Chitosan là một dẫn xuất của chitin. Trong tự nhiên, chất chitosan rất hiếm và chỉ có ở màng tế bào nấm mốc thuộc họ Zygemycecesvà ở vài loài côn trùng như thành bụng của các mối chúa, ở một vài loại tảo. Ngoài ra nó có nhiều trong vỏ động vật giáp xác tôm, cua, ghẹ và mai mực.
Chitosan có tên hoá học: β-(1,4)-2-amino-2-deoxy-D-glucopyranose, Chitosan có cấu trúc tuyến tính từ các đơn vị β-D glucosanmin liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4 Glucozit [8].
Hình 1.3. Công thức cấu tạo của chitosan
Công thức phân tử: [C6H11O4N]n
Phân tử lượng: Mchitosan = (161,07)n
Một số tính chất cơ bản của chitosan:
Chitosan là một chất rắn, xốp, nhẹ, không độc, có hoạt tính sinh học tự nhiên (Kim, Park, Yang, & Hanm, 2001). Ở dạng bột, chitosan có màu trắng ngà, ở dạng vảy có màu trắng trong hay màu hơi vàng. Chitosan có tính kiềm nhẹ, không hoà tan trong nước, trong kiềm nhưng hoà tan trong axit axetic loãng sẽ tạo thành một dung dịch keo nhớt trong suốt [36]. Khi hoà tan trong dung dịch axit axetic loãng chitosan sẽ tạo thành dung dịch keo dương, nhờ đó mà keo chitosan không bị kết tủa khi có mặt của một số ion kim loại nặng như: Pb2+, Hg2+,…
Chitosan phản ứng với axit đậm đặc tạo muối khó tan, tác dụng với Iốt trong môi trường H2SO4cho phản ứng lên màu tím. Đây là phản ứng dùng trong phân tích định tính chitosan.
Nhiều nghiên cứu đã cho thấy, hoạt tính sinh học của chitosan và các oligomer của chúng được chi phối bởi gốc mang điện tích dương của chitosan, chitosan được coi như là một polycationic (pH<6,5), có khả năng bám dính trên bề mặt có điện tích âm như protein, aminopolysaccharide (alginate), axit béo và phospholipid nhờ sự có mặt của nhóm amino (NH2) [7],[22].
Chitosan có tính kháng nấm, kháng khuẩn cao, có tính chất cơ học tốt, có tính hoà hợp sinh học cao với cơ thể và có thể tự phân huỷ sinh học và chitosan có khả năng tạo màng, tăng độ nhớt nhờ vào sựhyđrat hoá. Màng bao chitosan có khả
năng chống lại oxy hoá, tiêu diệt vi sinh vật và là màng ngăn chặn sự xâm nhập của oxy rất tốt (Jeon et al., 2002) [36].
Gần đây, có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào chitin, chitosan và các oligomer của chúng. Các nguyên liệu này có các tính chất và chức năng quan trọng, có ứng dụng đến nhiều lĩnh vực như ngành thực phẩm, công nghiệp y dược, nuôi trồng và bảo vệ môi trường đặc biệt chitosan được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực y dược và thực phẩm (Jeon,f Shahdi, & Kim, 2000) [24], [33].
Trong nông nghiệp: chitosan được sử dụng để bọc các hạt giống nhằm mục đích ngăn ngừa sự tấn công của nấm trong đất, đồng thời nó còn có tác dụng cố định phân bón, thuốc trừ sâu, tăng cường khả năng nẩy mầm của hạt [17]. Ngày nay, chitosan còn được dùng làm nguyên liệu bổ sung vào thức ăn cho tôm, cá, cua để kích thích sinh trưởng và làm thức ăn tăng trưởng cho gà, không độc hại.
Trong công nghệ xử lý nước thải: nhờ khả năng làm đông tụ các thể rắn lơ lửng giàu protein và khả năng kết dính tốt các ion kim loại như Pb, Hg,... do đó chitosan được sử dụng để tẩy lọc nguồn nước thải công nghiệp từ các nhà máy chế biến thực phẩm [18].
Trong hoá mỹ phẩm: chitosan được sử dụng để sản xuất kem giữ ẩm chống khô da do tính chất của chitosan là có thể cố định dễ dàng trên biểu bì của da nhờ các nhóm NH4+. Các nhóm này liên kết với tế bào sừng hoá của da, nhờ vậy mà các nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng chitosan làm các loại kem dưỡng da chống nắng bằng cách ngăn các chất lọc tia cực tím với các nhóm NH4+ [9], [30].
Trong công nghiệp dệt: dung dịch chitosan có thể thay hồ tinh bột để hồ vải. Nó có tác dụng làm sợi tơ bền, mịn, bóng đẹp, cố định hình in, chịu được acid và kiềm nhẹ. Chitosan có thểkết hợp với một số thành phần khác để sản xuất vải chịu nhiệt, vải chống thấm.
Trong công nghiệp giấy: do cấu trúc tương tự cellulose nên chitosan được nghiên cứu bổ sung vào làm nguyên liệu sản xuất giấy. Chitosan làm tăng độ bền dai của giấy, đồng thời việc in trên giấy cũng tốt hơn [9].
Trong công nghệ thực phẩm
Chính vì tính không độc, an toàn với thực phẩm, có hoạt tính sinh học tự nhiên mà chitosan được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm với vai trò như một tác nhân tách chiết, tác nhân làm trong và là thành phần cho chế độ người ăn kiêng.
Ngoài ra, do có tính diệt khuẩn và khả năng tạo màng mỏng mà chitosan được ứng dụng để bao gói thực phẩm chống ẩm, chống mốc, chống mất nước trong quá trình làm lạnh đông và bảo quản thực phẩm. Trong đó, nhiều kết quả nghiên cứu đã được công bố trên thế giới về khảnăng kết hợp của chitosan với các loại vật liệu tạo màng khác nhau để tạo ra các màng bao cũng như khả năng kéo dài thời gian bảo quản của nhiều đối tượng rau quả, thịt, nước quả, thuỷ sản [9],[23].
Chitosan được sử dụng như một polymer trong sản xuất agarose từ agar có chất lượng kém.
Chitosan có tính tẩy màu mà không hấp thụ mùi và các thành phần khác nên được ứng dụng vào việc khử màu nước uống đặc biệt là đồ nước uống trái cây.
Trong y học
Do khả năng kháng khuẩn và tạo màng nên chitosan được ứng dụng phối hợp với một số thành phần phụ liệu khác để tạo da nhân tạo chống nhiễm khuẩn và cầm máu [7],[10].
Các nhà khoa học thuộc Khoa Dược - Đại học Y Dược TP. Hồ Chí Minh đã bước đầu nghiên cứu thành công thuốc trị viêm loét dạ dày, tá tràng từ chitosan [9],[36].
Hiện nay, nước ta cũng đã chế tạo được màng chữa tổn thương về da có tên là Vinachitin do các ngành khoa học thuộc Viện Hoá học - Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia cùng các bác sĩ Trường Đại học Y khoa Hà Nội - Bộ y tế phối hợp nghiên cứu. Màng vinachitin được dùng để chữa các vết thương ở diện rộng và tương đối sâu. Chúng có khả năng hoà hợp sinh học rất cao và thúc đẩy việc gắn liền vết thương, bị phân huỷ sau hai tuần. Nó có tác dụng bảo vệ,
chống nhiễm trùng, chống mất nước, tăng khả năng tái tạo da và đặc biệt khi vết thương lành không để lại sẹo [8].
Bộ môn Dược lý Trường đại học Y Hà Nội đã nghiên cứu ứng dụng chitosan trong việc trị bỏng, kết quả cho thấy, chitosan có tác dụng tǎng sinh collagen (thông qua hàm lượng hydroxyprolin) nhanh và mạnh.
Ngoài các tác dụng trên, chitosan còn có tác dụng rất hiệu quả đến việc giảm hàm lượng LDL cholesterol trong gan và máu (Kanauchi, Deuchi,Imasato, Shizukuishi, & Kobayashi, 1995) [36].
Ở Việt Nam, Viện Hoá học các hợp chất thiên nhiên – Trung tâm Khoa học Tự nhiên & Công nghệ Quốc gia, Học viện Quân y - Bộ Quốc phòng, Khoa hoá - Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã nghiên cứu và cho thấy N,N,N-Trimethylchitosan (TMC) có tác dụng hạ cholesterol toàn phần trong máu. Các tác giả cho rằng, tác dụng hạ cholesterol của chitosan là do trong phân tử của nó có chứa nhóm –N+(CH3)3, các nhóm này có khả nǎng kết hợp với các Cl- của các acid béo có trong muối mật và được đào thải ra khỏi cơ thể [8],[36].
Một điều đáng mừng hơn cả là ngay tại Viện Vacxin Nha Trang, công nghệ bào chế thuốc chống béo phì và điều trị khớp từ vỏ tôm đã thành công. Một nhóm các nhà khoa học của Viện đã nghiên cứu, sản xuất ra 2 sản phẩm thuốc Chitozan chữa béo phì và Glusivac chuyên đặc trị thoái hoá khớp. Cả hai sản phẩm thuốc này đã được Bộ Y tế đánh giá rất cao và cấp phép lưu hành trên toàn quốc ngay từ đầu tháng 6 năm 2005. Sau hơn hai tháng lưu hành, đến nay thì 2 loại thuốc này đã được đông đảo người tiêu dùng đón nhận và đánh giá khá cao [8],[33].
Tác giả Lê Văn Thảo và cộng sự thuộc bệnh viện U Bướu Hà Nội đã tiến hành nghiên cứu sử dụng chế phẩm chitosan mang thuốc điều trị trên 60 bệnh nhân mắc nhiều loại ung thư. Kết quả tất cả 60 bệnh nhân đều có thể trạng chung tốt, ăn được ngủ ngon, trọng lượng cơ thể không thay đổi trước và sau điều trị. Đặc biệt giá trị bạch cầu có giảm nhưng trong giới hạn cho phép còn hồng cầu và tiểu cầu không có sự thay đổi. Đồng thời nhóm nghiên cứu cũng đã ghi nhận sự giảm cholesterol trong máu những bệnh nhân nói trên [36].
Chitosan còn được dùng trong bào chế dược phẩm. Các nhà khoa học Nguyễn Thị Ngọc Tú - Viện Hoá học, Trung tâm Khoa học và Công nghệ Quốc gia và Lê Thị Hải Yến, Trần Bình Nguyên - Công ty Dược liệu Trung Ương I hợp tác nghiên cứu tạo ra thuốc polymer .
Trong công nghệ sinh học: hiện nay, trên thế giới đã thành công trong việc sử dụng chitosan làm chất màng để cố định enzym và tế bào. Chitosan thoả mãn các yêu cầu đối với một chất mang, chúng bền vững không tan và ổn định với các yếu tố hoá học [9],[35].
1.2.2. Tình hình sản xuất và ứng dụng của chitosan trong lĩnh vực thực phẩm và bảo quản thịt lợn nguyên liệu và bảo quản thịt lợn nguyên liệu
Việc nghiên cứu về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất lý hoá ứng dụng của chitosan đã được công bố từ những năm 30 của thế kỷ XX. Những nước đã thành công trong lĩnh vực nghiên cứu sản xuất chitosan đó là: Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Pháp [7],[8].
Nhật Bản là nước đầu tiên trên thế giới năm 1973 sản xuất 20 tấn/năm. Và đến nay đã lên tới 700 tấn/năm, Mỹ sản xuất trên 300 tấn/năm. Theo Know năm 1991 thì thị trường có nhiều triển vọng của chitin, chitosan là Nhật Bản, Mỹ, Anh, Đức. Nhật được coi là nước dẫn đầu về công nghệ sản xuất và buôn bán chitin, chitosan. Người ta ước tính sản lượng chitosan sẽ đạt tới 118000 tấn/năm; trong đó Nhật, Mỹ là nước sản xuất chính [7],[8],[36].
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và sản xuất chitin, chitosan và ứng dụng của chúng trong sản xuất phục vụ đời sống là một vấn đề tương đối mới mẻ. Vào những năm 1978-1980, trường Đại học Thủy sản Nha Trang đã công bố quy trình sản xuất chitosan của tác giả Đỗ Minh Phụng mở đầu bước ngoặt quan trọng trong việc nghiên cứu, tuy nhiên chưa có ứng dụng nào thực tế trong sản xuất [8],[9].
Hiện nay nhiều cơ sở khoa học đang nghiên cứu sản xuất chitosan như: Trường Đại học Thủy sản Nha Trang, Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, Trung tâm nghiên cứu polymer - Viện khoa học Việt Nam, Viện hoá thuộc Viện khoa học Việt Nam tại Thành Phố Hồ Chí Minh, Trung tâm Công nghệ và sinh học Thủy sản - Viện nghiên cứu môi trường thuỷ sản 2,…Trong đó, các kết quả công bố
gần đây của các nhà khoa học thuộc trường Đại học Thủy sản Nha Trang đã đi sâu nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất ởbước cao hơn theo hướng giảm thiểu sử dụng hóa chất trong xử lý, ứng dụng công nghệ enzyme.
Đáng kể nhất là các công trình nghiên cứu của Trần Thị Luyến và các cộng sự đã sử dụng enzym papain, chitinase và vi khuẩn lactic trong công nghệ sản xuất chitosan. Những kết quả này đã góp phần đáp ứng yêu cầu cấp bách xử lý phế liệu tôm đông lạnh, giảm thiểu nguồn ô nhiễm môi trường ở nước ta và trước những yêu cầu cứu để nâng khắt khe hơn về chất lượng của chitin, chitosan trên thị trường đầy tiềm năng hiện nay.
Như vậy, với tính ưu việt của chitosan như khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, chống mất nước trong quá trình bảo quản, dễ rửa trôi trước khi đưa thực phẩm vào chế biến, dễ tiêu huỷ, đặc biệt dễ hoà hợp và không gây độc hại đối với người sử dụng, chitosan ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm. Với những tính chất của nó, có thể chitosan còn rất nhiều những ứng dụng tiềm ẩn mà các nhà khoa học đang nghiên cứu, khám phá. Trong lĩnh vực thực phẩm, chitosan đang được các nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm nghiên cứu và mở rộng khả năng ứng dụng của nó, cụ thể như sau:
Ngoài nước
Nghiên cứu về ứng dụng của chitosan, rất nhiều tác giả cho rằng chitosan có hoạt tính sinh học tự nhiên, không độc, được sử dụng trong thực phẩm với vai trò là một tác nhân tách chiết, tác nhân làm trong và thành phần cho chế độ người ăn kiêng (Knorr, 1991; Pinotti, Bevilacqua & Zaritzky, 1997) [36]. Ngoài ra, chitosan có khả năng hình thành màng đặc biệt để bao gói thực phẩm (Tual, Espuche, Escoubes, & Domard, 2000). Các tính chất chức năng của màng bao chitosan bao gồm: khảnăng tiêu diệt vi sinh vật, chống lại oxy hoá và là màng ngăn chặn sự xâm nhập của oxy rất tốt (Jeon et al, 2002).
Sản phẩm thuỷ sản rất nhạy cảm với sự biến đổi giảm chất lượng do sự ôxy hoá lipit của các acid béo chưa bão hoà, các axit chưa bão hoà là do sự có mặt với nồng độ cao của thành phần Hematin và các ion kim loại trong cơ thịt thuỷ sản (Decker và Hultin, 1992). Hơn nữa, chất lượng của thực phẩm thuỷ sản bị ảnh
hưởng rất lớn bởi sự tự phân giải, sự lây nhiễm và phát triển của vsv và sự mất dần chức năng của protein. Trong suốt quá trình bảo quản đông, sự ôxy hoá vẫn xảy ra và làm thay đổi màu sắc, mùi vị của cá. Màng chitosan rất quan trọng nhằm hạn chế sự vận chuyển oxy từmôi trường bảo quản đến thực phẩm [21].
Kamil và cộng sự (2002) đã nghiên cứu về hoạt tính chống ôxy hoá của chitosan ở các nồng độ khác nhau đến cơ thịt cá trích (Clupea harengus) được bảo quan ở 4oC trong 8 ngày. Tác dụng này được so sánh với các mẫu đối chứng sử dụng chất chống ôxy hoá là BHA, BHT. Các nghiên cứu tương tự của tác giả Kim và Thomas (2007) với việc sử dụng chitosan với các nồng độ (0,2%; 0,5% và 1,0%)và trọng lượng phân tử (30,90, và 120 kDa) đến việc bảo quản cá hồi [22].
Jeon and cộng sự (2002) đã nghiên cứu về ảnh hưởng của 3 độ nhớt khác nhau của chitosan là: 360, 57 và 14 cP tương ứng với trọng lượng phân tử 1800, 960 và 660 kDa đến sự kéo dài thời gian bảo quản của cá tươi fille đó là: cá tuyết đại tây dương (Gadus morhua) và cá trích (Clupea harengus) trên 12 ngày bảo quản lạnh ở nhiệt độ 4oC. Tác dụng này của chitosan được so sánh với mẫu đối chứng (không có màng bao chitosan).
Về khả năng chống lại ôxy hoá của chitosan, các tác giả trên đều cho rằng, màng bao chitosan có tác dụng giảm đáng kể đến sự ôxy hoá lipit, sự phân huỷ (nitơ bay hơi, Trimethylamin, hypoxanthin) và sự phát triển VSV trên cá. Mẫu sử dụng chitosan có hiệu quả chống ôxy hoá và giữ được chất lượng cá tốt hơn so với các mẫu đối chứng. Khả năng chống ôxy hoá của chitosan đến cơ thịt cá phụ thuộc vào trọng lượng phân tử và nồng độ chitosan. Ở nồng độ càng cao và trọng lượng phân tử thấp, chitosan có tác dụng chống oxy hóa cao hơn và ngược lại.
Về cơ chế chống oxy hoá của chitosan, Peng, Xue và tác giả khác (1998) cho rằng, các nhóm amino của phân tử chitosan có thể kìm hãm sự ôxy hoá lipit do tác động kìm hãm các ion kim loại có mặt trong cơ thể cá hoặc có sự hoá hợp lipit của chitosan, vì vậy, mới hạn chế được sự hoạt động ôxy hoá của nhóm ion kim loại. Jeon và cộng sự (2002) cho rằng, chitosan đóng vai trò như một tấm chắn chống sự xâm nhập ôxy và vi sinh vật từ môi trường bên ngoài, vì vậy, giữ cho cá được tươi lâu hơn [24],[25].
Ngoài ra, Sathivel (2005) đã nghiên cứu cho rằng, chitosan là màng bao không độc có ảnh hưởng tốt đến chất lượng của cá hồi hồng philê lột da (Oncorhynchus gorbuscha) trong suốt 3 tháng bảo quản đông. Màng chitosan đã