Nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan khối lượng phân tử thấp, chitosan hòa tan trong nước và thử nghiệm ứng dụng trong bảo quản hỗn hợp caroten protein chiết rút từ phế liệu tôm (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG NGUYỄN CƠNG MINH NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHITOSAN KHỐI LƢỢNG PHÂN TỬ THẤP, CHITOSAN HOÀ TAN TRONG NƢỚC VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN HỖN HỢP CAROTEN-PROTEIN CHIẾT RÚT TỪ PHẾ LIỆU TÔM Chuyên ngành: Cơng nghệ Chế biến Thuỷ sản Mã số: 9540105 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÁNH HỒ - 2020 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Nha Trang Giáo viên hƣớng dẫn: PGS.TS Trang Sĩ Trung Trường Đại Học Nha Trang TS Simona Schwarz Viện Polymer Leibniz, Dresden, CHLB Đức Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Thị Hiền Phản biện 2: PGS.TS Huỳnh Nguyễn Duy Bảo Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Duy Thịnh Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án Trường Đại học Nha Trang vào hồi giờ, ngày tháng năm 2020 Có thểtìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Nha Trang DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải AAS Phổ hấp thu nguyên tử χcr Độ kết tinh C–P Hỗn hợp caroten-protein CrI Chỉ số kết tinh DD Độ deacetyl FTIR Quang phổ hấp thụ hồng ngoại LMWC Chitosan khối lượng phân tử thấp WSC Chitosan hoà tan nước GlcN D-glucosamine GlcNAc N-acetyl glucosamine HMWC Chitosan khối lượng phân tử cao MIC Nồng độ ức chế tối thiểu Mw Khối lượng phân tử trung bình NMR Phổ cộng hưởng từ hạt nhân PV Chỉ số peroxide SEM Kính hiển vi điện tử quét SEC-MALLS Phương pháp sắc ký loại trừ kết hợp với phân tán ánh sáng tĩnh đa góc CTS/dd Chitosan/dung dịch TVB-N Nitơ bazơ bay XRD Phổ nhiễu xạ tia X TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Tên luận án: Nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan khối lượng phân tử thấp, chitosan hoà tan nước thử nghiệm ứng dụng bảo quản hổn hợp caroten-protein chiết rút từ phế liệu tôm Ngành: Công nghệ chế biến thủy sản Mã số: 9540105 Khóa: 2014 - 2018 Nghiên cứu sinh: Nguyễn Công Minh Ngƣời hƣớngdẫn: PGS.TS Trang Sĩ Trung TS Simona Schwarz Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Nha Trang Những đóng góp luận án: Luận án xây dựng quy trình cắt mạch chitosan trạng thái rắn sử dụng tác nhân H2O2 với bước thực (i) trương nở, (ii) cắt mạch (iii) thu hồi sản phẩm Khối lượng phân tử sản phẩm giảm – 10 lần so với chitosan ban đầu Luận án xây dựng quy trình sản xuất chitosan hoà tan nước trạng thái rắn với tác nhân khí HCl từ LMWC Sản phẩm tạo có độ tan đạt > 98%, khối lượng phân tử thấp (97 kDa, giảm khoảng 20% so với LMWC ban đầu) Kết thử nghiệm cho thấy, hỗn hợp caroten – protein bổ sung 100ppm chitosan khối lượng phân tử thấp 100ppm chitosan hoà tan nước hạn chế thất thành phần dinh dưỡng carotenoid, protein hoà tan, lipid, phospholipid gia tăng TVB-N, peroxide, vi sinh vật hiếu khí thời gian 10 tuần đầu trình bảo quản TM Giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Trang Sĩ Trung Nguyễn Công Minh PHẦN MỞ ĐẦU Chitosan polyme sinh học có nhiều ứng dụng nông nghiệp, thực phẩm, mỹ phẩm, môi trường … Các tính chất ứng dụng chitosan phụ thuộc chủ yếu vào độ deacetyl (DD), trọng lượng phân tử (Mw) HMWC thường ứng dụng để tạo màng, tạo sợi LMWC có tính kháng khuẩn, chống oxy hố nên sử dụng rộng rãi nông nghiệp, thực phẩm… Tuy nhiên, chitosan hòa tan số dung dịch acid loãng hạn chế khả ứng dụng triển khai thực tế Nhằm tăng cường hoạt tính kháng khuẩn, chống oxy hố cải thiện tính tan, nhà khoa học tập trung nghiên cứu sản xuất LMWC WSC Hỗn hợp caroten-protein chứa nhiều acid amin, acid béo carotenoid dễ bị hư hỏng trình bảo quản Trong LMWC WSC có khả ứng dụng bảo quản thực phẩm giàu protein Lipid Từ lý đề tài “Nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan khối lượng phân tử thấp, chitosan hòa tan nước thử nghiệm ứng dụng bảo quản hỗn hợp caroten-protein chiết rút từ phế liệu tôm” thực Mục tiêu luận án Xây dựng quy trình sản xuất chitosan khối lượng phân tử thấp (Mw < 150 kDa) trạng thái rắn Xây dựng quy trình sản xuất chitosan hồ tan nước có độ tan đạt 98% trạng thái rắn Xác định nồng độ chitosan khối lượng phân tử thấp chitosan hồ tan nước thích hợp để bảo quản hỗn hợp caroten-protein chiết rút từ phế liệu tôm Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan khối lượng phân tử thấp phương pháp cắt mạch trạng thái rắn với tác nhân H2O2 Nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan hồ tan nước trạng thái rắn với tác nhân khí HCl Nghiên cứu ứng dụng chitosan khối lượng phân tử thấp, chitosan hoà tan nước để bảo quản hỗn hợp caroten-protein chiết rút từ phế liệu tôm CHƢƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Chitosan khối lƣợng phân tử thấp (LMWC) 1.1.1 Sản xuất chitosan khối lƣợng phân tử thấp LMWC với Mw: < 150 kDa, có hoạt tính kháng khuẩn, chống oxy hố cao nên ứng dụng nhiều lĩnh vực nuôi trồng thuỷ sản, thực phẩm…LMWC tạo thành từ trình cắt mạch HMWC phương pháp vật lý, hóa học, sinh học Q trình phân cắt mạch thực trạng thái rắn (solid-state) trạng thái lỏng (liquid-state) Cắt mạch trạng thái lỏng thường tiến hành qua bước (i) hòa tan chitosan; (ii) bổ sung tác nhân cắt mạch; (iii) kết tủa để thu nhận sản phẩm Gần đây, phương pháp cắt mạch trạng thái rắn quan tâm nghiên cứu phát triển phương pháp đơn giản, hiệu cao dễ dàng ứng dụng quy mơ lớn 1.1.2 Tính chất chitosan khối lƣợng phân tử thấp Khả hịa tan Chitosan có khả hịa tan tốt số acid lỗng HCl, acid lactic, acid acetic, acid citric acid formic Độ deacetyl (DD) Độ deacetyl có ảnh hưởng lớn đến mức độ kết tinh, độ hịa tan, độ proton hóa tính chất sinh học chitosan Thơng thường, chitosan thương mại có độ deacetyl nằm khoảng 50 – 90% Khối lượng phân tử trung bình (Mw) Mw có liên quan đến khả kết dính, tạo màng, tạo gel, khả hấp phụ kim loại, chất màu đặc biệt khả ức chế vi sinh vật chitosan Mw trung bình LMWC thường < 150 kDa Hoạt tính sinh học Chitosan có khả ức chế nhiều chủng vi khuẩn gram âm, vi khuẩn gram dương vi nấm Khả ức chế vi sinh vật chitosan phụ thuộc vào độ deacetyl, Mw 1.2 Chitosan hòa tan nƣớc (WSC) 1.2.1 Sản xuất chitosan hòa tan nƣớc Chitosan hòa tan tốt acid lỗng gây khó khăn cho việc ứng dụng triển khai quy mô cơng nghiệp, độ bền tính chất vật lý, sinh học hóa học chitosan dung môi acid giữ thời gian Để khắc phục hạn chế trên, nhiều tác giả tập trung nghiên cứu sản xuất WSC để cải thiện khả hịa tan chitosan 1.2.2 Tính chất chitosan hòa tan nƣớc Theo Yan cộng dung dịch chitosan acetate nói riêng muối chitosan nói chung có tính chất tương tự dung dịch chitosan hịa tan acid tương ứng chitosan hoà tan nước giữ cấu trúc hoạt tính kháng khuẩn chitosan 1.3 Hỗn hợp caroten-protein (C-P) 1.3.1 Sản xuất caroten-protein C-P sản phẩm giá trị gia tăng thu nhận từ trình sản xuất chitin chitosan C-P chứa nhiều lipid, protein, sắc tố nên dễ bị hư hỏng làm hoạt tính, giá trị dinh dưỡng làm an toàn thực phẩm sinh chất có tính độc Như vậy, việc nghiên cứu phương pháp bảo quản nhằm giảm thất thoát thành phần dinh dưỡng caroten-protein cần thiết CHƢƠNG NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên vật liệu nghiên cứu Chitosan, caroten-protein thu nhận từ đầu vỏ tôm thẻ chân trắng 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu Sơ đồ nghiên cứu tổng quát trình bày Hình 2.1 Hình 2.1 Bố trí thí nghiệm tổng quát  Nghiên cứu sản xuất chitosan khối lƣợng phân tử thấp (LMWC): Chitosan trương nở dung môi với thời gian nhiệt độ thích hợp Chitosan sau trương nở bổ sung H2O2 để tiến hành trình cắt mạch Các yếu tố trình trương nở cắt mạch chitosan thiết kế chi tiết để khảo sát ảnh hưởng chúng đến khả cắt mạch chitosan 3.1.5 Đánh giá chất lƣợng sản phẩm LMWC 3.1.5.1 Tính chất sản phẩm LMWC Số liệu phân tích LMWC trình bày Bảng 3.1 Bảng 3.1 Thông số chất lượng sản phẩm LMWC Kết tham khảo Thông số Kết chitosan luận án LMWC LMWC Mw (kDa) 127 ± 23 100 - 150 Nd Độ nhớt (cP) 93 ± 71 - 150 20 – 300 DD (%) 93,5 ± 3,4 67,6 – 72,5 >75 Protein (%) 0,35 ± 0,04 Nd Nd Độ đục (FTU) 4±1 Nd Nd Độ tan (%) 98,8 ± 0,1 >98 Nd Khoáng (%) 0,22 ± 0,02 98% nhiên khối lượng phân tử 16 giảm mạnh, cụ thể độ hoà tan khối lượng phân tử mẫu phản ứng 3, 5, 7h đạt là: 98%, 95,2 kDa; 98,6%, 82,0 kDa; 98,8%, 34 kDa Từ kết thí nghiệm cho thấy, phản ứng LMWC (100 mesh) khí HCl 4oC thời gian 3h xem thích hợp Hình 3.6 Ảnh hƣởng chitosan, nhiệt độ, thời gian phản ứng, mật độ kích thƣớc chitosan đến độ hồ tan, Mw WSC Ảnh hƣởng mật độ chitosan đến khả hòa tan nƣớc khối lƣợng phân tử chitosan hòa tan nƣớc Ở mẫu phản ứng với mật độ 0,3 g/cm2, khối lượng phân tử sản phẩm đo 27,5 kDa Nếu tăng mật độ chitosan phản ứng đến 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 g/cm2, độ tan sản phẩm đạt tương ứng 97, 96, 100, 112, 113 kDa Như vậy, mật độ chitosan 0,5g/cm2 xem thích hợp 17 Ảnh hƣởng kích thƣớc chitosan đến khả hòa tan nƣớc khối lƣợng phân tử chitosan hòa tan nƣớc Đối với chitosan dạng vảy, sản phẩm sau phản ứng có độ tan thấp (55 %) Khi giảm kích thước nguyên liệu đến 20, 60 mesh, độ tan nước muối chitosan tăng lên 68; 83% Nếu tiếp tục giảm kích thước đến 80, 100, 120 mesh, độ tan sản phẩm phản ứng không thay đổi giữ mức 98 – 99% Như vậy, sử dụng chitosan có kích thước 80 mesh cho phản ứng thích hợp 3.2.3 Đánh giá tính chất chitosan hịa tan nƣớc Tính chất chitosan hòa tan nước Bảng 3.3 Tính chất LMWC WSC Thơng số phân tích LMWC Độ ẩm (%) Độ nhớt (mPa.s) Khối lượng phân tử (kDa) Độ hoà tan nước (%) Độ hoà tan acidacid 1% (%) Độ deacetyl (%) pH dung dich acetic acid 1% pH dung dịch nước Điện Zeta (mV) Nồng độ Cltrong dung dịch (ppm) WSC 8,5 ± 1,8 9,8 ± 1,7 95 ± 72 ± 127 ± 94 ± 2,4 100 100 100 92,2 ± 1,1 91,2 ± 0,8 2,4 ± 0,1 NA NA 5,6 ± 0,1 55,9 ± 1,3 50,8 ± 2,5 NA 0,16 ± 0,02 Chitosan hòa tan nước (WSC) tạo thành sau phản ứng LMWC khí HCl trạng thái rắn có độ ẩm thấp (92%), khối lượng phân tử thấp (90%) Mw (