Phân lập chitin và điều chế chitosan, glucosanmin clohydrat từ vỏ tôm phế thải luận văn tốt nghiệp đại học

trêng ®¹i häc vinh khoa ho¸ häc ------------ NGUYỄN THỊ HƯƠNG GIANG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tªn ®Ò tµi: Phân lập chitin và điều chế chitosan, glucosamin clorhydrat từ vỏ tôm phế thải 1 1 Vinh, n¨m 2011 2 2 Lêi c¶m ¬n Để hoàn thành đồ án này trong một thời gian ngắn ngoài sự cố gắng của bản thân, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ về kiến thức, tinh thần cũng như những góp ý của các thầy, cô trong bộ môn Hóa thực phẩm – Khoa Hóa - Trường Đại học Vinh. Đặc biệt là TS. Trần Đình Thắng – Trưởng bộ môn Hóa thực phẩm – trường Đại học Vinh , PGS. TS Hà Huy Kế, TS Phan Quốc Kinh - Trung tâm phát triển hóa sinh thuộc Viện khoa học nghiên cứu sản xuất công nghệ mới – Số 8 Láng Hạ - Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực hiện đồ án. Cuối cùng em xin tỏ lòng biết ơn tới gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho em trong suốt quá trình học tập và làm đồ án. Do sự hạn chế về trình độ và kinh nghiệm, nên bản đồ án này chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong được sự giúp đỡ, thông cảm và góp ý của Thầy, cô cùng các bạn Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 10 tháng 12 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Thị Hương Giang 3 3 MỤC LỤC MỤC LỤC 4 MỞ ĐẦU 9 Chương I: TỔNG QUAN VỀ CHITIN, CHITOSAN VÀ GLUCOSAMIN 10 1.1.Nguồn gốc của chitin trong tự nhiên .11 1.2.Cấu trúc hóa học, tính chất hóa học, tính chất lý hóa của chitin 13 1.2.1.Cấu trúc: 13 1.2.2.Tính chất lý hóa của chitin 14 1.3.Cấu trúc hóa học, tính chất hóa học, tính chất lý hóa của chitosan 14 1.3.1.Cấu trúc và tính chất hóa học của chitosan. 14 1.3.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất lý hóa của chitosan 15 1.3.3.Các dẫn chất chitosan hòa tan trong nước 17 1.3.4.Tác dụng của chitosan [10-14] 18 1.4.Glucosamin .19 1.4.1.Cấu trúc và tính chất của glucosamin 19 1.4.2.Tác dụng của glucosamin 19 4 4 1.5.Tình hình nghiên cứu sản xuất, ứng dụng chitin, chitosan và glucosamin trên thế giới và ở Việt Nam 20 1.5.1.Trên thế giới 20 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .22 VÀ THỰC NGHIỆM 22 2.1. Đối tượng nghiên cứu (vỏ tôm phế thải) 22 2.2. Phương pháp nghiên cứu .22 2.2.1. Phân lập chitin từ vỏ tôm: 22 2.2.2. Điều chế chitosan [21-22]: 23 2.2.2.2. Phương pháp hóa học: 24 2.2.4. Điều chế glucosamin clorhydrat [4,19,21] 29 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1. Đánh giá tình hình vỏ tôm phế liệu .30 3.2. Hoàn thiện quy trình sản xuất chitin, chitosan .30 3.2.1. Hóa chất và thuốc thử: 30 3.2.2. Các dụng cụ và máy móc cần thiết 30 3.3. Thực nghiệm và kết quả: .32 3.3.1. Điều chế chitosan 32 5 5 3.3.2.1. Điều chế glucosamin clorhydrat từ chitin: 41 3.3.3. Kết quả nghiên cứu sản xuất chitosan theo phương pháp hóa học 42 45 46 47 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO .49 PHỤ LỤC .52 6 6 TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Phân lập chitin và điều chế chitosan, glucosamin từ vỏ tôm phế thải 1) Phân lập được chitin từ vỏ tôm sau khi đã loại canxi và protein 2) Điều chế chitosan từ chitin theo 3 phương pháp khác nhau: - Phương pháp 1: Xử lý 2 lần kiềm - Phương pháp 2: Xử lý 1 lần kiềm ở nhiệt độ thường - Phương pháp 3: Xử lý 1 lần kiềm ở nhiêt độ 100 o C 3) Dùng H 2 O 2 3% để loại màu của chitosan. - Sản phẩm cho màu trắng hơi vàng nếu xử lý với H 2 O 2 3% trong 6 giờ. - Sản phẩm cho màu trắng nếu xử lý với H 2 O 2 3% trong 12 giờ. 4) Điều chế glucosamin clorhydrat bằng phương pháp thủy phân chitin hoặc chitosan bằng HCl đậm đặc (37%). 5) Kiểm tra sản phẩm chitin, chitosan bằng các phương pháp: phổ hồng ngoại, độ deacetyl hóa, 6) Kiểm tra độ tinh khiết của glucosamin clorhydrat bằng các phương pháp: Phổ khối lượng, phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1 H và 13 C_NMR phổ hồng ngoại, sắc ký lớp mỏng. Các số liệu phân tích đều phù hợp với tài liệu tham khảo và mẫu chuẩn. 7 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng1.1 Trọng lượng phân tử (MW) của chitosan phụ thuộc vào điều kiện deacetyl hóa chitin. 7 Bảng 1.2 Độ deacetyl (DD %) của chitin phụ thuộc vào điều kiện phản ứng: nồng độ NaOH, nhiệt độ và thời gian 8 Bảng 1.3 % vi khuẩn bị ức chế bởi N – cacboxy butyl chitosan 9 Bảng 3.1 Hàm lượng thành phần chủ yếu trong vỏ tôm phế thải 20 Bảng 3.2 Chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm chitosan điều chế 25 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 3.1 Phổ hồng ngoại của chitin 26 Hình 3.2 Phổ hồng ngoại của chitosan 26 Hình 3.3 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1 H của chitosan chuẩn 27 Hình 3.4 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1 H của chitosan điều chế 27 Hình 3.5 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13 C-NMR của chitosan 28 Hình 3.6 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13 C-NMR của chitosan 28 Hình 3.7 Sắc đồ của glucosamin clorhydrat 31 Hình 3.8 Phổ hồng ngoại của glucosamin clorhydrat điều chế 32 Hình 3.9 Phổ hồng ngoại của glucosamin clorhydrat chuẩn 32 Hình 3.10 Phổ khối của glucosamin hydroclorid điều chế 33 Hình 3.11 Phổ 1 H_NMR của glucosanmin clohydrat 33 Hình 3.12 Phổ 1 H_NMR của glucosanmin clohydrat 34 Hình 3.13 Phổ 13 C_NMR của glucosanmin clohydrat 34 Hình 3.14 Phổ 13 C_NMR của glucosanmin clohydrat 35 8 8 MỞ ĐẦU Trong công nghệ chế biến thuỷ sản xuất khẩu của Việt Nam, hằng năm đã thải ra một lượng phế liệu giáp xác khá lớn, tỷ lệ các mặt hàng giáp xác đông lạnh chiếm từ 70 – 80% sản lượng chế biến - Đó là nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp để sản xuất chitosan và các sản phẩm có giá trị khác. Công nghệ chế biến tôm tạo ra một lượng lớn phế thải rắn bao gồm đầu tôm và vỏ tôm, thường chiếm 50-70% nguyên liệu ban đầu [15,26]. Vỏ, đầu tôm đã được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi với các phương pháp truyền thống như: Sấy khô hoặc phơi nắng sau đó đem xay mịn bổ sung vào thức ăn chăn nuôi. Việc sấy khô đòi hỏi năng lượng lớn, tốn kém. Phơi nắng thì phụ thuộc vào thời tiết, mất vệ sinh và gây ô nhiễm môi trường. Cả hai phương pháp này không loại được khoáng và chitin mà 2 chất này gây khó tiêu cho gia súc, gia cầm. Vậy nếu lợi dụng tổng hợp phế thải này bằng cách tách riêng phần protein ở đầu tôm ra phục vụ chăn nuôi, tách hợp chất màu (astaxanthin) để phục vụ công nghiệp nhuộm, chế biến chitosan để phục vụ nông nghiệp, công nghiệp, mỹ phẩm, y tế thì giá trị mang lại từ nguồn phế liệu tôm sẽ lớn hơn gấp nhiều lần so với chỉ đem phế liệu tôm đi sấy khô hay phơi nắng nghiền bột cho gia súc, gia cầm. Trong Y học, từ chitin và chitosan có thể điều chế glucosamin, một nguyên liệu dùng để sản xuất thuốc điều trị viêm khớp mà hiện nay nguyên liệu này ta còn phải nhập ngoại. Từ khả năng ứng dụng khá rộng rãi của chitin và chitosan nên hiện nay nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu và sản xuất các sản phẩm này, đặc biệt là Trung Quốc và Nhật Bản. Theo số liệu chiến lược xuất khẩu của Bộ Thủy sản, từ năm 2005 sản lượng tôm xuất khẩu đạt 140.000 tấn/năm. Từ quá trình sản xuất này sẽ có một lượng lớn phế liệu riêng cho vỏ tôm khoảng 70.000 tấn [3]. Vì vậy đề tài Phân lập chitin và điều chế chitosan, glucosamin clorhydrat từ vỏ tôm phế thải với mục tiêu “Góp phần điều chế chitin, chitosan và glucosamin từ vỏ tôm phế thải làm nguyên liệu bảo quản thực phẩm và các sản phẩm thực phẩm chức năng, để hỗ trợ, điều trị thoái hóa khớp”. 9 9 Chương I: TỔNG QUAN VỀ CHITIN, CHITOSAN VÀ GLUCOSAMIN Dọc bờ biển nước ta có rất nhiều các nhà máy chế biến thủy hải sản. Các nghiên cứu khảo sát vỏ cua, mai mực ống,… Để sản xuất chitin, chitosan nhận thấy: - Vỏ cua: Tốn nhiều hóa chất xử lý do hàm lượng muối vô cơ trong vỏ cua cao - Mai mực ống: Cho sản phẩm trắng đẹp, không cần phải tẩy màu nhưng nguyên liệu mai mực ống ít hơn vỏ tôm nhiều. - Vỏ tôm chính là nguồn nguyên liệu thích hợp nhất cho việc sản xuất chitin, chitosan, glucosamin. Theo nhiều tài liệu đã khảo sát cho biết nguồn nguyên liệu vỏ tôm tại một số cơ sở chế biến hải sản ở các địa phương khác nhau. a. Nguồn vỏ tôm ở Cần Thơ: Công ty chế biến thủy hải sản CAFATEX (Cần Thơ) với một số kết quả sau: - Chủng loại vỏ tôm: tôm sú, tôm càng. - Công suất sản xuất tôm đông lạnh: 60 – 70 tấn tôm/ngày hay 750 tấn tôm/tháng - Lượng vỏ tôm phế thải: 270 – 350 tấn vỏ tôm/tháng (tùy theo mùa thu hoạch tôm). - Chất lượng vỏ tôm: Trong vỏ tôm thì 80% trọng lượng là vỏ đầu tôm (còn chứa nhiều thịt tôm) và 20% là vỏ thân tôm. Như vậy có khoảng 50 tấn vỏ thân tôm/tháng. - Sử dụng vỏ tôm: Vỏ tôm ở CAFATEX đang được dùng làm thức ăn gia súc, nuôi cá (vỏ đầu tôm), phân bón (vỏ thân tôm). Hiện nay có một số công ty của Trung Quốc và Nhật Bản đang thu mua vỏ tôm đã sơ chế, sấy khô để đưa về chính quốc sản xuất tiếp - Giá cả: Vỏ đầu tôm ướt 2000 – 3000 đồng/kg. Vỏ thân tôm ướt 2000 – 2500 đồng/kg. b. Khảo sát nguyên liệu vỏ tôm ở tỉnh Đồng Nai: Trên địa bàn tỉnh Đồng Nai, có các cơ sở nuôi tôm với quy mô công nghiệp. Song so với các tỉnh phía Nam (Cần Thơ, Minh Hải, Cà Mau,…) thì sản lượng tôm không lớn (ước tính khoảng 100 tấn/năm). Trong địa bàn tỉnh có 2 công ty chế biến tôm xuất khẩu, 10 10