Chitosan khối lượng phân tử thấp thu được bằng quá trình thủy phân chitosan bằng hydroperoxit. Tùy theo từng điều kiện, chế độ thủy phân để thu được chitosan có khối lượng phân tử khác nhau. Chitosan khối lượng phân tử thấp được cơ thể người hấp thụ gần như hoàn toàn, hoạt động sinh học và chức năng của nó gấp hàng chục lần so với chitosan thông thường. Nó được sử dụng như một tác nhân trị đái tháo đường vì nó làm tăng dung nạp glucose, bài tiết insulin và giảm chất béo trung tính.
Chitosan khối lượng phân tử thấp liên kết với chất béo dư thừa và ức chế sự hấp thụ chất béo, hỗ trợ khả năng miễn dịch, giảm lượng đường trong máu, kiểm soát huyết
áp, ngăn chặn táo bón, loại chì và các kim loại nặng ra khỏi cơ thể, tăng cường sự hấp thụ canxi, ngăn ngừa bệnh tim và giảm nồng độ acid uric trong máu.
2.2.2. Khả năng kháng khuẩn của chitosan khối lượng phân tử thấp
Một số nghiên cứu của Uchida và cộng sự (1989) cho rằng chitosan được thủy phân nhẹ bằng chitosanase có khả năng kháng khuẩn tốt hơn là chitosan ban đầu và oligome của chúng [55]. Cho và cộng sự (1998) đã báo cáo rằng hoạt tính kháng khuẩn của chitosan với E. coli và Bacillus tăng theo chiều giảm độ nhớt từ 1000 đến 10cP. Hiệu quả kháng S. aureus là tốt hơn khi sử dụng chitosan có trọng lượng phân tử thấp so với chitosan có trọng lượng phân tử cao. Trong một nghiên cứu khác với E.
coli cho thấy hiệu quả kháng khuẩn giảm khi trọng lượng phân tử tăng và thích hợp khi trọng lượng phân tử là 15kDa. Ở nồng độ 0,5% chitosan oligosaccharide có thể ức chế hoàn toàn sự phát triển của E. coli. Chitosan có trọng lượng phân tử là 40kDa ở 0,5%
có thể ức chế được 90% sự phát triển của S. aureus và E. coli và ở 180kDa có thể ức chế hoàn toàn sự phát triển của hai vi khuẩn này ở 0,05% [17]. Trong một nghiên cứu khác của Jeon và cộng sự (2001) khảng định rằng chitosan khối lượng phân tử thấp có trọng lượng phân tử lớn hơn 10kDa có hiệu quả hơn trong việc chống lại vi khuẩn gây bệnh cũng như không gây bệnh [34]. No và cộng sự (2002) đã tiến hành nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn của chitosan khối lượng phân tử cao và chitosan khối lượng phân tử thấp với trọng lượng phân tử khác nhau. Chitosan có khối lượng phân tử cao là: 1671, 1106, 746, 470, 224, và 28kDa, chitosan khối lượng phân tử thấp với khối lượng phân tử là 22, 10, 7, 4, 2 và 1kDa. Kết quả nghiên cứu cho thấy chitosan thể hiện hoạt tính kháng vi khuẩn Gram dương tốt hơn vi khuẩn Gram âm ở nồng độ chitosan 0,1%. Chitosan khối lượng phân tử cao thể hiện hoạt tính kháng khuẩn tốt hơn chitosan khối lượng phân tử thấp [43].
Kết quả cho thấy chitosan có khả năng ức chế sự phát triển của S. mutans và S.
sobrinus (P = 0,001). MIC của chitosan khối lượng phân tử cao (HMW) đối với S.
mutans và S. sobrinus là 0,62 mg/ml và MIC của chitosan khối lượng phân tử thấp (LMW) đối với S. mutans và S. sobrinus lần lượt là 0,62 mg/ml, 1,25 mg/ml. MBC của HMW chitosan đối với S. mutans và S. sobrinus lần lượt là 1,25 mg/ml và MBC
của LMW chitosan đối với S. mutans và S. sobrinus lần lượt là 1,25 và 2,5 mg/ml.
Mặt khác, chitosan của HMW hiệu quả hơn chitosan LMW. Ngoài ra, S. mutans cho thấy giá trị MIC và MBC bằng nhau cho cả hai chitosan, nhưng S. sobrinus có khả năng kháng HMW hơn LMW. Liên quan đến sự kết dinh của màng sinh học, chitosan đã ức chế sự kết dính của S. mutans và S. sobrinus và hình thành màng sinh học. Kết quả xét nghiệm ống cho thấy sự kết dính yếu và hình thành màng sinh học ở nồng độ 0,312 và 0,625 mg/ml, nhưng nồng độ 1,25 và 2,5 mg/ml của cả hai loại chitosan đều có thể ức chế hoàn toàn sự hình thành màng sinh học [9].
Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá hoạt tính kháng khuẩn in vitro của hỗn hợp chitosan khối lượng phân tử thấp (2000 - 30000Da) với mức độ khử acetyl là 91,5% so với hai mầm bệnh đường miệng đại diện là Actinobacillus Actinomycetemcomitans và Streptococcus. Nồng độ 0,1% của chitosan khối lượng phân tử thấp (có nguồn gốc từ exoskeletons của động vật giáp xác biển) đã được sử dụng để ước tính hoạt động kháng khuẩn. Khoảng 2 đơn vị hình thành một khuẩn lạc (CFU)/ml A. actinomycetemcomitans đã bị bất hoạt bởi 0,1% chitosan sau 30 phút, trong khi phơi nhiễm 120 phút làm bất hoạt khoảng 4,5 logCFU/ml của sinh vật này.
Ngược lại, mức độ bất hoạt đối với S. mutans nhỏ hơn 0,5 logCFU/ml sau khi tiếp xúc tới 120 phút [18].
Nghiên cứu của Inger và cộng sự đã chứng minh rằng chitosan có độ nhớt thấp có hoạt tính kìm khuẩn và diệt khuẩn đối với Staphylococcus epidermidis và hoạt động này phụ thuộc vào lượng chitosan được thêm vào. Ngoài ra, chitosan có độ nhớt thấp làm giảm sự hình thành màng sinh học cả khi được thêm vào môi trường và khi được phủ trên bề mặt polystyrene. Chitosan có độ nhớt thấp có cả tác dụng kìm khuẩn và diệt khuẩn đối với sự phát triển của sinh vật phù du và hình thành màng sinh học của Staphylococcus epidermidis phụ thuộc vào nồng độ chitosan. Các đĩa polystyrene được phủ chitosan làm giảm cả sự hình thành màng sinh học sớm (6 giờ) và sự hình thành màng sinh học muộn (18 giờ), được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét [33].
Tại trường Đại học Nha Trang một số công trình nghiên cứu sử dụng chitosan oligosaccharide để bảo quản thịt lợn, thịt bò, xúc xích của tác giả Trần Thị Luyến và cộng sự, (2006) đã chứng minh rằng khả năng kháng khuẩn của chitosan khối lượng phân tử thấp là đáng kể. Kết quả đã kéo dài thời gian bảo quản của các đối tượng trên.
Tác giả Lê Thị Tưởng (2007) sử dụng chitosan khối lượng phân tử thấp thu được từ quá trình thủy phân chitosan bằng enzyme hemicellulose để bảo quản sữa tươi kết quả thu được rất tốt [8].
Chitosan khối lượng phân tử thấp có nhiều ưu việt hơn chitosan khối lượng phân tử cao, tuy nhiên hiện nay ở nước ta chưa có nhiều công trình nghiên cứu sản xuất chitosan khối lượng phân tử thấp được ứng dụng trong thực tế, các công trình này mới chỉ áp dụng trong quy mô phòng thí nghiệm.
2.2.3. Khả năng chống oxy hóa của chitosan khối lượng phân tử thấp
Nghiên cứu của Nehad và cộng sự nhằm mục đích chiết xuất chitin và chitosan có tiềm năng chống vi khuẩn và chống oxy hóa mạnh mẽ. Chống ba chủng vi khuẩn Gram âm (Escherichia coli; Klebsiella pneumoniae và Pseudomonas aeruginosa) và hai vi khuẩn Gram dương (Bacillus subtilis; Micrococcus luteus). Hoạt tính chống oxy hóa của họ đã được nghiên cứu với DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) ức chế peroxid hóa axit linoleic [42].
Nghiên cứu quy trình chiết chitin tiêu chuẩn của Francisco và cộng sự thu được các sản phẩm chitosan tan trong nước thu được thông qua hai phương pháp khác nhau:
(1) N-acetyl hóa với việc bổ sung anhydrid acetic và (2) phản ứng với hydro peroxide.
Cấu trúc hóa học và trọng lượng phân tử của các dẫn xuất chitosan, chitosan tan trong nước (WSC) và chitooligosacarit (COS), được xác định bởi Fourier Trans form Infrared Spectroscopy (FT-IR) và sắc ký thẩm thấu gel (GPC). Chitooligosacarit có trọng lượng phân tử thấp (2,7, 7,4 và 10,4 kg/mol) cho thấy đặc tính chống nấm và chống oxy hóa cao nhất trong số tất cả các tính chất được thử nghiệm [26].
Mosaddiqur và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của chitosan trong điều kiện đồng ruộng đối với sự phát triển của cây dâu tây, năng suất quả và các hoạt động chống oxy hóa trong quả dâu tây. Chitosan làm tăng đáng kể sự tăng trưởng của cây và năng
suất quả (cao hơn tới 42%) so với đối chứng không được điều trị. Năng suất quả tăng là do sự tăng trưởng của cây cao hơn, trọng lượng quả riêng và tổng trọng lượng quả trên cây tăng khi sử dụng chitosan. Đáng ngạc nhiên, trái cây từ thực vật được phun chitosan có hàm lượng carotenoids, anthocyanin, flavonoid và phenolics cao hơn đáng kể so với đối chứng không được điều trị. Tổng số hoạt động chống oxy hóa trong quả của cây được xử lý bằng chitosan cũng cao hơn đáng kể (cao hơn 2 lần) (p
<0,05) so với công thức không được điều trị [41].
Nghiên cứu của Koryagin và cộng sự cho thấy, điều trị bằng chitosan có trọng lượng phân tử khoảng 105kDa, làm giảm hàm lượng huyết tương của các sản phẩm oxy hóa gốc tự do ở chuột bình thường và được điều trị cho bệnh phóng xạ tủy xương kích thích quá trình phục hồi ở tủy xương và ngoại biên máu [37].
Một loại dẫn xuất chitosan mới sở hữu coumarin đã được tổng hợp để cải thiện hoạt động chống oxy hóa của chitosan. Các đặc tính chống oxy hóa của chúng đã được thử nghiệm, bao gồm ức chế hoạt động peroxid hóa lipid, khả năng thải ion kim loại và hoạt động quét gốc tự do. Dựa trên giá trị của IC50, tính chất ức chế của các dẫn xuất chitosan được tổng hợp cho thấy sự cải thiện đáng kể so với chitosan. IC50 của sự ức chế peroxy hóa lipid, khử sắt và hydroxyl (OH) là 0,11/0,13, 0,02/0,04, và 0,09/0,14 mg/ml tương ứng.Kết quả nghiên cứu của Qing và cộng sự đã chứng minh rằng sự kết hợp giữa chitosan và coumarin đã cải thiện hoạt động chống oxy hóa của chitosan rừ ràng, và cỏc chất chống oxy húa hoặc chất tẩy gốc tự do dựa trờn cỏc polyme và coumarin tự nhiên cho thấy các ứng dụng tiềm năng [46].
Trong nghiên cứu của Giuseppina và cộng sự cho thấy, tính hiệu quả của lớp phủ chitosan trong bảo quản hóa lý (giảm cân, hàm lượng chất rắn hòa tan và tính axit chuẩn độ) và các đặc tính hóa học (tổng hợp polyphenol, anthocyanin, flavonoid, axit ascorbic, khả năng chống oxy hóa) củaquả sung tươi. Trái sung được xử lý bằng 1% chitosan và 1% axit ascorbic, được bảo quản ở 40C trong chín ngày và lấy mẫu ba ngày một lần. Lớp phủ dựa trên chitosan giúp giảm đáng kể việc giảm cân và thay đổi chất lượng, cải thiện tổng lượng polyphenol, anthocyanin, flavonoid và hoạt tính chống oxy hóa trong suốt quá trình lưu trữ. Hoạt động chất chống oxy hạn chế sự hóa
oxy hóa nhằm ngăn chặn sự hình thành màu nâu ở quả sung khi được phủ chitosan [28].
2.2.4. Ứng dụng chitosan khối lượng phân tử thấp trong bảo quản
Nghiên cứu ở nhiệt độ thường, trứng gà tươi bọc màng chitosan khối lượng phân tử thấp nồng độ 1,5% có bổ sung 0,05% Sodium Benzoate hoặc 1% Sorbitol có khả năng duy trì hạng chất lượng ở mức A đến 15 - 20 ngày sau khi đẻ. Trong khi đó, trứng gà tươi không qua bọc màng chỉ duy trì hạng chất lượng ở mức A không quá 5 ngày, đồng thời các chỉ tiêu chất lượng khác (hao hụt khối lượng, chỉ số màu lòng đỏ trứng) đều có biến đổi lớn hơn so với trứng có xử lý màng bọc chitosan [2].
Nghiên cứu của Lê Thị Minh Thúy và Trương Thị Mộng Thu (2011) đã sử dụng chitosan khối lượng phân tử thấp để bảo quản cá Tra fillet đông lạnh thay thế cho hợp chất polyphosphat. Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng dung dịch chitosan 0,5% trong thời gian 25 để làm giảm đáng kể sự thay đổi chất lượng cá Tra fillet đông lạnh như hao hụt khối lượng, hàm lượng protein, hàm lượng lipid, đặc tính cảm quan và khả năng kháng khuẩn trong suốt 6 tháng bảo quản [6].
Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nồng độ hạt nano chitosan và chitosan khác nhau như lớp phủ ăn được trong việc kéo dài thời hạn sử dụng và duy trì chất lượng của quả chuối. Chuối được xử lý với các hạt nano 1,15% chitosan, 1,25% chitosan và chitosan sau đó bảo quản ở nhiệt độ môi trường (25 ± 1°C). Thời hạn sử dụng của chuối, hàm lượng tinh bột, giảm cân, tỷ lệ bột và vỏ, tổng chất rắn hòa tan, hình thái bề mặt của vỏ chuối và đánh giá cảm quan đã được phân tích. Kết quả cho thấy ứng dụng của hạt nano chitosan và chitosan có thể kéo dài thời hạn sử dụng và duy trì chất lượng của quả chuối [40].
Nguyễn Đức Tuân và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng màng chitosan trong bảo quản quả bưởi Đoan Hùng (Citrus grandis Osbeck) sau thu hoạch. Quả bưởi được xử lý dung dịch chitosan nồng độ từ 1 - 2,5%, sau đó đưa vào thùng carton đục lỗ bảo quản ở nhiệt độ phòng (trung bình 200C). Kết quả nghiên cứu cho thấy: nồng độ chitosan từ 1 - 2,5% có tác dụng giảm đáng kể sự biến đổi chất lượng của quả trong suốt quá trình bảo quản. Bảo quản quả bưởi tươi với nồng độ chitosan 1,5% cho tỷ lệ
hao hụt khối lượng tự nhiên của quả thấp nhất, hàm lượng vitamin C cao nhất, các chỉ tiêu sinh hóa khác của quả ít có sự thay đổi so với các công thức thí nghiệm trong đề tài. Với nồng độ dung dịch chitosan 1,5% có thể bảo quản quả bưởi Đoan Hùng trong vòng 90 ngày vẫn cho chất lượng tốt [7].