Tài liệu Luận văn Nghiên cứu quá trình chiết rút astaxanthin từ phế liệu tôm bằng dầu thực vật

1 LỜI CẢM ƠN Được sự giúp đỡ của Khoa Chế Biến – Trường đại học Nha Trang, dưới sự chỉ dẫn tận tình của thầy TS.Trang Sĩ Trung em đã hoàn thành đổ án tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong khoa Chế Biến đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn TS. Trang Sĩ Trung đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án này. Trong quá trình làm đồ án do thời gian ngắn, hạn chế về chuyên môn cũng như kiến thức thực tế nên bản đồ án này còn nhiều mặt hạn chế. Vì vậy em xin nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Nha Trang, tháng 11 năm 2007 Sinh viên thực hiện Đinh Thị Hoa 2 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sản lượng tôm nuôi của cả nước và tỉnh Khánh Hòa từ năm 1995÷2006. 3 Hình 1.2 Sản lượng tôm đông lạnh và phế liệu tôm từ 1991÷1997 7 Hình 1.3 Sản lượng tôm đông lạnh và phế liệu tôm từ năm 1997÷2000 7 Hình1.4 Phân tử astaxanthin (dạng all-trans) 15 Hình 1.5 Sự thay đổi cấu trúc phân tử astaxanthin khi tương tác với acid yếu 17 Hình 1.6 Astacene 17 Hình 1.7 Crustaxanthin 17 Hình 3.1: Sự phụ thuộc hàm lượng astaxanthin thu được vào nhiệt độ và tỷ lệ dầu/ nguyên liệu 41 Hình 3.2: Sự phụ thuộc hàm lượng astaxanthin thu được vào nhiệt độ và thời gian 41 Hình 3.3 Sự phụ thuộc hàm lượng astaxanthin thu được vào thời gian và tỷ lệ dầu/nguyên liệu 47 Hình 3.4 Sự phụ thuộc hàm lượng astaxanthin thu được vào nhiệt độ và thời gian 47 Hình 3.5 Sự phụ thuộc hàm lượng astaxanthin thu được vào nhiệt độ và tỷ lệ dầu/nguyên liệu 53 Hình 3.6 Sự phụ thuộc hàm lượng astaxanthin thu được vào nhiệt độ và thời gian 53 3 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần hóa học của của thịt tôm 4 Bảng 1.2 Thành phần hóa học chính của vỏ và đầu tôm (tính theo trọng lượng khô)9 Bảng 1.3 Hàm lượng astaxanthin ở da và cơ cá hồi 19 3.1 Hàm lượng astaxanthin chiết được theo quy hoạch thực nghiệm 39 Bảng 3.2 Các mức của các yếu tố 40 Bảng 3.3 Kết quả xác định hàm lượng astaxanthin của các thí nghiệm tối ưu hóa theo phương pháp đường dốc nhất 43 Bảng 3.4 Hàm lượng astaxanthin chiết được theo quy hoạch thực nghiệm 45 Bảng 3.5 Các mức của các yếu tố 46 Bảng 3.6 Kết quả xác định hàm lượng astaxanthin của các thí nghiệm tối ưu hóa theo phương pháp đường dốc nhất 49 Bảng 3.7 Hàm lượng astaxanthin chiết được theo quy hoạch thực nghiệm 51 Bảng 3.8 Các mức của các yếu tố 52 Bảng 3.9 Kết quả xác định hàm lượng astaxanthin của các thí nghiệm tối ưu hóa theo phương pháp đường dốc nhất 55 4 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: T ỔNG QUAN 3 1.1. Tổng quan về tôm và phế liệu tôm .............................. ................................ ................................ ...........3 1.1.1. Giới thiệu về tôm .............................. ................................ ................................ ................................ .3 1.1.2. Phế liệu tôm .............................. ................................ ................................ ................................ ..........6 1.1.2.1. C ấu tạo vỏ tôm 8 1.1.2.2. Thành ph ần hóa học của vỏ tôm .............................. ................................ .............................. 9 1.2. Lý thuy ết chiết .............................. ................................ ................................ ................................ ........... 10 1.2.1. Các khái ni ệm cơ bản về quá tr ình chiết.............................. ................................ ....................... 10 1.2.2. Các y ếu tố ảnh h ưởng tới quá tr ình chiết.............................. ................................ ...................... 11 1.2.3. Điều kiện chọn dung môi .............................. ................................ ................................ ................ 12 1.2.4. Các phương pháp chi ết.............................. ................................ ................................ .................... 13 1.3. Tổng quan về astaxanthin .............................. ................................ ................................ ........................ 14 1.3.1. Giới thiệu về astaxanthin .............................. ................................ ................................ ................. 14 1.3.1.1. C ấu trúc phân tử astaxanthin .............................. ................................ ................................ ..15 1.3.1.2. Tính ch ất lý học của astaxanthin .............................. ................................ ............................ 15 1.3.1.3. Tính ch ất hóa học của astaxanthin .............................. ................................ ........................ 16 1.3.1.4. Ch ức năng sinh học của astax anthin.............................. ................................ ..................... 18 1.3.1.5. Ứng dụng của astaxanthin .............................. ................................ ................................ ...... 19 1.3.2. Các ngu ồn astaxanthin trong tự nhi ên .............................. ................................ .......................... 21 1.3.2.1. Ph ế liệu giáp xác thủy sản .............................. ................................ ................................ ....... 21 1.3.2.2. Nấm men Phaffia rhodozyma .............................. ................................ ............................... 21 5 1.3.2.3. Vi t ảo Haematococcus pluvialis .............................. ................................ ............................ 22 1.3.3. Tình hình nghiên c ứu chiết xuất astaxanthin tr ên thế giới và trong nư ớc ............................ 22 1.3.3.1. Tình hình nghi ên cứu trên thế giới .............................. ................................ ........................ 22 1.3.3.2. Tình hình nghiên c ứu ở Việt Nam .............................. ................................ ........................ 25 1.3.4. Các hư ớng tận dụng phế liệu tôm .............................. ................................ ................................ ..26 1.3.5. Một số quy tr ình chiết rút astaxanthin .............................. ................................ ........................... 30 CHƯƠNG 2: Đ ỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C ỨU 33 2.1. Đối tượng nghiên cứu .............................. ................................ ................................ .............................. 33 2.2. Phương pháp nghiên c ứu .............................. ................................ ................................ ........................ 35 2.2.1. Bố trí thí nghiệm tổng quát tối ưu hóa công đoạn chiết astaxanthin bằng dầu phộng....... 35 2.2.2. Bố trí thí nghiệm tổng quát tối ưu hóa công đo ạn chiết astaxanthin bằng dầu nành.......... 35 2.2.3. Bố trí thí nghiệm tổng quát tối ưu hóa công đoạn chiết astaxanthin bằng dầu hướng dương .............................. ................................ ................................ ................................ ............................. 36 2.2.4. Phương pháp xác đ ịnh hàm lượng astaxanthin [8] .............................. ................................ ....37 2.2.5. Phương pháp x ử lý số liệu .............................. ................................ ................................ ............... 37 CHƯƠNG 3: K ẾT QUẢ NGHI ÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 38 3.1. Xác đ ịnh điều kiện thích hợp cho công đoạ n chiết astaxanthin bằng dầu p hộng....................... 38 3.2. Xác đ ịnh điều kiện thích hợp cho cô ng đoạn chiết astaxanthin bằng dầu nành.......................... 44 3.3. Xác đ ịnh điều kiện thích hợp cho cô ng đoạn chiết astaxanthin bằng dầu hướng dương.......... 50 KẾT LUẬN V À ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 1 MỞ ĐẦU Astaxanthin là một chất chống oxy hóa, ngăn ngừa một số bệnh ung thư, chống lại tác hại của tia tử ngoại đồng thời có hoạt tính của một tiền Vitamin và astaxanthin còn tạo nên màu sắc đặc trưng ở một số loài thủy sản như tôm, cua. Vì vậy, trong những năm ngần đây astaxanthin được nghiên cứu rất nhiều đặc biệt là việc nghiên cứu tìm ra loại dung môi cũng như điều kiện chiết thích hợp để có thể được hàm lượng astaxanthin cao nhất. Những nghiên cứu này đa phần đều sử dụng những dung môi như aceton, petro eter,…Đặc điểm của những dung môi này là có khả năng chiết rút astaxanthin với hàm lượng cao nhưng lại rất độc hại. Chúng có thể gây ra một số ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người như: Khi hít phải sẽ tạo cảm giác say, mất thăng bằng giống như nghiện rượu và có hại cho phổi, khi dây ra da sẽ làm ngứa, mẩn đỏ vùng quanh mắt, cổ,…Đồng thời việc sử dụng astaxanthin được chiết bằng những dung môi hữu cơ để bổ sung vào thức ăn cho cá hiện nay đang bị hạn chế bởi sự xuất hiện các chất phản ứng và phản ứng tức thì (những chất có nguy cơ gây ra những biến đổi của tế bào sống) [12]. Vì vậy, chúng ta cần tìm ra một loại dung môi mới vừa có khả năng chiết rút astaxanthin mà lại không độc hại. Và dung môi dầu ăn đã được quan tâm đến. Do tính chất của nó là dung môi không phân cực do đó có thể hòa tan được astaxanthin và có thể sử dụng bổ sung trực tiếp vào thức ăn cho người và động vật. Việt Nam đã có sản lượng tôm lớn. Với sự phát triển như vậy các nhà máy chế biến tôm của nước ta mỗi năm cũng thải ra khoảng 33.000 tấn phế liệu/năm. Một vấn đề đặt ra là chúng ta phải tìm cách tận dụng nguồn phế liệu này. Cho đến nay, đa phần lượng phế liệu này được sấy khô để chế biến thành loại thức ăn chăn nuôi giá trị kinh tế không cao. Trong khi đó, phế liệu tôm thực ra là một nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất nhiều sản phẩm có giá trị kinh tế cao như chitin-chitozan, glucosamin, protein,…Ngoài ra, trong phế liệu tôm còn có chứa astaxanthin có giá trị kinh tế cao. 2 Vậy đề tài “ Nghiên cứu quá trình chiết rút astaxanthin từ phế liệu tôm bằng dầu thực vật " sẽ góp phần giải quyết được những vấn đề trên. Do thời gian thực tập ngắn và kiến thức có hạn nên trong quá trình thực hiện đề tài còn nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý phê bình của quý thầy cô và các bạn để đề tài của tôi được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Nha Trang, tháng 11 năm 2007 Sinh viên thực hiện Đinh Thị Hoa 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về tôm và phế liệu tôm [1], [2], [4] 1.1.1. Giới thiệu về tôm Tôm là đối tượng rất quan trọng của ngành thủy sản nước ta hiện nay, tôm chiếm tỷ lệ 70÷80% tổng kim ngạch xuất khẩu của ngành. Tôm có giá trị dinh dưỡng cao, tổ chức cơ thịt rắn chắc, có mùi vị thơm ngon đặc trưng rất hấp dẫn. Chính nhờ những ưu điểm này mà nghề chế biến tôm, đặc biệt là tôm đông lạnh đang được phát triển để đáp ứng cho nhu cầu ngày càng cao mà sản lượng tôm đánh bắt có hạn, vì vậy nghề nuôi tôm đang được đầu tư phát triển rất mạnh. Hầu hết là các loài có giá trị như: tôm Sú, tôm Bạc, tôm Thẻ, tôm Chì,… Tôm là sinh vật đáy thuộc hệ thống phân loại: Ngành: Arthropoda Ngành phụ: Brabachista Lớp: Crustacea Bộ: Decapoda. Theo số liệu của Tổng cục thống kê (2007) sản lượng tôm nuôi qua các năm: sản lượng tôm (tấn) 1000000 100000 10000 1000 100 10 1 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 199 199 199 199 199 200 200 200 200 200 200 200 Cả nước Khánh hòa năm Hình 1.1 Sản lượng tôm nuôi của cả nước và tỉnh Khánh Hòa từ năm 1995÷2006. 4 Như vậy cho thấy nhu cầu về tôm là rất cao và ngành nuôi tôm đang rất phát triển.  Thành phần cấu tạo của tôm gồm hai phần: phần đầu và phần thân. Hầu hết các cơ quan nằm ở phần đầu ngực, phần thân chỉ có ruột và động mạch chủ, thịt tôm nằm gần như hoàn toàn ở thân. Vỏ tôm thường được tạo thành từ nhiều lớp protein, khoáng, lipid bao phủ khung chitin. Toàn bộ lớp vỏ này không sinh trưởng vì vậy tôm phải lột xác theo từng thời kỳ sinh trưởng của bản thân. Dưới lớp vỏ là lớp biểu bì có vai trò quan trọng trong việc lột xác bỏ lớp vỏ cũ và hình thành lớp vỏ mới của tôm. Kề trong lớp biểu bì là lớp trung bì có chứa sắc tố chủ yếu là astaxanthin. Chính nhờ sự biến đổi của sắc tố này mà ta có thể phân biệt được chất lượng tôm. Phần đầu thường chiếm khoảng 35÷45% trọng lượng, phần vỏ chiếm 10÷15% trọng lượng. Tỷ lệ giữa các phần đầu, thân, vỏ luôn thay đổi phụ thuộc vào giống loài.  Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của tôm. Tôm là một trong những loại thực phẩm có chứa đầy đủ các loại acid amin không thay thế. Vì vậy tôm có giá trị cao về mặt dinh dưỡng. Thành phần hóa học của tôm bao gồm: protein, lipit, nước, khoáng, enzym, vitamin. Thành phần hóa học khác nhau tùy thuộc vào giống loài và điều kiện sinh sống, mùa vụ, nguồn thức ăn, thời tiết khí hậu. Bảng 1.1 Thành phần hóa học của của thịt tôm [1] Thành phần hóa học tính trên 100 g thịt tôm g/100g Protein Lipit Nước mg/100g Tro Canxi Photpho Fe Na K 19÷33 0,3÷1,4 76÷79 1,3÷1,87 29÷50 33÷67,6 1,2÷5,1 11÷127 127÷565 5 Tôm có giá trị dinh dưỡng cao thành phần chủ yếu bao gồm: + Nước: Chiếm 70÷80% trọng lượng tôm. Nhờ có hàm lượng nước cao làm cho thân tôm mềm mại và bóng mượt tăng tính hấp dẫn khi cảm quan. Tuy nhiên, nước làm môi trường hoạt động của vi sinh vật. Vì vậy, nước đóng vai trò quan trọng trong quá trình chế biến và bảo quản. + Protein: Là thành phần hóa học chủ yếu trong cơ thịt tôm và chiếm tỷ lệ 70÷80% trọng lượng khô. Thành phần cấu tạo nên protein là các acid amin. Trong tôm có khoảng 18÷21 acid amin khác nhau và hầu như có đủ các acid amin không thay thế: glutamin, xistein, metrioin, triptophan,arginin,… + Chất ngấm ra: Hàm lượng chất ngấm ra chiếm 2÷3% trọng lượng tôm, trong đó có khoảng 1/3 là chất hữu cơ mà thành phần lớn là chất hữu cơ có đạm, phần còn lại là chất vô cơ. Chất ngấm ra nhiều ít đứng về mặt sinh lý, mùi vị thì nó chiếm một vai trò quan trọng, nó quyết định mùi vị đặc trưng cho sản phẩm, có tác dụng kích thích vị làm tăng khả năng tiêu hóa, chất ngấm ra dễ bị vi sinh vật gây thối rữa làm giảm khả năng bảo quản nguyên liệu. + Lipit và glucid: Trong thịt tôm có rất ít mỡ chiếm 0,3÷1,4% trọng lượng tôm. Hàm lượng glucid cũng rất ít. + Sắc tố: Tôm đem gia nhiệt như luộc, nấu hay dùng acid vô cơ hoặc rượu để ngâm thì vỏ của chúng đều biến thành màu đỏ gạch, các sắc tố đó được gọi là astaxin. Ataxin là sản phẩm của astaxanthin. Trong vỏ tôm astaxanthin kết hợp với protein có màu xanh tím. + Vitamin: Trong thịt tôm có chứa một hàm lượng vitamin, đặc biệt là vitamin nhóm B. Nhóm vitamin này tan trong nước nên trong quá trình bảo quản và chế biến rất dễ bị thất thoát. Vitamin nhóm B có vai trò giúp tiêu hóa, tăng trọng lượng và phát triển cơ thể. + Chất khoáng: Trong thịt tôm gồm có các chất khoáng như: Fe, Ca, K, P,… 6 Vì tôm có đầy đủ các thành phần dinh dưỡng giàu vitamin, giàu đạm, giàu khoáng dễ bị tiêu hóa, cần thiết cho dinh dưỡng cơ thể con người. Vì thế sản phẩm tôm ngày càng được sử dụng càng nhiều, xuất khẩu tôm ngày càng tăng bên cạnh đó kéo theo lượng phế thải từ công nghiệp chế biến tôm đông lạnh cũng tăng.  Sự phân bố: Tôm tập trung nhiều ở vùng biển từ nam Vũng Tàu đến Rạch Giá, sau đó có nhiều ở phụ cận cửa sông Hồng, sông Thái Bình, sông Mã và phân bố rải rác ở ven biển Trung Bộ và Đồng Bằng sông Cửu Long. Các loại tôm khác nhau có đặc điểm sinh lý, sinh thái khác nhau nên mùa vụ thu hoạch tôm cũng khác nhau trong năm. Chính sự phong phú nhiều loại tôm nên trong sản xuất thủy sản đông lạnh đã tạo ra đa dạng về sản phẩm từ tôm như: tôm nguyên con, tôm vỏ bỏ đầu, tôm thịt,… 1.1.2. Phế liệu tôm Tôm là nguồn lợi dồi dào, ngoài việc đánh bắt tự nhiên, hiện nay còn phát triển theo hướng nuôi trồng tạo điều kiện thuận lợi đảm bảo nguồn nguyên liệu cho xuất khẩu. Trong đó mặt hàng tôm đông lạnh được xem là mặt hàng chiếm lược và chiếm tỷ lệ lớn trong tổng các mặt hàng xuất khẩu. Song song đó việc giải quyết lượng phế liệu tôm cũng không kém phần quan trọng bởi vì đặc điểm của phế liệu tôm có hàm lượng protein và hàm lượng ẩm cao. Vì vậy chúng rất mau bị hư hỏng do sự hoạt động phân hủy của vi sinh vật. Gây ra ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe của con người. Phế liệu tôm chủ yếu là đầu và các mảnh vỏ. Ngoài ra, còn có phần thịt vụn,…Tùy theo giống loài và phương pháp chế biến mà lượng phế liệu có thể vượt quá 60% sản lượng tôm khai thác được. Ví dụ tôm Càng xanh đầu tôm chiếm khoảng 60% khối lượng toàn bộ, với tôm Sú đầu chiếm 40%. Các dạng sản phẩm chính của tôm: + Tôm tươi nguyên con cấp đông. 7 + Tôm vỏ bỏ đầu cấp đông . + Tôm thịt. Do điều kiện đánh bắt, vận chuyển cũng như bảo quản còn kém do đó khi tôm đưa vào chế biến thường không được tươi để có thế chế biến dưới dạng nguyên con. Do đó tôm thường đượng bóc vỏ, bỏ đầu. Vì vậy, phế liệu vỏ và đầu tôm rất nhiều. Phần đầu thường chiếm khoảng 35%÷45% trọng lượng của tôm nguyên liệu, phần vỏ chiếm 10÷25%. Tỷ lệ này phụ thuộc vào giống loài, giai đoạn sinh trưởng, mùa vụ, phương pháp chế biến. Bên cạnh lượng tôm xuất khẩu ngày càng tăng (40 ngàn tấn năm 1991, 74 ngàn tấn trong năm 1997 và 140 ngàn tấn trong năm 2005) thì lượng phế liệu tôm thải ra cũng tăng lên tương ứng (năm 1991 là 32.728 tấn, năm 1997 là 59.563 tấn và năm 2005 là 114.545 tấn). Hình 1.2 Sản lượng tôm đông lạnh và phế liệu tôm từ 1991÷1997 Phế liệu tôm Sản lượng tôm Hình 1.3 Sản lượng tôm đông lạnh và phế liệu tôm từ năm 1997÷2000 8 Từ đó cho thấy việc giải quyết lượng phế liệu thải ra là rất lớn. Do đây là một vấn đề đáng quan tâm nếu chúng ta muốn phát triển mặt hàng tôm. 1.1.2.1. Cấu tạo vỏ tôm Vỏ tôm được cấu tạo từ một phức hợp chitin-protein liên kết với một số hợp chất hữu cơ khác (astaxanthin, lipid), bị hóa cứng do kết hợp với canxi cacbonat. Lớp vỏ này bao gồm bốn lớp chính:  Lớp biểu bì (epiecuticle): không chứa chitin, bị hóa cứng do sự lắng đọng của muối canxi cacbonat. Tuy nhiên, khác với lớp canxi hóa bên trong lớp vỏ này liên kết với một lớp sáp nên khó bị hòa tan bởi acid ở nhiệt độ thường. Lớp này thường có màu vàng rất nhạt do có chứa polyphenol-oxydaza và bị hóa cứng nhờ quinon-tanin.  Lớp màu: nhìn chung màu sắc của động vật thủy sản thay đổi từ nâu xanh đến nâu đỏ đến nâu đen rồi nâu xám. Sự khác nhau về màu sắc này là do sự có mặt của ba lớp chất màu khác nhau:  Chất màu hổ phách trong lớp superficial (lớp vỏ ngoài cùng) của vỏ tôm.  Chất màu xanh và đen trong lớp endocuticle (lớp vỏ trong cùng).  Chất màu vàng và đỏ trong lớp epidermal (lớp ngay sát lớp vỏ) và superdermal (lớp bên dưới lớp vỏ). Lớp màu này chứa các túi khí (không bào) với những hệ thống rãnh phân nhánh là con đường giúp cho canxi thẩm thấu vào.  Lớp canxi hóa: chiếm phần lớn vỏ, thường có màu xanh trải đều khắp lớp vỏ tôm. Trong lớp vỏ này canxi cacbonat tồn tại dưới dạng vi tinh thể hình lăng trụ hoặc dạng vô định hình. Cấu trúc tinh thể canxi cacbonat dạng lăng trụ đóng vai trò quan trọng trong quá trình vôi hóa do tạo thành những khoảng trống, đó chính là những con đường cho phép canxi cacbonat thấm vào, tạo ra sự vôi hóa lớp vỏ. Sự vôi hóa này lan truyền dần từ lớp ngoài vào lớp trong: lớp epicuticle bị hóa cứng 9 trước rồi đến các lớp tiếp theo. Điều này dẫn tới hiện tượng lột xác theo chu kỳ của tôm.  Lớp không bị canxi hóa (endocuticle): nằm trong cùng, chiếm một phần tương đối nhỏ so với tổng chiều dày cả lớp vỏ. Lớp này được cấu tạo bởi phức chitin-protein bền vững, không chứa canxi và quinon. 1.1.2.2. Thành phần hóa học của vỏ tôm Bảng 1.2 Thành phần hóa học chính của vỏ và đầu tôm (tính theo trọng lượng khô) Protein(%) Lipid(%) Chitin(%) Tro(%) Canxi(%) Phosphat(%) 53,5 8,9 11,1 22,6 7,2 1,68 22,8 0,4 27,2 31,7 11,1 3,16 Đầu tôm Vỏ tôm Trong đó:  Chitin là loại polysaccharide phổ biến trong tự nhiên chỉ sau cellulose. Nó được cấu tạo bởi các cầu nối 1,4 glucozit, công thức phân tử là (C8H13O5N)n.  Protein trong vỏ tôm thường là loại protein không hòa tan, liên kết với lớp vỏ chitin bởi liên kết cộng hóa trị bền vững tương tự như liên kết giữa các phân tử amino acid với nhau trong phân tử protein. Do đó nó không bị tách ra khỏi vỏ tôm.  Lipid: ngoài lớp màng sáp bao phủ bên ngoài lớp vỏ epicuticle, lipid còn tồn tại dưới dạng phức chất sterol-protein chứa trong lớp endocuticle. Ngoài các thành phần trên trong vỏ tôm còn có:  Các enzym: như proteaza có trong đầu tôm, phenol-oxydaza có trong lớp vỏ epicuticle.  Sắc tố: gồm các phân tử caroteinoid (chủ yếu là astaxanthin) ở dạng liên kết với protein tạo thành phức hợp carotenoprotein màu xanh. Màu xanh này sẽ 10 chuyển thành màu đỏ khi protein bị biến tính. Vì vậy dưới tác động của nhiệt hoặc hóa chất vỏ tôm thường chuyển sang màu đỏ. 1.2. Lý thuyết chiết [1] 1.2.1. Các khái niệm cơ bản về quá trình chiết Chiết là quá trình chuyển chất cần chiết rút trong nguyên liệu vào dung môi được thực hiện bằng khuyếch tán phân tử và khuyếch tán đối lưu. + Khuyếch tán phân tử là sự chuyển vật chất cần chiết rút từ pha này sang pha khác do sự chuyển động nhiệt hỗn loạn trong môi trường lỏng tĩnh. Trước hết là ở bề mặt của hai loại dịch thể, ở hai bề mặt tiếp xúc, số phân tử chiết tương đối ít (vùng tương đối loãng), lúc này tạo ra sự chênh lệch nồng độ chất cần chiết. + Sự chênh lệch về nồng độ càng lớn thì lực khuyếch tán của phân tử chất cần chiết từ vùng nồng độ cao tới vùng nồng độ thấp càng lớn. Bề mặt khuyếch tán càng lớn vật chất khuyếch tán theo hướng này trong một đơn vị thời gian càng nhiều. + Khuyếch tán phân tử tuân theo định luật Fick: dm dc   DF (1.1) d dx Trong đó: dm/dτ: tốc độ hòa tan chất cần chiết. D: hệ số khuyếch tán. F: diện tích tiếp xúc giữa chất. dc/dx: Gradien nồng độ. Hệ số khuyếch tán D là lượng vật chất đi qua một đơn vị thời gian khi gradien nồng độ bằng 1. Hệ số khuyếch tán thay đổi theo nhiệt độ, độ nhớt của dung môi và độ lớn của phân tử. Có thể dùng công thức của Anhxtanh để biểu thị: D KT (1.2) 6M 11 Trong đó: K: hằng số khuyếch tán. T: nhiệt độ tuyệt đối. M: độ dính của chất môi giới (dung môi). ρ: bán kính phân tử khuyếch tán. Khuyếch tán đối lưu là sự vận chuyển vật chất từ môi trường này sang môi trường khác trong dòng chuyển động của chất lỏng ở chế độ chảy xoáy. Khuyếch tán đối lưu là hình thái di chuyển vật chất trong dung dịch ở phạm vi nhỏ. Khuyếch tán đối lưu tuân theo định luật Sucarep. Theo định luật thì lượng vật chất đi từ bề mặt phân chia pha vào môi trường tiếp thu tỷ lệ với bề mặt phân chia pha F và thời gian dτ và độ chênh lệch nồng độ dx. Phương trình cơ bản về khuyếch tán đối lưu: dm = - β.F.dc.dτ (1.3) Trong đó: dm, dc, dτ, F cũng có ý nghĩa giống như trong công thức (1.1) β: biểu thị hằng số tốc độ khuyếch tán đối lưu. Hệ số tốc độ khuyếch tán đối lưu là biểu thị lượng vật chất di chuyển khi chênh lệch về nồng độ là một đơn vị diện tích bề mặt và trong một đơn vị thời gian (ở đây là lượng chất cần chiết). Trong khuyếch tán phân tử sự di chuyển vật chất nhờ vào động năng của chuyển động nhiệt phân tử. Trong khuyếch tán đối lưu sự di chuyển vật chất là nhờ năng lượng bên ngoài dẫn tới. Khuyếch tán phân tử và khuyếch tán đối lưu gọi là khuyếch tán nồng độ vì động lực của quá trình khuyếch tán là do chênh lệch nồng độ. 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chiết Trong quá trình chiết hiệu suất và vận tốc chiết chịu ảnh hưởng của:  Hình thái, tính chất và cấu tạo của tổ chức nguyên liệu: 12 + Mức độ phá vỡ cấu trúc tế bào là yếu tố cơ bản thúc đẩy quá trình chiết nhanh chóng và hoàn toàn bằng dung môi hữu cơ. Mức độ phá vỡ cấu trúc tế bào càng nhiều thì sự tiếp xúc giữa chất cần chiết và dung môi càng tăng nên rút ngắn được thời gian chiết và chiết được triệt để hơn. + Kích thước nguyên liệu cũng gây ảnh hưởng đến quá trình chiết. Kích thước càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu và dung môi càng tăng, hiệu suất chiết tăng. Tuy nhiên, cũng nhỏ tới mức nhất định vì quá nhỏ nguyên liệu dễ bị vón lại, các hạt mịn lắng đọng trên các lớp nguyên liệu. Mặt khác nguyên liệu quá nhỏ nó bị cuốn vào dung dịch chiết gây khó khăn cho quá trình xử lý dung dịch chiết sau khi chiết.  Sự chênh lệch nồng độ chất cần chiết trong nguyên liệu và dung môi phải lớn. Muốn tạo được điều kiện này ta phải tạo ra những yếu tố sau: + Nguyên liệu chiết phải có năng lực hút nhỏ nhất đối với dung môi để tạo ra nồng độ chất cần chiết trong dung môi phía trong nguyên liệu càng cao để quá trình khuyếch tán các phân tử chất cần chiết đi ra càng mạnh. + Tỷ lệ dung môi trên nguyên liệu phải lớn. Tuy nhiên chỉ ở mức độ nhất định hợp lý. Nếu tỷ lệ quá lớn làm cho nồng độ chất cần chiết trong dung dịch chiết rút được thấp, gây khó khăn cồng kềnh trong sản xuất. + Lợi dụng nguyên lý ngược dòng để tạo ra sự chênh lệch nồng độ lớn hay thay đổi dung môi chiết nhiều lần.  Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian chiết, độ ẩm của nguyên liệu chiết,… 1.2.3. Điều kiện chọn dung môi Dung môi sử dụng phải thỏa mãn điều kiện sau: + Dung môi chỉ hòa tan chất cần chiết với bất kỳ tỷ lệ nào. + Dung môi phải có thành phần hóa học ổn định không gây phản ứng phụ với nguyên liệu. 13 + Dung môi có nhiệt độ sôi thấp để dễ dàng tách dung môi ra khỏi chất cần chiết. + Dung môi không độc hại ảnh hưởng tới sức khỏe, chất lượng sản phẩm. + Dung môi khó cháy nổ, an toàn trong sản xuất. + Dung môi không ăn mòn thiết bị chiết. + Rẻ tiền, dễ kiếm, có khả năng sử dụng quy mô công nghiệp. Hiện tại chưa có dung môi nào đáp ứng được tất cả các điều kiện trên nhưng tùy theo điều kiện sản xuất mà ta chọn dung môi chiết tốt nhất. 1.2.4. Các phương pháp chiết a. Chiết theo phương pháp gián đoạn Theo phương pháp này ta ngâm nguyên liệu vào dung môi, sau thời gian nhất định giữa dung môi và nguyên liệu đạt nồng độ chất cần chiết ở mức cân bằng, tiến hành đổ dịch chiết ra thay dung môi mới vào. Cứ như thế cho tới sạch. Ưu điểm: Đơn giản, dễ thực hiện. Nhược điểm: Tốn công, tốn thời gian cũng như dung môi nên không kinh tế, không phù hợp với quy mô sản xuất lớn. b. Phương pháp chiết bán liên tục Nguyên lý của phương pháp là dùng nhiều thiết bị chiết gián đoạn bố trí thành cụm liên hiệp tuần hoàn nhằm mục đích giảm thời gian chiết, ít tốn công hơn, tiết kiệm được dung môi hơn. Theo phương pháp này quá trình chiết thực hiện theo nguyên tắc dung môi đi từ nơi có nồng độ chất chiết cao tới nơi có nồng độ thấp. c. Phương pháp chiết liên tục Nguyên lý: Ngâm dung môi trong dòng chuyển động cùng chiều hay ngược chiều chuyển động của dung môi. 14 Ưu điểm: Hiệu quả kinh tế cao, sản xuất với công suất lớn, áp dụng cho quy mô công nghiệp. Nhược điểm: Thiết bị khá phức tạp, chi phí ban đầu lớn. 1.3. Tổng quan về astaxanthin [1], [2], [4], [5], [11] 1.3.1. Giới thiệu về astaxanthin Astaxanthin là một trong các sắc tố carotenoid tồn tại rất nhiều trong tự nhiên. Cho tới bây giờ thuật ngữ astaxanthin vẫn chưa quen thuộc với nhiều người nhưng thực chất nó đã được tìm thấy từ thế kỷ XIX. Astaxanthin tìm thấy nhiều trong một số loài thủy sản như: tôm, cua, ghẹ, cá hồi, cá hồng,…trong vi tảo nước ngọt Haematococcus pluvialis. Trong các loài thủy sản, astaxanthin chủ yếu tập chung ở phần vỏ ngoài (chiếm 58 ÷ 87% tổng hàm lượng carotenoid). Hàm lượng astaxanthin trong vỏ tôm, cua thay đổi đáng kể tùy thuộc vào loài (từ 10 ÷ 140 mg/kg trọng lượng ướt, tức là 50 ÷ 700 mg/kg trọng lượng khô). Như vậy, vỏ tôm, cua chính là một nguồn astaxanthin tự nhiên đáng kể. Trong vỏ của các loài giáp xác thủy sản, astaxanthin liên kết chặt chẽ với lớp vỏ canxicarbonat–chitin, gây khó khăn cho việc chiết astaxanthin. Nhiều công trình nghiên cứu đã sử dụng acid hay một hỗn hợp ccá acid, để loại bỏ canxiumcarbonat (ở giai đoạn khử khoáng) trước khi chiết xuất astaxanthin bằng dung môi thích hợp. Astaxanthin mang sắc tố đỏ cam, trong tự nhiên astaxanthin thường tồn tại ở dạng astaxanthin liên kết với protein tạo phức chất có màu xanh đen. Khi gia nhiệt hay bị oxy hóa, liên kết giữa astaxanthin và protein bị cắt đứt, giải phóng astaxanthin tự do có màu đỏ cam. 15 1.3.1.1. Cấu trúc phân tử astaxanthin Astaxanthin là một trong các sắc tố xanthopyll, là dẫn xuất 3,3`dihydroxy 4,4`diketo của β, β`-caroten, có công thức phân tử C40H52O4 và khối lượng phân tử M= 595. Công thức cấu tạo phân tử như sau: Hình1.4 Phân tử astaxanthin (dạng all-trans) 1.3.1.2. Tính chất lý học của astaxanthin  Sự hấp thụ ánh sáng và màu sắc: Astaxanthin hấp thụ rất mạnh bức xạ trong vùng 470÷510 nm (cực đại hấp thụ thay đổi tùy theo dung môi sử dụng với hệ số tắt phân tử khoảng 105) tạo nên màu đỏ cam rất đẹp. Đặc tính hấp thụ ánh sáng của astaxanthin có thể bị thay đổi khi astaxanthin ở trạng thái liên kết với các phân tử khác. Chẳng hạn, trong tôm, cua astaxanthin thường liên kết với các phân tử protein tạo thành các phức carotenoprotein (tức crutacyanin) có λmax = 628nm, tạo nên phân màu xanh đặc trưng của các loài thủy sản sống. Dưới tác dụng nhiệt, liên kết trên bị phá hủy và giải phóng trở lại astaxanthin tự do màu đỏ cam.  Tính tan: Astaxanthin là hợp chất ít phân cực nên kém tan trong nước, dễ tan trong các dung môi hữu cơ có độ phân cực thấp hay trung bình như pyridin, cồn, aceton, metanol, dietylete, ete dầu mỏ, dầu ăn…  Nhiệt độ nóng chảy: 2150C÷2160C.  Hệ số tắt quan E1%1cm (nồng độ astaxanthin 1% và cruvet dày 1cm):