Ứng dụng Chitosan trong chế biến và bảo quản rau quả

Tính tan của Chitosan trong các dung môi khác nhau như sau: + Trong acid vô cơ: Chitosan tan được trong HCl, HBr, HI, HNO3 và HclO4 lõang nhưng cũng có thể tạo tủa tách riêng được trong

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

PHỤ LỤC 32

CÁC NGUỒN NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT CHITIN VÀ CHITOSAN 32

34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

I Giới thiệu chung về Chitosan:

1 Giới thiệu sơ lược về Chitin:

Chitin là một polysacharide xuất hiện nhiều thứ hai trong thiên nhiên chỉ sau cellulose, sản phẩm thương mại thường ở dạng rắn Chitin cĩ mặt trong vỏ các loại giáp xác (tơm, cua…), nhuyễn thể (sị, ốc…), bộ cánh cứng của cơn trùng, màng tế bào nấm thuộc họ Zygemycetes, cĩ trong sinh khối nấm mốc và một vài loại tảo

Chitin cĩ tên khoa học là: poly[-β (1-4) -2 –acetamido -2-deoxy-D-glycopyranose] Cơng thức cấu tạo của Chitin:

Chitin cĩ cấu trúc tương tự cellulose, khi thay C(2) – nhĩm hydroxyl của cellulose bằng C(2)–acetamido ta sẽ Chitin

 Cấu trúc mạng tinh thể của Chitin:

Chitin tồn tại ở 3 dạng polymorphic Hướng sắp xếp của các mạch thay đổi hình thành 3 dạng cấu trúc , , 

 - Chitin:

- Chitin:

Hình 1: Cấu trúc của Chitin

Dạng  - Chitin là bền nhầt và phổ biến nhất Từ , - Chitin có thể chuyển hóa về dạng  - Chitin

, - Chitin có nhiều ở vùng mềm và dai của động vật

Trong tự nhiên, dạng liên kết của Chitin thường là phức với protein và

polysaccharic Liên kết Protein-Chitin được gọi là “ Coralent”

Chitin thường không tồn tại trong thiên nhiên như một chất riêng biệt mà xuất hiện dưới dạng phức chất với nhiều chất khác như protein, polysaccharic (kể cả cellulose) Chitin tinh khiết chỉ có trong vỏ gai (extracellular spine) của những loài khúc tảo, còn lại

là trong phòng thí nghiệm sau quá trình xử lý để lọai các thành phần khác Thực tế ta chỉ khảo sát được Chitin dưới dạng hợp chất có chứa Chitin Ngay cả khi dùng Chitin đã được làm sạch người ta vẫn không xem nó là một đơn chất vì các mạch polime sẽ chứa một phần 2-amino-2-deoxy-D-glycopyranose và một lượng đáng kể 2-acetamido-2-deoxy-D-glycopyranose

Chitin không hòa tan trong hầu hết các dung môi thông thường nên khả năng ứng dụng bị hạn chế Do đó người ta thực hiện quá trình deacetyl hóa Chitin để tạo ra sản phẩm Chitosan nhằm cải thiện độ hòa tan, tăng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

2 Chitosan:

 Chitosan có tên khoa học: poly[β- (1-4) -2 - amido -2-deoxy-D-glycopyranose]

 Công thức phân tử: (C6H11NO4)n

 Trọng lượng phân tử trung bình: 10000 – 50000 dalton

Hình 2: Cấu trúc của Chitosan

 Chitosan là sản phẩm biến tính của Chitin, được tạo thành bằng cách loại các nhóm acetyl từ phân tử Chitin (quá trình deacetyl)

Hình 3: Chitosan thương phẩm

Chitosan thương phẩm đã khử 80-85% nhóm acetyl (DD=80-85%)

 Những tính chất chung của Chitosan thương phẩm:

+ Kích thước hạt: 1-3 mm

+ Trọng lượng riêng biểu kiến: 0.15-0.05

+ Độ ẩm: 10%

+ Phần hòa tan trong kiềm và tro: 5%

+ Màu dung dịch: trắng hơi vàng

Cấu trúc của Chitosan thay đổi tùy thuộc cấu trúc của Chitin nguyên liệu và phương pháp điều chế Sự khác nhau trong cách sắp xếp các mạch polime trong Chitin sẽ dẫn đến

sự khác nhau tương ứng trong Chitosan Song người ta cho rằng trạng thái bền vững nhất của Chitosan tinh chế là một trong những cấu trúc tinh thể đúng của Chitosan Kết quả phân tích những sản phẩm thu được bằng cách nấu chảy Chitin trong KOH ở 180oC và bằng cách xử lý với dd NaOH đậm đặc cho thấy là như nhau

 Tính tan:

Chitosan là một base tạo được các muối với acid do đó hình thành các polyelectrolyte mà tính tan phụ thuộc vào bản chất của những amino liên quan Thường thì acid được cho vào Chitosan đang ngâm nước để tạo thành muối và sự hòa tan tự xảy ra đồng thời Ví dụ để có dd 1% thì dùng 1,0g Chitosan trong 50ml nước và cho tiếp thêm 50ml dd acid 2%

Tính tan của Chitosan trong các dung môi khác nhau như sau:

+ Trong acid vô cơ:

Chitosan tan được trong HCl, HBr, HI, HNO3 và HclO4 lõang nhưng cũng có thể tạo tủa tách riêng được trong dd HCl hoặc HBr khi tăng nồng độ acid Chitosan cũng hòa tan được trong H2SO4 ở nhiệt độ phòng Trong acid H2SO4 đậm đặc, sự hòa tan xảy ra song song với sự sulphat hóa và thủy phân Chitin

+ Trong các acid hữu cơ:

Chitosan hình thành muối tan được trong nước với một nhóm acid hữu cơ Những muối monocarboxylic acid lên đến hecxanoic dễ dàng hòa tan trong nước khi hình thành với maloic acid đến nonane dioic acid dều hòa tan được trong nước Những nghiên cứu về muối của Chitosan và các acid aromatic carboxylic cũng cho thấy khả năng tan được trong nước như Chitosan benzoate, Chitosan o-amino benzoate (Chitosan anthranilate), Chitosan p-amino benzoate và cũng có một số muối không tan hoặc ít tan trong nước như Chitosan phenylacetate… Còn muối của Chitosan và acid formic, acid acetic tan rất tốt trong nước

+ Trong những dung môi hữu cơ:

Chitosan hòa tan một cách dễ dàng trong hỗn hợp DMF-N2O4 với tỷ lệ N2O4 : Chitosan =3:1 cho những dd có độ nhớt thấp và không xảy ra một biến đổi hóa học nào của Chitosan Đây là dung môi hữu cơ được nghiên cứu đến

 Tính tương hợp với các dung môi:

Dung dịch Chitosan trong dung dịch acid acetic có thể tạo một thể thống nhất với các dung môi phân cực mà không gây ra sự tạo tủa Chitosan Dung dịch acid acetic-Chitosan có tính tương hợp tốt với rượu như metanol, propanol, butanol, ethylen glycol, diethylene glycol, aceton, glycol formamide Những dung dịch acid của Chitosan đều hòa lẫn được với các lọai nhựa tan trong nước không ion, hồ, dextrin, glucose, saccharose, các glycol, sorbitol và các lọai dầu mỡ, các parafin, hydrocloric, nitric, formic, citric, và acid lactic nhưng không hòa tan trong acid sulfuric và các sulphate

 Bản chất điện ly cao phân tử của Chitosan trong dung dịch acid:

Trong dung dịch acid, những nhóm amin của Chitosan bị proton hóa và thể hiện bản chất của chất điện ly cao phân tử Trong dung dịch lõang không có mặt chất điện ly, chỉ

số độ nhớt tăng theo sự tăng nồng độ dung dịch Chitosan Đây là đặc trưng của những

dung dịch chất điện ly cao phân tử và là kết quả của sự tăng kích thước sợi khi pha lõang dung dịch do lực đẩy tĩnh điện giữa các đọan mạch Lực đẩy này có thể bị khử mất bằng cách thêm một chất điện ly trọng lượng phân tử thấp có tác dụng che những phần mang điện trên mặt polymer Và đồng thời, chỉ số độ nhớt cũng giảm theo nồng độ Chitosan cho trước.

 Cấu tạo và kích thước phân tử của những mạch Chitosan trong dung dịch

acid:

Mạch sẽ mềm dẻo khi tăng sức căng ionic của dung dịch vì lực đẩy tĩnh điện giữa các mạch giảm Độ dài bền vững phụ thuộc vào sức căng ionic của chất trung gian và mức độ ion hóa

Tính mềm dẻo của mạch tăng theo mức độ deacetyl hóa vì khi đó giảm sự tạo liên kết hydrogen trong phân tử giữa nhóm C(6)-OH và C(2)-NHCOCH3 Tính ổn định của mạch sẽ giảm khi tăng sự deacetyl hóa và tăng theo sự tăng nhiệt độ Trong dung dịch Chitosan tồn tại những glycan β-(1- 4) và có cấu tạo xoắn ngẫu nhiên

Bảng 1: Kích thước phân tử Chitosan trong dung dịch acid

CH3COOH 0,33M – NaCl 0,3M 30-230

CH3COOH 0,167M – NaCl 0,46M 73

CH3COOH 0,2M – NaCl 0,1M – Ure 4M 122

b Tính chất hóa học của Chitosan:

Trong phân tử chitosan có chứa các nhóm chức -OH, nhóm -NH2 trong các mắt xích D-glucozamin, do đó nó có thể tham gia các phản ứng hóa học đặc trưng cho từng nhóm chức, tạo ra các dẫn xuất thế

Mặt khác chitosan là một polime mà các monome được nối với nhau bởi các liên kết

-(1-4)-glucoside; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hoá học như: axit, bazơ, tác nhân oxy-hóa và các enzim thuỷ phân

Hình 4: Cấu trúc của Chitosan

 Tính acid bazơ:

Chitosan là một bazơ

Hằng số Kb của nhóm amin thu được từ phương trình:

Và pKa = -logKa

pKa của Chitosan phụ thuộc vào mật độ điện tích của polime và mức độ deacetyl hóa Giá trị pKa có thể thay đổi từ 6,0 đến 6,8

 Khả năng hấp phụ tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp:

Trong phân tử Chitosan có chứa các nhóm chức mà trong đó các nguyên tử Oxi và Nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa sử dụng, do đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg2+, Cd2+, Zn2+,

Cu2+,Ni2+,Co2+ Tuỳ nhóm chức trên mạch polime mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau

Hình 5: Phức Ni(II) chitosan

Sự tạo phức giữa Chitosan và ion kim loại xảy ra chủ yếu nhờ những nhóm amin đóng vai trò ligant Do đó mức độ deacetyl hóa Chitosan và nồng độ của những nhóm amin linh động có ảnh hưởng lớn đến mức độ tạo phức Kết quả thực nghiệm cho thấy mức độ hấp phụ những ion chuyển tiếp ở pH7 bởi các dung dịch Chitosan có mức độ deacetyl hóa khác nhau sẽ khác nhau như sau:

Bảng 2: Mức độ hấp thu kim loại của Chitosan

Ni (II) Cu (II) Zn (II) Cd (II)

Trong đó là mạng polime

Kết quả cho thấy dung dịch Chitosan có mức độ deacetyl hóa cao ([0.55]) thì mức

độ hấp phụ các ion kim loại sẽ cao và mức độ này tùy thuộc vào từng loại kim loại

 Phản ứng thủy phân trong môi trường acid:

Trong môi trường acid Chitosan bị thủy phân nhưng mức độ thủy phân phụ thuộc vào loại acid, nồng độ acid và một số các yếu tố khác như nhiệt độ, thời gian phản ứng Những kết quả cho thấy :

a Trong môi trường H2SO4, sự thủy phân Chitosan kèm theo quá trình Sulphate hóa, cho sự phân hóa ngẫu nhiên các mạch phân tử

N-b Trong môi trường HF, Chitosan cũng bị thủy phân nhưng kém hơn Chitin, tạo thành hỗn hợp các Oligome sau 19h ở 20oC

c Trong các môi trường acid khác như HCl, H3PO4…, Sự thủy phân cũng xảy

O 2 NO

CH 2 ONO 2

CH 2 ONO 2 O O

O 2 NO

OH

- Phản ứng sulphate hóa:

Cho Chitosan tác dụng với hỗn hợp H2SO4 95% và ClSO3H 98% ở nồng độ từ

0-4oC, tỉ lệ 1:2 trong 1h, cho sản phẩm ở dạng Zwitter ionic (là liên kết tĩnh điện giữa C(6)OSO3- và NH3+C(2) trong phân tử) làm tăng tính cứng của chuỗi Sản phẩm có dạng:

O HO

O

O3SOCH2O

Chitosan phản ứng với RCOOH tạo:

Ngoài ra Chitosan còn có thể tạo các bazo shiff, do tác dụng với các andehyde mạch thẳng hay vòng tạo các dẫn xuất N-alkylidene Chitosan và N- arylidene Chitosan gel

c Phương pháp khảo sát phản ứng định tính chitosan:

Để kiểm tra một chất có phải là chitosan hay không, người ta có thể sử dụng phản ứng với Kali Bicromat như sau:

+ Cho 1ml dung dịch Kali Bicromat 5% vào 10ml dung dịch chitosan 0.5% trong dung dịch acid acetic 1%

+ Nếu có xuất hiện kết tủa màu vàng là có chitosan

Hình 6: Tình hình sử dụng Chitin và Chitosan trên thế giới

Chitin và Chitosan có thể dễ dàng bị vi khuẩn phân hủy, tức là chúng cũng thân thiện với môi trường hơn các loại polymer tổng hợp Hiện nay Chitosan được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: y học, thực phẩm, nông nghiệp, môi trường…

 Trong Y tế: nguyên liệu sản xuất thuốc điều trị bỏng, viêm loét dạ dày, hạ cholesterol, trị béo phì, giảm đau, chống đông tụ máu, tăng sức đề kháng, chữa xương khớp và chống đựợc cả bệnh ung thư

+ Tác nhân hạ cholesterol: chitosan có chức năng hạ cholesterol trong ruột động vật Người ta đã tiến hành thí nghiệm với thỏ và thấy khi được cho ăn thức ăn giàu cholesterol 0.9% trong 39 ngày, lượng cholesterol huyết thanh tăng từ 79 lên 650 mg/ trên 1kg thể trọng Trong trường hợp với khẩu phần ăn như trên nhưng có bổ sung 2% chitosan, lượng cholesterol huyết thanh giảm còn 300 mg/1kg thể trọng, trong khi đó lượng cholesterol có ích (HDL – cholesterol) giảm không đáng kể Tuy nhiên khi tiêm chitosan-oligosaccharide vào thỏ thì không thấy hiện tượng giảm cholesterol, điều này cho thấy sự giảm cholesterol chỉ xảy ra trong ruột động vật Và từ lâu, một số chuyên gia

ở Trung tâm Huyết học thuộc Viện Hàn lâm Y học Nga cũng đã phát hiện, Chitosan có thể ngăn chặn sự phát triển của chứng nhồi máu cơ tim và bệnh đột quỵ

+ Điều trị béo phì: khi vào đường tiêu hóa,

chitosan có khả năng bao các hạt cầu béo và kéo

chúng thải ra ngoài theo (động vật không tiêu hóa

chitosan) nhờ đó được ứng dụng làm thuốc giảm béo

Nước ta hiện nay có thuốc Chitozan để giảm béo

Hình 7: Khả năng kết hợp của Chitosan với chất béo

+ Các vật liệu y sinh học và dược phẩm: Chitin và chitosan có thể kết hợp sinh học với mô, cơ quan, tế bào,…và có thể được sử dụng trong việc cấy vào mô Chitin và các dẫn xuất của nó có thể tiêu đi trong mô động thực vật, nhưng vẫn có thể dẫn đến gia tăng

sự cảm ứng các protein bảo vệ sinh học gồm lysozyme và chitinase Tốc độ thủy phân enzyme với chitin cũng được điều khiển bởi cấu trúc của một nhóm N-acetyl và dẫn xuất của nó Do những tính chất đặc trưng này, chitin và các dẫn xuất được sử dụng như những vật liệu y sinh học hay vật liệu để bao gói các loại thuốc tan chậm Hoạt độ lipoprotein lipase trong máu tăng lên khi tiêm N, O-sulfate chitosan và hoạt động miễn dịch được tăng cường khi cấy chitin N-deacetyl một phần vào mô động vật Film chitosan bao thuốc (thấm qua được) cũng công dụng nhu các dang con nhộng thương phẩm và chitosan được

sử dụng như vật liệu dùng để cấy giải phóng chậm các loại thuốc chống ung thư Chitosan cũng được đưa vào công thức các loại thuốc uống, làm gia tăng sự hấp thu của thuốc vào máu

+ Vật liệu vá vết thương: Các vết thương ở mô động, thực vật có thể được bao bằng một tấm màng hay một miếng xốp chitin và chitosan, hoặc dạng bông, dạng bột mịn Các vết thương cũng có thể được trị liệu bằng các dung dịch hay kem chitin và chitosan Kết quả là sự phát triển của các tế bào ở vùng mô bị thương được kích thích, chitinase và lysozyme được tăng cường, dẫn đến mau lành vết thương và hạn chế nhiễm trùng Tại cuộc chiến Iraq vừa qua, Mỹ cũng đã sử dụng loại băng cứu thương kiểu mới, kỹ thuật cao, có thành phần cấu tạo bởi chất Chitosan So với các loại băng thường, tốc độ cầm máu, tính sát khuẩn và thời gian lành mô khi sử dụng loại băng này có hiệu quả hơn gấp nhiều lần

+ Chất chống nghẽn mạch và chống đông máu: dẫn xuất N-octanoyl và N-hexanoyl của chitosan có chức năng chống nghẽn mạch, chitosan có chức năng cầm máu Dẫn xuất sulfate hóa của chitin và chitosan có hoạt tính chống tụ máu N, O-sulfate chitosan có hoạt tính chống đông tụ thấp hơn heparin nhưng O-oligosulfate chitin thì cao hơn mặc dù nó không có nhóm N-sulfate trong phân tử Nhóm N-sulfate có vai trò quan trọng trong hoạt tính của heptarin

+ Theo nghiên cứu của bệnh viện K Hà Nội trên 60 bệnh nhân ung thư đã cho thấy chitosan là một chất hỗ trợ điều trị tốt thông qua việc ngăn cản sự gia tăng của tế bào ung thư.

+ Chữa bệnh khớp: 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 So với sản phẩm cùng loại thì Glucosamin có ưu thế hơn, 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 hoá cho người bệnh (điều này có ý nghĩa rất quan trọng) Nước Mỹ đã tiêu thụ được hơn 1 tỷ viên nang Glucosamin Những năm gần đây, loại thuốc chữa khớp này còn đựợc phổ cập rộng ở nhiều nước, trong đó có Việt Nam Nước ta cũng có Glusivac đặc trị thoái hóa khớp

 Trong Công nghiệp: xử lý nước thải và làm trong

nước sinh hoạt

+ Chitosan cationit tạo các phức hợp đa điện ly với

những polymer polyanionic và tạo phức hợp chelate với

các ion kim loại để tạo kết tủa Các phản ứng này được

ứng dụng để làm trong nước thải ô nhiễm Vào năm 1975,

muối chitosan acetate lần đầu tiên được một công ty Nhật

giới thiệu như một tác nhân cationit tự nhiên để đông tụ và loại

các chất thải trong nước cống Hiện nay hệ thống này vẫn còn

được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt, tái sử dụng nước

thải (ví dụ nước hồ bơi), thu hồi các protein và khoáng từ nước

thải công nghiệp, bao bọc các hạt béo, phân lập các chất có

hoạt tính sinh học trong nước tiểu và tách các chất độc nội bào

nước ô nhiễm và thu hồi

uranium từ nước biển và

nước ngọt

 Trong nông nghiệp:

+ Làm phân bón rau sạch: Chitin và chitosan chủ yếu được bón ở dạng bột, dạng miếng hay dạng dung dịch vào đất nông nghiệp hay môi trường nuôi cấy lỏng Ngoài ra dung dịch chitosan có thể được phun lên lá cây

+ Xử lý hạt giống: hạt giống có thể được nhúng vào dung dịch chitosan loãng, bao phủ bề mặt bằng một màng chitin hay chitosan mỏng hay bột mịn Khi được bao phủ như vậy, hoạt động của chitinase của hạt được tăng cường trong giai đoạn nảy mầm Sự tăng

Hình 8: Chitosan tạo phức chelate với kim loại trong xử

lý nước thải

Hình 9: Ứng dụng chitosan trong thực phẩm

cường chitinase trong hạt sẽ làm gia tăng khả năng tự vệ sinh học của hạt qua việc nhiễm VSV, kết quả là làm cho cây trồng phát triển tốt

 Trong mỹ phẩm: nguyên liệu sản xuất kem dưỡng da, kem chống tia tử ngoại…

+ Kem dưỡng da: CM-chitin và HP-chitosan cationic hòa tan trong nước và bền trong một khoảng pH rộng, chúng được sử dụng như một thành phần của mỹ phẩm chăm sóc da Chitosan, CM-chitosan, HP-chitosan có chức năng tạo độ ẩm cho da, ngăn cản sự hủy hoại cơ học tóc Đặc tính giữ độ ẩm tương ứng với dung dịch propylenglycol 20% và dung dịch hyaluronic loãng Những dẫn xuất trên của chitosan có thể ngăn chặn sự nhiễm khuẩn trên da và hoạt hóa tế bào da dẫn đến sự ngăn chặn sự lão hóa của da Một số dẫn xuất Chitosan phức polyelectrolyte –based có tác dụng làm mềm da, kích thích phát triển da non,

do đó được sử dụng như một chất phụ gia trong kem dưỡng da

+ Dầu gội: Dẫn xuất Chitosan do phản ứng với hợp chất epoxy mạch dài có tính chất hoạt động bề mặt Các dầu gội hiện nay đều sử dụng do có đặc tính tương hợp tốt với

da đầu, ưu điểm hơn so với Lauryl-ether-sulfate dùng trong sản xuất dầu gội trước đây Người ta điều chế bằng cách cho Chitosan phản ứng với 1,2 expoxytetradecane trong acid acetic 0.1M-methanol tạo sản phẩm có khả năng hoạt động bề mặt, làm giảm sức căng bề mặt, tạo tính ổn định bọt tốt, hoàn toàn không gây hại cho da

+ Các muối hữu cơ của chitosan phân tử thấp hòa tan trong ethanol loãng và được

sử dụng như một thành phần của keo xịt tóc

 Trong thực phẩm: hiện nay chitosan được sử

dụng rất phổ biến trong sản xuất thực phẩm Có thể sử

dụng để thu hút nước và béo (quá trình nhũ hóa), quá

trình đồng hóa, kết hợp với thuốc nhuộm, quá trình đông

đặc Chitosan cũng được chứng minh là có khả năng tạo

dạng màng mỏng để sử dụng như là những lớp màng

mỏng hoặc những lớp bao không độc hại (có thể ăn

được) Màng bao Chitosan có thể cải

thiện khả năng bảo quản các loại thực

phẩm dễ bị thối rữa bằng cách giảm

lượng không khí bên trong bao gói

cũng như giảm quá trình thoát hơi

nước

+ Có thể nhúng trực tiếp thực

phẩm vào dung dịch chitosan pha sẵn

rồi để khô, tạo thành một lớp màng

mỏng tự nhiên trên bề mặt sản phẩm:

trứng, thịt cá, rau quả, giá đỗ, bánh gạo, nhúng cải bắp trước khi làm kim chi…

+ Hoặc cũng có thể tạo thành màng trước rồi mới cho sản phẩm vào: bánh mì, xúc xích…

+ Hoặc cho chitosan trực tiếp vào sản phẩm dạng lỏng: xử lý nước quả, làm trong giấm, bảo quản tàu hũ, đồng hóa sữa, kem và mayonaise, bảo quản mì…

 Trong một số lĩnh vực khác

+ Làm môi trường sắc ký và cố định: các loại gel N-methylen-chitosan và chitosan có thể được dùng như một môi trường hấp phụ trong môi trường hấp phụ trong việc cố định enzyme hay tế bào, hay cố định thuốc Các hạt chitin và chitosan với các kích thước khác nhau đã được bán trên thị trường với công dụng hấp phụ các ion kim loại, ion uranium, kallikrein nước tiểu, urokinase và erythropoetin Chitinase và lysozyme tạo thành phức hợp ES với một loạt các dẫn xuất “N-acyl béo thấp” của chitosan Các dẫn xuất N-butyryl và N-hexanol kháng lại sự thủy phân các enzyme này và hình thành các phức hợp ES, điều này cho thấy các dẫn xuất này rất thích hợp với việc sử dụng như một chất hấp phụ tron sắc ký ái lực để phân lập và tinh sạch enzyme trên.

N-acyl-+ Hóa chất dùng trong phân tích: chitosan, HE-chitosan và methyl-chitosan phản ứng theo kiểu stoichiomdtrically (hóa học lượng pháp) với các chất keo polymer anionic trong dung dịch loãng để tạo thành kết tủa trung tính Phản ứng này được ứng dụng trong phương pháp chuẩn độ chất keo và đã được sử dụng trong hóa phân tích Chitin dạng keo, chitin tái tạo (N-acy chitosan) và dạng gel của nó, CM-chitin và HE-chitin được sử dụng như cơ chất của enzyme

+ Một số công ty đã giới thiệu sản phẩm sợi tổng hợp có bao chitin hay chitosan, vải đan tổng hợp tráng một lớp chitosan Những sản phẩm này có khả năng giữ độ ẩm, kháng khuẩn kháng nấm Chitin xanthate, alkaline chitin, N-acetylchitosan gels và chitosan được dùng như nguyên liệu sản xuất sợi, bông, film, xốp

Chitosan là sản phẩm Deacetyl hóa của Chitin Chitin có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như từ tôm, cua, côn trùng có bộ cánh cứng, các loài giáp xác, nhuyễn thể (sò, ốc…), từ nấm…Đặc biệt trong vỏ tôm cua, hàm lượng Chitin cao, từ 10-15% nguyên liệu khô Trong đó Chitin liên kết với Protein, các chất vô cơ mà chủ yếu

là CaCO3 và các chất béo Do đó cần phải loại các hợp chất này ra khỏi Chitin

Có 2 phương pháp để sản xuất Chitosan là sử dụng hóa chất và Enzym Phương pháp dùng hóa chất rất đơn giản, ít chi phí đầu tư nhưng ảnh hưởng không tốt đến môi trường xung quanh Ngược lại, phương pháp sử dụng enzym không làm ô nhiễm môi trường, song phức tạp và đòi hỏi chi phí đầu tư cao Hiện nay trên thế giới, Chitosan phần lớn được sản xuất bằng hóa chất, phương pháp dùng enzym mới bước đầu đi vào ứng dụng ở một số nước.Theo thực tế nghiên cứu điều chế cho thấy ở nước ta chưa thể điều chế Chitin- Chitosan theo phương pháp sinh học, do các lý do sau:

+ Hiệu suất thu sản phẩm Chitosan rất thấp, mặc dù hoạt tính Enzym cao nhưng chỉ có một phần nhỏ Chitin tham gia phản ứng do độ tinh thể của vỏ cao, chỉ có những nhóm acetyl của Chitin nằm bên ngoài mới tiếp xúc được với Enzym

+ Việc sản xuất Chitosan bằng Enzym sẽ thành công khi và chỉ khi Enzym được phá tinh thể trước khi cho phản ứng deacetyl hóa Mà thực tế, vấn đề các phòng thí

nghiệm trong nước chưa thực hiện được điều này do thiếu thiết bị máy móc

+ Điều chế Chitosan theo phương pháp sinh học bằng cách sử dụng Enzym đòi hỏi phải có một nguồn cung cấp Enzym thường xuyên và ổn định hay một môi trường nuôi cấy Enzym thích hợp Điều này trong nước vẫn chưa thực hiện được.

Bên cạnh những bất lợi của phương pháp sinh học thì phương pháp hóa học lại tỏ ra

có nhiều lợi điểm hơn:

+ Quy trình sản xuất đơn giản, thiết bị rẻ tiền

+ Hoá chất sử dụng rẻ tiền

+ Chất lượng sản phẩm cao hơn do có thể thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao hơn.+ Hiệu suất thu hồi sản phẩm khá cao

Tuy nhiên phương pháp hoá học cũng có những bất lợi cần quan tâm:

+ Vấn đề xử lý nước thải: phải xử lý nước thải trước khi thải ra môi trường

+ Vấn đề thu hồi hoá chất

+ Điều kiệnlàm việc với hóa chất ( NaOH 50%) ở nhiệt độ cao dễ gây ăn mòn thiết

bị, làm giảm chất lượng Chitosan do làm giảm hoạt tính của nhóm chức –NH2

+ Chưa có biện pháp tận thu Protein sau khi loại ra khỏi vỏ giáp xác

Bảng 3: Thành phần hóa học của vỏ các loại giáp xác

Hình 10: Hiệu suất thu hồi Chitosan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau

Hình 11: Hàm lượng chitin trong 7 loài giáp xác

Hình 12: Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất Chitosan

Vỏ tôm,cua Loại Protein Tạp chất

Làm nguội Rửa

Nghiề n

Bột Chitosa n

Hòa tan trong HCl

Kết tủa chậm Kết tủa nhanh

Vẩy Chitosan 50-60%

Chitosan kết tủa mịn

Chitosa

n

dd keo

Sấy

Hình 13: Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất Chitosan

 Cụ thể người ta tiến hành lần lượt các công đoạn sau:

1 Chuẩn bị:

Làm sạch vỏ giáp xác: Phế liệu vỏ giáp xác được thu thập và đun sôi trong 1h để

loại hết các mô Vỏ tiếp tục được cho vào lò ở 163OC trong 1h, sau đó lấy ra, tách phần

mô đã sấy khô còn sót lại trên vỏ, cọ rứa sạch lớp vỏ

Khử màu: Lớp vỏ cứng bên ngoài của loài giáp xác có chứa chất màu chủ yếu là

Cardenoid Thành phần chính là astarene, astaxanthin, canthaxanthin, lutin và β - carotene Chúng không xuất hiện dưới dạng phức chất với các chất vô cơ cũng như protein, vì vậy khử protein và khử khoáng cũng không loại được Cardenoid Tuy vậy có thể khử màu bằng chất trích màu như KmnO4, NaOCl, SO2, NaHSO3… Có thể bổ sung công đoạn ngâm vỏ trong dung dịch chất tẩy trắng loãng trước khi thực hiện quá trình đun sôi

Làm nguội vỏ giáp xác: Vỏ sau khi đã làm sạch

được đặt trong lò ở 80oC trong 48h để phá vỡ cấu trúc

tinh thể của Chitin, nhằm chuyển hầu hết Chitin trong

vỏ thành dạng vô định hình Sau 48h, vỏ được lấy ra

khỏi lò và đổ nhanh vào bể chứa Nitơ lỏng (-196oC)

để làm nguội Việc làm nguội nhanh sẽ hạn chế được

sự tái hình thành tinh thể Chitin, làm chúng trở nên vô

định hình hơn Ngoài ra trong quá trình làm nguội,

nhiệt độ của Nitơ lỏng còn làm cho vỏ trở nên rất

giòn, dễ vỡ, giúp quá trình nghiền sau đó sẻ dễ dàng

hơn Sau khoảng thời gian nhất định, lấy vỏ ra khỏi dd

Nitơ lỏng, nghiền bằng cối và chày Có thể thay dung

dịch Nitơ lỏng bằng hỗn hợp methanol- nước đá khô

2 Loại Protein:

Protein được loại bằng cách nấu với NaOH, nhiệt độ 60-100oC Gần đây các nghiên cứu mới được thực hiện với một khoảng rộng với các tác nhân như

NaOH, NaHCO3, KOH, K2CO3, Ca(OH)2, Na2SO4, NaHSO3,

Ca(SO4)2, NaPO4, Na2S Song NaOH vẫn được dùng thông dụng

hơn

Tùy từng loại vỏ mà điều kiện xử lý có thể thay đổi về nồng

độ NaOH, nhiệt độ hoặc thời gian Với những loại vật liệu dễ khử

protein, có thể dùng Na2CO3 0.1M ở khoảng 100oC trong 4h Đối

với vật liệu khó xử lý, có thể dùng NaOH 5M ở khoảng 100oC trong

4h Tuy nhiên, hầu hết các quá trình khử thường dùng NaOH 1N với

một khoảng nhiệt độ và thời gian xử lý (từ 65-100oC) trong vòng

0.5-7h

Tiến hành: Cho hỗn hợp vỏ đã làm nguội vào

dd NaOH 3,5% (tỉ lệ 1:10 w/v) ở 65oC Sau 2h lấy

Hình 14: Nghiền vỏ bằng cối và chày