Tin tức

1. Đặt Vấn đề

Chế biến phế liệu thành các sản phẩm giá trị gia tăng là một lĩnh vực đang được quan tâm phát triển theo hướng nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên, đồng thời hạn chế ô nhiễm môi trường nhằm góp phần phát triển sản xuất bền vững. Tại Việt Nam, cùng với sự phát triển nhanh của ngành chế biến thủy sản, mỗi năm hàng chục ngàn tấn phế liệu được tạo ra. Vì vậy, cần phải nghiên cứu và sử dụng nguồn phế liệu này để sản xuất các sản phẩm có giá trị, nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu, giải quyết vấn đề chất thải trong quá trình chế biến. Các nghiên cứu cho thấy, phế liệu thủy sản còn chứa rất nhiều hợp chất có giá trị, đặc biệt là chitin và chitosan, là các polyme sinh học đang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như thực phẩm, nông nghiệp, mỹ phẩm, y dược (Hình 1).

Trong công nghệ chế biến tôm, hầu hết đều loại bỏ đầu và vỏ. Tùy vào loại tôm khác nhau mà lượng phế liệu thải ra chiếm từ 35 – 45 % so với khối lượng nguyên liệu ban đầu (Trung, 2012; Minh và cộng sự, 2017a; Phượng và cộng sự, 2016). Như vậy, theo ước tính lượng phế liệu thải ra từ quá trình chế biến tôm tương ứng khoảng 200.000 – 500.000 tấn phế liệu/năm. Trong đó, thành phần chiếm tỷ lệ đáng kể là protein (30-40%), khoáng (30-50%), chitin (13-42%) (Phượng và cộng sự, 2017). Tỷ lệ các thành phần này không ổn định, chúng thay đổi theo giống, loài đặc điểm sinh lí, trạng thái dinh dưỡng, chu kì sinh sản.

Tuy phế liệu thủy sản nói chung và phế liệu tôm nói riêng chứa nhiều thành phần dinh dưỡng có giá trị nhưng việc thu nhận các thành phần trên chưa được chú ý. Hiện nay, nguồn phế liệu tôm chủ yếu được xay nhỏ và phối trộn làm thức ăn gia súc hoặc làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất chitin thô và một số nơi không thể sử dụng hết lượng phế liệu và gây ô nhiễm môi trường, đây là một sự lãng phí tài nguyên do đó cần có giải pháp tổng thể để thu nhận các thành phần trên.

Hình 1. Sơ đồ phát triển các sản phẩm giá trị gia tăng từ phế liệu tôm.

Trong thực tế, các quy trình sản xuất chitin ở quy mô lớn chủ yếu vẫn sử dụng phương pháp hóa học. Phương pháp hóa học có ưu điểm như thời gian xử lý nhanh, đơn giản, dễ thực hiện ở quy mô lớn. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhiều nhược điểm như không thân thiện với môi trường, giá thành cao do chi phí xử lý chất thải chứa axit và kiềm và ăn mòn thiết bị. Hơn nữa, quá trình thu nhận sử dụng axit và kiềm mạnh dẫn đến sự cắt mạch polyme nên sản phẩm chitin, chitosan có phân tử lượng thấp, độ nhớt thấp, chất lượng sản phẩm không đồng nhất. Vì vậy, việc hạn chế sử dụng hóa chất, cải tiến công nghệ theo hướng thân thiện môi trường, ứng dụng công nghệ sinh học trong chế biến chitin-chitosan là xu thế hiện nay nhằm nâng cao chất lượng chitin, chitosan, tận thu các thành phần có giá trị phi chitin (protein, khoáng và astaxanthin), giảm thiểu chất thải hóa học, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp chế biến chitin-chitosan. Tuy nhiên, phương pháp xử lý sinh học cũng có hạn chế như không thể tách protein và khoáng đến mức đạt yêu cầu (<1%). Vì vậy, việc nghiên cứu cải tiến quy trình sản xuất chitin từ phế liệu thủy sản bằng việc kết hợp xử lý sinh học (dùng enzyme) để thu hồi hỗn hợp protein và astaxanthin, đồng thời vẫn sử dụng axit vô cơ (HCl) để khử khoáng và NaOH loãng để khử protein triệt để hơn là rất cần thiết, góp phần hình thành và phát triển ngành công nghiệp xử lý phế liệu thủy sản theo hướng bền vững, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Dưới đây là sơ đồ quy trình sản xuất chitin cải tiến từ phế liệu tôm.

2. Phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận
Phế liệu tôm chứa nhiều thành phần có giá trị dinh dưỡng do đó hướng tiếp cận là tận thu các thành phần hướng tới quy trình không-chất-thải (zero-waste).
Phương pháp
Kết hợp sử dụng tác nhân sinh học (enzyme) và hóa học (axit, kiềm).
Đối tượng
Phế liệu thủy sản (tôm, mực, cua, ghẹ,…).

Hình 2. Quy trình thu nhận các sản phẩm giá trị gia tăng từ phế liệu tôm hướng đến quy trình không-chất-thải (zero-waste).

3. Kết quả nghiên cứu

Thành phần phế liệu tôm

Thành phần hóa học của phế liệu tôm thẻ chân trắng (Bảng 1) và tôm sú (Bảng 2). Kết quả phân tích cho thấy thành phần hóa học của nguyên liệu tôm chủ yếu là protein, khoáng, lipid và chitin, hàm lượng về các thành phần trên phụ thuộc vào tỷ lệ giữa đầu tôm và vỏ tôm. Tuy nhiên, tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu và tỷ lệ đầu vỏ mà thành phần hóa học của nguyên liệu tôm có sự khác nhau.

Bảng 1. Thành phần hóa học của phế liệu tôm thẻ chân trắng

Thông số phân tích		Loại nguyên liệu
	Đầu tôm	Đầu: vỏ (1:1)	Vỏ tôm
Hàm lượng protein (%)	47,3 ± 1,4	40,5 ± 1,2	30,3 ± 1,2
Hàm lượng khoáng (%)	19,1 ± 0,1	22,1 ± 0,09	25,6 ± 0,07
Hàm lượng lipid (%)	4,8 ± 0,2	3,9 ± 0,21	3,9 ± 0,16
Hàm lượng astaxanthin (ppm)	145,32 ± 13,2	117,54 ± 13,5	102,75 ± 15,4
Hàm lượng chitin (%)	14,4 ± 1,6	18,3 ± 1,8	23,1 ± 1,1

Bảng 2. Thành phần hóa học của phế liệu tôm sú

Thông số phân tích		Loại nguyên liệu
	Đầu tôm	Đầu: vỏ (1:1)	Vỏ tôm
Hàm lượng protein (%)	51,3 ± 2,5	45,4 ± 2,1	33.6 ± 1,8
Hàm lượng khoáng (%)	21,7 ± 0,2	23,6 ± 0,2	28,1 ± 0,24
Hàm lượng lipid (%)	5,2 ± 0,15	4,1 ± 0,13	4,3 ± 0,15
Hàm lượng astaxanthin (ppm)	151,26 ± 20,7	135,32 ± 18,7	112,87 ± 18,4
Hàm lượng chitin (%)	17,2 ± 0,8	20,6 ± 0,82	23,4 ± 1,03

Tính chất của chitin và chitosan

Chất lượng sản phẩm tương đương chất lượng thương mại.

Bảng 3. Tính chất của sản phẩm chitin và chitosan

Chỉ tiêu	Chitin	Chitosan
Hàm lượng ẩm (%)	9,0	9,1
Hàm lượng protein (%)	0,9	0,5
Hàm lượng khoáng (%)	0,5	0,3
Độ deacetyl (DD) (%)	-	92,5
Độ đục (FTU)	-	8
Độ nhớt dung dịch 1% (mPa.s)	-	400

Hình 3. Chitin (trái) và chitosan (phải).

Một số ứng dụng của chitosan

Hình 4. Ứng dụng chitosan và dịch thủy phân protein trong thức ăn cho cá Hồi vân.

Hình 5. Ứng dụng kháng khuẩn Erwinia sp. Gây bệnh thối nhũn trên cà chua của chitosan tại các nồng độ khác nhau ở điều kiện in vitro (Cương và cộng sự, 2016).

Hình 6. Ứng dụng kháng khuẩn Erwinia sp. Gây bệnh thối nhũn trên cà chua của chitosan tại các nồng độ khác nhau ở điều kiện in vivo. (a) Chitosan từ tôm, (b) chitosan từ mai mực (Cương và cộng sự, 2017a và 2017b).
Bảng 4. So sánh hiệu quả thu hồi tảo sử dụng chitosan và các chất vô cơ FeCl₃, Al₂(SO₄)₃ và PAC (polyaluminium chloride) tại các giá trị pH khác nhau (Trung và cộng sự, 2016)

pH	Hiệu suất thu hồi tảo (%)
pH	Chitosan (4 mg/L)	FeCl₃ (200 mg/L)	Al₂(SO₄)₃(200 mg/L)	PAC (240 mg/L)
4	90,01	15,54	18,41	86,34
5	90,77	81,65	18,41	91,10
6	94,71	83,05	88,44	78,00
7	90,08	68,84	96,52	77,98
8	51,60	87,83	92,10	64,70
9	34,34	79,41	95,61	64,72

4. Kết luận và kiến nghị
Phế liệu thủy sản có chứa nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học giá trị như protein, chintin, chitosan. Chitin sản xuất bằng phương pháp kết hợp sinh học và hóa học có chất lượng cao hơn so với phương pháp hóa học, thể hiện qua hàm lượng protein và tro còn lại dưới 1%, thấp hơn rất nhiều so với mẫu chitin sản xuất bằng phương pháp hóa học. Với hàm lượng protein và tro còn lại trong mẫu chitin thấp <1%, chitin sản xuất theo quy trình cải tiến đã đáp ứng được yêu cầu chất lượng của chitin công nghiệp. Ngoài ra, chitosan sản xuất bằng quy trình cải tiến có các chỉ tiêu chất lượng tốt hơn so với mẫu chitosan sản xuất từ chitin bằng quy trình hóa học truyền thống. Các nghiên cứu ứng dụng của chitosan và các sản phẩm khác từ phế liệu tôm với kết quả tốt cho thấy tiềm năng to lớn và sự cần thiết phải sử dụng các phế liệu thủy sản nói chung và phế liệu tôm nói riêng như những nguồn nguyên liệu quý.

Tài liệu tham khảo

Hoang Ngoc Cuong, Huynh Thanh Tung, Nguyen Cong Minh, Nguyen Van Hoa, Pham Thi Dan Phuong, Trang Si Trung, 2017a. Antibacterial Activity of Chitosan from Squid Pens (Loligo chenisis) against Erwinia Carotovora from Soft Rot Postharvest Tomato Fruit. Journal of Polymer Materials 34(1):319-330.
Hoang Ngoc Cuong, Nguyen Cong Minh, Nguyen Van Hoa, Khong Trung Thang, Nguyen Anh Tuan, Trang Si Trung, 2017b. High Molecular Weight and High Degree of Deacetylation of Chitosan Prepared from Squid Pens (Loligo chenisis). Journal of Polymer Materials 34(1):103-114.
Hoang Ngoc Cuong, Nguyen Cong Minh, Nguyen Van Hoa, Trang Si Trung. 2016. Preparation and characterization of high purity β-chitin from squid pens (Loligo chenisis). International journal of Biological macromolecules, 93:442-447.
Nguyễn Công Minh và Nguyễn Văn Hoà, Phạm Thị Đan Phượng, Trang Sĩ Trung. 2017a. Nghiên cứu cải tiến quy trình thu nhận chitin từ phế liệu tôm bằng kết hợp xử lý nhiệt và tẩy màu. Tạp chí khoa học và Công nghệ Việt Nam. 13(2B), 27-33.
Nguyen Cong Minh, Hoang Ngoc Cuong, Pham Thi Dan Phuong, Simona Sw, Willem F.S, Nguyen Van Hoa, Trang Si Trung. 2017b. Swelling-assisted reduction of chitosan molecular weight in the solid state using hydrogen peroxide. Polymer Bulletin 74(8): 3077-3087.
Nguyen Cong Minh, Pham Thi Dan Phuong, Nguyen Van Hoa, Trang Si Trung, 2016. A facile and efficient pressing method for improvement of chitin production. Journal of Fisheries science and Technology, 3, 58-62
Pham Thi Dan Phuong, Nguyen Cong Minh, Hoang Ngoc Cuong, Nguyen Van Minh, Nguyen The Han, Nguyen Van Hoa, Ha Thi Hai Yen, Trang Si Trung. 2017. Recovery of protein hydrolysate and chitosan from black tiger shrimp (Penaeus monodon) heads: approaching a zero waste process. Journal of Food Sci Technol. 54(7):1850-1856.
Pham Thi Dan Phuong, Nguyen Cong Minh, Nguyen Thi Nhu Thuong, Nguyen Van Hoa, Anil Kumar Anal, Trang Si Trung, 2016. Extraction of carotenoprotein from shrimp head using both inorganic and organic acids. Journal of Fisheries science and Technology, 3, 78-83.
Trang Si Trung, Nguyen Thi Khanh Huyen, Nguyen Cong Minh, Tran Thi Le Trang and Nguyen The Han, 2016. Optimization of Harvesting of Microalgal Thalassiosira pseudonana Biomass Using Chitosan Prepared from Shrimp Shell Waste. Asian J. Agric. Res., 10 (5): 162-174.
Trang Sĩ Trung, Phạm Thị Đan Phượng.2012. Bioactive compounds from by-products of shrimp processing industry in Vietnam. Journal of Food and Drug Analysis, 20, 194 – 197.

Ths. Nguyễn Công Minh¹, TS Hoàng Ngọc Cương², Ths Phạm Thị Đan Phượng³,
TS Nguyễn Văn Hòa³, PGS.TS Trang Sĩ Trung^3,*

Những giải pháp công nghệ mới trong sản xuất chitin, chitosan từ phế liệu của các nhà máy chế biến (tôm, mực, ghẹ, …) trên địa bàn tỉnh BR-VT (18/10/2018)

TIN TỨC KHÁC