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

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 đến 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 iv
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
Bảng 17. Kết quả hàm lượng protein ở các chế độ khử protein bằng NaOH 49
iv
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 52
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 HCl55
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
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 NaOH10
v
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 14
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 18
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 chứng) 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 51
Hình 20. Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa chế độ ngâm C6H5COOH theo
phương pháp đường “lên dốc” của BoxWillson 54
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 20
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 khử
protein và khử khoáng bằng C6H5COOH 23
viii
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 yếu 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 được giá trị của 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 sản xuất phải thu nhân nguyên liệu từ
các khu vực xa, không tập trung và khối lượng không lớn gây khó khăn về chi phí
vận chuyển. Do vậy việc nghiên cứu ứng dụng chế độ thủy phân bằng enzyme góp
1
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.
PHẦN 1.
2
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.
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-COCH
3
Chitosan : R : -NH
2
3
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: (C
8
H
13
O
5
N)
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 : (C
6
H
11
O
4
N)
n
Phân tử lượng: M= (161,07)
n
Công thức cấu tạo :
4
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 KMnO
4
, 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
(NH
3
), 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 (NHCOCH
3
) 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%.
5
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, động vật, thực 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
thương, vết phỏng, vết mổ vô trùng, thuốc bổ dưỡng cơ thể: Hạ lipid và cholesterol
6
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.
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.
7
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 Na
2
SO
4
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 lượng 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
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
8
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 vỏ 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 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
9
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
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 lớp vỏ còn lại, bắt
màu xanh với anilin xanh. Lớp biểu bì có lipid vì vậy nó cản trở tác động của acid ở
nhiệt độ thường hơn các lớp bên trong. Màu của lớp này thường vàng rất nhạt.
10
- Lớp canxi hóa: Lớp này chiếm phần lớn lớp vỏ, thường có màu xanh trải
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 của đầu 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 CaCO
3
, hàm lượng Ca
3
(PO
4
)
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.
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
11
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 hữu 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 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:
CaCO
3
+ 2HCl = CaCl
2
+ CO
2

+ H
2
O
Ca
3
(PO
4
)
2
+ 6HCl = 3CaCl
2
+ 2H
3
PO
4
Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình này là:
12
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 đạt
được bằng phương pháp sinh học . Vì vậy, người ta có thể kết hợp hai phương pháp
này nhằm khắc phục những nhược điểm của từng phương pháp. Hiện nay, một
trong những khó khăn trong phương pháp hoá học để sản xuất chitin là thể tích chất
thải có chứa các chất ăn mòn, các chất lơ lửng khó xử lý quá lớn. Những chất này là
do trong công đoạn khử khoáng và khử protein sinh ra. Chính vì vậy, cần thiết phải
có các biện pháp xử lý trước khi thải ra môi trường và điều này làm cho giá thành
sản phẩm tăng lên. Quá trình sản xuất chitin bằng phương pháp hoá học có thể gây
nên sự thuỷ phân polymer (Simpson và cộng sự, 1994; Healy và cộng sự, 1994),
biến đổi tính chất vật lý (Gagne và Simpson, 1993) và gây ô nhiễm môi trường
13
(Allan và cộng sự, 1978) [20]. Điều này là do không xác định được bản chất hoạt
động của hoá chất cũng như sự khác nhau về hàm lượng chitin trong nguyên liệu.
Ngược lại, trong phương pháp sinh học thì thể tích chất không lớn, protein sau quá
trình thủy phân bằng enzyme có thể được thu hồi làm bột dinh dưỡng, thức ăn cho
gia súc, gia cầm, các chất khác như lipid, các sắc tố cũng được thu hồi. Hơn nữa sẽ
hạn chế được việc xử lý môi trường. Vì vậy, muốn sản phẩm chitin có được sự đồng
nhất hơn về các đặc tính lý hoá thì chúng ta phải áp dụng những phương pháp xử lý
nhẹ hơn như việc sử dụng enzyme.
Legarraeta và cộng sự (1996) đã sử dụng enzyme protease và vi khuẩn có
khả năng tạo protease để tách protein nhằm thay thế cho phương pháp hoá học. Quá
trình này giúp tận dụng tối đa giá trị của nguồn phế liệu và hạn chế ảnh hưởng đến
môi trường. Hall & De Silva (1994) đã đề xuất một phương pháp khử khoáng đơn
giản bằng việc sử dụng lên men lactic như là một phương pháp bảo quản phế liệu.

Phương pháp này là dạng ủ chua ban đầu được phát triển cho bảo quản phế liệu tôm
pandan trước quá trình chế biến ở khí hậu nhiệt đới.
1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHITIN-CHITOSAN TRÊN THẾ
GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
Việc nghiên cứu về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất lý hóa ứng dụng của
Chitosan đã được công bố từ những năm 30 của thế kỷ XX. Những nước đã thành
công trong lĩnh vực nghiên cứu sản xuất chitosan đó là: Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Ấn
Độ, Pháp.
Cho đến nay trên thế giới đã có nhiều quy trình sản xuất chitin-chitosan, với
nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau nhưng chủ yếu là vỏ tôm, cua, ghẹ như:[5]
1.3.1. Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học
- Quy trình của Stevens
14
Hình 3.Quy trình của Stevens (2002) Học Viện Công Nghệ Châu Á
Cao hơn 1%
Cao hơn 1%
Phế liệu tôm tươi
Khử protein
(NaOH 4%, t = 24 giờ,
t
o
=30
o
C)
Kiểm tra hàm lượng protein
Khử khoáng
(HCl 4%, t=24 giờ, t
o
=30
o

C)
Kiểm tra hàm lượng khoáng
Chitin
15
- Quy trình sản xuất Chitosan từ vỏ tôm hùm của Hackman:
HCl 2M
t
o
phòng
t = 48h
w/v = 1/2.5
Vỏ tôm hùm
Ngâm HCl
Rửa trung tính,sấy khô, nghiền mịn
Ngâm HCl
Li tâm
Rửa trung tính
Ngâm NaOH
Li tâm
Rửa trung tính
Ngâm NaOH
Li tâm
Rửa trung tính
Rửa sạch bằng li tâm
Làm khô
Chitin dạng bột màu kem
NaOH 1M
t
o
= 100

o
C
t= 42h
w/v = 1/2,5
NaOH 1M
To = 100
o
C
T= 12h
w/v = 1/2,5
HCl 2M
t
o
phòng
t = 5h
w/v= 1/10
16
Hình 4.Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm hùm của Hackman
Nhận xét: Quy trình này gồm nhiều công đoạn, thời gian sản xuất kéo dài 65
giờ nên chỉ có ý nghĩa trong công tác nghiên cứu thí nghiệm vì khi đưa ra sản xuất
đại trà thì thiết bị cồng kềnh, tốn kém, hóa chất đắt tiền, dễ hao hụt khi sản xuất.
- Quy trình thủy nhiệt của Yamashaki và Nakamichi (Nhật Bản):
Hình 5.Quy trình nhiệt của Yamashaki và Nakamichi (Nhật Bản)
Nhận xét: Quy trình đã đơn giản hóa công đoạn, rút ngắn đáng kể thời gian
sản xuất so với các quy trình khác. Hóa chất sử dụng ít (HCl và NaOH), chitosan
thu được có độ tinh khiết cao. Tuy nhiên sản phẩm chitosan thu được có độ nhớt
thấp do nhiệt độ xử lý ở các công đoạn khá cao.
1.3.2. Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học cải tiến:
Vỏ cua khô
Khử chất vô cơ

Rửa trung tính
Sấy khô
Khử protein và chitin
Rửa trung tính
HCl 2M
t
o
=120
o
C
t= 1h
NaOH 15M
t
o
= 150
o
C
t = 1h
Sấy khô
Chitosan
17