Nghiên cứu thu nhận Kappa-Carrageenan từ rong sú Kappaphycus Striatum trồng tại Cam Ranh

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2015<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> NGHIÊN CỨU THU NHẬN KAPPA - CARRAGEENAN<br /> TỪ RONG SÚ KAPPAPHYCUS STRIATUM TRỒNG TẠI CAM RANH<br /> STUDY ON KAPPA - CARRAGEENAN<br /> FROM KAPPAPHYCUS STRIATUM CULTIVATED IN CAM RANH<br /> Ngô Thị Ngọc Trình1, Phan Thị Khánh Vinh2<br /> Ngày nhận bài: 29/11/2013; Ngày phản biện thông qua: 08/01/2015; Ngày duyệt đăng: 10/6/2015<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Kết quả nghiên cứu cho thấy kappa-carrageenan tự nhiên thu nhận từ rong sú Kappaphycus striatum có sức đông<br /> 486g/cm2, nhiệt độ tan chảy 45,50C, nhiệt độ đông đặc 33,50C, hiệu suất thu hồi 30,2%. Tối ưu hóa được công đoạn xử<br /> lí kiềm đối với dịch lọc carrageenan bằng dung dịch Ca(OH)2 5% với các thông số như sau: nhiệt độ 700C, pH 8,6, thời<br /> gian 9 phút. Kappa-carrageenan sau khi xử lí kiềm chất lượng cải thiện rõ rệt sức đông tăng gấp đôi (965 g/cm2) so<br /> với carrageenan tự nhiên, nhiệt độ tan chảy của carrageenan đạt 550C, nhiệt độ đông đặc đạt 440C, hiệu suất thu hồi<br /> kappa-carrageenan qua xử lí kiềm tăng 25% so với hiệu suất thu hồi kappa-carrageenan chưa qua xử lý kiềm và đạt 37,7%.<br /> Từ khóa: Kappa-carrageenan, xử lý kiềm, tối ưu hóa, Kappaphycus striatum<br /> <br /> ABSTRACT<br /> Results showed that native kappa-carrageenan derived from Kappaphycus striatum had gel strength 486g/cm2,<br /> melting temperature was 45,50C, gelling temperature was 33,50C, carrageenan yield was 30,2%. Optimized parameters<br /> in alkaline treatment of carrageenan extract by Ca(OH)2 5%: temperature 700C, pH 8,6, duration 9 minutes.<br /> Kappa-carrageenan after alkaline treatment had gel strength 965 g/cm2, melting temperature was 550C, gelling temperature<br /> was 440C and carrageenan yield was increased 25% than that without alkaline treatment and reached 37.7%.<br /> Keywords:Kappa-carrageenan, alkaline treatment, optimization, Kappaphycus striatum<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Hydrocolloid từ rong biển đã từ lâu được ứng<br /> dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm với vai<br /> trò chất tạo cấu trúc, tăng giá trị cảm quan và tính<br /> dược liệu (Nussinovitch, 1997; Nagumo et al, 1996)<br /> [5] [6]. Cùng với sự gia tăng dân số và ổn định kinh<br /> tế, nhu cầu sử dụng các hydrocolloid trên ngày càng<br /> tăng (McHugh, 2002) [4]. Trong số nhiều loại rong<br /> biển, rong đỏ đóng vai trò quan trọng vì là nguồn<br /> nguyên liệu duy nhất để sản xuất agar và các loại<br /> carrageenan khác nhau (Zemker-White, 1999) [8].<br /> Trong các loài rong đỏ carrageenophyte phải kể<br /> đến rong sụn Kappaphycus alvarezii và rong sú<br /> Kappaphycus striatum, là loài rong biển vùng nhiệt<br /> đới với năng suất và sản lượng trồng cao, chất<br /> lượng rong tốt (Critchley et al, 1998) [3].<br /> 1<br /> 2<br /> <br /> Ở nước ta hiện nay, đa phần các công trình<br /> nghiên cứu thu nhận carrageenan tập trung vào đối<br /> tượng rong sụn Kappaphycus alvarezii, hơn nữa<br /> các quy trình thu nhận carrageenan tinh chế đều<br /> thực hiện xử lý bã rong trước hoặc trong quá trình<br /> nấu chiết với nồng độ kiềm khá cao 5 – 10%. Điều<br /> này đòi hỏi đầu tư các thiết bị nấu chiết phải chịu<br /> được tính kiềm và axit cần để trung hòa lượng kiềm<br /> dư, đầu tư xử lý hệ thống nước thải.<br /> Bên cạnh đó, bã rong sau khi đã xử lý kiềm hạn<br /> chế về khả năng ứng dụng. Để khắc phục nhược<br /> điểm này, Viện nghiên cứu và ứng dụng công nghệ<br /> Nha Trang đề xuất quy trình sản xuất carrageenan<br /> trong đó xử lý kiềm bằng KOH trong dịch lọc sau khi<br /> nấu chiết. Tuy nhiên nghiên cứu chỉ mang tính chất<br /> thăm dò chưa tối ưu hóa các thông số. Bên cạnh đó<br /> <br /> Ngô Thị Ngọc Trình: Phòng Quản lý công nghiệp - Sở Công thương tỉnh Khánh Hòa<br /> TS. Phan Thị Khánh Vinh: Khoa Công nghệ thực phẩm - Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> 72 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> việc sử dụng KOH ngay trong quá trình xử lý<br /> dịch lọc sẽ làm tăng nhiệt độ đông đặc của gel<br /> carrageenan, dẫn đến khó khăn cho công đoạn<br /> trung hòa axit và đòi hỏi phải có thêm khâu gia<br /> nhiệt để hòa tan gel trở lại. Đồng thời ở nhiệt độ<br /> cao việc bổ sung axit dẫn đến giảm sức đông của<br /> thạch carrageenan [2].<br /> Để giải quyết vấn đề trên cần nghiên cứu tối<br /> ưu hóa công đoạn xử lý dịch lọc bằng kiềm, cụ<br /> thể sử dụng dung dịch Ca(OH)2 sau khi đã nấu<br /> chiết, lọc ở môi trường trung tính nhằm nâng cao<br /> chất lượng kappa-carrageenan, giảm thiểu lượng<br /> hóa chất trong quy trình công nghệ thu nhận<br /> kappa-carrageenan.<br /> <br /> Số 2/2015<br /> II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 1. Đối tượng nghiên cứu<br /> a. Rong sú Kappaphycus striatum: Rong được<br /> trồng tại Cam Ranh và thu hoạch sau 2 tháng trồng<br /> (thời gian thu hoạch tháng 03/2013). Rong sú khi<br /> thu mua ở dạng khô. Trong trường hợp độ ẩm vượt<br /> quá 40%, cần tiếp tục phơi nắng để giảm hàm ẩm<br /> dưới 40% theo tiêu chuẩn rong khô nguyên liệu của<br /> Philippines.<br /> b. Carrageenan thương phẩm: Dạng bột, sản<br /> phẩm tinh chế (food grade) từ Eucheuma cottonii<br /> được sản xuất tại Philippine.<br /> c. Hóa chất: KCl, Ca(OH)2, KOH là những<br /> hóa chất đạt tiêu chuẩn phân tích do Trung Quốc<br /> sản xuất.<br /> <br /> 2. Phương pháp nghiên cứu<br /> 2.1. Sơ đồ nghiên cứu<br /> Sơ đồ nghiên cứu được trình bày ở hình 1.<br /> Nguyên liệu rong sú<br /> <br /> Dịch chiết carrageenan đem tủa<br /> KCl<br /> Dịch chiết carrageenan xử lý<br /> bằng KOH với tỉ lệ 1%, sau đó<br /> tủa bằng KCl<br /> <br /> Dịch chiết carrageenan xử lý<br /> bằng Ca(OH)2, sau đó tủa bằng<br /> KCl<br /> <br /> Đánh giá các chỉ tiêu hoá lý<br /> <br /> Đánh giá các chỉ tiêu hóa lý<br /> carrageenan - Phân tích so<br /> sánh<br /> <br /> Xác định pH, nhiệt độ, thời gian<br /> tối ưu trong xử lý bằng Ca(OH)2<br /> – Đề xuất quy trình<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ nghiên cứu quy trình thu nhận carrageenan từ rong sú Kappaphycus striatum<br /> <br /> Để khảo sát các gía trị tối ưu, áp dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp hai với 3 yếu tố và một hàm<br /> mục tiêu theo sơ đồ sau:<br /> X1<br /> X2<br /> <br /> Công đoạn xử lý bằng Ca(OH)2<br /> <br /> Y<br /> <br /> X3<br /> Ta có biến đầu vào: X1 : pH 7-9<br /> X2 : Nhiệt độ xử lý 35-75 (0C)<br /> X3 : Thời gian 30-120 (phút)<br /> Hàm mục tiêu:<br /> <br /> Y : Sức đông của carrageenan, g/cm2<br /> <br /> Các yếu tố ảnh hưởng n = 3 và số thí nghiệm N = 2k = 8<br /> Phương trình hồi quy có dạng: Y = b0 + b1x + b2x + b3x + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 73<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2015<br /> <br /> Bảng 1. Khoảng biến đổi của các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý kiềm<br /> Mức thí nghiệm<br /> <br /> X1<br /> <br /> X2 (0C)<br /> <br /> Khoảng biến thiên<br /> <br /> 1<br /> <br /> 20<br /> <br /> 45<br /> <br /> Mức trên (+1)<br /> <br /> 9<br /> <br /> 75<br /> <br /> 120<br /> <br /> Mức cơ sở (0)<br /> <br /> 8<br /> <br /> 55<br /> <br /> 75<br /> <br /> Mức dưới (-1)<br /> <br /> 7<br /> <br /> 35<br /> <br /> 30<br /> <br /> 2.2. Phương pháp phân tích<br /> - Độ nhớt dung dịch carrageenan được xác<br /> định bằng máy đo độ nhớt Viscometer, Brookfield<br /> DV–I Prime.<br /> - Sức đông carrageenan được xác định bằng<br /> máy đo tính chất lưu biến Sun Rheo Meter CR500.<br /> - Nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ tan chảy gel<br /> kappa-carrageenan được xác định theo tiêu chuẩn<br /> LB Nga (GOST 26185-84) [9].<br /> <br /> Hiệu suất thu hồi =<br /> <br /> mcarrageenan<br /> mr<br /> <br /> mcarrageenan =<br /> Trong đó:<br /> <br /> X3 (phút)<br /> <br /> - pH của dịch lọc carrageenan được đo bằng<br /> máy pH-meter Winlab.<br /> - Hàm lượng ẩm, khoáng của rong nguyên liệu<br /> được xác định theo TCVN 5613:1991.<br /> - Hàm lượng protein của rong nguyên liệu bằng<br /> phương pháp Kjeldall theo TCVN 3705-90.<br /> - Hàm lượng carrageenan trong rong được xác<br /> định theo phương pháp của tác giả Podkorytova<br /> (Подкорытова, 2009) và tính theo công thức sau [11]:<br /> <br /> x<br /> <br /> 100<br /> (100 - Wr)<br /> <br /> x 100<br /> <br /> (mdịch x W)<br /> 100<br /> <br /> mcarrageenan: Khối lượng carrageenan thô (g)<br /> mr<br /> : Khối lượng rong đem đi nấu chiết (g)<br /> Wr<br /> : Độ ẩm của rong (%)<br /> mdịch<br /> : Khối lượng dịch gel sau khi lọc (g)<br /> W<br /> : Hàm lượng chất khô của gel sau lọc (g)<br /> <br /> 2.3. Phương pháp xử lý số liệu<br /> Kết quả thí nghiệm được xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel 2007. Áp dụng phương pháp quy hoạch<br /> thực nghiệm, tối ưu hóa các thông số theo Box-Willson. Kết quả trình bày là trung bình của 3 lần thực hiện.<br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Kết quả xác định thành phần hóa học của rong nguyên liệu<br /> Kết quả thành phần hoá học của rong sú được trình bày ở bảng 2. Từ kết quả cho thấy hàm lượng ẩm trong<br /> rong nguyên liệu chiếm tỷ lệ 24,3% đạt yêu cầu về chỉ tiêu độ ẩm. Vì theo tiêu chuẩn Philippine về rong nguyên<br /> liệu thì lượng ẩm không được vượt quá 40% [7] .<br /> Bảng 2. Thành phần hóa học cơ bản của nguyên liệu<br /> STT<br /> <br /> Chỉ tiêu<br /> <br /> Hàm lượng, %<br /> <br /> 1<br /> <br /> Hàm ẩm<br /> <br /> 24,3 ± 1,2<br /> <br /> 2<br /> <br /> Protein *<br /> <br /> 4,7 ± 0,3<br /> <br /> 3<br /> <br /> Khoáng chất *<br /> <br /> 39,1 ± 2,4<br /> <br /> 4<br /> <br /> Carrageenan *<br /> <br /> 45,6 ± 1,1<br /> <br /> 5<br /> <br /> Tạp chất<br /> <br /> 3,3 ± 0,5<br /> <br /> Chú thích: * Tính theo chất khô tuyệt đối<br /> <br /> Hàm lượng khoáng trong rong chiếm tỷ lệ đáng<br /> kể tới 39,1%. Phần lớn hàm lượng khoáng trong<br /> rong chủ yếu tập trung ở bề mặt rong với lượng<br /> muối cao. Do rong sú là loài ưa nước mặn, chính<br /> lớp muối khoáng bên ngoài sẽ có tác dụng ức chế<br /> <br /> 74 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> sự phát triển của vi sinh vật trong quá trình bảo<br /> quản rong nguyên liệu. Hàm lượng protein trong<br /> rong chiếm tỷ lệ 4,7%, thấp hơn so với hàm lượng<br /> rong sú trồng tại Ninh Thuận (Фан и др., 2012) [13].<br /> Hàm lượng protein tùy thuộc vào vùng trồng, chế độ<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2015<br /> <br /> chăm sóc, bổ sung muối amoni và thời gian trồng.<br /> Hàm lượng protein cũng ảnh hưởng đến độ tinh<br /> sạch của carrageenan tinh chế.<br /> Hàm lượng carrageenan trong rong chiếm<br /> tỷ lệ khá cao 45,6% do thu hái ở thời gian sau<br /> 45 ngày trồng. Rong đạt chất lượng vì lượng<br /> carrageenan trên 30% so với tiêu chuẩn Philippine<br /> về rong nguyên liệu.<br /> Tạp chất trong rong nguyên liệu chiếm 3,3%<br /> bao gồm phần lớn dây nhựa, động vật kí sinh. Đây<br /> là một tiêu chí quan trọng cần xác định để định giá<br /> thành nguyên liệu và kiểm soát chất lượng đầu<br /> vào. Tỉ lệ tạp chất của rong nguyên liệu không nên<br /> <br /> vượt quá 8% theo tiêu chuẩn rong khô nguyên liệu<br /> của Philippine.<br /> 2. Kết quả xác định tính chất lý hóa của<br /> kappa-carrageenan từ rong sú<br /> Dịch chiết từ rong sú sau khi tiến hành nấu ở<br /> 85 ÷ 900C, mođun thủy áp 1: 60, đem lọc ly tâm với<br /> tốc độ 4000 vòng/phút, thời gian 30 phút với mục<br /> đích loại bỏ bã rong, tạp chất có kích thước nhỏ và<br /> một phần chất màu, dịch chiết được dùng để xác<br /> định độ nhớt và hàm lượng chất khô. Kết quả được<br /> trình bày ở bảng 3.<br /> <br /> Bảng 3. Thông số kỹ thuật của dung dịch carrageenan sau khi lọc ly tâm<br /> STT<br /> <br /> Chỉ tiêu<br /> <br /> Gía trị<br /> <br /> 1<br /> <br /> Hàm lượng chất khô (%)<br /> <br /> 0,7 ± 0,03<br /> <br /> 2<br /> <br /> Hiệu suất thu hồi carrageenan dạng thô (%)<br /> <br /> 3<br /> <br /> Độ nhớt (28 C), cP<br /> <br /> 313,9 ± 67,3<br /> <br /> 4<br /> <br /> Độ nhớt (400C), cP<br /> <br /> 299,9 ± 72,5<br /> <br /> 5<br /> <br /> Độ nhớt (600C), cP<br /> <br /> 234,0 ± 49,7<br /> <br /> 6<br /> <br /> Độ nhớt (80 C), cP<br /> <br /> 139,0 ± 57,1<br /> <br /> 38,83 ± 0,15<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> Qua kết quả bảng 3 cho thấy độ nhớt của dịch<br /> carrageenan sau khi lọc tương đối cao, ở nhiệt độ<br /> phòng 280C độ nhớt trung bình của dịch lọc đạt<br /> 313,9 cP. Đây cũng là tiêu chí đánh giá khả năng tạo<br /> gel bởi khối lượng phân tử trung bình carrageenan<br /> tỷ lệ thuận với độ nhớt và sức đông (Toại và cộng<br /> sự, 2006) [1]. Tuy nhiên, độ nhớt cao cản trở quá<br /> trình bơm dịch chiết. Vì thế cần điều chỉnh nhiệt độ<br /> dịch lọc thích hợp cho máy bơm. Kết quả thí nghiệm<br /> cho thấy khi tăng nhiệt độ dịch lọc thì độ nhớt giảm<br /> <br /> đáng kể, giảm 2,3 lần ở nhiệt độ 800C so với ban<br /> đầu. Đây là thông số kỹ thuật quan trọng qua đó lựa<br /> chọn được máy bơm dịch chiết trong thiết kế nhà<br /> máy, cơ sở sản xuất cho phù hợp và đánh gía chất<br /> lượng carrageenan.<br /> <br /> 3. Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa quá trình xử lý<br /> dịch lọc carrageenan bằng Ca(OH)2<br /> Quy hoạch thực nghiệm gồm 8 thí nghiệm, kết<br /> quả được trình bày trong bảng 4.<br /> Bảng 4. Ma trận trực giao cấp 2, ba yếu tố và một hàm mục tiêu<br /> <br /> N<br /> <br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> 4<br /> 5<br /> 6<br /> 7<br /> 8<br /> <br /> x0<br /> <br /> 1<br /> 1<br /> 1<br /> 1<br /> 1<br /> 1<br /> 1<br /> 1<br /> <br /> x1<br /> <br /> 1,00<br /> -1,00<br /> 1,00<br /> -1,00<br /> 1,00<br /> -1,00<br /> 1,00<br /> -1,00<br /> <br /> x2<br /> <br /> 1,00<br /> 1,00<br /> -1,00<br /> -1,00<br /> 1,00<br /> 1,00<br /> -1,00<br /> -1,00<br /> <br /> x3<br /> <br /> 1,00<br /> 1,00<br /> 1,00<br /> 1,00<br /> -1,00<br /> -1,00<br /> -1,00<br /> -1,00<br /> <br /> x 1x 2<br /> <br /> 1,00<br /> -1,00<br /> -1,00<br /> 1,00<br /> 1,00<br /> -1,00<br /> -1,00<br /> 1,00<br /> <br /> x 1x 3<br /> <br /> 1,00<br /> -1,00<br /> 1,00<br /> -1,00<br /> -1,00<br /> 1,00<br /> -1,00<br /> 1,00<br /> <br /> x 2x 3<br /> <br /> 1,00<br /> 1,00<br /> -1,00<br /> -1,00<br /> -1,00<br /> -1,00<br /> 1,00<br /> 1,00<br /> <br /> Y<br /> <br /> 439,0<br /> 45,0<br /> 45,0<br /> 254,0<br /> 954,0<br /> 509,0<br /> 398,0<br /> 448,0<br /> <br /> Chú thích: Hàm mục tiêu Y: Sức đông của gel (g/cm2)<br /> <br /> Sau khi tính hệ số hồi quy và kiểm tra tính có ý nghĩa của chúng theo tiêu chuẩn Student, kết quả cho thấy<br /> tất cả các hệ số phương trình hồi quy đều có ý nghĩa vì các giá trị của t đều lớn hơn tp(f) = 4,3.<br /> Vây phương trình hồi quy có dạng:<br /> y = 386,5 + 72,5x1 + 100,3x2 – 190,8x3 + 137,3x1x2 – 26,3x1x3 – 54,0x2x3 (*)<br /> Phương trình hồi quy trên hoàn toàn tương thích với thực nghiệm theo tiêu chuẩn Fisher trong đó theo bảng<br /> phân phối F (0,05;1; 2 ) = 18,5 > F = 12,8.<br /> Theo phương trình hồi quy (*) nhận thấy:<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 75<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2015<br /> <br /> Hệ số b1 = 72,5 > 0: Trong vùng quy hoạch<br /> thực nghiệm khi tăng giá trị pH của dịch lọc bằng<br /> Ca(OH)2 thì sức đông của carrageenan so với ban<br /> đầu sẽ tăng. Điều này là phù hợp vì khi tăng pH<br /> (tăng nồng độ ion OH- ), nhờ đó khả năng khử các<br /> gốc 6-sunfat cao hơn, giúp tạo các gốc 3,6-anhydro<br /> galactose làm tăng độ đều đặn cấu trúc luân phiên<br /> giữa 3,6-anhydrogalactose và galactose, do đó sức<br /> đông tăng lên (Подкорытова, 2005) [10].<br /> Hệ số b2= 100,3 > 0: Khi tăng nhiệt độ quá<br /> trình xử lý dịch lọc bằng kiềm, sức đông tăng lên<br /> do nhiệt độ thúc đẩy gia tăng vận tốc quá trình khử<br /> các gốc 6-sunfat. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ vượt<br /> quá vùng biên (> 750C), quá trình thuỷ phân cắt<br /> mạch phân tử carrageenan xảy ra mạnh mẽ, vì<br /> vậy sức đông giảm đáng kể. Kết quả này cũng phù<br /> hợp với kết quả nghiên cứu trước đây của tác giả<br /> Talabaeva và cộng sự. Kết quả phân tích khối<br /> <br /> lượng phân tử trung bình carrageenan chiết từ<br /> Chondrus armatus bằng phương pháp sắc kí lỏng<br /> hiệu năng cao cho thấy khối lượng trung bình đạt<br /> 2000 kDa. Khi nhiệt độ chiết trên 800C diễn ra<br /> quá trình thủy phân mạch polisaccarit, xuất hiện<br /> những phân đoạn với khối lượng trung bình 1100<br /> kDa (Талабаева, 2007) [12].<br /> Hệ số b3 = -190,8