Nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng phân tử, độ deacetyl và dạng tồn tại của chitosan đến hoạt tính chống oxy hóa in vitro

Chitin là một polysaccharide được tìm thấy trong vỏ cua và tôm và các tế bào của nấm, dẫn xuất deacetyl từ chitin là chitosan có nhiều tính chất hóa lý và hoạt tính sinh học có thể ứng d

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM



NGUYỄN THỊ THÚY VI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI LƯỢNG

PHÂN TỬ, ĐỘ DEACETYL VÀ DẠNG TỒN TẠI CỦA CHITOSAN ĐẾN HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HÓA INVITRO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỦY SẢN

NHA TRANG, THÁNG 6 NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM



NGUYỄN THỊ THÚY VI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI LƯỢNG

PHÂN TỬ, ĐỘ DEACETYL VÀ DẠNG TỒN TẠI CỦA CHITOSAN ĐẾN HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HÓA INVITRO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỦY SẢN

GVHD: TS HUỲNH NGUYỄN DUY BẢO

NHA TRANG, THÁNG 6 NĂM 2017

i

LỜI CÁM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Nha Trang đến nay em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đại học Em xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban Chủ nhiệm Khoa Công nghệ Thực phẩm đã tạo điều kiện cho em học tập và nghiên cứu chuyên môn của mình Lời cám ơn chân thành tới TS Huỳnh Nguyễn Duy Bảo đã trực tiếp, tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian làm thực tập tốt nghiệp

Xin chân thành cám ơn quý thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Nha Trang đã tận tình giúp đỡ giải đáp những thắc mắc khó khăn tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án

Cám ơn cán bộ các phòng thí nghiệm Công nghệ Chế biến, Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sinh học thuộc Trung tâm Thí nghiệm Thực hành, Trường Đại Học Nha Trang đã tạo điều kiện cho em hoàn thành đề tài của mình

Cám ơn sự giúp đỡ của gia đình và bạn bè đã động viên, khích lệ trong thời gian vừa qua

Xin chân thành cảm ơn

Nha Trang, tháng 06 năm 2017 Sinh viên thực hiện

NGUYỄN THỊ THÚY VI

\

ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC H NH vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 CẤU TẠO, TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHITOSAN 4

1.1.1 Cấu tạo 4

1.1.2 Tính chất của chitosan 5

1.1.2.1 Tính chất vật lý 6

1.1.2.2 Tính chất hóa học 12

1.1.2.3 Hoạt tính sinh học 13

1.1.3 Ứng dụng của chitosan 16

1.1.3.1 Ứng dụng chitosan trong thực phẩm 16

1.1.3.2 Ứng dụng chitosan trong nông nghiệp và thủy sản 17

1.1.3.3 Ứng dụng chitosan trong xử lý nước 18

1.1.3.4 Ứng dụng chitosan trong y học và công nghệ sinh học 18

1.2 HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HÓA CỦA CHITOSAN 19

1.2.1 Cơ chế chống oxy hóa của chitosan 19

1.2.2 Ảnh hưởng của độ deacetyl (DD) chitosan đến hoạt tính chống oxy hóa 20

1.2.3 Ảnh hưởng của khối lượng phân tử (MW) chitosan đến hoạt tính chống oxy hóa 21

1.2.4 Ảnh hưởng của dạng tồn tại chitosan đến hoạt tính chống oxy hóa 23

1.2.4.1 Hoạt tính chống oxy hóa của muối chitosan (chitosan hydrochloride) 23

1.2.4.2 Hoạt tính chống oxy hóa của nano chitosan 25

1.3 QUÁ TR NH OXY HÓA VÀ CHẤT CHỐNG OXY HÓA 28

1.3.1 Quá trình oxy hóa 28

iii

1.3.2 Cơ chế hoạt động của chất chống oxy hóa 30

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HÓA 31

1.4.1.Các phương pháp quang phổ 31

1.4.1.1 Phương pháp khử gốc tự do DPPH (Scavenging ability towards DPPH radicals): 31

1.4.1.2 Phương pháp tổng năng lực khử (Total reducing power ability) 32

1.4.1.3 Phương pháp đánh giá hoạt tính chống oxy hóa dựa và khả năng khử gốc hydroxyl tự do 32

1.4.1.4 Phương pháp Fenton: Phương pháp đánh giá hoạt tính chống oxy hóa dựa vào phản ứng Fenton trong hệ Lipid/Metmyoglobin/H2O2 33

1.4.1.5 Phương pháp TEAC (Trolox equivalent antioxydant capacity): Xác định hoạt tính chống oxy hóa so với khả năng chống oxy hóa của Trolox 34

1.4.1.6 Phương pháp ORAC (Oxygen radical absorbance capacity): Xác định khả năng hấp thụ gốc chứa oxy hoạt động 34

1.4.1.7 Phương pháp TRAP (Total radical-trapping antioxydant potential): Xác định khả năng bẩy các gốc tự do 35

1.4.1.8 Phương pháp FRAP (Ferric reducing-antioxydant power): Lực chống oxy hóa bằng phương pháp khử sắt 35

1.4.1.9 Xác định chỉ số acid thiobarbituric (TBARS) hay molodialdehyde (MDA) 36

1.4.2.Các phương pháp điện hóa 37

1.4.2.1 Cyclic voltammetry 37

1.4.2.2 Phương pháp amperometric 37

1.4.2.3 Phương pháp biamperometric: 37

1.4.3 Các phương pháp sắc ký 38

1.4.3.2 Sắc ký lỏng hiệu năng cao (high performance liquid chromatography): 39

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ HÓA CHẤT 40

2.1.1 Nguyên vật liệu 40

iv

2.1.2 Hóa chất 43

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43

2.2.1 Bố trí thí nghiệm 43

2.2.1.1 Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến khả năng chống oxy hóa 43

2.2.1.2 Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của độ deacetyl chitosan đến khả năng chống oxy hóa 44

2.2.1.3 Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của dạng tồn tại (tự nhiên, muối, nano) chitosan đến khả năng chống oxy hóa 46

2.2.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 48

2.2.2.1 Xác định hoạt tính chống oxy hóa của chitosan bằng phương pháp khử gốc tự do DPPH 48

2.2.2.2 Phương pháp phân tích hoạt tính chống oxy hóa của chitosan dựa vào tổng năng lực khử 49

2.2.2.3 Xác định hoạt tính chống oxy hóa của chitosan bằng phương pháp phản ứng fenton 51

2.3 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU 52

CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53

3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI LƯỢNG PHÂN TỬ CHITOSAN ĐẾN HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HÓA 53

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ DEACETYL CHITOSAN ĐẾN HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HÓA 59

3.3 ẢNH HƯỞNG DẠNG TỒN TẠI CỦA CHITOSAN ĐẾN HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HÓA 67

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGH 76

4.1 KẾT LUẬN 76

4.2 KIẾN NGH 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu viết tắt Viết đầy đủ

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Đặc điểm của các loại Chitosan 41

vii

DANH MỤC H NH

Hình 1.1 Sự chuyển đổi cấu trúc khi deacetyl hóa chitin 4

Hình 1.2 Công thức hóa học của chitosan 5

Hình 1.3 Tỉ lệ nhóm chức trong cấu trúc của chitin và chitosan 8

Hình 1.4 Sơ đồ cơ chế depolyme hóa chitosan dưới tác nhân hóa học 11

Hình 1.5 Cấu tạo phân tử của chitosan hydrochloride 24

Hình 1.6 Liên kết ion giữa chitosan và TPP 26

Hình 1.7 Sơ đồ chuyển đổi cấu trúc của DPPH trong hệ phản ứng 31

Hình 1.8 Phản ứng tạo phức màu xanh dương 32

Hình 1.9 Sơ đồ tóm tắt cơ chế phản ứng 33

Hình 1.10 Cơ chế phản ứng của phương pháp FRAP (MDA) 36

Hình 1.11 Phản ứng tạo màu của MDA và TBA 36

Hình 2.1 Đặc điểm các mẫu chitosan 42

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến khả năng chống oxy hóa 44

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của độ deacetyl chitosan đến khả năng chống oxy hóa 45

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của dạng tồn tại (tự nhiên, muối, nano) chitosan đến khả năng chống oxy hóa 47

Hình 2.5 Đường chuẩn DPPH 49

Hình 2.6 Đường chuẩn BHT 51

Hình 3.1 Hoạt tính khử gốc tự do DPPH của chitosan có khối lượng phân tử khác nhau 53

Hình 3.2 Tổng năng lực khử của chitosan có khối lượng phân tử khác nhau 56

Hình 3.3 Hoạt tính ức chế sự oxy hóa lipid của chitosan có khối lượng phân tử khác nhau 57

Hình 3.4 Hoạt tính khử gốc tự do DPPH của chitosan có độ deacetyl khác nhau 60

Hình 3.5 Tổng năng lực khử của chitosan có độ deacetyl khác nhau 62

Hình 3.6 Hoạt tính ức chế sự oxy hóa lipid của chitosan có độ deacetyl khác nhau 64

viii

Hình 3.7 Hoạt tính khử gốc tự do DPPH của chitosan tồn tại ở các dạng khác nhau 68 Hình 3.8 Tổng năng lực khử của chitosan tồn tại ở các dạng khác nhau 71 Hình 3.9 Hoạt tính ức chế sự oxy hóa lipid của chitosan tồn tại ở các dạng khác

nhau 74

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Quá trình oxy hóa nói chung và oxy hóa chất béo nói riêng là một trong những phản ứng phổ biến xảy ra ở sản phẩm thực phẩm Đặc biệt là quá trình oxy hóa chất béo hóa học, đây là quá trình tự oxy hóa của lipid trong nguyên liệu thực phẩm dưới

sự tấn công các gốc tự do cũng như kết hợp với oxy phân tử Sản phẩm đầu tiên của quá trình là hydroperoxyt và sau đó là các sản phẩm thứ cấp khác như rượu, xeton, aldehyt,… Đây chính là nguyên nhân bắt nguồn của sự suy giảm giá trị, chất lượng của thực phẩm Ở nhiều trường hợp, sự oxy hóa lipid còn ảnh hưởng đến các giá trị dinh dưỡng khác của thực phẩm chẳng hạn như như vitamin và protein, người ta còn cho rằng sản phẩm của quá trình oxy hóa chất béo là nguyên nhân gián tiếp gây

ra những căn bệnh mãn tính cho cơ thể trong đó có xơ vữa động mạch [8] Một trong những cách hiệu quả nhất để làm chậm quá trình oxy hóa trong thực phẩm là

sử dụng chất chống oxy hóa

Hiện nay, trong công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm người ta thường dùng chất chống oxy hóa tổng hợp như BHT, BHA, TBHQ Tuy nhiên, việc sử dụng các chế phẩm tổng hợp gần đây đã đặt ra nhiều vấn đề lo ngại đối với sức khỏe người tiêu dùng Do đó, việc nghiên cứu các hợp chất chống oxy hóa tự nhiên

có tác dụng ngăn chặn quá trình oxy hóa nhằm kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm đang được đẩy mạnh Bên cạnh các chống oxy hóa từ tự nhiên như: Anthocyanin, Pterostilbene, β-caroten, chất khoáng selen, các hợp chất flavonoid, polyphenol,… một số hợp chất polymer trong tự nhiên nữa cũng có hoạt tính chống oxy hóa Trong đó, đáng chú ý là các dẫn xuất từ chitin, chúng tồn tại rất nhiều trong tự nhiên và sản lượng lên tới khoảng vài nghìn tấn mỗi năm

Chitin là một polysaccharide được tìm thấy trong vỏ cua và tôm và các tế bào của nấm, dẫn xuất deacetyl từ chitin là chitosan có nhiều tính chất hóa lý và hoạt tính sinh học có thể ứng dụng như một chất bảo quản thực phẩm tự nhiên tiềm năng

đã được công nhận là an toàn (GRAS) của Cục Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ

2

(FDA) vào năm 2001 [20] Chitosan đã được quan tâm trong ngành công nghiệp thực phẩm và được sử dụng rộng rãi vì tính chất tạo màng của nó, sự tương thích sinh học tốt, kháng khuẩn, chống oxy hóa, chi phí thấp, an toàn và là một nguồn tài nguyên tái tạo Việc sử dụng chitosan như phụ gia chống oxy hóa đã được báo cáo trong nhiều nghiên cứu, năng lực của polymer này được thể hiện thông qua tương tác giữa ion các nhóm amin của nó với các gốc tự do Chitosan đã được ứng dụng như chất chống oxy hóa trong bảo quản dâu tây, cam, các loại nước ép táo, đậu phộng, khoai tây chiên, bánh hamburger và thịt bò [19], [20] Đã có một vài nghiên cứu ứng dụng tính kháng khuẩn của chitosan trong bảo quản thực phẩm như các loại hoa quả và rau, các loại thịt, cá, nước quả Tuy vậy, các nghiên cứu còn chưa nhiều

và chưa đưa ra được các quy trình ứng dụng chitosan và dẫn xuất của nó trong bảo quản thịt, cá Các nghiên cứu ứng dụng khả năng chống oxy hóa của chitosan trong bảo quản thực phẩm còn rất hiếm Gần đây, khi chitosan trở thành nhu cầu trong nhiều ngành công nghiệp và có giá trị thì rất nhiều cơ quan nghiên cứu ở Việt Nam như: Đại học Nha Trang, Đại học Nông Lâm, Đại học Bách khoa Hà Nội,… đã tập trung vào nghiên cứu và ứng dụng hợp chất này Tuy nhiên, chất lượng sản xuất và ứng dụng của nó chưa được đánh giá đầy đủ Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng chitosan sản xuất từ phế liệu chế biến tôm tại Việt Nam mang ý nghĩa thực tiễn cao, có cơ sở khoa học và tiềm năng

Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng phân tử, độ deacetyl và dạng

tồn tại (tự nhiên, muối, nano) chitosan đến hoạt tính chống oxy hóa in vitro” nhằm

mục đích đánh giá khả năng chống oxy hóa của các loại chitosan khác nhau được

tách chiết từ vỏ tôm sú (Penaeus monodon) ở Việt Nam để có cơ sở sản xuất và ứng

dụng chitosan làm chất chống oxy hóa trong bảo quản và chế biến thực phẩm

2 Nội dung nghiên cứu

- Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến khả năng chống oxy hóa

- Khảo sát ảnh hưởng của độ deacetyl chitosan đến khả năng chống oxy hóa

3

- Khảo sát ảnh hưởng của dạng tồn tại (tự nhiên, nuối, nano) chitosan đến khả năng chống oxy hóa

3 Mục tiêu nghiên cứu

Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng phân tử, độ deacetyl và dạng tồn tại (tự nhiên, muối, nano) chitosan đến hoạt tính chống oxy hóa, nhằm mục đích đánh giá khả năng chống oxy hóa của các loại chitosan khác nhau để có cơ sở sản xuất và

ứng dụng chitosan làm chất chống oxy hóa trong bảo quản và chế biến thực phẩm

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Xác định được ảnh hưởng của khối lượng phân tử, độ deacetyl và dạng tồn tại (tự nhiên, muối, nano) chitosan đến hoạt tính chống oxy hóa

- Tạo ra dẫn liệu khoa học có giá trị tham khảo cho sinh viên và cán bộ kỹ thuật trong ngành công nghệ thực phẩm

nhận được những góp ý từ quý thầy cô để báo cáo được hoàn chỉnh hơn

Chitosan là polimer hữu cơ có cấu trúc tuyến tính từ các đơn vị β-D glucosamin liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4 glucoside [7]

Hình 1.1 Sự chuyển đổi cấu trúc khi deacetyl hóa chitin

Trong thực tế thường có mắt xích chitin đan xen trong mạch cao phân tử chitosan khoảng 10% Vậy công thức chính xác của phân tử chitossan:

5

Hình 1.2 Công thức hóa học của chitosan

(Trong đó tỷ lệ m/n phụ thuộc vào mức độ deacetyl hóa.)

Công thức phân tử: ( C6H11O4 )n

Phân tử lượng: Mchitosan = (161,07)n[6]

Chitosan có tên khoa học là poly [-(1-4)-2-amido-2-deoxy-D glucopyranose] Cấu trúc phân tử của chitosan là polysacarit mạch thẳng được cấu tạo từ các 2-amino-2-deoxy-β-D-glucopyranose (D-glucosamine, đơn vị đã deacetyl hóa), 2-acetamido-2-deoxy-β-D-glucopyranose (N-acetyl-D-Glucosamine, đơn vị chứa nhóm acetyl) liên kết tại vị trí β (1,4)[53]

Các nhóm chức năng phản ứng của chitosan bao gồm nhóm amino và các nhóm hydroxyl ở các vị trí C2, C3 và C6 tương ứng Lượng gốc amin của chitosan chính là yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc và các tính chất hóa lý của chúng [45]

1.1.2 Tính chất của chitosan

Chitosan ở dạng bột có màu trắng ngà, còn ở dạng vảy có màu trắng hay hơi vàng, không mùi vị Chitosan có tính kiềm nhẹ, không tan trong nước Chitosan được biết là một polymer tự nhiên không có độc tính, có đặc tính tương thích sinh học [10], [18]

Chitosan tan tốt trong các acid hữu cơ thông thường như acid formic, acid acetic, acid propionic, acid citric, acid lactic pKa của chitosan có giá trị từ 6,2 đến 6,8 Khi hòa tan chitosan trong môi trường acid loãng tạo thành keo dương Đây là một điểm rất đặc biệt vì đa số các keo polysaccharide tự nhiên tích điện âm Chitosan tích điện dương sẽ

và cộng sự [10] cho thấy khả năng hút nước của chitosan có độ deacetyl thấp (75%) đạt đến 659% cao hơn nhiều so với chitosan có độ deacetyl hóa cao (96%) chỉ đạt 486% [10] Các tính chất hóa lý của chitosan phụ thuộc nhiều vào nguồn gốc của chitin và các điều kiện quả quá trình sản xuất Chitin/ Chitosan Ngoài ra, những đặc tính của Chitosan còn được quyết định bởi khối lượng phân tử (MW), độ deacetyl (DD) và các thông số hóa lý khác [10], [31]

1.1.2.1 Tính chất vật lý

Khả năng hòa tan của chitosan

Trong khi chitin không có khả năng hòa tan trong hầu hết các dung môi hữu

cơ thì chitosan lại dễ dàng hòa tan trong dung dịch axit loãng có pH dưới 6 Các axit hữu cơ như acetic, formic, axit lactic được sử dụng để hòa tan chitosan và thông dụng nhất là dung dịch axit axetic 1% có pH khoảng 4 Chitosan cũng là hòa tan trong axit hydrocloric (HCl) 1% nhưng không tan trong axit sulfuric (H2SO4) và photphoric (H3PO4) Khả năng hòa tan của chitosan trong các axit vô cơ là khá hạn chế Dung dịch axit axetic đậm đặc ở nhiệt độ cao có thể gây ra depolymer hóa mạch chitosan [28], [53] Ở pH lớn hơn 7, khả năng hòa tan của chitosan rất kém Tại pH cao hơn, sự kết tủa hay gel hóa có xu hướng xảy ra và dung dịch chitosan tạo phức ion cao phân tử với các anion hydrocolloid dẫn đến sự hình thành gel [29] Khả năng hòa tan của chitosan thường được kiểm tra bằng axit axetic bằng cách hoà tan nó trong 1% hoặc 0,1 M axit axetic Chúng tôi đã chứng minh rằng

Chit-NH2 + H+  Chit-NH3+

Tính chất này của chitosan còn được sử dụng để xác định độ deacetyl của chitosan thông qua phương pháp chuẩn độ pH Lượng ion H+ cần thiết để chuẩn độ dung dịch chitosan vào khoảng giá trị pH 6-6.5 tương ứng với số nhóm –NH2 trong chitosan [36]

Ở môi trường pH > 6,5 Sự hòa tan của chitosan bị kìm hãm, trong khi tại

pH < 6 chitosan có khả năng hòa tan, mang điện tích dương bởi sự hiện diện của các nhóm amin proton Tại khoảng pH giữa 6.0 và 6.5 trong dung dịch, phân tử chitosan trở nên ít các nhóm amin tự do dương hơn và các nhóm kỵ nước tăng dần dọc theo chuỗi phân tử Các lực đẩy (repulsive forces) giữa các nhóm ion trong mạch polymer phát sinh do tác dụng của một điện trường cao (high electric field) trong quá trình xoay chiều hạn chế (electrospinning restrict) sự hình thành của các sợi liên tục và thường hình thành trạng thái hạt [29]

Do đó, sự kết lắng của chitosan (chitosan self-aggregates) có thể được hình thành trong dung dịch đệm acetate bởi các tương tác kỵ nước nội phân tử và liên phân tử Ở dạng là một cation điện ly cao phân tử, tại độ pH thấp (dưới 6) chitosan

có thể tương tác tĩnh điện với các phân tử tích điện âm hoặc các polymer Ở pH cao hơn (trên 6.5) nhóm amin của chitosan được deproton hóa (mất dần tính dương cực)

và tương tác kỵ nước với một số chất (ví dụ, các axit béo và cholesterol) [18]

8

Độ deacetyl của chitosan

Quá trình deacetyl hóa liên quan đến việc loại bỏ các nhóm acetyl từ chuỗi phân

tử chitin, tạo thành một hợp chất chitosan với nhóm amin (-NH2) có khả năng tương tác hóa học cao Mức độ acetyl hóa là tỷ lệ giữa 2-acetamido-2-deoxy-D-glucopyranose với các đơn vị cấu trúc 2-amino-2-deoxy-D-glucopyranose Mức độ deacetyl hóa có thể được sử dụng để phân biệt giữa chitin và chitosan vì nó quyết định hàm lượng các nhóm amin tự do trong các polysaccharide Tỷ lệ này ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của chitin và tính chất dung dịch [47] Chitin có độ deacetyl thấp còn chitosan thì có độ deacetyl cao, tức là chứa nhiều nhóm amino [10]

Về mặt định lượng thì ĐĐA là tỉ số giữa số nhóm -NH2 so với tổng số nhóm

-NH2 và nhóm -NHCOCH3 trong phân tử chitin/CTS ĐĐA là thông số cơ bản dùng

để phân biệt chitin với CTS CTS thường có ĐĐA > 50%, nghĩa là số nhóm NH2 >

số nhóm -NHCOCH3 Sự khác biệt về số lượng của các nhóm trên dẫn tới sự khác biệt rõ rệt về tính chất của hai loại polyme này CTS có ĐĐA khác nhau dẫn tới sự khác nhau về KLPT, độ nhớt, khả năng hòa tan trong axit Khi chitin được đề axetyl hóa, do điều kiện khắt khe của sự đề axetyl hóa như nồng độ NaOH, nhiệt độ, thời gian dẫn đến sự cắt mạch làm cho CTS tạo thành có độ dài mạch ngắn hơn so với chitin gốc ĐĐA càng cao thì KLPT và độ nhớt càng giảm [4]

Hình 1.3 Tỉ lệ nhóm chức trong cấu trúc của chitin và chitosan

9

Trong thực tế để hòa tan chitin, người ta phải sử dụng các dung môi độc hại cao như liticlorua (LiCl) và dimetylacetamin, trong khi chitosan lại dễ dàng hòa tan trong dung dịch axit axetic loãng Ngoài ra chitosan sở hữu nhóm amin tự do là một nhóm rất hoạt động trong nhiều phản ứng hóa học Mức độ deacetyl hóa chitosan dao động trong khoảng từ 56% đến 99% với mức trung bình là 80% tùy thuộc vào nguồn gốc nguyên liệu và phương pháp sản xuất

Nhiều phương pháp đã được biết đến để xác định mức độ deacetyl hóa của chitosan Bao gồm phương pháp kiểm ninhydrin, chuẩn độ điện thế tuyến tính, quang phổ cận hồng ngoại, quang phổ cộng hưởng hạt nhân, chuẩn độ hydro bromua (HBr), quang phổ hồng ngoại, phổ UV Trong đó, phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR spectroscopy) lần đầu tiên được nghiên cứu bởi Moore và Roberts [43], là phương pháp thường được sử dụng để tính toán độ deacetyl hóa (DD) của chitosan Phương pháp này có một số ưu và nhược điểm nhất định Phương pháp này tương đối nhanh và khác với các phương pháp quang phổ khác, không đòi hỏi

độ tinh khiết của mẫu được thử nghiệm và sự hòa tan của mẫu chitosan trong dung môi lỏng Tuy nhiên, phương pháp IR sử dụng đường chuẩn (baseline) để tính toán

DD, như vậy có thể làm thay đổi trong giá trị DD được tính toán do sự khác biệt về các đường chuẩn trong thí nghiệm Đối với chuẩn bị mẫu, loại dụng cụ được sử dụng và điều kiện có thể ảnh hưởng đến việc phân tích mẫu Chitosan có tính hút

ẩm, mẫu phân tích có DD thấp hơn có thể hấp thụ ẩm nhiều hơn so với những mẫu

có DD cao hơn, Cho nên việc đảm bảo các mẫu được phân tích phải khô hoàn toàn

là rất quan trọng [4], [43]

Ngoài độ deacetyl thì sự phân bố của các nhóm glucosamine cũng ảnh hưởng đến tính chất của chitosan Cụ thể, chitosan phân bố dạng rời rạc dễ tan hơn chitosan phân bố dạng khối [10]

D-D-A-D-D-A-A-D-D-D-A-D-D-A-D-D-A-A- Phân bố dạng random (rời rạc) của phân tử chitosan D-D-D-D-D-D-D-D-D-A-A-A-A-A-A-A-A-A- Phân bố dạng block (dạng khối) của phân tử chitosan

10

Trong đó: D: D-glucosamine

A: N-acetyl glucosamine

Phân tử lượng của chitosan

Phân tử lượng của chitosan là một thông số cấu trúc quan trọng, nó quyết định tính chất của chitosan như khả năng kết dính, tạo màng, tạo gel, khả năng hấp phụ chất màu, đặc biệt là khả năng ức chế vi sinh vật Chitosan có phân tử lượng càng lớn thì có độ nhớt càng cao Thông thường, phân tử lượng của chitosan nằm trong khoảng từ 100000 dalton đến 1200000 dalton Phân tử lượng của chitosan phụ thuộc vào nguồn chitin và điều kiện deacetyl va thường rất khó kiểm soát Tuy nhiên, chitosan có phân tử lượng thấp thì thường có hoạt tính sinh học cao hơn, thường có nhiều ứng dụng trong nông nghiệp, y học và công nghệ sinh học, chitosan có phân tử lượng lớn có khả năng tạo màng tốt và màng chitosan tạo thành

có sức căng tốt Độ nhớt của chitosan phụ thuộc và phân tử lượng Chitosan có phân

tử lượng thấp có độ nhớt từ 32-200cps và có phân tử lượng lớn hơn 1 triệu dalton có

độ nhớt lên đến 3000-4000 cps Ngoài ra, độ nhớt của chitsosan còn phụ thuộc vào

độ deacetyl, cường độ ion, pH, nhiệt độ [10]

Về mặt ứng dụng, do bị hạn chế bởi các tính chất như độ nhớt cao và kém hòa tan ở pH trung tính mà người ta sử dụng nhiều phương pháp để làm giảm khối lượng phân tử của chitosan bằng cách thủy phân mạch polymer chitosan (cắt mạch) Tách mạch polymer có thể được thực hiện dưới các tác nhân hóa học, enzym hay vật lý Depolymer hóa hóa học (hình 1.4) chủ yếu là dưới tác động thủy phân của HCl hay phản ứng oxy hóa dưới tác động của HNO2 và H2O2, HNO2 tấn công vào nhóm amino, tiếp theo là sự phân tách của các liên kết lycoside liền kề Đối với phương pháp enzym, nhiều loại enzym như chitinase, chitosanase, gluconase and một số proteases Ngoài ra, còn một số enzym không đặc trưng bao gồm lysozyme, cellulase, lipase, amylase và pectinase có khả năng phân tách mạch polymer của chitosan Depolymer vật lý sử dụng tia phóng xạ (tia gamma Co-60) để phân tách mạch thành dạng dimer (nhị trùng hợp), trimer và tetramer [28]

độ nhớt của chitosan bị ảnh hưởng đáng kể bởi các biện pháp xử lý vật lý (nghiền, gia nhiệt, hấp khử trùng, siêu âm) và hóa học (sử lý bằng ozon), trừ quá trình làm lạnh thì nó sẽ giảm khi thời gian và nhiệt độ xử lý tăng Dung dịch chitosan bảo quản ở 4°C được cho là ổn định nhất [43]

Độ nhớt của CTS trong axit axetic bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như ĐĐA, KLPT, pH, nhiệt độ Các hằng số về độ nhớt trong phương trình Mark – Houwink

chitosan như: phản ứng este hóa, phản ứng amin hóa, tạo phức ion kim loại [34]

Chitosan có khả năng tạo phức tốt nhờ các nhóm –NH2 trên chuỗi tham gia vào các tương tác đặc trưng với các kim loại Bản chất của các cation là rất quan trọng trong cơ chế tương tác tạo thành phức chất, ái lực của chitosan đối với các cation được hấp thụ trên màng thể hiện tính chọn lọc theo thứ tự sau:

-NH2 cũng như sự phân bố của các nhóm -NH2 Hai dạng phức chất của chitosan và đồng là [Cu(-NH2)]2+, 2OH-, H2O và [Cu(-NH2)2]2+, 2OH- Dạng phức chất thứ nhất được hình thành tại giá trị pH trong khoảng 5-5.8, trong khi dạng hai được hình thành ở pH trên 5.8 Hàm lượng đồng tối đa phù hợp là [Cu]/[-NH2]=

0.5mol/mol [34] Phức chất của chitosan với Fe3+ được tạo thành bằng cách trộn bột chitosan trong 1.5 M sắt clorua (FeCl3), Chất sắn sau phản ứng được rữa sạch, sấy khô và phân tích Thu được một phức chất chitosan – Fe (III) có khả năng tan trong nước, và xác định được trong cấu tạo phân tử có một Fe3+

kết hợp với hai chitosan,

13

ba phân tử nước và một ion Cl-, phức chất có công thức tổng quát là [Fe(H2O)3 (Glu)2Cl]Cl2 H2O, trong đó Glu đại diện cho glucosamin Ngoài ra, chitosan còn có thể hình thành phức tĩnh điện trong điều kiện acid như: chất hoạt động bề mặt và

phức polyelectrolyte [34]

1.1.2.3 Hoạt tính sinh học

Khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của chitosan

Chitosan có khả năng ức chế nhiều chủng vi sinh vật: vi khuẩn gram âm, vi khuẩn gram dương và vi nấm Khả năng ức chế vi sinh vật của chitosan phụ thuộc vào độ deacetyl, phân tử lượng So với chitin, chitosan có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm tốt hơn vì chitosan tích điện dương ở vị trị carbon thứ 2 ở pH nhở hơn 6 Chitosan có độ deacetyl cao trên 85% thì có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm tốt Chitosan có phân tử lượng dưới 2000 dalton thì khả năng tức chế vi sinh vật kém Chitosan có phân tử lượng trên 9000 dalton có khả năng ức chế vi sinh vật cao Tuy nhiên, chitosan có phân tử lượng lớn thì khả năng kháng khuẩn cũng thấp Chitosan được hòa tan trong dung môi hữu cơ như acid acetic, acid lactic và được sử dụng để

xử lý kháng khuẩn, kháng nấm Chitosan có khả năng ức chế Staphylococcus

aureus, Bacillus cereus, Escherichia coli, saccharomyces cerevisiae, Rhodotorula glutensis, Botrytis cinerea, Rhizopus stolonifer, Aspergillus niger Nồng độ ức chế

phụ thuộc vào loại chitosan, loài vi sinh vật, điều kiện áp dung, và thường được sử dụng trong khoảng 0,0075% đến 1,5% Ngoài ra các dẫn xuất của chitosan cũng có khả năng kháng nấm, kháng khuẩn tốt N-carboxymethylchitosan ở nồng độ 0,1-5 mg/ml trong môi trường pH 5,4 làm giảm khả năng sinh độc tố aflatoxyn của

Aspergillus flavus và Aspergillus parasiticus [10]

Hoạt tính kháng khuẩn của chitin, chitosan và các dẫn xuất của nó chống lại các nhóm vi sinh vật khác nhau, chẳng hạn như vi khuẩn, nấm men, và nấm, đã nhận được sự chú ý đáng kể trong những năm gần đây Hai cơ chế chính đã được đề xuất như nguyên nhân gây ra sự ức chế các tế bào vi khuẩn của chitosan Sự tương tác với các nhóm anion trên bề mặt tế bào, do bản chất polycationic của nó, gây ra

14

sự hình thành của một lớp không thấm nước xung quanh các tế bào, giúp ngăn chặn việc vận chuyển các chất hòa tan cần thiết Cơ chế thứ hai liên quan đến sự ức chế của RNA và protein tổng hợp bằng cách thẩm thấu vào nhân tế bào [28]

Khả năng tạo màng của chitosan

Chitosan có khả năng tạo màng rất tốt Tính chất cơ lý của màng chitosan như

độ chịu kéo, độ rắn, độ ngấm nước, phụ thuộc nhiều vào phân tử lượng và độ deacetyl hóa của chitosan Chitosan độ deacetyl cao có ứng suất kéo và độ giãn dài giới hạn cao hơn màng chitosan độ deacetyl thấp Tuy nhiên, chúng có độ trương nở thấp hơn Ngoài ra, tính chất của màng chitosan phụ thuốc rất nhiều vào dung môi

sử dụng hòa tan chitosan để tạo màng, độ rắn (crystallinity) của màng chitosan cũng phụ thuộc vào dung môi sử dụng [10]

Vật liệu chitosan có thể được sử dụng làm phim hoặc màng ăn được Cho đến nay, các lớp màng ăn được từ chitosan đã được sử dụng cho các loại thực phẩm khác nhau như cà chua, cá trích và cá tuyết Đại Tây Dương, trứng, Phô mai Emmental và tôm thô Màng chitosan bền, kéo dài, linh hoạt, và khó bị rách [18] Trong một nghiên cứu hoàn thành bởi Arai [18] lớp màng chitosan trên trái cây và rau cải làm thay đổi không khí bên trong, do đó làm chậm chín và giảm sự thoát hơi Kittur [18] đã chứng minh rằng màng chitosan có độ thấm nước vừa phải và có thể làm tăng tuổi thọ của sản phẩm tươi và thực phẩm với hoạt động nước cao Theo nghiên cứu Bhale [18] lớp màng chitosan trên trứng cung cấp một hàng rào bảo vệ chống nhiễm khuẩn và chuyển độ ẩm qua vỏ trứng, do đó kéo dài tuổi thọ của trứng Trong nghiên cứu này, Bhale kiểm tra ảnh hưởng của hai nồng độ chitosan khác nhau (1% và 2%) trên chất lượng trứng Kết quả chỉ ra rằng lớp màng chitosan

có hiệu quả trong việc bảo quản chất lượng bên trong của trứng, do đó tăng tuổi thọ của trứng lên 3 tuần ở 25°C So với thời hạn sử dụng của trứng không tráng (2 tuần)

Khả năng chống oxy hóa

Khả năng chống oxy hóa của chitosan vẫn đang được nghiên cứu và các kết quả đưa ra về cơ chế chống oxy hóa của chúng vẫn còn nhiều bàn cãi Chitosan có

15

khả năng loại bỏ các gốc tự do hoặc kìm hãm các ion kim loại nhờ sự góp mặt của hydro nguyên tử và các electron tự do Sự tương tác giữa chitosan với ion kim loại liên quan đến nhiều phản ứng phức tạp khác nhau, bao gồm sự hấp thụ, trao đổi ion

và tạo phức Nhóm hydroxyl (OH) và amino (NH2) trong cấu trúc của chitosan là những nhóm chức năng chính thể hiện hoạt tính chống oxy hóa của chúng [40] Chitosan có thể làm giảm đáng kể nồng độ axit béo tự do và malondialdehyde, nâng cao hoạt tính dismutases superoxyde và hỗ trợ hoạt động của catalase, glutathione peroxydase, là các enzym chống oxy hóa quan trọng trong cơ thể Điều này cho thấy rằng chitosan có khả năng điều hòa hoạt động của các enzyme chống oxy hóa

và giảm peroxy lipid [45]

Như vậy, chitosan có khả năng chống oxy hóa chất béo bậc một, tức là loại bỏ, hạn chế sự hình thành các gốc tự do được tạo thành từ các phản ứng oxy hóa trước

đó, ngăn chặn phản ứng của giai đoạn dây chuyền Đồng thời, chitosan cũng thể hiện khả năng chống oxy hóa bậc hai ở khả năng kìm hãm tác động của ion kim loại, không cho chúng kích thích các phản ứng oxy hóa đồng thời hỗ trợ hoạt động của các enzyme chống oxy hóa, không cho các gốc tự do hình thành

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống oxy hóa của chitosan chủ yếu là khối lượng phân tử (MW) và độ deacetyl (DD), ngoài ra còn có nồng độ của hỗn hợp chitosan, độ pH, loại dẫn xuất

- Khối lượng phân tử (MW): chitosan có khối lượng phân tử càng thấp thì khả năng chống oxy hóa càng cao Chitosan có khối lượng phân tử càng cao, kích thước cồng kềnh, tính linh hoạt kém vì vậy dẫn đến nhóm chức hoạt động chậm trong hệ phản ứng làm hạn chế khả năng chống oxy hóa Mặt khác, khối lượng phân tử cao thì khả năng hòa tan khó khăn, độ nhớt cao hạn chế sự phân bố chitosan trong dung dịch [10]

- Độ đề acetyl (DD): chitosan có khả năng hòa tan trong dịch acid loãng tạo ra một hệ keo dương cực, do vậy chitosan có độ deacetyl hóa càng cao thì khả năng hòa tan càng lớn, điều này tạo điều kiện cho quá trình tương tác và bẩy các nhân tố

16

âm cực vào hệ keo của chitosan làm tăng tính chống oxy hóa của chúng Ngoài ra

độ deacetyl hóa cao đồng nghĩa với một số lượng cao hơn các nhóm amin làm tăng cường khả năng chống oxy hóa của chitosan thông qua hoạt động của nhóm amin [35] [53]

- Độ pH: Ở trạng thái tinh thể bình thường, chitosan không tan trong các dung dịch có pH lớn hơn 7 Tuy nhiên, trong các axit loãng, proton của các nhóm amin tự

do tạo thuận lợi cho sự hòa tan của phân tử Đặc tính tan hạn chế này cũng cho thấy

pH có tác động đáng kể đến trạng thái điện tích và tính chất của chitosan đặc biệt là tính hòa tan Ở môi trường pH > 6,5 Sự hòa tan của chitosan bị kìm hãm, trong khi tại pH < 6 chitosan có khả năng hòa tan, mang điện tích dương bởi sự hiện diện của các nhóm amin proton Tại khoảng pH giữa 6.0 và 6.5 trong dung dịch, phân tử chitosan trở nên ít các nhóm amin tự do dương hơn và các nhóm kỵ nước tăng dần dọc theo chuỗi phân tử Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chống oxy hóa của chitosan dưới sự giảm hoạt động của các nhóm amin trong phân tử [29]

- Nồng độ chitosan: Nồng độ chitosan càng cao số lượng nhóm amin trong

phân tử càng nhiều thì khả năng phản ứng của chitosan càng tốt và ngược lại [35]

1.1.3 Ứng dụng của chitosan

1.1.3.1 Ứng dụng chitosan trong thực phẩm

Chitosan được sử dụng trong thực phẩm nhờ vào đặc tính không gây độc đối với động vật máu nóng Tinh thể chitin (MCC) thể hiện tốt các tính chất nhũ hóa, tạo đặc và gel hóa có ích cho sự ổn định các cấu trúc của sản phẩm Tuy nhiên, việc

sử dụng MCC trong thực phẩm gây ra một số vấn đề về mùi vị, màu sắc và hạn sử dụng [34] Chitin, chitosan được sử dụng để làm mạnh protein bột mì ngay cả khi không mặt của các chất nhũ hóa và shortenin Chitin, chitosan còn được sử dụng như một thành phần chất nền không hấp thụ trong thực phẩm với nồng độ cao Chitosan là polyme sinh học đa chức năng có nguồn gốc tự nhiên, có thể dùng để bảo quản thực phẩm nhờ vào tính kháng khuẩn, chống lại các vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm và đặc tính chống oxy hóa của nó [28]

1.1.3.2 Ứng dụng chitosan trong nông nghiệp và thủy sản

Trong nông nghiệp

Trong nông nghiệp, chitosan được sử dụng để tăng cường sự hoạt động của các vi sinh vật có lợi trong đất, bọc các hạt giống nhằm mục đích ngăn ngừa sự tấn công của nấm trong đất và tăng cường khả năng nẩy mầm của hạt, giảm stress cho cây, kích thích sinh trưởng và tăng năng suất thu hoạch Đặc biệt, chitosan có đóng vai trò là chất kích thích hệ miễn dịch của cây và sự hoạt động của enzyme

chitinase h được nghiên cứu thử nghiệm phun lên rau cải (Brassica campestris sp.)

cho lượng cải thu hoạch tăng lên Hạt giống ngâm bằng chitosan và phun chitosan lên lá có thể tăng năng suất lên 1,6 lần Đối với hạt giống lúa mì, khi được xử lý trong dung dịch chitosan thì tỷ lên nảy chồi hình thành cây con tăng lên 25%, rễ và

lá phát triển mạnh hơn so với mấu không xử lý chitosan [10]

Để mở rộng ứng dụng của chitin, chitosan cần phát triển nghiên cứu thử nghiệm trên các đối tượng cây trồng khác nhau, thử nghiệm nhiều loại chitosan, tìm

ra loại chitosan, lương sự dụng cho từng loại cây và từng giai đoạn phát triển của cây Phát triển lợi thế đa chức năng, đa tác dụng khi sử dụng chitosan như bảo vệ hạt giống, bảo vệ cây trồng, tăng năng suất … [10]

Trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản

Chitosan được nghiên cứu bổ sung vào thức ăn cho tôm, cá để kích thích sinh trưởng, tăng miễn dịch và cải thiện môi trường ao nuôi Thức ăn bổ sung chitosan

có khả năng làm tăng sự phát triển và tỷ lệ sống của cá so với thức ăn bình thường Ngoài ra chitosan cũng được ứng dụng làm màng bao, làm chất kết dính để làm tăng

độ ổn định của thức ăn tôm [10]

18

1.1.3.3 Ứng dụng chitosan trong xử lý nước

Nhờ vào khả năng tạo thành hệ gel dương khi hòa tan trong dung dịch thích hợp mà chitosan có thể được dùng như một tác nhân gây keo tụ Chitosan hoạt động như là tác nhân chất tạo phức kìm hãm kim loại nặng và bẩy chung vào cấu trúc của

nó Các dẫn xuất N-benzyl sulphonate của chitosan được sử dụng như là chất hấp thụ để loại bỏ các ion kim loại trong môi trường acid và chitosan còn có thể được sử dụng như một chất hấp thụ để loại bỏ màu từ nước thải ở nhà máy nhuộm

Các phân tử chitosan có khả năng gây tủa hay kết váng một lượng lớn các anion dư thừa trong dung dịch, do đó được sử dụng như một chất kết váng để tái chế phế liệu trong quy trình sản xuất thực phẩm Chitosan có thể kết hợp tương tác với chất nhựa tổng hợp để loại bỏ các kim loại nặng trong quy trình sản xuất nước Chitin có thể được sử dụng để làm sạch plutoni (Pu) trong nước thải và nước chứa metyl thủy ngân acetat (một sản phẩm acetaldehyde gây ô nhiễm nước thải) Hỗn hợp chitin/ chitosan có thể loại bỏ asen (As) trong nước uống cũng như loại bỏ các sản phẩm xăng dầu khỏi nước thải một cách hiệu quả [47]

1.1.3.4 Ứng dụng chitosan trong y học và công nghệ sinh học

Chitosan và dẫn xuất có các tính chất quan trọng như tương thích sinh học cao, tự phân hủy sinh học, khả năng tạo màng, không độc, có khả năng làm lành vết thương, kháng khuẩn, kháng nấm và kháng vi rút nên chúng được nghiên cứu và triển khai ứng dụng nhiều trong y học Hiện nay, chitin và chitosan đã được nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực kiểm soát quá trình giải phóng thuốc (drug release control), vận chuyển làm chất mang DNA trong liệu pháp gene, thuốc giảm béo, thuốc chữa khớp, trị bỏng, da, chỉ nhân tạo, kháng viêm Tượng tự, trong lĩnh vực công nghệ sinh học, chitin, chitosan và dẫn xuất được ứng dụng trong công nghệ nuôi cấy mô tế bào động thực vật, cố định enzyme, cố đinh tế bào, làm chất mang DNA [10]

19

1.2 HOẠT TÍNH CHỐNG OXY HÓA CỦA CHITOSAN

1.2.1 Cơ chế chống oxy hóa của chitosan

Cơ chế chống oxy hóa của chitosan có thể giải thích bằng nhiều cơ chế khác nhau: Một số cơ chế về hoạt động chống oxy hoá của chitosan đã được đề xuất: chitosan có thể loại bỏ các gốc tự do hoặc kìm hãm ion kim loại từ việc nhường một hydro hoặc các cặp electron đơn lẻ Sự tương tác giữa chitosan với ion kim loại liên quan đến nhiều phản ứng phức tạp khác nhau, bao gồm sự hấp thụ, trao đổi ion và tạo phức Các nhóm hydroxyl (OH) và amino nhóm (NH2) trong chitosan là các nhóm chức năng quan trọng đối với hoạt động chống oxy hóa của chitosan các nhóm này tham gia phản ứng với các gốc tự do để chuyển thành các gốc ổn định, nhưng rất khó

có thể tách ra do cấu trúc bán tinh thể của chitosan với liên kết hydro mạnh [40] Cụ thể, cơ chế dập tắt gốc tự do của chitosan có liên quan đến khía cạnh các gốc tự do có thể phản ứng với nhóm amino (-NH2) chuyển thành trạng thái gốc tự do đại phân tử (macromolecule radicals) rất cồng kềnh, và nhóm NH2 có thể chuyển thành nhóm ammonium (NH3+) do sự dịch chuyển một ion hydro từ dung dịch Cũng có thể hiểu rằng, chitosan có khả năng nhường hydro mạnh (hydrogen – donating), các dạng chất oxy linh động (reactive oxy species: ROS), tác nhân dẫn đến tính lan truyền trong chuỗi phản ứng oxy hóa chất béo, có thể phản ứng với nguyên tử hydro linh động trong nhóm hydroxyl (OH) hoặc nhóm amino (NH2) [26]

Park và cộng sự [19] cho rằng chitosan có thể khử các gốc tự do khác nhau do tác động của nitơ vị trí cacbon số 2 của chitosan

Xie và cộng sự [9] báo cáo rằng cơ chế xử lý của chitosan có liên quan đến một thực tế là các gốc tự do có thể phản ứng với các ion hydro từ các ion amoni

NH3+ để tạo thành một phân tử ổn định Các NH3+ được hình thành bởi các nhóm amin hấp thụ một ion hydro từ các dung dịch

Jeon và cộng sự [19] cũng cho rằng cơ chế chống oxy hóa của chitosan có thể

là do hoạt tính tạo phức với các ion kim loại hoặc do chitosan kết hợp với lipid

Loại bỏ các ion kim loại là một trong những lý do tại sao chitosan có thể được xem như là một chất chống oxy hoá tiềm năng tự nhiên để ổn định thức ăn chứa lipid để kéo dài thời hạn sử dụng Chitosan có thể làm chậm quá trình oxy hóa lipid bằng cách loại bỏ ion sắt trong hệ thống [28]

1.2.2 Ảnh hưởng của độ deacetyl (DD) chitosan đến hoạt tính chống oxy hóa

Chitosan có khả năng khử đáng kể các gốc tự do khác nhau Hoạt động chống oxy hóa của nó phụ thuộc vào mức độ deacetyl hóa (DD) Park và cộng sự [31] nghiên cứu khả năng của các mẫu chitosan với DD là 50, 25 và 10% để khử 1,1 difenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH), hydroxyl, superoxyde và các gốc alkyl Các kết quả cho thấy rõ ràng rằng hoạt động khử của hetero-chitosan phụ thuộc vào DD của chúng

Kết quả so sánh với những chất chống oxy hóa thương mại Mẫu chitosan chuẩn bị từ chitin vỏ cua với DD là 90, 75 và 50% , được đánh giá trên cơ sở khả năng của chitosan để loại bỏ gốc tự do 1.1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH), gốc hydroxyl, gốc tự do superoxyt và gốc alkyl Kết quả cho thấy rằng chitosan với DD cao hơn có hoạt động khử cao nhất [28]

từ trong dung dịch Điều này có nghĩa là, với độ deacetyl cao hơn thì khả năng nhường proton của chitosan sẽ tốt hơn Phân tử chitosan gồm 2 nhóm N-acetyl glucosamine và D-glucosamine Chitosan có độ deacetyl càng cao nghĩa là số lượng nhóm acetyl còn lại trên mạch chitosan càng ít

và nhóm -NH2 càng nhiều, khả năng liên kết giữa gốc -NH2 với các gốc tự do trong dung dịch càng lớn, từ đó làm tăng khả năng chống oxy hóa của chitosan [35], [3] Khả năng chống oxy hóa của các mẫu Chitosan có độ deacetyl (DD) khác nhau thì khác nhau Cụ thể là khi độ deacetyl càng cao thì khả năng chống oxy hóa càng tăng với mọi nồng độ acid và mọi nồng độ chitosan Khi độ deacetyl càng cao, mật độ tích điện dương trên mạch chitosan càng nhiều nên phân tử chitosan hoạt động linh hoạt hơn, khả năng khử của chitosan càng mạnh, khả năng chống oxy hóa cao hơn [53] Chitosan có độ deacetyl càng cao, càng có nhiều nhóm hydroxyl và amine tham gia vào phản ứng khử Chitosan có cấu trúc mạch polymer tích điện dương, mật độ tích điện dương tăng sẽ tăng khả năng tương tác tĩnh điện hay khả năng vận chuyển electron của chitosan và làm tăng khả năng chống oxy hóa Chitosan có DD cao hơn sẽ có mật độ điện tích dương cao hơn Do đó theo như kết quả khảo sát thì chitosan DD90 mang lại khả năng chống oxy hóa cao hơn chitosan DD80 và DD70 [3]

1.2.3 Ảnh hưởng của khối lượng phân tử (MW) chitosan đến hoạt tính chống oxy hóa

Khối lượng phân tử chitin / chitosan rất lớn (đến hơn vài nghìn kDa) và do đó được chia thành ba loại: chitosan phân tử lượng thấp (LMWC), chitosan phân tử lượng trung bình (MMWC) chitosan phân tử lượng cao (HMWC) Theo kết quả của việc gia tăng MW, một số tính chất hóa lý và sinh học của chitin / chitosan và các dung dịch của nó thay đổi, xác định tính hoạt hóa sinh học [31]

22

Một số nghiên cứu invitro và invivo đã chứng minh rằng hoạt động chống oxy hóa của chitosan phụ thuộc vào MW của nó Như vậy, chitosan với MW thấp hơn cho thấy hoạt tính chống oxy hoá cao hơn Hơn nữa, độ hòa tan thấp của chitosan có liên quan đến lượng MW cao, ảnh hưởng đến các ứng dụng của polymer này [25] Khối lượng phân tử (MW) là một trong những thông số ảnh hưởng đến các đặc tính của chitosan như: độ tan, lưu biến, tính chất vật lý Dựa theo đặc điểm khối lượng phân tử của chitosan, chúng tôi nhận định rằng chitosan có khối lượng phân

tử càng thấp thì khả năng chống oxy hóa càng cao Chitosan có khối lượng phân tử thấp, khả năng hòa tan càng dễ và tạo thành dung dịch chitosan có độ nhớt thấp, khi

đó các nhóm -OH và -NH2 hoạt động linh hoạt hơn, khả năng chống oxy hóa cao hơn [53]

Chitosan có khối lượng phân tử càng lớn thì liên kết nội phân tử cao đồng thời

độ nhớt của dung dịch chitosan càng tăng vì vậy sẽ giữ một số nhóm chức amine nằm bên trong phân tử, hạn chế hoạt động của các nhóm amine, giảm khả năng chống oxy hóa của chitosan Dung dịch chitosan phân tử lượng thấp có giá trị độ nhớt thấp hơn sẽ làm tăng khả năng phân bố của chitosan đồng thời phân tử có cấu trúc mạch ngắn và do đó khả năng hình thành liên kết hydrogen nội phân tử giảm đi

rõ rệt [51]

Yin, Lin, Zhang và Yang [19] báo cáo hoạt động khử gốc superoxyde của chitosan phân tử lượng thấp (LMWC) rõ rệt hơn chitosan trọng lượng phân tử cao (HMWC) Nó cũng chỉ ra rằng LMWC có thể khử các gốc superoxyde và hoạt động khử của nó là 80,3% ở mức 0,5 mg/ml

Trong nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan lên hoạt động chống oxy hoá trong nước táo, khi sử dụng phương pháp khảo sát khả năng khử gốc

tự do DPPH của chitosan có khối lượng phân tử khác nhau và axit ascorbic đã chỉ ra rằng LMWC thể hiện hoạt tính khử gốc cao nhất, tiếp theo là acid ascorbic, MMWC

và HMWC Đáng chú ý, ảnh hưởng khử gốc DPPH thường tăng lên khi tăng nồng

độ DMWC Khi sử dụng phương pháp khảo sát khả năng khử gốc superoxyde, thứ

23

tự hoạt động khử đối với các gốc anion superoxyde là LMWC > ascorbic acid > MMWC > HMWC Những phát hiện này giống như của Yin và cộng sự [19] và có thể được gây ra bởi liên kết hydro nội phân tử Chitosan có nhiều liên kết hydro trên

O3–O5 và N2–O6 HMWC có cấu trúc cồng kềnh, có liên kết hydro trong phân tử mạnh hơn LMWC Ảnh hưởng mạnh mẽ của các liên kết hydro trong phân tử làm yếu hoạt động của các nhóm hydroxyl và amino Ngược lại, LMWC có cấu trúc nhỏ gọn hơn, do vậy ảnh hưởng của các liên kết hydro trong mô tế bào rất yếu Tuy nhiên, gốc tự do anion superoxyde là một gốc tự do lưỡng cực Nó phản ứng với các nhóm hydroxyl và amino tự do trong chitosan, và do đó được loại bỏ LMWC có nhiều nhóm hydroxyl và amin tự do hơn HMWC, giải thích lý do tại sao các hoạt động khử của nó đối với các gốc anion superoxyde là mạnh [19]

Chitosan có kích thước khác nhau cũng như dẫn xuất sulfat của chúng được khảo sát chống lại các gốc tự do superoxyde và hydroxyl Một mối tương quan âm

đã được tìm thấy giữa MW chitosan và hoạt động Các dẫn chất chitosan sulphate trình bày có khả năng khử mạnh mẽ hơn trên các gốc peroxyde nhưng chitosan MW thấp nhất cho thấy hiệu lực loại bỏ ion sắt đáng kể hơn nhiều so với những loại chitosan khác [28]

1.2.4 Ảnh hưởng của dạng tồn tại chitosan đến hoạt tính chống oxy hóa

1.2.4.1 Hoạt tính chống oxy hóa của muối chitosan (chitosan hydrochloride)

Chitosan hydrochloride là dạng muối cloride của một polysaccharide dị phân không phân nhánh bao gồm hai đơn vị cấu tạo N-acetyl-D-glucosamine và D-glucosamine Là dẫn xuất anion, với đặc tính đã được chứng minh là có khả năng tạo phức cation như Ca2+ và những các kim loại chuyển tiếp Cu (II), Cd (II), Zn (II), chitosan hydrochloride là dẫn xuất khảo sát khá đầy đủ của chitosan, nó là một polymer lưỡng tính, dẫn xuất này có khả năng hòa tan trong nước Chloride có thể được ghép vào mạch phân tử chitosan ở vị trí C2 bằng cách alkyl hóa khử Muối chitosan clorate ở trạng thái thông thường là dạng bột mịn có màu trắng hoặc gần như trắng, tan ngay trong nước nhưng với hàm lượng thấp và hoàn toàn không tan

24

trong etanol, khi tan trong nước tạo thành dung dịch trong có pH vào khoảng 6.0 đối với dung dịch muối chitosan 1% (g/ml) và ổn định [24] Chitosan hydrochloride thu được bằng cách deacetyl hóa chitin một phần thường dẫn tới một mức deacetyl hóa từ 70,0 đến 95,0% [39] Muối chitosan hydrochloride thương mại

4.0-có độ nhớt trong khoảng 10-200mpa.s, tỉ lệ clorua 10.0%-20.0% [55]

Hình 1.5 Cấu tạo phân tử của chitosan hydrochloride

Muối chitosan dạng bột thường được sản xuất bằng phương pháp sấy phun (spray-dried) Ban đầu, chitosan sẽ được hòa tan vào một lượng nhỏ dung dịch acid hydrochloride (HCl) Chitosan sẽ hòa tan hoàn toàn ở một tỷ lệ mol thích hợp giữa đơn vị glucosamin và acid Dung dịch acid còn lại sẽ được bổ sung hết vào hỗn hợp chitosan và khấy trộn trong thời gian dài (12 giờ) Dung dịch tạo thành sẽ được lọc

để loại bỏ tạp chất và các phần không tan, cuối cũng dung dịch muối này được đem

đi sấy phun Các sản phẩm sấy phun thu được dưới dạng bột mịn tinh khiết và có khả năng hòa tan trong nước [14]

Các chitosan base và dạng muối acid của chitosan có cấu tạo dạng tinh thể Mạch phân tử polymer có liên kết hydro liên phân tử và nội phân tử mạnh mẽ [14] Muối chitosan, đặc biệt là các dạng có khả năng hòa tan trong nước, là một trong những dạng polyme được sử dụng nhiều nhất trong các nghiên cứu ứng dụng Các tính chất hóa học, vật lý và sinh học của muối ccó thể bị ảnh hưởng bởi cấu trúc của acid, điều kiện thu hồi,độ deacetyl hóa và khối lượng phân tử của chitosan Chitosan hydrochloride là dẫn xuất mang tính dương cực (cationic) mạnh do đó nó

có thể thúc đẩy các tế bào hấp thụ chất dinh dưỡng hoặc các loại thuốc, vì vậy có thể được ứng dụng trong sản xuất thuốc, mỹ phẩm, gạc y tế, thực phẩm chức năng

25

cải thiện sức khỏe,… chitosan hydrochloride có khả năng giữ được các tính chất của chitosan, như khả năng tạo màng và kháng khuẩn tốt, có thể được sử dụng như chất phụ gia thực phẩm và chất bảo quản Với khả năng ion hóa mạnh, chitosan hydrochloride có thể được sử dụng để xử lý nước thải, trầm tích, tái chế các protein thực phẩm và sử dụng trong trong công nghệ sản xuất giấy [55], [50]

Theo nghiên cứu ảnh hưởng của hình thức muối vào các hoạt động chống oxy hóa của dung dịch chitosan chỉ ra rằng: muối chitosan có các mức độ chống oxy hóa

và hoạt động khử gốc tự do khác nhau, bao gồm khử các gốc tự do superoxyde và hydroxyl, hoạt động tạo phức ion kim loại và năng lực khử Acetate chitosan (CS-acetate) cho thấy tác dụng khử gốc tự do superoxyde cao nhất trong khi chitosan hydroxybenzotriazol (CS-HOBt) và chitosan thiamin pyrophosphate (CS-TPP) cho thấy các hoạt động khử gốc hydroxyl lớn nhất Axit ethylenediaminetetraacetic chitosan (CS-EDTA) và chitosan thiamin pyrophosphate (CS-TPP) có hiệu quả tạo phức ion kim loại và năng lực khử cao nhất tương ứng Nhìn chung, kết quả cho thấy rằng hoạt tính chống oxy hoá của chitosan có thể được cải thiện bằng cách hình thành muối của nó Những muối này có thể hữu ích như là một nguồn chống oxy hoá trong các sản phẩm dược phẩm [17]

1.2.4.2 Hoạt tính chống oxy hóa của nano chitosan

Hạt nano chitosan đã được đề cập lần đầu tiên vào năm 1994 bởi Ohya [33], các hạt nano chitosan thu được bằng cách nhũ tương hóa và tạo liên kết ngang Các hạt nano được định nghĩa như là các hạt phân tán hoặc hạt rắn có kích thước trong khoảng 1-1000 nm Người ta sử dụng các phương pháp nhũ hóa, ion gel hóa, micel nghịch đảo và phương pháp tự kết tụ để tạo ra dạng chitosan nano Trong đó phương pháp ion gel hóa khá phổ biến trong các bước chuẩn bị mẫu nghiên cứu vì

kỹ thuật này có ưu điểm là giai đoạn chuẩn bị đơn giản và thực hiện trong môi

trường nước [33]

Hạt nano chitosan có thể được tạo thành nhờ sự tương tác của các đại phân tử mang điện tích trái dấu Các hạt nano chitosan thu được bằng cách gây gel hóa

26

(gelatison) giữa dịch chitosan và tripolyphosphate-pentasodium (TPP) dưới tác động đảo trộn Tripolyphosphate (TPP) thường được sử dụng để tạo ra các hạt nano chitosan vì TPP là chất không độc, đa hóa trị và có khả năng tạo gel thông qua tương tác ion Sự tương tác có thể được kiểm soát bởi mật độ điện tích của TPP và chitosan, quá trình này phụ thuộc vào độ pH của dung dịch [33]

Hình 1.6 Liên kết ion giữa chitosan và TPP

Cơ chế của phương pháp này dựa trên tương tác tĩnh điện giữa chitosan cation

và một polyanion như tripolyphosphate Khả năng tạo gel của chitosan với TPP nằm

ở sự hình thành những nối ngang nội phân tử giữa các nhóm amino và các nhóm phosphate Đầu tiên chitosan được hòa tan vào dung dịch acid acetic Sau đó chitosan được trộn lẫn với TPP để tạo các hạt nano chitosan dưới điều kiện khuấy từ liên tục tại nhiệt độ phòng Kích thước và điện tích bề mặt có thể kiểm soát bằng cách sử dụng những tỉ lệ chitosan và TPP khác nhau [42]

Khi tăng lượng TPP, huyền phù hạt nano trở nên nhiều hơn và dung dịch trở nên đục hơn, quá trình tập hợp hạt xảy ra nhanh chóng và quyết liệt Các liên kết

27

liên phân tử và nội phân tử với TPP cho phép hạt nano tạo thành có kích thước hạt lớn hơn (tỉ lệ khối lượng giữa chitosan và TPP thấp hơn 4:1) [13] Thông thường kích thước hạt nano chitosan là 65 nm và giao động trung bình trong khoảng từ 46-

83 nm [17] Kích thước hạt nano và hiệu quả tạo hạt (encapsulation efficiency) bị ảnh hưởng lớn bởi MW của chitosan được sử dụng Các hạt nano được tạo thành từ chitosan MW thấp hơn có kích thước hạt nhỏ và đồng nhất hơn, trong khi khả năng

tụ hạt đối với chitosan MW cao là cao hơn [52]

Các hạt nano chitosan có hoạt tính cao hơn chitosan và đã được nghiên cứu

là có hiệu quả tăng cường miễn dịch, hoạt tính chống ung thư và hoạt động kháng khuẩn mạnh hơn so với chitosan ban đầu Các hạt nano chitosan thể hiện nhiều tác động tốt hơn so với chitosan nhờ vào đặc tính kích thước nhỏ và hiệu ứng kích thước lượng tử [54]

Nano chitosan là các hạt chitosan có kích thước nanomet Do có kích thước siêu nhỏ nên nano chitosan dễ dàng đi qua màng tế bào, diện tích và điện tích bề mặt cực lớn nên được ứng dụng nhiều trong sinh y học Nhiều nghiên cứu về nano chitosan chủ yếu hướng tới phương pháp tạo ra các hạt nano chitosan, ứng dụng của chúng với vai trò là một chất mang thuốc [54] và các ứng dụng trong liệu pháp gene [56] Nano chitosan được xem như tác nhân kháng khuẩn, vector cấy truyền gene và

là các chất mang protein và thuốc Nano chitosan được sử dụng làm chất hỗ trợ tiềm năng cho một số loại vaccin như cúm, viêm gan siêu vi B và vaccin thương hàn ở lợn con Các hạt nano cải thiện sự hấp thu kháng nguyên bởi các mô lympho niêm mạc và tạo ra phản ứng miễn dịch mạnh đối với kháng nguyên Vật liệu nano này cũng có thể được sử dụng như một vật liệu bảo vệ vết thương để phòng ngừa hiện tượng nhiễm trùng cơ hội và cho phép vết thương tái tạo tốt hơn Hạt nano chitosan

có thể được sử dụng cho mục đích bảo quản đối với thực phẩm có bao gói, các hạt

nano chitosan cho thấy hoạt tính chống vi khuẩn Staphylococcus saprophyticus và

Escherichia coli hiệu quả Nano chitosan còn được sử dụng trong việc xử lí kim loại

nặng và chất ô nhiễm hữu cơ trong nước sinh hoạt [5], [56]

28

Hạt nano chitosan có diện tích tiếp xúc và điện tích dương lớn hơn chitosan thông thường nên có hiệu quả kháng khuẩn cao hơn nhiều lần so với chitosan Chitosan cũng được sử dụng kết hợp với các loại hạt nano khác để tăng cường hoạt tính sinh học của chế phẩm, đó là sự kết hợp các đặc điểm có lợi của các thành phần trong chế phẩm [2]

1.3 QUÁ TR NH OXY HÓA VÀ CHẤT CHỐNG OXY HÓA

1.3.1 Quá trình oxy hóa

Quá trình oxy hóa hóa học là phản ứng chuỗi gốc tự do được đặc trưng bởi ba giai đoạn chính: khơi mào, lan truyền, và kết thúc [8] Đầu tiên phản ứng được bắt đầu khi một phân tử lipid bị oxy hóa để tạo thành hydroperoxyde, tiếp theo ở giai đoạn lan truyền, các gốc hydroperoxyde sẽ phân mạch tạo ra những gốc tự do khác

và phản ứng kết thúc với sự hình thành sản phẩm ổn định

- Giai đoạn khơi mào (initiation): Trong giai đoạn này, các gốc tự do hình thành

bởi các phản ứng tước đoạt hydro được kích thích bởi tác động của các tác nhân bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng hay bức xạ ion hóa, ion kim loại hoặc metalloproteins

… Hydro được tách ra từ một acid béo không no, dẫn đến sự xuất hiện của gốc tự

do Các gốc lipid tự do lần lượt phản ứng với phân tử oxy tạo thành dạng gốc lipid peroxyl Giai đoạn phát sinh thường đặc trưng cho phản ứng của các acid béo với các dạng oxy linh động (active oxygen species), chẳng hạn như các gốc hydroxyl tự

do và các dạng proton của superoxyde Các dạng oxy hoạt động được tạo ra khi một ion kim loại chuyển tiếp, đặc biệt là sắt, tương tác với oxy tam nguyên (triplet oxygen), hydrogen peroxyde, và superoxyde anion [12], [38]

Sự tự oxy hóa chất béo là phản ứng dây chuyền được khởi đầu bằng sự tạo thành các gốc tự do từ các phân tử acid béo

RH + O2  R* + *OOH (1.1)

29

- Giai đoạn lan truyền (propagation): Trong giai đoạn này sự tương tác lipid-lipid

kích thích sự phát triển của các gốc tự do sản sinh trong quá trình khơi mào bằng cách lấy hydro của các phân tử lân cận, kết quả là hình thành một hydroperoxyde và gốc tự do mới Các gốc tự do peroxyl là các chuỗi vận chuyển của phản ứng, có thể làm oxy hóa lipid, sản sinh ra lipid hydroperoxydes (LOOH), và sau đó phân hủy thành nhiều hợp chất, bao gồm rượu, aldehyde, alkyl formate, xeton và hydrocarbon

và các gốc tự do bao gồm gốc alkoxyl [12], [38] Hơn nữa, sự lan truyền có thể xảy

ra thông qua các phản ứng phân nhánh (còn được gọi là khơi mào thứ cấp), trong quá trình này gốc hydroperoxyl chuyển thành gốc hydroperoxyde trở thành nguồn tạo thành các dạng gốc tự do khác dưới tác động của ion kim loại được biết đến là phản ứng fenton [22] Trong đó Fe tương tác với một hydroperoxyde tạo thành gốc tạo ra các gốc lipid peroxyl và lipid alkoxyl [12], mà sau đó chính những gốc tự do này sẽ đi lấy hydro từ các axit béo không bão hòa Từ gốc alkoxyl có thể tạo nên các sản phẩm thứ cấp như rượu, xetone, andehit [16]

ROO*+ R’H R’*

- Giai đoạn kết thúc (termination): Sự kết thúc của chuỗi phản ứng là sự xuất hiện

ngày một nhiều hơn các gốc tự do từ phân tử bị tước đoạt điện tích, xảy ra các tương tác gốc – gốc theo cơ chế lưỡng phân với năng lượng hoạt hóa thấp [8]

Những phản ứng này xúc tác cho các phản ứng khác Sự tự oxy hóa lipid được gọi là phản ứng gốc tự do Khi các gốc tự do phản ứng với nhau, các sản phẩm không gốc tự do sẽ tạo thành và phản ứng kết thúc Ngoài hiện tượng tự oxy hóa, lipid còn có thể bị oxy hóa bằng enzyme lipoxygenase [16], [8]

30

1.3.2 Cơ chế hoạt động của chất chống oxy hóa

Cơ chế chống oxy hóa diễn ra theo nhiều cách thức khác nhau tùy thuộc vào tác động của chất chống oxy hóa tới chuỗi phản ứng ứng oxy hóa Chất chống oxy hóa có thể phân thành chất chống oxy hóa bậc một, chất chống oxy hóa bậc hai, chất kìm hãm, chất bắt giữ oxy, chất chống oxy hóa phục hồi [22]

Chất chống oxy hóa bậc một là những chất có khả năng nhường một nguyên

tử hydro hay một electron cho gốc tự do, có thể phản ứng với hydroperoxydes, chuyển đổi chúng thành trạng thái ổn định hơn và không còn là gốc tự do linh động

có năng lượng cao bất ổn định [22], có thể ngăn cản các bước khơi mào và lan truyền của quá trình oxy hóa lipid bằng cách kìm hãm và làm giảm năng lượng của các gốc tự do Tác nhân quét gốc tự do (FRS) hoặc chất chống oxy hóa theo cơ chế phá vỡ chuỗi để nhận một gốc từ những dạng lipid bị oxy hóa như peroxyl axit béo (LOO*) hoặc các gốc tự do alkoxyl (LO*) bằng phản ứng [23]

LOO* hoặc LO* + FRS  LOOH hoặc LOH + FRS* (1.8)

Các chất chống oxy hoá có thể bất hoạt các gốc tự do bằng hai cơ chế chính, HAT (Hydrogen Atom Transfer) và SET (Single Electron Transfer) Các phản ứng chuyển electron và phản ứng HAT có thể xảy ra song song và cơ chế chiếm ưu thế trong một hệ phản ứng nhất định sẽ phụ thuộc vào cấu trúc, đặc tính chống oxy hoá, khả năng hòa tan và hệ số phân tán cũng như hệ dung môi của chất chống oxy hóa Năng lượng cắt mạch (BDE: Bond dissociation energy) và thế năng ion hóa (IP: ionization potential) là hai yếu tố chính để xác định cơ chế và hiệu quả của các chất chống oxy hoá

Chất chống oxy hóa thứ cấp hay bậc hai hoặc là các hợp chất làm chậm tốc

độ oxy hóa bằng nhiều phương thức khác nhau kể cả việc loại bỏ chất nền oxy hóa hay kiềm hãm hoạt động của oxy đơn nguyên tử [41]