1.3.1.1 .Từ vỏ các loài giáp xác ( tôm, cua, mực)
Theo thống kê của FAO, hàng năm có khoảng 20 triệu tấn phế thải của công nghiệp chế biến thuỷ sản, chiếm khoảng 25% tổng sản lượng đánh bắt, chế biến thuỷ hải sản trên thế giới. Đây là nguồn nguyên liệu giàu protein nếu không sử dụng để sản xuất chitin sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng.
Nguồn phế thải chế biến hải sản chứa 15-40% chitin (tùy theo loài và mùa khai thác), 20-40% protein, 20-50% CaCO3. Ngoài ra, trong phế liệu chế biến hải sản còn có chất màu, lipid, khoáng.
Trong công nghiệp sản xuất chitin, chitosan nếu tận dụng hết các sản phẩm này sẽ nâng cao được giá trị của quy trình chế biến chitin và hạn chế được ô nhiễm môi trường. Hiện nay, nguồn phế thải trong chế biến hải sản là nguồn chính để sản xuất chitin trên thế giới [17].
1.3.1.2. Từ vi sinh vật
Chitin cũng tồn tại khá phổ biến trong thế giới vi sinh vật như nấm, nấm mốc, nấm men, một số loài tảo, và một số xạ khuẩn Streptomyces. Ngoài chitin, chitosan còn hiện diện khá phổ biến trong các loài thuộc nhóm nấm tiếp hợp Zygomycets như nấm Mucor rouxii, Aspergiluss niger, Rhizopus delemar, Rhizopus oryae, Mucor sp.
Hàm lượng chitosan phụ thuộc tuy loài, biến thiên 5-25%.
Hàm lượng, tính chất của chitin, chitosan từ nguồn vi sinh vật phụ thuộc rất lớn vào chủng, điều kiện nuôi cấy như môi trường, nhiệt độ, pH, công nghệ lên men [17].
1.3.1.3. Từ côn trùng
Chitin cùng với melanin và protein cấu tạo nên vỏ của côn trùng. Thành phần chitin trong vỏ của các loài như muỗi, gián, ong mật, nhộng tằm, tuyến trùng đã được nghiên cứu và công bố. Trong cấu tạo của ong mật có chứa 23-32% chitin, 35-45%
protein, 30-40% melanin và khoảng 3% khoáng chất (Nemtset, 2004). Trong cấu tạo vỏ của tằm (Silkworm) có khoảng 20% là chitin [17].
1.3.2. Công nghệ sản xuất chitin-chitosan
Mặc dù chitin phân bố rộng rãi trong tự nhiên nhưng nó không được tìm thấy ở dạng tinh khiết. Chitin tồn tại trong nguyên liệu dưới dạng liên kết với protein, khoáng, nên trong quá trình sản xuất chitin cần phải khử các hợp chất phi chitin này ra khỏi chitin và tận dụng được các hợp chất có giá trị khác. Các hợp chất phi chitin bao gồm protein, chất khoáng, chất màu, lipid và các hợp chất khác với hàm lượng biến đổi tùy theo loại nguyên liệu [17].
Để sản xuất chitin từ phế liệu thủy sản có thể thực hiện bằng phương pháp hóa học, phương pháp sinh học hoặc phương pháp kết hợp hóa học với sinh học. Những hữu ích của các nguồn chitin khác nhau phụ thuộc vào sự sẵn có của nguyên liệu, phương pháp đơn giản, hàm lượng chitin, và sự phù hợp để tận thu các sản phẩm có giá trị khác. Hiện nay việc làm sạch chitin bao gồm hai giai đoạn:
- Thu nhận chitin:
+ Khử khoáng: Loại bỏ khoáng bằng acid hoặc là một tác nhân tạo phức.
+ Khử protein: Tách protein bằng kiềm hoặc một enzyme protease.
- Deacetyl hóa chitin để thu nhận chitosan
Thông thường phương pháp hóa học được sử dụng rộng rãi với ưu điểm là nhanh, đơn giản, dễ thực hiện ở quy mô lớn.
Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất chitin, chitosan từ phế liệu thủy sản được trình bày ở hình 1.8.
Thủy phân protein
Khử khoáng
Deacetyl hóa Nguyên liệu
Chitin
1.3.2.1. Thủy phân protein
Mục đích: Sử dụng tác nhân hóa học để cắt đứt đi các liên kết cộng hóa trị giữa chitin và protein trong phức chitin-chitosan nhằm loại bỏ protein ra khỏi vỏ tôm. Việc loại protein là rất quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực dược phẩm. Nếu hàm lượng protein còn lại trong sản phẩm quá cao thì nó sẽ gây ra một số tác dụng phụ đối với những người dị ứng với các loại thực phẩm có nguồn gốc từ biển [28].
Có rất nhiều tác nhân đã được nghiên cứu để loại protein như: NaOH, Na2CO3, NaHCO3, KOH, K2CO3, Ca(OH)2, Na2SO3, NaHSO3, CaHSO3, Na3PO4và Na2S. Các điều kiện phản ứng thay đổi đáng kể trong mỗi nghiên cứu. Tuy nhiên NaOH vẫn là tác nhân được ưa chuộng sử dụng nhất do tính phổ biến và khả năng loại protein tốt của nó [28].
Khi có sự hiện diện của NaOH thì ion của nó sẽ tác dụng với gốc carboxyl trong protein, làm cho điện tích trên gốc amin của chitin bị ức chế, dẫn đến sự phá vỡ liên kết cộng hóa trị của phức chitin-chitosan. Trong môi trường kiềm mạnh, hiện tượng thẩm thấu được diễn ra mạnh mẽ gây trương nở nguyên liệu, khi đó các sản phẩm của quá trình thủy phân protein (peptit, pepton, acid) hòa tan trong nước và dễ dàng loại bỏ ra khỏi vỏ tôm. Theo một số công bố nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng kiềm (NaOH) cho giai đoạn thủy phân protein thì cấu trúc chitin thu được ít bị biến đổi [22].
Vì vậy NaOH là tác nhân thích hợp cho quá trình thủy phân protein.
Bảng 1. 2. Các điều kiện để thủy phân protein trong quá trình sản xuất chitin từ các nguồn phế liệu khác nhau [17]
Nguồn Chế độ khử protein
Nồng độ kiềm Nhiệt độ (0C) Thời gian (giờ) Tỷ lệ (w/v) Tôm
hùm
1N NaOH 100 12 giờ x 5 lần 1 : 5,5
10% NaOH Nhiệt độ phòng 72 -
10% NaOH 100 2,5 1 : 50
15% NaOH 65 3 1 : 10
Tôm
3% NaOH 100 1 -
1% NaOH 65 1 1 : 10
1% KOH 90 2 1 : 20
1N NaOH 100 1 1 : 6
5N NaOH 100 1 -
Hình 1. 8. Quy trình thu nhận chitin-chitosan [17]
Tôm thẻ
5% NaOH 100 0,5 1 : 1
0,5% NaOH Đun sôi 0,5 2 : 3
15% NaOH 65 3 1 : 10
Một số điều kiện xử lý thủy phân protein đối với các nguồn nguyên liệu khác nhau được trình bày ở bảng 1.2. Theo đó, nồng độ NaOH thường sử dụng để thủy phân protein là từ 1% đến 10%, thủy phân ở nhiệt độ phòng hoặc ở nhiệt độ cao, có khi lên đến 1000C, thời gian xử lý từ vài giờ đến vài ngày. Tùy theo tính chất của nguyên liệu mà chúng ta cần phải chọn chế độ để thủy phân protein thích hợp [17].
1.3.2.2. Khử khoáng
Mục đích: Loại bỏ hàm lượng khoáng có trong vỏ tôm để thu nhận chitin có độ tinh khiết cao. Công đoạn khử khoáng là một trong những công đoạn quan trọng trong quá trình thu nhận chitin-chitosan. Hàm lượng khoáng còn lại trong sản làm cho độ nhớt và độ tan của chitosan giảm đi, ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm [19], [28].
Bảng 1. 3. Các điều kiện để khử khoáng trong quá trình sản xuất chitin từ các nguồn phế liệu khác nhau [17]
Nguồn Chế độ khử khoáng
Nồng độ HCl Nhiệt độ (0C) Thời gian (giờ) Tỷ lệ (w/v)
Tôm hùm
2N Nhiệt độ phòng 5 1 : 9
2N Lạnh 48 1 : 5,5
37% -20 4 -
90% formic Nhiệt độ phòng 18 1 : 10
1N Nhiệt độ phòng 2 1 : 15
Tôm sú
1N Nhiệt độ phòng 0,5 1 : 3
0,5N Nhiệt độ phòng - 1 : 11
2,5% 20 1 1 : 10
5% Nhiệt độ phòng - -
8% 30 8 1 : 10
0,75N Nhiệt độ phòng 0,5 1 : 12
1,25N Nhiệt độ phòng 0,5 1 : 12
1,75N acetic 25 12 1 : 15
Tôm thẻ
5% Nhiệt độ phòng 2 1: 15 -20
5% Nhiệt độ phòng 1 1 : 2
1,25N Nhiệt độ phòng 1 -
Thông thường quá trình tách khoáng được thực hiện trong dung dịch acid clohydric loãng ở nhiệt độ phòng. Tương tự như quá trình tách protein, chế độ tách khoáng rất đa dạng, nồng độ HCl từ 0,5 đến 2N, nhiệt độ rất thấp đến nhiệt độ phòng, thời gian từ 0,5 đến 48h (bảng 1.3). Tùy theo từng loại nguyên liệu và yêu cầu chất lượng của chitin mà chế độ khử khoáng áp dụng khác nhau.
Tuy nhiên HCl là một acid rất độc, có tính ăn mòn kim loại cao, một số nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng acid HCl ở nồng độ cao, thời gian kéo dài dẫn đến hiện tượng cắt mạch chitin, làm giảm độ nhớt, khối lượng phân tử cũng như chất lượng của sản phẩm cuối cùng.
Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Trúc Loan, Phan Thị Loan (2018), việc sử dụng EDTA (Ethylenediaminetetraacetic acid, C10H16N2O8) làm tác nhân khử khoáng thay cho HCl có thể rút ngắn thời gian sản xuất, không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cũng như tiết kiệm được chi phí sản xuất.
Chính vì vậy, ở nghiên cứu này lựa chọn EDTA làm tác nhân khử khoáng để làm giảm hiện tượng cắt mạch do HCl gây ra.
1.3.2.3. Deacetyl hóa
Deacetyl hóa là quá trình tách nhóm acetyl khỏi phân tử chitin trong dung dịch NaOH hoặc KOH đậm đặc. nồng độ thường sử dụng 40% đến 50%, ở nhiệt độ 1000C hoặc cao hơn. Công đoạn deacetyl được thực hiện ở các chế độ rất đa dạng, phong phú tùy thuộc vào nguồn chitin và yêu cầu về tính chất của chitosan.
Ngoài ra người ta có thể sử dụng acid đặc để thực hiện quá trình deacetyl. Tuy nhiên việc xử lý bằng acid đặc thường kèm theo quá trình cắt mạch của polymer, do đó thực hiện deacetyl trong môi trường kiềm đặc vẫn là phương pháp được sử dụng,
Phương trình deacetyl hóa:
Quá trình deacetyl hóa diễn ra chậm, đặc biệt ở nhiệt độ thấp, vì vậy muốn rút ngắn thời gian sản xuất thì công đoạn deacetyl nên thực hiện ở nhiệt độ cao. Độ deacetyl của sản phẩm chitosan thu được cũng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ NaOH sử dụng, nhiệt độ và thời gian xử lý…