nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sản xuất chitin từ vỏ tôm thẻ chân trắng với sự kết hợp của alkalase – pepsinvà hcl

i

MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC i
LỜI MỞ ĐẦU 1
PHẦN 1: TỔNG QUAN 3
1.1. TỔNG QUAN VỀ CHITIN 3
1.1.1. Cấu trúc và tính chất của chitin 3
1.1.2. Ứng dụng của chitin – chitosan 4
1.2. TỔNG QUAN VỀ PHẾ LIỆU TÔM 6
1.2.1. Tỷ lệ thu hồi phế liệu tôm 6
1.2.2. Cấu tạo và thành phần sinh hóa của vỏ tôm 7
1.2.3.Thành phần sinh hoá của vỏ tôm 8
1.3. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN 9
1.3.1. Giới thiệu công nghệ sản xuất chitin 9
1.3.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin trên thế giới và ở Việt Nam 11
1.3.2.1. Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học
12
1.3.2.2. Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học cải tiến
15
1.3.2.3. Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp sử dụng enzyme
21
1.4. Tổng quan về enzyme protease 23
1.4.1. Phân loại protease 23
1.4.2 Nguồn thu nhận enzyme protease 24
1.4.3. Một số loại protese thường dùng 25
PHẦN 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26
2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 26
2.1.1. Nguyên liệu vỏ tôm 26
2.1.2. Enzyme Protease 26

2.1.3. Hóa chất 26
2.2.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26
2.2.1.Phương pháp thu nhận mẫu 26
ii

2.2.2. Bố trí thí nghiệm 26
2.2.2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát
26
2.2.2.2. Bố trí thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của xử lý nhiệt nguyên liệu trước khi
thủy phân
28
2.2.2.3. Thí nghiệm xác định chế độ khử protein tối ưu bằng enzyme Alcalase
28
2.2.2.4. Thí nghiệm xác định chế độ khử protein tối ưu bằng enzyme Pepsin
29
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÓA HỌC 32
2.3.1 Xác định hàm lượng ẩm bằng phương pháp sấy ở nhiệt độ 105
o
C theo
TCVN 3700-1990 32
2.3.2. Xác định hàm lượng khoáng bằng phương pháp nung ở 600
o
C 32
2.3.3. Xác định hàm lượng protein theo phương pháp của Hein và cộng sự năm 2004 32
2.3.4. Xác định hiệu quả khử protein 33
2.3.5. Phương pháp xử lý số liệu: 33
PHẦN 3: kẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 34
3.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý nhiệt nguyên liệu trước thủy phân 34
3.2.Kết quả nghiên cứu công đoạn khử protein bằng enzyme Alcalase 35
3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố đến công đoạn khử protein bằng

enzyme Pepsin 40
3.4.Kết quả nghiên cứu tối ưu công đoạn khử protein bằng enzyme Pepsin và HCl 44
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾn 51
Một số đề xuất cần tiếp tục nghiên cứu: 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO 52
PHỤ LỤC 54
iii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu tạo của Chitin 4
Hình 1.2. Quy trình của Stevens (2002) Học Viện Công Nghệ Châu Á 12
Hình 1.3. Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm hùm của Hackman……………
Hình 1.4. Quy trình nhiệt của Yamashaki và Nakamichi (Nhật Bản) 14
Hình 1.5. Quy trình sản xuất của Pháp 15
Hình 1.6. Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy Sản 16
Hình 1.7. Quy trình sản xuất Chitosan ở Trung tâm cao phân tử thuộc Viện khoa
học Việt Nam 17
Hình 1.8. Quy trình sản xuất Chitosan từ vỏ tôm Sú bằng phương pháp hóa học với
một công đoạn xử lý kiềm 18
Hình 1.9. Quy trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thủy sản. 20
Hình 1.10. Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto (2006). 21
Hình 1.11. Quy trình sử dụng Enzyme papain để sản xuất chitosan 22
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 27
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt lên nguyên liệu
trước thủy phân 28
Hình 3.1: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý nhiệt nguyên liệu trước thủy phân 34
Hình 3.2.a. Mô hình biểu diễn phân phối chuẩn 48
Hình 3.2.b. Mô hình biểu diễn phân phối chuẩn……… 49
Hình 3.3. Đồ thị 3D biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt và thời gian tới hiệu quả khử protein 55
Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của các yếu tố 42

Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn sự tương tác giữa nhiệt độ và nồng độ ảnh hưởng đến
hiệu quả khử protein 43
Hình 3.6: Mô hình biểu diễn phân phối chuẩn 48
Hình 3.7: Đồ thị 3D biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt và nồng độ tới hiệu quả khử protein .50

iv

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số chỉ tiêu chất lượng của chitosan từ vỏ tôm sú theo phương pháp
xử lý kiềm một giai đoạn 19
Bảng 2.1: Ma trận thí nghiệm tối ưu quá trình khử protein lần 1 với Alcalase 29
Bảng 2.2. Ma trận thí nghiệm nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình thủy
phân Pepsin 30
Bảng 2.3: Ma trận thí nghiệm dự kiến 32
Bảng 3.1 . Kết quả hàm lượng protein còn lại ở các chế độ khử protein bằng
enzyme Alcalase 35
Bảng 3.2. Lựa chọn hàm cho mô hình 36
Bảng 3.3. Kết quả phân tích ANOVA 36
Bảng 3.4. Kết quả phân tích các chỉ số thống kê 37
Bảng 3.5: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các nhân tố đến công đoạn khử
protein bằng enzyme Pepsin 41
Bảng 3.6: Kết quả đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố 42
Bảng 3.7: Kết quả hàm lượng protein còn lại ở các chế độ khử protein bằng enzyme
Pepsin - HCl 44
Bảng 3.8. Lựa chọn hàm cho mô hình 45
Bảng 3.9: Kết quả phân tích Anova 45
Bảng 3.10: Kết quả phân tích các chỉ số thống kê mô hình 2FI 46

1

LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Giáp xác là nguồn nguyên liệu thủy sản dồi dào chiếm 1/3 tổng sản lượng
nguyên liệu thủy sản ở Việt Nam. Trong công nghiệp chế biến thủy sản xuất khẩu,
tỷ lệ cơ cấu các mặt hàng đông lạnh từ giáp xác chiếm từ 70 – 80% công suất chế
biến. Hàng năm các nhà máy chế biến đã thải bỏ một lượng phế liệu giáp xác khá
lớn khoảng 70.000 tấn/năm. [1]

Nguồn phế liệu này là nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp sản xuất
chitin, chitosan, glucosamine và các sản phẩm khác. Do vậy việc nghiên cứu và
phát triển sản xuất các sản phẩm từ vỏ tôm là rất cần thiết nhằm nâng cao giá trị sử
dụng phế liệu này và làm sạch môi trường.
Theo điều tra ban đầu thì công nghệ sản xuất chitin – chitosan trong nước
hiện nay chủ yếu theo phương pháp hóa học với việc sử dụng hóa chất có nồng độ
cao, thời gian xử lý dài, không những ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, mà còn
gây ô nhiễm môi trường, khó khăn cho quá trình xử lý nước thải, đồng thời tốn chi
phí cao Vì vậy, là xu thế mới hiện nay ứng dụng công nghệ sinh học trong sản
xuất chitin, thay thế hóa chất bằng enzyme để giảm tối đa lượng hoá chất sử dụng,
giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Ở Việt Nam trong những năm qua đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng
enzyme protease vào công đoạn khử protein của quy trình sản xuất chitin-chitosan.
Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu cho thấy khi sử dụng đơn lẻ một loại enzyme
protease thì hiệu quả khử protein không cao, lượng enzyme sử dụng nhiều và vẫn
phải dùng kết hợp với hóa chất. Nếu kết hợp hai enzyme protease để khử protein có
thể sẽ mang lại tác dụng tích cực hơn.
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, đề tài: “Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sản xuất Chitin từ vỏ tôm
thẻ chân trắng với sự kết hợp của Alkalase – Pepsin và HCl”đã được thực hiện.
2

2. Mục đích của đề tài
Đề xuất quy trình sản xuất chitin từ vỏ tôm thẻ chân trắng (Penaeus
vannamei) với sự kết hợp của enzyme Alkalnase, enzyme Pepsin và HCl.
3. Tính khoa học và thực tiễn của đề tài
Thành công của đề tài sẽ được áp dụng tại các cở sở sản xuất chitin với mục
đích tận dụng triệt để nguồn protein từ phế liệu tôm, hạn chế sử dụng hóa chất
nhằm giảm ô nhiễm môi trường, tạo ra sản phẩm có chất lượng cao và ứng dụng
rộng rãi…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 ảnh hưởng của việc xử lý nhiệt sơ bộ nguyên liệu đến khả năng
khử protein của Enzyme Alcalase.
- Nghiên cứu quy trình sản xuất sản xuất chitin với sự kết hợp của Alcalase –
Pepsin và HCl.
- Đề xuất quy trình.
- Sơ bộ đánh giá chất lượng sản phẩm thu được.

3

PHẦN 1: TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ CHITIN
1.1.1. Cấu trúc và tính chất của chitin
a. Sự tồn tại của Chitin trong tự nhiên
Chitin là một polysacharit tồn tại trong tự nhiên với sản lượng rất lớn (đứng
thứ hai sau xellulose). Trong tự nhiên chitin tồn tại trong cả động vật và thực vật.
Trong động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng của các vỏ một
số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn.
Trong động vật bậc cao monome của chitin là một thành phần chủ yếu trong mô da
nó giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da. Trong thực vật chitin có ở
thành tế bào nấm họ zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo [2]
.

Chitin là polysacharit có đạm không độc, có khối lượng phân tử lớn. Cấu trúc
của chitin là tập hợp các monosacharit (N-acetyl- β-D-glucosamine) liên kết với
nhau bởi các cầu nối glucozit và hình thành một mạng lưới các sợi có tổ chức. Hơn
nữa chitin tồn tại rất hiếm ở trạng thái tự do và hầu như luôn luôn nối bởi các cầu
nối dặng trị (coralente) với các protein, CaCO
3
và các hợp chất hữu cơ khác.[3]
Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin
chiếm khá cao dao động từ 14 – 35% so với trọng lượng khô. Vì vậy, tôm, cua, ghẹ
là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin – chitosan.[3]
b. Cấu trúc của 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
4

Công thức cấu tạo của chitin được trình bày ở hình 1.1

Hình 1.1. Cấu tạo của Chitin
c. Tính chất của 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, tan được trong hệ dimetylacetamid - LiCl 8%[4], tan trong

hexafluoro –isopropul alcohol (CF
3
CHOHCF
3
) và hexafluoracetone sesquihydrate
(CF
3
COCF
3
.H2O)[15]. 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 [3].
Chitin có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại ở bước sóng 884÷890 µm.
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 enzyme lysozyme, một
loại enzyme chỉ có ở cơ thể người, phân giải thành mono N-acetyl-D-glucosamine.
Khi đun nóng chitin trong dung dịch NaOH đặc (40-50%), ở nhiệt độ cao thì
chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan.
Khi đun nóng chitin trong acid HCl đặc thì chitin sẽ bị thủy phân tạo thành
Glucosamine và acid acetic.
1.1.2. Ứng dụng của chitin – chitosan
a. Trong y học, mỹ phẩm[3][6]
Dùng làm phụ gia trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm:
5

Tá dược độn, tá dược chính, viên nang mềm, nang cứng…làm chất mang
sinh học để gắn thuốc, tạo ra thuốc polymer tác dụng 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 máu, thuốc chữa bệnh đau dạ dày, tiểu

đường, xưng khớp, viêm khớp, 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…
b. Trong công nghiệp thực phẩm[7]
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 hoặc tạo màng để bao gói
thực phẩm, hoa quả, rau tươi.
c. Trong nông nghiệp[5], [3]
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.
d. 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.
e. 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.
6

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. TỔNG QUAN VỀ PHẾ LIỆU TÔM
1.2.1. Tỷ lệ thu hồi 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 2012 diện tích nuôi tôm của nước ta xấp xỉ khoảng 640.000 ha.

Năm 2002, giá trị xuất khẩu thuỷ sản đạt hơn 2 tỷ USD, trong đó xuất khẩu
tôm đông lạnh xấp xỉ 0.95 tỷ USD, chiếm 47% tổng kim ngạch. Năm 2004, xuất
7

khẩu 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 3,36 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. Tính đến hết năm 2011 xuất
khẩu tôm của Việt Nam đã thu về gần 2,4 tỷ USD, trong đó, tôm sú đạt hơn 1,4 tỷ
USD và tôm chân trắng đạt hơn 700 triệu USD.
Phế liệu tôm (PLT) từ các cơ sở chế biến tôm bao gồm đầu, vỏ và đuôi
tôm Theo thống kê Trung tâm Nghiên cứu Chế biến Thủy sản, Đại học Thủy sản
thì lượng phế liệu năm 2004 tại Việt Nam ước tính khoảng 45.000 tấn, năm 2005
ước tính khoảng 70.000 tấn. Hiện nay, khai thác lượng phế liệu này đang là vấn đề
mà các cở sở chế biến tôm chú ý tới bên cạnh việc giảm phế liệu từ các khâu chế
biến như một cách giúp tăng lợi nhuận cho chính các cơ sở đó.
Tuỳ thuộc vào loài và phương pháp xử lý mà lượng phế liệu này nhiều hay ít.
Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy tỷ lệ của phế liệu tôm chiếm từ 30-70%
(Watkin và cộng sự, 1982; Evers và Carroll [16]) 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 [17]. Đối với tôm thẻ, lượng phế liệu đầu tôm chiếm 28% và vỏ chiếm
9%, và tổng lượng phế liệu vỏ đầu tôm thẻ là 37% [3]. Như vậy, việc chế biến tôm nguyên
liệu sẽ thải ra một lượng phế liệu rất lớn, cần nghiên cứu sử dụng phế liệu tôm để sản xuất
các chế phẩm có giá trị trong đó quan trọng nhất là sản xuất chitin-chitosan.
1.2.2. Cấu tạo và thành phần sinh hóa của vỏ tôm [3]
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 đó là lớp biểu bì, lớp màu, lớp canxi và lớp không bị
canxi hóa.
8

- 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.
- 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.
1.2.3. 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
.
9

Sắc tố: Trong vỏ tôm thường có nhiều loại sắc tố nhưng chủ yếu là
Astaxanthin.
Ngoài thành phần chủ yếu kể trên, trong vỏ tôm còn có các thành phần khác
như: nước, lipid, phospho…
1.3. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN
1.3.1. Giới thiệu công nghệ sản xuất chitin
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, cần phải có công nghệ thu hồi và làm sạch chitin 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. Cho đến
nay đã có nhiều phương pháp được áp dụng cho việc thu hồi chitin từ vỏ giáp xác,
chúng đều có chung đặc điểm là gồm hai bước công nghệ chính: khử khoáng và khử
protein.
Tuy nhiên tùy theo đặc điểm của nguyên liệu ban đầu, trình độ công nghệ và
mục đích sử dụng, có thể sử dụng các tác nhân khác nhau để tiến hành khử khoáng
và khử protein. Các tác nhân hay được sử dụng bao gồm:
- 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 mục đích sử dụng chitin. Để thu hồi protein thì nên thực hiện
bước khử protein trước. Khi đó, sản lượng protein và chất lượng là cao nhất . Sau
quá trình khử khoáng và khử protein, sản phẩm chitin có thể được tẩy màu bằng

acetone hoặc hydrogen peroxide. Bước này là không bắt buộc và phụ thuộc vào yêu
cầu của sản phẩm cuối cùng. Dựa vào đặc điểm của tác nhân được sử dụng để khử
khoáng và protein, công nghệ sản xuất chitin được chia thành hai phương pháp
chính để sản xuất chitin: phương pháp hóa học và phương pháp sinh học.
Phương pháp hóa học:
10

- 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 công đoạn khử khoáng thông thường là:
 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.
 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.
 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 lý 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.[3]
Trong quá trình khử protein người ta sử dụng hóa chất như NaOH, KOH,
NA
2
CO
3
tuy nhiên NaOH được sử dụng nhiều nhất. Dưới tác dụng của kiềm đặc
và nhiệt độ, protein bị thủy phân mạnh mẽ tạo thành acid amin và peptid, tách ra
khỏi vỏ tôm, đồng thời quá trình deacytel cũng xảy ra mạnh mẽ. Với việc sử dụng
hóa chất nhiều sẽ cho hiệu quả khử protein cao nhưng chất lượng chitin không tốt,
bên cạnh đó ảnh hưởng lớn đến môi trường.[3]
Phương pháp sinh học: Trong phương pháp sinh học người ta không sử dụng
hóa chất để khử khoáng và khử protein. Để khử khoáng có thể len men lactic hoặc ủ
xilo, còn ở công đoạn khử protein có thể sử dụng hệ vi khuẩn, nấm men hoặc các
enzyme để loại bỏ protein.
- 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, hơn nữa
thời gian của phương pháp này dài. Vì vậy, người ta có thể kết hợp hai phương

11

pháp này nhằm khắc phục những nhược điểm của từng phương pháp. Hiện nay, các
phương pháp sản xuất chitin hiện có đang thải ra một lượng chất thải lớn và khó xử
lý gây ô nhiễm môi trường, việc sử dụng quá nhiều hóa chất làm ảnh hưởng đến
chất lượng sản phẩm. Chính vì vậy, cần thiết phải có các biện pháp thu gom và xử
lý trước khi thải ra môi trường[17]. Ngược lại, trong phương pháp sinh học,
enzyme được sử dụng thay hóa chất sẽ làm tăng chất lượng sản phẩm, protein sau
quá trình thủy phân có thể được thu hồi làm bột dinh dưỡng, thức ăn cho gia súc,
gia cầm Cho nên sẽ tiết kiệm được chi phí cho việc xử lý nước thải nguồn.
Tóm lại, muốn sản phẩm chitin có chất lượng tốt thì chúng ta phải áp dụng
phương pháp xử lý phù hợp như việc sử dụng enzyme.
1.3.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin trên thế giới và ở Việt Nam
Việc nghiên cứu về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất lý hóa ứng dụng của
Chitin - 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
12


1.3.2.1. Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học
a. Quy trình của Steven

Hình 1.2. Quy trình của Stevens (2002) Học Viện Công Nghệ Châu Á[3]
Kiểm tra hàm lượng khoáng

Chitin
Phế liệu tôm tươi
Khử protein
(NaOH 4%, t = 24 giờ)
Kiểm tra hàm lượng protein

Khử khoáng
(HCl 4%, t=24 giờ, t
o
=30
o
C)

Cao hơn 1%
Cao hơn 1%
13

b. Quy trình sản xuất Chitosan từ vỏ tôm hùm của Hackman

Hình 1.3. Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm hùm của Hackman[3]
V
ỏ
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

R
ử
a trung tính

R
ử
a s
ạ
ch b
ằ
ng li tâm

Làm khô

Chitin d
ạ
ng b
ộ
t màu kem

NaOH 1M
t
o
= 100
o
C
t= 42h
w/v =
NaOH 1M
To = 100
o
C
T= 12h
w/v =
HCl 2M
t
o
phòng
t = 5h

w/v=
HCl 2M
t

o
phòng
t = 48h
w/v =
14

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.
c. Quy trình thủy nhiệt của Yamashaki và Nakamichi (Nhật Bản)

Hình 1.4. Quy trình nhiệt của Yamashaki và Nakamichi (Nhật Bản)[3]
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.


HCl 2M
t
o
=120
o
C
t= 1h
Khử chất vô cơ
Rửa trung tính
Sấy khô
Khử protein và chitin
Rửa trung tính

NaOH 15M
t
o
= 150
o
C
t = 1h
Sấy khô
Chitosan
V
ỏ
cua khô

15

1.3.2.2. Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học cải tiến
a. Quy trình sản xuất của Pháp

Hình 1.5. Quy trình sản xuất của Pháp[3]
NaOH 3,5%
t
o
= 65
o
C
t = 2h
w/v = 1/10
HCl 1N
t
o
phòng
t = 2h
w/v = 1/10
NaOCl 0,135%
t
o

phòng
t = 6 phút
w/v = 1/10

Rửa trung tính
Deacetyl chitin
NaOH 40%
t
o
= 85
o
C
t =
4h

w/v = 1/4
Rửa trung tính
Chitosan
Vỏ tôm
Hấp chín, phơi khô
Xay nhỏ
Tách protein
Rửa trung tính
Ngâm HCl
Ngâm aceton
To phòng
T = 30 phút
w/v = 1/5
Ngâm NaOCl
16

Ưu điểm: Quy trình sản xuất này rút ngắn được thời gian sản xuất rất nhiều.
Sản phẩm thu được rất sạch có màu trắng đẹp do đã khử được sắc tố triệt để.
Nhược điểm: Do NaOCl là một chất oxy hóa mạnh nên ảnh hưởng đến mạch
polymer làm cho độ nhớt của sản phẩm giảm một cách rõ rệt. Mặt khác, aceton rất
đắt tiền, tổn thất nhiều, giá thành sản phẩm cao.
Hiện nay ở Việt Nam cũng có nhiều cơ sở khoa học đang nghiên cứu sản
xuất chitin - chitosan như: Trường Đại Học Nông Lâm - thành phố Hồ Chí Minh;
Trung tâm nghiên cứu polyme - Viện Khoa Học Việt Nam; Viện Hoá thuộc phân
Viện Khoa Học Việt Nam tại thành phố Hồ Chí Minh; Trung tâm công nghệ và sinh
học Thuỷ sản - Viện nghiên cứu nuôi trồng Thuỷ sản 2. Năm 1978 trường Đại học
Thủy sản bắt đầu nghiên cứu tách chiết Chitin-Chitosan do Đỗ Minh Phụng thực hiện:
b. Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy Sản






Hình 1.6. Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy Sản[3]
V
ỏ
tôm khô

Ngâm HCl
Rửa trung tính
Ngâm NaOH
Rửa trung tính
HCl 6N
t

o
phòng
t = 48h
w/v = 1/2,5
NaOH 8%
t
o
= 100oC
t = 2h
w/v = 1/2,5
T
ẩ
y màu

Chitin

N
ấ
u trong NaOH

R
ử
a trung tính

Chitosan

NaOH 40%
t
o
= 80

o
C
t = 24h
w/v = 1/1
17

Nhận xét : Chitin thu được có độ trắng cao mặc dù không có công đoạn tẩy
màu. Tuy nhiên, lại có nhược điểm là thời gian sản xuất kéo dài, tiêu tốn nhân công,
nồng độ hóa chất sử dụng cao kết hợp với thời gian sử lý dài (công đoạn khử
khoáng) làm cắt mạch polymer trong môi trường acid dẫn đến độ nhớt giảm.
c. Quy trình sản xuất chitosan ở Trung tâm cao phân tử thuộc Viện
khoa học Việt Nam



Hình 1.7. Quy trình sản xuất Chitosan ở Trung tâm cao phân tử thuộc Viện
khoa học Việt Nam[3]
Ngâm HCl
Rửa trung tính
Nấu trong NaOH
Rửa trung tính
Ngâm HCl
HCl 4%
t
o
phòng
t = 24h

NaOH 3%
t

o
= 90÷95
o
C
t = 3h

HCl 4%
t
o
phòng
t = 24h

NaOH 3%
t
o
= 90÷95
o
C
t = 3h

NaOH 40%
t
o
= 90÷95
o
C
t = 3h

Rửa trung tính
Nấu trong NaOH

Rửa trung tính
Nấu trong NaOH đặc
Chitosan
Nguyên li
ệ
u

18

Nhận xét: Sản phẩm chitosan sản xuất theo quy trình này có màu sắc không
đẹp bằng sản phẩm theo quy trình của Đỗ Minh Phụng, thời gian thực hiện lại kéo
dài, nhiều công đoạn.
d. Quy trình sản xuất Chitosan từ vỏ tôm Sú bằng phương pháp hóa
học với một công đoạn xử lý kiềm (Trần Thị Luyến)

Hình 1.8. Quy trình sản xuất Chitosan từ vỏ tôm Sú bằng phương pháp hóa
học với một công đoạn xử lý kiềm[3]
Nhận xét: Phương pháp xử lý kiềm một giai đoạn cho sản phẩm chitosan có
chất lượng không thua kém so với quy trình thông thường với hai giai đoạn xử lý
kiềm. tổng thời gian cần thiết giảm rất nhiều và như vậy nếu so về mặt kinh tế thị
đây là phương pháp tốt hơn hẳn. Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn nhược điểm
là dung dịch NaOH đặc sau khi deacetyl có màu sẫm gây khó khăn cho việc tái sử
V
ỏ
tôm khô

V
ỏ
tôm tươi

Ngâm HCl Ngâm HCl
Rửa trung tính
Khử protein, lipid
HCl 10%
t
o
phòng
t =5h
w/v = 1/10
HCl 10%
t
o
phòng
t= 5h

w/v = 1/5
NaOH 40%
t
o
= 80±2
o
C
t = 5h
w/v = 1/10
Rửa trung tính
Chitosan
19

dụng. Theo quy trình công nghệ này sản phẩm chitosan đạt được có các chỉ tiêu
chất lượng như bảng 1.1

Bảng 1.1. Một số chỉ tiêu chất lượng của chitosan từ vỏ tôm sú theo phương
pháp xử lý kiềm một giai đoạn[3]
Chỉ tiêu Kết quả Chỉ tiêu Kết quả
Màu sắc Trắng đẹp Độ Deacetyl 76,25%
Trạng thái Mềm mại Tổng thời gian thực hiện 9,5 giờ
Độ ẩm 10% N
ts
8,07%
Hàm lượng tro 0,023% Hiệu suất 40,25
Hàm lượng các chất
không tan
1,6% Độ tan 98,32%
Độ nhớt 14,48
o
E Phản ứng biure Âm tính

e. Quy trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thủy sản
Quy trình của trung tâm chế biến có ưu điểm là đơn giản, không đòi hỏi máy
móc thiết bị phức tạp. Do đó rất dễ dàng để sản xuất lớn. Tuy nhiên thời gian sản
xuất kéo dài và nồng độ hóa chất sử dụng còn khá cao, vẫn chưa có hướng xử lý
nước thải từ quá trình sản xuất.
20


Hình 1.9. Quy trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thủy sản[3]
Phế liệu tôm
Rửa sơ bộ
Khử khoáng
Ngâm rửa trung tính
Khử protein

HCL 7%
v/w=5/1
T
o

phòng

T=24h
NaOH 6%
v/w=5/1
T
o
phòng
T=24h
Rửa trung tính
NaOH 40%
v/w10/1
T
o
=80
o
C
T=6,5h
Deacetyl hóa
Ngâm rửa trung tính
Phơi, sấy
Chitosan
21

1.3.2.3. Sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp sử dụng enzyme

a. Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto[18]








Hình 1.10. Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto (2006)
Ưu điểm: Quy trình này rút ngắn được thời gian sản xuất rất nhiều. Sản phẩm
Chitin thu được có chất lượng khá tốt, màu trắng đẹp do đã khử được sắc tố trong công
đoạn chiết astaxanthin. Ngoài ra còn tận thu được protein và astaxanthin mang lại hiệu quả
kinh tế cao, đồng thời giảm thiểu đáng kể lượng hóa chất sử dụng.
Nhược điểm: Enzyme đắt tiền dẫn đến chi phí giá thành sản phẩm cao.


Phế liệu tôm
Khử protein bằng enzyme
Alcalase

Ly tâm (4
o
C, 15 phút)
Phần bã Phần dịch nổi phía trên
pH = 8,5
t
o
= 55
o

C

tỷ
lệ E/NL 3%
w/v = 1/1

Sấy lạnh
Khử khoáng HCl 2,5%, 2h, t
o

phòng

Rửa trung tính
Sấy khô (60
o
C, 16h)
Chitin
Bột protein