Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện cô đặc đến chất lượng sản phẩm carotein protein thủy phân từ đầu tôm

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
----o0o----

LÊ THỊ DIỆU HẰNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CÔ ĐẶC
ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM CAROTEN – PROTEIN
THỦY PHÂN TỪ ĐẦU TÔM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Nha Trang, tháng 07 năm 2015


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
----o0o----

LÊ THỊ DIỆU HẰNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CÔ ĐẶC
ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM CAROTEN – PROTEIN
THỦY PHÂN TỪ ĐẦU TÔM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

GVHD: PGS.TS. TRANG SĨ TRUNG
ThS. NGUYỄN CÔNG MINH
TS. NGUYỄN VĂN MINH

Nha Trang, tháng 07 năm 2015


i

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, cho tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS-TS. Trang Sĩ Trung
đã tạo điều kiện cho tôi được tham gia 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.
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự quan tâm sâu sắc
và tạo điều kiện tốt nhất từ các Thầy Cô trong Khoa Công nghệ Thực phẩm, Viện
Công nghệ Sinh học và Môi trường để tôi hoàn thành đề tài này.
Tôi xin gửi lời biết ơn trân trọng nhất đến PGS-TS. Trang Sĩ Trung, ThS.
Phạm Thị Đan Phượng, TS. Nguyễn Văn Minh và ThS. Nguyễn Công Minh đã hết
lòng hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình tìm hiểu tài liệu cũng như trong suốt
quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu.
Xin gửi lòng biết ơn đến gia đình, tất cả bạn bè đã ở bên cạnh giúp đỡ và ủng
hộ tôi trong suốt thời gian làm đề tài.
Trong quá trình nghiện cứu và tiến hành đề tài cũng như quá trình hoàn
thành đồ án do kinh nghiêm thực tiễn, vốn kiến thức chưa sâu nên khả năng lập
luận, giải thích còn chưa tường tận, chính xác. Mong Thầy Cô xem xét đóng góp ý
kiến để đồ án được hoàn thiện hơn.
Tôi xin cảm ơn.
Khánh Hòa, tháng 6 năm 2015

Sinh viên

Lê Thị Diệu Hằng


ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................i
MỤC LỤC ..............................................................................................................ii
MỞ ĐẦU .............................................................................................................viii
Chương 1: TỔNG QUAN........................................................................................1
1.1.TỔNG QUAN VỀ PHẾ LIỆU TÔM ..............................................................1
1.1.1 Tổng quan về phế liệu. .............................................................................1
1.1.2. Thành phần hóa học của phế liệu tôm......................................................1
1.2. TỔNG QUAN VỀ CAROTEN-PROTEIN ....................................................2
1.2.1. Bản chất của caroten-protein ...................................................................2
1.2.2. Tính chất vật lý của caroteniod................................................................3
1.2.3. Tính chất hóa học....................................................................................3
1.2.4. Hoạt tính sinh học và vai trò của caroten-protein.....................................4
1.3. TỔNG QUAN VỀ ASTAXANTHIN ............................................................5
1.3.1 Tính chất vật lý của astaxanthin ..............................................................6
1.3.2. Tính chất hóa học của astaxanthin ...........................................................7
1.3.3. Ứng dụng của astaxanthin .......................................................................9
1.3.4. Những biến đổi của astaxanthin trong quá trình bảo quản và chế biến ... 10
1.4. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC .................................... 11
1.4.1.Nghiên cứu trong nước........................................................................... 11
1.4.2. Nghiên cứu ngoài nước ......................................................................... 12
1.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP THU NHẬN CAROTEN-PROTEIN ...................... 13
1.5.1. Thu nhận caroten-protein bằng phương pháp kết tủa ở điểm đẳng điện pI

....................................................................................................................... 13
1.5.2. Thu nhận caroten-protein bằng xử lý nhiệt ............................................ 13
1.5.3. Thu nhận caroten-protein bằng chitosan ................................................ 14
1.5.4. Thu nhận caroten-protein bằng cô đặc ................................................... 14
1.5.4.1. Các phương pháp cô đăc ................................................................. 15
1.5.4.2. Phân loại thiết bị ............................................................................. 15


iii

1.5.4.3. Những biến đổi của thực phẩm trong quá trình cô đặc..................... 18
1.5.5. Những hư hỏng thường gặp khi chế biến, bảo quản hỗn hợp carotenprotein. ........................................................................................................... 19
1.5.6. Các phương pháp bảo quản hỗn hợp caroten-protein ............................. 19
Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................... 21
2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ..................................................................... 21
2.1.1. Phế liệu đầu tôm.................................................................................... 21
2.1.2. Hóa chất................................................................................................ 21
2.2. DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU.................................................. 22
2.2.1. Thiết bị cô đặc chân không một nồi....................................................... 22
2.2.2.

Thiết bị phân tích............................................................................... 23

2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................ 24
2.3.1. Quy trình thủy phân đầu tôm thu nhận caroten-protein .......................... 24
2.3.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ gia nhiệt đến
chất lượng sản phẩm caroten-protein trong quá trình cô đặc............................ 26
2.3.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chitosan bổ
sung đến chất lượng của sản phẩm caroten-protein ......................................... 28
2.3.4. Các phương pháp phân tích ................................................................... 29

2.4. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU ............................................................ 30
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 31
3.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA DỊCH THỦY PHÂN CAROTEN
PROTEIN .......................................................................................................... 31
3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ GIA NHIỆT ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN
PHẨM CAROTEN-PROTEIN........................................................................... 32
3.2.1. Sự thay đổi hàm lượng chất khô theo thời gian cô đặc........................... 32
3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ gia nhiệt đến hiệu suất thu hồi protein và
astaxanthin từ dịch caroten-protein thủy phân ................................................. 33
3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ gia nhiệt đến hàm lượng lipid trong quá trình cô
đặc dung dịch caroten-protein. ........................................................................ 35


iv

3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ gia nhiệt trong quá trình cô đặc đến hàm lượng
phospholipid của sản phẩm caroten-protein..................................................... 37
3.2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ gia nhiệt trong quá trình cô đặc đến chỉ số
peroxide (PV) trong sản phẩm caroten-protein ................................................ 39
3.2.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ quá trình cô đặc đến hàm lượng protein hòa tan
có trong hỗn hợp caroten-protein .................................................................... 40
3.2.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ quá trình cô đặc đến cảm quan màu và mùi hỗn
hợp caroten-protein......................................................................................... 42
3.3. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan bổ sung đến hiệu suất thu hồi proten và
astaxanthin của dung dịch thủy phân caroten-protein. ........................................ 44
3.4. Đề suất quy trình cô đặc dung dịch thủy phân caroten-peotein .................... 45
Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 47
4.1. KẾT LUẬN................................................................................................. 47
4.2. KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 48

PHỤ LỤC.............................................................................................................. 51


v

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần đầu và vỏ phế liệu tôm (%)...................................................1
Bảng 1.2. Ưu nhược điểm của phương pháp cô đặc nhiệt và cô đặc lạnh ............... 15
Bảng 1.3. Quan hệ giữa nồng độ chất khô và nhiệt độ sôi ở 760 mmHg ................ 17
Bảng 1.4. Quan hệ giữa độ chân không và nhiệt độ sôi của nước........................... 17
Bảng 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của dịch thủy phân caroten-protein ............ 31


vi

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Cấu tạo của astaxanthin.............................................................................5
Hình 1.2 Các đồng phân cấu tạo của astaxanthin .....................................................6
Hình 1.3 Các liên kết hóa học có thể có của astaxanthin với các phân tử khác trong
tôm ..........................................................................................................................6
Hình 1.4: Sự thay đổi cấu trúc phân tử astaxanthin khi tương tác với acid yếu........8
Hình 1.5. Astacene ..................................................................................................8
Hình 1.6. Crustaxanthin...........................................................................................8
Hình 2.1. Nguyên liệu đầu tôm.............................................................................. 21
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị cô đặc chân không một nồi ........................ 22
Hình 2.3. Hình ảnh thiết bị cô đặc chân không một nồi.......................................... 23
Hình 2.4. Sơ đồ tách chiết dung dịch caroten-protein từ đầu tôm ........................... 25
Hình 2.5. Hình ảnh dịch caroten-protein từ đầu tôm thẻ chân trắng ....................... 26
Hình 2.6. Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ gia nhiệt đến chất lượng sản
phẩm caroten-protein trong quá trình cô đặc.......................................................... 27

Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chitosan bổ
sung....................................................................................................................... 29
Hình 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ gia nhiệt đến sự biến đổi hàm lượng chất khô
theo thời gian cô đặc.............................................................................................. 32
Hình 3.2. Ảnh hưởng của chế độ gia nhiệt đến hiệu suất thu hồi protein và
astaxanthin ............................................................................................................ 34
Hình 3.3. Ảnh hưởng của chế độ gia nhiệt trong quá trình cô đặc đến hàm lượng
lipid trong sản phẩm caroten-protein ..................................................................... 36
Hình 3.4. Ảnh hưởng của chế độ gia nhiệt trong quá trình cô đặc đến hàm lượng
phospholipid trong sản phẩm caroten-protein ........................................................ 38
Hình 3.5. Ảnh hưởng của chế độ gia nhiệt trong quá trình cô đặc đến hàm lượng
peroxide trong sản phẩm caroten-protein ............................................................... 39
Hình 3.6. Ảnh hưởng của chế độ gia nhiệt trong quá trình cô đặc đến hàm lượng
protein hòa tan trong sản phẩm caroten-protein ..................................................... 41


vii

Hình 3.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ quá trình cô đặc đến cảm quan màu và mùi của
hỗn hợp caroten-protein......................................................................................... 42
Hình 3.8. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan bổ sung đến hiệu suất thu hồi protein và
astaxanthin từ dịch caroten-protein thủy phân........................................................ 44
Hình 3.9. Quy trình cô đặc dung dịch thủy phân caroten-peotein ........................... 46


viii

MỞ ĐẦU
Trong những năm qua, ngành thủy sản đã có sự phát triển nhanh và đạt được
những thành công nhất định. Thủy sản là một trong những ngành kinh tế trọng

điểm, có đóng góp lớn cho nền kinh tế quốc dân. Tuy nhiên, ngành thủy sản hiện
đang phát triển không bền vững, đặc biệt trong tình hình thiên tai và dịch bệnh xảy
ra liên tục dẫn đến thiếu hụt nguyên liệu trong sản xuất. Vì vậy, vấn đề đặt ra là phải
sử dụng nguồn nguyên liệu trong chế biến một cách hiệu quả nhất. Với đặc thù là
lượng nguyên liệu còn lại (phế liệu) trong chế biến thủy sản nói chung và chế biến
tôm nói riêng tạo ra rất lớn. Việc tận dụng những nguyên liệu còn lại này để sản
xuất ra các sản phẩm giá trị gia tăng đã và đang được các nhà khoa học nghiên cứu,
một số kết quả đã được chuyển giao cho doanh nghiệp sản xuất. Điển hình, phế liệu
từ công nghiệp chế biến tôm bao gồm đầu, vỏ tôm và thịt vụn đã được sử dụng làm
nguyên liệu để sản xuất chitin và chitosan. Một trong những hướng khác là thu hồi
sản phẩm caroten-protein có trong phế liệu tôm để ứng dụng làm thực phẩm cho
con người, bổ sung vào thức ăn cho động vật và thủy sản. Hỗn hợp caroten-protein
có thành phần chính là protein và astaxanthin. Trong đó astaxanthin có giá trị kinh
tế cao và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Caroten-protein hiện được bổ sung
vào thức ăn gia súc, nuôi trồng thủy sản, làm tăng màu sắc cá, tăng khả năng miễn
dịch của vật nuôi và được bổ sung vào các mỹ phẩm,… Tuy nhiên, một trong những
khó khăn hiện nay là làm sao thu hồi sản phẩm caroten-protein từ dịch thủy phân
triệt để nhất. Đã có nhiều phương pháp được nghiên cứu áp dụng như kết tủa ở
điểm đẳng điện (pI), kết tủa nhiệt và phương pháp cô đặc,… Trong đó, phương
pháp cô đặc được xem là phương pháp hiệu quả nhất để thu hồi triệt để sản phẩm
caroten-protein từ dịch thủy phân. Mặc dù vậy, cho đến nay cũng chưa có công
trình nào đi sâu nghiên cứu ứng dụng phương pháp cô đặc để thu hồi carotenprotein từ dịch thủy phân.
Chính vì vậy, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện
cô đặc đến chất lượng sản phẩm caroten-protein thủy phân từ đầu tôm” là cần
thiết nhằm tìm ra các thông số thích hợp cho việc thu nhận caroten-protein.


ix

 Mục tiêu của đề tài

Xác định được các thông số (nhiệt độ gia nhiệt và nồng độ chitosan bổ sung)
thích hợp trong quá trình cô đặc thu nhận caroten-protein từ dịch thủy phân đầu
tôm.
 Nội dung nghiên cứu
1. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ gia nhiệt đến chất lượng sản phẩm
caroten-protein trong quá trình cô đặc
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chitosan bổ sung đến chất lượng
caroten-protein trong quá trình cô đặc
 Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của đề tài là dữ liệu khoa học có giá trị tham khảo cho
các nhà khoa học và sản xuất, giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm,
Công nghệ sinh học.
 Ý nghĩa thực tiễn
Thành công của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện quy trình thu nhận carotenprotein từ dịch thủy phân đầu tôm. Kết quả này có thể được áp dụng trong thực tế
tại các nhà máy sản xuất chitin và chitosan từ phế liệu tôm nhằm nâng cao hiệu quả
kinh tế cho sản phẩm.


1

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1.TỔNG QUAN VỀ PHẾ LIỆU TÔM
1.1.1 Tổng quan về phế liệu.
Ở nước ta, mặt hàng thủy sản là vô cùng phong phú. Trong đó, tôm là mặt
hàng chủ lực của ngành thủy sản, sản phẩm từ tôm sản xuất rất phong phú và đa
dạng. Phần lớn công nghệ chế biến đều loại bỏ đầu, vỏ. Tùy vào công nghệ chế biến
và loại tôm khác nhau mà lượng phế liệu khác nhau từ 35-45% so với khối lượng
nguyên liệu ban đầu [26]. Trong khi đó sản lượng tôm của nước ta năm 2013 là
541.000 tấn, sản lượng tôm sú đạt 268.000 tấn và sản lượng tôm thẻ chân trắng là
273.000 tấn. Như vậy, ứng với sản lượng thì có khoảng 200.000 tấn phế liệu [9].

Vì vậy, việc tận dụng phế liệu trong chế biến tôm để tạo ra sản phẩm chất
lượng có giá trị sử dụng là vấn đề được khuyến khích và đẩy mạnh để tăng nguồn
lợi đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
1.1.2. Thành phần hóa học của phế liệu tôm
Bảng 1.1: Thành phần đầu và vỏ phế liệu tôm (%) [2]
Phế liệu

Protein

Chitin

Lipid

Tro

Calci

Phospho

Đầu

53,5

11,1

8,9

22,6

7,2

1,68

Vỏ

22,8

27,2

0,4

11,7

11,1

3,16

Protein: protein trong phế liệu tôm thường là loại protein không hoà tan do đó
khó tách ly ra khỏi vỏ, tồn tại dưới 2 dạng:
- Dạng tự do: dạng này tồn tại trong cơ quan nội tạng và trong các cơ gắn phần vỏ.
- Dạng phức tạp: dạng này liên kết với chitin, CaCO3, như một phần thống nhất của
vỏ tôm.
Chitin: tồn tại dưới dạng liên kết với protein, khoáng và nhiều hợp chất hữu cơ
khác, chúng là nguyên nhân gây khó khăn cho việc tách và tinh chế chúng.


2

Calci: trong thành phần của vỏ tôm có chứa một lượng lớn muối vô cơ mà chủ
yếu là CaCO3.

Sắc tố: trong vỏ tôm có nhiều loại sắc tố nhưng chủ yếu là astaxanthin là dẫn
xuất của carotenoid, thường ở dạng liên kết với acid béo (ester hóa) hay với protein
tạo nên phức hợp chặt chẽ có màu xanh của tôm. Khi liên kết này bị phá vỡ thì
astaxanthin dễ dàng bị ôxy hóa thành astacene.
Enzyme: theo tạp chí thuỷ sản (số 5/1993), hoạt độ enzyme protease của đầu
tôm khoảng 6,5 đơn vị hoạt độ/g tươi. Qua nhiều nghiên cứu bằng phương pháp sắc
ký qua Coat Sephadex G 75 đã tách được ở đầu tôm 2 loại protease có khối lượng
phân tử khác nhau. Ngoài ra còn có một số khoáng chất như P, K, Mg, Mn và Fe
[13].
1.2. TỔNG QUAN VỀ CAROTEN-PROTEIN
1.2.1. Bản chất của caroten-protein
Caroten-protein là một phức hợp liên kết hóa trị giữa protein và caroteinoid.
Trong tự nhiên, caroten-protein tồn tại rất đa dạng ở thực vật và động vật: ở động
vật tồn tại ở động vật giáp xác như tôm, ghẹ, cua… Chúng tồn tại trong lớp biểu bì,
trong vỏ, các bộ phận như trứng, dạ dày hay bạch huyết của chúng. Theo Zagalsky
phản ứng giữa các nhóm 4 và 4’ keto trong các vòng mang điện của β-astaxanthin là
điều kiện tiên quyết cho phản ứng giữa nhóm carbonyl trong carotenoid với các gốc
amin để hình thành caroten-protein [33]. Caroteno-protein được chia thành 2 nhóm
chính gồm caroten-protein thật: có sự liên kết chặt chẽ giữa carotenoid với protein
và carotenolipoprotein: carotenoid liên kết với các nhóm lipid và không thể hiện
liên kết cụ thể với protein. Các carotenoid có liên quan đến protein thì ít bị ôxy hóa
hơn các carotenoid khác ở dạng tự do.
Carotenoid có vai trò quan trong để loại trừ hoặc ngăn chặn một số bệnh
thoái hóa cơ thể như chứng xơ vỡ động mạch, ung thư, các bệnh về mắt. Carotenoid
ở dạng tự do có màu vàng, cam hoặc đỏ. Tuy nhiên, trong cơ thể của một số loài
động vật biển không xương sống các phức hợp carotenoid tạo màu khác nhau như


3

xanh lá, xanh dương, màu tía. Carotenoid có nguồn gốc từ sinh vật biển được sử
dụng rộng rãi như là một chất màu tự nhiên an toàn trong chế biến thực phẩm, dược
phẩm và mỹ phẩm. Caroteinoid được tách từ các loại giáp xác có khả năng hình
thành sắc tố được xem là một nguồn tiền tố vitamine A và là nhóm chống ôxy hóa.
1.2.2. Tính chất vật lý của caroteniod
 Kết tinh ở dạng tinh thể, hình kim, hình khối lăng trụ, đa diện, dạng lá hình
thoi. Nhiệt độ nóng chảy cao.
 Có độ hòa tan cao, không tan trong nước. Hòa tan trong chất béo, các dung
môi chứa clor và các dung môi không phân cực khác làm cho hoa quả có màu vàng,
màu đỏ.
 Màu sắc của carotenoid được tạo ra nhờ sự có mặt của hệ nối liên hợp
trong phân tử. Phần lớn các cầu nối dạng trans. Khả năng hấp thụ sóng mạnh nhất ở
những bước sóng khác nhau của hệ nối đôi liên hợp được dử dụng để phân tích cấu
trúc, định lượng cũng như định tính carotenoid.
 Tính hấp thụ ánh sáng: chuỗi polyne liên hợp đặc trưng cho màu thấy được
của carotenoid. Dựa vào quang phổ thu của nó, người ta thấy khả năng hấp thụ ánh
sáng phụ thuộc vào nối đôi liên hợp, phụ thuộc vào nhóm C9 mạch thẳng hay mạch
vòng, cũng như các nhóm gắn trên vòng .
1.2.3. Tính chất hóa học
 Carotenoids nhạy cảm với ôxy và ánh sáng. Khi các tác nhân này bị loại bỏ
thì carotenoid trong thực phẩm rất bền, kể cả nhiệt độ cao.
 Một trong những đặc điểm của carotenoid là có nhiều nối đôi liên hợp tạo
nên những nhóm mang màu của chúng. Màu của chúng phụ thuộc vào những nhóm
mang màu này.
 Rất nhạy đối với acid và chất ôxy hóa, bền vững với kiềm. Do hệ thống nối
đôi liên hợp nên nó dễ bị ôxy hóa mất màu hoặc đồng phân hóa, hydro hóa tạo màu
khác.


4

 Dễ bị ôxy hóa trong không khí, cần bảo quản trong khí trơ, chân không. Ở
nhiệt độ thấp nên bao kín tránh ánh sáng mặt trời.
1.2.4. Hoạt tính sinh học và vai trò của caroten-protein
Trong ngành công nghệ thực phẩm Caroteniod là loại sắc tố rất được quan
tâm vì tầm quan trọng của nó trong việc tạo màu, các caroteniod được dùng làm
chất phụ gia cho nhiều thực phẩm và nước uống. Năm 1954, P – carotene tổng hợp
được đưa vào thị trường đầu tiên bởi Roche. Nó dùng làm màu cho kem, bơ, nước
ép hoa quả…với tính an toàn cao hơn rất nhiều so với các hợp chất tạo màu nhân
tạo. Đồng thời, carotenoid khác cũng dùng làm chất phụ gia cho thức ăn gia súc, tạo
màu đỏ cho lòng trứng gà cũng như các loại trứng gia cầm khác và tạo màu cho thịt
của cá và động vật nuôi [17]. Một số catenoid có vai trò tiền vitamin A. Tiền
vitamin A là những hợp chất họ caroteniod mà có khả năng cắt mạch C40 và
chuyển hóa thành một hoặc hai phân tử vitamin A [17].
Trong Y dược, caroteniod có những đặc tính kích thích tính miễn dịch cao.
Do đó nhiều năm qua, các carotene đặc biệt là P – carotene đã được các nhà nghiên
cứu sử dụng trong điều trị AIDS [19]. Caroten-protein còn được các nhà khoa học
xác nhận là có hiệu ứng chống ung thư.
Caroten có tác dụng phòng chống, bảo vệ tim mạch thông qua tác dụng
phòng chống sự hình thành các cục máu đông trong lòng động mạch.
Các chế phẩm có caroteniod dùng làm thuốc bổ điều trị suy dinh dưỡng cho
trẻ em và một số bệnh về mắt: luteun và zeaxanthin hấp thụ những phổ ánh sáng có
năng lượng cao có hại nhất của mặt trời, kìm hãm việc hoạt hóa các gốc tự do, ngăn
chặn phản ứng kính hoạt ánh sáng.
Caroteniod có khả năng phòng chống lão hóa [17], bồi dưỡng cho phụ nữ có
thai và sau khi sinh. Ngoài ra, các carotene là nguồn nguyên liệu phong phú cho
công nghiệp mỹ phẩm: lycophen có tác dụng cực kỳ quan trọng đối với sắc đẹp,
giúp quá trình chuyển hóa chất trong tế bào làm đẹp da, tóc, tăng sức đề kháng cho
da chống lão hóa da.

5

1.3. TỔNG QUAN VỀ ASTAXANTHIN
Theo Armemte và guerero-Legarrata [21] cho thấy biết trong phế liệu tôm
astaxanthin chiếm 95% trong caroteniod.
Astaxanthin có cấu tạo là 3,3’-dihuydrôxyβ, β carotene-4,4- dione.

Hình 1.1 Cấu tạo của astaxanthin [9]

Astaxanthin là một sắc tố có màu đặc trưng là màu vàng đỏ và là dẫn xuất
của β – carotene.
Astaxanthin thuộc nhóm chức phytochemical tecpen. Astaxanthin có phân tử
là 596,8 Da và tan được trong lipit, astaxanthin thường tồn tại ở dạng tự do, dạng
mono- hay ester với các acid béo không no mạch dài, hoặc dưới dạng phức hợp
caroten-protein của đồng phân quang học, hàm lượng astaxanthin trong vỏ tôm thay
đổi tuy thuộc giống loài.
Điều này chứng tỏ ở vỏ các loài giáp xác chứa một nguồn astaxanthin tự
nhiên đáng kể [11]. Astaxanthin có thể tìm thấy trong vi tảo, men bia, cá hồi, cá, các
loài nhuyễn thể, tôm, động vật giáp xác và trong lông chim của một số loài chim.
Cấu tạo các đồng phân của Astaxanthin:


6

Hình 1.2 Các đồng phân cấu tạo của astaxanthin [24]
Các liên kết hóa học có thể có của astaxanthin với các phân tử khác trong tôm

Hình 1.3 Các liên kết hóa học có thể có của astaxanthin với các phân tử khác
trong tôm [24]

1.3.1 Tính chất vật lý của astaxanthin
Sự hấp thụ ánh sáng và màu sắc của astaxanthin: Astaxanthin hấp thụ rất
mạnh bức xạ trong vùng  = 470-510 nm (cực đại hấp thụ thay đổi tùy theo dung
môi sử dụng với hệ số tắt phân tử



max

khoảng = 105), tạo nên màu đỏ cam rất đẹp.

Đặc tính hấp thụ ánh sáng của astaxanthin có thể bị thay đổi khi astaxanthin ở trạng


7

thái liên kết với các phân tử khác. Chẳng hạn, trong tôm, cua… astaxanthin thường
liên kết với các phân tử protein tạo thành phức caroten-protein (tức crustacyanin ) .
Dưới tác dụng nhiệt hoặc các tác nhân khác như acid, kiềm liên kết trên bị phá hủy
và giải phóng trở lại astaxanthin tự do màu đỏ cam [14].
Tính tan: astaxanthin là hợp chất ít phân cực nên kém tan trong nước, dễ tan
trong trong các dung môi hữu cơ có độ phân cực thấp hay trung bình như piridin,
diclorometan, cloroform, aceton, eter dầu mỏ.
1.3.2. Tính chất hóa học của astaxanthin
Do phân tử chứa chuỗi polyen với các nhóm keto, hydrôxyl gắn với vòng
đầu mạch, astaxanthin rất nhạy cảm với các tác nhân chất ôxy hóa, acid và base…
 Sự ôxy hóa: astaxanthin dạng tự do rất dễ bị ôxy hóa bởi các tác nhân
electrophyl như ôxy phân tử, ôxy nguyên tử hay các gốc tự do (như gốc
hydroxyl, gốc peroxide…) nhưng khi tạo phức với protein hay ở dạng ester
hóa thì bền hơn. Hoạt tính chống ôxy hóa của astaxanthin trong cơ thể được

giải thích bởi khả năng bắt giữ các gốc tự do (ví dụ: gốc peroxide) tạo thành
gốc cacbon trung tâm bền vững nhờ hiệu ứng cộng hưởng [14].
 Phản ứng với acid: astaxanthin phản ứng với các acid yếu theo một cân bằng
thuận nghịch, tạo ra một phức hợp của các dạng cấu trúc (II) và (III) (Hình
1.5), gây ra sự dịch chuyển cực đại hấp thụ của nó về phía sóng dài; khi trung
hòa bằng các base yếu (như dioxan) cấu trúc phân tử astaxanthin ban đầu lại
được hồi phục. Tuy nhiên, khi phản ứng với các acid mạnh (như HCl, H2SO4 )
có thể xảy ra sự phân hủy chuỗi polyen của astaxanthin, làm nhạt màu đỏ cam
[14].


8

Hình 1.4: Sự thay đổi cấu trúc phân tử astaxanthin khi tương tác với acid yếu
[9]
Phản ứng với base: trong môi trường kiềm, khi có mặt không khí,
astaxanthin bị ôxy hóa nhanh chóng thành astacene có màu đỏ thẫm.

Hình 1.5. Astacene [10]

 Phản ứng khử: khi xử lý bằng tác nhân khử NaBH4/ EtOH, các nhóm keto
trong phân tử astaxanthin sẽ chuyển thành nhóm hydrrôxyl, tạo thành
crustaxanthin: làm chuyển dịch cực đại hấp thụ của astaxanthin khoảng 20-30
nm về phía sóng ngắn [8].

Hình 1.6. Crustaxanthin [9]
Astaxanthin là sắc tố thuộc nhóm carotenoid có màu đỏ, tím, kết tinh, điểm
nóng chảy 238-2400C. Astaxanthin dễ bị ôxy hóa khi có mặt của ôxy tạo thành

9

astacene. Astaxanthin là loại carotenoid có tính acid, có thể tác dụng với rượu tạo ra
muối không ổn định. Trong vỏ tôm nó tồn tại ở dạng phức hợp protein-astaxanthin.
1.3.3. Ứng dụng của astaxanthin
Trong ngành thực phẩm và dinh dưỡng, astaxanthin được quan tâm nhiều vì
được xem như chất màu tự nhiên an toàn không độc hại, có vai trò trong quá trình
ôxy hóa chất béo, tạo nên màu sắc hương vị cho từng loại thực phẩm. Astaxanthin
có thể được bổ sung vào bơ thực vật, nước sốt bơ, mì ống, salad trộn, salad dầu, pho
mát, kem, sữa chua, sản phẩm thịt và cá, gelatin và món tráng miệng. Astaxanthin
có chức năng sinh học mới bao gồm kích hoạt gen mã hóa để sản xuất protein và
điều chế hoạt động của enzyme lipoxygenases. Astxanthin được bổ sung làm thực
phẩm chức năng để giảm sự tiến triển của bệnh tim mạch, một số loại bệnh ung thư,
nguy cơ bị đục thủy tinh và các rối loạn ánh sáng và tăng cường miễn dịch ở những
bệnh nhân nhiễm HIV [19]. Astaxanthin cũng được xem là một chất màu thực
phẩm. Một lượng rất nhỏ astaxanthin có thể làm tăng màu sắc cho cá hồi khi được
phối trộn phù hợp.
Astaxanthin là chất chống ôxy hóa rất hiệu quả, có khả năng bảo vệ
phospholipid của màng tế bào khỏi sự peroxide hóa, hoạt tính chống ôxy hóa của
astaxanthin lớn hơn gấp 10 lần các carotenoid khác như zeaxanhin, lutein,
canthaxanthin và β-caroten và lớn hơn gấp 100 lần so với vitamin E [27],
astaxanthin có hoạt tính chống ôxy hóa cao gấp 10 lần so với các loại carotenoid
khác như β-carotene, zeaxanthin, lutein, canthaxathin và cao gấp 500 lần so với αtocopherol [19]. Khả năng chống ôxy hóa của astaxanthin dựa trên chiều dài của
phân tử và cấu trúc vòng ở hai đầu [23].
Astaxanthin có thể nâng cao khả năng miễn dịch, ngăn ngừa triệu chứng lão
hóa, bệnh thoái hóa võng mạc bệnh Alzheimer, Parkinson, các bệnh có liên quan
đến sự thừa cholesterol, một số căn bệnh ung thư [24]. Đặc tính kháng viêm của
astaxanthin có mối liên hệ chặt chẽ với hoạt động chống ôxy hóa. Astaxanthin là
chất chống ôxy hóa nên cũng là một rất hiệu quả chống viêm [20].

10

Astaxanthin có thể giúp giảm đau và viêm gân, khớp và cơ bắp. Astaxanthin
có thể ngăn ngừa việc tăng huyết áp, có thể bảo vệ não do đột quy và thiếu máu cục
bộ, có tác dụng trong việc cải thiện bộ nhớ trong chứng mất trí. Astaxanthin vai trò
như là một phòng ngừa ung thư. Astaxanthin có thể ngăn ngừa bệnh tim và giúp
những người bị bệnh tim giảm thiểu nguy cơ đau tim hay đột quy. Khả năng chống
ôxy hóa và giảm viêm là hai yếu tố có lợi cho tim mạch vì có thể giúp cải thiện lipid
máu bằng cách giảm cholesterol xấu và tăng cholesterol tốt [28]. Astaxanthin có thể
làm giảm đau nhức mắt, khô, mệt mỏi và mờ mắt. Vì vậy astaxanthin có hiệu quả
trong việc giảm viêm mắt.
Astaxanthin được bổ sung trong nhiều sản phẩm mỹ phẩm khác nhau.
Vitamin E là một chất chống ôxy hóa đầu tiên được sử dụng và vẫn còn có thể rộng
rãi. Nhưng từ khi Astaxanthin được biết đến là chất chống ôxy hóa mạnh hơn so với
vitamin E thì astaxanthin được bổ sung vào một loạt các sản phẩm mỹ phẩm như
các loại son môi và sản phẩm kem chống nắng. Trong kem chống nắng, astaxanthin
sẽ giúp bảo vệ da tốt hơn do bị cháy nắng và tổn hại do tia UV và nhờ có các thuộc
tính chất chống ôxy hoá nên sẽ giúp chữa lành da bị hư hại [21].
1.3.4. Những biến đổi của astaxanthin trong quá trình bảo quản và chế biến
Các hợp chất carotene thuộc nhóm chất chống ôxy hoá có khả năng loại gốc
tự do. Khả năng chống ôxy hóa của caroten dựa trên khả năng liên kết với ôxy
nguyên tử và gốc peroxide bằng cách tạo ra sản phẩm cộng giữa β-carotene và gốc
peroxide . Dưới một số điều kiện, các hợp chất caroten hoạt động như những chất
tiền ôxy hoá, dưới những điều kiện khác lại hoạt động như những chất chống ôxy
hoá, có chức năng như một chất chống ôxy hóa chuỗi ngăn ngừa sự lan truyền của
các phản ứng gốc tự do. Vì vậy, carotene và đặc biệt là astaxanthin rất dễ bị biến đổi
trong quá trình chế biến và bảo quản vì astaxanthin rất nhạy cảm với ánh sáng, ôxy
và nhiệt độ.
Astaxanthin trong phế liệu tôm có thể được tìm thấy trong ba dạng chính:

Astaxanthin tạo phức với protein (caroten-protein), astaxanthin liên kết với lipid,


11

protein và astaxanthin tự do. Dạng astaxanthin tự do là dễ bị ôxy hóa nhất. Phân tử
của astaxanthin có nhiều nối đôi nên kém bền, dễ tạo liên kết với các chất khác như
hydro, gốc tự do, peroxide, acid… làm mất đi hoạt tính vốn có của nó. Cơ chế ôxy
hóa astaxanthin được giải thích như là sự ôxy hóa lipid [22] và những tác nhân gây
ôxy hóa như ánh sáng, nhiệt độ tương đối cao, ôxy và acid sẽ làm cho astaxanthin bị
suy giảm hoạt tính. Vì vậy, trong quá trình thu nhận và bảo quản cần lưu ý những
yếu tố này nhằm hạn chế sự suy giảm chất lượng của astaxanthin.
Những yếu tố ảnh hưởng đến astaxanthin:
 Nhiệt độ: nhiệt độ càng cao thì càng làm ôxy hóa astaxanthin dẫn đến làm
giảm hoạt tính của nó. Khi bảo quản ở nhiệt độ thấp thì quá trình ôxy hóa
astaxanthin sẽ giảm và hoạt tính của astaxanthin được đảm bảo.
 Ánh sáng: ánh sáng là tác nhân gây ôxy hóa astaxanthin nên khi bảo quản
cần hạn chế ánh sáng tiếp xúc với hỗn hợp caroten-protein.
 Ôxy nguyên tử: Ôxy là yếu tố có ảnh hưởng lớn đến quá trình ôxy hóa
astaxanthin. Đặc biệt là khi có thêm ánh sáng và nhiệt độ cao. Vì vậy, khi bảo quản
nên bao gói hút chân không.
 Acid: acid được sử dụng trong quá trình thu nhận hỗn hợp caroten-protein sẽ
ảnh hưởng đến hoạt tính của astaxanthin bằng cách tạo liên kết với nó. Nên sử dụng
acid ở nồng độ thấp để hạn chế sự suy giảm chất lượng của astaxanthin.
1.4. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Những nghiên cứu trên thế giới về thu hồi và bảo quản cũng như ứng dụng
của hỗn hợp caroten-protein đã có nhiều thành tựu đáng kể, trong đó những thành
tựu trong nước và ngoài nước tiêu biểu như sau:
1.4.1.Nghiên cứu trong nước
Chitin, caroten-protein, astaxanthin là những sản phẩm được thu hồi chính

trong phế liệu tôm. Trong đó thu hồi hỗn hợp caroten-protein có trong đầu tôm
được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm như: năm 2004, Hoàng Thị Huệ An đã nghiên


12

cứu chiết xuất astaxanthin từ phế liệu vỏ tôm [1]. Năm 2009, Ngô Thanh Lĩnh cũng
đã nghiên cứu sử dụng acid hữu cơ ở nồng độ thấp trong quy trình sản xuất chitinchitosan để khử protein, khoáng nhưng đồng thời tận thu được dịch ủ, thu hồi
caroten-protein, phương pháp này tiết kiệm được chi phí nhưng tốn nhiều thời gian
[2]. Nguyễn Lệ Hà vào năm 2011 đã nghiên cứu tách chiết và ứng dụng chế phẩm
enzyme protease từ đầu tôm sú vào mục đích thủy phân phế liệu đầu và vỏ tôm sú
để thu nhận bột carotein-protein với hàm lượng protein (70,7%) và carotenoid cao
(0,706 mg/g) [8]. Năm 2012, Phạm Thị Đan Phượng cũng sử dụng đơn lẻ một
enzyme, kết hợp nhiều enzyme để thuỷ phân đầu tôm thẻ chân trắng thu hồi hỗn
hợp caroten-protein (Alcalase 0,2% trong 2 giờ, Flavourzyme 0,1% trong 1giờ)
cũng đã đạt được hiệu suất thu hồi đáng kể trong thời gian ngắn (chỉ mất 3 giờ),
chất lượng caroten-protein được nâng cao. Tuy nhiên, sử dụng enzyme protease
thương mại thì chi phí cao nên khó có thể mang lại nguồn lợi khi áp dụng vào công
nghiệp [10].
1.4.2. Nghiên cứu ngoài nước
Việc thu hồi hỗn hợp caroten-protein đã được nghiên cứu và ứng dụng trên
nhiều nước và cho ra nhiều thành quả đáng kể đến.
Năm 2006, Higura-Ciapara và cộng sự đã nghiên cứu tính chất chống ôxy
hóa của caroteinoid. Carotenoid cũng có thể chống lại Hecolybacter pylori gây bệnh
viêm loét dạ dày, sử dụng thức ăn có chứa carotenoid thường xuyên có khả năng
bảo vệ tế bào và ngăn ngừa được nhiều loại bệnh trong đó có cả bệnh ung thư và
bệnh tim mạch [24]. Cao và cộng sự năm 2009, đã sử dụng phương pháp tự thủy
phân sử dụng enzyme nội tại kết hợp với sự tăng dần nhiệt độ (nửa giờ tăng 5 oC từ
40-70 oC) đã cho thấy sự hiệu quả trong việc thu hồi protein trong đầu tôm thẻ chân
trắng. Hàm lượng protein của đầu tôm và dịch tự thủy phân bằng phương pháp tăng

dần nhiệt độ đạt 60,6 và 88,8% [15]. Năm 1987, Cano-López và cộng sự đã sử dụng
enzyme phân hủy protein để phá vỡ các liên kết protein và sắc tố, chiết xuất được
58% carotenoid. Những nghiên cứu trên, đều nghiên cứu thu hồi caroten-protein


13

những hầu như hoắc rất ít nghiên cứu quá trình cô đặc dịch chiết carotein những yếu
tố như nhiệt độ, hay bổ sung chitosan để hạn chế biến đổi chất lượng của carotenprotein nên đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện cô đặc đến chất lượng
sản phẩm caroten-protein thủy phân từ đầu tôm” là rất cấp thiết.
1.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP THU NHẬN CAROTEN-PROTEIN
1.5.1. Thu nhận caroten-protein bằng phương pháp kết tủa ở điểm đẳng điện
pI
Giá trị pH mà tại đó phân tử protein trung hòa điện gọi là điểm đẳng điện của
protein (pI), ở giá trị pH = pI phân tử protein trung hòa điện, điện tích của protein
bằng không, tương tác tĩnh điện giữa các phân tử protein và các phân tử nước bị
giảm. Các phân tử protein tập hợp lại với nhau do lớp vỏ hydrate bên ngoài bị phá
vỡ. Lợi dụng tính chất này để kết tủa protein. Do không có sự thay đổi cấu trúc
phân tử nên sau khi loại bỏ tác nhân gây kết tủa ra khỏi dung dịch thì các phân tử
protein có thể hòa tan trở lại [12]. Cơ chế kết tủa bằng pH đẳng điện có thể mang
tính thuận nghịch nên áp dụng để tách hợp chất protein có hoạt tính sinh học ra khỏi
hỗn hợp mà vẫn đảm bảo giữ được hoạt tính và cấu trúc phân tử. Tuy nhiên thời
gian tủa thường xảy ra rất lâu, hiệu suất thu hồi lại thấp và chi phí cao nên hiệu quả
kinh tế không cao.
1.5.2. Thu nhận caroten-protein bằng xử lý nhiệt
Với phương pháp thu hồi protein bằng xử lý nhiệt thì với nhiệt độ cao sẽ loại
bỏ được lớp vỏ hydrate của protein, làm giảm khả năng hấp thụ nước. Các phân tử
protein kết tụ lại với nhau thành khối. Do mỗi loại protein khác nhau thì có độ biến
tính khác nhau vì vậy độ biến tính của protein tỷ lệ thuận vào cường độ và thời gian
khác nhau. Đa số protein biến tính ở nhiệt độ 45-50 °C. Protein khi được gia nhiệt ở

điểm đẳng điện sẽ cho kết tủa nhanh hơn.
Kết tủa protein bằng nhiệt có rất nhiều ưu điểm trong việc tách protein từ
dung dịch mà khi chúng ta ít quan tâm đến hoạt tính hay cấu trúc của nó. Phương


14

pháp kết tủa này xảy ra nhanh, triệt để, ít gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, chi
phí năng lượng cho quá trình gia nhiệt quá lớn khi thực hiện ở quy mô công nghiệp.
1.5.3. Thu nhận caroten-protein bằng chitosan
Vì tính chất đặc trưng mang điện tích dương nên chitosan có thể tương tác
với phần lớn các chất hữu cơ mang điện tích âm. Chitosan thể hiện là một chất keo
tụ, tạo bông tốt, có hiệu quả trong việc thu hồi các chất hữu cơ trong nước, đặc biệt
là protein. Phân tử chitosan cũng có khả năng hấp phụ, tạo cầu nối để liên kết các
hạt keo protein đã kết tủa thành các phân tử có kích thước lớn hơn và lắng. Ngoài
ra, chitosan có độ deacetyl cao thì trong dung dịch có chứa nhiều gốc amin tích điện
dương sẽ trung hòa điện tích của các phân tử protein tích điện âm trong dung dịch
nước rửa, giảm khả năng hydrat hóa, tập hợp lại và keo tụ [13]. Nồng độ chitosan
cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu quả thu hồi, cần sử dụng chitosan ở một nồng độ hợp
lý vì khi tăng nồng độ chitosan làm tăng số điện tích cùng dấu và đẩy nhau tạo nên
một mạng lưới keo cản trở quá trình keo tụ lắng xuống của các phân tử protein.
Chitosan có độ deacetyl hóa càng cao thì các nhóm tích điện dương trên mạch
chitosan càng nhiều, thuận lợi trong tương tác ion để thu hồi protein hòa tan.
Ưu điểm của phương pháp này là không gây biến tính protein, không độc hại
và hiệu quả thu nhận cao. Do đó, phương pháp này áp dụng để tận thu các chế phẩm
enzyme và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác.
1.5.4. Thu nhận caroten-protein bằng cô đặc
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ chất tan của dung dịch bằng cách đun
sôi và cho bay hơi dung môi. Đây là một trong những quá trình công nghệ quan
trọng được áp dụng trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm. Hiệu quả sử dụng

năng lượng của phương pháp cô đặc cao, có thể đạt 90%, cao hơn nhiều so với
phương pháp sấy (đạt khoảng 60%). Cô đặc làm giảm thể tích, giảm khối lượng sản
phẩm dẫn đến tăng hiệu quả kinh tế trong bao gói và vận chuyển. Cô đặc còn giúp
kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm do ức chế hoạt động của enzyme và hạn chế vi
sinh vật phát triển do giảm hoạt độ nước. Cô đặc được áp dụng dụng rộng rãi trong