1.2. Giới thiệu về CHITIN
1.2.5. Điều chế chitin từ vỏ tôm
Chitin trong tự nhiên thường không tồn tại ở dạng tự do mà kết hợp với những chất khác như protein, khoáng chất, lipit, màu, … . Các công trình nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới đã chứng minh trung bình trong vỏ tôm có chứa khoảng 27% chitin.
Nguyên tắc chung để điều chế chitin là loại bỏ muối khoáng (chủ yếu là muối cacbonat), protein và chất màu, phần còn lại là chitin. Hai bước loại khoáng và loại protein có thể hoán đổi cho nhau tùy phương pháp nghiên cứu.
C R1
C
H O
N H
C R2
H
+ H OH C
R1 C
H O
H2N C R2
H OH +
Loại bỏ protein
Protein được loại bỏ bằng nhiều biện pháp khác nhau, có thể loại bỏ bằng phương pháp sinh học (dùng enzim, vi sinh vật), bằng phương pháp hóa học (dùng kiềm hoặc axit) hoặc phương pháp cơ học. Đây là một trong những công đoạn quan trọng trong quá trình sản xuất chitin từ phế liệu vỏ tôm. Hiện nay, các cơ sở sản xuất chitin chủ yếu dùng NaOH để khử protein [17].
Phương pháp hóa học
Có rất nhiều tác nhân đã được sử dụng để loại protein như NaOH, NaHCO3, KOH, K2CO3, … . Tác nhân được sử dụng nhiều nhất là NaOH do tính phổ biến và hiệu quả loại protein của nó. Phương trình thủy phân protein xảy ra như sau:
Ngoài phản ứng thủy phân protein, dưới tác dụng của NaOH, còn có phản ứng thuỷ phân lipit tạo xà phòng như sau:
H2C COOR1 HC COOR2 H2C COOR3
+ 3NaOH
H2C OH HC OH H2C OH
+
R1COONa R2COONa R3COONa Trong đó:
R1, R2, R3: các gốc hidrocacbon của axit béo.
Xà phòng tạo thành có tác dụng tẩy rửa và hấp thụ các chất màu trong nguyên liệu.
Phương pháp sinh học
Hiện nay, do yếu tố môi trường được đặc biệt quan tâm nên người ta đang phát triển các quy trình sử dụng chế phẩm enzim proteaza hoặc các chủng vi sinh vật để phân hủy protein.
Chất lượng chitin sản xuất bằng phương pháp hóa học có hàm lượng khoáng và protein thấp hơn nhiều so với xử lí bằng phương pháp sinh học. Khả năng khử protein một cách triệt để từ vỏ tôm là rất khó vì sự liên kết chặt chẽ
giữa chitin và protein trong vỏ tôm làm hạn chế sự tiếp xúc của proteaza trong quá trình thủy phân. Do đó, để thu được chitin có độ tinh sạch theo yêu cầu thì cần có bước xử lí kiềm bằng dung dịch NaOH loãng để loại bỏ phần protein còn lại.
Ưu điểm của phương pháp xử lí sinh học là hạn chế ô nhiễm môi trường do quá trình sản xuất chitin gây ra. Đồng thời, khử protein bằng phương pháp sinh học cho phép sản xuất chitosan có độ nhớt cao. Mặc khác, có thể thu hồi protein trong dung dịch thủy phân bằng enzim để sử dụng làm nguyên liệu để chế biến thức ăn cho động vật thủy sản hoặc phân bón sinh học [15], [23].
Phương pháp cơ học
Phương pháp thủ công loại protein đó là dùng biện pháp cơ học. Nguyên liệu sau khi đã được tách tạp chất đem sấy khô và nghiền, sau đó dùng quạt gió để phân loại, phần protein nặng hơn được tách ra khỏi hỗn hợp. Ưu điểm của phương pháp này là có thể thu được lượng protein để tái sử dụng, đồng thời không sử dụng hóa chất nên ít gây ô nhiễm môi trường; nhưng nhược điểm chính là tách protein không triệt để nên chitin thu được có độ tinh khiết không cao.
Loại khoáng
Trong vỏ tôm, thành phần khoáng chủ yếu là muối CaCO3 và rất ít Ca3(PO4)2. Để loại khoáng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng rất nhiều tác nhân như HCl, H2SO4, HNO3, CH3COOH, … . Trong đó, HCl được sử dụng nhiều nhất do loại khoáng gần như triệt để và không gây phản ứng phụ đáng kể. Phản ứng của HCl để khử khoáng canxi photphat và canxi cacbonat như sau
CaCO3+ 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O Ca3(PO4)2 + 6HCl → 3CaCl2 + 2H3PO4.
Nồng độ dung dịch HCl ảnh hưởng lớn đến thời gian, hiệu quả khử khoáng và chất lượng của sản phẩm. Nồng độ HCl cao sẽ rút ngắn được thời gian khử khoáng nhưng nó sẽ làm cắt mạch polysaccarit dẫn đến chất lượng của chitin giảm đi. Ngược lại, nếu nồng độ HCl thấp thì thời gian khử khoáng tăng, nhưng sản phẩm sẽ ít bị ảnh hưởng, song nếu nồng độ HCl quá thấp thì khử khoáng sẽ không triệt để, thời gian xử lý kéo dài ảnh hưởng tới chất lượng chitin, đồng thời phải kéo dài quá trình sản xuất. Như vậy, ta chỉ sử dụng nồng độ dung dịch HCl ở một mức độ nhất định.
Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ khử khoáng nên thời gian xử lý cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao thì rút ngắn thời gian khử khoáng. Tuy nhiên ở nhiệt độ cao, HCl bay hơi gây ô nhiễm môi trường, đồng thời nhiệt độ cao sẽ xảy ra phản ứng thuỷ phân cắt mạch polysaccarit của chitin trong môi trường axit. Qua nghiên cứu thực tiễn sản xuất, người ta thường khử khoáng ở nhiệt độ phòng.
Tỷ lệ nguyên liệu và dung dịch HCl cũng ảnh hưởng tới hiệu quả khử khoáng. Nếu tỷ lệ này cao thì hiệu quả khử khoáng thấp do không đủ lượng HCl cần để phản ứng hết với lượng khoáng có trong nguyên liệu. Nếu tỷ lệ này nhỏ có nghĩa là lượng HCl sử dụng lớn gây cồng kềnh thí nghiệm, chi phí tốn kém, giảm năng suất dây chuyền.
Trong quá trình ngâm axit phải thường xuyên khuấy đảo vì lượng khoáng trong nguyên liệu là Ca3(PO4)2 tác dụng với HCl sinh ra muối Ca(H2PO4)2 theo phản ứng sau:
Ca3(PO4)2 + 4HCl → 2CaCl2 + Ca(H2PO4)2
Muối Ca(H2PO4)2 có tính axit, có thể tác dụng với Ca3(PO4)2 tạo thành CaHPO4không hoà tan trong nước theo phản ứng dưới đây.
Ca3(PO4)2 + Ca(H2PO4)2 → 4CaHPO4.
Loại chất màu
Trong vỏ của các loại giáp xác có chứa các chất mang màu, chủ yếu là carotenoit. Vì chitin ổn định với các chất oxi hoá mạnh như hidropeoxit (H2O2), kali pemanganat (KMnO4), nước Javen (NaClO + NaCl), … nên lợi dụng tính chất này mà người ta sử dụng các chất oxi hoá trên để khử màu cho chitin. Ngoài ra, quá trình lọc rửa, đặc biệt là quá trình loại protein đã kéo theo một phần không nhỏ chất màu, giúp cho quá trình loại chất màu xảy ra dễ dàng và nhanh chóng hơn. Trong quá trình loại màu cần chú ý những chất hóa học không được làm ảnh hưởng đến tính chất vật lí, hóa học của chitin.
b) Một số quy trình sản xuất chitin trên thế giới và ở Việt Nam
Quy trình sản xuất chitin của Hackman
Vỏ tôm hùm được rửa sạch và sấy khô ở nhiệt độ 100oC; tiếp theo được khử khoáng bằng dung dịch HCl 2N với tỷ lệ g/ml=1/10 ở nhiệt độ phòng, sau thời gian 5 giờ đem rửa trung tính và sấy khô ở 100oC, đem xay nhỏ. Ngâm tiếp trong dung dịch HCl 2N với tỷ lệ g/ml=1/2,5 ở nhiệt độ phòng. Sau 48 giờ đem
ly tâm thu phần bã rồi rửa trung tính. Ngâm bã bột đã rửa trong dung dịch NaOH 1N với tỷ lệ g/ml= 1/2,5 ở nhiệt độ 100oC, sau 42 giờ đem ly tâm thu phần bã. Sau đó tiếp tục ngâm trong NaOH 1N với tỷ lệ và nhiệt độ trên, sau 12 giờ đem ly tâm thu phần bã. Tiếp theo, rửa trung tính và làm sạch bằng cách ly tâm với các chất theo thứ tự nước, etanol và ete. Sau đó sấy khô ta được sản phẩm dạng bột màu kem.
Với quy trình này thì có nhiều công đoạn làm tăng khả năng khử khoáng, khử protein, song do cồng kềnh, thời gian thực hiện các công đoạn kéo dài, do đó quy trình Hackman chỉ mang tính nghiên cứu thí nghiệm, không có tính khả thi nếu sản xuất đại trà.
Phương pháp điều chế chitin của Capozza
Cân 149g nguyên liệu vỏ tôm sạch cho vào bình, khuấy bằng máy khuấy, thêm từ từ 825ml axit HCl 2N vào bình, thực hiện phản ứng ở 4oC trong thời gian 48 giờ. Sản phẩm sau quá trình khử khoáng được rửa sạch bằng nước đến pH = 7. Xác định hàm lượng tro là 0,4 ÷ 0,5%. Sau đó sản phẩm được khuấy ở nhiệt độ phòng với 1500ml axit fomic HCOOH 90%, để qua đêm. Hỗn hợp được lọc ly tâm lấy phần bã và rửa trung tính. Sản phẩm sạch sau đó được ngâm ngập trong 2 lít dung dịch NaOH 10% và đun nóng ở 90 ÷ 100oC trong 2,5 giờ.
Dung dịch được lọc và rửa trung tính, sau đó sản phẩm được tráng rửa lại trong etanol 96o và ete. Sấy khô ở 40oC dưới áp suất giảm. Khối lượng chitin khô sạch thu được là 66g. Hiệu suất đạt 44,3% .
Quy trình sản xuất chitin của Xí nghiệp thủy sản Hà Nội:
Nguyên liệu là vỏ tôm khô hoặc tươi được loại bỏ hết tạp chất, xử lí tách khoáng lần 1 trong HCl 4%, tỷ lệ g/ml=1/2, ở nhiệt độ phòng sau 24 giờ vớt ra rửa trung tính. Sau đó dùng NaOH 2% để tách protein lần 1 với tỷ lệ g/ml=1/2,8 ở nhiệt độ 90 ÷ 95oC, sau 3 giờ rửa và tiến hành khử khoáng lần 2 cũng dùng HCl 4%, tỷ lệ g/ml=1/2, ở nhiệt độ phòng sau 24 giờ đem rửa trung tính. Để tách protein lần 2 cũng dùng NaOH 2%, g/ml=1/2,8, ở nhiệt độ 90 ÷ 95oC, sau 3 giờ rửa trung tính và tiến hành khử khoáng lần 3 cũng giống như lần khử khoáng trên.
Sản phẩm đem làm khô thu được chitin. Chitin thu được có độ trắng cao mặc dù không thực hiện công đoạn tẩy màu.
Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là thời gian sản xuất của
quy trình kéo dài, nồng độ hóa chất xử lý cao kết hợp với thời gian xử lý dài (công đoạn khử khoáng) làm cắt mạch polyme trong môi trường axit, dẫn đến độ nhớt giảm.