Luận văn Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sản xuất Chitin theo phương pháp sinh học kết hợp hóa học

Chia sẻ: DO HUU TRINH | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:95

Thêm vào BST

Báo xấu

418
lượt xem 100
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ở Việt Nam hiện nay chủ yếu sản xuất chitin-chitosan theo phương pháp hoá học có sử dụng các loại hoá chất với nồng độ cao, thời gian xử lý dài gây ảnh hưởng tới chất lượng chitin-chitosan và các chế phẩm khác được sản xuất từ phế liệu giáp xác. Vì vậy, việc nghiên cứu một quy trình kết hợp phương pháp hoá học với phương pháp sinh học đồng thời giảm tối đa lượng hoá chất sử dụng là rất cần thiết góp phần giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm....

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sản xuất Chitin theo phương pháp sinh học kết hợp hóa học

i LỜI CẢM ƠN Qua 2 tháng nỗ lực phấn cuối cùng với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô và bạn bè em đã hoàn tất đề tài này. Qua đây em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ: Nguyễn Duy Nhứt và cô giáo: Phan Thị Thương người đã tận tình truyền đạt những kiến thức trong quá trình thự tập và trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo những kinh nghiệm quý báu để em hoàn thành tốt đề tài. Em xin bày tỏ lòng biết ơn trân trọng nhất tới các thầy cô trong khoa công nghệ hoá phân tích đã nhiệt tình truyền đạt cho em những kiến thức trong những năm học vừa qua. Em xin bày tỏ lòng biết ơn đ ến các thầy, cô phụ trách phòng thí nghiệm hoá phân tích, cùng thầy cô bộ môn công nghệ hoá, bộ môn hoá phân tích và công nghệ thực phẩm, các anh chị và cô chú ở Viện nghiên cứư và ứng dụng công nghệ Nha Trang đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian thực tập. Chân thành cảm ơn các bạn sinh viên lớp CĐH 29, cùng các bạn sinh viên thực tập tại phòng thí nghiệm ở Viện đã nhiệt tình giúp đỡ động viên em. Cuối cùng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố, mẹ kính mến cùng anh chị em thân yêu. Những người đã ủng hộ nhiệt tình cả vật chất lẫn tinh thần trong quá trình học tập và thực hiện đề tài. Sinh viên Trần Thị Mỹ Châu
ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG.........................................................................................iii a.Khử lần 1: Dùng acid benzoic..............................................................................39
iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Một số chỉ tiêu chất lượng của chitosan từ vỏ tôm sú theo phương pháp xử lý kiềm một giai đoạn (Trần Thị Luyến, 2003)..................23 Bảng 2. Một số chỉ tiêu chất lượng của chitosan sản xuất theo quy trình Papain (Trần Thị Luyến, 2003)..............................................................27 Bảng 3.Bố trí thí nghiệm chạy đường chuẩn của phương pháp Microbiuret .......................................................................................................................34 Bảng 4. Bố trí thí nghiệm chạy đường chuẩn của phương pháp Biuret ......34 Bảng 5. Bố trí thí nghiệm theo qui hoạch thực nghiệm với biến ảo của công đoạn khử protein bằng enzyme Alcalase...............................................36 Bảng 6. Bố trí thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng enzyme Alcalase................................................................................36 Bảng 7. Bố trí thí nghiệm theo qui hoạch thực nghiệm với biến ảo của công đoạn khử protein bằng NaOH................................................................38 Bảng 8. Bố trí thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng NaOH.................................................................................................38 Bảng 9. Bố trí thí nghiệm theo qui hoạch thực nghiệm với biến ảo của công đoạn khử khoáng bằng C6H5COOH.....................................................39 Bảng 10. Bố trí thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử khoáng bằng C6H5COOH......................................................................................40 Bảng 11. Bố trí thí nghiệm theo qui hoạch thực nghiệm với biến ảo của công đoạn khử khoáng bằng HCl...........................................................41 Bảng 12. Bố trí thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử khoáng bằng HCl......................................................................................................41 Bảng 13. Thành phần hóa học của phế liệu tôm thẻ chân trắng (%)...........46 Bảng 14. Kết quả hàm lượng protein còn lại ở các chế độ khử protein bằng enzyme Alcalase................................................................................47 Bảng 15. Thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng enzyme Alcalase..........................................................................................47 Bảng 16. Kết quả hàm lượng protein các thí nghiệm tối ưu theo đường dốc nhất.......................................................................................................48
iv Bảng 17. Kết quả hàm lượng protein ở các chế độ khử protein bằng NaOH .......................................................................................................................49 Bảng 18. Thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng NaOH............................................................................................................50 Bảng 19. Kết quả hàm lượng protein các thí nghiệm tối ưu theo đường dốc nhất.......................................................................................................50 Bảng 20. Thành phần hóa học của phế liệu tôm thẻ Chân Trắng sau khi khử lý khử protein bằng enzyme Alcalase và NaOH ở điều kiên tối ưu..................................................................................................................53 Bảng 21. Kết quả hàm lượng khoáng còn lại trong phế liệu tôm ở các chế độ khử khoáng bằng C6H5COOH.........................................................53 Bảng 22. Thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử khoáng bằng C6H5COOH................................................................................................53 Bảng 23. Thành phần hóa học của phế liệu tôm thẻ Chân Trắng sau khi khử protein bằng enzyme Alcalase, NaOH và C6H5COOH ở điều kiên tối ưu...................................................................................................55 Bảng 24. Kết quả hàm lượng khoáng còn lại trong phế liệu tôm ở các chế độ khử khoáng bằng HCl.........................................................................55 Bảng 25. Thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử khoáng bằng HCl................................................................................................................56 Bảng 26. Kết quả đo OD330nm...............................................................................1 Bảng 27. Kết quả đo OD570nm...............................................................................1 Bảng 28. Bảng bố trí thí nghiệm............................................................................2 Bảng 29.Các thí nghiệm ở tâm phương án............................................................3 Bảng 30. Các thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng enzyme Alcalase............................................................................................3 Bảng 31.Các số liệu dùng để tính toán...................................................................4 Bảng 32. Kết quả thực nghiệm tối ưu hóa công đoạn thủy phân khử protein bằng enzyme ...................................................................................6 Bảng 33.Các thông số tối ưu.....................................................................................6 Bảng 34. Bảng bố trí thí nghiệm.............................................................................7 Bảng 35.Các thí nghiệm ở tâm phương án............................................................7
v Bảng 36.Các thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng NaOH..............................................................................................................8 Bảng 37. Các số liệu dùng để tính toán..................................................................9 Bảng 38.Kết quả thực nghiệm tối ưu hóa công đoạn khử protein bằng NaOH............................................................................................................10 Bảng 39.Các thông số tối ưu...................................................................................10 Bảng 40. Bảng bố trí thí nghiệm...........................................................................11 Bảng 41. Các thí nghiệm ở tâm phương án.........................................................12 Bảng 42. Các thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử khoáng bằng C6H5COOH................................................................................................12 Bảng 43.Các số liệu dùng để tính toán.................................................................13 Bảng 44. Kết quả thực nghiệm tối ưu hóa công đoạn khử khoáng bằng C6H5COOH ...............................................................................................14 Bảng 45. Các thông số tối ưu..................................................................................15 Bảng 46. Bảng bố trí thí nghiệm...........................................................................15 Bảng 47. Các thí nghiệm ở tâm phương án.........................................................16 Bảng 48. Các thí nghiệm ở tâm phương án của công đoạn khử protein bằng NaOH ...........................................................................................................16 Bảng 49. Các số liệu dùng để tính toán................................................................17 Bảng 50. Kết quả thực nghiệm tối ưu hóa công đoạn khử khoáng bằng HCl................................................................................................................18 Bảng 51. Các thông số tối ưu..................................................................................19
vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.Cấu tạo của Chitin........................................................................................4 Hình 2. Cấu tạo của Chitosan...................................................................................5 Hình 3.Quy trình của Stevens (2002) Học Viện Công Nghệ Châu Á..............15 Hình 4.Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm hùm của Hackman.................17 Hình 5.Quy trình nhiệt của Yamashaki và Nakamichi (Nhật Bản).................17 Hình 6.Quy trình sản xuất của Pháp.....................................................................18 Hình 7.Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy Sản...............20 Hình 8. Quy trình sản xuất Chitosan ở Trung tâm cao phân tử thuộc Viện khoa học Việt Nam....................................................................................21 Hình 9. Quy trình sản xuất Chitosan từ vỏ tôm Sú bằng phương pháp hóa học với một công đoạn xử lý kiềm (Trần Thị Luyến, 2003)...........22 Hình 10. Quy trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thủy sản...................24 Hình 11. Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto (2006).....................25 Hình 12. Quy trình sử dụng Enzyme papain để sản xuất chitosan.................26 Hình 13.Quy trình dự kiến sản xuất.....................................................................32 Hình 14.Quy trình sản xuất Chitin không dùng acid benzoic.(đối ch ứng).....33 Hình 15.Công thức của phức Biuret......................................................................42 Hình 16. Phương trình đường chuẩn của phương pháp Microbiuret...........45 Hình 17. Phương trình đường chuẩn của phương pháp Biuret......................46 Hình 18. Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa chế độ thủy phân bằng enzyme theo phương pháp đường “lên dốc” của BoxWillson........................49 Hình 19. Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa chế độ ngâm NaOH theo phương pháp đường “lên dốc” của BoxWillson................................................52 Hình 20. Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa chế độ ngâm C6H5COOH theo phương pháp đường “lên dốc” của BoxWillson................................55 Hình 21. Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa chế độ ngâm HCl theo phương pháp đường “lên dốc” của BoxWillson................................................57 Hình 22.Thiết bị ổn nhiệt Memmert.....................................................................19 Hình 23. Thiết bị đo Uvmini-1240..........................................................................19 Hình 24.Máy li tâm....................................................................................................20
vii Hình 25.Thiết bị Vortex...........................................................................................20 Hình 26.Sự bắt màu của dung dịch BSA sau khi cho thuốc thử Biuret..........20 Hình 27. Công thức cấu tạo của Sodium citrate..................................................21 Hình 28. Mono Sodium Citrate Anhydrous...........................................................21 Hình 29. Dung dịch protein và thuốc thử Biuret.................................................21 Hình 30. Thủy phân đầu tôm..................................................................................21 Hình 31. Đầu tôm đã được vô hoạt enzyme sau khi thủy phân(dùng nhiệt). 22 Hình 32. Phế liệu tôm sau khi thủy phân.............................................................22 Hình 33. Phế liệu tôm sau khi thủy phân bằng enzyme Alcalase và xử lý NaOH............................................................................................................22 Hình 34. Phế liệu tôm đã khử protein và khư khoáng lần 1 bằng C6H5COOH................................................................................................23 Hình 35. Phế liệu tôm(PLT) đã khử protein bằng enzyme(trái), PLT đã khử protein bằng enzyme và NaOH................................................................23 Hình 36. PLT đã khử protein bằng enzyme và NaOH(trái), PLT đã kh ử protein và khử khoáng bằng C6H5COOH............................................23
1 LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Ở Việt Nam hiện nay chủ yếu sản xuất chitin-chitosan theo phương pháp hoá học có sử dụng các loại hoá chất với nồng độ cao, thời gian xử lý dài gây ảnh hưởng tới chất lượng chitin-chitosan và các chế phẩm khác được sản xuất từ phế liệu giáp xác. Vì vậy, việc nghiên cứu một quy trình kết hợp phương pháp hoá học với phương pháp sinh học đồng thời giảm tối đa lượng hoá chất sử dụng là rất cần thiết góp phần giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, còn có rất nhiều hướng nghiên cứu sử dụng phế liệu giáp xác sản xuất các mặt hàng có giá trị khác như: Astaxanthin, thức ăn chăn nuôi, chiết rút chất mùi… nhưng công nghệ gây ô nhiễm nên không cho phép tận dụng các chất có hoạt tính khác. Do đó việc sử dụng nguồn phế liệu từ vỏ tôm đã được triển khai tại rất nhiều các khu vực trong nước. Việc tận dụng phế liệu vỏ tôm tập trung chủ y ếu vào sản xuất thức ăn cho gia súc, các sản phẩm Chitin-Chitosan, glucosamine, oligosaccharide… Tuy nhiên theo điều tra ban đầu thì trong công nghệ sản xuất Chitin-Chitosan trong nước hiện nay đều thực hiện chủ yếu theo phương pháp hóa học dẫn đến chất lượng chưa cao, hầu hết các cơ sở sản xuất Chitin-Chitosan chưa có một hệ thống xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn. Nguyên nhân chủ yếu là do hàm lượng chất lơ lửng, trong đó chủ yếu là các chất có nguồn gốc từ protein. Chúng có tính chất là rất khó lắng trong quá trình xử lí. Như vậy, nếu chúng ta có thể thu hồi protein sau quá trình thủy phân bằng enzyme Alcalase thì sẽ tận dụng được nguồn chất dinh dưỡng trong phế liệu đầu vỏ tôm để làm bột dinh dưỡng cho người, thức ăn cho gia súc, gia cầm, từ đó nâng cao nâng cao đ ược giá tr ị c ủa nguyên liệu, giảm tải cho quá trình xử lí nước thải, hạn chế sự ô nhiễm môi trường. Đồng thời việc sử dụng thủy phân bằng enzyme sẽ hạn chế việc sử dụng hóa chất, gây ô nhiễm môi trường. Trong thực tế hiện nay tại các cơ sở s ản xuất phải thu nhân nguyên liệu từ các khu vực xa, không tập trung và khối lượng không
2 lớn gây khó khăn về chi phí vận chuyển. Do vậy việc nghiên cứu ứng dụng chế độ thủy phân bằng enzyme góp phần kéo dài thời gian bảo quản nguyên liệu, giảm chi phí do phơi hoặc sấy khô nguyên liệu, giảm sự ô nhiễm môi trường do không vận chuyển tạm thời, đồng thời loại bỏ một phần các chất khoáng, protein. Xuất phát từ thực tế trên, được sự đồng ý của Bộ môn Công nghệ Chế biến-Khoa Chế biến-Trường Đại học Nha Trang, dưới sự hướng dẫn của cô Thạc sĩ Ngô Thị Hoài Dương, em đã thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sản xuất Chitin theo phương pháp sinh học kết hợp hóa học.” 2.Mục đích của đề tài: Xác định các điều kiện tối ưu để khử protein từ phế liệu tôm thẻ chân trắng (Penaeus vannamei) bằng enzyme Alcalase và NaOH, đồng thời xác định các điều kiện tối ưu để khử khoáng bằng acid benzoic kết hợp HCl nhằm giảm thiểu hóa chất sử dụng, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao chất lượng Chitin. 3. Tính khoa học và thực tiễn của đề tài: Thành công của đề tài sẽ được áp dụng tại các cơ sở sản xuất chitin với mục đích tận dụng nguồn protein từ đầu tôm, hạn chế sử dụng hóa chất nhằm giảm ô nhiễm môi trường và sản xuất ra chitin-chitosan có chất lượng cao và ứng dụng vào các lĩnh vực đặc biệt như ứng dụng trong y học, mỹ phẩm…. 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 sản xuất Chitin bằng phương pháp sinh học Tối ưu hóa quá trình khử protein bằng enzyme kết hợp với NaOH Tối ưu hóa quá trình khử khoáng có sử dụng acid benzoic - Đề xuất quy trình.
3 PHẦN 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHITIN-CHITOSAN. 1.1. TỔNG QUAN VỀ CHITIN-CHITOSAN 1.1.1. Sự tồn tại của Chitin-Chitosan trong tự nhiên Chitin và dẫn xuất của nó là Chitosan là những polysaccharide mạch thẳng, chúng phổ biến trong tự nhiên chỉ sau cellulose, Chitin tồn tại ở cả động vật và thực vật. Ở động vật thủy sản, Chitin tồn tại rất nhiều, đặc biệt là ở vỏ tôm, cua, ghẹ,… Vì vậy, chúng là nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất Chitin-Chitosan. Trong động vật: Chitin là thành phần cấu trúc quan trọng của vỏ bao của một số động vật không xương sống như côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác, giun tròn, Chitin được coi là chất tạo xương hữu cơ chính ở động vật không xương sống. Trong thực vật: Chitin có trong vách tế bào của nấm và một số loài tảo chlorophyceae. Chitin tồn tại trong tự nhiên ở dạng tinh thể. Nó có cấu trúc gồm nhiều phân tử được nối với nhau bằng cầu nối hydro và tạo thành một hệ thống dạng sợi ít nhiều có tổ chức. Trong tự nhiên rất ít gặp dạng tồn tại tự do của Chitin, nó liên kết dưới dạng phức hợp Chitin-protein,Chitin với các hợp chất hữu cơ,… khi tồn tại như thế Chitin có sự đề kháng đối với các chất thủy phân, hóa học và enzyme. Do đó nó gây khó khăn cho việc tách chiết và tinh chế. Tùy thuộc vào đặc tính của cơ thể và sự thay đổi từng giai đoạn sinh lý mà trong cùng một loài, người ta có thể thấy sự thay đổi về hàm lượng cũng như chất lượng của Chitin. Trong tự nhiên, Chitosan rất hiếm gặp, chỉ có trong vách ở một số lớp vi nấm (đặc biệt: zygomycetes, mucor,…) và ở vài loại côn trùng như ở thành bụng của mối chúa. Sự deacetyl bằng kiềm, Chitin tạo thành Chitosan và tan được trong dung dịch acid acetic loãng.
4 1.1.2. Cấu trúc và tính chất của Chitin-Chitosan 1.1.2.1 Cấu trúc của Chitin-chitosan Chitin-Chitosan là một polysaccharide nên có cấu trúc dạng chuỗi. Trong đó : Chitin : R : -NH-COCH3 Chitosan : R : -NH2 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 Công thức cấu tạo: Hình 1.Cấu tạo của Chitin. CHITOSAN: Chitosan là một polysaccharide mạch thẳng, gồm các phân tử D- 1,4glucosamine. Khi xử lý kiềm đặc từ Chitin ta thu được Chitosan. Công thức phân tử : (C6H11O4N)n Phân tử lượng: M= (161,07)n Công thức cấu tạo :
5 Hình 2. Cấu tạo của Chitosan. 1.1.2.2. Tính chất của Chitin-Chitosan 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. Chitin ổn định với chất oxy hóa như KMnO4, nước javen, NaClO, …người ta lợi dụng tính chất này để khử màu cho Chitin. Chitin có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại ở bước sóng 884÷890 cm. 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 men lysozyme, một loại men chỉ có ở cơ thể người, phân giải thành monome N-acetyl-D-glucosamine. Chitin kết tinh ở dạng vô định hình, khó hòa tan trong dung dịch amoniac (NH3), không hòa tan trong thuốc thử Schueizer-Sacrpamonia. Điều này có thể là do sự thay đổi nhóm hydroxy (-OH) tại vị trí C 2 bằng nhóm acetamic (NHCOCH3) đã ngăn cản sự tạo thành các phức hợp cần thiết. Khi nung nóng Chitin trong dung dịch NaOH đặc thì Chitin sẽ bị khử mất gốc acetyl tạo thành Chitosan. Khi đun nóng Chitin trong acid HCl đặc thì Chitin sẽ bị thủy phân tạo thành Glucosamine 85,5%, acid acetic 14,5%.
6 CHITOSAN: Đặc tính cơ bản của Chitosan: Chitisan có nguồn gốc thiên nhiên, không độc, dùng an toàn cho người trong thức ăn, thực phẩm, dược phẩm, có tính hòa hợp sinh học cao với cơ thể, có khả năng tự phân hủy sinh học, có nhiều tác dụng sinh học đa dạng: có khả năng hút nước, giữ ẩm, kháng nấm, kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau, kích thích tăng sinh tế bào ở người, đ ộng vật, th ực vật, có khả năng nuôi dưỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh dưỡng. Tính chất hóa học : Chitosan là chất rắn, xốp, nhẹ, màu trắng ngà, không mùi, không vị, hòa tan dễ dàng trong dung dịch acid loãng. Loại Chitosan có khối lượng trung bình thấp từ 100000÷400000 hay được dùng nhiều nhất trong y tế và trong thực phẩm. Tính chất sinh học: Chitosan có nhiều tác dụng sinh học đa dạng như : tính kháng nấm, tính kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau, kích thích sự phát triển tăng sinh của tế bào, có khả năng nuôi dưỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh dưỡng, tác dụng cầm máu, chống sưng u. Ngoài ra, Chitosan còn có tác dụng làm giảm cholesterol và lipid máu, làm to vi động mạch và hạ huyết áp, điều trị thận mãn tính, chống rối loạn nội tiết. Với khả năng thúc đẩy hoạt động của các peptid- insulin, kích thích việc tiết ra insulin ở tuyến tụy nên Chitosan được dùng để điều trị bệnh tiểu đường. Nhiều công trình đã công bố khả năng kháng đột biến, kích thích làm tăng cường hệ thống miễn dịch cơ thể, khôi phục bạch cầu, hạn chế sự phát triển của các tế bào u, ung thư, HIV/AISD, chống tia tử ngoại, chống ngứa,… của Chitosan. 1.1.3. Ứng dụng của Chitin-Chitosan:[2][5][10] 1.1.3.1. Trong y học và mỹ phẩm Dùng làm phụ gia trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm: Tá dược độn, tá dược chính, tá dược dẫn thuốc, màng bao phim, viên nang mềm, nang cứng…làm chất mang sinh học để gắn thuốc, tạo ra thuốc polymer tác dụng chậm kéo dài, làm hoạt chất chính để chữa bệnh như: Thuốc điều trị liền vết
7 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, viêm xương, loãng xương, 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… 1.1.3.2. Trong công nghiệp thực phẩm[3] 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. Tạo màng để bao gói thực phẩm, hoa quả, rau tươi. Là một polyme dùng an toàn cho người, lại có hoạt tính sinh học đa dạng, chitosan được coi là thành phần bổ dưỡng đưa vào thực phẩm, bánh kẹo, nước giải khát, thức ăn vật nuôi và thủy sản. Chitosan sử dụng để chống hiện tượng mất nước trong quá trình làm lạnh, làm đông thực phẩm. 1.1.3.3. Ứng dụng trong nông nghiệp[2][5] 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. 1.1.3.4. 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.
8 1.1.3.5. 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. 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 l ượng 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. GIỚI THIỆU VỀ PHẾ LIỆU TÔM VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN-CHITOSAN. 1.2.1. Giới thiệu về phế liệu tôm Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tôm là rất dồi dào, được thu từ 2 nguồn chính
9 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 2002, giá trị xuất khẩu thuỷ sản đạt hơn 2 tỷ USD, trong đó xuất khẩu tôm đông lạnh chiếm 47%, đứng thứ 2 sau xuất khẩu dầu khí. Năm 2004, xuất 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 3,31 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. Năm 2007, tổng kim ngạch xuất khẩu thủy sản đạt 3,75 tỷ USD tăng 12% so với năm 2006 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. 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/năm. 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 cơ sở chế biến tôm bao gồm đầu, vỏ và đuôi tôm. Ngoài ra, còn có tôm gãy thân, tôm lột v ỏ sai quy cách hoặc tôm bị biến màu. Tuỳ thuộc vào loài và phương pháp xử lý mà lượng phế liệu có thể vượt quá 60% khối lượng sản phẩm. Có thể lấy tôm càng xanh Macrobrachium rosenbergii 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
10 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 phế liệu tôm từ 30-70% (Watkin và cộng sự, 1982 ; Evers và Carroll [19], trung bình khoảng 50% 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 [20]. 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 giống loài và giai đoạn sinh trưởng của chúng [5] [6]. Cấu tạo và thành phần sinh hóa của vỏ tôm[5] 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: Lớp biểu bì Lớp màu. Lớp canxi. Lớp không bị canxi hóa. - 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
11 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 l ớp vỏ còn l ại, bắt màu xanh với anilin xanh. Lớp biểu bì có lipid vì vậy nó cản tr ở tác động c ủa 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 tr ải 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. 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 c ủa đ ầu 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, hàm lượng Ca3(PO4)2 mặc dù không nhiều nhưng trong quá trình khử khoáng dễ hình thành hợp chất CaHPO 4 không tan trong HCl gây khó khăn cho quá trình khử khoáng.
12 Sắc tố: Trong vỏ tôm thường có nhiều loại sắc tố nhưng chủ yếu là Astaxanthin. Enzyme: Theo tạp chí Thủy sản (số 5/1993) hoạt độ enzyme protease của đầu tôm khoảng 6,5 đơn vị hoạt độ/g tươi. Các enzyme chủ yếu là enzyme của nội tạng trong đầu tôm và của vi sinh vật thường trú trên tôm nguyên liệu. Ngoài thành phần chủ yếu kể trên, trong vỏ đầu tôm còn có các thành phần khác như: nước, lipid, phospho,… 1.2.2. Công nghệ sản xuất Chitin-Chitosan Mặc dù 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, nó cần phải được làm sạch 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. Do đó, nhiều phương pháp đã được áp dụng cho việc thu hồi chitin. Hơn nữa, tính h ữu ích của các nguồn chitin khác nhau phụ thuộc vào sự sẵn có của nguyên liệu, phương pháp đơn giản, hàm lượng chitin, và sự phù hợp để tận thu các sản phẩm có giá trị khác. Hiện nay việc làm sạch chitin bao gồm hai bước chính: - 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 hơn nữa là ứng dụng chitin. Chitin sử dụng như một chất hấp thụ hay hỗ trợ enzyme nên khử khoáng trước, bởi vì bước này lấy đi muối khoáng và bảo vệ cấu trúc chitin đảm bảo sự deacetyl polysaccharid khi xử lý kiềm nhẹ để khử protein. Tăng cường mức deacetyl gia tăng các nhóm amino tự do tham gia vào quá trình hấp phụ và gắn kết protein. Tuy nhiên, để thu hồi protein thì nên thực hiện bước khử protein trước. Khi đó, sản lượng protein và chất lượng là lớn nhất . Sau quá trình khử khoáng và khử protein, sản phẩm được tẩy màu bằng acetone hoặc hydrogen peroxide. Bước này là không cần thiết và phụ thuộc vào
13 yêu cầu của sản phẩm cuối cùng. Có hai phương pháp chính để sản xuất chitin: phương pháp hóa học và phương pháp sinh học. -Phương pháp hóa học: 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 quá trình này là: a. 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. b. 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. c. 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 lí 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. -Phương pháp sinh học: Trong phương pháp sinh học chỉ khác tại công đoạn khử protein và deacetyl không sử dụng hoá chất mà có thể sử dụng hệ vi khuẩn, nấm men hoặc các enzyme để loại bỏ protein một cách triệt để. Việc deacetyl được thực hiện bởi enzyme deacetylase. Sản phẩm chitosan thu được có chất lượng cao do không bị ảnh hưởng nhiều bởi hoá chất [6] 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, việc loại bỏ hoàn toàn protein có thể đạt được bằng phương pháp hoá học nhưng không thể