Nghiên cứu công nghệ xanh sản xuất chitin từ đầu, vỏ tôm

Việt Nam đứng thứ 4 thế giới về xuất khẩu thuỷ sản (sau Na Uy, Trung Quốc và Nga), đứng số 1 Đông Nam Á và số 2 châu Á. Năm 2018 kim ngạch xuất khẩu thủy sản ước đạt 8,8 tỷ USD, tăng 5,8% trong đó xuất khẩu tôm các loại là 346 nghìn tấn đạt 3,58 tỷ USD. Cùng với sự gia tăng khối lượng thịt tôm xuất khẩu thì cũng có một lượng lớn phế liệu đầu vỏ tôm được tạo thành. Trong đầu vỏ tôm thường chứa protein, astaxanthin, và đặc biệt là chitin - một polymer sinh học chiếm tỷ trọng lớn. Từ chitin, thực hiện quá trình deacetyl, người ta có thể sản xuất ra chitosan. Do vậy đầu vỏ tôm thường được tận dụng để sản xuất chitosan - một loại polymer có nhiều ứng dụng trong thực tế như: công nghiệp dệt nhuộm, giấy, sản xuất thực phẩm chức năng giúp tăng thải mỡ ngăn chặn béo phì, sản xuất glucosamine - chất hỗ trợ điều trị đau khớp, chất điều hòa sinh trưởng cho cây…

Hiện nay, công nghệ sản xuất chitin và chitosan chủ yếu theo phương pháp hóa học dùng HCl, NaOH để khử khoáng và protein. Quá trình khử khoáng bằng HCl gây ảnh hưởng đến đặc tính sinh hóa của chitin, ăn mòn thiết bị và gây ô nhiễm môi trường, chưa tận thu được các thành phần có giá trị như protein, chất màu từ phế liệu thủy sản. Nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy chitin xử lý bằng phương pháp dùng acid hữu cơ có độ tinh sạch cao, phân tử lượng lớn và độ nhớt cao, có thể ứng dụng trong y dược, thực phẩm, đồng thời làm giảm ô nhiễm môi trường.

Acid lactic là một trong những gốc acid hữu cơ phổ biến nhất trong tự nhiên và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp y dược, mỹ phẩm, hóa chất và đặc biệt là thực phẩm. Acid lactic có thể được tạo thành bằng phương pháp tổng hợp hóa học hoặc lên men sinh học. Thành phần canxicacbonat trong vỏ tôm sẽ tác dụng với acid lactic để tạo thành lactatcanxi ở dạng hòa tan. Phản ứng này gần tương tự quá trình khử khoáng bởi HCl trong phương pháp hóa học. Xuất phát từ thực tiễn đó, Cơ quan chủ trì Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài CN. Lê Thị Thanh Tâm thực hiện “Nghiên cứu sử dụng acid lactic để khử khoáng trong quá trình sản xuất chitin từ phế liệu tôm” với mục tiêu nghiên cứu thiết lập quy trình khử khoáng vỏ tôm tạo chitin bằng acid lactic nhằm hạn chế ô nhiễm môi trường trong sản xuất chitin-chitosan.

Ba chủng vi khuẩn Lactobacillus (Lactobacillus plantarum VTCC 10891-LP, Lactobacillus fermentum VTCC 10802-LF và Lactobacillus acidophilus-LA) được tăng sinh trong môi trường MRS lỏng từ 16 đến 22 giờ ở 37°C tương đương mật số 1010 CFU/mL (xác định theo đường cong sinh trưởng của từng chủng). Dịch rỉ đường được pha loãng đến tỷ lệ 5,0% 10,0%; 15,0% và 20,0% v/v, điều chỉnh pH 6,0. Dịch tăng sinh vi khuẩn được bổ sung vào bình tam giác chứa 100 mL dịch rỉ đường để đạt mật số 108 CFU/mL (xác định bằng phương pháp đo độ đục) và ủ 22 giờ ở 37°C.

Từ các kết quả nghiên cứu của đề tài cho phép rút ra các kết luận sau:

- Điều kiện thích hợp cho lên men acid lactic từ nguyên liệu rỉ đường sử dụng vi khuẩn Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus plantarum và Lactobacillus fermentum là tỷ lệ rỉ đường 15%, pH môi trường 6,0, nhiệt độ lên men 37^oC, thời gian ủ 30h, tỷ lệ vi khuẩn bổ sung 10%, mật số chủng 108 CFU/mL, trong đó chủng Lactobacillus acidophilus có khả năng lên men acid lactic cao nhất, tạo 16,7g/L acid lactic, hiệu suất lên men đạt 59%.

- Các thông số cơ bản cho quá trình khử khoáng phế liệu tôm sử dụng acid lactic lên men và acid lactic công nghiệp 2% được xác định là tỷ lệ dung dịch acid/ PLT: 10/1 (v/w), khử khoáng ở nhiệt độ phòng trong 6h, hiệu suất khử khoáng đạt 96%

- Phế liệu tôm sau khi khử khoáng được rửa bằng nước đến trung tính rồi khử protein bằng dung dịch NaOH 10% với tỷ lệ dung dịch NaOH/PLT: 10/1(v/w) ở nhiệt độ phòng trong 24h, hiệu suất khử protein đạt 96%.

- Chitin thu được từ quy trình khử khoáng sử dụng acid lactic có chất lượng tương tự quy trình chiết truyền thống sử dụng acid HCl: màu trắng hồng, độ ẩm

Các nghiên cứu trong và ngoài nước trước đây khi sử dụng vi khuẩn lactic để khử khoáng đầu vỏ tôm, thời gian xử lý dài (3-7 ngày) mà hiệu suất khử khoáng còn thấp (50-90%), phải sử dụng thêm acid HCl loãng để khử tiếp lượng khoáng còn lại. Quy trình đề xuất tiến hành khử khoáng ở nhiệt độ phòng (25±2^oC) trong 6h, hiệu suất khử khoáng đạt 96%. So sánh với hiệu suất khử khoáng khi sử dụng acid HCl là 98%, việc sử dụng acid lactic thay thế acid HCl trong quá trình khử khoáng đầu vỏ tôm không những có thể giảm lượng hóa chất sử dụng, giảm thời gian xử lý, tiết kiệm chi phí sản xuất mà còn thân thiện môi trường. Quy trình đề xuất có ưu điểm hơn quy trình truyền thống vì sử dụng nước ít hơn, ít tốn hóa chất hơn, tuy nhiên sẽ tạo ra các dòng thải đậm đặc và cần phải thu hồi nguồn dinh dưỡng này trước khi nước thải vào hệ thống xử lý, phần thải rắn của quá trình lên men có thể sử dụng làm phân bón.

Acid lactic ít độc, ít ảnh hưởng đến môi trường hơn aicd HCl nên tiết kiệm được chi phí xử lý thải. Ngoài ra, nếu sử dụng acid lactic lên men từ mật rỉ sẽ góp phần tận dụng các phế phụ phẩm nông nghiệp, thân thiện môi trường, phục vụ phát triển bền vững.

Công nghệ sản xuất chitin và chitosan chủ yếu theo phương pháp hóa học dùng HCl gây ảnh hưởng đến đặc tính sinh hóa của chitin, ăn mòn thiết bị và gây ô nhiễm môi trường. Sử dụng acid lactic thay thế acid HCl làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, ít độc hại, giảm tác động đến sức khỏe con người, giảm chi phí sản xuất. Chitin tạo thành đạt yêu cầu chất lượng thương mại, hơn nữa chitosan sản xuất từ quy trình sử dụng acid lactic có khối lượng phân tử và độ nhớt tốt hơn quy trình truyền thống.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17885/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.