Chitin production from Shrimp waste using biotechnological method

Chitosan là vật liệu sinh học quý có nhiều trong phế liệu thủy sản như vỏ tôm, vỏ ghẹ. Chitosan có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, y dược và bảo vệ môi trường. Trong y dược: từ chitosan vỏ tôm, cua có thể sản xuất Glucosamin – một dược chất quý đang phải nhập khẩu ở nước ta để sản xuất dạng dược phẩm tương tự có tên Glusivac (dùng trong điều trị bệnh khớp và giảm béo). Ngoài ra còn sản xuất các loại dược liệu khác nhau như chỉ phẫu thuật tự hoại, choto-oligosaccharite, da nhân tạo, … cũng được nghiên cứu sản xuất từ chitin – chitosan. Trong công nghiệp: từ chitosan có thể chế tạo nhiều sản phẩm công nghiệp có giá trị cao như: vải chitosan có khả năng diệt khuẩn, mực in ấn có độ bám dính cao, sản xuất sơn chống thấm và chống mốc. Trong nông nghiệp: chitosan được sử dụng để bảo quản quả, hạt mang lại hiệu quả cao (thời gian bảo quản gấp 3 lần). Trong công nghệ môi trường hiện nay chitosan được sử dụng trong xử lý nước thải công nghiệp rất hiệu quả như xử lý nước thải nhuộm vải, xử lý nước đầm hồ trong công nghiệp nuôi tôm, cá. Ngoài ra chitosan còn được dùng trong công nghệ sinh học như dùng làm chất mang cố định enzyme và cố định tế bào …v.v

Từ khả năng ứng dụng khá rộng rãi của chitosan như đã nói ở trên mà nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu sản xuất sản phẩm này. Theo số liệu xuất khẩu của Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn hiện nay tính riêng sản lượng tôm xuất khẩu đạt trên 140000 tấn trên năm. Từ quá trình sản xuất này sẽ có lượng lớn phế liệu vỏ tôm thải ra khoảng 100000 tấn trên năm. Theo số liệu thực nghiệm chitosan chiếm khoảng 5% vỏ tươi và khoảng 20-40% vỏ khô, như vậy hàng năm có thể sản xuất gần 50000 ngàn tấn chitosan từ vỏ tôm và ghẹ phục vụ sản xuất trong nước và xuất khẩu mang lại hiệu quả kinh tế cao cho nghành thủy sản. Hiện nay giá bán 1 kg chitosan nguyên liệu trên thị trường từ 250000 đồng.

Tuy nhiên, từ thực tế nghiên cứu và sản xuất chitosan ở Việt nam các nhà khoa học đã thống kê: để sản xuất 1 kg chitosan bằng phương pháp hóa học cần sử dụng 80 kgs HCl 10% và 75 kgs NaOH 40% để khử các chất khoáng và protein. Điều này nghĩa là lượng phế thải hóa học và các chất phân giải protein thải ra môi trường hàng năm từ những cơ sở sản xuất chitosan là vô cùng lớn. Ở Việt Nam các dự án nghiên cứu chitosan mới chỉ là bước đầu mở ra một triển vọng khả thi về một nghành công nghiệp chitosan do vậy việc nâng cao năng lực cho công nghệ sản xuất chitin-chitosan là việc làm hết sức cần thiết.

Trong công nghệ sản xuất chitosan theo phương pháp hóa học có 2 bước xử lý kiềm và bước xử lý bằng axit nhằm loại bỏ protein ra khỏi hỗn hợp bán thành phẩm. Về nguyên tắc có thể thay thế bước này bằng phản ứng enzyme thủy phân protein vừa tránh được việc dùng hóa chất, ngoài ra còn có thể thu được sản phẩm phụ là dịch thủy phân gồm các axit amin và các peptit mà sau đó có thể tận dụng để sản xuất thức ăn chăn nuôi.

Nhiều loại enzyme protease đã được trích ly thành công từ tự nhiên và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm như: protease từ nội tạng gia súc, bromelaine từ dứa, papain từ đu đủ… nhưng chưa có những công bố khoa học về ứng dụng chúng trong sản xuất chitin-chitosan. Hiện nay phương pháp sử dụng vi sinh vật tái tổ hợp sinh enzyme chitinase và chitosanase hoặc protease từ vi sinh vật đang được nghiên cứu và ứng dụng trong sản xuất chitosan, tuy nhiên nhiều nhà khoa học cho rằng phương pháp sử dụng này có giá thành sản xuất cao, khó áp dụng trong thực tế.

 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới về hệ enzyme của đại đa số các loài cá biển đánh bắt công nghiệp đã chỉ ra rằng: hệ enzyme trong cơ thịt của cá chủ yếu là katepxin có hoạt độ từ 0,06 – 0,09 katal (1mol cơ chất/giây) ở pH=3,5-4,5; còn trong nội tạng của chúng có tới 3 hệ enzyme khác nhau, ở pH axit có enzyme pepsin với hoạt độ từ 2,5 – 3,6 katal, ở pH 6,7-7,1 (pH tự nhiên) enzyme tripxin có hoạt độ 1,0 – 1,5 katal, ở vùng pH kiềm 8,0 – 9,0 hoạt độ enzyme proteaza trong khoảng 3,0 – 4,5 katal. Các nghiên cứu thực nghiệm cũng chỉ ra rằng hoàn toàn có thể tách chiết được chế phẩm enzyme proteaza với độ tinh sạch và hoạt độ cao dựa vào vùng pH tối ưu của chúng bằng công nghệ đơn giản. Trong khi đó nội tạng các loài cá là nguồn phế liệu rẻ tiền có thể tận dụng từ các cơ sở chế biến thủy sản.

Từ những luận giải khoa học trên thì nghiên cứu công nghệ sản xuất chitosan bằng phương pháp sử dụng enzyme proteaza trích ly từ nội tạng cá là hướng đi có tính thời sự hiện hay. Phương pháp này có thể giảm thiểu hóa chất và thời gian sản xuất chitin/chitosan vì hai công đoạn khử khoáng và khử protein được thực hiện trong một công đoạn duy nhất. Hoạt lực của protease đủ mạnh để khử protein trong môi trường axit với pH = 2-3, đồng thời với pH thấp nên chất khoáng trong vỏ tôm cũng được khử song song.

Bên cạnh đó, việc nghiên cứu một nhà máy chế biến thủy sản nói riêng và trong công nghiệp nói chung không có phế thải rắn là xu thế nghiên cứu của các nhà khoa học hiện nay.
Dựa trên kinh nghiệm nghiên cứu của bản thân về hệ enzyme của các loài cá khác nhau và kinh nghiệm tách chiết cũng như sử dụng chế phẩm enzyme proteaza từ nội tạng của chúng, tôi tiến hành đề xuất đề tài nghiên cứu khoa học “Ứng dụng phương pháp sinh học để tổng hợp chitosan từ phế liệu chế biến thủy sản” và hướng tới mục tiêu thương mại hóa sản phẩm chitosan mang thương hiệu Trường đại học bách khoa – Đại học Đà nẵng