KHẢO sát các yếu tố ẢNH HƢỞNG đến VIỆC LY TRÍCH CHITOSAN từ vỏ tôm PHẾ LIỆU

Mục đích đề tài Điều chế được chitin – chitosan, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như: nồng độ dung dịch HCl và dung dịch NaOH, nhiệt độ, thời gian thí nghiệm đến chất lượng của chitosan t

Sinh viên thực hiện:

Cao Thanh Huyền Lớp: Sư phạm Hóa Học K38 MSSV: B1200586

CẦN THƠ - 2016

Trường Đại Học Cần Thơ Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

4 Địa điểm và thời gian thực hiện

Địa điểm thực hiện: Phòng thí nghiệm Hóa Cơ sở - Hóa lí, Bộ môn Sư phạm Hóa học, Trường Đại Học Cần Thơ

Thời gian thực hiện: từ tháng 8/2015 đến tháng 5/2016

5 Mục đích đề tài

Điều chế được chitin – chitosan, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như: nồng độ dung dịch HCl và dung dịch NaOH, nhiệt độ, thời gian thí nghiệm đến chất lượng của chitosan thảnh phẩm Xây dựng quy trình điều chế chitin – chitosan trong phòng thí nghiệm

6 Nội dung chính

 Chương 1: Giới thiệu

 Chương 2: Tổng quan tài liệu

 Chương 3: Phương pháp và phương tiện nghiên cứu

 Chương 4: Kết quả và thảo luận

 Chương 5: Kết luận và kiến nghị

LỜI CẢM ƠN

Như một quy luật của cuộc sống “Học đi đôi với hành” Học không chỉ để nâng cao kiến thức mà còn để vận dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn cuộc sống Học tập là một quá trình lâu dài mà thầy, cô chính là người truyền đạt kiến thức trong toàn bộ quá trình học tập của mỗi chúng ta Thầy, cô đã truyền cho chúng ta những kiến thức quý báu không những về chuyên môn mà còn về kiến thức xã hội giúp chúng

ta làm quen dần với một môi trường mới không còn là môi trường đại học mà là môi trường làm việc ở các trường học, công ty…

Với những kiến thức làm nền tảng để vận dụng vào cuộc sống và công việc sau

khi ra trường Những công lao to lớn ấy tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến:

Cô Phan Thị Ngọc Mai đã trực tiếp hướng dẫn và theo sát tôi trong quá trình thực hiện đề tài, động viên, chỉ dẫn và đóng góp ý kiến cho đề tài luận văn của tôi được hoàn chỉnh hơn

Thầy Nguyễn Mộng Hoàng, cô Nguyễn Thị Tuyết Nhung và thầy Nguyễn Điền Trung đã tận tình chỉ dạy và truyền đạt cho tôi nhiều kinh nghiệm quý báu, kiến thức hữu ích

Tất cả Thầy Cô trong Bộ môn Sư phạm Hóa học đã tận tình giảng dạy và

trang bị cho tôi vốn kiến thức vô cùng quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường

Thầy Hồ Hoàng Việt cố vấn lớp Hóa K38 đã dẫn dắt, định hướng, quan tâm và giúp đỡ tận tình lớp Hóa của chúng tôi trong suốt bốn năm học qua

Tôi xin chân thành biết ơn gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi học tập, nghiên cứu và là nguồn động viên tinh thần to lớn giúp tôi vượt qua những khó

khăn để hoàn thành tốt đề tài

Tập thể lớp Sư phạm Hóa học K38 đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt 4 năm học đại học

Xin chân thành cám ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN



Cần Thơ, ngày… tháng … năm 2016

Giảng viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN



Cần Thơ, ngày… tháng … năm 2016

Giảng viên phản biện

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN



Cần Thơ, ngày… tháng … năm 2016

Giảng viên phản biện

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Nước ta có đường bờ biển dài 3260 km, chạy dọc theo chiều dài đất nước Đó là điều kiện để các ngành khai thác, nuôi trồng thủy hải sản phát triển Trong đó xuất khẩu thủy sản là ngành kinh tế mũi nhọn của nước ta hiện nay Đặc biệt là xuất khẩu tôm đông lạnh rất phát triển trong những năm gần đây, kéo theo đó là lượng vỏ tôm phế thải khổng lồ được thải ra sau quá trình chế biến Lượng phế thải này đã và đang được sử dụng để sản xuất các chế phẩm có giá trị như chitin và chitosan Nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu các quy trình sản xuất chitin – chitosan từ rất sớm, ở Việt Nam cũng đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về sản xuất chitin – chitosan được công bố và có nhiều ứng dụng trong thực tế sản xuất

Tôi chọn đề tài này làm luận văn tốt nghiệp không với mục đích nghiên cứu, tìm tòi ra cái mới, một hướng đi mới về chitin – chitosan Mà chỉ dựa trên các nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước đã công bố, để tìm hiểu về chitin – chitosan, điều chế ra được chitin – chitosan và hoàn thành một quy trình điều chế chitin – chitosan trong phòng thí nghiệm

MỤC LỤC

PHIẾU ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP i

LỜI CẢM ƠN ii

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN iii

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN iv

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN v

TÓM TẮT ĐỀ TÀI vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC BẢNG x

DANH MỤC HÌNH xi

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 2

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 2

5 TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3

6 NỘI DUNG LUẬN VĂN 3

PHẦN NỘI DUNG 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 4

1.1 CHITIN – CHITOSAN 4

1.1.1 Khái niệm về chitin – chitosan 4

1.1.2 Lịch sử phát hiện chitin – chitosan 4

1.1.3 Nguồn gốc của chitin 6

1.2 CẤU TRÚC CỦA CHITIN – CHITOSAN 7

1.2.1 Cấu trúc của chitin 7

1.2.2 Cấu trúc của chitosan 8

1.3 TÍNH CHẤT CỦA CHITIN – CHITOSAN 9

1.3.1 Tính chất của chitin 9

1.3.2 Tính chất của chitosan 10

1.4 ỨNG DỤNG CỦA CHITIN – CHITOSAN 15

1.4.1 Trong nông nghiệp 15

1.4.2 Trong công nghiệp 16

1.4.3 Trong mỹ phẩm 18

1.4.4 Trong y dược 18

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT, TIÊU THỤ CHITIN – CHITOSAN 22

1.6 CỞ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ CHITIN – CHITOSAN 22

1.6.1 Thành phần vỏ tôm 22

1.6.2 Các bước cơ bản điều chế chitin – chitosan 23

1.6.2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình loại khoáng 23

1.6.2.2 Loại protein và deacetyl hóa 24

1.6.3 Định tính chitosan 25

1.7 Một số quy trình sản xuất chitin – chitosan trong và ngoài nước 26

1.7.1 Trên thế giới 26

1.7.2 Trong nước 29

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 31

2.1 ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN THỰC HIỆN 31

2.2 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ 31

2.2.1 Nguyên liệu 31

2.2.2 Hóa chất 31

2.2.3 Thiết bị 31

2.3 THỰC NGHIỆM 33

2.3.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình loại khoáng 34

2.3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ HCl trong việc khử khoáng 36

2.3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm mẫu đến việc loại khoáng 36

2.3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình loại khoáng 36

2.3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình loại protein và deacetyl hóa 36

2.3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH trong việc loại protein và deacetyl hóa 38

2.3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến việc loại protein và deacetyl hóa 38

2.3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm mẫu đến quá trình loại protein và deacetyl hóa 38

2.3.3 KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CHITOSAN 38

2.3.3.1 Xác định độ ẩm 38

2.3.3.2 Xác định hàm lượng tro 39

2.3.3.3 Xác định hàm lượng nitơ tổng số 40

2.3.3.4 Tính hàm lượng protein thô 41

2.3.3.5 Tính độ deacetyl hóa 42

2.3.3.7 Xác định hàm lượng chất không tan 43

2.3.3.8 Tính hiệu suất 43

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 44

3.1 Kết quả thí nghiệm 44

3.1.1 Ảnh hưởng các yếu tố đến quá trình loại khoáng 44

3.1.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ HCl đến quá trình loại khoáng 44

3.1.1.2 Ảnh hưởng của thời gian ngâm mẫu đến quá trình loại khoáng 46

3.1.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình loại khoáng 49

3.1.2 Ảnh hưởng các yếu tố đến quá trình loại protein và deacetyl hóa 51

3.1.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình loại protein và deacetyl hóa 52

3.1.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình loại protein và deacetyl hóa 54

3.1.2.3 Ảnh hưởng của thời gian ngâm mẫu đến quá trình loại protein và deacetyl hóa 56

3.2 Xây dựng quy trình điều chế chitosan 58

3.3 Định tính chitosan 59

3.4 Định lượng chitosan 61

KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 63

1 KẾT LUẬN 63

2 KIẾN NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC 67

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Một số thông số đặc trưng của chitin – chitosan 14

Bảng 1.2 Hàm lượng các thành phần chính trong vỏ tôm khô 23

Bảng 2.1 Các hóa chất được sử dụng trong đề tài 30

Bảng 3.1 Kết quả hàm lượng khoáng còn lại sau quá trình khảo sát nồng độ HCl

45

Bảng 3.2 Kết quả hàm lượng khoáng còn lại sau quá trình khảo sát thời gian ngâm mẫu 47

Bảng 3.3 Kết quả hàm lượng khoáng còn lại sau quá trình khảo sát nhiệt độ phản ứng 49

Bảng 3.4 Kết quả độ deacetyl hóa sau quá trình khảo sát nồng độ 52

Bảng 3.5 Kết quả độ deacetyl hóa sau quá trình khảo sát nhiệt độ 54

Bảng 3.6 Kết quả độ deacetyl hóa sau quá trình khảo sát thời gian ngâm mẫu 56

Bảng 3.7 So sánh phổ IR của chitosan Nhật Bản và chitosan thực nghiệm 60

Bảng 3.8 Kết quả so sánh chitosan thành phẩm với chitosan Nhật Bản và chitosan thương mại 61

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Cấu trúc mạch polymer của chitin và xellulose 7

Hình 1.2 Cấu trúc phân tử chitin và xellulose trong không gian 8

Hình 1.3 Cấu trúc polymer của chitosan 9

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử chitosan trong không gian 9

Hình 1.5 Cam được bảo quản bằng màng chitosan (trái) và cam đối xứng (phải) 15

Hình 1.6 Ứng dụng của chitosan trong may mặc 17

Hình 1.7 Quy trình sản xuất chitin bằng phương pháp Hackman 26

Hình 1.8 Quy trình sản xuất chitosan bằng phương pháp thủy điện Yamasaki và Nacamichi 27

Hình 1.9 Quy trình sản xuất chitosan của ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh 28

Hình 1.10 Quy trình sản xuất chitosan của ĐH Cần Thơ 29

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hàm lượng khoáng vào dung dịch HCl 46

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hàm lượng khoáng vào thời gian ngâm mẫu 48

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hàm lượng khoáng vào nhiệt độ 50

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ deacetyl hóa vào nồng độ NaOH 53

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ deacetyl hóa vào nhiệt độ 55

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ deacetyl hóa vào thời gian ngâm mẫu 57

Hình 3.7 Các mẫu chitosan 58

Hình 3.8 Các mẫu chitosan trong dung dịch acid acetic 1 % phản ứng với dung dịch KMnO 4 59

Hình 3.9 Các mẫu chitosan phản ứng với dung dịch Lugol 59 Hình 3.10 Phổ IR của chitosan thực nghiệm và chitosan Nhật Bản 60

PHẦN MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp chế biến thủy sản cũng phát triển vượt bậc và đóng góp một phần không nhỏ vào việc phát triển nền kinh tế đất nước Tuy nhiên, ngành công nghiệp chế biến thủy sản phát triển bên cạnh những thuận lợi như chế biến ra các mặt hàng thủy sản có chất lượng cao, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm phục vụ cho xuất khẩu và tiêu thụ trong nước còn có bất lợi là lượng phế liệu thủy sản thải ra rất nhiều làm ô nhiễm môi trường Một trong những nguồn phế liệu thải ra là vỏ của động vật giáp xác như tôm, cua, ghẹ… Hiện nay, nguồn phế liệu này chủ yếu dùng làm thức ăn chăn nuôi hay làm phân bón nên hiệu quả kinh tế rất thấp Vì thế, một mục tiêu được đặt ra cho các nhà nghiên cứu là tìm ra giải pháp để tận dụng tối đa những thành phần có trong phế liệu thủy sản nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế của chúng và tránh gây ô nhiễm môi trường Một trong những hướng giải quyết yêu cầu trên là chiết rút chế phẩm chitin và chitosan có hoạt tính cao từ vỏ tôm rồi sử dụng chế phẩm này để tạo ra những sản phẩm mới cho xã hội và làm giảm thiểu chất thải

Chitin và chitosan là những polysaccharide có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành như: công nghiệp, nông nghiệp, y dược và bảo vệ môi trường Trong y dược, chitosan có thể sản xuất ra glucosamine, một dược chất quý đang phải nhập khẩu ở nước ta Ngoài ra, chitosan còn được dùng làm chỉ khâu thụ hoại, da nhân tạo, thực phẩm chức năng… Chitosan còn được sử dụng trong công nghiệp dệt, in, sản xuất nước sơn chống thấm và chống mốc… Trong nông nghiệp, chitosan được dùng để bảo quản các loại quả, hạt mang lại hiệu quả cao Ngoài ra, chitosan cũng đang được sử dụng rộng rãi để xử lý các chất thải công nghiệp, hấp thụ kim loại nặng và mang lại hiệu quả cao

Hiện nay, những nghiên cứu về chitin – chitosan đã đạt được những thành công nhất định Đi đầu trong lĩnh vực này là các quốc gia: Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Pháp… Năm 1973, Nhật Bản là quốc gia đầu tiên sản xuất chitosan với sản lượng 20 tấn/năm, đến nay đã lên tới 700 tấn/năm, trong khi đó Mỹ cũng đạt sản lượng 300 tấn/năm

Ở Việt Nam, giáp xác là nguồn nguyên liệu dồi dào chiếm 1/3 tổng sản lượng nguyên liệu thủy sản Trong công nghiệp chế biến thủy sản xuất khẩu, tỷ lệ cơ cấu các mặt hàng đông lạnh giáp xác chiếm từ 70 – 80 % công suất chế biến Trong đó, theo thống kê của Bộ Thủy Sản năm 2014, xuất khẩu tôm ở Việt Nam là gần 660.000 tấn đạt kim ngạch 4 tỉ USD Tương ứng với sản lượng tôm nước ta, hằng năm sẽ có một lượng rất lớn phế thải vỏ tôm được tạo ra

Với mong muốn góp phần giải quyết những yêu cầu trên và tận dụng nguồn chitin – chitosan dồi dào trong phế liệu tôm, tôi thực hiện đề tài: “Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến việc ly trích chitosan từ vỏ tôm”

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Xác định các điều kiện tối ưu để khử khoáng, khử protein và deacetyl hóa từ phế liệu vỏ tôm bằng HCl và NaOH nhằm giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao chất lượng chitin – chitosan

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu là vỏ thân tôm khô dùng để chiết tách chitin – chitosan

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU

a) Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp thu mẫu

 Phương pháp phân tích

b) Phương tiện nghiên cứu

 Các tài liệu, sách báo, các đề tài nghiên cứu khoa học có liên quan

 Máy tính

5 TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Thành công bước đầu của đề tài là điều chế ra được chitosan trong phòng thí nghiệm Đề tài cũng là nguồn tài liệu hữu ích phục vụ cho công tác nghiên cứu về lĩnh vực này

6 NỘI DUNG LUẬN VĂN

- Tổng quan về công nghệ sản xuất và ứng dụng của chitin – chitosan

- Nghiên cứu quy trình ly trích chitin – chitosan bằng phương pháp hóa học Tối ưu hóa quá trình khử khoáng bằng HCl

Tối ưu hóa quá trình khử protein và deacetyl hóa bằng NaOH đậm đặc

- Đề xuất quy trình

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 CHITIN – CHITOSAN

1.1.1 Khái niệm về chitin – chitosan [3], [12]

Chitin là một polyme sinh học rất phổ biến trong tự nhiên và đứng hàng thứ hai chỉ sau cellulose Chitin tham gia vào thành phần cấu tạo của vách tế bào nấm, cấu tạo nên bộ khung của vỏ tôm, cua, côn trùng, các động vật giáp xác… Trong các loại nguyên liệu này, chitin liên kết chặt chẽ với protein, lipid, các muối vô cơ (CaCO3) và các sắc tố màu (astarene, astaxanthin, canthaxanthin, lutin…)

Chitosan là dẫn xuất của chitin, nó được tạo thành bởi phản ứng deacetyl hóa chitin Khi chitin được xử lý với các chất kiềm đậm đặc ở nhiệt độ cao (120 ºC) trong dung dịch, nó sẽ bị loại nhóm acetyl và bị phân hủy khác nhau để cho ra một sản phẩm

là chitosan Vậy chitosan không phải là một đơn chất mà nó là một nhóm sản phẩm của chitin bị loại nhóm acetyl từng phần

1.1.2 Lịch sử phát hiện chitin – chitosan [1], [14], [15]

Danh từ “chitin” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “tunic” hay “envenlopen” có nghĩa là lớp vỏ ngoài hay sự bao bọc

Chitin được Henri Braconnot phát hiện lần đầu tiên vào năm 1811 trong cặn dịch chiết của một loại nấm và đặt tên là “Fungine” để ghi nhớ nguồn gốc tìm ra 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 rằng cấu trúc của chitin giống cấu trúc của cellulose

Vào năm 1834, Children phát hiện sự có mặt của Nitơ trong chitin, và 9 năm sau

đó tức năm 1843, sự tồn tại của Nitơ trong chitin đã được Lassaigne chứng minh một lần nữa

Năm 1894, Winterstein phát hiện ra khi xử lí nấm với H2SO4 hay NaOH rồi thủy

ông vẫn gọi hợp chất này là “cellulose” Cũng trong năm này, khi đun chitin trong dung dịch KOH ở 180 ºC, Hope – Seyler thu được một hợp chất mới có số nguyên tử giống như trong chitin và gọi nó là chitosan

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

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

Năm 1950, người ta 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 ra được tiềm năng của các polyme thiên nhiên này

Nhưng vì sự cạnh tranh của các loại polyme tổng hợp nên đã kìm hãm sự phát triển thương mại của chitin – chitosan Cho đến năm 1970, hàng loạt nghiên cứu về chitin – chitosan được tiến hành với mục đích ban đầu là là tận dụng nguồn phế liệu 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 đặc 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 chúng vào sản xuất Vào năm 1978, hội nghị đầu tiên nói về chitin – chitosan diễn ra tại Mỹ và thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới

Hiện nay, những nghiên cứu về chitin – chitosan đã đạt những thành công nhất định Tại Nhật, một chương 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 đang phát triển rất nhanh trong lĩnh vực này

1.1.3 Nguồn gốc của chitin [2]

Chitin được tìm thấy chủ yếu ở hai nguồn sau đây:

● 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 đến 50 % trên lượng khan của lớp cutin, thành phần khác chủ yếu là protein và calci carbonat

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 %

1.2 CẤU TRÚC CỦA CHITIN – CHITOSAN

1.2.1 Cấu trúc của chitin [3]

Chitin là một dạng polysaccharide gồm các tiểu phân N-acetyl-D-Glucosamine kết hợp lại với nhau theo liên kết (1 → 4) Liên kết của chitin là poly [-(1→4) – 2 – acetamido – 2 – deoxy – D – glucopyranose] Chitin có cấu trúc tinh thể và nó cấu tạo thành một mạng lưới sợi hữu cơ Vì thế, chitin làm tăng độ bền, độ cứng và là điểm tựa cho các sinh vật

Chitin có công thức phân tử: (C8H13O5N)n

Trong đó có chứa 47,29 % C; 6,45 % H; 39,37 % O và 6,89 % N

Về cấu trúc hóa học, chitin cũng tương tự như cellulose ngoại trừ nhóm hydroxyl thứ hai trên nguyên tử carbon alpha trên phân tử cellulose được thay thế bằng nhóm acetoamide Cũng nhờ vào cấu trúc này mà việc ứng dụng chitin vào xử lý nước thải,

in nhuộm là một việc rất có triển vọng

Hình 1.1 Cấu trúc mạch polymer của chitin và cellulose

Hình 1.2 Cấu trúc phân tử chitin và cellulose trong không gian

Mức độ deacetyl của chitin thông thường nhỏ hơn 10 % và trọng lượng phân tử khoảng 1-2,5x106

Da Chitin có cấu trúc đa hình, tức là trong tự nhiên nó tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau

1.2.2 Cấu trúc của chitosan [3]

Chitosan là một poly[ -(1→4) – 2 – amino – 2 – deoxy – D – glucopyranose]

Cả chitin và chitosan đều là copolymer, tỉ lệ giữa 2 nhóm monomer này cũng là tỉ lệ giữa nhóm amino và nhóm acetamido và được gọi là độ deacetyl (DD) của sản phẩm Nếu DD > 50 % đó là chitosan, ngược lại là chitin

Hình 1.3 Cấu trúc polymer của chitosan

Cấu trúc của phân tử chitosan trong không gian có hình xoắn ốc, mỗi đơn vị cơ bản có 2 mắt xích D – glucosamine Chiều dài mỗi đơn vị cơ bản là 10,34 Å

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử chitosan trong không gian

1.3 TÍNH CHẤT CỦA CHITIN – CHITOSAN

1.3.1 Tính chất của chitin [12]

Chitin có màu trắng hoặc trắng phớt hồng, dạng vảy hoặc dạng bột, không mùi, không vị, không tan trong nước, trong môi trường kiềm, trong acid loãng và trong các dung môi hữu cơ khác như ete, rượu… Nhưng tan trong dung dịch đặc nóng của muối thioxianat liti (LiSCN), thioxianat canxi (Ca(SCN)2) tạo thành dung dịch keo, tan được trong hệ dimetylacetamide – LiCl 8 %, tan trong hexafluoro – isopropyl alcohol (CF3CHOHCF3) và hexafuoracetone sesquihydrate (CF3COCF3.H2O)

Chitin tồn tại trong các chất oxy hóa mạnh như: thuốc tím (KMnO4), oxy già (H2O2), nước javen (NaClO – NaCl)…, lợi dụng tính chất này mà người ta sử dụng các chất oxy hóa trên để khử màu cho chitin

Chitin có khả năng hấp thu tia hồng ngoại có bước sóng 884 – 890 cm-1

Chitin là một polysaccharide nguồn gốc tự nhiên, có hoạt tính sinh học cao và tự phân hủy trên da Chitin bị men lysozyme, một loại men chỉ có ở cơ thể người phân giải thành monome N-acetyl-D-glucosamine

Khi đun nóng trong dung dịch NaOH đậm đặc (40 – 50 %), ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan

 Lợi dụng tính chất này, người ta điều chế ra chitosan – chất có nhiều ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, là chất trung gian điều chế ra glucosamine có nhiều ứng dụng trong y học

Khi đun nóng với acid HCl đậm đặc, ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị cắt mạch thu được glucosamine

 Lợi dụng tính chất này, người ta điều chế ra glucosamine – một loại thuốc có tác dụng chống thoái hóa khớp

Phản ứng este hóa:

- Chitin tác dụng với HNO3 đậm đặc cho ra sản phẩm chitin nitrat

- Chitin tác dụng với anhydrit sunfuric trong pyridin, dioxan và dimetylanilin cho sản phẩm chitin sunfonat

N,N-1.3.2 Tính chất của chitosan [12]

Chitosan là một dẫn xuất của chitin thường ở dạng rắn, xốp, nhẹ, hình vảy có thể xay nhỏ theo các kích thước khác nhau Ngoài ra, chitosan có tính kiềm, có màu trắng hoặc màu vàng nhạt, không mùi, không vị, không tan trong nước, trong dung dịch

kiềm và acid đặc, nhưng tan trong acid loãng tạo thành keo trong suốt Nhiệt độ nóng chảy là khoảng 309 – 311 ºC tùy vào mức độ deacetyl hóa và trọng lượng phân tử Mức độ deacetyl hóa (DD): Do quá trình khử acetyl xảy ra không hoàn toàn nên người ta quy ước rằng nếu độ deacetyl hóa (degree of deacetylation) DD > 50 % thì gọi là chitosan, nếu DD < 50 % thì gọi là chitin

Quá trình deacetyl hóa bao gồm quá trình loại nhóm acetyl khỏi chuỗi phân tử chitin và hình thành phân tử chitosan với nhóm amin hoạt động hóa học cao Mức độ deacetyl hóa là một đặc tính quan trọng của quá trình sản xuất chitosan, bởi vì nó ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và khả năng ứng dụng của chitosan sau này Mức độ deacetyl hóa của chitosan vào khoảng 56 – 99 % (thường là 80 %) phụ thuộc vào loài giáp xác và phương pháp sử dụng Có rất nhiều phương pháp để xác định mức độ deacetyl hóa của chitosan bao gồm: thử ninhydrin, chuẩn độ điện thế, quang phổ hồng ngoại, chuẩn độ bằng HI…

Độ nhớt là một nhân tố quan trọng để xác định khối lượng phân tử của chitosan Chitosan phân tử lượng cao thường làm cho dung dịch có độ nhớt cao, điều này có thể không mong muốn trong đóng gói công nghiệp Nhưng chitosan có độ nhớt cao thu được từ phế phẩm của các loài giáp xác thì rất thuận tiện cho đóng gói

Một số nhân tố trong quá trình sản xuất như mức độ deacetyl hóa, khối lượng nguyên tử, nồng độ dung dịch, độ mạnh của lực ion, pH và nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhớt của chitosan Ví dụ, độ nhớt của chitosan tăng khi thời gian khử khoáng tăng Độ nhớt của chitosan trong dung dịch acid acetic tăng khi pH của dung dịch này giảm, tuy nhiên nó lại giảm khi pH của dung dịch HCl giảm Tương tự như vậy, quá trình loại protein trong dung dịch NaOH và sự khử trong quá trình khử khoáng cũng làm giảm

độ nhớt của dung dịch chitosan thành phẩm Ngoài ra, độ nhớt chitosan còn bị ảnh hưởng đáng kể bởi các biện pháp xử lý vật lý (nghiền, gia nhiệt, hấp khử trùng…) và hóa học (xử lý bằng ozon), trừ quá trình làm lạnh thì nó sẽ giảm khi thời gian và nhiệt

độ xử lý tăng Vì vậy, dung dịch chitosan bảo quản ở 4 ºC được cho là ổn định nhất

a) 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

Trong acid vô cơ, chitosan tan được trong dung dịch 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 sunfat hóa và thủy phân chitosan

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 acetat tan tốt nhưng chitosan hydrocinnammat tan rất ít và chitosan-p-methonycinnamat thì không tan Còn muối của chitosan và acid formic hoặc là acid acetic thì tan rất tốt trong nước

b) Thủy phân bằng acid

Khả năng bị thủy phân của chitosan phụ thuộc vào các nhóm thế theo thứ tự sau: -NHCOCH3 < -OH < -NH2 Mức độ thủy phân phụ thuộc vào loại acid, nồng độ acid, nhiệt độ và thời gian phản ứng Các kết quả nghiên cứu cho thấy, trong môi trường

H2SO4, sự thủy phân chitosan luôn kèm theo quá trình sulfate hóa, cho sự cắt mạch phân tử chitosan một cách ngẫu nhiên

Trong dung dịch HCl, chitosan bị cắt mạch nhưng không như trong dung dịch

H2SO4 Trong dung dịch HCl, chitosan bị thủy phân cho ra sản phẩm cuối cùng chủ yếu là monomer, dimer, trimer Trong môi trường khác như HF, H3PO4, chitosan vẫn

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

c) Phản ứng nitrat hóa

Chitosan tương tự cellulose có đặc tính tạo nitrat Tuy nhiên, hỗn hợp HNO3 –

H2SO4 được dùng làm tác nhân để điều chế cellulose nitrat lại không thích hợp cho

chitosan vì H2SO4 gây 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 acid acetic loãng : anhydric acetic : acid nitric nguyên chất ở nhiệt độ thấp hơn 5 ºC theo tỉ lệ 1 : 1 : 1 : 3

Sản phẩm thu được từ hai quá trình trên đều là muối acidcuar 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 %

d) 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 40 ºC trong 5 giờ Sản phẩm có hàm lượng P là 24 %

Có hai phương pháp điều chế este phosphat của chitosan:

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

- Thực hiện phản ứng của chitosan với pentoxid P ở nhiệt độ từ 0→5 ºC Trong

đó, chitosan đã được hòa tan trước trong methan sulphonic acid

f) Phản ứng khử nhóm amin và cắt mạch bằng HNO 2

Acid nitrơ được sử dụng để thực hiện phản ứng deamin hóa và depolymer hóa chitosan, phản ứng xảy ra càng mạnh khi có mặt AgNO3 Khi thực hiện phản ứng depolymer hóa chitosan ở nhiệt độ phòng bằng HCl 3 M thì cần 160 giờ Trong khi đó, nếu dùng HNO2 thì chỉ cần 5 phút ở nhiệt độ phòng Tuy nhiên, để thực hiện tốt phản ứng deamin hóa chitosan, người ta thay bằng anhydrid N2O3 Cơ chế phản ứng như sau: trước hết hình thành ion diazonium, ion này phân hủy tạo ion carbonium gây ra sự cắt mạch

g) 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 amin 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 amin cũng làm tăng hiệu lực phức của chitosan

Bảng 1.1 Một số thông số đặc trưng của chitin – chitosan

Tên hóa học Polyacetylaminglucoza Polyaminoglucoza Công thức phân tử (C8H15O3N)n (C6H11O4N)n

1.4 ỨNG DỤNG CỦA CHITIN – CHITOSAN

1.4.1 Trong nông nghiệp [2]

a Phóng thích chậm các chất vào trong đất:

Trong nông nghiệp, việc kéo dài thời gian tác dụng của phân bón, chất điều hòa tăng trưởng hay chất dinh dưỡng là rất cần thiết Chitosan được sử dụng như chất mang tự nhiên để kết hợp và phóng thích từ từ các hợp chất mong muốn trong đất Chitosan bị phân hủy sinh học vào trong đất khoảng 2 tháng, kèm theo sự phóng thích các chất Do đó, người ta tiết kiệm được đáng kể lượng chất sử dụng và thời gian bón lặp khi dùng chitosan làm chất mang

b Vỏ bao của hạt:

Hoạt động của chitosan được gia tăng trong giai đoạn nảy mầm khi bề mặt của hạt giống được bao bằng một lớp chitosan Khi sử dụng chitosan là vỏ bao của hạt, khả năng kháng nấm và kháng khuẩn của chitosan hỗ trợ hữu hiệu cho sự nảy mầm và phát triển của cây trồng

c Bảo quản nông sản:

Vỏ bọc chitosan có thể giúp điều chỉnh môi trường bên trong rau quả, thông qua việc kiểm soát quá trình trao đổi khí giữa rau quả và môi trường Ngoài ra, nó còn giúp rau quả chống lại tác hại của các loại nấm và vi khuẩn Ở Nhật, dung dịch chitosan được phun lên táo và cam để giữ được lâu hơn

Hình 1.5 Cam được bảo quản bằng màng chitosan (trái) và cam đối xứng (phải)

d Dùng làm thuốc kích thích sinh trưởng cho cây trồng như: cây lúa, cây công nghiệp, cây ăn quả, cây cảnh…

Qua nghiên cứu ảnh hưởng của chitosan và các nguyên tố vi lượng lên một số chỉ tiêu sinh hóa của mạ lúa ở nhiệt độ thấp thì kết quả nghiên cứu cho thấy chitosan vi lượng làm tăng hàm lượng diệp lục và hàm lượng nitơ, đồng thời hàm lượng các enzym như amylaza, catalaza hay peroxidaza cũng tăng lên

1.4.2 Trong công nghiệp [12]

a Xử lý nước thải:

Phương pháp hóa lý là phương pháp phổ biến và tiện dụng trong hệ thống xử lý nước thải của các nhà máy công nghiệp Tuy nhiên, hạn chế của những phương pháp này là nguy cơ gây ô nhiễm môi trường cao Do có nguồn gốc tự nhiên và có khả năng phân hủy sinh học, chitosan là một chất thay thế rất tiềm năng Các nghiên cứu cho thấy chitosan có khả năng hấp thụ kim loại nặng

b Hấp phụ kim loại nặng:

Chitosan mang điện tích dương kết hợp với các polymer đa điện âm tạo phức với các ion kim loại và kết tủa Chitosan có thể sử dụng như một chất hấp thụ để tách các đồng vị phóng xạ nguy hiểm từ nước bị nhiễm phóng xạ và thu hồi Uranium từ nước biển và nước ngọt

+ Loại bỏ các polymer hiện diện trong nước thải, giảm mùi hôi thối

+ Ngoài ra, chitosan có thể ứng dụng để xử lý các vệt dầu loang, xử lý nước thải sinh hoạt, thu hồi protein và khoáng từ nước thải nông nghiệp và tách các độc chất từ dung dịch

c Ứng dụng trong công nghệ nhiếp ảnh, dệt và in ấn:

+ Trong kỹ thuật nhiếp ảnh, chitosan được sử dụng như tác chất tạo ra các acid màu trong gelatin và đóng vai trò như chất hỗ trợ cho quá trình phản xạ ánh sáng + Chitosan có thể được dùng làm chất cầm màu trong khi nhuộm và in sợi dệt Khả năng kháng khuẩn của chitosan giúp vải có độ bền cao hơn

Hình 1.6 Ứng dụng của chitosan trong may mặc

+ Tăng độ bền cơ học và độ mịn của giấy, tăng chất lượng in trên giấy do thấm mực tốt hơn nên nó được dùng làm mực in cao cấp

d Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm:

+ Diệt khuẩn: Do chitosan có tính chất diệt khuẩn và có khả năng tạo màng tốt nên chitosan được dùng để sản xuất các màng mỏng để bao gói thực phẩm chống ẩm mốc và chống mất nước

+ Chất phụ gia: Chitosan có thể thay thế hàn the làm chất phụ gia bảo quản tốt giò và bánh cuốn ở nhiệt độ phòng và bảo quản tốt đến 26 ngày ở T = 8 ºC Trong chế biến bảo quản giò thì lượng chitosan được dùng tốt nhất là 2,5 g/kg thịt và được đưa vào ở giai đoạn xay nhuyễn cùng với muối và gia vị trước khi cho nước mắm của quy trình sản xuất giò truyền thống

+ Trong chế biến bảo quản bánh cuốn thì lượng chitosan được dùng tốt nhất là 24 gam dung dịch 3,5 % cho 1 kg bột nước và được đưa vào ở giai đoạn trước khi tráng bánh Sản phẩm giò và bánh cuốn có phụ gia chitosan giá thành phù hợp với an toàn sức khỏe người tiêu dùng

1.4.3 Trong mỹ phẩm [17]

a Chăm sóc tóc:

Dung dịch có chứa chitosan khi thoa lên tóc sẽ làm sạch tóc, tạo một lớp phim mỏng mềm và dẻo trên sợi tóc, làm cho tóc mềm, mượt và duỗi thằng tự nhiên Chitosan có thể làm thành phần trong dầu gội, thuốc nhuộm tóc

b Chăm sóc da:

Chitosan và các dẫn xuất có 2 đặc tính để trở thành sản phẩm chăm sóc da ưu việt:

+ Chitosan có khả năng trao đổi điện tử cao

+ Chitosan có khối lượng phân tử rất lớn nên không hấp thụ qua da

Vì thế, chitosan được sử dụng để sản xuất các loại kem giữ ẩm cho da, các sản phẩm lỏng dùng cho da, các loại sơn móng tay, phấn… Ngoài ra, chitin – chitosan còn

là thành phần của kem đánh răng, thuốc súc miệng

1.4.4 Trong y dược [11]

a Dùng làm vật liệu y sinh học và dược phẩm:

Chitosan có khả năng tương hợp sinh học với mô và tế bào do đó có thể sử dụng cấy ghép vào trong mô động vật Vì vậy, người ta sử dụng chitosan làm vật liệu y sinh học mới như chỉ khâu tự tan trong phẫu thuật, da nhân tạo trong điều trị bỏng và vết thương, kính áp tròng trong điều trị các bệnh về mắt Ngoài ra, người ta còn nghiên cứu chitosan dạng ống để tái sinh dây thần kinh

Trong dược phẩm, chitosan được sử dụng như chất mang an toàn, có khả năng phóng thích thuốc từ từ trong cơ thể, kéo dài tác dụng của thuốc hay vật liệu cố định enzym và điều trị

b Điều chế da nhân tạo:

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 lớp biểu bì mới Nó có tác dụng giảm đau, giúp cho các vết sẹo

tâm khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia cũng đã chế tạo thành công loại da nhân tạo này và bước đầu đưa vào ứng dụng

c Khả năng cầm máu:

Trong điều trị vết thương, chitosan có tác dụng cầm máu, đẩy nhanh quá trình phát triển các tế bào ở vùng mô bị tổn thương, mau làm lành vết thương và giảm nhiễm trùng Trong trường hợp bị bỏng, chitosan có thể tạo thành các lớp phim mỏng

có độ bền, độ dẻo cao, có khả năng hấp thụ nước và sự thích ứng sinh học cao Lớp phim này được tạo ra ngay trên vết bỏng khi ta thoa lên vết bỏng một lớp mỏng dung dịch chitosan acetate Một thuận lợi của lớp màng này là có khả năng thẩm thấu oxy để ngăn không cho các tế bào bị tổn thương thiếu oxy Hơn nữa, lớp màng này có khả năng hút nước và bị phân hủy một cách tự nhiên bởi các enzyme trong cơ thể người, tạo điều kiện cho các tế bào này bình phục nhanh chóng

d Hoạt tính giảm đau của chitosan:

Các nhà khoa học cho rằng chitin và chitosan đều có hoạt tính giảm đau, trong đó chitosan có hoạt tính cao hơn Các nhà nghiên cứu giải thích rằng cơ chế của hoạt tính giảm đau của chitosan là sự hấp thụ của các ion mang điện tích dương được giải phóng

ra từ các vùng bị viêm nhiễm Do chitosan là một polycatinoic tự nhiên, nên các nhóm amino của chitosan có thể bị proton hóa và làm giảm pH, đây là nguyên nhân chính làm giảm các cơn đau

e Hoạt tính kháng khuẩn của chitosan:

Đặc tính diệt khuẩn của chitosan:

Lấy đi từ các vi sinh vật các ion quan trọng như Cu2+ làm cho vi sinh vật bị chết

do sự thiếu cân bằng liên quan đến các ion quan trọng này

Ngăn chặn và phá hoại chức năng màng tế bào của vi sinh vật, do sự tương tác của chitosan lên màng hoặc lên các cấu tử của vách tế bào làm tăng khả năng thẩm thấu của màng và sự rò rỉ chất khô từ tế bào hoặc nhờ vào khả năng liên kết với nước

và ức chế hoạt động của enzyme khác nhau gây ra sự rò rỉ các phần tử bên trong màng

tế bào vi sinh vật Chitosan còn tác động sinh học và thấm hút chất dinh dưỡng của vi sinh vật, ức chế sự phát triển của chúng

Chitosan nói chung có khả năng ức chế vi sinh vật, đặc biệt là đối với vi khuẩn Ngoài ra, chitosan có hiệu quả trong việc ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn tốt hơn hợp chất từ chitosan

Hơn nữa, khả năng chống vi sinh vật của chitosan và hợp chất chitosan còn phụ thuộc vào trọng lượng phân tử của nó, độ deacetyl và tùy vào loài vi sinh vật Đa số thực phẩm nói chung hay sản phẩm thủy sản chế biến nói riêng là sự pha trộn của những thành phần khác nhau (cacbon hydrate, protein, chất béo, khoáng chất, vitamin, muối và những thành phần khác) và ít nhiều trong số những thành phần đó có thể tương tác với chitosan và làm giảm hoặc nâng cao khả năng kháng khuẩn của chitosan Năm 2004, Devlieghere đã nghiên cứu một cách tổng quát ảnh hưởng của những thành phần thức ăn khác nhau (bột, protein, dầu và NaCl) trên khả năng chống vi sinh vật của chitosan Kết quả cho thấy bột, sữa tách protein và NaCl có ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động kháng khuẩn của chitosan, riêng thành phần dầu không có ảnh hưởng đáng kể

f Giảm huyết áp cao:

Như chúng ta đã biết, huyết áp cao là do ion clo trong muối, nó kích hoạt một enzym có tên là men chuyên Angiotensin, là nguyên nhân làm co mạch máu và huyết

áp trở nên cao hơn Tại đây, chitosan có khả năng kết hợp ion clo được tích điện trong muối rồi thải chúng ra ngoài

g Hỗ trợ điều trị viêm loét dạ dày – tá tràng:

Chitosan nhờ môi trường acid ở dạ dày tạo thành gel che phủ niêm mạc và phát huy tác dụng bảo vệ niêm mạc Năm 1999, các nhà nghiên cứu Nhật đã thử nghiệm khả năng chống loét dạ dày của chitosan ở chuột, tác dụng bảo vệ này tương đương với thuốc sucralfat Chitosan cũng được chứng minh có khả năng ức chế sự phát triển của nhiều loại vi khuẩn, trong đó có vi khuẩn Helicobacter, một loại vi khuẩn gây ra bệnh viêm loét dạ dày – tá tràng Tuy nhiên, đó mới là nghiên cứu dược lý thực nghiệm Cho đến nay, chitosan vẫn được sử dụng như thực phẩm chức năng hỗ trợ điều trị căn bệnh này

h Đặc tính chống ung thư:

Hoạt tính kháng ung thư của chitosan chính là ức chế sự phát triển của các tế bào khối u và nhờ đó kích thích khả năng miễn dịch của cơ thể Một số nhà khoa học đã tiến hành thử nghiệm trên invitro và invivo (một số các chitosan oligomer) để đi đến kết luận rằng: “Các oligomer này có khả năng kháng ung thư” Một số các nhà khoa học khác lại nghiên cứu khả năng ức chế sự phát triển và sự di căn của tế bào khối u Các cuộc thử nghiệm invivo cho thấy việc kích hoạt sự hoạt động của tế bào bạch cầu của chitosan là một bước trung gian trong quá trình ức chế sự phát triển của tế bào khối u

Chitosan có khả năng tăng cường miễn dịch tế bào, kích hoạt tế bào hạch, có khả năng làm cho pH của dịch thể tăng cao Từ đó, tạo ra môi trường kiềm tính, tăng cường chức năng tế bào hạch tấn công tế bào ung thư tương đối tốt, kích thích sự sản sinh các tế bào chữ T ở tuyến tụy Ung thư đáng sợ bởi chúng có nhiều tính khuếch tán Bằng nhiều phương pháp, các nhà khoa học đã chứng thực: Chitosan có tác dụng

ức chế tính khuếch tán của tế bào ung thư và thu được những thành công đáng kể trong thực nghiệm lâm sàn Chitosan còn có đặc tính bám chặt vào các phân tử ở bề mặt tế bào biểu bì trong huyết quản Và nó có khả năng phong tỏa tế bào ung thư, không cho ung thư lây lan sang các tế bào biểu bì trong huyết quản Vì vậy, chitosan có tác dụng ngăn chặn bộ phần ung thư phát tán ra xung quanh

Chitin – chitosan và các oligomer 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 Chitosan dùng kèm chiếu xạ và hóa chất có tác dụng giảm tác dụng phụ và tăng thể lực, cải thiện công thức máu, giảm cholesterol cho bệnh nhân

Ngoài ra, chitosan còn có tác dụng hỗ trợ điều trị tiểu đường, dùng làm tá dược cho nhiều loại thuốc Năm 2002, ở Anh người ta đã thành công trong việc dùng chitosan làm tá dược cho insulin, được sử dụng phun qua mũi Trong tương lai, chitosan hứa hẹn là một tá dược hiệu quả trong bào chế nhiều loại thuốc và vacxin

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT, TIÊU THỤ CHITIN – CHITOSAN [2]

Việc nghiên cứu về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất lý – hóa và ứng dụng của chitin – chitosan đã được công bố từ những năm 30 của thế kỷ XX Những nước đã thành công trong lĩnh vực nghiên cứu sản xuất chitosan đó là: Nhật, Mỹ, Trung Quốc,

Ấn Độ và Pháp Cho đến nay trên thế giới đã có nhiều quy trình sản xuất chitin – chitosan với nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau nhưng chủ yếu là vỏ tôm, cua và ghẹ Theo thống kê của viện nghiên cứu đổi mới trong hóa học (Research Institute for Innovation in Sustainable Chemistry) gọi tắt là ISC, năm 2005 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 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 Hoa Kỳ là quốc gia đứng thứ hai với quy mô được ước tính là khoảng 3,6 ngàn 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 %

1.6 CỞ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ CHITIN – CHITOSAN

1.6.1 Thành phần vỏ tôm [12]

Thông thường, vỏ tôm dùng điều chế chitin – chitosan có 2 dạng là vỏ tôm tươi

và vỏ tôm khô tùy vào từng nghiên cứu Và tùy vào mục đích của từng nghiên cứu mà nguyên liệu vỏ tôm có thể phân biệt ra làm vỏ đầu tôm và vỏ thân tôm

Các thành phần chính trong vỏ tôm là: protein, các muối canxi, lipit, chitin, sắc tố astaxanthin và các chất khác… Thành phần vỏ tôm có thể thay đổi theo phương pháp

và điều kiện thả nuôi cũng như theo từng giai đoạn phát triển của tôm

Bảng 1.2 Hàm lượng các thành phần chính trong vỏ tôm khô

1.6.2 Các bước cơ bản điều chế chitin – chitosan [12]

1.6.2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình loại khoáng

Thành phần khoáng trong vỏ tôm chủ yếu là muối CaCO3 và rất ít Ca3(PO4)2 Do

đó, các tác nhân thường được sử dụng để loại khoáng là các acid như: HCl, H2SO4,

CH3COOH… Nhưng HCl thường được sử dụng nhiều nhất do nó có khả năng loại khoáng cho hiệu quả cao, không gây ra phản ứng phụ và không sinh ra các chất khó tan

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2

Ca3(PO4)2 + 6HCl → 3CaCl2 + 2H2PO4Trong quá trình loại khoáng, dùng tác nhân HCl được thực hiện ở nhiệt độ phòng (25 ºC – 30 ºC) Quá trình loại khoáng diễn ra rất mạnh mẽ vào khoảng 30 phút đầu sau đó quá trình này diễn ra rất chậm Ba yếu tố là nồng độ HCl, nhiệt độ tiến hành thí nghiệm và thời gian loại khoáng ảnh hưởng đến hiệu suất loại khoáng thông qua việc kiểm tra các chỉ tiêu hàm lượng tro

Theo các nghiên cứu đã được công bố trong quá trình loại khoáng bằng dung dịch HCl thì nồng độ HCl có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả khử khoáng và chất lượng chitosan thành phẩm Nồng độ HCl cao sẽ rút ngắn thời gian khử khoáng Tuy nhiên, nó sẽ làm cắt mạch polysaccharide làm giảm chất lượng chitosan, nếu nồng độ HCl quá cao có thể tạo thành glucosamine Ngược lại, nồng độ HCl quá thấp thì việc loại khoáng sẽ không triệt để

Thời gian tiến hành loại khoáng cũng rất quan trọng, nếu thời gian quá ngắn thì hiệu quả khử khoáng sẽ không cao Nếu thời gian loại khoáng quá lâu thì sẽ làm ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình sản xuất và ảnh hưởng đến chất lượng chitosan Ngoài ra, nhiệt độ cũng quyết định đến tốc độ, hiệu suất của quá trình loại khoáng và chất lượng chitosan Nhiệt độ cao thì quá trình loại khoáng sẽ diễn ra nhanh hơn, nhưng nếu nhiệt độ quá cao thì sẽ làm bay hơi HCl làm giảm hiệu suất quá trình

và gây ô nhiễm môi trường, đồng thời nhiệt độ quá cao cũng làm thủy phân cắt mạch polysaccharide làm giảm chất lượng chitosan

Từ các vấn đề trên, ta thấy chọn lựa các thông số nồng độ HCl, nhiệt độ và thời gian tiến hành loại khoáng để xây dựng một quy trình điều chế chitin – chitosan trong phòng thí nghiệm là việc làm cần thiết

1.6.2.2 Loại protein và deacetyl hóa

Protein là một hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là các acid amin Acid amin được cấu tạo bởi ba thành phần: một là nhóm amin (-NH2), hai là nhóm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với 1 nguyên tử hidro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của acid amin Người ta đã phát hiện ra rằng có tất cả 20 aicd amin trong thành phần của tất cả các loại protein khác nhau trong cơ thể sống

Do cấu trúc phức tạp nên có nhiều tính chất khác nhau, trong đó có tính chất thủy phân Khi đun nóng trong môi trường acid hay kiềm mạnh, các phân tử H2O sẽ tấn công vào các liên kết peptide và cắt protein thành các peptide nhỏ hơn và cuối cùng thành các amino acid Lợi dụng tính chất này, ta loại protein ra khỏi vỏ tôm bằng kiềm đặc

Rất nhiều tác nhân đã được nghiên cứu sử dụng để loại protein như: NaOH, KOH, K2CO3,… Nhưng NaOH vẫn là tác nhân được ưa chuộng sử dụng nhất do tính phổ biến và khả năng loại protein tốt của nó

Deacetyl hóa là công đoạn chuyển hóa nhóm –NHCOCH3 thành nhóm NH2 và loại nhóm –COCH3 chuyển thành muối CH3COONa Để thực hiện quá trình trên, người ta thường dùng kiềm đặc ở nhiệt độ cao Dựa vào tính chất của chitosan là tan

được trong dung dịch acid loãng tạo thành dung dịch keo trong suốt, trong khi chitin thì không tan Để kiểm tra sơ bộ mức độ chuyển hóa chitin thành chitosan bằng cách lấy một ít sản phẩm cho vào acid axetic 1 % nếu sản phẩm tan thành keo trong suốt là được

Tương tự quá trình loại khoáng, trong quá trình loại protein, các nhân tố nồng độ NaOH, thời gian và nhiệt độ tiến hành thí nghiệm cũng ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của quá trình và chất lượng chitosan được tạo ra

Nồng độ dung dịch NaOH phải được chọn thật hợp lý để có thể loại triệt để protein và deacetyl hóa đến độ DD đạt tiêu chuẩn chitosan thị trường và tránh lãng phí hóa chất do giai đoạn này sử dụng dung dịch NaOH nồng độ cao nên hóa chất tiêu tốn rất nhiều nếu điều chế với quy mô lớn nên hiệu quả kinh tế là điều cần phải tính đến

1.6.3 Định tính chitosan

a) Phương pháp hóa học [12]

- Để biết được sản phẩm thu được có phải là chitosan hay không người ta có thể dùng dung dịch KMnO4 để định tính nhanh chitosan như sau: Lấy 0,1 ml KMnO4 cho vào 100 ml dung dịch chitosan 0,5 % trong dung dịch acid acetic 1 % dung dịch sẽ chuyển từ màu tím sang màu vàng nhạt

- Ngoài ra, có thể dựa vào thí nghiệm của Van Wisselingh như sau: Nhỏ 1 giọt dung dịch Lugol (dung dịch Iod 1 %) lên sản phẩm, chitosan chuyển sang màu nâu, sau đó nhỏ tiếp vài giọt H2SO4 loãng thì màu nâu chuyển thành màu đen tím

b) Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) [5], [16]

Phổ hồng ngoại là phép phân tích phổ biến cho biết cấu trúc phân tử và xác định nhóm chức trong vật liệu phân tích

Phương pháp IR dựa trên sự tương tác của các bức xạ điện từ trong miền hồng ngoại (400 - 4000 cm-1) với các phân tử nghiên cứu

Khi tần số dao động của nhóm nguyên tử nào đó trong phân tử ít phụ thuộc vào các thành phần còn lại của phân tử thì tần số dao động đó được gọi là tần số đặc trưng cho nhóm đó

Dựa vào tần số đặc trưng, cường độ đỉnh trong phổ hồng ngoại, người ta có thể phán đoán trực tiếp về sự có mặt của các nhóm chức, các liên kết xác định trong phân

tử nghiên cứu, từ đó xác định được cấu trúc của chất nghiên cứu

Trong đề tài này, phổ IR được đo trên máy IR-Prestige-21 (Shimadzu) trong vùng 400-4000 cm-1

1.7 Một số quy trình sản xuất chitin – chitosan trong và ngoài nước

1.7.1 Trên thế giới [2], [3]

a) Phương pháp Hackman

Vỏ tôm được làm sạch bằng cách cạo và rửa dưới vòi nước chảy rồi sấy khô trong lò sấy ở nhiệt độ 100 ºC Sau đó, ngâm trong dung dịch HCl 2 N với tỉ lệ w/v = 1/10 trong 5 giờ ở nhiệt độ phòng, rồi rửa kỹ với nước và sấy ở 100 ºC Sau đó, nghiền thành bột, bột nhuyễn này được trích trong bình cầu và lắc mạnh trong 48 giờ với dung dịch HCl 2 N với tỉ lệ w/v = 1/2,5 Ly tâm bỏ phần lỏng, phần rắn được rửa

kỹ và tiếp tục được chiết bằng cách lắc mạnh trong 12 giờ với dung dịch NaOH 1 N ở

100 ºC, 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, rồi sấy khô thu được sản phẩm dạng bột màu kem

Hình 1.7 Quy trình sản xuất chitin bằng phương pháp Hackman

b) Phương pháp thủy nhiệt Yamasaki và Nacamichi

Các nhà khoa học Nhật đã đưa ra công nghệ sản xuất chitosan bằng phương pháp thủy nhiệt Nguyên liệu là vỏ đầu tôm hoặc cua được rửa sạch, làm khô Khử khoáng bằng HCl 2 N ở nhiệt độ 120 ºC trong 1 giờ Sau đó rửa sạch và làm khô tiếp Tiếp theo là loại protein và deacetyl bằng NaOH 15 N ở 150 ºC trong 1 giờ Kết quả cho

Vỏ tôm tươi Rửa sạch Sấy khô ở 100 ºC Nghiền thành bột

Ngâm trong HCl 2 N trong 48 giờ (có lắc hoặc khuấy liên tục)

Ly tâm

Trung hòa bằng dung dịch NaOH ở 100 ºC trong 12 giờ

Tách cặn

Làm khô Rửa, ly tâm theo thứ tự: nước, ethanol và ether

Nghiền tinh Bột chitin có màu kem