a) Deacetyl hóa (DA) chitin
Dẫn xuất deacetyl hóa đầu tiên khi biến tính chitin là chitosan, là polymer cao phân tử của glucosamin, hòa tan trong dung môi acid hữu cơ và vô cơ loãng (ngoại trừ acid sunfuric).
Điểm khác biệt giữa chitin và chitosan là khả năng hòa tan của chitosan trong dung dịch acid, nên có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp và y dƣợc. Để thu nhận chitosan cần khử nhóm acetyl từ N-acetyl-D-glucosamin (chitin) hay còn gọi là phản ứng deacetyl hóa (DA). Phản ứng điều chế chitosan thu gọn nhƣ hình 1.6.
Phản ứng DA đi kèm với việc cắt đứt liên kết glucosit của polymer. Nhƣ vậy, chitosan là chất trùng hợp phân tán theo khối lƣợng phân tử - polymer D-glucosamin,
26
chứa 5-15% các nhóm acetal amid và gần 1% các nhóm có liên kết với acid amin và các peptid.
Hình 1.6 – Phản ứng tóm tắt quá trình điều chế chitosan
Bề ngoài chitosan có cấu trúc hình vẩy với đƣờng kính nhỏ hơn 10 mm hoặc dạng bột với độ nghiền nhỏ khác nhau, có màu trắng đến màu kem, hay gặp chitosan màu hơi ngả vàng, màu hơi nâu hoặc màu hồng, chitosan không mùi. Tính chất khác của chitosan dạng khô là tính dẫn điện và có vị đắng. Theo độ độc thì chitosan thuộc lớp 4 và không độc.
Quá trình DA thƣờng đƣợc tiến hành trong dung dịch kiềm mạnh ở nhiệt độ cao. Thí nghiệm đầu tiên thu nhận chitosan là làm nóng chẩy chitin với kiềm rắn ở 1800
C. Theo phƣơng pháp này thu đƣợc chitosan với độ deacetyl tới 95%, nhƣng làm biến dạng mạnh cấu trúc (đến 20 đơn vị) của chitosan.
Phổ biến trong kĩ thuật ngƣời ta thực hiện quá trình DA bằng dung dịch kiềm 30- 50%, vì đó là môi trƣờng “mềm” hơn. Có nhiều cách khác nhau để biến tính theo phƣơng pháp này. Thực hiện quá trình DA trong dung dịch kiềm có thể đạt độ deacetyl lên đến 100% khi thực hiện lại nhiều lần và ít làm biến dạng cấu trúc chitin. Khi thu nhận chitosan trong những điều kiện nhƣ trên một mặt là quá trình DA, đồng thời xảy ra quá trình song song là làm hỏng cấu trúc chitin, nghĩa là làm đứt các liên
27
kết glucosit, dẫn tới giảm khối lƣợng phân tử và giảm độ nhớt của chitosan.
Trong sản xuất chitosan theo phƣơng pháp trên, tức là các quá trình xảy ra trong môi trƣờng kiềm mạnh và nhiệt độ cao nên cần sử dụng các thiết bị chuyên dụng làm từ hợp kim niken hoặc phủ ngoài bằng niken. Thông thƣờng để thực hiện quá trình DA sử dụng các thiết bị phản ứng làm từ thép hợp kim chịu nhiệt, có bộ phận nhào trộn và lớp vỏ dẫn hơi.
Công đoạn khó khăn, phức tạp nhất trong công nghệ sản xuất chitosan là tái sử dụng và xử lý nƣớc thải là dung dịch kiềm với nồng độ cao. Trong nhiều trƣờng hợp quá trình DA thực hiện bằng dung dịch kiềm 30-50%, mặc dù trong quá trình phản ứng nồng độ kiềm giảm, nhƣng thải ngay nƣớc thải vào hệ thống là điều không đƣợc cho phép. Cho nên khi thiết kế nhà máy sản xuất chitosan cần có phƣơng án xử lý nƣớc thải và bộ phận thu nhận protein từ trong nƣớc thải.
Có hàng loạt phƣơng pháp thay thế một phần hay hoàn toàn nƣớc trong quá trình DA bằng các dung môi khác nhau hoặc các chất mang nhiệt. Ví dụ trong [34] chất mang nhiệt đƣợc sử dụng là paraphin lỏng, hexan, rƣợu isopropyl. Khi giảm mạnh lƣợng nƣớc và dung dịch kiềm trong quá trình DA, giảm sự phá hỏng cấu trúc polymer, độ deacetyl đạt 92%.
Phƣơng pháp Brossignac [12] không sử dụng nƣớc, ngƣời ta thay thế nƣớc hoàn toàn bằng etanol với monoetylenglicol. Khi DA bằng KOH ở nhiệt độ 1200C độ acetyl đạt 83%.
Takeda [34] nghiên cứu phƣơng pháp xử lý chitin trong khí trơ hydrocylamin ở pH 13 và nhiệt độ 1000
C trong 10-20h. Hạn chế của phƣơng pháp này là độ deacetyl thấp (70%), thời gian xử lý dài, và làm hỏng cấu trúc của mạch polymer.
Phƣơng pháp deacetyl của chitin 2-4 lần trong dung dịch hydrazine hydrate [25] ở nhiệt độ 120-1500C. Khi hạn chế sự biến dạng cấu trúc ở mức thấp nhất độ deacetyl đạt 90-97%. Ngoài ra, quá trình DA có thể thực hiện bằng enzyme - deacetylase, có nguồn gốc vi sinh vật.
Từ những nghiên cứu của các nhà khoa học nhƣ trên đã liệt kê về quá trình deacetyl trong kiềm có thể rút ra một số nhận định. Trƣớc hết, độ bền của chitin trong quá trình DA đƣợc lý giải bởi sự có mặt của liên kết hydro giữa nhóm carboxyl và nguyên tử ni-tơ của nhóm amid trong cấu trúc micell. Để phá vỡ liên kết (liên kết bền
28
vững) cần tiến hành ở nhiệt độ cao (100-1600C). Khi tăng nhiệt độ và giữ nồng độ bazơ ở mức thấp (30%) độ deacetyl đạt giá trị 98%, đôi khi khối lƣợng phân tử giảm làm cho độ nhớt của chitosan cũng giảm theo. Để bảo toàn khối lƣợng phân tử trong quá trình xử lý chitin cần giảm nhiệt độ. Phản ứng deacetyl xảy ra nhanh nhất ở giờ đầu tiên trong quá trình xử lý, thƣờng đạt hiệu suất 70% khi nồng độ bazơ là 50% ở nhiệt độ 1000C. Phản ứng chậm lại ở giờ thứ 5 khi độ deacetyl đạt 80%. Nhƣ vậy, kéo dài quá trình xử lý không làm tăng đƣợc độ deacetyl, mà còn ảnh hƣởng đến cấu trúc của chitosan.
Cấu trúc chitin là cấu trúc mạng tinh thể nên độ hòa tan và độ hút nƣớc của chitin thấp. Kích thƣớc của chitin sau khi nghiền ảnh hƣởng đến độ đồng nhất của sản phẩm chitosan sau khi deacetyl. Nghiền nhỏ chitin làm tăng bề mặt tiếp xúc của chitin với hóa chất từ nội phân tử. Khi kích thƣớc hạt chitin quá lớn quá trình deacetyl xảy ra không hoàn toàn, lớp bề mặt của chitin bị deacetyl nhiều hơn so với các lớp phía trong. Khi hòa tan trong acid axetic những lớp mặt ngoài tạo thành dung dịch, lớp phía trong của hạt chitin không bị deacetyl hoàn toàn chỉ hút nƣớc. Hiện tƣợng deacetyl không hoàn toàn nhƣ trên của chitosan làm ảnh hƣởng đến khả năng ứng dụng của chúng. Trong trƣờng hợp chúng ta nghiền chitin với kích thƣớc đủ nhỏ và đồng đều thì các hạt chitin đƣợc deacetyl nhƣ nhau tạo điều kiện thu đƣợc sản phẩm với độ đồng nhất cao hơn.
Môi trƣờng để thực hiện quá trình deacetyl ảnh hƣởng lớn đến độ biến dạng cấu trúc của chitin, ví nhƣ sự có mặt của oxy. Các nhà khoa học đã thực hiện hàng loạt các nghiên cứu để loại bỏ oxy ra khỏi môi trƣờng phản ứng DA. Một giải pháp đơn giản nhất là nén chặt nguyên liệu, hút hết khí ra khỏi môi trƣờng phản ứng và đƣa khí ni-tơ vào rồi môi trƣờng kín. Thực hiện quá trình DA trong môi trƣờng nhƣ trên so với thực hiện ngoài không khí là làm tăng khối lƣợng phân tử và độ nhớt của sản phẩm chitosan, không làm giảm độ deacetyl.
Yếu tố quan trọng trong quá trình DA là liên tục khuấy đảo hỗn hợp phản ứng. Thực tế sử dụng cả thiết bị có bộ phận khuấy đảo và không có bộ phận khuấy đảo với các nguyên liệu polymer khác nhau. Trong trƣờng hợp sử dụng thiết bị khuấy đảo cần chú trọng đến độ đặc của hỗn hợp phản ứng, xác định bằng tỉ lệ giữa pha lỏng và pha rắn. Tỉ lệ khối lƣợng tối ƣu giữa chitin và dung dịch kiềm là 1:5 - 1:12, tỉ lệ này lựa
29
chọn phụ thuộc vào chất lƣợng chitin. Một hỗn hợp nhƣ vậy dễ dàng khuấy đảo, mà không cần sử dụng lƣợng NaOH dƣ thừa.
Chitin có cấu trúc và thành phần hóa học giống nhƣ cellulose, nên có tính chất gần giống nhau. Nhƣ đã biết, cellulose có tính hút nƣớc (sự trƣơng nở) trong các dung dịch kiềm loãng. Những tính chất tƣơng tự cũng đƣợc phát hiện ở chitin. Ví nhƣ, khi chúng ta thực hiện 12 lần đông lạnh và giá đông chitin, sau đó cho chitin vào dung dịch kiềm 15-20%, thì xảy ra sự trƣơng nở mạnh của chitin, độ tan cũng tăng. Sự trƣơng nở và hòa tan của chitin trong dung dịch kiềm ở nhiệt độ thấp là do sự giãn mạch của cấu trúc chitin, mở ra khả năng làm biến tính và thu nhận polymer với chất lƣợng đồng nhất. Các nhà khoa học đã nghiên cứu phƣơng pháp thu nhận dung dịch chitin kiềm tính bằng một chu kì đông lạnh và giá đông và sau đó tiến hành các phản ứng DA trong môi trƣờng đồng nhất [26].
Tóm lại, tất cả các phƣơng pháp DA đã biết đƣợc ứng dụng trong sản xuất chitosan ở quy mô công nghiêp đều thực hiện ở nhiệt độ cao và môi trƣờng kiềm mạnh. Ngƣời ta đã nghiên cứu phƣơng pháp DA “lạnh” [27], các phản ứng xảy ra ở nhiệt độ phòng (không thấp hơn 20-220C) sử dụng các thiết bị làm từ thép không rỉ hoặc vật liệu polymer. Nồng độ NaOH giảm xuống 30-40% với tỉ lệ chitin: dung dịch kiềm là 1:10 - 1:15. Ở điều kiện mềm nhƣ trên có thể thu đƣợc chitosan với độ nhớt và độ deacetyl cao.
b) Sấy chitosan. Nghiền và bảo quản. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sau khi deacetyl và rửa đến pH trung hòa sản phẩm chitosan có khả năng hydrat hóa mạnh, chitosan trƣơng nở chứa hơn 70% nƣớc.
30
Hình 1.7 - Máy sấy, tạo hạt loại FL
Để bảo quản chitosan cần sấy ở nhiệt độ 50-550C. Khi sấy ở nhiệt độ cao chitosan bị đóng tảng, tối màu và giảm độ hòa tan, giảm khả năng ứng dụng của chitosan. Chế độ sấy tốt nhất của chitosan thực hiện trong máy sấy sôi phân tầng ở 500C. Chitosan với khối lƣợng phân tử thấp và tan trong nƣớc thì phải sấy phun. Chitosan khô có độ ẩm 8-10% (hình 1.7).
Để ứng dụng chitosan trong y dƣợc để làm bao bọc thuốc và làm viên cần nghiền nhỏ chitosan đến kích thƣớc 100-200 mkM. Chitosan còn giữ cấu trúc tinh thể của chitin nên khó nghiền nhỏ, nên để thu đƣợc chitosan ở dạng bột cần nghiền nhỏ, sau đó cắt, mài và đập trong máy phay hay máy nghiền bi (hình 1.8).
Hình 1.8 - Thiết bị nghiền tới kích thƣớc siêu nhỏ Cage-Paktor®
Khó khăn nhất trong việc nghiền chitosan là sấy không đúng quy cách hoặc chitosan bị sừng hóa, trong những trƣờng hợp này chitosan có độ bền cao, rất khó nghiền nhỏ.
Trong quá trình bảo quản chitosan, quan sát dƣới ánh sáng thấy màu của chitosan biến đổi đến màu nâu và giảm độ hòa tan. Cho nên cần bảo quản chitosan trong bao bì kín, không cho ánh sáng đi qua (ví dụ, trong hộp, túi, bao) trong các phòng kín, khô ráo và nhiệt độ thƣờng.