I. TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA
1.5.1. Tổng quan về chitosan và ứng dụng
1. Cấu trúc và tính chất của chitosan
Chitin-Chitosan là polyme h ữu cơ phổ biến trong thiên nhiên, chúng chỉ đứng sau cellulose và được tạo ran trung bình 20g trong 1 năm/1m2 bề mặt trái đất. Trong thiên nhiên chitin t ồn tại cả ở động vật và thực vật.
Trong giới động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng của vỏ một số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn. Trong giới thực vật chitin có ở thành tế bào của nấm Zygemycethers và một số tảo
Chaorphiciae.
Trong động vật thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm l ượng chitin chiếm hàm lượng khá cao, từ 14-35% so với trọng lượng khô. Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất chitin-chitosan và các sản phẩm từ chúng.
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 Zygemyceces và ở vài loài côn trùng nh ư 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. Vì vậy vỏ tôm cua ghẹ là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất chitin-chitosan và dẫn xuất của chúng.
Cấu tạo hoá học của chitosan t ương tự với cellulose, chỉ khác một nhóm chức ở vị trí C2 của mỗi đơn vị D-glucose (thay nhóm hydroxyl ở cellulose bằng nhóm amino ở chitosan), nhưng tính chất của chúng lại khác nhau.
Tên hoá học của chitosan là: Poly --(1,4)-D-glucosamin, hay còn g ọi là poly--(1,4)-2-amino-2-deoxy-D-glucose.
Công thức cấu tạo:
Công thức phân tử: (C6H11O4N)n Phân tử lượng: Mchitosan =(161,07)n
Tuy nhiên trên thực tế thường có mắt xích chitin đan xen trong mạch cao phân tử chitosan (khoảng 10%). Vì vậy công thức chính xác của chitosan được thể hiện như sau[12]:
Trong đó tỷ lệ
n m
phụ thuộc vào mức độ deacetyl hóa. Chitosan có những tính chất cơ bản sau:
- Chitosan là một chất rắn, xốp, nhẹ, ở dạng bột có màu trắng ngà, ở dạng vảy có màu trắng trong hay màu h ơi vàng. Chitosan thương m ại ít nhất phải có mức DD (degree of deacetylation) hơn 70% và tr ọng lượng phân tử gần 100.000 - 1200.000 Dalton ( Li, 1997 - Onsoyen và Skaugrud, 1990).
O O O O O CH2OH OH OH CH2OH NH2 n NHCOCH3 m O O CH2OH OH NH2 O O OH CH2OH NH2 O O OH CH2OH NH2
- Chitosan có tính kiềm nhẹ, không hoà tan trong n ước, trong kiềm nhưng hoà tan trong acid acetic loãng s ẽ tạo thành một dung dịch keo nhớt trong suốt. Chitosan khi hoà tan trong dung d ịch acid acetic loãng sẽ tạo thành dung dịch keo dương, nhờ đó mà keo chitosan không b ị kết tủa khi có mặt của một số ion kim loại nặng như: Pb3+, Hg+,…
- Chitosan phản ứng với acid đậm đặc tạo muối khó tan.
- Chitosan tác dụng với Iốt trong môi tr ường H2SO4 cho phản ứng lên màu tím. Đây là phản ứng dùng trong phân tích định tính chitosan.
- Chitosan là một polymer mang điện tích dương nên được xem là một polycationic (pH<6,5), có kh ả năng bám dính trên bề mặt có điện tích âm như protein, aminopolysaccharide (alginate), acid béo và phospholipid nh ờ sự có mặt của nhóm amino (NH2) (Knorr, 1984, Muzzanelli, 1996).
- Chitosan có tính kháng n ấm, kháng khuẩn cao.
- Trên mỗi mắc xích của phân tử chitosan có ba nhóm chức, các nhóm chức này có khả năng kết hợp với chất khác tạo ra các dẫn xuất có lợi khác nhau của chitosan (O-acetylchitosan, N-acetylchitosan, N-phatylchitosan).
- Chitosan có tính chất cơ học tốt, không độc, dễ tạo màng, có thể tự phân huỷ sinh học, có tính hoà hợp sinh học cao với c ơ thể.
2. Tình hình nghiên cứu và sản xuất chitosan
Việc nghiên cứu về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất lý hoá ứng dụng của chitosan đã được công bố từ những n ăm 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.
Nhật Bản là nước đầu tiên trên thế giới n ăm 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.
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 ở nước ta.
Vào những năm 1978-1980, trường Đại học Thủy sản Nha Trang đã công bố qui trình sản xuất chitosan của tác giả Đỗ Minh Phụng đã mở đầu bước ngoặt quan trọng trong việc nghiên cứu, tuy nhiên ch ưa có ứng dụng nào thực tế trong sản xuất.
Hiện nay nhiều cơ sở khoa học đang nghiên cứu sản xuất chitosan nh ư: các trường Đại học Thủy sản Nha Trang, Nông Lâm Thành ph ố 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 qui trình sản xuất ở bước cao hơn theo hướng giảm thiểu sử dụng hóa chất trong xử lý, ứng dụng công nghệ enzyme[13],[14],[15],[16],[17],[21]…. Những kết đó đã góp phần đáp ứng yêu cầu cấp bách xử lý phế liệu của tôm đông lạnh và trước những yêu cầu khắc khe hơn về chất lượng của chitin, chitosan trên thị trường đầy tiềm năng hiện nay.
3. Khái quát ứng dụng của chitosan
Chitin không có công d ụng gì đáng kể khi ở nguyên dạng, tuy nhiên khi chuyển sang các dẫn xuất nh ư: glucosamin và chitosan ... nó lại được ứng dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, có thể k ể tới ứng dụng của nó trong một số lĩnh vực chủ yếu sau :
-Trong nông nghiệp
Dung dịch chitosan có khả năng tạo màng mỏng, dùng để bọc các hạt giống nhằm ngăn sự tấn công của nấm, vi khuẩn. Thực tế vùng th ường bị nấm tấn công là hệ rễ, nếu dùng chitosan b ao bọc thì năng suất tăng 20%. Chitosan đư ợc 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, t ăng cường khả năng nẩy mầm của hạt.
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.
Olygoglucozamin ảnh hưởng đến sinh trưởng của rau cải, đậu cove và 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 tr ường và thực hiện ch ương trình rau sạch, rau an toàn.
Chế phẩm olygogluzamin có ảnh h ưởng tích cực đến sinh trưởng và năng suất của Ngô. Với nồng độ phun thích hợp là 40ppm, số lần phun là 3 lần/vụ, liều lượng phun là 300l/ha, n ăng suất tăng 20% so với đối chứng (theo nghiên cứu của Đại học Nông Nghiệp I Hà Nội).
Qua nghiên cứu ảnh hưởng của chitosan và các nguyên tố vi l ượng lên một số chỉ tiêu sinh lý, sinh hóa của lúa mạ, ở nhiệ t độ thấp kết quả cho thấy chitosan vi lượng làm tăng hàm lượng diệp lục và hàm l ượng Nitơ tổng số, đồng thời hàm lượng các enzym như amylase cactalase hay peroxidase cũng tăng lên. Ngoài ra trong nông nghiệp còn sử dụng chitosan để bảo quản thực phẩm, trá i cây, do dịch keo chitosan (keo dương) có tác d ụng chống mốc, chống sự phân hủy của một số nấm men, vi sinh vật gram âm lên các loại thực phẩm.
Chitosan còn được dùng làm thức ăn tăng trưởng cho gà, vịt. Khi thêm 10% chitin vào thức ăn của gà, vịt sẽ làm gà, vịt thêm khỏe mạnh, phát triển.
Đặc tính diệt khuẩn của chitosan thể hiện trên các mặt sau :
Lấy đi từ các vi sinh vật này các ion quan trọng nh ư Cu2+. Như vậy vi sinh vật sẽ chết do thiếu ion quan trọng này (muzzarelli,1977).
Ngăn chặn và phá hoại chức năng màng tế bào vi sinh vật Gây ra sự rò rỉ các phần tử bên trong màng tế bào vi sinh vật
Gây ra sự tổ hợp polyelectrolyte với polyme mang tính acid trên bề mặt tế bào vi khuẩn.
Như vậy, dùng chitosan kéo dài thời gian bảo quản của thực phẩm, làm giảm quá trình hư hỏng do khả năng kháng nấm, kháng khuẩn của nó.
-Trong y học
Đây là ứng dụng quan trọng nhất, mang lại hiệu quả kinh tế cao của chitosan, đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm.
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.
Hiện nay, nước ta cũng đã chế tạo được màng chữa tổn thương về da có tên làVinachitin do các ngành khoa học thuộc Viện Hoá học - Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia cùng các bác sĩ Tr ường 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 n ước, tăng khả năng tái tạo da và đặc biệt khi vết thương lành không để lại sẹo[6].
Viện Hoá học các hợp chất thiên nhiên - Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Học viên Quân y - Bộ Quốc phòng và Khoa hoá, Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội phối hợp cùng nghiên tác dụng hạ cholesterol trong máu c ủa N,N,N-Trimethylchitosan (TMC). Theo tác gi ả tác dụng hạ cholesterol của TMC là do trong phân tử của nó có chứa nhóm –N+(CH3)3, các nhóm này có khả năng kết hợp với Cl- của acid béo có trong muối mật và được đào thải ra khỏi cơ thể[5].
Tác giả Lê Văn Thảo và cộng sự thuộc bệnh viện U B ướu Hà Nội đã tiến hành nghiên cứu sử dụng chế phẩm chitosa n 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 l ượng cơ thể không thay đổi trước và sau điều trị. Đặc biệt giá trị bạch cầu có giảm nh ưng 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.
Hoá trị và xạ trị là hai trong số các ph ương pháp quan trọng nhất trong điều trị ung thư. Tuy nhiên, nhược điểm của các liệu pháp này là làm giảm l ượng hồng
cầu, bạch cầu trong cơ thể dẫn tới sự suy sụp thể trạng của bệnh nhân. Các bác sĩ bệnh viện U Bướu Hà Nội vừa cho biết, chế phẩm chitosan có thể giảm thiểu tối đa các tác dụng phụ này. Và đưa ra kiến nghị sử dụng nó để hổ trợ điều trị bệnh ung thư bằng hoá trị và xạ trị.
Chitosan cũng được ứng dụng trong việc điều trị viêm loét dạ dày. N ăm 1983, Marshall và Warren phát hi ện một loại vi khuẩn hiện diện trong niêm mạc dạ dày có tên làHelicobacter pylori có mối liên hệ với bệnh viêm loét dạ dày - tá tràng. Vì vậy mà vấn đề diệt trừ H.pylori là một liệu pháp quan trọng trong điều trị viêm loét. Tuy số lượng thuốc dùng trong điều trị có khá nhiều, đa dạng và có nhiều tiến bộ trong điều trị nhưng việc nghiên cứu tìm ra thuốc mới, đặc biệt từ các hợp chất thiên nhiên nhằm khắc phục các tác dụng phụ do thuốc là hoá chất tổng hợp vẫn được đặt ra. Chitosan là hợp chất được điều chế từ nguồn thiên nhiên, chúng được ghi nhận có tính bảo vệ niêm mạc. Đặc biệt ở nước ta chitosan cũng đã được nghiên cứu về tác dụng kháng khuẩn đối với chủng vi khuẩn H.pylori với kết quả khả quan[7].
Ngoài ra, chitosan còn được dùng trong bào chế d ược 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.
Các nhà khoa học thuộc Khoa Dược - Đại học Y Dược TP. Hồ Chí Minh nghiên cứu một dẫn chất của chitosan ứng dụng trong kỹ thuật bao phim thuốc[3].
-Trong công nghiệp giấy
Chitosan là phụ gia tốt cho giấy vì nó có khả n ăng làm bền, chỉ cần thêm 1% so với trọng lượng của giấy thì sẽ làm t ăng độ bền cho giấy khi ẩm ướt và tăng độ nét khi giấy được đem đi in. Do cấu trúc tương tự cellulose nên chitosan được nghiên cứu bổ sung vào làm nguyên liệu sản xuất giấy. Chitosan làm t ăng độ bền dai của giấy, đồng thời việc in trên giấy cũng tốt h ơn.
-Trong công nghiệp dệt
Nhờ vào tính không tan trong n ước của mình, chitosan đã làm cho nó trở thành nguyên liệu quan trọng để hồ lên vải làm vải chống ẩm. Ngoài tính không
thấm nước, vải sợi sau khi được xử lý có khả năng chống bắt lửa, cách nhiệt, chịu nắng tốt và làm tăng khả năng chống mục.
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 thể kết hợp với một số thành phần khác để sản xuất vải chịu nhiệt, vải chống thấm, sản xuất vải côn.
-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 d ưỡng da chống nắng bằng cách ngăn các chất lọc tia cực tím với các nhóm NH4+.
Trong công nghiệp xử lý nước, nhờ khả năng làm đông tụ các thể rắn lơ lửng giàu protein và nhờ khả năng kết dính tốt với các ion kim loại nh ư: Pb, Hg,…do đó chitin được sử dụng để tẩy lọc nguồn nước thải công nghiệp từ các nhà máy chế biến thực phẩm.
-Trong công nghiệp thực phẩm
Do bản chất là một hợp chất polymer tự nhiên không độc và rất an toàn đối với thực phẩm với những tính chất khá đặc trưng như khả năng kháng khuẩn, chống ẩm, tạo màng, có khả năng hấp phụ màu mà không hấp phụ mùi , hấp phụ một số kim loại nặng,…nên chitosan được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghệ sản xuất và bảo quản thực phẩm . Trong đó, nhiều kết quả nghiên cứu đã được công bố trên thế giới về khả năng 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… của chitosan và các dẫn xuất của nó.
Qua nghiên cứu của Châu Văn Minh và cộng sự thuộc Viện Hoá học các hợp chất tự nhiên, Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia đã điều chế được chế phẩm BQ-1 với nguyên liệu chính là chitosan có tác dụng bảo quản quả tươi (cà chua, nho vải, chuối,…) rất tốt. Chế phẩm này có tác dụng chống mốc, chống sự phá huỷ của một số nấm men, vi sinh vật gram âm trên các loại hoa quả.
Từ kết quả nhận được, Châu Văn Minh tiếp tục thử nghiệm khả n ăng bảo quản thực