Nguyên liệu Hàm lượng protein trước khi ép (%) Hàm lượng protein còn lại sau khi ép bằng máy ép roto (%) Hàm lượng protein còn lại sau khi ép bằng máy
ép trục vít (%)
Đầu 25,8 21,8 18,3
Vỏ 23,9 18,7 17,5
Nhận thấy hàm lượng protein trong đầu tôm trước và sau khi ép có giảm, tuy hàm lượng protein còn lại là khá cao, nhưng cũng đã góp phần giảm bớt lượng protein trong phế liệu tôm trước khi đem sản xuất chitin, từ đó giảm được phần nào lượng hoá chất cần thiết sử dụng trong việc tách protein.
tcao
Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến trong quy trình sản xuất chitin - chitosan hiện nay.
Như đã biết chitin không tồn tại độc lập mà nó thường liên kết với các thành phần khác như: Protein, khoáng, sắc tố… Vì vậy để thu được chitin cần phải loại bỏ các thành phần không phải là chitin trong phế liệu tôm.
- Khử khoáng: Khoáng trong phế liệu tôm tồn tại ở dạng muối CaCO3, Ca3PO4. Để khử khoáng trong đầu và vỏ tôm, ta thường sử dụng các acid mạnh như acid chlohydric, hay acid sunfuric,… cũng có thể dùng acid formic để biến đổi các muối không tan thành các muối có thể tan được và tách ra.
Phương trình phản ứng:
CaCO3 + HCl CaCl2 + H2O + CO2 CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + H2O + CO2 CaCO3 + HCOOH (HCOO)2Ca + H2O + CO2
Các nghiên cứu cho thấy rằng mức độ khử khoáng phụ thuộc vào nồng độ của acid được sử dụng. Theo kết quả của một vài nghiên cứu thì nồng độ của acid chlohydric lớn hơn 1,25 N sẽ ảnh hưởng đến độ nhớt của chitosan sau này.
- Khử protein:
Hóa chất được sử dụng để khử protein là NaOH, nồng độ NaOH sử dụng tùy thuộc vài loại nguyên liệu và tỷ lệ nguyên liệu/dung dịch. P hương pháp này có nhược điểm là thải ra môi trường một lượng NaOH rất lớn gây ô nhiễm môi trường, nồng độ NaOH thường dùng khoảng 6÷8% để khử protein. Vì vậy, có thể sử dụng phương pháp sinh học để khử bớt protein trước khi sản xuất chitin.
Phương trình phản ứng thủy phân protein trong môi trường kiềm:
H2N-CH-CO-NH-CH-CO H2N-CH-COOH + H2N-CH-CO-NH-CH- R1 R2 R1 R2 R3 polypeptid acid amin peptid
Nhận thấy rằng, phương pháp hóa học cho hiệu suất sản phẩm cao nhưng lại có nhược điểm là ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sau này. Do đó, với hóa chất nồng độ cao, hay nồng độ thấp nhưng thời gian dài, hay nhiệt độ cao… đều sẽ ảnh hưởng chất lượng sản phẩm sau này. Vì vậy cần có hướng nghiên cứu kết
hợp thêm với phương pháp sinh học trong việc tận thu sản phẩm trong dịch thải có chất lượng tốt hơn, giảm được lượng hóa chất sử dụng, nâng cao chất lượng cho sản phẩm chitin - chitosan, mà còn giải quyết được ô nhiễm môi trường trong quá trình sản xuất về sau.
1.4.3. Phương pháp sinh học [ 14]
Đối với phương pháp này có thể sử dụng các loại enzyme khác nhau để thủy phân protein, từ đó protein sẽ được tách ra khỏi nguyên liệu. Điển hình là enzyme protease hay enzyme deacetylase để thay thế NaOH trong quy trình sản xuất chitin. enzyme protease thường được sử dụng như là: Papain, Bromelin, và các enzyme động thực vật, vi sinh vật.
Enzyme deacetylase thu được từ quá trình nuôi cấy vi sinh vật. Các vi sinh vật này thường tồn tai nhiều trên vỏ tôm, đặc biệt là vỏ tôm, vỏ ghẹ đang phân hủy. Người ta có thể tìm thấy tại đây có cả vi sinh vật sinh ra cả chitinase và chitosanase.
Lợi ích của phương pháp sinh học này là sản xuất trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tự nhiên, dung lượng thấp, bảo vệ được các sản phẩm phụ và những tác dụng đặc trưng.
Tuy nhiên, do chi phí của phương pháp này cao, khá tốn kém, vì cần phải nghiên cứu để sản xuất ra enzyme để có thể sử dụng với một số lượng lớn trong sản xuất chitin. Nên hiện nay phương pháp sinh học vẫn chưa được áp dụng phổ biến và rộng rãi như là phương pháp hóa học trong sản xuất chitin - chitosan.
1.5. TÍNH CHẤT VỀ CHITIN, CHITOSAN VÀ ỨNG DỤNG
1.5.1. Khái quát chung về chitin - chitosan
Chitin - chitosan là polymer hữu cơ phổ biến trong tự nhiên, sau cellulose, chúng được tạo ra trung bình 20g trong 1 năm/1m2 bề mặt trái đất. Trong tự nhiên chitin tồn tại ở cả động vật và thực vật. Trong giới động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng của vỏ một số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể giáp xác và giun tròn. Đặc biệt đối với động vật thủy sản nhất là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin chiếm tỷ lệ khá cao từ 1435% so với trọng lượng khô. Trong thực vật, chitin có ở thành tế bào của nấm
chitin, sau khi xử lý chitin trong kiềm đặc nóng. Do đó, chitosan có những tính chất đặc biệt hơn chitin nên khả năng ứng dụng của chitosan rất rộng rãi. Vì những tính chất đặc biệt của chúng, nên chitin, chitosan được ứng dụng nhiều trong y tế, xử lý nước thải, trong nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, và cả trong mỹ phẩm.
1.5.2 Cấu tạo và tính chất của chitin – chitosan [14], [15]
1.5.2.1. Công thức cấu tạo của cellulose, chitin và chitosan
Hình 1. Cấu tạo hóa học của cellulose, chitin và chitosan (Kumar, 2000)
Chitin có cấu tạo hóa học giống cellulose và có thể xem là một dẫn xuất của cellulose với nhóm acetamido ở cacbon số 2. Chitin đóng vai trò là thành phần tạo nên độ cứng chắc của thành tế bào của nấm và vỏ của giáp xác. Chitin phân bố rộng rãi trong lớp vỏ của sâu bọ và giáp xác và nó cũng được tìm thấy ở vi sinh vật. Chitin được phát hiện năm 1811 bởi nhà dược hóa học người Pháp Henri Braconnot từ nấm (Braconnot, 1811). Chitosan là dẫn xuất của chitin sau khi tách nhóm acetyl nên chitosan có các nhóm amino.
1.5.2.2.Tính chất của chitin, chitosan
* Một số tính chất của chitin:
- Có màu trắng, không tan trong nước, trong môi trường kiềm, acid loãng và các dung dịch hữu cơ như este, rượu. Hòa tan được trong muối đậm đặc của thyoxyanat liti và thyoxyanat canxi, tạo thành dung dịch keo.
ta lợi dụng tính chất này để sử dụng các chất trên khử màu cho chitin.
- Kết tinh ở dạng tinh thể vô định hình, khó hòa tan trong dung dịch amoniac, không hòa tan trong thuốc thử Schweizei – sapranora.
- Có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại ở bước sóng 884 – 890 cm.
- Là polysaccharit nguồn gốc tự nhiên, có hoạt tính sinh học cao, có tính hòa hợp sinh học và tự phân hủy trên da.
- Bị men lyozyme – một loại men chỉ có trên cơ thể người, phân giải thành monome N – acetyl – D – Glucosamine.
- Khi đun nóng chitin trong HCl đậm đặc tạo thành glucosamine chlohydrat.
- Khi đun nóng chitin trong NaOH đậm đặc tạo thành chitosan (C6H11O4)n
* Một số tính chất của Chitosan:
- Có dạng bột hoặc dạng vảy, màu trắng– vàng nhạt họăc không màu, có tính kiềm nhẹ.
- Không hòa tan trong nước, trong dung dịch có tính kiềm, hòa tan được trong dung dịch acid acetic loãng tạo thành dung dịch keo dương, nhờ có tính điện dương mà nó không kết tủa khi có mặt của ion kim loại nặng. Chitosan còn được xem như một polymecationic có khả năng bám dính vào bề mặt tích điện âm.
- Phản ứng với acid đậm đặc tạo thành muối khó tan, chitosan có tác dụng với iod trong môi trường H2SO4 cho phản ứng lên màu tím.
- Không tác dụng với men lyozyme, mà chỉ bị các men của động vật như men bovin, canin phân giải thành D – Glucosamine.
1.5.2.3. Ứng dụng chitosan
Do tính chất không tan trong nước mà chitin ít được sử dụng trực tiếp. Nhưng từ nó trải qua nhiều giai đoạn xử lý hóa chất có thể điều chế dẫn xuất như glucosamine, chitosan …Thì nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Chitosan có nhiều ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau:
* Trong mỹ phẩm: Dùng làm phụ gia để tăng độ bám dính, tăng độ hòa hợp sinh học với da, chống tia cực tím, làm mềm da, làm kem lột mặt…
* Trong công nghiệp: Các kỹ nghệ làm giấy, chế biến gỗ, điện tử, mực in, phim ảnh. Chitosan dùng làm phụ gia để tăng cường chất lượng sản phẩm.
* Trong xử lý nước thải: Chitosan dùng để xử lý nước thải trong công nghiệp (tạo phức với các kim loại nặng độc hại), để lọc trong nước sạch tiêu dùng.
* Trong nông nghiệp: Chitosan chống lại các vi nấm và vi khuẩn gây bệnh của môi trường xung quanh, để bảo vệ thực vật, còn dùng làm chất kích thích sinh trưởng cây trồng, thuốc chống bệnh đạo ôn, khô vằn cho lúa.
* Trong công nghiệp thực phẩm: Để bảo quản đóng gói thức ăn, bảo quản thực phẩm, hoa quả, rau tươi…Vì nó tạo màng sinh học không độc. Người ta đã tạo màng chitosan trên quả tươi để bảo quản quả đào, quả lê, quả kiwi, dưa chuột, ớt chuông, dâu tây, cà chua, qủa vải, soài, nho…Dùng để lọc trong các loại nước quả ép, bia rượu vang, nước giải khát…
Là một polyme dùng an toàn cho người, lại có hoạt tính sinh học đa dạng, chitosan được đưa vào thực phẩm, thức ăn, bánh kẹo, nước giải khát.
* Trong công nghệ sinh học: Dùng để cố định enzyme và các tế bào vi sinh vật, làm chất mang sử dụng trong sắc ký chọn lọc.
* Trong y tế: Đây là ứng dụng quan trọng nhất mang lại hiệu quả kinh tế cao của chitosan:
- Dùng làm phụ gia trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm: Tá dược độn, tá dược dính, tá dược dẫn thuốc, màng bao phim, viên nang mềm, nang cứng…
- Dùng làm chất màng sinh học để gắn thuốc, tạo ra thuốc polyme.
- Chitosan dùng làm hoạt chất chính để chữa bệnh như: Thuốc điều trị liền vết thương, vết phỏng, vết mổ vô trùng, thuốc bổ dưỡng cơ thể: Hạ Lipid và cholesterol máu, thuốc chữa bệnh đau dạ dày, tiểu đường, xưng khớp, viêm khớp, viêm xương, loãng xương, chống đông tụ máu, kháng nấm, kháng khuẩn, điều trị suy giảm miễn dịch, có khả năng hạn chế sự phát triển của tế bào u, tế bào ung thư.
- Dùng làm vật liệu: Da nhân tạo, màng sinh học, chất nền cho da nhân tạo, chỉ khâu phẫu thuật, mô cấy ghép…
Người ta ít sử dụng chitin làm phụ gia thực phẩm vì chitin không hòa tan trong nước, các dung dịch acid loãng hay kiềm. Mặt khác, chitin có tác dụng kháng khuẩn yếu hơn chitosan, nó không có tác dụng kháng nấm như chitosan (chitosan có cấu trúc giống như các polyamin, đó là các polyme có tính kháng nấm đặc hiệu).
Tóm lại: Công nghệ nghệ sản xuất chitin-chitosan trên thế giới cũng như trong nước hiện nay hầu như chưa đề cập đến việc tận thu protein nên gây ra một sự lãng phí rất lớn nguồn protein từ phế liệu đầu tôm. Điều này cho thấy, việc sản xuất chitin-chitosan theo phương pháp hoá học làm giảm giá trị dinh dưỡng của thành phần protein. Chính vì vậy, hiện nay vấn đề áp dụng công nghệ
sinh học trong công nghệ sản xuất chitin-chitosan nhằm tận dụng nguồn protein
đồng thời nâng cao chất lượng của chitosan đã và đang thu hút sự quan tâm của
rất nhiều nhà khoa học. Một số nghiên cứu đã đi vào chứng minh tác dụng của
quá trình ủ xi lô với việc tăng chất lượng sản phẩm chitosan. Các nghiên cứu nói chung đều đạt được kết quả rất cao về khả năng thu hồi protein và chitin.
Thông qua các nghiên cứu có thể thấy rằng cho đến nay ở Việt Nam chưa có công trình nào công bố “Nghiên cứu kết hợp phương pháp ủ xi lô trong công nghệ sản xuất chitin-chitosan từ phế liệu đầu vỏ tôm”. Chính vì vậy, trong luận văn này tiến hành nghiên cứu các nội dung cơ bản sau:
- Đánh giá các thành phần cơ bản của phế liệu tôm.
- Nghiên cứu phương pháp ủ xi lô kết hợp bổ sung acid ở nồng độ thấp trong việc khử protein, khoáng từ phế liệu tôm.
- Xác định thời gian, nồng độ HCl, acid lactic (C3H6O3) thích hợp khử khoáng còn lại.
- Đánh giá chất lượng dịch ủ.
- Đánh giá sơ bộ tác động môi trường nước thải của qui trình, so sánh với qui trình đang sử dụng phổ biến hiện nay.
Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1.VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 2.1.1. Nguyên liệu đầu vỏ tôm
Trong số các loại tôm có thể thấy rằng ở nước ta tôm sú (Penaeus monodon) là loại có sản lượng cao nhất, được nuôi phổ biến ở Đồng bằng Sông Cửu Long, đặc biệt tại tỉnh Cà Mau. Thành phần phế liệu của tôm sú có hàm lượng chitin, protein cao. Vì vậy, trong đề tài này chọn đầu, vỏ tôm sú là đối tượng nghiên cứu (đầu 50%, vỏ 50%). Phế liệu tôm sú được thu nhận tại Công ty thủy hải sản Minh Phú, khu công nghiệp phường 8, tỉnh Cà Mau.
Hình 2. Nguyên liệu đầu vỏ tôm sú2.1.2. Dụng cụ, hóa chất 2.1.2. Dụng cụ, hóa chất
2.1.2.1. Dụng cụ
- Thiết bị ủ xi lô là các bọc nhựa có dung tích 2-10 kg được mua trên thị trường.
- Thau, khay nhựa để phơi mẫu khi thí nghiệm và lấy mẫu đem đi phân tích.
- Dụng cụ thủy tinh như: Ống nghiệm, bình tam giác, bình cầu, ống nhỏ giọt, cốc đốt, bình định mức, ống đong, pipet, buret, phễu thủy tinh, chai thủy tinh dung tích 12 ml để lấy mẫu thí nghiệm,…
- Máy móc và thiết bị: Cân phân tích, bếp điện, máy đo pH, tủ sấy, lò nung, máy đo độ hấp phụ quang học,..
2.1.2.2. Hóa chất sử dụng
- Đối với quá trình ủ xi lô, sử dụng một số hóa chất như: + Kali sorbate, cồn.
+ Acid: HCOOH, HCl (hóa chất thí nghiệm) + Muối hạt, rỉ đường.
- Đối với quá trình sản xuất chitin, chitosan sử dụng enzyme alcalase, HCl(đặc), NaOH.
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU2.2.1. Phương pháp thu mẫu 2.2.1. Phương pháp thu mẫu
Nguyên liệu đầu, vỏ tôm sú được thu nhận, yêu cầu nguyên liệu phải tươi, không có mùi lạ, không bị biến đỏ, không lẫn tạp chất (tỷ lệ đầu 50%, vỏ 50%). Nguyên liệu trước khi sử dụng được loại bỏ tạp chất, để ráo nước, cấp đông block (-350C) vận chuyển về phòng thí nghiệm bảo quản ở - 20oC cho đến khi sử dụng.
2.2.2. Phương pháp phân tích
* Đánh giá cảm quan: Màu sắc, trạng thái, mùi… trong quá trình thí nghiệm và mẫu vật thu được
* Phương pháp phân tích:
- Xác định hàm lượng protein, khoáng, ẩm theo phương pháp của AOAC (1990) [21].
- Xác định độ deacetyl bằng phương pháp quang phổ Tan et al. (1998). - Xác định độ đục bằng máy đo HACH.
- Xác định độ nhớt được thực hiện trên nhớt kế Brookfield theo phương pháp Mukku, 2007.
- Xác định hàm lượng lipide thô bằng máy SOXHLET.
- Xác định thành phần và hàm lượng aicd amin bằng phương pháp sắc ký khí. - Xác định hàm lượng acid tổng theo TCVN 3702-90.
- Xác định hàm lượng astaxanthin bằng phương pháp quang phổ.
(Phương pháp phân tích chi tiết đính kèm phụ lục)
2.2.3. Bố trí thí nghiệm tổng quát
Phế liệu tôm
Xác định loại acid: HCOOH, HCl, HCOOH /HCl. Tỷ lệ acd/nguyên liệu
Bổ sung: Kali sorbat 0,2%, muối 1%, chitosan 0,1% Khử khoáng HCl 1%, 2%, 3%; thời gian 4, 8, 12 h Khử khoáng
acid lactic 1%, 2%, 3%; thời gian 4, 8, 12 h Deacetyl 70%NaOH T=8h, t0C=800C Chitin 2 Chitosan 1 Chitosan 2 Chitin 1 Deacetyl 70%NaOH T=8h, t0C=800C Ủ xi lô để khử protein, khoáng Tỷ lệ đường/nguyên liệu Ép Bã ủ (BCP) Dịch ủ Khử protein bằng enzyme alcalsae 0,2%, 550C, 6 h - Đánh giá chất lượng - Đề xuất biện pháp sử dụng Thời gian ủ
Thuyết minh: Nguyên liệu đầu vỏ tôm sau khi loại tạp chất, để ráo nước được trộn với acid, rỉ đường, các chất phòng thối, muối theo các tỷ lệ nghiên cứu