Tài liệu Nghiên cứu thủy phân protein trong phế liệu tôm bằng enzyme protease

i LỜI CẢM ƠN Đề tài này được hoàn thành là nhờ sự giúp đỡ tận tình của nhiều thầy cô giáo, bạn bè và gia đình.Qua đây em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến tất cả tập thể và cá nhân đã giúp đỡ em trong thời gian học tập và thực hiện đề tài: Em xin chân thành bày t ỏ lòng biết ơn cô Th.S Ngô Thị Hoài Dương, người đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình chỉ bảo những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian em thực hiện đề tài. Em xin chân thành biết ơn các thầy cô trong khoa Chế biến đã truyền đạt cho em những kiến thức trong suốt quá trình học tập. Em xin chân thành biết ơn Phòng thí nghiệm hoá sinh của bộ môn Công nghệ Chế biến thuỷ sản, Phòng thí nghiệm Trung tâm Công nghệ sinh học và Môi trường đã tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình thực tập. Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thành viên trong gia đình, các bạn đồng môn đã động viên và nhiệt tình giúp đỡ em thực hiện đề tài. Sinh viên NGUYỄN THỊ THẮM ii MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................ ................................ .......... 3 1.1. GIỚI THIỆU VỀ PHẾ LIỆU TÔM VÀ CÁC BIỆN PHÁP THU HỒI PROTEIN ................................ ................................ ........................... 3 1.1.1. Phế liệu tôm ................................ ................................ ................... 3 1.1.2 Thành phần hoá học của phế liệu tôm. ................................ ............ 7 1.1.3 Hệ enzyme protease của tôm. ................................ .......................... 8 1.1.4. Các hướng tận dụng PLT ................................ ............................. 10 1.1.4. Các phương pháp thu nhận protein................................ .............. 11 1.1.5 Các nghiên cứu về việc thu hồi protein bằng enzyme. .................. 14 1.2. GIỚI THIỆU VỀ ENZYME PROTEASE VÀ QUÁ TRÌNH TH ỦY PHÂN ................................ ................................ ................................ ....... 16 1.2.1. Enzyme protease ................................ ................................ .......... 16 1.2.2. Protein thủy phân ................................ ................................ ......... 19 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân ............................ 22 1.2.4 Một số ứng dụng của enzyme ................................ ....................... 24 CHƯƠNG 2 : ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............ 27 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ................................ ............................ 27 2.1.1. Nguyên liệu đầu tôm................................ ................................ .... 27 2.1.2. Enzyme Protease ................................ ................................ .......... 27 2.1.3 Hóa chất................................ ................................ ........................ 28 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: ................................ ............................. 29 2.2.1 Xác định thành phần hóa học của phế liệu đầu tôm thẻ chân trắng. ................................ ................................ ................................ ..... 29 2.2.2 Xác định chế độ tối ưu cho quá trình thủy phân phế liệu đầu tôm thẻ chân trắng bằng 2 loại enzyme Alcalse và Flavourzyme. .......... 29 2.2.3 Đánh giá giá trị sinh học của sản phẩm thủy phân. ....................... 29 iii 2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU .................... 29 2.3.1 Phương pháp nghiên cứu: ................................ ............................. 29 2.3.2 Phương pháp xử lý số liệu................................ ............................. 31 2.4 BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM ................................ ................................ ....... 32 2.4.1 Xây dựng đường chuẩn BSA theo phương pháp Biuret................. 32 2.4.2 Quy trình thủy phân protein từ phế liệu tôm bằng enzyme dự kiến................................. ................................ ................................ ....... 34 2.4.3. Tối ưu hóa quá trình thủy phân protein đầu tôm bằng enzyme Alcalase ................................ ................................ ................................ . 35 2.4.4 Tối ưu hóa quá trình thủy phân protein đầu tôm bằng enzyme Flavourzyme ................................ ................................ .......................... 37 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ....................... 39 3.1 KẾT QUẢ XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN THEO PHƯƠNG PHÁP BIURET................................ ................................ ......................... 39 3.2 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA PHẾ LIỆU ĐẦU TÔM................................. ................................ ..................... 40 3.3 KẾT QUẢ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN PHẾ LIỆU ĐẦU TÔM BẰNG ENZYME ALCALASE. ................................ ............ 40 3.4 KẾT QUẢ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN PHẾ LIỆU ĐẦU TÔM BẰNG ENZYME FLAVOURZYME. ................................ ... 45 3.5 GIÁ TRỊ SINH HỌC CỦA DỊCH THỦY PHÂN ............................... 49 3.5.1 So sánh về giá trị sinh học của dịch thủy phân pr otein từ phế liệu tôm bằng enzyme Alcalase và Flavourzyme. ................................ ......... 49 3.5.2 So sánh về hiệu quả kinh tế khi thủy phân protein từ phế liệu đầu tôm bằng enzyme Alcalase và Flavourzyme. ................................ ... 51 3.5.3 Quy trình thủy phân protein từ phế liệu tôm bằng enzyme đề xuất................................. ................................ ................................ ....... 52 iv CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN ................................ ..... 53 4.1 KẾT LUẬN ................................ ................................ ........................ 53 4.2 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN ................................ ................................ ............. 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................ ................................ ............ 55 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Khối lượng phế liệu tôm ở Khánh Hòa qua các n ăm. ..................... 6 Bảng 1.2. Thành phần (%) đầu và vỏ tôm................................ ....................... 7 Bảng 2.1: Thể tích của các dung dịch hóa chất cho vào các ống nghiệm ...... 33 Bảng 2.2 Mức thí nghiệm của các yếu tố ................................ ...................... 36 Bảng 2.3 Bố trí thí nghiệm ở giá trị biên ................................ ...................... 37 Bảng 2.4 Bố trí thí nghiệm ở tâm ph ương án ................................ ................ 37 Bảng 2.5 Mức thí nghiệm của các yếu tố ................................ ...................... 38 Bảng 2.6 Bố trí thí nghiệm ở giá trị biên ................................ ...................... 38 Bảng 2.7 Bố trí thí nghiệm ở tâm ph ương án................................ ................ 38 Bảng 3.1: Mật độ quang học của các mẫu đường chuẩn ............................... 39 Bảng 3.2 Thành phần hóa học của phế liệu đầu tôm thẻ chân trắng (tính theo vật chất khô)................................ ................................ ................. 40 Bảng 3.3 Ma trận quy hoạch thực nghiệm ................................ ................... 41 Bảng 3.4 Ma trận quy hoạch thực nghiệm có biến ảo ................................ ... 41 Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm ở tâm ph ương án................................. ............ 41 Bảng 3.6 Bảng kết quả kiểm tra mức ý nghĩa của các h ệ số hồi quy ............. 42 Bảng 3.7 Kết quả tối ưu hóa quá trình thủy phân phế liệu tôm bằng enzyme Alcalase ................................ ................................ ......................... 44 Bảng 3.8 Ma trận quy hoạch thực nghiệm ................................ ................... 45 Bảng 3.9 Ma trận quy hoạch thực nghiệm có biến ảo ................................ ... 46 Bảng 3.10 Kết quả thí nghiệm ở tâm ph ương án................................ .......... 46 Bảng 3.11 Bảng kết quả kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy ........... 46 Bảng 3.12 Kết quả tối ưu hóa quá trình thủy phân phế liệu tôm bằng enzyme Flavourzyme ................................ ................................ .................. 48 Bảng 3.13 Giá trị sinh học của dịch thủy phân protein từ phế liệu đầu tôm bằng enzyme. ................................ ................................ ............................... 50 Bảng 3.14 So sánh về hiệu quả thủy phân protein từ phế liệu tôm bằng emzyme Alcalase so với enzyme Flavourzyme (tính cho 1kg nguyên liệu tươi ban đầu). ................................ ................................ ................................ ...... 51 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Phản ứng thủy phân protein ................................ .......................... 19 Hình 1.2. Phản ứng thủy phân protein xúc tác bởi protease .......................... 21 Hình 2.1. Công thức của phức Biuret. ................................ .......................... 30 Hình 2.2 Sự bắt màu của phản ứng Biuret. ................................ ................... 30 Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát ................................ ................... 32 Hình 2.4 Sơ đồ quy trình thủy phân protein từ phế liệu tôm bằng enzyme dự kiến. ................................ ................................ ................................ ........ 34 Hình 3.1: Đồ thị đường chuẩn BSA................................ .............................. 39 Hình 3.2: Sơ đồ quy trình thủy phân protein từ phế liệu tôm bằng enzyme đề xuất................................ ................................ ................................ .......... 52 1 LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong công nghiệp chế biến thuỷ sản xuất khẩu, tỷ lệ c ơ cấu các mặt hàng đông lạnh giáp xác chiếm từ 70÷80% công suất chế biến. Hàng năm các nhà máy chế biến đã thải bỏ một lượng phế liệu giáp xác khá lớn. Cùng với sự tăng sản lượng thì hàng năm ngành thuỷ sản thải ra một lượng phế liệu khổng lồ mà chủ yếu là phế liệu của n gành chế biến tôm. Phế liệu tôm nếu không được thu gom và xử lý thì vừa gây lãng phí vừa gây ô nhiễm môi trường. Hiện nay phế liệu tôm được đưa vào để sản xuất Chitin-chitosan đang là hướng chủ yếu. Thông thường, quy trình sản xuất chitin -chitosan từ phế liệu tôm có quá trình khử protein, phế liệu tôm được khử protein bằng base mạnh, dịch protein thu được sau quá trình thường thải bỏ do có nồng độ hóa chất cao gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng hoặc mới chỉ thu hồi protein để bổ sung vào thức ăn chăn nuôi. Theo một số nghiên cứu khoa học chỉ ra rằng dịch thủy phân protein từ phế liệu đầu tôm có chứa các thành phần axit amin khá cao và có giá trị về mặt sinh học. Và hướng nghiên cứu để thu hồi protein từ phế liệu tôm để bổ sung vào thực phẩm đang là một hướng mới được nhiều người quan tâm, trong tương lai nó sẽ được phát triển và mở rộng. Dưới sự hướng dẫn của cô Th.S Ngô Thị Hoài Dương em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu thủy phân protein trong phế liệu tôm bằng enzyme protease”. 2 2. Mục đích của đề tài Xây dựng được chế độ thích hợp nhất cho quá trình thủy phân protein từ phế liệu đầu tôm bằng enzyme để thu được protein với hàm lượng cao nhất. 3. Nội dung đề tài  Tổng quan về phế liệu tôm.  Tổng quan về quá trình thủy phân protein dưới tác dụng của enzyme protease.  Xác định được thành phần hóa học của phế liệu tôm thẻ chân trắng.  Nghiên cứu chế độ thủy phân protein từ phế liệu tôm và đánh giá giá trị của sản phẩm thủy phân.  Đề xuất qui trình thủy phân protein từ ph ế liệu tôm bằng enzyme protease. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU VỀ PHẾ LIỆU TÔM VÀ CÁC BIỆN PHÁP THU HỒI PROTEIN 1.1.1. Phế liệu tôm Nguồn phế liệu tôm rất quan trọng trong chế biến tôm công nghiệp nhất là thành phần đầu tôm, nó chiếm khoảng 35-45% trọng lượng tôm (Meyers, 1986). Thông thường khối lượng tôm trong công nghiệp ở Trung Quốc khoảng 550000 tấn, và phần phế liệu đầu tôm chiếm khoảng 63% tổng khối lượng tôm trong công nghiệp (Cui, 2006). Và nó có thể cho khoảng hơn 150000 tấn đầu tôm thải ra từ các nhà máy hàng n ăm (Liu & Ye, 2007). Đầu tôm rất giàu nguồn chitin (11% trọng l ượng khô) và cũng rất giàu nguồn protein [10].Vì vậy việc tận dụng nguồn phế liệu này đang được rất quan tâm trong những năm gần đây. Theo Cavaheiro(2006), ở Brazil phế liệu tôm chiếm khoảng 33% trọng lượng của tôm và được loại bỏ hoàn toàn. Trong n ăm 2000, tổng sản lượng phế liệu đầu tôm khoảng 8.250 tấn được thải ra từ 25000 tấn tôm nguyên liệu. Tương tự, theo Honlanda (2006), có khoả ng 45% nguyên liệu đưa vào chế biến là tôm và phế liệu được thải loại trong quá trình chế biến tôm chiếm từ 50% - 70%, nguồn phế liệu này nếu không được giải quyết sẽ gây ra các vấn đề về môi trường, các phần phế liệu chứa chủ yếu là Protein, Astaxanthin, Chitin… Ở Nigeria trong năm 1990 sản lượng tôm là 637000 tấn, trong đó phần đầu tôm thường chiếm 35-45% trọng lượng tôm. Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tôm là rất dồi dào, khả năng khai thác từ 25÷30.000 tấn/năm. Toàn vùng biển Nam bộ có trữ lượng và khả năng khai thác lớn nhất nước ta; ước tính khả năng khai thác bằng 50% sản lượng của cả nước. Đặc biệt, nuôi tôm đã phát triển mạnh trong những năm gần đây và trở 4 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. Từ năm 2001 – 2005, tốc độ tăng trưởng tổng sản lượng thủy sản tăng bình quân 8,97%/năm, giá trị tổng kim ngạch xuất khẩu thủy sản tăng bình quân 10,5%. Năm 2002, giá trị xuất khẩu thuỷ sản đạt hơn 2 tỷ USD, trong đó xuất khẩu tôm đông lạnh chiếm 47%.Năm 2003 xuất khẩu thủy sản đạt 2,3 tỷ USD bao gồm các sản phẩm chính là tôm đông lạnh, cá đông lạnh, nhuyễn thể chân đầu, mực khô, cá ngừ và một số mặt hàng khác. Năm 2004, xuất khẩu thuỷ sản đạt giá trị 2,4 tỷ USD, chiếm 8,9% tổng giá trị xuất khẩu cả n ước trong đó tôm đông lạnh chiếm 53% tổng giá trị xuất khẩu thuỷ sản. N ăm 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. N ăm 2007, tổng kim ngạch xuất khẩu thủy sản đạt 3,75 tỷ USD tăng 12% so với năm 2006 [2]. 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.Trong cơ cấu mặt hàng thủy sản xuất khẩu của Việt Nam từ trước đến nay nhất là tôm đông lạnh chiếm tỷ lệ cao. Các sản phẩm chế biến từ tôm chủ yếu là: tôm tươi còn vỏ, đầu (nguyên con) cấp đông IQF hoặc Block; tôm vỏ bỏ đầu cấp đông IQF hoặc Block; tôm bóc vỏ, bỏ chỉ lưng cấp đông IQF; tôm bóc vỏ, còn đốt đuôi cấp đông IQF; tôm dạng sản phẩm định hình, làm chín ...Năm 2003 khối lượng tôm xuất khẩu là trên123600 tấn đạt trên 1tỷ USD chiếm 49% tổng kim ngạch xuất khẩu thủy sản cả n ước chiếm gần 10% giá trị xuất khẩu tôm toàn cầu. Việt Nam trở thành nước đứng thứ 5 5 trên Thế giới về xuất khẩu tôm. 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/n ăm. Trần Thị Luyến (2004) cho biết trong vỏ tôm tươi chitosan 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 . Phế liệu tôm (PLT) là những thành phần phế thải từ các c ơ 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 ph ương pháp xử lý mà lượng phế liệu có thể vượt quá 60% khối lượng sản phẩm. Có thể lấy tôm càng xanh iMacrobrachium rosenbergi 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, 1996, trung bình khoảng 50% so với khối lượng tôm chưa chế biến. Halanda và Netto (2006) cho rằng PLT có t hể chiếm 50 - 70% so với nguyên liệu [2]. 6 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 giốn g loài và giai đoạn sinh trưởng của chúng. Việc tiêu thụ một số lượng lớn tôm nguyên liệu của các nhà máy chế biến Thủy sản đã thải ra một lượng lớn phế liệu trong đó phế liệu vỏ, đầu tôm là chủ yếu. Các loại phế liệu này nếu thải trực tiếp ra môi tr ường sẽ gây ô nhiễm môi trường trầm trọng và nếu đem xử lý chất thải thì chi phí sẽ rất lớn. Ngày nay đã có rất nhiều hướng nghiên cứu sử dụng phế liệu tôm để sản xuất các chế phẩm có giá trị trong đó quan trọng nhất là việc sản xuất chitin chitosan từ vỏ giáp xác. Ở địa bàn tỉnh Khánh Hòa trong những n ăm gần đây mặt hàng tôm đông lạnh được đẩy mạnh nhất là ở các xí nghiệp chế biến Thủy sản nh ư: Xí nghiệp Đông lạnh Nam Trung Bộ, Xí nghiệp Đông lạnh Việt Long, Xí nghiệp Đông lạnh Việt Thắng, Xí nghiệp Đông lạnh Nha Trang (hay công ty F17)…Đây là nguồn phế liệu dồi dào để sản xuất chitin- chitosan và các sản phẩm giá trị khác. Theo số liệu của Sở Th ủy sản Khánh Hòa khối lượng phế liệu của toàn tỉnh trong các n ăm 1995 – 2002 luôn vượt ngưỡng 1000 tấn/ năm và có xu hướng ngày càng tăng[9]. Bảng 1.1: Khối lượng phế liệu tôm ở Khánh Hòa qua các n ăm. Năm 1995 Khối 1127,3 lượng(tấn) 1996 1997 1998 1053,5 1272,95 1232 1999 2000 2001 2002 1373 1706,6 1984,84 2777,3 7 1.1.2 Thành phần hoá học của phế liệu tôm. Thành phần chiếm tỷ lệ đáng kể trong đầu tôm là protein, chitin, canxi cacbonate, sắc tố. Tỷ lệ các thành phần này không ổn định, chúng thay đổi theo giống, loài, đặc điểm sinh thái, sinh lý,…Thành phần chitin và protein trong vỏ tôm tươi tương ứng là 4,50% và 8,05%. Trong vỏ tôm khô là 11 – 27,50% và 23,25 – 53%. Hàm lượng chitin, protein, khoáng và carotenoid trong phế liệu vỏ tôm thay đổi rất rộng phụ thuộc vào điều kiện bóc vỏ trong quá trình chế biến cũng như phụ thuộc vào loài, trạng thái dinh dưỡng, chu kỳ sinh sản. Vỏ giáp xác chứa chủ yếu là protein (30 – 40%), khoáng (30 – 50%), chitin (13 – 42%) . Bảng 1.2. Thành phần (%) đầu và vỏ tôm[2]. Bộ phận Protein thực Chất béo Chitin Tro Nito Photpho Đầu 53,5 8,9 11,1 22,6 7,2 1,69 Vỏ 53,5 0,4 27,2 11,7 11,1 3,16  Protein: Protein đầu tôm phần lớn thuộc loại khó tiêu hoá và khó trích ly, protein đầu tôm thường tồn tại ở 2 dạng chính là dạmg tự do (có trong nội tạng và cơ gắn với phần thân tôm) và dạng liên kết với chitin hoặc canxicacbonat như một phần thống nhất của vỏ tôm.  Hệ enzyme: Hệ enzyme của tôm thường có hoạt độ mạnh hơn đặc biệt ở cơ quan nội tạng ở đầu tôm nên rất dễ bị hư hỏng. Hệ enzyme của tôm gồm:  Protease: Là enzyme chủ yếu trong đầu tôm, chủ yếu phân giải protein thành acid amin.  Lipaza: Phân giải lipid thành glyxeryl và acid béo . 8 + Tyrozinaza: Khi có mặt của oxi không khí thì sẽ biến Tyrozin thành melanin có màu đen ảnh hưởng đến giá trị cảm quan và chất l ượng của sản phẩm. - Chitin: Chiếm khối lượng lớn, tồn tại ở dạng liên kết với protein, canxicacbonat và nhiều hợp chất khác. - Chất ngấm ra ở đầu tôm: Trymethylamin (TMA), Trimethylaminoyt ( TMAO), Betain, bazo purin, các acidamin t ự do, ure…. Ngoài các thành phần trên trong đầu tôm còn có một lượng đáng kể lipid, một lượng nhỏ photpho và sắc tố. Như vậy phế liệu đầu tôm là nguồn giàu chitin (11% trọng lượng khô), cũng là một nguồn protein tốt ( 50 - 65% trọng lượng khô), giàu chất dinh dưỡng và nguồn enzyme. 1.1.3 Hệ enzyme protease của tôm [3]. Sự tiêu hóa và trao đổi chất protein, các hợp chất nit ơ khác giữa các loài giáp xác khác nhau rất nhiều. Các enzyme tiêu hóa đặc biệt là enzyme tiêu hóa protein ở giáp xác nói chung và của tôm nói riêng khá giống với enzyme có trong dạ dày của cá. Protease ở tôm không có dạng pepsin, chủ yếu ở dạng trypsin và có khả năng hoạt động rất cao. Ngoài ra còn có enzym chymotrysin, astacine. Qua một số nghiên cứu của một số tác giả cho thấy enzyme từ tôm nói chung là các protease kiềm tính. Các enzyme này có tính chất chung của enzyme: - Hòa tan trong nước, dung dịch nước muối và một số dung môi hữu c ơ nên dựa vào tính chất này để tách chiết chúng. - Bị kết tủa thuận nghịch bởi một số muối trung hòa, ethanol aceton để thu chế phẩm enzyme. - Hoạt tính của enzyme có thể tăng hay giảm dưới tác dụng của các chất hoạt hóa hoặc chất ức chế. 9 - Độ hoạt động của enzyme chịu ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố: nhiệt độ , pH môi trường. Protease của tôm cũng như các loài động vật thủy sản khác là các protease nội bào, nó tập trung nhiều nhất ở c ơ quan tiêu hóa đến nội tạng và cơ thịt. Do đặc điểm hệ tiêu hóa nội tạng của tôm nằm phần đầu nên hệ enzyme tập trung nhiều nhất ở phần đầu. Nhóm enzyme có tác dụng thủy phân protid, có tính đặc hiệu rộng rãi, chúng không chỉ thủy phân liên kết liên kết peptid mà còn có thể thủy phân cả liên kết ester, liên kết amit và có thể xúc tác cho chuyển vị gốc acid amin. Trypsin: Có trong dịch vị tụy tạng, khả năng tác dụng của trypsin khá mạnh với các loại protid có phân tử l ượng thấp ở các mối liên kết peptid, amit, ester. Trypsin từ ruột tôm có pH thích hợp là 7,8 ở 38 0C. Peptidase, ereptase và các lo ại khác: Tham gia thủy phân liên kết peptid trong phân tử protid và các polypeptid. K hả năng tác dụng cũng như tính đặc hiệu của enzyme này phụ thuộc vào bản chất của các nhóm nằm liền kề bên mối liên kết peptid. Cacbonhydrase: Enzyme này xúc tác thủy phân các glucid và glucozit. Dựa vào tính chất của enzyme có trong đầu tôm nên để thuận lợi cho quá trình thủy phân protein thì ta nên chọn enzym e protease để xúc tác cho quá trình thủy phân. Tính chất và chất lượng của các sản phẩm thủy phân được đánh giá thông qua độ thủy phân và cấu trúc của các peptid tạo thành. Điều này phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của protein và tính đặc hiệu enzyme sử dụng, cũng như việc khảo sát các thông số của quá trình thủy phân nh ư nhiệt độ, pH….nó sẽ làm giảm các phụ phẩm của quá trình thủy phân và cải thiện các tính chất và chức năng. Giá trị dinh dưỡng của protein được giữ nguyên hay 10 tăng lên khi thủy phân bằng enzyme ở những thông số nhẹ, protein bị bẻ gãy thành các thành phần đơn phân tử như peptid hoặc acidamin. 1.1.4. Các hướng tận dụng PLT[9] Phế liệu từ các khâu chế biến cần được thu hồi và bảo quản thích hợp, cần phải thu gom riêng những loại khác nhau nh ư đầu, vỏ…Do thành phần và tiềm năng sử dụng, giá trị sử dụng của chúng đáng kể. Phế liệu tôm dễ hỏng một phần vì chứa enzyme phân giải protein, một phần do quá trình phân hủy vi si nh. Lượng protein ở đầu tôm mất đi vì bị ươn thối có tới trên 10%, đồng thời có thể làm giảm chất l ượng sản phẩm tôm. Ngoài ra, nên tiến hành ngay các công đoạn tiếp theo như cấp đông hay sấy khô để chế biến phế liệu thành bán thành phẩm ổn định sau đó sẽ được sử dụng hay bán. a. Sản xuất thức ăn chăn nuôi Hiện nay ở nước ta đa số sử dụng phế liệu tôm đông lạnh để sản xuất thức ăn chăn nuôi. Rất nhiều thức ăn chăn nuôi bán chạy hiện nay có chứa bột tôm và nó chiếm 30% thành phần thức ăn. Bột tôm được chế biến tốt có chứa axit amin tương tự như amin trong đậu tương hay trong bột cá. Phế liệu tôm có chất lượng càng cao thì bột tôm có chất l ượng càng cao. Do vậy việc xử lý và chế biến phế liệu có ý nghĩa rất quan trọng trong việc sản xuất bột tôm có chất lượng cao. Nếu công nghệ chế biến không phù hợp thì nó cũng ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng của sản phẩm do các chất béo và axit béo thiết yếu sẽ bị ảnh hưởng. Hiện nay có 2 phương pháp được áp dụng phổ biến trong sản xuất bột tôm là phương pháp sấy khô và phương pháp ủ xi lô: Phương pháp sấy khô bằng nhiệt: Phương pháp có ưu điểm là đơn giản, có thể chế biến nhanh lượng phế liệu tôm đông lạnh, tính kinh tế cao. Nhược điểm là chất lượng kém, giá trị dinh dưỡng không cao. 11 Phương pháp ủ xilô: ở phương pháp này người ta sử dụng axit hữu cơ và vô cơ trong việc ủ nhằm tăng tác động của enzyme khử trùng và hạn chế sự phát triển của vi sinh vật. Sau khi ủ tiến hành trung tính bằng các chất kiềm, chất ủ được làm thức ăn chăn nuôi. Phương pháp này có ưu điểm là chất lượng tốt nhưng giá thành cao và phức tạp. b. Sản xuất bột màu Astaxanthin Thành phần hóa học của tôm rất giàu protein nên tr ước khi sản xuất chitin chúng ta nên thu hôi protein lại. Và trong phần vỏ của phế liệu cũng chứa sắc tố Astaxanthin, tuy nó có hàm lượng nhỏ nhưng giá thành lại cao trên thị trường (2500USD/kg). Hơn nữa astaxanthin còn là một carotenoid có tác dụng kích thích sinh trưởng, kháng một số bệnh. Nó là chất tạo màu nên được sử dụng trong kỹ thuật nuôi trồng thủy sản, thực phẩm, c ông nghiệp. Vì vậy hiện nay vấn đề tận dụng astaxanthin trong công nghiệp chế biến phế liệu tôm là vấn đề đang được nhiều nước quan tâm. c. Sản phẩm súp và canh Có thể sử dụng các mẩu thừa của tôm chất l ượng cao sau khi chế biến làm món canh và súp tôm. Đầu tôm được sử dụng làm nguyên liêu tạo mùi cho món súp tôm đặc biệt. Tôm vụn được sử dụng làm món canh tôm. d. Làm các sản phẩm định hình Thịt tôm vụn hoặc không đạt chuẩn có thể được chế biến thành các sản phẩm định hình. Sản phẩm này được định hình lại thành hình con tôm hay các hình dạng trang trí như bánh tròn, viên, khoanh tôm. Bằng cách tạo ra các hình dạng khác nhau, ướp tẩm gia vị hay bao bột, ta có thể làm ra rất nhiều sản phẩm tôm đẹp mắt. Các sản phẩm định hình này được làm chín trong các là thường hoặc lò vi sóng giống như các sản phẩm được chế biến từ tôm khác. 1.1.4. Các phương pháp thu nh ận protein[10] Để tách protein hiện nay người ta sử dụng các phương pháp sau: 12  Phương pháp cơ học: Nguyên lý: Sử dụng các lực cơ học để tách một phần protein ra khỏi nguyên liệu vỏ đầu tôm. Quá trình được tiến hành như sau: Đầu tôm còn tươi đem rửa sạch, sau đó ép bằng trục lăn hoặc trục vít, thu protein đem sấy khô và bảo quản. Hiệu quả thu hồi protein của ph ương pháp này không cao. Tuy nhiên, quá trình này đã loại bỏ một phần protein tự do trong đầu tôm vì vậy giảm thiểu được hóa chất sử dụng cho các công đoạn tiếp theo.  Phương pháp hoá học: Một số công trình trên thế giới đã nghiên cứu khử protein của phế liệu g iáp xác bằng NaOH. Phương pháp này mang lại một số ưu điểm như đơn giản, không đòi hỏi thiết bị máy móc phức tạp. Do đó, rất dễ áp dụng để sản xuất lớn. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là dịch thải thường thải bỏ do nó có chứa kiềm, protein và sản phẩm protein thủy phân. Hơn nữa, protein bị hạn chế sử dụng do các phản ứng không mong muốn xảy ra tr ong môi trường kiềm mạnh .  Phương pháp sinh học: Nguyên lý của phương pháp này dựa trên việc sử dụng hệ enzyme có sẵn trong đầu tôm hoặc bổ sung enzyme n guồn gốc từ thực vật (papain, bromelain), động vật (đầu tôm, nội tạng cá thu, ngừ, mực ống…), vi sinh vật (protease từ nấm mốc và vi khuẩn) để thuỷ phân protein đầu tôm thành các phần peptid, acid amin và thu hồi chúng. Quá trình được tiến hành như sau: Đầu tôm → Ép→ nghiền → Thuỷ phân → Phân ly→ Protein. Có 2 phương pháp: phương pháp ủ xi lô và phương pháp bổ sung enzyme protease. * Phương pháp ủ xi lô: Thu hồi protein trên cơ sở dựa vào hoạt tính của protease có sẵn trong phế liệu tôm hoặc bổ sung từ bên ngoài vào. Tôm ủ xi lô là thức ăn động vật dạng lỏng, đôi khi còn gọi là protein lỏng. Sự hoá lỏng của mô tôm là kết quả của 13 việc thuỷ phân protein nhờ hoạt động của enzyme ngoài ra còn được sự hỗ trợ bằng cách bổ sung các acid hữu c ơ. Chất lượng của protein thu được từ phương pháp này chủ yếu phụ thuộc vào hàm l ượng các acid amin quan trọng trong đó. Thông thường acid formic với hàm l ượng 3% (w/w) được sử dụng làm tác nhân acid hoá để hạ thấp pH xuống 4,0 hay thấp h ơn nữa. Acid formic chứa một số thành phần có tác dụng khử trùng, ức chế vi khuẩn và bảo quản phế liệu. Có thể sử dụng hỗn hợp acid hữu c ơ và vô cơ như acid formic và/hoặc acid sulfuric, acid propionic… với các nồng độ khác nhau. Sau khi được trung hoà bởi một base thích hợp nh ư NaOH, sản phẩm ủ xi lô có thể sử dụng làm thức ăn động vật. Phế liệu tôm vốn rất giàu protein rất thích hợp để ủ xilô. Trong vài giờ đầu tiên của quá trình thuỷ phân, l ượng acid amin thiết yếu tăng lên. Tuy nhiên, không nên kéo dài giai đo ạn thuỷ phân vì khi đã đạt đến hiệu suất tối đa, tiếp tục thuỷ phân trong môi tr ường acid sẽ làm giảm hiệu suất của các acid amin thiết yếu. Ph ương pháp này có ưu điểm là tận dụng được enzyme protease sẵn có trong đầu tôm, phương pháp đơn giản, không sử dụng máy móc thiết bị phức tạp nên dễ thực hiện. Ng ười ta còn cho rằng phương pháp này còn có khả năng ổn định lượng astaxanthin trong bột tôm thu được. Do đó nếu có điều kiện nên nghiên cứu thu hồi protein và astaxanthin theo hướng này. * Phương pháp bổ sung enzyme protease: Phương pháp này cũng giống như phương pháp ủ xi lô là lợi dụng hoạt động thuỷ phân protein của protease để thu hồi protein. Tuy nhiên, để giảm thời gian thuỷ phân người ta bổ sung protease với hàm l ượng nhất định để đẩy nhanh tốc độ phản ứng thuỷ phân trong hỗn hợp phế liệu tôm. 14  Phương pháp hóa lý Áp dụng phương pháp này nhằm thu hồi protein từ dịch thủy phân của công nghệ sản xuất chitin - chitosan theo phương pháp hóa h ọc và phương pháp sinh học. Nguyên lý dựa trên việc kết tủa protein bằng cách dùng acid để điều chỉnh pH dung dịch chứa protein về điểm đẳng điện của protein (pH = 4 – 5,5), sau đó dùng các phương pháp l ắng, lọc để thu hồi protein. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ làm, có thể thu hồi với hiệu suất cao. Cho phép thu được hầu hết các protein hoà tan do đó có thể ứng dụng để thu hồi protein trong nước thải của các nhà máy chế biến thực phẩm, chế biến thuỷ sản. 1.1.5 Các nghiên cứu về việc thu hồi protein bằng enzyme [2];[10]. * Trên Thế giới Việc thu hồi một phần protein từ phế liệu tôm bằng enzyme thủy phân đã được nghiên cứu rộng rãi (Simpson và Haard, 1985; Cano -Lopezandothers, 1987; Synowiecki và Al-Khateeb, 2000; Gildberg vàStenberg, 2001; Mizani và cộng sự, 2005). Các enzyme protease như Alcalase đã được sử dụng để thủy phân protein từ phế liệu tôm (Chabeaud, Guerard, Laroque & Dufosse 2007; Mizani, Aminlari, 2005) và trypsin , papain, pepsin (Synowiecki & AlKhateeb,2000; Chakrabarty,2002), neutrase và protease (Rutanapornvareeskul, 2006) Józef Synowiecki và cộng sự (1999) nghiên cứu ứng dụng Alcalase để khử protein của phế liệu vỏ tôm Crangon crangon nhằm thu hồi Chitin và protein. Ban đầu vỏ tôm Crangon crangon được khử khoáng sơ bộ bằng DD HCl 10% ở 200C trong 30 phút và khử protein bởi enzyme thương mại Alcalase ở 550C và pH 8,5. Độ thủy phân (DH) cao nhất là 30% và dịch thuỷ