đặc tính và sản xuất chitosan từ vỏ tôm thải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC  Báo cáo seminar: ĐẶC TÍNH VÀ SẢN XUẤT CHITOSAN TỪ VỎ TƠM THẢI Mục Lục Trang I) Tóm tắt: Mục đích việc nghiên cứu sản xuất chitosan từ vỏ tôm tận dụng nguồn phế phẩm từ sản xuất thủy sản nêu lên thông số đặc trưng cho chất lượng chitosan từ vỏ tôm phế phẩm bao gồm các số liệu suất, độ hòa tan, độ nhớt, trọng lượng phân tử độ deacetylation Kết nghiên cứu cho thấy việc xử lý nhiệt độ thời gian gia nhiệt q trình acetyl hóa ảnh hưởng đáng kể đến suất, độ hòa tan, độ nhớt, trọng lượng phân tử độ deacetylation việc sản xuất chitosan Trong đó, tương tác nhiệt độ thời gian gia nhiệt vào trình deacetylation khơng có tác động đáng kể đến suất, độ hòa tan, độ nhớt, trọng lượng phân tử độ deacetylation chitosan sản xuất Kết tốt nghiên cứu lấy nhiệt độ 100oC thời gian gia nhiệt 80 phút II) Giới thiệu: Tôm sản phẩm thủy sản quan trọng giới kể Indonesia, sản phẩm chủ yếu xuất điều kiện đông lạnh trải qua trình tách đầu vỏ (giáp tơm) Phế phẩm q trình tách gây ô nhiễm môi trường, mùi hôi thiệt hại môi trường mỹ quan Tuy nhiên, phế phẩm có giá trị kinh tế cao cho việc sản xuất chitin chitosan công nghiệp (Budiyanto 1993) Chitin polyme sinh học tạo thành từ đơn phân D-glucosamine Nacetyl với liên kết β (1-4) với giới hạn liên kết thường tìm thấy tự nhiên sau cellulose (Patil et al 2000) Polyme sinh học kết trình deacetylation chitin, gồm đơn vị N-acetyl glucosamine N-glucosamine Sự diện nhóm amin hoạt tính ngun tử C-2 nhóm hydroxyl nguyên tử C-3 C-6 chitosan ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp khác dược phẩm, hóa sinh, cơng nghệ sinh học, mỹ phẩm, y học, công nghiệp giấy, ngành công nghiệp thực phẩm dệt may… Bên cạnh đó, chitosan sử dụng chất nhũ hóa, đơng máu, tác nhân tạo phức, nhũ tương, chất làm đặc Ngồi ra, chitosan sử dụng để thay cho formalin để bảo quản thực phẩm phục vụ tương đối an toàn cho tiêu dùng (Muzzarelli 1985) Trang Ứng dụng chitin chitosan lĩnh vực khác xác định đặc tính chất lượng bao gồm mức độ deacetylation, độ hòa tan, độ nhớt, trọng lượng phân tử Chất lượng chitosan xác định chủ yếu độ deacetylation, mà độ deacetylation tùy thuộc vào vật liệu điều kiện trình nồng độ dung dịch kiềm, nhiệt độ thời gian (Suhardi 1993) Mục tiêu nghiên cứu để có điều kiện tối ưu nhiệt độ thời gian deacetylation chitin chitosan từ vỏ tôm phế thải Nghiên cứu quan trọng đặc biệt việc sử dụng phế phẩm tôm thành sản phẩm có giá trị kinh tế III) Vật liệu phương pháp III.1) Thiết kế thí nghiệm Nhóm thiết kế ngẫu nhiên (RDG) x với hai yếu tố sử dụng nghiên cứu Yếu tố nhiệt độ deacetylation với bốn cấp độ, cụ thể là: 70, 80, 90, 1000C Yếu tố thứ hai thời gian gia nhiệt deacetylation với ba mức độ tức 40, 60, 80 (phút) Xử lý hỗn hợp x = 12 đơn vị với lần lặp lại, dẫn đến 24 nghiệm thức III.2) Chuẩn bị mẫu Vỏ tôm thu thập từ nhà máy sản xuất thủy sản thành phố Banda Aceh, Indonesia Các vỏ tôm thu rửa nước cất, sau mẫu phơi nắng 24h tiếp tục sấy khô lò nhiệt độ 80 oC 24h Các mẫu khô pha trộn rây với lưới 80 meshes Sử dụng khoảng 20g bột vỏ tôm xử lý để làm thí nghiệm phân tích III.3) Giai đoạn deproteination Có tổng cộng 20g mẫu bột vỏ tôm thêm vào 3,5% sodium hydroxide theo tỷ lệ 1:5 (w/v) Trích khuấy lửa để 90 oC, sau dung dịch lọc phần dư rửa nước máy pH trung tính, sau tái sấy khơ lò nhiệt độ 60oC cho dẫn đến bột chitin III.4) Giai đoạn khử khoáng Bột Chitin kết deproteination sau bổ sung Axit 2-Nhydrochloric theo tỷ lệ 1:5 (w/v), để yên 90 oC tách cặn từ dịch lọc, Trang sau phần dư rửa nước cất pH trung tính, sau sấy khơ lò 60oC III.5) Giai đoạn khử màu Việc khử khoáng chiết chitin với acetone 1: (w/v) 41 Soxhlet, sau phần lại tẩy trắng 0,32% sodium hypochlorite phút nhiệt độ phòng, sau phần dư rửa nước cất pH trung tính khơ lò 600C 4h III.6) Deacetylation chitin thành chitosan Cho 5g chitin phản ứng với 50ml sodium hydroxide 50%, sau làm nóng cách sử dụng nóng với nhiệt độ khác (70, 80, 90 100 0C 40, 60, 80 phút, tương ứng), sau lọc phần dư rửa pH trung tính sau sấy khơ lò nung với nhiệt độ 60oC 4h III.7) Phân tích thống kê Tất liệu phân tích theo phương sai (Two Way Anova), so sánh phương tiện sử dụng thử nghiệm nhiều phạm vi Duncan (Zar 1984) Tất phân tích thống kê thực cách sử dụng SPSS IV) Kết thảo luận IV.1) Năng suất khả hòa tan Năng suất Chitosan dao động từ 50,39 - 88,25%, bình quân 67,42%, suất Chitin 40% Phân tích thống kê cho thấy tác động nhiệt độ thời gian ủ nhiệt deacetylation vào sản lượng chitosan đánh giá cao (P 0,05) Ảnh hưởng nhiệt độ đến deacetylation sản lượng chitosan nhìn thấy hình 1, hiệu ứng thời gian gia nhiệt deacetylation sản lượng chitosan hình Nhiều thử nghiệm khoảng Duncan cho thấy suất cao thu nhiệt độ 70 0C (83,73%), khác biệt đáng kể với 800C, 900C 1000C, suất thấp 1000C (54,65%) Nhìn chung, giá trị sản lượng chitosan giảm với gia tăng nhiệt độ, nhiệt độ cao gây trình khử trùng hợp chitosan mà cuối sau gây giảm trọng lượng phân tử chitosan Trang Khả hòa tan chitosan thông số quan trọng chất lượng chitosan, nơi hòa tan cao tạo chitosan tốt (Winarti et al 2008) Khả hòa tan chitosan thu nghiên cứu dao động từ 17,43% đến 95,29%, bình qn 57,52%, khả hòa tan trung bình chitin 20% Phân tích thống kê cho thấy nhiệt độ nóng thời gian gia nhiệt deacetylation ảnh hưởng đáng kể đến sản xuất chitosan (P 0,05) Ảnh hưởng nhiệt độ nóng deacetylation độ hòa tan chitosan nhìn thấy hình 3, hiệu ứng thời gian gia nhiệt deacetylation độ hòa tan chitosan hình Khả hòa tan chitosan dung dịch acid acetic bị ảnh hưởng nhiệt độ thời gian ngâm dung dịch NaOH Axit axetic phân loại axit yếu lớp axit cacboxylic chứa nhóm carboxyl (-COOH) Nhóm cacboxyl chứa cacbonyl nhóm hydroxyl Các điểm sơi đạt 118˚C mùi hắc (Fessenden & Fessenden 1986) Tỷ lệ gia tăng khả hòa tan theo dõi với mức độ ngày tăng deacetylation Điều nhóm acetyl q trình deacetylation chitin cắt rời khỏi nhóm amin Ion H vào nhóm amin để chitosan dễ dàng tương tác với nước thông qua liên kết hydro Thuộc tính chitosan hòa tan axit loãng, chẳng hạn axit axetic, axit formic, axit citric Trang thay thế, ngoại trừ chitosan tan nước Sự diện nhóm carboxyl axit acetic tạo điều kiện cho việc giải thể chitosan tương tác hydro carboxyl nhóm amin chitosan (Li et al 1997) Trong dung dịch axit, nhóm amin tự phù hợp polikationic cho tạo phức kim loại phân tán Do polymer chitosan có tính axit, có cấu trúc thẳng nên hữu ích cho việc keo tụ, tạo thành màng làm bất động enzyme (Winarti et al 2008) Điều hỗ trợ Sanford (1989) acid, nhóm amin tự chitosan proton để tạo thành nhóm amin cation (NH3 +) Cation chitosan phản ứng với polyme anion tạo thành chất điện phân phức tạp IV.2) Độ nhớt Chất lượng chitosan tùy thuộc vào độ nhớt, để tìm khối lượng phân tử chitosan cần phải có giá trị độ nhớt cần thiết, độ nhớt liên quan chặt chẽ với trọng lượng phân tử độ deacetylation Hơn nghiên cứu cho thấy gia tăng độ nhớt chủ yếu chịu ảnh hưởng nhiệt độ tăng lên Việc tăng độ nhớt hàm lượng acetyl chitosan cao, nên nhiệt độ tăng cao, acetyl hòa tan nhiều hơn, làm tăng độ deacetylation tăng độ nhớt (giống gel) với nhiệt độ tăng Các đơn phân deacetylation chitosan cao depolymerization làm giảm độ nhớt trọng lượng phân tử (Bastaman 1989) Trang Độ nhớt chitosan thu nghiên cứu dao động khoảng 172,3-196,8 ml/g với trung bình 184,57 ml/g, nhớt chitin 150,9 ml/g phân tích phương sai cho thấy nhiệt độ thời gian gia nhiệt q trình deacetylation có ảnh hưởng đáng kể giá trị nhớt (P 0,01) Ảnh hưởng nhiệt độ đến deacetylation vào độ nhớt nhìn thấy hình hiệu ứng thời gian gia nhiệt deacetylation nhớt hình IV.3) Trọng lượng phân tử Trọng lượng phân tử chitosan tham số sử dụng tiêu chuẩn chất lượng Do chitosan có trọng lượng phân tử nên áp dụng chất chống vi khuẩn, chống oxy hóa chất chống khối u Chitosan có trọng lượng phân tử trung bình có khả chống cholesterol cao so với chitosan phân tử lượng cao (Brzezinski et al 2004) Trọng lượng phân tử chitosan thu nghiên cứu dao động từ 81948,39 đến 110967,40 g/mol, trọng lượng phân tử trung bình chitosan 92036,83 g/mol, trọng lượng phân tử chitin 150,898 g/mol Kết phương sai cho thấy nhiệt độ nóng, thời gian gia nhiệt vào trình deacetylation tương tác chúng cho hiệu đáng kể (P≤0.05) vào trọng lượng phân tử chitosan Ảnh hưởng nhiệt độ nóng deacetylation vào trọng lượng phân tử chitosan nhìn thấy hình 7, ảnh hưởng thời gian gia nhiệt deacetylation vào trọng lượng phân tử chitosan hình Trang IV.4) Độ Deacetylation Độ Deacetylation chitosan tham số chất lượng quan trọng nghiên cứu Độ deacetylation cho thấy tỷ lệ phần trăm nhóm acetyl loại bỏ từ chitin để sản xuất chitosan Độ Deacetylation cao cho thấy nhóm acetyl chứa chitosan thấp Các nhóm acetyl chitosan tương tác ion liên kết hydro chitosan mạnh mẽ (Winarti et al 2008) Độ Deacetylation chitosan thu nghiên cứu dao động từ 76,26 đến 91,60% với độ trung bình tổng thể deacetylation 82,86% Kết phương sai cho thấy nhiệt độ nóng thời gian gia nhiệt vào q trình deacetylation chitosan ảnh hưởng đáng kể (P≤0.01) đến mức độ deacetylation chitosan sản xuất, tương tác khơng ảnh hưởng đáng kể (P> 0,05) Ảnh hưởng nhiệt độ đến deacetylation mức độ deacetylation chitosan nhìn thấy hình hiệu ứng thời gian gia nhiệt deacetylation mức độ deacetylation chitosan nhìn thấy hình 10 Trang V) Kết luận Dựa kết thu từ nghiên cứu thực hiện, kết luận rằng: (i) suất chitosan 67,42%, suất chitin 40%, (ii) độ tan chitosan 57,52%, (iii) độ nhớt nội 184,57 ml/g, nhớt chitin 150,9 ml/g, (iv) trọng lượng phân tử chitosan 92.036,83 g/mol, (v) deacetylation chitosan 82,86% Các chitosan tốt nghiên cứu dựa khả hòa tan, độ nhớt, trọng lượng phân tử độ deacetylation thu nhiệt độ làm nóng 100 0C thời gian gia nhiệt 80 phút trình deacetylation, suất cao thu nhiệt độ làm nóng 700C, thời gian gia nhiệt 40 phút trình deacetylation TÀI LIỆU THAM KHẢO Bastaman S., 1989 Studies on degradation and extraction of Chitin and Chitosan from Prawn Shell (Nephrops norvegicus) Tesis, Faculty of Engineering, The Queen’s University of Belfast, 119 pp Brzezinski R., Lehoux J G., Kelly A., 2004 Clinical studies on the innocuousness of chitosan and its short-chain derivative generated by enzymatic hydrolysis Asia Pacific Journal of Clinical Nutrition 13:S96 Budiyanto D., 1993 Teknologi Khitin dan Khitosan Direktorat Jenderal Perikanan, Balai Bimbingan dan Pengujian Mutu Perikanan, Jakarta Fessenden R J., Fessenden J S., 1986 Kimia Organik Jilid 2, Edisi Ketiga, Erlangga, Jakarta Trang 10 Li Q., Dunn E T., Grandmaison E W., Goosen M F A., 1997 Applications and properties of chitosan In: Applications of chitin and chitosan Goosen M F A (ed), pp 3-29, Technomic Publishing Company, Lancaster Muzzarelli R A A., 1985 Chitin In :The polysaccharides Aspinall G O (ed.), pp 417– 450, Academic Press, New York Patil R S., Chormade V., Des-phande M V., 2000 Chitinolytic enzymes: An exploration Enzyme Microb Technol 26:473-483 Sanford P A., 1989 Chitosan: Commercial uses and potential applications In: Chitin and Chitosan - sources, chemistry, biochemistry, physical properties and applications Skjak G., Anthonsen T., Sanford P (eds), pp 51-69, Elsevier, London, UK Suhardi 1993 Khitin dan Kitosan Buku Monograf, Pusat Antar Universitas Pangan dan Gizi UGM, Yogyakarta, 272-278 Winarti Z., Ariesta A., Salmalah E., 2008 Karakterisasi Mutu dan Kelarutan Kitosan dari Ampas Silase Kepala Udang Windu (Panaeus monodon) Buletin Teknologi Hasil Pertanian Vol XI Nomor Zar J H., 1984 Biostatistical analysis 2nd edition, Prentice Hall Inc, New Jersey, 178 pp Trang 11 ... tắt: Mục đích việc nghiên cứu sản xuất chitosan từ vỏ tôm tận dụng nguồn phế phẩm từ sản xuất thủy sản nêu lên thông số đặc trưng cho chất lượng chitosan từ vỏ tôm phế phẩm bao gồm các số liệu... lần lặp lại, dẫn đến 24 nghiệm thức III.2) Chuẩn bị mẫu Vỏ tôm thu thập từ nhà máy sản xuất thủy sản thành phố Banda Aceh, Indonesia Các vỏ tôm thu rửa nước cất, sau mẫu phơi nắng 24h tiếp tục sấy... deacetylation chitosan sản xuất Kết tốt nghiên cứu lấy nhiệt độ 100oC thời gian gia nhiệt 80 phút II) Giới thiệu: Tôm sản phẩm thủy sản quan trọng giới kể Indonesia, sản phẩm chủ yếu xuất điều kiện đông