Bài giảng Xử lý nước và chất thải trong chế biến thủy sản: Chương 7 - TS. Nguyễn Phúc Cẩm Tú

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:60

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Xử lý nước và chất thải trong chế biến thủy sản" Chương 7 - Chitin/chitosan và Collagen/gelatin, tập trung vào việc sản xuất và ứng dụng của chitin, chitosan, collagen và gelatin từ phụ phẩm thủy sản. Nội dung trình bày quy trình chiết xuất, tính chất, ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm, cùng với những lợi ích về môi trường từ việc tái sử dụng các phụ phẩm này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Xử lý nước và chất thải trong chế biến thủy sản: Chương 7 - TS. Nguyễn Phúc Cẩm Tú

Chương 7 Chitin/chitosan và Collagen/gelatin Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
GIỚI THIỆU • Lượng vỏ giáp xác thải bỏ hàng năm trên thế giới ước tính khoảng 1000 triệu tấn • Hai loài tôm nuôi chính ở Việt Nam là tôm sú (270.000 tấn) và thẻ chân trắng (80.000 tấn) • Đầu và vỏ tôm chiếm 30-40% trọng lượng toàn thân → hàng năm tạo ra 200.000 tấn phụ phẩm → sấy xay sản xuất bột tôm → chitin, protein, carotenoid và khoáng (CaCO3) Nutraceuticals hay Functional foods Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
Thành phần hóa học của phụ phẩm tôm ở Việt Nam (tính trên chất khô) (Trung & Stevens, 2013) Loài tôm Sú Thẻ chân trắng Đầu Vỏ Đầu Vỏ Chitin (%) 11,5 – 12,4 28,8 – 30,9 10,8 – 11,7 27,7 – 29,8 Protein (%) 52,2 – 54,4 22,6 – 25,5 52,8 – 55,6 22,8 – 26,2 Khoáng (%) 21,3 – 23,6 29,3 – 32,5 21,4 – 22,5 28,9 – 31,8 Carotenoid 163,6 – 178,9 88,3 – 99,6 144,3 – 159,3 79,8 – 83,6 (mg/kg) • Để sản xuất 12 kg chitosan phẩm chất tốt (độ khử acetyl khoảng 60 – 80%) cần 200 kg phế phẩm tôm • Chi phí sản xuất 15 – 20 USD/kg chitosan, nhưng giá bán 200 USD/kg Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
CHITIN • Chitin (C8H13O5N)n là một polisaccharid mạch thẳng có chứa N-acetylglucosamin, có mặt trong thiên nhiên nhiều nhất Chitin chỉ sau cellulose • Có trong vỏ các loài giáp xác, răng mực, vỏ côn trùng, màng tế bào nấm thuộc họ Zygemycetes, trong sinh khối nấm mốc và một vài loại tảo... Cellulose (http://en.wikipedia.org/wiki/) Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
• Nó có thể xem như là dẫn xuất của cellulose, trong đó nhóm (-OH) ở nguyên tử C2 được thay thế bằng nhóm axetyl amino (-NHCOCH3) • Chitin là một polymer gồm nhiều đơn phân N-acetyl glucosamine (dẫn xuất của glucose) • Chitin gồm 3 cấu trúc đặc trưng là: α, β và γ. - Trong tự nhiên, α-chitin là phổ biến nhất, nó có mặt trong vỏ tôm cua, thành tế bào nấm. α-chitin bền và khó phân tách hơn β-chitin - β-chitin hiện diện trong các loài tảo khuê, mai mực Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
• Chitin thường xuất hiện dưới dạng phức chitin- protein, với hàm lượng protein trong khoảng 30-70% → để ứng dụng trong y sinh học phải loại bỏ hoàn toàn protein này • Các phức này được vôi hóa với hàm lượng khoáng chiếm 75% trong vỏ các loài giáp xác • Chitin tự nhiên chứa 82,5% acetyl glucosamine, 12,5 glucosamine và 5% nước Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
➢ Sản xuất chitosan từ chitin • Phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu → tính chất lý hóa và chức năng của chitosan sẽ khác nhau (mực: β-chitin; giáp xác: α-chitin) • Chitosan được trích từ chitin theo hai phương pháp hóa học hoặc enzyme → tính chất lý hóa và chức năng của chitosan sẽ khác nhau 1) Trích chitin bằng phương pháp hóa học Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
Vỏ giáp Rửa và Nghiền mịn xác tươi sấy và rây Loại Vỏ đã loại Khử Rửa protein protein khoáng Trích với Tẩy Rửa Sấy aceton trắng Khử Rửa và Rửa và nhóm Chitosan sấy sấy acetyl Sản xuất chitin/chitosan bằng phương pháp hóa học Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
• Loại bỏ protein (deproteination): - Qui mô công nghiệp: NaOH 5N và nhiệt độ thường (≥100oC): rút ngắn thời gian → khử trùng hợp (depolymerization) và loại nhóm acetyl - Qui mô nhỏ (thí nghiệm): NaOH 4% (1N) trong 24 giờ ở nhiệt độ thường (30oC) (Trung and Stevens, 2013) - Để ngăn chặn sự ôxy hóa sản phẩm dùng khí nitơ hoặc natri borohydride (NaBH4) - Lọc protein thủy phân (hương vị) → sấy khô và dùng như một dạng protein bổ sung trong thức ăn chăn nuôi Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
• Khử khoáng (demineralization): - Phần cặn rắn sau khi khử protein được xử lý bằng HCl 4% (tỷ lệ rắn/lỏng = 1/5 w/v) để chuyển hóa CaCO3 không tan thành CaCl2 hòa tan → rửa - Nếu xử lý protein và khoáng tốt → sản phẩm còn lại chủ yếu là chitin, chỉ chứa một ít protein (phản ứng Biuret) và Ca (nung) - Sản phẩm chitin phải có màu trắng, nó không tan trong kiềm, hầu hết axít và dung môi hữu cơ → phải được khử nhóm acetyl để tạo thành chitosan Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
• Khử nhóm acetyl (deacetylation): - Phản ứng khử các nhóm acetyl cần môi trường kiềm mạnh NaOH 50% (vỏ : NaOH, 1:10, w/v) trong 30 phút ở 100oC trong không khí hoặc 121oC với áp suất 115 psi (No and Meyers,1995) - Để đạt được mức độ khử nhóm acetyl cao, cần phải tiến hành lặp lại quá trình xử lý kiềm vài lần → chitin được khử 70 – 90% acetyl (chitosan acetyl hóa 30 – 10%): sản phẩm có chất lượng tốt (có hàm lượng protein và tro thấp) Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
- Chitosan có thể tan trong axít acetic 1-2% và độ nhớt cao của dung dịch này chứng tỏ chitosan đã được sản xuất thành công - Sản phẩm chitosan tốt có hàm lượng tro thấp (< 1%), hòa tan tốt trong môi trường axít acetic tạo ra dung dịch có độ trong cao (> 90% độ truyền sáng) và độ nhớt ít nhất là 300 centipoise • Dùng dung môi (ethanol 95%, acetone,…) để loại lipid và sắc tố • Dùng peroxide hoặc chlorine để tẩy trắng Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
- Trang Sĩ Trung và cs (2013): chitin của vỏ tôm được xử lý bằng NaOH 50% ở 65oC trong 24h  chitosan Đặc tính Giá trị Màu Trắng Tro (%) 0,95  0,2 Protein (%) 0,93  0,1 Tỷ trọng (g/mL) 0,51  0,01 Khả năng liên kết nước (%) 484  30 Độ nhớt (cps) 1440  70 Độ khử acetyl (%) 83  0,5 Độ tan (%) 99,2  0,2 Độ đục (NTU) 18,3  0,8 Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
2) Trích chitin bằng phương pháp sinh học • Xử lý khử protein và khoáng bằng hóa học làm giảm độ nhớt của chitosan • Ngoài ra, làm biến tính protein và thải ra môi trường một lượng lớn hóa chất • Để giải quyết vấn đề này → dùng men protease hoặc vi khuẩn lên men lactic → khử được protein và khoáng, nhưng không gây ra sự khử trùng hợp chuỗi chitin, cũng như vi sinh vật không tạo ra nhiều men chitinaz • Giúp giảm lượng hóa chất dùng → thân thiện với môi trường Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
• Một nhược điểm là không loại bỏ hoàn toàn protein → xử lý thêm bằng một lượng nhỏ kiềm → tạo ra sản phẩm sạch • Có thể cải thiện đáng kể hiệu quả xử lý bằng cách kết hợp men protease và vi khuẩn Lactobacillus → khử được 90% protein • Có thể kết hợp men protease (papain, pepsin và trypsin) với vôi để khử protein từ vỏ tôm và tạo ra carotenoprotein Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
Qui trình mới xử lý phụ phẩm tôm: kết hợp khử protein bằng sinh học và làm tinh sạch bằng hóa học → chitin • Bột phụ phẩm tôm xay nhuyễn được khử protein bằng các loại men protease thương mại (Flavourzyme/Alcalase) với tỷ lệ men/phụ phẩm = 0,2%, v/w) trong 8 giờ • Phụ phẩm được khử protein một phần được tiếp tục xử lý bằng NaOH loãng (2%, w/v) trong 12 giờ với tỷ lệ phụ phẩm/NaOH = 1/5 (w/v) ở nhiệt độ phòng để khử lượng protein còn lại Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
• Khử khoáng bằng cách ngâm trong dung dịch HCl 4% trong 12 giờ với tỷ lệ phụ phẩm/HCl = 1/5 (w/v) ở nhiệt độ phòng → thu được chitin có đặc tính sau: - Màu trắng hồng - Hàm lượng protein/tro < 1% - Mức độ acetyl hóa cao  đây là loại chitin có phẩm chất cao dùng để sản xuất chitosan và glucosamine Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
Chất lượng chitin được trích từ phụ phẩm tôm bằng phương pháp kết hợp Đặc tính Giá trị Màu trắng hồng Tro (%) 0,98 ± 0,2 Protein (%) 0,99 ± 0,1 Độ khử acetyl hóa 6,1 ± 0,1 (Trung & Stevens, 2013) Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
Khử các nhóm acetyl bằng men: dùng một loại men của nấm (chitin deacetylase, CDA) • CDA được tách chiết từ nấm Absidia coerulea • Mặc dù, hoạt độ men cao khi lượng cơ chất chitin nhiều, nhưng chỉ có một phần nhỏ được chuyển hóa → sự kết tinh cao của chất tự nhiên → chỉ có các nhóm acetyl nằm phía ngoài các hạt chitin tiếp xúc được với men  trong sản xuất qui mô lớn, chitin phải được khử sự kết tinh (axít mạnh) để các nhóm acetyl tiếp xúc với men Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản
Shrimp/Crab by-products TS Nguyễn Phúc Cẩm Tú - Khoa Thủy sản