chitin chitosan từ phế liệu tôm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC – THỰC PHẨM

Môn học: XỬ LÝ PHẾ, PHỤ LIỆU TRONG CƠNG
NGHỆ THỰC PHẨM
Đề tài: Tìm hiểu các phương pháp và quá trình sản
xuất caroten-protein tận dụng từ phế phụ liệu của Cơng
nghệ chế biến thực phẩm
GVHD: Lê Hương Thủy
Nhóm 4
Lớp: ĐHTP13C
Thành viên

Mssv

Đào Lê Xuân Dung

17069761

Đoàn Thị Thanh Giang

17067761

Đinh Ngọc Liên Nhi

17049661

Nguyễn Thị Trang

17066911

Mục lục
I.

Tổng quan về phế liệu.................................................................................................1
1. Tình hình nghiên cứu...............................................................................................1
2. Giới thiệu về phế liệu tơm........................................................................................1
3. Thành phần tính chất của phế liệu tôm.....................................................................2

II.

Nguồn gốc và bản chất của chế phẩm caroten-protein......................................4

III. Các phương pháp tách chiết và thu hồi chế phẩm caroten-protein từ phế liệu tơm
trong q trình sản xuất chitin/chitosan..............................................................................5
3.1

Phương pháp tách chiết chế phẩm caroten-protein từ phế liệu tơm.......................7

3.1.1

Tách chiết chế phẩm caroten-protein bằng phương pháp hóa học..................7

3.1.2

Tách chiết chế phẩm caroten-protein bằng phương pháp sinh học...............11

3.1.3. Tách chiết chế phẩm caroten-protein bằng phương pháp kết hợp....................14
3.2

IV.

Phương pháp thu hồi hỗn hợp caroten-protein từ phế liệu tôm...........................16

3.2.1

Phương pháp thu hồi bằng pH đẳng điện (Pi)..............................................16

3.2.2.

Phương pháp thu hồi bằng xử lý nhiệt..........................................................16

3.2.3.

Phương pháp thu hồi bằng polyme (chitosan)..............................................16

Đề xuất ý tưởng mới..............................................................................................17

V. Kết luận..................................................................................................................... 19


Lời mở đầu:
Sự phát triển rất nhanh của ngành nuôi trồng và chế biến tôm đã đem lại giá trị xuất
khẩu cao chiếm tỷ trọng lớn trong ngành thủy sản Việt Nam với sản lượng tôm tăng
dần theo các năm. Năm 2014 đạt 660.0000 tấn đến năm 2018 sản lượng tôm chế biến
đạt 1 triệu lần với 160 doanh nghiệp chế biến tôm và xuất khẩu 97 thị trường với tổng
giá trị 3,6 tỷ USD.
Phần lớn tôm xuất khẩu được đưa vào chế biến dưới dạng bốc vỏ đầu, tỷ lệ đầu chiếm
35-45%, phần vỏ còn lại chiếm 10-15% trọng lượng của tơm ngun liệu do đó lượng
phế liệu tơm ở Việt Nam ước tính khoảng 325.000 tấn/năm. Ngành tơm tăng trưởng

nhanh kéo theo lượng phụ phẩm tôm cũng tăng theo tỉ lệ thuận, có thể lên đến 450.000
tấn vào năm 2025, tương ứng mỗi ngày có hơn 1000 tấn phụ phẩm bị loại khỏi dây
chuyền sản xuất. Lượng phụ phẩm đó sẽ thải ra mơi trường nếu khơng có các đ ầu tư
nghiên cứu tái sử dụng cho ngành thức ăn chăn ni và dược phẩm. Trước tình hình đó
các nhà nghiên cứu đã đưa ra các giải pháp vừa giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi
trường, vừa nâng cao giá trị sử dụng cho các phế liệu và đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Các phụ phẩm từ quy trình chế biến tơm đã được xác định là một nguồn protein lớn,
cũng là một nguồn quan trọng để sản xuất chitin, astaxanthin. Đặc biệt là sản xuất
caroten-protein có thể ứng dụng trong cơng nghệ thực phẩm, y dược và mỹ phẩm. Và
hơm nay nhóm sẽ tìm hiểu về: “Các phương pháp và quá trình sản xuất caroten-protein
tận dụng từ phế phụ liệu của Công nghệ chế biến thực phẩm”, đồng thời đưa ra ý
tưởng về việc tận dụng phế phụ liệu để sản xuất catoten-protein trong tương lai.


Tìm hiểu các phương pháp và quá trình sản xuất carotenprotein tận dụng từ phế phụ liệu của CNCBTP
I. Tổng quan về phế liệu
1. Tình hình nghiên cứu
Trên thế giới, việc tận dụng các phế liệu thủy sản ở các nước có nền cơng nghiệp
chế biến thủy sản phát triển để sản xuất các sản phẩm gia tăng chất lượng được các nhà
nghiên cứu hết sức chú trọng và quan tâm… Hợp chất chitin, chitosan được các nhà
nghiên cứu chú trọng và có nhiều thành tựu trong lĩnh vực này.
Bên cạnh đó, việc thu nhận bột giàu carotenoid cũng được quan tâm nghiên cứu. Các
sản phẩm protein thu được có thể ứng dụng trong chế biến trong chế biến thức ăn cho
người và gia súc ở dạng đạm giàu carotenoid hoặc chất mùi tôm. Các nghiên cứu này
chủ yếu tập trung vào phế liệu của tôm sú hoặc các loại tôm đặc thù ở khu vực Châu
Âu hay Bắc Mỹ, các nghiên cứu về tơm thẻ trắng thì cịn rất hạn chế.
Với những hiệu quả khi sử dụng astaxanthin làm thức ăn cho thủy sản mang lại, thì
astaxanthin hay cịn gọi là carotenoid được sự quan tâm, chú trọng của các nhà nghiên
cứu. Sử dụng thức ăn có chứa carotenoid thường xuyên có khả năng bảo vệ và ngăn
ngừa được nhiều loại bệnh trong đó có bệnh ung thư và tim mạch. [8]

Trong nước ta, việc sử dụng phế liệu đầu tôm cũng được nhiều nhà khoa học chú
trọng. Phần lớn là sản xuất chitin – chitosan, chiết rút chất màu mùi, và được sử dụng
các phương pháp sinh học sử dụng protease hay lên men để thủy phân protein. Các
phương pháp sinh học thường sẽ có chi phí cao hơn phương pháp hóa học, sử dụng
phương pháp hóa học vào việc thu hồi hỗn hợp caroten-protein, ngoài quan tâm đến
hiệu suất thu hồi và hàm lượng astaxanthin thì cịn quan tâm đến việc giảm chi phí,
thời gian ngắn cho việc thu hồi để có thể ứng dụng vào cơng nghiệp.
2. Giới thiệu về phế liệu tôm


Đầu tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamel hoặc Penaeus vannamei). Ở nước
ta, tôm là mặt hàng chủ lực của ngành thủy sản, sản phẩm từ tôm rất phong phú và đa
dạng. Đặc biệt các sản phẩm đông lạnh làm từ tơm đều loại bỏ phần vỏ và đầu vì thế
việc tận dụng phế phẩm để tạo ra các sản phẩm có 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
mơi trường.
3. Thành phần tính chất của phế liệu tôm
Trong thành phần phế liệu tôm, phần đầu thường chiếm 35 – 45 % trọng lượng của
tôm nguyên liệu, phần vỏ tôm chiếm 10 -15%. Tuy vậy, tỷ lệ này cịn phụ thuộc vào
giống lồi giai đoạn sinh trưởng.
Thành phần chiếm tỷ lệ đáng kể trong đầu tơm là protein, chitin, canxi, cacbonate,
sắc tố mà có thể được phục hồi. Tỷ lệ các thành phần này khơng ổn định vì chúng thay
đổi theo giống, đặc điểm sinh thái, sinh lý. Thành phần chitin và protein trong vỏ tươi
tương ứng là 4,50% và 8,05%, trong vỏ tôm khô là 11 - 27,50% và 23,25% - 53%.
Hàm lượng chitin, protein, khống và carotenoid trong phế liệu vỏ tơm thay đổi rất
rộng phụ thuộc vào điều kiện bảo quản cũng như phụ thuộc vào loại, trạng thái dinh
dưỡng, chu kỳ sinh sản. Vỏ giáp xác chứa chủ yếu là protein (30-40%), khống (3050%), chitin (13-42%).
Thành phần hóa học của phế liệu tôm thẻ chân trắng đông lạnh:
 Protein: protein trong phế liệu tơm là loại protein khơng hịa 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. CaC như một phần thống nhất của
vỏ tôm.


 Chitin: tồn tại dưới dạng liên kết với protein, khống và nhiều hợp chất hữu cơ
khác, chính sự liên kết này là nguyên nhân gây khó khăn cho việc tách và tinh
chế chúng.
 Canxi: trong thành phần của vỏ tơm có chứa một lượng lớn muối vơ cơ mà chủ
yếu là cacbonat canxi (CaC.
 Astaxanthin: là sắc tố chủ yếu trong vỏ tôm, astaxanthin là dẫn xuất của
caroten, thường ở dạng liên kết với acid béo (ester hóa) hay với protein tạo nên
một phức hợp chặt chẽ có màu xanh đặc trưng cho tôm. Khi liên kết này bị phá
vỡ thì astaxanthin dễ dàng bị oxy hóa thành astaxin. Trong đầu tơm có chứa
một lượng nhỏ sắc tố nhưng nó cực kỳ có giá trị vì vậy người ta đã có nhiều
nghiên cứu nhằm thu hồi sắc tố một cách triệt để nhất trong phế liệu tôm và đi
kèm với nó là việc thu hồi protein để từ đó làm tăng giá trị sản phẩm, tạo sản
phẩm mới và cải thiện môi trường đáng kể.
 Hệ enzyme: hệ enzyme của tơm thường có hoạt độ mạnh hơn đặc biệt ở cơ
quan nội tạng thuộc phần đầu tơm do đó bộ phận này rất dễ bị hư hỏng. Hệ
enzyme của tôm bao gồm: Protease là enzyme chủ yếu trong đầu tôm, chủ yếu
phân giải protein thành acid amin. Lipase phân giải lipid thành glyxeryl và acid
béo. Đối với Tyrozinaza thì khi có mặt của oxi khơng khí thì sẽ biến đổi
tyrozin thành melanin có màu đen ảnh hưởng đến giá trị cảm quan và chất

lượng của sản phẩm. Hoạt độ enzyme protease của đầu tôm khoảng 6.5 đơn vị
hoạt động tươi. Qua nhiều nghiên cứu bằng phương pháp sắc ký qua Coat
Sephadex G 75 đã tách được ở đầu tôm hai loại protease có khối lượng phân tử
khác nhau. Ngồi ra cịn có một số khống chất như P, K, Mg và Fe (Trang Sĩ
Trung và công sự, 2010).
Bảng 1.1 Thành phần hóa học cơ bản của đầu tơm thẻ chân trắng
Chỉ tiêu
Hàm lượng ẩm (%)
Hàm lượng protein (%)

Hàm lượng
78.7 ± 1.4
51.4 ± 3.3


Hàm lượng khoáng (%)

20.4± 2.1

II. Nguồn gốc và bản chất của chế phẩm caroten-protein
Trong các loài sinh vật biển, carotenoid và protein thường liên kết với nhau
tạo thành phức carotenoprotein. Ngồi ra, phức carotenoprotein cịn liên kết với các
chất khác như axit béo, chitin, khống chất (hình 1). Đặc biệt, phức carotenoprotein
thường gặp ở các loài động vật giáp xác thủy sản, tồn tại nhiều ở lớp ngoại bì, trong
vỏ, ở các cơ quan nội tạng (trứng, dạ dày hay bạch huyết). Carotenoprotein được chia
thành 2 nhóm chính: carotenoid liên kết với lipo(glyco)protein, carotenoid liên kết với
một protein hoặc glycoprotein . Phản ứng giữa các nhóm 4- và 4’-keto trong các vịng
đầu mạch của astaxanthin với các nhóm chức amin trong protein là điều kiện tiên
quyết để hình thành phức carotenoprotein giữa astaxanthin và protein [21]. Phức hợp
carotenoprotein tan trong nước và có tính bền vững. Trong một vài trường hợp, màu

sắc của nó bền đến vài năm trong khơng khí ở điều kiện nhiệt độ phịng. Các
carotenoid có liên kết với protein ít bị oxi hóa hơn so với khi chúng ở dạng tự do. Do
vậy, carotenoid ở trong cơ thể sinh vật bền vững hơn so với carotenoid sau tách chiết ở
dạng tự do. Carotenoid ở dạng tự do thường có màu vàng, cam hoặc đỏ. Tuy nhiên,
trong cơ thể những lồi động vật biển khơng xương sống, các phức hợp
carotenoprotein tạo nên nhiều màu khác nhau như xanh lá cây, xanh dương và tía.
Trong các lồi giáp xác thủy sản có chứa 3 loại crustacyanine là α-, β- và γcrustacyanine. Cả 3 loại này đều có astaxanthin và ở dạng nhóm liên kết (prosthetic
group). Trong đó, astaxanthin thường liên kết với các phân tử protein tạo thành
phức hợp α-crustacyanin, hấp thụ cực đại ở bước sóng (λmax) 628 nm, có màu xanh
đen đặc trưng thường thấy ở các loài thủy sản sống. Dưới tác dụng của nhiệt, liên kết
trên bị phá hủy và giải phóng astaxanthin tự do có màu đỏ cam (λmax = 480 nm). Cấu
trúc của carotenoid cũng quyết định các chức năng sinh học của chúng, trong đó phần
lớn carotenoid đều có mạch 40 carbon liên kết với các nhóm chức chứa oxy khác nhau.
Trong phế liệu tôm, carotenoid chủ yếu là astaxanthin (trên 95%), thuộc nhóm chất
tetraterpenoid, là sắc tố màu đỏ cam. Tương tự như carotenoid khác, nó có tính phân


cực thấp và hòa tan tốt trong mỡ hoặc dầu. Astaxanthin có thể được tìm thấy trong vi
tảo, men bia, cá hồi, cá, loài nhuyễn thể, động vật giáp xác thủy sản và lơng của một số
lồi chim. Trong các loài giáp xác thủy sản, astaxanthin chủ yếu tập trung ở phần vỏ
ngồi. Nó thường tồn tại ở dạng đồng phân quang học (3S, 3’S), trong đó chủ yếu là ở
dạng mono- hay di-ester với các axit béo không no mạch dài, hoặc dưới dạng phức
hợp carotenoprotein [11].

Hình 1. Các liên kết hóa học giữa astaxanthin với axit béo, chitin và protein trong đầu
vỏ tôm [11]

III.

Các phương pháp tách chiết và thu hồi chế phẩm caroten-protein từ phế liệu

tôm trong quá trình sản xuất chitin/chitosan
Trước đây, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu chiết tách và thu hồi chất màu
(carotenoid), chất mùi (protein) từ phế liệu tôm bằng một số dung môi hữu cơ, axit,
nhiệt, nước hay nước muối lỗng. Để nâng cao chất lượng sản phẩm và có thể ứng
dụng trong công nghệ thực phẩm, y dược và mỹ phẩm, các hợp chất trên được tách
chiết bằng cách dùng dầu thực vật và các loại enzyme protease hoặc kết hợp các
phương pháp chiết nhằm thu hồi cả carotenoid và protein [2, 12, 13, 23]. Tuy nhiên,
protein và carotenoid nhanh chóng bị hư hỏng hoặc bị oxy hóa khi ở dạng tự do sau


tách chiết, trong khi ở dạng phức hợp lại bền và ổn định hơn [9]. Điều này đã được
chứng minh trong các nghiên cứu cơng bố gần đây.

Hình 2 trình bày quy trình thu hồi chế phẩm caroten-protein trong quá trình sản xuất
chitin/chitosan. Sản phẩm tách chiết sau khi thủy phân sẽ được phân riêng thành phần
bã (dùng để sản xuất chitin/chitosan) và phần dịch thủy phân (dùng để kết tủa để thu
hồi phức hợp carotenoprotein, protein tự do, carotenoid tự do...). Để thu hồi chế phẩm
trong dung dịch đạm thủy phân được tách chiết từ giáp xác thủy sản nói chung và phế
liệu tơm trong q trình sản xuất chitin nói riêng, phải có phương pháp thích hợp để
đạt hiệu suất thu hồi sản phẩm cao nhất nhưng mức độ ảnh hưởng đến chất lượng của


sản phẩm thấp nhất, đặc biệt là hạn chế sự hư hỏng carotenoid. Hiện nay, nhiều nhà
khoa học đã nghiên cứu kết hợp sử dụng một số các phương pháp thu hồi để nâng cao
chất lượng sản phẩm và tăng hiệu suất thu hồi chế phẩm caroten-protein nhằm ứng
dụng trong thức ăn chăn nuôi hoặc thực phẩm cho người. Đồng thời, đây là một
hướng đi theo phương pháp sản xuất sạch hơn.
III.1

Phương pháp tách chiết chế phẩm caroten-protein từ phế liệu tôm

III.1.1 Tách chiết chế phẩm caroten-protein bằng phương pháp hóa học
Trong q trình sản xuất chitin/chitosan các cơng đoạn xử lý đều sử dụng hóa chất tùy
theo nguyên liệu, công nghệ và yêu cầu chất lượng của chitin/chitosan. Các loại axit
hữu cơ thường dùng trong quá trình ủ xilo như axit lactic, acetic, formic, propionic...
hoặc axit vô cơ như axit sunphuric, axit hydrochloric, axit phosphoric. Đây là phương
pháp dễ dàng triển khai với quy mơ lớn và có chi phí sản xuất tương đối thấp. Tuy
nhiên, việc sử dụng hóa chất trong cơng nghệ sản xuất chitin, chitosan khơng những
ảnh hưởng xấu đến chất lượng của chế phẩm caroten-protein thu được mà cịn có thể
gây ra ơ nhiễm mơi trường trầm trọng do hóa chất sau khi sử dụng được thải ra hoặc sẽ
phải tiêu tốn chi phí để xử lý nước thải này.
Trong thực tế, phương pháp ủ xilô bằng các axit hữu cơ hoặc kết hợp axit hữu cơ với
vô cơ vẫn được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến để thu hồi chế phẩm dịch ủ xilô
dùng cho sản xuất thức ăn chăn nuôi gia súc và thủy sản. Tuy nhiên, sử dụng axit vô
cơ để ủ xilơ nhằm mục đích thu hồi chế phẩm caroten-protein sẽ khơng cho sản phẩm
có chất lượng cao so với phương pháp ủ xilô bằng axit hữu cơ hoặc lên men vi sinh (vi
khuẩn), do các acid vô cơ có khả năng phân hủy một số carotenoid, đặc biệt là có khả
năng gây biến tính protein. Như vậy, chế phẩm caroten-protein thu được sẽ có chất
lượng thấp do lượng protein và carotenoid thu được thấp, đặc biệt ảnh hưởng rất lớn
đến màu sắc của sản phẩm do carotenoid bị oxy hóa mạnh và chỉ phù hợp làm thức ăn
chăn nuôi. Hơn nữa, để sử dụng chế phẩm caroten-protein thu được từ q trình ủ xilơ
bằng axit vơ cơ cần phải được trung hịa chế biến thức ăn chăn ni.


-

Quy trình cơng nghệ:

Tác nhân thủy phân:

Phế liệu tơm

- Enzyme/hóa chất
- Thời gian
- Nhiệt độ

Thủy phân

Phân riêng

Bã rắn

Dịch thủy
phân

Chitin

Chitosan

Tác nhân kết tủa:
-

Ly tâm

Bột nhão

Chế phẩm caroten- protein

Dịch trong

Chitosan
PI
Nhiệt độ


-

Thuyết minh quy trình thực hiện:

Nguyên liệu: Sử dụng phế liệu của tơm trong quy trình sản xuất bao gồm đầu và vỏ
tơm. Có 2 loại là khơ và tươi.
Thủy phân bằng cách ủ xilo để khử khoáng và protein. Thực hiện bổ sung các axit
hữu cơ/ vô cơ. Thông thường sẽ được ủ bằng acid fomic để tăng chất lượng của dịch ủ
và khơng cần trung hịa khi sử dụng làm thức ăn chăn nuôi.
Phân riêng: Sau khi phế liệu được thủy phân bằng cách ủ xilo sẽ được phân riêng
bằng cách ép. Nhằm mục đích phân riêng bã và dịch. Phần bã được đem đi thực hiện
quá trình sản xuất chitosan, còn dịch thủy phân đem đi thực hiện sản xuất chế phẩm
caroten – protein.
Ly tâm: Dịch thủy phân sau khi được phân riêng đem đi ly tâm nhằm lắng lại phần cặn
thu được phần bột nhão là chế phầm caroten – protein.
Ưu điểm của phương pháp:
+ Dễ dàng thực hiện, triển khai với quy mô lớn với lượng chi phí thấp.
Nhược điểm:
+ Sử dụng hóa chất làm ảnh hưởng đến chất lượng của chế phẩm caroten- protein thu
được.
+ Gây ra ơ nhiễm mơi trường do hóa chất sau khi sử dụng được thải ra ngồi mơi
trường hoặc phải tốn một lượng chi phí để xử lí lượng nước thải này.
+ Lượng carotenoid bị phân hủy phần lớn do nồng độ acid cao.
-

Thông số kĩ thuật:

o Nhiệt độ ủ, nhiệt đô thủy phân 45 -60℃.
o Nước sử dụng phải đạt tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5502-2003)
o Khử khoáng: 2 -3 giờ, nồng độ acid từ 4 - 6%. Đối với dùng rửa cua, ghẹ cần nâng
nồng độ lên cao hơn vì cua ghẹ có hàm lượng khống cao hơn.


o Khử protein: Nhiệt độ 70℃, nồng độ bazo khoảng 3%, 5- 7 giờ.
o Thu hồi chế phẩm caroten - protein: 2 giờ, phụ thuộc thiết bị phân riêng sử dụng.
-

Thiết bị sử dụng trong quy trình sản xuất:

Ở Việt Nam hầu như các cơng đoạn đều thực hiện cịn rất thủ cơng và có sự hỗ trợ các
dụng cụ trong quá trình thực hiện.
 Yêu cầu của các thiết bị sử dụng trong quá trình:
Yêu cầu chung của các thiết bị sử dụng của chúng là phải đảm bảo thích hợp với
mỗi điều kiện khác nhau của mỗi cơng đoạn, cho năng suất cao và an tồn trong q
trình thực hiện và sử dụng.
Vật liệu làm thiết bị phải đat các yêu cầu: Chịu được nồng độ acid và kiềm cao, chịu
nhiệt tốt, khơng gỉ,..
Thiết bị cần có khả năng quy trình sản xuất cơ bản và có khả năng điều chỉnh các
thông số kĩ thuật phù hợp: Nhiệt độ, thời gian, nồng độ hóa chất,...
Các thiết bị hệ thống yêu cầu phải đầy đủ các van xả nước thải, an toàn cho người lao
động
 Một số thiết bị sử dụng:
+ Bộ truyền động
+ Bộ cấp hóa chất

+ Bộ gia nhiệt và sấy
+ Bộ điều chỉnh nhiệt độ
+ Thùng quay đảo rửa
+ Thùng quay đựng dung dịch gia công
+ Các bình đựng hóa chất, trước khi thực hiện cần kiểm tra, cung cấp đủ dung dịch
hóa chất cần thiết cho thiết bị


+ Máy li tâm

+ Máy ép khung bản

III.1.2 Tách chiết chế phẩm caroten-protein bằng phương pháp sinh học

Nhiệt độ: 30
Time: 48h

Pediococucs
pentosaceus

-Phế liệu tôm
-10% glucose khan


Nuôi cấy

Phối trộn

Ủ 30, 48h

Hệ dung môi (ete dầu hỏa:
acetone: nước = 15:75:10)

Lên men

Khuấy

Ly tâm

Trích ly

Làm khơ

Caroten-protein

-

Nhiệt độ: 30

-

Time : 48h

0.01% của butylhydroxyanisol
và butylhydroxytoluen (1:1)

-

Time: 3h

-

ở 200rpm


Để nâng cao chất lượng sản phẩm thu được, carotenoid được tách chiết và thu hồi
trong phức hợp carotenoprotein nhằm giữ bền màu do liên kết giữa carotenoid và
protein. Hơn nữa, protein có trong phế liệu tơm có chất lượng dinh dưỡng khá cao,
bao gồm đầy đủ các axit amin cần thiết [1, 22]. Do vậy, việc thu hồi chế phẩm bao
gồm cả carotenoid và protein rất quan trọng trong ngành công nghệ thực phẩm và
chăn nuôi. Lee và cộng sự (1999) [14] đã so sánh khả năng tách chiết và thu hồi
carotenoid có trong chế phẩm caroten-protein bằng phương pháp ủ xilô axit acetic và
phương pháp kết hợp sử dụng dung dịch đệm Na3-EDTA và enzyme protease với mục
đích sử dụng làm phẩm màu thực phẩm chức năng. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu
quả tách chiết chế phẩm caroten-protein cao nhờ phương pháp kết hợp sử dụng Na3EDTA và một loại enzyme protease sinh từ vi sinh vật (khơng ủ xilơ bằng axit).
Ngồi ra, việc sử dụng phương pháp sinh học sản xuất chitin/chitosan bằng protease
không những nhằm nâng cao chất lượng chế phẩm caroten-protein thu hồi mà cịn hạn
chế ơ nhiễm mơi trường do chất thải sau sản xuất. Khanafari và cộng sự (2007) [15]
cũng khẳng định hiệu quả tách chiết carotenoid trong chế phẩm caroten-protein bằng
vi sinh vật (Lactobacillus plantarum, Lactobacillus acidophilus) cao hơn nhiều so với
phương pháp hóa học. Các loại enzyme được sử dụng để tách chiết phổ biến hiện nay
là papain, trypsin, pepsin, một số loại protease chiết rút từ vi sinh vật (Aspergillus
melleus,

Aspergillusoryzae,

Bacillus

Licheniforrnis,

Bacillus

subtilis,

Pseudomonas…) và các loại protease thương mại khác (Alcalase, Protamex,
Flavourzyme, Neutrase) [ 14]. Đặc điểm chung của các enzyme này là có khoảng pH
thích hợp rộng, thường từ 5,5 - 8,5; vì vậy, khi ứng dụng thủy phân thì có thể thích
ứng với pH mơi trường tự nhiên của ngun liệu thủy sản mà không cần điều chỉnh
pH. Nhiệt độ thích hợp của các enzyme này dao động trong khoảng từ 45 – 600 C.


Sử dụng protease sẽ phá vỡ các liên kết của các protein khác trong phế liệu tơm, do đó
làm giảm sự kết tủa protein tại điểm đẳng điện pI và làm tăng khả năng thu hồi
caroten-protein [16]. Các enzyme thủy phân protein như papain, pepsin, trypsin đều
hoạt động tốt ở nhiệt độ phịng. Tuy nhiên, mỗi loại enzyme có pH tối ưu khác nhau
như pepsin hoạt động tối ưu ở pH 4,6, papain ở pH 6,2 và trypsin ở pH 7,6. Trong đó,
so với papain và pepsin, hiệu suất thu hồi bột nhão caroten-protein của trypsin thấp
nhất, nhưng hàm lượng carotenoid và protein trong chế phẩm caroten-protein thu
được cao nhất. Mặc dù, tổng lượng protein thu được từ phế liệu tơm cao nhất khi sử
dụng trypsin nhưng nó có giá thành cao. Do đó, papain vẫn được dùng để thu hồi chế
phẩm protein và caroten-protein từ phế liệu tôm trước khi sản xuất chitin/chitosan [9].
3.1.3. Tách chiết chế phẩm caroten-protein bằng phương pháp kết hợp
a. Phương pháp kết hợp hóa học và sinh học
Trong phế liệu tôm, chitin kết hợp chặt chẽ với protein, chất màu carotenoid và
khống. Trong đó, protein, chất màu carotenoid tồn tại dưới dạng phức chất
carotenoprotein. Do vậy, trong quá trình sản xuất chitin/chitosan, việc thu hồi đồng
thời carotenoid, protein và loại khoáng là một vấn đề đáng quan tâm. Nhân tố chính
trong quy trình sản xuất chitin là các tác nhân khử khoáng (EDTA, HCl, nhiệt) và các
tác nhân kết tủa (HCl, (NH4)2 SO4), nhiệt) có khả năng ảnh hưởng đến chất màu
carotenoid. Vì vậy, nhằm nâng cao hiệu suất chiết caroten-protein và giữ được hoạt

tính sinh học của chất màu carotenoid trong q trình loại protein ra khỏi phế liệu
tôm, các nhà khoa học kết hợp việc sử dụng hóa chất (axit vơ cơ hay hữu cơ) và
enzyme protease để xử lý [7].
Để hạn chế nhược điểm của các phương pháp ủ xilô, Trang Sĩ Trung và cộng sự
(2009) [6] đã sử dụng kết hợp axit hữu cơ và Alcalse, có bổ sung rỉ đường để chiết
carotenoid từ phế liệu tơm. Q trình axit hóa cho phép giảm nhanh pH đến mức ổn
định nhằm ức chế vi sinh vật gây thối, tạo môi trường thuận lợi cho các enzyme nội
tại hoạt động, đồng thời cũng tạo điều kiện cho vi khuẩn lactic có mặt trong nguyên
liệu phát triển, thúc đẩy quá trình tự thủy phân. Trong q trình ủ xi lơ, bổ sung đường


có vai trị quan trọng cho hoạt động của vi sinh vật, tạo điều kiện thuận lợi cho quá
trình khử khống và khử protein. Mục đích ủ xilơ bằng axit hữu cơ nhằm tách khoáng
và protein ra khỏi phế liệu nhưng không ảnh hưởng lớn đến carotenoid. Hơn nữa, khi
tiếp tục tách protein bằng Alcalase cho phép thu hồi chitin/chitosan và hỗn hợp
caroten-protein có chất lượng cao đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường đáng kể.
Hàm lượng protein và carotenoid thu được từ quá trình sản xuất chitin cải tiến kết hợp
xử lý enzyme này cũng cao hơn hẳn so với phương pháp xử lý bằng hóa học [3]. Ưu
điểm của phương pháp cải tiến này dựa trên sự hạn chế sự thủy phân protein một phần
và sự phân hủy phần lớn carotenoid khi sử dụng axit ở nồng độ cao và thời gian ủ xilô
kéo dài.
b. Phương pháp sinh học kết hợp sử dụng hai enzyme protease
- Khi thủy phân một protease, hiệu suất thường đạt không cao do enzyme đó chỉ
mang một trong hai đặc tính hoặc là exoprotease hoặc là endoprotease và có tính đặc
hiệu riêng. Tuy nhiên, khi kết hợp hai enzyme sẽ nâng cao được hiệu suất thủy phân
nhờ hiệu ứng cộng hưởng [18]. Enzyme có bản chất endoprotease (Alcalase,
Protamex, Neutrase...) sẽ thủy phân các liên kết peptide ở bên trong chuỗi polypeptid.
Enzyme có tính exoprotease (Flavourzyme, Corolase LAP...) thì cắt các liên kết ở hai
đầu tận cùng của chuỗi polypeptide. Các exoprotease cắt ở đầu tận cùng có nhóm
carboxyl được gọi là carboxylpeptidase, các exoprotease cắt ở đầu tận cùng có nhóm

amin gọi là aminopeptidase [20].
- Việc kết hợp hai protease sẽ có khả năng thủy phân tốt hơn so với sử dụng đơn
protease vì tác dụng của các protease xảy ra trên nhiều vị trí khác nhau trong phân tử
protein. Bản chất của các mạch nhánh của axit amin ở bên cạnh các liên kết peptid có
ảnh hưởng mạnh đến hoạt động của các enzyme. Trên thực tế, các protease rất đặc
hiệu và tỷ lệ những liên kết peptid trong một phân tử protein bị bẻ gãy bởi một
protease là khơng cao.
Ví dụ, trypsin chỉ thủy phân liên kết peptid giữa lysine và argininine, trong khi
chymotrypsin chỉ thủy phân những liên kết peptid giữa tyrosine, phenylalanine,


tryptophan. Thậm chí, chymosin chỉ thủy phân liên kết peptid giữa Phe105-Met106
của kappa-casein [20]. Để nâng cao hiệu suất thủy phân cũng như chất lượng của sản
phẩm thu được, nhiều cơng trình nghiên cứu đã sử dụng kết hợp hai enzyme protease
và thường được tiến hành theo hai giai đoạn. Enzyme có bản chất endoprotease được
sử dụng ở giai đoạn đầu và sau đó bổ sung exoprotease cho giai đoạn sau. Chức năng
chính của endoprotease tạo ra một lượng lớn các chuỗi peptid có đầu -C và đầu -N tự
do để tạo điều kiện cho các exoprotease hoạt động [19].
Ví dụ, khi Alcalase (endoprotease) được kết hợp với Flavourzyme (protease có cả tính
chất endoprotease và exoprotease, nhưng tính chất exoprotease trội hơn) thì Alcalase
được cho vào trước, sau đó mới thủy phân bằng Flavourzyme sẽ tăng hiệu quả của
quá trình thủy phân, hiệu suất quá trình chiết rút và chất lượng sản phẩm [19]. Tuy
nhiên, một số nghiên cứu lại dựa trên cơ sở thực nghiệm như chất lượng sản phẩm
(màu sắc, mùi vị của sản phẩm), độ an toàn của enzyme sử dụng, hiệu quả của quá
trình thủy phân để chọn cặp enzyme thích hợp lại kết hợp hai protease có cùng bản
chất endoprotease như Alcalase kết hợp với Protamex [17]
III.2 Phương pháp thu hồi hỗn hợp caroten-protein từ phế liệu tôm
III.2.1 Phương pháp thu hồi bằng pH đẳng điện (Pi)
Phương pháp này thường được sử dụng để kết tủa protein hồ tan trong dung dịch.
Khi điện tích của protein bằng không (tại pH = pI), lớp vỏ hydrate bên ngoài bị phá

vỡ, các phân tử protein tập hợp lại với nhau hình thành kết tủa. Sau đó, chúng có khả
năng trở về dạng phân tử protein hồ tan mà vẫn giữ được hoạt tính sinh học và cấu
trúc phân tử khi loại bỏ tác nhân gây kết tủa. Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế của phương
pháp này không cao do thời gian kết tủa lâu, hiệu suất thu hồi thấp và chi phí cao [4,
5].
3.2.2. Phương pháp thu hồi bằng xử lý nhiệt
Phương pháp này cho phép thu hồi kết tủa triệt để trong thời gian ngắn và ít gây ô
nhiễm môi trường, tuy nhiên chi phí năng lượng cho quá trình gia nhiệt cao. Tuỳ


thuộc từng loại protein, nhiệt độ biến tính, cường độ và thời gian khác nhau sẽ quyết
định mức độ biến tính và hiệu quả thu hồi. Khi nhiệt độ tăng thì mức độ biến tính
tăng. Tuy nhiên, khi gia nhiệt ở điểm đẳng điện (pI) thì tủa kết protein lại nhanh hơn
[4, 5].
3.2.3. Phương pháp thu hồi bằng polyme (chitosan)
Chitosan là một chất keo tụ, tạo bông tốt và ứng dụng 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 xuống. Chitosan có độ deacetyl hóa càng cao thì càng
thuận lợi để thu hồi protein hòa tan hơn. Lưu ý, khi nồng độ chitosan tăng, số điện
cùng dấu trên bề mặt của phân tử protein tăng lên, dẫn đến sự tăng lực đẩy tĩnh điện
giữa chúng do đó cản trở q trình keo tụ và sa lắng của các phân tử protein. Phương
pháp này có nhiều ưu điểm như khơng gây biến tính, khơng độc hại, hàm lượng sử
dụng chitosan khơng lớn nhưng hiệu quả thu nhận caroten-protein lại cao [4, 5].
IV. Đề xuất ý tưởng mới
Ngoài nguyên liệu để sản xuất carroten-protein chủ yếu là các phế liệu của tôm( tôm
hùm, tơm sú, tơm chì, tơm thẻ chân trắng) thì nhóm đề xuất ý tưởng sử dụng nguyên
liệu khác để sản xuất carroten-protein đó là phế liệu từ cua với phương pháp chiết
tách và thu hồi giống với phế liệu từ tơm nhưng q trình thực hiện lâu hơn do cấu
trúc của vỏ cua cứng hơn tôm cần thời gian để các tác nhân thủy phân có thể thủy

phân triệt để vỏ cua.
Quy trình sản xuất: tương tự như sản xuất từ phế liệu tôm
 Tận dụng vỏ từ cua tuyết
-

Chất thải vỏ từ cua tuyết chứa khoảng 33 mg% tổng số astaxanthin, 28% protein,
28% kitin, 31% tro và 1% chất béo thô hoặc cơ sở vật chất khô (dmb).

-

Thủy phân trypsin của chất thải vỏ, tiếp theo là kết tủa một phần vật liệu hòa tan bằng
amoni sulfat, thu hồi 9% chất khô dưới dạng phần lipoprotein. Phần được gọi là


carotenoprotein, bao gồm 74% lipid thô, 66% astaxanthin và 22% protein có trong
vỏ. Sản phẩm carotenoprotein chứa 239 mg% tổng số astaxanthin, 65% protein (dmb)
và khơng có chitin. Carotenoprotein có thể được sử dụng như một nguồn cung cấp
chất tạo màu và protein trong chế độ ăn uống cho các lồi cá hồi ni.

 Ưu điểm: chứa nhiều astaxanthin, chứa nhiều protein; dễ chiết tách và thu hồi
caroten-protein
 Nhược điểm: vỏ cua tuyết không nhiều, nguồn nguyên liệu không được đảm bảo
 Tận dụng vụn cá hồi từ sản xuất cá hồi xuất khẩu
-

Màu đỏ đặc trưng của cá hồi Đại Tây Dương chủ yếu là do sự hiện diện của
astaxanthin (3,30-dihydroxy-b, b-caroten-4,40-dione). Chủ yếu dùng phương pháp
hóa học, nhưng do phương pháp này dễ bị ô nhiễm môi trường nên có thể chiết
carotenprotein bằng phương pháp sinh học.



Ưu điểm: cá hồi chứa nhiều thành phần dinh dưỡng, chứa nhiều astaxanthin



Nhược điểm: giá thành cao, đa số vụn cá sẽ được bán cho tiêu dùng


 Tận dụng vỏ cua xanh
-

Cua xanh: Tổng hàm lượng protein (N × 6,25), lipid và carotenoid trong thịt cua,
tính theo trọng lượng khô (db), lần lượt là 80,6–83,5, 3,6–4,8% và 5,1–19,2 mg%. Vỏ
loại bỏ, db, chứa 12,6–14,5% chitin, 2,6–3,11% tổng nitơ, 0,37–0,65% tổng số lipid
và 4,4–9,3 mg% tổng số carotenoid. Axit béo bão hòa và n −3 lần lượt chiếm 19–
20,7% và 37,4–40% tổng số axit béo. Các axit béo khơng bão hịa đa (PUFA) chủ yếu
là axit eicosapentaenoic và axit docosahexaenoic. Thịt cua xanh rất cân bằng về thành
phần các axit amin thiết yếu, ngoại trừ tryptophan.

-

Sản xuất caroten-protein từ vỏ cua xanh được áp dụng các phương pháp chiết xuất và
thu hồi tương tự từ tôm thẻ.

 Ưu điểm: chứa nhiều astaxanthin, chứa nhiều protein; dễ chiết tách và thu hồi
caroten-protein
 Nhược điểm: nguồn nguyên liệu ít, không đảm bảo sản xuất liên tục

V. Kết luận

Bằng các phương pháp tách chiết và thu hồi phế phụ liệu tơm mà chúng ta có thể
hạn chế được ơ nhiễm môi trường. Đồng thời tạo ra các chế phẩm caroten-protein tăng
giá trị, tận dụng được nguồn phế phụ liệu trong ngành chế biến thực phẩm.


Phương pháp hóa học tuy cho phép tách chiết triệt để lượng protein nhưng lại làm
biến màu carotenoid và chất thải hóa học của q trình thu hồi gây ơ nhiễm môi
trường. Phương pháp sinh học cho sản phẩm thu hồi protein và carotenoid trong phức
hợp carotenoprotein nên rất bền màu nhưng hiệu suất thu hồi chế phẩm thấp hơn và
giá thành cao do sử dụng enzyme.
Để nâng cao chất lượng chế phẩm caroten-protein từ phế liệu tôm thu hồi có hoạt
tính sinh học và hiệu suất thu cao, tùy mục đích ứng dụng sản phẩm thu hồi chúng ta
có thể lựa chọn phương pháp xử lý sinh học sử dụng đơn hay kết hợp hai enzyme có
bản chất endo- và exo-protease hay kết hợp phương pháp xử lý hóa học và sinh học
nhằm mục đích tăng khả năng thu hồi sản phẩm với chất lượng cao, giảm thiểu sự hư
hỏng các hoạt chất sinh học và ô nhiễm môi trường. Phương pháp kết hợp hóa học và
sinh học hoặc kết hợp hai protease có bản chất endo- và exo- có thể cải thiện được
nhược điểm so với từng phương pháp xử lý đơn lẻ.
Chế phẩm caroten-protein được tách chiết bằng các phương pháp kết hợp có chất
lượng cao, có thể ứng dụng trong công nghệ sản xuất thức ăn chăn nuôi, công nghệ
chế biến thực phẩm, y dược và mỹ phẩm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]. Phạm Thị Đan Phượng, 2013. Chế biến bột nêm tôm từ chế phẩm đạm giàu
carotenoid thu nhận từ đầu tôm thẻ chân trắng. Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thủy
sản, 3, 39 - 46.
[2]. Phạm Thị Đan Phượng và Trần Thị Luyến, 2013. Chiết rút chế phẩm đạm giàu
carotenoid từ đầu tôm thẻ chân trắng. Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thủy sản, 1, 125 131.
[3]. Trang Sĩ Trung, 2009. Đánh giá chất lượng sản phẩm và hiệu quả mơi trường của

qui trình sản xuất chitin cải tiến kết hợp xử lý enzyme. Tạp chí Khoa học Cơng nghệ
Thủy sản, 1, 3 - 9.


[4]. Trang Sĩ Trung, Nguyễn Anh Tuấn, Trần Thị Luyến, và Nguyễn Thị Hằng
Phương, 2010. Chitin-chitosan từ phế liệu thủy sản và ứng dụng. NXB Nơng Nghiệp,
Tp. Hồ Chí Minh.
[5]. Trang Sĩ Trung, Nguyễn Thị Phương, Phạm Thị Thanh Hải, và Phạm Thị Đan
Phượng, 2008. Nghiên cứu ứng dụng chitosan trong việc thu hồi protein từ nước rửa
surimi. Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy sản, 2, 25 - 30.
[6]. Trang Sĩ Trung, Phạm Thị Đan Phượng, Nguyễn Công Minh, và Ngô Thanh Lĩnh,
2009. Kết hợp ủ xi lô bằng axit formic để nâng cao hiệu quả qui trình sản xuất chitin
từ phế liệu tơm. Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thủy sản, 4, 31 - 38.
[7]. Trang Sĩ Trung, Vũ Ngọc Bội, và Phạm Thị Đan Phượng, 2007. Nghiên cứu kết
hợp enzyme protease trong công nghệ sản xuất chitin từ phế liệu đầu vỏ tơm. Tạp chí
Khoa học Cơng nghệ Thủy sản, 3, 11 - 17.
Tiếng Anh
[8]. RAO, A., & RAO, L. (2007). Carotenoids and human health. Pharmacological
Research 207–216.
[9]. Chakrabarti, R., 2002. Carotenoprotein from tropical brown shrimp shell waste
by enzymatic proc ess. Food Biotechnol, 16, 81-90.
[10].Zagal sky, P.F., 1976. Carotenoid-protein complexes. Pure and Applied
Chemistry, 47, 103-120.
[11]. Armenta, R.E. and Guerrero, L.I., 2009. Amino aci d profi le and enhancement
of enzymatic hydrolysis of fermented shrimp carotenoproteins. Food Chemistry, 112,
310-315.
[12]. Buchwald, M. and Jencks, W.P., 1968. Properties of the crustacyanins and the
yellow lobster shell pigment. Biochemistry, 7(2), 844-59.
[13]. Chen, H.M. and Meyers, S.P., 1982. Extraction of Astaxanthin Plgment from
Crawfi sh Waste Using a Soy Oil Process. Journal of Food Science, 47(3), 892-896.

[14]. Lee, S.H., Roh, S.K., Park, K.H. and Yoon, K.R., 1999. Effective extraction of
astaxanthin pigment from shrimp using proteolytic enzymes. Biotechnology and
Bioprocess Engineering, 4(3), 199-204.
[15]. Khanafari, A., Saberi, A., Azar, M., Vosooghi, Gh., Jamili, Sh. and
Sabbaghzadeh, B., 2007. Extraction of astaxanthin esters from shrimp waste by ch
emical and microbial methods. Iranian Journal of Environmental, Health Science &
Engineering, 4, 93 - 98.
[16]. Dauphin, L., 1991. Enhancing value of lobster waste by enzymatic methods. A
thesis of Master of Science.
[17]. Gilmartin, L. and Jervis, L., 2002. Pro duction of cod (Gadus morhua) muscle
hydrolysates. Infl uence of combinations of commercial enzyme preparations on
hydrolysate peptide size range. Jounal of Agricultural & Food Chemistry, 50(19),
5417-23.
[18]. Villanueva, A., Clemente, A., Bautista, J. and Millán, F., 1999. Production of an
extensive sunfl ower protein hydrolysate by sequential hydrolysis with endo-and exoproteases. Grasas y Aceites, 50(6), 472-476.
[19]. Vioque, J., Sánchez-Vioque, R., Clemente, A., Pedroche, J., Bautista, J. and
Millan, F., 1999. Production and characterization of an e xtensive rapeseed protein
hydrolysate. Journal of the American Oil Chemists’ Society, 76(7), 819-823. 27.
Whitaker, J.R., Voragen, A.G.J. and Wong, D.W.S., 2003. Handbook of food
enzymology, Marcel Dekker Inc., New York.
[20]. Whitaker, J.R., Voragen, A.G.J. and Wong, D.W.S., 2003. Handbook of food
enzymology, Marcel Dekker Inc., New York.
[21]. Zagal sky, P.F., 1976. Carotenoid-protein complexes. Pure and Applied
Chemistry, 47, 103-120.
[22]. Simpson, B.K. and Haard, N.F., 1985. The use of proteolytic enzy mes to extract
carotenoproteins from shrimp wastes. Journal of Applied Biochemistry, 7(3), 212-222.