Khảo sát sự biến đổi tính chất của chitin thu hồi từ mai mực (phan thiết) trong môi trường kiềm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA FOG BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: KHẢO SÁT SỰ BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT CỦA CHITIN THU HỒI TỪ MAI MỰC (PHAN THIẾT) TRONG MÔI TRƯỜNG KIỀM Mã số đề tài: T-KTHH-2012-41 Thời gian thực hiện: 12 tháng Chủ nhiệm đề tài: TS Tống Thanh Danh Cán tham gia đề tài: Ks Nguyễn Văn Chí Ks Trần Thị Nguyệt Viên Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 8/2012 Danh sách cán tham gia thực đề tài (Ghi rõ học hàm, học vị, đơn vị công tác gồm môn, Khoa/Trung tâm) Tiến sỹ Tống Thanh Danh, Bộ mơn Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Khoa kỹ thuật hóa học, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM Kỹ sư Nguyễn Văn Chí, Bộ mơn Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Khoa kỹ thuật hóa học, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM Kỹ sư Trần Thị Nguyệt Viên, Bộ mơn Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Khoa kỹ thuật hóa học, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM MỤC LỤC I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI II MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI III DỰ KIẾN SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI THEO ĐĂNG KÝ BAN ĐẦU IV KINH PHÍ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .6 V BÁO CÁO KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Nguyên liệu phương pháp nghiên cứu 5.1.1 Nguyên liệu 5.1.2 Phương pháp nghiên cứu 5.1.2.1 Phương pháp đo độ hấp phụ 5.1.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM 5.1.2.3 Phương pháp phổ hồng ngoại FTIR 5.1.2.4 Phương pháp nhiễu xạ XRD 5.1.2.5 Phương pháp đo độ truyền suốt 5.1.2.6 Phương pháp đo trọng lượng phân tử 5.2 Kết thảo luận: 5.2.1 Đánh giá sản phẩm chitin thu hồi từ mai mực ốngPTVN 5.2.2 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nồng độ kiềm đến khả hấp phụ độ truyền suốt chitin 12 5.2.3 Sự biến đổi chitin môi trường kiềm nhiệt độ thấp- Điều chế chitin gel 14 5.2.4 Sự biến đổi chitin môi trường kiềm nhiệt độ cao-Điều chế chitosan 15 5.2.4.1 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ kiềm lên trình tạo chitosan vảy chitosan oligomer 15 5.2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian tác kích tới q trình tạo chitosan vảy chitosan oligomer 16 5.2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đồng hóa tới trình tạo chitosan vảy chitosan oligomer 17 5.2.5 Đánh giá sản phẩm chitosan vảy, chitosan oligomer chitosan tinh thể 17 VI KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 21 VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 I Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Việt Nam có bờ biển dài rộng lớn, nơi cư trú nhiều lồi thủy hải sản có giá trị cao Trong năm gần việc khai thác, đánh bắt, nuôi trồng chế biến thủy hải sản xuất ngày phát triển Xuất thủy sản năm 2009 đạt 4,4 tỷ USD Về thị trường, thủy sản Việt Nam xuất sang 155 nước giới Do đó, hàng năm nhà máy chế biến thủy hải sản đông lạnh phải vứt bỏ lượng lớn vỏ phế phẩm Hiện phần lớn lượng phế phẩm phơi khô làm thức ăn gia súc khơng sử dụng lúc chúng xem chất thải rắn có khả gây nhiễm cao Trong đó, tận dụng nguồn phế phẩm để thu hồi chitin dẫn xuất tạo nên mặt hàng giá trị đem lại lợi nhuận kinh tế cao giảm tình trạng nhiễm mơi trường Thành phần lớp vỏ lồi giáp xác ( mực, tơm, cua, ghẹ,…) chitin – loại polymer thiên nhiên Chitosan dẫn xuất chitin có đặc tính quý giá nên chitin chitosan ngày khám phá ứng dụng nhiều lĩnh vực y học, công nghiệp dược, mỹ phẩm, xử lý nước thải, bảo quản thực phẩm, nông nghiệp….Theo thống kê, hàng năm giới tiêu thụ khoảng 1100 – 1300 chitin, chitosan.Trên giới, nhà khoa học nghiên cứu thành cơng nhiều quy trình thu hồi chitin từ vỏ lồi giáp xác (tơm, cua, ghẹ,…) ứng dụng vào thực tế sản xuất hầu hết vấn đề nghiên cứu chung chung, khơng có tính hệ thống Thu hồi chitin từ mai mực tương đối Mặc khác, hàm lượng chitin có mai mực gần %, đứng sau vỏ tôm (11.2%) tỉ lệ cao so với vỏ hến (0,48 %), vỏ ốc (1,24 %)….Xuất phát từ vấn đề nhóm chúng tơi đề xuất thực đề tài: “khảo sát biến đổi tính chất chitin thu hồi từ mai mực môi trường kiềm” với mục tiêu thu hồi xác định tính chất chitin từ mai mực hệ thống lại yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chitin môi trường kiềm, nhằm tạo sở vững để áp dụng vào thực tế sản xuất sản phẩm có giá trị chitin gel dẫn xuất chitosan có độ deacetyl hóa cao Chitin phát giáo sư Henri Braconnot vào năm 1811 Lần ông phân lập chitin hợp chất không tan kiềm số loại nấm Hợp chất Henri Braconnot phân lập lẫn nhiều tạp chất ông khẳng định gỗ Đến năm 1823, Odier cô lập chitin từ cánh bọ cánh cứng phân lập chitin loại khoáng vỏ cua Từ Odier cho hợp chất vỏ giáp xác côn trùng Từ năm 1930 đến năm 1940 có nhiều nghiên cứu chitin chitosan, khoảng 50 phát minh đăng ký Với nghiên cứu mình, Purchase Braum chứng minh chitin polysaccharide glucosamine cách thủy phân chitin theo nhiều cách khác nhau, hay với nghiên cứu Rammelberg xác định cách xác nguồn gốc chitin Hiện nay, nghiên cứu chitin chitosan đạt thành cơng định Tại Nhật Bản, chương trình nghiên cứu dài 10 năm bắt đầu khởi động Tại Trung Quốc bắt đầu nghiên cứu chitin chitosan chậm so với nước khác lại phát triển nhanh chóng lĩnh vực Nhiều sản phẩm chitin chitosan thương mại hóa Việt Nam giới dạng dược phẩm thực phẩm chức Chitin (hình 1) thành phần quan trọng lớp vỏ cứng bao bọc bên loài sinh vật sống nước cạn, chitin polysaccharides mạch thẳng có nhiều tự nhiên xem dẫn xuất cellulose [7] Trong đó, nhóm (OH) nguyên tử C(2) thay nhóm acetyl amino(-NHCOCH3)[3,10] Các mắt xích chitin đánh số glucose Chitin có cấu trúc tinh thể cấu tạo thành mạng lưới sợi hữu [7] Vì mà chitin làm tăng độ bền, độ cứng điểm tựa cho sinh vật Trong lớp vỏ cứng sâu bọ lồi giáp xác chitin khơng tồn thiên nhiên chất riêng biệt mà xuất dạng phức chất với nhiều chất khác, đặc biệt tạo phức với protein Trong loài nấm mốc, chitin tạo phức với polysaccharides khác Chitin trung hịa điện, có khoảng 10% nhóm amino (-NH2), cịn lại 90% nhóm N-acetyl (-NHCOCH3).Cơng thức hóa học tổng quát chitin: (C8H13O5N)n Khối lượng phân tử chitin: M chitin = (203)n Hình Cấu trúc phân tử chitin Trong tự nhiên chitin tồn dạng cấu hình: α, β, γ– chitin[3] Phổ biến dạng α-chitin có cấu trúc mạch xếp ngược chiều cách đặn Vừa có liên kết hydro lớp hệ chuỗi, vừa có liên kết hydro lớp chuỗi thuộc lớp kề nên bền vững α-chitin tìm thấy lồi nấm, vỏ sị, vỏ tơm, vỏ cua, vỏ ghẹ,… Dạng β-chitin có mắc xích ghép với theo kiểu song song Liên kết hydrogen β-chitin yếu nên dễ bị ảnh hưởng dung môi cho phản ứng hóa học dễ dàng β-chitin tìm thấy loài tảo cát, mai mực ống Dạng γ-chitin phổ biến cho biến dạng α-chitin mắc xích nối theo kiểu hai song song ngược chiều Chitin có cấu trúc tinh thể bền vững nên tan số dung môi đặc biệt Vì có liên kết hydro chặt chẽ phân tử nên chitin thể lực hạn chế phần lớn dung môi Chitin thông thường (α-chitin) không tan không trương dung môi thông dụng tan số dung mơi đặc biệt, ví dụ :N,N-dimetyl acetamide (DMAc) có chứa 5-10% LiCl hay số dung môi Flo hóa hexafloacetone số hệ dung mơi khác dùng để hòa tan formic acid - dicloroacetic acid, tricloroacetic acid dicloroetan β-chitin có lưc nước dung môi hữu yếu α-chitin[18] Chitin ổn định với chất oxy hóa mạnh KMnO4, H2O2, NaClO,…lợi dụng tính chất người ta sử dụng chất oxy hóa để khử màu cho chitin sản xuất từ vỏ tôm, cua, ghẹ, riêng với mai mực khơng cần giai đoạn khử màu Khi đun nóng chitin dung dịch NaOH đậm đặc (40- 50%) nhiệt độ cao chitin bị gốc acetyl tạo thành chitosan Khi đun nóng môi trường acid đậm đặc nhiệt độ cao chitin bị cắt mạch thành glucosamine Chitin tác dụng với HNO3 cho sản phẩm chitin nitrat Chitin tác dụng với anhydride sunfuaric pyridin, dioxane N,N-dimethylaniline cho sản phẩm chitin sunfunate.Chitin có khả hấp phụ thuốc nhuộm, hấp phụ tăng theo giảm pH vùng pH từ 6-4 Những ion thuốc nhuộm bị hấp phụ thơng qua lực hút Vanderwaals, lực liên kết hydro, lực hút tĩnh điện,…tùy thuộc chất ion thuốc nhuộm[22] Hacman người phát chitin hấp phụ protein từ dung dịch nước Khả hấp phụ cao xảy điểm đẳng điện protein Người ta cho chitin hình thành liên kết covalent với protein, sinh glycoprotein Những nghiên cứu sau cho thấy enzymes cố định chitin/chitosan hấp phụ dung dịch pH thích hợp Hoạt tính sinh học enzymes thay đổi khơng đáng kể q trình cố định Sự liên kết chặt chẽ enzymes chitin/chitosan tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng enzymes với mục đích khác Nguồn gốc chitin ảnh hưởng đến tính chất vật lý cấu trúc chitin Đối với loài giáp xác, thành phần bao ngồi chitin chủ yếu protein khống(CaCO3), chất màu chất béo Trong nguồn nguyên liệu từ nấm, thành phần bao chitin chủ yếu polysaccharide glucan, mannan cellulose Chitin từ vỏ lồi giáp xác có hóa tính bền vững, độ kết tinh cao, độ acetyl hóa cao so với chitin tách từ nấm Do có khác mà phương pháp chiết tách chitin khác Phương pháp tách chitin từ phế liệu tôm, cua, mực qua bước với hai cơng đoạn loại bỏ protein loại khoáng, phần nhỏ chất màu lipid Cần phải loại bỏ thành phần nhằm mục đích đảm bảo độ tinh khiết sản phẩm Lớp vỏ cứng bên loài giáp xác có chứa chất màu mà chủ yếu carotenoid Thành phần astarene, astaxanthin, canthaxanthin, lutin carotene Giống protein, chúng không xuất dạng phức chất với chất vô nên việc loại protein, loại khống khơng loại hết caroteniod Lượng màu loại hết phương pháp hóa học với hóa chất sử dụng như: KMnO4, NaOCl, SO2, NaHSO3, NaS2O4, H2O2… hay phương pháp vật lý đem chitin phơi ánh nắng mặt trời Một số ngun liệu có mai mực khơng cần phải trải qua giai đoạn khử màu khơng có màu tẩy giai đoạn xử lý với kiềm Đây ưu điểm việc thu hồi chitin từ mai mực Chitosan sản phẩm deacetyl hóa chitin Do đó, điều chế chitosan từ nguyên liệu đầu phải trải qua giai đoạn loại khoáng loại protein đến deacetyl hóa khử màu Q trình deacetyl chitin thành chitosan qui trình cần dung dịch kiềm có nồng độ lớn nhiệt độ cao, để khắc phục nhược điểm người ta thêm dung mơi paraffin hay dung mơi hịa tan nước IPA(iso-propanol) hay TBA(tert-butanol) Các dung mơi đóng vai trị chất pha lỗng tạo điều kiện dễ dàng cho việc khuấy trộn làm tăng bề mặt tiếp xúc pha, nhờ vào bao bọc paraffin xung quanh tiểu phân chitinNaOH nên tránh cắt mạch oxygen khơng khí, đồng thời giảm nồng độ kiềm đáng kể, giảm nước thải nhiễm mơi trường.Từ chitosan điều chế dạng hóa lý đặc biệt chitosan tinh thể-sản phẩm phương pháp kết tụ, tồn dạng gel phân tán, dạng bột [22] Phương pháp điều chế chitosan tinh thể thường gồm hai giai đoạn [23]: a) Thối hóa mạch chitosan (degradation): Thối hóa mạch chitosan dung dịch acid, sau làm lạnh tức để chuyển vùng polymer vơ định hình thành vùng polymer tinh thể phương pháp hóa học vật lý hay phương pháp hóa học b) Kết tụ (aggregation): Kết tụ đại phân tử từ dung dịch hay dạng phân tán thông qua trình keo tụ (coagalation), kết tủa (precipitation), kết tinh (crystallization) Chitosan cao phân tử dễ bị thủy phân nhiều tác nhân khác Đã có nhiều nghiên cứu nhằm tìm điều kiện tối ưu cho trình điều chế chitosan oligomer từ chitosan cao phân tử Sử dụng nhiều tác nhân khác để cắt mạch chitosan HCl, H2SO4, kiềm, Halogen,…Ngoài ra, người ta dùng loại vi khuẩn khác như: Papain, Penicillium, Islandiaim, Streptomyces No 6, Bacterium No 8[24,28,32],… phương pháp vi sinh nuôi cấy vi khuẩn để điều chế chitosan oligomer từ chitosan Kết phương pháp cắt mạch chitosan khác thu chitosan oligomer có tính chất mức độ trùng hợp khác [36] Ngày nay, chitin dẫn xuất chitosan polymer sinh học phổ biến đặc tính sinh lý hóa lý tính tương thích mặt sinh học, khả hấp thụ, khả tạo màng giữ ion kim loại đặc điểm cấu trúc quang học Do ứng dụng nhiều lĩnh vực II Mục tiêu đề tài: Khảo sát phương pháp thu hồi chitin đơn giản, tiện lợi, hiệu suất cao mà phải tiết kiệm chi phí, sản phẩm có chất lượng Bên cạnh đó, từ chitin thu hồi tiến hành khảo sát có hệ thống biến đổi tính chất chitin mơi trường kiềm điều chế dạng chitosan chitosan vảy, chitosan tinh thể, chitosan oligomer, chitosan bảng,…có thể ứng dụng làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp dược, thực phẩm, mỹ phẩm Nâng cao chất lượng luận văn cao học lực cán nghiên cứu III Dự kiến sản phẩm đề tài theo đăng ký ban đầu - Báo cáo phương pháp thực số liệu kết phân tích - Đăng báo tạp chí chuyên ngành IV Kinh phí thực đề tài: Tổng kinh phí : 20 triệu đồng Trong đó: Nguồn trường: 20 triệu đồng Thuyết minh sử dụng nguồn kinh phí (từ nguồn trường): Khốn chi theo quy định: 20 triệu đồng Khơng khốn chi theo quy định: đồng V Báo cáo kết đề tài 5.1 Nguyên liệu phương pháp nghiên cứu 5.1.1 Nguyên liệu Chitin dạng bột khô (VNC-2010, Bách Khoa) phân lập từ mai mực ống Phan Thiết Việt Nam, độ ẩm 14.4%, hàm lượng tro 0.001%, trọng lượng phân tử 5.1x105 (Dalton) DA 85% NaOH, methanol, acetone, đá khói 5.1.2 Phương pháp nghiên cứu 5.1.2.1 Phương pháp đo độ hấp phụ Cân 0.1g β-chitin cho vào bình phản ứng, sau thêm dung dịch NaOH Thực điều kiện thích hợp khuấy mạnh để khảo sát biến đổi tính chất chitin Kết thúc trình, đem sản phẩm ly tâm để loại bỏ kiềm dư với tốc độ ly tâm 5000(vòng/phút) 20phút, rửa sản phẩm nước cất (pH = 7) tính độ hấp phụ dung dịch chitin theo cơng thức(1): AV ( g /100 gchitin) = m1 ( g ) − m0 ( g ) ×100 (1) m0 ( g ) Với AV(g/100g chitin) độ hấp phụ dung dịch chitin tính 100g chitin khơ, m0(g) khối lượng β-chitin ban đầu, m1(g) khối lượng sản phẩm sau tác kích 5.1.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử qt SEM Các mẫu sấy khơ sau phủ platin (20nm) bề mặt mẫu chân không bề mặt mẫu quan sát kính hiển vi điện tử quét LEO-440 sử dụng điện áp 12 kV 5.1.2.3 Phương pháp phổ hồng ngoại FTIR Phổ hồng ngoại FTIR mẫu đo máy TENSOR37, dạng viên nén KBr DA(%): mức độ acetyl xác định thông qua phổ hồng ngoại theo phương pháp[1,4,5], tính theo cơng thức(2): DA(%) = ⎡⎣( A1658 / A3431 ) /1.33⎤⎦ [100 − baseline] (2) Trong A1658 khả hấp thu nhóm amide bậc A3431 khả hấp thu nhóm hydroxyl theo quang phổ hồng ngoại 1.33 hệ số theo phương pháp [4], [100-baseline] hệ số hiệu chỉnh từ phổ đồ 5.1.2.4 Phương pháp nhiễu xạ XRD Phổ nhiểu xạ tia X đo máy D8ADVANCE-BRUKER Germany với góc quét 2θ = – 500, sử dụng tia xạ CuKα 50kV Thơng số (ICR) tính từ kết giản đồ kích thước trung bình tinh thể (Dap[110]) xác định theo phương pháp giản đồ nghiên cứu [6] Cường độ đỉnh peak mặt lưới (I110, ứng với góc quét 2θ = 200 nhiễu xạ mạnh nhất, Iam với góc quét 2θ = 160 (peak vơ định hình nhiễu xạ)) sử dụng để tính tốn ICR theo cơng thức (3) Thơng số (Dap [110]) tính tốn theo cơng thức (4) [7] I CR = I110 − I am × 100 I110 Dap[110] = Kλ β cos θ (3) (4) λCu = 1.540596 (A0) độ dài sóng xạ đồng; Trong K số từ 0.8-1.1, β0 (rad) độ bán rộng peak tinh thể, θ (rad) góc Bragg peak tinh thể [5] 5.1.2.5 Phương pháp đo độ truyền suốt Độ truyền suốt T% (độ đục) chitin gel đo máy quang phổ tử ngoại - khả kiến hiệu Helios Epsilon dvới bước sóng λ = 400 5.1.2.6 Phương pháp đo trọng lượng phân tử Trọng lượng phân tử (Mw) tính theo cơng thức Mark-Houwink, với số a K 300C 0.95 7.6x10-5dl/g chitin N,N-dimethylacetamide/lithium chloride [8] [η] độ nhớt theo công thức (5): [η ] = KM w a (5) ... tài: ? ?khảo sát biến đổi tính chất chitin thu hồi từ mai mực môi trường kiềm? ?? với mục tiêu thu hồi xác định tính chất chitin từ mai mực hệ thống lại yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chitin môi trường. .. Đánh giá sản phẩm chitin thu hồi từ mai mực ốngPTVN Bảng 1: Đánh giá chitin thu hồi từ mai mực ốngPTVN Chitin (mai Chitin (mai mực Chitin (vỏ PTVN ) Loligo [10,17]) Tôm [17]) mực ống Chỉ tiêu... chitin mơi trường kiềm -400C để tiếp tục khảo sát ảnh hưởng đồng thời tỷ lệ chitin/ dung dịch kiềm nồng độ kiềm tác kích đến tính chất chitin 5.2.4 Sự biến đổi tính chất chitin môi trường kiềm điều