BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ------------------ NGUYỄN ĐỖ MINH NHỰT NGHIÊN CỨU KHỬ MÀU CHITIN TỪ VỎ TÔM PHẾ LIỆU BẰNG H202 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM KHÁNH HÒA – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ------------------ NGUYỄN ĐỖ MINH NHỰT NGHIÊN CỨU KHỬ MÀU CHITIN TỪ VỎ TÔM PHẾ LIỆU BẰNG H202 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS TRANG SĨ TRUNG ThS. NGUYỄN CÔNG MINH KHÁNH HÒA – 2015 i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và thực hiện đề tài tốt nghiệp, tôi đã nhận nhiều sự quan tâm từ giáo viên hướng dẫn, thầy cô phòng thí nghiệm, Khoa Công nghệ Thực phẩm và các bạn bè đã ủng hộ và giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến sự quan tâm đến Thầy hướng dẫn PGS.TS Trang Sĩ Trung, nguyên Hiệu trưởng trường Đại học Nha Trang đã tạo điều kiện cho tôi được tham gia vào đề tài: “Nghiên cứu sản xuất các sản phẩm giá trị gia tăng từ phế liệu tôm để ứng dụng trong nông nghiệp do Bộ Khoa học và Công nghệ cấp”. Tôi xin cảm ơn Thầy đã hết lòng chỉ dạy, tận tâm hướng dẫn và chia sẽ với tôi nhưng kinh nghiệm đáng quý để thực hiên đề tài cũng như trong cuộc sống. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ nhiệt tình của ThS. Nguyễn Công Minh đã hết lòng hướng dẫn, dạy bảo, tạo những điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện đề tài tốt nghiệp này. Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa, Công nghê Thực phẩm trường Đại học Nha Trang đã tạo điều kiện giúp tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài. Nha Trang, tháng 6 năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Đỗ Minh Nhựt ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... v MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................ 3 1.1. Tổng quan tài liệu về chitin ................................................................................. 3 1.1.1. Cấu trúc hóa học của chitin ........................................................................... 3 1.1.2. Tính chất chitin .............................................................................................. 5 1.2. Quy trình thu nhận chitin ..................................................................................... 6 1.2.1. Công đoạn khử protein trong quy trình sản xuất chitin ................................ 7 1.2.2. Công đoạn khử khoáng trong quy trinh sản xuất chitin ................................ 9 1.2.3 Công đoạn khử màu chitin ........................................................................... 10 1.2.3.1. Sử dụng dung môi hữu cơ trong quá trình khử màu chitin ................... 11 1.2.3.2. Khử màu bằng ánh sáng mặt trời .......................................................... 12 1.2.3.3. Tác nhân oxy hóa .................................................................................. 13 1.2.3.3.1. Sử dụng thuốc tím (KMnO4) .......................................................... 13 1.2.3.3.2. Sử dụng O3...................................................................................... 13 1.2.3.3.3. Sử dụng H2O2 ................................................................................. 14 1.3. Quy trình sản xuất chitin có quá trình khử màu ................................................ 14 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ................................................. 15 2.1 Đối tượng: ........................................................................................................... 15 2.2 Phương pháp nghiên cứu: ................................................................................... 16 2.2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát ................................................................. 16 2.2.2. Bố trí thí nghiệm chi tiết ............................................................................. 17 2.2.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ H2O2 thích hợp khử màu chitin: . 17 2.2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian khử màu chitin bằng H2O2: ........ 18 2.2.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ chitin/ dung dịch H2O2 (w/v) đến khử màu chitin ........................................................................................................... 19 iii 2.2.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước chitin để khử màu chitin bằng H2O2: .................................................................................................................. 21 2.3. Các phương pháp phân tích ............................................................................... 22 2.4. Phương pháp xử lí số liệu .................................................................................. 22 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 23 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của chitin: ............................................................. 23 3.2. Nghiên cứu điều kiện khử màu chitin bằng H2O2 ............................................. 24 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến khả năng khử màu chitin ..................... 24 3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến khả năng khử màu chitin bằng H2O2 .. 26 3.2.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ chitin/ dung dịch H2O2 đến khả năng khử màu .......... 28 3.2.4. Ảnh hưởng của kích thước chitin đến khả năng khử màu chitin bằng H2O2 ....................................................................................................................... 30 3.3. Đề xuất quy trình khử màu chitin ...................................................................... 31 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 34 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 37 iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Chế độ khử protein từ các nguồn nguyên liệu khác nhau ..........................8 Bảng 1.2. Nguồn nguyên liệu thủy sản, điều kiện xử lý và loại chitin .....................11 Bảng 1.3. Điều kiện tẩy màu trong công nghệ sản xuất chitin sử dụng dung môi hữu cơ ..................................................................................................................12 Bảng 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của chitin .....................................................23 Bảng 3.2. Các thông số thu được trước và sau khử màu ..........................................32 Bảng P3.1. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến khả năng khử màu chitin ................47 Bảng P3.2. Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến khả năng khử màu chitin bằng H2O2 ......................................................................................................................47 Bảng P3.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ chitin/ dung dịch H2O2 đến khả năng khử màu .....48 Bảng P3.4. Ảnh hưởng của kích thước chitin đến khả năng khử màu chitin bằng H2O2 .............................................................................................................48 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Công thức cấu tạo của chitin .........................................................................4 Hình 1.2. Sự sắp xếp của chuỗi polyme của α-chitin, β-chitin, γ-chitin .......................5 Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể của α-chitin và β-chitin ......................................................5 Hình 2.1. Quy trình sản xuất chitin bằng phương pháp hóa học.................................15 Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát .................................................................16 Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định nồng độ H2O2..........................................17 Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian khử màu chitin bằng H2O2 ......19 Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỉ lệ chitin/ dung dịch H2O2 để khử chitin ........................................................................................................................20 Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định kích thước chitin .....................................21 Hình 3.1. Chitin thu được từ phương pháp: Phơi và sấy.............................................24 Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến quá trình khử màu astaxanthin và phân tử lượng của chitin. ........................................................................................25 Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian ngâm H2O2 đến quá trình khử màu astaxanthin và phân tử lượng của chitin. ................................................................................27 Hình 3.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ chitin/ dung dịch H2O2 (w/v) đến quá trình khử màu astaxanthin và phân tử lượng của chitin. ........................................................28 Hình 3.5. Ảnh hưởng của kích thước chitin (mm) đến quá trình khử màu astaxanthin và phân tử lượng của chitin. ...........................................................................30 Hình 3.6. Quy trình khử màu chitin ............................................................................31 Hình P2.1.1. Chitin xử lý H2O2 0,1%..........................................................................43 Hình P2.1.2. Chitin xử lý H2O2 0,3%..........................................................................43 Hình P2.1.3. Chitin xử lý H2O2 0,5%..........................................................................43 Hình P2.1.4. Chitin xử lý H2O2 0,7%..........................................................................43 Hình P2.1.5. Chitin xử lý H2O2 0,9%..........................................................................43 Hình P2.2.1. Chitin thu khử màu 8 giờ .......................................................................44 Hình P2.2.2. Chitin thu khử màu 12 giờ .....................................................................44 vi Hình P2.2.3. Chitin thu khử màu 16 giờ .....................................................................44 Hình P2.2.4. Chitin thu khử màu 20 giờ .....................................................................44 Hình P2.2.5. Chitin thu khử màu 24 giờ .....................................................................44 Hình P2.3.1. Chitin khử tỉ lệ 1/5 (w/v)........................................................................45 Hình P2.3.2. Chitin khử tỉ lệ 1/10 (w/v)......................................................................45 Hình P2.3.3. Chitin khử tỉ lệ 1/15 (w/v)......................................................................45 Hình P2.3.4. Chitin khử tỉ lệ 1/20 (w/v)......................................................................45 Hình P2.3.5. Chitin khử tỉ lệ 1/25 (w/v)......................................................................45 Hình P2.4.1. Khử chitin kích thước dạng vẩy .............................................................46 Hình P2.4.2. Khử chitin kích thước 2 mm ..................................................................46 Hình P2.4.3. Khử chitin kích thước 4 mm ..................................................................46 Hình P2.4.4. Khử chitin kích thước 6 mm ..................................................................46 Hình P2.4.5. Khử chitin kích thước 8 mm ..................................................................46 1 MỞ ĐẦU Trên thế giới và Việt Nam có nhiều phương pháp sản xuất chtin từ phương pháp hóa học đến phương pháp sinh học nhằm cải thiện công nghệ để nâng cao chất lượng sản phẩm. Với những ứng dụng được mở rộng từ nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm đến dược phẩm [14], nên càng đòi hỏi các quy trình sản xuất không những đưa ra chitin đạt chất lượng mà dần tối ưu hóa về thời gian sản xuất, hiệu quả sử dụng nguồn nguyên liệu, giảm thiểu lượng hóa chất sử dụng, giải quyết vấn đề nước thải và tính an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng [9]. Sản xuất chitin trên phế liệu tôm dù trải qua quy trình nào cũng phải trải qua các công đoạn loại bỏ protein, khoáng. Sau khi thu được chitin vẫn còn tồn tại chất màu. Chất màu này tồn tại trong chitin có màu đỏ hồng do astaxanthin sắc tố chủ yếu trong vỏ tôm. Nên công đoạn khử chất màu trong chitin cũng là chỉ tiêu quan trọng trong việc đánh giá sản phẩm chitin có giá trị cao. Ở công đoạn khử màu, tận dụng tính chất dễ hấp thụ ánh sánh nên ta thường sử dụng phương pháp phơi dưới ánh nắng mặt trời để khử màu chitin [25]. Ngoài ra, người ta còn sử dụng các chất có tính oxi hóa để loại bỏ chất màu trong chitin. Nhưng việc sử dụng các chất có tính oxi để thực hiện quá trình khử màu dẫn đến quá trình cắt mạch của chitin [17]. Đồng thời, khi chitin bị cắt mạch gây ra chitin có trọng lượng phân tử thấp kéo theo việc tạo ra sản phẩm chitin có giá trị sản phẩm thấp. Vì vậy, với tính chất cắt mạch của chitin trong quá trình khử màu đòi hỏi đề ra các điều kiện khử màu chitin hợp lý để hạn chế sự biến đổi chất lượng của chitin. Nhận thấy được tính cấp thiết của đề tài nên tôi đã được khoa công nghệ thực phẩm, dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS-TS Trang Sĩ Trung, Thầy ThS. Nguyễn Công Minh giao cho đề tài: “Nghiên cứu khử màu chitin từ phế liệu vỏ tôm bằng H2O2”. Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu điều kiện khử màu chitin hiệu quả bằng H2O2 nhằm đảm bảo chất lượng chitin sản phẩm có giá trị cao. 2 Nội dung đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình làm khô đến khả năng khử màu chitin Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến khả năng khử màu chitin Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian khử H2O2 đến khả năng khử màu chitin Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ chitin với H2O2 đến khả năng khử màu chitin Nghiên cức ảnh hưởng của kích thước chitin đến việc khử màu chitin bằng H2O2 Ý nghĩa khoa học: Kết quả của đề tài có ứng dụng trong nghiên cứu, là dữ liệu khoa học tham khảo về chitin. Ý nghĩa thực tiễn: Sản xuất ra chitin có giá trị cao về cảm quan và chất lượng. Ứng dụng sản xuất quy mô công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu: Chitin sản xuất bằng phương pháp hóa học 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan tài liệu về chitin Chitin có cấu trúc giống như cellulose và có thể xem là một dẫn xuất của cellulose với nhóm acetamido thay vào vị trí nhóm OH ở cacbon số 2 của vòng pyranose. Chitin đóng vai trò là thành phần tạo nên độ cứng của thành tế bào của nấm và vỏ của giáp xác. Chitin phân bố rộng rã trong lớp vỏ của sâu bọ và giáp xác và nó cũng được tìm thấy ở vi sinh vật. Chitin được chiết suất lần đầu tiên vào năm 1811 bởi nhà dược hóa học người Pháp Henri Braconnot từ nấm (Braconnot, 1811) [2]. Chitin có hình thái tự nhiên ở dạng rắn, có cấu trúc thuộc họ plolysaccharide. Do đó, các phương pháp xác định tính chất, phương pháp nhận dạng hay các phương pháp hóa học để biến tính chitin cũng như việc sử dụng và lựa chọn các phương pháp để ứng dụng vào chitin còn gặp nhiều khó khăn [14]. Trong tự nhiên, chitin tồn tại ở cả động vật và thực vật. Nhưng hiện nay, các công trình nghiên cứu chitin đều dựa trên động vật và đặc biệt là trong vỏ tôm. Chitin là thành phần cấu trúc quan trọng của các động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thuể, giáp xác và giun. Hàm lượng chitin trong vỏ tôm, cua, ghẹ, mai mực khá cao từ 14 – 35% so với trọng lượng khô. Có các công trình nghiên cứu về hàm lượng chitin đã chứng minh trong vỏ tôm có chứa đến 27% so với trọng lượng chất khô [5]. Chitin trong vỏ tôm thuộc nhóm α-chitin và thường liên kết bền vững với các thành phần khác như protein, chất màu, hiện nay để thu nhận chitin người ta thường sử dụng các phương pháp loại các thành phần phi chitin như protein, lipid, khoáng, chất màu để thu nhận chitin [13, 18]. 1.1.1. Cấu trúc hóa học của chitin Chitin tồn tại rất phổ biến là nguồn polysaccharide nhiều thứ 2 sau cellulose do đó có vai trò rất quan trọng trong sinh giới [13]. Chitin là polymer hữu cơ ít khi ở dạng tư do mà luôn liên kết với protein, canxi cacbonat và nhiều hợp chất hữu cơ khác dưới dạng phức hợp gây khó khăn cho việc tách chiết. Chitin được hình 4 thành từ các đơn phân N-acetyl-β-D-glucosamin liên kết với nhau thông qua liên kết β-1,4-glucosid [10]. Chitin có mặt trong thành phần cấu tạo của vỏ các loại tôm, cua, ghẹ, sâu bọ và một số loài nấm [18]. Hình 1.1. Công thức cấu tạo của chitin [17] Chitin được chia thành ba dạng: α-chitin, β-chitin và γ-chitin. Cấu trúc của chitin dạng α-chitin thường được chiết xuất từ nguồn nguyên liệu tôm và cua. Chitin từ mực có dạng β-chitin [6]. + α-chitin: Có các mạch sắp xếp song song và ngược chiều nhau. Mạch chitin này có dạng rắn chắc và có độ rắn phân tử cao nhất. + β-chitin: Mạch chitin có độ rắn thấp so với α-chitin, có tính hydrat hóa cao. Mạch β-chitin song song cùng chiều nhau. + γ-chitin: Có 2 mạch song song sắp xếp cùng chiều thì có mạch ngược chiều. Trong tự nhiên, α-chitin tồn tại nhiều và thường có độ rắn cao. Trong khi β-chitin, γ-chitin thì với tính chất của mạch nên tính dai, dẻo. 5 Hình 1.2. Sự sắp xếp của chuỗi polyme của α-chitin, β-chitin, γ-chitin [6] Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể của α-chitin (a) và β-chitin (b) (Rinaudo, 2006) [18] 1.1.2. Tính chất chitin Theo Urbanczyk và cộng sự 1997, chitin có màu trắng, có cấu trúc chặt chẽ, có liên kết trong và liên kết phân tử mạnh thông qua các nhóm hydroxyl và acetamide nên chitin không tan trong nước, kiềm, trong acid loãng và các dung môi hữu cơ như ete, rượu [17]. 6 Chitin khó hòa tan trong thuốc thử schweizei sapranora. Điều này có thể do nhóm acetamit (-NHCOCH3) ngăn cản sự tạo thành các phức chất cần thiết. Đối với các chất oxy hóa khử như thuốc tím (KMnO4 ), oxy già H2O2, nước Javen NaClO hay Ca(ClO)2…chitin lại có tính chất ổn định nên dựa vào tính chất này để khử màu chitin bằng các chất oxy hóa trên [3]. Chitin hòa tan được trong các dung dịch đậm đặc nóng của muối Thioxianat Liti (LiSCN), muối Thioxianat Canxi Ca(SCN)2 tạo thành dung dịch keo. Chitin còn hòa tan được trong các acid HCl, H3PO4 đậm đặc và dimethylacetamide chứa 5% lithium chloride. Khi đun nóng trong dung dịch HCl đậm đặc thì chitin sẽ bị phân hủy hoàn thoàn thành 88,5% D-Glucosamin và 11,5% acid acetic, quá trình thủy phân bắt đầu xảy ra ở mối nối Glucoside, sau đó là sự loại bỏ nhóm acetyl (-CO-CH3). (C32H54N4O21)x + 2(H2O) (C28H50N4O19)x + 2(CH3-COOH)x Khi đun nóng chitin trong dung dịch NaOH đậm đặc thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan. Chitin + nNaOH (đậm đặc) t0C Chitosan + nCH3COONa Chitin có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại ở bước sóng: λ = 884 ÷ 890 µm. 1.2. Quy trình thu nhận chitin Ở lớp vỏ giáp xác động vật, chitin là thành phần cơ bản hình thành nên độ vững chắc. Quá trình tách chiết chitin từ nguyên liệu vỏ giáp xác gồm 3 bước chính là khử protein, khử khoáng và khử màu được xem là quan trọng nhất và quyết định đến chất lượng của chitin từ đó ảnh hưởng đến chất lượng của chitosan [13]. Hiện nay, quá trình sản xuất chitin được thực hiện bằng nhiều phương pháp. Nhưng thường được thực hiện bằng phương pháp hóa học, phương pháp sinh học 7 hoặc kết hợp phương pháp hóa học với sinh học. Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng, tuy nhiên để chitin đạt yêu cầu về chất lượng thì phương pháp hóa học vẫn là lựa chọn đầu tiên khi tiến hành ở quy mô công nghiệp. Trong phương pháp hóa học, quá trình khử protein thường tiến hành với dung dịch kiềm, quá trình khử khoáng thường tiến hành với dung dịch acid loãng trong khi đó quá trình khử màu thường sử dụng các loại dung môi hữu cơ, các chất có tính chất oxy hóa (KMnO4, H2O2…) hoặc tận dụng ánh sáng mặt trời để loại các chất màu [6]. 1.2.1. Công đoạn khử protein trong quy trình sản xuất chitin Đã có nhiều báo cáo chi tiết về phương pháp hóa học để thu nhận chitin từ vỏ động vật giáp xác được thực hiện từ những năm 1954 - 1993 [15]. Theo Kim, S.K (2010), protein là thành phần được lấy ra đầu tiên từ vỏ động vật giáp xác trong quá trình sản xuất chitin bằng cách xử lý trong dung dịch sodium hydroxide hoặc dung dịch kali hydroxit với nồng độ từ 1% đến 10% ở nhiệt độ từ 30°C đến 100°C [13]. Ngoài ra, No và cộng sự (1997) cho rằng, để đạt yêu cầu về chất lượng thì nên áp dụng các chế độ khử protein đối với từng loại nguyên liệu, theo kết quả của No và Meyer (1997), protein từ vỏ giáp xác thường được khử với dung dịch kiềm có nồng độ 2 – 10% trong thời gian từ 2 – 12 giờ ở nhệt độ thường hoặc nhiệt độ cao [16]. Ngoài nồng độ kiềm, nhiệt độ cũng đóng vai trò rất quan trọng trong công đoạn khử protein. Theo Trung và cộng sự (2010), quá trình khử protein thường diễn ra chậm ở nhiệt độ thường, tuy nhiên khi nâng nhiệt độ xử lý thì thời gian để sản phẩm chitin đạt yêu cầu về chất lượng giảm đáng kể [6]. Để giảm thời gian khử protein thì cần tăng nhiệt độ xử lý, kết quả nghiên cứu của Shahidi và Synowiecki (1991) [22], xử lý vỏ tôm trong KOH 1% -2% ở 90° C, tỷ lệ nguyên liệu/dung dịch kiềm là 1/20 (w/v) với thời gian 1 giờ có thể khử đến 90% protein, với 2 giờ loại bỏ hầu hết các protein trong vỏ [22]. Báo cáo của Whistler và BeMiller (1962) cho thấy, xử lý NaOH 10% ở 100°C có khả năng rút ngắn thời gian của quy trình sản xuất chitin – chitosan [13]. Theo trung và cộng sự (2010), khi nguồn nguyên liệu khác nhau sẽ dẫn đến quy trình xử lý khác nhau, kết quả (Bảng 1.1) cho thấy việc ứng dụng các chế độ xử lý khác nhau phụ thuộc 8 vào loại nguyên liệu và yêu cầu đầu ra của sản phẩm. Tuy nhiên, khi xử lý nhiệt độ cao trong thời gian dài sẽ dẫn đến dễ xảy ra quá trình cắt mạch chitin [6]. Bảng 1.1. Chế độ khử protein từ các nguồn nguyên liệu khác nhau (No và cộng sự, 1989) [6] Nguồn nguyên liệu Tôm sú Chế độ khử protein Nồng độ Kiềm Nhiệt độ (0C) Thời gian (h) Tỷ lệ (w/v) 3% NaOH 100 1 - 1% NaOH 65 1 1:10 1% KOH 90 2 1:20 4% NaOH Đun sôi 1 - 1N NaOH 100 1 1:6 5N NaOH 100 1 - 5% NaOH Hồi lưu 2 1:15 – 20 5% NaOH 100 0,5 1:1 0.5% NaOH Đun sôi 0,5 2:3 15% NaOH 65 3 1:10 Tôm thẻ Khả năng tách protein còn phụ thuộc vào lượng dung dịch trong quá trình xử lý, thông thường lượng dung dịch hóa chất nhiều thì khả năng khử protein đạt hiệu quả cao do diện tiếp xúc giữa hóa chất với nguyên liệu lớn nhưng bên cạnh đó việc sử dụng nhiều hóa chất sẽ tạo ra một lượng nước thải lớn và làm tăng chi phí cho quá trình sản xuất chitin. Trong quá trình sản xuất chitin, tỷ lệ 5 dung dịch/1 nguyên liệu tươi (v/w) và 15 dung dịch/1 nguyên liệu khô (v/w) thường được sử dụng. Ngoài những tác động về mặt hóa học, các xử lý vật lý như xay, ép, khuấy đão cũng là một phương pháp hiệu quả để tăng khả năng khử protein từ nguyên liệu, các phương pháp xử lý vật lý thường đi kèm với yêu cầu về thiết bị và đòi hỏi khắc khe hơn về quy trình công nghệ tuy nhiên hiệu quả của quá trình sản xuất chitin (chất lượng chitin, chi phí hóa chất, nhân công, chi phí xử lý nước thải) đạt được thường cao hơn và chất lượng chitin tốt hơn. 9 1.2.2. Công đoạn khử khoáng trong quy trình sản xuất chitin Trong thành phần cấu tạo của vỏ tôm, khoáng, chitin và protein liên kết với nhau để hình thành nên độ vững chắc của vỏ, thành phần khoáng trong đầu vỏ tôm thường tồn tại ở dạng CaCO3 hoặc Ca3(PO4)2. Quá trình khử khoáng trong quy trình thu nhận chitin từ phế liệu thủy sản thường được theo phương pháp hóa học và sử dụng các loại acid mạnh như HCl, H2SO4 với nồng độ thấp. Trong thực tế, quá trình này thường được tiến hành trong dung dịch HCl loãng với nồng độ từ 1 – 10% [6]. Theo phương pháp truyền thống, quá trình xử lý HCl trong công đoạn tách khoáng thường tiến hành ở nhiệt độ thường trong thời gian dài do đó gây nên những tác động không tốt cho môi trường (tạo ra mùi khó chịu) và ít nhiều ảnh hưởng đến cấu trúc của chitin. Việc ứng dụng nhiệt độ trong công đoạn khử khoáng thường gặp nhiều khó khăn do khả năng bay hơi và oxy hóa mạnh của acid ở nhiệt độ cao gây hư hỏng thiết bị và ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm chitin, tuy nhiên khi tăng nhiệt độ thì khả năng khử khoáng tăng lên do tăng tốc độ phản ứng của HCl và CaCO3 như vậy có thể giảm được lượng hóa chất và thời gian phản ứng khử khoáng. Từ những lý do trên thì việc nghiên cứu chế độ thích hợp trong quá trình kết hợp nhiệt và HCl để khử khoáng không những rút ngắn được thời gian mà còn giảm được lượng hóa chất sử dụng và tạo nên những tác động tốt đến môi trường. Ngoài những tác động về mặt hóa học, các phương pháp vật lý như xay, ép, khuấy đão cũng là một phương pháp hiệu quả để tăng khả năng khử khoáng từ nguyên liệu, các phương pháp xử lý vật lý thường đi kèm với yêu cầu về thiết bị và đòi hỏi khắc khe hơn về quy trình công nghệ tuy nhiên hiệu quả của quá trình sản xuất chitin (chất lượng chitin, chi phí hóa chất, nhân công, chi phí xử lý nước thải) đạt được thường cao hơn và chất lượng chitin tốt hơn. Theo kết quả khảo sát, các phương pháp sản xuất chitin hiện nay tại Việt Nam thường sử dụng nhiệt độ thường để thực hiện công đoạn khử protein và khử khoáng do đó thời gian xử lý thường kéo dài. Việc ứng dụng nhiệt vào sản xuất 10 thực tế thường gặp khó khăn do thiết bị sử dụng có giá thành cao và khó kiểm soát khi xử lý một lượng nguyên liệu lớn chính vì vậy các ứng dụng nhiệt trong công đoạn khử khoáng cần được nghiên cứu chi tiết để đưa ra được quy trình đơn giản, hiệu quả. 1.2.3 Công đoạn khử màu chitin Thành phần sắc tố trong phế liệu động vật giáp xác (tôm, cua, ghẹ) có vai trò quan trọng trong việc tạo màu cho sản phẩm, các chất màu chủ yếu thuộc nhóm carotenoid (astacene, astaxanthin, canthaxanthin, lutein và β-carotene) [6]. Trong cấu trúc vỏ động vật giáp xác, chất màu thường liên kết chặt với các thành phần khác như protein, khoáng, chitin [27], do đó khó bị phân tách trong quá trình xử lý thu nhận chitin. Đến nay, các nghiên cứu tách chất màu trong quá trình thu nhận chitin chưa được nghiên cứu sâu và phổ biến vì vậy dữ liệu khoa học của quá trình khử màu chitin còn hạn chế. Tuy nhiên có một số công bố cho rằng chitin được tẩy màu trong quá trình xử lý thường có màu tráng sáng do đó công đoạn tẩy màu là cần thiết để thu nhận chitin chất lượng cao. Theo No cà cộng sự 1989, Chitin thô thu được có màu hồng nhạt do còn sắc tố astaxanthin [21]. Vì vậy quá trình tẩy màu thường được xử lý nhằm mục đích loại bỏ thành phần sắc tố chứa trong chitin và quá trình này thường được thực hiện với các tác nhân oxy hóa (KMnO4, H2O2, NaOCl + NaCl..) hoặc dung môi hữu cơ (acetone, ethe,..) hoặc ánh sáng [3, 6]. Mỗi loại tác nhân trong quá trình xử lý màu đều có những ưu và nhược điểm riêng và hiệu quả quá trình xử lý phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ tác nhân, thời gian xử lý, nhiệt độ xử lý, … Tùy theo nguồn nguyên liệu mà quy trình sản xuất chitin có bước khử màu một lần hoặc nhiều lần. Theo Trang Sĩ Trung và cộng sự 2010, quá trình khử màu chitin từ các nguồn nguyên liệu khác nhau được trình bày trong Bảng 1.2. 11 Bảng 1.2. Nguồn nguyên liệu thủy sản, điều kiện xử lý và loại chitin (Rhazi và cộng sự, 2000) [6] Nguồn nguyên liệu Số lần xử lý bằng HCl 0,55M Cua đỏ (Portunus 5 puber) Cua Nhện (Maia 3 squinado) Tôm Hùm (Homarus 3 vulgaris) Tôm Hùm 2 (Scyllarus arctus) Tôm Hùm (Palinurus 3 vulgaris) Tôm Sú* (Penaeus 1 (4%) monodon) Tôm (Palaemon 3 fabricius) Mực (Loligo 3 vulgaris) * Trang Sĩ Trung, 2003 Tỷ lệ chitin Loại thu chitin được/phế liệu (%) Số lần xử lý bằng NaOH 0,3 M Xử lý khử màu bằng H2O2 3 Có 10 α 3 Có 16 α 3 Có 17 α 3 Có 25 α 7 Có 32 α 1(4%) Có 14-16% α 3 Có 22 α 2 Không 40 β 1.2.3.1. Sử dụng dung môi hữu cơ trong quá trình khử màu chitin Astaxanthin là hợp chất ít phân cực nên kém tan trong nước, dễ tan trong các dung môi hữu cơ có độ phân cực thấp hay trung bình như pyridin, diclorometan, cloroform, aceton, metanol, etyl acetate, etanol, dietyl ether, hexan, ether dầu mỏ. Dựa trên khả năng hòa tan trong các dung môi không phân cực và phân cực kém để tách astaxanthin ra khỏi nguyên liệu chitin được công bố bởi nhiều tác giả. 12 Bảng 1.3. Điều kiện tẩy màu trong công nghệ sản xuất chitin sử dụng dung môi hữu cơ (No và Meyers, 1997) [6] Điều kiện tẩy màu Nguồn phế liệu Dung môi Tôm hùm Nhiệt độ (oC) Thời gian (phút) Tỷ lệ Ethanol + ether Nhiệt độ phòng Rửa nhanh - Acetone + NaOCl Nhiệt độ phòng 15 1:10 - - - Nhiệt độ phòng 15 1:10 Tôm Acetone Tôm thẻ Acetone + NaOCl Astaxanthin có tính phân cực kém do đó khi hòa tan vào dung môi không phân cực có khả năng hình thành các liên kết kỵ nước, lực van-der-van giúp cho quá trình phân tán astaxanthin ra khỏi nguyên liệu làm giảm hàm lượng màu của chitin sau quá trình xử lý. Ưu điểm của phương pháp: Nhanh, đơn giản, dễ thực hiên quy mô lớn, sản phẩm tạo ra đẹp, có tính đồng nhất hơn nữa quá trình tẩy màu bằng dung môi hữu cơ ít tác động đến mạch chitin. Nhược điểm: Việc sử dụng dung môi hữu cơ thường đi kèm với yêu cầu về thiết bị để hạn chế quá trình bay hơi dung môi do đó tăng chi phí của quá trình sản xuất bên cạnh đó dung môi hữu cơ có tính độc cao nên ảnh hưởng đến sức khỏe của đối tượng trực tiếp tham gia sản xuất chitin. [7] 1.2.3.2. Khử màu bằng ánh sáng mặt trời Dựa vào tính chất dễ bị ánh sáng gây phá hủy liên kết của astaxanthin nên thường sử dụng phương pháp phơi dưới ánh nắng mặt trời để khử màu chitin [26, 23, 24]. Ánh nắng mặt trời có khả năng khử màu cho chitin trong quá trình làm khô. Màu sắc của chitin là do thành phần astaxanthin tạo nên. Việc khử màu chitin trong quá trình sấy hoặc phơi khô bằng ánh nắng mặt trời là do tính oxy hóa làm giảm liên kết đôi C-C tồn tại trong astaxanthin nhờ tia UV từ ánh sáng mặt trời (Henry và 13 cộng sự, 2000) [11]. Khả năng khử màu chitin bằng ánh sáng mặt trời cũng đã được chứng minh đối với sản phẩm chitin khi deacetyl (Youn và cộng sự, 2007) [6]. Ưu điểm: Thực hiện phương pháp phơi bằng ánh nắng mặt trời ít tốn chi phí đầu tư, dễ thực hiện. Nhược điểm: Phụ thuộc vào thời tiết, không chủ động trong sản xuất. Phơi ngoài trời khó làm chủ được độ chiếu sáng và chitin dễ bị thay đổi cấu trúc nếu chiếu ánh sáng nhiều. Ngoài ra, phơi còn dễ gây ra nhiều tạp chất bên ngoài và nhiễm vi sinh vật bên ngoài. 1.2.3.3. Tác nhân oxy hóa 1.2.3.3.1. Sử dụng thuốc tím (KMnO4) Dùng hỗn hợp KMnO4 1% + C2H2O4 1% để tẩy màu. Trước tiên cho chitin thô vào cốc thỷ tinh, sau đó cho dung dịch KMnO4 1% vào, khấy đảo sao cho toàn bộ chitin đều ngấm dung dịch KMnO4 1%, để ở nhiệt độ phòng trong thời gian 1 giờ. Hỗn hợp được rửa sạch, sản phẩm chitin lúc nay có màu tím của KMnO4. Để loại bỏ màu tím sử dụng 50ml acid oxalic 1% ((COOH)2), để tăng nhanh khả năng khử màu thường đun nóng hỗn hợp dung dịch ở nhiệt đô 50-600C đến khi chitin có màu trắng hoàn toàn [1] [4]. 1.2.3.3.2. Sử dụng O3 O3 có tính oxi hóa mạnh dễ dàng phá vỡ cấu trúc liên kết C-C của astaxanhin. Dựa vào tính chất này vận dụng vào việc khử màu chitin, tính oxi hóa được nghiên cứu càng mạnh hơn khi khử trong nước hiệu quả khử màu chitin trên 90% chitin trong thời gian khử ngắn từ 20 đến 30 phút (Henry và cộng sự, 2000) [11]. Sử dụng O3 khử màu chitin phương pháp đơn giản, ít tốn kém, sản phẩm khử màu không để lại dư lượng hóa chất độc hại vì O3 rất dễ phân hủy để tạo ra oxi. O3 là chất oxi hóa mạnh trong nước [21], dễ dàng thực hiện ở các quy lớn sản xuất công nghiệp. Theo Demein và cộng sự 1993, khi sử dụng O3 để khử màu chitin lại ảnh hưởng đến cấu trúc phân tử của chitin qua quá trình cắt mạch. Dẫn đến sự suy giảm đáng kể của trọng lượng phân tử chitin ảnh hưởng đến chất lưởng sản phẩm. 14 1.2.3.3.3. Sử dụng H2O2 Dùng H2O2 1% để tẩy màu chitin thô cho vào cốc thủy tinh, sau đó cho vào dung dịch H2O2 1% vào ngập chitin, để qua đêm ở nhiệt độ phòng. Chitin thu được có màu trắng phớt hồng. Sử dụng H2O2 với nồng độ [...]... chất lượng của chitin Nên việc nghiên cứu khử màu chitin được thực hiện trên các điều kiện khử màu khác nhau Lần lượt kiểm ra, đánh giá mức độ thay đổi của cảm quan, các thông số chất lượng của chitin qua mỗi lần khử màu Từ đó, chọn ra điều kiện khử màu chitin thích hợp 2.2.2 Bố trí thí nghiệm chi tiết 2.2.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ H2O2 thích hợp khử màu chitin H2O2 là tác nhân có tính chất... của chitin thương mại 3.2 Nghiên cứu điều kiện khử màu chitin bằng H2O2 3A 3B Hình 3.1 Chitin thu được từ phương pháp: Phơi (3A) và sấy (3B) Việc khử màu nhằm mục đích tạo ra chitin đạt tiêu chuẩn chất lượng về màu và hạn chế sự thay đổi đến các thông số chất lượng của chitin do quá trình khử màu bằng tác nhân oxy hóa (H2O2) thường đi cùng với quá trình cắt mạch từ đó ảnh hưởng phân tử lượng của chitin. .. 16 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát Quá trình khử màu chitin được nghiên cứu theo sơ đồ bố trí tổng quát sau Chitin Làm khô Bằng phương pháp phơi Bằng phương pháp sấy với nhiệt độ 550C Xác định các thông số: - Hàm lượng Protein - Độ ẩm - Hàm lượng khoáng - Astaxanthin Nghiên cứu quá trình khử màu chitin bằng H2O2 Đánh giá hiệu suất quá trình khử màu chitin qua thông... thông số 21 chất lượng của chitin Cuối cùng đánh giá tỷ lệ khử màu chitin so với dung dịch H2O2 hợp lý để xử lý màu chitin Chỉ tiêu đánh giá: Xác định hàm lượng astaxanthin, phân tử lượng của chitin sau khi sấy Đánh giá cảm quan các mẫu chitin sau sấy 2.2.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước chitin để khử màu chitin bằng H2O2 Ngoài tác nhân xử lý hóa học trong quá trình khử màu, có thể kết hợp với... thức cấu tạo của chitin [17] Chitin được chia thành ba dạng: α -chitin, β -chitin và γ -chitin Cấu trúc của chitin dạng α -chitin thường được chiết xuất từ nguồn nguyên liệu tôm và cua Chitin từ mực có dạng β -chitin [6] + α -chitin: Có các mạch sắp xếp song song và ngược chiều nhau Mạch chitin này có dạng rắn chắc và có độ rắn phân tử cao nhất + β -chitin: Mạch chitin có độ rắn thấp so với α -chitin, có tính... khi khử màu chitin Đánh giá chất lượng chitin sau khi khử và chọn ra thời gian khử thích hợp Chitin Ngâm H2O2, nồng độ xác định trên, RT, tỷ lệ w/v = 1/20 (w/v), thời gian khử khác nhau 8h 12h 16h 20h 24h Rửa trung tính Làm khô ở nhiệt độ 55oC Đánh giá các thông số chtitin và Kết luận Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian khử màu chitin bằng H2O2 2.2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ chitin/ dung... lệ chitin/ dung dịch H2O2 (w/v) đến khử màu chitin Nồng độ và thời gian khử đã xác định ở thí nghiệm trên, xác định tỷ lệ chitin/ dung dịch H2O2 (w/v) để khử màu chitin đạt hiệu quả cao cũng được quan tâm Khi khối lượng chitin được khử giữ cố định, việc bổ sung lượng dung dịch khử H2O2 nhiều hay ít là yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử Khi lượng H2O2 được cung cấp nhiều cho quá trình khử thì tăng tác nhân... nay, các nghiên cứu tách chất màu trong quá trình thu nhận chitin chưa được nghiên cứu sâu và phổ biến vì vậy dữ liệu khoa học của quá trình khử màu chitin còn hạn chế Tuy nhiên có một số công bố cho rằng chitin được tẩy màu trong quá trình xử lý thường có màu tráng sáng do đó công đoạn tẩy màu là cần thiết để thu nhận chitin chất lượng cao Theo No cà cộng sự 1989, Chitin thô thu được có màu hồng nhạt... trị thu được Về cảm quan, ta thấy màu của chitin phơi có màu trắng đẹp Trong khi đó, chitin được làm khô bằng phương pháp sấy lại có màu đỏ hồng chưa đạt chỉ tiêu chất lượng về màu của chitin 24 Vậy chitin được làm khô bằng phương pháp sấy vẫn còn một lượng chất màu nhất định Từ đó, vấn đề đặt ra là khử lượng màu có trong chitin sau khi làm khô bằng phương pháp sấy để chitin đạt được chất lượng về cảm... nhiệt độ phòng Chitin sau ngâm được rửa trung tính và làm khô (sấy 550C) trước khi tiến hành phân tích phân tử lượng và hàm lượng astaxanthin để lựa chọn nồng độ H2O2 thích hợp trong quá trình khử màu chitin Chỉ tiêu đánh giá: Hàm lượng astaxanthin, phân tử lượng sau khi khử màu chitin Đánh giá cảm quan sản phẩm chitin sau khi khử 2.2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian khử màu chitin bằng H2O2 Thời ... Nghiên cứu khử màu chitin từ phế liệu vỏ tôm H2O2 Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu điều kiện khử màu chitin hiệu H2O2 nhằm đảm bảo chất lượng chitin sản phẩm có giá trị cao 2 Nội dung đề tài: Nghiên. .. Nghiên cứu ảnh hưởng trình làm khô đến khả khử màu chitin Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ H2O2 đến khả khử màu chitin Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian khử H2O2 đến khả khử màu chitin Nghiên cứu ảnh... 2.2.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ H2O2 thích hợp khử màu chitin: 17 2.2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian khử màu chitin H2O2: 18 2.2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ chitin/ dung dịch H2O2