Luận án nghiên cứu thu nhận chitosan lactate từ vỏ tôm thẻ chân trắng tại Đại học Nha Trang

Nghiên cứu thu nhận chitosan lactate từ vỏ tôm thẻ chân trắng và ứng dụng thu hồi vi tảo Nannochloropsis sp. trong nuôi trồng thủy sản.

• Tác giả: Phạm Thị Đan Phượng
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Nguyễn Duy Bảo
• Trường học: Trường Đại học Nha Trang
• Chuyên ngành: Công nghệ chế biến thủy sản
• Đề tài: Nghiên Cứu Chitosan Lactate Từ Vỏ Tôm Thẻ Chân Trắng Và Ứng Dụng Trong Thu Hồi Vi Tảo Nannochloropsis
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Khánh Hòa

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. PHẦN MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Chitosan Lactate Từ Vỏ Tôm Thẻ

Nghiên cứu về chitosan lactate từ vỏ tôm thẻ chân trắng mở ra hướng đi mới trong việc tận dụng phế phẩm nông nghiệp. Ngành thủy sản Việt Nam, đặc biệt là nuôi tôm, đóng góp lớn vào kim ngạch xuất khẩu. Tuy nhiên, quá trình nuôi tôm thâm canh tạo ra lượng lớn chất thải, bao gồm vỏ tôm, gây ô nhiễm môi trường. Việc chuyển hóa vỏ tôm thành chitosan và sau đó là chitosan lactate không chỉ giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị ứng dụng cao. Đặc biệt, chitosan lactate có khả năng tan tốt trong nước, mở rộng phạm vi ứng dụng so với chitosan thông thường. Nghiên cứu này tập trung vào quy trình sản xuất chitosan lactate từ vỏ tôm thẻ chân trắng và ứng dụng tiềm năng của nó trong việc thu hồi vi tảo Nannochloropsis, một nguồn thức ăn quan trọng trong nuôi trồng thủy sản. Ứng dụng này hứa hẹn mang lại giải pháp hiệu quả và bền vững cho cả ngành nuôi tôm và sản xuất thức ăn thủy sản.

1.1. Tiềm năng từ vỏ tôm thẻ chân trắng

Vỏ tôm thẻ chân trắng, một phụ phẩm từ ngành nuôi trồng và chế biến thủy sản, chứa chitin, tiền chất của chitosan. Việc tận dụng nguồn vỏ tôm này không chỉ giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu tái tạo có giá trị kinh tế. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chiết xuất chitosan từ vỏ tôm và chuyển đổi nó thành chitosan lactate, một dạng hòa tan tốt hơn và dễ ứng dụng hơn. Điều này phù hợp với định hướng kinh tế tuần hoàn, biến phế thải thành tài nguyên.

1.2. Vai trò của vi tảo Nannochloropsis trong nuôi trồng

Vi tảo Nannochloropsis là một nguồn thức ăn quan trọng trong nuôi trồng thủy sản, đặc biệt là cho ấu trùng. Tuy nhiên, việc thu hoạch vi tảo hiệu quả và kinh tế vẫn là một thách thức. Chitosan lactate, với khả năng keo tụ và lắng đọng, được nghiên cứu như một giải pháp tiềm năng để thu hồi vi tảo Nannochloropsis một cách hiệu quả, đồng thời giữ được chất lượng dinh dưỡng của vi tảo.

II. Thách Thức Ô Nhiễm Từ Nuôi Tôm Và Giải Pháp Chitosan

Mô hình nuôi tôm thâm canh, mặc dù mang lại hiệu quả kinh tế cao, nhưng cũng tạo ra những thách thức lớn về ô nhiễm môi trường. Lượng chất thải từ thức ăn thừa, phân tôm và đặc biệt là vỏ lột xác tích tụ, gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng nước và sức khỏe của tôm. Việc xử lý vỏ tôm hiện nay chủ yếu vẫn là thải bỏ, gây lãng phí tài nguyên và tạo gánh nặng cho môi trường. Nghiên cứu này đề xuất giải pháp biến vỏ tôm thành chitosan lactate, một vật liệu có khả năng ứng dụng rộng rãi, từ đó giảm thiểu ô nhiễm và tạo ra giá trị gia tăng cho ngành nuôi tôm. Chitosan lactate không chỉ là giải pháp xử lý chất thải mà còn là cơ hội để phát triển các sản phẩm sinh học thân thiện với môi trường.

2.1. Tác động môi trường từ vỏ lột xác tôm

Vỏ lột xác của tôm chứa chitin, một polysaccharide khó phân hủy tự nhiên. Sự tích tụ vỏ tôm trong môi trường nuôi có thể dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh và làm suy giảm chất lượng nước. Việc thu gom và xử lý vỏ tôm một cách hiệu quả là yếu tố then chốt để đảm bảo sự phát triển bền vững của ngành nuôi tôm.

2.2. Chitosan như một giải pháp xử lý phế thải

Chitosan, được chiết xuất từ chitin trong vỏ tôm, có nhiều ứng dụng tiềm năng trong xử lý nước thải, nông nghiệp và y sinh. Việc chuyển đổi vỏ tôm thành chitosan không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu có giá trị kinh tế cao. Đặc biệt, chitosan lactate có độ hòa tan tốt hơn, mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

2.3. Ứng dụng chitosan lactate trong xử lý nước

Chitosan lactate có khả năng keo tụ các chất lơ lửng trong nước, giúp làm sạch nước thải và cải thiện chất lượng nước nuôi tôm. Ngoài ra, chitosan lactate còn có khả năng kháng khuẩn, giúp kiểm soát sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh trong môi trường nuôi. Ứng dụng chitosan lactate trong xử lý nước thải nuôi tôm là một giải pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường.

III. Phương Pháp Sản Xuất Chitosan Lactate Từ Vỏ Tôm Thẻ

Quy trình sản xuất chitosan lactate từ vỏ tôm thẻ chân trắng bao gồm nhiều giai đoạn, từ xử lý vỏ tôm thô đến chiết xuất chitosan và cuối cùng là chuyển đổi thành chitosan lactate. Mỗi giai đoạn đều đòi hỏi sự tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tốt. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định các điều kiện tối ưu cho từng giai đoạn, bao gồm khử protein, khử khoáng, deacetyl hóa và phản ứng với lactic acid. Mục tiêu là xây dựng một quy trình sản xuất chitosan lactate hiệu quả, kinh tế và thân thiện với môi trường, sử dụng nguồn nguyên liệu vỏ tôm sẵn có.

3.1. Quy trình chiết xuất chitosan từ vỏ tôm

Quy trình chiết xuất chitosan từ vỏ tôm bao gồm các bước chính: khử protein bằng dung dịch kiềm, khử khoáng bằng dung dịch acid và deacetyl hóa bằng dung dịch kiềm mạnh. Các điều kiện như nồng độ hóa chất, nhiệt độ và thời gian xử lý cần được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất cao và chất lượng chitosan tốt. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định các điều kiện tối ưu cho từng bước trong quy trình chiết xuất.

3.2. Chuyển đổi chitosan thành chitosan lactate

Chitosan lactate được tạo ra bằng cách phản ứng chitosan với lactic acid trong môi trường dung môi phù hợp. Tỷ lệ chitosan và lactic acid, loại dung môi và thời gian phản ứng ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng chitosan lactate. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định các điều kiện tối ưu cho phản ứng chuyển đổi để thu được chitosan lactate với độ hòa tan cao và các tính chất mong muốn.

3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất chitosan lactate, bao gồm chất lượng vỏ tôm ban đầu, điều kiện chiết xuất chitosan và điều kiện phản ứng chuyển đổi. Việc kiểm soát chặt chẽ các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm ổn định. Nghiên cứu này xem xét các yếu tố này và đề xuất các biện pháp kiểm soát phù hợp.

IV. Ứng Dụng Chitosan Lactate Thu Hồi Vi Tảo Nannochloropsis

Một trong những ứng dụng tiềm năng của chitosan lactate là thu hồi vi tảo Nannochloropsis. Chitosan lactate, với khả năng keo tụ và lắng đọng, có thể được sử dụng để tách vi tảo ra khỏi môi trường nuôi một cách hiệu quả. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của chitosan lactate trong việc thu hồi vi tảo Nannochloropsis và tối ưu hóa các điều kiện ứng dụng, bao gồm nồng độ chitosan lactate, pH môi trường và thời gian lắng. Mục tiêu là phát triển một phương pháp thu hồi vi tảo hiệu quả, kinh tế và thân thiện với môi trường, sử dụng chitosan lactate từ vỏ tôm.

4.1. Cơ chế thu hồi vi tảo bằng chitosan lactate

Chitosan lactate mang điện tích dương, trong khi tế bào vi tảo thường mang điện tích âm. Sự tương tác tĩnh điện giữa chitosan lactate và vi tảo dẫn đến sự keo tụ và lắng đọng của vi tảo. Ngoài ra, chitosan lactate còn có thể tạo thành các cầu nối giữa các tế bào vi tảo, tăng cường quá trình keo tụ. Nghiên cứu này xem xét cơ chế thu hồi vi tảo bằng chitosan lactate để tối ưu hóa hiệu quả ứng dụng.

4.2. Ảnh hưởng của pH và nồng độ chitosan lactate

pH môi trường và nồng độ chitosan lactate ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi vi tảo. pH tối ưu có thể khác nhau tùy thuộc vào loại vi tảo và điều kiện môi trường. Nồng độ chitosan lactate quá thấp có thể không đủ để keo tụ vi tảo, trong khi nồng độ quá cao có thể gây tái phân tán. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định pH và nồng độ chitosan lactate tối ưu cho việc thu hồi vi tảo Nannochloropsis.

4.3. So sánh với các phương pháp thu hồi khác

So với các phương pháp thu hồi vi tảo khác như ly tâm, lọc và sử dụng hóa chất, chitosan lactate có nhiều ưu điểm như chi phí thấp, hiệu quả cao và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào điều kiện cụ thể. Nghiên cứu này so sánh chitosan lactate với các phương pháp thu hồi vi tảo khác để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của nó.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Và Đánh Giá Hiệu Quả Ứng Dụng

Nghiên cứu đã thu được những kết quả quan trọng về quy trình sản xuất chitosan lactate từ vỏ tôm thẻ chân trắng và ứng dụng của nó trong việc thu hồi vi tảo Nannochloropsis. Các kết quả cho thấy rằng chitosan lactate có thể được sản xuất hiệu quả từ vỏ tôm và có khả năng thu hồi vi tảo với hiệu suất cao. Nghiên cứu cũng đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả ứng dụng và đề xuất các điều kiện tối ưu. Những kết quả này cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng chitosan lactate trong thực tế, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành nuôi tôm và sản xuất thức ăn thủy sản.

5.1. Đánh giá chất lượng chitosan lactate

Chất lượng chitosan lactate được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu như độ hòa tan, độ tinh khiết, khối lượng phân tử và cấu trúc hóa học. Các kết quả cho thấy rằng chitosan lactate sản xuất từ vỏ tôm có chất lượng tương đương hoặc tốt hơn so với các sản phẩm thương mại. Điều này chứng tỏ tính khả thi của việc sử dụng vỏ tôm làm nguồn nguyên liệu sản xuất chitosan lactate.

5.2. Hiệu quả thu hồi vi tảo Nannochloropsis

Hiệu quả thu hồi vi tảo Nannochloropsis bằng chitosan lactate được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu như hiệu suất lắng, tốc độ lắng và chất lượng vi tảo sau thu hồi. Các kết quả cho thấy rằng chitosan lactate có khả năng thu hồi vi tảo với hiệu suất cao và không ảnh hưởng đến chất lượng vi tảo. Điều này chứng tỏ tiềm năng của chitosan lactate trong việc thay thế các phương pháp thu hồi vi tảo truyền thống.

5.3. Phân tích chi phí và lợi ích kinh tế

Phân tích chi phí và lợi ích kinh tế cho thấy rằng việc sản xuất chitosan lactate từ vỏ tôm và ứng dụng nó trong việc thu hồi vi tảo là một giải pháp kinh tế khả thi. Chi phí sản xuất chitosan lactate từ vỏ tôm thấp hơn so với việc mua các sản phẩm thương mại, và lợi ích kinh tế từ việc thu hồi vi tảo có thể bù đắp chi phí sản xuất. Điều này khuyến khích việc ứng dụng chitosan lactate trong thực tế.

VI. Triển Vọng Ứng Dụng Chitosan Lactate Từ Vỏ Tôm

Nghiên cứu này mở ra những triển vọng ứng dụng rộng rãi cho chitosan lactate từ vỏ tôm thẻ chân trắng. Ngoài ứng dụng trong thu hồi vi tảo, chitosan lactate còn có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như xử lý nước thải, nông nghiệp và y sinh. Việc phát triển các ứng dụng mới cho chitosan lactate sẽ góp phần vào việc tận dụng tối đa nguồn tài nguyên vỏ tôm và tạo ra giá trị gia tăng cho ngành nuôi tôm. Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc khám phá các ứng dụng tiềm năng khác của chitosan lactate và tối ưu hóa quy trình sản xuất để giảm chi phí và tăng hiệu quả.

6.1. Ứng dụng trong nông nghiệp bền vững

Chitosan lactate có thể được sử dụng làm chất kích thích sinh trưởng cây trồng, chất bảo vệ thực vật và chất cải tạo đất. Ứng dụng chitosan lactate trong nông nghiệp có thể giúp giảm sử dụng phân bón hóa học và thuốc trừ sâu, góp phần vào sự phát triển của nông nghiệp bền vững.

6.2. Tiềm năng trong lĩnh vực y sinh

Chitosan lactate có nhiều tính chất sinh học quý giá như khả năng kháng khuẩn, kháng viêm và thúc đẩy quá trình lành vết thương. Chitosan lactate có thể được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm y tế như băng gạc, thuốc bôi và vật liệu cấy ghép.

6.3. Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo

Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất chitosan lactate để giảm chi phí và tăng hiệu quả, khám phá các ứng dụng tiềm năng khác của chitosan lactate và đánh giá tác động môi trường của việc sử dụng chitosan lactate trong các lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Ngành nuôi tôm nước lợ tại Việt Nam, đặc biệt là tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei), đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu xuất khẩu thủy sản với kim ngạch năm 2022 đạt 4,1 – 4,2 tỷ USD trên tổng số 11 tỷ USD của toàn ngành. Mô hình nuôi tôm thâm canh và siêu thâm canh phát triển mạnh tại Đồng bằng sông Cửu Long (chiếm 80% sản lượng cả nước) mang lại năng suất cao nhưng cũng làm phát sinh lượng lớn chất thải rắn và hữu cơ. Trong đó, vỏ lột xác của tôm tích tụ ở đáy ao nếu không được xử lý kịp thời qua hệ thống xi phông sẽ phân hủy, tạo bùn đáy, phát sinh khí độc ($NH_3, NO_2, H_2S, CH_4$) và bùng phát vi sinh vật gây bệnh (Vibrio, Coliforms, E. coli, Salmonella).

Nguồn phế liệu vỏ tôm từ các nhà máy chế biến truyền thống tuy là nguồn sản xuất chitin, chitosan chủ yếu nhưng đang đối mặt với sự cạnh tranh lớn và chứa hàm lượng protein, sắc tố astaxanthin cao, đòi hỏi quy trình xử lý hóa chất nồng độ cao và kéo dài. Ngược lại, vỏ lột xác của tôm thẻ chân trắng thu gom trong quá trình nuôi có cấu trúc mỏng, ít protein và sắc tố, khoáng hóa vô định hình xen kẽ. Tuy nhiên, tiềm năng thu hồi, đặc tính hóa lý và khả năng ứng dụng của nguồn nguyên liệu này chưa từng được nghiên cứu hệ thống.

Mặt khác, trong nuôi trồng thủy sản, vi tảo biển Nannochloropsis sp. là nguồn thức ăn tươi sống giàu dinh dưỡng (chứa hàm lượng cao acid béo eicosapentaenoic - EPA, protein, sắc tố) phục vụ ương nuôi ấu trùng giáp xác, cá biển và luân trùng. Trở ngại lớn nhất hiện nay là kích thước tế bào vi tảo rất nhỏ (2 – 4 µm), mang điện tích âm và mật độ loãng (< 0,5 kg/m³), khiến chi phí thu hoạch chiếm tới 20 – 30% tổng chi phí sản xuất. Chitosan thông thường không tan trong nước ở pH trung tính và kiềm, gây khó khăn cho việc phân tán keo tụ. Do đó, việc chuyển hóa chitosan thành chitosan lactate (muối hữu cơ tan hoàn toàn trong nước, tích điện dương, không độc hại) để thu hồi sinh khối vi tảo Nannochloropsis sp. là hướng tiếp cận giải quyết đồng thời hai bài toán về môi trường và công nghệ thu hoạch sinh khối.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Luận án xác định 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Tận dụng nguồn nguyên liệu vỏ lột xác của tôm thẻ chân trắng trong quá trình nuôi thâm canh để thu nhận chitin và chitosan có độ tinh sạch cao.
2. Xây dựng được quy trình điều chế chitosan lactate có độ tan tốt trong nước từ chitosan thu được ở trên.
3. Xác định được điều kiện phù hợp khi sử dụng chitosan lactate để thu sinh khối vi tảo Nannochloropsis sp.

Để thực hiện các mục tiêu trên, luận án triển khai 3 nội dung nghiên cứu chính:

1. Nghiên cứu quy trình sản xuất chitin, chitosan có độ tinh sạch cao từ vỏ lột xác của tôm thẻ chân trắng.
2. Nghiên cứu quy trình điều chế chitosan lactate có độ tan tốt từ sản phẩm chitosan thu nhận được.
3. Nghiên cứu ứng dụng chitosan lactate để thu nhận sinh khối vi tảo Nannochloropsis sp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Vỏ lột xác của tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei); chitin, chitosan và muối chitosan lactate điều chế từ vỏ lột xác; sinh khối vi tảo biển Nannochloropsis sp.
• Phạm vi không gian: Ao nuôi thâm canh tôm tại Trại thực nghiệm Chính Mỹ (xã Ninh Phú, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa); Trung tâm Thí nghiệm Thực hành và Khoa Công nghệ Thực phẩm - Trường Đại học Nha Trang; số liệu thống kê mở rộng tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.
• Phạm vi thời gian: Quá trình thực nghiệm thực hiện trong giai đoạn đào tạo tiến sĩ 2018 – 2022; dữ liệu hiện trạng ngành tôm được cập nhật trong giai đoạn 2020 – 2022; hoàn thành luận án năm 2023.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

1. Đặc tính chu kỳ lột xác và bộ xương ngoài của tôm: Quá trình biến đổi vỏ giáp xác được phân chia thành các giai đoạn chính gồm hậu lột xác (post-molt: A, B), giữa các lần lột xác (inter-molt: C) và tiền lột xác (pre-molt: D1, D2) theo nghiên cứu của Roer & Dillaman (1984), Travis (1955). Gao và cộng sự (2017) đã phân tích bộ phiên mã mô tả cơ chế biểu hiện gen liên quan đến quá trình tổng hợp chitin, hấp thu/tái hấp thu khoáng chất và vôi hóa vỏ tôm. Cấu trúc vỏ gồm 4 miền: lớp mô sừng (epicuticle), lớp sắc tố (exocuticle), lớp calci (endocuticle) và lớp biểu bì/màng (epidermis/membranous layer).
2. Sản xuất chitin và chitosan: Chitosan được phát hiện lần đầu bởi Rouget (1859). Các phương pháp truyền thống sử dụng vỏ tôm thải từ chế biến thủy sản thông qua khử khoáng bằng acid vô cơ ($HCl$), khử protein bằng kiềm ($NaOH$) và deacetyl hóa bằng kiềm đặc ở nhiệt độ cao (Trang Sĩ Trung, 2012). Một số hướng nghiên cứu sinh học ứng dụng vi khuẩn lên men lactic hoặc enzyme protease (papain, Alcalase, Flavourzyme) và chitin deacetylase từ nấm (Absidia coerulea, Colletotrichum lindemuthianum) đã được thử nghiệm nhưng hiệu suất chưa cao và khó mở rộng quy mô.
3. Điều chế muối chitosan: Để khắc phục nhược điểm không tan trong nước của chitosan (chỉ tan trong acid loãng có pKa 6,2 – 6,8), nhiều nghiên cứu đã phát triển các dạng dẫn xuất muối:
   • Phản ứng rắn – lỏng: Điều chế chitosan acetate trong môi trường ethanol (Toan, 2009); dẫn xuất alkyl chitosan bậc 4 (Britto & Assis, 2012); phức muối chitosan với ascorbic acid, p-amino benzoic acid (Singla & Chawla, 2001).
   • Phản ứng rắn – khí: Minh và cộng sự (2017) cho chitosan phản ứng với hơi $HCl$ đậm đặc ở nhiệt độ thấp (4°C) để tạo muối chitosan có khối lượng phân tử thấp.
   • Hòa tan hoàn toàn rồi sấy: Cervera và cộng sự (2011) hòa tan chitosan 4% trong dung dịch acid 10% rồi sấy phun; Wojtasz-Pająk (2010) điều chế muối dicarboxylic acid (adipate, succinate, fumarate) bằng phương pháp đông khô; Bhattarai và cộng sự (2006), Li và cộng sự (2012) điều chế màng hoặc bột chitosan lactate bằng lọc thẩm tích kết hợp đông khô.
4. Đặc điểm sinh học và phương pháp thu hoạch vi tảo: Chi vi tảo Nannochloropsis sp. thuộc lớp Eustigmatophyceae (Maruyama, 1986; Sukenik, 1991; Boussiba và cộng sự, 1992) chứa hàm lượng lipid cao (10 – 30%), protein (10 – 40%), carbohydrate (5 – 30%) và giàu EPA (24,5 – 40% tổng acid béo). Các kỹ thuật thu hoạch vi tảo phổ biến gồm ly tâm (gây tiêu tốn năng lượng, dễ vỡ tế bào), lọc/siêu lọc (dễ tắc màng), lắng trọng lực (hiệu suất thấp 60 – 65%, thời gian kéo dài), tuyển nổi và keo tụ (Molina Grima và cộng sự, 2003; Uduman và cộng sự, 2010; Vandamme và cộng sự, 2013).

Hướng tiếp cận điều chế muối	Tác giả & Công trình	Ưu điểm ghi nhận	Hạn chế ghi nhận
Hòa tan tạo gel - Sấy phun/Đông khô	Cervera và cs (2011), Wojtasz-Pająk (2010), Li và cs (2012)	Muối có độ đồng nhất cao, tan hoàn toàn trong nước	Tiêu tốn nhiều năng lượng, quy trình thẩm tích phức tạp, khó mở rộng quy mô công nghiệp
Phản ứng rắn – khí	Minh và cs (2017)	Phản ứng nhanh, tạo chitosan cắt mạch khối lượng phân tử thấp	Đòi hỏi thiết bị chịu áp lực/chống ăn mòn cao, kiểm soát khắt khe nhiệt độ
Phản ứng rắn – lỏng qua trương nở	Toan (2009), Shilova và cs (2014, 2018)	Thao tác đơn giản, không cần hòa tan hoàn toàn, kiểm soát được sự cắt mạch	Cần xác định chính xác tỷ lệ hệ dung môi (EtOH/$H_2O$) và nồng độ acid phản ứng

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

• Chưa có công trình đánh giá thực trạng phát sinh, thành phần hóa sinh và tiềm năng sử dụng của nguồn vỏ lột xác tôm thẻ chân trắng từ hệ thống nuôi thâm canh để sản xuất chitin/chitosan.
• Thiếu một quy trình điều chế chitosan lactate trực tiếp theo phương pháp rắn – lỏng có khả năng kiểm soát độ trương nở, hạn chế cắt mạch không mong muốn, đạt độ tan trên 99% mà không phải trải qua công đoạn hòa tan thể tích lớn và sấy phun/đông khô tốn kém.
• Chưa có nghiên cứu sử dụng chitosan lactate làm tác nhân keo tụ sinh học kết hợp điều chỉnh pH môi trường để thu hồi sinh khối vi tảo Nannochloropsis sp. đảm bảo hiệu quả tách pha cao và bảo tồn khả năng sống của tế bào sau thu hoạch.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

• Cơ chế liên kết và biến tính sinh học của vỏ giáp xác: Bộ xương ngoài của tôm bao gồm mạng lưới sợi α-chitin sắp xếp song song ngược chiều, liên kết chặt chẽ với protein biểu bì và khoáng calci carbonate. Ở vỏ lột xác, quá trình thoái hóa và tái hấp thu khoáng chất ở giai đoạn tiền lột xác làm cấu trúc khoáng tồn tại chủ yếu ở dạng vô định hình, hàm lượng protein và sắc tố thấp hơn nhiều so với vỏ tôm chế biến.
• Cơ chế proton hóa và tạo muối hữu cơ của chitosan: Chitosan có bản chất là một polycarbohydrate kiềm mang các nhóm amin tự do ($-NH_2$) tại vị trí carbon số 2 và nhóm hydroxyl ($-OH$). Trong môi trường dung môi có kiểm soát độ phân cực, các phân tử lactic acid khuếch tán vào cấu trúc rỗng xốp của chitosan đã được trương nở, thực hiện quá trình proton hóa nhóm amin thành $-NH_3^+OCOC(OH)CH_3$ thông qua liên kết tĩnh điện mà không phá vỡ liên kết cộng hóa trị của mạch chính.
• Cơ chế keo tụ vi tảo biển bằng polycation: Tế bào vi tảo Nannochloropsis sp. trong môi trường nuôi cấy tự nhiên mang điện tích bề mặt âm do sự ion hóa của các nhóm chức trên màng tế bào, tạo ra lực đẩy tĩnh điện ngăn cản sự kết tụ. Phân tử chitosan lactate khi hòa tan mang điện tích dương cao, đóng vai trò trung hòa điện tích bề mặt tế bào vi tảo và tạo cầu nối liên kết các tế bào lại với nhau thành các bông cặn lớn, đẩy nhanh tốc độ lắng trọng lực.

Vỏ lột xác tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei)
Chitin tinh sạch
      Chitosan (Độ deacetyl cao, hàm lượng khoáng/protein < 1%)
      Chitosan Lactate (Độ tan trong nước > 99%)

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án áp dụng phương pháp thực nghiệm định lượng trong công nghệ hóa học và chế biến thủy sản:

• Khảo sát nguyên liệu: Thu thập mẫu vỏ lột xác theo độ tuổi tôm nuôi tại ao thâm canh; xác định khối lượng, tỷ lệ thu hồi và thành phần hóa học cơ bản.
• Tách chiết Chitin: Bố trí thí nghiệm đơn yếu tố và tối ưu hóa điều kiện khử khoáng (nồng độ $HCl$, nhiệt độ, thời gian) và khử protein (nồng độ $NaOH$, nhiệt độ, thời gian).
• Sản xuất Chitosan: Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ kiềm, nhiệt độ và thời gian phản ứng deacetyl đến độ deacetyl (DD), độ nhớt và khối lượng phân tử ($M_w$).
• Điều chế Chitosan Lactate: Khảo sát các thông số: tỷ lệ dung môi $EtOH/H_2O$ (30 – 90%), thời gian ngâm trương nở (1 – 6 giờ), nồng độ lactic acid phản ứng và thời gian phản ứng tạo muối.
• Keo tụ thu hồi vi tảo: Khảo sát nồng độ chitosan lactate sử dụng (50 – 300 ppm), sự kết hợp điều chỉnh pH môi trường (pH 6,0 – 10,0) và thời gian để lắng (15 – 120 phút).

Nguồn tư liệu và phương pháp phân tích

• Thiết bị và phương pháp phân tích cấu trúc:
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để xác định các nhóm chức đặc trưng ($-NH_2, -OH, -NHCOCH_3, -COO^-$).
  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để đánh giá độ kết tinh và độ rắn phân tử.
  • Cộng hưởng từ hạt nhân ($^1H\text{-NMR}$) để xác định cấu trúc liên kết và độ deacetyl.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát hình thái vi cấu trúc bề mặt vỏ, chitin, chitosan và tế bào vi tảo.
  • Sắc ký rây phân tử kết hợp tán xạ ánh sáng tĩnh đa góc (SEC-MALLS) xác định khối lượng phân tử ($M_w$).
  • Đo độ đục, mật độ quang ($OD$) bằng máy quang phổ UV-VIS tại các bước sóng thích hợp để xác định hàm lượng chất diệp lục (chlorophyll-a), carotenoids và hiệu suất lắng vi tảo.
• Phương pháp hóa lý tiêu chuẩn: Phân tích độ ẩm, tro (khoáng), protein tổng số theo phương pháp tiêu chuẩn của AOAC; xác định độ tan trong nước và acid loãng; phân tích thành phần amino acid và kim loại nặng.
• Xử lý số liệu: Mọi thí nghiệm được lặp lại tối thiểu 3 lần. Số liệu được thu thập, tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và phân tích phương sai (ANOVA) để kiểm tra ý nghĩa thống kê giữa các nghiệm thức.

---

Nội dung chính theo từng chương

Phần Mở đầu

Trình bày bối cảnh kinh tế - kỹ thuật của ngành nuôi tôm thẻ chân trắng thâm canh tại Việt Nam, thực trạng ô nhiễm do chất thải vỏ lột xác và nhu cầu cấp thiết về nguồn sinh khối vi tảo sạch làm thức ăn cho ấu trùng thủy sản. Phần mở đầu thiết lập mục tiêu tổng quát, 3 mục tiêu cụ thể, 3 nội dung nghiên cứu cùng ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài trong việc thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn.

Tổng quan tài liệu

Chương này tổng hợp có hệ thống các tài liệu trong và ngoài nước về:

• Hiện trạng nuôi tôm thẻ chân trắng tại Đồng bằng sông Cửu Long (năm 2020 đạt 632.300 tấn, năm 2021 đạt 666.000 tấn trên diện tích 115.000 – 150.000 ha). Cơ chế vận hành của hố xi phông đáy ao nuôi thâm canh giúp phân riêng vỏ lột xác và nước thải.
• Cơ sở sinh học của chu kỳ lột xác giáp xác qua 5 giai đoạn biến đổi biểu bì (A, B, C, D1, D2) và sự khác biệt về bản chất hóa lý giữa vỏ lột xác (mỏng, mềm, giàu khoáng vô định hình, rất ít protein và astaxanthin) so với vỏ tôm phế liệu chế biến (dày, cứng, liên kết phức tạp với protein và sắc tố).
• Tổng quan về chitin, chitosan, dẫn xuất muối chitosan và các phương pháp tổng hợp (rắn – lỏng, rắn – khí, hòa tan dung dịch sấy phun/đông khô).
• Đặc điểm sinh học, giá trị dinh dưỡng của vi tảo Nannochloropsis sp. (chứa hàm lượng cao EPA, acid amin thiết yếu, vitamin C, E, carotenoids) và ưu nhược điểm của các phương pháp thu hoạch sinh khối vi tảo hiện hành.

Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương này trình bày chi tiết về nguồn gốc vật liệu, quy cách hóa chất và thiết kế sơ đồ thực nghiệm:

• Vật liệu: Vỏ lột xác thu từ ao nuôi tôm thâm canh tại Khánh Hòa; sinh khối vi tảo Nannochloropsis sp. được nuôi cấy trong điều kiện kiểm soát; mẫu chitosan thương mại đối chứng từ Công ty Cổ phần Việt Nam Food (VNF) và mẫu chitosan lactate thương mại từ Công ty MarkNature.
• Bố trí thí nghiệm: Mô tả chi tiết sơ đồ nghiên cứu từ công đoạn làm sạch nguyên liệu, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử khoáng (HCl), khử protein (NaOH), deacetyl hóa thành chitosan, tối ưu hóa quá trình trương nở dung môi ($EtOH/H_2O$) và phản ứng tạo muối chitosan lactate, đến các thử nghiệm keo tụ vi tảo theo nồng độ, pH và thời gian.
• Phương pháp phân tích: Trình bày chi tiết quy trình thao tác trên các thiết bị đo phổ FTIR, $^1H\text{-NMR}$, XRD, SEM, SEC-MALLS, UV-VIS và công thức tính toán hiệu suất thu hồi, độ hòa tan, hiệu suất lắng vi tảo.

Kết quả và thảo luận

Chương này tập trung phân tích các dữ liệu thực nghiệm đạt được theo 5 nhóm nội dung chính:

1. Thực trạng và tiềm năng sử dụng vỏ lột xác tôm thẻ chân trắng

Khảo sát tại cơ sở nuôi thâm canh cho thấy vỏ lột xác thu gom qua hệ thống xi phông có độ sạch cao, lượng tạp chất bùn và tảo chết không đáng kể, tỷ lệ xác tôm chết lẫn vào chỉ chiếm 2 – 3%. Lượng vỏ lột xác tăng dần theo độ tuổi nuôi của tôm.

Chỉ tiêu so sánh	Vỏ lột xác từ ao nuôi thâm canh	Vỏ tôm từ chế biến công nghiệp
Đặc điểm vật lý	Mỏng, mềm, dễ thấm hóa chất	Cứng, dày, cấu trúc chặt chẽ
Hàm lượng khoáng	Cao, cấu trúc vô định hình xen kẽ	Liên kết chặt với protein và chitin
Hàm lượng protein	Thấp, dễ bị loại bỏ	Cao, tập trung nhiều ở thịt đầu và nội tạng
Sắc tố Astaxanthin	Rất thấp, không cần công đoạn khử màu	Cao, đòi hỏi xử lý tẩy màu bằng hóa chất
Hoạt tính sinh học	Chứa enzyme chitinase	Chứa enzyme chitinase, rất nhanh thối rữa

2. Nghiên cứu điều kiện sản xuất chitin từ vỏ lột xác

• Khử khoáng: Do lớp khoáng ở vỏ lột xác có cấu trúc xốp và vô định hình, nồng độ $HCl$ sử dụng chỉ cần ở mức 3 – 4%, thời gian xử lý ngắn (3 – 6 giờ) đã đạt hiệu suất khử khoáng cao, hàm lượng khoáng còn lại trong chitin thô đạt dưới 1%.
• Khử protein: Do hàm lượng protein ban đầu thấp, xử lý bằng dung dịch $NaOH$ loãng 3 – 4% ở thời gian 3 – 6 giờ đã loại bỏ triệt để protein (hàm lượng protein còn lại trong chitin đạt dưới 1%), loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng hóa chất khử màu độc hại.

3. Nghiên cứu sản xuất chitosan và đánh giá tính chất

Quá trình deacetyl hóa chitin thu được từ vỏ lột xác được khảo sát qua các chế độ nhiệt độ và thời gian với dung dịch kiềm đặc.

• Hiệu suất thu hồi chitosan đạt khoảng 23% (tính trên khối lượng vỏ khô).
• Chitosan thành phẩm có độ deacetyl (DD) đạt khoảng 90%, độ tan trong dung dịch acid loãng đạt khoảng 99%, khối lượng phân tử trung bình ($M_w$) đạt khoảng 500 kDa.
• Phổ FTIR và $^1H\text{-NMR}$ xác nhận sự loại bỏ gần như hoàn toàn các nhóm acetyl, phổ XRD cho thấy mức độ trật tự tinh thể đặc trưng của dẫn xuất chitosan sạch.

4. Nghiên cứu điều kiện điều chế chitosan lactate

Nghiên cứu khẳng định vai trò quyết định của bước làm trương nở chitosan trước phản ứng:

• Dung môi trương nở: Hỗn hợp $EtOH/H_2O$ ở tỷ lệ 70% EtOH cho độ trương nở tối ưu, làm mềm mạch polyme, tạo điều kiện cho lactic acid khuếch tán đồng đều mà không làm hòa tan hay cắt mạch sâu chitosan.
• Thời gian ngâm: Thời gian ngâm trương nở 4 giờ cho kết quả ổn định nhất về độ trương nở và trạng thái hạt.
• Phản ứng tạo muối: Phản ứng diễn ra theo cơ chế dị thể rắn – lỏng giữa nhóm amin của chitosan trương nở và lactic acid.
• Tính chất chitosan lactate: Bột sản phẩm màu trắng sáng, độ tan trong nước cất đạt > 99%. Phổ FTIR và $^1H\text{-NMR}$ thể hiện rõ các tín hiệu tương tác ion tĩnh điện giữa nhóm amin proton hóa ($-NH_3^+$) và gốc lactate ($-OCOC(OH)CH_3$). Phổ XRD cho thấy sự suy giảm độ kết tinh, chuyển dịch sang trạng thái vô định hình giúp tăng khả năng hydrate hóa và hòa tan nhanh trong nước.

5. Ứng dụng thu hồi vi tảo Nannochloropsis sp. bằng chitosan lactate

• Hiệu quả keo tụ đơn lẻ: Sử dụng chitosan lactate ở các nồng độ từ 50 đến 300 ppm giúp tăng dần hiệu suất lắng vi tảo.
• Kết hợp điều chỉnh pH: Khi sử dụng chitosan lactate ở nồng độ 250 ppm kết hợp điều chỉnh pH dịch vi tảo về 10,0, hiệu suất lắng đạt khoảng 90% sau 120 phút (sau 15 phút lắng đã ghi nhận sự kết bông rõ rệt).
• Chất lượng sinh khối: Phương pháp này giúp bảo tồn tốt hàm lượng chlorophyll-a và carotenoids. Tế bào vi tảo sau khi thu hồi và tái nuôi cấy vẫn duy trì khả năng sinh trưởng bình thường sau 1 ngày và 6 ngày, chứng minh chitosan lactate không gây độc cho tế bào tảo.

Phần Kết luận và kiến nghị

Tóm lược các thông số kỹ thuật tối ưu đã đạt được của toàn bộ chuỗi quy trình (từ vỏ lột xác đến chitin, chitosan, chitosan lactate và thu hồi vi tảo), khẳng định tính khả thi của công nghệ và đề xuất các hướng nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

1. Về mặt khoa học và nguyên liệu: Đã chứng minh một cách hệ thống vỏ lột xác của tôm thẻ chân trắng từ ao nuôi thâm canh là nguồn nguyên liệu tiềm năng, có chất lượng cao để sản xuất chitin và chitosan. Làm rõ được đặc điểm cấu trúc mỏng, hàm lượng khoáng vô định hình cao và hàm lượng protein/sắc tố rất thấp của vỏ lột xác so với vỏ tôm chế biến.
2. Về mặt quy trình công nghệ sản xuất Chitin/Chitosan: Xây dựng thành công quy trình sản xuất chitin/chitosan với mức tiêu hao hóa chất thấp (nồng độ $HCl$ và $NaOH$ chỉ từ 3 – 4%), thời gian phản ứng ngắn (3 – 6 giờ/công đoạn), không cần công đoạn tẩy màu. Sản phẩm chitosan đạt chất lượng thương mại cao với hàm lượng tro và protein còn lại < 1%, hiệu suất thu hồi khoảng 23%, độ deacetyl khoảng 90%, độ tan khoảng 99% và khối lượng phân tử khoảng 500 kDa.
3. Về mặt điều chế dẫn xuất Chitosan Lactate: Phát triển quy trình điều chế muối hữu cơ chitosan lactate trực tiếp từ trạng thái rắn – lỏng thông qua công đoạn ngâm trương nở trong hệ dung môi $EtOH/H_2O$ thích hợp. Sản phẩm tạo ra có độ tan trong nước > 99%, khắc phục hoàn toàn nhược điểm khó tan của chitosan tự nhiên mà không cần đầu tư hệ thống thiết bị sấy phun hay đông khô phức tạp.
4. Về mặt ứng dụng công nghệ sinh học: Xác định được điều kiện kỹ thuật tối ưu để thu hồi sinh khối vi tảo biển Nannochloropsis sp. bằng chitosan lactate (liều lượng 250 ppm kết hợp chỉnh pH về 10,0), cho hiệu suất thu hồi đạt khoảng 90% sau 2 giờ lắng, bảo tồn nguyên vẹn sắc tố sinh học và khả năng sống của tế bào vi tảo.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Hoàn thiện hệ thống thu gom và sơ chế cơ học vỏ lột xác ngay tại hố xi phông của các trang trại nuôi tôm thâm canh để bảo quản nguyên liệu trước khi đưa vào sản xuất quy mô lớn.
• Nghiên cứu ứng dụng chitosan lactate làm chất bảo quản màng bao sinh học, chất kích kháng trong nông nghiệp hoặc làm chất mang dẫn truyền trong y dược nhờ đặc tính tan hoàn toàn trong nước và an toàn sinh học.
• Thử nghiệm sử dụng trực tiếp sinh khối vi tảo Nannochloropsis sp. thu hồi bằng chitosan lactate làm thức ăn tươi sống trong các trại sản xuất giống tôm, cá biển và động vật hai mảnh vỏ để đánh giá chỉ tiêu tăng trưởng thực tế.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Dữ liệu khảo sát thực tế về sản lượng vỏ lột xác chủ yếu tập trung tại địa bàn tỉnh Khánh Hòa và số liệu ước tính gián tiếp tại Đồng bằng sông Cửu Long; chưa thực hiện điều tra diện rộng trên tất cả các mô hình nuôi công nghệ cao khác nhau.
• Thực nghiệm điều chế chitosan lactate và keo tụ thu hồi vi tảo dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm và pilot nhỏ, chưa tiến hành thử nghiệm trên dây chuyền thiết bị tự động hóa liên tục quy mô công nghiệp.
• Chưa khảo sát độ ổn định chất lượng dài hạn của dịch sinh khối vi tảo đậm đặc sau thu hoạch trong các điều kiện bảo quản lạnh khác nhau.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Mở rộng nghiên cứu quy trình thu hồi và tinh chế vỏ lột xác ở quy mô công nghiệp gắn liền với các vùng nuôi tôm tập trung quy mô lớn.
• Đánh giá chi tiết hơn về cơ chế sinh hóa và động học của quá trình solvat hóa, trương nở của chitosan trong các hệ dung môi hữu cơ phân cực khác nhau.
• Thử nghiệm ứng dụng chitosan lactate để thu hồi các loài vi tảo có giá trị cao khác (Tetraselmis, Isochrysis, Chaetoceros, Spirulina) và đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật toàn diện trong chuỗi giá trị nuôi trồng thủy sản.

---

Giá trị tham khảo

• Đối với nghiên cứu sinh và học viên sau đại học: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu polyme sinh học biển (FTIR, XRD, $^1H\text{-NMR}$, SEM, SEC-MALLS), động học quá trình khử khoáng, khử protein, phản ứng biến tính dị thể tạo muối chitosan và kỹ thuật thu hoạch vi tảo.
• Đối với giảng viên và cơ sở đào tạo: Phục vụ công tác giảng dạy chuyên ngành Công nghệ chế biến thủy sản, Công nghệ sinh học biển, Hóa sinh học và Quản lý môi trường nuôi trồng thủy sản.
• Đối với doanh nghiệp chế biến và trang trại nuôi tôm: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng mô hình kinh tế tuần hoàn: tận dụng triệt để chất thải rắn (vỏ lột xác) từ ao nuôi thâm canh để sản xuất sản phẩm giá trị gia tăng (chitosan lactate), sau đó quay vòng phục vụ thu gom thức ăn tươi sống (vi tảo) cho sản xuất giống thủy sản.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao vỏ lột xác của tôm thẻ chân trắng lại dễ xử lý thành chitin/chitosan hơn vỏ tôm từ nhà máy chế biến?

Vỏ lột xác sinh ra từ chu kỳ lột xác của tôm đã trải qua quá trình thoái hóa và tái hấp thu khoáng chất ở giai đoạn tiền lột xác. Cấu trúc vỏ mỏng, xốp, khoáng tồn tại ở dạng vô định hình xen kẽ, hàm lượng protein biểu bì và sắc tố astaxanthin rất thấp. Ngược lại, vỏ tôm chế biến rất cứng, dày, chứa hàm lượng protein cao (ở đầu và thịt vụn) và sắc tố astaxanthin đậm, đòi hỏi nồng độ hóa chất cao ($HCl, NaOH$), thời gian xử lý dài và phải qua công đoạn tẩy màu bằng hóa chất độc hại.

2. Ưu điểm nổi bật của quy trình sản xuất chitin/chitosan từ vỏ lột xác trong luận án là gì?

Quy trình sử dụng nồng độ hóa chất thấp ($HCl$ 3 – 4% để khử khoáng, $NaOH$ 3 – 4% để khử protein) và thời gian xử lý ngắn (chỉ 3 – 6 giờ cho mỗi công đoạn), hoàn toàn không cần công đoạn tẩy màu. Sản phẩm thu được đạt tiêu chuẩn thương mại với hàm lượng khoáng và protein còn lại đều dưới 1%, hiệu suất thu hồi chitosan đạt khoảng 23%, độ deacetyl cao (~90%) và độ tan trong dung dịch acid loãng đạt ~99%.

3. Phương pháp điều chế chitosan lactate trong luận án có điểm gì khác biệt so với các công bố trước đây?

Thay vì hòa tan hoàn toàn một lượng lớn chitosan trong dung dịch acid rồi sấy phun hoặc sấy đông khô (rất tốn năng lượng và chi phí thiết bị), luận án phát triển phương pháp phản ứng dị thể rắn – lỏng. Bột chitosan được làm trương nở có kiểm soát trong hệ dung môi $EtOH/H_2O$ 70% trong 4 giờ, sau đó cho phản ứng trực tiếp với lactic acid. Sản phẩm tạo ra có độ tan trong nước > 99% mà không làm đứt gãy mạch polyme sâu hay biến màu sản phẩm.

4. Cơ chế nào giúp chitosan lactate thu hồi hiệu quả vi tảo Nannochloropsis sp.?

Tế bào vi tảo Nannochloropsis sp. có kích thước rất bé (2 – 4 µm) và mang điện tích âm trên bề mặt tế bào trong môi trường nuôi cấy. Chitosan lactate khi tan trong nước phân ly tạo thành các phân tử polycation mang điện tích dương cao (nhóm $-NH_3^+$), nhanh chóng trung hòa điện tích âm của tế bào vi tảo và hình thành cầu nối polyme liên kết các tế bào tảo thành các bông cặn lớn, giúp chúng lắng nhanh chóng theo trọng lực.

5. Điều kiện tối ưu để thu hồi sinh khối vi tảo Nannochloropsis sp. bằng chitosan lactate là gì?

Điều kiện tối ưu được xác định là sử dụng chitosan lactate ở nồng độ 250 ppm kết hợp điều chỉnh pH của dịch vi tảo về 10,0. Sau 120 phút lắng, hiệu quả thu hồi sinh khối đạt khoảng 90%, đồng thời giữ được hàm lượng chất màu (chlorophyll-a, carotenoids) và đảm bảo tế bào vi tảo vẫn có khả năng sinh trưởng bình thường khi tái nuôi cấy.

---

Kết luận

Luận án của tác giả Phạm Thị Đan Phượng đã giải quyết trọn vẹn chuỗi vấn đề khoa học và công nghệ từ việc tận dụng nguồn phế thải vỏ lột xác tôm thẻ chân trắng trong nuôi thâm canh để sản xuất chitin, chitosan độ sạch cao đến điều chế dẫn xuất muối hữu cơ chitosan lactate tan hoàn toàn trong nước. Quy trình điều chế dị thể rắn – lỏng qua bước ngâm trương nở dung môi $EtOH/H_2O$ mở ra giải pháp kỹ thuật đơn giản, tiết kiệm chi phí để sản xuất muối chitosan quy mô lớn. Ứng dụng thành công chitosan lactate kết hợp điều chỉnh pH để thu hồi sinh khối vi tảo biển Nannochloropsis sp. đạt hiệu suất 90% vừa giúp hạ giá thành sản xuất thức ăn tươi sống cho ấu trùng thủy sản, vừa đóng góp thiết thực cho định hướng phát triển kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu ô nhiễm môi trường nuôi trồng thủy sản.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU Thủy sản là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn của Việt Nam đem lại nguồn thu ngoại tệ lớn cho đất nước. Năm 2022, kim ngạch xuất khẩu thủy sản đạt 11 tỷ USD, trong đó, tôm là đối tượng có giá trị xuất khẩu cao nhất đạt 4,1 - 4,2 tỷ USD. Hiện nay, mô hình nuôi tôm thâm canh được triển khai và đem lại hiệu quả kinh tế cao ở nhiều địa phương trong cả nước. Việc kiểm soát tốt điều kiện môi trường của mô hình nuôi này giúp giảm nguy cơ dịch bệnh cho tôm.

Tuy nhiên, do mật độ tôm cao nên một lượng lớn chất thải trong quá trình nuôi bao gồm thức ăn thừa, phân, chất lơ lửng, vỏ lột xác của tôm… có khả năng gây ô nhiễm cho môi trường nước, phát sinh dịch bệnh cho tôm. Trong đó, lượng lớn vỏ lột xác của tôm có thể thu được bằng cách xi phông mỗi ngày. Tận dụng nguồn vỏ lột xác này làm nguyên liệu sản xuất chitin, chitosan không chỉ gia tăng giá trị cho tôm nuôi, mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường nuôi, nâng cao giá trị cho chuỗi nuôi trồng, chế biến và xuất khẩu tôm, góp phần phát triển bền vững ngành thủy sản. Mặt khác, trong thời gian gần đây nhu cầu sử dụng các sản phẩm vi tảo làm thức ăn nuôi thủy sản đang phát triển mạnh mẽ.

Vi tảo là nguồn dinh dưỡng thiết yếu cho các nhuyễn thể hai mảnh vỏ, các loài cá và giáp xác ở giai đoạn ấu trùng. Trong đó, vi tảo Nannochloropsis sp. đang được sử dụng phổ biến làm thức ăn cho các ấu trùng thủy sản vì nó có kích thước nhỏ, chứa nhiều hoạt chất sinh học, hàm lượng dinh dưỡng cao. Tuy nhiên, vấn đề khó khăn hiện nay cần giải quyết đó tìm ra phương pháp thu vi tảo Nannochloropsis sp.

hiệu quả với chi phí thấp, giữ được chất lượng sản phẩm sau thu nhận, phù hợp làm thức ăn thủy sản. Chitosan là polyme sinh học đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, môi trường, thực phẩm, mỹ phẩm, y dược… Tuy nhiên, vẫn còn hạn chế khi sử dụng do chitosan không tan trong nước mà chỉ tan trong một số dung dịch acid loãng. Để tăng độ tan trong nước, chitosan được chuyển hóa thành các dạng như oligochitosan, muối chitosan, nanochitosan, gắn các nhóm chức ưa nước. Trong đó, chitosan lactate là sản phẩm muối hữu cơ của chitosan và lactic acid, có thể tan tốt trong nước, không độc hại và không mùi.

Ngoài ra, chitosan lactate vẫn giữ được tính chất tạo màng bao và khi hòa tan trong nước nó mang điện tích dương. Do đó, khi ứng dụng chitosan lactate 2 để thu hồi vi tảo biển (mang điện tích âm) có thể đạt hiệu quả cao (theo cơ chế trung hòa điện), dễ dàng triển khai, sản phẩm thu được an toàn. Từ những lý do trên, đề tài: “Nghiên cứu thu nhận chitosan lactate từ vỏ lột xác tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei) và ứng dụng thu nhận vi tảo Nannochloropsis sp.” được đề xuất thực hiện. Mục tiêu nghiên cứu: 1.

Tận dụng nguồn nguyên liệu vỏ lột xác của tôm thẻ chân trắng trong quá trình nuôi thâm canh để thu nhận chitin và chitosan có độ tinh sạch cao. Xây dựng được quy trình điều chế chitosan lactate có độ tan tốt trong nước từ chitosan thu được ở trên. Xác định được điều kiện phù hợp khi sử dụng chitosan lactate để thu sinh khối vi tảo Nannochloropsis sp. Nội dung nghiên cứu: Để đạt được 3 mục tiêu nghiên cứu, luận án tập trung nghiên cứu 3 nội dung: 1.

Nghiên cứu quy trình sản xuất chitin, chitosan có độ tinh sạch cao từ vỏ lột xác của tôm thẻ chân trắng. Nghiên cứu quy trình điều chế chitosan lactate có độ tan tốt từ sản phẩm chitosan thu nhận được ở trên. Nghiên cứu ứng dụng chitosan lactate để thu nhận sinh khối vi tảo Nannochloropsis sp. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: 1.

Lần đầu tiên, nguyên liệu vỏ lột xác của tôm trong quá trình nuôi thâm canh được đánh giá về khả năng thu hồi, thành phần hóa học, tính chất và sử dụng để sản xuất chitin, chitosan. Đề xuất quy trình sản xuất chitin, chitosan có độ tinh sạch cao với lượng hóa chất sử dụng thấp, thời gian xử lý ngắn, không cần qua công đoạn khử màu. Đề xuất quy trình điều chế muối chitosan lactate tan tốt trong nước (độ tan > 99%) bằng phương pháp rắn – lỏng, có thể áp dụng ở quy mô lớn một cách dễ dàng. Đề xuất điều kiện thu hồi vi tảo biển Nannochloropsis sp.

đạt hiệu quả cao (khoảng 90% sau 2 giờ để lắng) khi sử dụng chitosan lactate có kết hợp điều chỉnh pH môi trường. Kết quả đề tài mở ra định hướng tận dụng vỏ lột xác tôm thẻ chân trắng tạo các sản phẩm có giá trị gia tăng (chitin, chitosan, chitosan lactate), giảm ảnh hưởng xấu đến môi trường trong quá trình nuôi tôm thâm canh. Việc sử dụng sản phẩm từ quá trình nuôi thủy sản (chitosan lactate) để thu vi tảo và ứng dụng làm thức ăn thủy sản hướng đến nền kinh tế tuần hoàn và phát triển bền vững cho ngành nuôi trồng thủy sản. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.

Tình hình nuôi tôm và ô nhiễm môi trường do chất thải trong quá trình nuôi Hình 1. Tình hình nuôi thâm canh tôm thẻ chân trắng ở Đồng bằng sông Cửu Long năm 2020. Việt Nam là một trong những nước nuôi và xuất khẩu tôm hàng đầu thế giới, tập trung chủ yếu ở các vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) bao gồm các tỉnh: Long An, Tiền Giang, An Giang, Đồng Tháp, Vĩnh Long, Hậu Giang, Trà Vinh, Bến Tre, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang và thành phố Cần Thơ. Theo Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu Thủy sản Việt Nam (1995 – 2020) thì ĐBSCL là khu vực chiếm 80% tổng sản lượng tôm thu hoạch từ các ao nuôi thâm canh và siêu thâm canh so với cả nước (Hình 1.1b), tập trung chủ yếu ở 5 tỉnh có diện tích nuôi lớn nhất (Cà Mau, Bạc Liêu, Sóc Trăng, Bến Tre và Kiên Giang), nhưng chiếm chưa đến 10% diện tích đất dành cho nuôi tôm (Hình 1.

Đây là mô hình nuôi được đánh giá cao và khuyến khích các cơ sở sản xuất tôm nuôi áp dụng nhờ ưu điểm vượt trội là thời gian nuôi ngắn, rủi ro thấp, năng suất cao và có thể giảm thiểu ô nhiễm môi trường nuôi, hạn chế dịch bệnh [4]. Hiện nay, tỉnh Bạc Liêu được Thủ tướng Chính phủ chọn làm thủ phủ cho ngành tôm công nghiệp của cả nước [4, 5, 13]. Hình thức nuôi tôm thương phẩm hiệu quả cao đã được đưa vào “Đề án tổng thể phát triển ngành công nghiệp tôm nước lợ Việt Nam đến năm 2030” với mục tiêu cụ thể, tổng sản lượng tôm nuôi nước lợ đạt trên 1.000 tấn, trong đó tôm thẻ chân trắng đạt trên 750.000 tấn và tôm sú đạt trên 550. Tương ứng với diện tích nuôi tôm nước lợ giữ ổn định so với sự phát triển của các năm gần đây (2020 – 2022) khoảng 750.000 ha, trong đó diện tích nuôi tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei) là 150.000 ha, chiếm chỉ bằng ¼ so với diện tích nuôi tôm sú (Penaeus monodon) là 600.

Diện tích nuôi tôm thẻ được đầu tư và phát triển theo xu hướng áp dụng công nghệ cao ở nhiều tỉnh trong nước từ năm 2008 [4, 5]. Việc áp dụng kỹ thuật nuôi công nghệ cao với mật độ nuôi lớn và đạt hiệu quả thu hoạch sản lượng tôm thẻ chân trắng cao đến 72% trên tổng giá trị xuất khẩu tôm năm 2020 (Hình 1. Diện tích nuôi tôm và sản lượng thu hoạch thuộc Đồng bằng sông Cửu Long trong giai đoạn 2020 - 2022 Loại tôm nuôi Diện tích (ha) [2] Sản lượng thu hoạch (tấn/năm) 2020 [5] 2021 [15] 2022 [16] Tôm nuôi nước lợ 750.000 Tôm thẻ chân trắng 150.000 Số liệu ở Bảng 1.1 cho thấy diện tích nuôi tôm thẻ chân trắng chỉ bằng ¼ diện tích nuôi tôm sú, nhưng sản lượng tôm thẻ chân trắng cao khoảng 2,5 lần so với tôm sú. Năm 2020, tổng diện tích nuôi trồng thủy sản gần như không thay đổi so với năm 2019, tuy nhiên, sản lượng tôm nuôi nước lợ lại tăng lên đạt 900.000 tấn (trong đó tôm thẻ chân trắng đạt 632.300 tấn, tôm sú đạt 267.

Năm 2021, mặc dù ngành nuôi trồng thủy sản gặp nhiều khó khăn do đại dịch Covid-19 nhưng vẫn đảm bảo duy trì tốc độ tăng trưởng. Riêng diện tích nuôi tôm nước lợ ước đạt 737 nghìn ha, trong đó diện tích nuôi tôm sú là 622 ngìn ha và diện tích nuôi tôm thẻ chân trắng là 115 nghìn ha. Sản lượng tôm nuôi năm 2021 đạt 931.000 tấn (tăng 5,5% so với cùng kỳ năm 2020), trong đó sản lượng tôm sú đạt 265.000 tấn và tôm thẻ chân trắng đạt 666. Năm 2022, ngành Thủy sản phấn đấu sản lượng nuôi trồng ước đạt 4,95 triệu tấn, trong đó mục tiêu đưa ra sản lượng tôm sú đạt khoảng 275.000 tấn và tôm thẻ chân trắng khoảng 675.

Năm 2022, các tỉnh tiếp tục phát triển tôm thẻ chân trắng thâm canh, bán thâm canh công nghệ cao nhằm kiểm soát môi trường ngày càng tốt hơn. Nhờ đó mà sản lượng tôm thẻ chân trắng ước tính đến tháng 2/2022 đạt 25.500 tấn (tăng 6,3% so với cùng kỳ năm trước), sản lượng tôm sú đạt 14.200 tấn tương đương cùng kỳ năm 2021 [17]. Tuy nhiên, vấn đề đáng lo ngại hiện nay vẫn là sự ô nhiễm môi trường trong quá trình nuôi tôm do các hợp chất hữu cơ dư thừa do thức ăn, phân và rác thải khác (vỏ lột xác của tôm, cỏ rác từ môi trường xung quanh…) đọng lại dưới ao nuôi. Các chất thải này không xử lý sẽ hình thành một lớp bùn đáy tạo điều kiện môi trường sinh trưởng và phát triển vi sinh vật gây thối như Coliforms, Vibrio, E.

coli, Pseudomonas, Staphylococcus, Salmonella… Từ đó, ao nuôi có khả năng ứ đọng ô nhiễm hữu cơ, các loại khí độc như phốt pho, nitơ, amoniac (NH3), nitrit (NO2), H2, H2S, CH4, Mecaptan. làm giảm lượng oxy và thủy sản có khả năng bị ngộ độc. Ngoài ra còn lắng đọng các hóa chất, vôi và khoáng chất Diatomit, Dolomit, lưu huỳnh và các chất độc có trong đất phèn Fe3+, Al3+, SO42-… [7, 14, 75]. Chính vì thế mà người nuôi trồng thường phải sử dụng hóa chất xử lý môi trường nước, kháng sinh để phòng trị bệnh cho tôm.

Đến nay, nhiều cơ sở nuôi tôm và hộ dân đã tiếp cận phương pháp nuôi thâm canh nhưng vẫn theo hình thức tự phát nên không đưa vào hệ thống ao lắng 6 để xử lý.