Tổng quan về Chitosan

5. Cấu trúc luận văn

1.3.2. Tổng quan về Chitosan

a. Khái niệm Chitosan

Chitosan là một polysaccarit mạch thẳng, là polyme sinh học trong tự nhiên không độc, có khả năng tự phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường.

Chitosan là một chất rắn xốp nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ thành các kích cỡ khác nhau. Trong nhiều năm qua, các polyme có nguồn gốc từ chitin, đặc biệt là chitosan đã được chú ý như một loại vật liệu mới có ứng dụng trong các ngành công nghiệp như dược, y học, thực phẩm và xử lý nước thải.

Chitosan được xem như những phối tử kim loại thông minh, hình thành phức bền với một vài ion kim loại vì cả hai đều có khả năng hấp phụ kim loại. Do đặc tính của nhóm amino tự do trong cấu trúc chitosan được tạo thành khi đeaxetyl hóa chitin, các phức chelat của nó làm cho khả năng hấp phụ kim loại của chitosan tăng gấp 5 đến 6 lần so với chitin [11].

Chitosan hòa tan trong nước là sản phẩm biến tính của chitosan được tạo ra bằng biến đổi hóa, lý, sinh học… bằng việc phân cắt mạch trên cấu trúc chitosan, làm nó trở nên hòa tan dễ dàng trong nước, cũng như nâng cao hoạt tính sinh học của chitosan.

b. Cấu trúc hóa học Chitosan

Chitosan được cấu tạo từ mắt xích D-glucosamin liên kết với nhau bởi các liên kết β-(1-4)- glicozit, do vậy chitosan có thể gọi là poly β-(1-4)-2- deoxi-D-glucose hoặc là poly β-(1-4)-D- glucosamin.

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của Chitosan

Tên gọi: Poly (1-4)-2-deoxi-β-D-glucose Công thức phân tử: (C6H11O4N)n

Phân tử lượng: MChitosan = (161,07)n

Chitosan hòa tan trong nưxi-βWSC) là msan hòa tan trong nưxi-β-D- glucoseoxi-D-glucose hoi-β-D-glucoβ-(1-4)-D- glucosamin.)- glicozit, dchitosan.

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của chitosan hòa tan trong nước

Công thức phân tử: : (C6H11O4N)n với n = 0 ÷ 6

c. Các tính chất của chitosan

Chitosan có màu trắng ngà hoặc vàng, tồn tại dạng bột hoặc vảy, không mùi, không vị, nhiệt độ nóng chảy 309 - 311ºC.

WSC dạng bột có màu trắng hoặc hơi vàng, không mùi, vị đặc biệt.

 Độ đeaxetyl hóa

Độ đeaxetyl hóa là một đặc trưng quan trọng của quá trình sản xuất chitosan bởi vì nó ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và khả năng ứng dụng của chitosan sau này. Độ đeaxetyl hóa của chitosan vào khoảng 56- 99% (nhìn chung là 80%) [11].

 Độ nhớt

Độ nhớt là một nhân tố quan trọng để xác định khối lượng phân tử của chitosan. Chitosan phân tử lượng cao thường thì cho dung dịch có độ nhớt cao. WSC có độ nhớt thấp hơn do phân tử lượng nhỏ hơn.

 Trọng lượng phân tử

Chitosan là polyme sinh học có khối lượng phân tử cao. Khối lượng chitin thường lớn hơn 1 triệu Dalton trong khi các sản phẩm chitosan thương phẩm có khối lượng khoảng 100.000 – 1.200.000 Dalton. Chính điều này làm ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của nó [4]. Riêng WSC có phân tử lượng nhỏ và dễ kết tinh.

 Tính tan

Chitin tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ, trong khi đó chitosan tan trong các dung dịch axit pH dưới 6,0. Các axit hữu cơ như axetic, fomic, lactic thường được sử dụng để hòa tan chitosan, tạo dung dịch keo nhớt loãng. Thường sử dụng nhất là dung dịch chitosan 1% tại pH 4,0. Chitosan cũng tan trong dung dịch HCl 1% nhưng không tan trong H2SO4 và H3PO4. Ngoài ra, WSC có khả năng tan tốt trong nước.

 Tỷ trọng

Trong một nghiên cứu cho thấy tỷ trọng của chitin và chitosan từ giáp xác rất cao (0,39 g/cm3). Mức độ đeaxetyl cũng làm tăng tỷ trọng của chitosan [11].

 Khả năng kết hợp với nước và khả năng kết hợp với chất béo

Sự hấp thụ nước của chitosan lớn hơn rất nhiều so với xenlulozơ hay chitin. Khả năng hấp thụ chất béo của chitin và chitosan trong khoảng 31- 70%, Chitosan có khả năng thấp hơn rất nhiều so với chitin [11].

 Khả năng tạo màng

Chitosan còn có khả năng tạo màng. Màng chitosan được sử dụng nhiều trong bảo quản thực phẩm. Màng chitosan khá dai, khó xé rách, có độ bền tương đương với một số chất dẻo vẫn được dùng làm bao gói [11].

 Một số phản ứng của chitosan

 Các phản ứng của nhóm – OH

Phản ứng của nhóm – OH có thể tạo ra các dẫn xuất:  Dẫn xuất sunfat

 Dẫn xuất O-axyl của chitin/chitosan

 Dẫn xuất O-tosyl hóa chitin/chitosan

 Phản ứng ở vị trí N

 Phản ứng N-acetyl hóa chitosan

 Dẫn xuất N-glycochitosan (N-hydroxyl-etylchitosan)

 Các phản ứng xảy ra tại vị trí O,N

 Dẫn xuất O, N-cacboxymetylchitosan

 Dẫn xuất N,O- cacboxymetylchitosan

 Phản ứng cắt đứt liên kết β-(1-4) glycosit

Vì vậy, chúng có tính chất hoạt động sinh học cao như: tăng sức đề kháng, điều hòa lượng cholesterol, cải thiện thiếu máu, bệnh gan, điều hòa huyết áp trong máu, làm tăng khả năng hấp thụ canxi, thúc đẩy quá trình bài tiết axit uric, chống ung thư máu [4].

d. Phương pháp điều chế chitosan hòa tan trong nước

Để thu nhận WSC, hiện nay có 3 phương pháp chủ yếu:

 Phương pháp hóa học

Đây là phương pháp khá đơn giản, sử dụng axit clohidric (6-12N) để thủy phân trong khoảng nhiệt độ từ 80-100ºC. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chi phí dành cho thiết bị cao do phải có thiết bị chống ăn mòn axit, gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt hiệu suất thu hồi WSC thấp.

Ngoài ra, để tạo WSC, người ta có thể sử dụng hydro peoxit (H2O2) - là một tác nhân hóa học có khả năng oxi hóa cao, có tác dụng cắt mạch polysacarit hiệu quả. Ưu điểm của phương pháp này là dễ thực hiện, hiệu suất thu hồi WSC cao.

 Phương pháp phóng xạ

Bức xạ gamma tăng cường độ đeaxetyl hóa và giảm bớt trọng lượng phân từ của chitosan. Quá trình đeaxetyl hóa kiềm mạnh trọng lượng phân từ của chitosan giảm từ 890kDa đến 380kDa (bức xạ 50kGy) và 200kDa (bức xạ 75kGy). Điều chế WSC được thực hiện bởi axit clohidric và xenlulozơ N.A.Dzung (2001).

Để thủy phân Chitosan có thể sử dụng nhiều loại enzym như Chitosanase, cellulose, glucanase. Phương pháp này được sử dụng khá rộng rãi hiện nay (Muraki, 1993, Aiba, 2002). Phương pháp này có nhiều ưu điểm như hiể thủy phân Chitosan có thể sử dụng nhiều loại enzym như Chitosanase, cellulose, glucannhiệt độ thấp, pH ôn hòa nên chi phí thiết bị thấp, không gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chi phí dành cho enzym khá cao.

e. Ứng dụng của Chitosan và WSC

 Trong nông nghiệp

Trong nông nghiệp, chitosan được sử dụng để tăng cường sự hoạt động của các vi sinh vật có lợi trong đất, bọc các hạt giống nhằm mục đích ngăn ngừa sự tấn công của nấm trong đất và tăng cường khả năng nảy mầm của hạt, giảm stress cho cây, kích thích sinh trưởng và tăng năng suất thu hoạch. Đặc biệt, chitosan có đóng vai trò là chất kích thích hệ miễn dịch của cây và sự hoạt động của enzyme chitinase.

Viện khoa học nông nghệp miền Nam và Trung tâm công nghệ sinh học thủy sản đã nghiên cứu tác dụng của chitosan đối với các hạt giống dễ mất khả năng nẩy mầm và góp phần thúc đẩy khả năng sinh trưởng của cây con. Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể kéo dài thời gian sống và duy trì khả năng nẩy mầm của hạt cà chua và đậu côve sau thời gian bảo quản là 9÷12 tháng ở điều kiện bình thường, hạt sinh trưởng và phát triển tốt.

Qua nghiên cứu ảnh hưởng của chitosan và các nguyên tố vi lượng lên một số chỉ tiêu sinh lý, sinh hóa của lúa mạ ở nhiệt độ thấp, kết quả cho thấy chitosan vi lượng làm tăng hàm lượng diệp lục và hàm lượng nitơ tổng số, đồng thời hàm lượng các enzyme như amylase, catalase hay peroxidase cũng tăng lên. Ngoài ra, trong nông nghiệp còn sử dụng chitosan để bảo quản thực

phẩm, trái cây, do dịch keo chitosan có tác dụng chống mốc, chống sự phá hủy của một số nấm men, vi sinh vật gram âm trên các loại hoa quả.

Ngoài ra, chitosan còn được làm nguyên liệu bổ sung vào thành phần thức ăn cho động vật thủy sản, giúp kích thích tăng trưởng tốt [2].

WSC ảnh hưởng tích cực đến sinh trưởng của rau cải, đậu cove và một số rau khác, có tác dụng tăng năng suất, tăng khả năng kháng bệnh, hạn chế việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, góp phần bảo vệ môi trường và thực hiện chương trình rau sạch, rau an toàn.

WSC ảnh hưởng tích cực đến sinh trưởng và năng suất của ngô. Với nồng độ phun thích hợp là 40 ppm, số lần phun là 3 lần/vụ, liều lượng phun là 300 l/ha, năng suất sau khi sử dụng tăng 20% so với đối chứng (theo nghiên cứu của Đại học Nông nghiệp I Hà Nội).

 Trong y học

Chitosan và WSC có đặc tính miễn dịch do nó kích thích các tế bào giữ nhiệm vụ bảo vệ miễn dịch với các tế bào khối u và các tác nhân gây bệnh. WSC được sử dụng làm thuốc giảm cholesterol trong máu. Khoa Dược của trường Đại học Y Dược thành phố Hồ Chí Minh đã bước đầu nghiên cứu thành công thuốc trị viêm loét dạ dày, tá tràng từ chitosan.

Nhật Bản đã sản xuất các sản phẩm, hàng hóa cho người ăn kiêng có chứa chitosan để làm giảm cholesterol, theo các nhà khoa học thì tác dụng hạ cholesterol của N,N,N-Trimetyl chitosan là do trong phân tử của nó có chứa nhóm –N+ (CH3), các nhóm này có khả năng kết hợp với Cl- của các axit béo có trong muối mật và được đào thải ra khỏi cơ thể.

Do có khả năng kháng khuẩn và tạo nên màng chitosan phối hợp với một số phụ gia khác được ứng dụng để chế tạo da nhân tạo, chống nhiễm khuẩn và cầm máu [17].

Trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm, chitosan được sử dụng làm chất tạo màng, chất tạo dính, viên nang, làm tá dược độn hay các chất mang sinh học dẫn thuốc ... Trên thế giới, việc ứng dụng chitosan trong công nghệ sản xuất thuốc rất phổ biến. Tác dụng của chitosan là bao bọc tá dược hay cố định thuốc để kéo dài thời gian sử dụng thuốc, cũng như tránh các tác dụng phụ của thuốc.

Nhìn chung, chitosan có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong y học. Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu các ứng dụng khác của chiotsan như: tác động kích thích miễn dịch, chống sự phát triển của khối u, thuốc giảm cholesterol, thuốc chữa bệnh viêm loét dạ dày, tá tràng...

WSC và các chế phẩm của nó có đặc tính miễn dịch do nó kích thích các tế bào giữ nhiệm vụ bảo vệ miễn dịch với các tế bào khối u và các tác nhân gây bệnh. Đồng thời WSC còn được sử dụng làm thuốc để hạ cholesterol trong máu.

 Trong công nghiệp

 Trong công nghiệp thực phẩm

Chitosan là một polyme tự nhiên không độc và rất an toàn đối với thực phẩm, cùng với những tính chất khá đặc biệt như kháng khuẩn, chống ẩm, tạo màng, có khả năng hấp thụ màu tốt, hấp phụ một số kim loại nặng … nên chitosan được nghiên cứu ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất và bảo quản thực phẩm.

Sử dụng màng Chitosan bao bọc thực phẩm để kéo dài thời gian bảo quản và cải thiện chất lượng thực phẩm tươi, thực phẩm cấp đông đã được thử nghiệm suốt những năm qua. Những lớp màng ngoài này ngoài tính năng diệt khuẩn, nó còn là công cụ cần thiết để kiểm soát những sự thay đổi về sinh lý, hình thái, lý hóa ở các sản phẩm thực phẩm [2].

Chitosan có độ chống thấm cao đối với các chất như chất béo và dầu, kiểm soát nhiệt độ, củng cố cấu trúc thực phẩm và giữ mùi. Màng chitosan dai, bền, dẻo và rất khó rách.

Chitosan dùng để lọc trong các loại nước ép hoa quả, rượu bia, nước ngọt và có thể lọc các nguồn nước thải công nghiệp từ các nhà máy chế biến thực phẩm nhờ khả năng làm đông có thể lơ lửng, rắn giàu protein trong nước thải của quá trình chế biến thịt, rau cải và công nghệ chế biến tôm, cá.

Các sản phẩm thịt rất dễ bị mất mùi và ôi do sự oxy hóa của các thành phần lipit không bão hòa. Hiệu quả xử lý của chitosan để ổn định các chất oxy hóa trên thịt bò đã được Darmadji và Izumimoto nghiên cứu, họ quan sát thấy rằng sử dụng chitosan nồng độ 1% làm giảm 2-thiobarbi-turic axit đến 70% sau 3 ngày bảo quản ở 4ºC.

Năm 1983, Tổ chức quản lý dược phẩm và thực phẩm Mỹ (USFDA) đã chấp nhận chitosan được dùng làm chất phụ gia trong thực phẩm và dược phẩm. Chitosan tạo màng mỏng bao gói bảo quản thực phẩm, ngoài ra chúng còn dùng để khử màu các sản phẩm màu như dầu cá, nước mắm xuất khẩu.

WSC có phân tử lượng thấp, tan được trong nước, có khả năng kháng khuẩn cao nên hiện nay WSC đang được chú ý đến để ứng dụng vào các ngành công nghiệp. Năm 2005, Hoàng Ngọc Anh đã nghiên cứu về oligoglucosamin để bảo quản thịt heo. Năm 2006, có công trình nghiên cứu của Trần Thị Luyến và cộng sự dùng oligoglucosamin làm chất bảo quản xúc xích gà surimi. Năm 2009, Trần Thị Luyến và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của Chitosan, WSC đến một số vi sinh vật gây bệnh trên cá bảo quản bằng nước.

 Trong công nghệ sinh học

Trong lĩnh vực công nghệ sinh học, chitosan là một chất mang phù hợp cho sự cố định enzyme tế bào. Enzyme cố định tế bào là một chất xúc tác sinh

học hoạt động trong một không gian linh hoạt. Enzyme cố định đã cho phép mở ra việc sử dụng rộng rãi enzyme trong công nghiệp, y học, khoa học phân tích... enzyme cố định được sử dụng lâu dài, không cần thay đổi chất xúc tác, nhất là trong công nghệ làm sạch nước, làm trong nước quả. Sử dụng enzyme cố định rất thuận lợi và đạt hiệu quả cao.

Đặc điểm quan trọng của các nguyên liệu được sử dụng làm chất mang enzyme là diện tích bề mặt rộng trên một đơn vị thế tích hay trọng lượng, không bị phân giải, không tan, bền vững với các yếu tố hóa học, giá rẻ, dễ kiếm. Trong các loại polyme, chitosan thỏa mãn các yêu cầu trên, chúng bền vững, không tan, ổn định với các yếu tố hóa học.

Phương pháp cố định enzyme bao gồm: enzyme được dính trên chất mang bằng liên kết hấp thụ hay liên kết tĩnh điện ( liên kết ion), hoặc liên kết vùi trong lưới gel liên kết ngang (crosslinking). Enzyme được cố định trong chitosan bằng liên kết hấp phụ hay liên kết ngang qua chất trung gian như: glutaradehit, hoặc có khi enzyme bị vùi trong lớp lưới gel tạo thành liên kết ngang giữa Chitosan và glutaradehit.

Qua nhiều nghiên cứu cho thấy, chitosan có các đặc điểm sau:

 Chitosan là nguyên liệu linh hoạt, dẻo. Nó có thể dùng để cố định enzyme bằng liên kết hấp phụ đơn giản, bằng hấp phụ dạng lưới hay bằng liên kết ion qua nhân tố chức năng trung gian hoặc ở dạng thể lồng nhốt.

 Sự liên kết ion NH3+ của chitosan với các ion âm tự do trên enzyme là các nhân tố hình thành liên kết hấp phụ và liên kết ion.

 Hiệu suất cố định theo phương pháp hấp phụ có khuynh hướng cao hơn theo phương pháp ion, cho phép thực hiện trong điều kiện êm dịu.

 Khi so sánh với các chất mang khác, chitosan có khả năng chất chứa từ 10÷30 mg protein /gam chitosan.

Do cấu trúc của chitosan tương tự xenlulozơ nên người ta bổ sung chitosan vào nguyên liệu làm giấy, chúng giúp giấy có độ bền dai, đồng thời chất lượng in trên giấy cũng tốt hơn. Ngoài ra, chitosan còn được ứng dụng để sản xuất giấy chịu nhiệt, giấy hoa dán tường [17].

 Trong công nghiệp dệt

Chitosan được dùng để hồ vải, cố định hình in hoa, màu sắc. Ưu điểm là làm cho vải hoa, tơ sợi bền màu, bền sợi, chịu được cọ sát, mặt ngoài thì ánh