Tài liệu Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sản xuất chitin từ vỏ tôm thẻ chân trắng với sự kết hợp của alkalase – pepsinvà hcl

  • Số trang: 66 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 146 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 27125 tài liệu

Mô tả:

i MỤC LỤC Trang MỤC LỤC....................................................................................................................i LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................1 PHẦN 1: TỔNG QUAN .............................................................................................3 1.1. TỔNG QUAN VỀ CHITIN........................................................................................... 3 1.1.1. Cấu trúc và tính chất của chitin.........................................................................3 1.1.2. Ứng dụng của chitin – chitosan.........................................................................4 1.2. TỔNG QUAN VỀ PHẾ LIỆU TÔM ........................................................................... 6 1.2.1. Tỷ lệ thu hồi phế liệu tôm .................................................................................6 1.2.2. Cấu tạo và thành phần sinh hóa của vỏ tôm .....................................................7 1.2.3.Thành phần sinh hoá của vỏ tôm .......................................................................8 1.3. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN .......................................................................... 9 1.3.1. Giới thiệu công nghệ sản xuất chitin.................................................................9 1.3.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin trên thế giới và ở Việt Nam.................11 1.3.2.1. Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học.............................................. 12 1.3.2.2. Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học cải tiến ............................ 15 1.3.2.3. Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp sử dụng enzyme ............................ 21 1.4. Tổng quan về enzyme protease ................................................................................... 23 1.4.1. Phân loại protease ...........................................................................................23 1.4.2 Nguồn thu nhận enzyme protease ...................................................................24 1.4.3. Một số loại protese thường dùng.....................................................................25 PHẦN 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...............26 2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU ..................................................................... 26 2.1.1. Nguyên liệu vỏ tôm.........................................................................................26 2.1.2. Enzyme Protease .............................................................................................26 2.1.3. Hóa chất ..........................................................................................................26 2.2.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................... 26 2.2.1.Phương pháp thu nhận mẫu..............................................................................26 ii 2.2.2. Bố trí thí nghiệm .............................................................................................26 2.2.2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát .................................................................................... 26 2.2.2.2. Bố trí thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của xử lý nhiệt nguyên liệu trước khi thủy phân ................................................................................................................... 28 2.2.2.3. Thí nghiệm xác định chế độ khử protein tối ưu bằng enzyme Alcalase ........ 28 2.2.2.4. Thí nghiệm xác định chế độ khử protein tối ưu bằng enzyme Pepsin ............ 29 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÓA HỌC .................................................. 32 2.3.1 Xác định hàm lượng ẩm bằng phương pháp sấy ở nhiệt độ 105oC theo TCVN 3700-1990......................................................................................................32 2.3.2. Xác định hàm lượng khoáng bằng phương pháp nung ở 600oC .....................32 2.3.3. Xác định hàm lượng protein theo phương pháp của Hein và cộng sự năm 2004..... 32 2.3.4. Xác định hiệu quả khử protein ........................................................................33 2.3.5. Phương pháp xử lý số liệu:..............................................................................33 PHẦN 3: kẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................................34 3.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý nhiệt nguyên liệu trước thủy phân .... 34 3.2.Kết quả nghiên cứu công đoạn khử protein bằng enzyme Alcalase ..................... 35 3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố đến công đoạn khử protein bằng enzyme Pepsin..........................................................................................................................40 3.4.Kết quả nghiên cứu tối ưu công đoạn khử protein bằng enzyme Pepsin và HCl ........ 44 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾn ........................................................................51 Một số đề xuất cần tiếp tục nghiên cứu:............................................................................ 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................52 PHỤ LỤC..................................................................................................................54 iii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu tạo của Chitin ..................................................................................................... 4 Hình 1.2. Quy trình của Stevens (2002) Học Viện Công Nghệ Châu Á ..................12 Hình 1.3. Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm hùm của Hackman…………… Hình 1.4. Quy trình nhiệt của Yamashaki và Nakamichi (Nhật Bản) ......................14 Hình 1.5. Quy trình sản xuất của Pháp .....................................................................15 Hình 1.6. Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy Sản .......................16 Hình 1.7. Quy trình sản xuất Chitosan ở Trung tâm cao phân tử thuộc Viện khoa học Việt Nam ............................................................................................................17 Hình 1.8. Quy trình sản xuất Chitosan từ vỏ tôm Sú bằng phương pháp hóa học với một công đoạn xử lý kiềm.........................................................................................18 Hình 1.9. Quy trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thủy sản. ............................20 Hình 1.10. Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto (2006). .......................21 Hình 1.11. Quy trình sử dụng Enzyme papain để sản xuất chitosan .......................22 Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát..............................................................27 Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt lên nguyên liệu trước thủy phân .........................................................................................................28 Hình 3.1: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý nhiệt nguyên liệu trước thủy phân ....34 Hình 3.2.a. Mô hình biểu diễn phân phối chuẩn .......................................................48 Hình 3.2.b. Mô hình biểu diễn phân phối chuẩn………...........................................49 Hình 3.3. Đồ thị 3D biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt và thời gian tới hiệu quả khử protein .......55 Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của các yếu tố..................................42 Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn sự tương tác giữa nhiệt độ và nồng độ ảnh hưởng đến hiệu quả khử protein..................................................................................................43 Hình 3.6: Mô hình biểu diễn phân phối chuẩn..........................................................48 Hình 3.7: Đồ thị 3D biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt và nồng độ tới hiệu quả khử protein .50 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Một số chỉ tiêu chất lượng của chitosan từ vỏ tôm sú theo phương pháp xử lý kiềm một giai đoạn ..........................................................................................19 Bảng 2.1: Ma trận thí nghiệm tối ưu quá trình khử protein lần 1 với Alcalase ........29 Bảng 2.2. Ma trận thí nghiệm nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân Pepsin ...............................................................................................................30 Bảng 2.3: Ma trận thí nghiệm dự kiến ......................................................................32 Bảng 3.1 . Kết quả hàm lượng protein còn lại ở các chế độ khử protein bằng enzyme Alcalase.......................................................................................................35 Bảng 3.2. Lựa chọn hàm cho mô hình ......................................................................36 Bảng 3.3. Kết quả phân tích ANOVA ......................................................................36 Bảng 3.4. Kết quả phân tích các chỉ số thống kê ......................................................37 Bảng 3.5: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố đến công đoạn khử protein bằng enzyme Pepsin......................................................................................41 Bảng 3.6: Kết quả đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố ................................42 Bảng 3.7: Kết quả hàm lượng protein còn lại ở các chế độ khử protein bằng enzyme Pepsin - HCl ..............................................................................................................44 Bảng 3.8. Lựa chọn hàm cho mô hình ......................................................................45 Bảng 3.9: Kết quả phân tích Anova .........................................................................45 Bảng 3.10: Kết quả phân tích các chỉ số thống kê mô hình 2FI ...............................46 1 LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Giáp xác là nguồn nguyên liệu thủy sản dồi dào chiếm 1/3 tổng sản lượng nguyên liệu thủy sản ở Việt Nam. Trong công nghiệp chế biến thủy sản xuất khẩu, tỷ lệ cơ cấu các mặt hàng đông lạnh từ 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 khoảng 70.000 tấn/năm. [1] Nguồn phế liệu này là nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp sản xuất chitin, chitosan, glucosamine và các sản phẩm khác. Do vậy việc nghiên cứu và phát triển sản xuất các sản phẩm từ vỏ tôm là rất cần thiết nhằm nâng cao giá trị sử dụng phế liệu này và làm sạch môi trường. Theo điều tra ban đầu thì công nghệ sản xuất chitin – chitosan trong nước hiện nay chủ yếu theo phương pháp hóa học với việc sử dụng hóa chất có nồng độ cao, thời gian xử lý dài, không những ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, mà còn gây ô nhiễm môi trường, khó khăn cho quá trình xử lý nước thải, đồng thời tốn chi phí cao... Vì vậy, là xu thế mới hiện nay ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất chitin, thay thế hóa chất bằng enzyme để giảm tối đa lượng hoá chất sử dụng, giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao chất lượng sản phẩm. Ở Việt Nam trong những năm qua đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng enzyme protease vào công đoạn khử protein của quy trình sản xuất chitin-chitosan. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu cho thấy khi sử dụng đơn lẻ một loại enzyme protease thì hiệu quả khử protein không cao, lượng enzyme sử dụng nhiều và vẫn phải dùng kết hợp với hóa chất. Nếu kết hợp hai enzyme protease để khử protein có thể sẽ mang lại tác dụng tích cực hơn. Xuất phát từ thực tế trên, được sự đồng ý của Bộ môn Công nghệ Chế biếnKhoa Chế biến -Trường Đại học Nha Trang, dưới sự hướng dẫn của cô Thạc sĩ Ngô Thị Hoài Dương, đề tài: “Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sản xuất Chitin từ vỏ tôm thẻ chân trắng với sự kết hợp của Alkalase – Pepsin và HCl”đã được thực hiện. 2 2. Mục đích của đề tài Đề xuất quy trình sản xuất chitin từ vỏ tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) với sự kết hợp của enzyme Alkalnase, enzyme Pepsin và HCl. 3. Tính khoa học và thực tiễn của đề tài Thành công của đề tài sẽ được áp dụng tại các cở sở sản xuất chitin với mục đích tận dụng triệt để nguồn protein từ phế liệu tôm, hạn chế sử dụng hóa chất nhằm giảm ô nhiễm môi trường, tạo ra sản phẩm có chất lượng cao và ứng dụng rộng rãi…Đề tài cũng là nguồn tài liệu hữu ích phục vụ cho công tác nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này. 4. Nội dung của đề tài - Tổng quan về công nghệ sản xuất chitin – chitosan. - Nghiên cứu ảnh hưởng của việc xử lý nhiệt sơ bộ nguyên liệu đến khả năng khử protein của Enzyme Alcalase. - Nghiên cứu quy trình sản xuất sản xuất chitin với sự kết hợp của Alcalase – Pepsin và HCl. - Đề xuất quy trình. - Sơ bộ đánh giá chất lượng sản phẩm thu được. 3 PHẦN 1: TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ CHITIN 1.1.1. Cấu trúc và tính chất của chitin a. Sự tồn tại của Chitin trong tự nhiên Chitin là một polysacharit tồn tại trong tự nhiên với sản lượng rất lớn (đứng thứ hai sau xellulose). Trong tự nhiên chitin tồn tại trong cả động vật và thực vật. Trong động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng của các vỏ một số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn. Trong động vật bậc cao monome của chitin là một thành phần chủ yếu trong mô da nó giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da. Trong thực vật chitin có ở thành tế bào nấm họ zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo...[2]. Chitin là polysacharit có đạm không độc, có khối lượng phân tử lớn. Cấu trúc của chitin là tập hợp các monosacharit (N-acetyl- β-D-glucosamine) liên kết với nhau bởi các cầu nối glucozit và hình thành một mạng lưới các sợi có tổ chức. Hơn nữa chitin tồn tại rất hiếm ở trạng thái tự do và hầu như luôn luôn nối bởi các cầu nối dặng trị (coralente) với các protein, CaCO3 và các hợp chất hữu cơ khác.[3] Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin chiếm khá cao dao động từ 14 – 35% so với trọng lượng khô. Vì vậy, tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin – chitosan.[3] b. Cấu trúc của chitin Chitin là một polysaccharide mạch thẳng, nó có cấu trúc tuyến tính gồm các đơn vị N-acetyl-glucosamine nối với nhau nhờ cầu β-1,4glucoside. Công thức phân tử: (C8H13O5N)n Phân tử lượng : M = (203,19)n Trong đó n phụ thuộc vào nguồn gốc nguyên liệu: Đối với tôm hùm : n = 700÷800 Đối với cua : n = 500÷600 Đối với tôm thẻ: n = 400÷500 4 Công thức cấu tạo của chitin được trình bày ở hình 1.1 Hình 1.1. Cấu tạo của Chitin c. Tính chất của chitin Chitin có màu trắng, không tan trong nước, trong kiềm, trong acid loãng và các dung môi hữu cơ khác như ete, rượu. Chitin hòa tan được trong dung dịch đậm đặc, nóng của muối thyoxyanat liti (LiSCN) và muối thyoxyanat canxi (Ca(SCN)2) tạo thành dung dịch keo, tan được trong hệ dimetylacetamid - LiCl 8%[4], tan trong hexafluoro –isopropul alcohol (CF3CHOHCF3) và hexafluoracetone sesquihydrate (CF3COCF3.H2O)[15]. Chitin ổn định với chất oxy hóa như KMnO4, nước javen, NaClO,…người ta lợi dụng tính chất này để khử màu cho chitin [3]. Chitin có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại ở bước sóng 884÷890 µm. Chitin là một polysaccharide nguồn gốc tự nhiên, có hoạt tính sinh học cao, có tính hòa hợp sinh học và tự phân hủy trên da. Chitin bị enzyme lysozyme, một loại enzyme chỉ có ở cơ thể người, phân giải thành mono N-acetyl-D-glucosamine. Khi đun nóng chitin trong dung dịch NaOH đặc (40-50%), ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan. Khi đun nóng chitin trong acid HCl đặc thì chitin sẽ bị thủy phân tạo thành Glucosamine và acid acetic. 1.1.2. Ứng dụng của chitin – chitosan a. Trong y học, mỹ phẩm[3][6] Dùng làm phụ gia trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm: 5 Tá dược độn, tá dược chính, viên nang mềm, nang cứng…làm chất mang sinh học để gắn thuốc, tạo ra thuốc polymer tác dụng kéo dài, làm hoạt chất chính để chữa bệnh như: Thuốc điều trị liền vết thương, vết phỏng, vết mổ vô trùng, thuốc bổ dưỡng cơ thể: Hạ lipid và cholesterol máu, thuốc chữa bệnh đau dạ dày, tiểu đường, xưng khớp, viêm khớp, chống đông tụ máu, kháng nấm, kháng khuẩn, điều trị suy giảm miễn dịch, có khả năng hạn chế sự phát triển của tế bào u, tế bào ung thư và chống HIV. Dùng làm vật liệu y sinh: Da nhân tạo, màng sinh học, chất nền cho da nhân tạo, chỉ khâu phẫu thuật, mô cấy ghép… Trong mỹ phẩm chitosan được bổ sung vào kem chống khô da, kem lột mặt để tăng độ bám dính, tăng độ hòa hợp sinh học với da, chống tia cực tím… b. Trong công nghiệp thực phẩm[7] Chitosan được xem như một phụ gia tạo độ cứng, tạo keo, phân lớp và khử axit của trái cây và đồ uống, tăng cường mùi vị tự nhiên hoặc tạo màng để bao gói thực phẩm, hoa quả, rau tươi. c. Trong nông nghiệp[5], [3] Dùng bảo quản hạt giống, tăng cường khả năng nảy mầm của hạt, tác nhân chống nấm, chống vi khuẩn gây bệnh cho môi trường xung quanh. Ngoài ra, chitosan còn dùng làm chất kích thích sinh trưởng cây trồng, thuốc chống bệnh đạo ôn, khô vằn cho lúa. d. Ứng dụng trong sinh học Làm giá thể hoạt hóa cho công nghệ cố định enzyme và các tế bào vi sinh vật, làm chất mang sử dụng trong sắc ký chọn lọc, màng lọc sinh học, tổng hợp polymer sinh học. e. Ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác • Trong công nghiệp dệt Chitosan được dùng để hồ vải: cố định hình in hoa, ưu điểm có thể thay thế được hồ tinh bột bằng chitosan làm cho vải hoa, ti, sợi bền chịu được cọ xát, bề mặt đẹp, bền trong kiềm. 6 Làm vải chịu nước, không bắt lửa: Hòa tan chitosan trong dung dịch acid acetic loãng cùng với axetat nhôm và axit stearic thu được hỗn hợp. Hỗn hợp này đem sơn lên vải, khi khô tạo thành màng mỏng, chắc, bền, chịu nước và không bắt lửa. Vải này được sử dụng để sản xuất đồ bảo hộ lao động. Làm sợi Chitin: Ngâm chitosan trong dung dịch Na2SO4 bão hòa rồi đem kéo sợi, rửa trong nước ở nhiệt độ cao thu được giống sợi gai. Đem sợi này trộn với sợi cellulose tỷ lệ 30% thu được sợi Chitin-cellulose. Khả năng bắt màu thuốc nhuộm càng tăng khi ta tăng hệ sợi chitin. • Trong công nghiệp giấy Chitosan có tác dụng làm tăng độ bền của giấy, chỉ cần thêm trọng lượng bằng 1% trọng lượng của giấy thì sẽ làm tăng gấp đôi độ bền của giấy khi ẩm ướt, tăng độ nét khi in. Các loại giấy này dùng làm giấy vệ sinh, giấy in, túi giấy. • Trong ngành phim ảnh Phim chitosan có độ nhớt rất cao, không tan trong nước, acid. Độ cứng được cải thiện bằng cách tổng hợp đúc chitosan, rồi xử lý phim bằng dung dịch acid. • Ứng dụng trong mỹ phẩm Chitosan được sử dụng trong sản xuất kem chống khô da, do bản chất chitosan cố định dễ dàng trên biểu bì da bởi những nhóm NH4+ thường được các nhà khoa học gắn với những chất giữ nước hoặc những chất lọc tia cực tím. Vì vậy chitosan là gạch nối giữa hoạt chất của kem và da. 1.2. TỔNG QUAN VỀ PHẾ LIỆU TÔM 1.2.1. Tỷ lệ thu hồi phế liệu tôm Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tôm là rất dồi dào, được thu từ 2 nguồn chính là đánh bắt tự nhiên và nuôi trồng. Đặc biệt, nuôi tôm đã phát triển mạnh trong những năm gần đây và trở thành ngành kinh tế mũi nhọn. Diện tích nuôi tôm đã tăng từ 250.000 ha năm 2000 lên đến 478.000 ha năm 2001 và 540.000 ha năm 2003, năm 2012 diện tích nuôi tôm của nước ta xấp xỉ khoảng 640.000 ha. Năm 2002, giá trị xuất khẩu thuỷ sản đạt hơn 2 tỷ USD, trong đó xuất khẩu tôm đông lạnh xấp xỉ 0.95 tỷ USD, chiếm 47% tổng kim ngạch. Năm 2004, xuất 7 khẩu thuỷ sản đạt giá trị 2,4 tỷ USD, chiếm 8,9% tổng giá trị xuất khẩu cả nước trong đó tôm đông lạnh chiếm 53% tổng giá trị xuất khẩu thuỷ sản. Năm 2006 kim ngạch xuất khẩu thủy sản đã qua mốc 3 tỷ đạt 3,36 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. Tính đến hết năm 2011 xuất khẩu tôm của Việt Nam đã thu về gần 2,4 tỷ USD, trong đó, tôm sú đạt hơn 1,4 tỷ USD và tôm chân trắng đạt hơn 700 triệu USD. Phế liệu tôm (PLT) từ các cơ sở chế biến tôm bao gồm đầu, vỏ và đuôi tôm....Theo thống kê Trung tâm Nghiên cứu Chế biến Thủy sản, Đại học Thủy sản thì lượng phế liệu năm 2004 tại Việt Nam ước tính khoảng 45.000 tấn, năm 2005 ước tính khoảng 70.000 tấn. Hiện nay, khai thác lượng phế liệu này đang là vấn đề mà các cở sở chế biến tôm chú ý tới bên cạnh việc giảm phế liệu từ các khâu chế biến như một cách giúp tăng lợi nhuận cho chính các cơ sở đó. Tuỳ thuộc vào loài và phương pháp xử lý mà lượng phế liệu này nhiều hay ít. Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy tỷ lệ của phế liệu tôm chiếm từ 30-70% (Watkin và cộng sự, 1982; Evers và Carroll [16]) so với khối lượng tôm chưa chế biến. Halanda và Netto (2006) cho rằng phế liệu tôm có thể chiếm 50-70% so với nguyên liệu [17]. Đối với tôm thẻ, lượng phế liệu đầu tôm chiếm 28% và vỏ chiếm 9%, và tổng lượng phế liệu vỏ đầu tôm thẻ là 37% [3]. Như vậy, việc chế biến tôm nguyên liệu sẽ thải ra một lượng phế liệu rất lớn, cần nghiên cứu sử dụng phế liệu tôm để sản xuất các chế phẩm có giá trị trong đó quan trọng nhất là sản xuất chitin-chitosan. 1.2.2. Cấu tạo và thành phần sinh hóa của vỏ tôm [3] Lớp ngoài cùng của vỏ tôm có cấu trúc chitin-protein bao phủ, lớp vỏ này thường bị hóa cứng khắp bề mặt cơ thể do sự lắng đọng của muối canxi và các chất hữu cơ khác nằm dưới dạng phức tạp do sự tương tác giữa protein và các chất không hòa tan. Vỏ chia làm 4 lớp chính đó là lớp biểu bì, lớp màu, lớp canxi và lớp không bị canxi hóa. 8 - Lớp biểu bì, lớp màu, lớp canxi hóa cứng do sự lắng đọng của canxi. Lớp màu, lớp canxi hóa, lớp không bị canxi hóa chứa chitin nhưng lớp biểu bì thì không. - Lớp màu: Tính chất của lớp này do sự hiện diện của những thể hình hạt của vật chất mang màu giống dạng melanin. Chúng gồm những túi khí hoặc những không bào. Một vài vùng xuất hiện những hệ thống rãnh thẳng đứng có phân nhánh, là con đường cho caxi thẩm thấu vào. - Lớp biểu bì: những nghiên cứu cho thấy lớp màng nhanh chóng bị biến đỏ bởi Fucxin, có điểm pH = 5.1 không chứa chitin. Nó khác với các lớp vỏ còn lại, bắt màu xanh với anilin xanh. Lớp biểu bì có lipid vì vậy nó cản trở tác động của acid ở nhiệt độ thường hơn các lớp bên trong. Màu của lớp này thường vàng rất nhạt. - Lớp canxi hóa: Lớp này chiếm phần lớn lớp vỏ, thường có màu xanh trải đều khắp. - Lớp không bị canxi hóa: Vùng trong cùng của lớp vỏ được tạo bởi một phần tương đối nhỏ so với tổng chiều dày bao gồm các phức chitin – protein bền vững không có canxi và puinone. 1.2.3. Thành phần sinh hoá của vỏ tôm Protein: Thành phần protein trong phế liệu tôm thường tồn tại ở hai dạng Dạng tự do: Dạng này là phần thịt tôm từ một số tôm bị biến đổi được vứt lẫn vào phế liệu hoặc phần thịt còn sót lại trong đầu và nội tạng của đầu tôm. Nếu công nhân vặt đầu không đúng kỹ thuật thì phần protein bị tổn thất vào phế liệu nhiều làm tăng định mức tiêu hao nguyên vật liệu, mặt khác phế liệu khó xử lý hơn. Dạng phức tạp: Ở dạng này protein không hòa tan và thường liên kết với chitin, Canxi Carbonate, với lipid tạo lipoprotein, với sắc tố tạo proteincarotenoit…như một phần thống nhất quyết định tính bền vững của vỏ tôm. Chitin: Tồn tại dưới dạng liên kết bởi những liên kết đồng hóa trị với các protein dưới dạng phức hợp chitin-protein, liên kết với các hợp chất khoáng và các hợp chất hữu cơ khác gây khó khăn cho việc tách và chiết chúng. Canxi: Trong vỏ, đầu tôm, vỏ ghẹ có chứa một lượng lớn muối vô cơ, chủ yếu là muối CaCO3. 9 Sắc tố: Trong vỏ tôm thường có nhiều loại sắc tố nhưng chủ yếu là Astaxanthin. Ngoài thành phần chủ yếu kể trên, trong vỏ tôm còn có các thành phần khác như: nước, lipid, phospho… 1.3. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN 1.3.1. Giới thiệu công nghệ sản xuất chitin Chitin phân bố rộng rãi trong tự nhiên nhưng nó không được tìm thấy ở dạng tinh khiết. Chitin ở trạng thái tự nhiên thì liên kết với protein, lipid, sắc tố và canxi. Vì vậy, cần phải có công nghệ thu hồi và làm sạch chitin trước khi sử dụng cho bất kỳ mục đích thương mại nào. Phương pháp dùng để phân tách và tinh sạch chitin phải đảm bảo lấy đi khoáng và tận dụng được các hợp chất có giá trị khác. Cho đến nay đã có nhiều phương pháp được áp dụng cho việc thu hồi chitin từ vỏ giáp xác, chúng đều có chung đặc điểm là gồm hai bước công nghệ chính: khử khoáng và khử protein. Tuy nhiên tùy theo đặc điểm của nguyên liệu ban đầu, trình độ công nghệ và mục đích sử dụng, có thể sử dụng các tác nhân khác nhau để tiến hành khử khoáng và khử protein. Các tác nhân hay được sử dụng bao gồm: - Khử khoáng: Loại bỏ khoáng bằng acid hoặc là một tác nhân tạo phức. - Khử protein: Tách protein bằng kiềm hoặc một enzyme protease. Hai bước này có thể đổi vị trí cho nhau phụ thuộc vào phương pháp thu hồi protein, carotenoid và mục đích sử dụng chitin. Để thu hồi protein thì nên thực hiện bước khử protein trước. Khi đó, sản lượng protein và chất lượng là cao nhất . Sau quá trình khử khoáng và khử protein, sản phẩm chitin có thể được tẩy màu bằng acetone hoặc hydrogen peroxide. Bước này là không bắt buộc và phụ thuộc vào yêu cầu của sản phẩm cuối cùng. Dựa vào đặc điểm của tác nhân được sử dụng để khử khoáng và protein, công nghệ sản xuất chitin được chia thành hai phương pháp chính để sản xuất chitin: phương pháp hóa học và phương pháp sinh học. Phương pháp hóa học: 10 - Quá trình khử khoáng được thực hiện bằng việc sử dụng HCl hoặc acid hữu cơ khác hoặc kết hợp cả hai ở nhiệt độ phòng với cơ chế như sau: CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O Ca3(PO4)2 + 6HCl = 3CaCl2 + 2H3PO4 Các yếu tố ảnh hưởng tới công đoạn khử khoáng thông thường là:  Nồng độ acid: Nồng độ acid quá thấp sẽ không khử được hết khoáng dẫn đến sản phẩm còn nhiều tạp chất. Nồng độ quá cao sẽ gây đứt mạch chitin, giảm chất lượng sản phẩm.  Tỉ lệ acid/nguyên liệu: Nếu quá nhỏ thì sẽ không khử hết khoáng, nếu quá lớn sẽ ảnh hưởng xấu đối với mạch, tốn chi phí.  Nhiệt độ, thời gian xử lí: hai yếu tố này cũng rất quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Nếu thời gian xử lý dài và nhiệt độ cao thì sản phẩm bị nát sẽ rất khó xử lí sau này, đồng thời sẽ ảnh hưởng tới độ nhớt của sản phẩm sau này. Nếu nhiệt độ thấp và thời gian xử lí ngắn thì khoáng sẽ không bị loại triệt để. Thông thường khi tiến hành ở nhiệt độ cao thì thời gian phải ngắn nếu có điều kiện ta có thể xử lý ở nhiệt độ thấp thời gian dài thì chất lượng sẽ tốt hơn.[3] Trong quá trình khử protein người ta sử dụng hóa chất như NaOH, KOH, NA2CO3...tuy nhiên NaOH được sử dụng nhiều nhất. Dưới tác dụng của kiềm đặc và nhiệt độ, protein bị thủy phân mạnh mẽ tạo thành acid amin và peptid, tách ra khỏi vỏ tôm, đồng thời quá trình deacytel cũng xảy ra mạnh mẽ. Với việc sử dụng hóa chất nhiều sẽ cho hiệu quả khử protein cao nhưng chất lượng chitin không tốt, bên cạnh đó ảnh hưởng lớn đến môi trường.[3] Phương pháp sinh học: Trong phương pháp sinh học người ta không sử dụng hóa chất để khử khoáng và khử protein. Để khử khoáng có thể len men lactic hoặc ủ xilo, còn ở công đoạn khử protein có thể sử dụng hệ vi khuẩn, nấm men hoặc các enzyme để loại bỏ protein. - Việc sử dụng phương pháp sinh học cũng gặp phải rất nhiều khó khăn như giá thành sản phẩm có thể sẽ cao tuỳ thuộc vào loại enzyme sử dụng, hơn nữa thời gian của phương pháp này dài. Vì vậy, người ta có thể kết hợp hai phương 11 pháp này nhằm khắc phục những nhược điểm của từng phương pháp. Hiện nay, các phương pháp sản xuất chitin hiện có đang thải ra một lượng chất thải lớn và khó xử lý gây ô nhiễm môi trường, việc sử dụng quá nhiều hóa chất làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Chính vì vậy, cần thiết phải có các biện pháp thu gom và xử lý trước khi thải ra môi trường[17]. Ngược lại, trong phương pháp sinh học, enzyme được sử dụng thay hóa chất sẽ làm tăng chất lượng sản phẩm, protein sau quá trình thủy phân có thể được thu hồi làm bột dinh dưỡng, thức ăn cho gia súc, gia cầm...Cho nên sẽ tiết kiệm được chi phí cho việc xử lý nước thải nguồn. Tóm lại, muốn sản phẩm chitin có chất lượng tốt thì chúng ta phải áp dụng phương pháp xử lý phù hợp như việc sử dụng enzyme. 1.3.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin trên thế giới và ở Việt Nam Việc nghiên cứu về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất lý hóa ứng dụng của Chitin - Chitosan đã được công bố từ những năm 30 của thế kỷ XX. Những nước đã thành công trong lĩnh vực nghiên cứu sản xuất chitosan đó là: Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Pháp. Cho đến nay trên thế giới đã có nhiều quy trình sản xuất chitin-chitosan, với nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau nhưng chủ yếu là vỏ tôm, cua, ghẹ 12 1.3.2.1. Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học a. Quy trình của Steven Phế liệu tôm tươi Khử protein (NaOH 4%, t = 24 giờ) Cao hơn 1% Kiểm tra hàm lượng protein Khử khoáng (HCl 4%, t=24 giờ, to=30oC) Cao hơn 1% Kiểm tra hàm lượng khoáng Chitin Hình 1.2. Quy trình của Stevens (2002) Học Viện Công Nghệ Châu Á[3] 13 b. Quy trình sản xuất Chitosan từ vỏ tôm hùm của Hackman Vỏ tôm hùm Ngâm HCl Rửa trung tính,sấy khô, nghiền mịn Ngâm HCl Li tâm HCl 2M to phòng t = 5h w/v= HCl 2M to phòng t = 48h w/v = Rửa trung tính Ngâm NaOH Li tâm NaOH 1M to = 100oC t= 42h w/v = Rửa trung tính Ngâm NaOH Li tâm NaOH 1M To = 100oC T= 12h w/v = Rửa trung tính Rửa sạch bằng li tâm Làm khô Chitin dạng bột màu kem Hình 1.3. Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm hùm của Hackman[3] 14 Nhận xét: Quy trình này gồm nhiều công đoạn, thời gian sản xuất kéo dài 65 giờ nên chỉ có ý nghĩa trong công tác nghiên cứu thí nghiệm vì khi đưa ra sản xuất đại trà thì thiết bị cồng kềnh, tốn kém, hóa chất đắt tiền, dễ hao hụt khi sản xuất. c. Quy trình thủy nhiệt của Yamashaki và Nakamichi (Nhật Bản) Vỏ cua khô Khử chất vô cơ HCl 2M to=120oC t= 1h Rửa trung tính Sấy khô Khử protein và chitin NaOH 15M to= 150oC t = 1h Rửa trung tính Sấy khô Chitosan Hình 1.4. Quy trình nhiệt của Yamashaki và Nakamichi (Nhật Bản)[3] Nhận xét: Quy trình đã đơn giản hóa công đoạn, rút ngắn đáng kể thời gian sản xuất so với các quy trình khác. Hóa chất sử dụng ít (HCl và NaOH), chitosan thu được có độ tinh khiết cao. Tuy nhiên sản phẩm chitosan thu được có độ nhớt thấp do nhiệt độ xử lý ở các công đoạn khá cao. 15 1.3.2.2. Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học cải tiến a. Quy trình sản xuất của Pháp Vỏ tôm Hấp chín, phơi khô Xay nhỏ Tách protein NaOH 3,5% to = 65oC t = 2h w/v = 1/10 Rửa trung tính Ngâm HCl Ngâm aceton Ngâm NaOCl HCl 1N to phòng t = 2h w/v = 1/10 To phòng T = 30 phút w/v = 1/5 NaOCl 0,135% to phòng t = 6 phút w/v = 1/10 Rửa trung tính Deacetyl chitin Rửa trung tính Chitosan Hình 1.5. Quy trình sản xuất của Pháp[3] NaOH 40% to = 85oC t = 4h w/v = 1/4 16 Ưu điểm: Quy trình sản xuất này rút ngắn được thời gian sản xuất rất nhiều. Sản phẩm thu được rất sạch có màu trắng đẹp do đã khử được sắc tố triệt để. Nhược điểm: Do NaOCl là một chất oxy hóa mạnh nên ảnh hưởng đến mạch polymer làm cho độ nhớt của sản phẩm giảm một cách rõ rệt. Mặt khác, aceton rất đắt tiền, tổn thất nhiều, giá thành sản phẩm cao. Hiện nay ở Việt Nam cũng có nhiều cơ sở khoa học đang nghiên cứu sản xuất chitin - chitosan như: Trường Đại Học Nông Lâm - thành phố Hồ Chí Minh; Trung tâm nghiên cứu polyme - Viện Khoa Học Việt Nam; Viện Hoá thuộc phân Viện Khoa Học Việt Nam tại thành phố Hồ Chí Minh; Trung tâm công nghệ và sinh học Thuỷ sản - Viện nghiên cứu nuôi trồng Thuỷ sản 2. Năm 1978 trường Đại học Thủy sản bắt đầu nghiên cứu tách chiết Chitin-Chitosan do Đỗ Minh Phụng thực hiện: b. Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy Sản Vỏ tôm khô Ngâm HCl HCl 6N to phòng t = 48h w/v = 1/2,5 Rửa trung tính Ngâm NaOH NaOH 8% to = 100oC t = 2h w/v = 1/2,5 Rửa trung tính Tẩy màu Chitin Nấu trong NaOH Rửa trung tính NaOH 40% to = 80oC t = 24h w/v = 1/1 Chitosan Hình 1.6. Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy Sản[3]
- Xem thêm -