Nghiên cứu phản ứng trùng hợp ghép styren với chitosan

Chitosan là polysacarit điều chế được bằng phản ứng deaxetyl hóa chitin, là một polyme thiên nhiên không độc, có khả năng phân hủy sinh học và tương thích sinh học cao đã và đang được ứn

NGUYỄN ĐỨC HỒNG

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG TRÙNG HỢP

GHÉP STYREN VỚI CHITOSAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGHỆ AN - 2015

NGUYỄN ĐỨC HỒNG

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG TRÙNG HỢP

GHÉP STYREN VỚI CHITOSAN

Chuyên ngành: Hóa hữu cơ

Mã số: 60.44.01.14

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:

TS LÊ ĐỨC GIANG

NGHỆ AN - 2015

Luận văn được hoàn thành tại phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ, khoa Hóa học, trường Đại học Vinh dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Lê Đức Giang Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô khoa Hóa học, phòng đào tạo sau đại học - trường Đại học Vinh đã giảng dạy và tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tác giả xin gửi tới bố mẹ và người thân, bạn bè, những người đã luôn động viên, khích lệ tác giả trong suốt thời gian làm luận văn lòng biết ơn sâu sắc

Luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được

và biết ơn các ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn

Vinh, tháng 10 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Đức Hồng

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

3 Đối tượng nghiên cứu 2

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về chitosan 3

1.1.1 Cấu trúc, tính chất vật lý và hóa học của chitosan 3

1.1.2 Ứng dụng của chitosan 8

1.2 Các phương pháp sản xuất chitin và chitosan 9

1.2.1 Một số quy trình sản xuất chitin 9

1.2.2 Một số quy trình sản xuất chitosan 14

1.3 Các phương pháp biến tính chitin và chitosan 19

1.3.1 Các phương pháp biến tính chitin 19

1.3.2 Các phương pháp biến tính chitosan 21

1.4 Các phương pháp tổng hợp copolyme ghép 22

1.4.1 Lý thuyết về cơ chế phản ứng trùng hợp ghép 22

1.4.2 Các phương pháp tổng hợp copolyme ghép 24

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 26

2.1 Nguyên liệu và hóa chất 26

2.2 Dụng cụ và thiết bị 26

2.3 Chiết tách chitin và chitosan từ vỏ tôm tít 26

2.3 Tổng hợp copolyme ghép chitosan-styren 27

2.4 Các phương pháp nghiên cứu 28

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 30

3.1 Khảo sát cấu trúc hóa học 30

3.4 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng 34

3.4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào 34

3.4.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng ghép 35

3.4.3 Ảnh hưởng của hàm lượng styren 37

KẾT LUẬN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

Ký hiệu Diễn giải

Hình 1.1: Cấu trúc của chitosan 3

Hình 1.2: Thành phần hóa học của vỏ tôm 9

Hình 3.1 Phổ hồng ngoại của chitosan 31

Hình 3.2 Phổ hồng ngoại của copolyme chitosan-g-polystyren 32

Hình 3.3 Ảnh SEM của chitosan 32

Hình 3.4: Ảnh SEM copolyme chitosan-g-polystyren 33

Hình 3.5 Giản đồ TGA của copolyme chitosan-g-polystyren 33

Sơ đồ: Sơ đồ1.1: Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp của Nguyễn Hoàng Hà 15

Sơ đồ 1.2: Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp của Đặng Văn Luyến 16

Sơ đồ1.3: Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp bán thủy nhiệt 17

Sơ đồ 1.4: Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp hóa sinh 18

Sơ đồ 3.1 Phản ứng trùng hợp ghép styren với chitosan 30

Bảng: Bảng 3.1: Số liệu khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào 34

Bảng 3.2: Số liệu khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng ghép 36

Bảng 3.3: Số liệu khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng styren 37

Đồ thị: Đồ thị 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng khơi mào APS đến hàm lượng ghép G(%) và hiệu suất ghép Y(%) 35

Đồ thị 3.2: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng ghép đến hàm lượng ghép G(%) và hiệu suất ghép Y(%) 36

Đồ thị 3.3: Ảnh hưởng của hàm lượng styren đến hàm lượng ghép G(%) và hiệu suất ghép Y(%) 37

Việt Nam là quốc gia có đường bờ biển tương đối dài và chạy dọc từ bắc đến nam Tiềm năng khai thác và chế biến thủy hải sản là rất lớn và chitin

là một polysacarit thiên nhiên có cấu trúc tương tự như xenlulozơ, có nhiều trong vỏ tôm, tôm tít, cua, mai mực là những phế liệu hải sản rất sẵn có ở Việt Nam Chitosan là polysacarit điều chế được bằng phản ứng deaxetyl hóa chitin, là một polyme thiên nhiên không độc, có khả năng phân hủy sinh học

và tương thích sinh học cao đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, vật liệu y sinh, …Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chitosan là không tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ đã gây cản trở cho việc nghiên cứu và ứng dụng của

nó trong thực tế

Vấn đề đặt ra cho các nhà khoa học là làm thế nào để tạo ra các dẫn xuất của chitin và chitosan để có thể tận dụng được nguồn phế liệu hải sản ở địa phương và nghiên cứu ứng dụng trong khoa học cũng như trong đời sống

Do đó, biến tính hóa học bằng phản ứng trùng hợp ghép các monome gốc vinyl như acrylonitrin, styren, axit metacrylic, acrylamit, … với chitin và chitosan bằng các chất khơi mào như kali persunfat, ceri amoni nitrat, sắt amoni sunfat, đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới [5], [10], [22],[24] Một số copolyme ghép của monome vinyl với chitin và chitosan có khả năng tạo phức với các ion kim loại nặng

nên có khả năng ứng dụng chúng trong lĩnh vực xử lý nước và nước thải[3]

Chính vì vậy chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu phản ứng trùng hợp ghép styren với chitosan”

2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Các nhiệm vụ chính để thực hiện mục đích này như sau:

+ Tách chitin từ vỏ tôm tít phế thải và chuyển hóa thành chitosan;

+ Điều chế copolyme bằng phản ứng trùng hợp ghép styren với chitosan;

+ Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến phản ứng trùng hợp ghép styren với chitosan;

+ Khảo sát cấu trúc, hình thái học và tính chất nhiệt của copolyme tổng hợp được

3 Đối tƣợng nghiên cứu

Chitosan điều chế được từ vỏ tôm tít phế thải và copolyme ghép

chitosan-g-polystyren

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về chitosan

1.1.1 Cấu trúc, tính chất vật lý và hóa học của chitosan

a.Cấu trúc của chitosan

Chitosan là một poly(β-(1→ 4)- 2-amino-2- deoxy- D- glucopyranose)

Cả chitin và chitosan đều là copolyme, tỉ lệ giữa 2 nhóm monome này cũng

là tỉ lệ giữa nhóm amino và nhóm acetamido và được gọi là độ deaxetyl (DDA) của sản phẩm Nếu DDA>60%, đó là chitosan, ngược lại là chitin

Hình 1.1: Cấu trúc của chitosan

Cấu trúc của phân tử chitosan trong không gian có hình xoắn ốc, mỗi đơn vị

cơ bản có 2 mắc xích D- glucosamin Chiều dài mỗi đơn vị cơ bản là 10,34 Ao

b Tính chất vật lý của chitosan

Ở trạng tự nhiên chitosan là chất rắn, xốp nhẹ, hình vảy có thể xay nhỏ theo nhiều kích cỡ khác nhau Chitosan có màu trắng hoặc vàng nhạt, không mùi không vị ( theo Riccardo, 1996)

Một trong những chỉ số quan trọng của chitosan là độ deaxetyl hoá (DDA) hoặc độ axetyl hoá (DA = 100- DDA) Chitosan có độ DDA khác nhau dẫn đến sự khác nhau về khối lượng phân tử, độ nhớt, khả năng hoà tan trong axit

Chitosan là một bazơ, dễ tạo muối với các axit, hình thành những chất điện ly cao phân tử (polyelectrolyt) có tính tan phụ thuộc vào bản chất của các anion có liên quan Quá trình hoà tan chitosan có thể xảy ra hai giai đoạn: hình thành muối và hoà tan muối Tuy nhiên, thường cho axit và chitosan đã ở dạng huyền phù trong nước để hai quá trình xảy ra đồng thời Tính tan của muối chitosan phụ thuộc vào trọng lượng phân tử, mức độ deaxetyl hoá, tổng lượng axit có mặt và nhiệt độ dung dịch

+ Trong axit vô cơ

Chitosan tan được trong HCl, HBr, HI, HNO3, và HClO4 loãng nhưng cũng có thể tách riêng được trong dung dịch HCl hoặc HBr khi tăng nồng độ axit Chitosan tan rất ít trong H3PO4 đậm đặc, sự hoà tan xảy ra song song với sự sunfo hoá và thuỷ phân chitosan

Chitosan tan được trong các dung dịch axit loãng là do sự proton hoá của nhóm amin tự do Hằng số phân ly Kb của một nhóm amin được xác định dựa trên cân bằng sau:

+ Trong axit hữu cơ

Chitosan hình thành muối tan được trong nước với phần lớn các axit hữu cơ Các muối của monocacboxylic axit như chitosan benzoat, chitosan-o- aminobenzoat (chitosan antranilat), chitosan aminobenzoat, chitosan phenyl axetat tan tốt nhưng chitosan hydrocinnamat tan rất ít và chitosan -p- methonycinnamat thì không tan Còn muối của chitosan và axit fomic, axit axetic tan rất tốt trong nước

Ngoài ra, chitosan còn tan rất dễ dàng trong hỗn hợp DMF- N2O2 với

tỷ lệ N2O2 : chitosan là 3:1, cho dung dịch có độ nhớt nhỏ Đây là dung môi hữu cơ duy nhất của chitosan được biết đến

+ Tính tương hợp với các dung môi

Chitosan tan tốt trong một số rất ít các dung môi hữu cơ, chitosan trong dung dịch axit axetic có thể thống nhất với các dung môi phân cực mà không gây ra một sự tạo tủa nào Dung dịch của axit axetic - chitosan có tính tương hợp tốt với các rượu như metanol, propanol, butanol, etylen, dietylglycol và aceton

Những dung dịch axit của chitosan đều hoà lẫn được các nhựa tan trong nước không ion, hồ, dextrin, saccaro, sorbitol và các loại dầu mỡ, các parafin, các axit clohydric, nitric, formic, citric, lactic nhưng không tan trong axit sunfuric và các sunfat

c Tính chất hóa học của chitosan

+ Thuỷ phân bằng axit

Trong môi trường axit, chitin - chitosan đều bị thuỷ phân Khả năng bị thuỷ phân phụ thuộc vào các nhóm thế trong chitin theo thứ tự sau:

-NHCOCH3 < -OH < -NH2 Mức độ thuỷ phân phụ thuộc vào loại axit, nồng độ axit, nhiệt độ và thời gian phản ứng Các kết qủa nghiên cứu cho thấy trong môi trường H2SO4, sự thuỷ phân chitosan luôn kèm theo quá trình O<N - sunfat hoá, cho

sự cắt mạch phân tử chitosan một cách ngẫu nhiên

Trong dung dịch HCl, chitosan bị cắt mạch nhưng không như trong dung dịch H2SO4 HCl thủy phân chitosan sản phẩm cuối cùng chủ yếu là monome, dime, trime Trong môi trường khác như HF, H3PO4 chitosan vẫn

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

+ Phản ứng nitrat hoá

Chitosan tương tự xenlulozơ có đặc tính tạo nitrat Tuy nhiên, hỗn hợp HNO3 - H2SO4 được dùng làm tác nhân để điều chế xenlulozơ nitrat lại không thích hợp cho chitosan vì H2SO4 gây phản ứng cắt mạch chitosan Có hai hướng điều chế chitosan nitrat như sau:

- Chitosan phản ứng với HNO3 loãng

- Chitosan tác dụng với hỗn hợp của axit axetic loãng: anhydric axetic: axit nitric nguyên chất ở nhiệt độ thấp hơn 5oC theo tỉ lệ 1:1:1:3

Sản phẩm thu được từ hai quá trình trên đều là muối axit của chitosan nitrat, có mức độ thế là 1.65 dưới tác dụng của kiềm loãng sẽ chuyển sang

chitosan nitrat có hàm lượng O-nitrat không đổi, thường thực hiện trong aceton 50%

O O

Chitosan-NH2 + O3S-O-CH=N(CH3)2 → Chitosan-NH-SO2OH + HCON(CH3)2

độ phòng Tuy nhiên để thực hiện tốt phản ứng deamin hoá chitosan, người

ta thay bằng anhydrit N2O3 Cơ chế phản ứng như sau: trước hết hình thành ion diazonium, ion này phân hủy tạo ion cacbonium, gây ra sự cắt mạch

+ Tính tạo phức

Trong môi trường axit, chitosan bị proton hoá nên nó phản ứng được với các polyanion tạo phức Khi pH > 4, nó tạo phức được với các hợp chất màu và kim loại nặng Các nhà khoa học giả thuyết rằng do đôi electron tự

do của nhóm amin đã giúp chitosan tạo được liên kết cho nhận với các đối chất Tuy nhiên, còn phải xem xét tới các hiện tượng đơn giản như hấp phụ, tương tác tĩnh điện và sự trao đổi ion Bên cạnh đó, môi trường nhóm chức amin cũng làm tăng hiệu lực phức của chitosan

Sự tạo phức giữa chitosan và các ion kim loại nói chung rất khác nhau Cấu trúc của phức chất theo đó cũng ít được công nhận Tuy nhiên, phức chất giữa chitosan và đồng, niken đã được rất nhiều nhà nghiên cứu xác định

và chỉ ra ion Cu(II) hoặc Ni(II) là ion trung tâm, một ligand là nhóm -NH2, 2 ligand còn lại là nhóm -OH ở C3 và C6 Tuy nhiên, ligand thứ tư vẫn có hai ý kiến trái ngược nhau, một ý kiến cho rằng đó là một phân tử nước, một ý kiến cho rằng đó là Og nối giữa 2 vòng D - Glucozơ

Theo Tanja Becker, Michael Schlaak và Henry Strasdeit (2000), khả năng hấp phụ của chitosan đối với từng ion kim loại như sau: Cu(II) > Cd(II)

≈ Ni(II) > Pb(II) [18]

1.1.2 Ứng dụng của chitosan

Chitosan và các dẫn xuất của nó với nhiều đặc tính quý báu như có hoạt tính kháng nấm, kháng khuẩn, có khả năng tự phân hủy sinh học cao, không gây dị ứng, không gây độc hại cho người và gia súc, có khả năng tạo phức với một số kim loại chuyển tiếp như: Cu(II), Ni(II), Co(II)…[11], [25], [27], nên được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: xử lý nước thải và bảo vệ môi trường, dược học và y học, nông nghiệp, công nghiệp, công nghệ sinh học… Tính cation của chitosan được lợi dụng để phục hồi protein từ phế thải sản xuất thực phẩm và tạo phức chelat với kim loại nặng trong nước thải [21], [28], [29].[1, 2, 13, 14]

Trong dược phẩm, nhờ vào tính ưu việt của chitosan, cộng với đặc tính không độc, hợp với cơ thể, tự tiêu hủy được, nên chitosan đã được ứng dụng rỗng rãi và có hiệu quả trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm, làm thuốc chữa bỏng, giảm đau, thuốc hạ cholesterol, thuốc chữa bệnh dạ dày, chống đông tụ máu, tăng sức đề kháng, chữa xương khớp và chống được cả bệnh ung thư… Theo một số nhà khoa học thì chitosan có khả năng khống chế sự gia tăng của

tế bào ung thư

Điển hình trên thị trường dược hiện nay là loại thuốc chữa khớp làm từ

vỏ tôm có tên Glucosamin đang được thịnh hành trên toàn thế giới, do sản xuất từ nguồn vỏ tôm tự nhiên nên sản phẩm ít gây phản ứng phụ, không độc hại và không bị rối loạn tiêu hóa cho người bệnh

1.2 Các phương pháp sản xuất chitin và chitosan

1.2.1 Một số quy trình sản xuất chitin

Chitin trong tự nhiên thường không tồn tại ở dạng tự do mà kết hợp với những chất khác như: Protein, khoáng chất, lipit, màu Do đó, cần phải dùng những tác nhân mạnh để tách các chất này ra khỏi chitin Những phương pháp này có thể gây ta sự phân hủy một phần chitin, khó mà thu được sản phẩm nguyên vẹn, không bị phân hủy

27.2

23 45.16

3.64

Chitin Protein Khoáng Nước và các chất khác

Hình 1.2: Thành phần hóa học của vỏ tôm

Có rất nhiều phương pháp khác nhau để tinh chế chitin nhưng thông dụng nhất là phương pháp tinh chế chitin của Hackman, phương pháp

Capozza Không có một chuẩn mực nào chung cho các quy trình, thường người ta đi qua các bước: Loại khoáng, loại protein, khử màu Trong đó thì quá trình loại khoáng và loại protein có thể thay đổi trật tự cho nhau tùy theo nghiên cứu

- Loại khoáng

Để loại khoáng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng rất nhiều tác nhân như HCl, H2SO4, … nhưng HCl được sử dụng nhiều nhất cho loại khoáng gần như triệt để và không gây phản ứng phụ đáng kể

- Khử màu

Trong vỏ của các loại giáp xác có chứa các phần tử mang màu, chủ yếu

là carotenoit Các phần tử này không liên kết với protein hay khoáng chất nên không bị loại trong các quá trình loại khoáng và protein Để loại màu, người

ta dùng etanol hay axeton hoặc dùng các chất oxy hoá như H2O2, KMnO4 để huỷ màu.[15, 17, 19, 20, 26]

a Trên thế giới

Trước đây người ta đã thử chiết tách chitin từ thực vật biển nhưng nguồn nguyên liệu không đủ để đáp ứng nhu cầu sản xuất Trữ lượng chitin phần lớn có nguồn gốc từ vỏ tôm, cua Trong một thời gian, các chất phế thải này không được thu hồi mà lại thải ra ngoài gây ô nhiễm môi trường 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 có lợi nếu sử dụng trong công nghiệp Phần protein thu được sẽ dùng để chế biến

+ Quy trình sản xuất chitin của Hackman [7]

Vỏ tôm hùm được rửa sạch, sấy khô ở nhiệt độ 100o

C; tiếp theo được khử khoáng bằng dung dịch HCl 2N với tỷ lệ w/v=1/10 ở nhiệt độ phòng, sau thời gian 5 giờ đem rửa trung tính và sấy khô ở 100oC và đem xay nhỏ

Ngâm tiếp trong dung dịch HCl 2N với tỷ lệ w/v=1/2,5 ở nhiệt độ phòng Sau 48 giờ đem ly tâm thu phần bã và rửa trung tính Ngâm bã bột đã rửa trong dung dịch NaOH 1N với tỷ lệ w/v=1/2,5 ở nhiệt độ 100oC, sau 42 giờ đem ly tâm thu phần bã Sau đó lại tiếp tục ngâm trong dung dịch NaOH 1N với tỷ lệ và nhiệt độ trên, sau 12 giờ đem ly tâm thu phần bã Tiếp theo đó rửa trung tính và làm sạch bằng cách đem ly tâm với các chất theo thứ tự: Nước, etanol và ete Sau đó làm khô, ta thu được sản phẩm dạng bột màu kem

Với quy trình này có nhiều công đoạn tăng khả năng khử khoáng, khử protein song do cồng kềnh, chỉ thích hợp cho đối tượng là vỏ tôm hùm, tôm

mũ ni và vỏ cua, thời gian thực hiện các công đoạn kéo dài do đó quy trình Hackman chỉ mang tính nghiên cứu thí nghiệm, không có tính khả thi nếu sản xuất đại trà

+ Phương pháp điều chế chitin của Capozza [23]

Cân 149 gam nguyên liệu vỏ tôm sạch cho vào bình khuấy với một máy khuấy, thêm từ từ 825 ml dung dịch axit HCl 2N vào, thực hiện phản ứng ở

40oC trong thời gian 48 giờ Sản phẩm sau quá trình khử khoáng được rửa sạch bằng nước đến pH=7 Xác định hàm lượng tro 0,4-0,5% Sau đó sản phẩm được khuấy ở nhiệt độ phòng với 1500 ml dung dịch axit fomic HCOOH 90%, để qua đêm Hỗn hợp được lọc ly tâm lấy phần bã và rửa lại với nước nhiều lần cho đến pH=7 Sản phẩm sạch sau đó được ngâm ngập trong 2 lít dung dịch NaOH 10% và đun nóng ở 90-100oC trong 2,5 giờ Dung dịch được lọc và rửa sạch với nước đến pH=7, sau đó sản phẩm được tráng rửa lại trong etanol 96o

và ete, sấy khô ở 40oC Khối lượng chitin khô sạch thu được là 66 gam Hiệu suất 44,3%

+ Quy trình sản xuất chitin của Pháp [7]

Nguyên liệu (vỏ tôm) sạch được đem đi hấp chín, phơi khô, ta đem đi xay nhỏ Khử protein bằng dung dịch NaOH 3,5% với tỷ lệ w/v=1/10, ở nhiệt

độ 65oC, sau 2 giờ vớt ra rửa trung tính, tiếp đó ngâm trong dung dịch HCl 1N với tỷ lệ w/v= 1/10 ở nhiệt độ phòng, sau 2 giờ vớt ra, tiến hành tẩy các chất màu hữu cơ bằng axeton với tỷ lệ w/v=1/5 ở nhiệt độ phòng, sau 30 phút vớt ra rửa sạch và tẩy lại màu bằng dung dịch nước javen (NaOCl + NaCl) 0,135%, tỷ lệ w/v=1/10, ở nhiệt độ phòng, sau 6 phút, vớt ra rửa trung tính thu được chitin sạch đẹp

Quy trình có ưu điểm là thời gian sản xuất ngắn, sản phẩm có màu sắc đẹp, sạch do 2 bước khử sắc tố Tuy nhiên NaOCl là một chất oxy hóa mạnh, ảnh hưởng đến mạch polyme, do đó độ nhớt sản phẩm giảm rõ rệt Mặt khác, axeton đắt tiền, tổn thất nhiều, giá thành sản phẩm sẽ cao, chưa kể các yếu tố trong an toàn sản xuất, công nghệ này khó áp dụng trong điều kiện ở Việt Nam hiện nay

b Ở Việt Nam

Hiện nay ở Việt Nam có nhiều cơ sở khoa học đang nghiên cứu sản xuất chitin-chitosan như: Trường đại học Nông Lâm- Thành phố Hồ Chí Minh; Trung tâm nghiên cứu Polyme -Viện khoa học Việt Nam; Viện Hóa thuộc phân viện Khoa học Việt Nam tại Thành phố Hồ Chí Minh; Trung tâm Công nghệ và sinh học Thủy sản- Viện nghiên cứu nuôi trồng Thủy sản 2

+ Quy trình sản xuất chitin của xí nghiệp thủy sản Hà Nội [7]

Nguyên liệu là vỏ tôm khô hoặc tươi được loại bỏ hết tạp chất, xử lý tách khoáng lần 1 trong dung dịch HCl 4%, tỷ lệ w/v=1/2, ở nhiệt độ phòng ở

24 giờ, vớt ra rửa trung tính Sau đó dùng dung dịch NaOH 2% để tách protein lần 1 với tỷ lệ w/v=1/2,8 ở nhiệt độ 90-95oC, sau 3 giờ rửa và tiến hành khử khoáng lần 2 cũng dùng dung dịch HCl 4%, tỷ lệ w/v=1/2, ở nhiệt

độ phòng sau 24 giờ, đem rửa trung tính Để tách protein lần 2 cũng dùng dung dịch NaOH 2%, w/v= 1/1,28, ở nhiệt độ 90-95oC, sau 3 giờ rửa trung tính và tiến hành khử khoáng lần 3 cũng giống như lần khử khoáng trên Sản phẩm đem làm khô thu được chitin

Chitin thu được có độ trắng cao mặc dù không có công đoạn tẩy màu Nhưng nhược điểm là thời gian sản xuất của quy trình kéo dài, nồng độ hóa chất xử lý cao kết hợp với thời gian xử lý dài (công đoạn khử khoáng) làm cắt mạch polyme trong môi trường axit dẫn đến độ nhớt giảm

+ Quy trình sản xuất chitin của Đỗ Minh Phụng [7]

Nguyên liệu là vỏ tôm khô được khử khoáng bằng dung dịch HCl 6N với tỷ lệ w/v=1/2,5, ở nhiệt độ phòng, sau 48 giờ đem rửa trung tính, tiếp theo đun nóng trong dung dịch NaOH 8% với tỷ lệ w/v=1/1,5, ở nhiệt độ 100o

C, sau 2 giờ khử protein rồi đem rửa trung tính

Tiến hành tẩy màu bằng dung dịch KMnO4 1% trong dung dịch H2SO4 10%, sau 1 giờ đem rửa sạch và khử màu phụ bằng dung dịch Na2S2O3 1,5% trong 15 phút, vớt ra rửa sạch thu được chitin

Sản phẩm thu được có chất lượng khá tốt, chitin có màu trắng đẹp Tuy nhiên thời gian còn dài, sử dụng nhiều chất oxy hóa dễ làm ảnh hưởng tới độ nhớt của sản phẩm

1.2.2 Một số quy trình sản xuất chitosan

Phương pháp điều chế chitosan bao gồm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Những phần tử vô cơ thường bị loại do tác dụng của axit

vô cơ loãng hoặc enzym hòa tan muối vô cơ

Giai đoạn 2: Protein và các hợp chất hữu cơ khác bị loại do tác dụng

của kiềm hoặc enzym

Giai đoạn 3: Dùng dung dịch NaOH 40% - 60% và các muối của nó

hoặc enzym để deacetyl hóa thu được chitosan

Độ tinh khiết của chitosan có thể được kiểm tra bằng cả hai phương pháp hóa học (cho chitosan hòa tan hoàn toàn trong dung dịch CH3COOH 1%, nếu chitosan tan càng nhiều thì chứng tỏ nó có độ tinh khiết càng cao) và phương pháp vật lí (đo phổ IR, H-NMR).Sau đây là một số phương pháp điều chế chitosan

+ Phương pháp của Nguyễn Hoàng Hà [8]

Vỏ tôm được làm sạch, nghiền nhỏ, cho vào lò nguyên liệu cùng với nước theo tỉ lệ 1:1, nấu sôi trong 1 - 2 giờ, lọc thu được vỏ tôm sơ chế Vỏ tôm sơ chế được để nguội 60 - 65oC rồi thủy phân bằng dung dịch HCl 10% theo tỉ lệ 2 kg nguyên liệu: 1 lít dung dịch HCl, trong 2 - 5 giờ, hoặc enzym proteasea (1 kg nguyên liệu : 0,3 - 0,5g proteasea) ở 40oC - 70oC, trong 0,5 - 3 giờ Sau đó cho vào dung dịch HCl 10%, ở nhiệt độ phòng, trong 2-6 giờ thu được phức chitin protein Tiếp theo tiến hành thủy phân phức chitin protein bằng dung dịch NaOH 10% theo tỉ lệ 5 kg nguyên liệu: 1 lít NaOH ở nhiệt độ thường, trong 2 - 3 ngày thu được chitin thô Chitin thô được tẩy màu bằng nước Javel công nghiệp theo tỉ lệ 1 kg chitin:

Sơ đồ1.1: Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp

của Nguyễn Hoàng Hà

2 Đun với nước theo tỉ lệ 1 :1, trong 1-2 giờ, lọc

1 Dung dịch HCl 10%, to phòng, trong 6 – 12 giờ

2 lọc, rửa, sấy khô

1 Dung dịch NaOH 10%, to phòng, trong 2-3 ngày

2 Lọc, rửa, sấy khô

Nước javel công nghiệp tỉ lệ 1:1, trong 30 phút

1 Dung dịch NaOH 40%, ở 110 – 130 oC, trong 5-8 giờ

2 Lọc, rửa, sấy khô

1 lít nước Javel công nghiệp Sau 30 phút thu được chitin tinh khiết

Cuối cùng chuyển hóa chitin thành chitosan bằng dung dịch NaOH 40% ở

110 - 130oC, trong 3 - 8 giờ, rửa, lọc, sấy khô thu được chitosan

+ Phương pháp của Đặng Văn Luyến [6]

Vỏ tôm được nghiền nhỏ, phơi khô, cho vào dung dịch NaOH 3% (tỉ

lệ 1 kg nguyên liệu: 4 lít NaOH) tiến hành phản ứng ở 90o

C trong 2 - 4 giờ, sau đó rửa sạch, sấy khô Tiếp tục cho vào dung dịch HCl 0,6N ( theo tỉ lệ 1

kg nguyên liệu: 4 lít dung dịch HCl ) phản ứng tiến hành ở 20 - 30o

C, trong 4

- 6 giờ Tiến hành lọc, rửa, sấy khô vỏ tôm ( quá trình này được lặp đi lặp lại

3 - 4 lần để tách hết canxi và protein) Hiệu suất tách chitin là 10 - 15% so

với vỏ tôm khô

Sơ đồ 1.2: Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp

của Đặng Văn Luyến

1 4 lít HCl 0,6N, ở 20 – 30oC, trong 4 giờ (lặp lại 3 lần)

2 Lọc, rửa, sấy khô

1 1,5 lít NaOH 40% (thay đổi nhiệt độ từ 5 – 90oC) Tiến hành 3 lần

2 Giữ huyền phù ở 30oC, trong 2 – 5 ngày Sau đó đun huyền phù ở 70 – 100oC, trong 2 giờ

Vỏ tôm xử lý lần 1

Chitin thô (152g)

Chitosan (105g)

1 Ngâm trong 4 lít NaOH 3%, 90oC, trong 2 – 4 giờ

2 Lọc, rửa, sấy khô

Vỏ tôm (1000g)

Tiếp theo cho chitin vào dung dịch NaOH 40% (theo tỉ lệ 1 kg chitin: 1 lít NaOH) thay đổi đột ngột nhiệt độ của huyền phù chitin trong dung dịch NaOH 40% từ 5 - 100oC bằng cách tăng rồi giảm đột ngột nhiệt độ từ 2 - 3 lần, sau đó để huyền phù chitin ở 30o

C trong 2 - 5 ngày Cuối cùng, tiến hành phản ứng chuyển hóa chitin thành chitosan ở 70o

C - 100oC, trong 1 - 3 giờ, lọc, rửa, sấy khô Dung dịch NaOH thu hồi để xử lý vỏ tôm ban đầu

+ Phương pháp bán thủy nhiệt của Nguyễn Hữu Đức [10]

Vỏ tôm được rửa sạch, loại bỏ phần thịt thừa, sấy khô và xay nhỏ, sau

đó ngâm trong dung dịch HCl 12% trong 6 giờ, lọc, rửa sạch và sấy khô Tiếp tục cho nó vào dung dịch NaOH 15 M trong 1 giờ, sau đó lọc rửa kỹ, sấy khô

Sơ đồ 1.3: Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp

1 Dung dịch HCl 12%, ở nhiệt độ phòng, trong 6 giờ

2 Lọc, rửa, sấy khô

1 dung dịch NaOH 15M, trong 1 giờ

2 Lọc, rửa, sấy khô

 Vi sinh vật: Có 2 loại giống chính là Bacillus và Pseudomonas Ngoài ra còn có một số loài vi khuẩn khác như: Micrococus radiatus,

Flavobacterium aurantiacus, Mycobacterium cyaneum…

 Enzym proteasea tự nhiên như Bromelina

* Phương pháp điều chế

Quá trình điều chế thực hiện qua 2 giai đoạn:

 Giai đoạn 1: Dùng vi khuẩn giống bacillus để hòa tan muối vô cơ như canxi cacbonat

 Giai đoạn 2: Dùng bromelin để phân giải nối peptit của chitin và protein

 Hiệu suất điều chế là 28,2%

Sơ đồ 1.4: Quy trình điều chế chitosan

theo phương pháp hóa sinh

1 Dùng 4g chế phẩm bacillusa trộn với vỏ tôm, pha

nước đến độ ẩm 50% Chỉnh pH đến 7, giữ hỗn hợp ở nhiệt độ phòng, trong 36 giờ

2 Rửa sạch, ly tâm tách hết nước

2 Rửa sạch, sấy khô ở 100oC