Chitosan là một dạng chitin đã bị khử axetyl, nhưng khơng giống chitin nó lại tan được trong dung dịch axit. Chitin là polyme sinh học có nhiều trong thiên
nhiên chỉ đứng sau xenluloza. Cấu trúc hóa học của chitin gần giống với xenluloza. Chitin có nhiều trong các lồi giáp xác như tơm, cua, ghẹ…
Đặc tính của chitosan:
- Là polysacharide có đạm khơng độc hại, có khối lượng phân tử lớn;
- Là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ theo các kích cỡ khác nhau;
- Chitosan có màu trắng hay vàng nhạt, khơng mùi vị;
- Không tan trong nước, dung dịch kiềm và axit đậm đặc nhưng tan trong axit lỗng (pH = 6), tạo dung dịch keo trong, có khả năng tạo màng tốt, nhiệt độ nóng chảy 309 – 311 oC.
2.5.2. Nguồn sản xuất và tinh chất
Chitosan được sản xuất trong cơng nghiệp bằng phương pháp deacetyl hóa chitin, vốn là chất tạo nên cấu trúc của lớp vỏ của các loài giáp xác và thành tế bào của lồi nấm. Độ deacetyl hóa (%DD) có thể được xác định bằng phương pháp đo phổ NMR, % DD của chitosan thương mại thường dao động trong khoảng từ 60 đến 100 %. Nhìn chung, phân tử lượng của chitosan thương mại nằm trong khoảng 3800 - 20,000 Daltons. Phương pháp deacetyl hóa chitosan thơng dụng là sử dụng lượng dư dung dịch NaOH. Phương pháp này cho phép thu được sản phẩm có % DD cao đến 98 %.
Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng, chitin - chitosan chiếm khá cao dao động từ 14 – 35 % so với trọng lượng khơ. Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin – chitosan.
2.5.3. Cơ chế hoạt động của chitosan
Cơ chế chống bệnh hại của chitosan chủ yếu bao gồm: Hoạt tính trực tiếp chống lại mầm bệnh
Hoạt tính trực tiếp của chitosan trong việc kháng virut và viroid chủ yếu ở khả năng chitosan bất hoạt quá trình sinh sản của virut hoặc viroid. Nó thâm nhập vào mô tế bào cây, liên kết chặt chẽ với các acid nucleic và gây ra một loạt các thương tổn và gây ức chế lựa chọn. Ngay lập tức, ức chế có chọn lọc này có thể bất hoạt các mRNA mã hõa các gen cần cho quá trình điều trị thương tổn của vi khuẩn.
Ngược lại, các nấm, vi khuẩn, nấm trứng và các côn trùng khác, chitosan tác động thông qua cơ chế gia tăng khả năng đề kháng của cây, giúp cây tiết ra các kháng thể chống lại sự xâm nhập của chúng.
Hàng rào vật lý quanh vị trí xâm nhập mầm bệnh
Khi chitosan xâm nhập vào mô cây, thường kết dính quanh các vị trí xâm nhập và có 3 tác động chính:
Thứ nhất là lập hàng rào cách ly vị trí xâm nhập để tránh mầm bệnh lây lan và bảo vệ các tế bào khỏe mạnh khác. Tại vị trí cách ly, cây sẽ nhận biết để kích thích sự phản ứng nhạy cảm giúp tiết ra H2O2 để giúp tăng cường thành tế bào và báo động cho các tế bào bên cạnh.
Thứ hai chitosan liên kết các kim loại khác nhau và giúp kích hoạt nhanh chóng q trình làm lành vết thương.
Thứ ba chitosan có điện tích dương, vi khuẩn có điện tích âm do đó chitosan kết dính với vi khuẩn gây ra q trình rị rỉ protein và các cơ quan nội bào của vi khuẩn, khiến vi khuẩn bị tổn thương nghiêm trọng và chết.
Khả năng tạo chelate với dinh dưỡng và khống chất
Chitosan có khả năng liên kết các kim loại và khoáng (như Fe, Cu) giúp tránh mầm bệnh xâm nhập, gây ức chế quá trình sinh sản và tạo ra độc tố. Chitosan còn tạo phức với mycotoxin (độc tố do nấm tiết ra), giúp giảm tổn hại ở tế bào chủ do độc tố nấm.
Chất tăng cường làm lành vết thương
Vì khả năng bám chặt vào màng sinh học và các phân tử sinh học cùng với điện tích dương, chitosan cung cấp khả năng làm lành vết thương nhanh chóng khi có tổn hại cơ học hay mầm bệnh tấn cơng.
Vì là chất kích hoạt, chitosan hoạt hóa q trình tổng hợp và hình thành một loạt các protein PR và các protein bảo vệ trong đó có phenylalanine ammonia- lyase và peroxidase. Hai emzyme này giúp tổng hợp và xây dựng lên ma trận lignin và hình thành tyllose, những chất đóng vai trị quan trọng trong làm lành vết thương.
Kích thích cơ chế phịng thủ của cây trồng
Chitosan là chất có khả năng kích hoạt các cơ chế phòng thủ của cây. Khi sử dụng chitosan, cây trồng sẽ có một loạt biến đổi về vật lý và sinh lý học. Thay đổi vật lí là sẽ giảm khe hở khí khơng, giảm khả năng tiếp cận của nấm vào mô tế bào lá. Các tế bào bảo vệ của lá sẽ tạo ra H2O2, để phản ứng lại với sự giảm khe hở khí khổng. Nồng độ acid phenolic trong lá, đặc biệt ferulic
acid sẽ gia tăng đáng kể khi gia tăng nồng độ chitosan. Nồng độ lignin trong lá cũng sẽ tăng cao. Các tiền chất của lignin như p-courmaric, ferulic acid, sinapoc acid và phenolic acid có khả năng kháng khuẩn đều bị kích hoạt bởi chitosan. Bản thân các oligogalacturonic là sản phẩm của quá trình phân giải thành tế bào cây do enzyme pectic của vi khuẩn tiết ra do đó khiến cây tạo ra cơ chế bảo vệ Ngồi ra, chitosan là thành phần tìm thấy của nhiều loại nấm. Nên khi các olgigosaccharit giải phóng khỏi chitosan sẽ giúp kích thích cơ chế bảo vệ của cây.
2.5.4. Các nghiên cứu, ứng dụng về chitosan trong bảo quản nông sản
Tại báo cáo kết quả đánh giá hiệu lực phòng chống tuyến trùng hại cây hồ tiêu ngày 1/4/2014 của Viện BVTV (Viện Khoa học Nông nghiệp VN) đã đề cập đến một hỗn hợp chế phẩm sinh học từ chitosan gồm Jianon Chitosan Super và Indusol No4… Việc thử nghiệm hỗn hợp này đã thu được kết quả khả quan. Hiệu lực phòng trừ tuyến trùng trong đất đạt 75,1 % và trong rễ đạt 65,63 %.
Theo nghiên cứu của Trần Đức Vinh (2012), nồng độ chitosan thích hợp để bảo quản cà chua là 2 % ở cả nhiệt độ thường cũng như điều kiện bảo quản lạnh. Ở nồng độ này màng chitosan có khả năng hạn chế hô hấp của quả tốt nhất, lượng khí CO2 thốt ra ít nhất, quả sau khi bảo quản có trạng thái cảm quan tốt nhất. Và quả cần 2 lần nhúng vào dung dịch chitosan để tạo màng tốt nhất.
Bùi Thanh Trung (2013) cho thấy nhúng cà chua trong dung dịch chitosan 2 % có thể bảo quản cà chua trong 28 ngày ở nhiệt độ thường và 35 ngày ở nhiệt độ 12 - 13 oC.
Nghiên cứu của Đỗ Thị Thu Thủy chỉ ra rằng sau 30 ngày bảo quản, chanh được xử lý chitosan ở nồng độ 1,5 % có hạo hụt khối lượng tự nhiên là 2,44 % nhỏ hơn chanh được xử lý ở 1 % và 2 % và vỏ chanh có màu xanh hơn, độ cứng của quả cũng cao hơn hẳn so với 2 nồng độ cịn lại. Hàm lượng các thành phần hóa sinh là cao nhất trong 3 cơng thức, hàm lượng chất khô tổng số là 7,09 %, hàm lượng axit hữu cơ tổng số là 4,77 %, hàm lượng vitamin C 16,86 mg.
Năm 2006, Lê Văn Hòa, Đại học Cần Thơ và các cộng sự tiến hành nghiên cứu qui trình bảo quản sau thu hoạch các loại trái cây: quýt đường, bưởi Năm Roi, cam sành, cam mật và cam xoàn. Thời gian bảo quản trái quýt đường lên đến 8 tuần bằng cách bao màng Chitosan ở nồng độ 0,25 % kết hợp với bao Polyethylene (PE) đục 5 lỗ với đường kính mỗi lỗ 1 mm và ghép mí lại bằng máy ép. Sau đó, bảo quản ở nhiệt độ 12 oC. Với phương pháp này, phẩm chất bên
trong trái như: hàm lượng đường, hàm lượng vitamin C... luôn ổn định, tỷ lệ hao hụt trọng lượng thấp, màu sắc vỏ trái đồng đều và đẹp. Ngoài trái quýt đường, các nhà khoa học cũng nghiên cứu thêm quy trình bảo quản trái quýt hồng (quýt Tiều) bằng cách bảo quản trong bao PE (nhưng chỉ đục 3 lỗ, mỗi lỗ 1 mm) và bảo quản ở nhiệt độ lạnh (15 oC). qui trình này cho phép thời gian tồn trữ kéo dài đến 9 tuần.
Một nghiên cứu của G. R. Plácido et al. (2015) đã tiến hành xử lý quýt với dung dịch chitosan 2 % và bảo quản trong 30 ngày cho kết quả là quả quýt có sự thay đổi màu sắc quả ít nhất, quả giữ nguyên được hàm lượng các chất rắn hòa tan, vitamin C và nồng độ axit.
M.Y.Al-Hetar et al. (2010) cho thấy chitosan có thể kiểm sốt được 76.36
% đường kính tản nấm, 96.53 % sự sản sinh bào tử Fusarium oxysporum f. sp.
cubense Race 4 (FocR4) gây hại trên chuối ở nồng độ 8 mg/ml.
Theo các nghiên cứu về chitosan trong bảo quản rau quả cho thấy, chitosan được chiết xuất từ vỏ tơm có tác dụng giảm sự hô hấp, sự sản sinh etylen, O2 nội tại (K.A. Saputra et al. 2009).
Chanh được bảo quản bằng chitosan 1,5 % sau 30 ngày có hàm lượng các thành phần hóa sinh: chất khô tổng số 7,09 %, axit hữu cơ 4,77 %, vitamin C 16,86 mg (Đỗ Thị Thủy, 2007).
Chitosan 2 % có thể bảo quản cà chua được 28 ngày ở nhiệt độ thường và 35 ngày ở nhiệt độ 12-13 oC (Bùi Thanh Trung, 2013).
Tỉ lệ hư hỏng trong bảo quản sau 16 ngày ở nhiệt độ 20 oC và 42 ngày ở 0
oC là cao hơn so với xử lý chitosan trên quả nho, kết quả tương tự đối với đu đủ và cam quýt. Mặt khác, chitosan giúp nâng cao mẫu mã của sản phẩm xoài (Hà Thị Thúy, 2012). Sự khác nhau về mẫu mã không thể hiện ở 3 ngày đầu của thí nghiệm chỉ xuất hiện sai khác ở ngày thứ 7. Trọng lượng của quả cũng giảm đi ít hơn so với cơng thức đối chứng khơng sử dụng chitosan.
Ngồi ra chitosan cịn giúp ức chế sự sinh trưởng của các loại nấm gây hại sau thu hoạch trên cam quýt như P. digitatum, P. italicum, B. lecanidion và B.
cinerea và một số vi khuẩn Gram - , Gram + trong một thời gian ngắn.
Kết quả nghiên cứu của M. El Guilli et al. (2015) cũng cho thấy chitosan có khả năng ức chế sự phát triển của P.digitatum trong điều kiện in vitro và in vivo.
2.6. EDTA
2.6.1. Tính chất hóa học
EDTA là viết tắt của Ethylenediaminetetraacetic acid, được biết đến với tên khác như aminopolycarboxylic acid, với cơng thức hóa học C10H16N2O8. EDTA và muối của nó ở dạng tinh thể màu trắng hoặc bột, không bay hơi, tan trong nước.