CHƯƠNG 1. Tổng quan về tôm sú 1. Cấu tạo của vỏ tôm Vỏ tôm chia làm 4 lớp chính: - Lớp biểu bì ( epicucle) - Lớp màu - Lớp canxi hóa - Lớp không bị canxi hóa Lớp màu : tính chất của lớp này do sự có mặt của những thể hình hạt của vật chất mang màu giống dạng melanin. Chúng gồm những túi khứ hoặc những không bào.
Một vài vùng xuất hiện những hệ thống rãnh thẳng đứng có phân nhánh, là con đường cho canxi thẩm thấu vào. Lớp biểu bì (epcuticle): những nghiên cứu cho thấy lớp màng nhanh chóng bị biến đổi bởi fucxxin, có điểm pH = 5,1 không chứa chitin. Nó khác với các vỏ còn lại, bắt màu với anilin xanh. Lớp epicuticle có lipit vì thế nó cản trở tác động của acid hơn là các lớp bên trong.
Màu của lớp này thường vàng rất nhạt có chứa polyphenoloxidase và bị hóa cứng bởi puinone – tannin. Lớp epicuticle liên kết với một số màng mỏng bên ngoài cản trở hòa tan ngay cả trong môi trường acid đậm đặc do nó có chứa các mắt xích paratin mạch thẳng. Lớp canxi hóa: lớp này chiếm phần lớn vỏ, thường có màu xanh trải đều khắp, chitin ở trạng thái tạo phức với canxi. Lớp không bị canxi hóa: trong cùng của lớp vỏ được tạo thành bởi một phần tương đối nhỏ so với tổng chiều dày bao gồm các phức chitin – protein bền vững không có canxi và quinine.
Thành phần hóa học của vỏ tôm Protein : thành phần protein trong phế liệu tôm thường tồn tại ở 2 dạng : dạng tự do và dạng liên kết. Dạng tự do : dạng này là tồn tại ở phần thịt từ một số tôm bị biến đổi và vứt đi lẫn vào phế liệu hoặc phần đầu và thịt còn sót lại trong đầu và nội tạng của tôm. Nếu công nhân vặt đầu không đúng kỹ thuật thì phần protein bị tổn thất vào phế liệu nhiều làm tăng tiêu hao nguyên vật liệu, mặt khác phế liệu này khó xử lý hơn. Dạng phức tạp : ở dạng này protein không hòa tan và thường liên kết với chittin, canxicacbonat, với lipid tạo thành lipoprotein, với sắc tố tạo proteincarotenoit,… như một phần thống nhất quyết định tính bền vững của vỏ tôm.
• Chitin : tồn tại dưới dạng liên kết bởi những những liên kết đồng hóa trị với các prrotein dưới dạng phức hợp chitin – protein, liên kết với các hợp chất khoáng và các hợp chất hữu cơ khác gây khó khăn cho việc tách và chiết chúng. • Canxi : trong vỏ, đầu tôm, … có chứa một lượng lớn muối vô cơ, chủ yếu là muối CaCO3, hàm lượng Ca3( PO4)2 mặc dù không nhiều nhưng trong quá trình khử khoáng dễ hình thành hợp chất CaHPO4 không tan trong HCl gây khó khăn cho quá trình khử khoáng. Sắc tố trong vỏ tôm thường có nhiều loại sắc tố nhưng chủ yếu là astaxanthin. • Enzyme : Hoạt độ enzyme protesae của đầu tôm khoảng 6,5 đơn vị hoạt độ/ gam tươi.
Các enzyme chủ yếu là enzyme của nội tạng trong đầu tôm và của vi sinh vật thường trú trên tôm nguyên liệu. Ngoài thành phần chủ yếu kể trên, trong vỏ đầu tôm còn có các thành phần khác như : nước, lipid, photpho. Tổng quan về chitin – chitosan 1. Lịch sử phát hiện chitin – chitosan Chitin đã được phát hiện bởi Heri braconnot vào năm 1881.
Lần đầu tiên ông phân lập được chitin như một hợp chất không tan trong kiềm của một số loại 7 Đồ án tốt nghiệp nấm. Hợp chất do Braconnot phân lập được còn rất nhiều tạp chất nhưng không khẳng định đây không phải là gỗ. Đến năm 1823, Odier đã cô lập được chitin từ cánh cứng của con bọ cánh cứng và cũng phân lập được chitin khi loại khoáng vỏ cua. Từ đó, Odier cho rằng đây là hợp chất cơ bản trong vỏ giáp xác côn trùng.
Vào năm 1843 sự tồn tại của nitơ trong phân tử chitin đã được Lassaigne chứng minh. Năm1876, Ledderhose thủy phân vỏ tôm hùm bằng dung dịch HCl và nhận được một muối Clorua của amin 6C. Ông đề nghị cấu trúc CHO. Năm 1894, Winterstein phát hiện ra khi xử lý nấm với H2SO4 hay NaOH rồi thủy phân trong HCl thì đều thu được cùng loại monosaccharide và acid acetic.
Tuy nhiên, ông ta vẫn gọi hợp chất này là “ cellulose”. Cũng trong năm này, khi đun chitin trong dung dịch KOH ở 1080C, Hope – Seyler thu được một hợp chất mới có số nguyên tử giống như trong chitin và gọi nó là chitosan. Năm 1912, Brach và Furth nhận thấy tỉ lệ acid acetic và glucosamine là 1:1, ông gọi nó là “ polymer mono acetyl glucosamine”. Năm 1928, Meyer và Mark dựa trên phổ nhiễu xạ tia X kết luận rằng chitin và chitosan nằm ở dạng liên kết 𝛽 ( 1 → 4) giữa các mắt xích pyranoz.
Vào năm 1948, Matsusshima cũng đã có một phát minh sản xuất glucosamine từ vỏ cua. Năm 1950, người ta đã sử dụng tia X để phân tích nhằm nghiên cứu sâu hơn sự hiện diện của chitin trong nấm và trong thành tế bào. Và đến năm 1951, quyển sách đầu tiên viết về chitin được xuất bản. Bấy giờ, người ta đã phát hiện tiềm năng của các polymer thiên nhiên này.
8 Đồ án tốt nghiệp Vào năm 1978, một hội nghị đầu tiên nói về chitin và chitosan diễn ra tại Mỹ và thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới. Việc nghiên cứu về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất lý hóa ứng dụng của chitosan đã được công bố từ những năm 30 của thế kỷ XX. Những nước đã thành công trong lĩnh vực nghiên cứu sản xuất chitosan đó là : Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Pháp. Nhật Bản là nước đầu tiên trên thế giới năm 1973 sản xuất 20 tấn/năm, và đến nay đã lên tới 700 tấn/năm, Mỹ sản xuất trên 300 tấn/năm.
Theo Know ( năm 1991) thì thị trường có nhiều triển vọng của chitin, chitosan là Nhật Bản, Mỹ, Anh, Đức. Nhật được coi là nước dẫn đầu về công nghệ sản xuất và buôn bán chitin, chitosan. Cấu trúc của chitin – chitosan Chitin là sự kết hợp giữa liên kết 𝛽 (1 → 4) với 2 – acetamido – 2 – deoxy - 𝛽 − 𝐷 – glucose ( N- acetylglucosamine ) Chitin thường được coi là dẫn xuất cellulose và có chứa 6,9% là N (Black và Schwartz, 1950). Nó có cấu trúc giống cellulose vì có gốc acetamide ( -NH-CO- CH3) ở vị trí C2.
Chitosan là dẫn xuất deacetyl hóa của chitin, sự khác biệt duy nhất giữa chitosan và chitin là ở vị trí C2, ở đó nhóm ( -NH2) thay thế nhóm ( -COCH3) Chitosan là một polymer tuyến tính 𝛼 ( 1 → 4) − 2 − 𝑎𝑚𝑖𝑛𝑜 − 2 − 𝑑𝑒𝑜𝑥𝑦 − 𝛽 − 𝐷 − 𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑝𝑦𝑟𝑎𝑛𝑜𝑠𝑒. Công thức cấu tạo của chitin. 9 Đồ án tốt nghiệp Hình 1. Công thức cấu tạo của chitosan 1.
Tính chất của chittin – chitosan 1. Đặc điểm và tính chất hóa lý của chitin Chitin là một polymer sinh học rất phổ biến trong tự nhiên và đứng hàng thứ hai chỉ sau cellulose. Chitin tham gia vào thành phần cấu tạo và vách tế bào nấm, cấu tạo nên bộ khung xương của tôm, cua, côn trùng, các động vật giáp xác… Trong các nguyên liệu này, chitin liên kết chặt chẽ với protein, lipid và các muối vô cơ ( CaCO3 ) và các sắc tố màu ( astarene, astaxanthin, canthaxanthin, lutin…) Chitin là 1 polysaccharide chứa nito, trắng, cứng, không đàn hồi, không tan trong nước, trong môi trường kiềm, acid loãng và các dung môi hữu cơ như ete, rượu…. Chitin hòa tan được trong dung dịch đậm đặc, nóng của muối thyoxyanat liti ( LiSCN) và muối thyoxyanat canxi ( Ca(SCN)2) tạo thành dung dịch keo.
Chitin ở thể rắn có độ kết tinh cao do gốc – NHCOCH3 ở vị trí cacbon thứ hai, làm tăng liên kết hydro giữa các mạch và trong mạch với nhau. Chitin ổn định với các chất oxy hóa khử như KMnO4, H2O2, NaClO hay Ca(ClO)2… có thể lợi dụng tính chất này để khử màu chitin. Khi đun nóng trong môi trường kiềm đậm đặc chitin bị khử gốc acetyl tạo thành chitosan. Chitin không hòa tan trong hầu hết các dung môi thông thường nên khả năng ứng dụng bị hạn chế.
Do đó người ta thực hiện quá trình deacetyl hóa chitosan để tạo ra sản phẩm chitosan nhằm cải thiện độ hòa tan, tăng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Đặc điểm và tính chất hóa lý của chitosan a. Tính chất vật lý của chitosan Chitosan là dẫn xuất của chitin, nó được tạo thành bởi phản ứng deacetyl chitin. Khi chitin được xử lý với các chất kiềm đặc ở nhiệt độ cao 1200C trong dung dịch, nó sẽ bị loại nhóm acetyl và bị phân hủy khác nhau để cho ra sản phẩm là chitosan.
Vậy chitosan không phải là một chất đơn thuần mà nó là một nhóm sản phẩm của chitin bị loại nhóm acetyl từng phần ( Attila E, Pavlath và Dominic W.Wong, 1996) Chitosan là sản phẩm biến tính của chitin, là một chất rắn xốp, nhẹ, hình vảy, màu trắng ngà, không mùi, không vị hay được dùng nhiều nhất trong y tế và trong thực phẩm. Chitosan được khám phá bởi Roughet vào năm 1859, và nó được đặt tên là chitosan bởi nhà khoa học người đức Hoppe Seyler vào năm 1894. Chitosan là polymer hữu cơ tự nhiên duy nhất mang điện tích dương, điều này tạo cho chitosan những thuộc tính đặc biệt nhất. Chitosan là polymer không độc, có khả năng phân hủy sinh học và có tính tương thích về mặt sinh học.
Trong nhiều năm qua, các polymer có nguồn gốc từ chitin, đặc biệt là chitosan đã được chú ý như một loại vật liệu mới có tính ứng dụng trong các ngành công nghiệp như dược, y học, thực phẩm, xử lý nước thải. Chitosan có tính kiềm nhẹ, không tan trong nước, trong kiềm, hoặc các dung môi hữu cơ khác nhưng hòa tan được trong dung dịch acid loãng như: acid acetic, acid formic, acid lactic, HCl, HI, HNO3… tạo thành dung dịch keo nhớt trong suốt. Chitosan hòa tan trong dung dịch acid acetic 1 - 1,5%. Chitosan kết hợp với aldehit trong điều kiện thích hợp để hình thành gel, đây là cơ sở để bẫy tế bào, enzyme.
Chitosan hình thành muối tan được trong nước với một nhóm acid hữu cơ. Những nghiên cứu về muối của chitosan và các acid aromatic carboxylic cũng cho thấy khả năng tan được trong nước như chitosan benzoate, chitosan o-amino benzoate và cũng có một số muối không tan hoặc ít tan trong nước như chitosan 11 Đồ án tốt nghiệp phenylacetate… Còn muối của chitosan và acid formic, acid acetic tan rất tốt trong nước. Bản chất điện ly cao phân tử của chitosan trong dung dịch acid : Trong dung dịch acid, những nhóm amin của chitosan bị proton hóa và thể hiện bản chất của chất điện ly cao phân tử.