CHƯƠNG 1: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU
1.2. Cơ sở lý thuyết về Chitosan
1.2.5. Tính chất vật lý của Chitosan
Chitin và chitosan là những polymer sinh học có khối lượng phân tử lớn.
Chitin có hình thái tự nhiên ở dạng rắn. Màu của vỏ giáp xác hình thành từ hợp chất của chitin (dẫn xuất của 4-xeton và 4,4’ di xeton-ò-carotene).
Còn chitosan là chất rắn vô định hình, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ thành các kích cỡ khác nhau.
Chitosan có thể tan trong Ordimethylactamine (DMA) có chứa 8% lithium choloride hoặc axit hữu cơ như acetic acid, citric acid, chlohydrite acid, không tan trong nước, xút, cồn hoặc các dung môi hữu cơ khác.
18
Bột chitosan có dạng hơi sệt trong tự nhiên và màu sắc của nó biến đổi từ vàng nhạt đến trắng.
Giống như cellulose, chitosan là chất xơ, nhưng không giống chất xơ thực vật, chitosan có khả năng tạo màng, có các tính chất của cấu trúc quang học…
Chitosan có khả năng tích điện dương do đó nó có khả năng kết hợp với những chất tích điện âm như chất béo, lipid và acid mật...
Chitosan là chất có độ nhớt cao. Độ nhớt của chitosan phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mức độ deacetyl hóa, khối lượng nguyên tử, nồng độ dung dịch, độ mạnh của lực ion, pH và nhiệt độ...
Tỷ trọng của chitin từ tôm và cua thường là 0,06 và 0,17 g/ml, điều này cho thấy chitin từ tôm xốp hơn từ cua, từ nhuyễn thể xốp hơn từ cua 2,6 lần. Tỷ trọng của chitin
và chitosan từ giáp xác rất cao (0,39g/cm3), nó phụ thuộc vào phương pháp chế biến, ngoài ra, mức độ deacetyl hóa cũng làm tăng tỷ trọng của chúng.
Khối lượng phân tử (Moledule weight – Mw)
Vì chitosan là một polyme tạo thành từ chuỗi các nhóm D-glucosamine (đường), nên tổng chiều dài của phân tử là đặc tính cực kỳ quan trọng. Do đó, khối lượng phân
tử là đặc điểm quan trọng trong việc ứng dụng của chitosan. Khối lượng phân tử của chitin trong tự nhiên rất cao, hàng triệu Daltons.
Tuy nhiên, phản ứng hóa học điều chế chitosan có xu hướng phá vỡ nên khối lượng phân tử của chitosan chỉ còn khoảng từ 100 kDa đến 1200 kDa. Nếu phản ứng khử acetylic diễn ra trong môi trường trơ thì có thể giữ lại chuỗi phân tử. Mặt khác, khối lượng phân tử thấp có thể do quá trình enzym hoặc các phương pháp hóa học khác. Khối lượng phân tử càng nhỏ thì chitosan càng dễ hòa tan trong nước mà không cần
có acid. Đây là một tiện ích cho việc sử dụng Chitosan trong công nghệ mỹ phẩm và dược phẩm khi pH dao động khoảng 7,0.
Khối lượng phân tử phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu thô và quá trình tiền điều chế chitin. Chitosan ảnh hưởng bởi các quá trình khử như quá trình khử polyme các gốc tự
do, quá trình thủy phân có xúc tác của kiềm, acid hay enzym. Khối lượng của chitosan còn bị ảnh hưởng bởi quá trình khử protein trong chiết tách chitin.
Khối lượng phân tử có thể đo bằng máy xác định độ thẫm thấu, phán tán ánh sáng hoặc
đo độ nhớt. Trong đó, phương pháp đo độ nhớt là đơn giản nhất nên đây là phương
19
pháp được sử dụng phổ biến, mặc dù nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố : nồng độ, nhiệt
độ, lực hút ion, pH, tính acid.
Mức độ khử acetylic (Degree of acetylication – DA)
Vì Chitosan được tạo thành do quá trình khử acetylic của chitin nên mức độ khử acetylic đương nhiên sẽ ảnh hưởng đến đặc tính của chitosan. Mức độ khử acetylic được tính dựa trên tỷ lệ giữa các liên kết mono trong đó acid acetylic bị loại bỏ với nhóm amino tự do (khi hòa tan vào dung dịch acid yếu) trong phân tử polymer. Mức
độ khử acetylic khoảng từ 70 – 100% tuỳ theo công nghệ sản xuất.
Thông số này rất quan trọng vì nó cho biết khả năng trao đổi cation của phân tử sau khi hòa tan trong dung dịch acid yếu. Độ khử acetylic ảnh hưởng đến độ hòa tan, khả năng phân hủy sinh học, khả năng kháng khuẩn của sản phẩm.
Có 5 yếu tố ảnh hưởng đến độ khử acetylic: Nồng độ kiềm, nhiệt độ phản ứng, thời gian lưu, kích thước hạt và quá trình tiền xử lý chitin.
Có nhiều phương pháp đo mức độ khử acetylic như quang phổ hồng ngoại và UV, chuẩn độ acid-base, cộng hưởng từ tính, hấp thụ màu,… Vì không có một chuẩn nhất định nào nên số lượng phụ thuộc vào các công nghệ sản xuất khác nhau. Phương pháp cộng hưởng từ tính có độ chính xác cao hơn, tuy nhiên giá thành mắc nên người ta thường sử dụng phương pháp chuẩn độ hoặc hấp thu màu, hai phương pháp này cho kết quả nhanh và đơn giản.
Độ tinh khiết
Độ tinh khiết của sản phẩm là đặc tính quan trọng để đánh giá giá trị của sản phẩm (đặc biệt đối với lĩnh vực sinh học và mỹ phẩm). Độ tinh khiết phụ thuộc vào lượng tro, protein, độ hòa tan, cũng như chỉ tiêu sinh học (vi khuẩn, men mốc, nội độc tố). Ngay cả trong các lĩnh vực cần giá trị chitosan thấp như xử lý nước thải mà độ tinh khiết cũng đóng vai trò quan trọng vì độ tro và protein có khả năng hạn chế mức độ hoạt hóa của các nhóm amine.
Độ nhớt (Viscosity)
Độ nhớt của dung dịch chitosan phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : độ khử acetylic, khối lượng phân tử, nồng độ, độ bền của ion, pH, nhiệt độ.
Độ nhớt là yếu tố quan trọng trong việc xác định lĩnh vực ứng dụng của chitosan. Hơn nữa, độ nhớt của Chitosan ảnh hưởng rất lớn đến khả năng kháng khuẩn của
20
chitosan. Khả năng kháng khuẩn E.Coli, Bacillus sp càng tăng khi độ nhớt giảm từ
1000 đến 10 cP.
Khối lượng phân tử chitosan càng cao thì độ nhớt càng cao.
Nhiều nghiên cứu cho thấy độ nhớt của chitosan ảnh hưởng đến các xử lý lý hóa học. Cụ thể khi tăng các nhân tố như thời gian nghiền, nung, khử trùng bằng nồi hấp, sóng siêu âm, ozone. Độ nhớt giảm từ 248 còn 32 cP khi tăng thời gian tách protein từ
0 đến 30 phút.
Độ màu (Color)
Màu của chitin và chitosan do sắc tố carotenoid. Thành phần chính của carotenoid trong các lớp vỏ loài giáp xác là astaxanthin. Carotenoid kết hợp mạnh với phân tử chitin và cũng liên quan đến lớp biểu mô của xương. Mức độ carotenoid trong loài giáp xác rất thấp và phụ thuộc vào chất màu có trong chế độ ăn, kích thước sinh vật, độ trưởng thành, gien.độ trung bình của sắc tố trong vỏ tôm hùm ở Louisiana (1989), tôm
và cua khoảng 108, 147 và 139 ppm.
Khả năng tạo phức
Chitosan có khả năng tạo phức với kim loại. Trong thời gian gần đây, khi chitin và chitosan được quan tâm nghiên cứu nhiều thì người ta cũng phát hiện ra những tính chất phối hợp đặc biệt như cường độ co giãn cao, có hoạt tính sinh học và có khả năng phân hủy sinh học cao của chitosan.
Trong môi trường axit, chitosan là chất điện ly cao phân tử có mật độ nhóm NH3+ cao, điều này làm chitosan linh hoạt hơn chitin. Những vật liệu mang điện tích âm như protein, anion polysacrit, axit nucleic sẽ tương tác và dính chặt vào chitosan.
Chitosan có khả năng kết hợp với các ion kim loại bằng cách hấp thụ vào vòng chelat, trao đổi ion hoặc bằng liên kết phối trí, mức độ quan trọng của các quá trình này là khác nhau đối với mỗi kim loại. Cho nên chitosasn là một polyme rất đặc trưng
để hấp thụ kim loại nặng, các sản phẩm nhuộm, các sắc tố, các hợp chất hữu cơ,...
Tính chất kháng khuẩn
Nhiều nghiên cứu cho thấy chitosan hiệu quả trong việc ngăn cản sự phát triển của
vi khuẩn. Khả năng kháng khuẩn của chitosan phụ thuộc vào khối lượng phân tử, nồng
độ, loại vi khuẩn, độ nhớt.
0,1% Chitosan có khả năng diệt khuẩn hiệu quả đối với những vi khuẩn gram dương (Listeria monocytogenes, Bacillus megaterium, B. cereus, Staphylococcus aureus,
21
Lactobacillus plantarum, L. brevis, and L. bulgaris) hơn trên vi khuẩn gram
âm (E.coli, Pseudomonas fluorescens, Salmonella typhymurium, and Vibrio
parahaemolyticus).
0.1% chitosan có khối lượng 746 KDa rất hiệu quả trong việc kháng E.coli. Ngoài ra, Chitosan có khối lượng phân tử 40 kDa có khả năng ngăn cản vi khẩn S.aureus và E.coli ở nồng độ 0.5%