và bảo quản thịt lợn nguyên liệu
Việc nghiên cứu về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất lý hoá ứng dụng của chitosan đã được công bố từ những năm 30 của thế kỷ XX. Những nước đã thành công trong lĩnh vực nghiên cứu sản xuất chitosan đó là: Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Pháp [7],[8].
Nhật Bản là nước đầu tiên trên thế giới năm 1973 sản xuất 20 tấn/năm. Và đến nay đã lên tới 700 tấn/năm, Mỹ sản xuất trên 300 tấn/năm. Theo Know năm 1991 thì thị trường có nhiều triển vọng của chitin, chitosan là Nhật Bản, Mỹ, Anh, Đức. Nhật được coi là nước dẫn đầu về công nghệ sản xuất và buôn bán chitin, chitosan. Người ta ước tính sản lượng chitosan sẽ đạt tới 118000 tấn/năm; trong đó Nhật, Mỹ là nước sản xuất chính [7],[8],[36].
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và sản xuất chitin, chitosan và ứng dụng của chúng trong sản xuất phục vụ đời sống là một vấn đề tương đối mới mẻ. Vào những năm 1978-1980, trường Đại học Thủy sản Nha Trang đã công bố quy trình sản xuất chitosan của tác giả Đỗ Minh Phụng mở đầu bước ngoặt quan trọng trong việc nghiên cứu, tuy nhiên chưa có ứng dụng nào thực tế trong sản xuất [8],[9].
Hiện nay nhiều cơ sở khoa học đang nghiên cứu sản xuất chitosan như: Trường Đại học Thủy sản Nha Trang, Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, Trung tâm nghiên cứu polymer - Viện khoa học Việt Nam, Viện hoá thuộc Viện khoa học Việt Nam tại Thành Phố Hồ Chí Minh, Trung tâm Công nghệ và sinh học Thủy sản - Viện nghiên cứu môi trường thuỷ sản 2,…Trong đó, các kết quả công bố
gần đây của các nhà khoa học thuộc trường Đại học Thủy sản Nha Trang đã đi sâu nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất ởbước cao hơn theo hướng giảm thiểu sử dụng hóa chất trong xử lý, ứng dụng công nghệ enzyme.
Đáng kể nhất là các công trình nghiên cứu của Trần Thị Luyến và các cộng sự đã sử dụng enzym papain, chitinase và vi khuẩn lactic trong công nghệ sản xuất chitosan. Những kết quả này đã góp phần đáp ứng yêu cầu cấp bách xử lý phế liệu tôm đông lạnh, giảm thiểu nguồn ô nhiễm môi trường ở nước ta và trước những yêu cầu cứu để nâng khắt khe hơn về chất lượng của chitin, chitosan trên thị trường đầy tiềm năng hiện nay.
Như vậy, với tính ưu việt của chitosan như khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, chống mất nước trong quá trình bảo quản, dễ rửa trôi trước khi đưa thực phẩm vào chế biến, dễ tiêu huỷ, đặc biệt dễ hoà hợp và không gây độc hại đối với người sử dụng, chitosan ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm. Với những tính chất của nó, có thể chitosan còn rất nhiều những ứng dụng tiềm ẩn mà các nhà khoa học đang nghiên cứu, khám phá. Trong lĩnh vực thực phẩm, chitosan đang được các nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm nghiên cứu và mở rộng khả năng ứng dụng của nó, cụ thể như sau:
Ngoài nước
Nghiên cứu về ứng dụng của chitosan, rất nhiều tác giả cho rằng chitosan có hoạt tính sinh học tự nhiên, không độc, được sử dụng trong thực phẩm với vai trò là một tác nhân tách chiết, tác nhân làm trong và thành phần cho chế độ người ăn kiêng (Knorr, 1991; Pinotti, Bevilacqua & Zaritzky, 1997) [36]. Ngoài ra, chitosan có khả năng hình thành màng đặc biệt để bao gói thực phẩm (Tual, Espuche, Escoubes, & Domard, 2000). Các tính chất chức năng của màng bao chitosan bao gồm: khảnăng tiêu diệt vi sinh vật, chống lại oxy hoá và là màng ngăn chặn sự xâm nhập của oxy rất tốt (Jeon et al, 2002).
Sản phẩm thuỷ sản rất nhạy cảm với sự biến đổi giảm chất lượng do sự ôxy hoá lipit của các acid béo chưa bão hoà, các axit chưa bão hoà là do sự có mặt với nồng độ cao của thành phần Hematin và các ion kim loại trong cơ thịt thuỷ sản (Decker và Hultin, 1992). Hơn nữa, chất lượng của thực phẩm thuỷ sản bị ảnh
hưởng rất lớn bởi sự tự phân giải, sự lây nhiễm và phát triển của vsv và sự mất dần chức năng của protein. Trong suốt quá trình bảo quản đông, sự ôxy hoá vẫn xảy ra và làm thay đổi màu sắc, mùi vị của cá. Màng chitosan rất quan trọng nhằm hạn chế sự vận chuyển oxy từmôi trường bảo quản đến thực phẩm [21].
Kamil và cộng sự (2002) đã nghiên cứu về hoạt tính chống ôxy hoá của chitosan ở các nồng độ khác nhau đến cơ thịt cá trích (Clupea harengus) được bảo quan ở 4oC trong 8 ngày. Tác dụng này được so sánh với các mẫu đối chứng sử dụng chất chống ôxy hoá là BHA, BHT. Các nghiên cứu tương tự của tác giả Kim và Thomas (2007) với việc sử dụng chitosan với các nồng độ (0,2%; 0,5% và 1,0%)và trọng lượng phân tử (30,90, và 120 kDa) đến việc bảo quản cá hồi [22].
Jeon and cộng sự (2002) đã nghiên cứu về ảnh hưởng của 3 độ nhớt khác nhau của chitosan là: 360, 57 và 14 cP tương ứng với trọng lượng phân tử 1800, 960 và 660 kDa đến sự kéo dài thời gian bảo quản của cá tươi fille đó là: cá tuyết đại tây dương (Gadus morhua) và cá trích (Clupea harengus) trên 12 ngày bảo quản lạnh ở nhiệt độ 4oC. Tác dụng này của chitosan được so sánh với mẫu đối chứng (không có màng bao chitosan).
Về khả năng chống lại ôxy hoá của chitosan, các tác giả trên đều cho rằng, màng bao chitosan có tác dụng giảm đáng kể đến sự ôxy hoá lipit, sự phân huỷ (nitơ bay hơi, Trimethylamin, hypoxanthin) và sự phát triển VSV trên cá. Mẫu sử dụng chitosan có hiệu quả chống ôxy hoá và giữ được chất lượng cá tốt hơn so với các mẫu đối chứng. Khả năng chống ôxy hoá của chitosan đến cơ thịt cá phụ thuộc vào trọng lượng phân tử và nồng độ chitosan. Ở nồng độ càng cao và trọng lượng phân tử thấp, chitosan có tác dụng chống oxy hóa cao hơn và ngược lại.
Về cơ chế chống oxy hoá của chitosan, Peng, Xue và tác giả khác (1998) cho rằng, các nhóm amino của phân tử chitosan có thể kìm hãm sự ôxy hoá lipit do tác động kìm hãm các ion kim loại có mặt trong cơ thể cá hoặc có sự hoá hợp lipit của chitosan, vì vậy, mới hạn chế được sự hoạt động ôxy hoá của nhóm ion kim loại. Jeon và cộng sự (2002) cho rằng, chitosan đóng vai trò như một tấm chắn chống sự xâm nhập ôxy và vi sinh vật từ môi trường bên ngoài, vì vậy, giữ cho cá được tươi lâu hơn [24],[25].
Ngoài ra, Sathivel (2005) đã nghiên cứu cho rằng, chitosan là màng bao không độc có ảnh hưởng tốt đến chất lượng của cá hồi hồng philê lột da (Oncorhynchus gorbuscha) trong suốt 3 tháng bảo quản đông. Màng chitosan đã giảm được sự thoát ẩm của cá hồi hồng file đến 50%, màu sắc cá vẫn được giữ nguyên, kìm hãm sự ôxy hoá lipit, kết quả này được so sánh với mẫu không sử dụng màng bao. Tác giả cũng đã nhận xét, chitosan được sử dụng tạo thành lớp màng trên bề mặt miếng cá hồi hồng file, nó đóng vai trò như một tấm ngăn sự tiếp xúc của cá với môi trường, chính vì vậy, sẽ giảm sự khuếch tán oxy vào bề mặt và bên trong miếng philê.
Ahnand Lee (1992) cũng đã nghiên cứu sản phẩm cá thu tươi được ngâm trong dung dịch nước muối 15% trong 30 phút, sau đó, mẫu được bọc lớp chitosan và sấy bằng không khí nóng ở 40oC trong 3 giờ. Trong quá trình bảo quản ở 5oC trong 20 ngày, mẫu có bọc chitosan thì các nitơ bay hơi, nitơ amin, trimethylamin (TMA), acid thiobarbituric (TBA) và chỉ số peroxit có thể giữ được tốt hơn mẫu không có chitosan. Mẫu bọc chitosan được đông đảo khách hàng thừa nhận một cách toàn diện cao hơn mẫu đối chứng. Các tác giả đã kết luận, sự bao màng chitosan là một phương pháp có hiệu quả để duy trì chất lượng của cá thu khô đã qua ngâm muối nhạt [36].
Một nghiên cứu tương tự của L´opez-Caballero và cộng sự (2005) cũng cho rằng khi sử dụng màng bao chitosan đối với sản phẩm chả cá tuyết cũng kìm hãm sự hư hỏng của sản phẩm [29]. Ngoài ra, khi thêm bột chitosan vào chả cá tạo phức hợp chitosan-gelatin làm tăng độ dẻo dai, độ mịn và hạnchế quá trình hư hỏng của sản phẩm.
Nhìn chung, chitosan có khả năng kháng khuẩn mạnh hơn kháng nấm (Tsai and các tác giả 2002). Những nghiên cứu gần đây về hoạt động kháng lại vi sinh vật của chitosan và các oligomer của chúng đã phát hiện ra rằng, chitosan có khả năng hạn chế sự phát triển vi sinh vật hiệu quả hơn các oligomer (Uchida và cộng sự 1989; Jeon và cộng sự 2001). Ngoài ra, các nghiên cứu đều ghi nhận rằng, hiệu quả kháng vi sinh vật của chitosan và các oligomer của chúng phụ thuộc vào trọng lượng phân tử và nồng độ của chúng, nồng độ dung dịch chitosan càng lớn khả năng
tiêu diệt vi sinh vật càng mạnh (Uchida và cộng sự 1989; Jeon và cộng sự 2001; No và cộng sự 2002), độ đề acetyl (Tsai và cộng sự 2002) và loại vi sinh vật (No và cộng sự 2002) [25].
Phần lớn các nghiên cứu về hoạt động kháng lại vi sinh vật của chitosan đã được ghi nhận và cơ bản được dựa trên các thực nghiệm (Sudarshan và các tác giả 1992; Roller và Covill 1999; Shahidi 1999; Rhoades và Roller 2000; No và cộng sự 2002). Hầu hết các thực phẩm là hỗn hợp của các thành phần khác nhau (như, carbohydrate, protein, chất béo, các khoáng, vitamin, muối và các thành phần khác) và nhiều thành phần này có tương tác với chitosan và làm giảm hoặc làm tăng hoạt động kháng lại vi sinh vật của chitosan. Gần đây, Devlieghere và cộng sự (2004) đã nghiên cứu nhiều về ảnh hưởng của các thành phần thực phẩm khác nhau đến hiệu quả kháng vsv của chitosan (như tinh bột, protein, dầu, muối). Các nghiên cứu cho rằng, khi cấy Candida lambica (2 log cfu/ml) và ủ ở 7oC với nồng độ chitosan khác nhau (43 kDa, DD = 94%; 0%, 0,005% và 0,01%) và thêm vào từng thành phần thực phẩm: tinh bột (0%, 1%, 30%), dịch protein của sữa (0%, 1%, 10%), dầu hướng dương (0%, 1%, 10%) và muối (0%; 0,5%; 2%). Kết quả, tinh bột, protein của sữa, muối có ảnh hưởng lên hoạt động kháng vi sinh vật của chitosan, ngược lại, dầu hướngdương là không có ảnh hưởng [31],[36].
Nghiên cứu về ảnh hưởng của việc mạ băng bằng chitosan lên chất lượng của cá hồi hồng (Oncorhynchus gorbuscha) philê lột da trong suốt 8 tháng bảo quản đông (Subramaniam Sathivel a,*, Quan Liu b, Jiaqi Huang a, Witoon Prinyawiwatkul, 2007). Các tác giả cho rằng, sau khi mạ băng màng chitosan độ thấm các thành phần như nitơ, CO2, hơi nước, O2 đều rất thấp, cụ thể: độ thấm O2 là 5,34x10-2±0,002 cm3/cm ngày (đo ở áp suất khí quyển), kết quả này giống với nghiên cứu của Caner, Vergano và Wiles (1998) là 0,08x10-3÷31,07x10-3, N2 (0,028 ± 0,02 cm3/cm ngày), CO2 (0,168 ± 0,002 cm3/cm ngày). Độ thấm nước của màng chitosan 1% là 2,92x10-10(g nước m/m2 Pa s), kết quả này gần giống với nghiên cứu của Park (1999) là (4,9x10-10g nước m/m2 Pas). Việc mạ băng bằng nước tinh khiết, axit lactic, chitosan cho sản lượng (lợi nhuận) tăng từ 9,1-22,7% so với mẫu không
được mạ băng. Trong đó, mạ băng bằng chitosan 1% giảm được hao hụt khối lượng đáng kể, cho sản lượng mạ băng và sản lượng sau khi tan giá cao hơn đáng kể, được so sánh với các mẫu đối chứng (mạ băng bằng nước tinh khiết, axit lactic 2% và mẫu không mạ băng) [32].
Về hiệu quả chống ôxy hoá lipit, các tác giả đã đo bằng phương pháp của Lemon (1975) cho thấy, mẫu mạ băng chitosan 1% là 1,3 thấp hơn nhiều so với các mẫu không được mạ băng (7,4), mạ băng bằng acid lactic (3,0) và nước (1,8). Kết quả này, các tác giả đã nhận định được mạ băng bằng chitosan có tác dụng chống ôxy hoá rất tốt, nó đóng vai trò như một tấm ngăn chặn sự tiếp xúc của miếng cá philê với môi trường bên ngoài.
Leeandothers (1996), Bhaleandothers (2003), Caner (2005), Lee và cộng sự (1996) đã ứng dụng chitosan trong bảo quản trứng. Nhóm tác giả này đều có nhận định, màng bọc chitosan có tác dụng kéo dài thời gian bảo quản trứng, giá trị dinh dưỡng của lòng trắng và lòng đỏ trứng được giữ tốt hơn so với mẫu đối chứng (không sử dụng chitosan) sau 5 tuần bảo quản ở 25oC. Ngoài ra, chitosan còn có tác dụng giữ được chất lượng cảm quan và hạn chế sự mất nước của trứng [8],[35].
Nghiên cứu về ứng dụng chitosan trên các đối tượng khác như các loại trái cây và rau xanh. Nghiên cứu của El Ghaouth và cộng sự (1991, 1992) về ảnh hưởng của dung dịch chitosan (1%, 1,5% hoà tan trong dung dịch axit HCl 0,25N) đến chất lượng và quá trình hư hỏng của nho tươi bảo quản ở 13oC. Theo kết quả nghiên cứu, chitosan có ảnh hưởng đáng kể đến việc giảm sự hư hỏng của nho, giảm sự hao hụt trọng lượng và sự biến đổi màu sắc đồng thời cũng kéo dài thời gian bảo quản nho, được so sánh với mẫu đối chứng (không sử dụng chitosan). Tác giả cũng chứng minh được tác dụng này tăng đồng thời với việc tăng nồng độ chitosan. Kết quả nghiên cứu này cũng giốngvới nghiên cứu của Reddy và cộng sự (2000), Han và cộng sự (2004), Park và cộng sự (2005), Hern´và ez-Mu˜noz (2006), and Vargas và cộng sự (2006) [36].
Ngoài ra, các nghiên cứu tương tự của các tác giả về ứng dụng chitosan trong bảo quản một số loại trái cây khác như: cà chua (Kim và cộng sự (1999)), táo
(Hwang và cộng sự 1998; Davies và cộng sự 1989), chuối (Kittur và cộng sự 2001), cam quýt (Chien và Chou2006; Chien và cộng sự 2007a), xoài (Kittur 2001;Chien 2007b), đào (Li và Yu 2000), cà rốt (Durango và cộng sự 2006), rau diếp (Devlieghere và cộng sự 2004). Các tác giả đều có nhận xét là màng chitosan có tác dụng giảm tốc độ hô hấp và sản phẩm ethylene, hạn chế được sự hư hỏng của rau quả, có khả năng kháng khuẩn cao đặc biệt với nấm mốc, vì vậy, giữ tươi trái cây được lâu, không những thế màng chitosan còn duy trì được độ bền rất lâu trên bề mặt sản phẩm.
Như vậy, chitosan đã tạo một sự chú ý đến rất nhiều nhà khoa học, nó là chất bảo quản thực phẩm tiềm ẩn có nguồn gốc tự nhiên, bởi vì, khả năng kháng vi sinh vật của nó ở khoảng rất rộng từ nấm men, nấm mốc và vi khuẩn (Sagoo and others 2002). Trong đó, chitosan hấp phụ lên bề mặt vi khuẩn gram âm tốt hơn vi khuẩn gram dương [7], [8]. Cơ chế kháng vi sinh vật của chitosan chưa được giải thích đầy đủ, nhưng hầu hết các giả thuyết đều cho rằng khả năng kháng khuẩn liên quan đến mức độ hấp phụ chitosan lên bề mặt tế bào. Một số cơ chế đã được giải thích như sau:
Nhờ tác dụng của những nhóm NH3+ trong chitosan lên các vị trí mang điện âm ở trên màng tế bào vi sinh vật, dẫn tới sự thay đổi tính thấm của màng tế bào. Quá trình trao đổi chất qua màng tế bào bị ảnh hưởng. Lúc này, vi sinh vật không thể nhận các chất dinh dưỡng cơ bản cho sự phát triển bình thường như glucose dẫn đến mất cân bằng giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào (Cuero và các tác giả, 1991). Cuối cùng dẫn đến sự chết của tế bào.
Chitosan có thể ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn do có khả năng lấy đi các ion kim loại quan trọng như Cu2+, Co2+, Cd+của tế bào vi khuẩn nhờ hoạt động của các nhóm amino trong chitosan có thể tác dụng với các nhóm anion của bề mặt thành tế bào (Cuero và cộng sự, 1991). Như vậy vi sinh vật sẽ bị ức chế phát triển do sự mất cân bằng liên quan đến các ion quan trọng.
Điện tích dương của những nhóm NH3+ của glucosamine monomer ở pH < 6,3 tác động lên các điện tích âm ở thành tế bào của vi khuẩn, dẫn đến sự rò rỉ
protein và các phần tử nội bào khác (Young và cộng sự 1982; Leuba và St¨ossel 1986; Papineau và cộng sự, 1991; Sudarshan và cộng sự, 1992; Fang và cộng sự, 1994). Đồng thời gây ra sựtương tác giữa sản phẩm của quá trình thuỷ phân có khả năng khuếch tán bên trong tế bào vi sinh vật với ADN dẫn đến sựức chế mARN và sự tổng hợp protein tế bào.
Chitosan có khả năng phá huỷ màng tế bào thông qua tương tác của những nhóm NH3+ với những nhóm phosphoryl của thành phần phospholipid của màng tế bào vi khuẩn.
Trong nước
Năm 1996, nhóm tác giả Lưu Văn Chính, Châu Văn Minh, Phạm Hữu Điển, Trịnh Đức Hưng, Đặng Lan Hương thuộc Viện hóa học các hợp chất hữu cơ, Trung tâm Khoa học Tự nhiên & Công nghệ Quốc gia đã nghiên cứu điều chế chế phẩm bảo quản thực phẩm BQ-1 từ hỗn hợp dung dịch 1,5% chitosan (trong dung dịch acid acetic loãng) và 0,5% hỗn hợp các chất tự nhiên có tác dụng chống oxy hóa và