ỨNG DỤNG CHITIN - CHITOSAN

Ứng dụng trong y dược, nông nghiệp, thực phẩm...

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM

ỨNG DỤNG CHITIN – CHITOSAN

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

TP Hồ Chí Minh, 2013

i

LỜI NÓI ĐẦU

Vấn đề nghiên cứu và tách chiết chitin từ vỏ giáp xác đã được thực hiện hơn một thế kỉ nay Việc sản xuất chitosan có nguồn gôc từ vỏ tôm mang lại hiệu quả kinh tế cao Sản phẩm chitin – chitosan đã có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế Chitin có ứng dụng làm da nhân tạo và là nguyên liệu trung gian cho các chất quan trọng như chitosan, glucosamin và các chất có giá trị khác chitosan và các dẫn xuất có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, y dược và bảo vệ môi trường như: sản xuất glucosamin, chỉ khâu phẫu thuật, thuốc kem, vải, sơn, chất bảo vệ hoa quả, bảo vệ môi trường…

Nước ta có đặc tính khí hậu nhiệt đới, thiên nhiên ưu đãi thuận lợi cho phát triển nông nghiệp, trồng cây ăn trái Tuy nhiên nhiệt độ nóng ẩm lại tạo điều kiện thuận lợi cho các loại vi sinh vật phát triển mạnh, gây hư hỏng thực phẩm và các loại rau quả rất nhanh, đặc biệt là trái cây Có nhiều nguyên nhân trong vấn đề này, trong

đó việc bảo quản chưa được đầu tư về công nghệ và hệ thống thiết bị bảo quản chưa tốt Việc sử dụng thuốc bảo quản bừa bãi dẫn đến giảm giá trị cảm quan và không

an toàn Vì vậy một phương pháp bảo quản rau quả sau thu hoạch đơn giản và tiết kiệm là nhiệm vụ trước mắt quan trọng để đẩy mạnh xuất khẩu rau quả Thời gian gần đây việc sử dụng chitosan làm màng bao bảo vệ trái cây sau thu hoạch này được các nhà vườn rất quan tâm và cho những kết quả khả quan Chitosan thể hiện nhiều đặc tính đáng chú ý như có khả năng tạo màng thấm khí, khả năng diệt khuẩn cao và không hại cho người tiêu dùng khi sử dụng gói rau quả tươi Do đó người ta nghiên cứu sử dụng chitosan làm màng bao trong bảo quản rau quả vì nó vừa thân thiện với môi trường vừa an toàn thực phẩm

ii

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC ii

DANH SÁCH HÌNH iv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG 1

1.1 Tổng quan về ứng dụng 1

1.1.1 Ứng dụng trong thực phẩm 2

1.1.2 Ứng dụng trong y dược 3

1.1.2.1 Điều chế thuốc Glucosamin 4

1.1.2.2 Một số nghiên cứu và ứng dụng khác trong y học 5

1.1.3 Ứng dụng trong nông nghiệp 10

1.1.4 Một số ứng dụng khác 12

1.1.4.1 Chế tạo PVC nanocomposit 12

1.1.4.2 Trong công nghiệp giấy 14

1.1.4.3 Trong công nghiệp dệt may 14

1.1.4.4 Trong công nghệ sinh học 14

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG LÀM MÀNG BAO THỰC PHẨM 15

2.1 Ứng dụng làm màng bao thực phẩm 15

2.1.1 Cơ sở khoa học 15

2.1.2 Lịch sử nghiên cứu và phát triển 15

2.1.3 Quy trình tạo màng [7],[8] 17

2.1.4 Thuyết minh quy trình [7],[8] 17

2.1.5 Yếu tố ảnh hưởng quá trình 17

2.1.6 Ưu nhược điểm của màng bao chitosan 18

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 19

3.1 Kết luận và kiến nghị 19

3.1.1 Kết luận 19

3.1.2 Kiến nghị 19

Tài liệu tham khảo: 20

iii HẾT 22

iv

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1.1 Các ứng dụng chính của chitosan 2

Hình 1.2 Các dẫn xuất của glucosamine 4

Hình 1.3 Thuốc glucosamine chữa bệnh khớp 5

Hình 1.4 Chitosan ứng dụng làm băng vết thương 6

Hình 1.5 Thực phẩm chức năng Swanson Liposan Ultra chitosan 7

Hình 1.6 Thực phẩm chức năng hỗ trợ trị VLDDTT Novagast chứa 500mg chotosan 8

Hình 1.7 Chỉ khâu tự hủy làm từ chitosan 9

Hình 1.8 Sản phẩm CONDOLISA xóa nhăn, sáng da từ chitosan 9

Hình 1.9 Thuốc kích thích sinh trưởng, kháng nấm từ chitosan 10

Hình 1.10 Mô hình ứng dụng chế phẩm chitosan trong việc kéo dài thời gian dùng phân bón trên thanh long 11

Hình 1.11 Bảo quản cam bằng màng chitosan 12

Hình 1.12 Quy trình tạo nanocomposit của trung tâm nghiên cứu và phát triển TOYOTA nhật bản 13

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG1.1 Tổng quan về ứng dụng

- Giống như cellulose, chitosan có cấu trúc gần giống chất xơ, nhưng không giống chất xơ thực vật, có khả năng tích điện dương, tạo màng do đó kết hợp được với những chất tích điện âm như chất béo, lipid và acid mật Chitosan là polymer không độc, có khả năng phân hủy sinh học và có tính tương thích về mặt sinh học Trong nhiều năm qua, các polymer có nguồn gốc từ chitin đặc biệt là chitosan đã rất được quan tâm như là một loại vật liệu mới có ứng dụng đặc biệt trong nhều lĩnh vực công nghiệp như dược ,y học, xử lý nước thải và trong công nghiệp, thực phẩm, là tác nhân kết hợp, gel hóa, hay tác nhân ổn định…[21]

- Chitin – chitosan và các dẫn xuất của chúng có nhiều đặc tính quý báu như: có hoạt tính kháng nấm, kháng khuẩn, không gây dị ứng, có khả năng tạo phức với một số kim loại chuyển tiếp như: Cu(II), Ni(II), Co(II) Do vậy chitin và một số dẫn xuất của chúng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lí nước thải và bảo vê môi trường

2

Hình 1.1.1 Các ứng dụng chính của chitosan

- Hiện nay, trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm việc ứng dụng chitosan làm màng bao thực phẩm, rau quả đã tạo ra một bước tiến mới trong kĩ thuật bảo quản sau thu hoạch Với những đặc tính ưu việt của loại màng bao chitosan như: có tính kháng khuẩn,đảm bảo độ thông khí, màng dai, khó rách, dễ sử dụng, bảo quản thực phẩm lâu hơn…đã giúp ích rất nhiều cho nghành xuất khẩu trái cây nội địa ra nước ngoài, đem lại nguồn lợi nhuận cao cho người nông dân

và doanh nghiệp

1.1.1 Ứng dụng trong thực phẩm

- Trong công nghiệp thực phẩm, chitosan làm phụ gia thực phẩm duy trì hương vị

tự nhiên, ổn định màu, nhũ tương, làm dày cấu trúc, màng bảo quản rau quả tươi, làm trong nước quả ép, giữ màu sắc Nó có thể làm tăng hàm lượng protein trong bánh mì, thậm chí không cần các thành phần như chất nhũ hoá và mỡ.[6],[7]

- Sản xuất ra màng mỏng để bao gói thực phẩm Thay thế cho PE Màng chitosan

dễ phân hủy trong môi trường tự nhiên, giảm thiểu tối ta rác thải ra môi trường

3

- Chitosan là tác nhân tốt loại bỏ đi đục , giúp điều chỉnh acid trong nước quả Đối với dịch quả táo, nho , cam , chanh không cẩn qua xử lý pectin, sử dụng chitosan để làm trong .Đặc biệt nước táo, độ đục có thể giảm tối thiểu chỉ ở mức xử lý với 0,8 kg/m3 mà không hề gây ảnh hưởng xấu tới chỉ tiêu chất lượng của nó.[8]

- Nghiên cứu đã chỉ ra rằng chitosan có ái lực lớn đối với hợp chất pholyphenol chẳng hạn : catechin, proanthocianydin, acid cinamic, dẫn xuất của chúng, Những chất mà có thể biến màu nước quả bằng phản ứng oxy hóa đó là lý do chitosan có thể là tác nhân loại bỏ độ đục

- Ở Ấn Độ, kết hợp của chitin trong thức ăn gia cầm ở mức 0,5% chitin giảm tỷ

lệ tiêu thụ thực phẩm và tăng trọng lượng cơ thể 12% so với gà ăn một chế độ

ăn uống không có chitin Tương tự như vậy, viên nghiên cứu dinh dưỡng ở Mỹ

đã chỉ ra rằng gà con ăn trên một chế độ ăn whey khô và chitin thì hiệu quả tăng cân nhiều hơn nhóm ăn tương tự nhưng không có bổ sung chitin

- Nhờ khả năng kết hợp tốt với chất béo, có thể gắn với lượng chất béo gấp 4 lần khối lượng của chúng, đặc biệt chitosan gắn lipid trong dạ dày và ruột tạo thành một dạng chất mà cơ thể không thể hấp thụ và sẽ được loại thải ra ngoài Nên ở

Mỹ, chất này được sử dụng để “bẫy” lipid trong thực phẩm chức năng chống béo phì

- Chức năng nữa để chống béo phì là chitosan có đặc tính có thể trương nở lên khi vào hệ tiêu hóa, giúp cơ thể no nhanh Khi ấy lượng calori nạp vào ít hơn lượng calori cần tiêu hao nên chúng sẽ lấy calori từ lượng mỡ dự trữ trong cơ thể

1.1.2 Ứng dụng trong y dược

- Đã có rất nhiều thử nghiệm đã được tiến hành để xác nhận tính an toàn của chitosan như: thử nghiệm khả năng gây đột biến; khả năng gây độc cấp tính, bán cấp tính và mãn tính, khả năng gây sốt, làm tan máu và gây dị ứng…các nhà chuyên môn kết luận rằng chitosan không hề gây tác hại tới sức khỏe con người Từ đó chitosan đã được ứng dụng r ng rãi và có hiệu quả trong kỹ nghệ

4

bào chế dựơc phẩm, làm thuốc chữa bỏng, giảm đau, thuốc hạ cholesterol,thuốc chữa bệnh dạ dày, Theo một số nghiên cứu khoa học thì chitosan có khả năng ngăn ngừa cả sự gia tăng của tế bào ung thư.[4]

1.1.2.1 Điều chế thuốc Glucosamin

- Gucosamine là một amino-mono-saccharide có trong mọi mô của cơ thể con người Glucosamine được cơ thể dùng để sản xuất ra các proteoglycan Những phân tử proteoglycan này hợp với nhau thành mô sụn Nguồn cung cấp để tổng hợp glucosamine lấy từ glucose trong cơ thể nhưng trong các khớp bị viêm lớp

mô sợi của bao khớp và màng hoạt dịch làm giảm sự khuếch tán glucose vào

mô sụn Hơn nữa hiện tượng viêm trong khớp đã tiêu thụ lượng glucose có giới hạn của cơ thể Chính vì thế có sự thiếu hụt glucosamine Lúc này, glucosamine ngoại sinh là nguồn cung cấp tốt nhất cho cơ thể.[9]

- Glucosamin có tác dụng mạnh lên các bệnh về khớp, tất cả các bệnh thoái hóa xương khớp như: Viêm khớp cổ, viêm khớp vai cánh tay, viêm khớp lưng, viêm khớp gối, viêm xương khớp, chứng loãng xương, chứng đau lưng viêm màng xương, chứng loạn dưỡng xương khớp Viêm khớp mạn tính và bán cấp tính

Nó còn giúp ức chế các men sinh học như stromelysin và collagenase gây phá hủy sụn khớp.[20]

- Glucosamine có nhiều dẫn xuất về có tạc dụng và mục đích sữ dụng khác nhau như Glucosamine Hydrochloride – C6H13NO5HCl, Glucosamine sulfate sodium chloride – (C6H14NO5)2SO4.2NaCl, Glucosamine Sulfate Potassium Chloride – (C6H14NO5)2SO4.2KCl

Hình 1.1.2 Các dẫn xuất của glucosamine

A Glucosamine sulfate sodium chloride

B D-glucosamine hydrochloride

5

C D-glucosamine sulfate potassium chloride

 Quy trình điều chế cơ bản.[1][20]

- Trên thị trường hiện nay, loaị thuốc chữa bệnh khớp rất phổ biến được làm từ

Đun 90o

C, 2h, trong dung dịch HCl 10N Tỉ lệ vỏ tôm:HCl là 1:3 Để 24h, Tủa lại bằng cồn 98%

Hòa tan tủa với nước nóng tỉ lệ 1:2.5, tẩy màu với than hoạt tính, sau đó tủa lại bằng cồn 98% tỉ lệ 1:3,

Chỉnh về pH = 8 Sấy khô ở 50oC

6

- Qua thí nghiệm thực hiện trên 0 bệnh nhân từ 35 – tuổi của nhóm bác sỹ bệnh viện Hà Nội vào năm 2003, đã chứng minh chitosan có tác dụng h trợ điều trị ung thư Một công trình nghiên cứu thí nghiệm với liều tiêm chitosan 100mg kg trên da chuột cống, sau đó gây viêm bằng Canageenin Chitosan có khả năng chống viên cấp trên mô lành.[12].[17]

- Tại cuộc chiến Iraq vừa qua, Mỹ đã sử dụng loaị băng cứu thương kiểu mới, có thành phần chứa chitosan o với các loại băng thường, loại băng này giúp cầm máu tốt hơn, tính sát khuẩn và thời gian lành vết thương nhanh hơn.[20]

Hình 1.1.4 Chitosan ứng dụng làm băng vết thương

- Một số nhà nghiên cứu thuộc trung tâm Huyết học – Viện Hàn âm học Nga cũng phát hiện chitosan có thể ngăn chặn sự phát triển của chứng nhồi máu cơ tim và bệnh đột qu

- Một nghiên cứu mới đây cho biết chitosan có trong vỏ tôm sẽ rất có ích cho việc giảm béo phì và lượng cholesterol trong máu Nghiên cứu được đăng trên tập chí Dược Lý và Sinh Lý Học Thực Nghiệm và Lâm Sàng Chỉ đạo nghiên cứu là Tiến sĩ hahdat Hossain khoa inh Hoá và inh Học Phân Tử thuộc đại học Jahangirnagar Nhật Bản đã tiến hành kiểm tra tác động của chitosan lên cân nặng cơ thể, lượng lipid trong huyết tương và thành phần cấu tạo acid béo của những con chuột Kết quả nghiên cứu của Tiến sĩ Hossain và các cộng sự của ông cho thấy chitosan có thể giúp hạn chế tăng cân và lượng cholesterol ở chuột Quan trọng hơn, khi được dùng như là nguồn bổ sung cho khẩu phần ăn

7

kiêng, thì chitosan còn làm tăng tỷ lệ lượng choresterol có lợi hơn là có hại [12]

Hình 1.1.5 Thực phẩm chức năng Swanson Liposan Ultra chitosan

- Nó sẽ rất có ích về mặt xã hội và kinh tế Trong khi béo phì một số bệnh khác như đái tháo đường và bệnh van tim đang phát triển, thì nghiên cứu đột phá về tác động của chitosan có thể là vũ khí lợi hại cho việc đấu tranh chống lại bệnh tim và đột qu - một trong những căn bệnh nguy hiểm nhất trên thế giới Tuy nhiên cần lưu ý nên thêm một số chất chống oxi hoá tương thích vào khẩu phần

ăn giàu chitosan nhằm giảm thiếu mức áp lực oxi hoá lên gan và sẽ cần phải có nhiều nghiên cứu hơn nữa để làm rõ vai trò của chitosan.[17]

- Về tác dụng trị viêm loét dạ dày – tá tràng (VLDDTT), chitosan cũng có tính h trợ Khi uống vào, chitosan nhờ môi trường axit ở dạ dày tạo thành gel che phủ niêm mạc và phát huy tác dụng bảo vệ niêm mạc Năm 1999, một số tác giả người Nhật đã chứng minh qua mô hình thử trên chuột về tác dụng của chitosan bảo vệ chống loét dạ dày (gây ra bởi rượu ethanol và axit acetic), tác dụng bảo

vệ này tương đương thuốc kinh điển trị V DDTT ucralfat Chitosan cũng

8

được chứng minh có tác dụng ức chế sự phát triển của nhiều loại vi khuẩn,

trong đó có vi khuẩn gây VLDDTT là Helicobacter pylori Tuy nhiên, đó chỉ

mới dựa vào dược lý thực nghiệm Cho đến nay, chitosan được dùng như “thực phẩm chức năng” h trợ điều trị V DDTT, nghĩa là người bệnh đang được điều trị không được bỏ ngang việc điều trị chính thống mà nên hỏi ý kiến bác sĩ để dùng chế phẩm chitosan như biện pháp h trợ.[14]

Hình 1.1.6 Thực phẩm chức năng hỗ trợ trị VLDDTT Novagast chứa

500mg chotosan

- Về tác dụng trong điều trị bỏng da, các nhà khoa học đã nghiên cứu và ứng dụng màng chitosan từ vỏ tôm phục vũ điều trị vết thương bỏng Ở mức độ cao hơn các chuyên gia ngành bỏng đã đạt được bước đầu thành công trong công việc nghiên cứu và xây dựng quy trình công nghệ nuôi cấy nguyên bào sợi da đồng loại, quy trình nuôi cấy tế bào sừng da tự thân để điều trị cho các trường hợp bỏng sâu diện rộng, ngoài ra cũng dựa trên cơ sở ứng dụng công nghệ sinh học, Viện Bỏng quốc gia đã bào chế, sản xuất được các loại thuốc từ chitosan…bằng nguyên liệu trong nước với giá thành rẻ nên đã góp phần giảm giá thành thuốc điều trị bỏng cho các bệnh nhân bỏng, giá thành xuống thấp nhiều lần mà hiệu quả, chất lượng cũng được đảm bảo rất cao.[12],[14]

9

- Chitosan được dùng để chế tạo gốm y sinh để làm xương dùng trong phẫu thuật chấn thương chỉnh hình, vật liệu Hap C được tổng hợp từ dung dịch theo phương pháp cho pahỉ ứng hóa học giữa muối chứ Ca2+

và muối chứa gốc phốt phát PO43- có pha trộn chitosan trong đó

- Làm chỉ khâu tự hủy mà bệnh nhân không cần phải cắt chỉ Đầu tiên chitin được phát hiện rằng có khả năng chữa lành vết thương Đến giữa những năm 1950 chỉ khâu phủ chitin đã được sử dụng, nó giúp giảm thời gian chữa lành vết thương từ 35 – 50% Trong những năm 19 0, các nhà nghiêm cứu thuộc đai học Delaware đã phát hiện một phương pháp quay sợi chitin tinh khiết

Hình 1.1.7 Chỉ khâu tự hủy làm từ chitosan

- Các nhà khoa học đang tiến hành chế tạo keo với ba thành phần chính chứa nano bạc kết hợp với curcumin, trên nền chitosan nhằm đưa ra sản phẩm hoàn hảo hơn trong y dược và mỹ phẩm (điều trị các vết thương ngoài da, có tính sát khuẩn, nhanh làm liền sẹo, làm mịn da )

Hình 1.1.8 Sản phẩm CONDOLISA xóa nhăn, sáng da từ chitosan