2.1. Cơ sở nghiên cứu khoa học
2.1.4. Một số ứng dụng của chitin/chitosan và các dẫn xuất
Với các đặc tính ưu việt vốn có, chitosan đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp, nông nghiệp, y học, thực phẩm, môi trường…
2.1.4.1. Trong công nghiệp thực phẩm
* Ứng dụng làm màng bao bảo quản hoa quả
Trong thực tế người ta đã dùng màng chitosan để đựng và bảo quản các loại rau quả như đào, dưa chuột, đậu, quả kiwi…[15,23]. Các thí nghiệm thực tế cho thấy chitosan có khả năng ức chế hoạt động của một số loại vi khuẩn, nấm mốc, một số dẫn xuất của chitosan diệt được một số loại nấm hại dâu tây, cà rốt, đậu và có tác dụng tốt trong bảo quản các loại rau quả có vỏ cứng bên ngoài. Có thể bảo quản các loại thực phẩm tươi sống, đông lạnh khi bao gói chúng bằng các màng mỏng dễ phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường. Thông thường người ta hay dùng màng PE để bao gói các loại thực phẩm khô. Nếu dùng PE để bao gói các thực phẩm tươi sống thì có nhiều bất lợi do không khống chế được độ ẩm và độ thoáng không khí (oxy) cho thực phẩm. Trong khi bảo quản, các thực phẩm tươi sống vẫn “thở”, nếu dùng bao gói bằng PE thì mức cung cấp oxy bị hạn chế, nước sẽ bị ngưng đọng tạo môi trường cho nấm mốc phát triển. Màng bao chitosan sẽ giải quyết được các vấn đề trên. Màng chitosan cũng khá dai, khó xé rách, có độ bền tương đương với một số chất dẻo vẫn được dùng làm bao gói.
Màng chitosan làm chậm lại quá trình bị thâm của rau quả. Rau quả sau khi thu hoạch sẽ dần dần bị thâm, làm giảm chất lượng và giá trị. Rau quả bị thâm là do quá trình lên men tạo ra các sản phẩm polyme hóa của oquinon.
Nhờ bao gói bằng màng chitosan mà ức chế được hoạt tính oxy hóa của các polyphenol, giữ cho rau quả tươi lâu hơn [18].
* Cố định enzyme
Hiện nay trên thế giới đã thành công việc sử dụng chitosan làm chất mang để cố định enzyme và tế bào. Việc cố định enzyme α-amylase, β- amylase, glucoseisomerase và amyloglucosidase trên chitosan bằng formaldehyde đã được nghiên cứu với Synowiecki và công sự [26]. Enzyme cố định đã cho phép mở ra việc sử dụng rộng rãi enzyme trong công nghiệp, y học và khoa học phân tích. enzyme cố định được sử dụng lâu dài, không cần
thay đổi xúc tác, tạo điều kiện thuận lợi và đạt hiệu quả cao. Chitosan thỏa mãn yêu cầu đối với một chất mang có phân tử lượng lớn, bền vững không tan và ổn định với các yếu tố hóa học [15].
* Chất làm trong - ứng dụng trong công nghiệp sản xuất nước quả Trong sản xuất nước quả, việc làm trong là yêu cầu bắt buộc. Thực tế hiện nay đang sử dụng các chất làm trong như: gelatin, bentonite, tanin, chitosan,… Chitosan là tác nhân loại bỏ đục, giúp điều chỉnh acid trong nước quả. Đối với dịch quả táo, nho, chanh, cam không cần qua xử lý pectin, dùng chitosan có thể làm trong mà không hề gây ảnh hưởng xấu tới chỉ tiêu chất lượng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng chitosan có ái lực lớn đối với các hợp chất polyphenol (catechin, acid cinamic và dẫn xuất của chúng,…) – những chất có thể làm biến màu nước quả bởi phản ứng oxi hóa [15].
* Thu hồi protein
Whey được coi là chất thải trong công nghiệp sản xuất phomat, chứa lượng lớn lactose và protein ở dạng hòa tan. Nếu thải trực tiếp ra ngoài sẽ gây ô nhiễm môi trường, còn xử lý nước thải thì tốn kém trong vận hành hệ thống mà hiệu quả kinh tế không cao. Việc thu hồi protein trong whey được xem là biện pháp làm tăng hiệu quả kinh tế sản xuất phomat, whey protein khi thu hồi được bổ sung vào đồ uống, thịt băm và các loại thực phẩm khác. Có rất nhiều phương pháp khác nhau nhằm thu hồi lượng protein này và chitosan mang lại hiệu suất tách cao nhất. Tỷ lệ chitosan để kết bông các hạt lơ lửng là 2,15% (30mg/lit), độ đục thấp nhất ở pH = 6,0. Nghiên cứu về protein thu được bằng phương pháp này cho thấy không hề có sự khác biệt về giá trị giữa protein có chứa chitosan và protein thu được bằng các phương pháp khác.
Ngoài thu hồi protein từ whey, người ta sử dụng chitosan trong thu hồi các axit amin trong nước của đồ hộp sản xuất thịt, cá [15].
* Sử dụng trong thực phẩm chức năng, chất phụ gia thực phẩm
Không giống như các chất xơ có nguồn gốc thực vật, nhóm amin của chitosan có thể kết hợp với một ion H+ trong dung dịch acid của dạ dày tạo thành nhóm amin mang điện tích dương [15]. Theo đó, những phần tử mang điện tích âm như các chất béo, các acid béo, các acid mật có thể kết hợp với chitosan qua nhóm amin này. Bằng các liên kết kị nước, chitosan cũng liên
kết với các chất béo trung tính như cholesterol và sterol. Các liên kết ion và liên kết kị nước này sẽ tạo ra những hợp chất cao phân tử ít bị tiêu hóa trong cơ thể. Các hợp chất này sẽ đi vào ruột . Tại đây, trong môi trường pH trung tính, hỗn hợp nhũ tương chất béo – chitosan lập tức chuyển thành dạng gel không hòa tan. Do đó, chất béo không bị tấn công bởi các enzyme tiêu hóa trong ruột và tuyến tụy. Tác động này của chitosan được tăng cường bởi sự có mặt của một số hợp chất khác, ví dụ như acid ascorbic. Nếu sử dụng thực phẩm chức năng có bổ sung 4% chitosan thì lượng cholesterol trong máu giảm đi đáng kể chi sau 2 tuần [2]. Ngoài ra chitosan còn là chất chống đông tụ máu. Chính nhờ đặc điểm quan trọng này chitosan ứng dụng trong thực phẩm chức năng…
Ngoài ra, chitosan được sử dụng thay thế cho các phụ gia độc hại trong chế biến thực phẩm (thay thế nitrit, nitrat trong chế biến giò nhằm tạo cấu trúc gel tốt, tăng khả năng kháng vi sinh vật, kéo dài thời gian sử dụng,…), chất làm dày, chất ổn định,…[7].
2.1.4.2. Trong y học, dược phẩm
Những ứng dụng của chitosan và dẫn xuất của chúng ngày càng được sản xuất và ứng dụng nhiều. Với các đặc tính ưu việt, chitosan đã được đưa vào ứng dụng thực tế trong ngành y như là: chỉ khâu kỹ thuật tự hủy, da nhân tạo, tác động kích thích miễn dịch, chống sự phát triển của khối u, đặc tính làm giảm cholesterol máu, trị bỏng nhiệt,…[2].
Da nhân tạo có nguồn gốc từ chitin, nó giống như một tấm vải và được bọc ốp lên vết thương chỉ một lần đến khi khỏi. Da nhân tạo bị phân hủy sinh học từ từ cho đến lúc hình thành các biểu bì mới. Nó có tác dụng giảm đau, giúp cho các vết sẹo bỏng phục hồi biểu bì nhanh chóng. Trường Đại học Dược Hà Nội, Đại học Y Hà Nội, Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia cũng đã chế tạo thành công loại da nhân tạo này và bước đầu có ứng dụng hiệu quả.
Chitin/chitosan và các oligome 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. Những nghiên cứu gần đây hướng vào các oligome, N- acetylglucosamin và glucosamin, các chất này có một số tính chất của các
polymer tương ứng nhưng lại có ưu thế là tan tốt trong nước do đó dễ dàng được hấp thụ. Glucosamin được dùng rộng rãi trong điều trị viêm khớp, thoái hóa khớp [3].
Nhờ vào tính ưu việt của chitosan, cộng với đặc tính không độc, hợp với cơ thể, tự tiêu hủy được, nên chitosan đã được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm. Thuốc kem Pokysan có tác dụng kháng khuẩn, kháng nấm, đặc biệt là chủng nấm Candida albicans, không gây dị ứng và tác dụng phụ, có khả năng cầm máu, chống sưng u, kích thích tái tạo biểu bì mô và tế bào da để làm mau liền các vết thương, vết bỏng, chóng lên da non và giảm bớt đau đớn cho người bệnh. Ứng dụng vật liệu chitin/chitosan từ phụ phẩm của ngành chế biến thủy, hải sản (vỏ tôm, cua, mai mực) của tập thể cán bộ Khoa học nữ phòng polyme dược phẩm (Viện hóa học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam). Thuốc đã được thử nghiệm lâm sàng trên 500 bệnh nhân bỏng nông và bỏng sâu tại viện bỏng Quốc gia và các bệnh viện khác ở Việt Nam với hiệu quả tốt ngang thuốc bỏng nhập ngoại của Mỹ và Ấn Độ nhưng giá rẻ hơn nhiều. Từ chitosan, người ta đã bào chế ra nhiều loại thuốc điều trị các bệnh như: nhiễm xạ, chữa bỏng, giảm đau, thuốc hạ cholesterol, chữa bệnh dạ dày, đông tụ máu và chữa được cả bệnh ung thư. Đặc biệt tại Việt Nam, viện vacxin Nha Trang đã thu gom hàng ngàn tấn vỏ tôm được thải ra từ các nhà máy chế biến đông lạnh tại địa phương để nghiên cứu và sản xuất ra 2 sản phẩm chitosan chữa béo phì và glusivac điều trị thoái hóa khớp.
2.1.4.3. Trong xử lý nước, nước thải
Từ trước tới nay, ở nước ta chất keo tụ được sử dụng để lắng trong nước sinh hoạt là nhôm sunfat (thường gọi là phèn đơn) hoặc nhôm kali, nhôm amoni sunfat (thường gọi chung là phèn kép) hoặc dung dịch phèn nước (thông thường là dung dịch phèn nhôm sắt). Nhằm phòng chống một số bệnh tật, bệnh dịch, người ta còn sử dụng một số hóa chất khác như clo (clo lỏng, nước javen, bột tẩy) có tác dụng diệt khuẩn, vôi để hiệu chỉnh độ pH, natri silicofluorua chống bệnh sâu răng, polyacrylat để hoàn thiện quá trình lắng trong nước… hiện nay, đã có những ứng dụng áp dụng tiến bộ kỹ thuật vào sản xuất các hóa chất có hiệu quả xử lý nước tốt hơn các loại phèn đơn, phèn
kép truyền thống đã sử dụng hàng trăm năm nay. Đó chính là những vật liệu hấp thụ sinh học.
Vật liệu hấp thụ sinh học mới có khả năng xử lý kim loại từ nước thải.
Nước thải của hoạt động khai thác mỏ, mạ kim loại, nhà máy điện, chế tạo thiết bị điện và đặc biệt là hoạt động của các tổ hợp nhiên liệu hạt nhân, các cơ sở quốc phòng… có chứa các kim loại có độc tính cao như crôm, cadimi, chì, thủy ngân, niken, đồng cần được xử lý trước khi thải. Kết tủa hóa học, oxy hóa – khử, lọc cơ học, trao đổi ion, tách màng, hấp phụ trên vật liệu than là những phương pháp được sử dụng rộng rãi để tách các kim loại nặng khỏi dòng thải.
Hấp phụ sinh học là phương pháp sử dụng các vật liệu sinh học để tách kim loại hay các hợp chất và các hạt khỏi dung dịch. Trong những năm gần đây, phương pháp này được đánh giá là một trong những phương pháp hiệu quả về cả kinh tế và kỹ thuật để loại bỏ các kim loại gây nhiễm bẩn nguồn nước mặt và nhiều loại nước thải công nghiệp. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra 12 loại chất hấp phụ có khả năng tách kim loại khỏi các dòng thải với chi phí thấp. Trong số 12 loại này, chitosan có dung lượng hấp phụ cao nhất đối với kim loại.
Chitosan có khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng. Do đặc tính của nhóm amino tự do trong cấu trúc chitosan được tạo thành khi deacetyl hóa chitin, các phức chelat của nó làm cho khả năng hấp phụ kim loại tăng gấp 5 đến 6 lần so với chitin. Khi ghép một số nhóm chức vào khung cấu trúc của chitosan sẽ làm tăng khả năng hấp phụ kim loại của chitosan lên nhiều lần. Để tạo điều kiện tốt cho quá trình chuyển khối, đồng thời tăng dung lượng hấp phụ kim loại của chitosan, biến tính chitosan hấp phụ kim loại nặng trên mạng lưới liên kết mạch thẳng và chéo nhau. Kết quả là đã tạo ra được nhiều loại chitosan biến tính có dung lượng hấp phụ kim loại cao [12].
Các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu một số chất hấp phụ sinh học và khả năng giữ các nguyên tố phóng xạ như urani, thori. Họ đã nhận thấy khả năng ứng dụng rộng lớn của các loại chất hấp phụ sinh học trên cơ sở chitosan biến tính, vì vậy chúng đã được tập chung nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa. Các chất hấp phụ sinh học ở dạng tự nhiên thường mềm, trong dung
dịch nước có xu hướng kết tụ hoặc tạo gel. Hơn nữa, ở dạng tự nhiên mạng lưới của chúng thực tế không có khả năng hấp phụ. Sự di chuyển của kim loại nhiễm bẩn vào mạng lưới giam giữ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình chế tạo vật liệu hấp phụ sinh học. Cần thiết phải cung cấp sự hỗ trợ vật lý và tăng cường sự thâm nhập của mạng giam giữ kim loại của chất hấp phụ sinh học trên các loại giá thể khi chuẩn bị vật liệu hấp phụ sinh học. Nhiều vật liệu hấp phụ sinh học với các loại màng chitosan biến tính trên các cá thể khác nhau đã được nghiên cứu cho mục đích này [12].
2.1.4.4. Trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp khác
Do có 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. Trong sản xuất giấy, qua nghiên cứu người ta thấy nếu bổ sung 1% chitosan thì độ bền giấy tăng lên khi bị ướt hay tăng độ nét khi in [3].
Có thể thay thế hồ tinh bột bằng chitosan để hồ vải, nó có tác dụng làm tơ sợi bền, mịn, bóng đẹp, cố định hình in, chịu được axit và kiềm nhẹ.
Chitosan kết hợp với một số thành phần khác để sản xuất vải chịu nhiệt, vải chống thấm, vải dùng cho may quần áo diệt khuẩn trong y tế,…
Trong nông nghiệp, chitosan được sử dụng làm chất bảo quản quả, hạt giống mang lại hiệu quả cao. Dùng như một thành phần chính trong thuốc trừ bệnh nấm, là chất kích thích sinh trưởng cho cây trồng,…[23].