Nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan từ phế liệu tôm

Chitosan – dẫn xuất của chitin được xem là polymer tự nhiên quan trọng, nhiều thứ hai sau cellulose, các nghiên cứu đã cho thấy chitosan có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo : Chính quy

Chuyên ngành : Công nghệ thực Phẩm

Giảng viên hướng dẫn : 1 ThS Lương Hùng Tiến

Khoa CNSH – CNTP trường ĐH Nông Lâm Thái Nguyên

2 ThS Nguyễn Thị Đoàn

Khoa CNSH – CNTP trường ĐH Nông Lâm Thái Nguyên

Thái Nguyên, năm 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và các kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực

Trong quá trình thực hiện đề tài và hoàn thiện luận văn mọi sự giúp

đỡ đều đã được cám ơn và các trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc

Sinh viên

Hoàng Thị Hòa

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo ThS Lương Hùng Tiến, đã tận tình giúp đỡ, định hướng và giúp tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu này trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp Trong thời gian làm việc với thầy, tôi không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho tôi trong quá trình học tập và công tác sau này

Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến cô giáo ThS Nguyễn Thị Đoàn đã nhiệt tình giúp đỡ, dạy bảo để tôi hoàn thành tốt bài luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo cùng các anh, chị, bạn bè làm việc trong phòng thí nghiệm vi sinh khoa CNSH - CNTP trường đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn giúp đỡ tôi trong thời gian qua

Tôi xin cảm ơn và chia sẻ niềm vui này với gia đình, bạn bè cùng anh, chị những người đã luôn ở bên tôi, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để cho tôi được học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Dù đã cố gắng nhiều, xong luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Kính mong nhận được sự chia sẻ và những ý kiến đóng góp quý báu của thầy cô giáo và các bạn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

Hoàng Thị Hòa

DANH MỤC VÀ KÍ HIỆU VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Thành phần hóa học của phế liệu tôm 20

Bảng 4.1: Thành phần hóa học của nguyên liệu 34

Bảng 4.2: Hàm lượng protein còn sót lại trong vỏ tôm sau khử protein 35

Bảng 4.3 : Hàm lượng khoáng còn sót lại trong vỏ tôm sau khử khoáng 36

Bảng 4.4: Kết quả xác định độ DDA của chitosan 37

Bảng 4.5: Tính chất của chitosan sau tinh sạch 38

Bảng 4.6: Đánh giá chất lượng chitosan 39

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Chitin có nhiều trong vỏ tôm 3

Hình 2.2: Công thức cấu tạo của chitin 5

Hình 2.3: Công thức cấu tạo của chitosan 5

Hình 2.4: So sánh cấu tạo của chitin, chitosan và cellulose 6

Hình 2.5: Phức của Cu2+ với chitin và chitosan 9

Hình 3.1: Sơ đồ quy trình sản xuất chitosan 30

Hình 3.2: Sơ đồ quy trình tinh sạch chitosan bằng phương pháp sấy đối lưu 31

Hình 3.3: Sơ đồ quy trình tinh sạch chitosan bằng phương pháp sấy đông khô 32

Hình 3.4: Sơ đồ phương pháp đối kháng trực tiếp trong dịch nuôi cấy lỏng 33 Hình 4.1 : PLT ban đầu 36

Hình 4.2 : PLT sau thủy phân 36

Hình 4.3: Sản phẩm chitin sau lên men 36

Hình 4.4: Chitosan sấy đối lưu 36

Hình 4.5: Chitosan sấy đông khô 38

Hình 4.6: Khả năng kháng S Typhimurium của chitosan 39

MỤC LỤC

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Yêu cầu của đề tài 2

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Cơ sở nghiên cứu khoa học 3

2.1.1.Lịch sử và nguồn gốc của chitin/chitosan 3

2.1.2 Cấu trúc hóa học của chitin/chitosan 4

2.1.3 Tính chất của chitosan 6

2.1.4 Một số ứng dụng của chitin/chitosan và các dẫn xuất 12

2.1.5 Giới thiệu về phế liệu tôm và các phương pháp thu nhận chitin 17

2.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 24

2.2.1 Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin/chitosan trên thế giới 24

2.2.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin/chitosan ở Việt Nam 24

PHẦN 3 VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

3.1 Vật liệu nghiên cứu 26

3.1.1 Nguyên liệu 26

3.1.2 Enzyme 26

3.1.3 Chủng vi khuẩn 26

3.1.4 Hóa chất 26

3.1.5 Dụng cụ, thiết bị 26

3.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 27

3.3 Nội dung nghiên cứu 27

3.4 Phương pháp nghiên cứu 28

3.4.1 Phương pháp xác định thành phần hóa học của phế liệu tôm 28

3.4.2 Phương pháp nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan 30

3.4.3 Phương pháp đánh giá chất lượng chitosan 32

PHẦN 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

4.1 Xác định thành phần hóa học ban đầu của phế liệu tôm 34

4.2 Xây dựng quy trình sản xuất chitosan 34

4.2.1 Kết quả nghiên cứu công đoạn khử protein 34

4.2.2 Kết quả nghiên cứu công đoạn khử khoáng 35

4.2.3 Kết quả xác định màu của phế liệu tôm sau quá trình khử khoáng và khử protein 36

4.2.4 Kết quả nghiên cứu công đoạn deacetyl hóa 37

4.2.5 Kết quả nghiên cứu công đoạn tinh sạch chitosan 37

4.3 Đánh giá chất lượng sản phẩm chitosan 39

PHẦN 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40

5.1 Kết luận 40

5.2 Kiến nghị 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

Zygemycetes, trong sinh khối nấm mốc, một vài loại tảo…Chitosan chính là

sản phẩm biến tính của chitin

Ở nước ta tôm đông lạnh chiếm sản lượng lớn nhất trong số các sản phẩm đông lạnh Chính vì vậy vỏ tôm phế liệu là nguồn nguyên liệu tự nhiên dồi dào,

rẻ tiền có sẵn quanh năm cho việc sản xuất chitin và chitosan ở nước ta

Chitosan là một polyme sinh học được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như thực phẩm, nông nghiệp, môi trường, y học và mỹ phẩm (Hirano,1996) Hiện nay, chitosan được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau (tôm, cua, mực, vi nấm và vi khuẩn), trong đó nhiều nhất là nguồn phế liệu tôm Tuy nhiên, nguồn phế liệu tôm thường chứa một lượng lớn protein, khoáng và chất màu nên chitosan từ phế liệu tôm dù đã qua công đoạn khử khoáng và khử protein vẫn còn chứa một lượng protein và khoáng đáng kể cũng như chất màu Ngoài ra, độ tan của chitosan từ tôm cũng thường không đạt được trên 99%, vì còn một phần chất không tan chủ yếu là chitin do quá trình deacetyl không đạt độ đồng nhất cao Việc nâng cao

độ tinh khiết của chitosan chiết rút từ phế liệu tôm sẽ cho phép mở rộng ứng dụng của polyme này vào những lĩnh vực mới như y học và công nghệ sinh học với những đòi hỏi về tiêu chuẩn chất lượng rất cao (Knapczyk và cộng sự, 1989) Các quy trình sản xuất chitosan từ phế liệu tôm hiện nay thường bắt đầu bằng bước sản xuất chitin với việc sử dụng NaOH và HCl với nồng độ cao để loại protein và khoáng, tiếp theo là quá trình deacetyl bằng NaOH đặc (No và Meyer, 1997) Tuy nhiên các quá trình này thường không loại bỏ tuyệt đối được lượng protein và khoáng dù có tăng nồng độ và thời gian xử lý Mặt khác, việc tinh chế chitosan bằng một số phương pháp hiện đại như sử dụng sắc ký điều chế, dùng siêu lọc thường rất tốn kém, đòi hỏi đầu tư lớn, rất khó thực hiện ở quy mô lớn [9]

Xuất phát từ thực tế trên chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:

“Nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan từ phế liệu tôm”

1.2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu được quy trình sản xuất chitosan từ phế liệu tôm

- Đánh giá được chất lượng chế phẩm chitosan sản xuất được

1.3 Yêu cầu của đề tài

- Nghiên cứu được các công đoạn của quá trình sản xuất chitosan

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đáp ứng phục vụ đào tạo thực tập tay nghề cho sinh viên ngành công nghệ thực phẩm

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Cơ sở nghiên cứu khoa học

2.1.1.Lịch sử và nguồn gốc của chitin/chitosan

Về mặt lịch sử, chitin được Braconnot phát hiện đầu tiên vào năm 1811, trong cặn dịch chiết từ một loại nấm Ông đặt tên cho chất này là “Fungine”

để ghi nhớ nguồn gốc của nó Năm 1923, Odier phân lập được một chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi là “chitin” hay “chiton”, tiếng Hy Lạp có nghĩa là vỏ giáp, nhưng ông phát hiện ra sự có mặt của nitơ Cuối cùng Odier và Braconnot đều đi đến kết luận chitin có dạng công thức giống với cellulose

Sự xuất hiện của nitơ trong chitin đã được Lassaige chứng minh vào năm

1843 từ đó nhân loại bắt đầu nghiên cứu và ứng dụng lâu dài hợp chất này và các dẫn xuất của nó [15]

Hình 2.1: Chitin có nhiều trong vỏ tôm

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

mô da giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da Ở thực vật, chitin

có trong thành tế bào nấm, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo,…[5] Chitin có cấu trúc thuộc họ polysaccharide, hình thái tự nhiên ở dạng rắn Do

đó, các phương pháp nhận dạng chitin, xác định tính chất và phương pháp hóa học để biến tính chitin cũng như việc sử dụng và lựa chọn các ứng dụng của chitin gặp nhiều khó khăn

Chitosan là sản phẩm biến tính của chitin, là chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ thành các kích cỡ khác nhau Chitosan – dẫn xuất của chitin được xem là polymer tự nhiên quan trọng, nhiều thứ hai sau cellulose, các nghiên cứu đã cho thấy chitosan có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm,…Giống như cellulose, chitosan là chất xơ, không giống chất xơ thực vật, chitosan có khả năng tạo màng, có các tính chất cấu trúc quang học,… Chitosan còn là chất cao phân tử mang điện dương duy nhất trong tự nhiên, nó có khả năng kết hợp với những chất tích điện âm như chất béo, lipid và acid

Chitosan là polymer không độc, có khả năng phân hủy sinh học và có tính tương thích về mặt sinh học Trong nhiều năm qua, các polymer có nguồn gốc từ chitin đặc biệt là chitosan được coi như một vật liệu mới có ứng dụng đặc biệt trong công nghiệp dược, y học, xử lý nước thải và trong công nghiệp thực phẩm như là tác nhân kết hợp, gel hóa, ổn định hay tác nhân kháng khuẩn,…

Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin – chitosan chiếm khá cao, dao động từ 14 – 35% so với trọng lượng khô

Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin – chitosan [7]

2.1.2 Cấu trúc hóa học của chitin/chitosan

Chitin (C8H13O5N)n là một polymer mạch dài của N-acetylglucosamine, dẫn xuất của glucose, trong đó nhóm (-OH) ở nguyên tử C (2) được thay thế bằng nhóm acetyl amino (-NHCOCH3)

Hình 2.2: Công thức cấu tạo của chitin

Hình 2.3: Công thức cấu tạo của chitosan

Chitosan một polysaccharid mạch thẳng, là dẫn xuất deacetyl của chitin, trong đó nhóm (-NH2) thay thế nhóm (-COCH3) ở vị trí C (2) Chitosan được cấu tạo từ các mắt xích D-glucosamine liên kết với nhau bởi các liên kết β-(1,4)-glucoside, do vậy chitosan có thể gọi là poly β-(1,4)-2-amino-2-deoxy-D-glucose hoặc là poly β-(1,4)-D-glucosamine [1]

Hình 2.4: So sánh cấu tạo của chitin, chitosan và cellulose

nó ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và khả năng ứng dụng của chitosan sau này [5] Mức độ deacetyl hóa của chitin vào khoảng trên 50% phụ thuộc vào loài giáp xác và phương pháp sử dụng Do quá trình khử acetyl xảy ra không hoàn

toàn nên người ta quy ước mức độ acetyl lớn hơn 50% thì gọi là chitosan, nhỏ hơn 50% gọi là chitin Khi ở mức độ acetyl hóa thấp, chitosan có khả năng hút ẩm lớn hơn [22]

c) Trọng lượng phân tử

Chitosan là polymer sinh học có khối lượng phân tử cao Chitosan thương phẩm có khối lượng khoảng 1000000 – 1200000 Dalton, phụ thuộc vào quá trình chế biến và loại sản phẩm Trọng lượng phân tử khác nhau dẫn đến đặc tính của từng loại chitosan khác nhau, người ta thường phân loại chitosan dựa vào trọng lượng phân tử Trọng lượng phân tử chitosan có thể xác định bằng phương pháp sắc ký, phân tán ánh sáng hoặc đo độ nhớt [24,25]

d) Độ nhớt

Độ nhớt là yếu tố quan trọng để xác định khối lượng phân tử của chitosan [1] Chitosan phân tử lượng cao thường làm cho dung dịch có độ nhớt cao Quá trình chế biến ảnh hưởng và quyết định đến độ nhớt của chitosan [4]

e) Tính tan

Chitin tan hầu hết trong các dung môi hữu cơ, trong khi đó chitosan tan trong các dung dịch acid, dung dịch đệm có pH dưới 6 Các axit hữu cơ như acetic, formic và lactic thường được sử dụng để hòa tan chitosan Ở pH cao,

có thể xảy ra hiện tượng kết tủa hoặc đông tụ nguyên nhân là do hình thành hỗn hợp poly- ion với chất keo anion Tuy nhiên tính tan của dung dịch còn bị ảnh hưởng bởi mức độ acetyl hóa [19]

f) Tỷ trọng

Tỷ trọng của chitin từ tôm và cua thường là 0,06 và 0,17g/ml, điều này cho thấy chitin từ tôm xốp hơn từ cua Như vậy do loài giáp xác hoặc phương pháp chế biến, mức độ acetyl hóa ảnh hưởng lớn đến tỷ trọng của chitosan [24]

g) Khả năng kết hợp với nước (WBC) và khả năng kết hợp với chất béo (FBC)

Khả năng kết hợp với nước của chitosan lớn hơn rất nhiều so với cellulose hay chitin Thông thường, khả năng hấp thụ nước của chitosan khoảng 581 – 1150% (trung bình là 702%) phụ thuộc vào từng sản phẩm Quá

trình sản xuất chitosan có nhiều giai đoạn, thay đổi thứ tự sản xuất cũng ảnh hưởng đáng kể đến khả năng giữ nước và giữ chất béo

Khả năng kết hợp với chất béo của các chế phẩm chitosan trong khoảng 370,2 – 665,4% [24]

h) Khả năng tạo màng

Bản chất là polymer sinh học có phân tử lượng lớn nên khi hòa tan vào dung môi, chitosan tạo dung dịch có độ nhớt lớn, dung dịch dạng gel, tạo thành màng mỏng khi được phun hay phủ một lớp mỏng lên bề mặt vật liệu

và để khô tự nhiên Màng chitosan dai, khó xé rách, có khả năng tự phân hủy sinh học [19]

2.1.3.2 Tính chất hóa học của chitosan

Chitosan chứa nhiều nhóm –NH2 nên có thể tan trong dung dịch acid Khi tan trong dung dịch acid, chitosan tạo gel có thể tráng mỏng thành màng Ứng dụng tính chất này nên chitosan được dùng để tạo màng không thấm bảo quản trứng, trái cây hay dùng hỗ trợ trong điều trị viêm loét dạ dày, tá tràng (trong môi trường acid của dạ dày, chitosan tạo gel che phủ, bảo vệ niêm mạc) [1]

Trong phân tử chitosan có chứa các nhóm chức -OH, -NHCOCH3 trong các mắt xích N-acetyl-D-glucosamine và nhóm –OH, nhóm -NH2 trong các mắt xích D-glucosamine có nghĩa chúng vừa là ancol vừa là amine, vừa là amide Phản ứng hóa học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thế N- [25]

Mặt khác chitosan là những polyme mà các monome được nối với nhau bởi các liên kết α-(1,4)-glicoside, các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hóa học như: acid, base, tác nhân oxy-hóa và các enzyme thủy phân

Trong phân tử chitosan và một số dẫn xuất của chitosan có chứa các nhóm chức mà trong đó các nguyên tử Oxi và Nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa sử dụng, do đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+,

Ni2+, Co2+…Tùy nhóm chức trên mạch polyme mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau [20] Hơn nữa chitosan và các kim loại như Ag+, Cu2+, Ni2+,

… có tính chất khử trùng và diệt khuẩn, sau khi chitosan liên kết với các ion

kim loại nhờ oxi hay nitơ, các liên kết ràng buộc làm tăng cường hoạt tính kháng khuẩn, đây là một tính chất tốt, sẽ thuận lợi cho các ứng dụng trong nông nghiệp, y tế công nghiệp cũng như công nghiệp thực phẩm [5]

Ví dụ: với phức Cu(II), chitin có cấu trúc bát diện với số phối trí bằng

6, phức Cu(II) với chitosan có cấu trúc tứ diện với số phối trí bằng 4

Hình 2.5: Phức của Cu 2+ với chitin và chitosan

Tuy nhiên khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng của chitosan rất lớn

Độ hấp phụ đối với hầu hết các kim loại này không nhỏ hơn 1mmol/g chitosan Khả năng hấp phụ kim loại nặng của chitin/ chitosan đặt ra một vấn

đề cần phải kiểm soát chặt chẽ hàm lượng của các kim loại nặng, đặc biệt các loại độc hại nhất như Hg, Cd, Pb, As trong các sản phẩm chitin/ chitosan dùng

trong thực phẩm và y dược [20]

2.1.3.3 Tính chất sinh học của chitosan

Chitosan không độc, dùng an toàn cho người Chúng có tính hòa hợp sinh học cao với cơ thể, có khả năng tự phân hủy sinh học [7]

Chitosan có nhiều tác dụng sinh học đa dạng như: tính kháng nấm, tính kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau, kích thích sự phát triển tăng sinh của tế bào, có khả năng nuôi dưỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh dưỡng, tác dụng cầm máu, chống sưng u Ngoài ra, chitosan còn có tác dụng

làm giảm cholesterol và lipid máu, hạ huyết áp, điều trị thận mãn tính, chống rối loạn nội tiết [2]

Với khả năng thúc đẩy hoạt động của các peptide – insulin, kích thích việc tiết ra insulin ở tuyến tụy nên chitosan đã được dùng để điều trị bệnh tiểu đường Nhiều công trình đã công bố khả năng kháng đột biến, kích thích làm tăng cường hệ thống miễn dịch cơ thể, khôi phục bạch cầu, hạn chế sự phát triển của các tế bào u, ung thư, HIV/AIDS, chống tia tử ngoại, chống ngứa,…của chitosan

- Tác dụng ức chế u bướu: Chitosan có tác dụng tăng cường miễn dịch

tế bào, hoạt hóa công năng của tế bào limpho, nâng cao độ pH trong dịch thể,

từ đó tạo ra môi trường kiềm tính, tăng cường khả năng tấn công tiêu diệt các

tế bào ung thư của tế bào limpho Trong các nghiên cứu về u bướu thấy rằng chitosan có tác dụng khống chế tế bào ung thư khá tốt, đồng thời còn có tác dụng kích hoạt khả năng miễn dịch của cơ thể chống lại các tế bào ung thư

- Tác dụng tăng cường cơ năng gan: Chitosan có thể hấp thụ chất bẩn trong đường ruột, phòng trừ phát sinh mỡ trong gan

- Tác dụng phòng chống bệnh tiểu đường: Bệnh lý cơ bản của bệnh tiểu đường là rối loạn nội tiết do lượng insulin tuyệt đối hoặc tương đối tiết ra không đủ Khi dịch thể kiềm tính thì có thể nâng cao khả năng hấp thụ insulin, đồng thời có thể điều tiết acid dịch thể của bệnh nhân tiểu đường do sự phân giải chất béo mà sinh ra lượng acid hữu cơ quá cao Chitosan có tính hấp thụ khá mạnh, trong đường ruột chỉ có dung tích nhất định, có thể giảm thiểu sự hấp thu các loại đường trong thức ăn, hạ thấp và kéo dài mức đường huyết ổn định, từ đó phòng trị bệnh tiểu đường

- Tác dụng hạ huyết áp, phòng bệnh xơ cứng động mạnh: Chitosan có thể hạn chế sự hấp thụ nguyên tử clo trong cơ thể Nhờ tác dụng của dịch toan

dạ dày hình thành các nguyên tử mang điện tích dương kết hợp với nguyên tử clo, làm giảm nồng độ các nguyên tử clo trong đường huyết, đẫn đến mạch máu giãn nở tốt hơn, từ đó mà huyết áp giảm Đồng thời còn làm cho cholesterol không bám được vào thành mạch máu, phòng được bệnh xơ cứng động mạch

- Tác dụng đào thải độc tố và hấp thụ kim loại nặng: Chitosan mang điện tích dương có tác dụng hút kim loại nặng thải ra ngoài, giảm bớt sự tích

tụ kim loại nặng trong cơ thể, cân bằng chất điện giải trong cơ thể để duy trì sức khỏe Thậm chí các chất có tính phóng xạ cũng bị đào thải ra ngoài Ngoài ra chitosan còn hấp thụ các độc tố, các dư chất hóa học xâm nhập vào

cơ thể qua con đường ăn uống, thuốc chữa bệnh, ô nhiễm môi trường,… trong

cơ thể đào thải ra ngoài

- Cải thiện cơ năng tiêu hóa : Chitosan có thể nâng cao khả năng đối kháng của vi khuẩn có ích trong đường ruột đối với vi khuẩn có hại, thúc đẩy quá trình gia tăng số lượng vi khuẩn có ích trong đường ruột, cải thiện công năng đường tiêu hóa, nâng cao sức hấp thụ dinh dưỡng cho cơ thể

- Ứng dụng của giáp xác trong ngoại khoa: Chitosan có khả năng thúc đẩy làm lành da, tác dụng diệt khuẩn, phục hồi vết thương nhanh chóng, cầm máu, thấm máu ở vị trí bị xuất huyết, làm vết thương đỡ đau đớn

- Độc tính của chitosan : Năm 1968, K.Arai và cộng sự đã xác định

chitosan hầu như không độc, chỉ số LD50= 16g/kg cân nặng cơ thể, không gây độc trên súc vật thực nghiệm và người, không gây độc tính trường diễn ( LD50

là chỉ số biểu thị độ độc cấp tính của một chất, lượng chất độc gây chết 50%

số cá thể thí nghiệm) [21]

Nghiên cứu tiêm chitosan theo đường tĩnh mạch trên thỏ, các tác giả đã kết luận: chitosan là vật liệu hòa hợp sinh học cao, nó là chất mang lý tưởng trong hệ thống vận tải thuốc, không những sử dụng cho đường uống, tiêm tĩnh mạch, tiêm bắp, tiêm dưới da, mà còn sử dụng an toàn trong ghép mô

Từ những nghiên cứu, các tác giả đưa ra kết luận:

- Chitosan có tính chất cơ học tốt, không độc, dễ tạo màng, có thể tự phân hủy sinh học, hòa hợp sinh học không những đối với động vật mà còn đối với các mô thực vật, là vật liệu y sinh tốt, làm mau liền vết thương

- Chitosan không độc hoặc độc tính rất thấp trên xúc vật thực nghiệm

và nó có thể được sử dụng an toàn trên cơ thể người

2.1.4 Một số ứng dụng của chitin/chitosan và các dẫn xuất

Với các đặc tính ưu việt vốn có, chitosan đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp, nông nghiệp, y học, thực phẩm, môi trường…

2.1.4.1 Trong công nghiệp thực phẩm

* Ứng dụng làm màng bao bảo quản hoa quả

Trong thực tế người ta đã dùng màng chitosan để đựng và bảo quản các loại rau quả như đào, dưa chuột, đậu, quả kiwi…[15,23] Các thí nghiệm thực

tế cho thấy chitosan có khả năng ức chế hoạt động của một số loại vi khuẩn, nấm mốc, một số dẫn xuất của chitosan diệt được một số loại nấm hại dâu tây,

cà rốt, đậu và có tác dụng tốt trong bảo quản các loại rau quả có vỏ cứng bên ngoài Có thể bảo quản các loại thực phẩm tươi sống, đông lạnh khi bao gói chúng bằng các màng mỏng dễ phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường Thông thường người ta hay dùng màng PE để bao gói các loại thực phẩm khô Nếu dùng PE để bao gói các thực phẩm tươi sống thì có nhiều bất lợi do không khống chế được độ ẩm và độ thoáng không khí (oxy) cho thực phẩm Trong khi bảo quản, các thực phẩm tươi sống vẫn “thở”, nếu dùng bao gói bằng PE thì mức cung cấp oxy bị hạn chế, nước sẽ bị ngưng đọng tạo môi trường cho nấm mốc phát triển Màng bao chitosan sẽ giải quyết được các vấn

đề trên Màng chitosan cũng khá dai, khó xé rách, có độ bền tương đương với một số chất dẻo vẫn được dùng làm bao gói

Màng chitosan làm chậm lại quá trình bị thâm của rau quả Rau quả sau khi thu hoạch sẽ dần dần bị thâm, làm giảm chất lượng và giá trị Rau quả bị thâm là do quá trình lên men tạo ra các sản phẩm polyme hóa của oquinon Nhờ bao gói bằng màng chitosan mà ức chế được hoạt tính oxy hóa của các polyphenol, giữ cho rau quả tươi lâu hơn [18]

* Cố định enzyme

Hiện nay trên thế giới đã thành công việc sử dụng chitosan làm chất mang để cố định enzyme và tế bào Việc cố định enzyme α-amylase, β-amylase, glucoseisomerase và amyloglucosidase trên chitosan bằng formaldehyde đã được nghiên cứu với Synowiecki và công sự [26] Enzyme

cố định đã cho phép mở ra việc sử dụng rộng rãi enzyme trong công nghiệp, y học và khoa học phân tích enzyme cố định được sử dụng lâu dài, không cần

thay đổi xúc tác, tạo điều kiện thuận lợi và đạt hiệu quả cao Chitosan thỏa mãn yêu cầu đối với một chất mang có phân tử lượng lớn, bền vững không tan và ổn định với các yếu tố hóa học [15]

* Chất làm trong - ứng dụng trong công nghiệp sản xuất nước quả

Trong sản xuất nước quả, việc làm trong là yêu cầu bắt buộc Thực tế hiện nay đang sử dụng các chất làm trong như: gelatin, bentonite, tanin, chitosan,… Chitosan là tác nhân loại bỏ đục, giúp điều chỉnh acid trong nước quả Đối với dịch quả táo, nho, chanh, cam không cần qua xử lý pectin, dùng chitosan có thể làm trong mà không hề gây ảnh hưởng xấu tới chỉ tiêu chất lượng Nghiên cứu đã chỉ ra rằng chitosan có ái lực lớn đối với các hợp chất polyphenol (catechin, acid cinamic và dẫn xuất của chúng,…) – những chất

có thể làm biến màu nước quả bởi phản ứng oxi hóa [15]

* Thu hồi protein

Whey được coi là chất thải trong công nghiệp sản xuất phomat, chứa lượng lớn lactose và protein ở dạng hòa tan Nếu thải trực tiếp ra ngoài sẽ gây

ô nhiễm môi trường, còn xử lý nước thải thì tốn kém trong vận hành hệ thống

mà hiệu quả kinh tế không cao Việc thu hồi protein trong whey được xem là biện pháp làm tăng hiệu quả kinh tế sản xuất phomat, whey protein khi thu hồi được bổ sung vào đồ uống, thịt băm và các loại thực phẩm khác Có rất nhiều phương pháp khác nhau nhằm thu hồi lượng protein này và chitosan mang lại hiệu suất tách cao nhất Tỷ lệ chitosan để kết bông các hạt lơ lửng là 2,15% (30mg/lit), độ đục thấp nhất ở pH = 6,0 Nghiên cứu về protein thu được bằng phương pháp này cho thấy không hề có sự khác biệt về giá trị giữa protein có chứa chitosan và protein thu được bằng các phương pháp khác

Ngoài thu hồi protein từ whey, người ta sử dụng chitosan trong thu hồi các axit amin trong nước của đồ hộp sản xuất thịt, cá [15]

* Sử dụng trong thực phẩm chức năng, chất phụ gia thực phẩm

Không giống như các chất xơ có nguồn gốc thực vật, nhóm amin của chitosan có thể kết hợp với một ion H+ trong dung dịch acid của dạ dày tạo thành nhóm amin mang điện tích dương [15] Theo đó, những phần tử mang điện tích âm như các chất béo, các acid béo, các acid mật có thể kết hợp với chitosan qua nhóm amin này Bằng các liên kết kị nước, chitosan cũng liên

kết với các chất béo trung tính như cholesterol và sterol Các liên kết ion và liên kết kị nước này sẽ tạo ra những hợp chất cao phân tử ít bị tiêu hóa trong

cơ thể Các hợp chất này sẽ đi vào ruột Tại đây, trong môi trường pH trung tính, hỗn hợp nhũ tương chất béo – chitosan lập tức chuyển thành dạng gel không hòa tan Do đó, chất béo không bị tấn công bởi các enzyme tiêu hóa trong ruột và tuyến tụy Tác động này của chitosan được tăng cường bởi sự có mặt của một số hợp chất khác, ví dụ như acid ascorbic Nếu sử dụng thực phẩm chức năng có bổ sung 4% chitosan thì lượng cholesterol trong máu giảm đi đáng kể chi sau 2 tuần [2] Ngoài ra chitosan còn là chất chống đông

tụ máu Chính nhờ đặc điểm quan trọng này chitosan ứng dụng trong thực phẩm chức năng…

Ngoài ra, chitosan được sử dụng thay thế cho các phụ gia độc hại trong chế biến thực phẩm (thay thế nitrit, nitrat trong chế biến giò nhằm tạo cấu trúc gel tốt, tăng khả năng kháng vi sinh vật, kéo dài thời gian sử dụng,…), chất làm dày, chất ổn định,…[7]

2.1.4.2 Trong y học, dược phẩm

Những ứng dụng của chitosan và dẫn xuất của chúng ngày càng được sản xuất và ứng dụng nhiều Với các đặc tính ưu việt, chitosan đã được đưa vào ứng dụng thực tế trong ngành y như là: chỉ khâu kỹ thuật tự hủy, da nhân tạo, tác động kích thích miễn dịch, chống sự phát triển của khối u, đặc tính làm giảm cholesterol máu, trị bỏng nhiệt,…[2]

Da nhân tạo có nguồn gốc từ chitin, nó giống như một tấm vải và được bọc ốp lên vết thương chỉ một lần đến khi khỏi Da nhân tạo bị phân hủy sinh học từ từ cho đến lúc hình thành các biểu bì mới Nó có tác dụng giảm đau, giúp cho các vết sẹo bỏng phục hồi biểu bì nhanh chóng Trường Đại học Dược Hà Nội, Đại học Y Hà Nội, Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia cũng đã chế tạo thành công loại da nhân tạo này và bước đầu có ứng dụng hiệu quả

Chitin/chitosan và các oligome của nó có đặc tính miễn dịch do nó kích thích các tế bào giữ nhiệm vụ bảo vệ miễn dịch với các tế bào khối u và các tác nhân gây bệnh Những nghiên cứu gần đây hướng vào các oligome, N-acetylglucosamin và glucosamin, các chất này có một số tính chất của các

polymer tương ứng nhưng lại có ưu thế là tan tốt trong nước do đó dễ dàng được hấp thụ Glucosamin được dùng rộng rãi trong điều trị viêm khớp, thoái hóa khớp [3]

Nhờ vào tính ưu việt của chitosan, cộng với đặc tính không độc, hợp với cơ thể, tự tiêu hủy được, nên chitosan đã được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm Thuốc kem Pokysan có tác dụng

kháng khuẩn, kháng nấm, đặc biệt là chủng nấm Candida albicans, không gây

dị ứng và tác dụng phụ, có khả năng cầm máu, chống sưng u, kích thích tái tạo biểu bì mô và tế bào da để làm mau liền các vết thương, vết bỏng, chóng lên da non và giảm bớt đau đớn cho người bệnh Ứng dụng vật liệu chitin/chitosan từ phụ phẩm của ngành chế biến thủy, hải sản (vỏ tôm, cua, mai mực) của tập thể cán bộ Khoa học nữ phòng polyme dược phẩm (Viện hóa học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) Thuốc đã được thử nghiệm lâm sàng trên 500 bệnh nhân bỏng nông và bỏng sâu tại viện bỏng Quốc gia và các bệnh viện khác ở Việt Nam với hiệu quả tốt ngang thuốc bỏng nhập ngoại của Mỹ và Ấn Độ nhưng giá rẻ hơn nhiều Từ chitosan, người ta đã bào chế ra nhiều loại thuốc điều trị các bệnh như: nhiễm xạ, chữa bỏng, giảm đau, thuốc hạ cholesterol, chữa bệnh dạ dày, đông tụ máu và chữa được cả bệnh ung thư Đặc biệt tại Việt Nam, viện vacxin Nha Trang đã thu gom hàng ngàn tấn vỏ tôm được thải ra từ các nhà máy chế biến đông lạnh tại địa phương để nghiên cứu và sản xuất ra 2 sản phẩm chitosan chữa béo phì và glusivac điều trị thoái hóa khớp

2.1.4.3 Trong xử lý nước, nước thải

Từ trước tới nay, ở nước ta chất keo tụ được sử dụng để lắng trong nước sinh hoạt là nhôm sunfat (thường gọi là phèn đơn) hoặc nhôm kali, nhôm amoni sunfat (thường gọi chung là phèn kép) hoặc dung dịch phèn nước (thông thường là dung dịch phèn nhôm sắt) Nhằm phòng chống một số bệnh tật, bệnh dịch, người ta còn sử dụng một số hóa chất khác như clo (clo lỏng, nước javen, bột tẩy) có tác dụng diệt khuẩn, vôi để hiệu chỉnh độ pH, natri silicofluorua chống bệnh sâu răng, polyacrylat để hoàn thiện quá trình lắng trong nước… hiện nay, đã có những ứng dụng áp dụng tiến bộ kỹ thuật vào sản xuất các hóa chất có hiệu quả xử lý nước tốt hơn các loại phèn đơn, phèn

kép truyền thống đã sử dụng hàng trăm năm nay Đó chính là những vật liệu hấp thụ sinh học

Vật liệu hấp thụ sinh học mới có khả năng xử lý kim loại từ nước thải Nước thải của hoạt động khai thác mỏ, mạ kim loại, nhà máy điện, chế tạo thiết bị điện và đặc biệt là hoạt động của các tổ hợp nhiên liệu hạt nhân, các

cơ sở quốc phòng… có chứa các kim loại có độc tính cao như crôm, cadimi, chì, thủy ngân, niken, đồng cần được xử lý trước khi thải Kết tủa hóa học, oxy hóa – khử, lọc cơ học, trao đổi ion, tách màng, hấp phụ trên vật liệu than

là những phương pháp được sử dụng rộng rãi để tách các kim loại nặng khỏi dòng thải

Hấp phụ sinh học là phương pháp sử dụng các vật liệu sinh học để tách kim loại hay các hợp chất và các hạt khỏi dung dịch Trong những năm gần đây, phương pháp này được đánh giá là một trong những phương pháp hiệu quả về cả kinh tế và kỹ thuật để loại bỏ các kim loại gây nhiễm bẩn nguồn nước mặt và nhiều loại nước thải công nghiệp Các nhà nghiên cứu đã đưa ra

12 loại chất hấp phụ có khả năng tách kim loại khỏi các dòng thải với chi phí thấp Trong số 12 loại này, chitosan có dung lượng hấp phụ cao nhất đối với kim loại

Chitosan có khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng Do đặc tính của nhóm amino tự do trong cấu trúc chitosan được tạo thành khi deacetyl hóa chitin, các phức chelat của nó làm cho khả năng hấp phụ kim loại tăng gấp 5 đến 6 lần so với chitin Khi ghép một số nhóm chức vào khung cấu trúc của chitosan sẽ làm tăng khả năng hấp phụ kim loại của chitosan lên nhiều lần Để tạo điều kiện tốt cho quá trình chuyển khối, đồng thời tăng dung lượng hấp phụ kim loại của chitosan, biến tính chitosan hấp phụ kim loại nặng trên mạng lưới liên kết mạch thẳng và chéo nhau Kết quả là đã tạo ra được nhiều loại chitosan biến tính có dung lượng hấp phụ kim loại cao [12]

Các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu một số chất hấp phụ sinh học và khả năng giữ các nguyên tố phóng xạ như urani, thori Họ đã nhận thấy khả năng ứng dụng rộng lớn của các loại chất hấp phụ sinh học trên cơ sở chitosan biến tính, vì vậy chúng đã được tập chung nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa Các chất hấp phụ sinh học ở dạng tự nhiên thường mềm, trong dung

dịch nước có xu hướng kết tụ hoặc tạo gel Hơn nữa, ở dạng tự nhiên mạng lưới của chúng thực tế không có khả năng hấp phụ Sự di chuyển của kim loại nhiễm bẩn vào mạng lưới giam giữ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ sinh học Cần thiết phải cung cấp sự hỗ trợ vật lý và tăng cường sự thâm nhập của mạng giam giữ kim loại của chất hấp phụ sinh học trên các loại giá thể khi chuẩn bị vật liệu hấp phụ sinh học Nhiều vật liệu hấp phụ sinh học với các loại màng chitosan biến tính trên các cá thể khác nhau đã được nghiên cứu cho mục đích này [12]

2.1.4.4 Trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp khác

Do có cấu trúc tương tự cellulose nên chitosan được nghiên cứu bổ sung vào làm nguyên liệu sản xuất giấy Chitosan làm tăng độ bền dai của giấy, đồng thời việc in trên giấy cũng tốt hơn Trong sản xuất giấy, qua nghiên cứu người ta thấy nếu bổ sung 1% chitosan thì độ bền giấy tăng lên khi bị ướt hay tăng độ nét khi in [3]

Có thể thay thế hồ tinh bột bằng chitosan để hồ vải, nó có tác dụng làm

tơ sợi bền, mịn, bóng đẹp, cố định hình in, chịu được axit và kiềm nhẹ

Chitosan kết hợp với một số thành phần khác để sản xuất vải chịu nhiệt, vải chống thấm, vải dùng cho may quần áo diệt khuẩn trong y tế,…

Trong nông nghiệp, chitosan được sử dụng làm chất bảo quản quả, hạt giống mang lại hiệu quả cao Dùng như một thành phần chính trong thuốc trừ bệnh nấm, là chất kích thích sinh trưởng cho cây trồng,…[23]

2.1.5 Giới thiệu về phế liệu tôm và các phương pháp thu nhận chitin

2.1.5.1 Giới thiệu về phế liệu tôm

Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tôm là rất dồi dào, được thu từ 2 nguồn chính là đánh bắt tự nhiên và nuôi trồng Đặc biệt, nuôi tôm đã phát triển mạnh trong những năm gần đây và trở thành ngành kinh tế mũi nhọn Diện tích nuôi tôm đã tăng từ 250.000 ha năm 2000 lên đến 478.000 ha năm 2001

và 540.000 ha năm 2003 Năm 2002, giá trị xuất khẩu thuỷ sản đạt hơn 2 tỷ USD, trong đó xuất khẩu tôm đông lạnh chiếm 47%, đứng thứ 2 sau xuất khẩu dầu khí Năm 2004, xuất khẩu thuỷ sản đạt giá trị 2,4 tỷ USD, chiếm 8,9% tổng giá trị xuất khẩu cả nước trong đó tôm đông lạnh chiếm 53% tổng giá trị xuất khẩu thuỷ sản Năm 2006 kim ngạch xuất khẩu thủy sản đã qua

mốc 3 tỷ đạt 3,31 tỷ USD, tăng gần 600 triệu USD so với năm 2005, trong đó mặt hàng tôm truyền thống chiếm vị trí đầu bảng xấp xỉ 1,5 tỷ USD, chiếm 44,3 % tổng kim ngạch xuất khẩu Năm 2007, tổng kim ngạch xuất khẩu thủy sản đạt 3,75 tỷ USD tăng 12% so với năm 2006

Mục tiêu xuất khẩu thuỷ sản đến năm 2010, Việt Nam phấn đấu đạt giá trị 4 - 4,5 tỷ USD Ðịnh hướng đến năm 2020, chế biến xuất khẩu thủy sản tiếp tục là động lực thúc đẩy phát triển nuôi trồng thuỷ sản, khai thác thuỷ sản

và mang lại nhiều lợi ích kinh tế ngành, nâng cao thu nhập và đời sống lao động nghề cá Tôm được dự kiến đạt khoảng 483 nghìn tấn nguyên liệu để phục vụ cho xuất khẩu khoảng 390.000 tấn năm 2010 Theo thống kê của Trung tâm Nghiên cứu Chế biến Thủy sản, Đại học Thuỷ sản thì lượng phế liệu năm 2004 tại Việt Nam ước tính khoảng 45.000 tấn phế liệu, năm 2005 ước tính khoảng 70.000 tấn/năm Trần Thị Luyến (2004) cho biết trong vỏ tôm tươi chitin chiếm khoảng 5% khối lượng, trong vỏ tôm khô khoảng 20-40% khối lượng Như vậy hàng năm có thể sản xuất gần 5000 tấn chitosan phục vụ sản xuất trong nước và xuất khẩu, mang lại hiệu quả kinh tế cho ngành Thuỷ sản

PLT là những thành phần phế thải từ các cơ sở chế biến tôm bao gồm đầu, vỏ và đuôi tôm Ngoài ra, còn có tôm gãy thân, tôm lột vỏ sai quy cách hoặc tôm bị biến màu Tuỳ thuộc vào loài và phương pháp xử lý mà lượng phế liệu có thể vượt quá 60% khối lượng sản phẩm Có thể lấy tôm càng xanh

Macrobrachium rosenbergii làm ví dụ, đầu tôm chiếm tới 60% trọng lượng

tôm Đầu tôm sú Penaeus monodon cũng chiếm tới 40% trọng lượng tôm Với

sản phẩm tôm lột vỏ, rút chỉ lưng, lượng đuôi và vỏ đuôi của tôm chiếm khoảng 25% trọng lượng tôm Đối với tôm thẻ, lượng phế liệu đầu tôm chiếm 28% và vỏ chiếm 9%, như vậy tổng lượng phế liệu vỏ đầu tôm thẻ là 37% Lượng phế liệu này có thể giảm ít nhiều bằng cách nâng cao hiệu quả lột vỏ nhờ các thiết bị và công nghệ chế biến tốt hơn Giảm lượng phế liệu từ khâu chế biến hoặc tìm giải pháp tái sử dụng chúng đang trở nên phổ biến như một phương cách giúp làm tăng lợi nhuận cho ngành thuỷ sản

Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy tỷ lệ của PLT từ 30-70% (Watkin

và cộng sự, 1982 ; Evers và Carroll [13], trung bình khoảng 50% so với khối