CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tôm và phụ phẩm chế biến tôm Theo báo cáo của Tổng cục Thủy sản, năm 2021, diện tích tôm nước lợ thả nuôi đạt 747 nghìn ha (nuôi tôm sú là 626 nghìn ha, diện tích nuôi tôm thẻ chân trắng 121 nghìn ha). Sản lượng tôm nuôi các loại năm 2021 đạt 970 nghìn tấn (tăng 4,3% so với năm 2020); trong đó, tôm sú 265 nghìn tấn, tôm thẻ chân trắng 655 nghìn tấn, còn lại là tôm khác. Kim ngạch xuất khẩu tôm năm 2021 đạt 3,9 tỷ USD (tăng 5,4% so với năm 2020).
Năm 2022, ngành thủy sản phấn đấu sản xuất khoảng 260-270 nghìn con tôm bố mẹ (tôm thẻ chân trắng 200-210 nghìn con, tôm sú 60 nghìn con); tôm giống khoảng 140-150 tỷ con (tôm thẻ chân trắng 100-110 tỷ con và tôm sú 30-40 tỷ con). Diện tích nuôi tôm đạt 750 nghìn ha; sản lượng tôm các loại 980 nghìn tấn, trong đó tôm sú 275 nghìn tấn, tôm thẻ chân trắng 675 nghìn tấn, còn lại là tôm khác. Kim ngạch xuất khẩu tôm đạt 4 tỷ USD. Theo Bộ Công thương Việt Nam, phần lớn tôm xuất khẩu được đưa vào chế biến dưới dạng bóc vỏ bỏ đầu, tỷ lệ đầu chiếm 34-45%, phần vỏ còn lại chiếm 10-15% trọng lượng của tôm nguyên liệu do đó lượng phế liệu tôm ở Việt nam ước tính khoảng 325 nghìn tấn/năm (năm 2019).
Ngành tôm tăng trưởng nhanh kéo theo lượng phụ phẩm tôm cũng gia tăng theo tỉ lệ thuận, có thể lên đến hơn 450 nghìn tấn vào năm 2025, tương ứng mỗi ngày có hơn 1 000 tấn phụ phẩm bị thải loại khỏi dây chuyền sản xuất. Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, năm 2018, sản lượng nuôi trồng tôm là 766 nghìn tấn, giá trị xuất khẩu đạt 3,55 tỷ USD, trong đó tổng lượng phụ phẩm tôm đã 250-350 nghìn tấn; dự tính, tới giai đoạn 2021-2025, với sản lượng nuôi trồng 1,1 triệu tấn, Chính phủ kỳ vọng giá trị xuất khẩu đạt 10 tỷ USD, trong đó lượng phụ phẩm tôm sẽ là 400-500 nghìn tấn. Trên thế giới, khoảng 4 triệu tấn tôm được khai thác và chế biến (số liệu năm 2018) [1]. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất sản phẩm từ tôm, chủ yếu là tôm đông lạnh, phụ phẩm chế biến tôm gồm đầu, vỏ, đuôi, chân tôm chiếm 48-56% khối lượng tôm bị thải bỏ [2, 8].
Việc thải bỏ phụ phẩm chưa qua xử lý dẫn đến nguy cơ cao gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người do các hợp chất phân giải bởi các vi sinh vật [9]. Do đó, việc tập trung vào nghiên cứu tận dụng phụ phẩm của 3 ngành chế biến thủy hải sản tạo ra những sản phẩm có giá trị gia tăng đã và đang thu hút các nhà khoa học ở Việt Nam và trên thế giới. Đức, “Thủy sản Việt Nam,” 20 03 2022. Available: https://thuysanvietnam.vn/bot-dau-tom-nguyen-lieu-thuc-an-tu-phu-phe-pham-tom-su/.
Phụ phẩm tôm Phụ phẩm tôm được công bố có chứa 20-40% protein, 20-50% canxi carbonate, 15-40% chitin, hợp chất màu và lipid [10]. Từ đó có thể thấy, phụ phẩm tôm là nguồn tiềm năng thu nhận các hợp chất sinh học như protein, chitin, các hợp chất màu,… Canxi carbonate từ phụ phẩm tôm được thu nhận, sau đó chuyển thành canxi oxit nhờ vào quá trình xử lý nhiệt và sử dụng như chất kháng khuẩn, kháng nấm, chất xúc tác cho quá trình sản xuất dầu diesel sinh học [11, 12]. Protein trong phụ phẩm tôm được nhiều nhà khoa học tận dụng sản xuất dịch thủy phân protein có hoạt tính sinh học như hoạt tính kháng oxy hóa [13-15], hoạt tính liên kết sắt [16, 17], hoạt tính liên kết đồng [18],…Các nghiên cứu thu nhận chitin từ phụ phẩm tôm cũng được nhiều nhà khoa học công bố [9, 21, 22]. Chitin từ phụ phẩm tôm Cấu trúc hóa học của chitin (poly (N-acetyl D-glucosamine) hoặc poly- 𝛽𝛽-[1,4]-N- acetyl-d-glucosamine) gần giống với cellulose nhưng nhóm hydroxyl (-OH) ở vị trí C2 được thay thế bởi nhóm acetyl amine (-NHCOCH3) [1] (Hình 1.
Anandharamakrishnan, “A review on source-specific chemistry, functionality, and applications of chitin and chitosan,” Carbohydr. Cấu trúc hóa học của chitin Trong tự nhiên, chitin tồn tại 3 dạng dị hình, 𝛼𝛼-, 𝛽𝛽-, và 𝛾𝛾-chitin (Hình 1.4): 𝛼𝛼-chitin là dạng tồn tại chủ yếu của chitin và được tìm thấy trong nhiều nguồn khác như như con ruốc, tôm hùm, cua và biểu bì côn trùng [1]. Vi sợi trong 𝛼𝛼-chitin sắp xếp song song ngược chiều nhau, dễ dàng hình thành liên kết hydro nội phân tử, tạo ra cấu trúc chặt chẽ, tăng độ tinh thể và độ cứng [23]. 𝛽𝛽-chitin có mặt trong nang mực và Aphrodite chaetae [1].
𝛽𝛽-chitin có sự sắp xếp các vi sợi song song cùng chiều nhau, hạn chế hình thành liên kết hydro nội phân tử, cấu trúc linh động hơn 𝛼𝛼-chitin [23]. 𝛾𝛾-chitin được tìm thấy trong mực Loligo và bọ cánh cứng Ptinus [1]. 𝛾𝛾-chitin là dạng hỗn hợp cấu trúc 𝛼𝛼-chitin và 𝛽𝛽-chitin [23]. Quá trình sinh tổng hợp chitin trong động vật giáp xác bắt đầu từ quá trình thủy phân glycogen bởi enzyme phosphorylase và sản phẩm được chuyển thành glucose-1- Phosphate.
Dưới tác động của enzyme phosphomutase, glucose-1-phosphate chuyển thành glucose-6-phosphate trước khi tạo thành fructose-6-phosphate bởi enzyme hexokinase. Khi có mặt L-glutamine và enzyme aminotransferase, fructose-6- phosphate được chuyển hóa thành glucosamine-6-Phosphate. Sau đó, N- 5 acetyltransferase chuyển gốc acetyl từ acetyl co-A vào glucosamine-6-Phosphate để tạo thành N-acetylglucosamine-6-Phosphate. Tiếp theo, phosphoacetylglucosamine mutase xúc tác phản ứng chuyển N-acetylglucosamine-6-Phosphate thành N- acetylglucosamine-1-Phosphate và tiếp tục được chuyển hóa thành UDP-N- acetylglucosamine nhờ vào enzyme pyrophosphorylase.
Từ đó, chitin được hình thành dưới sự xúc tác của enzyme chitin synthase [24]. Pighinelli, “Nanomedicine and Nanoscience Research Different Aspects of Chemical and Biochemical Methods for Chitin Production a Short Review,” J Nanomed Nanosci, no. Cấu trúc 𝛼𝛼-chitin, 𝛽𝛽-chitin và 𝛾𝛾-chitin Vỏ tôm bao gồm 3 lớp màng: màng ngoài, màng giữa và màng trong. Chitin có mặt chủ yếu ở màng trong của lớp vỏ và được bao bọc bởi protein, góp phần tạo nên độ cứng của vỏ tôm.
Lớp màng trung gian chứa chitin và khoáng trong khi lớp màng ngoài chứa canxi carbonate và protein [25, 26]. Vì vậy, để thu nhận chitin cần loại bỏ 6 muối canxi carbonate và protein [27] (Hình 1. Tổng quát quy trình thu nhận chitin từ vỏ tôm bao gồm tiền xử lý vỏ tôm và loại bỏ protein và khoáng (Hình 1. Pighinelli, “Nanomedicine and Nanoscience Research Different Aspects of Chemical and Biochemical Methods for Chitin Production a Short Review,” J Nanomed Nanosci, no.
Trái sang phải: 𝛼𝛼-chitin, 𝛽𝛽-chitin và 𝛾𝛾-chitin Hình 1. Sự sắp xếp các vi sợi trong 𝛼𝛼-chitin, 𝛽𝛽-chitin và 𝛾𝛾-chitin Các phương pháp loại bỏ protein và canxi carbonate gồm phương pháp hóa học (sử dụng acid và kiềm mạnh), phương pháp hóa sinh (sử dụng chế phẩm enzyme), phương pháp sinh học (sử dụng vi sinh vật). Brigham, “Chitin extraction from lobster shell waste using microbial culture-based methods,” Appl.5: Mô phỏng quá trình thu nhận chitin từ tôm 7 Hình 1. Quy trình tổng quát thu nhận chitin từ phụ phẩm tôm 1.
Thu nhận chitin từ vỏ tôm bằng phương pháp hóa học Loại khoáng là quá trình loại bỏ khoáng khỏi phụ phẩm tôm, đặc biệt là canxi carbonate, bằng acid mạnh, thường dùng là sulfuric acid, hydrochloric acid, acetic acid, nitric acid, và formic acid [28]. Trong những acid trên, hydrochloric acid (HCl) là acid được sử dụng phổ biến nhất. Điều kiện loại khoáng thường được áp dụng gồm nồng độ HCl 0,25-2M, nhiệt độ gần 100⁰C, thời gian xử lý 0,5-48 giờ [1]. Hydrochloric acid phản ứng với canxi carbonate (dạng rắn) tạo thành canxi clorua tan trong dung dịch và giải phóng khí CO2, phương trình phản ứng như sau [28]: Loại protein là quá trình phá vỡ liên kết hóa học giữa protein và chitin bằng cách sử dụng base.
Để ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, loại protein ra khỏi chitin là một bước rất quan trọng do protein có thể gây dị ứng cho con người. Thông thường, dung dịch NaOH với nồng độ 0,125-5,0 M được sử dụng để loại protein trong vỏ tôm dưới điều kiện nhiệt độ 60-100⁰C, thời gian xử lý 1-72 giờ [1]. Tuy nhiên, NaOH không chỉ loại protein mà còn deacetyl hóa chitin [28]. Do đó mức độ acetyl hóa của chitin thu được khó kiểm soát.
Trong vỏ tôm có chứa hợp chất màu, điển hình là carotenoid với hàm lượng 24-50 µg/g phụ phẩm tôm [29, 30]. Do đó, trong quá trình thu nhận chitin từ phụ 8 phẩm tôm đòi hỏi phải thực hiện quá trình khử màu để thu được sản phẩm chitin không màu. Dung môi hữu cơ như hexane, acetone, natri hypochlorite, và hydrogen peroxide thường được sử dụng để khử màu chitin từ phụ phẩm tôm [28]. Chitin thu được bằng phương pháp xử lý hóa học ở nhiệt độ phòng có mức độ khử khoáng cũng như khử protein ở mức trung bình 70-80%.
Hiệu quả khử khoáng và khử protein có thể đạt tới 98-100% trong điều kiện xử lý nhiệt độ cao (50-90⁰C) trong thời gian dài (lên tới 24 giờ) hoặc cần nồng độ acid/ kiềm cao (1-2M) (Bảng 1. Hiệu quả khử khoáng và khử protein trên phụ phẩm tôm sử dụng phương pháp hóa học Điều kiện xử lý Hiệu quả Hiệu quả TLTK4 khử khử khoáng protein HCl 0,25 M, tỷ lệ 1:25 (g/ml), 2 giờ, nhiệt độ phòng 80% [31] NaOH 0,5 M, tỷ lệ 1:25 (g/ml), 2 giờ, nhiệt độ phòng 71% HCl 0,55M, tỷ lệ 1:10 (g/ml), 15 phút, nhiệt độ 99% [32] phòng NaOH 1M, tỷ lệ 1:1 (g/ml), 24 giờ, 70⁰C 99% HCl 1,55 M, tỷ lệ 1:10 (g/ml), 6 giờ, 50⁰C 98% [33] NaOH 0,75M, tỷ lệ 1:2,25 (g/ml), 24 giờ, nhiệt độ 99% phòng HCl 1,1 M, tỷ lệ 1:10 (g/ml), 6 giờ, nhiệt độ phòng 99% [34] NaOH 0,5M, tỷ lệ 1:30 (g/ml), 24 giờ, 90⁰C 100% HCl 0,5 M, tỷ lệ 1:10 (g/ml), 90 phút, nhiệt độ phòng 100% [35] NaOH 2M, tỷ lệ 1:4 (g/ml), 4 giờ, 45⁰C 99% Mặc dù phương pháp hóa học hiệu quả trong việc loại khoáng, loại protein để thu nhận chitin từ phụ phẩm tôm, nhưng xử lý phụ phẩm với nồng độ acid/base cao trong thời gian dài cộng thêm nhiệt độ xử lý cao dẫn đến thay đổi tính chất hóa lý, mức độ acetyl hóa, depolymer hóa và hoạt tính sinh học của chitin thu được [1, 3, 26]. Bên cạnh đó, hóa chất sử dụng có nguy cơ cao gây ô nhiễm ô trường và năng lượng sử dụng để duy trì nhiệt độ xử lý cao cũng là nhược điểm đáng lưu ý của phương pháp 9 hóa học [26]. Để thải bỏ ra môi trường an toàn, đòi hỏi quá trình xử lý hóa chất sử dụng, tăng chi phí sản xuất chitin trong công nghiệp [5].
Ngoài ra, protein thu được trong phương pháp hóa học có giá trị thấp, thậm chí không thể sử dụng làm thức ăn chăn nuôi [3]. Thu nhận chitin từ vỏ tôm bằng phương pháp hóa sinh Trong phương pháp hóa sinh, protease, enzyme thủy phân protein, được sử dụng thay thế base để loại protein trong quá trình thu nhận chitin từ phụ phẩm tôm.