Tách chiết và thu nhận chế phẩm caroten-protein từ phế liệu tôm và ứng dụng

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2015<br /> <br /> VAÁN ÑEÀ TRAO ÑOÅI<br /> <br /> TÁCH CHIẾT VÀ THU NHẬN CHẾ PHẨM CAROTEN-PROTEIN<br /> TỪ PHẾ LIỆU TÔM VÀ ỨNG DỤNG<br /> EXTRACTION AND RECOVERY OF CAROTENOID–PROTEIN<br /> FROM SHRIMP WASTE AND ITS APPLICATION<br /> Phạm Thị Đan Phượng1, Trang Sĩ Trung2, Nguyễn Thị Như Thường3<br /> Ngày nhận bài: 13/10/2014; Ngày phản biện thông qua: 15/10/2015; Ngày duyệt đăng: 15/12/2015<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Trong quá trình sản xuất chitin/chitosan từ phế liệu tôm, chúng ta cũng có thể tách chiết và thu nhận chế<br /> phẩm caroten-protein có cao giá trị sử dụng cao, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Có hai phương<br /> pháp tách chiết chính đang được sử dụng phổ biến là phương pháp hóa học và sinh học. Để nâng cao hiệu suất<br /> thu hồi và chất lượng của chế phẩm caroten-protein, việc kết hợp các phương pháp tách chiết bằng hóa học<br /> và sinh học đã cải thiện được nhược điểm so với từng phương pháp xử lý đơn lẻ. Trong bài báo này, chúng tôi<br /> giới thiệu tổng quan về các phương pháp tách chiết và thu hồi chế phẩm caroten-protein trong quá trình sản<br /> xuất chitin/chitosan và khả năng ứng dụng của nó trong chăn nuôi thủy sản, công nghệ thực phẩm, y dược và<br /> mỹ phẩm.<br /> Từ khóa: caroten-protein, carotenoid, phế liệu tôm<br /> ABSTRACT<br /> In the process of producing chitin/chitosan from shrimp waste, carotenoid and protein should be<br /> recovered to provide added valuable products as well as to minimize environmental pollution. There are two<br /> main methods widely used to extract carotenoid-protein, which are including chemical method and biological<br /> method. In our study, a combination of chemical and biological methods was applied successfully, which<br /> enhance recovery efficiency and quality of carotenoid-protein in compared to the single treatment method.<br /> This paper reviews the methods for extraction and recovery of carotenoid-protein from shrimp waste and its<br /> potential applications in aquaculture, food technology, medicine, and cosmetics.<br /> Keywords: carotenoid-protein, carotenoid, shrimp waste<br /> I. MỞ ĐẦU<br /> Trong công nghiệp chế biến tôm, tùy thuộc<br /> vào công nghệ, loại tôm và sản phẩm cuối<br /> cùng mà lượng phế liệu tôm có thể chiếm từ 25<br /> – 40% so với khối lượng nguyên liệu ban đầu.<br /> Trước đây, nguồn phế liệu đầu và vỏ tôm chủ<br /> yếu được dùng để làm nguyên liệu chế biến<br /> <br /> thức ăn gia súc, gia cầm, phân bón... Sau<br /> đó, các nhà khoa học đã nghiên cứu và sản<br /> xuất sản phẩm có giá trị kinh tế cao từ phế<br /> liệu tôm như chitin và chitosan. Tuy nhiên,<br /> trong quá trình thu hồi chitin/chitosan, một số<br /> thành phần có giá trị khác gồm carotenoid,<br /> protein và khoáng chất (Ca, P, K, Mg, Mn và Fe)<br /> <br /> ThS. Phạm Thị Đan Phượng: Khoa Công nghệ thực phẩm – Trường Đại học Nha Trang<br /> PGS. TS. Trang Sĩ Trung: Trường Đại học Nha Trang<br /> 3<br /> ThS. Nguyễn Thị Như Thường: Viện Công nghệ sinh học và Môi trường – Trường Đại học Nha Trang<br /> 1<br /> 2<br /> <br /> 142 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> trong phế liệu tôm (đặc biệt có trong đầu tôm<br /> với hàm lượng đáng kể) chưa được nghiên<br /> cứu thu hồi và ứng dụng nhiều [3, 5, 18]. Trong<br /> đó, carotenoid được biết là một chất màu tự<br /> nhiên an toàn cho các ngành công nghệ thực<br /> phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm. Gần đây, nhiều<br /> phương pháp đã được sử dụng để tách chiết và<br /> thu nhận các chế phẩm đạm giàu carotenoid.<br /> Chúng có thành phần chính là protein và<br /> carotenoid ở dạng phức hợp caroten-protein và<br /> có nhiều trong phế liệu giáp xác (tôm hùm, tôm<br /> sú, tôm chì, tôm thẻ chân trắng) và một số phế<br /> liệu hải sản khác. Việc tách chiết chúng không<br /> chỉ thu nhận được các sản phẩm có giá trị gia<br /> tăng mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường [3,<br /> 5, 12, 18](Chakrabarti, 2002 #268;Phạm Thị<br /> Đan Phượng, 2013 #260). Tuy nhiên, việc lựa<br /> chọn phương pháp để tách chiết và thu hồi chế<br /> phẩm caroten-protein đạt được hiệu suất cao<br /> và chất lượng tốt nhưng không ảnh hưởng đến<br /> chất lượng của chitin/chitosan rất cần được<br /> quan tâm. Trong bài báo này, chúng tôi trao đổi<br /> về việc lựa chọn phương pháp tách chiết chế<br /> phẩm caroten-protein và các ưu-nhược điểm<br /> của chúng.<br /> II. NỘI DUNG<br /> 1. Nguồn gốc và bản chất của chế phẩm<br /> caroten-protein<br /> Trong các loài sinh vật biển, carotenoid<br /> và protein thường liên kết với nhau tạo<br /> thành phức carotenoprotein. Ngoài ra, phức<br /> carotenoprotein còn liên kết với các chất khác<br /> như axit béo, chitin, khoáng chất (hình 1). Đặc<br /> biệt, phức carotenoprotein thường gặp ở các<br /> loài động vật giáp xác thủy sản, tồn tại nhiều ở<br /> lớp ngoại bì, trong vỏ, ở các cơ quan nội tạng<br /> (trứng, dạ dày hay bạch huyết). Carotenoprotein<br /> được chia thành 2 nhóm chính: (1) carotenoid<br /> liên kết với lipo(glyco)protein, (2) carotenoid<br /> liên kết với một protein hoặc glycoprotein [28].<br /> Phản ứng giữa các nhóm 4- và 4’-keto trong<br /> các vòng đầu mạch của astaxanthin với các<br /> nhóm chức amin trong protein là điều kiện<br /> <br /> Số 4/2015<br /> tiên quyết để hình thành phức carotenoprotein<br /> giữa astaxanthin và protein [12, 28].<br /> Phức hợp carotenoprotein tan trong nước<br /> và có tính bền vững. Trong một vài trường<br /> hợp, màu sắc của nó bền đến vài năm trong<br /> không khí ở điều kiện nhiệt độ phòng. Các<br /> carotenoid có liên kết với protein ít bị oxi hóa<br /> hơn so với khi chúng ở dạng tự do. Do vậy,<br /> carotenoid ở trong cơ thể sinh vật bền vững<br /> hơn so với carotenoid sau tách chiết ở dạng<br /> tự do. Carotenoid ở dạng tự do thường có<br /> màu vàng, cam hoặc đỏ. Tuy nhiên, trong cơ<br /> thể những loài động vật biển không xương<br /> sống, các phức hợp carotenoprotein tạo<br /> nên nhiều màu khác nhau như xanh lá cây,<br /> xanh dương và tía. Trong các loài giáp xác<br /> thủy sản có chứa 3 loại crustacyanine là<br /> α-, β- và γ-crustacyanine. Cả 3 loại này đều có<br /> astaxanthin và ở dạng nhóm liên kết<br /> (prosthetic group). Trong đó, astaxanthin<br /> thường liên kết với các phân tử protein tạo<br /> thành phức hợp α-crustacyanin, hấp thụ cực<br /> đại ở bước sóng (λmax) 628 nm, có màu xanh<br /> đen đặc trưng thường thấy ở các loài thủy sản<br /> sống. Dưới tác dụng của nhiệt, liên kết trên<br /> bị phá hủy và giải phóng astaxanthin tự do<br /> có màu đỏ cam (λmax = 480 nm). Cấu trúc của<br /> carotenoid cũng quyết định các chức năng sinh<br /> học của chúng, trong đó phần lớn carotenoid<br /> đều có mạch 40 carbon liên kết với các nhóm<br /> chức chứa oxy khác nhau. Trong phế liệu tôm,<br /> carotenoid chủ yếu là astaxanthin (trên 95%),<br /> thuộc nhóm chất tetraterpenoid, là sắc tố màu đỏ<br /> cam. Tương tự như carotenoid khác, nó có tính<br /> phân cực thấp và hòa tan tốt trong mỡ hoặc dầu.<br /> Astaxanthin có thể được tìm thấy trong vi tảo,<br /> men bia, cá hồi, cá, loài nhuyễn thể, động vật<br /> giáp xác thủy sản và lông của một số loài chim.<br /> Trong các loài giáp xác thủy sản, astaxanthin chủ<br /> yếu tập trung ở phần vỏ ngoài. Nó thường tồn tại<br /> ở dạng đồng phân quang học (3S, 3’S), trong đó<br /> chủ yếu là ở dạng mono- hay di-ester với các axit<br /> béo không no mạch dài, hoặc dưới dạng phức<br /> hợp carotenoprotein [9, 11, 12].<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 143<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2015<br /> <br /> Hình 1. Các liên kết hóa học giữa astaxanthin với axit béo, chitin và protein trong đầu vỏ tôm [9]<br /> <br /> 2. Các phương pháp tách chiết và thu hồi<br /> chế phẩm caroten-protein từ phế liệu tôm<br /> trong quá trình sản xuất chitin/chitosan<br /> Trước đây, các nhà khoa học tập trung<br /> nghiên cứu chiết tách và thu hồi chất màu<br /> (carotenoid), chất mùi (protein) từ phế liệu<br /> tôm bằng một số dung môi hữu cơ, axit, nhiệt,<br /> nước hay nước muối loãng. Để nâng cao chất<br /> lượng sản phẩm và có thể ứng dụng trong công<br /> nghệ thực phẩm, y dược và mỹ phẩm, các hợp<br /> chất trên được tách chiết bằng cách dùng dầu<br /> thực vật và các loại enzyme protease hoặc kết<br /> hợp các phương pháp chiết nhằm thu hồi cả<br /> carotenoid và protein [3, 11, 13, 24]. Tuy nhiên,<br /> protein và carotenoid nhanh chóng bị hư hỏng<br /> hoặc bị oxy hóa khi ở dạng tự do sau tách<br /> chiết, trong khi ở dạng phức hợp lại bền và<br /> ổn định hơn [12, 23]. Điều này đã được chứng<br /> minh trong các nghiên cứu công bố gần đây.<br /> Hình 2 trình bày quy trình thu hồi chế<br /> phẩm caroten-protein trong quá trình sản xuất<br /> chitin/chitosan. Sản phẩm tách chiết sau khi<br /> thủy phân sẽ được phân riêng thành phần bã<br /> (dùng để sản xuất chitin/chitosan) và phần dịch<br /> <br /> 144 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> thủy phân (dùng để kết tủa để thu hồi phức<br /> hợp carotenoprotein, protein tự do, carotenoid<br /> tự do...). Để thu hồi chế phẩm trong dung dịch<br /> đạm thủy phân được tách chiết từ giáp xác<br /> thủy sản nói chung và phế liệu tôm trong quá<br /> trình sản xuất chitin nói riêng, phải có phương<br /> pháp thích hợp để đạt hiệu suất thu hồi sản<br /> phẩm cao nhất nhưng mức độ ảnh hưởng đến<br /> chất lượng của sản phẩm thấp nhất, đặc biệt<br /> là hạn chế sự hư hỏng carotenoid. Hiện nay,<br /> nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu kết hợp sử<br /> dụng một số các phương pháp thu hồi để nâng<br /> cao chất lượng sản phẩm và tăng hiệu suất thu<br /> hồi chế phẩm caroten-protein nhằm ứng dụng<br /> trong thức ăn chăn nuôi hoặc thực phẩm cho<br /> người. Đồng thời, đây là một hướng đi theo<br /> phương pháp sản xuất sạch hơn.<br /> 2.1. Phương pháp tách chiết chế phẩm<br /> caroten-protein từ phế liệu tôm<br /> 2.1.1. Tách chiết chế phẩm caroten-protein<br /> bằng phương pháp hóa học<br /> Trong quá trình sản xuất chitin/chitosan<br /> các công đoạn xử lý đều sử dụng hóa chất<br /> tùy theo nguyên liệu, công nghệ và yêu cầu<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> chất lượng của chitin/chitosan. Các loại axit<br /> hữu cơ thường dùng trong quá trình ủ xilo như<br /> axit lactic, acetic, formic, propionic... hoặc axit<br /> vô cơ như axit sunphuric, axit hydrochloric,<br /> axit phosphoric. Đây là phương pháp dễ dàng<br /> triển khai với quy mô lớn và có chi phí sản xuất<br /> tương đối thấp. Tuy nhiên, việc sử dụng hóa<br /> <br /> Số 4/2015<br /> chất trong công nghệ sản xuất chitin, chitosan<br /> không những ảnh hưởng xấu đến chất lượng<br /> của chế phẩm caroten-protein thu được mà<br /> còn có thể gây ra ô nhiễm môi trường trầm<br /> trọng do hóa chất sau khi sử dụng được thải<br /> ra hoặc sẽ phải tiêu tốn chi phí để xử lý nước<br /> thải này [5, 8].<br /> <br /> Hình 2. Quy trình thu hồi chế phẩm caroten-protein chung trong quá trình sản xuất chitin/chitosan<br /> <br /> Trong thực tế, phương pháp ủ xilô bằng<br /> các axit hữu cơ hoặc kết hợp axit hữu cơ với vô<br /> cơ vẫn được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ<br /> biến để thu hồi chế phẩm dịch ủ xilô dùng cho<br /> sản xuất thức ăn chăn nuôi gia súc và thủy sản.<br /> Tuy nhiên, sử dụng axit vô cơ để ủ xilô nhằm<br /> mục đích thu hồi chế phẩm caroten-protein<br /> sẽ không cho sản phẩm có chất lượng cao so<br /> với phương pháp ủ xilô bằng axit hữu cơ hoặc<br /> lên men vi sinh (vi khuẩn), do các acid vô cơ có<br /> khả năng phân hủy một số carotenoid, đặc biệt<br /> là có khả năng gây biến tính protein. Như vậy,<br /> chế phẩm caroten-protein thu được sẽ có chất<br /> lượng thấp do lượng protein và carotenoid<br /> thu được thấp, đặc biệt ảnh hưởng rất lớn<br /> đến màu sắc của sản phẩm do carotenoid bị<br /> oxy hóa mạnh và chỉ phù hợp làm thức ăn<br /> <br /> chăn nuôi. Hơn nữa, để sử dụng chế phẩm<br /> caroten-protein thu được từ quá trình ủ xilô<br /> bằng axit vô cơ cần phải được trung hòa chế<br /> biến thức ăn chăn nuôi [7].<br /> 2.1.2. Tách chiết chế phẩm caroten-protein<br /> bằng phương pháp sinh học<br /> Để nâng cao chất lượng sản phẩm thu<br /> được, carotenoid được tách chiết và thu hồi<br /> trong phức hợp carotenoprotein nhằm giữ bền<br /> màu do liên kết giữa carotenoid và protein.<br /> Hơn nữa, protein có trong phế liệu tôm có<br /> chất lượng dinh dưỡng khá cao, bao gồm đầy<br /> đủ các axit amin cần thiết [1, 12, 23]. Do vậy,<br /> việc thu hồi chế phẩm bao gồm cả carotenoid<br /> và protein rất quan trọng trong ngành công<br /> nghệ thực phẩm và chăn nuôi. Lee và<br /> cộng sự (1999) [20] đã so sánh khả năng<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 145<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> tách chiết và thu hồi carotenoid có trong chế<br /> phẩm caroten-protein bằng phương pháp ủ<br /> xilô axit acetic và phương pháp kết hợp sử<br /> dụng dung dịch đệm Na3-EDTA và enzyme<br /> protease với mục đích sử dụng làm phẩm màu<br /> thực phẩm chức năng. Kết quả nghiên cứu cho<br /> thấy hiệu quả tách chiết chế phẩm caroten-protein<br /> cao nhờ phương pháp kết hợp sử dụng<br /> Na3-EDTA và một loại enzyme protease sinh<br /> từ vi sinh vật (không ủ xilô bằng axit).<br /> Ngoài ra, việc sử dụng phương pháp sinh<br /> học sản xuất chitin/chitosan bằng protease<br /> không những nhằm nâng cao chất lượng chế<br /> phẩm caroten-protein thu hồi mà còn hạn chế<br /> ô nhiễm môi trường do chất thải sau sản xuất.<br /> Khanafari và cộng sự (2007) [19] cũng khẳng định<br /> hiệu quả tách chiết carotenoid trong chế phẩm<br /> caroten-protein bằng vi sinh vật (Lactobacillus<br /> plantarum, Lactobacillus acidophilus) cao hơn<br /> nhiều so với phương pháp hóa học. Các loại<br /> enzyme được sử dụng để tách chiết phổ biến<br /> hiện nay là papain, trypsin, pepsin, một số loại<br /> protease chiết rút từ vi sinh vật (Aspergillus<br /> melleus, Aspergillus oryzae, Bacillus Licheniforrnis,<br /> Bacillus subtilis, Pseudomonas…) và các loại<br /> protease thương mại khác (Alcalase, Protamex,<br /> Flavourzyme, Neutrase) [5, 12, 20]. Đặc điểm<br /> chung của các enzyme này là có khoảng pH<br /> thích hợp rộng, thường từ 5,5 - 8,5; vì vậy, khi<br /> ứng dụng thủy phân thì có thể thích ứng với<br /> pH môi trường tự nhiên của nguyên liệu thủy<br /> sản mà không cần điều chỉnh pH. Nhiệt độ<br /> thích hợp của các enzyme này dao động trong<br /> khoảng từ 45 – 600C.<br /> Sử dụng protease sẽ phá vỡ các liên kết<br /> của các protein khác trong phế liệu tôm, do đó<br /> làm giảm sự kết tủa protein tại điểm đẳng điện<br /> pI và làm tăng khả năng thu hồi caroten-protein<br /> [15]. Các enzyme thủy phân protein như<br /> papain, pepsin, trypsin đều hoạt động tốt ở<br /> nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, mỗi loại enzyme<br /> có pH tối ưu khác nhau như pepsin hoạt động<br /> tối ưu ở pH 4,6, papain ở pH 6,2 và trypsin<br /> ở pH 7,6. Trong đó, so với papain và pepsin,<br /> hiệu suất thu hồi bột nhão caroten-protein của<br /> <br /> 146 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Số 4/2015<br /> trypsin thấp nhất, nhưng hàm lượng carotenoid<br /> và protein trong chế phẩm caroten-protein thu<br /> được cao nhất. Mặc dù, tổng lượng protein<br /> thu được từ phế liệu tôm cao nhất khi sử dụng<br /> trypsin nhưng nó có giá thành cao. Do đó,<br /> papain vẫn được dùng để thu hồi chế phẩm<br /> protein và caroten-protein từ phế liệu tôm<br /> trước khi sản xuất chitin/chitosan [12].<br /> 2.1.3. Tách chiết chế phẩm caroten-protein<br /> bằng phương pháp kết hợp<br /> a. Phương pháp kết hợp hóa học và sinh học<br /> Trong phế liệu tôm, chitin kết hợp chặt chẽ<br /> với protein, chất màu carotenoid và khoáng.<br /> Trong đó, protein, chất màu carotenoid tồn tại<br /> dưới dạng phức chất carotenoprotein. Do vậy,<br /> trong quá trình sản xuất chitin/chitosan, việc thu<br /> hồi đồng thời carotenoid, protein và loại khoáng<br /> là một vấn đề đáng quan tâm. Nhân tố chính<br /> trong quy trình sản xuất chitin là các tác nhân<br /> khử khoáng (EDTA, HCl, nhiệt) và các tác nhân<br /> kết tủa (HCl, (NH4)2SO4), nhiệt) có khả năng<br /> ảnh hưởng đến chất màu carotenoid. Vì vậy,<br /> nhằm nâng cao hiệu suất chiết caroten-protein<br /> và giữ được hoạt tính sinh học của chất màu<br /> carotenoid trong quá trình loại protein ra khỏi<br /> phế liệu tôm, các nhà khoa học kết hợp việc<br /> sử dụng hóa chất (axit vô cơ hay hữu cơ) và<br /> enzyme protease để xử lý [7, 8, 15].<br /> Để hạn chế nhược điểm của các phương<br /> pháp ủ xilô, Trang Sĩ Trung và cộng sự (2009)<br /> [7] đã sử dụng kết hợp axit hữu cơ và Alcalse,<br /> có bổ sung rỉ đường để chiết carotenoid từ<br /> phế liệu tôm. Quá trình axit hóa cho phép giảm<br /> nhanh pH đến mức ổn định nhằm ức chế vi<br /> sinh vật gây thối, tạo môi trường thuận lợi cho<br /> các enzyme nội tại hoạt động, đồng thời cũng<br /> tạo điều kiện cho vi khuẩn lactic có mặt trong<br /> nguyên liệu phát triển, thúc đẩy quá trình tự<br /> thủy phân. Trong quá trình ủ xi lô, bổ sung<br /> đường có vai trò quan trọng cho hoạt động<br /> của vi sinh vật, tạo điều kiện thuận lợi cho quá<br /> trình khử khoáng và khử protein. Mục đích ủ<br /> xilô bằng axit hữu cơ nhằm tách khoáng và<br /> protein ra khỏi phế liệu nhưng không ảnh<br /> hưởng lớn đến carotenoid. Hơn nữa, khi tiếp tục<br /> <br />