Báo cáo Điều chế glucosamine hydrochlodire từ vỏ tôm

Chitosan có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, y dược và bảo vệ môi trường như: sản xuất glucosamin, chỉ khâu phẫu thuật, thuốc kem, vải, sơn, chất bảo vệ hoa quả,

KHOA SƯ PHẠM KHOA HỌC – TỰ NHIÊN

BÀI BÁO CÁO:

BỘ GIÁO DỤC – ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP

ĐIỀU CHẾ GLUCOSAMINE HYDROCHLODIRE TỪ VỎ TÔM

NHÓM 5

Đồng Tháp, , tháng , năm 2024

Giảng viên Bùi Thị Minh Nguyệt

Thành viên Trương Gia Phú

Nguyễn Quốc Đăng Khoa Phạm Chí Hùng

Nguyễn Ngọc Tường Nghi Nguyễn Hoàng Anh

Mục lục

A MỞ ĐẦU 2

1 Tính cấp thiết 2

2 Tổng quan 2

2.1 Nguồn gốc và sự tồn tại chitin - chitosan trong tự nhiên 2

2.2 Cấu trúc hoá học, tính chất lý hoá của chitin 3

2.3 Cấu trúc hóa học, tính chất lý hóa của glucosamin 5

2.4 Cấu trúc hóa học và tính chất vật lý một số muối của glucosamin 6

B NỘI DUNG CHÍNH 7

1 Mục tiêu 7

2 Nguyên liệu: 7

3 Hóa chất 7

4 Thiết bị: 8

5 Pha hóa chất 8

6 Cách tiến hành 8

7 Quy trình tổng hợp điều chế chitin, chitosan và glucosamin hydrochlorua (glu.HCl) 13

C KẾT QUẢ 14

D KẾT LUẬN 14

1 Quá trình khử khoáng 14

2 Quá trình loại bỏ protein 14

3 Quá trình tẩy màu (loại bỏ astaxanthin) 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

A MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Giáp xác là nguồn nguyên liệu thủy sản dồi dào chiếm 1/3 tổng sản lượng nguyên liệu thủy sản ở Việt Nam Trong công nghiệp chế biến thủy sản xuất khẩu, tỷ lệ cơ cấu các mặt hàng đông lạnh giáp xác chiếm từ 70 - 80% công suất chế biến Hàng năm các nhà máy chế biến đã thải bỏ một lượng phế liệu giáp xác khá lớn khoảng 70.000 tấn/năm

Nguồn phế liệu này là nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp sản xuất chitin 1, chitosan 2, glucosamin 3 và các sản phẩm có giá trị khác Do vậy việc nghiên cứu

và phát triển sản xuất các sản phẩm từ vỏ tôm là rất quan trọng, để nâng cao giá trị

sử dụng phế liệu này và làm sạch môi trường

Sản phẩm chitin - chitosan đã có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế Chitin có ứng dụng làm da nhân tạo và là nguyên liệu trung gian cho các chất quan trọng như chitosan, glucosamin và các chất có giá trị khác Chitosan có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, y dược và bảo vệ môi trường như: sản xuất glucosamin, chỉ khâu phẫu thuật, thuốc kem, vải, sơn, chất bảo vệ hoa quả, bảo vệ môi trường Với khả năng ứng dụng rộng rãi của chitin – chitosan mà nhiều nước trên thế giới và cả Việt Nam đã nghiên cứu sản xuất các sản phẩm này

Ở người già, chức năng cũng như cấu tạo của khớp có nhiều thay đổi, các tế bào của khớp thoái hoá, trở nên kém linh động Gân và dây chằng phân đoạn, đóng vôi, khô cằn, trở nên kém bền bỉ, kém co dãn, không chịu được căng lực và dễ bị tổn thương Sụn trở nên đục màu, xơ hóa, gai xương, khô nước, rạn nứt với nhiều tinh thể canxi làm khớp đau Khớp co duỗi khó khăn vì màng hoạt dịch mỏng và khô dần

Glucosamin là một hoạt chất quý được sản xuất từ vỏ tôm thông qua nguyên liệu trung gian là chitin hoặc chitosan Glucosamin chủ yếu được sử dụng trong y học chữa bệnh thoái hoá khớp

2 Tổng quan

2.1 Nguồn gốc và sự tồn tại chitin - chitosan trong tự nhiên

Ÿ Chitin - chitosan là một polysacharit tồn tại trong tự nhiên với sản lượng rất lớn (đứng thứ hai sau xellulose) Trong tự nhiên chitin tồn tại trong cả động vật và thực vật

Ÿ Trong động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng của các vỏ một số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn Trong động vật bậc cao monome của chitin là một thành phần chủ yếu trong mô

da nó giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da Trong thực vật chitin có

ở thành tế bào nấm họ Zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo

Ÿ Chitin - chitosan là polysacharit có đạm không độc, có khối lượng phân tử lớn Cấu trúc của chitin là tập hợp các monosacharit (N-acetyl-β-D-glucosamin) liên kết với nhau bởi các cầu nối glucozit và hình thành một mạng các sợi có tổ chức Hơn nữa chitin tồn tại rất hiếm ở trạng thái tự do và hầu như luôn luôn nối bởi các cầu nối đẳng trị (coralent) với các protein, CaCO3 và các hợp chất hữu cơ khác

Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin -chitosan chiếm khá cao dao động từ 14 – 35% so với trọng lượng khô Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin - chitosan

- Chitin có dạng công thức giống với xellulose

2.2 Cấu trúc hoá học, tính chất lý hoá của chitin

2.2.1 Cấu trúc hoá học của chitin

Ÿ Chitin 1 có cấu trúc tinh thể rất chặt chẽ và đều đặn Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta đã chứng minh được chitin tồn tại ở ba dạng cấu hình: α, β, γ -chitin

Ÿ Các dạng này của chitin chỉ do sự sắp xếp khác nhau về hướng của mỗi

mắt xích (N-acetyl-D-glucosamin) trong mạch

Ÿ Có thể biểu diễn mỗi mắt xích này bằng mũi tên sao cho phần đầu của mũi tên chỉ nhóm –CH2OH, phần đuôi chỉ nhóm –NHCOCH3, thì các cấu trúc α, β, γ -chitin được mô tả như sau:

+ α - chitin có cấu trúc các mạch được sắp xếp ngược chiều nhau đều đặn, nên ngoài liên kết hydro trong một lớp và hệ chuỗi, nó còn có liên kết hydro giữa các lớp do các chuỗi thuộc lớp kề nhau nên rất bền vững Do các mắt xích sắp xếp đảo chiều, xen kẽ thuận lợi về mặt không gian và năng lượng Đây cũng là dạng phổ biến trong tự nhiên

+ β, γ - chitin do mắt xích ghép với nhau theo kiểu song song (β - chitin) và hai song song một ngược chiều (γ - chitin), giữa các lớp không có loại liên kết hydro Dạng β - chitin cũng có thể chuyển sang dạng α - chitin nhờ quá trình axetyl hóa cho cấu trúc tinh thể bền vững hơn

Ÿ Qua nghiên cứu về sự thủy phân chitin bằng enzym hay axit HCl đậm đặc thì người ta thấy rằng chitin có cấu trúc là một polyme được tạo thành từ các đơn vị N-Acetyl-β-D-glucosamin liên kết với nhau bởi liên kết β-(1-4) glucozit

Công thức cấu tạo của chitin:

+ Tên gọi: Poly(1-4)-2-acetamido-2-deoxy-β-D-glucose; Poly(1-4)-2-acetamido-2-deoxy-β-D-glucopyranose

+ Công thức phân tử: [C8H13O5N]n

+ Phân tử lượng: Mchitin = (203,09)n

2.2.2 Tính chất lý hoá của chitin

- Chitin có màu trắng hay màu trắng phớt hồng, dạng vảy hoặc dạng bột, không mùi, không vị, không tan trong nước, trong môi trường kiềm, axit loãng và các dung môi hữu cơ như ete, rượu Nhưng tan trong dung dịch đặc nóng của muối thioxianat liti (LiSCN) và thioxianat canxi (Ca(SCN)2) tạo thành dung dịch keo, tan được trong hệ dimetylacetamid - LiCl 8%, tan trong hexafluoro-isopropyl alcohol (CF3CHOHCF3) và hexafluoracetone sesquihydrate (CF3COCF3.H2O)

- Chitin ổn định với các chất oxy hoá mạnh như thuốc tím (KMnO4); oxy già (H

2O2); nước javen (NaOCl - NaCl) , lợi dụng tính chất này mà người ta sử dụng các chất oxy hoá trên để khử màu cho chitin

- Khi đun nóng trong dung dịch NaOH đậm đặc (40 - 50%), ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan:

- Khi đun nóng trong axit HCl đậm đặc, ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị cắt mạch thu được glucosamin:

- Phản ứng este hóa:

+ Chitin tác dụng với HNO3 đậm đặc cho sản phẩm chitin nitrat

+ Chitin tác dụng với anhydrit sunfuric trong pyridin, dioxan và N,N-dimetylanilin cho sản phẩm chitin sunfonat

2.3 Cấu trúc hóa học, tính chất lý hóa của glucosamin

- Khi thủy phân chitin trong môi trường axit HCl đậm đặc, các mối nối amid và osid đều bị phá hủy do đó thu được glucosamin 3 (là monome của chitosan)

- Yếu tố nồng độ axit và nhiệt độ thủy phân rất quan trọng, nếu nồng độ của axit không thích hợp thì quá trình deacetyl hóa và deosid chỉ dừng lại giới hạn nhất định, nếu nhiệt độ không thích hợp thì sản phẩm cuối cùng là glucosamin có thể

bị giáng hóa thành những phân tử đơn giản hơn

Công thức cấu tạo của glucosamin:

+ Tên UIPAC: (3R,4R, 5S, 6R)-3-amino-6-(hydroxymethyl)oxane-2,4,5-triol

+ Tên gọi khác: 2-Amino-2-deoxy-D-glucose; 2-amino-2-deoxy-B-D-glucopyranose; chitosamine; D-glucosamine; D-(+)- glucosamine

+ Công thức phân tử: C6H13O5N

+ Phân tử lượng: Mglucosamin = 179,17

- Glucosamin là chất rắn dạng tinh thể, không màu, không mùi, điểm nóng chảy 88°C, điểm phân hủy 110°C, tan được trong nước và trong methanol sôi, hơi tan trong methanol hoặc ethanol, không tan trong ether và chloroform

- Một số phản ứng của glucosamin

Ÿ Phản ứng tráng bạc

Giống như glucose, glucosamin cho phản ứng tráng bạc khá rõ ràng

C5H12O4NCHO + 2[Ag(NH3)]OH 50→ ℃ C5H12O4NCOONH4 + 2Ag↓ + 3NH3 + H

2O

• Phản ứng với Cu(OH)2

Sản phẩm có màu xanh nhạt

Ÿ Phản ứng với C6H5CH=O

Phản ứng xác nhận có mặt của NH2 Bazơ Shiff tạo ra dưới dạng keo sánh màu nâu

2.4 Cấu trúc hóa học và tính chất vật lý một số muối của glucosamin

Trong thực tế, một số dẫn xuất của glucosamin được sử dụng làm nguyên liệu làm thuốc

2.4.1 Glucosamin hydroclorua.

Công thức cấu tạo:

+ Tên gọi khoa học: 2-amino-2-deoxy-D-glucopyranose hydrochloride; Chitosamine hydrochloride; D-glucosamine hydrochloride; D-(+)-glucosamine hydrochloride

+ Công thức phân tử: C6H13O5N.HCl

+ Phân tử lượng: Mglucosamin.HCl = 215,63

+ Glucosamin hydroclorua là chất rắn dạng tinh thể màu trắng, không mùi + Điểm nóng chảy 190 - 194°C

+ Độ tan trong nước 0,1 g/ml

2.4.2 Glucosamin sulfat

Công thức cấu tạo:

+ Tên gọi khoa học: 2-Amino-2-deoxy-D-glucose sulfate; D-glucosamine sulfate

+ Công thức phân tử: C6H13O5N.H2SO4

+ Phân tử lượng: Mglucosamin.H2SO4 = 277,24

2.4.3 Acetyl glucosamin

Công thức cấu tạo:

+ Tên gọi khoa học: 2-Acetoamido-2-deoxy-D-glucopyranose; N-acetyl-D-(+)-glucosamine; N-acetyl-β-D-glucosaminide; N-acetylchitosamine

+ Công thức phân tử: C8H15O6N

+ Phân tử lượng: Macetylglucosamin = 221,21

+ Điểm nóng chảy: 201 - 210°C

+ Độ tan trong nước: 0,1 g/ml

B NỘI DUNG CHÍNH

1 Mục tiêu

Thu được glucosamine hydrocholide từ vỏ tôm

2 Nguyên liệu:

Vỏ tôm

3 Hóa chất

Dung dịch HCl 10% và 36%, dung dịch NaOH 5%, dung dịch H2O2 1%, cồn 96o

, KMnO4, oxalic acid (C2H2O4), acetic acid (CH3COOH), methanol, ethanol, than hoạt tính, giấy quỳ tím

4 Thiết bị:

Bếp đun, bình tam giác, bình cầu, ống sinh hàn, cân, máy xay, ống đong, cốc, đũa thủy tinh, phễu lọc, giấy lọc Nhiệt kế, bình hút ẩm, máy khuấy từ gia nhiệt, sinh hàn, dụng cụ lọc,

5 Pha hóa chất

Pha NaOH 5%

200ml dung dịch NaOH 5% - Pha từ NaOH rắn (D = 1,09g/ml)

* Bước 1: Tính toán

* Bước 2: Chuẩn bị

NaOH rắn, nước cất, cân điện tử, cốc thủy tinh, đũa thủy tinh, bình định mức 200ml

* Bước 3: Tiến hành

Cân 10.9g NaOH rắn cho vào cốc thủy tinh Thêm vào cốc khoảng 100ml nước cất, khuấy đều bằng đũa thủy tinh cho đến khi NaOH tan hết Rót dung dịch vào bình định mức 200ml Thêm tiếp nước cất vào bình định mức cho đến khi phần lõm của dung dịch ngang với vạch định mức thì dừng lại Đậy nắp bình định mức

và lắc đều Kết quả thu được 200ml dung dịch NaOH 5%

* Lưu ý: Khi hòa tan NaOH xảy ra quá trình Solvat hóa, nhiệt độ dung dịch tăng cao nguy hiểm và ảnh hưởng đến độ chính xác của dụng cụ đo

Pha HCl 10%

500ml dung dịch HCl 10% (D=1,047g/ml) từ HCl đặc 36% (D=1,18g/ml)

* Bước 1: Tính toán

* Bước 2: Chuẩn bị

HCl đặc, nước cất, pipet, bình định mức 500ml, cốc thủy tinh

* Bước 3: Tiến hành:

Chuẩn bị sẵn 100ml nước cất đựng trong cốc thủy tinh Dùng pipet hút 123ml HCl đặc 36%, sau đó cho vào cốc nước cất đã chuẩn bị Rót dung dịch vào bình định mức 500ml Thêm tiếp nước cất vào bình định mức cho đến khi phần lõm của dung dịch ngang với vạch định mức thì dừng lại Đậy nắp bình định mức và lắc đều Kết quả thu được 500ml dung dịch HCl 10%

* Lưu ý: Acid HCl 36% dễ bay hơi (bốc khói) trong không khí, khi pha loãng dd HCl 36% cần pha ở nơi thông thoáng

6 Cách tiến hành

Bước 1 Khử khoáng trong vỏ tôm

Vỏ tôm được rửa sạch bằng nước để loại bỏ các tạp chất còn sót lại trong vỏ tôm như thịt tôm, dịch tôm, lipid, sau đó sấy khô xay nhỏ Cân khoảng 40 gram vỏ tôm cho vào cốc thủy tinh 500ml, sau đó cho 500ml dung dịch HCl 10% vào ngâm ngập vỏ tôm bằng ở nhiệt độ phòng (chú ý rót dung dịch HCl từ từ vì CO

2 thoát ra rất mạnh), nhận thấy có hiện tượng sủi bọt mạnh, kiểm tra pH = 1 - 2 là được Ngâm trong khoảng 12 giờ, (thỉnh thoảng khuấy cho đến khi không có bọt khí thoát ra, thử pH vẫn còn tính acid)

Sau 12 giờ, vớt vỏ tôm ra và rửa nhiều lần bằng nước sạch đến khi nước rửa có môi trường trung tính (thử bằng giấy quỳ tím) Lúc này vỏ tôm có màu hồng nhạt

và mềm do đã được loại bỏ các tạp chất vô cơ

Bước 2 Khử protein trong vỏ tôm

Vỏ tôm thu được để ráo bớt nước sau đó cho vào bình cầu 500ml, đồng thời cho NaOH 5% vào cho đến khi ngập hoàn toàn vỏ tôm và kiểm tra pH = 11 - 12 Đun

ở nhiệt độ 90 – 95oC trong khoảng 3,5 - 4 giờ, lúc đun có lắp sinh hàn để tránh hiện tượng trào bọt ra ngoài và mùi khó chịu Sau khi phản ứng kết thúc đem sản phẩm đi rửa bằng nước thường đến pH = 7, sau đó tráng lại bằng nước cất Sản phẩm thu được có màu trắng phớt hồng

Bước 3 Tẩy màu, thu chitin sạch

Ngâm ngập chitin bằng 60ml H2O2 1%, để qua đêm trong khoảng 12 giờ ở nhiệt

độ phòng Lọc thu chất rắn, rửa sạch bằng nước, sấy khô ở 60°C thu được chitin sạch có màu trắng Cân sản phẩm

Bước 4 Điều chế glucosamine hydrochloride từ chitin

Cân 5g chitin khô cho vào bình cầu 250ml, sau đó thêm 40ml HCl 36% Đun cách thủy có lắp sinh hàn hồi lưu, khuấy đều và duy trì ở nhiệt độ khoảng 90-95oC Khi nhiệt độ hỗn hợp trong bình phản ứng đạt 65-70°C thì chitin bắt đầu tan rất nhanh tạo thành dung dịch màu nâu đen Sau khoảng 4 giờ, ngừng đun sản phẩm được lọc nóng để loại bỏ cặn bẩn, sau đó dịch lọc được tẩy màu bằng 1g than hoạt tính, vừa cho vừa khuấy đến khi hết màu, hỗn hợp được đun nóng ở 90oC, sau đó duy trì ở nhiệt độ 50-60°C trong thời gian 30 phút

Lọc nóng để thu lấy dung dịch Dịch lọc đem kết tinh ở nhiệt độ thấp bằng cách

để yên ở ngăn mát tủ lạnh trong 12 giờ Lọc lấy tinh thể, rửa bằng ethanol 96°C, sản phẩm sấy khô ở 60oC thu được glucosamine hydrochloride dạng tinh thể có màu trắng Dịch lọc còn lại sau kết tinh có chứa một lượng nhỏ glocosamine hydrochloride, được đem cô bớt dung dịch ỏ 60-65°C cho đến khi còn 1/3 thể tích, sau đó tiếp tục làm lạnh kết tinh và lọc, rửa bằng 96°C, sấy khô để thu hồi glucosamine hydrochloride

Cân khối lượng glocosamine hydrochloride thu được 2 lần kết tinh

7 Quy trình tổng hợp điều chế chitin, chitosan và glucosamin hydrochlorua (glu.HCl)

C KẾT QUẢ

- Mùi: không còn mùi tanh của vỏ tôm

- Độ khô của sản phẩm: khô

- Khối lượng glucosamine hydrochloride điều chế được:

D KẾT LUẬN

1 Quá trình khử khoáng

Trong vỏ tôm, thành phần khoáng chủ yếu là muối CaCO3, MgCO3 và rất ít Ca3(

PO4)2 Nên người ta thường dùng các loại axit như HCl, H2SO4 để khử khoáng Khi khử khoáng, nếu dùng HCl thì cho hiệu quả cao hơn Nếu dùng H2SO4 sẽ tạo muối khó tan nên ít sử dụng

MgCO3 + 2HCl → MgCl2 + CO2 + H2O

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O

Ca3(PO4)2 + 6HCl → 3CaCl2 + 2H3PO4

Trong quá trình rửa thì muối Cl- tạo thành được rửa trôi, nồng độ axit HCl có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của chitosan thành phẩm, đồng thời nó ảnh hưởng lớn tới thời gian và hiệu quả khử khoáng Nếu nồng độ HCl cao sẽ rút ngắn được thời gian khử khoáng nhưng sẽ làm cắt mạch do có hiện tượng thủy phân các liên kết

β-(1-4) glucozit để tạo ra các polyme có trọng lượng phân tử trung bình thấp, có khi bị thủy phân triệt để đến glucosamin Ngược lại nếu nồng độ HCl quá thấp thì quá trình khử khoáng sẽ không triệt để và thời gian xử lý kéo dài ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm

Tỷ lệ nguyên liệu và lượng axit HCl cũng ảnh hưởng tới hiệu quả khử khoáng Vì vậy, ở đây chọn dung dịch HC1 10% với tỷ lệ chitin/HCl là w/v = 1/5 và thời gian khử khoáng là 12 giờ (qua đêm) để đảm bảo quá trình khử khoáng xảy ra hoàn toàn

Sau khi khử khoáng tiến hành rửa trung tính, công đoạn này có tác dụng rửa trôi hết các muối, axit dư tan trong nước Quá trình rửa kết thúc khi dịch rửa cho pH = 7

2 Quá trình loại bỏ protein

Sau khi có vỏ tôm đã loại khoáng, tiến hành loại bỏ hoàn toàn protein bằng dung dịch NaOH 5%, protein bị kiềm thủy phân thành các amin tự do tan và được loại

ra theo quy trình rửa trôi Lượng NaOH 5% cho vào đến khi ngập toàn bộ vỏ tôm

và kiểm tra pH = 11 - 12, để đảm bảo việc loại bỏ protein được hoàn toàn Đun ở nhiệt độ 90 - 95°C trong khoảng 3,5 - 4 giờ (trong quá trình đun lưu ý vấn đề trào dung môi do tạo bọt nhiều và mùi bay ra khó chịu) Sản phẩm sau khi đun được rửa sạch bằng nước thường và nước cất đến pH = 7

Tiếp đó tiến hành rửa trung tính, nhằm mục đích rửa trôi hết các muối natri, các amin tự do và NaOH dư Sấy khô ở 60°C, thu được chitin thô

3 Quá trình tẩy màu (loại bỏ astaxanthin)

Chitin thô thu được có màu hồng nhạt do còn sắc tố astaxanthin Do chitin ổn định với các chất oxy hoá như thuốc tím (KMnO4), oxy già (H2O2), nước javen (NaOCl + NaCl), Na2S2O3, CH3COCH3, cho nên đã sử dụng H2O2 để khử màu cho chitin

Dùng H2O2 1% để tẩy màu Chitin thô (phân lập từ 40g vỏ tôm) cho vào cốc thuỷ tinh, sau đó cho 60ml dung dịch H O 1% vào ngập toàn bộ chitin, để qua đêm ở