Tận dụng bã đầu tôm từ quá trình chế biến bột đạm giàu carotenoid bằng phương pháp kết hợp hai enzyme protease để thu hồi chitin và chitosan

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 37 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC TẬN DỤNG BÃ ĐẦU TÔM TỪ QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN BỘT ĐẠM GIÀU CAROTENOID BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP HAI ENZYME PROTEASE ĐỂ THU HỒI CHITIN VÀ CHITOSAN RECOVERY OF CHITIN AND CHITOSAN FROM SHRIMP HEAD WASTE OF CAROTENOID-RICH PROTEIN EXTRACTION PROCESS BY USING COMBINING TWO PROTEASES Phạm Thị Đan Phượng1, Trang Sĩ Trung2 Ngày nhận bài: 29/11/2013; Ngày phản biện thông qua: 22/5/2014; Ngày duyệt đăng: 02/6/2014 TÓM TẮT Bã đầu tôm từ quá trình thu nhận chế phẩm đạm giàu carotenoid bằng phương pháp xử lý kết hợp hai enzyme protease được tận dụng để thu hồi chitin và chitosan. Kết quả phân tích cho thấy bã đầu tôm còn chứa hàm lượng protein và khoáng thấp dưới 10% và 16,8% và cần tiếp tục loại protein và khoáng để đạt yêu cầu về chất lượng của chitin kỹ thuật. Bã đầu tôm được tiếp tục xử lý bằng NaOH 2% trong12 giờ để khử protein và xử lý HCl 4% trong 3 giờ để khử khoáng. Sản phẩm chitin - chitosan được đánh giá có chất lượng tinh sạch cao với hàm lượng protein và khoáng thấp dưới 1%, chitosan có độ nhớt cao hơn 1000 cps. Từ khóa: bã đầu tôm, đạm giàu carotenoid, thu nhận, chitin, chitosan ABSTRACT Shrimp head waste from the production process of the carotenoid-rich protein by new method combining two proteases have been used for extraction of chitin and chitosan. Analytical results showed that shrimp waste head content low amounts of protein and minerals of 10% and 16.8% respectively but needed further treatment in order reach the commercial quality of chitin. Shrimp head waste was treated with 2% NaOH for 12 hrs to remove protein and 4% HCl treatment for 3 hrs to remove the minerals. Resultant chitin and chitosan have high purity with low residual protein and minerals of less than 1% and high viscosity of 1000 cps. Keywords: shrimp head waste, carotenoid - rich protein, extraction, chitin, chitosan 1 ThS. Phạm Thị Đan Phượng: Khoa Công nghệ thực phẩm - Trường Đại học Nha Trang 2 PGS. TS. Trang Sĩ Trung: Trường Đại học Nha Trang I. ĐẶT VẤN ĐỀ Sử dụng đầu tôm để sản xuất bột đạm giàu carotenoid là một hướng đi mới, nhằm tăng cường hiệu quả của việc sử dụng nguồn nguyên liệu còn lại trong chế biến thủy sản và nhu cầu về protein và chất màu phục vụ cho ngành chế biến thực phẩm. Việt Nam là một trong những nước chế biến tôm lớn nhất thế giới, sản lượng tôm hàng năm ước đạt 473.000 tấn, do đó lượng đầu tôm loại thải trong quá trình chế biến ước khoảng 97.000 tấn/năm (Anh và cs, 2011). Đây là nguồn nguyên liệu còn lại từ công nghiệp chế biến tôm cần được nghiên cứu để thu nhận các sản phẩm giá trị gia tăng. Trong những năm gần đây, một số nghiên cứu đã được triển khai để sử dụng có hiệu quả nguồn phế liệu đầu tôm từ các nhà máy chế biến thủy sản để chế biến chitin, chitosan và protein (Trung và cs, 2011). Đặc biệt, đầu tôm đã được nghiên cứu chế biến sản phẩm bột đạm giàu carotenoid làm phụ gia trong chế biến thực phẩm bằng phương pháp thủy phân kết hợp hai enzyme protease (Alcalase và Flavourzyme). Với phương pháp này, hiệu suất thu hồi và chất lượng bột đạm giàu carotenoid thu nhận từ đầu tôm được nâng cao đáng kể so với phương pháp sử dụng enzyme đơn, đặc biệt là về hàm lượng protein, carotenoid và mùi, vị của chế phẩm thu được (Phượng và Luyến, 2013). Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014 38 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tuy nhiên, hiện nay bã đầu tôm từ quá trình chế biến bột đạm giàu carotenoid bằng phương pháp kết hợp Alcalase và Flavourzyme chưa được nghiên cứu để tận dụng để thu nhận chitin, chitosan. Chitin, đặc biệt là chitosan là những polyme sinh học có nhiều ứng dụng trong nông nghiệp, công nghệ thực phẩm, môi trường, công nghệ sinh học (Hirano, 1996; Kumar, 2000). Theo Trung và cs (2012), hàm lượng chitin trong đầu tôm đạt khoảng 9,3%. Do đó, lượng bã thải này là nguồn nguyên liệu rất phù hợp để thu nhận chitin và chitosan, nhằm nâng cao hiệu quả của công nghệ xử lý đầu tôm để sản xuất bột đạm giàu carotenoid. Trên thế giới, việc thu nhận đa sản phẩm từ đầu tôm đã được quan tâm nghiên cứu (Chakrabarti, 2002; Klomklao và cs, 2009). Trong bài báo này, chúng tôi xin trình bày kết quả nghiên cứu tận dụng bã tôm từ quá trình chế biến chế phẩm đạm giàu carotenoid bằng phương pháp kết hợp hai enzyme protease để thu hồi chitin và chtosan. II. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Nguyên vật liệu Bã đầu tôm được thu hồi từ quy trình thu nhận chế phẩm đạm giàu carotenoid bằng phương pháp kết hợp Alcalase và Flavourzyme tại Phòng thí nghiệm - Trường Đại học Nha Trang theo quy trình nghiên cứu của (Phượng. P.T.Đ & Luyến. T.T, 2013). Alcalase và Flavourzyme được mua từ Công ty Novozymes (Đan Mạch). Alcalase 2,4 L có hoạt tính là 2,4 AU/g và Flavourzyme có hoạt tính 500 LAPU/g. Hóa chất sử dụ ng trong nghiên cứ u là các loại hóa chất tinh khiết. 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Xác định chế độ khử protein và khử khoáng để thu nhận chitin từ bã đầu tôm Bã đầu tôm thẻ chân trắng lấy từ quá trình thu nhận chế phẩm đạm giàu carotenoid bằng phương pháp kết hợp enzyme Alcalase và Flavourzyme. Sau đó tiếp tục tiến hành tách protein bằng kiềm loãng và khử khoáng bằng acid loãng để sản xuất chitin. 2.1.1. Xác định nồng độ NaOH sử dụng và thời gian để khử protein còn lại trong bã đầu tôm Bã đầu tôm sau thu hồi, được khử protein bằng NaOH với các nồng độ khác nhau: 1, 2, 3%; ứng với mỗi nồng độ bã tôm được khử ở các thời gian khác nhau: 6, 12, 18 h. Chế độ khử protein thích hợp được chọn dựa trên việc đáng giá hàm lượng protein còn lại trong bã đầu tôm. 2.1.2. Xác định nồng ðộ HCl sử dụng và thời gian để khử khoáng còn lại trong bã đầu tôm Bã đầu tôm sau quá trình khử protein, tiếp tục tiến hành khử khoáng bằng HCl với các nồng độ khác nhau: 3, 4, 5%; ứng với mỗi nồng độ bã tôm được khử ở các thời gian khác nhau: 3, 6, 12h. Chế độ khử khoáng thích hợp được chọn dựa trên việc đánh giá hàm lượng khoáng còn lại trong bã đầu tôm. 2.1.3. Deacetyl chitin để thu nhận chitosan Chitin từ bã đầu tôm sẽ được deacetyl ở 650C trong thời gian 20 giờ với NaOH 50% để thu nhận chitosan (Trung và cs, 2006). Chitin và chitosan thu được được xác định các chỉ tiêu chất lượng cơ bản. 2.2. Phương pháp phân tích Hàm lượng ẩm và khoáng được xác định theo phương pháp chuẩn của AOAC (1990). Hàm lượng protein trong đầu tôm được xác định theo phương pháp của Boyer (1993). Hàm lượng lipid được xác định theo phương pháp Folch và cs (1957). Hàm lượng chitin được xác định bằng phương pháp của Erika và cs (2006). Hàm lượng protein trong chitin và chitosan được xác định theo phương pháp microbiuret của Ruth và cs (1964). Độ tan được xác định theo phương pháp của Rao và cs (2007). Độ nhớt biểu kiến của dung dịch chitosan (1%, w/v trong acid acetic 1%) được đo bằng nhớt kế Brookfi eld và độ đục đo bằng máy đo độ đục HACH. Độ deacetyl của chitin được xác định theo phương pháp quang phổ của Tan và cs (2008). 2.3. Xử lý thống kê Số liệu báo cáo là giá trị trung bình của 3 lần lặp lại. Kết quả được phân tích thống kê bằng phần mềm Minitab và Microsoft Excel. Giá trị của p < 0,05 được xem là có ý nghĩa về mặt thống kê. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Bã đầu tôm từ quy trình xử lý kết hợp hai enzyme protease để sản xuất đạm giàu carotenoid được xác định thành phần hóa học cơ bản. Kết quả được trình bày ở bảng 1. Bảng 1. Thành phần hóa học cơ bản của bã tôm Thành phần hóa học Hàm lượng (%) Hàm lượng ẩm 79,1 ± 2,8 Hàm lượng protein* 7,5 ± 1,9 Hàm lượng khoáng* 16,8 ± 2,6 Hàm lượng lipid* 2,9 ± 1,0 Hàm lượng chitin* 65,8 ± 3,3 *Kết quả tính theo hàm lượng chất khô tuyệt đối Trong bã đầu tôm chứa chủ yếu là chitin với 65,8%, tiếp theo là khoáng (16,8%) và protein (7,5%). Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 39 Thành phần chủ yếu của bã đầu tôm là chitin. Tuy nhiên, để đạt yêu cầu về chất lượng của chitin kỹ thuật (hàm lượng khoáng và protein còn lại trong chitin <1% (Rao và cs, 2007) thì cần tiếp tục loại phần khoáng và protein còn lại. Kết quả của quá trình khử protein còn lại và khử khoáng được trình bày ở hình 2 và hình 3. Kết quả cho thấy khi sử dụng NaOH 1% thì khả năng loại protein ở nồng độ này thấp, lượng protein còn trong bã cao rất nhiều so với hai nồng độ NaOH 2% và 3%, ở các điều kiện thời gian xử lý khác nhau (hình 1). Ở thời gian xử lý là 6h thì với nồng độ NaOH 1% lượng protein còn trong bã là 4,2%, trong khi ở nồng độ NaOH 2% và 3% thì lượng protein còn lại tương ứng là 3,2% và 2,4%. Khi tăng thời gian xử lý từ 6h lên 12h thì hàm lượng protein còn lại trong bã giảm mạnh từ khoảng 3% (NaOH 2% và 3%) xuống đạt tới mức khoảng 1%, đạt yêu cầu chất lượng của chitin kỹ thuật. Tuy nhiên, khi kéo dài thời gian xử lý lên 18 h thì protein còn lại ở cả hai nồng độ NaOH 2% và 3% lại giảm rất ít. Điều này có thể do lượng protein còn lại này có liên kết chặt chẽ với chitin nên khó tách ra, kể cả xử lý điều kiện NaOH 3% và kéo dài 18h (Trung và cs, 2010). Như vậy, nồng độ NaOH 2% và xử lý trong thời gian 12 h là điều kiện thích hợp để tách lượng protein còn lại trong bã để sản xuất chitin. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Stevens (2001) khi xử lý phế liệu tôm để thu nhận chitin với nồng độ NaOH từ 2% đến 3%. thì hàm lượng khoáng còn lại trong mẫu chitin giảm xuống <1% nếu thời gian xử lý là 6 h. Trong thời gian xử lý là 6 h thì hàm lượng khoáng còn lại trong chitin khi xử lý ở nồng độ HCl 4% và 5% thì khác biệt không có ý nghĩa thống kê (p > 0,05). Kéo dài thời gian xử lý đến 9 h thì nếu sử dụng nồng độ HCl 3% cũng chưa đạt được hàm lượng khoáng còn lại trong chitin <1% mà phải cần nồng độ HCl sử dụng từ 4 - 5%. Tóm lại, để đạt yêu cầu chitin kỹ thuật (hàm lượng khoáng phải dưới 1%) thì chế độ tách khoáng thích hợp được chọn là xử lý bằng HCl 4% trong 6 h, ở nhiệt độ phòng. Kết quả đánh giá chất lượng chitin và chitosan thu hồi từ bã đầu tôm trong quá trình thu hồi chế phẩm ĐGC từ đầu tôm cho thấy chitin, chitosan có tinh sạch cao (hàm lượng khoáng và protein còn lại 1000 cps) và độ đục thấp (bảng 2). Hình 1. Ảnh hưởng của thời gian và nồng độ NaOH xử lý đến hàm lượng protein còn lại trong mẫu chitin (xử lý ở nhiệt độ phòng) Các giá trị trung bình của cột có các ký tự (a, b, c) khác nhau thì khác biệt có ý nghĩa về mặt thống kê (p<0,05) Kết quả khử khoáng của bã cho thấy trong khoảng thời gian xử lý từ 3 h đến 9 h thì nồng độ HCl có ảnh hưởng rất lớn; khả năng khử khoáng của HCl ở nồng độ 3% thấp hơn rất nhiều so với ở các nồng độ xử lý HCl 4% và 5% (hình 2). Khi nồng độ HCl tăng từ 3% lên 5% thì lượng khoáng còn lại trong bã giảm từ gần 4,5% xuống còn khoảng 1,2% trong thời gian là 3 h. Ở nồng độ HCl sử dụng là 4% Hình 2. Ảnh hưởng của thời gian và nồng độ HCl xử lý đến hàm lượng khoáng còn lại trong mẫu chitin (xử lý ở nhiệt độ phòng) Các giá trị trung bình có các ký tự (a, b, c) khác nhau thì khác biệt có ý nghĩa về mặt thống kê (p<0,05) Bảng 2. Chỉ tiêu chất lượng cơ bản của chitin và chitosan thu hồi từ bã đầu tôm trong quá trình thu nhận chế phẩm đạm giàu carotenoid STT Chỉ tiêu Kết quả phân tích* Chitin 1 Màu sắc Hồng nhạt 2 Độ ẩm (%) 9,7 3 Hàm lượng khoáng (%) 0,94 4 Hàm lượng Protein (%) 0,98 Chitosan 1 Màu sắc Trắng sáng 2 Độ ẩm (%) 9,4 3 Hàm lượng khoáng (%) 0,87 4 Hàm lượng protein (%) 0,89 5 Độ nhớt (cps) 1234 6 Độ deacetyl hoá (%) 85,8 7 Độ tan (%) 99,8 8 Độ đục (NTU) 19,2 * Kết quả tính theo hàm lượng chất khô tuyệt đối và được mô tả cảm quan sơ bộ Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014 40 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Hình 3. Phổ nhiễu xạ tia X của chitosan thu nhận từ bã đầu tôm Độ rắn của chitosan thu nhận từ bã đầu tôm được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) và được trình bày ở hình 4. Phổ nhiễu xạ của chitosan có một peak khoảng 20 độ của góc quét 2Ɵ. Độ cao của peak tương đối thấp thể hiện độ rắn tương đối thấp của chitosan. Hình 5. Sơ đồ qui trình thu nhận chitin - chitosan từ bã đầu tôm 1Bã đầu tôm từ quá trình sản xuất bột đạm giàu carotenoid bằng phương pháp xử lý kết hợp hai enzyme protease; 2Nồng độ NaOH 2%, thời gian xử lý 12 h, nhiệt độ phòng; 3 Nồng độ HCl 4%, thời gian 6 h, nhiệt độ phòng; 4Deacetyl hóa bằng NaOH 50% trong thời gian 20 h ở nhiệt độ 65oC IV. KẾT LUẬN Bã đầu tôm từ quá trình thu nhận chế phẩm đạm giàu carotenoid bằng phương pháp xử lý kết hợp hai enzyme protease chứa hàm lượng chitin cao (65,8%), là nguồn nguyên liệu rất phù hợp để thu nhận chitin và chitosan. Chất lượng chitin, chitosan thu được có hàm lượng protein và khoáng còn lại thấp (<1%) và chitosan có độ nhớt cao (>1000 cPs). Hình 4. Chitin (trái) và chitosan (phải) thu nhận từ bã đầu tôm Như vậy bã đầu tôm từ quá trình sản xuất chế phẩm đạm giàu carotenoid sẽ được xử lý với NaOH 2% trong 12 giờ để khử protein và khử khoáng bằng HCl 4% trong 6 giờ để thu nhận chitin kỹ thuật với hàm lượng protein và khoáng còn lại dưới 1% (hình 5). Rửa trung tính Deacetyl hoá trong NaOH đặc4 Chitosan Khử khoáng bằng HCl3 Chitin Bã đầu tôm1 Khử protein bằng NaOH2 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Phạm Thị Đan Phượng, Trần Thị Luyến, 2013. Chiết rút chế phẩm đạm giàu carotenoid từ đầu tôm thẻ chân trắng. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản, 1: 125-131. Tiếng Anh 2. Anh, P. T., Dieu, T. T. M., Arthur, P. J. M., Carolien, K.,& Simon, R. B., 2011. Towards eco-agro industrial clusters in aquatic production: The case of shrimp processing industry in Vietnam. Journal of cleaner production, 19: 2107-2118. 3. AOAC, 1990. Offi cial method of analysis (Vol. 15th). Arlington, VA: Association of offi cial analytical chemists. 4. Boyer. R.F., 1993. Modern experimental biochemistry. Benjamin/Cummings Series in the Life Sciences and Chemistry, California, Vol. 2: 51-55. 5. Chakrabarti, R., 2002. Carotenoprotein from tropical brown shrimp shell waste by enzymatic process. Food Biotechnol, 16: 81-90. 6. Erika. I.D.R, Waldo. M.A.M, Inocencio. H.C, Javier. H, Jaime. L.M, & Francisco. M.G., 2006. Determination of Chitin and Protein Contents during the Isolation of Chitin from Shrimp Waste. Macromol Biosci, 6: 340-347. 7. Folch, J., Lees, M., & Sloane Stanley, G. H., 1957. A simple method for the isolation and purifi cation of total lipids from animal tissues. J. Biol. Chem, 226: 497-509. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 41 8. Hirano, S., 1996. Chitin biotechnology application. Biotechnology Annual Review, 2: 237-258. 9. Klomklao, S., Benjakul, S., Visessanguan, W., Kishimura, H., & Simpson, B. K., 2009. Extraction of carotenoprotein from black tiger shrimp shells with the aid of bluefi sh trypsin. Journal of Food Biochemistry, 33: 201-217. 10. Kumar, R. M. N. V., 2000. A review of chitin and chitosan applications. Reactive and Functional Polymers, 46, 1-27. 11. Rao, M. S., Nyein, K. A., Trung, T. S., & Stevens, W. F., 2007. Optimum parameters for production of chitin and chitosan from Squilla (S. empusa). Journal of Applied Polymer Science, 103: 3694-3700. 12. Ruth. F.I, & Gill. D.M., 1964. A Micro-Biuret method for estimating proteins. Anal Biochem, 9: 401-410. 13. Stevens, W. F., 2001. Production of chitin and chitosan: Refi nement and sustainability of chemical and biological processing. Chitin and Chitosan in life science. In T. Uragami, K. Kurita & T. Fukamizo (Eds.), Proceedings 8th International Conference on Chitin and Chitosan and 4th Asian Pacifi c Chitin and Chitosan Symposium. Yamaguchi, Japan, 293. 14. Tan SC, Khor E, Tan TK, Wong SM, 1996. The degree of deacetylation of chitosan: advocating the fi rst derivative UV spectrophotometry method of determination. Talanta, 45: 713-719. 15. Trung, T. S., Thein-Han, W. W., Qui, N. T., Ng, C.H. and Stevens, W. F., 2006. Functional characteristics of shrimp chitosan and its membranes as affected by the degree of deacetylation. Bioresour. Technol. 97: 659-663.