Tìm hiểu quy trình chiết tách alginate từ rong nâu. các yếu tố ảnh hưởng và biện pháp nâng cao chất lượng

Tìm hiểu quy trình chiết tách alginate từ rong nâu. các yếu tố ảnh hưởng và biện pháp nâng cao chất lượng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA THỦY SẢN

TIỂU LUẬN MÔN: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN RONG BIỂN

TÌM HIỂU QUY TRÌNH SẢN XUẤT ALGINATE TỪ RONG NÂU CÁC YẾU

TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

TP.HCM, tháng 10 năm

2018

GVHD: Ths Nguyễn Thị Ngọc Hoài SVTH: Nhóm 1

LỜI NÓI ĐẦU

Alginate là một loại copolyme loại block vó cấu tạo từ các gốc  D -manuronat và  - L - guluronat bằng liên kết 1,4 - glucozit Phân tử alginate được tạo thành bởi liên kết của ba loại khác nhau là polyguluronat, polymanuronat và xen kẽ có

độ dài ngắn, trình tự sắp xếp khác nhau Chính điều đó tạo nên tính chất đặc thù của alginate và làm cho nó được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau từ mỹ phẫm, thực phẩm, in vải, giấy, cho đến dược phẩm và các nghiên cứu mô động vật có vú Ngày càng nhiều phát hiện mới về khả năng ứng dụng của alginate và khó mà hình dung được hết các ứng dụng của nó

Alginate được tách chủ yếu từ rong nâu (Phaeophyta) một ngành có phân bố rộng trên thế giới và cũng là ngành rong được tiêu thụ nhiều nhất với 2,5 triệu tấn trong năm 1988, chiếm 66,5% tổng sản lượng rong biển các loại Sản lượng alginate trên toàn thế giới khoảng 29000 tấn/năm, tương ứng với khoảng 170000 tấn rong khô Các loài rong sửu dụng phổ biến để sản xuất alginate thuộc các chi Laminaria, Ascophylum, Macrocystis riêng chỉ rong nâu Sargassum thuộc họ Sargassacede, bộ Fucales được phân bố dọc bờ biển nước ta Từ rất lâu, người ta biết sử dụng loại rong này làm phân bón, thuốc ngâm để uống hay cho gia súc Từ thập niên 60, các nhà khoa học Việt Nam đã cố gắng tách chiết alginate và nghiên cứu một số ứng dụng hồ vải, in hoa, dùng trong y học Các công trình nghiên cứu này dựng nên nền tảng ban đầu quan trọng cho việc nghiên cứu alginate từ rong nâu Việt Nam

Với những công dụng và ý nghĩa đã nêu trên, chúng em đã tiến hành nghiên

cứu đề tài: “Tìm hiểu quy trình chiết tách alginate từ rong nâu Các yếu tố ảnh hưởng

và biện pháp nâng cao chất lượng.”

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

PHẦN 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu chung về rong biển 3

1.2 Tổng quan về rong nâu 4

1.2.1 Tình hình phân bố rong nâu ở Việt Nam 4

1.2.2 Thành phần hóa học của rong Nâu 4

1.3 Tổng quan về Alginate 5

1.3.1 Lịch sử hình thành và phát triển 5

1.3.2 Cấu trúc 6

1.3.3 Phân loại 7

1.3.4 Tính chất 8

1.3.5 Ứng dụng 8

PHẦN 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ALGINATE TỪ RONG NÂU 9

2.1 Công nghệ sản xuất alginate từ rong nâu 9

2.1.1 Các phương pháp sản xuất alginate 9

2.1.2 Quy trình công nghệ sản xuất alginate từ rong nâu 11

2.1.3 Giải thích quy trình công nghệ 11

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng và biện pháp nâng cao chất lượng 15

PHẦN 3: KẾT LUẬN 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

PHẦN 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về rong biển

Rong biển hay tảo biển có tên khoa học là marine-algae, marine plant hay seaweed Rong biển là thực vật thủy tinh có đời sống gắn liền với nước Chúng có kích thước hiển vi hoặc có khi dài hàng chục mét Hình dạng của chúng có thể là hình cầu, hình sợi, hình phiến lá hay hình thù rất đặc biệt Sản lượng hàng năm các đại dương cung cấp cho trái đất hàng 200 tỷ tấn rong Nhiều nhà khoa học cho rằng trên 90% carbon tổng hợp hàng năm nhờ quang hợp trong môi trường lỏng, trong đó có 20% do rong biển tổng hợp nên

Dựa vào thành phần cấu tạo, sắc tố, đặc điểm hình thái, sinh sản mà rong biển được chia thành 9 ngành:

1 Ngành Rong Lục (Chlorophyta)

2 Ngành Rong Trần (Englenophyta)

3 Ngành Rong Giáp (Pyrophyta)

4 Ngành Rong Khuê (Bacillareonphyta)

5 Ngành Rong Kim (Chrysophyta)

6 Ngành Rong Vàng (Xantophyta)

7 Ngành Rong Nâu (Phacophyta)

8 Ngành Rong Đỏ (Rhodophyta)

9 Ngành Rong Lam (Cyanophyta)

10 Ngành rong Vòng (Charophyta)

Hình 1.1: Một số hình ảnh về rong biển

Rong biển thường được phân bố ở khu vực nước mặn, nước lợ, cửa sông, vùng biển sâu, vùng biển cạn rong đỏ và rong nâu là hai đối tượng được nghiên cứu nhiều nhất với sản lượng lớn, được ứng dụng trong ngành công nghiệp và đời sống

1.2 Tổng quan về rong nâu

1.2.1 Tình hình phân bố rong nâu ở Việt Nam

Theo số liệu nghiên cứu nguồn lợi rong Nâu có giá trị ở vùng biển Quảng Nam, Đà Nẵng, Khánh Hòa,Ninh Thuận, Bình Định cho thấy khu vực miền Trung và NAm Trung Bộ trữ lượng lớn nhất và cho chất lượng cao Rong Nâu phân bố ở vừng biển Quảng Nam - Đà Nẵng không nhiều so với vùng biển Khánh Hòa và Ninh Thuận Quảng Nam - Đà Nẵng tuy có nhiều triềm đá dốc, bãi đá cội, bãi san hô chết nhưng có chiều ngang rất hẹp (110m) nên diện tích phân bố rất nhỏ, trữ lượng không cao Diện tích rong mơ tại chỗ vùng biển Quảng Nam - Đà Nẵng khoảng 190000 m2 Trữ lượng rong mọc tại chỗ có thể thu được vào tháng 4 khoảng hơn 800 tấn rong tươi Vùng biển Khánh Hòa là vùng có diện tích rong Mơ mọc cao nhất trong các tỉnh điều tra, tổng diện tích rong lên tới 2 000 000 m2, trữ lượng khai thác được hàng năm có thể ước tính hơn 11 000 tấn rong tươi.Khánh Hòa có nhiều vùng rong như Hòn Chồng, Bãi Tiên, bán đảo Cam Ranh, Hòn Tre và một số đảo khúc Trong đó hai vùng Hòn Chồng và Bãi Tiên là tiếp giáp nhau có điều kiện thuận lợi cho rong mọc mật độ khá dày đặc, sinh lượng trung bình khá cao lên tới hơn 5,5 kg/m2

Hình 1.3: Một số hình ảnh về rong nâu

1.2.2 Thành phần hóa học của rong Nâu

 Sắc tố: các sắc tố có trong rong Nâu chủ yếu là chlorophyl, xantophyl,

fucoxanthin và carotene Tùy theo tỷ lệ loại sắc tố mà rong Nâu có màu nâu - vàng nâu

- nâu đậm - vàng lục Nhìn chung sắc tố rong Nâu khá bền

 Carbohydrat

 Monosacaride: Monosacaride quan trọng trong rong Nâu là đường

mannitol được Stenhuods phát hiện vào năm 1884 và được Kylin (1993) chứng minh thêm Manitol có công thức tổng quát: HOCH2 - (CHOH)4 - CH2OH Manitol tan trong anco, dễ tan trong nước có vị ngọt Hàm lượng từ 1425% trọng lượng rong khô tùy thuộc vào hoàn cảnh địa lý nơi sinh sống

 Polysacaride:

 Alginic: là một polysacaride tập trung giữa vách tế bào, là thành phần

chủ yếu tạo thành tầng bên ngoài tế bào của rong Nâu Hàm lượng alginic trong rong

Nâu khoảng 2  4% so với rong tươi và 1315% so với rong khô Hàm lượng này phụ thuộc vào loài rong và vị trí địa lý môi trường và rong sinh sống Hàm lượng alginic trong rong Nâu ở các tỉnh miền Trung thường cao nhất vào tháng 4

 Fucoidan: là một loại muối giữa axit fucoidinic với các kim loại hóa trị

khác như: Ca, Cu, Zn Fucoidin có tính chất gần giống alginic nhưng hàm lượng thấp hơn alginic

 Laminarin: là tinh bột của rong Nâu Laminarin có làm lượng từ 10 

15% trọng lượng rong khô tùy thuộc vào loại rong, vị trí địa lý và môi trường sinh sống của từng loại rong Nâu Thường thì mùa hè hàm lượng laminarin giảm vì phải tiêu hao cho quá trình sinh trưởng và phát triển của cây rong

 Cellulose: là thành phần tạo nên vỏ cây rong Hàm lượng cellulose trong

rong Nâu nhiều hơn rong Đỏ

 Protein : protein trong rong Nâu không cao lắm nhưng khá hoàn hảo Do vậy

rong Nâu có thể sử dụng làm thực phẩm Hàm lượng protein vùng biển Nha Trang dao độgn từ 8,05  21,11% so với trọng lượng khô Hàm lượng axit amin cũng đáng kể và

có giá trị cao trong protein của rong biển

 Chất khoáng: hàm lượng các nguyên tố khoáng trong rong Nâu thường lớn

hơn trong nước biển Chẳng hạn Iod trong rong Nâu thường lớn hơn trong nước biển

từ 80  90 lần Hàm lượng Barium lớn hơn trong nước biển gần 1800 lần Hàm lượng các loài khoáng của một số loại rong Nâu dao động từ 5,51 6,3% phụ thuộc vào mùa

vụ và thời kì sinh trưởng Hàm lượng iod trong một số loại rong Nâu dao động từ 0,050,16% so với loài rong khô tuyệt đối

1.3 Tổng quan về Alginate

Alginat là một polime khá phong phú trong tự nhiên, tồn tại dưới đạng một thành phần cấu trúc trong rong nâu lên đến 40% khối lượng chất khô và dưới dạng các polysaccarit vỏ ngoài của vi khuẩn đất Mặc dù gần đây có một số kết quả nghiên cứu theo hướng sản xuất bằng phương pháp lên men vi sinh cũng như bằng phương pháp biến tính polyme hóa phân tử alginate đã được công bố, toàn bộ alginate thương mại hiên nay vẫn còn được tách từ rong biển

Các ứng dụng của alginate đều liên quan đến khả năng giữ nước, tạo gel, tạo nhớt và tính chất làm ổn định của nó Hiện nay các ứng dụng đầy hứa hẹn trong công nghệ sinh học dựa trên hiệu ứng sinh học đặc trưng của bản thân phân tử alginate cũng như dựa trên tính chất độc đáo, êm dịu và hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ của quá trình chuyển hóa sol/gel trong sự có mặt của cation, làm cho alginate rất thích hợp

để làm chất nền ổn định cho tế bào sống

Nói chung sự đa dạng về cấu trúc đã dẫn đến sự đa dạng về tính chất và điều này đã làm cho alginate được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực

1.3.1 Lịch sử hình thành và phát triển

 Trên thế giới

Năm 1881, Stanford là người đầu tiên phát hiện ra alginic axit

Năm 1923, F.C Thernley đã tiến hành chiết rút alginate thô ở Orkney và từ đó công nghệ sản xuất alginate ra đời

Năm 1975, Booth đã viết về lịch sử công nghiệp alginate dựa trên kết quả của Stanford

Hiện nay có các nước sản xuất alginate bao gồm: Nauy, Pháp, Nhật, Canada, Tây Ban Nha, Chile

 Tại Việt Nam

Nghiên cứu và sản xuất tại Hải Phòng, Nha Trang và TP.Hồ Chí Minh

Vào những năm 70, Bộ Thủy sản đã nghiên cứu ban hành quy trình sản xuất Alginate bằng phương pháp formol

Năm 1997, Đại học Thủy Sản đã nghiên cứu đưa ra quy trình sản xuất alginate bằng phương pháp CaCl2 và formol

1.3.2 Cấu trúc

Cấu tạo - cấu trúc:

Alginate là một muối của acid alginic Cấu tạo hóa học của alginate gồm 2 phân tử  - D - Mannuroic acid (M) và  - L - Guluronic acid (G) liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucozit Có 3 loại liên kết có thể gặp trong một phân tử alginate: (M-M-M), (G-G-G), (M-M-G)

Hình 1.3 : Công thức cấu tạo của 2 axit cấu tạo nên axit Alginic

Công thức phân tử của alginic:

(C5H9COOH)a nH2O, trùng hợp (C6H7O4COOH)a

Alginic là một polime gồm nhiều axit Manuronic và axit Guluronic tạo mạch thẳng không phân nhánh có thể liên kết theo hình phẳng

Hai gốc phân tử  - D - Manuronic axit (M) và  - L - Guluronic axit (G) liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucozit Có 3 loại liên kết có thể gặp trong một phân tử alginate theo khối block : poly-M (M-M-M), poly-G (G-G-G) và poly-GM (G-M-G-M) liên kết ngẫu nhiên trong chuỗi mạch

Công thức cấu tạo của axit alinic: (C6H6O6)n

Hình 1.4: Công thức cấu tạo của axit alginic

1.3.3 Phân loại

 Theo dạng muối

 Alginate Natri:

Công thức phân tử: (C5H7O4COONa)n

Hình 1.5: Công thức cấu tạo của alginate natri

 Alginate Kali ( tương tự như Alginate Na)

 Alginate Canxi:

Công thức phân tử :[(C5H704COO)2Ca]n

Hình 1.6: Công thức cấu tạo của alginate canxi

 Alginate Magie: [(C5H704COO)2Mg

 Alginate Amoni: (C6H11NO6)n

Hình 1.7: Công thức cấu tạo của alginate amoni

Ngoài ra còn có: Alginate Propylen glycon

Công thức phân tử:

Hình 1.8: Công thức cấu tạo của alginate propylen glycon

1.3.4 Tính chất

 Một số tính chất chung

 Là polymer có tính chất axit yếu, không màu, không mùi, không tan trong các dung môi hữu cơ và nước

 Là chất có tính chất hút nước trương nở khi ngâm nước

 Alginate hòa tan trong dung dịch kiềm có hóa trị I và tạo dung dịch muối kiềm hóa trị I hòa tan có độ nhớt cao

 Muối kiềm hóa trị II không hòa tan

 Tính chất của alginate với kim loại hóa trị II

 Có độ chắc cao

 Có khả năng tạo màu theo từng kim loại

 Không hòa tan trong nước

 Khi ẩm thì dẻo (Gel Alginate), khi khô có độ cứng cao và khó thấm nước, tỷ trọng thấp

 Tính chất của alginate với kim loại hóa trị I

 Có độ chắc cao

 Có khả năng tạo màu tùy theo từng kim loại

 Không hòa tan trong nước

1.3.5 Ứng dụng

1.3.4.1 Trong công nghiệp thực phẩm

Alginate natri cũng được sử dụng rất nhiều các ngành chế biến thực phẩm khác nhau

Trong sản xuất kem, axit alginic và muối của nó có thể dùng làm chất ổn định trong kem ly, làm cho kem mịn có mùi thơm, chịu nóng tốt, thời gian khuấy trộn trong sản xuất ngắn

Alginate còn dùng trong sản xuất bơ, bánh kẹo, fomat, nước giải khát cũng như các mặt hàng đông lạnh

1.3.4.2 Ứng dụng trong y học và dược học

Axit alginic và các dẫn xuất của nó mang tính chất trao đổi ion, điều đó có nghĩa là có hoạt tính hấp thụ những chất khác nhau, trong đó có các ion kim loại nặng,

có các khả năng loại bỏ ion kim loại nặng ra khỏi cơ thể

Làm tá dược để tăng hiệu quả thuốc kháng sinh, làm khuôn răng, làm răng giả, chân tay giả, vỏ bao bọc thuốc

1.3.4.3 Ứng dụng trong mỹ phẩm

Ổn định kem đánh răng

Làm chất nền cho phấn sáp, mỹ phẩm, là chất giữ mùi cho nước hoa, xà phòng thơm

Làm vacni xi đánh giầy

1.3.4 4 Ứng dụng trong một số lĩnh vực khác

Alginate làm chất tạo đông, với điều kiện nhiệt độ 200C

Trong xây dựng tạo cấu trúc xi măng, vữa, làm gỗ không thấm nước, sản xuất que hàn có chất lượng cao, làm ổn định sơn

Alginate sử dụng trong luyện kim, làm cao su và làm sạch nước, làm chất khuếch tán tăng hiệu lực thuốc trừ sâu Dùng trộn lẫn mũ cao su latex để sản xuất cao

su dẻo dai, mặt nạ phòng độc, găng tay y học

Dùng làm chất kết từ và chất kết dính trong công nghiệp sản xuất giấy hoa dán tường

PHẦN 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ALGINATE TỪ RONG NÂU

2.1 Công nghệ sản xuất alginate từ rong nâu

2.1.1 Các phương pháp sản xuất alginate

Công nghệ chiết tách alginic từ rong nâu

Axit alginic được chiết tách từ rong nâu (Phaeophyta) và chủ yếu từ chi Sargassum với hơn 150 loài thuộc họ Sargassaceae, bộ Fucales

Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để chiết tách alginic Cả hai phương pháp đều giống nhau ở các giai đoạn chiết xuất axit alginic, chỉ khác ở giai đoạn kết tinh alginate

Phương pháp 1: Rong khô hoặc rong tươi được ngâm trong dung dịch axit

loãng để loại bỏ ion kim loại và trương nở hoàn toàn Sau đó được thủy phân hòa tan trong dung dịch kiềm, tạo ra một dung dịch alginate natri dạng keo Lọc thu dịch và loại bã rong Dịch lọc được làm sạch và loại bỏ màu

Tiếp đến là giai đoạn kết tinh canxi alginate Có nhiều phương pháp kết tinh canxi natri alginate tan được cho kết tinh với muối của canxi để tạo ra dạng kết tủa sợi Lọc lấy phần kết tủa thu được canxi alginate thô

Để thu axit alginic, người ta hòa tan canxi alginate với axit để loại bỏ ion canxi

và tạo ra axit alginic dạng sợi không tan Axit alginic sau đó được sử dụng để tạo ra hàng loạt các muối alginate khác nhau

Phương pháp thứ 2: Kết tủa trực tiếp axit alginic bằng cách sử dụng axit vô cơ.

Ưu điểm của phương pháp này là không sử dụng muối canxi và bỏ qua các bước lọc trong quá trình sử dụng canxi làm cho phương pháp trở nên đơn giản nhiều Đối với

một số loài rong nâu Ascophyllum thì không thể sử dụng phương pháp này do kết tủa

alginic tạo thành quá mềm và keo rất khó tách nước

Cơ chế thu nhận alginate từ rong nâu

Người ta thu nhận alginate từ các rong nâu to như Laminaria ( 15-40% alginate/ trọng lượng chất khô), ở Việt Nam đa phần sử dụng Sargassum (29-42% alginate/trọng lượng chất khô)

Alginic từ axit trong rong nâu chủ yếu tồn tại dưới dạng muối với các ion Ca,

Mg, Na, Bước đầu tiên trong việc sản xuất alginate là chuyển đổi Ca-alginate và Mg-alginate không tan thành Na-Mg-alginate tan dưới điều kiện kiềm

Để tạo thuận lợi cho quá trình trao đổi ion tốt hơn cho quá trình xử lý với kiềm

và loại bỏ vớt ion kim loại trên bề mặt rong, nguyên liệu được xử lý với axit loãng trước khi vào kiềm hóa

M(Alg)2 + 2H+ 2HAl + M2+

2HAl + Na+ OH- + NaAlg + H+

Alginate natri thô sau khi được chiết xuất được lọc và kết tủa bởi Ca2+ để tạo thành dạng muối Ca-alginate không tan hoặc các muối khác để tạo các dạng alginate khác nhau

NaAlg + Ca2+ Ca(Alg)2 + 2Na+