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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG NGUYỄN CƠNG MINH NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHITOSAN KHỐI LƯỢNG PHÂN TỬ THẤP, CHITOSAN HOÀ TAN TRONG NƯỚC VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN HỖN HỢP CAROTEN-PROTEIN CHIẾT RÚT TỪ PHẾ LIỆU TÔM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÁNH HOÀ - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG NGUYỄN CÔNG 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH ĐÀO TẠO : CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỦY SẢN MÃ SỐ : 9540105 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRANG SĨ TRUNG TS SIMONA SCHWARZ KHÁNH HỒ - 2020 Cơng trình hoàn 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 lúc 8h00, ngày 25 tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Nha Trang LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình tơi thực Các số liệu, kết luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm lời cam đoan Tác giả luận án Nguyễn Cơng Minh i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án xin gửi lời tri ân đến Ban giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban lãnh đạo Khoa Công nghệ thực phẩm, Viện CNSH&MT, Phòng đào tạo sau đại học tạo điều kiện cho tơi q trình thực luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Bộ KH&CN tài trợ kinh phí cho nghiên cứu thông qua đề tài Nghị định thư ―04/2014/HĐ-NĐT‖; Viện Polymer Lebniz – Dresden; Viện Plant Biology and Biotechnology - Đại học Münster giúp đỡ việc thực phân tích cấp cao cho luận án Tơi xin cảm ơn dự án Vlir Network tạo điều kiện cho tham gia lớp tập huấn phần kinh phí hố chất cho việc thực thí nghiệm Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Trang Sĩ Trung TS Simona Schwarz tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Văn Hòa, GS Willem F Stevens ln tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, động viên khích lệ dành nhiều thời gian trao đổi chun mơn với tơi q trình thực luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn đến TS Hồng Ngọc Cương, ThS Phạm Thị Đan Phượng, ThS Phạm Viết Nam, PGS.TS Ngô Đăng Nghĩa, TS Khổng Trung Thắng, GS Bruno Moerschbacher, TS Jasper Wattjes, TS Anna Niehues, cán kỹ thuật Trung tâm Thí nghiệm Thực hành, em học viên cao học khóa 2015 – 2017, 2016 – 2018, em sinh viên khóa K54, K55, K56, K57 Khoa Công nghệ thực phẩm, Viện CNSH&MT đồng hành giúp đỡ, động viên, khích lệ chia cho tơi nhiều kinh nghiệm q trình học tập, nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp ln động viên, giúp đỡ, chia sẻ khó khăn để luận án hoàn thành Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn! Khánh Hoà, ngày …… tháng năm 2020 Tác giả luận án Nguyễn Công Minh ii MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC HÌNH VI DANH MỤC BẢNG IX TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN X PHẦN MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Chitosan khối lƣợng phân tử thấp (LMWC) 1.1.1 Khái niệm LMWC 1.1.2 Sản xuất LMWC 1.1.3 Tính chất LMWC 16 1.1.4 Ứng dụng LMWC 22 1.2 Chitosan hòa tan nƣớc (WSC) 23 1.2.1 Khái niệm WSC 23 1.2.2 Sản xuất WSC 23 1.2.3 Tính chất chitosan hịa tan nước 27 1.2.4 Ứng dụng chitosan hòa tan nước 28 1.3 Hỗn hợp caroten-protein 29 1.3.1 Khái niệm caroten-protein 29 1.3.2 Sản xuất caroten-protein 30 1.3.3 Ứng dụng caroten-protein 32 1.3.4 Biến đổi caroten-protein trình bảo quản 33 CHƢƠNG NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38 2.1 Nguyên vật liệu nghiên cứu 38 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 39 2.2.1 Phương pháp tiếp cận 39 2.2.2 Nghiên cứu sản xuất LMWC phương pháp cắt mạch trạng thái rắn với tác nhân H2O2 40 2.2.3 Nghiên cứu quy trình sản xuất WSC trạng thái rắn với tác nhân khí HCl 49 2.2.4 Nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn, hoạt tính chống oxy hố LMWC, WSC 56 2.2.5 Nghiên cứu ứng dụng LMWC, WSC bảo quản hỗn hợp carotene-protein 59 2.3 Phƣơng pháp phân tích 61 2.4 Phƣơng pháp tính tốn xử lý số liệu 63 iii CHƢƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 64 3.1 Nghiên cứu sản xuất LMWC phƣơng pháp cắt mạch trạng thái rắn với tác nhân H2O2 64 3.1.1 Đánh giá tính chất nguyên liệu chitosan 64 3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng trình trương nở đến Mw chitosan sau cắt mạch H2O2 67 3.1.3 Nghiên cứu trình cắt mạch chitosan trạng thái rắn với tác nhân H2O2 77 3.1.4 Phân tích tương quan, hồi quy khối lượng phân tử, độ deacetyl chitosan đầu vào với khối lượng phân tử, độ tan sản phẩm cắt mạch 81 3.1.5 Đề xuất quy trình thu nhận LMWC phương pháp cắt mạch trạng thái rắn với tác nhân H2O2 85 3.1.6 Đánh giá hiệu suất chất lượng LMWC 87 3.2 Nghiên cứu sản xuất chitosan hòa tan nƣớc trạng thái rắn với tác nhân khí HCl 98 3.2.1 Thành phần hóa học chitosan ban đầu 98 3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng chitosan nhiệt độ phản ứng đến độ tan, Mw WSC 99 3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian phản ứng đến độ tan, Mw WSC 100 3.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng mật độ chitosan đến độ tan Mw WSC 101 3.2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước chitosan đến độ tan, Mw WSC .102 3.2.6 Đề xuất quy trình sản xuất WSC .104 3.2.7 Đánh giá tính chất WSC 105 3.2.8 Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn chống oxy hố LMWC, WSC 109 3.3 Nghiên cứu ứng dụng LMWC, WSC quản caroten-protein (C-P) 116 3.3.1 Thành phần hóa học LMWC, WSC C-P .116 3.3.2 Biến đổi hàm lượng carotenoid, protein hoà tan C-P 24 tuần bảo quản LMWC WSC 120 3.3.3 Biến đổi TVB – N C-P 24 tuần bảo quản với LMWC, WSC 122 3.3.4 Biến đổi hàm lượng lipid; phospholipid; peroxide; vi sinh vật hiếu khí C-P 24 tuần bảo quản LMWC WSC 123 3.3.5 Đánh giá chất lượng C-P trước sau bảo quản 126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 132 iv DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt AAS Tiếng Anh Tiếng Việt Phổ hấp thu nguyên tử Atomic absorption Spectrophotometric AOAC Hiệp hội nhà hố phân tích Association of Official Analytical Chemists χcr Degree of crystallinity Độ kết tinh C–P Caroten-protein Hỗn hợp caroten-protein CrI Crystalline Index Chỉ số kết tinh DD Degree of deacetyl Độ deacetyl FTIR Fourier Transform Infrared Quang phổ hấp thụ hồng ngoại LMWC Low molecular weight chitosan Chitosan khối lượng phân tử thấp WSC Water soluble chitosan Chitosan hoà tan nước GlcN D-glucosamine D-glucosamine GlcNAc N-acetyl glucosamine N-acetyl glucosamine HMWC High molecular weight chitosan Chitosan khối lượng phân tử cao MIC Minimum Inhibitory Concentration Nồng độ ức chế tối thiểu Mw The Molecular Weight Khối lượng phân tử trung bình NMR Nuclear Magnetic Resonance Phổ cộng hưởng từ hạt nhân PV Peroxide Value Chỉ số peroxide SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét SEC-MALLS Size-exclusion chromatographyMulti-angle static light scattering Sắc ký loại trừ kết hợp với phân tán ánh sáng tĩnh đa góc CTS/DM Chitosan/dung mơi TVB-N Total Volatile Basic Nitrogen Nitơ bazơ bay XRD X-ray powder diffraction Phổ nhiễu xạ tia X Mw - Input Khối lượng phân tử đầu vào Mw - Output Khối lượng phân tử đầu ΔMw Biến thiên khối lượng phân tử ΔT Biến thiên thời gian phản ứng v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cơng thức cấu tạo (a) chitin/chitosan, (b) cellulose Hình 1.2 Các phương pháp sản xuất LMWC Hình 1.3 Phản ứng hình thành WSC dạng muối chitosan 24 Hình 1.4 Quy trình thu nhận caroten-protein từ phế liệu tơm 31 Hình 2.1 Sơ đồ phương pháp tiếp cận vấn đề nghiên cứu Luận án 39 Hình 2.2 Nghiên cứu cắt mạch chitosan trạng thái rắn với tác nhân H2O2 41 Hình 2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng dung môi trương nở đến Mw chitosan 42 Hình 2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ NaOH trương nở đến Mw chitosan 43 Hình 2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ trương nở đến Mw chitosan 44 Hình 2.6 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian trương nở đến Mw chitosan 45 Hình 2.7 Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ H2O2 đến Mw chitosan 46 Hình 2.8 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian xử lý H2O2 đến Mw chitosan 47 Hình 2.9 Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ H2O2/CTS đến Mw chitosan 48 Hình 2.10 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu quy trình sản xuất WSC 49 Hình 2.11 Mơ hình thiết bị phản ứng sản xuất WSC 51 Hình 2.12 Thiết bị phản ứng sản xuất WSC 51 Hình 2.13 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến độ tan, Mw WSC 52 Hình 2.14 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian đến độ tan Mw WSC 53 Hình 2.15 Nghiên cứu ảnh hưởng mật độ chitosan đến độ tan, Mw WSC 54 Hình 2.16 Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước chitosan đến độ tan, Mw WSC 55 Hình 2.17 Nghiên cứu ứng dụng LMWC, WSC bảo quản hỗn hợp C-P 60 Hình 3.1 Chitosan nguyên liệu (HMWC) dạng vảy (a) dạng bột (b) 65 Hình 3.2 Mw độ nhớt chitosan cắt mạch H2O2 sau trương nở dung môi khác 69 Hình 3.3 Phân bố kích thước chitosan thu nhận trường hợp mẫu cắt mạch trương nở NaOH 0,1% (a); NaOH 10% (b); H2O (c), NaCl 0,9% (d) 70 Hình 3.4 Mw chitosan cắt mạch H2O2 sau trương nở NaOH có nồng độ khác 71 Hình 3.5 Ảnh hưởng nồng độ NaOH trương nở đến tỷ lệ trương nở chitosan nguyên liệu (đường a) Mw sản phẩm cắt mạch (đường b) 72 vi Hình 3.6 Chitosan ban đầu, trương nở với H2O, NaOH 0,2% (a) chitosan chưa trương nở (b) trương nở với NaOH 0,2% (c) quan sát kính hiển vi (x40) 72 Hình 3.7 Phân bố kích thước chitosan thu nhận trường hợp mẫu cắt mạch không trương nở (a); trương nước (b), trương NaOH 0,2% (c) 73 Hình 3.8 Ảnh hưởng nhiệt độ đến tỷ lệ trương nở chitosan nguyên liệu Mw sản phẩm cắt mạch H2O2 75 Hình 3.9 Ảnh hưởng thời gian trương nở đến tỷ lệ trương nở chitosan nguyên liệu (a) Mw sản phẩm cắt mạch (b) 76 Hình 3.10 Ảnh hưởng nồng độ H2O2 đến tốc độ phản ứng (a) Mw, độ tan (b) sản phẩm cắt mạch 77 Hình 3.11 Ảnh hưởng thời gian đến tốc độ phản ứng (a) Mw (b) sản phẩm cắt mạch 79 Hình 3.12 Ảnh hưởng tỷ lệ H2O2/CTS đến tốc độ phản ứng (a) Mw (b) sản phẩm cắt mạch 80 Hình 3.13 Tương quan, hồi quy Mw chitosan đầu vào (Mw-Input) với khối lượng phân tử chitossan đầu (Mw-Output) 82 Hình 3.14 Tương quan, hồi quy Mw chitosan đầu vào (Mw-Input) với số lần cắt mạch (a) độ phân tán Mw -Output (b) 83 Hình 3.15 Tương quan, hồi quy độ deacetyl với số lần cắt mạch(a) độ tan (b) sản phẩm cắt mạch 85 Hình 3.16 Quy trình sản xuất LMWC trạng thái rắn với tác nhân H2O2 86 Hình 3.17 Phổ XRD (a); FTIR (b) HMWC LMWC 90 Hình 3.18 Phổ 1H NMR LMWC 92 Hình 3.19 Phổ 1H NMR chitosan chuẩn theo Lavertu cộng (2003) [106] 93 Hình 3.20 Phân bố Mw LMWC xác định HP-GPC-RID/MALS 95 Hình 21 Độ nhớt dung dịch LMWC, HMWC bảo quản trạng thái rắn trạng thái dung dịch 97 Hình 3.22 Ảnh hưởng chitosan nhiệt độ phản ứng đến độ tan, Mw WSC 99 Hình 3.23 Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến độ tan, Mw WSC 101 Hình 3.24 Ảnh hưởng mật độ chitosan đến độ tan, Mw WSC 102 Hình 3.25 Ảnh hưởng kích thước chitosan đến độ tan, Mw WSC 103 Hình 3.26 Sơ đồ đề xuất quy trình sản xuất WSC 104 vii ... 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 carotenprotein chiết rút từ phế liệu tôm Ngành: Công... caroten- protein hướng cần quan tâm nghiên cứu 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. .. nhận từ phế liệu tôm Để bước đầu giải vấn đề trên, Luận án "Nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan khối lƣợng phân tử thấp, chitosan hòa tan nƣớc thử nghiệm ứng dụng bảo quản hỗn hợp caroten- protein