BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
o0o NGÔ THỊ NGỌC TRÌNH NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN QUY TRÌNH THU NHẬN
KAPPA-CARRAGEENAN CHẤT LƯỢNG CAO
TỪ RONG SÚ KAPPAPHYCUS STRIATUM TRỒNG
TẠI CAM RANH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD : TS. PHAN THỊ KHÁNH VINH
Nha Trang, năm 2013 i PHIẾU ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Ngô Thị Ngọc Trình Lớp: 51TP-3
Ngành : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực
hiện đồ án tốt nghiệp này.
Em cũng xin cảm ơn các thầy cô Khoa Công nghệ Thực phẩm, Viện
Công nghệ Sinh học đã tạo mọi điều kiện cho em thực hiện tốt đồ án tốt
nghiệp. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các thầy cô trong
phòng thí nghiệm đã tận tình chỉ bảo cho em những điều chưa biết và sau khi
hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp em đã tích lũy cho mình một số kiến thức
và kinh nghiệm quý báu.
Cuối cùng em xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những người đã luôn
động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực tập vừa qua.
Nha trang, tháng 07 năm 2013
Sinh viên
Ngô Thị Ngọc Trình
iii MỤC LỤC
PHIẾU ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i
LỜI CẢM ƠN ii
1.3.6. Tính trương nở 14
1.3.7. Khả năng và cơ chế tạo gel 14
1.3.8. Phản ứng với protein 17
1.3.9. Khả năng tương tác với các chất khác 17
1.3.10 . Tính chịu nhiệt 18
1.3.11. Tính bền axit, kiềm 18
1.3.12. Tính hấp thụ tia hồng ngoại và màu 19
1.3.13. Phản ứng tạo tủa 19
1.4. Một số quy trình công nghệ sản xuất carrgeenan 20
1.4.1. Quy trình sản xuất kappa-carrageenan 20
1.5. Ứng dụng của carrageenan 26
CHƯƠNG 2.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU30
2.1. Đối tượng nghiên cứu 30
2.2. Phương pháp nghiên cứu 30
2.2.1. Sơ đồ nghiên cứu chung 31
2.2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm chiết và đánh giá chất lượng carrageenan theo
quy trình Vniro 32
2.2.3. Quy trình sản xuất kappa - carrageenan dự kiến 34
2.2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quá trình xử lý kiềm 35
2.3. Phương pháp phân tích 41
2.4. Phương pháp xử lý số liệu 42 v CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 44
3.1. Kết quả xác định thành phần hóa học của rong nguyên liệu 44
3.2. Kết quả xác định tính chất lý hóa của kappa-carrageenan từ rong sú 45
3.3. Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa quá trình xử lý kiềm dịch lọc
Bảng 2.2. Ma trận trực giao cấp 2 ba yếu tố 37
Bảng 2.3. Lặp lại thí nghiệm ở tâm phương án N0 ≥3 38
Bảng 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của nguyên liệu 44
Bảng 3.2. Bảng các thông số kỹ thuật của dung dịch carrageenan sau khi lọc
ly tâm 46
Bảng 3.3. Tính chất của gel kappa-carrageenan tự nhiên sau khi rã đông lần 1
48
Bảng 3.4. Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố thực nghiệm 48
Bảng 3.5. Ma trận trực giao cấp 2 ba yếu tố 49
Bảng 3.6. Kết quả thí nghiệm ở tâm phương án 50
Bảng 3.7. Kết quả kiểm tra mức có ý nghĩa của hệ số hồi quy 51
Bảng 3.8. Các số liệu dùng để kiểm định sự tương thích 52
Bảng 3.9. Kết quả tối ưu hóa công đoạn xử lí kiềm 54
Bảng 3.10. Tính chất của gel kappa-carrageenan 2% sau khi rã đông lần 1 55
Bảng 3.11. Điểm cảm quan về màu sắc của kappa-carrageenan 57
Bảng 3.12. Tính chất lí hóa của kapppa-carrageenan sau khi xử lí kiềm 58
Bảng 3.13. Kết quả kiểm tra vi sinh của kappa-carrageenan 59 vii Bảng 3.14. Bảng tính giá thành sản phẩm cho 100g kappa-carrageenan sấy
khô 66
viii
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, rong biển dần trở thành một thực phẩm phổ
biến trên thị trường và được người tiêu dùng ưa chuộng do có ý kiến cho rằng
rong biển là loài thực phẩm quý giá có nhiều chất dinh dưỡng tốt cho cơ thể
và phòng chống được nhiều bệnh tật.
Không chỉ thế, các sản phẩm được chế biến từ rong biển cũng mang
những tính chất ưu việt không kém, đặc biệt là việc chiết xuất carrageenan,
bởi phạm vi ứng dụng rộng rãi của nó.
Ở nước ta hiện nay, đa phần các công trình nghiên cứu sản xuất thu
nhận carrageenan tập trung vào đối tượng rong sụn Kappaphycus alvarezii,
hơn nữa các quy trình thu nhận carrageenan tinh chế đều thực hiện xử lý bã
rong trước hoặc trong quá trình nấu chiết với nồng độ kiềm khá cao 5 – 10%.
Điều này đòi hỏi nồi nấu phải chịu được kiềm và axit trong khi chất lượng
carrageenan (thông qua sức đông) không cao và chi phí sản xuất lại cao.
Để khắc phục nhược điểm này, Viện nghiên cứu Ứng dụng Nha Trang
đề xuất quy trình sản xuất carrageenan trong đó xử lý kiềm bằng KOH trong
dịch lọc sau khi nấu chiết. Tuy nhiên nghiên cứu chỉ mang tính chất thăm dò
chưa tối ưu hóa các thông số. Bên cạnh đó việc sử dụng KOH ngay trong quá
trình xử lý dịch lọc sẽ làm tăng nhiệt độ đông đặc của gel carrageenan, dẫn
đến khó khăn cho công đoạn trung hòa axit và đòi hỏi phải có thêm khâu gia
nhiệt để hòa tan gel trở lại. Đồng thời ở nhiệt độ cao việc bổ sung axit dẫn
đến giảm sức đông của thạch carrageenan.
Xuất phát từ thực tế đó và được sự phân công của Khoa Công nghệ
Thực phẩm, em thực hiện đề tài: “Nghiên cứu hoàn thiện quy trình thu
nhận kappa-carrageenan chất lượng cao từ rong sú Kappaphycus
striatum trồng tại Cam Ranh”.
Nha Trang, tháng 07 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Ngô Thị Ngọc Trình
3
CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ CARRAGEENAN
1.1 Nguyên liệu sản xuất carrageenan-rong sú Kappaphycus striatum [1],
[2], [3], [25], [12]
1.1.1 Tổng quan về rong sú [2], [12]
Loài Kappaphycus striatum phân bố tự nhiên ở vùng nhiệt đới Châu
Á, nhất là vùng Tây Thái Bình Dương, đặc biệt là Philippines và Indonesia.
K. striatum phát triển trên nền rạn nơi có đáy cát - san hô, nước lưu chuyển ở
mức trung bình và nằm ở vùng trung triều đến dưới triều.
Chi Kappaphycus bao gồm nhiều loài có giá trị kinh tế và là nguồn
nguyên liệu chính cho ngành công nghiệp chế biến Kappa-carrageenan. Loài K.
striatum có nguồn gốc từ Philippines đã được Viện Nghiên cứu và Ứng dụng
Công nghệ Nha Trang di nhập vào Việt Nam tháng 10 năm 2005.
Năm 2007, sản lượng rong khô thu được là 3.200 tấn rong khô/ năm
và chủ yếu xuất khẩu sang thị trường các nước như: Philippine, Nhật
Bản, , một số ít phục vụ cho thị trường nội địa [8].
1.1.2 Đặc điểm, hình thái của rong sú [1], [3]
Loài K. striatum thuộc họ Solieriaceae, bộ Gigartinales, ngành
Rhodophyta. Trước đây, K. striatum được xếp vào chi Eucheuma, đến năm
1988 dựa vào thành phần cấu trúc chủ yếu của Carrageenan, Doty đã tách ra
từ Eucheuma một chi mới và đặt tên là chi Kappaphycus.
Các dòng loài K. striatum chỉ tồn tại thời gian 7 - 9 ngày ở độ mặn
15‰. Ở độ mặn 20‰, loài K. striatum cũng không phát triển và tàn lụi dần
theo thời gian thí nghiệm. Tốc độ tăng trọng trung bình năm các dòng thuộc
loài K. striatum tại Cam Ranh và Khánh Hội lần lượt là 4,14% và 3,92%.
Chất lượng các dòng K. striatum payaka, K. striatum sacol tương đương
với K. alvarezii có hàm lượng Kappa-Carrageenan qua các vụ đều cao hơn
25% so với rong nguyên liệu, sức đông từ 600 - 1100 g.cm-1
Loài K. striatum có đặc tính rộng nhiệt sinh trưởng bình thường trong
mùa nhiệt độ cao 30 – 33
0
C và có thể phát triển trồng quanh năm tại các thủy
vực, vũng, vịnh, đầm phá ven biển [3].
1.1.3 Thành phần hóa học của rong sú [1], [25]
Những thành phần quan trọng nhất trong rong sú là cacbohydrat,
protein, lipit, sắc tố, vitamin,…
Chất khoáng trong rong sú chiếm tỷ lệ khá cao, có thể lên đến 49%
tùy vào độ mặn vùng trồng. Chính nhờ hàm lượng khoáng cao nên tạo lớp
muối trắng bao phủ rong khô, chính lớp muối này có tác dụng ức chế vi sinh
6
vật. Vì vậy, rong khô vẫn giữ được chất lượng dù độ ẩm trong rong
nguyên liệu lên đến 40% [25].
Trong rong sú, carrageenan là polysaccharide chiếm tỷ lệ nhiều nhất.
Phần lớn chúng có khối lượng phân tử trung bình 500- 1.000 kDa. Tuy nhiên
hàm lượng polysaccharide với khối lượng phân tử dưới 100 kDa có thể lên
đến 25% tùy loại rong. [25]
Nghiên cứu thành phần monosaccarit của rong sú Kappaphycus
Thành phần hóa
học cơ bản
Monosaccarite
A/GKhoáng
Protein
Carrageenan
3,6AG
6-O metylgalactose
manose
glucose
galactose
Na
2
SO
3K.alvarezii
Khánh Hội
48,2
7,73
46,8 9,41 1,02
0,63
0,36
0,8 13,14
8,94 0,72
K.striatum
(sacol green)
Cam Ranh
31,3
6,8 49,58
7,94 0,76
0,35
1,05
12,46
9,01 0,68
Carrageenan - - 100 26,53
- - 1,89
26,9 22,16
0,95
2
)
Màu nâu K.
striatum
26,11 ± 2,20 103,32 ± 28,30 1166,40 ± 188,49
Màu xanh K.
striatum
25,87 ± 2,33 112,04 ± 16,43 1085,86 ± 212,86
K. alvarezii 25,75 ± 2,59 111,42 ± 27,15 1051,06 ± 279,35
Hàm lượng và sức đông Carrageenan của dòng màu nâu và màu xanh
loài K.
striatum
lớn hơn loài K. alvarezii nhưng sự khác biệt này không có
ý nghĩa. Tương tự, sức đông
của
K. striatum và K. alvarezii sau 3 tháng
trồng sai khác không
lớn.
Trong rong sú có chứa nhóm sắc tố đặc trưng R-phycocythrine loại 1 có
màu đỏ, R-phycocyanin và allophycocyanin có màu xanh thẫm. Tỷ lệ các sắc
tố khác nhau sẽ tạo cho cây rong sú có những biến thể màu sắc khác nhau
như nâu, xanh lục
Loài K. striatum có dòng màu nâu và màu xanh tương tự về mặt
hình thái cấu tạo
bên
ngoài ngoại trừ màu sắc là khác nhau. Màu sắc cây
rong của dòng màu nâu từ màu nâu
nhạt
đến nâu đậm hoặc nâu đỏ. Dòng
Hàm lượng galactan chứa gốc sunfat 18 ÷ 40%.
Độ nhớt dung dịch 1,5% carrageenan ở 75
0
C không thấp hơn 5 cP,
tương ứng với khối lượng phân tử không thấp hơn 100 kDa.
Hàm lượng tro tối đa 40%.
Hàm lượng kim loại nặng (Cd, Pb, Sn, Hg) trong khoảng 1÷ 3 mg/kg
phụ thuộc từng loại kim loại nặng. [13]
1.2.3 Thị trường tiêu thụ và sản xuất
Trong những năm cuối thế kỉ 20, thị trường tiêu thụ carrageenan không
ngừng tăng. Theo thống kê số liệu năm 2009, sản lượng carrageenan sản xuất
toàn thế giới đạt 50000 tấn/năm. Trong đó 41% tổng sản lượng carrageenan
sản xuất tại Philippine, chủ yếu bởi công ty Marcel Corporation, MCPI,
Shemberg Corporation.
Bên cạnh đó phải kể đến các công ty: [11], [18]
FMC của Mỹ
CP Kelco của Mỹ
Danisco của Đan Mạch
10
Degussa của Đức
Ceamsa của Tây Ban Nha
Tại Việt nam, hiện nay để đáp ứng nhu cầu nội địa, đang xây dựng nhà
máy sản xuất bột rong sú với công suất 1.000 tấn/năm. [25]
1.3 Cấu trúc hóa học và tính chất của carrageenan [23], [17], [16], [14],
[7]
Carrageenan có cấu trúc chung là một polymer mạch thẳng với liên kết
phân tử của kappa-carrageenan là vòng xoắn kép bậc 3.
Hình 1.2 .Cấu trúc của kappa-carrageenan
1.3.2 Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan [9]
Iota-carrageenan cũng có cấu tạo tương kappa-carrageenan, ngoại trừ 3,6
anhydro-galactose bị sulphat hóa ở C2. Iota-carrageenan là carrageenan có nhóm
sulphat nhiều nhất trong mạch phân tử, cấu trúc là vòng xoắn kép bậc 2. Gel iota-
carrageenan có tính đàn hồi và mềm hơn so với kappa-carrageenan.
Hình 1.3. Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan
OSO
3
CH
2
OH
O
OH
O
O
O
OH
n
12
1.3.3 Cấu trúc hóa học của lamda-carrageenan
Trong mạch phân tử các đơn vị monomeric được xen kẽ với nhau, các
đơn vị gồm D-galactose-2-sunphat (1,3) và D-galactose-2,6-disunphat (1,4).
Các phân đoạn này đều có tính đa phân tán, nhưng chúng khác nhau về thành
phần ester sunphat và gốc quay quang. Lamda-carrgeenan có khối lượng
phân tử cao và mạch dài hơn kappa-carrageenan. Thành phần này cũng phụ
thuộc vào phương pháp, chế độ xử lý, nấu chiết và loại rong nguyên liệu.
Hình 1.4 Cấu trúc hóa học của lamda-carrageenan
1.3.4 Tính tan [8], [15]
Carrageenan tan với vận tốc khác nhau phụ thuộc vào loại, nhiệt độ, bản
chất dung môi.
Lamda-carrageenan tan trong nước ở nhiệt độ thường và mang tính ưa
nước nhất do trong phân tử có chứa ba nhóm sunfat. Kappa-carrageenan tan
hoàn toàn ở nhiệt độ khoảng 80
0
C [14]. Iota-carrageenan có chứa hai nhóm
sunfat vì thế hòa tan ở nhiệt độ khoảng 30 ÷ 40
0
2
OH
OSO
3
OSO
3
13
Bảng 1.3. Tính tan của carrageenan trong các môi trường khác nhau [8]
M
ô
i
tr
ư
ờ
ng
κ
-
Tan
N
ư
ớ
c
l
ạ
nh
-
-
Tan
trong
các
l
o
ạ
i
S
ữ
a
S
ữ
a
l
ạ
nh
(tetrasodium
pyrophophate)
Đặc hoặc tạo gel Đặc hoặc tạo gel
Tạo độ đặc
hoặc
tạo
gel
Dung dịch đường
Tan trong
dung
dung dịch lạnh
và nóng
Khó tan
Tan trong
dung
dịch nóng
tan
Không
tan Kappa-carrageenan và lamda-carrageenan hòa tan trong dung dịch
saccharose nóng ở nồng độ lớn hơn 65% và nhiệt độ 70
0
C, trong khi đó
iota-carrageenan không hòa tan dễ dàng trong dung dịch saccharose
nóng ở bất kì nhiệt độ nào. Iota-carrageenan có thể chịu được nồng độ
cao của các chất điện phân như NaCl ở nồng độ > 25% trong khi kappa-
carrageenan bị kết tủa.
1.3.5 Độ nhớt [22]
Độ nhớt của các dung dịch carrageenan phụ thuộc rất lớn vào từng loại
carrageenan, khối lượng phân tử, nồng độ và nhiệt độ.
Sự liên quan tỷ lệ thuận giữa độ nhớt và trọng lượng phân tử của
carrageenan có thể mô tả bằng công thức cân bằng của Mark-Houwink như
14
sau:
[η] = K (M
w
)
15
Hình 1.5. Sơ đồ mô hình quá trình tạo gel thuận nghịch về nhiệt của
carrageenan
Sự hình thành gel có thể gây ra bởi nhiệt độ thấp hoặc thêm các cation
với một nồng độ nhất định. Quá trình hình thành gel diễn ra phức tạp, được
thực hiện theo hai bước:
- Bước 1: Khi hạ nhiệt độ đến một giới hạn nào đó trong phân tử
carrageenan có sự chuyển cấu hình từ dạng cuộn ngẫu nhiên không có trật
tự sang dạng xoắn có trật tự. Nhiệt độ của quá trình chuyển đổi này phụ
thuộc vào dạng và cấu trúc các carrageenan, cũng như phụ thuộc vào dạng và
nồng độ của muối thêm vào dung dịch carrageenan. Do đó, mỗi một dạng
carrageenan có một điểm nhiệt độ tạo gel riêng.
- Bước 2: Gel của các polyme xoắn có thể thực hiện ở các cấp độ xoắn.
Trong trường hợp đầu, sự phân nhánh và kết hợp lại sẽ xuất hiện cấp độ
16
xoắn thông qua sự hình thành không đầy đủ của xoắn kép, theo hướng đó
mỗi chuỗi tham gia vào xoắn kép với hơn một chuỗi khác. Trong trường
hợp thứ hai, các phần đã phát triển đầy đủ của đa xoắn tụ hợp lại tạo thành
gel. Còn dưới các điều kiện không tạo gel, ở các nồng độ polyme thấp sự
hình thành và hợp lại của các xoắn sẽ dẫn đến tăng độ
nhớt.
Có
Không Không
Tính ổn định khi
l
àm đông / tan giá
Không
Có
Có Đặc tính tạo gel của các loại carrageenan khác nhau như sau:
Kappa-carrageenan: Tạo gel bền, rắn chắc với K
+
, đồng thời tạo gel
giòn, dễ vỡ.
Iota-carrageenan: Gel đàn hồi, nó kết tủa khi có mặt Ca
2+
, đồng thời gel
bền trong quá trình làm đông và rã đông.
Lamda- carrageena: Không tạo gel, dung dịch có độ nhớt cao.
Copyright: Tài liệu đại học ©