SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Phương pháp thu hồi chitin phổ biến ở Việt Nam là hóa học, phương pháp này hiệu suất cũng cao nhưng kéo theo vần đề ô nhiễm môi trường. Bằng lối tư duy của môn sinh học và thực nghiệm một cách nghiêm túc mà tôi đã làm và tổng hợp được một số vấn đề. Rất mong sẽ giúp ích cho bạn đọc khi muốn tìm hiểu về thu hồi Chitin băng con đường sinh học (lên men vi sinh)!

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM

SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

KHOA MÔI TRƯỜNG & CÔNG NGHỆ SINH HỌC CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC

LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết và những cá nhân, tổ chức hoạt động về lĩnh vực khoa học kỹ thuật thì càng hiểu rõ hơn về chitin – chitosan, đây là một polysacharite tự nhiên và chiếm sản lượng rất lớn, chỉ sau cellulose Bên cạnh đó là những ứng dụng tuyệt với của chitosan vừa hiệu quả vừa rất an toàn và đặc biệt là thân thiện với môi trường – một vấn đề rất được quan tâm trên thế giới hiện nay Dù rằng chitin – chitosan có sản lượng lớn, ứng dụng hoàn hảo nhưng thiên nhiên vốn dĩ không ưu đãi con người quá nhiều, muốn

có được chitin – chitosan thì cần phải có một quy trình xử lý hiệu quả, bắt nguồn từ đòi hỏi đó các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu tìm ra nhiều phương pháp có thể sản xuất được chitin – chitosan Trong sản xuất chitin – chitosan bản chất chung của quá trình vẫn là khử các thành phần khoáng và hàm lượng protein còn dư thừa trong phế liệu vỏ tôm sẽ cho ra chitin Vậy quá trình đó được thực thi ra sao? Dùng tác nhân nào để khử khoáng, loại protein để thu chitin và deacetyl hóa chitin thu sản phẩm chitosan Với phương pháp hóa học người ta dùng tác nhân của hóa chất để xử lý, nhưng bên cạnh đó xuất hiện thêm nhiều vấn đề khác cần xử lý – nhược điểm của quy trình Cải tiến hơn người ta nghĩ ra phương pháp hóa sinh, phương pháp này được đánh giá giảm thiểu phầm nào lượng hóa chất dùng trong quy trình, tuy nhiên đều đó cũng chưa giải quyết tận gốc được vấn đề, vẫn còn lượng hóa chất dùng trong quá trình deacetyl hóa chitin Vì vậy nó vẫn còn ảnh hưỡng lớn tới môi trường sống, sức khỏe công nhân lao động, người tiêu dùng…Do đó phải làm sao để giải quyết các nhược điểm đó, nâng cao hiệu suất quá trình, giảm chi phí…không đâu khác hơn là phương pháp sinh học, chỉ có sinh học mới gần gủi và gắn liền với sự sống, sự tồn tại của muôn loài Tuy nhiên nó chỉ mới được manh nha trong suy nghĩ và đang được nghiên cứu thử nghiệm ở một số phòng thí nghiệm Trong chuyên đề này sẽ tổng quan hầu hết các phương pháp sản xuất chitin – chitosan bằng hóa học, hóa

sinh, để bạn đọc có thể khái quát kiến thức cơ bản về chitin – chitosan Bên cạnh được sự cho phép của ban lãnh đạo khoa Môi Trường & Công Nghệ Sinh Học trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.hcm, đồng ý cho tôi làm việc tại phòng thí nghiệm của trường, địa chỉ 475A Điện Biên Phủ, phường

15, quận Bình Thạnh, Tp.hcm Cùng với sự hướng dẫn tận tâm của giảng viên TS Nguyễn Hoài Hương về việc thực hiện thử nghiệm sản xuất chitin – chitosan từ phế phẩm thủy sản vỏ tôm sú, nhóm thực hiện chuyên đề chân thành biết ơn vì điều này

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH HÌNH v

DANH SÁCH BẢNG vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHITIN - CHITOSAN 7

1.1 Giới thiệu 7

1.1.1 Chitin 7

1.1.2 Chitosan 8

1.2 Nguồn gốc thu nhận 10

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 10

1.3.1 Chitin 10

1.3.1.1 Tình hình sản xuất và nghiên cứu trong nước 10

1.3.1.2 Tình hình sản xuất và nghiên cứu ngoài nước 11

1.3.2 Chitosan 12

1.3.2.1 Tình hình sản xuất và nghiên cứu trong nước 13

1.3.2.2 Tình hình sản xuất và nghiên cứu ngoài nước 13

1.4 Cấu trúc hóa học 13

1.4.1 Cấu trúc hóa học của chitin 13

1.4.2 Cấu trúc hóa học của chitosan 15

1.5 Tính chất hóa lý sinh học 16

1.5.1 Tính chất lý hóa 16

1.5.2 Tính chất sinh học 17

1.5.2.1 Chitin 17

1.5.2.2 Chitosan 18

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT CHITIN – CHITOSAN 21

2.1 Phương pháp hóa học 21

2.1.1 Sơ lược về phương pháp 21

2.1.2 Quy trình kỹ thuật 21

2.1.3 Thuyết minh quy trình 22

2.1.4 Ưu nhược điểm 24

2.1.4.1 Ưu điểm 24

2.1.4.2 Nhược điểm 24

2.2 Phương pháp hóa sinh kết hợp 25

2.2.1 Sơ lược về phương pháp 25

2.2.2 Quy trình kỹ thuật 25

2.2.3 Thuyết minh quy trình 26

2.2.4 Ưu nhược điểm 27

2.2.4.1 Ưu điểm 27

2.2.4.2 Nhược điểm 27

2.3 Phương pháp sinh học 28

2.3.1 Sơ lựoc về phương pháp 28

2.3.2 Quy trình kỹ thuật 29

2.3.3 Thuyết minh quy trình 30

2.3.4 Thiết bị 35

2.3.5 Ưu điểm 37

2.3.6 Nhược điểm 38

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40

3.1 Kết luận 40

Tài liệu tham khảo: 42

HẾT 44

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1 1 Deacetyl hóa chintin thành chitosan 10

Hình 1 2 Cấu trúc hóa học N-acetyl-D-glucosamine liên kết với nhau bằng cầu nối β (1-4) glucoside 14

Hình 1 3 Cấu trúc hóa học chitin 14

Hình 1 4 cấu trúc chitosan 16

Hình 2 1 Quá trình deacetyl hóa bằng phương pháp hóa học 24

Hình 2 2 Nồi lên men được sử dụng trong quy trình sản xuất 36

Hình 2 3 nắp nồi và các chi tiết thiết bị 37

Hình 2 4 Bộ điều khiển 37

DANH SÁCH BẢNG Bảng 1 1 Thành phần chitin của một số phế liệu thủy sản: 8

Bảng 2 1 Công thức phối trộn nguyên liệu lên men 32

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHITIN - CHITOSAN

1.1 Giới thiệu

1.1.1 Chitin

- Chitin – chitosan là một polysacharite tồn tại trong tự nhiên với sản lượng rất lớn (đứng thứ hai sau cellulose) Chitin lần đầu tiên được tìm thấy trong nấm bởi nhà khoa học người Pháp Braconnot vào năm 1811, năm 1823, Odier phân lập được một chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi là chitin hay “chiton”, tiếng Hy lạp có nghĩa là vỏ giáp, nhưng ông không phát hiện ra sự có mặt của nitơ trong

đó Cuối cùng cả Odier và Braconnot đều đi đến kết luận chitin có dạng công thức giống với cellulose Ngày nay chitin được phát hiện ở cả động vật và thực vật

- Trong động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng của các vỏ một số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn Trong động vật bậc cao monome của chitin là một thành phần chủ yếu trong mô

da nó giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da, đặc biệt trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin chiếm khá cao dao động từ 14 – 35% so với trọng lượng khô, đặc biệt là tôm Theo ước tính của Tổ chức Nông Lương Thế Giới (FAO) sản lượng tôm nuôi trồng trên thế giới năm

2011 là 2.934.168 tấn, riêng ở Việt Nam 403.600 tấn… Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ

là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin Còn trong thực vật chitin có ở thành tế bào nấm họ zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo…

- Về đặc tính sinh học và cấu trúc hóa học chitin là polysacharite có đạm không độc, có khối lượng phân tử lớn.[13]

 Phân bố

- Chitin hiện diện ở thực vật bậc thấp Trong thế giới thực vật, chitin chỉ giới hạn

ở loài nấm, tảo lục, địa y, noãn khuẩn

- Ở tôm, chitin hiện diện ở dạng kết hợp với các thành phần khác (khoáng)

- Chitin cũng hiện diện ở động vật bậc thấp Chitin là thành phần cấu tạo nên xương hữu cơ chính ở động vật không xương sống (trùng đốt, tiết túc, nhuyễn thể, côn trùng) Đối với ngành tiết túc chitin chỉ là một trong những thành phần cấu tạo của bộ xương ngoài Trong thiên nhiên, dạng chitin nguyên chất chỉ tồn tại trong nang của loài mực ống Logigo

- Ở thủy sản, chitin tồn tại rất nhiều, đặc biệt là vỏ tôm, cua, ghẹ, nang mực, hàm lượng cao Vì vậy, phần lớn chitin được chiết xuất từ vỏ của các loài giáp xác nhất là vỏ tôm, kế đó là vỏ cua, ghẹ Ở vỏ tôm cũng như vỏ cua, chitin tạo phức hệ với protein và thường chứa thêm một tỉ lệ lớn CaCO3

- Chitin tồn tại trong tự nhiên ở dạng tinh thể Trong tự nhiên hiếm thấy chitin tồn tại ở dạng tự do, nó liên kết dưới dạng phức hợp chitin với protein, chitin với các hợp chất vô cơ, Khi tồn tại như thế, chitin có khả năng đề kháng đối với các chất thủy phân hóa học và enzyme, gây khó khăn cho việc tinh chế, tách chiết Tùy thuộc vào đặc tính cơ thể và sự thay đổi từng giai đoạn sinh lý mà trong cùng một loài, người ta có thể thấy có sự thay đổi về lượng và chất chitin

- Mặc dù gặp rất nhiều khó khăn trong việc chiết tách chitin nhưng người ta đã khẳng định về sự hiện diện của chitin ở thực vật lẫn động vật dựa vào phép đo quang học, phân tích bằng tia X và phân cắt bởi enzyme hay phản ứng hoá học.[1]

Bảng 1 1 Thành phần chitin của một số phế liệu thủy sản:

- Chitosan là một polysaccharide tuyến tính Loại chitosan thương mại có MW từ 100.000 đến 1.000.000 Da và thường mang một trong ba trạng thái : vô định hình, bán tinh thể, tinh thể Các dạng vi tinh thể của chitosan (MW: 10.000 –

300000 Da) có khả năng hấp thụ lớn như một gel phân tán hay dạng bột mịn tạo

ra phân tử chitosan có cấu trúc và kích thước cụ thể Các nhóm amin của chitosan có pKa ~ 6.5 chúng mang điện và tan trong môi trường acid Chitosan rất độc đáo nó là polime hữu cơ tự nhiên duy nhất mang điện tích dương do có những nhóm amino tự do tích điện dương không tan trong nước, vì vậy chúng tương tác được với phân tử mang điện tích âm như acid béo, acid mật, phospholipid, protein và polysaccharide, chính điều này tạo cho chitosan những thuộc tính đặc biệt nhất và đáng kinh ngạc Muối của chitosan có thể tan trong nước phụ thuộc vào pH, nhiệt độ của quá trình acetyl hóa.[1]

- Do một số đặc tính vốn có, là hợp chất tự nhiên, không độc, có thể bị phân hủy,

có khả năng tương tác với nhiều phân tử sinh học nên được ứng dụng rộng rãi trong thực tế trong nhiều lĩnh vực như: nông nghiệp, hóa học, công nghệ sinh học, công nghiệp giấy, mỹ phẩm, xử lí nước, bảo quản thực phẩm, phụ gia thực phẩm, dược phẩm…

- Chitosan được sản xuất bằng cách khử acetyl (deacetylation – DD) của chitin, mức độ deacetylation (% DD) có thể được xác định bằng phổ NMR, và DD% trong chitosans thương mại là trong khoảng 6 – 10% Chất được khử acetyl từ chitin đã được khám phá bởi Roughet vào năm 1859, sản phẩm khử acetyl chitin được đặt tên là chitosan bởi nhà khoa học người Ðức Hoppe Seyler vào năm 1894

1.2 Nguồn gốc thu nhận

 Sự tổng hợp chitin ở loài giáp xác

- Billard quan sát trên loài giáp xác Decapoda cho biết sự tổng hợp của

chitin theo sau giai đoạn lột xác Glycogen được sử dụng hoàn toàn và tích tụ khi lớp vỏ mới được hình thành Sự tổng hợp chitin ở giáp xác liên quan đến việc sử dụng glycogen và nó phải chuyển sang dạng đơn giản hơn là D-glucose.

- Sự tổng hợp và phân hủy chitin ở giáp xác rất tích cực vì phần lớn lớp vỏ

bị tiêu hủy chỉ được hình thành lại sau mỗi lần lột xác Trong giai đoạn này sự thiếu thức ăn làm vỏ mỏng hơn cho thấy khả năng sử dụng chitin như một chất biến dưỡng và dự trữ.

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Chitin

1.3.1.1 Tình hình sản xuất và nghiên cứu trong nước

- Việc nghiên cứu, sản xuất chitin và các ứng dụng của chúng trong sản xuất, phục vụ đời sống là một vấn đề tương đối mới ở nước ta Năm 1978, trường Đại

Hình 1 1 Deacetyl hóa chintin thành chitosan

Học Thủy Sản bắt đầu nghiên cứu chiết tách chitin Trước yêu cầu xử lý phế liệu thủy sản ngày càng cấp bách, trước những thông tin khoa học, kỹ thuật mới

về chitin, cũng như tiềm năng thị trường của chúng, đã thúc đẩy các nhà khoa học nước ta bắt tay vào nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất chitin ở bước cao hơn, đồng thời nghiên cứu các ứng dụng của chúng ở các lĩnh vức khác nhau

- Gần đây, khi chitin trở thành nhu cầu trong nhiều ngành công nghiệp và có giá trị thì rất nhiều cơ quan nghiên cứu như: trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM, Đại Học Tổng Hợp TP HCM, Đại Học Thủy Sản, Đại Học Cần Thơ,… đã tập trung vào nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng công nghệ này Tuy nhiên, chất lượng sản xuất và những ứng dụng của nó chưa được đánh giá đầy đủ

- Ở phía Bắc, Viện Khoa Học Việt Nam đã kết hợp với Xí Nghiệp Thủy Đặc Sản

Hà Nội sản xuất chitin và ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp và có hiệu quả bước đầu

- Ở phía Nam, Trung Tâm Công Nghệ và Sinh Học Thủy Sản phối hợp với một

số cơ quan khác như: Đại Học Y Dược TP HCM, Phân Viện Khoa Học Việt Nam, Viện Khoa Học Nông Nghiệp Miền Nam đã và đang nghiêu cứu, sản xuất

và ứng dụng chitin trong các lĩnh vực: nông nghiệp, y dược và mỹ phẩm

1.3.1.2 Tình hình sản xuất và nghiên cứu ngoài nước

- Năm 1972, hãng Kyowa Oid and Fat của Nhật lần đầu tiên đưa vào sản xuất công nghiệp chitin

- Năm 1977, Viện kỹ thuật Masachusetts (Mỹ), khi tiến hành xác định giá trị của chitin và protein trong vỏ tôm, cua, đã cho thấy việc thu hồi các chất này rất có lợi nếu sử dụng trong công nghiệp, phần chitin thu được, được dùng sản xuất ra các dẫn xuất có nhiều ứng dụng khác nhau

- Sản lượng chitin 1990 trên thế giới là 1200 tấn Nước sử dụng hàng đầu là Nhật (600 tấn/năm) và Mỹ (400 tấn/năm) Ngoài ra các nước như Trung Quốc, Ấn

Độ, Pháp cũng đang triển khai thêm các cơ sở sản xuất ở qui mô 50kg chitin/ngày với giá bán ra là 200 – 300France/kg Ở Mỹ, hàng năm tổng giá trị

về các chế phẩm chitin – chitosan sử dụng là 355 triệu USD, trong đó 190 triệu thuộc ngành y tế, sau đó nông nghiệp (54 triệu) và mỹ phẩm (50 triệu) Theo FAO, nhu cầu chitin – chitosan có thể lên tới 36.700 tấn/năm trong thập kỷ tới

- Các phòng thí nghiệm của Malaysia và công nghiệp làm ngọt nước biển đã thành lập công ty liên doanh Seafresh chitosan để khai thác khả năng cung cấp thương phẩm các chất dẫn xuất của tôm Công ty này đặc biệt quan tâm với chitin và polisaccharide từ vỏ tôm thải bỏ và hướng hoạt động chính vào các thị trường xuất khẩu

- Theo tiến sĩ Arisol Alimuniar – giám đốc kỹ thuật, ông hy vọng sản xuất khoảng 150 – 180 triệu sản phẩm chitin – chitosan/năm góp phần cùng các nước sản xuất chính khác như Nhật Bản, Mỹ, Na Uy, Canada và Nga Giá cả của các loại sản phẩm chitin – chitosan biến động từ 30 USD đến 400 USD/kg tuỳ thuộc vào chất lượng sản phẩm, lượng bán chitin và chitosan đạt khoảng 2

tỷ USD

- Nhiều nước như Nhật, Mỹ, Anh, Hội chitin thuộc cộng đồng Châu Âu

“ECCHIS” đã và đang nghiên cứu một cách có hệ thống và đề cập nhiều nội dung khoa học trong đó có việc ứng dụng chitin như một chất hấp phụ trao đổi ion để tinh chế nước giải khát

- Hiện nay, có khoảng 10 công ty lớn, hầu hết ở Nhật, sản xuất chitin trên thế giới Công ty Protan biopolymer, một trong những công ty lớn trên thế giới sản xuất chitin – chitosan đã nghiên cứu ra nhiều sản phẩm có nguồn gốc chitin sử dụng để xử lý nước, khử các ion kim loại độc, bọc hạt và nhiều ứng dụng khác trong nông nghiệp

- Ngày nay, người ta tập trung vào các dẫn xuất của chitin và khả năng ứng dụng của những dẫn xuất này Toàn bộ quá trình hoạt động khoa học của R.A.A Muzzarelli (Đại Học Y Khoa Ancona – Ý) tập trung vào chitin và dẫn xuất của

nó Cho đến nay, trên thế giới đã có nhiều quy trình sản xuất chitin, với nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, nhưng chủ yếu là vỏ tôm, cua, ghẹ

1.3.2 Chitosan

1.3.2.1 Tình hình sản xuất và nghiên cứu trong nước

- Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và sản xuất chitin, chitosan và ứng dụng của chúng trong sản xuất phục vụ đời sống là một vấn đề tương đối mới mẻ ở nước

ta Vào những năm 1978 – 1980, trường Đại học Thủy sản Nha Trang đã công

bố quy trình sản xuất chitosan của tác giả Đỗ Minh Phụng đã mở đầu bước ngoặc quan trọng trong việc nghiên cứu tuy nhiên chưa có ứng dụng nào thực

tế trong sản xuất.[4]

1.3.2.2 Tình hình sản xuất và nghiên cứu ngoài nước

- Chitosan được chấp nhận sử dụng như một phụ gia thực phẩm hay thực phẩm

bổ sung, ở các quốc gia như Nhật, Anh, Hoa Kì, Italy, Bồ Đào Nha, và Phần Lan

- Năm 1992 chitosan được công nhận là thực phẩm có lợi cho sức khỏe bởi Sở y

tế Nhật Bản Họ xác định rằng chitosan mang những thuộc tính cần thiết trong thực phẩm bổ sung, kể cả ngừa bệnh, tăng cường tuổi thọ, tăng miến dịch, và điều khiển nhịp sinh học FDA không phê duyệt việc sử dụng chitosan như thuốc, nó được dùng trong thực phẩm bổ sung.[5]

- Thị trường chitosan có giá 5USD/kg cho sản phẩm nông nghiệp và 200USD/kg cho sản phẩm chất lượng cao, siêu tinh khiết dùng trong chăm sóc sức khỏe một ứng dụng quan trọng của chitosan là trong công nghiệp thực phẩm dinh dưỡng

1.4 Cấu trúc hóa học

1.4.1 Cấu trúc hóa học của chitin

- Cấu trúc của chitin là tập hợp các monosacharite (N-acetyl-β-D-glucosamine) liên kết với nhau bởi các cầu nối β (1-4) glucoside và hình thành một mạng các sợi có tổ chức

- Nhiều các monosacharit nối với nhau tạo thành chitin

- Công thức hoá học của chitin (C8H13NO5)n, trong đó:

C = 47.29 %

H = 6.45 %

N = 6.89 %

O = 39.37 %

- Phân tử lượng: MChitin =(203,09)n

 Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X người ta có thể chứng minh được chitin tồn tại ở 3 cấu hình: α – chitin, β – chitin, γ – chitin Các dạng này chỉ khác nhau về hướng sắp xếp của mỗi mắt xích (N-Acetyl-D-glucosamine) trong mạch Và người ta biểu diễn mỗi mắt xích này bằng mũi tên chỉ nhóm –CH¬2OH, phần

Hình 1 2 Cấu trúc hóa học N-acetyl-D-glucosamine liên kết với nhau

bằng cầu nối β (1-4) glucoside

Hình 1 3 Cấu trúc hóa học chitin

đuôi chỉ nhóm –NHCOCH3, thì các cấu trúc α – chitin, β – chitin, γ – chitin được mô tả như sau

- α – Chitin có cấu trúc các mạch được xắp xếp ngược chiều nhau đều đặn nên ngoài liên kết hydro trong một lớp và hệ chuỗi, nó còn có liên kết hydro giữa các lớp do các chuỗi xếp kề nhau nên rất bền vững Do đó mắt xích xắp xếp đảo chiều, xen kẽ thuận lợi về mặt không gian và năng lượng Đây cũng là dạng năng lượng phổ biến trong tự nhiên

- β – Chitin đa mắt mắt xích ghép với nhau theo kiểu song song, giữa các lớp không có liên kết hydro Dạng β – chitin cũng có thể chuyển sang dạng α – chitin nhờ quá trình acetyl hóa cho cấu trúc tinh thể bền vững hơn.[1]

- γ – Chitin đa mắt mắt xích ghép với nhau theo kiểu và hai song song một ngược chiều, giữa các lớp không có liên kết hydro

- Chitin được xem là dẫn suất của cellulose, trong đó gốc –OH ở vị trí C2 được thay thế bởi gốc acetamine NHCOCH3 Điểm giống nhau của liên kết glucoside

ở chitin và cellulose được thể hiện qua nhiệt lượng tỏa ra tương đương nhau vào khoảng 28Kcal/mol.[13]

1.4.2 Cấu trúc hóa học của chitosan

- Chitosan là dẫn xuất đề acetyl hoá của chitin, trong đó nhóm (-NH2) thay thế nhóm (-COCH3) ở vị trí C2 Nói một cách tổng thể hơn chitosan là sự kết hợp ngẫu nhiên gồm β-(1-4)-D glucosamine và N-acetyl-D glucosamine, do vậy chitosan có thể gọi là poly β-(1-4)-2-amino-2-deoxi-D-glucozơ hoặc là poly β-(1-4)-D-glucozamin

1.5 Tính chất hóa lý sinh học

1.5.1 Tính chất lý hóa

- Chitin có màu trắng hay màu trắng phớt hồng, dạng vảy hoặc dạng bột, không mùi, không vị, không tan trong nước, trong môi trường kiềm, axit loãng và các dung môi hữu cơ như ete, rượu …Nhưng tan trong dung dịch đặc nóng của muối thioxianat liti (LiSCN) và thioxianat canxi (Ca(SCN)2) tạo thành dung dịch keo, tan được trong hệ dimetylacetamid-LiCl 8%, tan trong hexafluoro-isopropyl alcohol (CF3CHOHCF3) và hexafluoracetone sesquihydrate (CF3COCF3.H2O) Có thể tan trong Ordinethylactamine (DMA) có chứa 8% lithium choloride hoặc axit đậm đặc, không tan trong nước, axit loãng, sút, cồn hoặc các dung môi hữu cơ khác.[1]

- Chitin có cấu tạo tinh thể bền vững, hiếm thấy ở trạng thái tự do mà thường liên kết với protein bởi nối cộng hoá trị dưới dạng chitin – protein phức hợp

- Chitin không tan trong alcol, trong dung dịch acid và kiềm loãng hay đậm đặc,

và các dung môi thông thường

- Chitin có thể tan trong H2SO4 đậm đặc, H3PO4 78 – 97% và acid formide khan

- Trong dung dịch HCl, chitin có độ triền quang thay đổi từ -140 đến +560 Sự thay đổi này chứng tỏ có sự thủy giải chitin

- Độ phân tán của dung dịch keo chitin trong các dung dịch muối trung tính ngậm nước tương đối cao.[15]

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

Hình 1 4 cấu trúc chitosan

- Chitin ổn định với các chất oxy hoá mạnh như thuốc tím (KMnO4), oxy già

(H2O2), nước javen (NaOCl – NaCl)… lợi dụng tính chất này mà người ta sử

dụng các chất oxy hoá trên để khử màu cho chitin

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

chitin sẽ bị khử mất gốc acetyl tạo thành chitosan

Chitin

-CH2OH -OH -NHCOCH3

-CH2OH

Chitosan

-CH2OH -OH -NH2

- Khi đun nóng trong axit HCl đậm đặc, ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị cắt mạch

thu được glucosamin

Chitin

-CH2OH -OH -NHCOCH3

-CH2OH Chitosan

-CH2OH -OH -NH2

 Phản ứng este hóa

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

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

- Chitosan phản ứng với acid đậm đặc tạo muối khó tan, tác dụng với I2 trong môi

trường H2SO4 cho phản ứng màu tím, chitosan dễ phản ứng hơn chitin.[13],[16]

- Trong phân tử chitin/chitosan và một số dẫn xuất của chitin có chứa các nhóm

chức mà trong đó có các nguyên tử O2 và N2 của nhóm chức còn cặp electron

chưa sữ dụng, do đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim

loại nặng và kim loại chuyển tiếp như: Hg2+, Cd+2, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+… Tùy

nhóm chức trên mạch polymer mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau

1.5.2 Tính chất sinh học

1.5.2.1 Chitin

- Là một vật thể màu trắng vô định hình không mùi

- Trong tự nhiên chitin tồn tại phổ biến trong vỏ ngoài của các lọai nấm khuẩn thực vật cấp thấp, các lọai động vật giáp xác như tôm, cua, côn trùng và trong màng tế bào của các động vật cao cấp v.v…

- Đây là một lọai amylose tuyến tính cao phân tử, tức là một loại amylose keo trung tính, chất chitin không hoạt động trên hóa học, không thay đổi trong dịch

cơ thể, không phản ứng đào thải với cơ thể, không độc tố, có tính kháng huyết khối, đặc điểm chịu khử độc nhiệt độ cao

1.5.2.2 Chitosan

- Vật liệu chitosan có nguồn gốc tự nhiên, không độc, dùng an toàn cho người

- Chúng có tính hòa hợp sinh học cao với cơ thể, có khả năng tự phân huỷ sinh học

- Chitosan có nhiều tác dụng sinh học đa dạng như: có khả năng hút nước, giữ

ẩm, tính kháng nấm, tính kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau, kích thích sự phát triển tăng sinh của tế bào, có khả năng nuôi dưỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh dưỡng, tác dụng cầm máu, chống sưng u

- Chitosan không những ức chế các vi khuẩn gram dương, gram âm mà cả nấm men và nấm mốc Khả năng kháng khuẩn của chitosan phụ thuộc một vài yếu tố như loại chitosan sử dụng (độ deacetyl, khối lượng phân tử), pH môi trường, nhiệt độ, sự có mặt của một số thành phần thực phẩm Khả năng kháng khuẩn của chitosan và dẫn xuất của nó đã được nghiên cứu bởi một số tác giả, trong đó

cơ chế kháng khuẩn cũng đã được giải thích trong một số trường hợp Mặc dù chưa có một giải thích đầy đủ cho khả năng kháng khuẩn đối với tất cả các đối tượng vi sinh vật, nhưng hầu hết đều cho rằng khả năng kháng khuẩn liên quan đến mức độ hấp phụ chitosan lên bề mặt tế bào Trong đó, chitosan hấp phụ lên

bề mặt vi khuẩn gram âm tốt hơn vi khuẩn gram dương

 Một số cơ chế kháng khuẩn của chitosan đã được giải thích như sau:

- Nhờ tác dụng của những nhóm NH3+ trong chitosan lên các vị trí mang điện âm

ở trên màng tế bào vi sinh vật, dẫn tới sự thay đổi tính thấm của màng tế bào làm cho quá trình trao đổi chất qua màng tế bào bị ảnh hưởng Lúc này vi sinh

vật không thể nhận các chất dinh dưỡng cơ bản cho sự phát triển bình thường như glucose dẫn đến mất cân bằng giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào và cuối cùng dẫn đến sự chết của tế bào

- Chitosan có thể ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn do có khả năng lấy đi các ion kim loại quan trọng như Cu2+, Co2+, Cd+ của tế bào vi khuẩn nhờ hoạt động của các nhóm amino trong chitosan có thể tác dụng với các nhóm anion của bề mặt thành tế bào Như vậy, vi sinh vật sẽ bị ức chế phát triển do sự mất cân bằng liên quan đến các ion quan trọng

- Điện tích dương của những nhóm NH3+ của glucosamine monomer ở pH < 6,3 tác động lên các điện tích âm ở thành tế bào của vi khuẩn, dẫn đến sự rò rỉ các phần tử ở bên trong màng tế bào Đồng thời gây ra sự tương tác giữa sản phẩm của quá trình thuỷ phân có khả năng khuếch tán bên trong tế bào vi sinh vật với AND dẫn đến sự ức chế mARN và sự tổng hợp protein tế bào

- Chitosan có khả năng phá huỷ màng tế bào thông qua tương tác của những nhóm NH3+ với những nhóm phosphoryl của thành phần phospholipid của màng tế bào vi khuẩn

- Ngoài ra, chitosan còn có tác dụng làm giảm cholesterol và lipid máu, làm to vi động mạch và hạ huyết áp, điều trị thận mãn tính, chống rối loạn nội tiết

- Chitosan là chất thân mỡ có khả năng hấp thụ dầu mỡ rất cao có thể hấp thu đến gấp 6 – 8 lần trọng lượng của nó Chitosan nhỏ phân tử có điện tích dương nên

có khả năng gắn kết với điện tích âm của lipid và acid mật tạo thành những chất

có phân tử lớn không bị tác dụng bởi các men tiêu hóa và do đó không bị hấp thụ vào cơ thể mà được thải ra ngoài theo phân qua đó làm giảm mức cholesterol nhất là LDL-cholesterol, acid uric trong máu nên có thể giúp ta tránh các nguy cơ bệnh tim mạch, bệnh gút, kiểm soát được tăng huyết áp và giảm cân

- Với khả năng thúc đẩy hoạt động của các peptide-insulin, kích thích việc tiết ra insulin ở tuyến tụy nên chitosan đã dùng để điều trị bệnh tiểu đường Nhiều công trình đã công bố khả năng kháng đột biến, kích thích làm tăng cường hệ

thống miễn dịch cơ thể, khôi phục bạch cầu, hạn chế sự phát triển các tế bào u, ung thư, HIV/AIDS

- Chitosan chống tia tử ngoại, chống ngứa.[14]

- Chitosan với trọng lượng phân tử thấp để tiêm tĩnh mạch, không thấy có tích lũy ở gan Loại chitosan có DD = 50 %, có khả năng phân huỷ sinh học cao, sau khi tiêm vào ổ bụng chuột, nó được thải trừ dễ dàng, nhanh chóng qua thận và nước tiểu, chitosan không phân bổ tới gan và lá lách

- Những lợi điểm của chitosan: tính chất cơ học tốt, không độc, dễ tạo màng, có thể tự phân hủy sinh học, hoà hợp sinh học không những đối với động vật mà còn đối với các mô thực vật, là vật liệu y sinh tốt làm mau liền vết thương

- Chitosan không độc hoặc độc tính rất thấp trên xúc vật thực nghiệm và nó có thể được sử dụng an toàn trên cơ thể người.[13],[15]

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT CHITIN –

CHITOSAN 2.1 Phương pháp hóa học

2.1.1 Sơ lược về phương pháp

- Quá trình tách chiết và làm sạch chitin được tiến hành theo phương pháp hóa học thông thường được áp dụng từ trước tới nay trong nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới cũng như ở Việt Nam để thu nhận chitin làm nguyên liệu sản xuất chitosan từ phế phẩm thủy sản, quá trình gồm 3 giai đoạn chính là loại khoáng, loại protein và khử màu Và để sản xuất chitosan người ta tiến hành thêm bước deacetyl hóa bằng dung dịch kiềm.[4]

2.1.2 Quy trình kỹ thuật