Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin – chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm

  • Số trang: 220 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 128 |
  • Lượt tải: 0
thuvientrithuc1102

Đã đăng 15346 tài liệu

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG NGÔ THỊ HOÀI DƯƠNG TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH THU NHẬN CHITIN-CHITOSAN TỪ PHẾ LIỆU TÔM THẺ CHÂN TRẮNG NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẦM LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỦY SẢN KHÁNH HÒA - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG NGÔ THỊ HOÀI DƯƠNG TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH THU NHẬN CHITIN-CHITOSAN TỪ PHẾ LIỆU TÔM THẺ CHÂN TRẮNG NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẦM NGÀNH ĐÀO TẠO: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỦY SẢN MÃ SỐ: 62 54 01 05 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGÔ ĐĂNG NGHĨA GS.TS KJELL MOTEN VARUM KHÁNH HÒA - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình do chính tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình. Tác giả luận án Ngô Thị Hoài Dương ii LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành là nhờ có nhà trường, các tổ chức có liên quan tạo điều kiện; thầy cô, bạn bè giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới: Ban Giám Hiệu trường Đại học Nha Trang và các phòng , ban, khoa, viện liên quan đã cho phép và tạo điều kiện thực hiện luận án, Đại sứ quán Nauy tại Hà Nội và Ban quản lý dự án SRV2701 đã hỗ trợ kinh phí và tạo điều kiện để tôi có cơ hội nâng cao trình độ và trau dồi kinh nghiệm nghiên cứu, Phòng thí nghiệm NOBIPOL của trường đại học Khoa học và công nghệ Nauy đã hỗ trợ thực hiện các phép phân tích, PGS. TS. Ngô Đăng Nghĩa, TS Nguyễn Anh Tuấn và GS. TS. Kjell M. Varum, những người Thầy tâm huyết đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian trao đổi và định hướng trong quá trình thực hiện luận án, Các cán bộ kỹ thuật của viện Công nghệ Sinh học và Môi trường, trung tâm Thí nghiệm Thực hành - trường Đại học Nha Trang đã giúp đỡ và tạo điều kiện trong quá trình tiến hành nghiên cứu, Các bạn đồng nghiệp, đặc biệt là TS. Khổng Trung Thắng và Ths. Nguyễn Công Minh đã nhiệt tình giúp đỡ và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quí báu, Các em sinh viên ngành Công nghệ Chế biến Thủy sản các khóa từ 48 đến 52, đặc biệt là em Đào Thị Tuyết Mai đã hỗ trợ trong việc triển khai các thí nghiệm nghiên cứu, Cuối cùng, xin gửi tấm lòng ân tình tới Gia đình, những người thân yêu luôn là nguồn động viên và chia sẻ mọi khó khăn để luận án đươc hoàn thành. Ngô Thị Hoài Dương iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ANOVA Analysis of Variance: Phân tích phương sai AOAC Association of Official Analytical Chemists: Hiệp hội các nhà hoá phân tích chính thống. BHA Butylated hydroxyanisole CrI Crystalline Index: Chỉ số kết tinh cs Cộng sự DA Degree of Acetyl: Độ acetyl DD Degree of Deacetyl: Độ deacetyl db Dry basis: Theo khối lượng chất khô dd Dung dịch DPPH 2,2-Diphenyl-1-picryl hydrazyl FT-IR Fourier Transform Infrared : Quang phổ hấp thụ hồng ngoại chuỗi GlcN D-glucosamine GlcNAc N- acetyl glucosamine HPLC High-Performance Liquid Chromatography: Sắc ký lỏng hiệu năng cao HQK Hiệu quả khử LOD Limit of Detection: Giới hạn phát hiện MHS Phương trình Mark-Houwink-Sakurada Mw Phân tử lượng trung bình khối lượng Mv Phân tử lượng trung bình độ nhớt nd not detected: Không phát hiện NMR Nuclear Magnetic Resonance: Cộng hưởng từ hạt nhân NL Nguyên liệu OD Optical density: Độ hấp phụ quang học RSM Respone Surface Methodology: Phương pháp bề mặt đáp ứng RMS Mức năng lượng tổng SEM Scanning Electron Microscope: Kính hiển vi điện tử quét SS Sum of Squares: Tổng bình phương độ lệch TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TNLK Tổng năng lực khử χcr Degree of crystallinity: Độ kết tinh iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... iii MỤC LỤC................................................................................................................... iv DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. vii DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... ix PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................................ 5 1.1. TÔM THẺ CHÂN TRẮNG VÀ TÌNH HÌNH CHẾ BIẾN Ở VIỆT NAM .......... 5 1.2. GIÁ TRỊ CỦA NGUYÊN LIỆU CÒN LẠI TỪ QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN TÔM ................................................................................................................................ .... .8 1.2.1. Tỷ lệ nguyên liệu còn lại trong công nghiệp chế biến tôm ................................ 8 1.2.2. Thành phần hóa học của nguyên liệu còn lại trong công nghiệp chế biến tôm và tiềm năng khai thác ...................................................................................................... 9 1.2.3. Hệ protease trên đầu tôm .................................................................................. 10 1.2.4. Thu hồi protein từ nguyên liệu còn lại của quá trình chế biến tôm ................. 11 1.3. CHITIN VÀ CÔNG NGHỆ THU HỒI TỪ VỎ ĐỘNG VẬT GIÁP XÁC ....... 12 1.3.1. Sự tồn tại của chitin trong tự nhiên .................................................................. 12 1.3.2. Tính chất của chitin .......................................................................................... 13 1.3.3. Công nghệ thu hồi chitin từ vỏ động vật giáp xác ........................................... 15 1.4. CHITOSAN VÀ QUÁ TRÌNH DEACETYL CHITIN ...................................... 20 1.4.1. Chitosan và tính chất của nó ............................................................................ 20 1.4.2. Quá trình deacetyl chitin .................................................................................. 21 1.5. ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA CHITIN, CHITOSAN ................................ 23 1.5.1. Phương pháp xác định độ tinh sạch ................................................................. 23 1.5.2. Phương pháp xác định phân tử lượng .............................................................. 24 1.5.3. Phương pháp xác định độ deacetyl .................................................................. 25 1.5.4. Phương pháp đánh giá mức độ kết tinh ........................................................... 26 1.6. ỨNG DỤNG CỦA CHITIN, CHITOSAN VÀ DẪN XUẤT ............................ 26 1.7. THU HỒI VÀ XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU CÒN LẠI TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT TÔM Ở VIỆT NAM ...................................................................................... 28 1.7.1. Các nghiên cứu cải tiến công nghệ thu nhận chitin và chitosan ...................... 28 1.7.2. Các nghiên cứu về thu hồi protein và enzyme protease................................... 30 v 1.7.3. Tình hình sản xuất chitin, chitosan .................................................................. 31 1.8. TỐI ƯU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẶT ĐÁP ỨNG ........................................ 32 1.9. PEPSIN VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG .......................................................... 33 1.9.1. Đặc điểm và cơ chế hoạt động của pepsin ....................................................... 33 1.9.2. Nguồn thu nhận Pepsin .................................................................................... 34 1.9.3. Tiềm năng ứng dụng của pepsin ...................................................................... 35 1.10. NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC ENZYME .......................................................... 36 1.10.1. Xu hướng hiện đại trong nghiên cứu động học enzyme ............................... 36 1.10.2. Động học quá trình thủy phân protein .......................................................... 37 1.11. ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG THU HỒI SẢN PHẨM HỮU ÍCH ........................................................................................................................ .... .37 1.11.1. Sóng siêu âm và cơ chế tác động .................................................................. 37 1.11.2. Tác dụng của sóng siêu âm đến hoạt động của enzyme ............................... 39 1.11.3. Ứng dụng sóng siêu âm trong quá trình thu hồi chitin - chitosan................. 39 CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU & PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............. 43 2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU ........................................................................................ 43 2.1.1. Nguyên liệu tôm thẻ chân trắng (Panaeus vannamei) ..................................... 43 2.1.2. Pepsin ............................................................................................................... 43 2.1.3. Hóa chất ........................................................................................................... 43 2.1.4. Thiết bị tạo sóng siêu âm ................................................................................. 44 2.2. BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM ....................................................................................... 44 2.2.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm......................................................................... 44 2.2.2. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát ............................................................................. 44 2.2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm chi tiết ........................................................................ 46 2.3. PHƯƠNG PHÁP THU THẬP THÔNG TIN, DỮ LIỆU................................... 65 2.3.1. Xác định thành phần khối lượng của nguyên liệu ........................................... 65 2.3.2. Xác định các thành phần hóa học cơ bản ......................................................... 65 2.3.3. Xác định thành phần acid amin và thành phần khoáng ................................... 65 2.3.4. Xác định hoạt độ enzyme ................................................................................. 65 2.3.5. Xác định khả năng chống oxy hóa của sản phẩm thủy phân protein ............... 66 2.3.6. Xác định tính chất của chitin và chitosan ........................................................ 66 2.3.7. Xác định các thông số động học ...................................................................... 68 2.3.8. Xác định các hàm mục tiêu .............................................................................. 68 2.4. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU................................................................... 69 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 71 3.1. THÀNH PHẦN CỦA ĐỐI TƯỢNG TÔM THẺ CHÂN TRẮNG .................... 71 vi 3.1.1. Thành phần khối lượng và hóa học cơ bản của đối tượng nghiên cứu.. .......... 71 3.1.2. Thành phần acid amin, khoáng và kim loại nặng của đối tượng nghiên cứu....72 3.2. THU HỒI CHITIN VÀ DỊCH PROTEIN CÓ HOẠT TÍNH SINH HỌC TỪ NGUYÊN LIỆU ĐẦU TÔM THẺ CHÂN TRẮNG ................................................. 75 3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian lưu giữ đến sự biến đổi của nguyên liệu còn lại...... 75 3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến khả năng hoạt động của hệ enzyme protease nội tại trên đầu tôm thẻ chân trắng tươi ......................................... 77 3.2.3. Nghiên cứu chế độ thu hồi protein và chitin từ đầu tôm thẻ chân trắng .......... 78 3.3. THU HỒI CHITIN VÀ DỊCH PROTEIN CÓ HOẠT TÍNH SINH HỌC TỪ VỎ TÔM THẺ CHÂN TRẮNG ....................................................................................... 85 3.3.1. Thiết lập chế độ xử lý với HCl ......................................................................... 85 3.3.2. Đánh giá khả năng sử dụng pepsin để kết hợp khử protein và khử khoáng .... 87 3.3.3. Tối ưu hóa quá trình khử protein bằng enzyme pepsin trên vỏ tôm thẻ chân trắng.................. ......................................................................................................... 91 3.3.4. Kết hợp sóng siêu âm để tăng cường hiệu quả khử protein và khoáng khi xử lý với pepsin ................................................................................................................... 95 3.4. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH KHỬ PROTEIN CỦA PEPSIN ........................... 106 3.4.1. Đặc điểm quá trình khử protein với xúc tác của pepsin ................................. 106 3.4.2. Xác định phương trình động học ................................................................... 109 3.5. NÂNG CAO HIỆU QUẢ DEACETYL TRONG ĐIỀU KIỆN DỊ THỂ ......... 113 3.5.1. Tác dụng hỗ trợ của công đoạn tiền xử lý ...................................................... 113 3.5.2. Đánh giá khả năng hỗ trợ quá trình deacetyl của sóng siêu âm ..................... 116 3.5.3. Động học quá trình deacetyl khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm.................... 120 3.5.4. Ảnh hưởng của nồng độ, nhiệt độ và thời gian đến độ deacetyl và độ hòa tan trong điều kiện deacetyl dị thể với sóng siêu âm ..................................................... 125 3.5.5. Tối ưu quá trình deacetyl ............................................................................... 127 3.6. ĐỀ XUẤT QUI TRÌNH THU NHẬN CHITIN, CHITOSAN, PROTEIN THEO CÔNG NGHỆ CẢI TIẾN VÀ ĐÁNH GIÁ LỢI ÍCH ............................................. 134 3.6.1. Qui trình thu nhận chitin, chitosan và protein theo công nghệ cải tiến đề xuất ... ..................................................................................................................... 134 3.6.2. Chất lượng của chitin và chitosan thu được theo qui trình đề xuất ............... 138 3.6.3. Đánh giá hiệu quả của các qui trình theo công nghệ đề xuất ......................... 140 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 145 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................. 147 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ..................................... 167 PHỤ LỤC ....................................................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Danh pháp của tôm thẻ chân trắng .............................................................. 5 Bảng 1.2: Tỷ lệ các thành phần còn lại sau chế biến của một số loài tôm có giá trị thương mại (% so với khối lượng tôm) ........................................................................ 9 Bảng 1.3: Thành phần hóa học của nguyên liệu còn lại từ một số loài tôm có giá trị thương mại (% theo trọng lượng chất khô) .................................................................. 9 Bảng 1.4: Giá bán tham khảo của chitin và các dẫn xuất của nó............................... 10 Bảng 2.1: Miền nghiên cứu thí nghiệm tối ưu quá trình xử lý với pepsin ................. 53 Bảng 2.2: Sự thay đổi nồng độ enzyme và cơ chất trong thí nghiệm nghiên cứu phương trình động học quá trình khử protein của pepsin. ......................................... 59 Bảng 2.3: Miền nghiên cứu thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của 3 nhân tố: nhiệt độ, thời gian và nồng độ NaOH khi deacetyl với sóng siêu âm ...................................... 62 Bảng 2.4: Miền nghiên cứu thí nghiệm tối ưu quá trình deacetyl với sóng siêu âm 37kHz (RMS=35W) ................................................................................................... 63 Bảng 3.1: Thành phần khối lượng của đối tượng tôm thẻ chân trắng (cỡ 60÷160 con/kg)........................................................................................................................ 71 Bảng 3.2: Thành phần hóa học cơ bản của đối tượng tôm thẻ chân trắng (cỡ 81÷120 con/kg)........................................................................................................................ 72 Bảng 3.3: Thành phần acid amin của đối tượng tôm thẻ chân trắng (cỡ 81÷120 con/kg) (g/100g amino acid) ...................................................................................... 73 Bảng 3.4: Hàm lượng acid amin của đối tượng tôm thẻ chân trắng (cỡ 81÷120 con/kg) (mg/100g nguyên liệu) ................................................................................. 73 Bảng 3.5: Thành phần khoáng và kim loại nặng trên đối tượng nghiên cứu (mg/kg) 74 Bảng 3.6: Ảnh hưởng của thời gian lưu giữ ở nhiệt độ phòng (27÷30oC) đến màu sắc và mùi của phần đầu và vỏ tôm thẻ chân trắng .......................................................... 76 Bảng 3.7: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến khả năng hoạt động của hệ enzyme nội tại trên đầu tôm thẻ chân trắng tươi ............................................ 78 Bảng 3.8: Kết quả thực nghiệm theo mô hình Box-Behnken với miền nghiên cứu ở Bảng 2.1 ..................................................................................................................... 92 Bảng 3.9: Hiệu quả khử protein của pepsin theo phương trình hồi qui và theo thực nghiệm ........................................................................................................................ 94 Bảng 3.10: Kết quả đánh giá khả năng thu hồi protein từ dịch thủy phân với pepsin .................................................................................................................................. 103 Bảng 3.11: Hằng số vận tốc quá trình loại protein khi xử lý với pepsin và NaOH . 108 Bảng 3.12: Giá trị hệ số động học a và b tương ứng với các điều kiện xử lý pepsin .................................................................................................................................. 110 Bảng 3.13: Độ rắn của chitin sau khi được tiền xử lý và mẫu đối chứng ................ 115 viii Bảng 3.14: Kết quả phân tích ANOVA ảnh hưởng của nồng độ NaOH và cách thức deacetyl đến độ deacetyl .......................................................................................... 117 Bảng 3.15: Kết quả phân tích ANOVA ảnh hưởng của nồng độ NaOH và cách thức deacetyl đến độ hòa tan ............................................................................................ 117 Bảng 3.16: Vận tốc deacetyl (%/phút) (x102)a ......................................................... 122 Bảng 3.17: Hệ số vận tốc deacetyl (phút-1) (x103)a .................................................. 123 Bảng 3.18: Kết quả thực nghiệm theo mô hình Two-Level Factor với miền nghiên cứu ở Bảng 2.3 ......................................................................................................... 125 Bảng 3.19: Kết quả phân tích thống kê ảnh hưởng của các nhân tố đến độ deacetyl 2 theo biến mã hóa (p=0,05) ....................................................................................... 126 Bảng 3.20: Kết quả phân tích thống kê ảnh hưởng của các nhân tố đến độ hòa tan 3 theo biến mã hóa (p=0,05) ....................................................................................... 126 Bảng 3.21: Kết quả thực nghiệm theo mô hình Central Composite với miền nghiên cứu ở Bảng 2.4 ......................................................................................................... 128 Bảng 3.22: Giá trị các hệ số hồi qui của hàm mục tiêu độ deacetyl 4 và độ hòa tan 5 theo biến mã (p=0,05) ......................................................................................... 128 Bảng 3.23: Kết quả kiểm định thống kê phương trình hồi qui (3-13) và (3-14) (p=0,05) .................................................................................................................... 129 Bảng 3.24: Độ deacetyl và độ hòa tan theo phương trình hồi qui và thực nghiệm . 129 Bảng 3.25: Ảnh hưởng của chế độ deacetyl đến phân tử lượng trung bình độ nhớt của chitosan (Mv, kDa) ................................................................................................... 131 Bảng 3.26: Chất lượng chitin sản xuất theo qui trình đề xuất ................................. 138 Bảng 3.27: Chất lượng chitosan thu được khi deacetyl với sóng siêu âm ở 80oC với [NaOH]=60% trong 4h (sử dụng chitin thu hồi từ phần vỏ theo qui trình đề xuất) 139 Bảng 3.28: So sánh một số thông số của qui trình đề xuất với qui trình thực tế (ước tính cho 1000kg nguyên liệu ban đầu/mẻ) ............................................................... 141 Bảng 3.29: Ước tính lợi ích đạt được khi áp dụng công nghệ kết hợp để thu nhận chitin, chitosan và protein so với qui trình thực tế [9] (với 1000 kg nguyên liệu ban đầu/mẻ) ..................................................................................................................... 143 ix DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Thống kê diện tích và sản lượng nuôi tôm thẻ chân trắng ở nước ta giai đoạn 2005-2012 ............................................................................................................ 6 Hình 1.2: Thống kê khối lượng và giá trị các sản phẩm xuất khẩu từ tôm thẻ chân trắng của Việt Nam trong giai đoạn 2002-2012........................................................... 7 Hình 1.3: Thống kê sản lượng tôm nuôi ở tỉnh Khánh Hòa giai đoạn 2002-2011 ...... 8 Hình 1.4: Cấu trúc hóa học của chitin........................................................................ 12 Hình 1.5: Mô hình cấu trúc vỏ động vật giáp xác ...................................................... 13 Hình 1.6: Cấu trúc hóa học của chitosan ................................................................... 20 Hình 2.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát .............................................................. 45 Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến khả năng hoạt động của hệ enzyme protease nội tại trên đầu tôm thẻ chân trắng tươi ............. 48 Hình 2.3: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu chế độ thu hồi chitin và dịch protein có hoạt tính chống oxy hóa từ nguyên liệu đầu tôm thẻ chân trắng ....................................... 50 Hình 2.4: Sơ đồ thí nghiệm đánh giá khả năng khử protein và khoáng của pepsin .. 52 Hình 2.5: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu khả năng kết hợp sóng siêu âm để nâng cao hiệu quả xử lý với pepsin ........................................................................................... 55 Hình 2.6: Sơ đồ nghiên cứu hoàn thiện công nghệ đề xuất và đặc trưng tính chất sản phẩm chitin thu được.................................................................................................. 56 Hình 2.7: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu động học quá trình khử protein với pepsin. 58 Hình 2.8: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của công đoạn tiền xử lý đến quá trình deacetyl .............................................................................................................. 60 Hình 2.9: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình deacetyl. ..................................................................................................................... 61 Hình 2.10: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu động học quá trình deacetyl với sóng siêu âm ............................................................................................................................... 62 Hình 2.11: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu tối ưu quá trình deacetyl có kết hợp với sóng siêu âm ............................................................................................................... 63 Hình 3.1: Ảnh hưởng của thời gian lưu giữ ở nhiệt độ phòng (27÷30oC) đến sự hao hụt khối lượng, hao hụt protein và hàm lượng bazơ nitơ bay hơi của phần đầu tôm thẻ chân trắng ............................................................................................................. 76 Hình 3.2: Ảnh hưởng của thời gian và lượng nước bổ sung đến hiệu suất thu hồi nitơ và sản phẩm có hoạt tính chống oxy hóa khi thực hiện quá trình tự thủy phân đầu tôm ở 60oC, pH tự nhiên. ........................................................................................... 79 Hình 3.3: Ảnh hưởng của thời gian và lượng nước bổ sung đến hàm lượng protein còn lại trên phần vỏ đầu và hiệu quả khử protein khi thực hiện quá trình tự thủy phân đầu tôm ở 60oC, pH tự nhiên. .................................................................................... 80 x Hình 3.4: Ảnh hưởng của thời gian và tỷ lệ nước bổ sung đến hàm lượng khoáng còn lại trên phần vỏ đầu và hiệu quả khử khoáng khi thực hiện quá trình tự thủy phân ở 60oC, pH tự nhiên. ...................................................................................................... 81 Hình 3.5: Ảnh hưởng của thời gian và tỷ lệ nước bổ sung đến khả năng khử gốc tự do DPPH (A) và tổng năng lực khử (B) của dịch thủy phân ..................................... 82 Hình 3.6: Sự thay đổi hàm lượng khoáng và hiệu quả khử khoáng khi xử lý vỏ tôm với HCl 0,25M theo thời gian ở nhiệt độ phòng (27÷30oC) ...................................... 85 Hình 3.7: Ảnh hưởng của nồng độ pepsin đến hiệu quả khử protein và khử khoáng 87 Hình 3.8: Ảnh chụp SEM vỏ tôm trước (A) và sau khi xử lý với dung dịch HCl 0,25M trong 2h (B) .................................................................................................... 89 Hình 3.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng khử khoáng và protein trong quá trình xử lý với pepsin. ................................................................................................ 90 Hình 3.10: Sự thay đổi hiệu quả khử khoáng và hiệu quả khử protein của pepsin theo thời gian xử lý ............................................................................................................ 91 Hình 3.11: Đồ thị không gian 3D và 2D biểu diễn hàm mục tiêu - hiệu quả khử protein theo các biến khảo sát. ................................................................................... 93 Hình 3.12: Ảnh hưởng của thời gian chiếu sóng siêu âm (37kHz, 35W) đến hoạt độ của pepsin. .................................................................................................................. 96 Hình 3.13: Ảnh hưởng của thời gian chiếu sóng siêu âm đến hàm lượng khoáng (A) và hàm lượng protein (B) trên vỏ tôm (đã xử lý với HCl 0,25M) ............................. 97 Hình 3.14: Ảnh chụp SEM (10kV) vỏ tôm - (A): sau khi xử lý 2h với ddHCl 0,25M ở nhiệt độ phòng; (B): tiếp tục ngâm nước nóng ở 40oC trong 90 phút; và (C):chiếu sóng siêu âm trong vòng 90 phút ở 40oC. .................................................................. 98 Hình 3.15: Ảnh hưởng của cách thức sử dụng sóng siêu âm và thời gian đến hàm lượng protein còn lại trên vỏ tôm khi xử lý với pepsin (20U/g protein, 40oC, pH=2) .................................................................................................................................... 99 Hình 3.16: Ảnh hưởng của cách thức sử dụng sóng siêu âm đến hàm lượng khoáng còn lại trên vỏ tôm khi xử lý với pepsin (20U/g protein, 40oC, pH=2) ................... 101 Hình 3.17: Ảnh hưởng của công đoạn tiền xử lý pepsin với sóng siêu âm đến khả năng loại protein trên vỏ tôm (20U/g protein, 40oC, pH=2). ................................... 102 Hình 3.18: Phổ nhiễu xạ tia X của chitin thu được theo qui trình sử dụng pepsin kết hợp với HCl và NaOH ............................................................................................. 104 Hình 3.19: Phổ FT-IR của chitin thu được theo qui trình sử dụng pepsin kết hợp với HCl và NaOH ........................................................................................................... 104 Hình 3.20: Phổ H1NMR của chitin thu được theo qui trình sử dụng pepsin kết hợp với HCl và NaOH ..................................................................................................... 105 Hình 3.21: Sự thay đổi lượng protein trên vỏ tôm theo thời gian xử lý với pepsin ở điều kiện nhiệt độ 40oC, pH2, nồng độ enzym 0,42g/L ........................................... 106 xi Hình 3.22: Sự thay đổi giá trị logarith của tỷ số (P/Po) theo thời gian xử lý với pepsin ở điều kiện nhiệt độ 40oC, pH2, nồng độ enzym 0.42g/L........................................ 107 Hình 3.23: Ảnh hưởng của nồng độ pepsin và thời gian đến hiệu quả khử protein trong điều kiện So=18g protein/L, ở 40oC và pH=2. ................................................ 109 Hình 3.24: Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất So và thời gian đến hiệu quả khử protein khi eo= 0,25g/L (175U/L), ở 40oC và pH=2. ........................................................... 110 Hình 3.25: Quan hệ hồi qui giữa hệ số a với tỷ lệ enzyme so với cơ chất (eo/So) ... 111 Hình 3.26: Ảnh hưởng của tỷ lệ enzyme:cơ chất (eo/So) và thời gian đến hiệu quả khử protein ở nhiệt độ 40oC và pH=2. ............................................................................ 112 Hình 3.27: Ảnh hưởng của cách thức tiền xử lý đến khả năng deacetyl. ................ 114 Hình 3.28: Ảnh chụp SEM (10kV) mẫu chitin đã được xử lý trong 60 phút ở 60oC với nước nóng (A) và chiếu siêu âm (B). ................................................................. 114 Hình 3.29: Phổ nhiễu xạ tia X của chitin được tiền xử lý và mẫu đối chứng .......... 115 Hình 3.30: Ảnh hưởng của nồng độ NaOH và phương thức deacetyl đến độ deacetyl và độ hòa tan của mẫu sau 6h xử lý ở 80oC ............................................................. 118 Hình 3.31: Phổ nhiễu xạ tia X của chitosan được deacetyl trong điều kiện có (A) và không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm (B) với [NaOH]=60% ở 80oC, 4h................. 119 Hình 3.32: Phổ FT-IR của chitosan được deacetyl với [NaOH]=60% (w/w) ở 80oC trong 4h trong điều kiện có (đường màu đỏ) và không có sự kết hợp với sóng siêu âm (đường màu đen). ..................................................................................................... 120 Hình 3.33: Sự thay đổi của độ deacetyl theo thời gian deacetyl trong điều kiện có và không có siêu âm với các nồng độ NaOH (w/w) khác nhau ................................... 121 Hình 3.34: Mối quan hệ giữa giá trị logarith của độ deacetyl với thời gian khi thay đổi nồng độ NaOH (w/w) trong điều kiện có và không có sự kết hợp với sóng siêu âm ............................................................................................................................. 123 Hình 3.35: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và nồng độ NaOH đến hàm mục tiêu độ deacetyl......................................................................................... 127 Hình 3.36: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và nồng độ NaOH đến độ hòa tan ................................................................................................................. 127 Hình 3.37: Đường đẳng trị của hàm mục tiêu độ deactetyl và độ hòa tan............... 130 Hình 3.38: Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian đến phân tử lượng trung bình độ nhớt của chitosan được deacetyl với sự hỗ trợ của sóng siêu âm. ........................... 132 Hình 3.39: Qui trình thu nhận chitin và protein từ phần đầu tôm thẻ chân trắng đề xuất ........................................................................................................................... 135 Hình 3.40: Qui trình thu nhận chitin và protein từ phần vỏ tôm thẻ chân trắng đề xuất .................................................................................................................................. 136 Hình 3.41: Qui trình xác định chế độ deacetyl và sản xuất chitosan đề xuất .......... 137 1 PHẦN MỞ ĐẦU Việt Nam là một trong những nước xuất khẩu tôm hàng đầu trên thế giới với hai đối tượng nuôi chính là tôm sú và tôm thẻ chân trắng, tổng khối lượng sản phẩm tôm sú và tôm thẻ năm 2012 đã đạt trên 480 ngàn tấn, trong đó lượng tôm thẻ chân trắng đạt trên 130 ngàn tấn và có xu hướng gia tăng [102]. Song song với các sản phẩm xuất khẩu chính, một lượng đáng kể đầu và vỏ tôm cũng được tạo ra từ các qui trình sản xuất, ước tính lên đến 200 ngàn tấn mỗi năm [20]. Trên đầu và vỏ tôm có chứa một lượng đáng kể protein, chitin, protease và astaxanthin. Do đó, việc xử lý kịp thời và hiệu quả lượng đầu và vỏ tôm không những sẽ góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh và hiệu quả sử dụng tài nguyên thông qua việc thu hồi các hợp chất có hoạt tính sinh học [27]. Với lượng lớn đầu và vỏ tôm tạo ra từ ngành công nghiệp chế biến tôm, Việt Nam có đủ nguồn nguyên liệu để hình thành ngành công nghiệp sản xuất chitin và các dẫn xuất của nó tuy nhiên trên thực tế lĩnh vực này ở nước ta hiện còn nhiều hạn chế: qui mô sản xuất nhỏ lẻ, chủng loại sản phẩm không đa dạng, chất lượng thấp, khả năng ứng dụng và thương mại hóa sản phẩm kém, không cho phép thu hồi đồng thời protein và các hợp chất có giá trị sinh học khác nên hiệu quả kinh tế không cao và đặc biệt là gây ô nhiễm môi trường rất nghiêm trọng [9], [20]. Do vậy, để có thể khai thác hiệu quả nguồn nguyên liệu còn lại dồi dào từ quá trình chế biến tôm ở nước ta, đặc biệt là với tôm thẻ chân trắng - một đối tượng nuôi mới, đồng thời thúc đẩy sự hình thành và phát triển bền vững ngành công nghiệp sản xuất các sản phẩm có giá trị gia tăng từ nguồn nguyên liệu này cần có thêm các nghiên cứu chuyên sâu làm cơ sở cho việc cải tiến công nghệ thu hồi chitin, chitosan và cả protein. Công nghệ thu hồi chitin đang được áp dụng chủ yếu dựa vào phương pháp hóa học nhưng đến nay phương pháp này đã bộc lộ nhiều nhược điểm cần xử lý: ảnh hưởng sâu sắc đến các đặc tính sinh học quí giá của protein và sắc tố có trên nguyên liệu tôm, gây ảnh hưởng lớn đến mạch polysaccaride của chitin và thải ra một lượng lớn hóa chất và chất thải [95], [98]. Phương pháp thu hồi chitin bằng công nghệ sinh học hạn chế được ô nhiễm môi trường, cho phép thu hồi đồng thời 2 các hợp chất sinh học khác, giữ được đặc tính của mạch polysaccarite nhưng lại chưa đáp ứng được yêu cầu về mặt hiệu quả kinh tế do chi phí lớn, thời gian kéo dài và mức độ tách tạp chất không triệt để [27], [120], [164]. Kết hợp phương pháp sinh học và phương pháp hóa học đang là hướng đi được quan tâm do hạn chế được lượng hóa chất sử dụng và cho phép thu hồi đồng thời các hợp chất có hoạt tính sinh học khác, mà chủ yếu là protein, bên cạnh chitin. Tuy nhiên để có thể áp dụng phương pháp này vào thực tiễn vẫn cần có thêm các giải pháp công nghệ bổ sung để rút ngắn thời gian và tiết giảm chi phí chung đồng thời thu thập các thông tin động học để kiểm soát quá trình [151]. Xu thế mới trong cải tiến công nghệ hiện nay là chú trọng khai thác và áp dụng tác nhân vật lý để hỗ trợ quá trình hóa học và sinh học, trong đó sóng siêu âm đang đặc biệt được quan tâm. Sóng siêu âm là một tác nhân vật lý "xanh" đã được chứng minh hiệu quả và triển khai ở qui mô công nghiệp trong nhiều lĩnh vực như chế biến thực phẩm, công nghiệp hóa học, công nghiệp dệt [40], [42], [52], [140]. Do đó nghiên cứu kết hợp xử lý sóng siêu âm trong quá trình sản xuất chitin, chitosan có thể mở ra một hướng đi mới, giúp cải tiến hiệu quả công nghệ thu hồi chitin, chitosan hiện có. Luận án " Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin-chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm" được thực hiện với mục đích nghiên cứu kết hợp phương pháp enzyme, phương pháp hóa học với phương pháp vật lý để đề xuất một hướng đi mới cho phép cải tiến công nghệ sản xuất chitin, chitosan ở Việt Nam. Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu của luận án là tối ưu hóa các công đoạn chính trong quá trình thu nhận chitin, chitosan bằng công nghệ kết hợp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm lượng hóa chất sử dụng, tận dụng được nguồn protein có giá trị sinh học và hạn chế ô nhiễm môi trường. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu trong luận án là nguyên liệu còn lại (phần đầu và phần vỏ thân) của quá trình chế biến tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) xuất khẩu, có kích cỡ trung bình khoảng từ 81÷120 con/kg, 3 được thu mua ngay sau khi chúng được đưa ra khỏi dây chuyền chế biến tôm ở công ty Cổ phần Nha Trang Seafoods (F17), đảm bảo độ tươi, có mùi và màu sắc đặc trưng. Phạm vi nghiên cứu: Quá trình thu nhận chitin, chitosan bao gồm nhiều công đoạn trong đó các công đoạn khử protein, khử khoáng và deacetyl là 3 công đoạn quan trọng nhất, có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và hiệu quả của quá trình. Vì vậy, luận án sẽ tập trung nghiên cứu cải tiến 03 công đoạn này nhằm cải thiện chất lượng của sản phẩm và nâng cao hiệu quả về mặt môi trường. Nội dung nghiên cứu: Các nội dung chính trong luận án bao gồm: - Xác định thành phần (thành phần khối lượng, thành phần hóa học, thành phần khoáng và thành phần acid amin) của đối tượng tôm thẻ chân trắng, - Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ thu nhận chitin và protein từ phần đầu và vỏ tôm thẻ chân trắng, - Nghiên cứu động học quá trình khử protein trên vỏ tôm thẻ chân trắng bằng pepsin, - Nghiên cứu tối ưu hóa và động học quá trình deacetyl chitin, thu hồi từ đối tượng tôm thẻ chân trắng, trong điều kiện dị thể với sự hỗ trợ của sóng siêu âm, - Đề xuất qui trình thu nhận chitin, chitosan và protein sử dụng công nghệ cải tiến (kết hợp phương pháp enzyme, phương pháp hóa học và phương pháp vật lý) cho phép nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả của quá trình. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính mới của đề tài Luận án đã công bố dẫn liệu về thành phần khối lượng và thành phần hóa học của đối tượng nguyên liệu tôm thẻ chân trắng được nuôi và chế biến ở khu vực Khánh Hòa, đồng thời đánh giá tác động của việc chậm xử lý đến sự biến đổi của đầu và vỏ tôm thẻ chân trắng. Kết quả thu được là căn cứ khoa học để các doanh nghiệp chế biến tôm và sản xuất chitin thực hiện các điều chỉnh cần thiết cho quá trình xử lý nguyên liệu còn lại, từ đó nâng cao được hiệu quả sử dụng tài nguyên, hạn chế được các tác động xấu đến môi trường. 4 Lần đầu tiên việc nghiên cứu động học quá trình khử protein dưới xúc tác của enzyme protease (pepsin) cũng được thực hiện. Kết quả nghiên cứu động học thu được giúp hiểu rõ hơn đặc điểm cấu trúc của vỏ tôm, bản chất quá trình khử protein bằng enzyme pepsin đồng thời cung cấp mô hình toán hỗ trợ cho việc mở rộng qui mô áp dụng cũng như kiểm soát, điều chỉnh quá trình khử protein bằng enzyme. Các kết quả nghiên cứu tối ưu hóa và động học quá trình deacetyl trong điều kiện dị thể có kết hợp với sóng siêu âm lần đầu tiên được công bố giúp hiểu rõ hơn tác dụng của hỗ trợ quá trình deacetyl của sóng siêu âm, đồng thời cung cấp các căn cứ khoa học để mở rộng phạm vi áp dụng sóng siêu âm vào lĩnh vực sản xuất chitin, chitosan. Việc áp dụng công nghệ kết hợp (Integrated) giữa phương pháp sinh học, hóa học và vật lý vào quá trình thu hồi chitin, chitosan và protein cũng lần đầu tiên được đề cập trong luận án. Các qui trình được đề xuất sẽ mở ra một hướng đi mới trong việc cải tiến công nghệ thu hồi chitin, chitosan hiện có: cho phép nâng cao chất lượng sản phẩm, thu hồi protein có hoạt tính sinh học, đồng thời tiết giảm đáng kể lượng hóa chất sử dụng và chất thải. Việc khai thác và sử dụng các thiết bị, phương pháp nghiên cứu hiện đại cùng với các phần mềm chuyên dụng cho phép giải thích và chứng minh các kết quả nghiên cứu của luận án một cách khoa học. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và những ai quan tâm đến công nghệ sản xuất các sản phẩm kỹ thuật và y dược từ nguồn nguyên liệu vỏ động vật giáp xác. 5 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. TÔM THẺ CHÂN TRẮNG VÀ TÌNH HÌNH CHẾ BIẾN Ở VIỆT NAM Tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei, tên gọi trước đây là Penaeus vannamei) là một dạng của tôm panđan của vùng đông Thái Bình Dương. Mặc dù tôm thẻ chân trắng có nguồn gốc tự nhiên nhưng hiện giờ tôm nuôi là nguồn nguyên liệu được sử dụng chủ yếu để sản xuất các sản phẩm tôm xuất khẩu. Danh pháp phân loại của tôm thẻ chân trắng được trình bày ở Bảng 1.1. Bảng 1.1: Danh pháp của tôm thẻ chân trắng Giới: Animalia Ngành: Arthropoda Phân ngành: Crustacea Lớp: Malacostraca Bộ: Decapoda Phân bộ: Dendrobranchiata Họ: Penaeidae Chi: Litopenaeus Loài: L. vannamei Danh pháp hai phần: Litopenaeus vannamei (Boone, 1931) Danh pháp đồng nghĩa: Penaeus vannamei (Boone, 1931) Tôm thẻ chân trắng được nuôi đầu tiên ở châu Mỹ La Tinh và sau đó được di giống đến rất nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Giá đầu tư thấp, mùa vụ nuôi ngắn (khoảng từ 120 đến 180 ngày), có khả năng thích ứng tốt trong điều kiện nuôi với độ muối rộng, cho năng suất cao, ít bị cảm nhiễm bệnh tật hơn tôm sú, kích cỡ tôm lại phù hợp với nhu cầu tiêu thụ của thế giới và giá cả ổn định là những điều kiện để tôm chân trắng chiếm được vị trí ưu tiên trong nuôi trồng thuỷ sản tại các nước, cũng như ở Việt Nam. Ở nước ta, tôm thẻ chân trắng được nuôi ở hầu khắp các tỉnh trong cả nước với vụ nuôi chính chủ yếu từ tháng 2 đến tháng 10 hàng năm. Diện tích và sản lượng tôm thẻ chân trắng liên tục tăng (Hình 1.1), dự kiến đạt 449.500 tấn vào năm 2015 [12]. 6 50 200 DiÖn tÝch S¶n l­îng 180 160 140 30 120 100 20 80 S¶n l­îng (tÊn) DiÖn tÝch (ha) 40 60 10 40 0 20 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 N¨m Hình 1.1: Thống kê diện tích và sản lượng nuôi tôm thẻ chân trắng ở nước ta giai đoạn 2005-2012 [12]. So với tôm sú, tôm thẻ chân trắng ngày càng có vị trí quan trọng trong cơ cấu sản xuất và xuất khẩu các mặt hàng tôm. Năm 2010 xuất khẩu tôm đạt trên 2 tỷ USD chiếm hơn 1/3 tổng kim ngạch xuất khẩu trong đó tôm thẻ chân trắng chiếm 26% giá trị xuất khẩu đến năm 2011 xuất khẩu tôm đã đạt 2,39 tỷ USD với 704 triệu USD chiếm 29,3% từ tôm thẻ chân trắng, tăng 70% so với năm 2010 [102]. Đến năm 2013, giá trị xuất khẩu các sản phẩm từ tôm thẻ chân trắng đã chiếm trên 50% trong gần 4 tỷ tổng giá trị xuất khẩu các sản phẩm từ tôm. Tỷ lệ tôm thẻ chân trắng có xu hướng tăng dần trong cơ cấu chung bởi loại tôm này có năng suất cao, chất lượng tốt, kích cỡ và giá cả phù hợp với nhu cầu tiêu dùng hiện nay ở nhiều nước trên thế giới. Số liệu thống kê của FAO trong giai đoạn 2002-2012 ở Hình 1.2 cho thấy khối lượng và giá trị xuất khẩu tôm thẻ chân trắng luôn duy trì ở mức trên 100 ngàn tấn sản phẩm với giá trị xuất khẩu trên 500 triệu USD mỗi năm ngoại trừ năm 2008 và 2009. Các dạng sản phẩm chế biến từ tôm thẻ chân trắng chủ yếu gồm tôm nguyên con (HOSO); tôm còn vỏ bỏ đầu (HLSO); tôm lột vỏ, lấy (PD hoặc PND) hoặc không lấy chỉ (PUD); tôm lột vỏ, chừa đuôi (PTO); tôm duỗi NOBASHI; tôm 7 SUSHI và tôm bao bột. Các sản phẩm trên có thể ở dạng tươi hoặc hấp và cơ cấu sản phẩm có xu hướng nghiêng về các sản phẩm tôm đã qua chế biến [21]. 800 Khèi l­îng Gi¸ trÞ 700 150 600 500 100 400 300 50 200 Gi¸ trÞ xuÊt khÈu (1000xUSD) Khèi l­îng xuÊt khÈu (1000xtÊn) 200 100 0 0 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 N¨m Hình 1.2: Thống kê khối lượng và giá trị các sản phẩm xuất khẩu từ tôm thẻ chân trắng của Việt Nam trong giai đoạn 2002-2012 (Nguồn FAO, [86]) Sản lượng các sản phẩm chế biến từ tôm thẻ chân trắng tăng nhanh kéo theo nguồn nguyên liệu còn lại từ quá trình sản xuất các sản phẩm này cũng tăng nhanh chóng, đòi hỏi phải được xử lý để tận thu các sản phẩm hữu ích và kiểm soát ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, vì là một đối tượng nguyên liệu mới, chỉ được chấp nhận cho nuôi đại trà với diện tích lớn từ năm 2008, nên số lượng các nghiên cứu liên quan đến việc thu hồi các sản phẩm hữu ích từ nguồn nguyên liệu còn lại của quá trình chế biến đối tượng tôm này ở nước ta còn khá khiêm tốn so với đối tượng tôm sú. Trong các tỉnh ở khu vực Nam Trung Bộ, Khánh Hòa là một tỉnh có tiềm năng về nuôi trồng và chế biến các nguyên liệu thủy sản. Số liệu thống kê ở Hình 1.3 cho thấy sản lượng tôm nuôi trong giai đoạn 2002-2011 tại Khánh Hòa luôn đạt và vượt mức 7000 tấn/năm trong đó chủ yếu là tôm thẻ chân trắng. Trong số các doanh nghiệp chế biến thủy sản hiện có tại Khánh Hòa, Công ty Cổ phần Thủy sản
- Xem thêm -