Chuẩn bị thân thiện với môi trường các chitooligosaccharides với các mức độ deacetyl hóa khác nhau từ chất thải vỏ tôm và tác động của chúng lên sự nảy mầm của hạt lúa mì

Marine Life Science and Technology - Tập 1 Số 1 - Trang 95-103 - 2019
Xiaodan Fu1, Lin Zhu1, Li Li1, Tan Zhang1, Meng Li1, Haijin Mou1
1College of Food Science and Engineering, Ocean University of China, No. 5 Yushan Road, Qingdao, 266003, China

Tóm tắt

Trừu tượngQuá trình sản xuất chitosan và các dẫn xuất của nó bằng các phương pháp truyền thống liên quan đến việc sử dụng quá mức dung dịch phản ứng bao gồm natri hydroxide và axit hydrochloric. Nước thải phát sinh từ quá trình này đã giới hạn ứng dụng của chitosan như một loại phân bón vì quá trình này gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Cụ thể, nước thải thu được chứa nồng độ nitơ và khoáng chất hòa tan cao từ vỏ tôm. Trong nghiên cứu này, một phương pháp thân thiện với môi trường đã được thiết lập để sản xuất chitooligosaccharides (COS) với các mức độ deacetyl hóa khác nhau (DDA) từ chất thải vỏ tôm. Ở tỷ lệ rắn so với dung môi 1:6, mức độ khử khoáng đạt trên 90% với việc xử lý 30 g·L−1 H3PO4, và mức độ khử protein đạt trên 80% khi được xử lý với 30 g·L−1 KOH ở 70 °C. Các chitosan với các DDA khác nhau đã được thu obtained bằng phương pháp metathesis KOH hỗ trợ vi sóng và COS với Mw khoảng 1500 Da sau đó được chuẩn bị bằng phương pháp phân hủy oxy hóa. Tóm lại, trong quá trình khử khoáng, khử protein và khử acetyl hóa của 100 kg chất thải vỏ tôm, đã cung cấp 33.73 kg H3PO4, 12.77 kg và 241.31 kg KOH, tương ứng. Nước thải từ quá trình này đã được tái chế hoàn toàn, chứng minh rằng vỏ tôm có thể được chuyển đổi hoàn toàn thành phân bón. Toàn bộ quá trình đã tạo ra một sản phẩm với các tỷ lệ N:P2O5:K2O:COS = 7.94:24.44:10.72:18.27. Thí nghiệm về sự thúc đẩy nảy mầm của hạt lúa mì cho thấy COS với DDA 72.12% đã thúc đẩy đáng kể quá trình nảy mầm. Công trình này đã chứng minh việc sử dụng một phương pháp chuẩn bị thân thiện với môi trường cho COS với một mức độ deacetyl hóa cụ thể có thể được áp dụng như một loại phân bón.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Aam BB, Heggset EB, Norberg AL, Sørlie M, Vårum KM, Eijsink VG (2010) Production of chitooligosaccharides and their potential applications in medicine. Mar Drugs 8:1482–1517

Al Sagheer FA, Al-Sughayer MA, Muslim S, Elsabee MZ (2009) Extraction and characterization of chitin and chitosan from marine sources in Arabian Gulf. Carbohydr Polym 77:410–419

Attucci S, Carde J, Raymond P, Saint-Gès V (1991) Oxidative phosphorylation by mitochondria extracted from dry sunflower seeds. Plant Physiol 95:390–398

Bajaj M, Winter J, Gallert C (2011) Effect of deproteination and deacetylation conditions on viscosity of chitin and chitosan extracted from Crangon crangon shrimp waste. Biochem Eng J 56:51–62

Bellasio C, Fini A, Ferrini F (2014) Evaluation of a high throughput starch analysis optimised for wood. PLoS One 9:e86645

Benhabiles MS, Salah R, Lounici H, Drouiche N, Goosen MFA, Mameri N (2012) Antibacterial activity of chitin, chitosan and its oligomers prepared from shrimp shell waste. Food Hydrocoll 29:48–56

Bewley JD (1997) Seed germination and dormancy. Plant Cell 9:1055–1066

Cabrera J, Messiaen J, Cambier P, Cutsem P (2006) Size, acetylation and concentration of chitooligosaccharide elicitors determine the switch from defence involving PAL activation to cell death and water peroxide production in Arabidopsis cell suspensions. Physiol Plantarum 127:44–56

Cristóbal LV, Chirinos A, Tacoronte M, Mora A (2012) Chitosan oligomers as bio-stimulants to zucchini (Cucurbitapepo) seed germination. Agric (Poľnohospodárstvo) 58:113–119

Guerin JR, Lance RCM, Wallace W (1992) Release and activation of barley beta-amylase by malt endopeptidases. J Cereal Sci 15:5–14

Hameed A, Sheikh MA, Farooq T, Basra SMA (2013) Chitosan priming enhances the seed germination, antioxidants, hydrolytic enzymes, soluble proteins and sugars in wheat seeds. Agrochimica 57:32–46

Hamel LP, Beaudoin N (2010) Chitooligosaccharide sensing and downstream signaling: contrasted outcomes in pathogenic and beneficial plant-microbe interactions. Planta 232:787–806

Holanda HD, Netto FM (2006) Recovery of components from shrimp (Xiphopenaeus kroyeri) processing waste by enzymatic hydrolysis. J Food Sci 71:298–303

John S, Pratya C, Gauri SM (2006) Chitin extraction from black tiger shrimp (Penaeus monodon) waste using organic acids. Sep Sci Technol 41:1135–1153

Kananont N, Pichyangkura R, Chanprame S, Chadchawan S, Limpanavech P (2010) Chitosan specificity for the in vitro seed germination of two Dendrobium orchids (Asparagales: Orchidaceae). Sci Hortic 124:239–247

Kochert G (1978) Carbohydrate determination by phenolsulphuric acid method. In: Hellebust JA, Craigie JS (eds) Handbook of phycological methods: physiological and biochemical methods. Cambridge University Press, Cambridge, pp 95–97

Kumari S, Rath P, Sri Hari Kumar A, Tiwari TN (2015) Extraction and characterization of chitin and chitosan from fishery waste by chemical method. Environ Technol Innov 3:77–85

Kuraś M (1986) Activation of rape (Brassica napus L.) embryo during seed germination. IV. Germinating embryo. The first zones of mitoses, starch and DNA synthesis and their expansion pattern. Acta Soc Bot Poloniae 55:539–563

Lan W, Wang W, Yu Z, Qin Y, Luan J, Li X (2016) Enhanced germination of barley (Hordeum vulgare L.) using chitooligosaccharide as an elicitor in seed priming to improve malt quality. Biotechnol Lett 38:1935–1940

Lowry OH, Rosebrough NJ, Farr AL, Randall RJ (1951) Protein measurement with the Folin phenol reagent. J Biol Chem 193:265–275

Ma LJ, Li YY, Wang LL, Li XM, Liu T, Bu N (2014a) Germination and physiological response of wheat (Triticum aestivum) to pre-soaking with oligochitosan. Int J Agric Biol 16:766–770

Ma Z, Wang W, Wu YP, He Y, Wu T (2014b) Oxidative degradation of chitosan to the low molecular water-soluble chitosan over peroxotungstate as chemical scissors. PLoS One 9:e100743

Maness N (2010) Extraction and analysis of soluble carbohydrates. In: Sunkar R (ed) Plant stress tolerance: methods and protocols, 2nd edn. Springer, New York, pp 341–370

Mohammed MH, Williams PA, Tverezovskaya O (2013) Extraction of chitin from prawn shells and conversion to low molecular mass chitosan. Food Hydrocoll 31:166–171

Mohan BH, Malleshi NG, Koseki T (2010) Physico-chemical characteristics and non-starch polysaccharide contents of Indica and Japonica brown rice and their malts. LWT Food Sci Technol 43:784–791

Müntz K, Becker C, Pancke J, Schlereth A, Fischer J, Horstmann C, Kirkin V, Neubohn B, Senyuk V, Shutov A (1998) Protein degradation and nitrogen supply during germination and seedling growth of vetch (Vicia sativa L.). J Plant Physiol 152:683–691

Nandi S, Das G, Sen-Mandi S (1995) β-Amylase activity as an index for germination potential in rice. Ann 75:463–467

Nyachiro JM, Clarke FR, DePauw RM, Knox RE, Armstrong KC (2002a) Temperature effects on seed germination and expression of seed dormancy in wheat. Euphytica 126:123–127

Nyachiro JM, Clarke FR, DePauw RM, Knox RE, Armstrong KC (2002b) The effects of cis-trans ABA on embryo germination and seed dormancy in wheat. Euphytica 126:129–133

Osman AM (2002) The advantages of using natural substrate-based methods in assessing the roles and synergistic and competitive interactions of barley malt starch-segrading enzymes. J Inst Brewing 108:204–214

Percot A, Viton C, Domard A (2003) Optimization of chitin extraction from shrimp shells. Biomacromol 4:12–18

Sannan T, Kurita K, Iwakura Y (1976) Studies on chitin, 2. Effect of deacetylation on solubility. Makromol Chem Phys 177:3589–3600

Singkhornart S, Edou-ondo S, Ryu GH (2014) Influence of germination and extrusion with CO2 injection on physicochemical properties of wheat extrudates. Food Chem 143:122–131

Sopanen T, Laurièr EC (1989) Release and activity of bound beta-amylase in a germinating barley grain. Plant Physiol 89:244–249

Synowiecki J, Al-Khateeb NA (2000) The recovery of protein hydrolysate during enzymatic isolation of chitin from shrimp Crangon crangon processing discards. Food Chem 68:147–152

Tawaha ARA, Al-Tawaha M, Al-Ghzawi AL, Al-Ghzawi A (2013) Effect of chitosan coating on seed germination and salt tolerance of lentil (Lens culinaris L.). Res Crop 14:489–491

Vander P, Domard A, El Gueddari NE, Moerschbacher BM (1998) Comparison of the ability of partially N-acetylated chitosans and chitooligosaccharides to elicit resistance reactions in wheat leaves. Plant Physiol 118:1353–1359

Viarsagh MS, Janmaleki M, Pisheh HF, Masoumi SJ (2010) Chitosan preparation from persian gulf shrimp shells and investigating the effect of time on the degree of deacetylation. J Paramed Sci 1:2–7

Yen MT, Yang JH, Mau JL (2009) Physicochemical characterization of chitin and chitosan from crab shells. Carbohydr Polym 75:15–21

Younes I, Hajji S, Frachet V, Rinaudo M, Jellouli K, Nasri M (2014) Chitin extraction from shrimp shell using enzymatic treatment. Antitumor, antioxidant and antimicrobial activities of chitosan. Int J Biol Macromol 69:489–498

Younes I, Hajji S, Rinaudo M, Chaâbouni M, Jellouli K, Nasri M (2016) Optimization of proteins and minerals removal from shrimp shells to produce highly acetylated chitin. Int J Biol Macromol 84:246–253

Zhang H, Shen WB, Zhang W, Xu LL (2005) A rapid response of beta-amylase to nitric oxide but not gibberellin in wheat seeds during the early stage of germination. Planta 220:708–716

Zhang Y, Xue C, Li Z, Zhang Y, Fu X (2006) Preparation of half-deacetylated chitosan by forced penetration and its properties. Carbohydr Polym 65:229–234

Zhao M, Zhang H, Yan H, Qiu LL, Baskin CC (2018) Mobilization and role of starch, protein, and fat reserves during seed germination of six wild grassland species. Front Plant Sci 9:234

Zhu L, Adedeji AA, Alavi S (2017) Effect of germination and extrusion on physicochemical properties and nutritional qualities of extrudates and tortilla from wheat. J Food Sci 82:1867–1875