Nghiên cứu tổng hợp dẫn xuất n (4 METOXIBENZILIĐEN) và khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính màu xanh RB19 của nó

Trong số các vật liệu sử dụng để để loại bỏ chất màu như: than hoạt tính, đất sét, tro bay, polysacarit… thì chitin/chitosan và dẫn xuất của nó được cho là vật liệu có khả năng hấp phụ t

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Trần Thị Ý

Nhi – Viện Hóa Học – Viện Khoa Học và công nghệ Việt Nam đã tận tình

hướng dẫn và truyền đạt cho tôi các phương pháp nghiên cứu khoa học và

những kinh nghiệm học thuật quý báu trong quá trình thực hiện luận văn

Đồng thời tôi xin cảm ơn thầy giáo Lê Cao Khải, cùng toàn thể các

thầy cô giáo trong khoa Hóa Học Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2, đã tạo

điều kiện cho tôi được tiếp thu những kiến thức chuyên môn về hóa học hữu

cơ và công nghệ môi trường để tôi có thể hoàn thành bài luận văn

Sinh viên

Lê Thị Minh Phượng

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG KHÓA LUẬN

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 10

1.1 Giới thiệu chung 10

1.1.1 Cấu trúc tinh thể 11

1.1.2 Tính tan 11

1.1.3 Khối lượng phân tử 12

1.1.4 Phương pháp điều chế chitin/chitosan 14

1.1.5 Tính chất hoá học 18

1.1.6 Một số sản phẩm biến tính chitin/chitosan 21

1.2 Ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất 29

1.2.1 Ứng dụng trong y dược 29

1.2.2 Ứng dụng trong nông nghiệp 29

1.2.3 Ứng dụng trong xử lí môi trường 30

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 40

2.1 Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu 40

2.1.1 Nguyên liệu, hóa chất 40

2.1.2 Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu 40

2.2 Thực nghiệm 41

2.2.1 Điều chế chitin/chitosan 41

2.2.2 Điều chế dẫn xuất N-(4-metoxybenzyliđen) chitosan 44

2.2.3 Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính của chitosan và dẫn xuất

45

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47

3.1 Điều chế chitin/chitosan 47

3.1.1 Điều chế chitin 47

3.1.2 Điều chế chitosan từ chitin theo phương pháp kiềm đặc kết hợp nhiệt độ cao 48

3.1.3 Điều chế chitosan có DA thấp 52

3.2 Tổng hợp dẫn xuất N-(4-metoxy benzyliđen) chitosan 56

3.2.1 Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-(4-metoxy benzyliđen) chitosan 56 3.2.2 Khảo sát phản ứng bằng phổ hồng ngoại (FT- TR) 58

3.2.3 Khảo sát bằng phổ X-Ray 59

3.2.4 Khảo sát sản phẩm phản ứng bằng TGA 60

3.2.5 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp các dẫn xuất 61

3.2.5.2 Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến hiệu suất phản ứng 61

3.2.5.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng 62

3.2.5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng 63

3.3 Khảo sát khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính của chitosan và dẫn xuất 64

3.3.1 Ảnh hưởng của pH 64

3.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ RB19 64

3.3.3 Ảnh hưởng của thời gian 65

KẾT LUẬN CHUNG 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của β-chitin 47

Hình 3.2: Phổ hồng ngoại của –chitosan 49

Hình 3.3: Phổ 1 -NMR của β-chitosan 50

Hình 3.4: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan 50

Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa /C và nồng độ chitosan 51

Hình 3.6: Phổ FT-IR của -chitosan theo phương pháp phá kết tinh 52

Hình 3.7: Phổ 1H-NMR của –chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn 53

Hình 3.8: Phổ 13C-NMR của –chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn 54

Hình 3.9: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan điều chế theo

phương pháp phá kết tinh 55

Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa /C và C 56

Hình 3.11: Phổ hồng ngoại của N-(4-metoxybenzyliđen)chitosan 58

Hình 3.12: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan và dẫn xuất N(4-metoxybenzyliđen)chitosan 59

Hình 3.13: Giản đồ phân tích nhiệt của chitosan (mẫu 1) và 4MBCh (mẫu 2). 60

Hình 3.14 : Ảnh hưởng của tỷ lệ nhóm alđehyt/amin đến hiệu suất phản ứng tổng hợp 4MBCh 61

Hình 3.15: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng tổng hợp các dẫn xuất của chitosan 62

Hình 3.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng tổng hợp hợp dẫn xuất N-(4-metoxybenzyliđen)chitosan 63

Hình 3.17: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính RB19 adsorption 64

Hình 3.18: Ảnh hưởng của nồng độ thuốc nhuộm 65

Hình 3.19: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính RB19 65

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Thành phần chính của một số nguyên liệu chứa chitin 42

Bảng 3.1 : Hàm lượng β-chitin trong mai mực ống 47

Bảng 3.2: Độ chuyển dịch hoá học của proton (1H) của chitosan 49

Bảng 3.3: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan tại các nồng độ khác nhau 51

Bảng 3.4: Độ chuyển dịch hóa học của proton (1H) của chitosan 53

Bảng 3.5: Độ dịch chuyển hóa học cacbon (13C) của Chitosan 54

Bảng 3.6: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan DA 0 55

Bảng 3.7: Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến hiệu suất tổng hợp dẫn xuất N-(4-metoxybenzyliđen)chitosan 62

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 1.1: Cấu tạo của Xenlulozo, Chitin, Chitosan 10

Sơ đồ 1.2: Điều chế chitosan 16

Sơ đồ 1.3: Quá trình sản xuất chitin / chitosan truyền thống 17

Sơ đồ 1.4: Công thức cấu tạo của chitin/chitosan 19

Sơ đồ 1.5: Phản ứng deaxetyl hóa chitin 20

Sơ đồ 1.6: Quá trình thuỷ phân chitosan bằng HCl 21

Sơ đồ 1.7: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-ankyl chitosan 22

Sơ đồ 1.8: Phản ứng ankyl hóa-khử của chitosan 22

Sơ đồ 1.9: Phản ứng ankyl hóa-khử của chitosan 23

Sơ đồ 1.10: Phản ứng điều chế chitosan liên kết ngang với glutaranđehyt 23

Sơ đồ 1.11: Phản ứng tổng hợp N,N,N-trimetyl chitosan 24

Sơ đồ 1.12: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan 24

Sơ đồ 1.13: Quá trình tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan 24

Sơ đồ 1.14: Cacboxy hóa chitosan trong môi trường axit levulinic 25

Sơ đồ1.15: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan đi từ chitosan có độ đeaxetyl hoá cao với axit monocloankanoic 26

Sơ đồ 1.16: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan đi từ chitosan và hợp chất có gốc hiđrocacbon không no chứa liên kết đôi trong môi trường axit 26

Sơ đồ 1.17: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O- axyl chitosan 27

Sơ đồ 1.18: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-cacboxyankyl chitosan 28

Sơ đồ 1.19: Phản ứng deaxetyl hoá glycol-chitin 28

Sơ đồ 3.1: Phản ứng đeaxetyl hóa chitin 48

BẢNG CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT TRONG KHÓA LUẬN

Độ đề axetyh hóa

Độ axetyl hóa N,N’-đimetyl axetamit

Độ polymer hóa trung bình D-glucosamin

N-axetyl-D-glucosamin Hồng ngoại

Lactic axit bacterial Khối lượng phân tử trung bình

CH3 Nuclear Magnetic Resonance - Cộng hưởng từ hạt nhân N-metyl-2-pyroliđon

MỞ ĐẦU

Chitin [poly-β-(1→4)-2-axetamiđo-2-đeoxy-D-glucopyranozơ], một

polysacarit với hàm lượng đứng hàng thứ hai trong tự nhiên sau xenlulozo, là

thành phần chính của vỏ các loài động vật giáp xác như: vỏ tôm, mai cua, mai

mực Chitosan là dẫn xuất của chitin thu được trong quá trình deaxetyl hóa

Chitin/chitosan có các tính chất đặc biệt như: kháng khuẩn, kháng nấm, chống

viêm, kháng virut, không độc, có tính hòa hợp sinh học và phân hủy sinh học

nên chúng được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực như: y học, dược phẩm, nông

nghiệp, mỹ phẩm, công nghệ môi trường [1,2]

Dệt nhuộm nước ta là ngành công nghiệp có mạng lưới sản xuất rộng lớn

với nhiều mặt hàng, nhiều chủng loại và có những bước phát triển mạnh mẽ

trong những năm gần đây Tuy nhiên, hàng năm ngành dệt nhuộm sử dụng

hàng triệu tấn thuốc nhuộm để nhuộm vải và tạo ra lượng lớn nước thải chứa

nhiều chất độc hại, màu của thuốc nhuộm còn làm mất vẻ mỹ quan của môi

trường nước Hơn thế nữa, trong môi trường kỵ khí, một số loại thuốc nhuộm

sẽ bị khử tạo thành những vòng amin thơm, đây là những loại chất độc gây ra

ung thư và biến dị cho người và động vật Các phương pháp xử lý nước thải dệt

nhuộm được áp dụng phổ biến là phương pháp hóa học (trung hòa, oxy hóa

khử bằng clo hoặc ozon), phương pháp sinh học, phương pháp hóa lý, công

nghệ màng điện hóa, hấp phụ Trong số các vật liệu sử dụng để để loại bỏ chất

màu như: than hoạt tính, đất sét, tro bay, polysacarit… thì chitin/chitosan và

dẫn xuất của nó được cho là vật liệu có khả năng hấp phụ thuốc nhuộm tốt và

có thể tái sử dụng Vì vậy, trước sự phát triển mạnh mẽ của ngành dệt nhuộm

và yêu cầu khắt khe về xử lý nước thải tránh gây ô nhiễm môi trường trong

những năm gần đây, việc tìm ra công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm đạt hiệu

quả cao, giá thành rẻ, ít sử dụng hóa chất, có tính sinh thái, thân thiện với môi

trường đã trở thành vấn đề cấp thiết

Nước ta có bờ biển dài hơn 3000km, với nguồn nguyên liệu thủy, hải sản

dồi dào, việc phát triển nghiên cứu về chitin/chitosan cũng như dẫn xuất của nó

nhằm mở rộng hơn nữa khả năng ứng dụng của loại vật liệu sinh học này đang

là mối quan tâm của khoa học Việt Nam Để góp phần nâng cao hiệu quả sử

dụng nguồn phế thải thủy, hải sản ở trong nước và góp phần vào công cuộc bảo

vệ môi trường, mục tiêu của luận văn đặt ra là:

Tách chitin từ mai mực ống vùng biển Hải Phòng và điều chế

-chitosan

- Tổng hợp dẫn xuất N-(4-metoxybenzyliđen)chitosan Khảo sát các

yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp các dẫn xuất

N-(4-metoxybenzyliđen)chitosan: tỷ lệ mol alđehyt/amin, nhiệt độ, thời gian phản

ứng, khối lượng phân tử của -chitosan

- Nghiên cứu khả năng hấp thụ thuốc nhuộm hoạt tính màu xanh RB19

của dẫn xuất N-(4-metoxybenzyliđen)chitosan

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung [1,3,24,34]

Trong số các polysaccarit thì xenlulozo và chitin là nguồn tài nguyên

sinh học tự nhiên phong phú nhất Xenlulozo được tổng hợp từ thực vật còn

chitin được tổng hợp chủ yếu từ động vật bậc thấp Chitin có cấu trúc tương tự

như xenlulozo, tên gọi "chitin" xuất phát từ tiếng Hilap "chiton" nghĩa là vỏ của

các loài giáp xác như tôm, cua, mai mực

Chitin được đánh giá là loại vật liệu có tiềm năng lớn nhưng cho đến nay

việc ứng dụng chitin vẫn chưa rộng rãi như xenlulozo Chitin là một polyme

sinh học với nhiều tính chất quý báu như khả năng phân huỷ sinh học và đặc

biệt là có hoạt tính sinh học nên nó không chỉ là nguồn tài nguyên sẵn có mà nó

còn là một loại vật liệu chức năng mới

Trong thực tế chitin và chitosan cùng tồn tại trong một phân tử polyme

vì vậy khái niệm chitin, chitosan chỉ là tương đối Khi polyme có tỷ lệ mắt xích

β(1→4)-D-glucozamin lớn hơn 50% (DDA>50% ) thì được gọi là chitosan và

ngược lại là chitin

1.1.1 Cấu trúc tinh thể [1,3,71]

Chitin là một loại polisaccarit mạch thẳng với khối lượng phân tử lớn

được tạo thành bởi mắt xích N-axetyl-D-glucozamin theo liên kết (1 4)

glucozit như kiểu liên kết các mắt xích D-glucozo ở xenlulozo Bằng phương

pháp nhiễu xạ tia X đã phát hiện chitin có 3 kiểu đa hình là: , , -chitin được

mô tả theo hình sau:

Chitin Chitin Chitin

- -chitin: có cấu trúc tinh thể mạng ghép đôi song song (một mạng

lên một mạng xuống liền nhau), -chitin thường được tách từ vỏ cua

- -chitin: các mạch ghép trong tinh thể theo cách ghép song song cùng

chiều, -chitin chủ yếu có trong mai mực nang sừng

- -chitin: có mạch ghép trong tinh thể theo 2 cách cứ 2 mạch song

song lại có 1 mạch đối song, -chitin được tách từ sợi kén của bọ cánh cứng,

dạ dày của mực ống, là loại có trữ lượng ít nhất

1.1.2 Tính tan [34,62]

Vì có liên kết hiđro chặt chẽ giữa các phân tử nên chitin thể hiện ái lực

hạn chế với phần lớn các dung môi Chitin thường ( -chitin) không tan và hầu

như không trương trong dung môi thông dụng mà chỉ tan trong một số dung

môi đặc biệt, ví dụ: N,N-đimêtylaxetamit (DMAC) có chứa 5-10% LiCl

Chitosan là một polyamin không tan trong nước cũng như dung môi hữu cơ

nhưng tan trong môi trường axit loãng Độ tan của chitosan phụ thuộc vào loại

axit và nồng độ axit trong dung dịch Khi xử lý chitin/chitosan trong môi

trường axit mạnh với nồng độ lớn thường xảy ra phản ứng depolyme hoá (cắt

mạch) làm giảm khối lượng phân tử polyme

1.1.3 Khối lượng phân tử [34]

Khối lượng phân tử của chitin/chitosan là thông số quan trọng nhưng

khó có thể xác định được chính xác do tính tan kém của chúng và sự đa dạng

về kiểu phân bố các nhóm axetyl cũng như mức độ axetyl hoá

Khối lượng phân tử của chitin tự nhiên, càng khó xác định vì nó tồn tại ở

dạng liên kết chặt chẽ với protein, muối khoáng cũng như hầu hết các chất

màu Hơn nữa độ dài mạch chính của chitin/chitosan có thể giảm trong quá

trình xử lý với axit và kiềm Khối lượng phân tử chitin sau khi tách khỏi

protein cũng như các chất khác được tính toán theo các phương pháp đo độ

nhớt, tán xạ ánh sáng, sắc ký thẩm thấu gel (GPC- gel Permeation

Chomatography) hoặc sắc ký loại trừ theo độ lớn phân tử (SEC- Site Exlusion

Chomatography) trong dung môi DMAc/LiCl Tán xạ ánh sáng là phương pháp

xác định trực tiếp khối lượng phân tử Kết hợp các phương pháp SEC, tán xạ

ánh sáng và đo độ nhớt thì có thể xác định được chính xác khối lượng phân tử

trung bình và độ phân bố của khối lượng phân tử Từ các số liệu thu được từ

phương pháp PC đã khẳng định các mẫu chitin tách từ mai cua, vỏ tôm và mai

mực ống có độ polyme hoá (degree of polymeizaion-DP) nằm trong khoảng

2000-4000 Chitosan tan được trong dung dịch axit loãng và khối lượng phân

tử có thể xác định theo phương pháp sắc ký lỏng cao áp ghép nối với cột loại

trừ theo độ lớn phân tử (SE - HPLC - size exlusion high performance

liquidchromatography) GPC - HPLC, GPC, phương pháp đo độ nhớt cũng

có thể chuyển hoá chitosan thành chitin qua phản ứng N-axetyl hoá và khối

lượng phân tử được tính theo phương pháp GPC trong hệ dung môi

DMAc/LiCl.Trong đó phương pháp đơn giản nhất để xác định khối lượng phân

tử polime là xác định theo phương pháp gián tiếp qua phép đo độ nhớt Phép đo

độ nhớt không phải là phương pháp tuyệt đối để xác định khối lượng phân tử

mà chỉ là phương pháp tương đối dựa trên cơ sở độ nhớt của dung dịch polyme

tăng tỉ lệ với số lượng các phân tử thêm vào

Phương pháp đo áp suất thẩm thấu là phương pháp dựa trên định luật

Vant-Hoff Theo định luật này, sự phụ thuộc giữa áp suất thẩm thấu P, thể tích

V và nhiệt độ tuyệt đối T và số gam phân tử của vật chất trong dung dịch pha

loãng được biểu diễn bằng phương trình trùng với dạng phương trình của dạng

khí lí tưởng:

PV= nRT = (g/M)RT

P = (g/V)(RT)/M

M = (RTC)/P Trong đó: g: Khối lượng của chất hòa tan (g)

M: Khối lượng phân tử của chất (g/mol) C: Nồng độ của dung dịch

R: Hằng số T: Nhiệt độ tuyệt đối Khối lượng phân tử trung bình của chitosan được xác định như sau: Pha

dung dịch chitosan có các nồng độ lần lượt 0,025; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4 (g/100 ml)

trong dung môi axetic axit 1% ở nhiệt độ 35oC Lập bảng giá trị sự phụ thuộc

của áp suất thẩm thấu ( ) vào nồng độ (C), xây dựng đường biểu diễn sự phụ

thuộc của /C vào C để tìm giá trị ngoại suy của /C khi C 0 Thay vào

phương trình {2.5} để tính toán được khối lượng phân tử trung bình số

848 x (T + 273)

( /C) x Tỷ trọng của dung môi

C 0

/C (C 0) : giá trị ngoại suy của /C khi C 0

1.1.4 Phương pháp điều chế chitin/chitosan [10,30]

Chitin có ở nhiều loài khác nhau, từ các loài nấm đến các động vật bậc

thấp Vỏ của các loài động vật chân đốt là nguồn nguyên liệu chính để điều chế

chitin, trong thành phần của vỏ các loài động vật này có chứa 20 - 50 % chitin

tính theo khối lượng khô Vỏ tôm, mai cua là nguồn nguyên liệu phế thải từ

công nghiệp chế biến thuỷ sản, hải sản được sử dụng để sản xuất chitin thương

mại Các nguồn nguyên liệu khác để sản xuất chitin là: mai mực, sâu bọ, tảo,

nấm Thành tế bào một số loại nấm chứa cả chitin cũng như chitosan và được

coi là nguồn chitosan tự nhiên Chitosan được điều chế bằng cách thực hiện

phản ứng deaxetyl hoá chitin trong môi trường kiềm

1.1.4.1 Tách chitin từ vỏ phế thải thuỷ hải sản [1,30,31]

Nguyên tắc chung để điều chế chitin là loại bỏ muối khoáng (chủ yếu là

canxicacbonat), protein và các chất màu ra khỏi phế liệu thuỷ, hải sản Hai

phương pháp chủ yếu được áp dụng để tách chitin/chitosan là phương pháp hoá

học và phương pháp lên men vi sinh vật

Theo phương pháp hoá học: Quá trình điều chế chitin được thực hiện

theo các bước: tách khoáng, tách protein và khử màu Muối khoáng thường

được tách ra bằng cách xử lý nguyên liệu với dung dịch axit HCl, protein bị

thuỷ phân trong môi trường kiềm, chất màu được loại bỏ bằng dung môi hoặc

tác nhân oxi hoá Trong quá trình xử lý, một số nhóm axetamit trong các mạch

đại phân tử chitin bị thay thế bởi nhóm amino do phản ứng deaxetyl hoá, vì vậy

chitin sau khi xử lý có độ deaxetyl hoá trung bình ~ 0,1

Điều chế chitin theo phương pháp hoá học có một số mặt hạn chế như

phải sử dụng một lượng lớn kiềm, axit, nước rửa do đó chi phí lớn và gây ô

nhiễm môi trường Việc sử dụng axit và kiềm nóng dẫn đến việc cắt giảm mạch

chitin tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau

Theo phương pháp xử lý vi sinh vật: Protein được tách khỏi vỏ các loài

giáp xác bằng cách xử lý với ezim hay vi sinh vật theo nguyên tắc: vi khuẩn

sinh ra axit lactic (LAB: lactic acid bacterial) tự có trong phủ tạng của vỏ phế

thải (vỏ tôm, cua, mai mực ) với một lượng rất nhỏ cùng với nguồn LAB

thuần chủng được bổ sung có tác dụng bảo quản và thuỷ phân phế thải Hỗn

hợp lên men bao gồm: vỏ phế thải, LAB, dung dịch glucozo Trong quá trình

lên men, LAB sản sinh ra axit lactic làm giảm pH của môi trường, tạo điều kiện

cho quá trình thuỷ phân protein, thuỷ phân khoáng tạo thành các lactat canxi,

magiê là các muối tan được trong nước Bằng phương pháp ly tâm, phần

dung dịch lỏng chứa protein và các muối khoáng hoà tan được loại bỏ thu được

phần chitin không hoà tan Để có chitin sạch, có thể xử lý tiếp bằng dung dịch

axit và kiềm loãng

Phương pháp điều chế chitin bằng phương pháp lên men vi sinh vật có

một số ưu điểm như chi phí thấp, cấu trúc sản phẩm không bị thay đổi nhiều và

đặc biệt là ít gây ô nhiễm môi trường

β-chitin được sản xuất chủ yếu từ mai mực ống theo cách đơn giản hơn

vì thành phần của mai mực ống chủ yếu là chitin, hàm lượng protein và muối

khoáng thường rất thấp Hơn nữa, do sự sắp xếp các mạch đại phân tử trong

`β- chitin khác hẳn với -chitin nên -chitin có các liên kết hyđro chặt chẽ hơn,

vì vậy khi xử lý mai mực ống với axit và kiềm thường ở điều kiện êm dịu hơn

nhiều so với xử lý vỏ tôm để thu được β- chitin

1.1.4.2 Điều chế chitosan [31]

Chitosan là sản phẩm deaxetyl hoá của chitin Chitosan thương mại có

nhiều loại với độ deaxetyl hoá khác nhau nhưng thường được điều chế bằng

cách deaxetyl hoá chitin trong môi trường kiềm nồng độ 40-50 % ở 100-1300

C trong 24 giờ Phản ứng deaxetyl hoá xảy ra như sau:

O

NH2

OH O

Sơ đồ 1.2: Điều chế chitosan

Chitosan thu được theo phương pháp này có DDA lên tới 90% Để thu

được chitosan có độ deaxetyl hoá cao hơn phải tiến hành phản ứng lặp đi lặp lại

nhiều lần Phản ứng deaxetyl hoá βchitin diễn ra dễ dàng hơn nhiều so với

-chitin: Từ các mẫu -chitin, β-chitin có DDA tương đương nhau tiến hành

phản ứng deaxetyl hoá trong NaOH 30% ở 1000C với thời gian như nhau (2

giờ) thu được β-chitosan với DDA 70% trong khi đó đối với α-chitin giá trị đó

là 20% Tuy nhiên khi sử dụng dung dịch kiềm đặc thì bên cạnh phản ứng

deaxetyl hoá còn xảy ra phản ứng thuỷ phân mạch chitin/chitosan làm giảm

đáng kể khối lượng phân tử của chitin/chitosan

Ta có thể mô tả quá trình điều chế chitosan từ vỏ mai mực ống qua sơ đồ 1.3:

Sơ đồ 1.3: Quá trình sản xuất chitin / chitosan truyền thống

1.1.4.3 Độ axetyl hóa- Xác định độ axetyl/ deaxxetyl hóa [7,9,13,20,24,28,

40,50,58,68,76]

Độ axetyl hoá là hàm lượng nhóm (-NHCOCH3) còn độ deaxetyl hoá là

hàm lượng nhóm (-NH2) trong chitin và chitosan Mắt xích cơ sở của chitin là

N-axetyl-D-glucosamin (GlcNAc) Mặc dù hầu hết các nhóm amino gắn với C2

đã bị axetyl hoá, nhưng trong tự nhiên chitin vẫn tồn tại một số nhóm amino tự

do Hơn nữa, phản ứng deaxetyl hoá chitin còn xảy ra trong quá trình tách loại

protein bằng kiềm Vì vậy, các mẫu chitin trên thực tế có DDA khác nhau

(khoảng 5-15 %) phụ thuộc vào nguồn gốc và cách điều chế chúng Để thu

được chitin có cấu trúc thuần nhất ( chỉ gồm các mắt xích GlcNAc) thì phải tiến

hành N- axetyl hoá chọn lọc các nhóm amino tự do Khi chitin bị deaxetyl hoá

đáng kể thì trở nên tan trong dung dịch axit axetic loãng và được gọi là

chitosan

O O HO

NHCOCH3

OH

DA

O O HO

NH2OH

DDA

Trong đó, DDA = 100 - DA Đối với chitin thì DA > DDA, đối với chitosan thì

DA < DDA Khi DA = DDA thì có chitin tan trong nước

Tính chất của chitin cũng như chitosan phụ thuộc rất nhiều vào độ

deaxetyl hoá (DDA)- một thông số quan trọng nhất để chỉ ra là chitin hay

chitosan Vì vậy, việc tìm ra phương pháp xác định DDA (hay DA) một cách

chính xác và đơn giản là vấn đề rất quan trọng và cần thiết Có rất nhiều

phương pháp đã được áp dụng để xác định DDA của chitin/chitosan như: phân

tích nguyên tố, các phương pháp phổ như phổ hồng ngoại (IR), phổ tử ngoại

(UV), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NRM):1 -NRM,13C-NRM, và 15 -NRM

ở trạng thái rắn, phép đo lưỡng sắc cầu, phổ khối, chuẩn độ điện thế, chuẩn độ

nitrat (phương pháp chuẩn độ sử dụng bạc nitrat), chuẩn độ với axit picric,

chuẩn độ độ dẫn, sắc ký lỏng cao áp, sắc ký khí-lỏng, sắc ký thẩm thấu gel,

nhiệt phân-sắc ký khí, sắc ký khí

Trong các phương pháp xác định DA đã được áp dụng thì phổ IR là

phương pháp thuận tiện đặc biệt trong trường hợp mẫu ở trạng thái rắn, không

hoà tan trong các dung môi Đối với chitosan (tan trong môi trường axit loãng)

thì phổ 1 -NRM là phương pháp nhanh, chính xác và có độ nhạy cao, đo trong

dung môi D2O, CD3COOD/D2O hoặc DCl /D2O

1.1.5 Tính chất hoá học [1,6]

Công thức tổng quát của chitin là: C8 13 5 n

Sơ đồ 1.4: Công thức cấu tạo của chitin/chitosan

Ta thấy trong mỗi mắt xích của chitin/chitosan vừa có nhóm chức (-OH)

vừa có nhóm chức amin (-NHCOCH3/NH2) nên có ba trung tâm phản ứng

chính, vì vậy nó vừa có tính chất của ancol lại vừa có tính chất của amin

1.1.5.1 Phản ứng ở nhóm - OH

Cũng giống như ancol đa chức tính axit của nhóm hyđroxyl khá mạnh

Chitin phản ứng với Na, NaOH tạo thành hợp chất có cấu trúc ancolat được gọi

là chitin kiềm

[C6H7O3NHCOCH2(OH)2]n+2nNaOH [C6H7O3NHCOCH2(ONa)2]n+2n H2O

Chitin kiềm là sản phẩm trung gian khi sản xuất ete như ankyl chitin

[C6H7O3NHCOCH2(ONa)2]n kí hiệu là [Chit(ONa)2]n

[Chit(ONa)2]n + 2n RX [Chit(OR)2]n + 2 NaX

Sợi ankyl chitin được tạo ra bằng cách xử lý ankyl chitin trong dung dịch axit

formic và axit axetic rồi cho kéo sợi qua một ống có đường kính nhỏ cỡ mm

+ Phản ứng với axit, anhiđric axetic hay HCl thu được sản phẩm ở dạng este

[Chit(OH)2]n + 2n HCl [Chit(OCl)2]n + 2n H2O + Phản ứng với ankyl sunfat trong ankyl halogenua thu được các este

+ Phản ứng với các hợp chất vinyl tạo este

Trong mỗi mắt xích của chitin có 2 nhóm - OH ở C3 và C6, đều có khả năng

tham gia phản ứng Do cấu trúc phân tử, nhóm -OH bậc 2 ở C3 bị án ngữ không

gian nên phản ứng kém hơn nhóm -OH bậc 1 ở C6

1.1.5.2 Phản ứng ở nhóm axetamit

Chitin có khả năng tham gia phản ứng thể hiện tính chất của amin bậc 2

như phản ứng đeaxetyl hoá tạo thành chitosan

O O HO

NHCOCH3OH

n

O O HO

NH2OH

Sơ đồ 1.5: Phản ứng deaxetyl hóa chitin

Phản ứng trên thường được thực hiện với NaOH 40% ở 120o

C trong 1 3h Hiệu suất deaxetyl hoá chỉ đạt 70% Điều này có nghĩa là sản phẩm phản

ứng là chuỗi polime vẫn có cả mắt xích N-axetyl-D-glucoamin đan xen với β(1

→4)glucozamin

Muốn thu được chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn DDA≈0, phải rửa sạch

mẫu rồi xử lý kiềm lặp lại nhiều lần Có thể sử dụng phương pháp phá kết tinh

với dung dịch NaOH 5% Phản ứng thực hiện trong 3h đạt hiệu suất 100%

Phương pháp này có nhiều ưu điểm tạo ra chitosan có DA thấp 1%, hiệu suất

cao, giảm tiêu tốn hoá chất, giảm ô nhiễm môi trường

1.1.5.3 Phản ứng ở nhóm -NH 2

Phản ứng xảy ra ở nhóm amin -NH2 và nhóm amit -NHCOCH3 hai

nhóm này gắn ở vị trí C2 (hay ở vị trí N) Tại đây nhóm -NH2 của

chitin/chitosan có đôi điện tử không phân chia do đó về mặt hoá học, chúng có

khả năng phản ứng cao với các tác nhân ái electron để tạo ra các dẫn xuất

tương ứng

Phản ứng gắn với các nhóm -OH tại C3 (hoặc C6) hay gắn polietylen

glycol vào nhóm -NH2 thu được các dẫn xuất có cấu trúc hoá học cồng kềnh

nhằm cản trở không gian, làm giảm các liên kết cầu hiđro giữa các mạch và

trong mạch phân tử của chitin/chitosan như lúc ban đầu, để tạo ra các dẫn xuất

tan trong nước

1.1.5.4 Phản ứng giảm mạch chitosan

Do quá trình chuyển hoá trong động thực vật chủ yếu xảy ra trong môi

trường nước nên chitosan với khả năng tan kém trong nước đã làm hạn chế

phần nào hiệu quả và phạm vi ứng dụng Vì vậy, để tăng khả năng ứng dụng

của chitosan chúng ta phải cải thiện khả năng tan trong nước của chitosan

Quá trình depolyme hoá là quá trình phá huỷ các liên kết glycozit trong

mạch đại phân tử dưới các tác nhân cắt mạch như: enzim, hoá chất chiếu

xạ Các tác nhân cắt mạch phá huỷ liên kết glycozit, chuyển hoá chitosan

thành oligome có khả năng tan trong nước cao hơn so với chitosan đại phân tử

Có nhiều phương pháp cắt mạch chitosan như: cắt mạch bằng enzim, cắt

mạch bằng chiếu xạ, cắt mạch bằng phản ứng hoá học Trong đó cắt mạch

bằng phản ứng hoá học là phương pháp đơn giản và được sử dụng rộng rãi

nhất

Cắt mạch bằng phản ứng hoá học: Liên kết glycozit của chitosan tương

đối bền trong môi trường kiềm nhưng lại dễ dàng bị phá huỷ trong môi trưòng

axit Các loại axit vô cơ đã được sử dụng như: axit clohidric (HCl), axit

sunfuric (H2SO4), axit photphoric (H3PO4), axit nitric (HNO3) trong đó axit

clohidric (HCl) được sử dụng nhiều hơn cả do giá thành rẻ, khi trung hoà bằng

NaOH sản phẩm phụ là NaCl không độc, dễ tách

Sơ đồ 1.6: Quá trình thuỷ phân chitosan bằng HCl

1.1.6 Một số sản phẩm biến tính chitin/chitosan

1.1.6.1 Sản phẩm biến tính tại nhóm -NH 2

1.1.6.1.1 Dẫn xuất N- ankyl chitosan [12,34]

Các dẫn xuất N-ankyl chitosan được tổng hợp từ phản ứng ankyl hoá

khử chitosan với tác nhân phản ứng có nhóm -CHO theo hai giai đoạn: giai

đoạn hình thành bazơ Schiff (chứa các liên kết imin và ketimin) và giai đoạn

khử liên kết imin, ketimin thành liên kết đơn

x

O O HO

NH2OH

x

O O HO

N=CHR OH

x

O O HO

NHCH2R

OH

Sơ đồ 1.7: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-ankyl chitosan

Phản ứng loại này được tiến hành trong hỗn hợp dung dịch nước của axit

axetic với metanol và dễ dàng đạt đến DS = 1

Tiến hành phản ứng ankyl hoá - khử chitosan với salixylandehit hoặc

phtalandehit nhận được các dẫn xuất có khả năng tạo phức với ion kim loại tốt

hơn chitosan Một số dẫn xuất khác như: piriđinmetyl)-,

N-(2-thienylmetyl)- và N-[3-(metylthio)propyl]- chitosan được điều chế theo phương

pháp ankyl hoá - khử cũng có khả năng hấp phụ chọn lọc các ion kim loại quý

như: vàng, paladi và platin Một số phản ứng ankyl hoá - khử chitosan xảy ra

như sau:

O N

OH

OH n

Sơ đồ 1.8: Phản ứng ankyl hóa-khử của chitosan

NHCH2R =

Sơ đồ 1.9: Phản ứng ankyl hóa-khử của chitosan

Glutaranđehit là một đianđehit thường được dùng để tạo liên kết ngang

giữa các mạch phân tử chitosan dùng cho mục đích cố định enzim Phản ứng

điều chế chitosan liên kết ngang với glutaranđehit xảy ra như sau:

dung dÞch NaOH

OHC - (CH2)3- CHO

CH3COOH O

OH

CH (CH2)3 CH

Sơ đồ 1.10: Phản ứng điều chế chitosan liên kết ngang với glutaranđehyt

Liên kết ngang với glutaranđehit làm tăng đáng kể khả năng hấp phụ ion

kim loại nặng của sản phẩm chitosan biến tính Ngoài ra, chitosan liên kết

ngang với glutaranđehit được sử dụng làm màng bán thấm Ngoài ra, có thể

tổng hợp dẫn xuất N-ankyl chitosan bằng phản ứng giữa chitosan và halogenua

axit hoặc các dẫn xuất halogen

Dẫn xuất tan trong nước N,N,N -trimetyl chitosan đã được tổng hợp từ

phản ứng của chitosan với CH3I với sự có mặt của NaI và

N-metyl-2-pyrolido/NaOH Phản ứng xảy ra như sau:

O O HO

NH2OH

n

O O HO

N(CH3)3OH

n

CH3I

Sơ đồ 1.11: Phản ứng tổng hợp N,N,N-trimetyl chitosan

1.1.6.1.2 Dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan [23,34,45,47,54,72]

Các dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan được điều chế bằng phản ứng

ankyl hoá- khử là dẫn xuất có cấu trúc đã được định vị rõ vì đây là phản ứng

chọn lọc vào nhóm amino Phản ứng tổng hợp xảy ra như sau:

m

O O HO

NH2

OH

O HO

NHCHR(CH2)nCOOH OH

m NaCNBH3

Sơ đồ 1.12: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan

Theo phương pháp trên một số dẫn xuất đã được tổng hợp như: Dẫn xuất

N-cacboxymetyl chitosan, N-cacboxybutyl chitosan

Trong quá trình tổng hợp dẫn xuất N-cacboxymetyl chitosan, ban đầu

chitosan phản ứng với axit glyoxylic trong môi trường axit tạo thành dạng bazơ

-Schiff, sau đó dưới tác dụng của tác nhân khử NaCNBH3 sẽ chuyển thành dẫn

xuất N- cacboxymetyl chitosan

n O=C-COOH

H

O NH

OH

CH2COOH

NaCNBH3n

Ở điều kiện thích hợp, ngoài dẫn xuất thế một lần tạo dẫn xuất N-

cacboxymetyl chitosan, phản ứng trên còn tạo thành dẫn xuất

N,dicacboxymetyl chitosan- một dẫn xuất tan trong nước Dẫn xuất

N-cacboxymetyl chitosan là một loại vật liệu sinh học đầy tiềm năng, được ứng

dụng trong nhiều lĩnh vực như: y dược, mỹ phẩm, hấp phụ kim loại nặng ứng

dụng trong xử lý môi trường

Theo cách tương tự, các dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan khác cũng

được điều chế từ các axit cacboxylic có nhóm anđehit hoặc xeton như: pyruvic,

axit-β-hyđroxypyruvic, xetoglutaric, axit đehyđroascorbic và

axit-2-oxopropionic Điều chế các dẫn xuất N-cacboxybutyl chitosan với sự tham gia

của axit levulinic, trong những điều kiện thích hợp ngoài phản ứng tạo ra dẫn

xuất N-cacboxybutyl chitosan còn có thể tạo ra dẫn xuất 5- methylpyrolidion

chitosan Phản ứng xảy ra như sau:

N-carboxybutyl chitosan

5-metylpyroli®inon chitosan

N

O HO

OH O

O NH

OH

CH-CH2CH2COOH

CH3O

NH2

OH

Sơ đồ 1.14: Cacboxy hóa chitosan trong môi trường axit levulinic

Các dẫn xuất N-cacboxybutyl chitosan và 5-methylpyrolidion chitosan

đều tan tốt trong nước và là những vật liệu có hoạt tính sinh học cao

Các dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan cũng có thể được tổng hợp từ

phản ứng của chitosan có độ đeaxetyl hoá cao với axit monocloankanoic Phản

ứng được thực hiện trong môi trường ethanol/ kiềm:

O O HO

NH2

OH

ClCH2(CH2)nCOOH O

O HO

NHCH2(CH2)nCOOH OH

m

Sơ đồ1.15: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan đi từ

chitosan có độ đeaxetyl hoá cao với axit monocloankanoic

Theo phương pháp này có thể tổng hợp N- cacboxypropyl chitosan và

N-cacboxybutyl chitosan Các nghiên cứu cho thấy, cả hai dẫn xuât này đều có

khả năng tan tốt trong nhiều hệ dung môi và có khả năng kháng khuẩn E coli

và S aureus tốt hơn so với chitosan

Ngoài ra, dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan có thể được tổng hợp theo

phản ứng Michael giữa chitosan và hợp chất có gốc hiđrocacbon không no

chứa liên kết đôi như: CH2=CHCOOH, trong môi trường axit (pH= 5,5 - 6)

n

O

O HO

NH2

OH

O

O HO

NHCH2CH2COOH OH

n

CH2=CHCOOH

Sơ đồ 1.16: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan đi từ

chitosan và hợp chất có gốc hiđrocacbon không no chứa liên kết đôi trong môi

trường axit

Khác với các dẫn xuất của chitin/chitosan dẫn xuất N-cacboxyetyl

chitosan là một polysaccarit không độc, tính hoà hợp sinh học cao nên được

ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: nông nghiệp, y học, mỹ phẩm, công

nghiệp Ngoài ra, N-CEC còn có khả năng chống lại quá trình oxi hoá và quá

trình gây đột biến trong cơ thể sống

1.1.6.1.3 Dẫn xuất N-axyl chitosan [17,31,34,35]

Chitin không tan trong các dung môi thích hợp cho phản ứng axetyl hoá

nên phản ứng này thường được thực hiện trong điều kiện dị thể Phản ứng

axetyl hoá hoàn toàn chitin bằng anhyđric axetic (Ac2O) có thể thực hiện được

trong môi trường axit metansunfonic (CH3SO2OH) Hỗn hợp axit

tricloaxetic-1,2-đicloetan cũng là một dung môi tốt cho chitin khi tiến hành phản ứng

axetyl hoá, nhưng môi trường axit mạnh sẽ làm phân huỷ mạch chitin β- chitin

cũng không tan trong các dung môi thông thường nhưng có khả năng trương

trong nhiều dung môi hữu cơ như metanol Do đó, nhóm amino tự do có trong

β- chitin có thể được axetyl hoá trực tiếp trong metanol bởi Ac2O để tạo thành

chitin thuần nhất - poly(N-axetyl-D-glucosamin) Đối với - chitin trong cùng

điều kiện này thì phản ứng axetyl hoá không diễn ra

1.1.6.2 Sản phẩm biến tính tại nhóm - OH

1.1.6.2.1 Dẫn xuất O- axyl chitosan [34,35,36]

Các dẫn xuất O- axyl chitosan có thể được tổng hợp từ phản ứng của

chitosan với các anhidric axit, halogen axit:

O O HO

NH2OH

x

O O HO

NHAc OH

y

O O HO

NHOR OR

n

ROX Piridin (X=R, hal)

Sơ đồ 1.17: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O- axyl chitosan

Có thể thực hiện phản ứng axetyl hoá theo phương pháp trên Kết quả

nghiên cứu cho thấy, phản ứng axetyl hoá có thể xảy ra hoàn toàn mà không có

phản ứng phụ khi xử lý β-chitin ở dạng huyền phù với Ac2O trong môi trường

piriđin dưới tác dụng của xúc tác 4- đimetyl amino piriđin (DMAP)

Phản ứng axetyl hoá chitin bởi Ac2O trong môi trường piriđin chịu ảnh

hưởng lớn của nhiệt độ, thời gian, xúc tác và đặc biệt là nguồn nguyên liệu điều

chế chitin Nhiều công trình nghiên cứu biến tính chitin cho thấy β-chitin là loại

vật liệu đầy tiềm năng để tiến hành các phản ứng hơn hẳn α-chitin

Axetyl hoá dần dần chitosan ở dung dịch đồng thể trong axit

axetic/metanol hoặc axit axetic nhận được sản phẩm tan đựơc trong nước với

tính tan lớn nhất ở DA 0,5 Tuy nhiên, ngoài dẫn xuất thế vào nhóm - OH còn

kèm theo sự thế vào nhóm -NH2

1.1.6.2.2 Dẫn xuất O-cacboxyankyl chitin-chitosan [33,43,59,64]

Các dẫn xuất O-cacboxyankyl chitosan thường được tổng hợp từ phản

ứng của chitin-chitosan với axit monohalogenankanoic trong môi trường kiềm

đặc, phản ứng xảy ra như sau:

n

O O HO

NHCOCH3

OH

O O HO

NHCOCH3O(CH2)nCOOH

n Cl(CH2)nCOOH

Chitin O-carboxyankyl chitin

Sơ đồ 1.18: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-cacboxyankyl chitosan

Phản ứng tổng hợp O-CM-chitin xảy ra ở điều kiện dị thể, với sự có mặt

của NaOH O-CM-chitin đã được nghiên cứu rất kỹ về phương pháp tổng hợp,

khảo sát tính chất hoá lý, nghiên cứu miễn dịch học, nghiên cứu khả năng bị

thuỷ phân bằng lysozym và CM-chitin đã được Bộ Y tế Nhật bản cho phép sử

dụng trong lĩnh vực chăm sóc da

1.1.6.2.3 Dẫn xuất O-ankyl chitosan [34,73]

2-Hydroxyetyl-chitin (glycol-chitin) là một trong các dẫn xuất O-ankyl

chitosan tan trong nước trung tính đã được thương mại hoá Glycol-chitin được

điều chế bằng cách xử lý chitin kiềm với etylen oxit Do phản ứng được thực

hiện trong môi trường kiềm đặc nên phản ứng deaxetyl hoá cũng diễn ra đồng

O(CH2)2OH

O NHAc

Deaxetyl hoá glycol-chitin bằng kiềm mạnh thu được glycol-chitosan

Đihyđroxypropyl-chitin (một dẫn xuất tan trong nước khác của chitin) đã được

điều chế bằng phản ứng giữa chitin kiềm và 3clopropan1,2điol (glyxerol

-monoclohyđrin) trong isopropanol

1.2 Ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất [22,57]

Chitin/chitosan là loại polysacarit có nhiều nhóm chức ( hyđroxyl, amino

và axetamit) đóng vai trò quan trọng trong việc bảo tồn sinh thái và môi trường

sống, đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như dược phẩm, mỹ phẩm,

công nghiệp thực phẩm, xử lý môi trường, nông nghiệp

1.2.1 Ứng dụng trong y dược [21,67]

Trong lĩnh vực y dược, chitin/chitosan được sử dụng làm màng chữa vết

bỏng, chất giúp tái tạo mô xương Vật liệu nano trên cơ sở chitin/chitosan

cũng đã được nghiên cứu ứng dụng trong y học do có tính ổn định tương đối

cao và vẫn duy trì được một số tính chất của chitin/chitosan ban đầu, đặc biệt

do có kích thước nhỏ, bề mặt riêng lớn mang nên có khả năng hấp thụ cao Dựa

vào tính chất này, nano chitin/chitosan được sử dụng làm chất hấp thụ để hấp

thụ các chất khác nhau đặc biệt là các loại thuốc dùng trong y học

1.2.2 Ứng dụng trong nông nghiệp

1.2.2.1 Chất kích thích sinh trưởng [18,69]

Các nghiên cứu thử nghiệm về khả năng kích thích sinh trưởng của các

loại vật liệu trên cơ sở chitosan đã được tiến hành và bước đầu thu được các kết

quả khả quan

Khả năng kích thích nảy mầm của hạt khi sử dụng chitin/chitosan có

khối lượng phân tử thấp: Đối với chitooligosacarit có khối lượng phân tử

19.000 Da, nồng độ 3,75 ppm thì làm tăng tốc độ nảy mầm của hạt lúa mạch

loại nảy mầm chậm và trung bình Chitooligosacarit (Mv =13.000 Da) với nồng

độ 3,75 ppm cho tốc độ tăng trưởng cao nhất hạt yến mạch Trung Quốc

Ở Thái Lan chitin/chitosan được dùng để cải tạo đất và nước, mục đích

giữ cân bằng sinh thái canh tác Chitin/chitosan đóng vai trò như là thành phần

kích thích hoạt tính sinh học, làm tăng năng suất, sản lượng cây trồng và vật

nuôi Kết quả cho thấy, năng suất cây lúa tăng lên, lượng phân bón giảm đi

Chitin/chitosan tác dụng hiệu quả hơn các sản phẩm hoá học khác đến hệ thống

tự bảo vệ, chống lại nấm vàng là mầm bệnh ở ngô Hơn nữa chitosan oligome

khi phun lên cây làm xanh lá và làm tăng chiều cao của cây lúa

1.2.2.2 Chất bảo quản nông sản [25,52,77,81]

Chitin/chitosan có hoạt tính kháng khuẩn cao, an toàn với cơ thể người

Hoạt tính kháng khuẩn phụ thuộc vào nồng độ của chitin/chitosan và phụ thuộc

vào khối lượng phân tử Chính vì có hoạt tính kháng khuẩn cao nên trong

những năm gần đây, chitin/chitosan và các sản phẩm biến tính được quan tâm

ứng dụng nhiều trong việc bảo quản các sản phẩm nông sản sau khi thu hoạch

như cam, chanh, cà chua, chuối, dâu tây, vải, táo… và một vài sản phẩm khác

và đã thu được kết quả khả quan

1.2.3 Ứng dụng trong xử lí môi trường

Chitosan và dẫn xuất được coi là nguồn nguyên liệu tự nhiên, rẻ, hiệu

quả trong việc hấp phụ ion kim loại nặng, kim loại quý hiếm, thuốc nhuộm

1.2.3.1 Hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính [19,32,78,5]

1.2.3.1.1 Khái quát thuốc nhuộm

Thuốc nhuộm là những chất hữu cơ có màu, hấp thụ mạnh một phần

nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào vật

liệu dệt trong những điều kiện nhất định (tính gắn màu)

Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp Hiện

nay, con người hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp Đặc điểm nổi bật

của các loại thuốc nhuộm là độ bền màu- tính chất không bị phân hủy bởi

những điều kiện, tác động khác nhau của môi trường, đây vừa là yêu cầu với

thuốc nhuộm lại vừa là vấn đề với xử lý nước thải dệt nhuộm Màu sắc của

thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học của nó: một cách chung nhất, cấu

trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu Nhóm mang

màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử π linh động như

>C=C<, >C=N-, >C=O, -N=N- Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc

nhận điện tử, như -SOH, -COOH, -OH, NH2 , đóng vai trò tăng cường màu

của nhóm mang màu bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử

Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến nhất: Phân loại theo cấu

trúc hóa học, phân loại theo đặc tính áp dụng

 Phân loại theo cấu trúc hóa học

Đây là cách phân loại dựa trên cấu tạo của nhóm mang màu, theo đó

thuốc nhuộm được phân thành 20-30 họ thuốc nhuộm khác nhau Các họ

chính là:

Thuốc nhuộm azo: nhóm mang màu là nhóm azo (-N=N-), phân tử

thuốc nhuộm có một (monoazo) hay nhiều nhóm azo (diazo, triazo, polyazo)

Đây là họ thuốc nhuộm quan trọng nhất và có số lượng lớn nhất, chiếm

khoảng 60-70% số lượng các thuốc nhuộm tổng hợp, chiếm 2/3 các màu hữu

cơ trong Color Index

Thuốc nhuộm antraquinon: trong phân tử thuốc nhuộm chứa một hay

nhiều nhóm antraquinon hoặc các dẫn xuất của nó:

Họ thuốc nhuộm này chiếm đến 15% số lượng thuốc nhuộm tổng hợp

Thuốc nhuộm triaryl metan: triaryl metan là dẫn xuất của metan mà

trong đó nguyên tử C trung tâm sẽ tham gia liên kết vào mạch liên kết của hệ

Thuốc nhuộm phtaloxianin: hệ mang màu trong phân tử của chúng là hệ

liên hợp khép kín Đặc điểm chung của họ thuốc nhuộm này là những nguyên

tử H trong nhóm imin dễ dàng bị thay thế bởi ion kim loại còn các nguyên tử

N khác thì tham gia tạo phức với kim loại làm màu sắc của thuốc nhuộm thay

đổi Họ thuốc nhuộm này có độ bền màu với ánh sáng rất cao, chiếm khoảng

2% tổng số lượng thuốc nhuộm

Ngoài ra, còn các họ thuốc nhuộm khác ít phổ biến, ít có quan trọng

hơn như: thuốc nhuộm nitrozo, nitro, polymetyl, arylamin, azometyn, thuốc

nhuộm lưu huỳnh…

 Phân loại theo đặc tính áp dụng

Theo đặc tính áp dụng, người ta quan tâm nhiều nhất đến thuốc nhuộm

sử dụng cho xơ sợi xenlullo (bông, visco ), đó là các thuốc nhuộm hoàn

nguyên, lưu hóa, hoạt tính và trực tiếp Sau đó là các thuốc nhuộm cho xơ sợi

tổng hợp, len, tơ tằm như: thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ (cation),

thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm hoạt tính

Thuốc nhuộm hoạt tính: là thuốc nhuộm anion tan, có khả năng phản

ứng với xơ sợi trong những điều kiện áp dụng tạo thành liên kết cộng hóa trị

với xơ sợi Trong cấu tạo của thuốc nhuộm hoạt tính có một hay nhiều nhóm

hoạt tính khác nhau, quan trọng nhất là các nhóm: vinylsunfon, halotriazin và

halopirimidin

Dạng tổng quát của thuốc nhuộm hoạt tính: S – R – T – Y, trong đó:

- S: nhóm cho thuốc nhuộm độ hòa tan cần thiết (-SO3Na, -COONa,

-SO2CH3)

- R: nhóm mang màu của thuốc nhuộm

- Y: nhóm nguyên tử phản ứng, trong điều kiện nhuộm nó tách khỏi

phân tử thuốc nhuộm, tạo khả năng cho thuốc nhuộm phản ứng với xơ (-Cl,

-SO2, -SO3H, -CH=CH2, )

- T: nhóm mang nguyên tử hay nhóm nguyên tử phản ứng, thực hiện

liên kết giữa thuốc nhuộm và xơ

Là loại thuốc nhuộm duy nhất có liên kết cộng hóa trị với xơ sợi tạo độ

bền màu giặt và độ bền màu ướt rất cao nên thuốc nhuộm hoạt tính là một

trong những thuốc nhuộm được phát triển mạnh mẽ nhất trong thời gian qua

đồng thời là lớp thuốc nhuộm quan trọng nhất để nhuộm vải sợi bông và

thành phần bông trong vải sợi pha Tuy nhiên, thuốc nhuộm hoạt tính có

nhược điểm là: trong điều kiện nhuộm, khi tiếp xúc với vật liệu nhuộm (xơ

sợi), thuốc nhuộm hoạt tính không chỉ tham gia vào phản ứng với vật liệu mà

còn bị thủy phân

Ví dụ:

Thuốc nhuộm sunfatoetylsunfon Thuốc nhuộm Vinylsunfon

(dạng hoạt hóa của thuốc nhuộm gốc)

Thuốc nhuộm Vinylsunfon Xơ được nhuộm (X là O-Xenlullo)

Do tham gia vào phản ứng thủy phân nên phản ứng giữa thuốc nhuộm

và xơ sợi không đạt hiệu suất 100% Để đạt độ bền màu giặt và độ bền màu

tối ưu, hàng nhuộm được giặt hoàn toàn để loại bỏ phần thuốc nhuộm dư và

phần thuốc nhuộm thủy phân Vì thế, mức độ tổn thất đối với thuốc nhuộm

hoạt tính cỡ 10÷50%, lớn nhất trong các loại thuốc nhuộm Hơn nữa, màu

thuốc nhuộm thủy phân giống màu thuốc nhuộm gốc nên nó gây ra vấn đề

màu nước thải và ô nhiễm nước thải

1.2.3.1.2 Tác hại của việc ô nhiễm thuốc nhuộm

Các thuốc nhuộm hữu cơ nói chung được xếp loại từ ít độc đến không

độc đối với con người ( được đặc trưng bằng chỉ số LD50) Các kiểm tra về

tính kích thích da, mắt cho thấy đa số thuốc nhuộm không gây kích thích với

vật thử nghiệm ( thỏ) ngoại trừ một số cho kích thích nhẹ

Tác hại gây ung thư và nghi ngờ gây ung thư: không có loại thuốc

nhuộm nào nằm trong nhóm gây ung thư cho người Các thuốc nhuộm azo

được sử dụng nhiều nhất trong ngành dệt, tuy nhiên chỉ có một số màu azo,

chủ yếu là thuốc nhuộm benzidin, có tác hại gây ung thư Các nhà sản xuất

châu Âu đã ngừng sản xuất loại này, nhưng trên thực tế chúng vẫn được tìm

thấy trên thị trường do giá thành rẻ và hiệu quả nhuộm màu cao

Khi đi vào nguồn nước nhận như sông, hồ,… với một nồng độ rất nhỏ

thuốc nhuộm đã cho cảm nhận về màu sắc Thuốc nhuộm hoạt tính sử dụng

càng nhiều thì màu nước thải càng đậm Màu đậm của nước thải cản trở sự

hấp thụ oxy và ánh sáng mặt trời, gây bất lợi cho sự hô hấp, sinh trưởng của

các loài thủy sinh vật Nó tác động xấu đến khả năng phân giải của vi sinh đối

với các chất hữu cơ trong nước thải, qua số liệu điều tra tại các công ty dệt

may lớn đều cho thấy màu nước thải dệt nhuộm chủ yếu do thuốc nhuộm hoạt

- Phương pháp điện hóa

- Phương pháp hóa học: khử hóa học, oxy hóa hóa học, oxy hóa pha

loãng

Trong các phương pháp đó thì phương pháp hấp phụ được coi là hiệu

quả để loại bỏ thuốc nhuộm khỏi nước thải Hấp phụ là sự tích lũy chất trên

bề mặt phân cách pha Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ được gọi là

chất hấp phụ, chất được tích lũy trên bề mặt là chất bị hấp phụ

Dựa trên bản chất lực hấp phụ có thể phân loại hấp phụ vật lý và hấp

phụ hóa học, trong đó, hấp phụ vật lý gây ra bởi lực Van der Waals còn hấp

phụ hóa học gây ra bởi liên kết hóa học Do bản chất lực hấp phụ nên hấp phụ

hóa học không vượt qua đơn lớp phân tử còn hấp phụ vật lý có thể có hiện

tượng đa lớp (pha rắn - khí) Hai loại hấp phụ này khác nhau về nhiệt hấp

diện tích bề mặt riêng càng lớn thì khả năng hấp phụ càng cao Tuy nhiên,

diện tích bề mặt riêng mới nói lên tiềm năng hấp phụ, nó là điều kiện cần

nhưng chưa đủ Để sự hấp phụ xảy ra tốt, nhất là hấp phụ hóa học, thì còn

phải xét đến yếu tố tương thích về kích cỡ chất bị hấp phụ và kích thước mao

quản chất hấp phụ (với vật liệu xốp), tương tác, liên kết giữa chất hấp phụ và

chất bị hấp phụ Ví dụ như các chất hấp phụ có độ xốp lớn, kích cỡ mao quản

nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn vẫn hấp phụ không hiệu quả đối với các chất

màu hữu cơ cồng kềnh Chất phân cực dễ hấp phụ lên bề mặt phân cực, chất

không phân cực ưu tiên hấp phụ lên bề mặt không phân cực

Hấp phụ có thể biểu diễn dưới dạng một cân bằng:

Chất bị hấp phụ + bề mặt ↔ chất bị hấp phụ liên kết với bề mặt

Để biểu diễn lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị chất hấp phụ ( khối

lượng, bề mặt) người ta dùng đại lượng hấp phụ ký hiệu là a ( Г hoặc α) Đại

lượng hấp phụ là một hàm của nhiệt độ, nồng độ hoặc áp suất: a = a (T,C)

hoặc a = a (T, P), khi cố định nhiệt độ trong phương trình trên ta được đường

hấp phụ đẳng nhiệt

Để mô tả sự hấp phụ ở trạng thái cân bằng người ta thường dùng các

phương trình đẳng nhiệt hấp phụ, khi đó, đại lượng hấp phụ cân bằng phụ

thuộc vào nồng độ chất bị hấp phụ (pha lỏng) hay áp suất riêng phần của chất

bị hấp phụ (pha khí) khi cân bằng Có nhiều phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

được thiết lập cho hấp phụ trong những trường hợp khác nhau (đơn lớp, đa

lớp, hấp phụ vật lý, hóa học, hấp phụ trên bề mặt phân cách pha rắn- lỏng,

lỏng- khí…), nhưng đối với hấp phụ trên bề mặt phân cách pha rắn- lỏng thì

quan trọng nhất là phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và phương

trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich:

Phương trình Langmuir:

Phương trình Freundlich:

a = kC1/n ,(n>1) Trong đó:

a: đại lượng hấp phụ cân bằng (g chất bị hấp phụ/g chất hấp phụ)

amax: đại lượng hấp phụ cực đại (g chất bị hấp phụ khi nó che phủ toàn bộ bề mặt chất hấp phụ)

C: nồng độ chất bị hấp phụ trong dung dịch (g/L, mol/L)

k: hằng số cân bằng: hấp phụ ↔ giải hấp

Các chất hấp phụ sử dụng trong xử lý nước thải dệt nhuộm:

- Cacbon hoạt tính: để hấp phụ thuốc nhuộm ở giai đoạn xử lý triệt để

sau keo tụ Nó không được dùng đơn lẻ do giá thành cao và hiệu suất thấp

trong loại bỏ các phân tử màu lớn và đòi hỏi thời gian tiếp xúc

- Các chất hấp phụ vô cơ khác: đất sét, than bùn, silic oxit, một số

khoáng… cũng được dùng làm chất hấp phụ thuốc nhuộm khá hiệu quả với

giá thành rẻ hơn than hoạt tính

- Các chất hấp phụ do một số công ty và tổ chức chế tạo có khả năng

hấp phụ tốt các thuốc nhuộm tan, kể cả thuốc nhuộm hoạt tính Điển hình như

chất hấp phụ Acrasorb D, Macrosorb, Cucurbiturial

- Sinh khối: được sử dụng để khử màu nước thải dệt nhuộm bằng cơ

chế hấp phụ và trao đổi ion Chitin (polisacarit cấu tạo giống xenllulo) và

chitosan ( chitin đã loại axetyl) được biết đến nhiều nhất về khả năng hấp phụ

nhiều loại thuốc nhuộm như: thuốc nhuộm phân tán, trực tiếp, axit, hoàn

nguyên, lưu hóa và cả thuốc nhuộm hoạt tính Ngoài ra người ta còn dùng

xenlulo biến tính và lignoxenlulo để hấp phụ thuốc nhuộm axit và thuốc

nhuộm cation

1.2.3.1.4 Cơ chế hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính của chitosan và dẫn xuất của

nó [19,32,78]

Trên thực tế, không có phương pháp loại bỏ chất màu nào là tối ưu cho

mọi nguồn nước thải Do đặc điểm của cấu trúc phân tử, chitosan có ái lực

mạnh đối với nhiều loại thuốc nhuộm thuộc các loại: axit, naphtol v.v Tốc độ

khuếch tán thuốc nhuộm vào chitosan tương tự như xenlulozơ

Quá trình hấp phụ thuốc nhuộm lên chitosan là quá trình toả nhiệt và sự

gia tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ hấp phụ nhưng lại làm giảm khả năng hấp

phụ Tuy nhiên, những hiệu ứng trên làm biến đổi nhiệt độ nước thải nhỏ nên

không ảnh hưởng lớn đến quá trình hấp phụ chất màu Ngoài ra, độ pH của

nước thải lại là yếu tố quan trọng (đặc biệt đối với một số chất màu) cho quá

trình hấp phụ chất màu lên chitosan vì ở pH thấp, chitosan có nhóm amino bị

proton hoá nên có ái lực mạnh đối với thuốc nhuộm có tính axit Dễ dàng nhận

thấy, thời gian hấp phụ cũng như tốc độ dòng chảy cũng là những nhân tố ảnh

hưởng tới quá trình hấp phụ thuốc nhuộm

RB19 là chất mầu antraquinon được sử dụng rộng rãi để nhuộm sợi tổng

hợp, len, sợi bông Sau đây là khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính màu

xanh RB19 của chitosan và các sản phẩm biến tính

Quá trình hấp phụ RB19- chất màu axit lên chitosan và dẫn xuất của nó

(những chất dễ bị oxi hóa trong môi trường axit) có khả năng xảy ra theo cơ

chế tương tác ion Trong dung dịch RB19 bị hòa tan và phân ly: