Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin – chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm (Luận án tiến sĩ)

Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin – chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm (Luận án tiến sĩ)Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin – chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm (Luận án tiến sĩ)Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin – chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm (Luận án tiến sĩ)Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin – chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm (Luận án tiến sĩ)Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin – chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm (Luận án tiến sĩ)Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin – chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm (Luận án tiến sĩ)Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin – chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm (Luận án tiến sĩ)Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin – chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm (Luận án tiến sĩ)Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin – chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG NGƠ THỊ HỒI DƯƠNG TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH THU NHẬN CHITIN-CHITOSAN TỪ PHẾ LIỆU TÔM THẺ CHÂN TRẮNG NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẦM LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỦY SẢN KHÁNH HÒA - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG NGƠ THỊ HỒI DƯƠNG TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH THU NHẬN CHITIN-CHITOSAN TỪ PHẾ LIỆU TÔM THẺ CHÂN TRẮNG NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẦM NGÀNH ĐÀO TẠO: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỦY SẢN MÃ SỐ: 62 54 01 05 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGÔ ĐĂNG NGHĨA GS.TS KJELL MOTEN VARUM KHÁNH HÒA - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình thực Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm lời cam đoan Tác giả luận án Ngơ Thị Hồi Dương ii LỜI CẢM ƠN Luận án hồn thành nhờ có nhà trường, tổ chức có liên quan tạo điều kiện; thầy cô, bạn bè giúp đỡ hỗ trợ nhiệt tình Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới: Ban Giám Hiệu trường Đại học Nha Trang phòng , ban, khoa, viện liên quan cho phép tạo điều kiện thực luận án, Đại sứ quán Nauy Hà Nội Ban quản lý dự án SRV2701 hỗ trợ kinh phí tạo điều kiện để tơi có hội nâng cao trình độ trau dồi kinh nghiệm nghiên cứu, Phòng thí nghiệm NOBIPOL trường đại học Khoa học công nghệ Nauy hỗ trợ thực phép phân tích, PGS TS Ngơ Đăng Nghĩa, TS Nguyễn Anh Tuấn GS TS Kjell M Varum, người Thầy tâm huyết tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian trao đổi định hướng trình thực luận án, Các cán kỹ thuật viện Công nghệ Sinh học Môi trường, trung tâm Thí nghiệm Thực hành - trường Đại học Nha Trang giúp đỡ tạo điều kiện trình tiến hành nghiên cứu, Các bạn đồng nghiệp, đặc biệt TS Khổng Trung Thắng Ths Nguyễn Cơng Minh nhiệt tình giúp đỡ chia sẻ nhiều kinh nghiệm quí báu, Các em sinh viên ngành Cơng nghệ Chế biến Thủy sản khóa từ 48 đến 52, đặc biệt em Đào Thị Tuyết Mai hỗ trợ việc triển khai thí nghiệm nghiên cứu, Cuối cùng, xin gửi lòng ân tình tới Gia đình, người thân u ln nguồn động viên chia sẻ khó khăn để luận án đươc hồn thành Ngơ Thị Hồi Dương iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ANOVA Analysis of Variance: Phân tích phương sai AOAC Association of Official Analytical Chemists: Hiệp hội nhà hố phân tích thống BHA Butylated hydroxyanisole CrI Crystalline Index: Chỉ số kết tinh cs Cộng DA Degree of Acetyl: Độ acetyl DD Degree of Deacetyl: Độ deacetyl db Dry basis: Theo khối lượng chất khô dd Dung dịch DPPH 2,2-Diphenyl-1-picryl hydrazyl FT-IR Fourier Transform Infrared : Quang phổ hấp thụ hồng ngoại chuỗi GlcN D-glucosamine GlcNAc N- acetyl glucosamine HPLC High-Performance Liquid Chromatography: Sắc ký lỏng hiệu cao HQK Hiệu khử LOD Limit of Detection: Giới hạn phát MHS Phương trình Mark-Houwink-Sakurada Mw Phân tử lượng trung bình khối lượng Mv Phân tử lượng trung bình độ nhớt nd not detected: Không phát NMR Nuclear Magnetic Resonance: Cộng hưởng từ hạt nhân NL Nguyên liệu OD Optical density: Độ hấp phụ quang học RSM Respone Surface Methodology: Phương pháp bề mặt đáp ứng RMS Mức lượng tổng SEM Scanning Electron Microscope: Kính hiển vi điện tử quét SS Sum of Squares: Tổng bình phương độ lệch TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TNLK Tổng lực khử χcr Degree of crystallinity: Độ kết tinh iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH ix PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TÔM THẺ CHÂN TRẮNG VÀ TÌNH HÌNH CHẾ BIẾN Ở VIỆT NAM 1.2 GIÁ TRỊ CỦA NGUN LIỆU CỊN LẠI TỪ Q TRÌNH CHẾ BIẾN TÔM 1.2.1 Tỷ lệ ngun liệu lại cơng nghiệp chế biến tôm 1.2.2 Thành phần hóa học ngun liệu lại công nghiệp chế biến tôm tiềm khai thác 1.2.3 Hệ protease đầu tôm 10 1.2.4 Thu hồi protein từ nguyên liệu lại q trình chế biến tơm 11 1.3 CHITIN VÀ CÔNG NGHỆ THU HỒI TỪ VỎ ĐỘNG VẬT GIÁP XÁC 12 1.3.1 Sự tồn chitin tự nhiên 12 1.3.2 Tính chất chitin 13 1.3.3 Công nghệ thu hồi chitin từ vỏ động vật giáp xác 15 1.4 CHITOSAN VÀ QUÁ TRÌNH DEACETYL CHITIN 20 1.4.1 Chitosan tính chất 20 1.4.2 Quá trình deacetyl chitin 21 1.5 ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA CHITIN, CHITOSAN 23 1.5.1 Phương pháp xác định độ tinh 23 1.5.2 Phương pháp xác định phân tử lượng 24 1.5.3 Phương pháp xác định độ deacetyl 25 1.5.4 Phương pháp đánh giá mức độ kết tinh 26 1.6 ỨNG DỤNG CỦA CHITIN, CHITOSAN VÀ DẪN XUẤT 26 1.7 THU HỒI VÀ XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU CÒN LẠI TRONG Q TRÌNH SẢN XUẤT TƠM Ở VIỆT NAM 28 1.7.1 Các nghiên cứu cải tiến công nghệ thu nhận chitin chitosan 28 1.7.2 Các nghiên cứu thu hồi protein enzyme protease 30 v 1.7.3 Tình hình sản xuất chitin, chitosan 31 1.8 TỐI ƯU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẶT ĐÁP ỨNG 32 1.9 PEPSIN VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG 33 1.9.1 Đặc điểm chế hoạt động pepsin 33 1.9.2 Nguồn thu nhận Pepsin 34 1.9.3 Tiềm ứng dụng pepsin 35 1.10 NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC ENZYME 36 1.10.1 Xu hướng đại nghiên cứu động học enzyme 36 1.10.2 Động học trình thủy phân protein 37 1.11 ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG THU HỒI SẢN PHẨM HỮU ÍCH 37 1.11.1 Sóng siêu âm chế tác động 37 1.11.2 Tác dụng sóng siêu âm đến hoạt động enzyme 39 1.11.3 Ứng dụng sóng siêu âm trình thu hồi chitin - chitosan 39 CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU & PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43 2.1 NGUYÊN VẬT LIỆU 43 2.1.1 Nguyên liệu tôm thẻ chân trắng (Panaeus vannamei) 43 2.1.2 Pepsin 43 2.1.3 Hóa chất 43 2.1.4 Thiết bị tạo sóng siêu âm 44 2.2 BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 44 2.2.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm 44 2.2.2 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát 44 2.2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm chi tiết 46 2.3 PHƯƠNG PHÁP THU THẬP THÔNG TIN, DỮ LIỆU 65 2.3.1 Xác định thành phần khối lượng nguyên liệu 65 2.3.2 Xác định thành phần hóa học 65 2.3.3 Xác định thành phần acid amin thành phần khoáng 65 2.3.4 Xác định hoạt độ enzyme 65 2.3.5 Xác định khả chống oxy hóa sản phẩm thủy phân protein 66 2.3.6 Xác định tính chất chitin chitosan 66 2.3.7 Xác định thông số động học 68 2.3.8 Xác định hàm mục tiêu 68 2.4 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU 69 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 71 3.1 THÀNH PHẦN CỦA ĐỐI TƯỢNG TÔM THẺ CHÂN TRẮNG 71 vi 3.1.1 Thành phần khối lượng hóa học đối tượng nghiên cứu 71 3.1.2 Thành phần acid amin, khoáng kim loại nặng đối tượng nghiên cứu 72 3.2 THU HỒI CHITIN VÀ DỊCH PROTEIN CĨ HOẠT TÍNH SINH HỌC TỪ NGUN LIỆU ĐẦU TÔM THẺ CHÂN TRẮNG 75 3.2.1 Ảnh hưởng thời gian lưu giữ đến biến đổi nguyên liệu lại 75 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng pH nhiệt độ đến khả hoạt động hệ enzyme protease nội đầu tôm thẻ chân trắng tươi 77 3.2.3 Nghiên cứu chế độ thu hồi protein chitin từ đầu tôm thẻ chân trắng 78 3.3 THU HỒI CHITIN VÀ DỊCH PROTEIN CĨ HOẠT TÍNH SINH HỌC TỪ VỎ TƠM THẺ CHÂN TRẮNG 85 3.3.1 Thiết lập chế độ xử lý với HCl 85 3.3.2 Đánh giá khả sử dụng pepsin để kết hợp khử protein khử khoáng 87 3.3.3 Tối ưu hóa q trình khử protein enzyme pepsin vỏ tôm thẻ chân trắng 91 3.3.4 Kết hợp sóng siêu âm để tăng cường hiệu khử protein khoáng xử lý với pepsin 95 3.4 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH KHỬ PROTEIN CỦA PEPSIN 106 3.4.1 Đặc điểm trình khử protein với xúc tác pepsin 106 3.4.2 Xác định phương trình động học 109 3.5 NÂNG CAO HIỆU QUẢ DEACETYL TRONG ĐIỀU KIỆN DỊ THỂ 113 3.5.1 Tác dụng hỗ trợ công đoạn tiền xử lý 113 3.5.2 Đánh giá khả hỗ trợ q trình deacetyl sóng siêu âm 116 3.5.3 Động học q trình deacetyl có hỗ trợ sóng siêu âm 120 3.5.4 Ảnh hưởng nồng độ, nhiệt độ thời gian đến độ deacetyl độ hòa tan điều kiện deacetyl dị thể với sóng siêu âm 125 3.5.5 Tối ưu trình deacetyl 127 3.6 ĐỀ XUẤT QUI TRÌNH THU NHẬN CHITIN, CHITOSAN, PROTEIN THEO CÔNG NGHỆ CẢI TIẾN VÀ ĐÁNH GIÁ LỢI ÍCH 134 3.6.1 Qui trình thu nhận chitin, chitosan protein theo cơng nghệ cải tiến đề xuất 134 3.6.2 Chất lượng chitin chitosan thu theo qui trình đề xuất 138 3.6.3 Đánh giá hiệu qui trình theo cơng nghệ đề xuất 140 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 145 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 147 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 167 PHỤ LỤC vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Danh pháp tôm thẻ chân trắng Bảng 1.2: Tỷ lệ thành phần lại sau chế biến số lồi tơm có giá trị thương mại (% so với khối lượng tôm) Bảng 1.3: Thành phần hóa học ngun liệu lại từ số lồi tơm có giá trị thương mại (% theo trọng lượng chất khô) Bảng 1.4: Giá bán tham khảo chitin dẫn xuất 10 Bảng 2.1: Miền nghiên cứu thí nghiệm tối ưu q trình xử lý với pepsin 53 Bảng 2.2: Sự thay đổi nồng độ enzyme chất thí nghiệm nghiên cứu phương trình động học q trình khử protein pepsin 59 Bảng 2.3: Miền nghiên cứu thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng nhân tố: nhiệt độ, thời gian nồng độ NaOH deacetyl với sóng siêu âm 62 Bảng 2.4: Miền nghiên cứu thí nghiệm tối ưu q trình deacetyl với sóng siêu âm 37kHz (RMS=35W) 63 Bảng 3.1: Thành phần khối lượng đối tượng tôm thẻ chân trắng (cỡ 60÷160 con/kg) 71 Bảng 3.2: Thành phần hóa học đối tượng tơm thẻ chân trắng (cỡ 81÷120 con/kg) 72 Bảng 3.3: Thành phần acid amin đối tượng tơm thẻ chân trắng (cỡ 81÷120 con/kg) (g/100g amino acid) 73 Bảng 3.4: Hàm lượng acid amin đối tượng tơm thẻ chân trắng (cỡ 81÷120 con/kg) (mg/100g nguyên liệu) 73 Bảng 3.5: Thành phần khoáng kim loại nặng đối tượng nghiên cứu (mg/kg) 74 Bảng 3.6: Ảnh hưởng thời gian lưu giữ nhiệt độ phòng (27÷30oC) đến màu sắc mùi phần đầu vỏ tôm thẻ chân trắng 76 Bảng 3.7: Kết khảo sát ảnh hưởng pH nhiệt độ đến khả hoạt động hệ enzyme nội đầu tôm thẻ chân trắng tươi 78 Bảng 3.8: Kết thực nghiệm theo mơ hình Box-Behnken với miền nghiên cứu Bảng 2.1 92 Bảng 3.9: Hiệu khử protein pepsin theo phương trình hồi qui theo thực nghiệm 94 Bảng 3.10: Kết đánh giá khả thu hồi protein từ dịch thủy phân với pepsin 103 Bảng 3.11: Hằng số vận tốc trình loại protein xử lý với pepsin NaOH 108 Bảng 3.12: Giá trị hệ số động học a b tương ứng với điều kiện xử lý pepsin 110 Bảng 3.13: Độ rắn chitin sau tiền xử lý mẫu đối chứng 115 viii Bảng 3.14: Kết phân tích ANOVA ảnh hưởng nồng độ NaOH cách thức deacetyl đến độ deacetyl 117 Bảng 3.15: Kết phân tích ANOVA ảnh hưởng nồng độ NaOH cách thức deacetyl đến độ hòa tan 117 Bảng 3.16: Vận tốc deacetyl (%/phút) (x102)a 122 Bảng 3.17: Hệ số vận tốc deacetyl (phút-1) (x103)a 123 Bảng 3.18: Kết thực nghiệm theo mơ hình Two-Level Factor với miền nghiên cứu Bảng 2.3 125 Bảng 3.19: Kết phân tích thống kê ảnh hưởng nhân tố đến độ deacetyl theo biến mã hóa (p=0,05) 126 Bảng 3.20: Kết phân tích thống kê ảnh hưởng nhân tố đến độ hòa tan theo biến mã hóa (p=0,05) 126 Bảng 3.21: Kết thực nghiệm theo mơ hình Central Composite với miền nghiên cứu Bảng 2.4 128 Bảng 3.22: Giá trị hệ số hồi qui hàm mục tiêu độ deacetyl độ hòa tan theo biến mã (p=0,05) 128 Bảng 3.23: Kết kiểm định thống kê phương trình hồi qui (3-13) (3-14) (p=0,05) 129 Bảng 3.24: Độ deacetyl độ hòa tan theo phương trình hồi qui thực nghiệm 129 Bảng 3.25: Ảnh hưởng chế độ deacetyl đến phân tử lượng trung bình độ nhớt chitosan (Mv, kDa) 131 Bảng 3.26: Chất lượng chitin sản xuất theo qui trình đề xuất 138 Bảng 3.27: Chất lượng chitosan thu deacetyl với sóng siêu âm 80oC với [NaOH]=60% 4h (sử dụng chitin thu hồi từ phần vỏ theo qui trình đề xuất) 139 Bảng 3.28: So sánh số thơng số qui trình đề xuất với qui trình thực tế (ước tính cho 1000kg ngun liệu ban đầu/mẻ) 141 Bảng 3.29: Ước tính lợi ích đạt áp dụng công nghệ kết hợp để thu nhận chitin, chitosan protein so với qui trình thực tế [9] (với 1000 kg nguyên liệu ban đầu/mẻ) 143 ... chitin, chitosan mở hướng mới, giúp cải tiến hiệu công nghệ thu hồi chitin, chitosan có Luận án " Tối ưu hóa q trình thu nhận chitin- chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu chất lượng. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG NGƠ THỊ HỒI DƯƠNG TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH THU NHẬN CHITIN- CHITOSAN TỪ PHẾ LIỆU TÔM THẺ CHÂN TRẮNG NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẦM NGÀNH... Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu luận án tối ưu hóa cơng đoạn q trình thu nhận chitin, chitosan công nghệ kết hợp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm lượng hóa chất sử dụng, tận dụng nguồn protein