Luận án tiến sĩ: Sản xuất oligochitosan và ứng dụng trong bảo quản tôm nguyên liệu sau thu hoạch

Luận án tiến sĩ phân tích nghiên cứu sản xuất oligochitosan và ứng dụng trong bảo quản tôm nguyên liệu sau thu hoạch, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp tri

• Tác giả: Vũ Thị Hoan
• Người hướng dẫn: GS. Trần Thị Luyến
• Trường học: Trường Đại học Nha Trang
• Chuyên ngành: Công nghệ chế biến thủy sản
• Đề tài: Nghiên cứu sản xuất oligochitosan và ứng dụng trong bảo quản tôm nguyên liệu sau thu hoạch
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Khánh Hòa

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SẢN XUẤT CHITOSAN VÀ OLIGOCHITOSAN
• 1.2.1. Giới thiệu về chitin, chitosan và oligochitosan
• 1.2.2. Chitin và chitosan
• 1.2.3. Phương pháp sản xuất chitin và chitosan
• 1.2.4. Phương pháp sản xuất oligochitosan
• 1.3. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG OLIGOCHITOSAN
• 1.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BIẾN ĐỔI VÀ PHƯƠNG PHÁP BẢO QUẢN TÔM SAU THU HOẠCH
• 1.4.1. Cơ sở lý thuyết về biến đổi của tôm sau thu hoạch
• 1.4.2. Phương pháp bảo quản tôm sau thu hoạch
• 1.5. GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT BỨC XẠ
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU
• 2.1.1. Đầu vỏ tôm dùng sản xuất oligochitosan
• 2.1.2. Tôm bạc biển
• 2.1.3. Nguyên vật liệu để xác định độc chất học
• 2.1.4. Giống vi khuẩn
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.2.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm
• 2.2.2. Các phương pháp phân tích hóa học
• 2.2.3. Phương pháp xác định hoạt độ enzyme protease
• 2.2.4. Phương pháp nghiên cứu vi khuẩn
• 2.2.5. Phương pháp thu sinh khối vi khuẩn lactic
• 2.2.6. Phương pháp phân tích vi sinh vật
• 2.2.7. Phương pháp xác định hoạt tính kháng khuẩn của chế phẩm oligochitosan
• 2.2.8. Phương pháp xác định độc chất học
• 2.3. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ CHỦ YẾU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
• 2.4. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CƠ BẢN CỦA PHẾ LIỆU ĐẦU VỎ TÔM
• 3.2. NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC ĐỂ KHỬ PROTEIN VÀ TẠP CHẤT Ở ĐẦU VỎ TÔM THẺ CHÂN TRẮNG TRONG SẢN XUẤT CHITIN
• 3.2.1. Nghiên cứu lựa chọn enzyme protease
• 3.2.2. Nghiên cứu khử protein còn lại ở đầu vỏ tôm bằng NaOH loãng và khử khoáng bằng HCl loãng
• 3.2.3. Đề xuất quy trình sản xuất chitin từ đầu vỏ tôm bằng phương pháp sử dụng enzyme flavourzyme khử protein
• 3.3. NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHITIN TỪ ĐẦU VỎ TÔM BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG VI KHUẨN LACTIC ĐỂ KHỬ PROTEIN VÀ CÁC TẠP CHẤT
• 3.3.1. Lựa chọn chủng vi khuẩn lactic thích hợp
• 3.3.2. Nghiên cứu sản xuất chitin từ đầu vỏ tôm bằng phương pháp sử dụng vi khuẩn lactic L. plantarum VTCC-B 431 để khử protein và các tạp chất
• 3.3.3. Nghiên cứu khử protein còn lại ở bán chế phẩm chitin bằng enzyme flavourzyme
• 3.3.4. Nghiên cứu khử khoáng còn lại ở chitin thô bằng HCl
• 3.3.5. Đề xuất quy trình sản xuất chitin từ đầu vỏ tôm bằng phương pháp sử dụng vi khuẩn lactic L. plantarum VTCC-B 431 để khử protein và các tạp chất
• 3.3.6. Đánh giá chất lượng chitin sản xuất theo quy trình sử vi khuẩn lactic để khử protein và các tạp chất
• 3.4. NGHIÊN CỨU DEACETYL CHITIN ĐỂ SẢN XUẤT CHITOSAN CÓ ĐỘ DEACETYL CAO
• 3.4.1. XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ NAOH THÍCH HỢP CHO QUÁ TRÌNH DEACETYL CHITIN
• 3.4.2. XÁC ĐỊNH THỜI GIAN DEACETYL
• 3.4.3. ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHITOSAN CÓ ĐỘ DEACETYL CAO
• 3.5. NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHẾ PHẨM OLIGOCHITOSAN BẰNG KỸ THUẬT BỨC XẠ
• 3.5.1. XÁC ĐỊNH ĐỘ HÒA TAN CỦA CHITOSAN TRONG DUNG DỊCH ACID
• 3.5.2. XÁC ĐỊNH LIỀU XẠ THÍCH HỢP CHO VIỆC CẮT MẠCH CHITOSAN TẠO OLIGOCHITOSAN
• 3.5.3. TÁCH PHÂN ĐOẠN OLIGOCHITOSAN SAU KHI CHIẾU XẠ
• 3.5.4. ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH SẢN XUẤT OLIGOCHITOSAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾU XẠ SỬ DỤNG BỨC XẠ GAMMA CO-60
• 3.5.5. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC VÀ TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ CỦA OLIGOCHITOSAN SẢN XUẤT BẰNG CÁCH SỬ DỤNG BỨC XẠ ĐỂ PHÂN CẮT CHITOSAN
• 3.5.5.1. Đánh giá thành phần các phân đoạn của chế phẩm chiếu xạ chitosan
• 3.5.5.2. Sử dụng phổ FTIR để đánh giá cấu trúc của sản phẩm sau chiếu xạ chitosan
• 3.5.5.3. Xác định khối lượng phân tử và cấu trúc của oligochitosan
• 3.6. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA OLIGOCHITOSAN
• 3.6.1. Xác định hoạt tính kháng khuẩn của chế phẩm oligochitosan bằng phương pháp MIC
• 3.6.2. Xác định hoạt tính kháng khuẩn của chế phẩm oligochitosan bằng phương pháp nuôi cấy trên đĩa thạch
• 3.7. ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH HOÀN THIỆN SẢN XUẤT OLIGOCHITOSAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG BỨC XẠ GAMMA COBAN 60
• 3.8. THỬ NGHIỆM ĐỘC TÍNH CỦA OLIGOCHITOSAN TRÊN CHUỘT LANG THÍ NGHIỆM
• 3.9. SỬ DỤNG OLIGOCHITOSAN TRONG BẢO QUẢN TÔM BẠC NGUYÊN LIỆU
• 3.9.1. XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ OLIGOCHITOSAN THÍCH HỢP CHO QUÁ TRÌNH BẢO QUẢN TÔM
• 3.9.2. XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ BẢO QUẢN TÔM NGUYÊN LIỆU BẰNG OLIGOCHITOSAN
• 3.9.2.1. Xác định thời gian nhúng tôm nguyên liệu bằng dung dịch oligochitosan
• 3.9.2.2. Xác định chế độ bao gói thích hợp để bảo quản tôm bạc bằng oligochitosan
• 3.9.3. ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH BẢO QUẢN TÔM BẰNG OLIGOCHITOSAN
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Sản xuất oligochitosan

Sản xuất oligochitosan là quá trình chuyển đổi chitosan thành các phân tử nhỏ hơn, có hoạt tính sinh học cao. Luận án đã nghiên cứu và đề xuất quy trình sản xuất oligochitosan bằng phương pháp chiếu xạ gamma Coban-60. Phương pháp này giúp cắt mạch chitosan hiệu quả, tạo ra các phân đoạn oligochitosan có khối lượng phân tử thấp và độ hòa tan cao. Quy trình bao gồm các bước: xác định liều xạ thích hợp, tách phân đoạn và đánh giá cấu trúc bằng phổ FTIR và NMR. Kết quả cho thấy, oligochitosan sản xuất bằng phương pháp này có tiềm năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực y sinh và bảo quản thực phẩm.

1.1. Phương pháp chiếu xạ gamma Coban 60

Phương pháp chiếu xạ gamma Coban-60 được sử dụng để cắt mạch chitosan, tạo ra oligochitosan. Quá trình này bao gồm việc xác định liều xạ tối ưu (50 kGy) để đảm bảo hiệu quả cắt mạch mà không làm biến đổi cấu trúc hóa học của chitosan. Kết quả phân tích phổ FTIR và NMR cho thấy, oligochitosan thu được có cấu trúc ổn định và khối lượng phân tử phù hợp cho các ứng dụng thực tiễn.

1.2. Đánh giá cấu trúc và hoạt tính

Cấu trúc và hoạt tính của oligochitosan được đánh giá thông qua phổ FTIR và NMR. Các phân đoạn oligochitosan có khối lượng phân tử từ 1.000 đến 5.000 Da, phù hợp cho các ứng dụng trong bảo quản thực phẩm và y sinh. Phân tích hoạt tính kháng khuẩn cho thấy, oligochitosan có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn gây hư hỏng thực phẩm, đặc biệt là trong bảo quản tôm sau thu hoạch.

II. Ứng dụng oligochitosan trong bảo quản tôm

Ứng dụng oligochitosan trong bảo quản tôm sau thu hoạch là một trong những mục tiêu chính của luận án. Oligochitosan được sử dụng như một chất bảo quản tự nhiên, giúp kéo dài thời gian bảo quản và duy trì chất lượng của tôm. Nghiên cứu đã xác định nồng độ oligochitosan thích hợp (1%) và thời gian nhúng tối ưu (10 phút) để đạt hiệu quả bảo quản cao nhất. Kết quả cho thấy, oligochitosan giúp giảm thiểu sự phát triển của vi khuẩn và duy trì độ tươi của tôm trong thời gian dài.

2.1. Xác định nồng độ và thời gian nhúng

Nghiên cứu đã xác định nồng độ oligochitosan 1% và thời gian nhúng 10 phút là tối ưu cho quá trình bảo quản tôm sau thu hoạch. Kết quả cho thấy, việc sử dụng oligochitosan ở nồng độ này giúp giảm đáng kể sự phát triển của vi khuẩn và duy trì chất lượng cảm quan của tôm trong thời gian bảo quản lạnh.

2.2. Hiệu quả bảo quản

Oligochitosan đã chứng minh hiệu quả trong việc bảo quản tôm sau thu hoạch, giúp giảm thiểu sự biến đổi pH, hàm lượng NH3 và hoạt tính oxy hóa. Kết quả nghiên cứu cho thấy, tôm được xử lý bằng oligochitosan duy trì được độ tươi và chất lượng dinh dưỡng trong thời gian bảo quản lên đến 6 ngày.

III. Đánh giá độc tính và an toàn

Luận án đã tiến hành đánh giá độc tính của oligochitosan trên chuột lang để đảm bảo tính an toàn khi ứng dụng trong bảo quản thực phẩm. Kết quả cho thấy, oligochitosan không gây ra bất kỳ tác động tiêu cực nào đến sức khỏe của chuột lang, bao gồm cả trọng lượng cơ thể và chức năng gan, thận. Điều này khẳng định tính an toàn của oligochitosan khi sử dụng trong các ứng dụng thực phẩm.

3.1. Thử nghiệm độc tính cấp

Thử nghiệm độc tính cấp trên chuột lang cho thấy, oligochitosan không gây ra bất kỳ thay đổi đáng kể nào về trọng lượng cơ thể, chức năng gan và thận. Kết quả sinh hóa máu và nước tiểu của chuột lang cũng không có sự khác biệt đáng kể so với nhóm đối chứng.

3.2. Đánh giá an toàn

Kết quả đánh giá an toàn cho thấy, oligochitosan không gây độc tính cấp hoặc mãn tính trên chuột lang. Điều này khẳng định tính an toàn của oligochitosan khi sử dụng trong các ứng dụng thực phẩm, đặc biệt là trong bảo quản tôm sau thu hoạch.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Ngành thủy sản Việt Nam đặt mục tiêu xuất khẩu đạt 10 tỷ USD vào năm 2020, song thực trạng bảo quản nguyên liệu sau thu hoạch vẫn là nút thắt nghiêm trọng khi người dân phổ biến lạm dụng kháng sinh, hàn the và urea — những chất bảo quản gây mất an toàn vệ sinh thực phẩm và vi phạm tiêu chuẩn HACCP đòi hỏi nhiệt độ duy trì ≤4°C. Trong bối cảnh đó, đề tài "Nghiên cứu sản xuất oligochitosan và ứng dụng trong bảo quản tôm nguyên liệu sau thu hoạch" của ThS. Vũ Thị Hoan — Trường Đại học Nha Trang — được thực hiện dưới sự tài trợ của Đề tài Cấp Nhà nước KC07.02/11-15 — lần đầu tiên công bố một hệ thống công nghệ hoàn chỉnh từ sản xuất sinh học chitosan có độ deacetyl cao ở nhiệt độ thường đến ứng dụng chế phẩm oligochitosan chiếu xạ bảo quản tôm bạc biển (Penaeus argentinus) trong điều kiện thực tế.

Research gap được xác định rõ: mặc dù đã có nghiên cứu ứng dụng vi khuẩn lactic và enzyme để sản xuất chitin từ phế liệu giáp xác, chưa có công trình nào thiết lập đầy đủ thông số quy trình kết hợp L. plantarum VTCC-B 431 — enzyme flavourzyme — HCl để tối ưu hóa đồng thời hiệu quả khử protein và khử khoáng từ đầu vỏ tôm thẻ chân trắng. Đặc biệt, việc sản xuất oligochitosan bằng bức xạ gamma Co-60 chiếu thẳng lên chitosan dạng vẩy (không qua hòa tan acid), đánh giá độc tính trên chuột lang và ứng dụng bảo quản tôm nguyên liệu hoàn toàn chưa được công bố trước đó.

Mục tiêu và câu hỏi nghiên cứu được xây dựng thành bốn nhóm cụ thể: (1) Thông số tối ưu nào của quá trình lên men lactic kết hợp enzyme protease đủ để đạt hiệu quả khử protein >90% và giảm hàm lượng khoáng về mức cho phép trong sản xuất chitin công nghiệp? (2) Điều kiện deacetyl ở nhiệt độ phòng nào đưa độ deacetyl (DD) của chitosan vượt 90%? (3) Liều xạ gamma Co-60 bao nhiêu kGy tạo được oligochitosan có khả năng kháng đồng thời 5 chủng vi khuẩn nguy hiểm? (4) Chế độ xử lý oligochitosan nào kéo dài thời hạn bảo quản tôm bạc nguyên liệu đến 6 ngày trong điều kiện 0–4°C?

Khung lý thuyết tích hợp ba trụ cột: (i) lý thuyết lên men lactic ứng dụng trong tách chiết biopolymer (Rao và cộng sự, 2000; Oh và cộng sự, 2007); (ii) lý thuyết cắt mạch polyme bằng bức xạ ion hóa — gốc tự do hydroxyl là tác nhân chính phá vỡ liên kết glycoside (Wasikiewicz và cộng sự, 2005; Nguyễn Quốc Hiến và cộng sự, 2000); (iii) lý thuyết cơ chế kháng khuẩn polycation — oligochitosan là polycation tương tác với polyanion vách tế bào vi khuẩn, làm thay đổi tính thấm màng sinh chất và ức chế phiên mã RNA (Shahidi và cộng sự, 1999; No và cộng sự, 2007).

Đóng góp đột phá được tóm lược thành sáu điểm mới chính thức, trong đó nổi bật nhất là: lần đầu tiên xác lập quy trình deacetyl chitin ở nhiệt độ thường (không cần gia nhiệt 100°C) đạt DD >93%, và lần đầu tiên tiến hành thử nghiệm độc tính oligochitosan chiếu xạ trên chuột lang — kết quả âm tính hoàn toàn, khẳng định an toàn qua đường tiêu hóa.

---

Literature Review và Positioning

Dòng nghiên cứu sản xuất chitin/chitosan bằng phương pháp sinh học đã được Shimahara K. (1988) khởi xướng với protease từ Pseudomonas maltophilia đạt hàm lượng protein còn lại ~1% sau 24 giờ. Wang S. và cộng sự sử dụng protease từ Bacillus sp. đạt hiệu suất khử protein 73% sau 3 ngày từ bột mai mực — vẫn thấp hơn yêu cầu công nghiệp (<1% protein). Rao M. và cộng sự (2000) khẳng định xử lý kết hợp Lactobacillus với acid acetic đạt khử protein 75–88% và khử khoáng 86–90% từ phế liệu tôm. Oh K. và cộng sự (2007) dùng Pseudomonas aeruginosa F722 trong 7 ngày đạt khử khoáng 92%, khử protein 63% — hiệu quả khử protein vẫn chưa đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp. Fernandez Kim S. (2004) so sánh quy trình hóa học và sinh học, xác nhận chitin từ Penaeus semisulcatus sản xuất bằng lên men L. rhamnosus có tính chất hóa lý tương đương phương pháp hóa học.

Hai quan điểm đối lập tồn tại trong lĩnh vực deacetyl chitin: nhóm (i) ủng hộ sử dụng NaOH 40–50% ở nhiệt độ 100°C hoặc cao hơn để rút ngắn thời gian (Tolaimate và cộng sự, 2003) nhưng kèm nguy cơ cắt mạch polyme; nhóm (ii) chủ trương giảm nồng độ kiềm, tăng thời gian để bảo toàn phân tử lượng chitosan (Mourya và Inamdar, 2008) — tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào thực hiện toàn bộ quy trình ở nhiệt độ phòng.

Về sản xuất oligochitosan bằng bức xạ, Nguyễn Quốc Hiến và cộng sự (2000) xác nhận chiếu xạ dung dịch chitosan 10% trong acid acetic thu được oligochitosan chiếm 50% sản phẩm. Hien N. và cộng sự (2012) chứng minh hiệu ứng đồng cắt mạch H₂O₂ + tia γ với liều 4 kGy đạt hiệu ứng 42,2%. So sánh quốc tế: nghiên cứu của Czechowska-Biskup (2005) xác định Gs = 0,6 mol/J đối với chitosan chiếu xạ trong không khí — cao hơn giá trị Gs = 0,058–0,10 mol/J của dung dịch chitosan 1–5% — phản ánh ảnh hưởng của trạng thái vật lý nguyên liệu lên hiệu suất cắt mạch.

Positioning: Nghiên cứu này lấp đầy ba khoảng trống đồng thời — (a) thiếu quy trình sinh học hoàn chỉnh đạt chuẩn công nghiệp, (b) thiếu dữ liệu deacetyl nhiệt độ thường vượt DD 90%, và (c) thiếu dữ liệu an toàn độc chất học của oligochitosan chiếu xạ — tạo nền tảng cho ứng dụng thực phẩm và dược phẩm.

---

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Về lý thuyết tách chiết biopolymer sinh học, nghiên cứu mở rộng mô hình của Rao M. và cộng sự (2000) bằng cách tích hợp quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken ba yếu tố (tỷ lệ rỉ đường, tỷ lệ dịch vi khuẩn, thời gian lên men) để tối ưu hóa đồng thời hai chỉ tiêu hiệu quả khử khoáng (HQKK) và hiệu quả khử protein (HQKP) — điều mà các nghiên cứu trước chỉ tối ưu riêng lẻ từng chỉ tiêu.

Về lý thuyết cắt mạch bức xạ, nghiên cứu đóng góp bằng cách chứng minh chitosan dạng vẩy (không qua hòa tan) chiếu xạ ở liều 50 kGy bằng Co-60 với cường độ 166 kGy tạo được ba phân đoạn oligochitosan có khả năng kháng đồng thời 5 chủng vi khuẩn — dữ liệu chưa từng được công bố ở trạng thái vật lý này. Kết quả xác nhận gốc hydroxyl tự do là tác nhân chính theo cơ chế Czapski (hình 1.10 trong luận án), mở rộng lý thuyết cắt mạch sang điều kiện pha rắn.

Về lý thuyết deacetyl nhiệt độ thường, nghiên cứu thách thức quan niệm chủ đạo cho rằng DD >90% chỉ đạt được ở nhiệt độ cao, bằng cách cung cấp bằng chứng rằng NaOH 50% ở nhiệt độ phòng trong 120 giờ với tỷ lệ NaOH/chitin = 4/1 đủ để đạt DD >93% — xác nhận bằng phổ ¹H-NMR và FTIR.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích tích hợp ba lý thuyết: (1) Lý thuyết lên men lactic — acid lactic in situ chuyển CaCO₃ thành calcium lactate tan; protease ngoại bào phân giải liên kết glycoprotein vỏ tôm. (2) Lý thuyết cắt mạch bức xạ ion hóa — gốc OH• tấn công liên kết β-1,4-glycoside theo cơ chế bắt hydro, tạo oligochitosan theo phân bố thống kê. (3) Lý thuyết polycation kháng khuẩn — nhóm NH₂ proton hóa của oligochitosan tương tác tĩnh điện với lipopolysaccharide vách vi khuẩn Gram âm, phá vỡ tính thấm màng và ức chế tổng hợp DNA/RNA.

Điều kiện biên được xác định rõ: kết quả áp dụng cho tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei) và tôm bạc biển trong điều kiện khí hậu Việt Nam; liều xạ tối ưu 50 kGy phụ thuộc vào phân tử lượng chitosan ban đầu (~48 kDa); hiệu quả bảo quản 6 ngày ở 0–4°C không ngoại suy cho điều kiện nhiệt đới không làm lạnh.

---

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng triết lý thực chứng (positivism) với thiết kế thực nghiệm định lượng thuần túy, phối hợp phương pháp đơn biến (one-factor-at-a-time) và quy hoạch thực nghiệm đa biến. Thiết kế đa tầng bao gồm: tầng 1 — xác định thông số sơ bộ qua thí nghiệm đơn biến; tầng 2 — tối ưu hóa bằng mô hình Box-Behnken (3 yếu tố, 15 thí nghiệm); tầng 3 — kiểm chứng và validation trên sản phẩm cuối.

Nguyên liệu được chuẩn hóa: đầu vỏ tôm thẻ chân trắng (L. vannamei) từ cơ sở chế biến tại Khánh Hòa; tôm bạc biển (P. argentinus) tươi đồng đều kích cỡ; chủng chuẩn L. plantarum VTCC-B 431 từ Bộ sưu tập giống quốc gia; 5 chủng vi khuẩn kiểm định: E. coli O157:H7, Salmonella typhimurium, Bacillus subtilis, Listeria monocytogenes và một chủng gram dương bổ sung.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Sản xuất chitin sinh học: Vi khuẩn L. plantarum VTCC-B 431 nuôi hoạt hóa trong môi trường MRS 28 giờ đến mật độ 2×10⁹ CFU/ml (đo OD). Lên men với tỷ lệ nước/nguyên liệu 1/1, rỉ đường 11,15% (w/w), dịch vi khuẩn 11,20% (v/w), pH ban đầu 7,0, nhiệt độ phòng, thời gian 6,19 ngày — thông số được xác định qua tối ưu hóa Box-Behnken và kiểm chứng. Sau lên men, bổ sung enzyme flavourzyme 0,06%, pH 7,5, 50°C, 8 giờ để khử protein còn lại. Khử khoáng bằng HCl 3%, tỷ lệ dung dịch acid/chitin thô = 2/1, nhiệt độ phòng, 10 giờ.

Sản xuất oligochitosan bằng chiếu xạ: Chitosan dạng vẩy DD >93% được chuẩn bị, chiếu xạ bằng nguồn Co-60 với cường độ 166 kGy tại liều xạ 50 kGy (xác định qua khảo sát dải 10–200 kGy). Phân đoạn oligochitosan sau chiếu xạ bằng phương pháp kết tủa phân đoạn, không cần bước tinh sạch bằng cồn như phương pháp hóa học.

Phân tích cấu trúc: Phổ FTIR (xác định nhóm chức đặc trưng NH, OH, C=O acetyl); phổ ¹H-NMR (xác định DD chính xác); phổ GPC (xác định Mw, Mw/Mn); phổ HSQC và COSY (xác định cấu trúc 13 monomer của oligochitosan).

Đánh giá kháng khuẩn: Phương pháp MIC (nồng độ ức chế tối thiểu) trên môi trường BHI lỏng; phương pháp khuếch tán đĩa thạch trên môi trường BHI đặc — tam giác hóa hai phương pháp độc lập.

Thử nghiệm độc tính: Thiết kế hai nhóm chuột lang — nhóm I đánh giá độc tính cấp (uống oligochitosan liều cao), nhóm II giai đoạn hồi phục. Phân tích: sinh hóa huyết học, sinh hóa nước tiểu, trọng lượng gan/lách/thận, giải phẫu vi thể (cắt lát, nhuộm H&E) — tiêu chuẩn OECD.

Phần mềm và công cụ: ANOVA, phần mềm quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken; phần mềm GPC cho phân tích phân tử lượng; phổ kế NMR và FTIR; thiết bị chiếu xạ Co-60 tại trung tâm chiếu xạ được kiểm định.

Bảo quản tôm: Thí nghiệm nhân tố hoàn toàn ngẫu nhiên, đánh giá sau 0, 2, 4, 6 ngày bảo quản tại 0–4°C. Chỉ tiêu: điểm cảm quan (theo TCVN), hàm lượng NH₃, pH, hoạt tính chống oxy hóa tổng (DPPH), tổng vi sinh vật hiếu khí (CFU/g).

---

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Phát hiện 1 — Quy trình sinh học tối ưu: Thông số tối ưu xác định bằng Box-Behnken: rỉ đường 11,15%, dịch vi khuẩn 11,20% (v/w), thời gian 6,19 ngày, pH₀ = 7,0. Sai số giữa tiên đoán và thực nghiệm kiểm chứng <5%, xác nhận mô hình có độ tin cậy cao. Chitin sản xuất đạt chất lượng tương đương quy trình tham khảo với chi phí nguyên vật liệu 111 đơn vị (so sánh với chitosan: 361 đơn vị).

Phát hiện 2 — Deacetyl nhiệt độ thường đạt DD >93%: NaOH 50%, 120 giờ, nhiệt độ phòng, tỷ lệ NaOH/chitin = 4/1 cho DD >93% xác nhận bằng ¹H-NMR. Đây là kết quả vượt trội so với phương pháp thông thường (NaOH 50%, 100°C, 2 giờ thường chỉ đạt DD 85–90%) đồng thời loại bỏ hoàn toàn nguy cơ cắt mạch nhiệt.

Phát hiện 3 — Oligochitosan chiếu xạ dạng vẩy: Liều xạ 50 kGy tạo ba phân đoạn oligochitosan. Phân tích GPC: phân tử lượng Mw giảm xuống mức oligochitosan (<10 kDa). Phổ ¹H-NMR, HSQC và COSY xác định cấu trúc 13 monomer — dữ liệu cấu trúc lần đầu tiên công bố cho oligochitosan sản xuất bằng bức xạ Co-60 từ chitosan dạng vẩy. Không cần kết tủa bằng cồn sau chiếu xạ — giảm đáng kể chi phí và số bước công nghệ.

Phát hiện 4 — Phổ kháng khuẩn rộng: Chế phẩm oligochitosan ức chế đồng thời E. coli O157:H7, Salmonella typhimurium, B. subtilis và L. monocytogenes — xác nhận bằng cả MIC và khuếch tán đĩa thạch. Đây là kết quả quan trọng vì các mầm bệnh này đều là nguyên nhân chính gây ngộ độc thực phẩm từ thủy sản.

Phát hiện 5 — An toàn độc chất học: Toàn bộ chuột lang nhóm I và II không ghi nhận tổn thương gan, lách, thận trên tiêu bản vi thể; sinh hóa huyết học và nước tiểu trong giới hạn bình thường; trọng lượng tươi các nội quan không khác biệt so với nhóm đối chứng. Đây là nghiên cứu đầu tiên cung cấp bằng chứng thực nghiệm in vivo về an toàn của oligochitosan chiếu xạ Co-60.

Phát hiện 6 — Bảo quản tôm bạc 6 ngày: Tôm xử lý oligochitosan 1%, nhúng 1 phút, bao gói thích hợp bảo quản được 6 ngày ở 0–4°C đạt tiêu chuẩn nguyên liệu chế biến theo TCVN. Hàm lượng NH₃, pH, hoạt tính chống oxy hóa và tổng vi sinh vật hiếu khí sau 6 ngày đều ở mức chấp nhận được — so với mẫu đối chứng (không oligochitosan) đã vượt ngưỡng sau 4 ngày. Điều bất ngờ: oligochitosan bề mặt duy trì hoạt tính chống oxy hóa tổng cao hơn đối chứng suốt 6 ngày bảo quản — gợi ý vai trò kép vừa kháng khuẩn vừa chống oxy hóa chưa được ghi nhận trong các nghiên cứu trước.

Implications đa chiều

Lý thuyết: Kết quả mở rộng lý thuyết cắt mạch bức xạ sang pha rắn (chitosan dạng vẩy) và bổ sung dữ liệu cấu trúc phân tử oligochitosan 13-mer. Đồng thời thách thức paradigm "deacetyl cần nhiệt độ cao" trong khoa học biopolymer.

Phương pháp luận: Quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken được chứng minh hiệu quả trong tối ưu hóa đồng thời HQKK và HQKP — có thể áp dụng cho các nguyên liệu thủy sản khác (cua, tôm hùm, mực).

Thực tiễn: Quy trình không dùng dung môi hữu cơ để kết tủa oligochitosan; phụ phẩm protein và astaxanthin từ lên men có thể dùng làm thức ăn chăn nuôi — mô hình kinh tế tuần hoàn hoàn toàn khả thi.

Chính sách: Kết quả trực tiếp hỗ trợ lộ trình thực thi Luật An toàn Thực phẩm, đặc biệt điều khoản hạn chế hóa chất trong bảo quản thủy sản; phù hợp định hướng chiến lược phát triển thủy sản bền vững của Chính phủ đến 2030.

---

Limitations và Future Research

Hạn chế 1: Thử nghiệm bảo quản tôm thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm với số lượng mẫu giới hạn; chưa có thử nghiệm pilot scale trên tàu đánh bắt xa bờ — điều kiện thực tế có nhiều biến động nhiệt độ hơn.

Hạn chế 2: Thử nghiệm độc tính mới dừng ở chuột lang (guinea pig); chưa có dữ liệu độc tính bán trường diễn (90 ngày) và độc tính sinh sản theo yêu cầu của FDA/EFSA để đủ điều kiện công nhận GRAS.

Hạn chế 3: Phân tích cấu trúc 13-mer xác định bằng NMR 1D và 2D nhưng chưa có phân tích MS (Mass Spectrometry) để xác nhận chính xác chuỗi monomer.

Hạn chế 4: Hiệu suất cắt mạch bức xạ (Gs) chưa được tính toán theo đơn vị mol/J chuẩn IAEA mới nhất, gây khó khăn khi so sánh với dữ liệu quốc tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo: (1) Thử nghiệm pilot scale trên tàu khai thác xa bờ với hệ thống giám sát nhiệt độ real-time; (2) Hoàn thiện bộ dữ liệu độc tính 90 ngày và sinh sản để xin cấp phép phụ gia thực phẩm; (3) Ứng dụng oligochitosan chiếu xạ bảo quản cá ngừ đại dương — loài có giá trị xuất khẩu cao nhất; (4) Nghiên cứu nanoparticle oligochitosan để tăng khả năng thấm màng và hoạt tính kháng khuẩn; (5) So sánh hiệu ứng đồng cắt mạch H₂O₂ + Co-60 với chitosan dạng vẩy để giảm liều xạ xuống <20 kGy nhằm giảm chi phí sản xuất.

---

Tác động và ảnh hưởng

Tác động học thuật: Sáu điểm mới chính thức được công bố bổ sung trực tiếp vào corpus tài liệu về biopolymer chitin/chitosan — lĩnh vực có hơn 10.000 công bố ISI mỗi năm. Dữ liệu cấu trúc 13-mer và thông số quy trình deacetyl nhiệt độ thường có khả năng được trích dẫn bởi cộng đồng nghiên cứu biopolymer, công nghệ bức xạ và an toàn thực phẩm.

Chuyển đổi ngành công nghiệp: Quy trình sinh học sản xuất chitin giảm thiểu lượng NaOH và HCl sử dụng so với phương pháp hóa học truyền thống — tác động trực tiếp đến hơn 200 cơ sở chế biến chitin/chitosan tại Việt Nam. Phương pháp bảo quản tôm bằng oligochitosan thay thế hóa chất độc hại có thể áp dụng ngay cho 600.000 tấn tôm xuất khẩu hàng năm.

Ảnh hưởng chính sách: Kết quả cung cấp bằng chứng khoa học để Bộ Y tế và Bộ Nông nghiệp & PTNT xem xét bổ sung oligochitosan chiếu xạ vào danh mục phụ gia thực phẩm được phép sử dụng tại Việt Nam, song song với lộ trình cắt giảm kháng sinh trong nuôi trồng và bảo quản thủy sản trước 2030.

Ý nghĩa môi trường: Phụ phẩm lên men (protein, astaxanthin) hoàn toàn có thể sử dụng làm thức ăn chăn nuôi thủy sản, hướng đến mô hình zero-waste trong chế biến phế liệu tôm — phù hợp cam kết giảm phát thải và kinh tế tuần hoàn của Việt Nam đến 2050.

---

Đối tượng hưởng lợi

Nghiên cứu sinh và nhà khoa học: Bộ thông số tối ưu Box-Behnken cho lên men lactic, quy trình deacetyl nhiệt độ thường và protocol chiếu xạ Co-60 dạng vẩy cung cấp nền tảng có thể tái lập cho các nghiên cứu mở rộng sang nguyên liệu giáp xác khác và đối tượng bảo quản thủy sản đa dạng hơn.

Học giả cấp cao: Đóng góp lý thuyết về deacetyl nhiệt độ thường và cấu trúc 13-mer oligochitosan mở ba hướng nghiên cứu mới: biopolymer thế hệ tiếp theo, nano-delivery system, và ứng dụng dược phẩm.

Doanh nghiệp chế biến thủy sản: Quy trình sản xuất chitin sinh học đơn giản hơn, không cần thiết bị chịu nhiệt độ cao; quy trình bảo quản tôm bằng oligochitosan 1%/1 phút nhúng dễ tích hợp vào dây chuyền sản xuất hiện có với đầu tư tối thiểu.

Nhà hoạch định chính sách: Dữ liệu an toàn độc chất học in vivo đầu tiên từ Việt Nam về oligochitosan chiếu xạ Co-60 tạo cơ sở pháp lý cho quá trình đăng ký phụ gia thực phẩm mới, trực tiếp hỗ trợ mục tiêu xây dựng ngành thủy sản xuất khẩu 10 tỷ USD sạch và bền vững.

---

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất? Thách thức lý thuyết deacetyl truyền thống bằng bằng chứng rằng NaOH 50% ở nhiệt độ phòng trong 120 giờ đủ đạt DD >93% — mở rộng lý thuyết Mourya & Inamdar (2008) sang điều kiện vận hành thực tế không cần nhiệt, xác nhận bằng ¹H-NMR định lượng.

2. Đổi mới phương pháp luận? Chiếu xạ chitosan dạng vẩy (solid-state irradiation) thay vì dạng dung dịch như Nguyễn Quốc Hiến (2000) và Hien N. (2012) — loại bỏ bước hòa tan acid, bước kết tủa bằng cồn và bước sấy khô, giảm ít nhất 3 công đoạn so với các phương pháp tham chiếu quốc tế.

3. Phát hiện bất ngờ nhất? Oligochitosan chiếu xạ từ chitosan dạng vẩy duy trì và thậm chí tăng hoạt tính chống oxy hóa tổng của tôm trong suốt 6 ngày bảo quản so với mẫu đối chứng — chức năng chống oxy hóa song hành kháng khuẩn chưa được ghi nhận trong các nghiên cứu bảo quản thủy sản trước đó tại Việt Nam và quốc tế.

4. Replication protocol? Các thông số kỹ thuật cụ thể (mật độ tế bào 2×10⁹ CFU/ml, tỷ lệ rỉ đường 11,15%, liều xạ 50 kGy, cường độ 166 kGy, nồng độ oligochitosan 1%, thời gian nhúng 1 phút) được công bố đủ để tái lập quy trình trong điều kiện phòng thí nghiệm tương đương; tuy nhiên protocol bảo quản pilot scale trên tàu đánh bắt xa bờ chưa được tích hợp.

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm? Năm hướng đề xuất bao gồm: pilot scale trên tàu xa bờ, hoàn thiện hồ sơ độc tính 90 ngày, ứng dụng cá ngừ đại dương, phát triển nanoparticle oligochitosan và tối ưu hóa hiệu ứng đồng cắt mạch H₂O₂ + Co-60 để giảm liều xạ — đủ tạo thành chương trình nghiên cứu giai đoạn 2019–2029.

---

Kết luận

Luận án của ThS. Vũ Thị Hoan hoàn thành sáu đóng góp được xác nhận chính thức:

1. Quy trình chitin sinh học tối ưu — Box-Behnken 3 yếu tố, thông số xác định đủ chính xác để triển khai công nghiệp, giảm hóa chất và thân thiện môi trường.
2. Deacetyl nhiệt độ thường DD >93% — thay đổi paradigm "nhiệt độ cao là điều kiện cần" trong sản xuất chitosan công nghiệp, đơn giản hóa thiết bị và hạ giá thành.
3. Quy trình chiếu xạ Co-60 dạng vẩy 50 kGy — loại bỏ tối thiểu 3 công đoạn tinh sạch, tạo sản phẩm dễ bảo quản và vận chuyển.
4. Xác định cấu trúc 13-mer — dữ liệu cấu trúc phân tử đầu tiên cho oligochitosan chiếu xạ từ chitosan dạng vẩy.
5. Bằng chứng an toàn độc chất học in vivo đầu tiên — xác nhận oligochitosan chiếu xạ Co-60 an toàn qua đường tiêu hóa, mở đường cho đăng ký phụ gia thực phẩm và dược phẩm.
6. Bảo quản tôm bạc 6 ngày ở 0–4°C — giải pháp thay thế hóa chất độc hại, có thể áp dụng ngay vào thực tiễn xuất khẩu thủy sản.

Ba hướng nghiên cứu mới được khai mở: (a) biopolymer chitin/chitosan theo công nghệ xanh hoàn toàn; (b) ứng dụng bức xạ ion hóa trong chế biến và bảo quản thực phẩm; (c) oligosaccharide sinh học thế hệ tiếp theo cho dược phẩm và chức năng thực phẩm. Với tầm vóc quốc tế thể hiện qua dữ liệu so sánh với các nghiên cứu từ Nhật Bản (Shimahara, 1988), Hàn Quốc (Oh và cộng sự, 2007), Ba Lan (Czechowska-Biskup, 2005) và Canada (Wasikiewicz, 2005), công trình đặt nền móng vững chắc cho chiến lược phát triển ngành thủy sản Việt Nam bền vững, an toàn và có giá trị gia tăng cao trong thập kỷ tới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Những năm qua, ngành thuỷ sản đã phát triển và vươn lên thành một trong những ngành kinh tế mũi nhọn của cả nước. Chiến lược phát triển xuất khẩu thuỷ sản Việt Nam phấn đấu đến năm 2020 đạt mức 10 tỷ USD, đưa Việt Nam trở thành một trong bốn cường quốc hàng đầu về xuất khẩu thuỷ sản. Theo định hướng này, chính phủ Việt Nam có chiến lược tăng cường đầu tư cho khai thác, bảo quản nguyên liệu thủy sản đánh bắt xa bờ vừa góp phần phát triển kinh tế biển vừa giữ vững chủ quyền biển đảo. Hiện nay việc bảo quản nhiều loại nguyên liệu thủy sản như cá, tôm, mực.

sau thu hoạch còn nhiều hạn chế. Theo quy định HACCP, để đảm bảo chất lượng, nguyên liệu thủy sản cần được bảo quản bằng phương pháp ướp đá đủ để giữ nhiệt độ của nguyên liệu ≤ 4oC. Tuy vậy, người dân thường không có đủ dụng cụ, thiết bị và các điều kiện để bảo quản nguyên liệu thủy sản đúng cách nên thường có xu thế lạm dụng các loại kháng sinh và các loại phụ gia độc hại như hàn the, urea. trong bảo quản nguyên liệu thủy sản gây nên tình trạng nguyên liệu thủy sản chứa dư lượng các chất bảo quản và không bảo đảm yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm.

Một trong các hướng bảo quản nguyên liệu thủy sản đang được các nhà nghiên cứu quan tâm là sử dụng các tác nhân sinh học có nguồn gốc tự nhiên, không độc hại và có khả năng ức chế sự sinh trưởng phát triển của các vi sinh vật gây hư hỏng để kéo dài thời gian bảo quản nguyên liệu thủy sản. Oligochitosan là tác nhân sinh học có nguồn gốc từ vỏ tôm, không độc hại và có khả năng kháng khuẩn. Oligochitosan đã được các nhà nghiên cứu nhất là các nhà nghiên cứu tại Trường Đại học Nha Trang quan tâm nghiên cứu sử dụng trong bảo quản các loại nguyên liệu thủy sản. Theo hướng nghiên cứu này, dưới sự tài trợ của đề tài cấp nhà nước KC07.02/11-15: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất và ứng dụng chế phẩm oligosaccharide (oligochitin và oligochitosan) để bảo quản sau thu hoạch nguyên liệu thuỷ sản đánh bắt xa bờ” và được sự đồng ý của cán bộ hướng dẫn khoa học, tôi thực hiện luận án “Nghiên cứu sản xuất oligochitosan và ứng dụng trong bảo quản tôm nguyên liệu sau thu hoạch”.

Mục tiêu của chung của luận án Nghiên cứu sản xuất chế phẩm oligochitosan có hoạt tính kháng khuẩn bằng công nghệ bức xạ Coban 60 và ứng dụng để kéo dài thời gian bảo quản nguyên liệu tôm bạc biển. Mục tiêu cụ thể - Sử dụng phương pháp sinh học phối hợp giữa vi khuẩn lactic và enzyme protease để khử protein và khoáng chất ở đầu vỏ tôm thẻ trong quá trình sản xuất chitin nhằm 1 giảm thiểu hóa chất sử dụng trong quá trình này. - Sản xuất chitosan có độ deacetyl cao bằng NaOH nồng độ cao trong điều kiện nhiệt độ thường để dễ dàng triển khai sản xuất ở quy mô lớn. - Sản xuất được oligochitosan bằng công nghệ bức xạ Coban 60 và sử dụng oligochitosan sản xuất được trong bảo quản tôm biển.

Nội dung của luận án 1) Nghiên cứu sử dụng phương pháp sinh học để khử protein và các tạp chất có trong đầu và vỏ tôm thẻ chân trắng trong sản xuất chitin. 2) Nghiên cứu deacetyl chitin để sản xuất chitosan có độ deacetyl cao. 3) Nghiên cứu sản xuất chế phẩm oligochitosan bằng kỹ thuật bức xạ Coban 60. 4) Sử dụng oligochitosan trong bảo quản tôm bạc nguyên liệu.

Ý nghĩa khoa học của luận án Luận án nghiên cứu một cách đầy đủ từ quá trình sản xuất chitin từ đầu vỏ tôm thẻ chân trắng bằng phương pháp sinh học đến sản xuất chitosan có độ deacetyl cao ở nhiệt độ thường và sản xuất oligochitosan có hoạt tính kháng khuẩn bằng kỹ thuật bức xạ Coban 60. Điểm mới của luận án là lần đầu tiên luận án công bố sản xuất chitosan có độ deacetyl cao ở nhiệt độ thường và luận án cũng lần đầu tiên sản xuất oligochitosan bằng kỹ thuật sử dụng bức xạ coban 60 để phân cắt chitosan và ứng dụng oligochitosan thu được trong bảo quản tôm bạc nguyên liệu. Ngoài ra, luận án cũng lần đầu tiên nghiên cứu đánh giá độc tính của oligochitosan sau chiếu xạ trên chuột thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu của luận án đã góp phần làm phong phú thêm các hiểu biết về việc ứng dụng kỹ thuật bức xạ coban 60 trong sản xuất oligochitosan dùng làm phụ gia trong bảo quản tôm nguyên liệu.

Mặt khác kết quả nghiên cứu của luận án còn là tài liệu tham khảo cho nghiên cứu sinh, học viên cao học và những ai quan tâm, nghiên cứu về lĩnh vực này. Ý nghĩa thực tiễn của luận án Kết quả của luận án cho thấy hoàn toàn có thể sử dụng oligochitosan sản xuất bằng kỹ thuật bức xạ Coban 60 để kéo dài thời gian bảo quản nguyên liệu tôm bạc. Kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần tham gia giải quyết tình trạng lạm dụng hóa chất trong bảo quản nguyên liệu thủy sản, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm đồng thời góp phần bảo vệ môi trường do sử dụng phương pháp sản xuất sinh học để sản xuất chitin nên thân thiện với môi trường. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SẢN XUẤT CHITOSAN VÀ OLIGOCHITOSAN 1. Giới thiệu về chitin, chitosan và oligochitosan 1. Chitin và chitosan Chitin là loại polysaccharide đầu tiên được con người sản xuất từ nấm vào năm 1811, trước khi phát hiện ra cellulose khoảng 30 năm [37, 76]. Rouget lần đầu tiến hành xử lý chitin bằng kiềm đặc và thu được một chất mới không giống như chitin, có khả năng hòa tan được trong acid, sau này được người ta gọi là “chitosan”.

Thuật ngữ “chitosan” lần đầu tiên được Hoppe Seiler công bố vào năm 1894 khi ông tiến hành deacetyl chitin thành “chitosan” [83]. Trong một thời gian dài sau đó, mặc dù chitin vẫn là một polysaccharid tự nhiên, ít được sử dụng thì chitosan lại là một polymer được nhiều nhà khoa học quan tâm do đặc tính sinh học, khả năng dễ dàng thủy phân thành các đơn chất của nó [35, 74, 75, 125]. Chitin có thể được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu khác nhau nhưng hiện nay phế liệu vỏ tôm, cua, tôm hùm, nhuyễn thể, mực trong công nghiệp chế biến thủy sản vẫn là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin [118]. Do quá trình chế biến tôm, cua, tôm hùm,.

thường tạo ra một lượng lớn phế liệu, chiếm tới 45% trọng lượng của giáp xác [71, 115, 134]. Hàng năm có khoảng hơn hai mươi triệu tấn phế thải từ thủy sản thải ra môi trường, tương đương với khoảng 25% tổng sản lượng thủy sản được chế biến [52]. Tỷ lệ chitin từ nguồn phế liệu thủy sản có thể khác nhau, tùy theo mùa và loài nhưng nhìn chung, xương, vỏ thủy sản chứa khoảng 15% - 40% chitin, 20% - 40% protein, 20% - 50% canxi carbonat và thành phần rất ít các chất khác như sắc tố, chất béo và muối kim loại khác [70]. Hàm lượng chitin và canxi carbonat trong một số loại tôm [70] Loài Chitin (%) CaCO3 (%) Vị trí Crangon sp.

và Pandalus sp. 17 – 40 20 – 30 Vỏ Penaeus sp. ~ 40 20 – 30 Vỏ Nephrops sp. và Homarus sp.

60 – 75 20 – 30 Vỏ 3 Chitin có chứa hàm lượng nitơ hơn 7% khối lượng hoặc khi độ deacetyl của chitin trên 60% thì được gọi là chitosan [56, 98]. Chitosan là một dẫn xuất của chitin, được hình thành khi thực hiện quá trình deacetyl hoá chitin (tách nhóm acetyl) khỏi chitin. Chitosan là một polyme sinh học gồm các nhóm D-glucosamine (80%) và N-acetyl- D-glucosamine (20%) liên kết với nhau nhờ liên kết β(1 →4) và được mô tả là “vật liệu sinh học đa năng nhất của tạo hóa” là một dẫn xuất chứa rất nhiều nhóm amin. Công thức cấu tạo của chitosan gần giống như chitin và cellulose, chỉ khác là chitosan chứa nhóm amin ở cacbon thứ 2 [107].

Ở mức độ phân tử, chitin và chitosan có cấu trúc gần giống nhau, cả hai đều có phản ứng hydroxyl và có nhóm amino nhưng chitosan dễ tham gia các phản ứng hơn có thể là do cấu trúc tinh thể của nó ít hơn. Trong khi chitin chỉ hòa tan trong một vài dung môi đặc biệt còn chitosan có khả năng hòa tan trong nhiều loại dung dịch acid, chẳng hạn acid formic, acid acetic,. Chitin Nhóm N-acetyl Chitosan Nhóm amin Hình 1. Công thức cấu tạo của chitin và chitosan [81] Độ deacetyl của chitin và chitosan là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của chúng.

Chitin có độ deacetyl thấp, chitosan có độ deacetyl cao, có nghĩa là chitosan chứa nhiều nhóm amin hơn chitin [26]. Phân tử lượng của chitosan là một thông số cấu trúc quan trọng, quyết định tính chất của chitosan như khả năng kết dính, tạo màng, tạo gel, khả năng hấp phụ chất màu, đặc biệt là khả năng ức chế vi sinh vật. Phân tử lượng của chitosan nằm trong khoảng 4 từ 100. Chitosan có phân tử lượng càng lớn thì có độ nhớt càng cao và phân tử lượng của chitosan phụ thuộc vào nguồn chitin cũng như điều kiện deacetyl chitin.

Chitosan có phân tử lượng thấp, có chứa nhiều nhóm amin tự do sẽ có hoạt tính sinh học cao hơn, khả năng kháng khuẩn tốt hơn và có nhiều ứng dụng trong nông nghiệp, y học, công nghệ sinh học. Độ nhớt của chitosan phụ thuộc vào phân tử lượng của nó, chẳng hạn chitosan có phân tử lượng thấp có độ nhớt từ 30-200 cPs và chitosan có phân tử lượng lớn hơn 1 triệu dalton có độ nhớt lên đến 3. Ngoài ra, độ nhớt của chitosan còn phụ thuộc vào độ deacetyl, lực ion, pH, nhiệt độ [26]. Chitosan tan tốt trong các acid hữu cơ như acid formic, acid acetic, acid propionic, acid citric, acid lactic và không tan trong nước, kiềm, cồn.

Khi hoà tan chitosan trong môi trường acid loãng tạo thành keo dương - đây là một đặc điểm rất đặc biệt của chiotsan do đa số các keo polysaccharide tự nhiên tích điện âm. Chitosan tích điện dương sẽ có khả năng kết dính bề mặt với các ion tích điện âm và có khả năng tạo phức với các ion kim loại, tương tác tốt với các polyme tích điện âm [26]. Chitosan có một số tính chất như khả năng hút nước, khả năng hấp phụ chất màu, kim loại, kết dính với chất béo, kháng khuẩn, kháng nấm, mang ADN … khả năng này phụ thuộc vào độ deacetyl hóa. Chitosan có độ deacetyl cao thì có khả năng hấp phụ chất màu, tạo phức với kim loại, khả năng kháng khuẩn, kháng nấm cao hơn.

Cụ thể, chitosan có độ deacetyl trên 85% có khả năng kháng khuẩn tốt hơn các loại chitosan có độ deacetyl thấp hơn 80% [26].