Nghiên cứu sản xuất oligochitin bằng phương pháp chiếu xạ gamma coban 60 phạm thị phượng; vũ ngọc bội, lê hải GVHD pdf

Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh rằng polymer có cấu tạo từ các vòng glucozit như chitin thường xảy ra phản ứng cắt mạch tạo oligomer khối lượng phân tử thấp khi được chiếu dưới

BỘ GIÁO VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

- PHẠM THỊ PHƯỢNG

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT OLIGOCHITIN BẰNG PHƯƠNG PHÁP

CHIẾU XẠ GAMMA COBAN 60

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

CÁN BỘ HƯƠNG DẪN: TS Vũ Ngọc Bội

ThS Lê Hải

KHÁNH HÒA - 2013

BỘ GIÁO VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Đồ án này

Trước hết tôi xin gửi tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban Chủ nhiệm khoa Công nghệ Thực phẩm, Phòng Đào tạo niềm kính trọng, sự tự hào được học tập tại Trường trong những năm qua

Sự biết ơn sâu sắc nhất tôi xin được giành cho thầy:ThS Lê Hải - Trưởng phòng Công nghệ Bức xạ - Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt và TS Vũ Ngọc Bội

- Trưởng khoa Công nghệ Thực phẩm - Trường Đại học Nha Trang đã tài trợ kinh phí, tận tình hướng dẫn và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này

Xin cám ơn: Viện trưởng Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt cùng toàn thể cán bộ Phòng Công nghệ Bức xạ đã tạo điều kiện thuận lợi về trang thiết bị và tận tình giúp đỡ tôi trong thời gian tôi thực hiện đề tài tại phòng Công nghệ Bức xạ - Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt

Đặc biệt, xin được ghi nhớ tình cảm, sự giúp đỡ của: các thầy cô giáo trong

Bộ môn Công nghệ Thực phẩm và tập thể cán bộ trong Các phòng thí nghiệm - Trung tâm Thực hành Thí nghiệm - Trường Đại học Nha Trang đã giúp đỡ nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian qua

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân và các bạn bè đã tạo điều kiện, động viên khích lệ để tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập vừa qua

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC VIẾT TẮT viii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ CHITIN, OLIGOCHITIN 3

1.1.1 Cấu tạo và tính chất hóa học của chitin [2] 3

1.1.2 Cấu trúc hóa học và tính chất của oligochitin 7

1.1.3 Một số ứng dụng của chitin 8

1.2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CHIẾU XẠ 9

1.2.1 Xử lý bức xạ và sự ra đời của công nghệ bức xạ 9

1.2.2.Các đặc trưng của bức xạ và nguồn bức xạ 11

1.2.3 Nguồn bức xạ gamma 11

1.2.4 Tương tác của bức xạ lên các hợp chất hữu cơ và polymer 13

1.2.5 Thiết bị chiếu xạ gamma Co60 tại phòng Công nghệ Bức xạ - Viện Nghiên cứu Hạt nhân (Đà Lạt) 18

1.2.5.1 Nguồn bức xạ 18

1.2.6 Tình hình nghiên cứu và triển vọng của đề tài [4] 19

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 21

2.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 21

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.2.1 Phương pháp phân tích (trình bày ở phụ lục 1) 21

2.2.2 Phương pháp đánh giá hiệu ứng sinh học của oligochitin 22

2.2.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm 23

2.2.3.1 Bố trí thí nghiệm tổng hợp dự kiến sản xuất oligochitin bằng

phương pháp chiếu xạ gamma coban - 60 23

2.2.3.2 Bố trí thí nghiệm xác định các thông số của quy trình 26

2.3 THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 40

2.3.1 Thiết bị 40

2.3.2 Dụng cụ 41

2.3.3 Vật liệu và hóa chất 41

2.4 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 Xác định chế độ xử lý chitin thô 42

3.1.1 Xác định thời gian khử khoáng 42

3.1.2 Xác định thời gian khử protein 43

3.1.3 Đề xuất quy trình tái tinh chế chitin 44

3.2 XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÒA TAN CHITIN 45

3.2.1 Xác định tỷ lệ chitin/dung môi 45

3.2.2 Ảnh hưởng thời gian khuấy 46

3.3 XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ PHÂN CẮT CHITIN BẰNG BỨC XẠ GAMMA COBAN 60 48

3.3.1 Đánh giá độ hòa tan của chitin khi chiếu xạ trong dung dịch NaOH 48

3.3.2 Xác định độ nhớt của chitin trước và sau khi chiếu xạ 51

3.3.2.1 Chiếu xạ dạng khô: 51

3.3.2.2 Chiếu xạ ở dạng dung dịch 53

3.3.2.3 Chiếu xạ chitin trương trong nước 56

3.3.2.4 Chiếu xạ chitin trong môi trường có H2O2 59

3.3.2.5 Chiếu xạ chitin trong dung dịch NaOH 25% và 50% 61

3.3.3 Xác định biến đổi cấu trúc của chitin sau khi chiếu xạ 62

3.3.4 Đánh giá hiệu ứng sinh học của chitin biến tính bức xạ lên vi khuẩn Bacillus subtilis 64

3.4 ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH SẢN XUẤT OLIGOCHITIN BẰNG CHIẾU

XẠ GAMMA COBAN 60 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

I KẾT LUẬN 69

II KIẾN NGHỊ 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC PL1

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học chitin, chitosan và cellulose 5

Hình 1.2 Sự sắp xếp của chuỗi polymer của α-chitin, β-chitin, γ-chitin 5

Hình 1.3 Sơ đồ phân rã với các chuyển mức chính của một số nguồn gamma công nghiệp 13

Hình 1.4 Sơ đồ khâu mạch của polymer (A- chuỗi đơn phân tử) 16

Hình 1.5 Thiết bị chiếu xạ gamma Co60 tại phòng Công nghệ Bức xạ - Viện Nghiên cứu Hạt Nhân Đà Lạt (Trái: máy chiếu xạ GC 5000, Phải: máy chiếu xạ Isscledavatel) 18

Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm dự kiến quy trình sản xuất oligochitin 23

Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm xác định các thông số của quá trình tinh chế chitin 26

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ chitin/dung môi phù hợp 28

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian khuấy phù hợp 29

Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm xác định liều xạ thích hợp dạng chitin bột khô 31

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định liều xạ thích hợp dạng dung dịch 32

Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm xác định thời gian và liều chiếu chitin trong NaOH 25% 33

Hình 2.8 Sơ đồ thí nghiệm xác định liều xạ thích hợp dạng chitin trong NaOH 50% 35

Hình 2.9 Sơ đồ thí nghiệm xác định liều xạ thích hợp dạng chitin trương trong nước 36

Hình 2.10 Sơ đồ thí nghiệm xác định liều xạ thích hợp dạng chitin trong dung dịch H2O 37

Hình 2.11 Hình dạng của vi khuẩn Bacillus subtilis 38

Hình 2.12 Bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu ứng sinh học của oligochitin 39

Hình 3.1 Sơ đồ qui trình tinh chế chitin thô từ phế liệu vỏ tôm 44

Hình 3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng chitin đến hiệu suất hòa tan của chitin trong hệ dung môi 46

Hình 3.3 Ảnh hưởng thời gian khuấy lên độ tan của chitin 47

Hình 3.4 Độ hòa tan của chitin theo liều xạ trong dung dịch NaOH 49

có nồng độ khác nhau 49

Hình 3.5 Ảnh hưởng liều xạ lên hiệu suất tạo oligochitin 50

Hình 3.6 Sự thay đổi độ nhớt theo nồng độ khi chiếu xạ dạng khô 51

Hình 3.7 Ảnh hưởng liều chiếu lên trọng lượng phân tử của chitin 52

52

Hình 3.8 Sự thay đổi độ nhớt chitin chiếu xa theo nồng độ 54

khi chiếu xạ dạng dung dịch 54

Hình 3.9 Biến 55

Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn độ nhớt theo nồng độ chitin chiếu xạ trong nước 57

Hình 3.11 Biến đổi trọng lượng phân tử của chitin theo liều chiếu xạ khi 58

58

Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ nhớt dung dịch chitin theo nồng độ chitin chiếu xạ trong dung dịch 6% H2O2 59

Hình 3.13 Sự thay đổi trọng lượng phân tử của chitin theo liều xạ khi 60

2O2 60

Hình 3.14 Phổ FTIR của chitin chiếu xạ (a)- Chitin trước khi chiếu xạ; (b)- chitin chiếu xạ trong 50% NaOH phần không tan nước; (c )- chitin chiếu xạ trong 25% NaOH phần tan nước, (d)- chitin chiếu xạ trong 50% NaOH phần tan nước 63

Hình 3.15 Hiệu ứng sinh học của chitin chiếu xạ trong NaOH 50% phần không tan trong nước (chitosan) 65

Hình 3.16 Hiệu ứng sinh học của chitin chiếu xạ trong NaOH50% phần tan 65

Hình 3.17 Hiệu ứng sinh học của phần chitin chiếu xạ trong dung dịch NaOH 25% phần tan 65

Hình 3.18 Sơ đồ quy trình sản xuất oligochitin 67

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1.Thành phần hóa học một số loại phế liệu thủy sản thông dụng để sản

xuất chitin (No và Meyers, 1997, Trung, 2003) 4

Bảng 1.2 Phân loại polymer khâu mạch và ngắt mạch 15

Bảng 1.3 Các đặc trưng chủ yếu của 3 loại máy gia tốc điện tử 19

Bảng 1.4 So sánh đặc trưng của nguồn gamma Co-60 với máy gia tốc điện tử 19

Bảng 2 [1] 21

Bảng 3.1 Hàm lượng khoáng của các mẫu chitin sau khi tinh chế 42

Bảng 3.2 Hàm lượng proiein của các mẫu chitin sau tinh chế 43

Bảng 3.3 Bảng đánh giá chất lượng chitin sau khi tinh chế 45

Bảng 3.4 Cấu trúc của chitin trước và sau chiếu xạ 64

DANH MỤC VIẾT TẮT

Chữ cái viết tắt/ ký hiệu Cụm từ đầy đủ

FTIR Fourier transform infrared spectroscopy

LỜI MỞ ĐẦU

Tôm là mặt hàng xuất khẩu thủy sản chủ lực của Thủy sản Việt Nam với kim ngạch xuất khẩu hàng năm trung bình 1 ÷ 2 tỷ USD Phế liệu tôm ước tính trên 100.000 tấn/năm, từ đấy ước tính có thể sản xuất lượng chitin (tinh khiết) tương ứng trên vài chục nghìn tấn Chitin là polymer sinh học có sẵn trong phế liệu vỏ tôm cua

và có nhiều ứng dụng trong thực tiễn

Công nghệ bức xạ là một lĩnh vực khoa học ra đời trên nền tảng sự kết hợp

đa ngành từ vật lý hạt nhân, vật lý điện tử, cơ-điện, khoa học vật liệu, hóa học, sinh học, y học và nông học, Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ bức xạ trong lĩnh vực làm “biến tính các polymer tự nhiên” tạo sản phẩm có ích hiện bắt đầu được nhiều người quan tâm do các sản phẩm sau quá trình “biến tính các polymer tự nhiên” có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn Trong lĩnh vực biến tính bằng bức xạ, chitin dễ bị phân cắt mạch bằng bức xạ tạo thành một số dẫn xuất có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt trong lĩnh vực Nông – Sinh – Y Tương tác của bức xạ ion hóa lên các hệ polymer có thể xảy ra các phản ứng cắt mạch

- lý tùy thuộc bản chất và cấu trúc của polymer Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh rằng polymer có cấu tạo từ các vòng glucozit như chitin thường xảy ra phản ứng cắt mạch tạo oligomer khối lượng phân tử thấp khi được chiếu dưới trường bức xạ, trong khi đó dẫn xuất của chúng thường xảy ra phản ứng khâu mạch tạo sản phẩm có cấu trúc không gian 3 chiều Các oligomer phân tử lượng thấp có nhiều hiệu ứng sinh học khác

hiệu ứng tăng trưởng phát triển, điều hòa hoặc ức chế hủy diệt các vi sinh, nấm mốc Các hydrogel hay sản phẩm khâu mạch từ các dẫn xuất của chitin có giá trị ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực đặc biệt trong y học và xử lý môi trường Nhằm đóng góp một phần trong xu hướng phát triển chung, chúng tôi đã mạnh dạn thực hiện đề

tài: “Nghiên cứu sản xuất oligochitin bằng phương pháp bức xạ gamma Co-60”

Mục tiêu của đề tài là: xác định các thông số thích hợp của quá trình cắt

chitin tạo oligochitin bằng phương pháp chiếu xạ gamma Coban-60 và đánh giá hiệu ứng sinh học của chúng

Nội dung của đề tài:

1) Xác định các thông số thích hợp cho quá trình phân cắt chitin thành oligochitin bằng phương pháp bức xạ gamma coban 60;

2) Đánh giá hoạt tính sinh học của oligochitin;

3) Đề xuất quy trình sản xuất oligochitin bằng phương pháp bức xạ gamma coban 60;

Ý nghĩa thực tiễn: Thành công của đề tài sẽ góp phần mở rộng ứng dụng

của chitin trong thực tế góp phần nâng cao giá trị của nguồn phế liệu tôm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

1.1 TỔNG QUAN VỀ CHITIN, OLIGOCHITIN

1.1.1 Cấu tạo và tính chất hóa học của chitin [2]

Chitin được Braconnot phát hiện đầu tiên vào năm 1811, trong cặn dịch tiết

từ một loại nấm Ông đặt tên cho chất này là “Fungine” để ghi nhớ nguồn gốc của

nó Năm 1823 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 không phát hiện ra sự có mặt của nitơ trong đó Cuối cùng cả Odier và Braconnot đều đi đến kết luận chitin

có dạng công thức giống với cellulose

Chitin là polymer phổ biến trong tự nhiên sau cellulose Chitin ít khi ở dạng

tự do mà luôn liên kết với protein dưới dạng phức hợp, cacbonat canxi và nhiều hợp chất hữu cơ khác, gây khó khăn cho việc tách chiết Chitin là một polysaccharide được cấu tạo bởi các monosaccharide liên kết với nhau bằng cầu nối β-1,4- glucozit,

có công thức phân tử là (C8H13O5N)n Chitin có cấu tạo hóa học giống cellulose và

có thể xem là một dẫn xuất của cellulose với nhóm acetamido ở cacbon số 2 thay vì nhóm hydoxyl

Chitin là thành phần chính tạo nên độ cứng chắc cho vỏ của loài giáp xác Năm 1811 nhà hóa dược người Pháp Henri Braconnot (Braconnot, 1811) lần đầu tiên đã tách chiết được chitin từ nấm

Không chỉ từ nấm mà chitin còn được chiết rút từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau: phế liệu thủy sản, vi nấm, vi khuẩn Tuy nhiên, nguồn nguyên liệu chính

để sản xuất chitin là từ vỏ tôm, cua, nang mực,… Hàm lượng chitin biến đổi theo từng loại nguyên liệu, trong đó phế liệu mực (nang mực ống) có hàm lượng chitin cao nhất, sau đó là tôm sú và tôm thẻ (Bảng 1.1)

Bảng 1.1.Thành phần hóa học một số loại phế liệu thủy sản thông dụng để sản

xuất chitin (No và Meyers, 1997, Trung, 2003)

26,8 42,8

29,3 20,8

0,5 1,2

34,9 36,5

trong vách tế bào một số loài nấm nhƣ Zygomycetes, trong tảo lục Chlorella sp,

cũng nhƣ trong lớp cuticle của côn trùng, tôm, cua,

 Cấu trúc hóa học của chitin:

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học chitin, chitosan và cellulose

Chitin có cấu trúc hóa học tương tự như chitosan và cellulose, chúng có thể được xem như là dẫn xuất của nhau Tại cacbon số 2 gắn kết nhóm NH-COCH3 đối với chitin, nhóm NH2 đối với chitosan và nhóm OH đối với cellulose Cấu trúc hóa

học của ba loại vật liệu trên được mô tả chi tiết trên Hình 1.1

Tùy thuộc cấu trúc chitin có thể chia thành ba dạng α-chitin, β-chitin và chitin (Hình 1.2)

α-chitin β-chitin γ-chitin

Hình 1.2 Sự sắp xếp của chuỗi polymer của α-chitin, β-chitin, γ-chitin

Cấu trúc của chitin ở các dạng trên xuất phát từ nguồn chiết rút chitin, chitin

từ tôm và cua có dạng α-chitin, còn chitin từ mực có dạng β-chitin Ba dạng chitin nêu trên có sự khác nhau về tính hydrat hóa, kích thước của mỗi đơn vị cấu trúc và

số mạch chitin trong mỗi đơn vị cấu trúc α-chitin có độ kết tinh cao nhất và ở dạng rắn chắc và các mạch chitin sắp xếp song song nhưng ngược chiều nhau, β-chitin bao gồm các mạch chitin song song cùng chiều nhau, có độ kết tinh thấp, tính hydrat hóa cao γ-chitin sắp xếp cứ 2 mạch song song cùng chiều thì có một mạch ngược chiều Trong tự nhiên, α-chitin có mặt nhiều nhất và thường rất cứng trong khi β-chitin, γ-chitin thì tạo nên tính dai, dẻo

Cấu trúc hóa học của chitin với các liên kết hydro nội phân tử giữa các phân

tử đường trong chitin rất chặt chẽ vì vậy làm cho phân tử chitin có độ rắn chắc cao

và khó hòa tan

 Độ deacetyl của chitin

Chitin có độ deacetyl thấp Độ deacetyl của chitin là một thông số đặc trưng cho tỷ lệ giữa các nhóm chức 2-acetamido-2-deoxy-D-glucopyranose với 2-amino-2-deoxy-D-glucopyranose trong phân tử của chúng

 Độ kết tinh (crystallinity) của chitin

Chitin có cấu trúc tinh thể rắn chắc, so với các polymer sinh học khác, chitin có độ kết tinh cao và biến đổi tùy theo từng loại chitin được chiết rút từ các nguồn nguyên liệu khác nhau

Phổ nhiễu xạ tia X của α-chitin từ vỏ tôm và β-chitin từ xương mực cho thấy ở mẫu α-chitin có vòng nhiễu xạ mạnh, ở vòng trong thì không có tính hydrat hóa mạnh Trong khi ở mẫu β-chitin thì có vòng tương tự nhưng có vòng nhiễu xạ yếu hơn và có tính hydrat hóa mạnh Ngoài ra, để hiểu rõ cấu trúc về sự sắp xếp của các mạch chitin và các liên kết hydro, người ta đã nghiên cứu cấu trúc tinh thể của chitin

 Tính chất của chitin

Chitin có màu trắng, cũng giống cellulose, chitin có tính kị nước cao (đặc biệt đối với α-chitin) và không tan trong nước, trong kiềm, trong acid Chitin có cấu

trúc chặt chẽ, có liên kết trong và liên phân tử mạnh thông qua các nhóm hydroxyl

và acetamide Tuy nhiên khác với α-chitin, β-chitin có tính trương nước cao

- Chitin bị phân hủy trong dung dịch acid đậm đặc như HCl, H3PO4 và dimethylacetamide chứa 5% lithium chloride (LiCl)

- Chitin tự nhiên có độ deacetyl dao động trong khoảng từ 8-12%, phân tử lượng trung bình lớn hơn 1000 kDa Tuy nhiên, chitin chiết rút từ vi sinh vật thì có phân tử lượng thấp, chỉ khoảng vài chục ngàn Dalton Khi đun nóng chitin trong dung dịch NaOH đặc thì chitin bị khử mất gốc acetyl tạo thành chitosan

- Khi đun nóng chitin trong dung dịch HCl đặc thì chitin sẽ bị thủy phân tạo thành các phân tử glucosamine có hoạt tính sinh học cao

Chitin tương đối ổn định với các chất oxy hóa khử như thuốc tím (KMnO4), oxy già (H2O2), nước giaven (NaClO) hay Ca(ClO)2… lợi dụng tính chất chống oxy hóa của chitin người ta sử dụng các chất oxy hóa nêu trên để khử màu chitin

Khi đun nóng trong acid HCl đậm đặc thì thì chitin sẽ bị thủy phân hoàn toàn tạo thành 88,5% D-Glucosamin và 21,5% acid axetic, quá trình thủy phân xảy ra chủ yếu cắt mạch ở cầu nối glucozit

(C32H54N4O21)x + 2(H2O)x (C28H50N4O19)x + 2(CH3COOH)xTrong môi trường kiềm đặc đun nóng sẽ xảy ra phản ứng deacetyl hóa trên phân tử chitin, trong đó nhóm (–NH2) thay thế nhóm (-COCH3) ở vị trí C2, tạo thành sản phẩm chính là chitosan theo phản ứng sau

Đun nóng

Chitin + nNaOH chitosan + nCH3COONa [2]

1.1.2 Cấu trúc hóa học và tính chất của oligochitin

Oligochitin là đoạn mạch polymer của N-acetyl-β-D-glucosamine liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4 glucozit Oligochitin được tạo thành qua quá trình thủy phân/ cắt mạch có thể bằng phương pháp hóa học, phương pháp sinh học sử dụng enzyme, phương pháp chiếu xạ bằng bức xạ năng lượng cao như hoặc chùm điện

tử gia tốc (Accelerated electron beam - EB machine) Các nghiên cứu cắt mạch, khâu mạch và biến tính chitosan là dẫn xuất của chitin đã được công bố trên nhiều

công trình trong và ngoài nước, tuy nhiên tài liệu nghiên cứu liên quan về oligochitin còn quá ít Hướng nghiên cứu này hiện đang là một vấn đề mới mẻ

1.1.3 Một số ứng dụng của chitin

Chitin có độ kết tinh cao, khó tan trong nhiều dung môi nên chúng ít được ứng dụng trực tiếp mà thường sử dụng từ các dẫn xuất của chúng đặc biệt là chitosan Chitosan được xem như một loại 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 gel hóa, tác nhân ổn định,

Chitin có ứng dụng làm da nhân tạo và là nguyên liệu trung gian cho quá trình điều chế các dẫn xuấtquan trọng như chitosan, glucosamine và các dẫn xuất có giá trị khác

Những nghiên cứu gần đây cho thấy chitin, chitosan và những dẫn xuất của chúng được ứng dụng rất nhiều trong các ngành y học, nông nghiệp, công nghiệp, chế biến thực phẩm, bảo vệ môi trường, công nghệ sinh học, Những ứng dụng này chủ yếu dựa trên các tính năng đặc biệt như hoạt tính kháng nấm, kháng khuẩn, khả năng tự phân hủy sinh học cao, không gây dị ứng, không gây độc cho người và gia súc, có khả năng tạo thành gel, hấp thụ ion kim loại nặng độc,

Chitin được xem là một trong những vật liệu sinh học, là loại vật liệu có tính tương hợp cao “vật liệu tương hợp sinh học – biocompatible materials” có tính tương thích và khả năng tương hợp tốt với mô xung quanh và không tạo ra đáp ứng đào thải của vật chủ Chitin làm tăng mức kéo giãn của vị trí vết mổ ở chuột và thỏ Chitin nguyên chất xúc tiến khả năng làm lành vết thương và không gây phản ứng phụ bất lợi

Chitin là nguồn nguyên liệu sản xuất glucosamine, một dược chất quý có khả năng điều trị các bệnh xương khớp hiện đang phải nhập khẩu từ các nước khác Từ chitin và chitosan có thể sản xuất các loại dược liệu khác như: chỉ phẫu thuật tự hoại, chito-olygosaccharide giúp bảo vệ hệ miễn dịch với các tế bào khối u và các tác nhân gây bệnh, màng chữa bỏng, da nhân tạo,

1.2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CHIẾU XẠ

1.2.1 Xử lý bức xạ và sự ra đời của công nghệ bức xạ

Phát minh ra tia X của Wilhelm C Roentgen năm 1895 và hiện tượng phóng

xạ của Antoine Henri Becquerel năm 1896 đã mở ra những hướng nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi của một lĩnh vực mới “lĩnh vực công nghệ bức xạ”

Tính năng ion hóa vật chất của tia X và tia gamma là cơ sở của các quá trình hóa -lý hay được gọi là hóa bức xạ

Cùng với sự ra đời của các chương trình năng lượng hạt nhân quy mô lớn từ những năm 1940, các nguồn bức xạ gamma được chế tạo từ các chất phóng xạ tích luỹ trong lò phản ứng như Cs-137, Co-60, càng thúc đẩy lĩnh vực xử lý bức xạ phát triển mạnh mẽ

Những năm 60, 70 của thế kỷ trước được coi là thời kỳ của các nghiên cứu sâu rộng đối với các quá trình vật lý liên quan đến sự hấp thụ năng lượng của bức

xạ Các biến đổi hoá lý do tác dụng của bức xạ ion hoá năng lượng cao là tiền đề cho sự phát triển của các lĩnh vực khoa học và công nghệ mới - lĩnh vực hoá bức xạ

và công nghệ bức xạ

Trong các hệ hữu cơ và sinh học, các phân tử bị ion hoá hoặc bị kích thích thường tạo ra các gốc tự do, một trạng thái phân tử vốn có mối liên kết đồng hoá trị với một electron đồng hành bị mất đi trong quá trình chiếu xạ Ở giai đoạn đầu, các gốc tự do tập trung xung quanh đường đi của các vết do hạt ion hoá gây ra Dần dần các gốc tự do này khuếch tán và phân bố đều trong môi trường bị chiếu xạ Gốc tự

do là những phần tử có hoạt tính hóa học cao Các phản ứng hoá học do chúng gây

ra trong các hệ khí và lỏng thường chỉ kéo dài vài phút, song đối với đa số các chất rắn do độ linh động bị giới hạn, chúng có thể được tồn tại hàng tuần thậm chí hàng tháng sau khi chiếu xạ Các hiệu ứng bức xạ trong thực vật và động vật có thể kéo dài trong nhiều năm đặc biệt là ở những liều chiếu thấp

Sự tương tác giữa các photon và hạt mang điện năng lượng cao làm gia tăng

số lượng các cặp ion (ion dương và điện tử) cũng như các phân tử ở trạng thái kích

thích tập trung dọc theo đường đi của bức xạ, tạo ra các hiện tượng ion hoá thứ cấp; những biến đổi thứ cấp này cũng làm thay đổi tính chất của vật liệu Những biến đổi như vậy phụ thuộc loại bức xạ, năng lượng bức xạ cũng như tốc độ truyền năng lượng của bức xạ cho vật chất

Tốc độ mất mát năng lượng của bức xạ thường gắn liền với quá trình truyền năng lượng tuyến tính (Linear Energy Transfer - LET) của bức xạ Trên cơ sở đó người ta phân biệt được các loại bức xạ truyền năng lượng tuyến tính thấp (Low LET) và bức xạ truyền năng lượng tuyến tính cao (High LET) Đại diện của bức xạ Low LET là electron nhanh và bức xạ điện từ (tia gamma và tia X) Các loại bức xạ này có năng lượng nằm trong dải keV và MeV Năng lượng của các loại bức xạ Low LET thường được tích luỹ chủ yếu trong các quần thể ion hoặc các phân tử kích thích biệt lập và hàm đặc trưng được mô tả bằng mô hình truyền năng lượng Các hạt electron di chuyển chậm, các hạt alpha, ion hêli và các hạt nặng mang điện khác được xếp vào loại bức xạ High LET Phần lớn năng lượng của loại bức xạ này

bị mất mát và hấp thụ dọc theo đường đi trong vật chất, có thể được mô tả cả bằng

lý thuyết cấu trúc vết lẫn mô hình truyền năng lượng Các nguồn tạo ra bức xạ Low

và High - LET có thể là các chất đồng vị phóng xạ, máy gia tốc hoặc thiết bị phát chùm tia Các hiệu ứng hoá - lý, lý - sinh có thể được định lượng thông qua năng lượng bức xạ truyền cho môi trường hấp thụ và được xác định bằng liều lượng hấp thụ Chất lượng của các quá trình xử lý bức xạ và công nghệ bức xạ phụ thuộc vào

độ chính xác của phép đo liều lượng

Công nghệ bức xạ là một ngành khoa học – công nghệ mới chuyên nghiên cứu ứng dụng các hiệu ứng vật lý, hoá học, sinh học và một số hiệu ứng khác xuất hiện khi bức xạ truyền năng lượng cho vật chất nhằm biến các hiệu ứng này thông qua các quy trình công nghệ để tạo ra các sản phẩm với những phẩm chất, tính năng

và công dụng mới phục vụ con người Sự ra đời của công nghệ bức xạ là kết quả của sự giao nhau và kết hợp chủ yếu giữa các ngành vật lý hạt nhân, khoa học vật liệu, hóa học và sinh học

Mối tương quan giữa năng lượng E và bước sóng λcủa bức xạ được mô tả bằng biểu thức (2.1):

E = hv =

Trong đó:h = 6.626075(40) x 10-34 (J.s) là hằng số Planck;

c = 299 792 458 m.s-1 là vận tốc ánh sáng trong chân không

1.2.3 Nguồn bức xạ gamma

Hiện nay các nguồn bức xạ ion hoá thường được sử dụng trong công nghệ bức xạ là:

- Nguồn bứcxạ gamma từ 60Covà 137Cs

- Chùm điện tử gia tốc và bức xạ hãmtừ máy gia tốc điện tử Ngoài ra, bức xạgamma từ lò phản ứng cũng được sử dụng

Nguồn bức xạ (radiation source): Là vật thể bất kỳ có thể gây ra chiếu xạ bằng cách phát bức xạ ion hóa hoặc làm phát tán các chất phóng xạ hoặc vật liệu phóng xạ

Bức xạ gamma (gamma radiation): Bức xạ sóng điện từ (photon) sinh ra trong quá trình biến đổi hạt nhân hoặc khi hủy biến các hạt

 Các đặc trưngvật lý

Bức xạ gamma là bức xạ sóng điện từ, có khả năng xuyên thâu rất lớn Bức

xạ gamma được phát ra khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản trong những quá trình hạt nhân khác nhau Các hạt nhân phóng xạ xác định phát

ra các bức xạ gamma có năng lượng xác định Năng lượng cao nhất có thể đạt 8 – 10MeV

Khi đi qua vật chất,bức xạ gamma bị mất năng lượng do 3 quá trình quang điện, Compton và tạo cặp

Trong quá trình quang điện, bức xạ gamma tương tác với điện tử liên kết của nguyên tử (thường là điện tử lớp K), truyền toàn bộ năng lượng cho điện tử này, bứt

nó ra khỏi nguyên tử, kết quả gây ra sự ion hóa

Trong quá trình Compton, bức xạ gamma tương tác với điện tử ngoài cùng của nguyên tử (điện tử liên kết yếu), truyền một phần năng lượng cho điện tử này và thay đổi hướng ban đầu

Trong quá trình tạo cặp, bức xạ gamma tương tác với điện trường gần hạt nhân và biến thành một cặp mang điện electron và phản electron hay còn gọi là positron Các hạt này được tạo thành có năng lượng đủ lớn để gây ra sự ion hóa tiếp theo

Bức xạ gamma có mối nguy hiểm bức xạ cao Do có độ đâm xuyên lớn nên

có thể nguy hiểm đáng kể ở những khoảng cách khá xa nguồn Các bức xạ tán xạ cũng gây nguy hiểm vì vậy khi che chắn phải quan tâm đến mọi hướng Tia gamma gây tổn hại cho các mô, bao trùm cả cơ thể do đó những mô nhạy cảm với bức xạ sẽ

bị tổn hại khi con người có mặt trong trường gamma ngoài So với hạt alpha và beta, tia gamma nguy hiểm hơn về mặt chiếu xạ ngoài nhưng chiếu trong thì kém

hơn vì quãng chạy lớn nên năng lượng truyền cho một thể tích nhỏ của mô là nhỏ,

vì vậy cơ quan nhỏ trong cơ thể sẽ bị tổn thương do chiếu trong của gamma ít hơn alpha và beta

Tia gamma thường phát ra bởi những hạt nhân kích thích ngay sau quá trình phân rã của hạt nhân mẹ Quá trình phân rã với 1 và 2 chuyển mức gamma thường được sử dụng trong các nguồn gamma công nghiệp (Hình 1.3)

Bản chất của quá trình phát xạ gamma là do hạt nhân ở vào trạng thái kích thích Để giải phóng năng lượng, nó phân rã -, đồng thời phát các tia gamma đặc trưng Khi đó điện tích hạt nhân giảmđi 1 ví dụ 27Co thành26Ni

Hình1.3 Sơ đồ phân rãvớicácchuyểnmức chính của mộtsố nguồn gamma

côngnghiệp

a) Phân rã -với hai gamma; b)Phân rã -với mộtgamma

1.2.4 Tương tác của bức xạ lên các hợp chất hữu cơ và polymer

N

được thực hiện hơn 40 năm qua Các quá trình chính xảy ra khi chiếu xạ polymer hóa ghép Ngoài ra còn có các sản phẩm phụ như khí, hợp chất liên kết đôi,… cũng được sinh ra trong quá trình xạ lý

T γ

c phản ứng quang hạt nhân (γ,n) có thể bỏ qua nếu năng lượng photon thấp hơn 10 MeV và nếu vật liệu chỉ gồm những nhân nhẹ như trường hợp polymer hữu cơ, gồm các nguyên tố như H, C, N, O, S… Khi tia γ hoặc tia X tương tác lên vân đạo điện tử ba quá trình có thể xảy ra là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và sự tạo cặp Những quá trình tương tự cũng xảy

ra trong polymer chiếu xạ Bức xạ ion hóa tạo ra những ion, những gốc và các phân

tử polymer ở trạng thái kích thích

Tương tác giữa các phân tử nảy sinh ra một số biến đổi hóa học sau:

Khâu mạch tạo liên kết giữa các phân tử (tăng khối lượng phân tử)

Cắt mạch liên kết đại phân tử (giảm khối lượng phân tử)

Thay đổi nồng độ và tính chất của liên kết đôi

Oxi hóa (khi có mặt oxi) và các phản ứng khác

Tách khí

Sự biến đổi hóa học dẫn tới thay đổi tính chất cơ lý, hóa lý của polymer như

độ kết tinh, độ tan trong dung môi, tính dẫn điện, tính thấm khí…

Nếu polymer khâu mạch bức xạ dẫn tới gia tăng độ cứng, lực kéo đứt, nhiệt

độ chảy mềm, giảm độ giãn dài và độ tan

mạch bức xạ thì hiệu ứng ngược lại Nếu polymer đồng thời thể hiện hai hiệu ứng trên thì một hiệu ứng sẽ chiếm ưu thế Nguyên tắc thực nghiệm tiên đoán hiệu ứng bức xạ lên vinyl polymer là nếu cấu trúc polymer có dạng (-CH2-CHR-)n

Như vậy, các quá trình chính xảy ra khi chiếu xạ polymer là cắt mạch hoặc khâu mạch Qua nghiên cứu của nhiều nhà khoa học đã đi đến kết luận rằng, các polysaccharide như alginate, chitin/chitosan, pectin… bị cắt mạch dưới tác dụng của bức xạ Sự cắt mạch dẫn đến sự giảm khối lượng phân tử đồng thời kèm theo một số biến đổi hóa học

Bảng 1.2 Phân loại polymer khâu mạch và ngắt mạch

Poly vinyl axetat Poly vinylakylete Poly amit

Polyvinyl pyrolidon Caosu tổng hợp Polyisopren Polybutadien Polyvinyl alcohol

Chitin/Chitosan Agar

Caraghinin Xanthan gum

 Những biến đổi hoá và hoá - lý của polymer dưới tác dụng của bức xạ

Polymer là những hợp chất cao phân tử (phân tử lượng từ vài nghìn tới hàng triệu đơn vị) Phân tử polymer là các đại phân tử, bao gồm nhiều nhóm phân tử (các chuỗi đơn phân tử) được sắp xếp theo thứ tự lặp lại nhiều lần, nối với nhau bằng các liên kết hoá học

Khác với các chất rắn khác, vật liệu polymer dưới tác dụng của bức xạ thường xảy ra các hiệu ứng tạo khuyết tật không mong muốn.Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, chiếu xạ lại cải thiện tính chất của vật liệu

 Hiệu ứng khâu mạch và cắt mạch của polymer

Đây là những phản ứng không thuận nghịch, làm thay đổi đáng kể cấu trúc

và tính chất của polymer

Hiệu ứng khâu mạch (cross-linking)

Hiệu ứng khâu mạch thường cải thiện tính chất của polymer và có những ứng dụng thực tế rất rộng rãi

Cóhai loại khâu mạch: Khâu mạch ngang và khâu mạch vòng Trong khâu mạch ngang, mỗi liên kết mới gắn liền với 4 đoạn của chuỗi phân tử, còn trong khâu mạch vòng nó chỉ nối với 3 đoạn (Hình 6.1)

–A – A–A – A – A –A – – A – A – A– A – A – A– A –

–A – A–A – A – A –A – A

a) Khâu mạch ngang b) Khâu mạch vòng

Hình1.4.Sơ đồ khâu mạch của polymer (A-chuỗi đơn phân tử)

 Hiệu ứng cắt mạch (degradation)

Quá trình cắt mạch làm giảm khối lượng phân tử của polymer, quá trình này khác với quá trình khử trùng hợp, trong đó các monome được tạo ra và phân tử lượng của polymer hầu như không thay đổi

Trong quá trình cắt mạch, các gốc tự do được tạo ra không liên kết được với nhau

do những khó khăn về mặt không gian, ngoài ra do sự hiện diện của nguyên tử cacbon với bốn mối liên kết, cũng cản trở sự di chuyển hóa trị dọc theo mạch polymer

- Cơ chế khâu mạch và hiệu suất khâu mạch

Người ta đưa ra rất nhiều cơ chế khâu mạch polymer, nhưng phổ biến nhất là tạo các gốc tự do Khâumạch là kết quả của quá trình nối mạch giữa hai gốc tự do, chẳng hạn trong trường hợp polystyren:

-CH2-C-CH2- -CH2-C-CH2-

+ -CH2-C-CH2-

-CH2-C-CH2-

 Hiệu ứng ngắt mạch

Trong quá trình ngắt mạch, phân tử lượng của polymer giảm, quá trình này khác với quá trình khử trùng hợp, trong đó các monomer được tạo ra và phân tử lượng của polymer hầu như không thay đổi

Trong quá trình ngắt mạch, các gốc tự do được tạo ra không liên kết được với nhau do những khó khăn về mặt không gian, ngoài ra do sự hiện diện của nguyên tử cacbon với bốn mối liên kết, cũng cản trở sự di chuyển hoá trị dọc theo mạch polymer

Hiệu ứng ngắt mạch được ứng dụng trong việc phân hủy chất thải polymer Khi khâu mạch, các polymer thẳng trở thành các polymer có cấu trúc không gian, phân tử lượng của nó tăng lên, nhờ đó nó khó bị hoà tan trong các dung dịch hữu cơ và độ bền cơ học tăng lên

Mủ cao su do quá trình khâu mạch bức xạ biến thành cao su thành phẩm như lốp xe, tẩy, găng tay… Quá trình này nhiều khi người ta còn gọi là lưu hoá cao su bằng bức xạ

Trong quá trình ngắt mạch, phân tử lượng của polymer giảm, chiều hướng biến đổi tính chất, ngược với quá trình khâu mạch

 Hiệu ứng tách khí

Khi chiếu xạ polymer, quá trình giải phóng sản phẩm ở thể khí thường diễn

ra rất mạnh Bản chất của các sản phẩm khí và hiệu suất hoá bức xạ của chúng phụ thuộc trước hết vào loại polymer và cấu trúc của nó

Trong quá trình này các khí thường hay gặp là H2, C2H4, C2H6, C3H8,

 Sự thay đổi tính chất vật lý của polymer do chiếu xạ

Khi chiếu xạ polymer, cũng như khi chiếu xạ chất rắn khác, có thể xảy ra các biến đổi thuận nghịch và không thuận nghịch của nhiều tính chất vật lý như tính chất cơ điện, biến đổi về cấu trúc v.v Nói chung các biến đổi thuận nghịch thường xảy ra ở các liều thấp còn biến đổi không thuận nghịch thì xảy ra ở các liều hấp thụ tương đối cao như khi polymer chịu những biến đổi hoá học rõ ràng như ngắt mạch, khâu mạch, oxy hoá v.v [1]

1.2.5 Thiết bị chiếu xạ gamma Co60 tại phòng Công nghệ Bức xạ - Viện Nghiên cứu Hạt nhân (Đà Lạt)

Hình 1.5 Thiết bị chiếu xạ gamma Co 60

tại phòng Công nghệ Bức xạ - Viện Nghiên cứu Hạt Nhân Đà Lạt (Trái: máy chiếu xạ GC 5000, Phải: máy chiếu xạ Isscledavatel)

 Thiết bị chiếu xạ gamma 60Co (GC – 5000) do Ấn Độ sản xuất và đƣợc lắp đặt tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt tháng 8 năm 2007 Hoạt độ phóng xạ hiện tại 4.500 Ci, suất liều 3,6 kGy/giờ, vận hành bán tự động, thể tích buồng chiếu 5 Lít

 Thiết bị chiếu xạ Isscledavatel do Nga sản xuất, đƣợc lắp đặt tại Viện Nghiên cứu hạt nhân từ năm 1982 H

1.2.5.1 Nguồn bức xạ

Nguồn bức xạ sử dụng thông dụng nhất là nguồn bức xạ gamma phát ra từ đồng vị phóng xạ Co-60, đƣợc chế tạo trong các lò phản ứng hạt nhân theo phản ứng Co-59 (n,γ) Co-60 Ngoài ra nguồn gamma Cs-137, đƣợc tách từ nhiên liệu đã cháy của lò phản ứng hạt nhân cũng đƣợc sử dụng nhƣng ít thông dụng hơn Nguồn bức xạ không hạt nhân là dòng điện tử gia tốc phát ra từ các loại máy gia tốc điện tử

Nguồn Co-60

- Thời gian bán hủy: 5,26 năm

- Năng lƣợng bức xạ: 2 tia gamma năng lƣợng E1, E2 phát ra/ phân rã, gồm 1,17 và 1,33MeV; E (tổng cộng) = 2,5MeV Công suất: P = 0,0148 W/Ci hoặc 67,6 kCi/kW

Nguồn Cs-137

- Thời gian bán hủy: 30 năm

- Năng lượng bức xạ: 1 tia gamma phát ra/ phân rã, năng lượng E = 0,662Mev

- Công suất: P = 0,00359 W/Ci hoặc là 253kCi/kW

Máy gia tốc điện tử

Có nhiều loại máy gia tốc điện tử, nhưng nói chung trong CNBX được phân chia thành 3 loại theo năng lượng thấp, trung bình, cao như sau:

Bảng 1.3 Các đặc trưng chủ yếu của 3 loại máy gia tốc điện tử

Năng lượng của máy gia tốc điện tử

Bảng 1.4 So sánh đặc trưng của nguồn gamma Co-60 với máy gia tốc điện tử

- Khả năng đâm xuyên lớn

- Chiếu xạ liên tục (không tắt)

- Cường độ không thay đổi

- Bảo hành không thay thế

- Suất liều cao

1.2.6 Tình hình nghiên cứu và triển vọng của đề tài [4]

Trước đây người ta đã thử chiết tách chitin từ thực vật biển nhưng nguồn nguyên liệu không đủ để đáp ứng nhu cầu sản xuất Trữ lượng chitin phần lớn có nguồn gốc từ vỏ tôm, cua Trong một thời gian dài, nguồn bã thải này không được tận thu đã gây ô nhiễm môi trường một cách trầm trọng Năm 1977 Viện kỹ thuật Masachusetts (Hoa Kỳ), khi tiến hành xác định giá trị của chitin và protein trong vỏ tôm, cua đã cho thấy việc thu hồi các chất này có lợi nếu sử dụng trong công

nghiệp Lượng protein thu được sẽ dùng để chế biến thức ăn gia súc, còn phần chitin

sẽ được dùng như một nguồn nguyên liệu đầu để điều chế các dẫn xuất có giá trị cao

và phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Từ những năm 1930 đến 1940 có rất nhiều nghiên cứu về chitin và chitosan khoảng 50 phát minh được đăng ký Các tác giả Purchase và Braum đã chứng minh rằng chitin là một polysaccharide của glucosamine bằng cách thủy phân chitin theo nhiều phương pháp khác nhau Tác giả Rammelberg cũng đã nghiên cứu và xác định một cách chính xác nguồn gốc của chitin

Việc nghiên cứu sản xuất chitin/ chitosan và các ứng dụng của chúng trong sản xuất phục vụ đời sống là một hướng nghiên cứu tương đối mới mẻ ở nước ta Vào những năm 1978 - 1980, Trường Đại Học Thuỷ Sản Nha Trang đã công bố quy trình sản xuất chitin/ chitosan của kỹ sư Đỗ Minh Phụng, nhưng chưa có ứng dụng

cụ thể trong sản xuất Gần đây trước yêu cầu xử lý phế liệu thuỷ sản đông lạnh đang ngày càng cấp bách, trước những thông tin kỹ thuật mới về chitin/ chitosan cũng như tiềm năng thị trường của chúng đã thúc đẩy các nhà khoa học của chúng ta bắt tay vào nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất chitin/ chitosan ở bước cao hơn, đồng thời nghiên cứu các ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp

Hiện nay, ở Việt Nam có nhiều cơ sở khoa học đang nghiên cứu sản xuất chitin - chitosan như: Trường Đại Học Nông Lâm - thành phố Hồ Chí Minh; Trung tâm nghiên cứu polymer - Viện Khoa Học Việt Nam; Viện Hoá thuộc phân Viện Khoa Học Việt Nam tại thành phố Hồ Chí Minh; Trung tâm công nghệ và sinh học Thuỷ sản - Viện nghiên cứu nuôi trồng Thuỷ sản 2

Ở miền Bắc, Viện Khoa Học Việt Nam đã kết hợp với Xí nghiệp thuỷ sản Hà Nội sản xuất chitosan và ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp ở đồng lúa Thái Bình

và đã thu được một số kết quả đáng khích lệ

Ở miền Nam, Trung tâm công nghệ và sinh học thuỷ sản phối hợp với một số

cơ quan khác: Đại Học Y Dược thành phố Hồ Chí Minh, phân Viện Khoa Học Việt Nam, Viện Khoa Học nông nghiệp miền nam,… đang nghiên cứu sản xuất và ứng dụng chitin - chitosan trong lĩnh vực: nông nghiệp, y dược và mỹ phẩm

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

2.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU

 Chitin thô: Chitin thu nhận từ phế liệu vỏ tôm sú (Penaues monodon)

theo phương pháp sử dụng phối hợp vi sinh vật và hóa học Chất lượng chitin thể hiên ở Bảng 2.1 cho thấy nguyên liệu còn có hàm lượng khoáng và protein cao > 1% Vì vậy cần được tinh chế để đáp ứng yêu cầu ứng dụng

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2.1 Phương pháp phân tích (trình bày ở phụ lục 1)

 Xác định khối lượng: Sử dụng cân đồng hồ lò xo và cân phân tích

 Xác định hàm lượng khoáng theo phương pháp nung mẫu ở nhiệt độ 550 – 600OC (TCVN 5105 - 90)

 Xác định độ ẩm theo phương pháp sấy ở 100 – 105O

C (TCVN 3700 – 90)

 Xác định hàm lượng protein theo phương pháp microbiuret

 Xác định độ nhớt bằng nhớt kế Ubbelohde

 Xác định độ hòa tan

 Xác định biến đổi cấu trúc bằng máy quang phổ hồng ngoại FTIR chuỗi

 Đánh giá hiệu ứng sinh học

2.2.2 Phương pháp đánh giá hiệu ứng sinh học của oligochitin

 Chuẩn bị thiết bị, dụng cụ:

Ống nghiệm, bông gòn, bình tam giác, đĩa petri Tất cả các dụng cụ được rửa sạch và sấy khô ở 140OC trong vòng 15 phút để đảm bảo điều kiện vô trùng

 Chuẩn bị môi trường nuôi cấy

Chuẩn bị môi trường với thành phần gồm có: 8g/L pepton, 1g/L D-glucose, 5g/L NaCl, 5g cao thịt/L, 18g agar/L

Cân và pha môi trường, sau đó nấu môi trường, trong quá trình nấu tiến hành khuấy để hòa tan hoàn toàn agar Đồng thời chuẩn bị các ống nghiệm với mỗi ống nghiệm 9,9 mL nước muối sinh lý, nút kín bằng bông gòn Tất cả được hấp thanh trùng ở 121OC trong 15 phút Làm nguội môi trường đến nhiệt độ 70 - 80OC Sau đó

đổ môi trường ra đĩa petri trong điều kiện vô trùng Sau 20 phút thạch đã cứng thì lật ngược đĩa xuống Để nguội và sau đó tiến hành cấy vi sinh

 Chuẩn bị thí nghiệm

Mẫu đối chứng: Môi trường cóvi sinh vật

Mẫu thí nghiệm: Môi trường có vi sinh vật và dịch mẫu cần đánh giá hiệu ứng sinh học

 Vi sinh vật [5]

Tiến hành đánh giá hiệu ứng sinh học trên trực khuẩn Gram dương Bacillus

subtilis, là nguyên nhân chính gây hư hỏng thức ăn B subtilis là một vi khuẩn hiếu

khí sống ký sinh, có khả năng sinh bào tử, không gây bệnh, không gây mùi vị lạ, phát triển mạnh ở nhiệt độ 25 ÷ 350C, có hình dạng nhăn nheo, màu hồng, có thể sống sót trong độ nóng cùng cực thường thấy khi nấu ăn

Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm dự kiến quy trình sản xuất oligochitin

 Thuyết minh quy trình:

Tinh chế chitin:

Chitin thô

Chitin + 60 mL NaOH 25% /hoặc NaOH 50%

Ổn định 1 h

Chiếu xạ Lọc, tủa bằng cồn

Rửa lại bằng cồn, sấy khô Oligochitin

Cho 5g chitin +60ml H2O

Ổn định 1h

Chiếu xạ

Lọc và sấy

Xử lý(tinh chế, loại tạp chất)

Chiếu xạ

Oligochitin

n

Chitin 1% trong CaCl2/ MEtOH

Khuấy 24 h

Chiếu xạ

Oligochitin

ch như sau:

2%, tỷ lệ chitin thô/dung dịch hóa chất: 1:10 (w/v)ở nhiệt độ phòng,với kh

(mẫu 1: 5h; mẫu 2: 6h; mẫu 3: 7h),cứ sau 30 phút khuấy đảo một lần.M

sử dụng

11h; mẫu 2: 12h; mẫu 3: 13h) Tiếp th

và sấy hoặc phơi khô tự nhiên

(1) Chiếu xạ chitin khô: Chitin sau khi tinh chế được đóng vào túi PE và thực

hiện chiếu xạ trong dải liều: 10, 30, 70, 100, 166 và 1109kGy

(2) Chiếu xạ chitin trương trong nước: Cho 5 gchitin vào mỗi lọ thủy tinh

nút mài, thêm 60 mL nước cất để ổn định trong 1h và tiến hành chiếu xạ theo các liều như sau: 10, 20, 30, 40 và 50 kGy Mẫu sau khi chiếu xạ lọc lấy phần trên rây

và sấy khô ta thu được oligochitin

(3) Chiếu xạ chitin trong dung dịch NaOH 25% và 50%: Cho 5g chitin vào

mỗi lọ thủy tinh có nút mài, rót vào mỗi lọ 60ml dung dịch NaOH với nồng độ 25

và 50%, hỗn hợp mẫu được ổn định trong 30 phút, sau đó tiến hành chiếu xạ các mẫu trong dải liều: 10, 15, 25, 30, 45 và 50 kGy đối với trường hợp chiếu xạ trong dung dịch NaOH 25% và dải liều: 10, 20, 30, 40, 50, 60 và 70 kGy đối với trường hợp chiếu xạ trong dung dịch NaOH 50% Mẫu sau khi chiếu xạ được tiến hành xử

lý như sau: thêm 80mL nước cất vào hỗn hợp mẫu đã chiếu xạ, khuấy đảo trong 30 phút sau đó lọc qua rây thu được phần chitin không tan và phần dịch lỏng Phần không tan được rửa nhiều lần bằng nước cất đến pH ~ 7, sau đó sấy khô đến khối lượng không đổi để xác định độ hòa tan Phần dịch lỏng cho thêm 300 mL cồn để

tủa sau đó ly tâm, tủa thu được cho lên giấy lọc và dùng cồn rửa tủa đến trung tính Tủa thu được ta để khô tự nhiên hoặc đem sấy khô

(4) Chiếu xạ chitin trong môi trường có H 2 O 2 : Lượng chitin sử dụng tương

tự như chiếu xạ chitin trương trong nước thêm 60 mL hỗn hợp dung dịch H2O2 6%

để ổn định hỗn hợp trong 1h và chiếu xạ ở các liều: 10, 20, 30, 40 và 50 kGy Mẫu sau khi chiếu xạ lọc lấy phần trên rây, sấy khô ta thu được oligochitin

(5) Chiếu xạ dung dịch chitin:Chitin được hòa tan trong hệ dung môi gồm

CaCl2/methanol bão hòa (25% CaCl2) Dung dịch được khuấy đều với tốc độ ~ 400rpm trong thời gian 24h Dung dịch được đóng vào loại túi PE đặc biệt loại khí

và dán kín Mẫu được chiếu xạ trên nguồn gamma Co-60 theo dải liều như sau: 35,

40, 45, 50, 55, 60, 70 và 80 kGy

2.2.3.2 Bố trí thí nghiệm xác định các thông số của quy trình

* Xác định các thông số của quá trình tinh chế nâng cao chất lƣợng chitin

Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm xác định các thông số của quá trình tinh chế chitin

Xác định các thông số tối ƣu của quá trình tinh chế

Khử khoáng (HCl 2%, nhiệt độ phòng)

Rửa trung tính

Khử protein (NaOH 2%, 65OC)

Rửa trung tính Phơi khô Xác định W, protein, khoáng

Mẫu 3(t=7h)

Chitin thô

 Mục đích: Tạo chitin có độ sạch cao, chất lƣợng cao đáp ứng yêu cầu

nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

* Xác định tỷ lệ chitin/dung môi phù hợp

 Mục đích: Xác định tỷ lệ chitin/dung môi phù hợp để đạt độ hòa tan cao

nhất, tạo ra dung dịch chitin đồng nhất

 Cách tiến hành: Chitin sau khi tinh chế cho hòa tan trong hỗn hợp dung

môi CaCl2/ methanol bão hòa với các tỷ lệ : 1, 1,5 và 2% (w/v) Tiến hành khuấy đảo liên tục trong 24h Do dung dịch có độ nhớt cao nên ta pha loãng dung dịch bằng hệ dung môi và tiến hành lọc trên rây Phần không tan đƣợc sấy ở 60OC đến khối lƣợng không đổi để xác định độ hòa tan Xử lý số liệu và kết luận tỷ lệ chitin/ dung môi phù hợp cho quá trình hòa tan

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ chitin/dung môi phù hợp

* Xác định thời gian khuấy tối ƣu

 Mục đích: Xác định thời gian khuấy thích hợp để hệ dung dịch chitin có

độ đồng nhất cao

 Cách tiến hành: Chitin đƣợc hòa tan trong hệ dung môi theo tỷ lệ phù

hợp đã đƣợc xác định bằng thí nghiệm xác định tỷ lệ chitin/dung môi Sau đó tiến hành khuấy đảo ở các khoảng thời gian khác nhau: 18, 24 và 30h Dung dịch sau khi khuấy đƣợc pha loãng bằng hệ dung môi và lọc qua rây Phần không tan sấy ở 60OC đến

khối lƣợng không đổi để xác định độ hòa tan và kết luận thời gian khuấy phù hợp

Xử lý (tinh sạch, loại tạp chất)

Khuấy đảo

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian khuấy phù hợp

*Xác định điều kiện chiếu xạ tối ưu

- Nhiệt độ chiếu xạ: nhiệt độ phòng

- Dạng mẫu chiếu xạ:

Chitin dạng khô;

Dung dịch chitin trong 25% CaCl2 /methanol;

Chitin trong dung dịch NaOH 25% và NaOH 50%;

Chitin trong nước và chitin trong dung dịch 6% H2O2

Chiếu xạ thực hiện trên nguồn gamma Co-60 có suất liều là 3,6 kGy/h được kiểm tra đo đạc bằng liều kế Fricke Liều chiếu được tính toán dựa trên thời gian chiếu

Xử lý (tinh sạch, loại tạp chất)

 Mục đích: Đánh giá hiệu quả cắt mạch của mẫu chitin chiếu xạ ở các trạng

thái khác nhau trên cơ sở đó rút ra được những điều kiện và các thông số công nghệ

kỹ thuật thích hợp để sản xuất oligochitin với hiệu suất cao, khối lượng phân tử thích hợp và chất lượng ổn định đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tiễn

 Cách tiến hành: Tiến hành chiếu xạ chitin ở 5 trạng thái khác nhau bao

gồm: chitin dạng khô, chitin dung dịch, chitin trong dung dịch NaOH, chitin trương trong nước và chitin trương trong dung dịch H2O2 6% Bố trí thí nghiệm với các liều lượng và thời gian chiếu xạ khác nhau, sau đó tiến hành xác định độ nhớt để biết được khối lượng phân tử của chitin trước và sau chiếu xạ Tiếp theo, đánh giá hiệu ứng sinh học của các mẫu chiếu xạ từ đó xác định được liều xạ tối ưu

 Chiếu xạ chitin dạng khô

 Mục đích: Xác định liều và thời gian chiếu xạ tối ưu vừa mang lại giá trị về

mặt khoa học vừa mang lại hiệu quả kinh tế cao, có hiệu ứng sinh học tốt và có thể ứng dụng trong thực tiễn

 Cách tiến hành: Chitin sau khi tinh chế sấy khô được đóng trong túi PE và

chiếu ở các liều xạ khác nhau: 10, 30, 70, 100, 166 và 1109 kGy Mẫu sau khi chiếu

xạ được hòa tan trong hệ dung môi 25% CaCl2/ Methanol Tiến hành lọc dung dịch

và đo độ nhớt bằng nhớt kế Ubbelohde để xác định trọng lượng phân tử của oligochitin Dựa vào trọng lượng phân tử cho phép chọn lựa mẫu thích hợp để đánh giá hiệu ứng sinh học của chúng