2.1. Cơ sở nghiên cứu khoa học
2.1.5. Giới thiệu về phế liệu tôm và các phương pháp thu nhận chitin
Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tôm là rất dồi dào, được thu từ 2 nguồn chính là đánh bắt tự nhiên và nuôi trồng. Đặc biệt, nuôi tôm đã phát triển mạnh trong những năm gần đây và trở thành ngành kinh tế mũi nhọn. Diện tích nuôi tôm đã tăng từ 250.000 ha năm 2000 lên đến 478.000 ha năm 2001 và 540.000 ha năm 2003. Năm 2002, giá trị xuất khẩu thuỷ sản đạt hơn 2 tỷ USD, trong đó xuất khẩu tôm đông lạnh chiếm 47%, đứng thứ 2 sau xuất khẩu dầu khí. Năm 2004, xuất khẩu thuỷ sản đạt giá trị 2,4 tỷ USD, chiếm 8,9% tổng giá trị xuất khẩu cả nước trong đó tôm đông lạnh chiếm 53% tổng giá trị xuất khẩu thuỷ sản. Năm 2006 kim ngạch xuất khẩu thủy sản đã qua
mốc 3 tỷ đạt 3,31 tỷ USD, tăng gần 600 triệu USD so với năm 2005, trong đó mặt hàng tôm truyền thống chiếm vị trí đầu bảng xấp xỉ 1,5 tỷ USD, chiếm 44,3 % tổng kim ngạch xuất khẩu. Năm 2007, tổng kim ngạch xuất khẩu thủy sản đạt 3,75 tỷ USD tăng 12% so với năm 2006.
Mục tiêu xuất khẩu thuỷ sản đến năm 2010, Việt Nam phấn đấu đạt giá trị 4 - 4,5 tỷ USD. Ðịnh hướng đến năm 2020, chế biến xuất khẩu thủy sản tiếp tục là động lực thúc đẩy phát triển nuôi trồng thuỷ sản, khai thác thuỷ sản và mang lại nhiều lợi ích kinh tế ngành, nâng cao thu nhập và đời sống lao động nghề cá. Tôm được dự kiến đạt khoảng 483 nghìn tấn nguyên liệu để phục vụ cho xuất khẩu khoảng 390.000 tấn năm 2010. Theo thống kê của Trung tâm Nghiên cứu Chế biến Thủy sản, Đại học Thuỷ sản thì lượng phế liệu năm 2004 tại Việt Nam ước tính khoảng 45.000 tấn phế liệu, năm 2005 ước tính khoảng 70.000 tấn/năm. Trần Thị Luyến (2004) cho biết trong vỏ tôm tươi chitin chiếm khoảng 5% khối lượng, trong vỏ tôm khô khoảng 20- 40% khối lượng. Như vậy hàng năm có thể sản xuất gần 5000 tấn chitosan phục vụ sản xuất trong nước và xuất khẩu, mang lại hiệu quả kinh tế cho ngành Thuỷ sản .
PLT là những thành phần phế thải từ các cơ sở chế biến tôm bao gồm đầu, vỏ và đuôi tôm. Ngoài ra, còn có tôm gãy thân, tôm lột vỏ sai quy cách hoặc tôm bị biến màu. Tuỳ thuộc vào loài và phương pháp xử lý mà lượng phế liệu có thể vượt quá 60% khối lượng sản phẩm. Có thể lấy tôm càng xanh Macrobrachium rosenbergii làm ví dụ, đầu tôm chiếm tới 60% trọng lượng tôm. Đầu tôm sú Penaeus monodon cũng chiếm tới 40% trọng lượng tôm. Với sản phẩm tôm lột vỏ, rút chỉ lưng, lượng đuôi và vỏ đuôi của tôm chiếm khoảng 25% trọng lượng tôm. Đối với tôm thẻ, lượng phế liệu đầu tôm chiếm 28% và vỏ chiếm 9%, như vậy tổng lượng phế liệu vỏ đầu tôm thẻ là 37%.
Lượng phế liệu này có thể giảm ít nhiều bằng cách nâng cao hiệu quả lột vỏ nhờ các thiết bị và công nghệ chế biến tốt hơn. Giảm lượng phế liệu từ khâu chế biến hoặc tìm giải pháp tái sử dụng chúng đang trở nên phổ biến như một phương cách giúp làm tăng lợi nhuận cho ngành thuỷ sản.
Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy tỷ lệ của PLT từ 30-70% (Watkin và cộng sự, 1982 ; Evers và Carroll [13], trung bình khoảng 50% so với khối
lượng tôm chưa chế biến. Halanda và Netto (2006) cho rằng PLT có thể chiếm 50-70% so với nguyên liệu [16]. Phần lớn tôm được đưa vào chế biến dưới dạng bóc vỏ, bỏ đầu. Phần đầu thường chiếm khối lượng 34-45%, phần vỏ, đuôi và chân chiếm 10-15% trọng lượng của tôm nguyên liệu. Tuy nhiên, tỉ lệ này tuỳ thuộc vào giống loài và giai đoạn sinh trưởng của chúng [6].
*Cấu tạo của vỏ tôm
Lớp ngoài cùng của vỏ tôm có cấu trúc chitin - protein bao phủ, lớp vỏ này thường bị hóa cứng khắp bề mặt cơ thể do sự lắng đọng của muối canxi và các chất hữu cơ khác nằm dưới dạng phức tạp do sự tương tác giữa protein và các chất không hòa tan.
Vỏ chia làm 4 lớp chính:
Lớp biểu bì Lớp màu Lớp canxi
Lớp không bị canxi hóa.
- Lớp biểu bì, lớp màu, lớp canxi hóa cứng do sự lắng đọng của canxi.
Lớp màu, lớp canxi hóa, lớp không bị canxi hóa chứa chitin nhưng lớp biểu bì thì không
- Lớp màu: Tính chất của lớp này do sự hiện diện của những thể hình hạt của vật chất mang màu giống dạng melanin. Chúng gồm những túi khí hoặc những không bào. Một vài vùng xuất hiện những hệ thống rãnh thẳng đứng có phân nhánh, là con đường cho canxi thẩm thấu vào.
- Lớp biểu bì: những nghiên cứu cho thấy lớp màng nhanh chóng bị biến đỏ bởi Fucxin, có điểm pH =5,1 không chứa chitin. Nó khác với các lớp vỏ còn lại, bắt màu xanh với anilin xanh. Lớp biểu bì có lipid vì vậy nó cản trở tác động của acid ở nhiệt độ thường hơn các lớp bên trong. Màu của lớp này thường vàng rất nhạt.
- Lớp canxi hóa: Lớp này chiếm phần lớn lớp vỏ, thường có màu xanh trải đều khắp.
- Lớp không bị canxi hóa: Vùng trong cùng của lớp vỏ được tạo bởi một phần tương đối nhỏ so với tổng chiều dày bao gồm các phức chitin – protein bền vững không có canxi và quinone [16].
*Thành phần hóa học của vỏ tôm
Protein: Thành phần protein trong PLT thường tồn tại ở hai dạng: dạng tự do và dạng liên kết.
Dạng tự do: Dạng này tồn tại ở phần thịt tôm từ một số tôm bị biến đổi và vứt đi lẫn vào phế liệu hoặc phần đầu và thịt còn sót lại trong đầu và nội tạng của tôm. Nếu công nhân vặt đầu không đúng kĩ thuật thì phần protein bị tổn thất vào phế liệu nhiều làm tăng tiêu hao nguyên vật liệu, mặt khác phế liệu này khó xử lý hơn.
Dạng phức tạp: Ở dạng này protein không hòa tan và thường liên kết với chitin, canxi cacbonat, với lipit tạo thành lipoprotein, với sắc tố tạo protein carotenoit…như một phần thống nhất quyết định tính bền vững của vỏ tôm.
Chitin: Tồn tại dưới dạng liên kết bởi những liên kết đồng hóa trị với các protein dưới dạng phức hợp chitin – protein, liên kết với các hợp chất khoáng và các hợp chất hữu cơ khác gây khó khăn cho việc tách và chiết chúng.
Canxi: Trong vỏ, đầu tôm, vỏ ghẹ…có chứa một lượng lớn muối vô cơ, chủ yếu là muối CaCO3, hàm lượng Ca3(PO4)2 mặc dù không nhiều nhưng trong quá trình khử khoáng dễ hình thành hợp chất CaHPO4 không tan trong HCl gây khó khăn cho quá trình khử khoáng.
Sắc tố: Trong vỏ tôm thường có nhiều loại sắc tố nhưng chủ yếu là astaxanthin.
Enzyme: Theo tạp chí thủy sản (số 5/1993) hoạt độ enzyme protease của đầu tôm khoảng 6,5 đơn vị hoạt độ/ gam tươi. Các enzyme chủ yếu là enzyme của nội tạng trong đầu tôm và của vi sinh vật thường trú trên tôm nguyên liệu.
Ngoài thành phần chủ yếu kể trên, trong vỏ đầu tôm còn có các thành phần khác như: nước, lipid, photpho [17].
Thành phần hóa học của vỏ tôm như trong bảng 2.1
Bảng 2.1: Thành phần hóa học của phế liệu tôm
Phế liệu Protein Chitin lipit Tro canxi photpho Đầu tôm 52,3 10,36 8,2 21,78 6,4 0,96
Vỏ tôm 23,27 28,2 1,1 32,4 11,8 3,23
2.1.5.2. Các phương pháp thu nhận chitin
Do chitin trong vỏ tôm rất hiếm tồn tại ở trạng thái tự do và luôn luôn liên kết cộng hóa trị với các protein, các chất khoáng và các hợp chất hữu cơ khác, quá trình thu nhận chitin từ vỏ tôm là quá trình chế biến phức tạp để tách chitin ra khỏi các chất khác. Nói chung quá trình chế biến vỏ tôm thu nhận chitin bao gồm ba bước: Khử khoáng, khử protein và khử màu. Có hai phương pháp chính để thu chitin hiện nay là phương pháp hóa học, phương pháp sinh học [27].
2.1.5.2.1 Phương pháp hóa học
Trong phương pháp này người ta dùng axit và kiềm để loại protein và loại khoáng trong phế liệu tôm, cụ thể như sau:
Quá trình khử protein:
Quá trình khử protein được thực hiện bằng việc sử dụng NaOH 4% ở nhiệt độ 65oC trong 2 giờ với tỷ lệ phế liệu/dung dịch NaOH là 1/10. Quá trình khử protein thích hợp cũng có thể được thực hiện bằng việc sử dụng dung dịch KOH.
Quá trình khử khoáng:
Trong vỏ tôm, thành phần khoáng chủ yếu là muối CaCO3, MgCO3 và rất ít Ca3(PO4)2. Vì thế người ta hay dùng các loại axit như HCl, H2SO4... để khử khoáng. Khi khử khoáng nếu dùng HCl thì cho hiệu quả cao hơn H2SO4, mặt khác khi sử dụng H2SO4 sẽ tạo muối khó tan nên ít được sử dụng. Phản ứng của HCl khi khử khoáng như sau:
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O MgCO3 + 2HCl = MgCl2 + CO2 + H2O Ca3(PO4)2 + 6HCl = 3CaCl2 + 2H3PO4
Trong quá trình rửa thì muối –Cl tạo thành được rửa trôi, nồng độ axit HCl có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của chitosan thành phẩm, đồng thời nó ảnh hưởng lớn tới thời gian và hiệu suất khử khoáng. Nếu nồng độ HCl cao sẽ rút ngắn được thời gian khử khoáng nhưng sẽ làm cắt mạch do có hiện tượng thủy phân các liên kết β-(1,4)-glucoside để tạo ra các polyme có trọng lượng
phân tử trung bình thấp, có khi bị thủy phân triệt để đến glucosamin. Ngược lại, nếu nồng độ HCl quá thấp thì quá trình khử khoáng sẽ không triệt để và thời gian xử lý kéo dài ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm. Tỷ lệ nguyên liệu và dung dịch acid HCl cũng ảnh hưởng tới hiệu quả khử khoáng.
Sau khi khử khoáng tiến hành rửa trung tính. Công đoạn này có tác dụng rửa trôi hết các muối, acid dư tan trong nước. Sản phẩm thu được ở dạng chitin thô.
Phương pháp có ưu điểm là thời gian sản xuất ngắn, sản phẩm có màu sắc đẹp, sạch do có hai bước khử sắc tố. Tuy nhiên, NaOCl là một chất oxi hóa mạnh, ảnh hưởng đến mạch polyme, do đó độ nhớt sản phẩm giảm rõ rệt.
Mặt khác, acetone đắt tiền, lại tổn thất nhiều nên giá thành sản phẩm cao.
Chưa kể các yếu tố trong an toàn sản xuất, công nghệ này khó áp dụng trong điều kiện sản xuất ở nước ta hiện nay.
Hiệu quả của quá trình khử protein phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ và tỷ lệ của dung dịch với khối lượng của vỏ giáp xác. Nồng độ của NaOH thường được sử dụng trong khoảng 1 – 10% và trong nhiệt độ 50 – 100oC.
Quá trình khử protein thích hợp cũng có thể đạt được bằng việc xử lý với dung dịch KOH.
Quá trình khử khoáng cũng diễn ra với thời gian dài, nồng độ acid cao, nhiệt độ cao.
Như vậy phương pháp hóa học có nhược điểm như gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến chất lượng chitin, không tận thu được các thành phần có giá trị khác như: Chất màu, protein làm thức ăn cho gia súc… và như thế không giảm được giá thành sản phẩm, không nâng cao được hiệu quả cho việc sản xuất chitin [11].
2.1.5.2.2. Phương pháp sinh học
Do nhược điểm của phương pháp hóa học, cho đến nay có khá nhiều các nghiên cứu đi theo hướng ứng dụng sinh học để xử lí PLT. Trong phương
pháp sinh học người ta sử dụng vi khuẩn sinh protease hay chế phẩm protease để loại protein, Bacillus để loại khoáng [6].
Sử dụng vi khuẩn sinh protease hay chế phẩm protease để loại bỏ protein ra khỏi phần vỏ của phế liệu tôm.
Theo nghiên cứu của Jo, chủng Serratia marcescans FS-3 có thể khử tới 84% protein sau 7 ngày lên men. Trong nghiên cứu khác của Oh chủng Pseudomonas aeruginosa K-187 có thể loại được 78% protein cũng sau 7 ngày lên men. Nghiên cứu của Sini chỉ ra rằng chủng Bacillus subtilis không những có thể loại được 84% protein mà còn loại được tới 72% khoáng sau 12 ngày lên men. Phương pháp dùng vi sinh vật có ưu điểm là rẻ tiền do chỉ cần thêm nguồn cacbon là glucose, dextrose hay rỉ đường nhưng lại có nhược điểm là thời gian thường kéo dài.
Một phương pháp sinh học khác loại protein cũng khá hiệu quả là phương pháp dùng chế phẩm protease. Phương pháp enzyme có ưu điểm là thời gian ngắn (trong vài giờ) và có thể thu hồi protein và asthaxatin có chất lượng cao làm thức ăn gia súc. Tuy nhiên phương pháp enzyme có giá thành cao hơn so với phương pháp vi sinh.
Nhược điểm chính của phương pháp sinh học là loại protein không triệt để. Lượng protein dư còn lại trong vỏ tôm khi xử lí bằng phương pháp enzyme thường lớn hơn xử lí bằng phương pháp hóa học.
Sử dụng vi khuẩn lactic để loại khoáng ra khỏi phần vỏ của phế liệu tôm.
Việc sử dụng vi khuẩn lactic để loại khoáng ra khỏi phế liệu tôm là một xu hướng mà hiện nay nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Trong quá trình lên men lactic, ở giai đoạn đầu vi khuẩn lactic và vi khuẩn khác hoạt động, số lượng vi khuẩn lactic chiếm đa số. Đồng thời với số lượng vượt trội vi khuẩn lactic sẽ hấp thu cơ chất, sinh trưởng phát triển và sinh ra acid lactic. Acid lactic sẽ làm hạ pH và ức chế hoạt động của vi khuẩn gây thối rữa. Thành phần canxi cacbonat trong vỏ tôm sẽ tác dụng với acid lactic để tạo ra lactat
canxi ở dạng không hòa tan. Phản ứng này tương tự như quá trình khử khoáng bởi HCl trong phương pháp hóa học.
So với loại khoáng bằng phương pháp hóa học, phương pháp lên men lactic ngoài việc cho chitin có chất lượng cao, thân thiện môi trường còn cho phép tận thu dịch lên men dùng làm thức ăn cho gia súc có giá trị. Tuy vậy nhược điểm của phương pháp là thời gian lên men kéo dài [28].