Nghiên cứu sản xuất chitin chitosan bằng nhiều phương pháp và ứng dụng sản xuất glucosamime hydrochloride

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA HÓA NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHITIN, CHITOSAN BẰNG NHIỀU PHƢƠNG PHÁP VÀ ỨNG DỤNG SẢN XUẤT GLUCOSAMINE HYDROCHLORIDE Sinh viên thực : Nguyễn Thị Hồng Ánh Lớp : 12CHD Giáo viên hƣớng dẫn : ThS Trần Thị Ngọc Bích TS Đặng Thị Mộng Quyên Đà Nẵng – 2016 Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài: Tính cấp thiết đề tài: 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .12 1.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất chitin, chitosan .12 1.2 Chitin ứng dụng 13 1.2.1 Lịch sử phát chitin 13 1.2.2 Khái niệm, nguồn gốc chitin 15 1.2.3 Cấu trúc hóa học chitin 16 1.2.4 Tính chất lý hóa chitin [5] .17 1.2.5 Ứng dụng chitin 18 1.3 Chitosan ứng dụng 19 1.3.1 Khái niệm chitosan .19 1.3.2 Cấu trúc hóa học chitosan [5] .19 1.3.3 Tính chất lý hóa chitosan [5] 20 1.3.4 Ứng dụng chitosan 23 1.4 Glucosamine ứng dụng 25 1.4.1 Khái niệm .25 1.4.2 Cấu trúc hóa học glucosamine 26 1.4.3 Tính chất lý hóa glucosamine 27 1.4.4 Glucosamine hydrochloride 28 1.4.5 Dược lý dược động học glucosamine muối [16] 28 1.5 Tình hình nghiên cứu sản xuất ứng dụng thực tế Việt Nam giới [5] 32 1.6 Một số quy trình sản xuất chitin, chitosan [13] 36 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 39 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 39 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu .39 2.2.1 Phương pháp vật lý .39 Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh 2.2.2 Phương pháp hóa lý 39 2.2.3 Phương pháp hóa học 39 2.2.4 Phương pháp sinh học 40 2.3 Hóa chất thiết bị 40 3.1 Kiểm tra chất lƣợng nguyên liệu đầu vào 41 3.2 Nghiên cứu tối ƣu hóa thời gian loại khống phƣơng pháp hóa học .42 3.2.1 Xây dựng điều kiện khảo sát trình loại khoáng .42 3.2.2 Thực khảo sát q trình loại khống 43 3.3 Nghiên cứu tối ƣu hóa nhiệt độ loại protein phƣơng pháp hóa học 45 3.3.1 Xây dựng điều kiện khảo sát trình loại protein .45 3.3.2 Thực khảo sát trình loại protein 46 3.4 Nghiên cứu quy trình sản xuất chitin, chitosan phƣơng pháp hóa học .49 3.4.1 Quy trình sản xuất chitin, chitosan phương pháp hóa học 49 3.4.2 Sản xuất chitin, chitosan phương pháp hóa học 51 3.5 Nghiên cứu quy trình sản xuất chitin, chitosan phƣơng pháp sinh hóa 53 3.5.1 Quy trình sản xuất chitin, chitosan phương pháp sinh hóa 53 3.5.2 Sản xuất chitin, chitosan phương pháp sinh hóa 54 3.6 So sánh chất lƣợng chitin, chitosan sản xuất hai phƣơng pháp 57 3.6.1 So sánh chất lượng chitin sản xuất hai phương pháp 57 3.6.2 So sánh chất lượng chitosan sản xuất hai phương pháp .62 3.7 Đề xuất quy trình sản xuất Glu.HCl 66 KẾT LUẬN 71 Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh Danh mục từ viết tắt: Glu.HCl : Glucosamine hydrochloride E – A : Phƣơng pháp enzyme – acid ( phƣơng pháp sinh hóa) A – B : Phƣơng pháp acid – base (phƣơng pháp hóa học) Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh Danh mục hình Hình Nội dung Trang 1.1 Phế liệu vỏ tôm 1.2 Chitin dạng vảy 1.3 Các dạng cấu trúc chitin 1.4 Công thức cấu tạo chitin 1.5 Chế phẩm chitosan thị trƣờng 10 1.6 Công thức cấu tạo chitosan 11 1.7 Sơ đồ dẫn xuất từ chitin, chitosan 13 1.8 Chế phẩm glucosamine thị trƣờng 16 1.9 Cấu trúc không gian glucosamine 16 1.10 Công thức cấu tạo glucosamine 17 1.11 Công thức cấu tạo glucosamine hydrochloride 18 1.12 Khớp xƣơng bị thối hóa 19 1.13 Đau xƣơng cột sống 20 1.14 Các vị trí khớp nối 21 1.15 Một số loại glucosamine đƣợc bày bán thị trƣờng 22 1.16 1.17 Quy trình sản xuất chitosan Đỗ Minh Phụng, trƣờng ĐH Thủy Sản Quy trình sản xuất chitosan Trung tâm cao phân tử thuộc viện khoa học Việt Nam 27 28 Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tơm sú phƣơng pháp 1.18 hóa học với công đoạn xử lý kiềm ( Trần Thị Luyến, 2003) 29 Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh Hình Nội dung Trang Các mẫu nghiên cứu tối ƣu hóa thời gian q trình loại 3.1 khoáng (1) , (2), (3), (4), 10 (5) 34 12 (6) 3.2 3.3 Các mẫu vỏ tôm sau loại khoáng (1) , (2), (3), (4), 10 (5) 12 (6) Sự giảm dần hàm lƣợng canxi lại mẫu khảo sát thời gian loại khoáng 35 36 Các mẫu chitin sau loại protein 25ᴼC (1), 40ᴼC (2), 3.4 60ᴼC (3), 80ᴼC (4) 100ᴼC (5) thời gian 38 3.5 3.6 Hàm lƣợng nitơ tổng mẫu khảo sát trình loại protein Quy trình sản xuất chitin, chitosan phƣơng pháp hóa học 39 41 3.7 Chitin (A-B) trƣớc sau tẩy màu 42 3.8 Chitosan (A – B) trƣớc sau tẩy màu 43 3.9 quy trình sản xuất chitin, chitosan phƣơng pháp sinh hóa 44 3.10 Chitin (E-A) trƣớc sau tẩy màu 46 3.11 Chitosan E – A trƣớc sau tẩy màu 47 3.12 3.13 3.14 Chitin trƣớc tẩy màu theo phƣơng pháp E-A (1) A-B (2) Chitin sau tẩy màu theo phƣơng pháp E-A (1) A-B (2) Chitosan sản xuất theo phƣơng pháp E-A (1) A-B (2) chƣa tẩy màu 48 49 53 Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh Hình 3.15 3.16 3.17 Nội dung Chitosan sản xuất theo phƣơng pháp E-A (1) A-B (2) sau tẩy màu Chitin trƣớc sau thủy phân Dịch lọc Glu.HCl trƣớc sau lọc, tinh thể glucosamine xuất sau làm lạnh Trang 54 58 59 Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh Danh mục bảng Bảng Nội dung Trang 1.1 Thành phần hóa học vỏ tôm [26] 3.1 Chất lƣợng vỏ tôm nguyên liệu đầu vào 32 3.2 3.3 Hàm lƣợng canxi lại mẫu khảo sát thời gian khử khoáng Hàm lƣợng nitơ tổng mẫu khảo sát nhiệt độ trình loại protein phƣơng pháp hóa học 35 39 3.4 Phân tích kết q trình loại protein 40 3.5 Hiệu suất sản xuất chitin theo phƣơng pháp A – B 42 3.6 hiệu suất sản xuất chitosan theo phƣơng pháp A-B 43 3.7 Chỉ tiêu chất lƣợng chế phẩm protease 45 3.8 Điều kiện tiến hành loại protein chế phẩm protease 46 3.9 Hiệu suất sản xuất chitin theo phƣơng pháp E – A 47 3.10 Hiệu suất sản xuất chitosan theo phƣơng pháp E-A 48 3.11 So sánh chất lƣợng chitin sản xuất từ hai phƣơng pháp 49 3.12 Khối lƣợng vỏ tôm cần dùng để sản xuất 1kg chitin 50 3.13 Định mức nguyên vật liệu sử dụng để sản xuất 1kg chitin thành phẩm 51 3.14 Định mức giá thành sản xuất 1kg chitin thành phẩm 52 3.15 So sánh chất lƣợng chitosan sản xuất hai phƣơng pháp 54 3.16 Khối lƣợng chitin ƣớt cần dùng để sản xuất 1kg chitosan 55 3.17 Định mức nguyên liệu sử dụng để sản xuất 1kg chitosan thành phẩm 56 Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh Bảng Nội dung Trang 3.18 Định mức giá thành sản xuất 1kg chitosan thành phẩm 57 3.19 Điều kiện tiến hành sản xuất Glu.HCl [14] 58 3.20 Hiệu suất trình điều chế Glu.HCl từ chitin E – A 59 3.21 Khối lƣợng chitin cần dùng để điều chế 1kg glucosamine 60 3.22 Định mức nguyên vật liệu sử dụng để sản xuất 1kg Glu.HCl 60 3.23 định mức giá thành sản xuất 1kg Glu.HCl 61 Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài: Chitin (C8H13O5N)n chuỗi dài polymer acetylglucosamin N, dẫn xuất glucose, đƣợc tìm thấy nhiều nơi tự nhiên giới Nó thành phần đặt trƣng thành tế bào nấm, khung xƣơng động vật chân đốt nhƣ động vật giáp xác (cua, tôm, ghẹ), côn trùng động vật thân mềm (bao gồm mực bạch tuộc) [22] Chitosan polymer sinh học tự phân hủy tự nhiên đƣợc sản xuất từ chitin, polysaccharide có nguồn gốc từ vỏ tơm, cua tơm hùm Sự phát triển ứng dụng kinh doanh chitin chitosan lĩnh vực khác nhƣ y sinh học, dinh dƣỡng, chế biến thực phẩm, nông nghiệp, mỹ phẩm, xử lý nƣớc thải nhanh chóng mở rộng năm gần [21] Chitin dẫn xuất chitosan, có nhiều ứng dụng công nghệ thực phẩm, dƣợc phẩm, mỹ phẩm cơng nghiệp chế biến Chitin có vỏ tơm Ƣớc tính thị trƣờng tồn cầu cho chitin chitosan vào năm 2018 lên đến 118.000 Chitin đƣợc sử dụng thay loại hóa chất (nhƣ flocculant) để xử lý nƣớc phổ biến Nhật Bản, thị trƣờng lớn cho chitin chitosan Trong ngành mỹ phẩm, chitin có sản phẩm chăm sóc da tóc nhƣ dầu gội đầu, dầu xả chất dƣỡng ẩm Trong số nƣớc phát triển nuôi trồng thủy sản, Trung Quốc, Thái Lan Ecuador xây dựng ngành công nghiệp sản xuất chitin chitosan lớn [9] Glucosamine hydrochloride (Glu.HCl) đƣờng amin đƣợc tích hợp vào cấu trúc mơ thể Glu.HCl thu đƣợc cách thủy phân deacetyl chitin, polymer N-acetyl glucosamine thủy phân chitosan với axit clohidric Đó mong muốn q trình nhƣ có hiệu thời gian chi phí, sản xuất sản phẩm có độ tinh khiết cao với suất tốt Nó chiếm khoảng 80% glucosamine, hợp chất hữu ích việc trì sức khỏe chung ngƣời mắc bệnh thối hóa nhƣ bệnh viêm khớp Khi uống vào bụng, Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh Dịch lọng thu đƣợc để nguội lạnh - 4ᴼC, để qua đêm xuất tinh thể Glu.HCl màu trắng đẹp Hình 3.17: Dịch lọc Glu.HCl trước sau lọc, tinh thể glucosamine xuất sau làm lạnh Tách tinh thể Glu.HCl phƣơng pháp lọc qua phễu Buchner, rửa lại cồn 96ᴼ Sản phẩm thu đƣợc đem sấy 60ᴼC thu đƣợc tinh thể Glu.HCl trắng Hiệu suất trình điều chế Glu.HCl từ chitin E – A đƣợc thể bảng sau: Bảng 3.20: Hiệu suất trình điều chế Glu.HCl từ chitin E – A Chitin Glucosamine Hiệu suất (g) (g) (%) 2.850 57.000 2.964 59.280 2.803 56.060 Lần 68 Hiệu suất trung bình (%) 57.447 ± 1.65 Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh Dựa vào bảng số liệu 3.21, nhận thấy chitin sản xuất từ phƣơng pháp E – A cho hiệu suất sản xuất glucosamine cao Tuy nhiên tiêu hóa lý chƣa đƣợc phân tích nên khó đƣa so sánh chất lƣợng Glu.HCl tạo thành từ sản phẩm chitin  Tính tốn khối lƣợng chitin khơ cần dùng để sản xuất 1kg Glu.HCl Tƣơng tự nhƣ chitin chitosan, khối lƣợng chitin cần để sản xuất 1kg Glu.HCl thơ đƣợc tính tốn liệt kê bảng 3.21 Bảng 3.21: Khối lượng chitin cần dùng để điều chế 1kg glucosamine Phƣơng pháp m (kg) H (%) M (kg) E–A 57.447 1.741  Định mức lƣợng hóa chất cần dùng Tỉ lệ thể tích hóa chất khối lƣợng chitin thô 4/1, dựa lƣợng chitin cần sử dụng, tính tốn đƣợc lƣợng hóa chất cần dùng nhƣ bảng 3.22 Bảng 3.22: Định mức nguyên vật liệu sử dụng để sản xuất 1kg Glu.HCl STT Nguyên vật liệu Đơn vị tính Phƣơng pháp E – A Chitin E – A kg 1.741 HCl 35% Lít 6.964  Định mức giá trị sản phẩm Sau tính tốn đƣợc khối lƣợng chitin cần dùng thể tích HCl 35% cần dùng để điều chế 1kg Glu.HCl Áp giá thành nguyên liệu vào thơng số có để định mức giá thành sản phẩm Kết thu đƣợc bảng 3.23 69 Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh Bảng 3.23: Định mức giá thành sản xuất 1kg Glu.HCl Giá thành STT Tên nguyên Đơn vị vật liệu tính Phƣơng pháp E – A (nghìn Số Thành tiền đồng) lƣợng (nghìn đồng) Chitin E – A Kg 239.927 1.741 417.701 HCl 35% Lít 80 6.964 557.120 Tổng cộng 974.821 Mức giá cần để sản xuất 1kg Glu.HCl theo phƣơng pháp sinh hóa 974.821đ, giá thành tƣơng đối thấp 70 Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh KẾT LUẬN Đối với tính ứng dụng nhu cầu sử dụng ngày cao chitin, chitosan glucosamine, nghiên cứu giải đƣợc số nhu cầu cấp bách việc sản xuất chitin, chitossan có chất lƣợng tốt, tiết kiệm thời gian, chi phí, hạ thấp giá thành sản phẩm, giúp sản phẩm đến đƣợc tay ngƣời tiêu dùng có thu nhập trung bình thấp Cụ thể nhƣ sau Lựa chọn đƣợc thời gian tối ƣu áp dụng nhiệt độ vào q trình khử khống ngun liệu đầu vào Đó sử dụng HCl 10%, tỉ lệ w/v = 1/10 nhiệt độ 50ᴼC Lựa chọn đƣợc nhiệt độ tối ƣu khảo sát q trình loại protein phƣơng pháp hóa học mốc nhiệt độ khác thời gian tỉ lệ rắn lỏng Đó sử dụng NaOH 3.5%, tỉ lệ w/v = 1/5 60ᴼC Sản xuất đƣợc chitin theo phƣơng pháp sinh hóa phƣơng pháp hóa học có tiêu chất lƣợng tƣơng đối tốt Sản phẩm chitin E – A có hàm lƣợng tro, hàm lƣợng canxi, chất lƣợng cảm quan đạt yêu cầu sản phẩm chitin chất lƣợng cao Hiệu suất tƣơng đối cao, cho thấy lợi ích kinh tế rõ rệt Nhƣng hàm lƣợng protein cao, vấn đề khắc phục thực lại tối ƣu hóa q trình loại protein chế phẩm enzyme protease Ngoài ra, dịch chiết thu đƣợc từ q trình loại protein chế phẩm protease cịn đƣợc tái sử dụng làm thức ăn chăn nuôi, đem lại nguồn thu nhập Sản phẩm chitin A – B có tiêu chất lƣợng đạt yêu cầu sản phẩm chitin chất lƣợng cao Tuy nhiên, hiệu suất đem lại tƣơng đối thấp, đồng thời lƣợng hóa chất sử dụng nhiều gây ảnh hƣởng đến chất lƣợng chitin khó khăn việc xử lý nƣớc thải Sản xuất đƣợc chitosan từ chitin E – A có chất lƣợng tƣơng đối tốt, nhƣng hàm lƣợng protein cịn lại chƣa đƣợc loại bỏ hồn tồn, nằm ngƣỡng chitin chất lƣợng cao nhƣng không đáng kể Chitosan sản xuất từ chitin A – B có chất 71 Lớp 12CHD, Trường ĐHSP - ĐHDN Nguyễn Thị Hồng Ánh lƣợng tốt, đạt tiêu chitosan chất lƣợng cao (hàm lƣợng canxi, protein, tro