Nghiên cứu tổng hợp dẫn xuất n (3 hyđroxy 4 metoxybenzyliđen) chitosan và nghiên cứu hấp phụ ion kim loại nặng

Đã có nhiều loại vật liệu được sử dụng để loại bỏ ion kim loại ra khỏi nguồn nước như: silicagel, zeolit, ligin, tảo biển, rong biển, chitosan, vật liệu clay, bã mía, than hoạt tính, chấ

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

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô, các anh chị tại Viện Hóa Học – Viện Khoa Học và công nghệ Việt Nam đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo và dìu dắt tôi trong suốt 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

Sinh viên

Trần Thị Hoa Mai

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 I: TỔNG QUAN 3

I Giới thiệu chung 3

I.1 Cấu trúc tinh thể 4

I.2 Tính tan 4

I.3 Khối lượng phân tử .5

I.4 Phương pháp điều chế chitin/chitosan .7

I.4.1 Tách chitin từ vỏ phế thải thuỷ hải sản .7

I.4.2 Điều chế chitosan 9

I.4.3 Độ axetyl hoá- Xác định độ axetyl/deaxetyl hoá 10

I.5 Tính chất hoá học 11

I.5.1 Phản ứng ở nhóm -OH 12

I.5.2 Phản ứng ở nhóm axetamit 12

I.5.3 Phản ứng ở nhóm –NH2 13

I.5.4 Phản ứng giảm mạch chitosan 14

I.5.5 Một số sản phẩm biến tính chitin/chitosan 15

I.5.5.1 Sản phẩm biến tính tại nhóm -NH2 15

I.5.5.2 Sản phẩm biến tính tại nhóm -OH 21

II Ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất 22

II.1.Ứng dụng trong xử lý nước thải 23

II.1.1 Hấp phụ ion kim loại nặng .23

II.1.2 Hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính 24

II.2 Ứng dụng trong y dược .25

II.3 Ứng dụng trong nông nghiệp 25

II.3.1 Chất kích thích sinh trưởng .25

II.3.2 Chất bảo quản nông sản 26

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 27

II.1 Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu 27

II.1.1 Nguyên liệu, hóa chất 27

II.1.2 Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu 27

II.2 Thực nghiệm 28

II.2.1 Điều chế chitin/chitosan 28

II.2.1.1 Điều chế chitin 28

II.2.1.2 Điều chế chitosan 29

II.2.1.3 Xác định độ axetyl hóa/đeaxetyl hóa 30

II.2.1.4 Xác định khối lượng phân tử trung bình số của chitosan 30

II.2.2 Điều chế dẫn xuất N-(3-hydroxy-4-metoxybenzyliđen ) chitosan………31

II.2.2.1 Chuẩn bị các dung dịch: 31

II.2.2.2 Khảo sát phản ứng với điều kiện thí nghiệm khác nhau .32

II.2.2.3.Khả năng hấp thụ nước của dẫn xuất N-(3-hydroxy-4- metoxy benzyliđen)chitosan 33

II.2.3 Khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại 33

II.2.4 Giải hấp phụ, tái hấp phụ - Quy trình hấp phụ - giải hấp phụ .34

II.2.4.1 Giải hấp phụ 34

II.2.4.2 Tái hấp phụ ion kim loại – chu trình hấp phụ - giải hấp phụ34 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

III.1 Điều chế chitin/chitosan 36

III.1.1 Điều chế chitin 36

III.1.2 Điều chế chitosan từ chitin theo phương pháp kiềm đặc kết hợp nhiệt độ cao .37

III.1.2.1 Phổ hồng ngoại 37

III.1.2.2 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 38

III.1.2.3 Phổ X-Ray 39

III.1.2.4 Khối lượng phân tử 40

III.1.3 Điều chế chitosan có DA thấp 41

III.1.3.1 Phổ hồng ngoại 41

III.1.3.2 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 41

III.1.3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X 43

III.1.3.4 Khối lượng phân tử 44

III.2 Tổng hợp các dẫn xuất N-(3-hydroxy-4-metoxybenzyliđen)chitosan 45

III.2.1 Phản ứng tổng hợp các dẫn xuất N-(3-hydroxy-4-metoxybenzyliđen)chitosan 45

III.2.2 Khảo sát phản ứng bằng phổ hồng ngoại (FT-TR) 46

III.2.3 Khảo sát bằng TGA 47

III.2.4 Khảo sát bằng giản đồ nhiễu xạ tia X 48

III.2.5 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng 49

III.2.5.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ aldehyt/amin 49

III.2.5.2 Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến hiệu suất phản ứng……… .50

III.2.5.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng……… .50

III.2.5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng … 51

III.2.5.5 Khảo sát khả năng hấp thụ nước của dẫn xuất N-(3-hydroxy-4-metoxyl benzyliđen)chitosan ……52

III.3 Khảo sát khả năng hấp phụ và giải hấp phụ ion kim loại của chitosan và dẫn xuất……… ……… 52

III.3.1 Khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của chitosan và dẫn xuất N-(3-hydroxy-4-metoxy benzyliden)chitosan ……… …53

III.3.1.1 Ảnh hưởng của thời gian ……… .53

III.3.1.2 Ảnh hưởng của pH ……….…54

III.3.1.3 Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ ion kim loại ( tính theo % lượng ion kim loại hấp phụ )……….55

III.3.2 Nghiên cứu khả năng giải hấp phụ ion kim loại nặng của chitosan và dẫn xuất N-(3-hydroxy-4-metoxybenzyliden)chitosan…… …… …55

III.3.3 Nghiên cứu khả năng tái hấp phụ ion kim loại nặng của dẫn xuất (3-hydroxy-4-metoxybenzyliden)chitosan……… 56

N-KẾT LUẬN CHUNG 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của β-chitin 36

Hình 3.2: Phổ hồng ngoại của  –chitosan 38

Hình 3.3: Phổ 1 -NMR của β-chitosan 39

Hình 3.4: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan 39

Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa /C và nồng độ chitosan 40

Hình 3.6: Phổ FT-IR của -chitosan theo phương pháp phá kết tinh 41

Hình 3.7: Phổ 1H-NMR của  –chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn 42

Hình 3.8: Phổ 13C-NMR của  –chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn 42

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

phương pháp phá kết tinh 43

Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa /C và C 44

Hình 3.11: Phổ hồng ngoại của N-(3-hydroxy-4-metoxybenzyliđen)chitosan 47

Hình 3.12: Giản đồ phân tích nhiệt của chitosan (mẫu 1) và VCh (mẫu 2) 48

Hình 3.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan và dẫn xuất N-(3-hydroxy-4-metoxy benzyliđen) chitosan 48

Hình 3.14 : Ảnh hưởng của tỷ lệ nhóm aldehyt/amin đến hiệu suất phản ứng tổng hợp VCh 49

Hình 3.15: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng tổng hợp các dẫn xuất của chitosan 51

Hình 3.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng 51

Hình 3.17: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ ion đồng của chitosan và dẫn xuất N-(3-hydroxyl-4-metoxyl benzyliđen) chitosan 53

Hình 3.18: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ion kim loại đồng 54

Hình 3.19: Ảnh hưởng của khối lượng polyme đến % hấp phụ ion kim loại đồng 55

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Thành phần chính của một số nguyên liệu chứa chitin 29

Bảng 3.1: Hàm lượng β-chitin trong mai mực ống 36

Bảng 3.2: Độ chuyển dịch hoá học của proton (1H) của chitosan 38

Bảng 3.3: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan tại các nồng độ khác nhau 40

Bảng 3.4: Độ chuyển dịch hóa học của proton (1H) của chitosan 42

Bảng 3.5: Độ dịch chuyển hóa học cacbon (13C) của Chitosan 43

Bảng 3.6: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan DA0 44

Bảng 3.7: Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến hiệu suất tổng hợp các dẫn xuất N-(3-hydroxy-4-metoxybenzyliđen) chitosan 50

Bảng 3.8: Kết quả nghiên cứu giải hấp phụ ion đồng ra khỏi dẫn xuất N-(3-hydroxy-4-metoxybanzyliđen) chían bằng dung dịch HCl 0,1 N 56

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 1.1: Cấu tạo của Xenlulozo, Chitin, Chitosan 3

Sơ đồ 1.2: Điều chế chitosan 9

Sơ đồ 1.3: Quá trình sản xuất chitin / chitosan truyền thống 10

Sơ đồ 1.4: Công thức cấu tạo của chitin / chitosan 11

Sơ đồ 1.5: Phản ứng deaxetyh hóa chitin 13

Sơ đồ 1.6: Quá trình thuỷ phân chitosan bằng HCl 15

Sơ đồ 1.7: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-ankyl chitosan 15

Sơ đồ 1.8: Phản ứng ankyl hóa-khử của chitosan 16

Sơ đồ 1.9: Phản ứng ankyl hóa-khử của chitosan 16

Sơ đồ 1.10: Phản ứng điều chế chitosan liên kết ngang với glutaranđehyt 17

Sơ đồ 1.11: Phản ứng tổng hợp N,N,N-trimetyl chitosan 17

Sơ đồ 1.12: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan 18

Sơ đồ 1.13: Quá trình tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan .18

Sơ đồ 1.14: Cacboxy hóa chitosan trong môi trường axit levulinic 19

Sơ đồ1.15: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan đi từ chitosan có độ đeaxetyl hoá cao với axit monocloankanoic 19

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 20

Sơ đồ 1.17: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O- axyl chitosan .21

Sơ đồ 1.18: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-cacboxyankyl chitosan .22

Sơ đồ1.19: Phản ứng deaxetyl hoá glycol-chitin .22

Sơ đồ 3.1: Phản ứng đeaxetyl hóa chitin 37

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG KHÓA LUẬN

Lactic axit bacterial

Khối lượng phân tử trung bình

MỞ ĐẦU

Chitin [poly--(1→4)-2-axetamiđo-2-đeoxy-D-glucopyranozơ], một polysaccarit 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, tính hòa hợp sinh học, 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]

Bảo vệ môi trường đã, đang và sẽ là vấn đề được quan tâm có tính toàn cầu Ở nồng độ thấp, các nguyên tố như Fe (II, III), Cu (II), Mn (II, VII) là những nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho cơ thể Nhưng khi ở nồng độ cao, chúng tích huỹ theo chuỗi thức ăn gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người Một số nguyên tố như: Cr (VI), Cd (II), As (III,V) còn được biết đến như tác nhân gây ung thư Đã có nhiều loại vật liệu được sử dụng để loại bỏ ion kim loại ra khỏi nguồn nước như: silicagel, zeolit, ligin, tảo biển, rong biển, chitosan, vật liệu clay, bã mía, than hoạt tính, chất dẻo tổng hợp Tuy nhiên, trong số vật liệu hấp phụ có nguồn gốc thiên nhiên thì chitin/chitosan

và dẫn xuất của nó được cho là vật liệu có khả năng tạo phức tốt nhất với ion kim loại nặng, ion kim loại quý hiếm, thuốc nhuộm và có thể tái sử dụng Vì vậy, nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ sinh học trên cơ sở chitin/chitosan

đã và vẫn đang được nhiều tác giả tiếp tục quan tâm nghiên cứu

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 (3 hydroxy 4 metoxybenzyliđen)chitosan Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp các dẫn xuất N-(3-hydroxy-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 phụ ion Cu2+, chu trình giải hấp phụ-tái hấp phụ của chitosan và dẫn xuất N-(3-hydroxy-4-metoxy benzyliđen)chitosan

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

I Giới thiệu chung [1,2,4,24,34]

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

I.1 Cấu trúc tinh thể [1,2,4,71]

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

đựơc 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: 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

I.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

I.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 sỏ 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

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

I.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

I.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

I.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 100-1300C trong 24 giờ Phản ứng deaxetyl hoá xảy ra như sau :

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 β- chitin 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

-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

I.4.3 Độ axetyl hoá- Xác định độ axetyl/deaxetyl hoá [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

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

I.5 Tính chất hoá học [1,2,6]

Công thức tổng quát của chitin là : C  8 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

I.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

I.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

m

dd NaOH, t 0

Chitin Chitosan

M = 203

n M = 161

n

Sơ đồ 1.5: Phản ứng deaxetyl hóa chitin

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

Để đánh giá mức độ deaxetyl hoá của chitin người ta đưa ra khái niệm

độ deaxetyl hoá (DDA) được tính theo công thức sau

I.5.3 Phản ứng ở nhóm -NH2

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

I.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

Hiện nay, trên thế giới, các nhà khoa học đã nghiên cứu và tìm ra rất nhiều phương pháp để cải thiện khả năng tan trong nước của chitosan, trong

đó phương pháp depolyme hoá được coi là phương pháp đơn giản và hiệu quả nhất

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

Chitosan được hoà tan trong axit HCl loãng (~0,5 %) với nồng độ polime 1  1,5% khuấy ở 65  1000C trong 3 giờ sau đó để nguội đến nhiệt

độ thường Dùng NaOH để trung hoà (đến pH = 8) Tiến hành lọc, phần kết tủa được rửa nhiều lần bằng etanol, sau đó làm khô bằng axeton Phần nước trong được tách muối bằng MeOH, sau đó cô đặc lại và kết tủa trong etanol để thu sản phẩm tan trong nước Các nghiên cứu cho thấy độ polyme hoá của DP phụ thuộc vào nồng độ axit HCl Khi dùng axit HCl đặc nóng thì thu được sản phẩm có DP 2  5, khi dùng axit HCl loãng thu được sản phẩm có DP ~30

I.5.5 Một số sản phẩm biến tính chitin/chitosan

I.5.5.1 Sản phẩm biến tính tại nhóm -NH2

I.5.5.1.1 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 bazo Schiff (chứa các liên kết imin và ketimin) và giai đoạn khử liên kết imin, ketimin thành liên kết đơn

x

O O HO

OH

x

O O HO

N=CHR OH

x

O O HO

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

Theo phương pháp trên, nhiều dẫn xuất với các ứng dụng khác nhau đã được một số tác giả tổng hợp 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: N-(2-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

SCH3NH(CH2)3NHCH 2 R =

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:

dun g d Þch NaOH

OHC - (CH2)3- CHO

CH3COOH O

OH

CH (CH2)3CH

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

NH 2

OH

n

O O HO

N(CH3)3OH

n

CH3I

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

I.5.5.1.2 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:

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

bazo 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

O

NH2

OH

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

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,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, axit-2-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

CH 3 O

NH 2

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:

m

O O HO

NH 2

OH

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)

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 oxihoá và quá trình gây đột biến trong cơ thể sống

I.5.5.1.3.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

Nhiều dẫn xuất N- axyl chitosan khác cũng được tổng hợp theo phương pháp trên như: dẫn xuất N- propionyl chitosan, N-butylryl chitosan, N-hexanoyl chitosan, N-octanoyl chitosan, N- lauroyl chitosan, N- benzoyl chitosan vv Các dẫn xuất này được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp

dệt, chất tạo màng

I.5.5.2 Sản phẩm biến tính tại nhóm - OH

I.5.5.2.1 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

-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

I.5.5.2.2 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:

O O HO

NHCOCH3

OH

O O HO

NHCOCH3O(CH2)nCOOH

n Cl(CH2)nCOOH

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

I.5.5.2.3 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 thời

O(CH2)2OH

O NHAc

Sơ đồ1.19: Phản ứng deaxetyl hoá glycol-chitin

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 3-clopropan-1,2-điol (glyxerol --monoclohyđrin) trong isopropanol

II 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

II.1.Ứng dụng trong xử lý nước thải

II.1.1 Hấp phụ ion kim loại nặng [26,42,48,53,72,79]

Chitin/chitosan và nhiều dẫn xuất của đã được sử dụng để hấp phụ các ion kim loại trong xử lý nước cũng như thu hồi các kim loại quý hiếm Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng ion đồng bị hấp phụ bởi chitosan chủ yếu theo cơ chế tạo phức, pH ~5 là tối ưu cho quá trình hấp phụ Ở khoảng pH cao hơn sẽ xảy

ra hiện tượng kết tủa Cu(OH)2 Khi có mặt của các tác nhân tạo phức càng cua như tartric, citrate, EDTA chitosan có thể hấp phụ ion đồng ở pH thấp hơn Sự proton hóa nhóm amin trong mạch chitosan hay chitosan ghép với PEI ưu thế cho cơ chế hút tĩnh điện với các ion đồng Trong dung dịch chứa EDTA và ion đồng ở pH 3÷12, đồng tồn tại dưới dạng Cu(EDTA)2- trong khi

ở pH thấp hơn nó lại tồn tại ở dạng CuH(EDTA) Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, dung lượng hấp phụ rất thấp khi pH<3 Nguyên nhân là do ở pH quá thấp nhóm amin và nhóm amoni có ái lực kém với Cu(EDTA) Khi tăng pH, dung lượng hấp phụ tăng Điều này được giải thích là do sự cạnh tranh giữa

sự proton hóa và tạo phức Khi điều kiện phản ứng thích hợp cho sự hình thành đồng dạng anion, hấp phụ theo cơ chế hút tĩnh điện chiếm ưu thế Khi thay đổi điều kiện hấp phụ (quá trình proton hóa thay đổi, đồng tồn tại ở dạng kém tính anion hơn) thuận lợi hơn cho cơ chế tạo phức Đường hấp phụ đẳng nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào loại chất tạo phức càng cua, pH, nồng độ ion kim loại Quá trình hấp phụ diễn ra thuận lợi ở nồng độ ion kim loại thấp trong điều kiện không có chất tạo phức và trong điều kiện có mặt của gluconat, tartrate trong dung dịch Trong cùng điều kiện trên, sự có mặt của EDTA làm giảm ái lực hấp phụ ion đồng Trong môi trường axit khi EDTA

có mặt trong dung dịch, đồng tồn tại dưới dạng CuH(EDTA)- và Cu(EDTA)2-

Tuy nhiên, do sự có mặt của anion H2(EDTA)2- gây ra hiệu ứng cạnh tranh Điều này không xảy ra với các phối tử khác Khi tăng nồng độ kim loại (trên 0,5mM), dung lượng hấp phụ tiếp tục giảm khi có mặt của EDTA, tetrate và citra trong khi dung lượng hấp phụ tăng khi có gluconat trong dung dịch, đạt xấp xỉ giá trị nồng độ khi không có tác nhân tạo phức Phụ thuộc vào pH của dung dịch, cơ chế hấp phụ có thể thay đổi từ cơ chế hút tĩnh điện sang cơ chế liên kết phối trí giữa Cu(II) với nhóm amin không bị proton hóa pH tối ưu cho hấp phụ ion đồng phụ thuộc vào loại tác nhân tạo phức: pH tối ưu là 3,1-4,2; 5,0-5,8; 5,0–6,0 và 5,2-5,8 lần lượt cho EDTA; citrate; tatrate và gluconat

Nair và Madhavan đã sử dụng chitosan để loại bỏ thuỷ ngân khỏi dung dịch, và động học hấp phụ ion thuỷ ngân đã được Peniche-covas và cộng sự nghiên cứu Từ các kết quả khảo sát cho thấy hiệu quả hấp phụ Hg2+ bởi chitosan phụ thuộc vào thời gian xử lý, kích thước hạt chitosan, nồng độ ban đầu của Hg2+ và khối lượng chitosan cho vào Jha và cộng sự nghiên cứu sự hấp phụ lên Cd2+ bột chitosan trong khoảng nồng độ 1-10ppm ở các cỡ hạt khác nhau theo cách hấp phụ Hg2+ N(O-Cacboxybenzyl)chitosan, N-cacboxymetylchitosan-hai dẫn xuất tan trong nước và đithiocacbamat chitosan - dẫn xuất không tan trong nước là các chất hấp phụ ion kim loại từ chitosan cũng đã được khảo sát O-Cacboxymetylchitosan cũng đã được nghiên cứu sử dụng để hấp phụ ion kim loại nặng Hydroxymetyl chitin và một số dẫn xuất tan trong nước khác của chitin là các chất keo tụ cho nước dạng anionic N-Benzylsunfonat cũng là một chất hấp phụ các ion kim loại trong môi trường axit

II.1.2 Hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính [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

II.2 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…vv 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

II.3 Ứng dụng trong nông nghiệp

II.3.1 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

II.3.2 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

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM

II.1 Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu

II.1.1 Nguyên liệu, hóa chất

* Nguyên liệu : Mai mực ống mua từ nhà máy chế bến thủy sản Hải

Phòng

* Hóa chất dùng cho nghiên cứu đều ở dạng tinh khiết phân tích hoặc

tinh khiết, bao gồm:

- Vanilin (3-hyđroxy-4-metoxybenzalđehyt), 4-(OH)C6H3(OCH3)CHO 98%, nhiệt độ nóng chảy 81-83oC, điểm sôi 170oC, sử dụng ngay không qua tinh chế lại;

-3 Muối Cu(NO2)2.3H2O (PA-Trung Quốc), M=241,60 (g/mol), C%

>99,5%, dạng tinh thể

- Các hóa chất khác đều được sử dụg ngay không qua tinh chế lại: natri hyđroxit (NaOH), axit clohyđric (HCl), axit axetic 99,5% (CH3COOH), axeton (CH3COCH3), metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH), n-hexan và một số hóa chất thông thường khác

II.1.2 Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu

- Dụng cụ phục vụ cho quá trình nghiên cứu: tủ sấy, máy khuấy từ, cân

phân tích, nhiệt kế, bình cầu, cốc thủy tinh, bình tam giác, pipet và các dụng

cụ khác

- Phổ hồng ngọai được nghi trên Quang phổ kế hồng ngọai biến đổi

Fourier FTIR IMPACT Nicolet 410trong vùng 4000-400 cm-1 tại Viện Hóa học-Viện khoa học và Công nghệ việt Nam Mẫu được sấy khô 2 ngày trong

tủ sấy chân không ở 60oC và ép viên với KBr

- Phổ cộng hưởng từ hạt nhân: được nghi trên máy Bruker

ADVANCE-500 MHz ở nhiệt độ 80oC trong dung môi D2O-1%CF3COOD tại Phòng cộng hưởng từ hạt nhân- Viện Hóa học-Viện khoa học và Công nghệ việt Nam

- Giản đồ nhiễu xạ tia X: được nghi trên máy nhiễu xạ Rơnghen

SIEMENS D5000 tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công Nghệ Việt Nam, với điều kiện đo: ống đồng: CuK (= 0,15406nm), U=35KV, I=

35 mA, góc quét (-2) từ 5o–50o

- Giản đồ phân tích nhiệt (ThermoGravimetric Analysis – TGA và

Differential Sanning Calrimetry–DSC): được nghi trên máy TA-50 Shimadzu tại Viện Hóa Học–Viện Khoa Học và Công nghẹ Việt Nam Các mẫu đều được tiến hành phân tích trong môi trường khí quyển ntơ, tốc độ gia nhiệt

10oC/phút từ nhiệt độ phòng đến 700oC

- Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS ): được đo trên máy

PERKIN-ELMER-3300 tại Viện Hoá học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

- Máy ly tâm Anke TGL-16G, tốc độ 15,000 vòng/phút, Trung Quốc

- Thiết bị đông khô ALPHA 1-4LD- Đức, Phòng Polyme Thiên

nhiên, Viện Hóa Học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

- Thiết bị xác định khối lượng phân tử Osomat 90 – Đức, Phòng

Polyme Thiên nhiên, Viện Hóa Học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

II.2 Thực nghiệm

II.2.1 Điều chế chitin/chitosan

II.2.1.1 Điều chế chitin

- Chuẩn bị nguyên liệu: Mai mực ống phơi khô, loại bỏ tạp chất, bẻ nhỏ

đến kích thước trung bình khoảng 2x2 cm

- Loại muối khoáng và protein: Cân 1kg mai mực đã bẻ nhỏ cho vào