Chitosan ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau nhƣ: thực phẩm, nông nghiệp, thủy sản, xử lí môi trƣờng, y học và công nghệ đƣợc trình bày ở Bảng 1.9 [5].
Bảng 1.8. M t số ứng dụng của chitin, chitosan và dẫn xuất trong thực phẩm
Ứng dụng Đối tƣợng Loại Dạng Tạo màng, chống biến nâu, chống mất nƣớc, hạn chế hao hụt trọng lƣợng, kháng nấm, bảo quản trái cây, rau
Dâu Chitosan Dung dịch
Vải Chitosan Dung dịch
Nhãn Chitosan Dung dịch
Na Chitosan Dung dịch
Xoài, thanh long, cà rốt
cắt lát Chitosan Dung dịch
Rau diếp Chitosan Dung dịch
Kháng khuẩn, kháng nấm, chống oxy hóa trong bảo quản và chế biến thịt, cá, đậu phụ, bánh mì
Thịt bò tẩm gia vị Chitosan Dung dịch
Xúc xích heo Chitosan Màng
Xúc xích gà surimi Oligoglucosamin Bột
Cá Chitosan Dung dịch
Mực một nắng Chitosan Dung dịch
Trứng gà Chitosan Dung dịch
Nƣớc táo ép Chitosan Dung dịch
Đậu phụ Chitosan Dung dịch
Trong nông nghiệp, chitosan đƣợc sử dụng để bọc hạt giống nhằm mục đích ngăn ngừa sự tấn công của nấm và vi khuẩn trong đất. Đồng thời nó còn có tác dụng cố định phân bón, thuốc trừ sâu, tăng cƣờng khả năng của hạt [5].
Viện Khoa học Nông Nghiệp miền Nam và Trung tâm Công Nghệ Sinh Học Thủy Sản cùng nghiên cứu tác dụng của chitosan đối với một số loại hạt dễ mất khả năng nảy mầm và góp phần thúc đẩy sinh trƣởng, phát triển cây trồng ngoài đồng. Kết quả là có khả năng kéo dài thời gian sống và duy trì khả năng nảy mầm tốt của hạt giống cà chua và đậu cô ve sau thời gian bảo quản 9 – 12 tháng trong điều kiện bình thƣờng [5].
Trong y học, chitosan đƣợc ứng dụng trong lĩnh vực y tế rất nhiều nhƣ: chữa bỏng, chăm sóc vết thƣơng, dùng chỉ khâu da, làm da nhân tạo…và còn nhiều hƣớng đang nghiên cứu nhƣ: chống ung thƣ, tác động kích thích miễn dịch…Nhờ vào tính ƣu việt của chitosan, cộng với đặc tính không độc, hợp với cơ thể, tự tiêu hủy đƣợc, nên chitosan đã đƣợc ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong kỹ nghệ bào chế dƣợc phẩm, làm thuốc chữa bỏng, giảm đau, thuốc hạ cholesterol, thuốc chữa bệnh dạ dày, chống đông tụ máu, tăng sức đề kháng, chữa xƣơng khớp và chống đƣợc cả bệnh ung thƣ. Theo một số nhà khoa học thì chitosan có khả năng khống chế sự gia tăng của tế bào ung thƣ [4].
Hiện nay nƣớc ta đã chế tạo đƣợc màng chữa tổn thƣơng về da có tên là Vinachitin do các ngành khoa học thuộc Viện Hóa Học – Trung Tâm Khoa Học Tự Nhiên và Công Nghệ Quốc Gia cùng các bác sĩ Đại Học Y Khoa Hà Nội – Bộ y tế phối hợp nghiên cứu. Màng Vinachitin đƣợc dùng để chữa các vết thƣơng ở diện rộng và tƣơng đối sau. Chúng có khả năng hòa hợp sinh học rất cao và thúc đẩy việc gắn liền vết thƣơng, chống mất nƣớc, tăng khả năng tái tạo da và đặc biệt vết thƣơng không để lại s o [5].
Trong công nghiệp giấy, chitosan làm tăng độ bền cho giấy, chỉ cần thêm trọng lƣợng bằng 1% trọng lƣợng của giấy sẽ làm tăng lên gấp đôi độ bền của giấy khi ẩm ƣớt, tăng độ nét khi in [4], [5].
Trong công nghiệp dệt, nhờ vào tính không tan trong nƣớc của chitosan đã làm cho nó có khả năng hồ lên vải làm vải chống ẩm, ngoài tính không thấm nƣớc, vải sợi sau khi xử lý còn có khả năng bắt lửa, cách nhiệt, chịu nắng tốt, chống mục [5].
Chitosan có thể dùng để sản xuất bao bì chống ẩm, dụng cụ bảo hộ lao động trong sản xuất và nghiên cứu. Chitosan có tác dụng cố định hình in hoa, ƣu điểm là nó có thể thay thế đƣợc hồ tinh bột để làm cho vải hoa, tơ, sợi bền hơn, chịu đƣợc sự cọ xát, bề mặt bóng đ p, chịu đƣợc acid và kiềm nh [5].
Trong hóa mỹ phẩm, chitosan nhƣ một chất phụ gia để làm kem thoa mặt, thuốc làm mềm da, làm tăng khả năng hòa hợp sinh học giữa da và kem thuốc, chế tạo ra kem lột da mặt vì bản chất chiosan là cố định dễ dàng trên biểu bì da bởi những nhóm NH4+, thƣờng đƣợc các nhà khoa học gắn với những chất lọc tia cực tím hay những chất giữ nƣớc. Vì vậy, chitosan trở thành gạch nối giữa hoạt chất của kem và da [5].
Trong công nghiệp thực phẩm chitosan là những hợp chất polyme tự nhiên an toàn với những tính chất đặc trƣng nhƣ khả năng kháng nấm, kháng khuẩn, chống ôxy hóa, tạo màng, tạo gel, hấp phụ màu, làm trong,... nên chitosan đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghệ chế biến và bảo quản thực phẩm. Một số ứng dụng chính của chitin, chitosan và dẫn xuất trong công nghệ thực phẩm đƣợc trình bày ở Bảng 1.9 [5], [15].
Trong công nghiệp xử lý nƣớc, nhờ vào khả năng làm đông tụ các thể rắn lơ lửng giàu protein và nhờ khả năng kết dính tốt với các ion kim loại nhƣ: Pb, Hg... Do đó, chitosan đƣợc sử dụng để tẩy lọc nguồn nƣớc thải công nghiệp từ các nhà máy chế biến thực phẩm [4].
Nhiều kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố trên thế giới về khả năng kết hợp của chitosan với các loại vật liệu tạo màng bao bọc sinh học không độc cũng nhƣ khả năng kéo dài thời gian bảo quản của nhiều đối tƣợng nhƣ rau quả tƣơi, thịt, cá, nƣớc quả...của chitosan và dẫn xuất của nó [4].
Tác giả Đống Thị Anh Đào và các cộng sự (Khoa Công Nghệ Hóa Học Và Dầu Khí - Trƣờng Đại Học Bách Khoa TP HCM) đã nghiên cứu chế tạo một số màng bán thấm polysaccaride nhƣ: CMC, chitosan dùng bao gói bảo quản nhãn trong môi trƣờng có nồng độ CO2 cao hơn môi trƣờng khí quyển. Kết quả là nhãn đƣợc bao gói bằng màng bán thấm vẫn giữ đƣợc giá trị thƣơng phẩm sau 45 ngày bảo quản (kéo dài thời gian bảo quản nhãn lên gấp 3 - 9 lần so với cùng điều kiện bảo quản không có bao bì) [5].
Tác giả Bùi Văn Miên và Nguyễn Anh Trinh (Khoa Công Nghệ Thực Phẩm Trƣờng Đại Học Nông Lâm) đã nghiên cứu dùng chitosan tạo màng để bao gói thực phẩm. Màng chitosan có tính kháng khuẩn, tính giữ nƣớc nên có thể dùng để bảo quản các thực phẩm tƣơi sống giàu đạm nhƣ: cá, thịt… Đồng thời, bổ sung các chất phụ gia (Etylen Glycol- EG, Polyethylen Glycol - PEG) để tăng tính dẻo dai và đàn hồi cho màng. Các tác giả đã ứng dụng màng này trong bao gói xúc xích thì thấy rằng ngoài việc giúp cho sản phẩm xúc xích có hình dáng đ p, màng chitosan còn có tác dụng đặc biệt là không làm mất màu và mất mùi đặc trƣng của xúc xích [5].
Qua nghiên cứu của Châu Văn Minh và các cộng sự thuộc Viện Hóa Học các hợp chất tự nhiên, Trung tâm khoa học tự nhiên và Công Nghệ Quốc Gia đã điều chế đƣợc chế phẩm BQ-1 với nguyên liệu chính là chitosan có tác dụng bảo quản quả tƣơi (cà chua, nho, vải...) rất tốt. Chế phẩm này có tác dụng chống mốc, chống sự phá hủy của một số loại nấm men, vi sinh vật gram âm trên các loại hoa quả. Từ kết quả nhận đƣợc Châu Văn Minh tiếp tục thử nghiệm khả năng bảo quản thực phẩm tƣơi sống của BQ-1 (thịt bò, thịt lợn, trứng gà tƣơi). Nhờ khả năng ức chế sự phát triển của vi sinh vật gây thối nên kéo dài thời gian sử dụng của sản phẩm trong một thời gian nhất định [5].
Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Nang mực sau khi thu mua tại một số cơ sở chế biến thuộc tỉnh Kiên Giang đƣợc vận chuyển về phòng thí nghiệm và bảo quản ở -20oC đến khi tiến hành thí nghiệm.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1. Bố trí thí nghiệm tổng quát 2.2.1. Bố trí thí nghiệm tổng quát
Hình 2.2. Sơ ồ bố trí thí nghiệm tổng quát
Nguyên liệu nang mực sau khi xác định các thành phần hóa học cơ bản (độ ẩm, hàm lƣợng khoáng, hàm lƣợng protein) đƣợc tiến hành nghiên cứu chế độ khử protein (nhiệt độ, thời gian, nồng độ NaOH) để thu đƣợc β-chitin có hàm lƣợng protein < 1%. Tiếp đó là xác định chế độ khử khoáng (thời gian, nồng độ HCl) để thu đƣợc β-chitin có hàm lƣợng khoáng < 1%.
β -Chitin sau khi thu hồi đƣợc nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố nhƣ nhiệt độ, nồng độ NaOH, thời gian deacetyl đến độ deacetyl chitosan với mục tiêu là sản xuất đƣợc chitosan có DD>85% với chi phí hóa chất, thời gian và chi phí năng lƣợng thấp nhất.
Nang mực
Nghiên cứu chế độ khử khoáng Nghiên cứu chế độ khử protein
Chitosan β-Chitin
Nghiên cứu chế độ deacetyl
Đánh giá chất lƣợng chitosan
Đề xuất quy trình sản xuất chitosan
Phân tích thành phần hóa học
Phân tích thành phần hóa học
2.2.2. Bố trí thí nghiệm chi tiết
2.2.2.1. Nghiên cứu iều kiện khử protein và khử khoáng nang mực trong quá trình sản xuất β-chitin.
Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến hàm lượng protein còn lại
của β-chitin.
Mục tiêu thí nghiệm: Chọn đƣợc nồng độ NaOH thích hợp sao cho hàm lƣợng protein còn lại trong β-Chitin <1%.
Hình 2.3. Sơ ồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng NaOH trong quá trình khử protein.
Ngâm nang mực trong dung dịch NaOH với tỉ lệ NaOH/nang mực là 5:1 (v/w) ở các nồng độ 1, 2, 3, 4, 5%, ủ ở 800 trong 12h, tiến hành khuấy trong quá trình ủ để nang mực tiếp xúc đều trong NaOH. Sau 12h, lấy mẫu ra, rửa bằng nƣớc sạch nhiều lần cho hết kiềm, vắt khô để tiếp tục quá trình khử khoáng.
β-Chitin. Phân tích hàm lƣợng protein Nang mực đã qua xử lí
Ngâm trong NaOH ở các nồng độ khác nhau với tỉ lệ 1:5(w/v) ở 800C trong 12h
Rửa trung tính, vắt khô
5% (w/w) 4% (w/w) 3% (w/w) 2% (w/w) 1% (w/w) Khử khoáng ( HCl 0,5% (v/v) /2h /RT)
Khử khoáng bằng HCl 0,5% (v/v), tỉ lệ HCl/nang mực là 5:1 (v/w) trong 2h ở nhiệt độ phòng, sau đó rửa sạch thu đƣợc β-Chitin, phân tích hàm lƣợng protein từ đó chọn nồng độ NaOH thích hợp trong quá trình khử protein.
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình khử protein
Mục đích thí nghiệm: Tìm ra nhiệt độ khử protein thấp nhất để hàm lƣợng protein <1%.
Hình 2.4. Sơ ồ bố trí thí nghiệm ảnh hƣởng của nhiệt trong quá trình khử protein
Ngâm nang mực trong dung dịch NaOH với nồng độ thích hợp đã xác định ở thí nghiệm đƣợc bố trí ở Hình 2.3, tỉ lệ NaOH/nang mực là 5:1(v/w), ủ ở 700C, 800C, 900C trong 12h, tiến hành khuấy trong quá trình ủ để nang mực tiếp xúc đều trong NaOH. Sau 12h, lấy mẫu ra, rửa bằng nƣớc sạch nhiều lần cho hết kiềm, vắt khô để tiếp tục quá trình khử khoáng.
Nang mực đã qua xử lí
Ngâm trong NaOH tỉ lệ 5:1(v/w) trong 12h
Khử khoáng ( HCl 0,5% /2h / RT) Rửa trung tính, vắt khô
900C 800C 700C β-Chitin. Phân tích hàm lƣợng protein
Khử khoáng bằng HCl 0,5% (v/v), tỉ lệ HCl/nang mực là 5:1 (v/w) trong 2h ở nhiệt độ phòng, sau đó rửa sạch thu đƣợc β-Chitin, phân tích hàm lƣợng protein từ đó chọn nhiệt độ thích hợp trong quá trình khử protein.
Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian trong quá trình khử protein
Mục đích thí nghiệm: Tìm ra thời gian khử protein ngắn nhất để hàm lƣợng protein <1%.
Hình 2.5. Sơ ồ bố trí thí nghiệm ảnh hƣởng của thời gian trong quá trình khử protein
Ngâm nang mực trong dung dịch NaOH với nồng độ và nhiệt độ thích hợp đã xác định ở thí nghiệm đƣợc bố trí ở Hình 2.3 và Hình 2.4, trong các khoảng thời gian 4, 8, 12, 16, 20 giờ, tiến hành khuấy trong quá trình ủ để nang mực tiếp xúc đều trong NaOH sau đó rửa bằng nƣớc sạch nhiều lần cho hết kiềm, vắt khô để tiếp tục quá trình khử khoáng.
Nang mực đã qua xử lí
Ngâm trong NaOH và với nồng độ và nhiệt độ thích hợp, tỉ lệ 5:1(v/w)
Khử khoáng ( HCl 0,5% /2h / RT) Rửa trung tính, vắt khô
16h 12h 8h β-Chitin 4h 20h Phân tích hàm lƣợng protein
Khử khoáng bằng HCl 0,5% (v/v), tỉ lệ HCl/nang mực là 5:1(v/w) trong 2h ở nhiệt độ phòng, sau đó rửa sạch thu đƣợc β-Chitin, phân tích hàm lƣợng protein từ đó chọn thời gian thích hợp trong quá trình khử protein.
Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ HCl và thời gian trong quá trình khử
khoáng.
Mục đích thí nghiệm: Tìm ra đƣợc nồng độ HCl và thời gian khử khoáng thích hợp để hàm lƣợng khoáng <1%.
Hình 2.6. Sơ ồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng HCl trong quá trình khử khoáng
Sau khi chọn đƣợc chế độ khử protein thích hợp, tiến hành ngâm nang mực trong dung dịch HCl 0%, 0,1%, 0,25%, 0,5%, 1% tỉ lệ HCl/nang mực là 5:1(v/w), để ở nhiệt độ phòng trong 2, 4, 6, 8 h.
Sau các khoảng thời gian trên, mẫu đƣợc rửa bằng nƣớc sạch phơi khô, phân tích hàm lƣợng khoáng để chọn nồng độ HCl và thời gian xử lý thích hợp.
Nang mực đã khử protein
Ngâm trong HCl, tỉ lệ 5:1(v/w), nhiệt độ phòng
Rửa sạch, phơi khô Ngâm trong 0, 2, 4, 6, 8h 0,5% 0,25% 0,1% Phân tích hàm lƣợng khoáng 1% 0%
2.2.2.2. Nghiên cứu chế độ deacetyl β-chitin để sản xuất chitosan
Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ NaOH trong quá trình deacetyl để sản
xuất chitosan.
Mục đích thí nghiệm: xác định nồng độ NaOH thích hợp trong quá trình deacetyl để sản xuất chitosan để chitosan có độ deacetyl >85%.
Hình 2.7. Sơ ồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng NaOH trong quá trình deacetyl ể sản xuất chitosan
Ngâm β-chitin trong NaOH ở các nồng độ 30, 40%, 50%, 60% (w/w), tỉ lệ NaOH/β-chitin là 5:1 (v/w), ủ 900
C trong 12h.
Sau 12h, lấy ra, rửa bằng nƣớc sạch nhiều lần để loại hết kiềm, phơi khô sẽ thu đƣợc chitosan. Phân tích độ deacetyl chitosan để lựa chọn nồng độ NaOH thích hợp.
Đánh giá chất lƣợng β -Chitin
Ngâm trong NaOH, tỉ lệ 5:1(v/w)
Rửa trung tính, phơi khô Ủ ở 900C trong 12h 60% (w/w) 50% (w/w) 40% (w/w) Chitosan 30% (w/w)
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình deacetyl để sản xuất chitosan.
Mục đích thí nghiệm: xác định nhiệt độ thích hợp trong quá trình deacetyl để chitosan có độ deacetyl >85%.
Hình 2.8. Sơ ồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt trong quá trình deacetyl ể sản xuất chitosan.
β -Chitin ngâm trong NaOH với nồng độ đã xác định ở thí nghiệm bố trí trên Hình 2.7, tỉ lệ NaOH/nang mực là 5:1 (v/w) trong 12h ở 600
C, 700C, 800C, 900C. Sau 12h, lấy ra rửa bằng nƣớc sạch nhiều lần để loại hết kiềm, phơi khô sẽ thu đƣợc chitosan, đánh giá chất lƣợng của chitosan: DD, Mw, protein để chọn nhiệt độ thích hợp để sản xuất chitosan có chất lƣợng tốt.
Đánh giá chất lƣợng β -chitin
Ngâm trong NaOH, tỉ lệ 5:1(v/w), trong 12h
Rửa trung tính, phơi khô 900C 800C 700C Chitosan 600C
Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian trong quá trình deacetyl để sản xuất chitosan
Mục đích thí nghiệm: xác định thời gian thích hợp trong quá trình deacetyl để để chitosan có độ deacetyl >85%.
Hình 2.9. Sơ ồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian trong quá trình deacetyl ể sản xuất chitosan.
β -chitin ngâm trong NaOH với nồng độ và nhiệt độ đã xác định ở thí nghiệm bố trí trên Hình 2.7 và Hình 2.8, tỉ lệ NaOH/nang mực là 5:1(v/w) trong các khoảng thời gian 4, 8, 12, 16, 20 giờ sau đó, lấy ra rửa bằng nƣớc sạch nhiều lần để loại hết kiềm, phơi khô sẽ thu đƣợc chitosan, đánh giá chất lƣợng của chitosan: DD, Mw, protein để chọn thời gian thích hợp để sản xuất chitosan có chất lƣợng tốt.
Đánh giá chất lƣợng β -chitin
Ngâm trong NaOH 50%, tỉ lệ 5:1(v/w), ở 900C
Rửa trung tính, phơi khô 16h 12h 8h Chitosan 4h 20h
2.2.3. Các phƣơng pháp phân tích
Xác định độ deacetyl bằng phƣơng pháp quang phổ (UV) (Tao và cộng sự 2008).
Xác định lƣợng protein chitin, chitosan bằng phƣơng pháp Microbiuret (Ruth F. Itzhaki và cộng sự 1964).
Phƣơng pháp xác định trọng lƣợng phân tử trung bình của chitosan theo phƣơng pháp đo độ nhớt nội (Hua và cộng sự 2001).
Xác định hàm lƣợng tro tổng số theo tiêu chuẩn TCVN 5105-1990.