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 công bố sản xuất chitosan có độ deacetyl cao ở nhiệt độ thường và luận án cũng sản xuất oligochitosan bằng kỹ thuật sử dụng bức xạ coban 60 để phân cắt chitosan và lần đầu tiên 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 [46, 96]. 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” [105]. 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 polyme được nhiều nhà khoa học quan tâm do đặc tính sinh học, khả năng dễ dàng thủy phân thành các đơn chất của nó [44, 94, 95, 153]. 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 [145]. 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 [90, 142, 163]. Mỗi 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 [65]. 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 [92]. Hàm lượng chitin và canxi carbonat trong một số loại tôm [92] 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 [70, 121]. 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 [134].
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 [102] 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 [33]. 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 [33]. 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 [33]. 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% [33].