Tiến Sĩ Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin – chitosan từ phế liệu tôm thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu qu

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
PHẦN MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5
1.1. TÔM THẺ CHÂN TRẮNG VÀ TÌNH HÌNH CHẾ BIẾN Ở VIỆT NAM 5
1.2. GIÁ TRỊ CỦA NGUYÊN LIỆU CÒN LẠI TỪ QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN TÔM
.8
1.2.1. Tỷ lệ nguyên liệu còn lại trong công nghiệp chế biến tôm 8
1.2.2. Thành phần hóa học của nguyên liệu còn lại trong công nghiệp chế biến tôm và
tiềm năng khai thác 9
1.2.3. Hệ protease trên đầu tôm 10
1.2.4. Thu hồi protein từ nguyên liệu còn lại của quá trình chế biến tôm . 11
1.3. CHITIN VÀ CÔNG NGHỆ THU HỒI TỪ VỎ ĐỘNG VẬT GIÁP XÁC . 12
1.3.1. Sự tồn tại của chitin trong tự nhiên 12
1.3.2. Tính chất của chitin 13
1.3.3. Công nghệ thu hồi chitin từ vỏ động vật giáp xác . 15
1.4. CHITOSAN VÀ QUÁ TRÌNH DEACETYL CHITIN 20
1.4.1. Chitosan và tính chất của nó 20
1.4.2. Quá trình deacetyl chitin 21
1.5. ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA CHITIN, CHITOSAN 23
1.5.1. Phương pháp xác định độ tinh sạch . 23
1.5.2. Phương pháp xác định phân tử lượng 24
1.5.3. Phương pháp xác định độ deacetyl 25
1.5.4. Phương pháp đánh giá mức độ kết tinh . 26
1.6. ỨNG DỤNG CỦA CHITIN, CHITOSAN VÀ DẪN XUẤT 26
1.7. THU HỒI VÀ XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU CÒN LẠI TRONG QUÁ TRÌNH SẢN
XUẤT TÔM Ở VIỆT NAM 28
1.7.1. Các nghiên cứu cải tiến công nghệ thu nhận chitin và chitosan 28
1.7.2. Các nghiên cứu về thu hồi protein và enzyme protease . 30

1.7.3. Tình hình sản xuất chitin, chitosan 31
1.8. TỐI ƯU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẶT ĐÁP ỨNG 32
1.9. PEPSIN VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG 33
1.9.1. Đặc điểm và cơ chế hoạt động của pepsin . 33
1.9.2. Nguồn thu nhận Pepsin 34
1.9.3. Tiềm năng ứng dụng của pepsin 35
1.10. NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC ENZYME 36
1.10.1. Xu hướng hiện đại trong nghiên cứu động học enzyme . 36
1.10.2. Động học quá trình thủy phân protein 37
1.11. ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG THU HỒI SẢN PHẨM HỮU ÍCH
.37
1.11.1. Sóng siêu âm và cơ chế tác động 37
1.11.2. Tác dụng của sóng siêu âm đến hoạt động của enzyme . 39
1.11.3. Ứng dụng sóng siêu âm trong quá trình thu hồi chitin - chitosan . 39
CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU & PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43
2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU 43
2.1.1. Nguyên liệu tôm thẻ chân trắng (Panaeus vannamei) . 43
2.1.2. Pepsin . 43
2.1.3. Hóa chất . 43
2.1.4. Thiết bị tạo sóng siêu âm . 44
2.2. BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM . 44
2.2.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm . 44
2.2.2. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát . 44
2.2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm chi tiết 46
2.3. PHƯƠNG PHÁP THU THẬP THÔNG TIN, DỮ LIỆU . 65
2.3.1. Xác định thành phần khối lượng của nguyên liệu . 65
2.3.2. Xác định các thành phần hóa học cơ bản . 65
2.3.3. Xác định thành phần acid amin và thành phần khoáng . 65
2.3.4. Xác định hoạt độ enzyme . 65
2.3.5. Xác định khả năng chống oxy hóa của sản phẩm thủy phân protein . 66
2.3.6. Xác định tính chất của chitin và chitosan 66
2.3.7. Xác định các thông số động học 68
2.3.8. Xác định các hàm mục tiêu 68
2.4. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU . 69
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 71
3.1. THÀNH PHẦN CỦA ĐỐI TƯỢNG TÔM THẺ CHÂN TRẮNG 71
3.1.1. Thành phần khối lượng và hóa học cơ bản của đối tượng nghiên cứu 71
3.1.2. Thành phần acid amin, khoáng và kim loại nặng của đối tượng nghiên cứu 72
3.2. THU HỒI CHITIN VÀ DỊCH PROTEIN CÓ HOẠT TÍNH SINH HỌC TỪ
NGUYÊN LIỆU ĐẦU TÔM THẺ CHÂN TRẮNG . 75
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian lưu giữ đến sự biến đổi của nguyên liệu còn lại 75
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến khả năng hoạt động của hệ
enzyme protease nội tại trên đầu tôm thẻ chân trắng tươi . 77
3.2.3. Nghiên cứu chế độ thu hồi protein và chitin từ đầu tôm thẻ chân trắng 78
3.3. THU HỒI CHITIN VÀ DỊCH PROTEIN CÓ HOẠT TÍNH SINH HỌC TỪ VỎ
TÔM THẺ CHÂN TRẮNG . 85
3.3.1. Thiết lập chế độ xử lý với HCl . 85
3.3.2. Đánh giá khả năng sử dụng pepsin để kết hợp khử protein và khử khoáng 87
3.3.3. Tối ưu hóa quá trình khử protein bằng enzyme pepsin trên vỏ tôm thẻ chân
trắng . 91
3.3.4. Kết hợp sóng siêu âm để tăng cường hiệu quả khử protein và khoáng khi xử lý
với pepsin . 95
3.4. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH KHỬ PROTEIN CỦA PEPSIN . 106
3.4.1. Đặc điểm quá trình khử protein với xúc tác của pepsin . 106
3.4.2. Xác định phương trình động học . 109
3.5. NÂNG CAO HIỆU QUẢ DEACETYL TRONG ĐIỀU KIỆN DỊ THỂ . 113
3.5.1. Tác dụng hỗ trợ của công đoạn tiền xử lý 113
3.5.2. Đánh giá khả năng hỗ trợ quá trình deacetyl của sóng siêu âm . 116
3.5.3. Động học quá trình deacetyl khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm 120
3.5.4. Ảnh hưởng của nồng độ, nhiệt độ và thời gian đến độ deacetyl và độ hòa tan
trong điều kiện deacetyl dị thể với sóng siêu âm . 125
3.5.5. Tối ưu quá trình deacetyl . 127
3.6. ĐỀ XUẤT QUI TRÌNH THU NHẬN CHITIN, CHITOSAN, PROTEIN THEO
CÔNG NGHỆ CẢI TIẾN VÀ ĐÁNH GIÁ LỢI ÍCH . 134
3.6.1. Qui trình thu nhận chitin, chitosan và protein theo công nghệ cải tiến đề xuất .
. 134
3.6.2. Chất lượng của chitin và chitosan thu được theo qui trình đề xuất . 138
3.6.3. Đánh giá hiệu quả của các qui trình theo công nghệ đề xuất . 140
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 145
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO . 147
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ . 167
PHỤ LỤC .
PHẦN MỞ ĐẦU
Việt Nam là một trong những nước xuất khẩu tôm hàng đầu trên thế giới với
hai đối tượng nuôi chính là tôm sú và tôm thẻ chân trắng, tổng khối lượng sản phẩm
tôm sú và tôm thẻ năm 2012 đã đạt trên 480 ngàn tấn, trong đó lượng tôm thẻ chân
trắng đạt trên 130 ngàn tấn và có xu hướng gia tăng [102]. Song song với các sản
phẩm xuất khẩu chính, một lượng đáng kể đầu và vỏ tôm cũng được tạo ra từ các
qui trình sản xuất, ước tính lên đến 200 ngàn tấn mỗi năm [20]. Trên đầu và vỏ tôm
có chứa một lượng đáng kể protein, chitin, protease và astaxanthin. Do đó, việc xử
lý kịp thời và hiệu quả lượng đầu và vỏ tôm không những sẽ góp phần hạn chế ô
nhiễm môi trường mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh và hiệu quả sử
dụng tài nguyên thông qua việc thu hồi các hợp chất có hoạt tính sinh học [27].
Với lượng lớn đầu và vỏ tôm tạo ra từ ngành công nghiệp chế biến tôm, Việt



Nam có đủ nguồn nguyên liệu để hình thành ngành công nghiệp sản xuất chitin và
các dẫn xuất của nó tuy nhiên trên thực tế lĩnh vực này ở nước ta hiện còn nhiều hạn
chế: qui mô sản xuất nhỏ lẻ, chủng loại sản phẩm không đa dạng, chất lượng thấp,
khả năng ứng dụng và thương mại hóa sản phẩm kém, không cho phép thu hồi đồng
thời protein và các hợp chất có giá trị sinh học khác nên hiệu quả kinh tế không cao
và đặc biệt là gây ô nhiễm môi trường rất nghiêm trọng [9], [20]. Do vậy, để có thể
khai thác hiệu quả nguồn nguyên liệu còn lại dồi dào từ quá trình chế biến tôm ở
nước ta, đặc biệt là với tôm thẻ chân trắng - một đối tượng nuôi mới, đồng thời thúc
đẩy sự hình thành và phát triển bền vững ngành công nghiệp sản xuất các sản phẩm
có giá trị gia tăng từ nguồn nguyên liệu này cần có thêm các nghiên cứu chuyên sâu
làm cơ sở cho việc cải tiến công nghệ thu hồi chitin, chitosan và cả protein.
Công nghệ thu hồi chitin đang được áp dụng chủ yếu dựa vào phương pháp
hóa học nhưng đến nay phương pháp này đã bộc lộ nhiều nhược điểm cần xử lý:
ảnh hưởng sâu sắc đến các đặc tính sinh học quí giá của protein và sắc tố có trên
nguyên liệu tôm, gây ảnh hưởng lớn đến mạch polysaccaride của chitin và thải ra
một lượng lớn hóa chất và chất thải [95], [98]. Phương pháp thu hồi chitin bằng
công nghệ sinh học hạn chế được ô nhiễm môi trường, cho phép thu hồi đồng thời
các hợp chất sinh học khác, giữ được đặc tính của mạch polysaccarite nhưng lại
chưa đáp ứng được yêu cầu về mặt hiệu quả kinh tế do chi phí lớn, thời gian kéo dài
và mức độ tách tạp chất không triệt để [27], [120], [164]. Kết hợp phương pháp sinh
học và phương pháp hóa học đang là hướng đi được quan tâm do hạn chế được
lượng hóa chất sử dụng và cho phép thu hồi đồng thời các hợp chất có hoạt tính sinh
học khác, mà chủ yếu là protein, bên cạnh chitin. Tuy nhiên để có thể áp dụng
phương pháp này vào thực tiễn vẫn cần có thêm các giải pháp công nghệ bổ sung để
rút ngắn thời gian và tiết giảm chi phí chung đồng thời thu thập các thông tin động
học để kiểm soát quá trình [151].
Xu thế mới trong cải tiến công nghệ hiện nay là chú trọng khai thác và áp
dụng tác nhân vật lý để hỗ trợ quá trình hóa học và sinh học, trong đó sóng siêu âm
đang đặc biệt được quan tâm. Sóng siêu âm là một tác nhân vật lý "xanh" đã được
chứng minh hiệu quả và triển khai ở qui mô công nghiệp trong nhiều lĩnh vực như
chế biến thực phẩm, công nghiệp hóa học, công nghiệp dệt [40], [42], [52], [140].
Do đó nghiên cứu kết hợp xử lý sóng siêu âm trong quá trình sản xuất chitin,
chitosan có thể mở ra một hướng đi mới, giúp cải tiến hiệu quả công nghệ thu hồi
chitin, chitosan hiện có.
Luận án " Tối ưu hóa quá trình thu nhận chitin-chitosan từ phế liệu tôm
thẻ chân trắng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm" được thực
hiện với mục đích nghiên cứu kết hợp phương pháp enzyme, phương pháp hóa học
với phương pháp vật lý để đề xuất một hướng đi mới cho phép cải tiến công nghệ
sản xuất chitin, chitosan ở Việt Nam.
Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu của luận án là tối ưu hóa các công đoạn
chính trong quá trình thu nhận chitin, chitosan bằng công nghệ kết hợp nhằm nâng
cao chất lượng sản phẩm, giảm lượng hóa chất sử dụng, tận dụng được nguồn
protein có giá trị sinh học và hạn chế ô nhiễm môi trường.
Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu trong luận án là nguyên liệu
còn lại (phần đầu và phần vỏ thân) của quá trình chế biến tôm thẻ chân trắng
(Penaeus vannamei) xuất khẩu, có kích cỡ trung bình khoảng từ 81ư120 con/kg,