Nghiên cứu phản ứng điều chế chitosan khối lượng phân tử thấp bằng axit HCl và khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại nặng

Việc lựa chọn sử dụng mai mực để điều chế chitosan làm tác nhân hấp phụ các ion kim loại nặng sẽ vừa giải quyết được một phần lượng phế thải mai mực của các nhà máy thủy sản, vừa sản xuấ

ION KIM LOẠI NẶNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa công nghệ - Môi trường

Người hướng dẫn khoa học PGS TS ĐỖ TRƯỜNG THIỆN

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin cảm ơn thầy giáo ThS Lê Cao Khải, cùng toàn

thể các thầy cô giáo trong khoa Hóa Học - Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội

2, đã tạo điều kiện cho em được tiếp thu những kiến thức chuyên môn về hóa học hữu cơ và công nghệ môi trường

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đỗ Trường Thiện

-Viện Hóa Học - -Viện Hàn lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã tận

tình hướng dẫn và truyền đạt cho em các phương pháp nghiên cứu khoa học

và những kinh nghiệm học thuật quý báu trong quá trình thực hiện khóa luận

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô, các anh chị tại Viện Hóa Học - Viện Hàn lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo và dìu dắt em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận

Hà Nôi, tháng 05 năm 2016

Sinh viên

Nguyễn Thị Huế

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của β-chitin 33

Hình 3.2: Phổ hồng ngoại của β-chitosan 35

Hình 3.3: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan 36

Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Π/C và nồng độ chitosan 37

Hình 3.5: Phổ FT-IR của chitosan khối lượng phân tử thấp 40

Hình 3.6: Phổ 1H-NMR của chitosan khối lượng phân tử thấp 41

Hình 3.7: Phổ 13C của chitosan khối lượng phân tử thấp 41

Hình 3.8: Phổ nhiễu xạ tia X của chitosan khối lượng phân tử thấp 42

Hình 3.9: Khả năng hấp phụ Cu2+ của chitosan khối lượng phân tử thấp 43

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Một số kim loại nặng và ảnh hưởng của chúng đến đời sống 21 Bảng 2.1: Thành phần chính của một số nguyên liệu chứa chitin 27 Bảng 3.1: Hàm lượng β-chitin trong mai mực ống 33 Bảng 3.2: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan tại các nồng độ khác

Bảng 3.6: Độ chuyển dịch học hóa học của proton ( 1H) của chitosan 42

Bảng 3.7: Độ chuyển dịch học hóa học của cacbon ( 13C) của chitosan 42

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 1.1: Cấu tạo của xenlulozo, chitin, chitosan 3

Sơ đồ 1.2: Sơ đồ điều chế chitosan 9

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

Sơ đồ 1.4: Công thức cấu tạo của chitin/chitosan 10

Sơ đồ 1.4: Phản ứng đeaxetyl hóa chitin 11

Sơ đồ 1.5: Thủy phân chitosan bằng axit HCl loãng 15

Sơ đồ 1.6: Sơ đồ cơ chế phản ứng thủy phân axit liên kết glucozit của chitosan 16

Sơ đồ 1.7: Cơ chế thủy phân liên kết N-axetyl (phản ứng SN2) 16

Sơ đồ 2.1: Quy trình điều chế chitosan khối lượng phân tử thấp 30

Sơ đồ 3.1: Phản ứng đeaxetyl hóa chitin 34

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG KHÓA LUẬN

Ac: CH3CO

CTS: Chitosan

DDA: Độ đề axetyl hóa

DA: Độ axetyl hóa

DMAc: N,N-đimetyl axetamit

DP: Độ polymer hóa trung bình

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1 Giới thiệu chung [1,2,4,15,21] 3

1.1 Cấu trúc tinh thể [1,2,4,30] 4

1.2 Tính tan [21,27] 4

1.3 Khối lượng phân tử [21] 5

1.4 Độ axetyl hóa - Xác định độ axetyl/đeaxetyl hóa [9,15,18] 6

2 Phương pháp điều chế chitin/chitosan [8,18] 7

2.1 Tách chitin từ vỏ phế thải thủy hải sản [1,4,18,19] 7

2.2 Điều chế chitosan [1, 2, 4, 19] 9

3 Tính chất hóa học [1,2,5] 10

3.1 Phản ứng ở nhóm -OH 11

3.2 Phản ứng ở nhóm axetamit 11

3.3 Phản ứng ở nhóm -NH 2 12

3.4 Phản ứng cắt mạch chitosan 12

3.4.1 Phương pháp chiếu xạ 13

3.4.2 Phương pháp thủy phân bằng enzym 14

3.4.3 Phương pháp hóa học 15

4 Sơ lược về kim loại 18

4.1 Giới thiệu về kim loại nặng và ảnh hưởng của chúng đến môi trường 18 4.2 Ô nhiễm kim loại nặng và hậu quả của chúng 19

4.2.1 Sơ lược về kim loại đồng 21

4.2.2 Nguồn phát sinh 21

4.2.3 Độc tính 22

5 Một số ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất 22

5.1 Ứng dụng trong xử lý nước thải 23

5.1.1 Hấp phụ ion kim loại nặng 23

5.1.2 Hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính [11,20,33] 24

5.2 Ứng dụng trong y dược [13,28] 24

5.3 Ứng dụng trong nông nghiệp 25

5.3.1 Chất kích thích sinh trưởng [10,34] 25

5.3.2 Chất bảo quản nông sản [16,24,32,35] 25

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 26

2.1 Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu 26

2.1.1 Nguyên liệu, hóa chất 26

2.1.2 Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu 26

2.2 Thực nghiệm 27

2.2.1 Điều chế Chitin/chitosan 27

2.2.1.1 Điều chế chitin 27

2.2.1.2 Điều chế chitosan 28

2.2.1.3 Xác định độ axetyl hóa /deaxetyl hóa 29

2.2.1.4 Xác định khối lượng phân tử trung bình số của chitosan 29

2.2.2 Điều chế chitosan khối lượng phân tử thấp (LWC) 30

2.2.2.1 Quy trình điều chế chitosan khối lượng phân tử thấp 30

2.2.2.2 Khảo sát phản ứng với điều kiện thí nghiệm khác nhau 30

2.2.2.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến khối lượng phân tử trung bình  M n của chitosan khối lượng phân tử thấp (LWC) 30

2.2.2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axít HCl đến khối lượng phân tử

trung bình ( M n ) của chitosan trọng lượng phân tử thấp (LWC) 31

2.2.2.2.3 Khảo sát tính tan trong nước của chitosan trọng lượng phân tử thấp (LWC) 31

2.2.3 Thăm dò khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của chitosan khối lượng phân tử thấp 31

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 Điều chế chitin/chitosan 33

3.1.1 Điều chế chitin 33

3.1.2 Điều chế chitosan từ chitin theo phương pháp kiềm đặc kết hợp nhiệt độ cao 34

3.1.2.1 Phổ hồng ngoại 34

3.1.2.2 Phổ X-Ray 35

3.1.2.3 Khối lượng phân tử 36

3.2 Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến phản ứng điều chế chitosan khối lượng phân tử thấp 37

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ axít HCl đến khối lượng phân tử trung bình ( Mn ) sản phẩm phản ứng đề polyme hoá chitosan 37

3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khối lượng phân tử trung bình ( Mn ) sản phẩm phản ứng đề polyme hoá chitosan 38

3.2.3 Đánh giá độ tan trong nước của các mẫu chitosan trọng lượng phân tử thấp 39

3.3 Xác định cấu trúc của chitosan khối lượng phân tử thấp 40

3.4 Nghiên cứu sơ bộ khả năng hấp phụ Cu 2+ của sản phẩm phản ứng.43 KẾT LUẬN CHUNG 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng của nhiều nguồn nước là vấn đề đáng quan tâm do ảnh hưởng của độc tố đến sự phát triển của con người và sự an toàn của hệ sinh thái Việc loại trừ các ion kim loại nặng ra khỏi các nguồn nước, đặc biệt là nước thải công nghiệp là mục tiêu môi trường quan trọng bậc nhất phải giải quyết hiện nay

Một trong những hướng mới để loại bỏ kim loại trong những năm gần đây là dùng hấp phụ sinh học Nhiều nguyên liệu có nguồn gốc sinh học đã được nghiên cứu như là những chất hấp phụ để loại bỏ một vài ion kim loại nặng từ nước và nước thải công nghiệp Đặc biệt, chitosan - dẫn xuất N-deacetylation của chitin - một polysaccharide tự nhiên từ các loài giáp xác và sinh khối nấm, đã được tìm thấy có khả năng hấp phụ hoá học và vật lý nhiều loại ion kim loại, bao gồm chì, vanadi, platin, bạc, cadimi, crom

Nước ta có bờ biển dài với sản lượng thủy hải sản lớn Số lượng các nhà máy thủy sản ngày càng nhiều thì lượng chất thải rắn (như mai mực,vỏ tôm, cua, ghẹ, cá…) thải ra ngày càng lớn Việc lựa chọn sử dụng mai mực để điều chế chitosan làm tác nhân hấp phụ các ion kim loại nặng sẽ vừa giải quyết được một phần lượng phế thải mai mực của các nhà máy thủy sản, vừa sản xuất ra được tác nhân hấp phụ sinh học mới có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng để xử lý nước

Chính vì những lý do trên tôi tiến hành thực hiện khóa luận với tên đề

tài: “Nghiên cứu phản ứng điều chế chitosan khối lượng phân tử thấp bằng

axit HCl và khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại nặng”

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu phản ứng điều chế chitosan khối lượng phân tử thấp, có khả năng hấp thụ ion kim loại nặng

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Điều chế chitin, chitosan từ mai mực ống

- Khảo sát các điều kiện phản ứng để điều chế oligochitosan (LMC): ảnh hưởng của nồng độ axit, nhiệt độ phản ứng… để điều chế chitosan có khối lượng phân tử <10 000 Da

- Khảo sát một số tính chất hóa lý của sản phẩm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 Giới thiệu chung [1,2,4,15,21]

Trong số các polysaccarit thì xenlulozo và chitin là nguồn tài nguyên sinh học tự nhiên phong phú nhất Xenlulozo được tổng hợp từ thực vật còn chitin được tổng hợp chủ yếu từ động vật bậc thấp Chitin có cấu trúc tương

tự như xenlulozo, tên gọi “chitin” xuất phát từ tiếng Hi Lạp “chiton” nghĩa là

vỏ của các loài giáp xác như cua, tôm, mai mực…

Chitin được đánh giá là loại vật liệu có tiềm năng lớn nhưng cho đến này việc ứng dụng chitin vẫn chưa được rộng rãi như xenlulozo Chitin không chỉ là nguồn tài nguyên sẵn có mà nó còn là một loại vật liệu chức năng do chitin là một polyme sinh học với nhiều tính chất quý báu như khả năng phân hủy sinh học và đặc biệt là có hoạt tính sinh học

O O

OH

OH O OH

O

OH

OH HO

n

Xenlulozo

O O

OH

NHCOCH3O OH

O

NHCOCH3

OH HO

n

Chitin

O O

OH

NH2 O OH

O

NH2

OH HO

n

Chitosan

Sơ đồ 1.1: Cấu tạo của xenlulozo, Chitin, Chitosan

Trong thực tế chitin và chitosan cùng tồn tại trong một phân tử polyme

vì vậy khái niệm chitin, chitosan chỉ là tương đối Khi polyme có tỷ lệ mắt xích β(1→4)-D-glucosamin lớn hơn 50% (DDA > 50%) thì được gọi là chitosan và ngược lại là chitin

1.1 Cấu trúc tinh thể [1,2,4,31]

Chitin là một loại polisaccarit mạch thẳng với khối lượng phân tử lớn được tạo bởi mắt xích N-axetyl-D-glucosamin theo liên kết β(1→4)glucozit như kiểu liên kết các mắt xích D-glucozo ở xenlulozo Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X đã phát hiện chitin có 3 kiểu đa hình là: α, β, γ-chitin được mô

Chitosan là một polyamin không tan trong nước cũng như trong dung môi hữu cơ nhưng tan trong môi trường axit loãng Độ tan của chitosan phụ thuộc vào độ axetyl hóa, loại axit và nồng độ axit trong dung dịch Khi xử lý chitin/chitosan trong môi trường axit mạnh với nồng độ lớn thường xảy ra phản ứng depolyme hóa (cắt mạch) làm giảm khối lượng phân tử polyme

 Chitin  Chitin  Chitin

1.3 Khối lượng phân tử [21]

Khối lượng phân tử chitin/chitosan là thông số quan trọng nhưng khó

có thể xác định được chính xác do tính tan kém của chúng và sự đa dạng về kiểu phân bố các nhóm axetyl cũng như mức độ axetyl hóa Độ dài mạch chính của chitin/chitosan có thể giảm trong quá trình xử lý với axit và kiềm Khối lượng phân tử chitin sau khi tách khỏi protein cũng như các chất khác được tính toán theo các phương pháp đo độ nhớt, sắc ký thẩm thấu gel (GPC-Gel Permeation Chromatography) hoặc sắc ký loại trừ theo độ lớn phân tử (SEC -Size Exclusion Chromatography) trong dung môi DMAc/LiCl Kết hợp các phương pháp SEC, tán xạ ánh sáng và đo độ nhớt thì có thể xác định được chính xác khối lượng phân tử trung bình và độ phân bố của khối lượng phân

tử Từ các số liệu thu được từ phương pháp GPC đã khẳng định các mẫu chitin tách từ mai cua, vỏ tôm và mai mực ống có độ polyme hóa (degree of polymeizaion - DP) nằm trong khoảng 2000 ÷ 4000 Chitosan tan được trong dung dịch axit loãng và khối lượng phân tử có thể xác định theo phương pháp sắc ký lỏng cao áp ghép nối với cột loại trừ theo độ lớn phân tử (SE-HPLC-size exlusion high performance liquid chromatography) GPC-HPLC, GPC, phương pháp đo độ nhớt, phương pháp áp suất thẩm thấu… Cũng có thể chuyển chitosan thành chitin qua phản ứng N-axetyl hóa

Phương pháp đo áp suất thẩm thấu là phương pháp dựa trên định luật Vant-Hoff Theo định luật này, sự phụ thuộc giữa áp suất thẩm thấu P, thể tích V và nhiệt độ tuyệt đối T và số gam phân tử của vật chất trong dung dịch pha loãng được biểu diễn bằng phương trình trùng với dạng phương trình của dạng khí lí tưởng:

PV = nRT = (g/M)RT → P = (g/V)(RT)/M

→M = (RTC)/P

Trong đó:

g: khối lượng của chất hòa tan (g)

M: khối lượng phân tử của chất (g/mol)

C: nồng độ của dung dịch

R: hằng số

T: nhiệt độ tuyệt đối

1.4 Độ axetyl hóa - Xác định độ axetyl/đeaxetyl hóa [9,15,18]

Độ axetyl hóa là hàm lượng nhóm (-NHCOCH3) còn độ đeaxetyl hóa là hàm lượng nhóm (-NH2) trong chitin và chitosan Mắt xích cơ sở của chitin là N-axetyl-D-glucosamin (GlcNAc) Mặc dù hầu hết các nhóm amino gắn với

C2 đã bị axetyl hóa, nhưng trong tự nhiên chitin vẫn tồn tại một số nhóm amino tự do Hơn nữa, phản ứng đeaxetyl hóa chitin còn xảy ra trong quá trình tách loại protein bằng kiềm Vì vậy, các mẫu chitin trên thực tế có DDA khác nhau (khoảng 5 - 15%) phụ thuộc vào nguồn gốc và cách điều chế chúng Để thu được chitin có cấu trúc thuần nhất (chỉ gồm các mắt xích GlcNAc) thì phải tiến hành N-axetyl hóa chọn lọc các nhóm amino tự do Khi chitin bị đeaxetyl hóa đáng kể thì trở nên tan trong dung dịch axit axetic loãng

và được gọi là chitosan

O OH

NH2O OH

DDA

O OH

NHCOCH3O OH

chính xác và đơn giản là vấn đề rất quan trọng và cần thiết Có rất nhiều phương pháp đã được áp dụng để xác định DDA của chitin/chitosan như: phân tích nguyên tố, các phương pháp phổ như phổ hồng ngoại (IR), phổ tử ngoại (UV), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NRM): 1H-NRM, 13C-NRM, và

15

N-NRM ở trạng thái rắn, cho phép đo lưỡng sắc cầu, phổ khối, chuẩn độ điện thế, chuẩn độ nitrat (phương pháp chuẩn độ sử dụng bạc nitrat), chuẩn độ với axit picric, chuẩn độ độ dẫn, sắc ký lỏng cao áp, sắc ký khí - lỏng, sắc ký thẩm thấu gel, nhiệt phân - sắc ký khí, sắc ký khí

Trong các phương pháp xác định DA đã được áp dụng thì phổ IR là phương pháp thuận tiện đặc biệt trong trường hợp mẫu ở trạng thái rắn, không hòa tan trong các dung môi Đối với chitosan (tan trong môi trường axit loãng) thì phổ 1H-NRM là phương pháp nhanh, chính xác và có độ nhạy cao

Đo trong dung môi D2O, CD3COOD/D2O hoặc DCl/D2O

2 Phương pháp điều chế chitin/chitosan [8,18]

Chitin có ở nhiều loài khác nhau, từ các loài nấm đến các động vật bậc thấp.Vỏ của các loài động vật chân đốt là nguồn nguyên liệu chính để điều chế chitin, trong thành phần của vỏ các loài động vật này có chứa 20 - 50% chitin tính theo khối lượng khô Vỏ tôm, mai cua là nguồn nguyên liệu phế thải từ công nghiệp chế biến thủy sản, hải sản được sử dụng để sản xuất chitin thương mại Các nguồn nguyên liệu khác để sản xuất chitin là: mai mực, sâu

bọ, tảo, nấm… Thành tế bào một số loại nấm chứa cả chitin cũng như chitosan và được coi là nguồn chitosan tự nhiên Chitosan được điều chế bằng cách thực hiện phản ứng deaxetyl hóa chitin trong môi trường kiềm

2.1 Tách chitin từ vỏ phế thải thủy hải sản [1,4,18,19]

Nguyên tắc chung để điều chế chitin là loại bỏ muối khoáng (chủ yếu là canxicacbonat), protein và các chất màu khỏi phế liệu thủy, hải sản Hai phương pháp chủ yếu được áp dụng để tách chitin/chitosan là phương pháp hóa học và phương pháp lên men vi sinh vật

Theo phương pháp hóa học: Quá trình điều chế chitin được thực hiện

theo các bước : tách khoáng - tách protein - khử màu Muối khoáng thường được tách ra bằng cách xử lý nguyên liệu với dung dịch axit HCl, protein bị thủy phân trong môi trường kiềm, chất màu được loại bỏ bằng dung môi hoặc tác nhân oxi hóa Trong quá trình xử lý, một số nhóm axetamit trong các mạch đại phân tử chitin bị thay thế bởi nhóm amino do phản ứng deaxetyl hóa

Điều chế chitin theo phương pháp hóa học có một số mặt hạn chế như phải sử dụng một lượng lớn kiềm, axit, nước rửa do đó chi phí lớn và gây ô nhiễm môi trường Việc sử dụng axit và kiềm nóng dẫn đến việc cắt giảm mạch chitin tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau

Theo phương pháp xử lý vi sinh vật: Protein được tách khỏi vỏ các loài

giáp xác bằng cách xử lý với enzim hay vi sinh vật theo nguyên tắc: vi khuẩn sinh ra lactic (LAB: lactic acid bacterial) tự có trong phủ tạng của vỏ phế thải (vỏ tôm, cua, mai mực…) với một lượng rất nhỏ cùng với nguồn LAB thuần chủng được bổ sung có tác dụng bảo quản và thủy phân phế thải Hỗn hợp lên men bao gồm: vỏ phế thải, LAB, dung dịch glucozo Trong quá trình lên men, LAB sản sinh ra axit lactic làm giảm pH của môi trường, tạo điều kiện cho quá trình thủy phân protein, thủy phân khoáng tạo thành các lactat canxi, magie…là các muối tan được trong nước Bằng phương pháp ly tâm, phần dung dịch lỏng chứa protein và các muối khoáng hòa tan được loại bỏ thu được phần chitin không hòa tan Để có chitin sạch, có thể xử lý tiếp bằng dung dịch axit và kiềm loãng

Phương pháp điều chế chitin bằng phương pháp lên men vi sinh vật có một số ưu điểm như chi phí thấp, cấu trúc sản phẩm không bị thay đổi nhiều

và đặc biệt là ít gây ô nhiễm môi trường

β-chitin được sản xuất chủ yếu từ mai mực ống theo cách đơn giản hơn

vì thành phần của mai mực ống chủ yếu là chitin, hàm lượng protein và muối

khoáng thường rất thấp Hơn nữa, do sự sắp xếp các mạch đại phân tử trong β-chitin khác hẳn với α-chitin nên α-chitin có các liên kết hidro chặt chẽ hơn,

vì vậy khi xử lý mai mực ống với axit và kiềm thường ở điều kiện êm dịu hơn nhiều so với xử lý vỏ tôm để thu được β-chitin

2.2 Điều chế chitosan [1, 2, 4, 19]

Chitosan là sản phẩm deaxetyl hóa của chitin Chitosan thương mại có nhiều loại với độ deaxetyl hóa khác nhau nhưng thường được điều chế bằng cách deaxetyl hóa chitin trong môi trường kiềm nồng độ 40 - 50% ở 100 -

130oC trong 24 giờ Phản ứng deaxetyl hóa xảy ra như sau:

O

OH

NHCOCH3O OH

n

O OH

NH2O OH

x

O OH

NHCOCH3O OH

y

dd NaOH, to

Sơ đồ 1.2: Điều chế chitosan

Chitosan thu được theo phương pháp này có DDA lên tới 90% Để thu được chitosan có độ deaxetyl hóa cao hơn phải tiến hành phản ứng lặp đi lặp lại nhiều lần Phản ứng deaxetyl hóa β-chitin diễn ra dễ dàng hơn nhiều so với α-chitin: Từ các mẫu α-chitin, β-chitin có DDA tương đương nhau tiến hành phản ứng deaxetyl hóa trong NaOH 30% ở 100oC với thời gian như nhau (2 giờ) thu được β-chitosan với DDA ≈ 70% trong khi đó đối với α-chitin giá trị

đó là ≈ 20% Tuy nhiên khi sử dụng dung dịch kiềm đặc thì bên cạnh phản ứng deaxetyl hóa còn xảy ra phản ứng thủy phân mạch chitin/chitosan làm giảm đáng kể khối lượng phân tử của chitin/chitosan

Ta có thể mô tả quá trình điều chế chitosan từ vỏ mai mực ống qua sơ

NHAc

O

OH

O OH

NH2O OH

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

Ta thấy trong mỗi mắt xích của chitin/chitosan vừa có nhóm chức OH) vừa có nhóm chức amin (-NHCOCH3/NH2) nên có ba trung tâm phản ứng chính, vì vậy nó vừa có tính chất của ancol lại vừa có tính chất của amin

3.2 Phản ứng ở nhóm axetamit

Chitin có khả năng tham gia phản ứng thể hiện tính chất của amin bậc 2 như phản ứng đeaxetyl hóa tạo thành chitosan

O OH

NHCOCH3

O OH

n

O OH

Sơ đồ 1.5: Phản ứng đeaxetyl hóa chitin

Phản ứng trên thường được thực hiện với NaOH 40% ở 120 oC trong 1→3h Hiệu suất đeaxetyl hóa chỉ đạt 70% Điều này có nghĩa là sản phẩm phản ứng là chuỗi polyme vẫn có cả mắt xích N-axetyl-D-glucosamin đan xen với β (1→4) glucosamin

Để đánh giá mức độ đeaxetyl hóa của chitin người ta đưa ra khái niệm

độ đeaxetyl hóa (DDA) được tính theo công thức sau:

DDA =

Với A là tổng số % mắt xích N-axetyl-D-glucosamin

Muốn thu được chitosan đeaxetyl hóa hoàn toàn DDA  0, phải rửa sạch mẫu rồi xử lý kiềm lặp lại nhiều lần

3.3 Phản ứng ở nhóm -NH 2

Phản ứng xảy ra ở nhóm amin -NH2 và nhóm amit - NHCOCH3 hai nhóm này gắn ở vị trí C2 (hay ở vị trí N) Tại đây nhóm -NH2 của chitin/chitosan có đôi điện tử không phân chia do đó về mặt hóa học, chúng

có khả năng phản ứng cao với các tác nhân ái lực electron để tạo ra các dẫn xuất tương ứng

Phản ứng gắn với các nhóm -OH tại C3 (hoặc C6) hay gắn polietylenglycol vào nhóm -NH2 thu được các dẫn xuất có cấu trúc hóa học cồng kềnh nhằm cản trở không gian, làm giảm các liên kết cầu hidro giữa các mạch và trong mạch phân tử của chitin/chitosan như lúc ban đầu, để tạo ra các dẫn xuất tan trong nước

3.4 Phản ứng cắt mạch chitosan

Do quá trình chuyển hóa trong động thực vật chủ yếu xảy ra trong môi trường nước nên chitosan với khả năng tan kém trong nước đã làm hạn chế phần nào hiệu quả và phạm vi ứng dụng Vì vậy, để tăng khả năng ứng dụng của chitosan chúng ta phải cải thiện khả năng tan trong nước của chitosan

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

đó phương pháp đề polyme hóa được coi là phương pháp đơn giản và hiệu quả nhất

Quá trình depolyme hóa là quá trình phả hủy các liên kết glucozit trong mạch đại phân tử dưới các tác nhân cắt mạch như: enzym, hóa chất, chiếu xạ…Các tác nhân cắt mạch phá hủy liên kết glucozit, chuyển hóa chitosan thành oligome có khả năng tan trong nước cao hơn so với đại phân tử chitosan

Có nhiều phương pháp cắt mạch chitosan như: cắt mạch bằng enzym, cắt mạch bằng chiếu xạ, cắt mạch bằng phản ứng hóa học… Trong đó cắt mạch bằng phản ứng hóa học là phương pháp đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất

3.4.1 Phương pháp chiếu xạ

Quy trình chiếu xạ để thủy phân chitosan:

Chitosan bột, đóng gói bằng polyetylen, được chiếu xạ với nguồn tia γ

Co60(coban), tốc độ chiếu 1,4 kGy.h-1, liều chiếu xạ từ 10-500 kGy Chitosan sau khi chiếu xạ được làm trương nở trong nước (100g chitosan/1 lít H2O) trong 30 phút Sau đó cho thêm axit axetic 1N, khuấy trong 4 giờ cho tan hoàn toàn Tiến hành trung hòa bằng 0,5M natribicacbonat, pH của dung dịch

là 6 Dùng H2O2 để khử màu của sản phẩm và các sản phẩm khác trong quá trình chiếu xạ Tiến hành phân tách: Kết tủa bằng dung dịch etanol, sau đó lọc thu được hai dạng sản phẩm, phần kết tủa, phần nước lọc Phần kết tủa được rửa bằng MeOH và làm khô Phần nước trong được cô đặc lại, kết tủa và đem lọc thu hồi sản phẩm Tiến hành đo độ nhớt (η) đồng thời xác định khối lượng phân tử trung bình ( Mw) của sản phẩm Cơ chế của quá trình chiếu xạ:

H H

cacbon Cn, F1, F2 là phần của chuỗi chính Sau khi bị bẻ gãy, độ nhạy chiếu

xạ của phân tử polyme cho trước có thể được đánh giá từ hiệu suất depolyme chiếu xạ của nó

Phương trình của Charlesby Pnner:

D Gd

1

Trong đó Mn là khối lượng phân tử trung bình số của chitosan ở liều lượng hấp thụ được; D và Mno là khối lượng phân tử trung bình số của chitosan ban đầu Kết quả thu được cho thấy chitosan 8B (DDA=99%) thì nhạy cảm hơn phương trình chiếu xạ so với 10B (DDA=90%)

Ưu điểm của phương pháp là không có dư lượng hóa chất nên có độ tinh khiết cao Nhược điểm là yêu cầu có thiết bị đặc biệt, hiệu quả cắt mạch kém hơn so với phương pháp hóa học Phương pháp chiếu xạ phù hợp cho sự phân hủy các loại polyme khác nhau

3.4.2 Phương pháp thủy phân bằng enzym

Có tới hơn 30 loại enzym có thể sử dụng được để phân hủy chitin/chitosan:

chitosanaza, aminaza, hemicellulaza, cellulaza, papain, lysozyme, pepsin…

Trong dó pepsin, papain, pectinaza, có tác nhân lytic tốt hơn các loại enzym khác và hiệu quả cắt mạch polyme cao nhất là sử dụng pectinaza Phương pháp

thủy phân bằng enzym cho phép thu được sản phẩm có dư ít lượng hóa chất Tuy nhiên vấn đề mở rộng quy trình sản xuất còn rất nhiều khó khăn Trong số

các loại enzym được sử dụng loại hemicellulaza có giá thành rẻ hơn cả

Quá trình thủy phân bằng enzym: Chitosan được hòa tan trong dung

dịch axit axetic 1% ÷ 2% khuấy sau 3 giờ, điều chỉnh pH= 5,5 Để qua đêm, sau đó đặt vào bể ổn nhiệt (50o

C với hemixenlluloza) hay tủ ấm (37oC với

pectinaza) Cho dung dịch enzym vào, lượng enzym được tính theo lượng chất

tan (chitosan) Dừng phản ứng cắt mạch sau 3÷30 giờ (tùy từng loại enzym) bằng cách đun sôi dung dịch phản ứng trong 10 phút để tách bỏ enzym Tiến hành lọc,

dung dịch sau khi lọc được trung hòa bằng NaOH 10%, pH đạt giá trị pH=9

Tiến hành ly tâm thu được phần kết tủa, rửa sản phẩm kết tủa bằng etanol nhiều lần Sản phẩm lại được tách bằng sắc ký lỏng cao áp HPLC để phân đoạn

Sơ đồ 1.6: Thủy phân chitosan bằng axit HCl loãng

Một số tác giả thủy phân chitosan bằng cách hòa tan chitosan trong axit HCl (0,5%) với nồng độ polyme 1% ÷ 1,5% khuấy ở 65oC÷100oC trong 3 giờ Sau đó để nguội đến nhiệt độ thường Dùng NaOH để trung hòa (đến pH8) Tiến hành lọc, phần kết tủa được rửa nhiều lần bằng etanol, sau đó làm khô bằng axeton Phần nước trong được tách muối bằng MeOH, sau đó cô đặc lại

và kết tủa trong etanol để thu phần sản phẩm tan trong nước Các nghiên cứu cho thấy độ polyme hóa DP phụ thuộc vào nồng độ axit HCl Khi dùng axit HCl đặc nóng thu được sản phẩm có DP = 2÷5, khi dùng axit HCl loãng (0,5%) thu được sản phẩm có DP ≈ 30…

Các loại axit vô cơ đã được sử dụng như: Axit clohydric (HCl), axit sunfuric (H2SO4), axit photphoric (H3PO4), axit nitric (HNO3) Trong đó axit clohydric được nghiên cứu nhiều hơn cả Do giá thành HCl và khi trung hòa bằng NaOH, sản phẩm phụ là NaCl không độc, dễ tách

Ưu điểm của phương pháp là: Phản ứng cắt mạch xảy ra mạnh nhanh, nhưng các bước tách sản phẩm và dư lượng hoá chất thường khó triệt để, vì vậy việc nghiên cứu lựa chọn điều kiện phản ứng để nhận được sản phẩm mong muốn là rất quan trọng

Sự thủy phân của liên kết glucozit (depolyme hóa) và liên kết N-axetyl của chitosan được nghiên cứu trong HCl đặc hoặc HCl loãng Các kết quả nghiên cứu cho thấy, tốc độ thủy phân của kiên kết glucozit tương đương với

tốc độ đề N-axetyl hóa trong axit loãng Trong khi đó thì liên kết glycozit được thủy phân nhanh hơn 10 lần so với liên kết N-axetyl trong HCl đặc Điều này có thể giải thích bằng cách giả sử rằng, quá trình thủy phân của liên kết N-axetyl là phản ứng SN2, trong khi thủy phân của liên kết glucozit là phản ứng SN1, với bước làm giảm vận tốc là sự hình thành cacbocation

H

Tốc độ tới hạn (Rate-limiting)

O O

Sơ đồ 1.7: Sơ đồ cơ chế phản ứng thủy phân axit liên kết glucozit của chitosan

Cơ chế được chấp nhận của quá trình thủy phân liên kết glucozit (phản ứng S N 1)

O O

OH

CH2OH

O NH

CH3 O

O OH

CH2OH

O NH

CH3 OH

O O

OH

CH2OH

O NH

CH 2 OH

O

NH3

Sơ đồ 1.8: Cơ chế thủy phân liên kết N-axetyl (phản ứng S N 2)

Trên đây là sơ đồ mô tả cơ chế thủy phân liên kết N-axetyl và liên kết

glucozit của chitosan bằng axit

- Thủy phân liên kết glucozit (phản ứng SN1)

 Phương pháp oxy hóa cắt mạch bằng tác nhân H 2 O 2

Các tác nhân oxy hóa được sử dụng như là: HNO3/NaNO2, H2O2

Cơ chế đề polyme trong hệ chitosan và H2O2 như sau:

(3*) HOO- không bền dễ bị phân hủy tạo nhóm OH- hoạt động mạnh

HO HOO

thành sản phẩm oxy hóa tan trong nước với khối lượng phân tử thấp Nghiên cứu phổ FT-IR không có sự thay đổi trong cấu trúc của chuỗi chitosan trong quá trình depolyme hóa

4 Sơ lƣợc về kim loại

4.1 Giới thiệu về kim loại nặng và ảnh hưởng của chúng đến môi trường

Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm3 Chúng có thể tồn tại trong khí quyển (dạng hơi), thuỷ quyển (các muối hoà tan), địa quyển (dạng rắn không tan, khoáng, quặng ) và sinh quyển (trong

cơ thể con người, động thực vật) Cũng như nhiều nguyên tố khác, các kim loại nặng có thể cần thiết cho sinh vật cây trồng hoặc động vật, hoặc không cần thiết Những kim loại cần thiết cho sinh vật nhưng chỉ có nghĩa “cần thiết” ở một hàm lượng nhất định nào đó, nếu ít hơn hoặc nhiều hơn thì lại gây tác động ngược lại Những kim loại không cần thiết, khi vào cơ thể sinh vật ngay cả ở dạng vết (rất ít) cũng có thể gây tác động độc hại Với quá trình trao đổi chất, những kim loại này thường được xếp loại độc Ví dụ như niken, đối với thực vật thì niken không cần thiết và là chất độc, nhưng đối với động vật, niken lại rất cần thiết ở hàm lượng thấp

Với những kim loại cần thiết đối với sinh vật cần lưu ý về hàm lượng của chúng trong sinh vật Nếu ít quá sẽ gây ảnh hưởng tới quá trình trao đổi chất, nếu nhiều quá sẽ gây độc Như vậy sẽ tồn tại một khoảng hàm lượng tối

ưu của kim loại, và chỉ có giá trị ở đúng sinh vật hay một cơ quan của sinh vật

mà nó có tác dụng, ở giá trị này sẽ có tác động tích cực lên sự phát triển hoặc sản phẩm của quá trình trao đổi chất Kim loại nặng trong môi trường thường không bị phân huỷ sinh học mà tích tụ trong sinh vật, tham gia chuyển hoá sinh học tạo thành các hợp chất độc hại hoặc ít độc hại hơn Chúng cũng có thể tích tụ trong hệ thống phi sinh học (không khí, đất nước, trầm tích) và được chuyển hoá nhờ sự biến đổi của các yếu tố vật lý và hoá học như nhiệt

độ áp suất dòng chảy, oxy, nước Nhiều hoạt động nhân tạo cũng tham gia vào quá trình biến đổi các kim loại nặng và là nguyên nhân gây ảnh hưởng tới vòng tuần hoàn vật chất hoá địa, sinh học của nhiều loại

Ảnh hưởng sinh học và hoá học của kim loại nặng trong môi trường còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ hoà tan của các muối, tính oxy khử, khả năng tạo phức và khả năng tích tụ sinh học Ví dụ, muối của các kim loại

dễ tan hơn muối của kim loại kiềm thổ nên chúng dễ đi vào thuỷ quyển hơn Một số hợp chất kim loại có tính oxy hoá mạnh sẳn sàng tham gia các phản ứng trao đổi tạo nên các chất mới Các dẫn xuất của N, S dễ kết hợp với các cacbua kim loại nặng (Zn2+, Co2+, Mn2+, Fe2+ ) tạo thành các phức chất bền vững Một số kim loại nặng lại có thể tạo nên các bậc oxy hoá khác nhau bền vững trong điều kiện môi trường để tham gia phản ứng oxi hoá khử chuyển hoá thành chất ít độc hơn ( Fe2+/Fe3+) Một số kim loại tham gia phản ứng chuyển hoá sinh học với thành phần trong cơ thể sống tạo nên các hợp chất cơ- kim loại ( alky hoá như (CH3)2Hg, CH3Hg+, ) tích tụ trong sinh vật và gây tác động độc hại

Các kim loại nặng không phân bố đều trong các thành phần môi trường cũng như ngay cả trong một thành phần môi trường cho nên hàm lượng kim loại nặng ở một số khu vực địa phương thường rất có ý nghĩa trong quá trình tuần hoàn của kim loại Một số kim loại nặng tồn tại trong nước ở dạng hoà tan nhưng cũng có nhiều kim loại nặng lại tạo thành trong nước ở dạng khó hoà tan và tham gia vào các chuyển hoá sinh học Trong đáy biển có nhiều mỏ quặng kim loại ( ví dụ: Mangan )

4.2 Ô nhiễm kim loại nặng và hậu quả của chúng

Ngày nay con người tiếp xúc trực tiếp với kim loại nặng ở nhiều dạng phức khác nhau Kim loại nặng đã đi vào cơ thể con người và sinh vật qua chuỗi thức ăn Loài người tiếp xúc lâu dài với các kim loại độc hại trong môi trường với liều lượng khác nhau Giáo sư Jerome Nriagu thuộc trường đại học

Michigan khẳng định: “Hơn 1 tỷ người đã thành các vật thí nghiệm thực sự khi tiếp xúc với những kim loại độc có hàm lượng cao trong môi trường” Theo tác giả này, nhiều triệu người bị các chứng nhiễm độc kim loại dưới mức phát bệnh Như ta sẽ thấy sau đây, phần lớn những người nhiễm độc ở các nước đang phát triển, Liên xô cũ và Trung Âu, nhưng có nhiều khu đô thị của các nước phát triển đã trở thành nơi bị ô nhiễm nặng bởi kim loại Sự nhiễm độc ngày càng tràn lan, nhất là nếu như việc xả chất thải cứ tiếp tục theo mức độ hiện nay thì ta khó lòng hy vọng sự tăng trưởng này có khi nào giảm đi được Trong một nghiên cứu số lượng kim loại xả ra trên toàn cầu, khẳng định là nó gia tăng ở thế giới thứ ba, có lẽ do việc các công nghiệp gây

ô nhiễm nhất được đưa sang các nước phương Nam và giảm bớt ở các nước công nghiệp, do đó người và các sinh vật khác phải tiếp xúc với kim loại ở mức cao hơn nhiều so với mức họ vẫn sống” Về mặt này, thuỷ ngân, Crom, Cadimi, Chì ở trong số những kim loại nặng độc hại nhất, sau đó đến Đồng

Nếu ta loại trừ các kim loại độc hại nhất hoặc các kim loại không có chút ích lợi nào cho người mà ta đã biết như Chì, Cadimi thì ở đây cũng thế,

“ chính là liều lượng tạo chất độc”, như Paracelse đã nói ở thời Trung cổ Trong một chế độ ăn uống bình thường, người ta tiêu thụ từ 2 đến 5 mg đồng mỗi ngày Thấp hơn số lượng này sinh ra bệnh thiếu máu và ở trường hợp đặc biệt của các trẻ em, người ta thấy có sự chậm tâm thần vận động, nhưng nếu liều lượng cao hơn 15 mg/ngày, những triệu chứng nôn mữa và đau bụng xuất hiện và ở các ca nghiêm trọng có thể tiến đến hôn mê và tử vong