NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CHITOSAN TỪ VỎ TÔM VÀ ỨNG DỤNG KHẢ NĂNG KHÁNG SÂU BỆNH CỦA CHITOSAN TRÊN MỘT VÀI LOẠI CÂY ĂN TRÁI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ MAI NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CHITOSAN TỪ VỎ TÔM VÀ ỨNG DỤNG KHẢ NĂNG KHÁNG SÂU BỆNH CỦA CHITOSAN TRÊN MỘT VÀI LOẠI CÂY ĂN TRÁI LUẬN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM THỊ MAI

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CHITOSAN TỪ VỎ TÔM

VÀ ỨNG DỤNG KHẢ NĂNG KHÁNG SÂU BỆNH

CỦA CHITOSAN TRÊN MỘT VÀI LOẠI

CÂY ĂN TRÁI

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

NGÀNH HÓA HỮU CƠ

2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM THỊ MAI

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CHITOSAN TỪ VỎ TÔM

VÀ ỨNG DỤNG KHẢ NĂNG KHÁNG SÂU BỆNH

CỦA CHITOSAN TRÊN MỘT VÀI LOẠI

CÂY ĂN TRÁI

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

NGÀNH HÓA HỮU CƠ

MÃ NGÀNH: 06440114

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS NGUYỄN THỊ THU THỦY

2016

Trường Đại học Cần Thơ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khoa Khoa học Tự nhiên Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn Hóa học -  -

DUYỆT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Thu Thủy

Đề tài: “Nghiên cứu điều chế chitosan từ vỏ tôm và ứng dụng khả năng kháng

sâu bệnh của chitosan trên một vài loại cây ăn trái”

Học viên thực hiện: Phạm Thị Mai

MSHV: M0914023

Lớp: Hóa Hữu Cơ Khóa: 21

Cần thơ, ngày… tháng ……năm 2016 Cán bộ hướng dẫn Học viên thực hiện

Trường Đại học Cần Thơ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Khoa học Tự nhiên Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM HÓA LÍ – HÓA VÔ CƠ KHOA SƯ PHẠM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ VÀ VƯỜN CÂY ĂN TRÁI TẠI QUẬN BÌNH THỦY – TP CẦN THƠ VÀ HUYỆN LAI

VUNG TỈNH ĐỒNG THÁP Nội dung nhận xét:

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thị Thu Thủy

Phạm Thị Mai i

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành gởi lời biết ơn sâu sắc đến:

TS Nguyễn Thị Thu Thủy, người cô hướng dẫn, một tấm gương nghiên cứu khoa học đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn, quan tâm và động viên tôi trong quá trình học tập ở trường Cô đã dành nhiều thời gian, công sức, tận tình truyền đạt những kiến thức chuyên môn, tri thức khoa học và kĩ năng thực hành quý báo của cô trong suốt thời gian thực hiện đề tài này

Quý thầy cô trường đại học Cần Thơ đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt khóa học cũng như tận tâm giảng dạy, truyền đạt những kiến thức hữu ích cho tôi trong suốt thời gian học tập

Xin cảm ơn cha mẹ, gia đình đã luôn bên cạnh hỗ trợ con cả về vật chất lẫn tinh thần trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Chân thành cảm ơn!

Phạm Thị Mai ii

LỜI CAM KẾT

Tôi xin cam đoan luận văn này được hoàn thành dựa trên các kết qủa nghiên cứu của riêng tôi, các kết qủa của nghiên cứu này chưa được dùng cho bất cứ luận văn cùng cấp nào khác và được sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Thị Thu Thủy

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2016

Người cam đoan

Phạm Thị Mai

Phạm Thị Mai iii

TÓM TẮT

Từ nguồn phụ phẩm của ngành chế biến thủy sản là vỏ tôm sau khi loại khoáng bằng dung dịch acid HCl 10% và loại protein bằng dung dịch NaOH 3% thu được chitin, sau đó deacetyl hóa chitin bằng dung dịch NaOH 46% ở nhiệt độ 100-1200C trong 3,5 giờ thu được chitosan với độ deacetyl hóa là 81,3%, được xác định bằng phương pháp phổ hồng ngoại Chitosan điều chế

có dạng bột được hòa tan trong dung dịch acid acetic loãng tạo thành dung dịch chitosan, sau đó tạo nhũ tương chitosan bằng cách sử dụng dầu paraffin làm pha dầu, dung dịch chitosan làm pha nước và sử dụng hỗn hợp chất hoạt động bề mặt là Tween 80 và Span 60 với tỉ lệ như sau: dầu paraffin : dung dịch chitosan : Tween 80 : Span 60 là 50 : 40 : 5 : 5 Quá trình nghiên cứu thu được 3 loại nhũ tương chitosan với nồng độ 1%, 1,5% và 2% chitosan trong acid acetic 1% Nhũ tương thu được để ổn định trong một tháng ở nhiệt độ phòng sau đó đem phun lên vườn cây ăn trái với hàm lượng 200 gam nhũ tương trong 3 lít nước và 100 gam nhũ tương trong 3 lít nước Qua nghiên cứu ứng dụng nhũ tương chitosan trên 2 loại cây ăn trái là ổi và mận cho thấy hiệu quả phòng trừ sâu bệnh của nhũ tương chitosan 1,5% tốt hơn so với nhũ tương 1% và 2%, tương đương với việc sử dụng thuốc trừ sâu hóa học nhưng hiệu quả phòng trừ sâu bệnh chậm hơn so với việc sử dụng thuốc trừ sâu hóa học

Từ những kết quả thu được cho thấy có thể dùng nhũ tương chitosan 1,5% thay thế thuốc trừ sâu hóa học trong nông nghiệp vừa an toàn cho người sử dụng vừa góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường

Phạm Thị Mai iv

ABSTRACT

Shrimp shells taken from by products of seafood processing industry are demineralized with HCL 10% and protein reduction with NaOH 3% inorder to get chitin And then, chitin is deacetylation with NaOH 46% at 100-1200C in three hours thirty minute to achieve Chitosan with deacetylation at 81,3% The quality is determined by Infrared spectroscopic methods Chitosan product is powder dissolved in acid acetic to have chitosan solution Subsequently, paraffin oil is used to have create chitosan soluation Chitosan solution is used

as aqueous phase and a mixture of surfactant, Tween 80 and Span 60, is used with the following percentage: 50:40:5:5 The research achieved three kinds of chitosan emulsion with concentration : 1%, 1,5% and 2% chitosan in 1% acetic acid Emulsion is obtained and preserved in one month at room temperature and then brought up fruit trees with 200 grams of emulsion content in 3 liters of water and 100 grams in 3 liters of water emulsion The research and application of chitosan emulsion on 2 types of fruit trees as guava and plum shows the effectiveness of chitosan emulsion pest control is 1,5% better than the 1% and 2% emulsion, equivalent to the use of chemical pesticides but effectiveness pest control is slower than the use of chemical pesticides The results obtained showed that chitosan emulsion 1,5% can be used to replace chemical pesticides in agriculture and safety for users and contribute to reducing environmental pollution

Phạm Thị Mai v

MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM KẾT ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ix

DANH MỤC BẢNG xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 2

Chương 2: TỔNG QUAN 3

2.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ CHITIN, CHITOSAN 3

2.1.1 Lịch sử phát hiện chitin và chitosan 3

2.1.2 Nguồn gốc của chitin 4

2.1.3.Cấu trúc hoá học của chitin 5

2.1.4 Cấu trúc hóa học của chitosan 6

2.2 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CHITIN – CHITOSAN 6

2.2.1 Tính chất vật lý của Chitin 6

2.2.2 Tính chất vật lý của Chitosan 6

2.3 TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA CHITIN – CHITOSAN 7

2.3.1 Tính chất hóa học của Chitin 7

2.3.2 Tính chất hóa học của Chitosan 7

2.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT, TIÊU THỤ CHITIN – CHITOSAN 14

Phạm Thị Mai vi

2.5 MỘT SỐ QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 15

2.5.1 Trên thế giới 15

2.5.2 Tại Việt Nam 17

2.6 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CHITOSAN 21

2.6.1 Chất làm trong - Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất nước quả 21 2.6.2 Sử dụng trong thực phẩm chức năng 21

2.6.3 Phân tách rượu- nước 21

2.6.4 Ứng dụng làm màng bao 21

2.6.5 Ứng dụng trong y dược 22

2.6.6 Trong công nghiệp 22

2.6.7 Trong nông nghiệp 22

2.6.8 Trong công nghệ môi trường 24

2.7 NHŨ TƯƠNG 24

2.7.1 Khái niệm nhũ tương 24

2.7.2 Cơ chế tạo nhũ tương 25

2.7.3 Xác định điểm cân bằng HLB cho quá trình tạo nhũ khi sử dụng hỗn hợp chất nhũ hoá 26

2.8 SƠ LƯỢC VỀ MỘT VÀI LOẠI CÂY ĂN TRÁI VÀ NGÀNH NÔNG NGHIỆP Ở NƯỚC TA 27

2 8.1 Đặc điểm sinh thái của cây ổi Đài Loan 28

2.8.2 Đặc điểm sinh thái của cây mận 29

Chương 3: THỰC NGHIỆM 30

3.1 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ 30

3.1.1 Nguyên liệu 30

3.1.2 Dụng cụ, thiết bị, hóa chất 30

3.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

3.3 QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ CHITIN – CHITOSAN 31

3.3.1 Nghiên cứu quá trình điều chế chitin từ vỏ tôm 31

Phạm Thị Mai vii

3.3.2 Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình deacetyl hóa chitin tạo thành chitosan……… …………32

3.4 CÁC THÍ NGHIỆM ĐỊNH TÍNH CHITOSAN 36

3.4.1 Thí nghiệm xác định độ ẩm 36

3.4.2 Thí nghiệm xác định hàm lượng tro 36

3.4.3 Thí nghiệm xác định hàm lượng nito tổng 37

3.4.4 Tính hiệu suất điều chế chitosan từ vỏ tôm 37

3.4.5 Thí nghiệm xác định hàm lượng chất không tan 38

3.4.6 Xác định pH 38

3.4.7 Định tính chitosan 38

3.4.8 Thử độ tinh khiết 38

3.5 BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM TẠO NHŨ TƯƠNG CHITOSAN VỚI CÁC TỈ LỆ KHÁC NHAU 39

3.5.1 Xác định điểm cân bằng HLB cho quá trình tạo nhũ khi sử dụng hỗn hợp chất nhũ hóa Tween 80 và Span 60 39

3.5.2 Thí nghiệm khảo sát khả năng tạo nhũ bền của dung dịch chitosan với các tỉ lệ acid khác nhau 40

3.6 BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM ỨNG DỤNG NHŨ TƯƠNG CHITOSAN TRÊN VƯỜN CÂY ĂN TRÁI 40

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

4.1 TÁCH CHIẾT CHITIN TỪ VỎ TÔM 43

4.1.1 Quá trình khử khoáng 43

4.1.2 Quá trình loại protein 45

4.2 QUÁ TRÌNH DEACETYL HÓA CHITIN 45

4.3 MỘT SỐ CHỈ TIÊU HÓA LÍ CỦA CHITOSAN 49

4.4 KHẢO SÁT TÍNH BỀN NHŨ TƯƠNG CỦA DUNG DỊCH CHITOSAN VỚI CÁC NỒNG ĐỘ CHITOSAN VÀ ACID ACETIC KHÁC NHAU 50

4.4.1 Khảo sát tính bền nhũ tương của dung dịch chitosan 1% trong các dung dịch acid acetic nồng độ khác nhau 50

4.4.2 Khảo sát tính bền nhũ tương của dung dịch chitosan 1,5% trong các dung dịch acid acetic nồng độ khác nhau 51

Phạm Thị Mai viii

4.4.3 Khảo sát độ bền nhũ tương của dung dịch chitosan 2% trong các dung dịch acid acetic nồng độ khác nhau 51

4.4.4 Khảo sát tính bền nhũ tương của dung dịch chitosan 2,5% trong các dung dịch acid acetic nồng độ khác nhau 52

4.5 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM NHŨ TƯƠNG CHITOSAN TRÊN VƯỜN CÂY ĂN TRÁI 53

4.5.1 Thử nghiệm lần 1 phun với hàm lượng 200 gam nhũ tương chitosan trong 3 lít nước 53

4.5.2 Thử nghiệm lần 2 với hàm lượng 100 gam nhũ tương chitosan trong 3 lít nước 54

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

5.1 KẾT LUẬN 76

5.2 KIẾN NGHỊ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

PHỤ LỤC 79

PHỤ LỤC 1: PHỔ IR CỦA CHITOSAN 79

PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ HÌNH ẢNH ĐIỀU CHẾ CHITOSAN 80

PHỤ LỤC 3: HÌNH ẢNH QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ NHŨ TƯƠNG CHITOSAN 84

PHỤ LỤC 4: HÌNH ẢNH MỘT SỐ THẾT BỊ THÍ NGHIỆM 85

PHỤ LỤC 5: BẢNG SỐ LIỆU CHO CÂY MẬN VÀ ỔI 86

Phạm Thị Mai ix

DANH MỤC HÌNH Trang Hinh 2.1 Cấu trúc hóa học của chitin 5

Hình 2.2 Cấu trúc hóa học của chitosan 6

Hình 2.3 Quy trình điều chế chitin theo phương pháp Hackman 15

Hình 2.4 Quy trình điều chế chitin theo phương pháp Wistler và Beniller 16

Hình 2.5 Quy trình điều chế chitin theo phương pháp Roseman 17

Hình 2.6 Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp của Nguyễn Hoàng Hà 18

Hình 2.7 Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp của Đặng Văn Luyến 19

Hình 2.8 Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp bán thủy nhiệt 20

Hình 3.1 Phương trình thủy phân protein 31

Hình 3.2 Đeacetyl hóa chitin 32

Hình 3.3 Tối ưu hóa quá trình đeacetyl hóa chitin thành chitosan 33

Hình 3.4 Sơ đồ tóm tắt quá trình điều chế chitin-chitosan 35

Hình 4.1 Vỏ tôm được sấy khô, xây nhuyễn 43

Hình 4.2 Vỏ tôm sau khi loại khoáng 43

Hình 4.3 Chitin 45

Hình 4.4 chitosan 46

Hình 4.5 Nhũ tương của dung dịch chitosan 53

Hình 4.6 Trái ổi có nhiều đốm đen và cây ổi bị vàng lá trong thử nghiệm lần 1 54

Hình 4.7 Trái ổi bị sâu trên các cây nghiệm thức 1 55

Hình 4.8 Biểu đồ thể hiện số trái ổi sâu trong nghiệm thức 1 từ lúc cây ra trái non đến lúc trái được 40 ngày 56

Hình 4.9 Trái ổi trên nghiệm thức 2 57

Hình 4.10 Biểu đồ thể hiện số trái ổi sâu trong nghiệm thức 2 từ lúc cây ra trái non đến khi trái được 40 ngày 58

Hình 4.11 Trái ổi trên nghiệm thức 3 59

Phạm Thị Mai x

Hình 4.12 Biểu đồ thể hiện số trái ổi sâu trong nghiệm thức 3 từ lúc cây ra trái non đến khi trái đƣợc 40 ngày 60 Hình 4.13 Trái ổi trên nghiệm thức 4 61 Hình 4.14 Biểu đồ thể hiện số trái ổi sâu trong nghiệm thức 4 từ lúc cây ra trái non đến khi trái đƣợc 40 ngày 62 Hình 4.15 Trái ổi trên nghiệm thức 5 63 Hình 4.16 Biểu đồ thể hiện số trái ổi sâu trong nghiệm thức 5 từ lúc cây ra trái non đến khi trái đƣợc 40 ngày 64 Hình 4.17 Trái mận trên nghiệm thức 1 65 Hình 4.18 Biểu đồ thể hiện số trái mận sâu trong nghiệm thức 1 từ lúc cây ra trái non đến khi trái đƣợc 40 ngày 66 Hình 4.19 Trái mận trên nghiệm thức 2 67 Hình 4.20 Biểu đồ thể hiện số trái mận sâu trong nghiệm thức 2 từ lúc cây ra trái non đến khi trái đƣợc 40 ngày 68 Hình 4.21 Trái mận trên nghiệm thức 3 69 Hình 4.22 Biểu đồ thể hiện số trái mận sâu trong nghiệm thức 3 từ lúc cây ra trái non đến khi trái đƣợc 40 ngày 70 Hình 4.23 Trái mận trên nghiệm thức 4 71 Hình 4.24 Biểu đồ thể hiện số trái mận sâu trong nghiệm thức 4 từ lúc cây ra trái non đến khi trái đƣợc 40 ngày 72 Hình 4.25 Trái mận trên nghiệm thức 5 73 Hình 4.26 Biểu đồ thể hiện số trái mận sâu trong nghiệm thức 5 từ lúc cây ra trái non đến khi trái đƣợc 40 ngày 74

Phạm Thị Mai xi

DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 2.1 Ảnh hưởng của giá trị HLB đến khả năng phân tán và ứng dụng 25

Bảng 3.1 Xây dựng được các điều kiện thí nghiệm 34

Bảng 3.2 Số liệu thực nghiệm khảo sát điều chế chitosan 34

Bảng 3.3 Bố trí thí nghiệm phun xịt dung dịch chitosan 40

Bảng 3.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm với 4 lần lặp lại 41

Bảng 4.1 Kết quả xử lý 100 gam vỏ tôm 43

Bảng 4.2 Số liệu khảo sát nhiệt độ, thời gian phản ứng, nồng độ NaOH 45

Bảng 4.3 Ma trận kế hoạch 23 cho quá trình điều chế chitosan 46

Bảng 4.4 Ma trận kế hoạch hóa với biến số hằng 47

Bảng 4.5 Khảo sát tính bền nhũ tương của dung dịch chitosan 1% 51

Bảng 4.6 Khảo sát tính bền nhũ tương của dung dịch chitosan 1,5% 51

Bảng 4.7 Khảo sát tính bền nhũ tương của dung dịch chitosan 2% 52

Bảng 4.8 Khảo sát độ bền nhũ tương của dung dịch chitosan 2,5% 52

Bảng 4.9 Sơ đồ bố trí thí nghiệm trong thử nghiệm lần 1 với 4 lần lặp lại 54

Bảng 4.10 Sơ đồ bố trí thí nghiệm trong thử nghiệm lần 2 với 4 lần lặp lại 55

Bảng 4.11 Số lượng trái ổi sâu trên nghiệm thức đối chứng với 4 lần lặp lại sau 40 ngày thử nghiệm 56

Bảng 4.12 Số lượng trái ổi sâu trên nghiệm thức 2 trong 40 ngày phun thuốc trừ sâu với 4 lần lặp lại 58

Bảng 4.13 Số lượng trái ổi sâu trên nghiệm thức 3 trong 40 ngày phun nhũ tương chitosan 1% với 4 lần lặp lại 60

Bảng 4.14 Số lượng trái ổi sâu trên nghiệm thức 4 trong 40 ngày phun nhũ tương chitosan 1,5% với 4 lần lặp lại 62

Bảng 4.15 Số lượng trái ổi sâu trên nghiệm thức 5 trong 40 ngày phun nhũ tương chitosan 2% với 4 lần lặp lại 64

Bảng 4.16 Số lượng trái mận sâu trên nghiệm thức đối chứng trong 40 ngày thử nghiệm với 4 lần lặp lại 67

Bảng 4.17 Số lượng trái mận sâu trên nghiệm thức 2 trong 40 ngày phun thuốc trừ sâu với 4 lần lặp lại 68

Phạm Thị Mai xii

Bảng 4.18 Số lượng trái mận sâu trên nghiệm thức 3 trong 40 ngày phun nhũ tương chitosan 1% với 4 lần lặp lại 70 Bảng 4.19 Số lượng trái ổi sâu trên nghiệm thức 4 trong 40 ngày phun nhũ tương chitosan 1,5% với 4 lần lặp lại 72 Bảng 4.20 Số lượng trái ổi sâu trên nghiệm thức 5 trong 40 ngày phun nhũ tương chitosan 1% với 4 lần lặp lại 73

Phạm Thị Mai 1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngành chế biến thủy sản của nước ta ngày càng phát triển Một lượng phụ phẩm khá lớn khoảng 70.000 tấn/năm được tạo ra từ các nhà máy chế biến thủy sản Nguồn phụ phẩm thủy sản này chủ yếu được sử dụng làm thức ăn gia súc hay thải ra môi trường gây ô nhiễm, chỉ một phần nhỏ được sử dụng để sản xuất ra chitin, vì vậy nghiên cứu công nghệ tạo ra các sản phẩm hữu ích từ nguồn phụ phẩm này là một vấn đề không chỉ có ý nghĩa lí luận mà còn có ý nghĩa thực tiễn rất thiết thực

Hiện nay chitosan được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống như trong y - dược, trong công nghiệp, nông nghiệp, xử lí nước thải, bảo

vệ môi trường,…Xã hội ngày càng phát triển, chất lượng cuộc sống được nâng cao, nhu cầu của con người cũng ngày càng phát triển, con nguời bắt đầu chú

ý nhiều hơn đến chất lượng sản phẩm hơn là số lượng, vấn đề về sức khỏe cũng được quan tâm nhiều hơn và nguồn thực phẩm tươi sạch là vấn đề thiết yếu

Với mong muốn sử dụng chế phẩm sinh học thay thế thuốc trừ sâu trong nông nghiệp, giải quyết một phần vấn đề môi trường và cung cấp cho nguời tiêu dùng nguồn trái cây tuơi sạch đảm bảo an toàn thực phẩm nhằm

hạn chế sử dụng các loại thuốc trừ sâu trên cây ăn trái, đề tài “ Nghiên cứu điều chế chitosan từ vỏ tôm và ứng dụng khả năng kháng sâu bệnh của chitosan trên một vài loại cây ăn trái” nghiên cứu điều chế chitosan từ

nguồn nguyên liệu vỏ tôm để ứng dụng thay thế thuốc trừ sâu trong việc phòng trừ sâu bệnh trên cây ăn trái Chitosan vừa có khả năng kháng nấm bệnh trên cây trồng, vừa thân thiện với môi trường, không gây độc hại cho con người

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu chiết tách chitin từ nguồn phụ phẩm của ngành thủy sản là

vỏ tôm Deacetyl hóa chitin tạo ra chitosan

Ứng dụng khả năng kháng sâu bệnh của nhũ tương chitosan thay thế thuốc trừ sâu trên cây ăn trái

Thử nghiệm trên cây ăn trái với diện tích 500 m2 và so sánh mức độ sâu bệnh và chất lượng quả của cây phun thuốc trừ sâu với cây phun nhũ tương chitosan

Phạm Thị Mai 2

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đề tài nghiên cứu tách chiết chitin/ chitosan từ nguyên liệu là vỏ tôm Điều chế nhũ tương chitosan thay thế thuốc trừ sâu để sử dụng cho các loại cây ăn trái mang lại lợi ích cho người nông dân và người tiêu dùng

1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Đề tài nghiên cứu tận dụng nguồn phụ phẩm của ngành thủy sản, tạo ra chế phẩm sinh học góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường và mang đến

nguồn trái cây tươi sạch cho người tiêu dùng

Phạm Thị Mai 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ CHITIN - CHITOSAN

2.1.1 Lịch sử phát hiện chitin và chitosan [1]

Danh từ chitin bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “tunic” hay “envenlopen” đó

có nghĩa là lớp vỏ ngoài hay sự bao bọc

Chitin đã được phát hiện bởi Henri Braconnot vào năm 1811 Lần đầu tiên ông phân lập được chitin như một hợp chất không tan trong kiềm của một

số loại nấm Hợp chất do Braconnot phân lập được còn lẫn rất nhiều tạp chất nhưng ông khẳng định đây không phải là gỗ

Đến năm 1823, Odier đã cô lập được chitin từ cánh cứng của con bọ cánh cứng và cũng phân lập được chitin khi loại khoáng vỏ cua Từ đó, Odier cho rằng đây là hợp chất cơ bản trong vỏ giáp sát và côn trùng

Vào năm 1834, Children phát hiện sự có mặt của nitơ trong chitin, 9 năm sau đó tức năm 1843 sự tồn tại của nitơ trong chitin đã được Lassaigne chứng minh một lần

Đến năm 1859, C.Rouget phát hiện ra một hợp chất mới khi đun hoàn lưu chitin trong dung dịch KOH đặc, có tính chất khác với chitin, ông gọi đó

là “modified chitin”

Năm 1876, Ledderhose thủy phân vỏ tôm hùm bằng dung dịch HCl và nhận được một muối clorua của amin 6C Ông đề nghị cấu trúc CHO.(CHOH)4.CH2NH2.HCl

Năm 1894, Winterstein phát hiện ra khi xử lý nấm với H2SO4 hay NaOH rồi thủy phân trong HCl thì đều thu được cùng loại mono saccharide và acid acetic Tuy nhiên, ông vẫn gọi hợp chất này là “cellulose” Cũng trong năm này, khi đun chitin trong dung dịch KOH ở 1800C, Hope – Seyler thu được một hợp chất có số nguyên tử giống như trong chitin và gọi nó là chitosan

Năm 1912, Brach và Furth nhận thấy tỉ lệ acid acetic và glucosamine

là 1:1, ông gọi nó là “polymer mono acetyl glucosamine”

Năm 1928, Meyer và Mark dựa trên phổ nhiễu xạ tia X kết luận rằng chitin và chitosan nằm ở dạng liên kết β-(1-4) giữa các mắt xích pyranoz

Từ những năm 1930 đến 1940 có rất nhiều nghiên cứu về chitin và chitosan, khoảng 50 phát minh được đăng kí Với những nghiên cứu của mình, Purchase và Braum chứng minh được chitin là một polysaccharide của

Phạm Thị Mai 4

glucosamine bằng cách thủy phân chitin theo nhiều cách khác nhau, hay với

nghiên cứu của Rammelberg đã xác định một cách chính xác nguồn gốc chitin

Vào năm 1948, Matsusshima cũng đã có một phát minh sản xuất

glucosamine từ vỏ cua

Năm 1950, người ta đã sử dụng tia X để phân tích nhằm nghiên cứu sâu

hơn sự hiện diện của chitin trong nấm và trong thành tế bào

Và đến năm 1951, quyển sách đầu tiên viết về chitin đã được xuất bản

Bấy giờ người ta đã phát hiện tiềm năng của các polyme thiên nhiên này

Nhưng sự cạnh tranh của các loại polymer tổng hợp đã kiềm hãm sự

phát triển thương mại của chitin và chitosan Cho đến năm 1970, hàng loạt

nghiên cứu về chitin và chitosan được tiến hành với mục đích ban đầu là tận

dụng nguồn phụ phẩm dồi dào từ việc chế biến thủy sản (vỏ tôm) nhằm tránh

gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, các nhà khoa học đã phát hiện ra các tính

chất đặt biệt của chitin và các dẫn xuất của nó không những giải quyết vấn đề

ô nhiễm môi trường mà còn mở ra một triển vọng rất lớn trong việc ứng dụng

chitin và các dẫn xuất của chitin vào sản xuất

Vào năm 1978, một hội nghị đầu tiên nói về chitin và chitosan diễn ra

tại Mỹ và thu hút được sự quan tâm của rất nhều nhà khoa học trên thế giới

Hiện nay, những nghiên cứu về chitin và chitosan đã đạt được nhiều

thành công nhất định Tại Nhật, một công trình nghiên cứu dài hơn 10 năm

cũng bắt đầu khởi động Trung Quốc, tuy là nước bắt đầu nghiên cứu chậm

hơn so với những nước khác nhưng lại phát triển rất nhanh trong lĩnh vực này

2.1.2 Nguồn gốc của chitin [1]

* Từ động vật bậc thấp

Chitin là chất hữu cơ chủ yếu trong vỏ mai (bộ xương ngoài của động

vật không xương sống)

Theo Richard, chitin được tìm thấy trong lớp vỏ cutin của loài chân đốt

Ngoài ra, Chitin còn được tìm thấy trong tế bào ống của loài mực, ở lớp vỏ

bao ngoài của loài Bọ cánh cứng, trong lớp vỏ mai của loài giáp xác, trong loài

nhện và bướm

Chitin thường có khoảng 25-50% trên lượng khan của lớp cutin, thành

phần khác chủ yếu là protein và calci carbonat

Phạm Thị Mai 5

* Từ thực vật bậc thấp

Nguồn gốc của chitin trong thực vật giới hạn ở một số loài nấm và tảo

Trong nấm chitin đóng vai trò như cenlulose trong các loài cây

Người ta đưa các giả thuyết khác nhau về sự hiện diện của chitin hoặc cenlulose làm cơ sở cho mối quan hệ phát sinh giữa các nhóm của giống nấm đặt biệt là phycomecetus Qua phân tích bằng tia X Frey đã xác nhận rằng chitin và cenlulose không hiện diện đồng thời

Chitin hiện diện trong tảo xanh, bằng phương pháp vi hóa học Roelofsen và Hoette đã tìm thấy chitin trong nấm men, Kreger cũng thu được chitin trong một số loài nấm men bằng nhiễu xạ tia X

Chitin không hiện diện một mình trong lớp vỏ ngoài của loài nấm mà

nó được liên kết với những thành phần khác Lượng chitin được tinh chế từ một số loài nấm thông thường từ 3-5%

2.1.3.Cấu trúc hóa học của chitin [1,2]

 Khái niệm chitin

Chitin là một polimer chuỗi dài của một N-Acetylglucosamine, một dẫn xuất của glucose và được tìm thấy ở nhiều nơi trên khắp thế giới tự nhiên Chitin là một thành phần đặc trưng của các thành tế bào của nấm, các khung xương của động vật chân đốt như động vật giáp xác (tôm, cua) và côn trùng,…

Chitin là polysaccharide mạch thẳng, có thể xem như là dẫn xuất của cenlulose, trong đó nhóm (-OH) ở nguyên tử C(2) được thay thế bằng nhóm acetyl amino (-NHCOCH3) Như vậy chitin là poly(N-acetyl-2-amino-2-deoxi-

β-D-glucopyranose) liên kết với nhau bởi các liên kết β-(1-4) glicozit Trong

đó các mắt xích của chitin cũng được đánh số như của glucose:

O O

O OH

Phạm Thị Mai 6

2.1.4 Cấu trúc hoá học của chitosan [1,2]

 Khái niệm chitosan

Chitosan là một polysaccharide mạch thẳng được cấu tạo từ các

D-glucosamine và N-acetyl-D-Glucosamine liên kết tại vị trí β-(1-4) Chitosan

được sản xuất từ quá trình xử lý vỏ các loài giáp xác với dung dịch kiềm NaOH

Chitosan là dẫn xuất đề acetyl hoá của chitin, trong đó nhóm (–NH2) thay thế nhóm (-NHCOCH3) 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)-glicozit, do vậy chitosan có thể gọi là poly [β amino-2-deoxi-D-glycopyranose] hoặc là poly [β-(1-4)-D- glucosamine]

O O

Hình 2.2 Cấu trúc hóa học của chitosan

2.2 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CHITIN – CHITOSAN [1-5] 2.2.1 Tính chất vật lý của Chitin

Chitin và chitosan là những polymer sinh học có khối lượng phân tử lớn Chitin có hình thái tự nhiên ở dạng rắn

Chitin có cấu trúc bền vững, không tan trong nước, kiềm, axit loãng, các dung môi hữu cơ như ete, rượu,…Nhưng tan trong dung dịch đặc nóng của muối thioxianat liti (LiSCN) và thioxianat canxi (Ca(SCN)2) tạo dung dịch keo Chính vì thế, chitin được xem là nguyên liệu đầu để điều chế các dẫn xuất của nó Chitin còn có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại có bước sóng 884-890

cm-1

2.2.2 Tính chất vật lý của Chitosan

Chitosan là chất rắn vô định hình, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ

thành các kích cỡ khác nhau

Phạm Thị Mai 7

Chitosan không tan trong nước, dung dịch kiềm và acid đậm đặc nhưng

tan trong acid loãng tạo dung dịch keo trong Chitosan có thể tan trong

Dimethylactamide (DMA) có chứa 8% lithium choloride hoặc acit hữu cơ như

acetic acid, citric acid,

Bột chitosan có dạng hơi sệt trong tự nhiên và màu sắc của nó biến đổi

từ vàng nhạt đến trắng, không mùi, không vị, nhiệt độ nóng chảy 309-311oC

Giống như cenlulose, chitosan là chất xơ, nhưng không giống chất xơ

thực vật, chitosan có khả năng tạo màng

Chitosan có khả năng tích điện dương do đó nó có khả năng kết hợp với

những chất tích điện âm như chất béo, lipid và acid mật

Chitosan là chất có độ nhớt cao Độ nhớt của chitosan phụ thuộc vào

nhiều yếu tố như mức độ deacetyl hóa, khối lượng nguyên tử, nồng độ dung

dịch, độ mạnh của lực ion, pH và nhiệt độ

2.3 TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA CHITIN-CHITOSAN [1-4,6,7,9]

2.3.1 Tính chất hóa học của Chitin [1-4,6,7,9]

Chitin ổn định với các chất oxy hóa mạnh như thuốc tím KMnO4, oxy

già (H2O2), nước javen (NaClO + NaCl), Lợi dụng tính chất này, người ta sử

dụng các chất oxy hóa để khử màu cho chitin

Khi đun nóng trong dung dịch NaOH đậm đặc (40-50%), ở nhiệt độ cao

chitin sẽ mất gốc acetyl tạo thành chitosan

Phản ứng este hóa:

Tác dụng với HNO3 đậm đặc tạo sản phẩm chitin nitrat

Tác dụng với anhydrit sunfuric trong pyridin, đioxan và N,N-dimethylanilin thu được chitin sufonat

2.3.2 Tính chất hóa học của chitosan [1-4,6,7,9]

Trong phân tử chitin/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 hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế

O-, dẫn xuất thế N-, hoặc dẫn xuất thế O-, N-

Chitosan tan trong dung dịch loãng các acid hữu cơ như acid acetic,

acid fomic, acid adipic, acid propionic và một số acid vô cơ Ba thuộc tính cơ

bản nhất của chitosan là: phân tử lượng, mức độ deacetyl hóa và độ tinh sạch

Một số phương pháp xác định độ deacetyl hóa

* Phương pháp xác định phổ hồng ngoại

Khi khảo sát phổ IR của chitin và chitosan, các nhà nghiên cứu nhận thấy dao động hấp thu của nhóm –OH không phụ thuộc vào DD trong khi ở nhóm amide I có hiện tượng này

Từ đó các nhà nghiên cứu đưa ra nhiều công thức thực nghiệm tính DD của sản phẩm Các công thức này khá lặp lại về kết quả và phù hợp với kết quả của phương pháp chuẩn độ keo

DD = 100 – (A1655 / A3450) x 115 (2.1) Trong đó:

A1655: diện tích phần phổ hấp thu do dao động của nhóm amide I

A3450: diện tích phần phổ hấp thu do dao động của nhóm – OH

115: hệ số thực nghiệm

Hoặc

DD = 100 x (1 – A1655 / A3450 / 1,33) (2.2) Ngoài ra trong một số tài liệu khác, người ta cũng đề cập đến công thức sau:

DD = 97,67 – 26,486 x ( A1655 / A3450) (2.3)

* Phương pháp phản ứng với ninhydrin

Nhóm amino của chitin và chitosan có khả năng phản ứng với ninhydrin tạo ra hợp chất khử và amoni Hai hợp chất này phản ứng với nhau tạo hợp chất mang màu Định độ hấp thu màu bằng phương pháp phổ UV, từ

đó xác định DD

Phạm Thị Mai 9

* Phương pháp xác định độ keo

Phương pháp này dựa trên phương pháp định lượng độ keo do

Terayama dùng để phân tích các hợp chất đa điện tích trong dung dịch nước

Dung dịch của một anionic đã biết nồng độ được mang đi tác dụng với dung

dịch chitosan trong HCl, dùng methylen blue để xác định điểm cuối

* Phương pháp chưng cất với acid phophoric

Khi tác dụng với acid phophoric ở nhiệt độ cao, gốc acetyl trong

chitosan sẽ bị tách ra dưới dạng acid acetic và định lượng bằng NaOH theo

phương pháp chuẩn độ thể tích

Cách tiến hành như sau: cho 0,3 gam vào dung dịch chứa 50 mL H2O

và 50 mL H3PO4 85%, tiến hành chưng cất với nhiệt độ tăng dần 1ºC trong 1

phút cho đến 160ºC, duy trì nhiệt độ này trong 60 phút, định lượng dung dịch

chưng cất bằng dung dịch NaOH 0,1N với chất chỉ thị màu phenolphtalein

Độ deacetyl hóa được tính theo công thức:

c là N toàn phần (được xác định bằng phương pháp Kjeldahl)

d là hàm lượng N của chitin theo lý thuyết

a là độ giảm khối lượng

Ngoài các phương pháp trên người ta còn sử dụng các phương pháp

khác để xác định DD như: phổ NMR, định phân acid – base, sắc kí khí,

phương pháp thủy phân bằng acid và phân tích bằng HPLC,…

2.3.2.2 Độ nhớt

Độ nhớt của dung dịch chitosan chủ yếu bị ảnh hưởng bởi trọng lượng

phân tử chitosan, sức mạnh ion, pH và nhiệt độ của dung dịch Chitosan có

Phạm Thị Mai 10

trọng lượng phân tử thấp thì dung dịch có độ nhớt thấp Độ nhớt của chitosan

tăng với sự gia tăng nồng độ chitosan, mức độ deacetyl hóa nhưng giảm khi

tăng nhiệt độ và pH Dưới một môi trường pH tương tự, độ nhớt dung dịch

chitosan khác nhau, với việc sử dụng các acid hữu cơ khác nhau Chitosan là

một polimer nửa cứng (semirigid) đặc trưng bởi một độ bền trong thời gian

dài Điều này phụ thuộc vào mức độ deacetyl hóa của phân tử Những hạn chế

chính trong việc sử dụng chitosan trong nhiều ứng dụng là độ nhớt cao và độ

hòa tan thấp của nó ở pH trung tính Điều chỉnh độ pH khoảng 7,5 sự keo tụ

gây ra do deproton hóa và không hòa tan của polimer Chitosan với mức độ

deacetyl 50% tan được trong dung dịch trung tính Trong khi chitosan với mức

độ deacetyl hóa 40% sẽ được hòa tan trong môi trường dung dịch nước với pH

lên đến 9

2.3.2.3 Dung môi và tính tan

Chitosan là một bazơ, dễ tạo muối với các acid, hình thành những chất

điện ly cao phân tử, có tính tan phụ thuộc vào bản chất của các anion có liên

quan Quá trình hòa tan chitosan có thể xảy ra hai giai đoạn: hình thành muối

và hòa tan muối Tuy nhiên, người ta thường cho acid và chitosan đã ở dạng

huyền phù trong nước để hai quá trình xảy ra đồng thời Tính tan của muối

chitosan phụ thuộc vào trọng lượng phân tử, mức độ deacetyl hóa, tổng lượng

acid có mặt và nhiệt độ dung dịch

a Trong acid vô cơ

Trong acid vô cơ chitosan tan được trong HCl, HBr, HI, HNO3 và

HClO4 loãng nhưng cũng có thể tách riêng được trong dung dịch HCl hoặc

HBr khi tăng nồng độ acid Chitosan tan rất ít trong H3PO4 đậm đặc, sự hòa

tan xảy ra song song với sự sulfat hóa và thủy phân chitosan

Chitosan tan được trong các dung dịch acid loãng là do sự proton hóa

của nhóm amine tự do Hằng số phân ly Kb của một nhóm amine được xác

định dựa trên cân bằng sau:

Khi α = 1, polimer trở nên trung hòa điện tích và thế năng tĩnh điện

bằng 0 Ngoại suy giá trị pKa tại α = 1sẽ giúp ta ước lượng được hằng số phân

ly riêng của các nhóm ion, pK0 Giá trị này ước lượng được khoảng 6,5, giá trị

này hoàn toàn độc lập với độ acetyl hóa (DA), trong khi giá trị pKa thì phụ

thuộc rất lớn vào yếu tố này, pKa được gọi là pKa riêng của chitosan Như vậy,

tính tan của chitosan phụ thuộc vào mức độ phân ly và phương pháp deacetyl

hóa của chitosan

b Trong acid hữu cơ

Trong acid hữu cơ chitosan hình thành muối tan được trong nước với

phần lớn các acid hữu cơ Các muối của monocarboxylic acid như chitosan

benzoat, chitosan-o-aminobenzoat (chitosan antranilat), chitosan

aminobenzoat, chitosan phenyl acetate tan tốt nhưng chitosan hydrocinnamat

tan rất ít và chitosan –p- methonycinnamat thì không tan Còn muối của

chitosan và acid formic là acid acetic thì tan rất tốt trong nước

Ngoài ra, chitosan còn tan rất dễ dàng trong hỗn hợp DMF–N2O2 với tỷ

lệ N2O4: chitosan là 3:1, cho dung dịch có độ nhớt nhỏ Đây là dung môi hữu

cơ duy nhất của chitosan được biết đến

Phạm Thị Mai 12

c Tính tương hợp với các dung môi

Chitosan tan tốt trong một số rất ít các dung môi hữu cơ, chitosan trong dung dịch acid acetic có thể thống nhất với các dung môi phân cực mà không gây ra một sự tạo tủa nào Dung dịch của acid acetic – chitosan có tính tương hợp tốt với các rượu như methanol, propanol, butanol, ethylenglycol, diethylenglycol, aceton và formalamid

Những dung dịch acid của chitosan đều hòa lẫn được các nhựa tan trong nước không ion, hồ, dextrin, saccarose, sorbitol và các loại dầu mỡ, các parafin, hydrochloric, nitric, formic, citric, acid lactic nhưng không tan trong acid sulfuric và các sulfat

2.3.2.4 Thủy phân bằng acid

Trong môi trường acid, chitin – chitosan đều bị thủy phân Khả năng bị thủy phân phụ thuộc vào các nhóm thế trong chitin theo thứ tự sau:

bị thủy phân nhưng ở mức độ khác nhau Trong dung dịch CH3COOH, sự thủy phân chitosan ở nhiệt độ thường xảy ra là không đáng kể

2.3.2.5 Phản ứng nitrat hóa

Chitosan tương tự cenlulose có đặc tính tạo nitrat Tuy nhiên, hỗn hợp HNO3 – H2SO4 được dùng làm tác nhân để điều chế cenlulose nitrat lại không thích hợp cho chitosan vì H2SO4 phản ứng cắt mạch chitosan Có hai hướng điều chế chitosan nitrat như sau:

* Chitosan phản ứng với HNO3 loãng

* Chitosan tác dụng với hỗn hợp của acid acetic loãng: anhydric acetic: acid nitric nguyên chất ở nhiệt độ thấp hơn 50C theo tỉ lệ 1:1:1:3

Sản phẩm thu được từ hai quá trình trên đều là muối acid của chitosan nitrat, có mức độ thế là 1,65 dưới tác dụng của kiềm loãng sẽ chuyển sang chitosan nitrat có hàm lượng O – nitrat không đổi, thường thực hiện trong aceton 50%

Phạm Thị Mai 13

2.3.2.6 Phản ứng photphat hóa

Phản ứng photphat hóa xảy ra khi cho chitosan tác dụng với 15 phần pyridine và 5 phần phosphorus axychlorid ở 400C trong 5 giờ Sản phẩm có hàm lượng P là 24% Có hai phương pháp điều chế ester phosphat của chitosan

* Dựa trên phương pháp điều chế cenlulose phosphat, gia nhiệt chitosan với hỗn hợp acid phosphoric và ure Thường dùng một chất lỏng trơ để xúc tiến phản ứng như DMF, toluen

* Thực hiện phản ứng của chitosan với pentoxide P ở nhiệt độ từ 0-50C Trong đó, chitosan đã được hòa tan trước trong methan sulfonic acid

2.3.2.7 Phản ứng sulfate hóa

Quá trình sulfate hóa xảy ra bằng cách xử lý chitosan, tái tạo tủa, chuyển hóa dung môi thông qua chuỗi: nước → ethanol → ethanol nguyên chất → diethylether → DMF và phức SO3 – DMF trong lượng thừa DMF, phản ứng được duy trì ở nhiệt độ phòng Sản phẩm tạo thành một nhóm N – sulfate và O – sulfate

Chitosan – NH2 + O3S-O-CH = N(CH3)2 → Chitosan – NH – SO2OH + HCON(CH3)2

2.3.2.8 Phản ứng alkyl hóa khử

Phản ứng này dùng để điều chế các dẫn xuất N – alkyl của chitosan

Tổng quát, phản ứng xảy ra như sau

Phạm Thị Mai 14

2.3.2.10 Tính tạo phức

Trong môi trường acid, chitosan bị proton hóa nên nó phản ứng được với các polyanion tạo phức Khi pH > 4, nó tạo phức được với các hợp chất màu và kim loại nặng Các nhà khoa học giả thuyết rằng do đôi electron tự do của nhóm amine đã giúp chitosan tạo được liên kết cho nhận với các đối chất Tuy nhiên, còn phải xem xét tới các hiện tượng đơn giản như hấp phụ, tương tác tĩnh điện và sự trao đổi ion Bên cạnh đó, môi trường nhóm chức amine cũng làm tăng hiệu lực phức của chitosan

Sự tạo phức giữa chitosan và các ion kim loại nói chung rất khác nhau Cấu trúc của phức chất theo đó cũng ít được công nhận Tuy nhiên, phức chất giữa chitosan và đồng, niken đã được rất nhiều nhà nghiên cứu xác định và chỉ

ra ion Cu(II) hoặc Ni(II) là ion trung tâm, một ligand là nhóm -NH2, 2 ligand còn lại là nhóm –OH ở C3 và C6 Tuy nhiên, ligand thứ tư vẫn có hai ý kiến trái ngược nhau, một ý kiến cho rằng đó là một phân tử nước, một ý kiến cho rằng đó là Og nối giữa hai vòng D – Glucose

2.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT, TIÊU THỤ CHITIN – CHITOSAN [3]

Theo thống kê của viện nghiên cứu các đổi mới trong hóa học (Research Institute for Innovation in Sustainable) gọi tắt là ISC, năm 2005 có 14.000 tấn chitin đã được sản xuất từ 350.000 tấn phế liệu vỏ tôm cua

Trên thị trường thế giới, nhu cầu chitosan được ước tính là khoảng 13,7 nghìn tấn trong năm 2010 và được dự đoán là sẽ đạt 21,4 nghìn tấn vào năm

2015 Trong đó, khu vực châu Á – Thái Bình Dương (gồm cả Nhật Bản) có số lượng chitosan đứng hàng đầu với 7,8 ngàn tấn trong năm 2010 và dự kiến sẽ đạt 12 nghìn tấn vào năm 2015, Hoa Kỳ là quốc gia đứng thứ hai, với quy mô được ước tính là khoảng 3,6 nghìn tấn trong năm 2010

Trong số các ứng dụng của chitosan, xử lý nước thải là ứng dụng chủ yếu nhất Bên cạnh đó, ứng dụng phân giải các hóa chất nông nghiệp cũng phát triển nhanh, với mức tiêu thụ chitosan chiếm hơn 12%

Phạm Thị Mai 15

2.5 MỘT SỐ QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC [1]

2.5.1 Nghiên cứu trên thế giới

2.5.1.1 Phương pháp 1 (tác giả Hackman)

Vỏ tôm được làm sạch bằng cách cạo và rửa dưới vòi nước chảy rồi sấy khô trong lò sấy ở nhiệt độ 1000C Sau đó, ngâm trong dung dịch HCl 2N với

tỉ lệ w/v = 1/10 trong 5 giờ ở nhiệt độ phòng, rồi rửa kỹ với nước và sấy ở

1000C Sau đó nghiền thành bột, bột nhuyễn này được trích trong bình cầu và lắc mạnh trong 48 giờ với dung dich HCl 2N với tỉ lệ w/v = 1/2,5 Ly tâm bỏ phần lỏng, phần rắn được rữa kỹ và tiếp tục được chiết bằng cách lắc mạnh trong 12 giờ với dung dịch NaOH 1N ở 1000C, quy trình ly trích trong dung dịch kiềm được thực hiện 3 lần, sau đó, phần rắn được thu hồi và rửa nhiều lần với nước cho đến khi trung tính Cuối cùng rửa với ethanol và ether, sấy khô thu được sản phẩm dạng bột màu kem

Hình 2.3 Quy trình điều chế chitin theo phương pháp 1

Làm khô

Tách cặn Rửa trung tính

Trung hòa bằng dung dịch

kiềm ở 1000C, trong 12

giờ

Ly tâm Ngâm trong HCl 2N trong 48

giờ, khuấy liên tục

Nghiền thành bột

Sấy khô ở 1000C Rửa sạch

Vỏ tôm tươi

Nghiền mịn

Bột chitin có màu cam

Phạm Thị Mai 16

2.5.1.2 Phương pháp 2 (tác giả WISTLER và BENILLER)

Vỏ tôm được rửa sạch, sấy khô trong lò sấy chân không ở 500C Dùng

500 gam xây nhuyễn rồi ngâm trong dung dịch NaOH 10% ở nhiệt độ phòng trong 3 ngày, dung dịch kiềm được thay đổi hàng ngày Những hạt đã được loại protein được rửa với nước rồi nghiền với ethanol 95% cho đến khi phần nước lọc gần như không màu (khoảng 6 lít ethanol 95%)

Phần rắn lại tiếp tục đem nghiền với khoảng 1 lít acetone, 2,5 lít ethanol và 0,5 lít ether, sau đó lọc những hạt thu được gần như không màu, sấy khô ở áp suất kém và được ngâm trong dung dịch HCl 37%, ở 200C trong

4 ngày Những hạt trương phồng được ly tâm tách ra ở 00C và rửa với nước ở

00C cho đến khi hết acid Hiệu suất là 20% (100 gam), hàm lượng N là 7,1%

Hình 2.4 Quy trình điều chế chitin theo phương pháp 2

2 Ly tâm lấy phần rắn và rửa cho đến trung tính

Phạm Thị Mai 17

2.5.1.3 Phương pháp 3 (tác giả ROSENAN)

Vỏ tôm được khử Ca giống như phương pháp Hackman ở trên Cân 100 gam được lắc rung cơ học trong 18 giờ với 100 mL dung dịch acid formic đặc (90%) ở nhiệt độ phòng Lọc lấy phần bã, rửa kỷ với nước và được xử lý trong

2 giờ với dung dịch NaOH 10% Đem lọc, phần bã thu được có màu trắng, rửa dưới vòi nước đến trung tính, sau đó rửa vài lần với ethanol và ether, rồi sấy khô dưới áp suất kém, hiệu suất khoảng 50-60%, hàm lượng N là 8,5%, hàm lượng acetyl là 19,2%

Hình 2.5 Quy trình điều chế chitin theo phương pháp 3

2.5.2 Nghiên cứu trong nước

2.5.2.1 Phương pháp 4 (tác giả Nguyễn Hoàng Hà)

Vỏ tôm được làm sạch, nghiền nhỏ, cho vào lò nguyên liệu cùng với nước theo tỉ lệ 1:1, nấu sôi trong 1-2 giờ, lọc thu được vỏ tôm sơ chế Vỏ tôm

sơ chế được để nguội 60-650

C rồi thủy phân đạm bằng dung dịch HCl 10% theo tỉ lệ 2 kg nguyên liệu : 1 lít dung dịch HCl, trong 2-5 giờ hoặc enzyme protease (1 kg nguyên liệu : 0,30-0,50g protease) ở 40-700C, trong 0,5-3 giờ Sau đó cho vào dung dịch HCl 10%, ở nhiệt độ phòng, trong 2-6 giờ thu được

1 Rửa với ethanol rồi ether

2 Sấy khô dưới áp suất kém

chitin

Phạm Thị Mai 18

phức chitin protein Tiếp theo tiến hành thủy phân phức chitin protein bằng dung dịch NaOH 10% theo tỉ lệ 5 kg nguyên liệu : 1 lít NaOH ở nhiệt độ thường, trong 2-3 ngày thu được chitin thô Chitin thô được tẩy màu bằng nước Javel công nghiệp Sau 30 phút thu được chitin tinh khiết Cuối cùng chuyển hóa chitin thành chitosan bằng dung dịch NaOH 40% ở 110-1300C, trong 3-8 giờ, rửa, lọc, sấy khô thu được chitosan

Hình 2.6 Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp 4

2.5.2.2 Phương pháp 5 (tác giả Đặng Văn Luyến)

Vỏ tôm được nghiền nhỏ, phơi khô, cho vào dung dịch NaOH 3% (tỉ lệ

1 kg nguyên liệu : 4 lít NaOH) tiến hành phản ứng ở 900C trong 2-4 giờ, sau

đó rửa sạch, sấy khô Tiếp tục cho vào dung dịch HCl 0,6N (theo tỉ lệ 1kg nguyên liệu : 4 lít dung dịch HCl) phản ứng tiến hành ở 20-300C, trong 4-6

2 Lọc, rửa, sấy khô

1 Dung dịch NaOH 10%, t0 phòng, trong 2-3 giờ

2 Lọc, rửa, sấy khô

Nước Javel công nghiệp tỉ lệ 1 : 1, 30 phút

C trong 2-5 ngày Cuối cùng, tiến hành phản ứng chuyển hóa chitin thành chitosan ở 70-1000

C, trong 1-3 giờ Lọc, rửa, sấy khô Dung dịch NaOH thu hồi để xử lý vỏ tôm ban đầu

Hình 2.7 Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp 5

2.5.2.3 Phương pháp 6 (tác giả Nguyễn Hữu Đức)

Vỏ tôm được rửa sạch, loại bỏ phần thịt thừa, sấy khô và xay nhỏ, sau

đó ngâm trong dung dịch HCl 12% trong 6 giờ, lọc, rửa sạch và sấy khô Tiếp tục cho nó vào dung dịch NaOH 15M trong 1 giờ, sau đó lọc rửa kỷ, sấy khô Hiệu suất đạt khoảng 70%

2 Lọc, rửa, sấy khô

1 1,5 lít NaOH 40% (thay đổi nhiệt độ từ 5

-900C) Tiến hành 3 lần

2 Giữ huyền phù ở 300C, trong 2-5 ngày Sau đó đun huyền phù ở 70-1000C, 2 giờ

Phạm Thị Mai 20

Hình 2.8 Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp 6

2.5.2.4 Điều chế chitosan theo phương pháp hóa sinh

* Nguyên liệu:

 Vỏ tôm: rửa sạch, sấy khô, xay thành bột

 Vi sinh vật: có 2 loại chính là Bacillus và Pseudomonas Ngoài

ra còn có một số loài vi khuẩn khác nhau như: Micriricus radiatus,

Flavobacterium aurantiacus, Mycobacterium cyaneum…

 Enzyme protease tự nhiên như Bromelin

* Phương pháp điều chế

Quá trình điều chế thực hiện qua 2 giai đoạn

 Giai đoạn 1: Dùng vi khuẩn giống bacillus để hòa tan muối vô cơ như calci carbonat

 Giai đoạn 2: Dùng bromelin để phân giải nối peptid của chitin và protein

 Hiệu suất điều chế là 28,2%

độ đục có thể giảm tối thiểu chỉ ở mức xử lý với 0,8 kg/m3

mà không hề gây ảnh hưởng xấu tới chỉ tiêu chất lượng của nó Nghiên cứu đã chỉ ra rằng chitosan có ái lực lớn đối với hợp chất pholyphenol chẳng hạn: catechin, proanthocianydin, acid cinamic, dẫn xuất của chúng, những chất mà có thể biến màu nước quả bằng phản ứng oxy hóa

2.6.2 Sử dụng trong thực phẩm chức năng

Chitosan có khả năng làm giảm hàm lượng cholesterol trong máu Nếu

sử dụng thực phẩm chức năng có bổ sung 4% chitosan thì lượng cholesterol trong máu giảm đi đáng kể chỉ sau 2 tuần Ngoài ra chitosan còn xem là chất chống đông tụ máu Nguyên nhân việc giảm cholesterol trong huyết và chống đông tụ máu được biết là không cho tạo các mixen Điều chú ý là, ở pH = 6- 6,5 chitosan bắt đầu bị kết tủa, toàn bộ chuỗi polysaccharide bị kết lắng và giữ lại toàn bộ lượng mixen trong đó Chính nhờ đặc điểm quan trọng này chitosan ứng dụng trong sản phẩm thực phẩm chức năng

2.6.3 Phân tách rượu- nước

Chitosan đã được xử lý đặc biệt để tạo ra dạng màng rỗng Với việc điều chỉnh tốc độ thẩm thấu (lượng chất lỏng đi qua màng khoảng 1 m3/1h) Màng này được sử dụng trong hệ thống phản ứng đòi hỏi không dùng nhiệt độ quá cao Việc phân tách này chỉ loại đi nước, kết quả là hàm lượng ethanol có

thể lên đến 80%

2.6.4 Ứng dụng làm màng bao (bảo quản hoa quả, thực phẩm)

Lớp màng không độc bao quanh bên ngoài bao toàn bộ khu cư trú từ bề mặt khối nguyên liệu nhằm hạn chế sự phát triển vi sinh vật bề mặt - một

nguyên nhân chính gây thối hỏng thực phẩm

N-O carboxymethy (NOCC) được xử lý đặc biệt từ phản ứng của chitosan và monochloroacetic acid trong điều kiện kiềm, NOCC bị hòa tan trong dung dịch ở pH >6 hoặc pH <2 Màng NOCC dẻo có thể tạo thành ngay

Phạm Thị Mai 22

trong dung dịch nước đó Lớp màng này có tính thấm chọn lọc các khí như oxy, cacbon dioxide mà còn có khả năng phân tách hỗn hợp khí như: ethylene, ethane, acetylence Nghiên cứu về tính độc tố của NOCC cho thấy ở nồng độ 50.000 ppm có thể gây chết chuột trong 14 ngày

Màng chitosan còn dùng để bảo quản thịt, cá tươi không bị hư do ảnh hưởng của môi trường

2.6.5 Ứng dụng trong y dược

Từ Chitosan vỏ cua, vỏ tôm có thể sản xuất Glucosamine, một dược chất quý dùng để chữa khớp đang phải nhập khẩu ở nước ta Chỉ phẫu thuật tự hoại Da nhân tạo

Kem chống khô da Kem dưỡng da ngăn chặn tia cực tím phá hoại da Dùng làm thuốc chữa bệnh viêm loét dạ dày – tá tràng.Dùng bào chế dược

phẩm Thuốc giảm béo

2.6.6 Trong công nghiệp

Vải col dùng cho may mặc Vải chịu nhiệt, chống thấm Vải Chitosan dùng cho may quần áo diệt khuẩn trong y tế, làm tăng độ bền của

giấy, dùng làm thấu kính tiếp xúc

Góp phần tăng tính bền của hoa vải, sử dụng trong sản xuất sơn chống mốc và chống thấm, dùng làm mực in cao cấp trong công nghệ in, tăng cường

độ bám dính của mực in

2.6.7 Trong nông nghiệp

Bảo quản quả, hạt giống mang lại hiệu quả cao Dùng như một thành phần chính trong thuốc trừ nấm bệnh (đạo ôn, khô vằn )

Theo nghiên cứu của Halina Kurzawinska (2007) khoa Bảo vệ thực vật trường Đại học Nông nghiệp Ba Lan chứng minh rằng: Ảnh hưởng lớn của Chitosan trong bảo vệ rau và cho rằng bệnh về rễ (Pythium của Dưa chuột) được khống chế khi sử dụng chitosan với liều lượng 100-400 mg/ml Biochikol 020 PC khi được tưới vào đất thì tốt hơn việc xịt lên cây để chống

các loài nấm thuộc dòng Phytopthora và Fusarium Ngoài ra chitosan là hoạt

chất của Biochikol 020 PC và hoạt động kích thích miễn dịch của cây, chống lại hoạt động của nấm tác động đến cây Chitosan còn là nhân tố giúp cây có phản ứng tự vệ trong cây Khi phun lên lá và tưới gốc, Chitosan được cây hấp thụ nhanh và lưu dẫn trong toàn cây Chitosan kích thích hoạt động của hệ thống kháng bệnh trong cây, giống như một loại vắc xin thực vật, tăng khả năng đề kháng của cây với các loại vi sinh vật gây bệnh, bao gồm cả nấm, vi khuẩn, tuyến trùng và virut Ngoài ra, khi tiếp xúc với vi sinh vật, Chitosan có

Anh Cường Nam, 2006)

Các kết quả cho thấy, chitosan hoàn toàn không độc với người và môi trường nên đã được phép sử dụng rộng rãi ở Việt Nam và trên thế giới Một số chế phẩm có nguồn gốc từ Chitosan đã được đăng kí sử dụng ở Việt Nam như: thuốc trừ bệnh Olicide, humb 0,5 SL (hoạt chất chitosan) phòng trừ bệnh sương mai cà chua, thán thư ớt, đốm vàng dưa leo, phấn trắng bí xanh (dẫn

theo Cục Bảo Thực vật, 2008)

 Khả năng kháng sâu bệnh của Chitosan

Chitosan có thể làm thay đổi các đặc tính thấm của màng tế bào của vi khuẩn và ngăn cản sự tiếp nhận khoáng chất gây rò rỉ các thành phần tế bào, cuối cùng dẫn đến cái chết của vi khuẩn

Khi chitosan xâm nhập vào mô cây thường kết dính quanh các vị trí xâm nhập và có 3 tác động chính:

* Lập một hàng rào cách ly vị trí xâm nhập để tránh mầm bệnh lây lan

và bảo vệ các tế bào khỏe mạnh khác Tại vị trí cách ly, cây sẽ nhận biết để

kích thích sự phản ứng nhạy cảm giúp tiết ra H2O2 để giúp tăng cường thành tế bào và báo động cho các tế bào bên cạnh

* Chitosan liên kết các kim loại khác nhau và giúp kích hoạt nhanh chóng quá trình làm lành vết thương

* Trên thành tế bào của vi khuẩn và nấm mốc có các nhóm mang điện tích âm, việc xử lý chitosan trong dung dịch acid sẽ làm cho mạch chitosan có chứa các nhóm mang điện tích dương, nhóm tích điện dương ở vị trí C-2 của monome tương tác nhóm acid carboxylic tích điện âm của các đại phân tử của

bề mặt tế bào vi khuẩn và tạo ra các phức polyelectrolyte có thể hoạt động như