nữa chất lượng chitin chỉ mới ở dạng thô, dạng công nghiệp, để làm nguyên liệu sản xuất chitosan, chưa quan tâm nhiều đến vấn đề sản xuất chitin chất lượng cao đáp ứng yêu cầu của của các nước phát triển Chưa đưa ra được quy trình sản xuất chitin chất lượng cao để từ đó có thể sản xuất các chế phẩm sinh học từ chitin tinh sạch hơn, đạt chất lượng tốt hơn, phục vụ cho các ngành y dược hoặc mỹ phẩm, công nghệ sinh học

Để có những dẫn xuất sinh học từ chitin với chất lượng tốt, vấn đề đặt ra là tìm quy trình sản xuất chitin mới để sản phẩm có chất lượng cao

protease

I.5 Tiêu chuẩn chitin thị trường Nhật [9], [44], [47], [49]

Theo VASEP, tổng giá trị xuất khẩu thủy sản trong 9 tháng đầu năm 2012 lên gần 4,5 tỷ đôla, tăng hơn 4% so với cùng kỳ năm ngoái Trong đó, Mỹ, EU và Nhật Bản vẫn là ba thị trường nhập khẩu chính của thủy sản Việt Nam trong 3 quý gần đây Theo bà Lê Hoàng Oanh, Phó Cục trưởng Cục Xúc tiến thương mại, Nhật Bản là một trong những đối tác kinh tế, thương mại và đầu tư quan trọng hàng đầu của Việt Nam Quan hệ hợp tác Việt Nam – Nhật Bản đã phát triển tốt đẹp và bền vững với lịch sử quan hệ gần 40 năm kể từ khi 2 nước thiết lập quan hệ ngoại giao năm 1973 Cùng với Hiệp định đối tác toàn diện Nhật Bản – ASEAN, 2 bên đã ký kết Hiệp định đối tác kinh tế song phương Việt – Nhật năm 2008, tạo ra khuôn khổ pháp lý thuận lợi cho sự phát triển quan hệ kinh tế, thương mại giữa 2 nước [47] Theo thống kê của Tổng cục Hải quan Việt Nam, kim ngạch thương mại song phương Việt Nam – Nhật Bản đã đạt được 21,1 tỉ USD trong năm 2011, tăng hơn 16% so với 16,1 tỉ USD năm 2010, trong

đó xuất khẩu của Việt Nam sang Nhật Bản đạt 10,7 tỉ USD, tăng 39% so với năm

2010 Các nhóm hàng chính của Việt Nam xuất khẩu sang Nhật Bản gồm thủy sản, thực phẩm chế biến, may mặc, đồ gỗ, dây cáp điện, hàng từ nhựa và thủ công mỹ nghệ truyền thống [44]

Nhật là một trong những thị trường được xem là khó tính với nh ng tiêu chuẩn khắt khe về chất lượng tiêu chuẩn hàng hóa Các lợi thế ở thị trường Nhật đối với doanh nghiệp Việt Nam là rất lớn, nhưng đây cũng là thị trường có đưa ra nhiều thách

thức trong nhập khẩu hàng hoá như áp dụng hạn ngạch, còn chế độ cấp phép nhập đối với sản phẩm từ thực vật, áp dụng tiêu chuẩn kỹ thuật cao (vệ sinh an toàn thực phẩm, kháng sinh…) Như các công ty chuyên sản xuất hàng thực phẩm đông lạnh và thực phẩm chế biến, sản xuất hàng may mặc, đồ gỗ, thủ công mỹ nghệ chiếm tỉ lệ lớn cho xuất khẩu thì việc quan tâm đến các tiêu chuẩn kỹ thuật, an toàn vệ sinh thực phẩm, nhãn mác, bao bì là yêu cầu hàng đầu Điều các doanh nghiệp Việt Nam cần lưu ý nhất khi xuất khẩu hàng hóa vào thị trường Nhật Bản là tiêu chuẩn kỹ thuật và chất lượng sản phẩm phải đặt lên hàng đầu Nhật Bản đã, đang và luôn là thị trường tiêu thụ lớn

và nhiều tiềm năng với Việt Nam [49]

Nhật là thị trường tiêu thụ chitin quan trọng, chitin chủ yếu được dùng để sử dụng làm nguyên liệu sản xuất chitosan và glucosamine Để có thể sản xuất chitosan

và các sản phẩm ứng dụng trong công nghiệp và y dược khác như olygochitin, olygochitosan và glucosamine có chất lượng tốt, yêu cầu chitin phải có độ tinh sạch cao, cụ thể hàm lượng khoáng và protein phải nhỏ hơn 1% , 2007) [36] Do đó, để nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất chitin có chất lượng tốt được

sử dụng để sản xuất glucosamine đáp ứng yêu cầu của thị trường Nhật thì yêu cầu tiêu chuẩn chất lượng chitin cụ thể được trình bày ở Bảng 1.2

Bảng 1.2: Chỉ tiêu chất lượng chitin đáp ứng nhu cầu của thị trường Nhật để

dùng làm nguyên liệu sản xuất glucosamine [9]

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU II.1 Đối tượng nghiên cứu

a

Phế liệu tôm thẻ chân trắng (Panaeus vannamei) ở dạng còn tươi được thu nhận

từ Công ty Cổ phần Nha Trang Seafood – F17

Sau khi nguyên liệu được lấy về, loại bỏ tạp chất rắn: rong, vỏ sò, ốc, PE, giấy… lẫn trong phế liệu tôm

Hình 2.1: Phế liệu tôm

b Enzyme protease

ng enzyme protease Công ty Novozymes, với tên thương mại Alcalase

Bacillus licheniformis, endopeptidase Sử dụng Alcalase cho phép điều chỉnh

dễ dàng độ thủy phân, tính toán được lượng base yêu cầu để duy trì pH không đổi trong suốt quá trình thủy phân

Alcalase 2,4 2,4 AU/g Nhiệt độ bảo quản tốt nhất là 0÷10 C Điều kiện hoạt động tối ưu cho Alcalase pH = 6,5 ÷ 8,5; nhiệt độ: 50 ÷ 65 C (122 ÷ 140 15 ÷ 25 (DH: degree of hydrolysis)

+ Xác định hàm lượng lipid theo phương pháp Folch [25]

+ Xác định độ deacetyl theo phương pháp quang phổ của Tan (1996) [10]

II.3 Phương pháp nghiên cứu

- Thu nhận và xử lý mẫu: Phế liệu tôm còn tươi sẽ được bảo quản lạnh, vận chuyển về phòng thí nghiệm, loại bỏ tạp chất rắn, rửa để ráo, bảo quản -18±2 C

- Theo nội dung nghiên cứu, các thí nghiệm được bố trí như sau

II.3.1 Bố trí thí nghiệm tổng quát

-

tôm

Ép

enzyme protease

Rửa sạch

NaOH loãng

Rửa trung tính

NaOH loãng Rửa trung tính

Chitin

Nguyên liệu sau khi được lấy từ nhà máy chế biến F17, loại bỏ các tạp chất

tiến hành ép sơ bộ để loại bớt một phần khối lượng nguyên liệu (protein, chất màu, lipid, nước ) trước khi sản xuất

chitin theo quy trình kết hợp khử protein bằng enzyme

protease (Alcalase)

(Alcalase, Flavourzyme,

45 – 60 C (Gilmartin, 2002) [26]