Khóa luận tốt nghiệp_Nghiên cứu chế tạo chitosan từ vỏ tôm đạt một số tiêu chuẩn thương mại

MỞ ĐẦU  Lý do chọn đề tài Chitosan (CTS) là polysacaric có nguồn gốc tự nhiên, được tách chiết từ vỏ các loài giáp xác như tôm, cua, ghẹ, CTS được ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong y dược, CTS được dùng để sản xuất glucosamin, một dược chất dùng để chữa bệnh khớp đang phải nhập khẩu ở nước ta. Trong công nghiệp, CTS được dùng để chế tạo nhiều sản phẩm có giá trị cao như: vải CTS dùng trong y tế, vải chịu nhiệt, vải chống thấm. Ngoài ra CTS còn dùng để sản xuất sơn chống thấm và mốc. Trong nông nghiệp, CTS được sử dụng để bảo quản quả, hạt giống mang lại hiệu quả cao, dùng làm vacxin thực vật, thuốc kích thích sinh trưởng. Trong công nghệ in ấn, CTS được ứng dụng làm mực in cao cấp, tăng cường độ bám dính của mực in. Trong công nghệ môi trường, CTS được ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. Trong công nghệ sinh học, CTS được dùng làm chất mang cố định enzyme và cố định tế bào. Trong công nghệ thực phẩm, CTS được sử dụng để sản xuất ra màng mỏng để bao gói thực phẩm… [12]. Ở Việt Nam, giáp xác là nguồn nguyên liệu thủy sản dồi dào, chiếm một lượng lớn tổng sản lượng nguyên liệu thủy sản. Hằng năm, các nhà máy chế biến đã thải bỏ một lượng lớn phế liệu giáp xác. Chính vì vậy nguyên liệu ban đầu để sản xuất CTS luôn sẵn có và rất rẻ. Với mục đích tận dụng được lượng phế thải rắn là vỏ tôm trong ngành chế biến thủy sản để sản xuất CTS có chú ý đến một số tiêu chuẩn thương mại, chúng tôi chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo chitosan từ vỏ tôm đạt một số tiêu chuẩn thương mại” làm khóa luận tốt nghiệp.  Mục đích nghiên cứu Chế tạo chitosan đạt một số tiêu chuẩn thương mại từ vỏ tôm.  Đối tượng nghiên cứu Chitin, CTS có trong vỏ tôm.  Phạm vi nghiên cứu Chế tạo chitosan từ vỏ tôm đạt một số tiêu chuẩn thương mại.  Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu lấy mẫu - Phương pháp sắc kí gel thấm qua (GPC) - Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)   CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN  Giới thiệu về chitin, chitosan  Giới thiệu về chitin Chitin có tên khoa học là poly (2, 4) – 2 – acetamido – 2 – desoxy – β – D – glucose, còn có tên gọi khác là N – acetyl – D – glucose. Chitin là một polysaccharide được cấu tạo bởi các monosaccharide liên kết với nhau bằng cầu nối β (1–4) glycosit. Trong tự nhiên chitin tồn tại trong cả động vật và thực vật. Trong động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng trong vỏ của 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 tế bào da, nó giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da. Trong thực vật, chitin có ở thành tế bào nấm họ zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo Trong thủy sản đặc biệt là tôm, cua, ghẹ hàm lượng chitin chiếm tỉ lệ khá cao, từ 17 – 36% về khối lượng [14]. Hình 1.1. Chitin và nguồn nguyên liệu sản xuất  Giới thiệu về chitosan CTS có tên khoa học là poly (1, 4) – 2 – amino – 2 – deoxy – β – D – glucose. Chitosan là sản phẩm deaxetyl hóa chitin. Do quá trình đề axetyl xảy ra không hoàn toàn nên người ta quy ước độ đề axetyl (ĐĐA) > 50% thì gọi là chitosan, còn ĐĐA < 50% thì gọi là chitin.  Cấu tạo của chitin và chitosan  Cấu tạo của chitin Công thức phân tử của chitin: (C 8 H 13 O 5 N) n  Phân tử khối: M chitin = (203,09) n O OH OH O O OH NHCOCH 3 O OH NHCOCH 3 O OH NHCOCH 3 O OH O OH NHCOCH 3 O OH Chitin là polysaccharide thiên nhiên không nhánh, giống cellulose, có cấu trúc như sau: Hình 1.2. Cấu tạo phân tử chitin Cấu trúc hóa học của chitin rất giống của cellulose, chỉ khác là nhóm –OH ở vị trí C 2 trong mỗi đơn vị D – Glucose cellulose được thay bằng nhóm –NHCOCH 3 ở chitin. Một cách đơn giản, chúng ta có thể xem chitin là sản phẩm trùng ngưng của nhiều phân tử N – acetyl – D – glucosamine. Bằng phương pháp phổ nhiễu xạ tia X, người ta đã chứng minh được chitin tồn tại được trong tự nhiên có cấu trúc tinh thể gồm 3 dạng: α, β và γ. - α – chitin: Các mắt xích được sắp xếp ngược chiều nhau đều đặn. - β – chitin: Các mắt xích được sắp xếp song song. - γ – chitin: Hai mắt xích song song rồi đến 1 mạch ngược chiều. Hình 1.3. Mô hình cấu trúc mạng tinh thể của chitin Từ ,  – Chitin có thể chuyển hóa về dạng  – Chitin  Hình 1.4. Sự chuyển đổi các dạng chitin Trong ba dạng tinh thể của chitin thì α – chitin có cấu trúc mạng tinh thể chặt chẽ nhất, có liên kết hydrogen giữa các mạch phân tử và giữa các lớp trong mạng tinh thể. Ở β – chitin không có loại liên kết thứ hai này chính vì thế nó dễ bị trương trong nước và cũng dễ tham gia phản ứng hơn α – chitin [2].  Cấu tạo của chitosan Công thức phân tử của CTS: [C 6 H 11 O 4 N] n Phân tử khối: M chitosan = (161,07) n CTS là polymer sinh học tự phân hủy, có cấu tạo gồm các đơn vị D – glucosamine và N – acetyl – D – glucosamine liên kết với nhau qua cầu nối β (1–4) glycosit như hình 1.5. Hình 1.5. Công thức cấu tạo của chitosan - Liên kết β – glycosit mỗi mắt xích lệch nhau một góc 180 0 tạo lên mạch xoắn. - Tương tác Vander Wall (d = 0,3 – 0,6μm). - Khi khoảng cách giữa các mắt xích quá nhỏ (0,3µm) giữa chúng xuất hiện liên kết hydro, do tương tác giữa nhóm –OH, –NH 2 trong phân tử. Hình 1.5 mô tả cấu trúc CTS trên lý thuyết. Thực tế, mạch phân tử CTS vẫn tồn tại nhóm axetyl đan xen do sự deaxetyl hóa chưa hoàn toàn. Do vậy, công thức cấu tạo chính xác của mạch CTS có thể biểu diễn như hình 1.6.  Hình 1.6. Công thức cấu tạo chính xác của CTS  Trạng thái tự nhiên và tính chất vật lý  Trạng thái tự nhiên và tính chất vật lý của chitin Trong thiên nhiên, trữ lượng của chitin chỉ đứng thứ hai sau cellulose. Chitin là thành phần chủ yếu trong vỏ của các loại vật chất “xương ngoài” như: cua, tôm, mực, nhện, bọ cạp và vỏ của các loại giáp xác, Chitin cũng được tìm thấy trong vách tế bào của một vài loài nấm hay của một số loài sinh vật khác. Trong tự nhiên, α – chitin là dạng chitin phổ biến nhất thường được tách ra từ vỏ tôm, vỏ cua, β – chitin thường được tách ra từ mai mực ống còn γ – chitin hay gặp ở sợi kén của bọ cánh cứng, tăm mực. So với α – chitin thì trữ lượng β – chitin ít hơn nhiều, còn γ – chitin thì rất ít. Dạng β – chitin cũng có thể chuyển sang dạng α – chitin là nhờ quá trình axetyl hóa cho cấu trúc tinh thể bền vững hơn. Chitin là chất rắn, dạng bột xốp, rất nhẹ, hình vảy, có màu trắng hoặc vàng nhạt, không mùi, không vị, có khối lượng riêng là 100 – 200 kg/m 3 và phân tử lượng trung bình là 1.10 5 ÷ 5.10 5 . Chitin không tan trong nước, dung dịch kiềm, axit loãng, ancol và hầu hết các dung môi hữu cơ, chỉ tan trong axit vô cơ đặc như HCl, H 2 SO 4 , H 3 PO 4 và thường kèm theo sự giảm cấp. Điều này được giải thích là do chitin có cấu trúc chặt chẽ, có liên kết phân tử mạnh thông qua các nhóm hydroxyl và acetamide. Chitin tan trong một số dung môi hữu cơ có chứa clorua liti như: N, N – dimetylacetamid (DMAc) chứa 5% LiCl, N – etyl pyrrolydon – LiCl, Khả năng hòa tan của chitin trong DMAc – LiCl phụ thuộc vào độ deacetyl của mẫu, khả năng này giảm khi độ deaxetyl hóa tăng lên. Chitin cũng có thể bị phân tán trong dung dịch chiocyanat liti đặc nóng và được tái kết tủa bằng sự pha loãng với nước, ancol hoặc aceton. Cấu trúc cứng của chitin sẽ bị phá hủy một cách từ từ do sự hình thành phức giữa ion canxi và nhóm acetamid ở vị trí C 2 của N – acetyl  glucosamin, làm cho hệ dung môi bao gồm CaCl 2 .2H 2 O – MeOH trở thành hệ dung môi khá tốt cho việc hòa tan chitin. Khác với cellulose, chitin tan chậm trong dung dịch hypochloride ở nhiệt độ phòng, nhưng không tan trong dung dịch Scheweitzer [Cu(NH 3 ) 4 ](OH) 2 . Chitin tan trong dung dịch của natri trong amoniac lỏng để cho ra hợp chất đơn natri. Tính tan của chitin ảnh hưởng đáng kể đến khả năng ứng dụng của nó. Do đó, nghiên cứu biến tính chitin tạo ra các dẫn xuất khác nhau có khả năng hòa tan trong các dung môi thông thường gần đây được tập trung chú ý nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của loại polysaccharide thiên nhiên quý giá này.  Trạng thái tự nhiên và tính chất vật lý của CTS CTS có cấu trúc tinh thể không đổi so với cấu trúc của chitin. CTS là chất rắn xốp nhẹ, hình vảy, tồn tại dạng bột hoặc dạng vảy có thể xay nhỏ với kích thước khác nhau, màu trắng ngà hoặc màu vàng nhạt được thể hiện ở hình 1.7. Hình 1.7. Hình dạng và màu sắc của CTS CTS do có nhóm –NH 2 tự do nên không tan trong nước nhưng tan dễ dàng trong các dung môi hữu cơ như axit formic, axit axetic, axit propionic, axit citric, axit lactic, khi đó nhóm amin tự do bắt đầu hình thành nhóm –NH 3 + [16]. Nhờ đặc tính này mà CTS có giá trị ứng dụng và giá trị thương mại cao hơn chitin vì có thể chế tạo thành nhiều dạng khác nhau như màng mỏng, sợi, bột CTS có khả năng tạo màng rất tốt. Ngoài ra CTS cũng có một số tính chất khác như khả năng hút nước, khả năng hấp phụ chất màu, kim loại, khả năng kết dính với chất béo, kháng khuẩn, kháng nấm Các tính chất này của CTS phụ thuộc rất lớn vào khối lượng phân tử (KLPT) và độ đề axetyl (ĐĐA). ĐĐA là một thông số quan trọng, đặc trưng cho tỷ lệ giữa 2 – acetamido – 2 – deoxy – D – glucopyranose với 2 – amino – 2 – deoxy – D – glucopyranose trong phân tử chitin và chitosan. ĐĐA của chitosan nằm trong khoảng 56% – 99%. CTS có ĐĐA cao thì có khả năng hấp thụ chất màu, tạo phức với kim loại tốt hơn [13], và khả năng  kháng khuẩn, kháng nấm cũng cao hơn. Tuy nhiên, khả năng hút nước của CTS lại giảm khi tăng ĐĐA [14]. Hơn nữa, CTS còn có khả năng chống oxy hóa, ngoài ĐĐA, KLPT khả năng này còn phụ thuộc vào độ nhớt của CTS. CTS có độ nhớt thấp thì khả năng chống oxy hóa cao [13]. Bảng 1.1. Tính chất của chitosan ảnh hưởng bởi ĐĐA [14] Tính chất CTS ĐĐA 75% 87% 96% Độ nhớt (cP) 111,2 103,4 107,3 Tính thấm nước (%) 659 472 486 Độ tan (%) 99,4 99,6 99,5  Tính chất hóa học  Tính chất hóa học của chitin Chitin có tính chất của ancol, amin và amit vì trong phân tử có các nhóm chức –OH, –NHCOCH 3 trong các mắt xích N – axetyl – D – glucosamine và nhóm –OH, –NH 2 trong các mắt xích D – glucosamine. Phản ứng hóa học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O - ; dẫn xuất thế N - ; hoặc dẫn xuất thế O - , N - . Mặt khác, các liên kết β (1–4) glycosit giữa các monome trong chitin rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hóa học như axit, bazơ, tác nhân oxy hóa và các enzym thủy phân. Phân tử chitin có thể được kí hiệu tượng trưng như sau: a. Phản ứng Van-Wisseleigh Chitin, CTS phản ứng với dung dịch I 2 /KI cho màu nâu, khi có mặt axit H 2 SO 4 thì chuyển thành đỏ tím, do các liên kết β (1–4) glycosit gây ra. Đây là phản ứng đặc trưng của chitin, CTS. Phản ứng này không xảy ra đối với các polysaccaric có số phân tử đường nhỏ hơn 6 nên được dùng để định tính chitin, chitosan và dùng để kiểm tra glucosamine.  Chit -CH 2 OH -OH -NHCOCH 3 b. Phản ứng deaxetyl hóa chuyển chitin thành chitosan Phản ứng deaxetyl hóa chitin là phản ứng tách nhóm axetyl ra khỏi nhóm chức (–NHCOCH 3 ), được thực hiện trong dung dịch NaOH 40 ÷ 60% ở nhiệt độ 90 ÷ 100 0 C và trong khoảng thời gian từ 3 ÷ 5 giờ. Thực chất phản ứng trên là phản ứng thuỷ phân trong môi trường kiềm. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng là: nồng độ, nhiệt độ và thời gian. c. Phản ứng cắt mạch Phản ứng cắt mạch là quá trình làm đứt liên kết β (1–4) glycosit gồm các phương pháp cắt mạch chủ yếu sau: - Cắt mạch bằng các enzym như chitosanase, papain. - Cắt mạch bằng tác nhân hóa học: H 2 O 2 , các peraxit, HCl, NaNO 2 /H + - Cắt mạch bằng chiếu xạ: gamma Co–60, siêu âm, chùm electron. d. Các phản ứng tạo dẫn xuất Tùy thuộc tác nhân phản ứng vào nhóm chức –NH 2 , –OH hay cả 2 nhóm chức để tạo dẫn xuất khác nhau: - Phản ứng vào nhóm chức –OH Đối với chitin, phản ứng thường xảy ra với các nhóm –OH vì nhóm – NHCOCH 3 tương đối kém hoạt động.   → + H      →      !    ""     #! Phản ứng deaxetyl hóa sản phẩm mới hình thành với dung dịch NaOH Chitin kiềm tham gia phản ứng hydroxyethyl hóa tạo dẫn xuất hydroxyethyl chitin Phản ứng sulfat hóa Chit–OH + SO 3 –NC 5 H 5  → NHC 55 Chit – O – SO 3 NC 5 H 6  → NaCl Chit – SO 3 Na - Các phản ứng vào nhóm –NH 2 Chit – NH 2 + HOOC – CH 3 → Chit – NH 3 + + CH 3 COO - Chit – NH 2 + Cl – CH 2 – COOH → Chit – NH – CH 2 COOH + HCl - Phản ứng thủy phân: Trong axit clohydric đậm đặc, ở nhiệt độ cao gây cắt mạch thu được glucosamin. Quá trình thủy phân xảy ra đầu tiên ở cầu nối glucoside, sau đó loại nhóm axetyl. (C 32 H 54 N 4 O 21 ) x + 2(H 2 O) x → (C 28 H 50 N 4 O 19 ) x + 2(CH 3 COOH) x $ [...]... thay đổi CTS chế tạo được có độ ẩm < 10% và hàm lượng khoáng < 0,5% đạt tiêu chuẩn thương mại (theo tạp chí thủy sản số 2 – 1992) HCl 5% t = 2 giờ Quy trình chế tạo CTS từ vỏ tôm đạt tiêu chuẩn thương mại được trình bày ở nhiệt độ phòng hình 3.9 w/v = 1/10 Hình 3.9 Quy trình chế tạo CTS từ vỏ tôm đạt tiêu chuẩn thương mại 34 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 Kết luận Qua quá trình thực hiện khóa luận này chúng... một số kết quả sau: - Đã chế tạo được CTS đạt tiêu chuẩn thương mại có màu trắng sáng với ĐĐA > 70%, độ ẩm < 10% và hàm lượng khoáng < 1,5% - Đối với giai đoạn chế tạo chitin thực hiện quá trình khử khoáng trước cho hiệu quả tốt hơn - Khi tăng thời gian đề axetyl độ ẩm của chitosan giảm trong khi đó hàm lượng khoáng gần như không đổi - Đã xây dựng được sơ đồ thể hiện quy trình chế tạo chitosan từ vỏ. .. (2013), Nghiên cứu điều chế oligochitosan bằng phương pháp cắt mạch hóa học H2O2 và hoạt tính kháng khuẩn, Tạp chí Hóa Học, 51(2C), tr 955 – 959 9 Nguyễn Thị Thu Hường (2013), Nghiên cứu chế tạo chitosan khối lượng phân tử thấp từ vỏ tôm và khảo sát khả năng kháng khuẩn, KLTN ĐHSG 10 Trần Văn Luân (2014), Nghiên cứu chế tạo oligochitosan bằng bức xạ gamma coban-60 và hydropeoxit, Khóa luận tốt nghiệp Đại... 70% từ vỏ tôm, KLTN ĐHSG, Tp HCM 2 Phạm Lê Dũng và cộng sự (2011), Nghiên cứu chế tạo màng sinh học VINACHITI, Tạp chí Hóa học & Ứng dụng, 39(2), tr 21-27 3 Đặng Xuân Dự (2013), Xác định độ trương nước bão hòa của một số loại Chitosan có độ đề axetyl khác nhau được chế tạo từ vỏ tôm, Tạp chí Đại học Sài Gòn, 13, tr 92 – 99 4 Đặng Xuân Dự, Đinh Quang Khiếu, Diệp Khanh, Nguyễn Quốc Hiến (2013), Nghiên cứu. .. chitosan từ vỏ tôm đạt tiêu chuẩn thương mại về màu sắc, độ ẩm và hàm lượng khoáng 2 Kiến nghị Sau quá trình tiến hành thực nghiệm chúng tôi nhận thấy một số vấn đề sau đây cần được tiếp tục nghiên cứu: - Xác định độ trương nước bão hòa của chitosan - Nghiên cứu quá trình đề axetyl chitin ở nhiệt độ phòng 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1 Nguyễn Hồng Dung (2013), Nghiên cứu chế tạo chitosan KLPT thấp... tiêu chuẩn thương mại phải có hàm lượng khoáng thấp, màu trắng sáng (theo tạp chỉ thủy sản số 2 – 1992) Kết quả chế tạo chitin theo quy trình 1 cho sản phẩm có màu sắc trắng đẹp (hình 3.1), hàm lượng khoáng thấp [9] nên quy trình này được lựa chọn để điều chế chitin thực hiện cho những nghiên cứu tiếp theo 27 3.2 Kết quả chế tạo chitosan CTS30 CTS60 CTS90 CTS120 CTS180 CTS150 Hình 3.2 Chitosan chế tạo. .. 900C Kết quả chế tạo CTS bằng cách đề axetyl chitin từ vỏ tôm theo phương pháp ở mục 2.3.2 cho thấy sản phẩm CTS chế tạo được có màu sắc trắng sáng dần và mềm mại hơn theo thời gian lấy mẫu (hình 3.2) 3.3 Xác định độ đề axetyl và khối lượng phân tử chitosan 28 Phổ hồng ngoại (FT – IR) của các mẫu CTS chế tạo bằng cách đề axetyl hóa chitin được trình bày ở hình 3.3 Kết quả cho thấy CTS chế tạo được (hình... cầm máu Hình 1.8 Chitosan sử dụng trong y học CTS được dùng làm chất tạo màng, tạo dính để tạo viên nang bao bọc thuốc hoặc làm tá dược hay các chất mang sinh học dẫn thuốc Ở một số nước đã sản xuất chỉ phẩu thuật tự hoại bằng chitosan, thuốc đau khớp từ glucosamin và một số sản phẩm thủy phân từ chitosan Trong công nghệ sinh học, chitosan có nhiều tác dụng đa dạng như: có khả năng hút nước, giữ ẩm,... học một số phế liệu thủy sản để sản xuất chitin [14] Nguyên liệu Cua xanh Ghẹ chấm Đầu tôm sú Vỏ tôm sú Nang mực Độ ẩm 4,5 12,9 9,1 9,7 6-8 Thành phần hóa học (%) Protein Khoáng Lipid 24,0 56,0 2,0 10,3 57,9 0,3 26,8 29,3 0,5 42,8 20,8 1,2 7-8 0,7-1 - 14 Chitin 12,9 17,1 34,9 36,5 75-80 Hình 1.10 Nguyên liệu chiết tách chitin Trong khóa luận này, nguyên liệu được sử dụng là vỏ tôm Một vài thông số về... dưỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh dưỡng 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 1.6 Điều chế chitosan Công nghệ sản xuất chitosan dựa trên nguyên tắc loại bỏ muối calcium, . số tiêu chuẩn thương mại làm khóa luận tốt nghiệp.  Mục đích nghiên cứu Chế tạo chitosan đạt một số tiêu chuẩn thương mại từ vỏ tôm.  Đối tượng nghiên cứu Chitin, CTS có trong vỏ tôm. . là vỏ tôm trong ngành chế biến thủy sản để sản xuất CTS có chú ý đến một số tiêu chuẩn thương mại, chúng tôi chọn và thực hiện đề tài Nghiên cứu chế tạo chitosan từ vỏ tôm đạt một số tiêu chuẩn. có trong vỏ tôm.  Phạm vi nghiên cứu Chế tạo chitosan từ vỏ tôm đạt một số tiêu chuẩn thương mại.  Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu lấy mẫu - Phương pháp sắc