Chitin có thể đƣợc chiết rút từ nhiều nguồn nguyên liệu nhác nhau nhƣ vỏ tôm, vỏ cua ghẹ, tảo, nấm mốc, vi khuẩn, sâu bọ. Tuy vậy, hiện nay chitin, chitosan chủ yếu đƣợc thu nhận từ nguồn phế liệu thuỷ sản. Nguồn phế liệu tôm, cua, ghẹ, nang mực trong quá trình chế biến thủy sản là nguồn nguyên liệu sẵn có, lƣợng lớn, chứa hàm lƣợng chitin, chitosan cao. Đây là nguồn nguyên liệu rất tốt, thuận lợi cho việc xây dựng và phát triển ngành công nghiệp sản xuất chitin, chitosan.
Chitin trong nguyên liệu thƣờng tồn tại dƣới 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. Các hợp chất phi chitin bao gồm protein, chất khoáng, chất màu, lipid và các hợp chất khác với hàm lƣợng biến đổi theo nguyên liệu.
Việc khử các thành phần phi chitin để sản xuất chitin từ phế liệu thuỷ sản có thể thực hiện bằng phƣơng pháp hoá học, phƣơng pháp sinh học hoặc phƣơng pháp kết hợp hoá học với sinh học. Tuy nhiên, hầu nhƣ các quy trình sản xuất chitin ở quy mô công nghiệp chủ yếu sử dụng phƣơng pháp hoá học. Phƣơng pháp hoá học có ƣu điểm nhanh, đơn giản, dễ thực hiện ở quy mô lớn. Bên cạnh cũng có nhiều hạn chế nhƣ chất lƣợng chitin không cao dẫn đến sản xuất chitosan, glucosamine… có chất lƣợng không tốt, phân tử lƣợng thấp, độ nhớt thấp…dƣ lƣợng hoá chất lớn, ô nhiễm môi trƣờng, ăn mòn thiết bị [12].
- Tổng quát quy trình sản xuất Chitin nhƣ sau: Phế liệu Khử protein Khử khoáng Tẩy màu Chitin deacetyl Chitosan Glucosamine
Hình 1.5: Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất chitin, chitosan, glucosamine từ phế liệu thuỷ sản
Hiện tại, có rất nhiều quy trình sản xuất chitin, chitosan đã đƣợc nghiên cứu, phát triển trên thế giới và tại Việt Nam. Các quy trình đƣợc ứng dụng sản xuất ở quy
Xút nồng độ cao, t cao
HCl nồng độ cao, t cao
NaOCl 0,135% t0 phòng
= 6 phút w/v =1/10
mô lớn chủ yếu là các quá trình xử lý hoá học. Bên cạnh , đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp sinh học hay
, 2006;
, 2009) [27], [11] để tách protein và khử khoáng nhƣ việc sử dụng enzyme và vi sinh vật. Quá trình xử lý sinh học kết hợp enzyme và vi sinh vật cho phép loại bỏ hơn 90% lƣợng protein có trong phế liệu , 2000) [34],
, 2005) [21]. Tuy nhiên phƣơng pháp sinh học để khử protein có nhƣợc điểm là không thể loại bỏ triệt để lƣợng protein trong nguyên liệu [27], các quy trình chỉ mới ở giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm, chi phí của phƣơng pháp này cao, khá tốn kém, vì cần phải nghiên cứu sản xuất enzyme, vi sinh vật với số lƣợng lớn phù hợp cho quy mô công nghiệp. Do vậy, phƣơng pháp sinh học vẫn chƣa đƣợc áp dụng phổ biến và rộng rãi nhƣ nhƣ là phƣơng pháp hoá học trong sản xuất chitin. Sau đây là một số quy trình sản xuất chitin, chitosan thông dụng.
[16] , phơi khô Ngâm HCl Ngâm aceton Ngâm NaOCl Deacetyl chitin Chitosan NaOH 3,5% t0 = 650C = 2h w/v =1/10 HCl 1N t0 Phòng = 2h w/v = 1/10 t0 Phòng =30 phút w/v = 1/5 NaOH 40% t0 = 850C = 4h w/v =1/14
thời gian sản xuất ngắn, sản phẩm có màu sắc đẹp, sạch do có hai bƣớc khử sắc tố. Tuy nhiên do NaOCl là một chất oxy hoá mạnh, ảnh hƣởng đến mạch polymer, do đó độ nhớt của sản phẩm giảm rõ rệt.
Mặt khác aceton rất đắt tiền, tổn thất nhiều, giá thành sản phẩm cao. Chƣa kể đến các yếu tố an toàn sản xuất, công nghệ này khó áp dụng trong điều kiện sản xuất của nƣớc ta hiện nay.
Quy trình sản xuất của Stevens, Viện công nghệ Châu Á (AIT), Thái Lan (2002) [41]
Nguyên liệu Nghiền nhỏ và ép
Ngâm trong NaOH 2.5%, 30oC, 24h Rửa trung tính
Ngâm trong HCl 2.5%, 30oC, 12h Rửa trung tính (Chitin) Nấu trong NaOH 50%, 65o
C, 20h Rửa trung tính
Phơi khô hoặc sấy ở 60oC, 10h Chitosan
(650
Quy trình sản xuất của PGS – TS Trần Thị Luyến, Đại học Nha Trang (2004) [17]
Nguyên liệu (vỏ tôm)
Khử khoáng bằng HCl 10%, nhiệt độ phòng, 12h Rửa trung tính
Khử protein bằng ngâm trong NaOH 8%, nhiệt độ phòng, 12h Rửa trung tính (Chitin)
Deacetyl trong NaOH đặc 35-40%, nhiệt độ 80-100oC, thời gian 5-6,5 giờ Rửa trung tính
Phơi khô hoặc sấy
Chitosan với nhiều mức deacetyl và độ nhớt
đ .
Quy trình sản xuất chitin, chitosan tại Trung tâm Chế biến Thủy sản – ĐH Nha Trang [10] Nguyên liệu Khử khoáng bằng HCl 7%, 2-3 ngày, t0 Rửa trung tính
Khử protein bằng NaOH 6%, 2-3 ngày, t0
Chitin
Deacetyl hoá bằng NaOH 50%, 24h, 60 C Chitosan
Trung tâm
.
Qua các quy trình trên, quá trình khử protien bằng phƣơng pháp hoá học sử dụng NaOH ở nồng độ tƣơng đối cao, thời gian dài. Phƣơng pháp hoá học có một số ƣu điểm đơn giản, không đòi hỏi thiết bị máy móc phức tạp và chi phí thấp. Do đó, rất dễ áp dụng để sản xuất lớn. Tuy vậy, cũng có những mặt hạn chế nhƣ chitin, chitosan thu đƣợc có độ nhớt, phân tử lƣợng thấp. Việc dụng xút nồng độ cao ảnh hƣởng đến chất lƣợng và độ tinh khiết của chitin, cũng nhƣ của chitosan sau này. Đặc biệt hơn để sản xuất chế phẩm sinh học nhƣ glucosamine trong y học đòi hỏi chitin có chất lƣợng tốt và tinh sạch hơn nhiều. Mặt khác, do xử lý xút ở nồng độ cao, thời gian dài, nên muốn tận thu protein trong dịch thủy phân là không hiệu quả vì protein bị biến tính phần lớn. Bên cạnh đó là lƣợng astaxanthin cũng không đƣợc thu hồi, đây là loại chất màu quan trọng có hoạt tính sinh học cao, đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nuôi trồng thủy sản và thực phẩm chức năng. Đồng thời, lƣợng hoá chất thải ra cùng với các chất hữu cơ trong quá trình xử lý thƣờng đƣợc các cơ sở sản xuất thải ra ngoài môi trƣờng, gây ô nhiễm và ảnh hƣởng môi trƣờng sống của các khu dân cƣ lân cận.
Tách chiết chitin bằng phƣơng pháp hóa học tuy đơn giản, hiệu quả, dễ triển khai ở quy mô rộng. Nhƣng thời gian xử lý dài, nồng độ hoá chất sử dụng lớn dẫn đến chất lƣợng sản phẩm chitin thu đƣợc không tốt và có thể còn chứa tạp chất hoá học nếu quá trình rửa không đúng cách, lƣợng chất thải gây ô nhiễm môi trƣờng... Do đó, sản xuất các dẫn xuất sinh học nhƣ glucosamine, chitosan...không thể đạt chất lƣợng cao để ứng dụng trong y học, mỹ phẩm,... những tiêu chuẩn đặt ra của khách hàng và của thị trƣờng xuất khẩu. Vì vậy, hạn chế sử dụng hoá chất, cải tiến công nghệ theo hƣớng thân thiện môi trƣờng, ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất chitin, glucosamine,…là xu thế hiện nay nhằm nâng cao chất lƣợng chitin, chitosan,...tận thu các thành phần có giá trị phi chitin (protein, astaxanthin,...), giảm thiểu chất thải hoá học, sản xuất các chế phẩm sinh học từ chitin đạt chất lƣợng tốt hơn, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp sản xuất chitin, chitosan.
Những năm gần đây, việc sử dụng phƣơng pháp sinh học kết hợp phƣơng pháp hóa học (vi sinh vật, enzyme) để loại bỏ protein khỏi phế liệu vỏ của loài giáp xác là một xu hƣớng hiện tại đƣợc các nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Trong đó enzyme protease đƣợc nghiên cứu rất nhiều để khử protein của phế liệu giáp xác trong quá trình sản xuất chitin. Từ những năm 60 của thế kỷ trƣớc, một số nghiên cứu về ứng dụng enzyme protease để thủy phân protein trong phế liệu giáp xác đã đƣợc thực hiện bởi Takeda và Abe (1962), Tekeda và Katsuura (1964). Những năm tiếp theo và gần đây, sử dụng enzyme ngày càng đƣợc quan tâm thể hiện qua các nghiên cứu của Shimahara và Takiguchi (1988) đã dùng enzyme protease từ vi sinh vật Pseudomonas maltophilia để khử protein trong vỏ tôm, cua [10], Alcalase
(57,5 – 64,6%) [27]; Synowiecki và cộng sự (2000) dùng Alcalase để thủy phân protein từ phế liệu tôm Crangon, thu hồi đƣợc 64,3% protein [42], Maryam Mizani và Mahmood Aminlari (2007) sử dụng Alcalase thủy phân protein để sản xuất chitin từ đầu tôm P. Semisulcatus và thu hồi 64% protein [19].
Crangon crangon Alcalase (2000) [42] g HCl 10%, 200 , : 1:20 (w:v) (pH 8,5); 550C (pH 4,0; 550C) ) a 600C Chitin
Tại Việt Nam, một số nghiên cứu đã ứng dụng protease (papain, Alcalase, Protamex, Flavourzyme) ( Luyến, 2005; Trung và cộng sự, 2007) để khử protein trong quá trình sản xuất chitin từ phế liệu thủy sản [12]. Việc sử dụng enzyme protease trong sản xuất chitin nhằm thay thế NaOH khắc phục đƣợc các hạn chế của việc sử dụng một lƣợng lớn hoá chất sử dụng. Đặc biệt là enzyme thu nhận đƣợc từ vi sinh vật cho hiệu quả cao.
Một số quy trình sử dụng enzyme protease trong quá trình sản xuất chitin nhƣ sau. (1:2, w:v) ) NaOH 4M Ethanol 10:1; v:w Acetone (10:1, v:w)
Quy trình sản xuất chitin ứng dụng papain để khử protein (GS-TS.Trần Thị Luyến, Đại Học Nha Trang, 2000)
Vỏ tôm khô Vỏ tôm tƣơi Ngâm HCl 10%, tỷ lệ 1:10; Ngâm HCl 10%, tỷ lệ 1:5; t C phòng, 5h t C phòng, 5h Rửa sạch Khử protein bằng papain 13%; tỷ lệ 1:5; pH = 5÷5,5; t C = 70÷80%; 4h
Rửa sạch, tẩy, làm khô 60 C Chitin
Deacetyl bằng NaOH 35%; tỷ lệ 1:10; t C = 90 C; 5,5h Rửa sạch
Chitosan
Q sử dụng enzyme Flavourzyme trong công nghệ sản xuất chitin từ phế liệu tôm (Trang Sĩ Trung, ĐH Nha Trang và cộng sự, 2008)
Phế liệu vỏ đầu tôm thẻ Xay nhỏ (0,5 – 0,6 cm) Khử protein bằng Enzyme Flavourzyme Thu dịch protein, astaxanthin
Khử protein còn lại bằng NaOH loãng Rửa trung tính Khử khoáng bằng HCl Rửa trung tính tỷ lệ enzyme/phế liệu: 0,1% thời gian: 6h nhiệt độ: 55 C pH = 6,5
Từ những quy trình trên kết quả cho thấy, khi dùng papain để thủy phân loại bỏ protein trong chitin cho sản phẩm chitosan có độ nhớt cao hơn các quy trình khác, độ deacetyl, độ tan và hiệu suất quy trình cũng tăng. Nhƣ vậy, để nâng cao chất lƣợng của chitosan có thể sử dụng papain thay thế cho xút để khử protein cho vỏ, đầu tôm. Tuy vậy, quá trình thủy phân protein bằng enzyme không triệt để, nên vẫn còn sử dụng một lƣợng xút lớn, nhiệt độ nấu cao để thủy phân triệt để lƣợng protein còn lại trong chitin. Hiện tại, có nhiều nghiên cứu và triển khai thử nghiệm sử dụng protease để thủy phân protein trong quá trình sản xuất chitin từ phế liệu thủy sản. Tuy nhiên các kết quả đều cho thấy sử dụng enzyme không khử triệt để đƣợc protein từ phế liệu thuỷ sản. Ngoài ra, chi phí xử lý bằng enzyme thƣờng cao hơn xử lý bằng phƣơng pháp hoá học và thời gian xử lý dài hơn. Đây là một số khó khăn chính khi triển khai ở quy mô lớn trong quá trình sản xuất chitin.
Ngoài việc sử dụng enzyme, vi sinh vật trong quá trình khử protein, việc khử khoáng bằng acid hữu cơ cũng đƣợc nghiên cứu thử nghiệm để kết hợp với xử lý hoá học, giảm thiểu lƣợng hoá chất trong quá trình sản xuất. Thông thƣờng các quá trình khử khoáng đƣợc thực hiện bằng HCl, tuy đơn giản, dễ thực hiện, nhƣng cũng có mặt hạn chế của nó nhƣ cắt mạch chitin, ăn mòn thiết bị và gây ô nhiễm môi trƣờng. Do đó, một số nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm quá trình khử khoáng bằng lên men lactic. Để tăng hiệu quả cho quá trình lên men lên men lactic có thể bổ sung rỉ đƣờng hay đƣờng mật dạng lỏng. Đồng thời các acid hữu cơ sử dụng nhƣ acid lactic, acid formic, acid acetic…
Trong vỏ của các loài giáp xác, chitin liên kết với protein và khoáng theo từng lớp, tạo nên độ chắc cho lớp vỏ. Quá trình khử khoáng, chủ yếu là các muối canxi đƣợc thực hiện trong môi trƣờng acid. Trong quá trình sản xuất chitin truyền thống, quá trình tách khoáng chỉ tiến hành 1 giai đoạn, lƣợng khoáng trong vỏ đƣợc loại bỏ dƣới tác dụng của HCl ở nhiệt độ cao, thời gian dài. Hiệu quả tách khoáng khá cao, nhƣng chất lƣợng chitin bị ảnh hƣởng đáng kể (Trần Thị Luyến, 2000; Percot và cộng sự, 2003) [15], [33]. Khi bổ sung quá trình xử lý sơ bộ bằng acid formic, quá trình khử khoáng trong phế liệu đƣợc thực hiện qua 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu là acid formic tƣơng tác với chất khoáng trong vỏ tôm hình thành các muối format, chủ yếu là canxi format, có khả năng tăng tƣơng đối, đƣợc loại bỏ trong quá trình rửa. Ngoài ra, acid
formic còn có tác dụng phòng thối, giảm pH môi trƣờng, tạo điều kiện cho enzym protease nội tại hoạt động và thuỷ phân protein.
Phƣơng trình tách khoáng:
CaCO3 + HCl CaCl2 + H2O + CO2 CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + H2O + CO2 CaCO3 + HCOOH (HCOO)2Ca + H2O + CO2 Phƣơng trình thủy phân protein:
H2N-CH-CO-NH-CH-CO H2N-CH-COOH + H2N-CH-CO-NH-CH R1 R2 R1 R2 R3
Polypeptid Acid amin Peptid
Sau quá trình xử lý sơ bộ bằng acid formic, vỏ tôm trở nên sạch khoáng và protein hơn, nhờ đó quá trình khử khoáng ở giai đoạn sau bằng HCl đƣợc thuận lợi và triệt để hơn, hàm lƣợng khoáng còn lại trong vỏ tôm thấp hơn 1%. [5]
Sử dụng các acid hữu cơ có tính ƣu việt là ít gây tác hại với môi trƣờng, có thể giữ đƣợc đặc tính của chitin, các chất phi chitin ít bị ảnh hƣởng chất lƣợng khi tận thu. Tuy nhiên, thời gian khử khoáng kéo dài hơn so với acid vô cơ. Có thể xem đây nhƣ là một bƣớc tiền xử lý, giảm đƣợc lƣợng acid sau này trong quá trình xử lý hoá học. Hơn nữa, khi sử dụng acid hữu cơ để tách khoáng thì chitin, chitosan thu đƣợc có độ tinh sạch cao, có thể đáp ứng về yêu cầu tinh sạch của chitin trong y dƣợc, thực phẩm.
Nhìn chung, các quy trình sản xuất chitin, chitosan đang đƣợc áp dụng ở quy mô sản xuất lớn tại Việt Nam hiện nay chủ yếu là quy trình hoá học. Các quy trình chỉ tập trung vào việc thu nhận chitin, chitosan chƣa chú trọng đến việc thu hồi các sản phẩm khác ngoài chitin nhƣ protein, astaxanthin,..nên việc xả thải gây ô nhiễm môi trƣờng do chƣa quan tâm xử lý triệt theo đúng quy định trƣớc khi thải ra môi trƣờng. Hơn nữa chất lƣợng chitin chỉ mới ở dạng thô, dạng công nghiệp, để làm nguyên liệu sản xuất chitosan, chƣa quan tâm nhiều đến vấn đề sản xuất chitin chất lƣợng cao đáp ứng yêu cầu của của các nƣớc phát triển. Chƣa đƣa ra đƣợc quy trình sản xuất chitin chất lƣợng cao để từ đó có thể sản xuất các chế phẩm sinh học từ chitin tinh sạch hơn, đạt chất lƣợng tốt hơn, phục vụ cho các ngành y dƣợc hoặc mỹ phẩm, công nghệ sinh học.
Để có những dẫn xuất sinh học từ chitin với chất lƣợng tốt, vấn đề đặt ra là tìm quy trình sản xuất chitin mới để sản phẩm có chất lƣợng cao.
–
, astaxanthin
, sản xuất chitin bằng phƣơng pháp kết hợp sinh học và hóa học đang đƣợc các nhà khoa học tập trung nghiên cứu hiện nay. Việc kết hợp này có thể giảm đi phần lớn lƣợng hóa chất sử dụng cần thiết, đồng thời tận thu các chất có giá trị trong dịch thải protein, astaxanthin...có chất lƣợng tốt hơn. Từ đó, có thể đi vào ứng dụng phƣơng pháp sinh học kết hợp với phƣơng pháp hoá học, có thể kèm theo bƣớc tiền xử lý,…để khắc phục đƣợc các hạn chế của việc sử dụng hoá chất nồng độ cao, và sản phẩm chitin thu đƣợc đạt chất lƣợng tốt, hạn chế đƣợc vấn đề ô nhiễm môi trƣờng, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp chế biến chitin.
I.5 Tiêu chuẩn chitin thị trƣờng Nhật [9], [44], [47], [49]
Theo VASEP, tổng giá trị xuất khẩu thủy sản trong 9 tháng đầu năm 2012 lên gần 4,5 tỷ đôla, tăng hơn 4% so với cùng kỳ năm ngoái. Trong đó, Mỹ, EU và Nhật Bản vẫn là ba thị trƣờng nhập khẩu chính của thủy sản Việt Nam trong 3 quý gần đây. Theo bà Lê Hoàng Oanh, Phó Cục trƣởng Cục Xúc tiến thƣơng mại, Nhật Bản là một trong những đối tác kinh tế, thƣơng mại và đầu tƣ quan trọng hàng đầu của Việt Nam. Quan hệ hợp tác Việt Nam – Nhật Bản đã phát triển tốt đẹp và bền vững với lịch sử quan hệ gần 40 năm kể từ khi 2 nƣớc thiết lập quan hệ ngoại giao năm 1973. Cùng với