Nghiên cứu quy trình tách chiết Alginate từ bã rong Mơ

Các ứng dụng nghiên cứu gần đây cho thấy Alginate có nhiều ứng dụng trong công nghệ sinh: làm chất nền cố định cho tế bào sản xuất các hóa chất trong trong thực phẩm, sản xuất kháng thể

ĐINH THỊ VÂN ANH

“ NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH TÁCH CHIẾT ALGINATE

TỪ BÃ RONG MƠ”

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành : Công nghệ sau thu hoạch

Thái Nguyên, năm 2015

ĐINH THỊ VÂN ANH

“ NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH TÁCH CHIẾT ALGINATE

TỪ BÃ RONG MƠ”

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành : Công nghệ sau thu hoạch

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận này là trung thực

Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận này đã đƣợc cám ơn và các thông tin đƣợc trích dẫn trong khóa luận này đã đƣợc ghi rõ nguồn gốc

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2015

Sinh viên

ĐINH THỊ VÂN ANH

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS Nguyễn Đức Tiến - Trưởng

Bộ môn Nghiên cứu phụ phẩm và Môi trường nông nghiệp - Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghê sau thu hoạch đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Trần Thị Lý - Khoa Công nghệ thực phẩm - Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã hướng dẫn, động viên, hỗ trợ phương tiện nghiên cứu, kiến thức và đã có những góp ý sâu sắc trong suốt quá trình tôi thực hiện đề tài

Đồng thời, tôi xin được cảm ơn các anh, chị ở Bộ môn Nghiên cứu phụ phẩm

và Môi trường nông nghiệp - Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch đã hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này

Cuối cùng tôi xin gửi tới gia đình và bạn bè đã là nguồn động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu những lời cảm ơn chân thành nhất

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 5 năm 2015

Sinh viên

ĐINH THỊ VÂN ANH

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của một số loài rong Mơ tại Việt Nam [6] 5

Bảng 2.2 Hàm lượng các nguyên tố khoáng trong một số loài rong Mơ ở Hòn Chồng - Nha Trang [6] 6

Bảng 2.3: Diện tích, năng suất và mùa vụ rong Mơ theo vùng biển một số tỉnh của Việt Nam [6] 8

Bảng 4.1: Thành phần hóa học của rong Mơ và bã rong Mơ 32

Bảng 4.2 Ảnh hưởng của nồng độ dung môi đến hiệu quả nấu chiết Alginate 32

Bảng 4.3 Ảnh hưởng của nồng độ dung môi đến hiệu quả nấu chiết Alginate 33

Bảng 4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả nấu chiết Alginate 35

Bảng 4.5 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả nấu chiết Alginate 36

Bảng 4.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ CaCl2/Alginate đến thu nhận tủa và lọc Alginate 37

Bảng 4.7 Ảnh hưởng của NaOCl 1% lên độ nhớt và độ màu Alginate 38

Bảng 4.8 Theo dõi độ ẩm của chế phẩm 39

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1: Hình ảnh về rong Mơ 4

Hình 2.2: Công thức cấu tạo cổ điển của hai đơn vị monomer 9

Hính 2.3: Công thức phân tử của axit alginic 9

Hình 2.4: Quá trình tạo gel Alginate với canxi 11

Hình 2.5 Sơ đồ quy trình tách chiết Alginate bằng phương pháp canxi hóa 16

Hình 4.1 Sơ đồ quy trình tách chiết Alginate từ bã rong Mơ 40

MỤC LỤC

PHẦN 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Mục đích và yêu cầu 2

1.1.1 Mục đích 2

1.1.2 Yêu cầu 2

PHẦN 2 TỔNG QUAN 3

2.1 Giới thiệu chung về rong Mơ 3

2.1.1 Nguồn gốc, sự phân bố rong Mơ 3

2.1.2 Đặc điểm thực vật học của rong Mơ 4

2.1.3 Thành phần chính của rong Mơ 5

2.1.4 Giá trị của rong Mơ 6

2.1.5 Tình hình khai thác và tiêu thụ rong Mơ ở nước ta 7

2.2 Giới thiệu về Alginate 9

2.2.1 Đặc điểm, cấu tạo, tính chất của Alginate 9

2.2.2 Tính chất của Alginate 9

2.3 Ứng dụng của Alginate 12

2.3.1 Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm 12

2.3.2 Ứng dụng trong công nghệ dệt 13

2.3.3 Ứng dụng trong công nghệ in 13

2.3.4 Ứng dụng trong y học 13

2.4 Giới thiệu quá trình tách chiết 13

2.4.1 Cơ sở khoa học của quá trình tách chiết 13

2.4.2 Phương pháp tách chiết 14

2.4.3 Quy trình tách chiết Alginate bằng phương pháp Canxi hóa 16

2.5 Tình hình nghiên cứu và sản xuất Alginate trong nước và trên thế giới 20

PHẦN 3 ĐỐI TƯỢNG – NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

3.1 Đối tượng nghiên cứu 23

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 23

3.1.2 Vật liệu nghiên cứu 23

3.1.3 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 23

3.2 Nội dung nghiên cứu 24

3.3 Phương pháp phân tích và đo đạc 24

3.3.1 Xác định các chỉ tiêu hóa lý 24

3.3 Bố trí thí nghiệm 26

3.3.1 Xác định các thông số ảnh hưởng đến quá trình nấu chiết Alginate 26

3.3.2 Xác định yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thu nhận Alginate 30

3.3.3 Xác định bao bì bao gói chế phẩm 31

PHẦN 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

4.1 Xác định thành phân hóa học chính của rong Mơ và bã rong Mơ 32

4.2 Xác định thông số ảnh hưởng đến nấu chiết Alginate từ bã rong Mơ 32

4.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ dung môi đến hiệu quả nấu chiết Alginate 32

4.2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/dung môi liệu đến hiệu quả nấu chiết Alginate 33

4.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu chiết đến hiệu quả nấu chiết Alginate 35

4.2.4 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả nấu chiết Alginate 36

4.3 Xác định yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thu nhận Alginate 37

4.3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ CaCl2/Alginate đến khả năng thu nhận và lọc tủa Alginate 37

4.3.2 Ảnh hưởng của NaOCl 1% lên độ nhớt và độ màu Alginate 38

4.4 Xác định vật liệu bao gói chế phẩm 39

4.5 Đưa ra quy trình tách chiết Alginate từ bã rong Mơ 40

Phần 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42

5.1 Kết luận 42

5.2 Kiến nghị 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

PHẦN 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Việt Nam có hệ thực vật, động vật vô cùng phong phú Hệ sinh vật biển góp phần tạo nên sự phong phú và giàu có ấy Với lợi thế bờ biển dài 3260km, điều kiện khí hậu thuận lợi nên rất thích hợp cho khai thác thủy hải sản Ngoài những sản phẩm động vật như: cá, tôm, cua, mực…còn các sản phẩm có nguồn gốc thực vật từ biển cũng rất có giá trị, trong đó rong Mơ là loại sản phẩm biển có giá trị dinh dưỡng và giá trị kinh tế cao

Rong Mơ (Sargassum) là một trong những loài rong biển chiếm ưu thế ở vùng ven

biển miền Trung nói chung và khu vực Bắc đèo Hải Vân nói riêng bởi sự đa dạng về thành phần loài và sản lượng tự nhiên cao nhất Với hàm lượng axit alginic cao, rong Mơ

là một nguồn nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp sản xuất Alginate

Sự đa dạng về cấu trúc đã tạo nên cho Alginate những tính chất đặc thù, làm cho nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và được xem là một trong những polysaccaride có nhiều ứng dụng nhất Các ứng dụng truyền thống của Alginate đều liên quan đến khả năng giữ nước, tạo gel, tạo độ nhớt và tính chất ổn định của nó Các ứng dụng nghiên cứu gần đây cho thấy Alginate có nhiều ứng dụng trong công nghệ sinh: làm chất nền cố định cho tế bào sản xuất các hóa chất trong trong thực phẩm, sản xuất kháng thể dòng, sản xuất giống nhân tạo hàng loạt bằng phương pháp cấy mô…

Trên thế giới, nhiều công trình nghiên cứu sản xuất Alginate và các chế phẩm

đã được công bố cho thấy Alginate ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và đời sống

Hiện nay ở Việt nam đã có rất nhiều công trình nghiên cứu tách chiết Alginate và ứng dụng của nó vào trong công nghiệp Tuy nhiên việc nghiên cứu thu nhận Alginate

từ phụ phẩm rong Mơ cụ thể là từ bã rong Mơ sau khi trích ly fucoxanthin còn rất ít Vì vậy sản xuất Alginate từ bã rong Mơ là rất cần thiết, nhằm gia tăng giá trị sử dụng của rong

Mơ, tăng khả năng tận dụng nguồn phụ phẩm Chính vì những ý do này mà tôi tiến hành

nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu quy trình tách chiết Alginate từ bã rong Mơ”

1.1 Mục đích và yêu cầu

1.1.1 Mục đích

Nghiên cứu quy trình tách chiết Alginate từ bã rong Mơ

1.1.2 Yêu cầu

- Xác định được thành phần hóa học chính của rong Mơ và bã rong Mơ

- Xác định các thông số ảnh hưởng đến quá trình nấu chiết Alginate

- Xác định yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thu nhận Alginate

- Xác định bao bì bao gói chế phẩm Alginate

- Xây dựng được quy trình tách chiết Alginate từ bã rong Mơ

PHẦN 2 TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu chung về rong Mơ

2.1.1 Nguồn gốc, sự phân bố rong Mơ

Các loài rong Mơ Việt Nam chủ yếu thuộc chi rong Mơ (Sargassum), họ rong Mơ (Sgarssaceae), bộ rong đuôi ngựa (Fucales) ngành rong nâu (Phaeophyta) Đây là nhóm

rong biển có thành phần loài phong phú, phân bố phổ biến, sản lượng cao và là nguồn lợi

tự nhiên lớn nhất trong nguồn lợi rong biển Việt Nam

Rong Mơ có tên khoa học là Sargassum, được đặt tên bởi các thủy thủ Bồ Đào Nha

đã tìm thấy nó trong biển Sargasso Rong Mơ phân bố chủ yếu ở Trung Quốc, Nhật Bản, Philippin, Úc,… Ở Việt Nam loại thực vật này phân bố rộng, kéo dài từ vùng biển Quảng Ninh đến Kiên Giang và các hải đảo, tập trung nhiều nhất ở vùng bờ biển của thành phố Đà Nẵng và các tỉnh Quảng Nam, Bình Định, Khánh Hòa, Ninh Thuận, Quảng Ninh rất thuận lợi cho việc khai thác và vận chuyển Tuy nhiên do mùa vụ ngắn nên cần có biện pháp xử lý và bảo quản nguyên liệu để có thể sử dụng cho cả năm [3]

Sản lượng rong Mơ vùng ven biển nước ta khoảng 30000-35000 tấn tươi trên năm Năng suất ở các vùng tập trung đó có khi lên đến 7kg/m2 mặt nước, bình quân trên dưới 5,5 kg/m2, đặc biệt có những nơi sinh khối lên tới hơn 12kg/m2

tạo nên nguồn nguyên liệu bền vững cho việc khai thác chế biến [3]

Ở nước ta, số loài rong Mơ ở vùng biển phía Bắc nhiều hơn, bao gồm các loài

quen thuộc như rong Mơ sừng dài S sliquarum, rong Mơ mảnh S grucillium, rong

Mơ tro S glaucescens, rong Mơ thỏi gai S cinereum, rong Mơ chổi S virgatum và rong Mơ lá dài S augustifolium Nhưng trữ lượng rong Mơ lại lớn hơn nhiều lần ở

khu vực các vùng bờ miền Trung, miền Nam và vùng hải đảo Đặc biệt chúng phát triển rất mạnh với mật độ cá thể cao ở Hòn Chồng và Bãi Tiên thuộc tỉnh Khánh Hòa, và ở Sơn Hải, Cà Ná, Mỹ Tân thuộc tỉnh Ninh Thuận Các loài thường gặp và

có sản lượng cao như S mcclurei, S polycystum, S henslowianum, S carpophyllum,

S aemulum, S crassifolium, S binderi,…[6]

2.1.2 Đặc điểm thực vật học của rong Mơ

Rong Mơ dài hay ngắn tùy loài và tùy điều kiện môi trường, rong Mơ dài từ vài chục cm cho đến vài ba mét hay hơn Chúng bám vào vật bám nhờ đĩa bám hay

hệ thống rễ bò phân nhánh Đĩa bám thường chắc hơn rễ và sóng biển thường đánh đứt rong hơn là nhổ được đĩa bám Thân rong gồm một trục chính rất ngắn, đa số thường dài trên dưới 1 cm, hình trụ, sần sùi Đỉnh của trục chính sẽ phân ra từ 2 cho đến 4 – 5 nhánh chính Hai bên nhánh chính mọc ra nhiều nhánh bên Các nhánh chính và nhánh bên sẽ tạo ra chiều dài của rong Chiều dài này khác nhau tùy các chi, loài và trong cùng một loài kích thước này cũng thay đổi tùy điều kiện sống, tùy nơi phân bố Trên các nhánh có các cơ quan dinh dưỡng gần giống như lá và các túi chứa đầy không khí gọi là phao Khi rong trưởng thành, trên các nhánh bên sẽ mọc ra các nhánh thụ, ngắn (thường từ tháng 3 đến tháng 6), có mang nhiều cơ quan sinh sản đực và cái gọi là đế [6]

Cơ quan sinh sản của rong Mơ có hình trụ tròn hoặc hình lăng trụ, nhẵn có gai, nguyên hoặc chia nhánh, thường mọc thành chùm Trên cơ quan sinh sản có thể có

lá hoặc túi khí [6]

Hình 2.1: Hình ảnh về rong Mơ

2.1.3 Thành phần chính của rong Mơ

Thành phần chính có trong rong Mơ là glucoside, gồm nhóm monosaccaride

và polysaccaride Nhóm monosaccride gồm các đường đơn với các tỷ lệ khác nhau như mannitol, glactose, mantose nhóm polysaccride gồm Alginate, fucoxanthin, fucoidan, cellulose Hàm lượng axit alginic trong các loại rong Mơ chiếm khoảng 20-30% so với trọng lượng khô, mannitol với hàm lượng 7-10% trọng lượng khô Hàm lượng protein có từ 5 – 15% Tổng lượng khoáng có từ 20 – 40% trong đó có đầy

đủ các nguyên tố khoáng cần thiết cho cơ thể sinh vật, đặc biệt là iod với hàm lượng từ 0,08 – 0,34% làm cho rong Mơ là nguồn dược liệu để chữa bệnh bướu cổ Ngoài ra rong

Mơ còn chứa các phospho lipid dùng trong y dược và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác… Hàm lượng axit alginic phụ thuộc vào loại rong, vị trí môi trường mà rong phân bố [6]

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của một số loài rong Mơ tại Việt Nam [6]

Theo kết quả nghiên cứu về thành phần dinh dưỡng và hóa học của loài

Sargassum naozhouense (tính theo trọng lượng khô) có hàm lượng protein 11,20%,

chất khoáng 35,18%, lipid 1,06%, carbohydrate tổng số 47,73%, và chất xơ tổng số 4,83% [14]

Rong Mơ có khả năng tích lũy hàng loạt các nguyên tố hóa học, nồng độ các nguyên tố này trong tro của chúng có thể gấp hàng, hàng triệu lần so với trong nước biển Đã tìm thấy khá nhiều nguyên tố hóa học trong rong Mơ: Al, Si, Mg, Ca, Sr,

Ba, Fe, Mn, Ti, Co, Ni, Cr, Sn, Ag, Bi, Cu, Pb, Zn, Na, K… [4]

Bảng 2.2 Hàm lượng các nguyên tố khoáng trong một số loài rong Mơ

2.1.4 Giá trị của rong Mơ

2.1.4.1 Vai trò của rong Mơ với tự nhiên

Rong Mơ chiếm tỉ lệ thành phần loài và trữ lượng lớn nhất so với các loài khác của ngành rong Nâu Chúng góp phần quan trọng vào việc bảo tồn nguồn lợi

đa dạng sinh học vùng biển ven bờ, mắt xích trong chuỗi thức ăn, nơi cư trú, bãi đẻ của nhiều loài sinh v ật như các loài thân mềm (ốc cối, ốc nhảy…), các loài giáp xác (cua, tôm) hay các loài cá (cá ngựa, cá sơn…)

Rong Mơ có khả năng làm sạch các chất thải phóng xạ trong môi trườg nước Hàm lượng Strongti (Sr) trong rong Mơ khoảng 10-3g/g như vậy rong Mơ tích tụ Sr trong cơ thể chúng lớn hơn 100 lần so với nước biển Khả năng tích tụ Sr có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với môi trường vì Srlà thành phần của chất thải phóng xạ Người ta cũng đã phát hiện chất Alginate natri chiết từ rong Mơ có thể chữa được bệnh nhiễm phóng xạ vì chất này uống vào sẽ hấp thu Sr phóng xạ rồi thải ra ngoài trước khi chất phóng xạ này xâm nhập vào máu, tủy xương [6]

2.1.4.2 Vai trò của rong Mơ với con người

Rong Mơ được sử dụng đầu tiên ở Nhật Bản và Trung Quốc trong vai trò là nguồn thực phẩm quan trọng Ở Việt Nam, rong Mơ ít được sử dụng làm thực phẩm, đa phần trong số chúng được dùng làm thức ăn cho gia súc và được coi là nguồn cung cấp khoáng và các nguyên tố vi lượng quan trọng (P, S, K, Cu, Fe, Mn, Co, Mo,…), hay sử dụng làm phân bón cho các loại thuốc lá, khoai lang, hành tỏi, rau xanh, các loại hoa … Hàm lượng iod trong rong Mơ (0,25 – 0,35% khối lượng khô) cao hơn hàm lượng iod của các cây trên lục địa vài trăm lần Rong Mơ được sử dụng như một loại dược thảo chữa bệnh bướu cổ, nó không chỉ cung cấp iod và các nguyên tố vi lượng cho con người mà còn cung cấp một số vitamin như A, B, C, D, E, K và hầu hết các axit amin không tay thế

Axit alginic có trong vách t ế bào của rong Mơ có ý nghĩa rất lớn Đây là loại nguyên liệu quan trọng dùng để chiết keo Alginate, dùng trong nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp giấy, sơn, cao su, phim ảnh, mỹ phẩm, công nghiệp thực phẩm, hoặc thay thế cacbon metyl cellulose làm phụ gia cho xi măng dùng cho giếng khoan dầu ở biển, có tác dụng làm tăng thời gian quánh của xi măng, giải quyết sự cố xi măng đông kết sớm gây khó khăn cho quá trình xây dựng các công trình, có độ bền uốn cao hơn đảm bảo độ bền cho công trình Keo Alginate còn được ứ ng du ̣ng sản xuất mô ̣t số du ̣ng cu ̣ trong ngành y (băng ga ̣c, chân tay giả,…)

Mannitol là một loại đường có giá trị trong rong Mơ Loại đường rượu này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm Nó có tác dụng ngăn ngừa hoặc điều trị nước trong cơ thể dư thừa Mannitol là giải pháp hiệu quả làm giảm áp suất trong mắt, giảm sưng não sau chấn thương đầu, điều trị bệnh giãn mạch vành, trị ung thư rất có lợi cho người bị bệnh tiểu đường, …

2.1.5 Tình hình khai thác và tiêu thụ rong Mơ ở nước ta

Ở Việt Nam đã thấy hơn 50 loài rong Mơ, rong Mơ phát triển trên vùng bãi triều nền cứng Các nguồn dự trữ lớn nhất của rong Mơ tập trung ở phía Bắc ở vịnh Bắc Bộ, ở miền Trung và ven bờ biển phía nam Việt Nam ở vịnh Thái Lan Mùa sinh trưởng đối với hầu hết các loài rong Mơ kéo dài từ tháng 11 đến tháng 6 [9]

Thời gian thu tốt nhất là khoảng thời gian từ tháng 5 đến tháng 6 Những loài rong

Mơ sống sâu phát triển quanh năm Sản lượng của rong Mơ Việt Nam trên 15000 tấn khô/năm, người ta chỉ sử dụng một phần từ 300 – 500 tấn tươi/năm Hiện nay, do tăng mạnh nhu cầu đối với rong Mơ (xuất khẩu sang Trung Quốc) và sự tăng giá bán lên hơn

25 lần trong việc thu mua toàn bộ sinh khối của rong Mơ, dẫn đến sự khai thác tùy tiện của người dân, rong Mơ bị cắt sát đáy hoặc bị cắt tất cả trong suốt thời kỳ sinh trưởng

Sự sử dụng bất hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên này đã dẫn đến sự giảm mạnh sản lượng rong Mơ xuống nhiều lần, và sau 2 – 3 năm rong Mơ Việt Nam có thể chỉ còn lại rất ít hoặc nghiêm trọng hơn là bị hủy hoại hoàn toàn (trừ khi các biện pháp khẩn cấp cấm khai thác rong Mơ bừa bãi được ban hành) Sự triệt tiêu các bãi rong Mơ sẽ dẫn đến thảm họa cho toàn bộ vùng ven bờ biển của Việt Nam: việc phá hủy các rạn san hô, phá hủy các hệ sinh thái, làm giảm hoặc biến mất các loài cá ven bờ ăn sinh vật đáy, cũng như những động vật hữu ích như nhím biển, một số chân bụng và động vật giáp xác [9]

Bảng 2.3: Diện tích, năng suất và mùa vụ rong Mơ theo vùng biển một số tỉnh

của Việt Nam [6]

Quảng Nam – Đà Nẵng 190000 2 – 7 3, 4, 5

Vùng biển Khánh Hòa có diện tích rong Mơ cao nhất, tổng diện tích lên đến

2000000 m2, sinh lượng khá cao, có thể lên tới 5,5 kg/m2, trữ lượng có thể khai thác hàng năm ước tính hơn 11000 tấn rong tươi [8]

Theo kết quả khảo sát của Bùi Minh Lý, Viện nghiên cứu và ứng dụng công nghệ Nha Trang cho thấy: “rong Mơ là loài chiếm ưu thế nhất ở các khu vực với trữ lượng chiếm 98% tổng trữ lượng của các bãi rong, mật độ cây trung bình 43,8 ± 20,2 cây/m2 và sinh lượng trung bình đạt 456 ± 64,2 g khô/m2” [2]

2.2 Giới thiệu về Alginate

2.2.1 Đặc điểm, cấu tạo, tính chất của Alginate

2.2.1.1 Đặc điểm, cấu tạo của Alginate

Alginate là tên gọi chung của các muối axit alginic, đó là một polymer mạch thẳng được tạo thành từ hai gốc monomer là axit β- D- mannuronic(M) và axit α- L-gulunoric (G) liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucoside một cách ngẫu nhiên trên mạch Alginate Cấu tạo của hai monomer theo công thức cổ điển được chỉ ra theo hình, theo công thức này, hai monome chỉ khác nhau ở chỗ nhóm carboxyl nằm trên và dưới mặt phẳng của vòng pyranose [12]

Axit alginic có công thức cấu tạo như sau:

Hình 2.2: Công thức cấu tạo cổ điển của hai đơn vị monomer

Hình 2.3: Công thức phân tử của axit alginic

2.2.2 Tính chất của Alginate

 Độ tan

- Axit alginic có tính axit yếu, không màu, không mùi, không vị, không tan trong dung môi hữu cơ và nước

- Là chất có tính hút nước trương nở khi ngâm trong nước

- Axit alginic hòa tan trong dung dịch kiềm hóa trị I và tạo dung dịch muối kiềm có hóa trị I hòa tan có độ nhớt cao

Khi cho axit mạnh tác dụng với muối kiềm Alginate thì axit alginic được tách ra kết tủa nổi lên bề mặt dung dịch Tính chất này rất quan trọng được ứng dụng vào quy trình chiết tách Aginate Các muối Alginate tan được trong các dung môi như alcol, ceton… và hòa tan dễ dàng hơn khi đun nóng

Độ nhớt dung dịch Alginate còn phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt giảm khoảng 2,5% cho 10C Khi làm nguội, độ nhớt quay về giá trị thấp hơn ban đầu Tuy nhiên nếu duy trì nhiệt độ 500C trong nhiều giờ thì sẽ làm Alginate cắt mạch và độ nhớt giảm Trái lại khi hạ độ nhớt đến điểm đông đặc và sau đó rã băng

sẽ không làm độ nhớt giảm [8,9,11]

Độ nhớt của dung dịch Alginate không bị giảm trong khoảng pH từ 5-11, ở pH dưới 5, các ion -COO- bắt đầu bị proton hóa thành –COOH, do đó lực đẩy tĩnh điện giữa các chuỗi bị giảm, chúng trở nên gần nhau hơn và tạo liên kết hydro, làm tăng

độ nhớt Khi pH bị xuống khoảng từ 3-4 sẽ tạo thành gel Nếu Alginate có chứa một

ít ion Ca2+, sự tạo gel còn sớm hơn nữa, khoảng pH = 5 Nếu pH giảm nhanh từ 6 xuống 2, sẽ tạo thành kết tủa của axit alginic Khi pH trên 11, Alginate sẽ bị depolyme hóa từ từ và giảm độ nhớt Liên kết glucoside rất nhạy cảm với cả axit và kiềm, do đó dưới các điều kiện thuận tiện cho việc thủy phân, Alginate sẽ bị cắt

mạch rất nhanh chóng Ngoài ra, tác dụng oxy hóa bởi các gốc tự do cũng làm cho dung dịch Alginate giảm độ nhớt

Một vấn đề cần lưu ý là bột Alginate natri khô, ở nhiệt độ thường sẽ bị cắt mạch và giảm khối lượng phân tử chỉ trong vài tháng Nếu hạ nhiệt độ và bảo quản nơi tối, sẽ duy trì được lâu hơn Nếu đông sâu có thể bảo quản được vài năm mà không giảm đáng kể khối lượng phân tử Nếu hạ nhiệt độ và bảo quản nơi tối sẽ duy trì được lâu hơn Ngược lại, axit alginic khô rất kém ổn định ở nhiệt độ thường do

nó bị thủy phân dưới tác động của sự thủy phân nội phân tử do axit xúc tác [13]

 Khả năng tạo gel

Đây là một tính chất quan trọng của Alginate

Dung dịch Alginate natri có khả năng tạo gel với sự tham gia của những ion hóa trị 2 và 3, môi trường axit ( pH<4) dung dịch Alginate sẽ tạo gel Các gel này được tạo ở nhiệt độ phòng hay bất cứ nhiệt độ nào cho đến 100o

C và chúng không tan chảy khi nung nóng

Khả năng tạo gel được giải thích bằng mô hình cấu trúc phân tử Alginate-mô hình “ vi trứng”

Hình 2.4: Quá trình tạo gel Alginate với canxi

 Tạo màng

Các Alginate có khả năng tạo màng tốt Các màng rất đàn hồi, chịu dầu và không dính bệt, các màng có khả năng ngăn cản oxy và lipid thấm qua tế bào ức chế

được hiện tượng oxy hóa chất béo và các thành phần khác trong thực phẩm, bên cạnh đó màng có khả năng làm giảm sự thất thoát ẩm

Màng Alginate được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thực phẩm nhằm tăng thời gian sử dụng và bảo quản chất lượng sản phẩm được lâu hơn…

2.3 Ứng dụng của Alginate

2.3.1 Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Sử dụng trong các loại nước sốt, súp và trội nhất là trong kem Thêm Alginate có thể làm kem không nhớt và tạo bề mặt để bao gói với vỏ plastic Trong kem, Alginate đóng vai trò như một chất kiềm, thêm Alginate sẽ giảm sự tạo thành tinh thể đá trong suốt quá trình giữ lạnh, tạo cảm giác mềm cho sản phẩm Đây là sự khác biệt giữa kem thương mại và kem làm tại nhà Khi không có Alginate hoặc những chất làm bền tương tự, tinh thể đá sẽ phát triển lớn, mang lại cảm giác cứng miệng Alginate cũng làm giảm tốc độ tan chảy của kem Khi có Alginate sẽ làm cho kem mịn hơn

Nhũ tương nước trong dầu như mayonnasies, salad gia vị thì có ít khả năng phân lớp thành dầu và nước nếu được tạo sệt với Alginate Alginate được sử dụng trong các loại nước uống cô đặc, bơ bánh kẹo, phomat vì nó có khả năng làm quánh, cô định cấu trúc sản phẩm Trong sản xuất chocolate và các chất ngọt cao, khi Alginate thích hợp được thêm vào, nó có thể làm tăng nhiệt độ nóng chảy của sản phẩm, nâng cao độ bền của nó và làm cho nó không dính

Các Alginate có ứng dụng rất nhiều trong công nghệ thực phẩm Alginate natri là hợp phần tạo kết cấu cho nhiều sản phẩm thực phẩm

Một hợp chất của axit alginic có tên là Lamizell là một Alginate kép của Alginate natri và canxi với một tỷ lệ nhất định Lamizell tạo ra độ nhớt đặc biệt và cho khả năng ăn ngon miệng do đó rất được quan tâm trong công nghệ thực phẩm Alginate được dùng trong một số sản phẩm chống năng lượng và 1g Alginate chỉ cung cấp khoảng 1,4 kcal

Ngoài ra màng Alginate canxi giúp bảo quản cá thịt đông lạnh tốt hơn, tránh được mùi khó chịu cũng như hạn chế sự oxy hóa, tiếp xúc trực tiếp với không khí

2.3.2 Ứng dụng trong công nghệ dệt

Alginate có độ nhớt cao, tính mao dẫn kém, khi khô trong suốt, có tính đàn hồi tốt Vì thế người ta dùng hồ vải cho sợi bền và chịu được co sát, giảm bớt tỷ

lệ sợi đứt và nâng cao hiệu suất dệt

Trong công nghệ in hoa Alginate là chất tạo thuốc nhuộm có độ dính cao đáng kể, in hoa không nhòe và rõ ràng, ngoài ra còn dùng làm cho vải không thấm nước

2.3.3 Ứng dụng trong công nghệ in

Alginate làm cho giấy bóng, dai, không gẫy, mức độ khô nhanh, do đó làm nguyên liệu để giấy chống cháy Ngoài ra Alginate natri còn làm chất kết dính trong mực in

2.3.4 Ứng dụng trong y học

Trong y học Alginate được dùng làm chất trị bệnh phóng xạ vì khi người bệnh ăn Alginate natri thì nó kết hợp với strongti rồi thải ra ngoài Hiệu suất chữa bệnh khá cao

Tác động làm giảm tốc độ hấp thu qua thành ruột (giảm tốc độ tiêu hóa thức ăn, từ đó giảm béo phì cho người sử dụng)

Tác động làm giảm cholesterol trong máu, thay đổi hệ vi sinh vật đường ruột

Nó còn làm tăng hiệu quả chữa bệnh của penicillin vì có mặt của Alginate natri sẽ làm cho penicillin tồn tại lâu hơn trong máu

Trong công nghệ bào chế thuốc Alignate được sử dụng làm chất ổn định, nhũ tương hóa hay chất tạo đặc cho dung dịch, làm vỏ bọc cho thuốc, làm chất phụ gia chế các loại thức ăn kiêng

Trong nha khoa dùng axit alginic thay cho thạch cao để làm khuôn răng, nó giữu cho hình của răng chính xác

2.4 Giới thiệu quá trình tách chiết

2.4.1 Cơ sở khoa học của quá trình tách chiết

Tách chiết là phương pháp sử dụng dung môi để lấy các chất tan ra khỏi các

mô thực vật Sản phẩm thu được của quá trình tách chiết là một dung dịch của các

chất hòa tan trong dung môi Dung dịch này được gọi là dịch chiết Bản chất của quá trình chiết nguyên liệu bằng dung môi là quá trình di chuyển vật chất của hai pha rắn lỏng, trong đó dung môi là pha lỏng, còn nguyên liệu là pha rắn Có ba quá trình quan trọng xảy ra trong quá trình tách chiết:

- Sự thâm nhậm của dug môi vào nguyên liệu

- Hòa tan các chất trong nguyên liệu

 Phương pháp axit hóa

Thêm axit H2SO4 hoặc HCl loãng vào trong dịch chứa Alginate natri, thu được axit alginic dạng gel nổi lên trên bề mặt và có thể tách ra Tuy nhiên axit alginic bị trương nước (chế phẩm alginic chứa tối 95-98% là nước) khó tách và làm khô

Vì tính chất của gel (kết tủa) này quá mềm nên người ta không thể sử dụng quá trình lọc hoặc nén ép để thu gel Phương pháp ly tâm lọc được sử dụng Trong phương pháp ly tâm, dịch được bơm vào thùng ly tâm có lót lớp vải lọc, lực ly tâm

sẽ thúc đẩy quá trình lọc

Sau quá trình ly tâm lượng gel đạt tới 7-8% Hỗn hợp này được trộn với cồn sao cho tỉ lệ cồn/ nước là 1/1, đồng thời Na3CO3 được cho vào để trung hòa axit tạo Alginate natri (sản phẩm ta muốn thu)

Alginate natri không tan trong hỗn hợp cồn nước, vì vậy gel này đủ chắc nên người ta có thể dùng nén ép để loại bỏ nước và cồn Sau quá trình ta thu được dạng past của Alginate natri [16]

Ưu điểm:

- Thời gian nhanh

- Tạo các alginic tự do đây là một bán chế phẩm có thể sử dụng để sản xuất các loại Alginate khác trong công nghiệp

- Các bước thực hiện ngắn gọn hơn phương pháp canxi hóa: không có các bước phụ

Nhược điểm:

- Sử dụng cồn ảnh hưởng đến sản phẩm, khó tách được gel alginic ra khỏi nước

- Thêm quá trình tái thu cồn

 Phương pháp Canxi hóa

Khi hòa muối canxi vào dung dịch muối Alginate natri, kết tủa muối Alginate canxi được tạo thành Nếu CaCl2 và phần dịch lọc được trộn một cách cẩn thẩn thì Alginate canxi có thể tạo thành sợi, trộn không tốt chỉ tạo thành một khối gel rắn Những sợi này có thể được phân tách bằng lọc qua sàng kim loại và được rửa với nước để loại bỏ phần muối canxi dư

Sau đó nó được pha với axit loãng và chuyển đổi sang gel axit alginic, nhưng vẫn giữ được tính chất sợi như Alginate canxi vì vậy có thể sử dụng phương pháp ép trục vít để loại bỏ nước Sản phẩm sau quá trình nén ép trông gần như một khối rắn nhưng vẫn chỉ chứa đựng khoảng 20-25% axit alginic Tuy nhiên nó đủ khô để tạo dạng past khi trộn natri cacbonat để chuyển đỏi sang dạng Alginate natri Na2CO3 được cho vào Alginate cho tới khi đạt pH yêu cầu [16]

Ưu điểm:

- Thu được các sợi Alginate một cách dễ dàng hơn thu từ quá trình axit hóa

- Phản ứng diễn ra nhanh

Nhược điểm:

- Thêm các bước chuyển đổi phụ làm cho quá trình kéo dài: muốn có gel

alginic cần phải axi hóa

Từ ưu điểm của phương pháp Canxi hóa tôi sử dụng phương pháp này để thực hiện quá trình thu nhận Alginate

2.4.3 Quy trình tách chiết Alginate bằng phương pháp Canxi hóa

Hình 2.5 Sơ đồ quy trình tách chiết Alginate bằng phương pháp canxi hóa

Na2CO3

H2SO4 NaOCl

2.4.3.1 Quá trình xử lý hóa học

 Xử lý formol

Mục đích:

- Tăng khả năng loại màu

- Bảo vệ Alginate trong suốt quá trình công nghệ

- Hạn chế protein trong dịch chiết

Ưu điểm: làm tặng hiệu suất và chất lượng đáng kể

Nhược điểm: nếu dùng với liều lượng lớn sẽ gây độc

- Làm mềm cellulose của cây rong tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nấu chiết

- Axit có tác dụng hòa tan các thành phần phi Alginate chủ yếu: chất màu và một số chất khác

Phản ứng diễn ra khi ngâm trong axit:

Ca(Alg)2 +H+ 2HAlg + Ca2+

Axit alginic được giải phóng sẽ dễ dàng tương tác vói kiềm hóa trị I để tạo muối kiềm hòa tan trong công đoạn nấu chiết

Thường sử dụng HCl, H2SO4 xử lý thì phẩn ứng tách sẽ xảy ra như sau:

[(C5H7O4COO)2Ca]n + 2nHCl 2C5H7O4COOH + nCaCl2

[(C5H7O4COO)2Ca]n + nH2SO4 2C5H7O4COOH + nCaSO4

Xử lý axit làm cho quá trình tách thuận lợi hơn, ít chất màu, giảm thiểu sự giảm độ nhớt do sự có mặt của các hợp chất phenol

2.4.3.2 Quá trình tách chiết và thu nhận Alginate

Nguyên tắc: Dùng CaCl2 cho vào dịch lọc, tạo Alginat Canxi kết tủa

Có thể sử dụng các chất có khả năng oxy hóa được các sắc tố hoặc có khả năng hấp thụ hoặc loại bỏ được các sắc tố ra khỏi các chất keo rong

Phản ứng xảy ra:

2nC5H7O4COONa + nCaCl2 2nC5H7O4COOCa + 2nNaCl

2nC5H7O4COONa + n H2So4 2nC5H7O4COOH + CaSO4

Cho axit vào thực hiện quá trình axit hóa Khi pH 2-3 thì quá trình tạo gel alginic sẽ xảy ra hoàn toàn Trong thực tế, người ta pha axit sunfuric công nghiệp thành 10%, sau đó rót từ từ vào dịch lọc và khấy đảo đầu, kết tủa dạng bọt biển sẽ nổi lên trên sau đó vớt tủa ra

số chất như: NaOCl, H2O2 hoặc KMnO4

Tuy nhiên NaOCl thường được sử dụng để tẩy màu vì nó có nhiều ưu điểm hơn:

- NaOCl tẩy màu mạnh hơn thuốc tím và chi phí lại thấp, hơn nữa thuốc tím còn dư phải dùng thuốc để khử

- NaOCl ít ảnh hưởng đến độ nhớt của Alginate

 Trung hòa Alginic để thu Alginate natri

Muốn có Alginate-Na tinh chế ta cho axit alginic có độ ẩm 70-80% trung hòa với Na2CO3 Lượng Na2CO3 trung hòa tùy theo lượng axit alginic tinh khiết Thông thường người ta cho Na2CO3 tinh khiết vào từ từ, đồng thời khuấy đảo mạnh đều để phản ứng hoàn toàn Thử bằng cách kiểm tra lại pH = 7-8 là được hay dung dịch Alginate không còn sủi bọt nữa trở nên đồng đều và keo

 Sấy

Sử dụng phương pháp sấy khô chân không ở nhiệt độ 45-50oC

2.4.3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nấu chiết Alginate

 Chất kiềm

- Nguyên tắc: có thể sử dụng mọi loại kiềm

- Có hai loại kiềm:

 Kiềm mạnh: KOH, NaOH…

 Kiềm yếu: Na2CO3, Na2HPO4…

Trong thực tế thường sử dụng Na2CO3 để nấu chiết

Na2CO3 1-4%

 Nhiệt độ nấu chiết

Cần phải xác định nhiệt độ nấu chiết thích hợp để vừa có được hiệu quả nấu chiết Alginate cao mà vẫn đảm bảo chất lượng Thời gian ngắn quá thì hiệu suất tách chiết giảm, độ nhớt của Alginate cũng giảm, thời gian dài quá cũng thế

Thực hiện nhanh và triệt để, để phản ứng giữa axit alginic với kiềm tạo Alginate hòa tan Giảm độ nhớt môi trường tạo điều kiện cho quá trình hòa tan Alginate natri trong dung dịch

Đặc điểm của dung dịch keo rong là có độ nhớt cao Do vậy cần phải nấu ở nhiệt độ cao tăng cường cho quá trình hòa tan, nhiệt độ cao thúc đẩy phản ứng nhanh, rong nhanh nát, thời gian nấu chiết ngắn Ngô Đăng Nghĩa đưa ra điều kiện

chiết tối ưu về rong S.mcclurei với nhiệt độ chiết là 55-60oC và thời gian chiết 2-3h Tuy nguyên liệu bã thải rong Mơ khác với nguyên liệu ban đầu ỏ chỗ đã được thủy phân 3 lần trong môi trường ethanol 960, chính vì vậy mà bã rong này có màng cellulose bị bào mòn và các liên kết chứa Alginate cũng như thế Do vậy nhiệt độ nấu chiết nằm trong khoảng 25-400C

 Thời gian nấu chiết

Cần phải xác định thời gian nấu chiết thích hợp, đủ để Na2CO3 thấm vào tế bào, trao đổi ion và thời gian Alginate natri khuếch tán ra ngoài Thời gian quá ngắn hoặc dài thì đều ảnh hưởng đến hiệu quả nấu chiết Alginate

 Lượng dịch nấu

Lượng dung dịch nấu cần hợp lý, nếu lượng kiềm quá thấp, làm cho nồng

độ chất keo cao, dẫn đến khả năng hòa tan keo rong từ nguyên liệu ra dung dịch giảm, độ nhớt của dịch nấu tăng, cản trở quá trình khuấy đảo, cản trở khâu lọc, làm cho hiệu suất chiết giảm Nếu lượng dung dịch kiềm quá cao, thì gây khó khăn cho quy trình sản xuất, giảm năng suất dây chuyền, khả năng cắt mạch glucoside lớn làm giảm chất lượng Alginate

2.5 Tình hình nghiên cứu và sản xuất Alginate trong nước và trên thế giới

 Tình hình nghiên cứu, sản xuất Alginate trên thế giới

Trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu về tách chiết và sản xuất Alginate được công bố

Alginate được Standford tách chiết ra lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1881

từ rong nâu Laminaria stenophyllum Năm 1927 Thornley thành lập một công ty để

sản xuất cho Alginate cho ngành đồ hộp tại San Diego Hoa Kỳ Vào năm 1929,

công ty được tổ chức lại thành Kelco Company Ở Anh sản xuất Alginate lần đầu bởi công ty Alginate Industries Ltd vào năm 1934 Đến năm 1979, công ty Alginate Industries Ltd sát nhập vào chi nhánh Kelco Division của công ty Merck ở Hoa Kỳ

và trở thành công ty hàng đầu, chiếm 70% sản lượng Alginate trên thế giới Năm

1995, công ty Merck bán toàn bộ công ty Kelco cho Monsanto, công ty lớn tiếp theo là Protan A/S của Nauy, rồi đến Pháp, Nhật Bản và Trung Quốc Tổng cộng có

17 nhà máy của 9 quốc gia trên thế giới sản xuất Alginate [4,8,15]

Theo César và cộng sự năm (2009), có 3 quy trình tinh chế từ dung dịch Alginate natri chiết xuất được: quy trình sử dụng HCl, quy trình sử dụng ethanol, quy trình sử dụng CaCl2.Sử dụng CaCl2 cho sản phẩm tinh khiết nhất, tuy nhiên hiệu suất lại thấp nhất, độ nhớt giảm, quy trình sử dụng ethanol cho hiệu suất cao nhất

Swee-Yong Chee, Ping-Keong Wong, Ching-Lee Wong (2011), đã thực hiện khảo sát với bốn loài rong S baccularia, S binderi, S siliquosum và Turbinaria conoides theo cả hai phương pháp chiết nóng (500C, 3h) và chiết ở nhiệt độ thường thì hiệu suất của cùng một loài theo cả hai phương pháp không khác nhau nhiều còn

độ nhớt và trọng lượng phân tử theo phương pháp chiết nóng bị giảm mạnh so với

với hai loài S fluitans và S oligocystum, khi tinh chế bằng quy trình sử dụng axit

cũng cho kết luận tương tự

 Tình hình nghiên cứu, sản xuất Alginate trong nước

Tại Việt Nam rong Mơ là nguồn nguyên liệu chính cho sản xuất Alginate, axit alginic chiếm khoảng 20-35% thành phần của rong Mơ Alginate được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, công nghệ sinh học, y học, công nghiệp giấy, công nghiệp dệt và tơ nhân tạo vv…

Việc nghiên cứu tách chiết Alginate ở nước ta thực hiện lần đầu tiên vào năm

1961 dùng để hồ sợi Bộ môn Chế Biến Trường Đại học Nha Trang (1996) đã tách chiết Alginate từ rong Mơ vùng biển Hải Phòng và đã ứng dụng vào việc in hoa trên vải Sau nhiều công trình nghiên cứu, thạc sỹ Nguyễn Huy Thục (1978) đã nghiên cứu xây dựng phương pháp sản xuất Alginate natri bán cơ giới năng suất 10 tấn/