Luận Văn Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật trong quá trình thu hồi carotenoprotein từ phế liệu đầu tôm

Đồ án tốt nghiệp năm 2012
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật trong quá trình thu hồi carotenoprotein từ phế liệu đầu tôm


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC BẢNG iv
DANH MỤC HÌNH v
LỜI MỞĐẦU vi
Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU . 1
1.1. Tổng quan về phế liệu tôm . 1
1.1.1. Thành phần, tính chất của phế liệu tôm 1
1.1.2. Sản lượng phế liệu tôm 2
1.1.3. Các hướng tận dụng phế liệu tôm hiện nay . 3
1.2. Tổng quan về carotenoprotein . 5
1.2.1 Protein trong phế liệu tôm . 6
1.2.2 Astaxanthin trong phế liệu tôm . 7
1.2.3 Phức hợp carotenoid –protein 8
1.2.4 Ứng dụng của carotenoprotein 9
1.3. Ứng dụng của vi sinh vật trongquá trìnhthủy phân protein . 10
1.3.1. Vi khẩnBacillus subtilis . 10
1.3.2. Tổng quan về enzyme protease 11
1.4. Tình hình nghiên cứu . 12
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trong nước . 12
1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 15
1.5. Các phương pháp thu hồi protein trong phế liệu tôm 18
1.5.1. Phương pháp vật lý 19
1.5.2Thu hồi protein bằng phương pháp hóa lý . 20
1.5.3 Phương pháp sinh học . 21
Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23
2.1. Đối tượng nghiên cứu . 23
iii
2.1.1. Phế liệu đầu tôm thẻ chân trắng . 23
2.1.2. Chế phẩm vi sinh vật . 23
2.1.3. Hóa chất 23
2.2. Phương pháp nghiên cứu . 24
2.2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 24
2.2.2. Bố trí thí nghiệm xác định phương pháp xử lý cơ học 25
2.2.3. Bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ vi sinh vật/ phế liệu . 27
2.2.4. Bố trí thí nghiệm xác định thời gian ủ vi sinh vật . 28
2.3. Các phương pháp phân tích 30
2.4. Phương pháp xử lý số liệu 30
Chương3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 31
3.1 Thành phần hóa học cơ bản của phế liệu đầu tôm thẻ chân trắng . 31
3.2. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý cơ học đến hiệu suất thu hồi chế phẩm
protein . 32
3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ vi sinh vật/ phế liệu đến hiệu suấtthu hồi chế phẩm
protein . 33
3.4. Ảnh hưởng của thời gian ủ vi sinh vật đến hiệu suất thu hồichế phẩm
protein . 36
3.5. Đánh giá chất lượng carotenoprotein thu được 38
3.6 Đề xuất quy trình sản xuất . 39
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 41
4.1 KẾT LUẬN 41
4.2 KIẾN NGHỊ . 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 42
PHỤ LỤC 46
iv
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.Thành phần hoá học của phế liệu tôm đông lạnh (%) 1
Bảng 1.3 . Hàm lượng protein của phế liệu tôm trước và sau khi ép 19
Bảng 1.3.Kết quả thu hồi protein của phương pháp bổ sung enzyme. . 22
Bảng 3.1. Thành phần hoá học cơ bản của phế liệu đầu tôm thẻ chân trắng . 31
Bảng 3.2. Chất lượng carotenoprotein thu được 38
v
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1.Cấu trúc phân tử Astaxanthin 8
Hình 1.2. Vi khuẩn Bacillus subtilis 11
Hình 1.3.Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất chitin, chitosan từ phế liệu
tôm 13
Hình 1.4.Quy trình thu hồi protein và astaxanthin từ dịch thải của quá trình
sản xuất chitin từ phế liệu tôm 15
Hình 1.5.Quy trình thu nhận phức hợpcarotenoprotein truyền thống . 17
Hình 1.6. Quy trình thu hồi carotenoprotein có sử dụng enzyme Protease . 18
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 24
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định phương pháp xử lý cơ học 26
Hình 2.3.Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ vi sinh vật/phế liệu 27
Hình 2.4.Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian ủ vi sinh vật . 29
Hình 3.1. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý cơ học đến hiệu suất thu hồi chế
phẩm protein . 32
Hình 3.2. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý cơ học đến hiệu suất thu hồi
astaxanthin trong chế phẩm protein . 33
Hình 3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ vi sinh vật/phế liệu đến hiệu suất thu hồi chế
phẩm protein 34
Hình 3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ vi sinh vật/phế liệu đến hiệu suất thu hồi
astaxanthin 35
Hình 3.5. Ảnh hưởng của thời gian ủ đến hiệu suất thu hồi chế phẩm protein
36
Hình 3.6. Ảnh hưởng của thời gian ủ đến hiệu suất thu hồi astaxanthin 37
Hình 3.6. Quy trình thu hồi carotenoprotein từ phế liệu đầu tôm bằng chế phẩm
vi sinh vật 39
vi
LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngành công nghiệp chế biến thủy hải sản xuất khẩu được đánh giá là ngành
kinh tế mũi nhọn của cả nước. Trong năm 2009, kim ngạch xuất khẩu thủy sản đạt
4,4 tỉ USD, trong đó chế biến tôm đông lạnh xuất khẩu chiếm 15,9% về khối lượng
(khoảng 210.000 tấn) và 36,9% về giá trị [14]. Tuy nhiên, quá trình chế biến tôm
cũng tạo ra một lượng lớn phế liệu, khoảng 100.000 tấn/năm, bao gồm cả đầu và vỏ
tôm, điều này gây nên một áp lực lớncho công tác xử lý, bảo vệ môi trường. Trong
phế liệu tôm có rất nhiều thành phần có giá trị như chitin, protein, astaxanthin,
khoáng hữu cơ Tuy nhiên hiện nay lượng phế liệu này chủ yếu được sử dụng để
làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất chitin. Các quy trình sản xuất chitin đang sử
dụng là các quy trình hóa học và chỉ tập trung thu hồi chitin mà không thu hồi các
thành phần có giá trị là protein và astaxanthin. Mặt khác, chất lượng của protein và
astaxanthin trong qui trình hóa học thường thấp do ảnhhưởng các hóa chất xử lý và
vì vậy không được thu hồi mà thải ra môi trường, dẫn đến gây ô nhiễm trầm trọng
môi trường xung quanh.
Xuất phát từ thực tế trên, đề tài:“Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật trong quá
trình thu hồicarotenoprotein từ phế liệu đầu tôm”được thực hiện.
2. Mục đích
Đề tài thực hiện nhằm thu hồi hỗn hợp carotenoprotein tận dụng làm thức ăn
chăn nuôi, góp phần hình thành và phát triển ngành công nghiệp xử lý phế liệu thủy
sản theo hướng bền vững, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
3. Nội dung nghiên cứu:
 Xác địnhthành phần cơ bản của phế liệu đầu tômthẻ chân trắng.
 Xác định các điều kiện thích hợp để thủy phân đầu tômbằng chế phẩm
vi sinh vật.
 Đánh giá hiệu suất thu hồi kết tủa protein.
1
Chương 1: TỔNGQUANTÀI LIỆU
1.1.Tổng quan về phế liệu tôm
1.1.1.Thành phần, tính chất của phế liệu tôm [5]
Phế liệu tôm chủ yếu là đầu, vỏ và đuôi tôm, ngoài ra còn phần thịt vụn do
bóc nõn khôngđúng quy trình kỹ thuật. Tùy thuộc vào từng loài, sản phẩm chế biến
khác nhau mà lượng phế liệu tôm thu được khác nhau.
Trong phế liệu tôm, phần đầu thường chiếm khoảng 35 –45%, phần vỏ
chiếm 10 –15% trọng lượng của tôm nguyên liệu. Tuy vậy tỷ lệ này còn phụ thuộc
vào giống, loài và giai đoạn sinh trưởng.
Thành phần chiếm tỷ lệ đáng kể trong đầu, vỏ tôm là chitin, protein, canxi
cacbonat, sắc tố astaxanthin, khoáng Tỷ lệ giữa các thành phầnnày là không ổn
định,chúng thay đổi theo đặc điểm sinh thái,sinh lý,loài,công nghệ, Thành
phần chitin và protein trong vỏ tôm khô chiếm khoảng 11 –27,5% và 23,3 –53%.
Theo Meyer và cộng sự (1986) thành phần hoá học của phếliệu tôm như sau:
Bảng 1.1. Thành phần hoá học của phế liệu tôm đông lạnh (%)
Protein: Trong phế liệu tôm thường là loại protein không hòa tan, do đó khó
trích ly khỏi vỏ, nó tồn tại dưới hai dạng:
-Dạng tự do: Tồn tại trong các cơ quan nội tạng và các cơ gắn ở phần vỏ.
-Dạng phức hợp: Ở dạng này protein không hòa tan và thường liên kết với
Chitin, CaCO
3như một phần thống nhất của vỏ tôm
Chitin: Tồn tại ở dạng liên kết với protein,khoáng và các hợp chất hữu cơ
khác, do vậy gây khó khăn cho việc tách chiết chúng ra khỏi phế liệu.
Nguyên liệu Protein Chitin Lipid Tro Calci Phospho
Đầu tôm 53.5 11.1 8.9 22.6 7.2 1.68
Vỏ tôm 22.8 27.2 0.4 31.7 11.1 3.16
2
Canxi: Trong vỏ, đầu tôm có chứa một lượnglớn muối vô cơ, chủ yếu là
muối CaCO
3
.
Sắc tố: Trong vỏ tôm thường có nhiều loại sắc tố nhưng chủ yếu là
astaxanthin –dẫn xuất của caroten, thường ở dạng liên kết với acid béo (ester hóa)
hay với protein tạo nên một phức hợp chặt chẽ có màu xanh đặc trưng cho tôm. Khi
liên kết này bị phá vỡ thì astaxanthin dễ dàng bị oxi hóa thành astaxin.
Ngoài các thành phần chính kể trên, trong vỏ và đầu tôm còn có các thành
phần khác như: nước, lipid, phospho,enzyme
Enzyme: Trong phế liệu tôm cũng có chứa một số loại enzyme, theo Tạp chí
Khoa học và Công nghệ Thủy sản(số 5/1993) thì hoạt độ enzyme protease của đầu
tôm khoảng 6,5 đơn vị hoạt độ/gam tươi.
Từ thành phần hóa học của phế liệu tôm cho thấy đây là nguồn nguyênliệu
phong phú không chỉ sản xuất Chitin –Chitosan mà còn chứa một lượng protein,
astaxanthin và các acid béo không no có lợi cho cơ thể cần được thu hồi, đểtận
dụng làm thức ăn chăn nuôi. Từ đó, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế, đồng thời
giảm ô nhiễm môi trường, đưa ngành thủy sản phát triển một cách bền vững.
1.1.2. Sản lượng phế liệu tôm [15]
Năm 2009, sản lượng tôm nuôi của Châu Á đạt 2,83 triệu tấn, trong đó có
2,307 triệu tấn tôm chân trắng (Panaeus vannamei) và 522.000 tấn tôm sú (P.
monodon). Sản lượng tôm nuôi năm 2009 và triển vọng củanăm 2010 tại một số
quốc gia nuôi tôm chủ yếu ở Châu Á:
Trung quốc, năm 2009 ước tính đạt 1,2 triệu tấn tôm chân trắng, trong đó có
560.000 tấn nuôi trong các ao ven bờ. Sản lượng nuôi tôm sú và các loại khác trong
họ tôm He (Penaeidae) như P. chinensis P. japonicuslà 150.000 tấn. Năm 2010,
ước tính tổng sản lượng tôm nuôi đạt 1,45 triệu tấn.
Thái Lan, năm 2009 sản lượng tôm nuôi ước tính khoảng từ 520.000 –
537.000 tấn. Từ năm 2010 –2012, ước tính sản lượng đạt 525.000 tấn năm 2010,
tăng lên 551.000 tấnnăm 2011 và 578.000 tấn năm 2012.
3
Việt Nam, từ cuối năm 2008 –2009 sản lượng tôm sú ước tính giảm khoảng
40%.
Indonesia sản lượng rôm nuôi giảm, ước tính chỉ đạt 345.000 tấn. Năm 2010,
với việc khôi phục lại sản xuất từ các vùng nuôi tôm bị dịch bệnh ở Lampung,
Medan và Đông Java, dự tính sản lượng sẽ tăng lên 265.000 tấn tôm chân trắng và
120.000 tấn tôm sú.
Căn cứ vào tình hình trên cho thấy, năm 2009 sản lượng tôm trên thế giới và
Châu Á có giảm do các nguyên nhân về thời tiết, dịch bệnh và đặc biệt do ảnh
hưởng của cuộc khủng hoảng kinh tế -tài chính thế giới năm 2008. Tuy nhiên, sang
năm 2010 sản lượng tôm tăng trở lại, kéo theo lượng phế liệu đầu và vỏ tôm cũng
tăng.
1.1.3. Các hướng tận dụng phế liệu tôm hiện nay[4]
Phế liệu từ các khâu chế biến cần được thu hồi và bảo quản thích hợp. Cần
phải thu gom riêng những loại khác nhau như đầu, vỏ, do thành phần và tiềm
năng sử dụng, giá trị sử dụng của chúng khác nhau đáng kể.
Phế liệu tôm dễ hỏng một phần vì chứa enzym phân giải protein, một phần
do quá trình phân huỷ vi sinh. Lượng protein ở đầu tôm mất đi vì bị ươn thối có tới
trên 10% đồng thời có thể làm giảm chất lượng sản phẩm tôm. Để hạn chế sự ươn
thối này, cần thường xuyên thu gom và bảo quản lạnh phế liệu. Ngoài ra còn phải
tiến hành ngay các công đoạnchế biến tiếp theo như luộc, cấp đông hay sấy khô để
chế biến phế liệu thành bán thành phẩm ổn định, sau đó sẽ được sử dụng hoặc bán.
1.1.3.1 Sản xuất Chitin –chitosan[4]
Chitin là polysaccharide có đạm, thành phần cần thiết của vỏ giáp xác. Trong
vỏ tôm, cua hàm lượng chitin rất cao (10 –20% trọng lượng vỏ khô). Việc sản xuất
chitin, chitosan nhìn chung gồm các công đoạn sau :
 Tách khoáng.
 Tách protein.
 Deacetyl bằng xút nồng độ cao.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt
1. Hoàng Thị Huệ An, 2002. Nghiên cứu chiết xuất Astaxanthin từ phế liệu vỏ
tôm. Luận văn thạc sĩ, Trung tâm KHTN-CN Quốc gia, Hà Nội.
2. Nguyễn Trọng Cẩn (chủ biên), Nguyễn Thượng Hiền, Đỗ Thị Giang, Trần
Thị Luyến, “Công nghệ enzym”, Nhà xuất bản Nông nghiệp, TP. Hồ Chí
Minh, 1998.
3. Trần Ngọc Châu (2000), “Nghiên cứu quy trình chiết rút astaxanthin từ vỏ
tôm”, Luận văn tốt nghiệp, Đại học Thủy Sản, Nha Trang.
4. Nguyễn Hữu Dũng, “Tận dụng phế liệu tôm”, Dự án cải thiện chất lượng và
xuất khẩu thủy sản SEAQID, NXB Nông nghiệp, 2005.
5. Nguyễn Việt Dũng (1999), “Nghiên cứu sự biến đổi của tôm sau khi chết và
phương pháp bảo quản tôm nguyên liệu”, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường
đại học kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
6. Nguyễn Thị Hiền, “Xử lý và tận dụng phế liệu tôm”, Tiểu luận, Đại học Bách
khoa TP Hồ Chí Minh, 2010.
7. Đỗ Thị Hòa (2004), “Nghiên cứu thu hồi protein trong quy trình sản xuất
chitin và đề nghị phương hướng sử dụng”, Luận văn tốt nghiệp, Đại học
Thủy Sản, Nha Trang.
8. Đặng Văn Hợp, Đỗ Minh Phụng, (1997). “Phân tích kiểm nghiệm sản phẩm
thủy sản”, trường Đại học Nha Trang.
9. Đặng Thị Thu Hương, “Bài giảng phương pháp bố trí thí nghiệm và xửlý số
liệu”. Trường Đại học Nha Trang.
10. Trần Thị Luyến (2000), “Hoàn thiện quy trình sản xuất Chitin –Chitosan và
chế biến một số sản phẩm công nghiệp khác từ phế liệu tôm”, Báo cáo khoa
học –đề tài cấp Bộ, trường Đại học Nha Trang.
11. Trần Thị Luyến (2004), “Báo cáo tổng kết dự án sản xuất thử nghiệm cấp bộ
sản xuất Chitin, Chitosan từ phế liệu chế biến thủy sản”, Mã số B2002-33-01-DA, Trường Đại học Nha Trang.
43
12. Trần Lê Minh, “So sánh khả năng thủy phân protein của 3 loại enzyme
protease thương mại: Alcalase, Flavourzyme và Protamex trong quá trình
thu nhận phức hợp carotenoprotein từ phế liệu đầu tôm”, Luận văn tốt
nghiệp, Đại học Nha Trang.
13. Lê Văn Nhật (2005), “Nghiên cứu thu hồi protein và astaxanthin trong quy
trình sản xuất chitin”, Luận văntốt nghiệp, Đại học Nha Trang.
14. Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn (2009), “Báo cáo tổng kết năm 2006
–2009”.
15. Tạp chí Thương mại Thủy sản (3/2010),Nuôi tôm biển ở Châu Á năm 2009,
xu hướng sản lượng, số 123.
16. Trang Sĩ Trung, 2008, “Nghiên cứu kết hợp phương pháp sinh học để nâng
cao hiệu quả quy trình sản xuất chitin –chitosan từ phế liệu vỏ đầu tôm”,
Báo cáo đề tài cấp Bộ.
17. Trang Sĩ Trung, 2009, “Đánh giá chất lượng sản phẩm và hiệu quả môi
trường của quy trình sản xuất Chitin cải tiến kết hợp sử dụng enzyme”. Tạp
chí Khoa học –Công nghệ Thủy sản, số 1, Trường Đại Học Nha Trang.
18. Lê Ngọc Tú (chủ biên) và các đồng tác giả, Hóa sinh công nghiệp, NXB
Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1997.
19. Trần Quốc Sơn (1982), Cơ sơ lý thuyết hóa hữu cơ, tập 1, NXB Giáo dục.
Tài liệu tiếngAnh
20. AOAC, 1990. Official methods of analysis. 15
th
edition, Washington DC:
Association of Analytical Chemists.
21. Arad S.M., and Yaron A., 1992. Naturalpigment from red microalgae for
use in foods and cosmetics. Trends in Food Science & Technology3: 92-97.
22. Armenta R.E., and Guerrero-Legarreta I., 2009. Amino acid profile and
enhancement of enzymatic hydrolysis of fermented shrimp carotenoproteins.
Food Chemistry112: 310-315.
23. Bautista J., Corpas R., Cremandes O., Hernandez-Pinzon I., Ramos R.,
Villanueva A., Sanchez-Vioque R., Clemente A., Pedroche J., Vioque J.,
44
Parrado J., & Millan F., 2000. Sunflower protein hydrosylates for dietary
treatment of patients with liver failures. Journal American Oil Chemist
Society77: 121-126.
24. Chakrabarti R., 2002.Carotenoprotein from tropical brown shrimp waste by
enzymatic process. Food Biotechnology16(1): 81-90.
25. De Sio, ServilloF.L., LoiuduceR., LarattaB., and CastaldoD., 2001,
Achromatographic procedure for the determination of carotenoids and
chlorophylls in vegetable products. Acta Allimen30: 395–405.
26. Fereidoon Shahidi (1999), Food applications of chitin and chitosans, Trends
in Food science & Technology.
27. Garate A.M., Milicua J.C.G., Gomez R., Macarulla J.M., and Britton G.,
1986. Purificationand characterization of the blue carotenoprotein from the
carapace of the crayfish Procambarus clarkii (Girard). Biochemica et
Biophysica Acta881: 446-455.
28. George Britton (1995), Structure and properties of carotenoids in relation of
funtion, the FASEB journal, Vol 9, December, 1551-1558.
29. J. F. Peberdy (1999), Biotechnologycal approaches to the total utilisation of
crustacean shellfish and shellfish waste, Summary reports of European
Commission supported STD-3 projects, University of Nottingham, England
30. Kyaw Nyein Aye and Willem F Stevens∗, 2004. “Improved chitin
production by pretreatment of shrimp shells”. Thailand.
31. Lorentz R.T., and Cysewski G.R., 2000. Commercial potential for
Haematococcus microalgaeas a natural source of astaxanthin. Trends
Biotechnol 18: 160-167.
32. Lee S.H., Roh S.K., Park K.H., and Yoon K.R., 1999.Effective Extraction of
Astaxanthin Pigment from Shrimp Using Proteolytic Enzymes. Biotechnol.
Bioprocess Eng4: 199-204
45
33. Meyers S.P., 1994. Developments in world aquaculture, feed formulations,
and role of carotenoids. Pure Applied Chemistry66: 1069-1076.
34. Oshima T., 1998. Recovery and use of Nutraceutical products from marine
resources. Food Technology52: 50-54.
35. Robert GAF, Domard A, Varum K, editors, Advances in chitin sciences,vol.
2. Lyon, France: Jacques Andre, 1997.
36. Shahidi F., and Synowiecki J., 1991. Isolation and characterization of
nutrients and value-added products from snow crab (Chinoecetes opilio) and
shrimp (Pandalus borealis) processing discards. Journal of Agricultural and
Food Chemistry39: 1527-1532.
37. Timme E., Walwyn D., and Bailey A., 2009. Characterisationof the
carotenoprotein found in carapace shells of Jasus lalandii. Comparative
Biochemistry and PhysiologyPart B 153: 39-42.
38. Zagalsky P.F., 1976. CAROTENOID-PROTEIN COMPLEXES. Pure &
Appl. Chem 47: 103-120
39. Zagalsky P.F., Eliopoulos E.E., and Findlay B.C., 1991. The lobster carapace
carotenoprotein, α-crustacyanin. Biochem. J.274: 79-83.
40. Weaver C.M., Schmidl M.K., Woteki C.E., & Bidlack W.R., 1993.Research
needs in diet, nutrition andhealth. Food Technology47: 14S-17S, 25S.
41. Holanda H.D.D., Netto F.M., 2006. Recoveryof components from shirmp
(Xiphopenaeus kroyeri) processing waste by enzymatic hydrolysis. Journal
of Food Science71: 298-303.