Thu nhận chitin từ vỏ tôm với sự hỗ trợ của dung môi eutectic sâu và siêu âm

TÓM TẮT:

Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả của dung môi DES và sóng siêu âm đến quá trình thu nhận chitin từ vỏ tôm. Độ tinh khiết của chitin thành phẩm được so sánh với chitin chiết xuất bằng phương pháp truyền thống. Kết quả cho thấy độ tinh khiết của chitin cao nhất (79,65%) đạt được khi chiết xuất bằng dung môi eutectic sâu, với sự hỗ trợ của sóng siêu âm cao hơn so với chitin (75,63%) chiết xuất ở cùng điều kiện xử lý nhưng không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Độ tinh khiết của chitin thu nhận thấp hơn so với chitin chiết xuất truyền thống nhưng có hiệu suất thu hồi cao hơn. Kết quả nghiên cứu này được thực hiện bằng dung môi xanh DES không gây độc hại cho môi trường và cho thấy được tiềm năng của dung môi DES trong việc thu hồi các polyme sinh học trong tự nhiên.

Từ khóa: chitin, vỏ tôm, DES, siêu âm, thu nhận chitin, dung môi eutectic.

1. Đặt vấn đề

Chitin là polyme sinh học dồi dào thứ hai được tìm thấy trong tự nhiên sau cellulose. Nó chủ yếu có nguồn gốc từ vỏ của động vật giáp xác [1]. Ngành chế biến tôm tạo ra số lượng lớn các phế phẩm như đầu và vỏ thân tôm, thường được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi và phân bón sinh học có giá trị thấp. Việc xử lý không đúng cách có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng về môi trường. Hiện nay, việc chiết xuất chitin bằng dung môi eutectic sâu (DES) từ vỏ giáp xác được báo cáo như một phương pháp thay thế cho các phương pháp truyền thống [2]. DES có tiềm năng trở thành dung môi chiết xuất chitin nhờ nhiều lợi ích như độc tính thấp, giá cả phải chăng, khả năng phân hủy sinh học cao [2]. Theo nghiên cứu của Saravana và cộng sự, việc sử dụng choline chloride và acid citric làm DES thu được chitin có hàm lượng tro thấp (1,18 %), nhưng hàm lượng protein cao (8,37 %) [3]. Zhao và cộng sự kết hợp các dung môi eutectic sâu và vi sóng để thu nhận chitin có độ tinh khiết cao hơn 90 % [1]. Mục tiêu của nghiên cứu này là kết hợp dung môi eutectic sâu và sóng siêu âm nhằm tìm ra được điều kiện chiết xuất thích hợp để thu nhận được chitin chất lượng cao từ vỏ của tôm sú (Penaeus monodon).

2.  Đối tượng và phương pháp

2.1. Đối tượng nghiên cứu và hóa chất

2.1.1. Nguyên liệu

Nguyên liệu vỏ tôm được cung cấp từ Công ty TNHH Sản xuất Kinh doanh Thực phẩm Ngon, huyện Bình Chánh, Thành phố Hồ Chí Minh. Vỏ tôm được làm sạch và sấy đối lưu ở 50oC trong 20 - 24 giờ đến độ ẩm dưới 10 %. Sau đó, vỏ tôm được nghiền và rây qua rây Ф1mm. Phần bột qua rây đóng gói chân không trong túi PE khô sạch và bảo quản ở 4oC trong tủ lạnh.

2.1.2. Hóa chất

Urea (99 %), Glycerol (99 %), Citric acid (99,5 %), Lactic acid (90 %), Hydro peroxide (30%), hydrochloric acid và sodium hydroxide có nguồn gốc từ Xilong - Trung Quốc, Choline Chloride (98 %) từ Himedia - Ấn Độ, thuốc thử Folin - Ciocalteu phenol từ Sigma (St. Louis, MO, U.S.A.). Các hóa chất khác sử dụng trong nghiên cứu này đều có độ tinh khiết phân tích.

2.2. Phương pháp nghiên cứu

2.2.1. Phương pháp điều chế DES

Các DES được điều chế bằng cách trộn chất nhận liên kết hydro (HBA) là Choline chloride và các chất cho liên kết hydro (HBD) là acid citric, glyxerol, acid lactic và urea được cân bằng cân phân tích với độ chính xác ± 0,0001g theo tỷ lệ mol 1:2. Hỗn hợp DES được khuấy và đun nóng trong bể điều nhiệt ở 80°C trong 2 giờ. Các hỗn hợp DES được khuấy cho đến khi dung dịch trong suốt đồng nhất, sau đó để nguội ở nhiệt độ phòng.

2.2.2. Phương pháp thu nhận chitin 

Khử khoáng bằng HCl 6% (v/v) với tỷ lệ là 25 mL/g trong 6 giờ ở nhiệt độ phòng, sau đó bã được rửa đến pH trung tính và xử lý siêu âm với các loại DES với tỷ lệ nguyên liệu/dung môi khảo sát lần lượt là 1:10, 1:20, 1:30 và 1:40. Hỗn hợp được ủ trong bể ổn nhiệt trong thời gian khảo sát là 60, 120, 180 và 240 phút. Chitin được thu hồi bằng cách cho hỗn hợp ly tâm bằng máy ly tâm. Bã được rửa đến pH trung tính và khử màu bằng H2O2 10% ở nhiệt độ 80oC trong 90 phút. Cuối cùng sấy khô mẫu ở 100°C đến khối lượng không đổi.

Mẫu đối chứng là chitin được thu nhận bằng phương pháp truyền thống [4]. Bột vỏ tôm (10,00 g) được khử khoáng bằng HCl 6% (v/v) ở nhiệt độ phòng trong 2,5 giờ với tỷ lệ là 25 mL/g. Bã thu nhận được rửa đến mức pH trung tính. Quá trình khử protein bằng dung dịch NaOH 10% (w/v) ở 90oC trong 3 giờ. Chitin được rửa đến khi đạt được pH trung tính và được khử màu bằng dung dịch H2O2 10% (v/v) ở 80oC. Mẫu được sấy trong tủ sấy ở 100oC đến khối lượng không đổi.

2.3. Phương pháp phân tích

2.3.1. Phương pháp xác định hàm lượng tro, protein, độ tinh khiết và hiệu suất thu hồi chitin

Độ tinh khiết chitin được tính toán theo mô tả của Feng và cộng sự [6] theo công thức sau:

Độ tinh khiết (%) = 100 - hàm lượng tro (%) - hàm lượng protein (%)

Trong đó, hàm lượng tro được đo bằng cách nung mẫu (1-2g) trong lo nung ở 600oC đến khối lượng không đổi. Hàm lượng protein được xác định theo phương pháp Lowry [5].

Hiệu suất thu hồi chitin tính theo công thức:

Trong đó, m là khối lượng mẫu phân tích (g), m1 là khối lượng cốc sấy không đổi (g), m2 là khối lượng cốc và mẫu chitin và W là độ ẩm nguyên liệu ban đầu (%).

2.3.2. Phương pháp xử lý số liệu

Trong nghiên cứu này, mỗi thí nghiệm được tiến hành lặp lại 3ba lần, kết quả được trình bày ở dạng giá trị trung bình giá trị sai số. Kết quả được tính toán bằng phần mềm Microsoft Office Excel 2016 và Minitab 2019.

3.  Kết quả và thảo luận

3.1. Ảnh hưởng của các loại dung môi eutectic sâu đối với quá trình thu hồi chitin

Sau khi xử lý vỏ tôm bằng HCl 6% hiệu suất khử khoáng là 98,81 ± 0,30%. Bảng 1 cho thấy hiệu suất thu hồi chitin tối đa đạt được với ChCl - Lactic acid (26,66%) tỷ lệ 1:2 hiệu suất này vượt xa so với hiệu suất thu được với phương pháp truyền thống (15,74%). Tuy nhiên, hiệu suất thu hồi chitin không phải là yếu tố chính được xem xét trong quá trình thu nhận chitin. Hàm lượng protein và trò đóng vai trò và là chỉ số cần thiết để xác nhận độ tinh khiết của chitin [3].

Bảng 1. Độ tinh khiết, hiệu suất thu hồi, hàm lượng protein của chitin

được thu nhận từ các dung môi khác nhau

Các chữ cá 

Các chữ cái lowercase trong mỗi cột khác nhau chứng tỏ giá trị có sự khác biệt có ý nghĩa với p<0,05.

3.2. Ảnh hưởng của thời gian xử lý đối với quá trình thu hồi chitin

Bảng 2 cho thấy độ tinh khiết của chitin tăng đáng kể từ 34.59% lên 75.63%, trong khi hiệu suất giảm dần từ 28,90% xuống 20,09% và hàm lượng protein giảm mạnh từ 64,25% xuống 23.40% khi thời gian xử lý tăng từ 60 phút lên 180 phút. Thời gian xử lý từ 180 phút đến 240 phút các thông số thay đổi không đáng kể. Lý do tăng thời gian chiết giúp tăng khả năng di chuyển của phân tử, tạo điều kiện khuếch tán các phân tử chiết vào dung môi. Tuy nhiên, đến một khoảng thời gian nào đó, nồng độ cân bằng giữa bên trong và bên ngoài tế bào thì tăng thời gian không làm tăng thêm hàm lượng chất chiết thu được [9]. Kết quả nghiên cứu có cùng quy luật với nghiên cứu của Feng và cộng sự khi dùng NADES để thu nhận chitin ở thời gian khảo sát là 0,5 giờ đến 5 giờ hàm lượng protein giảm mạnh trong 3 giờ đầu và có xu hướng cân bằng khi tăng thời gian xử lý [6].

Bảng 2. Độ tinh khiết, hiệu suất thu hồi, hàm lượng protein của chitin

được thu nhận từ dung môi ChCl/ Urea 1:2 trong thời gian xử lý khác nhau

Các chữ cái lowercase trong mỗi cột khác nhau chứng tỏ giá trị có sự khác biệt có ý nghĩa với p<0,05.

3.3. Nghiên cứu quá trình thu nhận chitin với sự hỗ trợ của siêu âm và DES

Hàm lượng protein giảm khi thời gian siêu âm tăng (từ 27,16% xuống 19,15%) (Bảng 3). Hiệu suất thu hồi có xu hướng giảm, độ tính khiết có xu hướng tăng (p_value > 0.05).. Lý do có thể ảnh hưởng của sóng siêu âm tạo ra hiện tượng xâm thực [10]. Hiện tượng xâm thực phá vỡ các liên kết nitrogen và các liên kết phân tử/nội phân tử khác phá hủy mạng lưới chitin-protein. Điều này tạo điều kiện cho quá trình khử protein. Kết quả nghiên cứu này có cùng quy luật với nghiên cứu của D. Vallejo-Domínguez và cộng sự khi ứng dụng sóng siêu âm vào quá trình khử protein của chitiin và chitosan nhưng sử dụng phương pháp khử protein bằng phương pháp truyền thống [11].

Bảng 3. Độ tinh khiết, hiệu suất thu hồi, hàm lượng tro, protein và độ deacetyl hóa của chitin được thu nhận từ ChCl/ Urea 1:2 khi có sự hỗ trợ của sóng siêu âm

Các chữ cái

Các chữ cái lowercase trong mỗi cột khác nhau chứng tỏ giá trị có sự khác biệt có ý nghĩa với p<0,05.

4.  Kết luận

Dung môi DES từ choline chloride và urea (tỷ lệ mol 1:2), sau đó kết hợp với sóng siêu âm để thu nhận chitin từ vỏ tôm. Độ tinh khiết của chitin thu nhận bằng DES tỷ lệ nguyên liệu/dung môi là 1:20 và sóng siêu âm trong 20 phút xử lý nhiệt ở 80°C trong 3 giờ đạt 79,65%. Độ tinh khiết của chitin có phần thấp so với chitin chiết xuất truyền thống nhưng có hiệu suất thu hồi cao hơn. Do đó, sử dụng dung môi DES kết hợp với sóng siêu đã chứng minh là một phương pháp tiềm năng cho việc thu nhận chitin thân thiện với môi trường.

Lời cảm ơn:

Nghiên cứu này do Trường Đại học Công Thương Thành phố Hồ Chí Minh bảo trợ và cấp kinh phí theo Hợp đồng số 233/HĐ-DCT ngày 15 tháng 11 năm 2022.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. D. Zhao, W. C. Huang, N. Guo, S. Zhang, C. Xue, and X. Mao (2019). Two-step separation of chitin from shrimp shells using citric acid and deep eutectic solvents with the assistance of microwave. Polymers (Basel), 11 (3), 409.
2. S. W. Kim (2010). Chitin, chitosan, oligosacharides, and their derivaties: Biological Activities and Applications. 1st ed.. CRC Press, 37-42.
3. P. S. Saravana, T. C. Ho, S. J. Chae, Y.-J. Cho, J. S. Park, H.-J Lee, and B. S. Chun (2018). Deep eutectic solvent-based extraction and fabrication of chitin films from crustacean waste. Carbohydrate Polymers, 195, 622-630.
4. Bharty M. K. (2015). Extraction and characterization of chitin and chitosan from fishery waste by chemical method. Environmental Technology & Innovation, 3, 77-85.
5.  C. M. Pomory (2008). Color development time of the Lowry protein assay. Anal Biochem.
6. M. Feng, X. Lu, J. Zhang, Y. Li, C. Shi, L. Lu and S. Zhang (2019). Direct conversion of shrimp shells to: O -acylated chitin with antibacterial and anti-tumor effects by natural deep eutectic solvents. Green Chemistry, 21(1), 87-98.
7. X. Shen et al. (2016). Comparison of Hydrogels Prepared with Ionic LiquidIsolated vs Commercial Chitin and Cellulose. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 4(2), 471-480.
8. F. A. A. Sagheer, M. A. Al-Sughayer, S. Muslim, and M. Z. Elsabee (2009). Extraction and characterization of chitin and chitosan from marine sources in Arabian Gulf. Carbohydrate Polymers, 77(2), 410-419.
9. Silva L. H. M., Silva R. S. S. F., & Borsato D. (1999). Finite element analysis of diffusion problem during cheese salting: combined influence of space and time discretization. Acta Scientiarum, 21(4), 873-879.
10. A. Gorgüç, C. Bircan, F.M. Yılmaz (2019). Sesame bran as an unexploited by-product: Effect of enzyme and ultrasound-assisted extraction on the recovery of protein and antioxidant compounds. Food Chemistry, 283, 637-645.
11. D. Vallejo-Domínguez, E. Rubio-Rosas, E. Aguila-Almanza (2021). Ultrasound in the deproteinization process for chitin and chitosan production. Ultrasonics Sonochemistry, 72, 105417.

Extracting chitin from shrimp shells

with the assistance deep eutectic solvents and ultrasound
Nguyen Tan Dat¹

Dang Huynh Anh¹

Nguyen Duong Thien Tu¹

Tran Thi Thuy An¹

Huynh Le Thanh Ngan¹

Master. Tran Chi Hai ²

PhD. Phan Van Man³

PhD. Huynh Thi Le Dung^2
1Student, Ho Chi Minh City University of Industry and Trade

²Lecturer, Ho Chi Minh City University of Industry and Trade

³Lecturer, Ba Ria - Vung Tau College of Technology

ABSTRACT:

This study evaluated the effectiveness of deep eutectic solvents (DESs) and ultrasound assistance in the process of extracting chitin from shrimp shells. The purity of the chitin powder obtained through this process was compared with that of the chitin powder extracted through traditional methods. The results indicated that the highest purity of chitin (79.65%) was achieved when using DESs with ultrasound assistance. It is higher than the purity of chitin (75.63%) extracted under the same processing conditions but without the ultrasonic assistance. The purity of the obtained chitin was lower than that of the traditionally extracted chitin, but it had a higher recovery efficiency. In this study, environmentally friendly DES was used in order to demonstrate the potential of DES in recovering natural biopolymers.

Keywords: chitin, shrimp shells, DES, ultrasonic wave, chitin extraction, eutectic solvent.