Lịch sử phát hiện
Cách đây hơn 180 năm, Chitin lần đầu tiên đƣợc tìm thấy bởi Braconnot vào năm 1811, khi ông thu đƣợc một chất có khả năng bền với kiềm và gọi là “Fungin” từ nấm bậc cao.
Sau đó, tên Chitin đƣợc Odier đề nghị vào 1923 khi tách đƣợc một polisaccharide từ cánh cứng của bọ da.
Ngày nay, Chitin đƣợc phát hiện ở cả động vật lẫn thực vật.
Phân bố
Chitin hiện diện ở thực vật bậc thấp. Trong thế giới thực vật, Chitin chỉ giới hạn ở loài nấm, tảo lục, địa y, noãn khuẩn.
Ở tôm, Chitin hiện diện ở dạng kết hợp với các thành phần khác.
Chitin hiện diện ở động vật bậc thấp. Chitin là thành phần cấu tạo nên xƣơng hữu cơ chính ở động vật không xƣơng sống (trùng đốt, tiết túc, nhuyễn thể, côn trùng). Đối với ngành tiết túc Chitin chỉ là một trong những thành phần cấu tạo của bộ xƣơng ngoài. Trong thiên nhiên, dạng Chitin nguyên chất chỉ tồn tại trong nang của loài mực ống Logigo.
Ở thủy sản, Chitin tồn tại rất nhiều, đặc biệt là vỏ tôm, cua, ghẹ, nang mực,… hàm lƣợng cao. Vì vậy, phần lớn Chitin đƣợc chiết xuất từ vỏ của các loài giáp xác nhất là vỏ tôm, kế đó là vỏ cua, ghẹ. Ở vỏ tôm cũng nhƣ vỏ cua, Chitin tạo phức hệ với protein và thƣờng chứa thêm một tỉ lệ lớn CaCO3.
Chitin tồn tại trong tự nhiên ở dạng tinh thể. Trong tự nhiên hiếm thấy Chitin tồn tại ở dạng tự do, nó liên kết dƣới dạng phức hợp Chitin – protein, Chitin với các hợp chất vô cơ,…Khi tồn tại nhƣ thế, Chitin có khả năng đề kháng đối với các chất
thủy phân hóa học và Enzyme, gây khó khăn cho việc tinh chế, tách chiết. Tùy thuộc vào đặc tính cơ thể và sự thay đổi từng giai đoạn sinh lý mà trong cùng một loài, ngƣời ta có thể thấy có sự thay đổi về lƣợng và chất Chitin.
Mặc dù gặp rất nhiều khó khăn trong việc chiết tách Chitin nhƣng ngƣời ta đã khẳng định về sự hiện diện của Chitin ở thực vật lẫn động vật dựa vào phép đo quang học, phân tích bằng tia X và phân cắt bởi Enzyme hay phản ứng hoá học.
Thành phần Chitin của một số phế liệu thủy sản [8]
Phế liệu Thành phần Chitin (%) Vỏ hến Vỏ ốc Vỏ cua đồng Vỏ tôm đồng Vỏ tôm biển 0,4 1,24 23,8 30,0 33,1 Cấu tạo
Chitin là một trong những polisaccharide đƣợc tìm thấy nhiều trong tự nhiên, nhiều thứ hai chỉ sau cellulose.
Chitin đƣợc cấu tạo bởi các đơn vị 2 acetamido-2 deoxy-D glucose nối với nhau bằng liên kết - 1, 4 glycoside.
Chitin đƣợc xem là dẫn xuất từ cellulose, trong đó gốc – OH ở vị trí C2 đƣợc thay thế bởi gốc acetamide NHCOCH3. Điểm giống nhau của liên kết glucoside ở Chitin và cellulose đƣợc thể hiện qua nhiệt lƣợng toả ra tƣơng đƣơng nhau vào khoảng 29 Kcal/mol.
Công thức hoá học của Chitin (C8H13NO5)n, trong đó: C = 47.29 %.
H = 6.45 %. N = 6.89 %. O = 39.37 %.
Công thức cấu tạo của Chitin
Chitin đƣợc tách ra từ nấm, giáp xác, côn trùng có cấu tạo tƣơng tự nhau.
Đặc tính lý hoá học
- Chitin có cấu tạo tinh thể bền vững, hiếm thấy ở trạng thái tự do mà thƣờng liên kết với protein bởi nối cộng hoá trị dƣới dạng Chitin - protein phức hợp.
- Chitin không tan trong alcol, trong dung dịch acide và kiềm loãng hay đậm đặc, và các dung môi thông thƣờng.
- Chitin có thể tan trong H2SO4 đậm đặc, H3PO4 78–97% và acide formide khan.
- Trong dung dịch HCl, Chitin có độ triền quang thay đổi từ -140 đến +560. Sự thay đổi này chứng tỏ có sự thủy giải Chitin.
- Độ phân tán của dung dịch keo Chitin trong các dung dịch muối trung tính ngậm nƣớc tƣơng đối cao.
- Chitin hấp thụ tia hồng ngoại ở bƣớc sóng = 884-990 cm-1.
- Trong môi trƣờng kiềm đun nóng Chitin sẽ bị khử một số nhóm Acetyl ra khỏi mạch polymer tạo thành dẫn xuất Chitosan.
Một vài tính chất quan trọng của Chitin thƣơng phẩm [8]
Các chỉ tiêu kỹ thuật Chitin
Kích thƣớc 2 – 5 mm Độ ẩm < 10%
Tro < 2%
Protein < 3%
Mùi Không mùi
Màu Trắng
2.3.3. Sự tổng hợp Chitin ở loài giáp xác
Billard quan sát trên loài giáp xác Decapoda cho biết sự tổng hợp của Chitin theo sau giai đoạn lột xác. Glycogen đƣợc sử dụng hoàn toàn và tích tụ khi lớp vỏ
mới đƣợc hình thành. Sự tổng hợp Chitin ở giáp xác liên quan đến việc sử dụng glycogen và nó phải chuyển sang dạng đơn giản hơn là D-glucose.
Sự tổng hợp và phân hủy Chitin ở giáp xác rất tích cực vì phần lớn lớp vỏ bị tiêu hủy chỉ đƣợc hình thành lại sau mỗi lần lột xác. Trong giai đoạn này sự thiếu thức ăn làm vỏ mỏng hơn cho thấy khả năng sử dụng Chitin nhƣ một chất biến dƣỡng và dự trữ.
2.3.4. Ứng dụng của Chitin
Từ những năm 30 của thế kỷ này, việc nghiên cứu về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất hoá lý và ứng dụng của Chitin đã đƣợc công bố. Cho đến nay, Chitin đƣợc đƣa vào ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, cả lĩnh vực công nghệ sinh học và đạt hiệu quả cao.
Trong công nghiệp nhẹ
- Trong công nghệ làm giấy, Chitin là một thành phần phụ gia rất tốt, đặc biệt cho giấy cao cấp.
- Chitin đƣợc dùng để sản xuất vải, bao, dây điện và dụng cụ bảo hộ lao động do có khả năng chống nƣớc, lửa và chịu nắng.
Trong công nghệ làm sạch môi trƣờng
Chitin dùng để xử lý nƣớc thải công nghiệp, có khả năng tạo phức chất với những kim loại nặng, độc hại; dùng để lọc nƣớc sạch cho tiêu dùng.
Trong công nghiệp thực phẩm
- Chitin dùng để bảo quản thực phẩm, rau quả, ngăn cản sự phá huỷ của nấm mốc và vi sinh vật.
- Khi sử dụng Chitin chất lƣợng nƣớc quả tốt hơn so với khi sử dụng các chất khác nhƣ: silicasol, gelatin,…
- Chitin đƣợc sử dụng trong thực phẩm chế biến để thu hồi lƣợng protein hao hụt. - Chitin đƣợc dùng làm phụ gia thực phẩm với tác dụng làm đặc và chuyển thành sữa.
Trong y tế
+Ngành dƣợc
Chitin có tác dụng ngăn chặn khả năng sinh sản và sự tồn tại đặc trƣng của loài
Anophelles stephensi. Hợp chất Chitin-protein có khả năng diệt đƣợc giun sán mà không độc đối với cơ thể.
+Ngành y
- Từ Chitin sản xuất ra Chitosan có thể dùng sản xuất chỉ khâu phẩu thuật mà không cần phải cắt chỉ.
- Vì đƣợc chiết xuất từ phế liệu tôm, từ Chitin tạo Chitosan là nguồn nguyên liệu thiên nhiên sơ cấp để tạo ra glucosamine. Glucosamine, thƣờng kết hợp với chondroitin sulfate để điều trị bệnh viêm khớp xƣơng mãn tính, một bệnh phổ biến trên thế giới.
- Chitosan đƣợc phát hiện có tác dụng tăng cƣờng vận chuyển thuốc qua các bề mặt biểu mô và vì vậy có thể sử dụng Chitosan kết hợp với thuốc để giúp chúng thu hút về các vị trí nhƣ niêm mạc mũi. Chitosan có thể mở các liên kết tế bào biểu mô nhờ đó cho phép thuốc đi qua. Tác dụng này có thể đƣợc sử dụng để đƣa thuốc vào cơ thể bằng cách xông qua mũi thay vì phải tiêm.
- Kết hợp với máu, Chitosan có tác dụng làm đông máu. Vì vậy, sử dụng Chitosan để băng bó vết thƣơng. Chitosan còn có đặc tính kháng khuẩn, ngƣời ta hi vọng dùng băng chứa Chitosan để băng vết thƣơng giảm tỷ lệ nhiễm trùng.
- Chitosan có tác dụng vận chuyển gen không có virut. Các dẫn xuất của Chitosan không độc và có hiệu quả tạo ra gen, nhất là các tế bào ung thƣ vú. Những đặc tính này rất đáng quan tâm, vì một ngày nào đó các dẫn xuất Chitosan có thể đƣợc dùng để tạo ra gen trong điều trị chống ung thƣ, cũng nhƣ các dạng thuốc khác.
Trong mỹ phẩm
Chitin dùng làm các chất phụ gia, kem bôi mặt, thuốc mềm da, tăng khả năng hoà tan sinh học giữa kem thuốc và da, chế tạo thuốc định hình tóc, kem bôi da, lột mặt.
Trong nông nghiệp
+Trong trồng trọt
- Làm phân bón cho cây trồng, là chất kiểm soát sự phân li hơi chất hoá học nông nghiệp.
- Chitin là thành phần chính trong thuốc phòng trừ sâu bệnh, dùng làm thuốc kích thích tăng trƣởng cho cây trồng.
- Làm tăng độ nảy mầm hạt và tạo diệp lục tố trên lá, tăng khả năng tăng rễ, thúc đẩy quá trình ra hoa kết quả.
Chitin dùng làm thức ăn tăng trọng cho gia súc, gia cầm, kìm hãm bệnh tiêu chảy ở gà thịt.
Trong công nghiệp chế biến gỗ: làm tăng độ bền của gỗ.
Trong công nghệ điện tử và bán dẫn: làm màng bọc lót các linh kiện. Trong công nghệ sinh học: dùng để cố định Enzyme và các tế bào sinh vật.
Một số ứng dụng khác: Chitin bị sulfate hoá hoàn toàn, đƣợc dùng làm chất kết dính trong kem đánh răng, keo…
2.3.5. Tình hình nghiên cứu Chitin trên thế giới và ở Việt Nam [2] 2.3.5.1. Tình hình nghiên cứu, sản xuất và tiêu thụ Chitin trên thế giới 2.3.5.1. Tình hình nghiên cứu, sản xuất và tiêu thụ Chitin trên thế giới
Năm 1971, Allan và cộng sự đã dùng Chitosan để kết tủa agaropectin trong agar và chiết agarose. Somchai đã báo cáo kết quả dùng Chitosan để làm giảm phần tử điện tích âm trong agaropectin và có thể nhận đƣợc agar tinh khiết hoặc agarose.
Năm 1972, hãng Kyowa Oid and Fat của Nhật lần đầu tiên đƣa vào sản xuất công nghiệp Chitin.
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 rất có lợi nếu sử dụng trong công nghiệp, phần Chitin thu đƣợc, đƣợc dùng sản xuất ra các dẫn xuất có nhiều ứng dụng khác nhau.
Sản lƣợng Chitin 1990 trên thế giới là 1200 tấn. Nƣớc sử dụng hàng đầu là Nhật (600 tấn/năm) và Mỹ (400 tấn/năm). Ngoài ra nhƣ Trung Quốc, Ấn Độ, Pháp cũng đang triển khai thêm các cơ sở sản xuất ở qui mô 50 kg Chitin/ngày với giá bán ra là 200-300 France/kg. Ở Mỹ, hàng năm tổng giá trị về các chế phẩm Chitin-Chitosan sử dụng là 355 triệu USD, trong đó 190 triệu thuộc ngành y tế, sau đó nông nghiệp (54 triệu) và mỹ phẩm (50 triệu). Theo FAO, nhu cầu Chitin-Chitosan có thể lên tới 36700 tấn/năm trong thập kỷ tới.
(Nguyễn Văn Khoa, 1994)
Các phòng thí nghiệm của Malaysia và công nghiệp làm ngọt nƣớc biển đã thành lập công ty liên doanh Seafresh Chitosan để khai thác khả năng cung cấp thƣơng phẩm các chất thƣơng phẩm các chất dẫn xuất của tôm. Công ty này đặc biệt quan tâm với Chitin và polisaccharide từ vỏ tôm thải bỏ và hƣớng hoạt động chính vào các thị trƣờng xuất khẩu.
Theo tiến sĩ Arisol Alimuniar - giám đốc kỹ thuật, ông hy vọng sản xuất khoảng 150-180 triệu sản phẩm Chitin-Chitosan /năm góp phần cùng các nƣớc sản xuất chính khác nhƣ Nhật Bản, Mỹ, Na Uy, Canada và Nga. Giá cả của các loại sản phẩm Chitin-Chitosan biến động từ 30 USD đến 400 USD/kg tuỳ thuộc vào chất lƣợng sản phẩm, lƣợng bán Chitin và Chitosan đạt khoảng 2 tỷ USD.
(Nguyễn Đổng, 1994)
Nhiều nƣớc nhƣ Nhật, Mỹ, Anh, Hội Chitin thuộc cộng đồng Châu Âu “ECCHIS” đã và đang nghiên cứu một cách có hệ thống và đề cập nhiều nội dung khoa học trong đó có việc ứng dụng Chitin nhƣ một chất hấp phụ trao đổi ion để tinh chế nƣớc giải khát.
Hiện nay, có khoảng 10 công ty lớn, hầu hết ở Nhật, sản xuất Chitin – chitosan trên thế giới. Công ty Protan biopolymer, một trong những công ty lớn trên thế giới sản xuất Chitin – Chitosan đã nghiên cứu ra nhiều sản phẩm có nguồn gốc Chitin sử dụng để xử lý nƣớc, khử các ion kim loại độc, bọc hạt và nhiều ứng dụng khác trong nông nghiệp.
Ngày nay, ngƣời ta tập trung vào các dẫn xuất của Chitin và khả năng ứng dụng của những dẫn xuất này. Toàn bộ quá trình hoạt động khoa học của R.A.A. Muzzarelli (Đại Học Y Khoa Ancona – Ý) tập trung vào Chitin và dẫn xuất của nó.
Cho đến nay, trên thế giới đã có nhiều quy trình sản xuất Chitin – Chitosan, với nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, nhƣng chủ yếu là vỏ tôm, cua, ghẹ.
2.3.5.2. Tình hình nghiên cứu Chitin ở Việt Nam
Việc nghiên cứu, sản xuất Chitin – Chitosan và các ứng dụng của chúng trong sản xuất, phục vụ đời sống là một vấn đề tƣơng đối mới ở nƣớc ta.
Năm 1978, trƣờng Đại Học Thủy Sản bắt đầu nghiên cứu chiết tách Chitin – Chitosan.
Trƣớc yêu cầu xử lý phế liệu thủy sản ngày càng cấp bách, trƣớc những thông tin khoa học, kỹ thuật mới về Chitin – Chitosan, cũng nhƣ tiềm năng thị trƣờng của chúng, đã thúc đẩy các nhà khoa học nƣớc ta bắt tay vào nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất Chitin – Chitosan ở bƣớc cao hơn, đồng thời nghiên cứu các ứng dụng của chúng ở các lĩnh vức khác nhau.
Gần đây, khi Chitin – Chitosan trở thành nhu cầu trong nhiều ngành công nghiệp và có gía trị thì rất nhiều cơ quan nghiên cứu nhƣ: trƣờng Đại Học Nông Lâm TP.
HCM, Đại Học Tổng Hợp TP. HCM, Đại Học Thủy Sản, Đại Học Cần Thơ,… đã tập trung vào nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng công nghệ này. Tuy nhiên, chất lƣợng sản xuất và những ứng dụng của nó chƣa đƣợc đánh giá đầy đủ.
Ở phía Bắc, Viện Khoa Học Việt Nam đã kết hợp với Xí Nghiệp Thủy Đặc Sản Hà Nội sản xuất Chitosan và ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp và có hiệu quả bƣớc đầu.
Ở phía Nam, Trung Tâm Công Nghệ và Sinh Học Thủy Sản phối hợp với một số cơ quan khác nhƣ: Đại Học Y Dƣợc TP. HCM, Phân Viện Khoa Học Việt Nam, Viện Khoa Học Nông Nghiệp Miền Nam đã và đang nghiêu cứu, sản xuất và ứng dụng Chitin – Chitosan trong các lĩnh vực: nông nghiệp, y dƣợc và mỹ phẩm.
2.3.6. Các phƣơng pháp chiết tách Chitin
Sơ đồ chung cho quá trình sản xuất Chitin
Nguyên liệu Khử khoáng Khử protein
Tẩy màu Chitin
Nguyên liệu dùng trong sản xuất Chitin có thể sử dụng vỏ tôm, cua, ghẹ, nang mực,…
Nguyên liệu có thể sử dụng nguyên liệu khô hoặc tƣơi. Tuy nhiên, việc sử dụng nguyên liệu khác nhau sẽ xử lý ở chế độ khác nhau.
Chitin đã đƣợc tách chiết từ vỏ tôm từ hơn một thế kỉ nay, nhƣng cho đến nay việc tách chiết này vẫn đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp hóa học là chính.
2.3.6.1. Phƣơng pháp hóa học
Quy tắc chung: loại bỏ tạp chất (protein, khoáng, lipid) từ vỏ tôm.
Ưu điểm: nhanh, dễ thực hiện
Nhược điểm:
- Tốn nhiều hóa chất - Gây ô nhiễm môi trƣờng
- Chất lƣợng sản phẩm lại không cao. Chế phẩm Chitin nhận đƣợc thƣờng có màu vàng do tác động của các hóa chất đƣợc sử dụng trong quy trình tách chiết (đều ở nồng độ cao).
Bên cạnh đó, trong phƣơng pháp này, quá trình khử protein đƣợc thực hiện bằng NaOH:
+ NaOH ảnh hƣởng đến độ nhớt của Chitosan, cụ thể hơn là NaOH cắt mạch polysaccharide của Chitin, làm giảm độ nhớt của Chitosan xảy ra trong quá trình deacetyl hoá.
+ Dịch thủy phân protein sẽ loại bỏ do lẫn kiềm đồng thời acid amin của thủy phân không còn giá trị đích thực của chúng.
Phƣơng pháp của Heckman
Vỏ tôm tƣơi Rửa sạch Sấy khô ở 1000C Nghiền thành bột
Ngâm trong HCl 2N trong 48 giờ (có lắc hoặc khuấy liên tục)
Ly tâm
Trung hòa bằng dung dịch NaOH ở 1000C trong 12 giờ Tách cặn
Rửa, ly tâm theo thứ tự: nƣớc, ethanol, ether Làm khô
Nghiền tinh Bột Chitin có màu kem
Phƣơng pháp của Samuer P. Meyers và Keuns. Lee
Vỏ tôm tƣơi Rửa sạch và làm khô
Xay nhuyễn, sàng
Tách protein: NaOH 3,5%, 2 giờ, 650 C Lọc, rửa sạch
Tách vô cơ: HCl 1N, 30 phút, nhiệt độ phòng Lọc, rửa sạch
Tẩy màu bằng Aceton Rửa sạch, làm khô ở 600C, 6 giờ
Chitin
Phƣơng pháp của Trƣờng Đại học Thủy sản (Nha Trang)
Vỏ tôm tƣơi
Rửa sạch Phơi khô
Ngâm vỏ tôm trong HCl 5% ở nhiệt độ phòng, 48 giờ