1.4.1.1. Chitin
Chitin là một polyme phổ biến trong thiên nhiên sau cellulose, chúng được tạo ra trung bình 20g trong 1 năm/1m2 bề mặt trái đất. Trong thiên nhiên chitin tồn tại ở cảđộng vật và thực vật.
Chitin hiếm tồn tại ở trạng thái tự do, hầu như luôn liên kết với protein, CaCO3, và các chất hữu cơ khác. Trong động vật thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu tiềm năng sản xuất chitin, từ đó sản xuất các sản phẩm khác từ chúng.
Chitin có cấu trúc polyme tuyến tính từcác đơn vị N-acetyl--D Glucosamin nối nhau nhờ cấu trúc -1,4 glucozit [13].
Công thức phân tử: [C8H10O5N]n
Trong đó: thay đổi tùy thuộc vào loại nguyên liệu
Ở tôm Thẻ: n=400 ÷ 500
Ở tôm Hùm: n=700 ÷ 800
Ở Cua: n=500 ÷ 600
Công thức cấu tạo:
Hình 1.2. Cấu tạo chitin [10]
- Tính chất của chitin:
Chitin có màu trắng, cũng giống như cellulose, chitin có tính kỵ nước cao
(đặc biệt đối với -4chitin) và không tan trong nước, trong kiềm, trong acid loãng và các dung môi hữu cơ như ête, rượu.
Tính không tan của chitin là do chitin có cấu trúc chặt chẽ, có liên kết trong và liên kết phân tử mạnh thông qua các nhóm hydroxyl và acetamide. Tuy nhiên, cần lưu ý là -chitin không giống như -chitin, có tính trương nở với nước cao.
Chitin tự nhiên có độ acetyl dao động trong khoảng từ 8 - 12%, phân tử lượng trung bình lớn hơn 1 triệu dalton. Tuy nhiên, chitin chiết rút từ vi sinh vật thì có phân tửlượng thấp, chỉ khoảng vài chục nghìn dalton.
Chitin tương đối ổn định với các chất chống oxy hóa khử như thuốc tím (KMnO4), H2O2, nước Javen (NaClO) hay Ca(OCl)2..., lợi dụng tính chất này người ta sử dụng các chất chống oxy hóa trên để khử màu cho chitin.
Chitin rất khó tan trong thuốc thử Schweizel Sapranora. Điều này có thể do nhóm acetamide (-NHCOCH3) ngăn cản sự tạo thành phức chất cần thiết.
Khi đun nóng trong acid HCl đậm đặc thì chitin sẽ bị thủy phân hoàn toàn tạo thành 88.5% D-Glucosamin và 21.5% acid acetic, quá trình thủy phân xảy ra ở
mối nối glucozit, sau đó là sự loại bỏ nhóm acetyl (-CO-CH3).
(C32H54N4O21)x + 2(H2O)x (C28H50N4O19)x + 2(CH3COOH)x
Khi đun nóng chitin trong dung dịch NaOH đậm đặc thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan.
Chitin + nNaOHđậmđặc Chitosan + nCH3COONa
Chitin có khảnăng hấp phụ hồng ngoại ở bước sóng:= 884 ÷ 890m [9].
1.4.1.2. Chitosan
Chitosan là một dạng polyme hữu cơ có cấu trúc tuyến tính từ các đơn vị D-Glucosamin liên kết với nhau bằng liên kết 1,4-glucozit. Các liên kết dễ bị cắt
đứt bởi các chất hóa học như: acid, base, tác nhân oxy hóa và enzym thủy phân [10].
Công thức cấu tạo:
Hình 1.3. Cấu tạo chitosan [10] Công thức phân tử chitosan: [C6H11O4N]n
Phân tửlượng trung bình: M=(161.07)n
Chitosan là một chất rắn, xốp, nhẹ, ở dạng bột màu trắng ngà, không mùi, không vị ở dạng vảy có màu trắng trong hay hơi vàng. Loại chitosan hay được dùng trong y tế và thực phẩm có trọng lượng phân tử trung bình từ 200000 đến 400000 dalton. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chitosan mang tính kiềm nhẹ, không hòa tan trong nước và kiềm nhưng hòa tan trong acid loãng (pH=6.5) sẽ tạo thành dung dịch keo nhớt trong suốt hơi sền sệt. Chitosan khi hòa tan trong dung dịch acid acetic loãng tạo dung dịch keo
dương, do vậy keo chitosan không kết tủa với ion dương. Chitosan tác dụng với iot
trong môi trường H2SO4 cho phản ứng màu tím. Đây là phản ứng dùng trong phân
tích định tính chitosan.
Chitosan là một polyme mang điện tích dương nên được xem là polycationic (pH<6.5), có khả năng bám dính trên bề mặt có điện tích âm như protein,
aminopolysaccharide (alginate), acid béo và phospholipit do có mặt nhóm amino (-NH2) [9].
Chitosan có khả năng ức chế nhiều chủng vi sinh vật: vi khuẩn gram âm, vi khuẩn gram dương và vi nấm. So với chitin, chitosan có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm tốt hơn vì điện tích dương ở vị trí cacbon thức 2 ở pH<6. Chitosan có phân tử lượng dưới 2000 dalton thì khả năng ức chế vi sinh vật cao (Jeon và cộng sự, 2000). Tuy nhiên, chitosan có phân tử lớn thì khả năng kháng khuẩn cũng thấp. Chitosan được hòa tan trong các dung môi hữu cơ như acid acetic, acid lactic và
được sử dụng để xử lý kháng khuẩn, kháng nấm [13].
Chitosan có khả năng tạo màng rất tốt. Tính chất cơ lý của màng chitosan
như độ chịu kéo, độ rắn, độ ngấm nước phụ thuộc nhiều vào phân tử lượng và độ
acetyl hóa của chitosan. Chitosan độ acetyl cao có ứng suất kéo cao hơn màng chitosan độ acetyl thấp, tuy nhiên chúng có độtrương nở thấp hơn.
Ngoài các tính chất nêu trên, chitosan còn có khả năng chống oxy hóa. Khả năng chống oxy hóa của chitosan cũng phụ thuộc và độ acetyl, phân tửlượng và độ
nhớt của chitosan. Chitosan có độ nhớt thấp thì khả năng chống oxy hóa cao. Hơn
nữa, chitosan có thể liên kết tốt với lipit, protein, các chất màu. Do chitosan không
tan trong nước nên chitosan ổn định hơn trong môi trường nước so với các polyme
tan trong nước như alginat, agar [13].
Cơ chế kháng khuẩn của chitosan: [8]
Khảnăng kháng khuẩn của chitosan và dẫn xuất của nó đã được nghiên cứu bởi một số tác giả, trong đó có cơ chế kháng khuẩn. Mặc dù chưa có một giải thích
đầy đủ về khảnăng kháng khuẩn đối với tất cảcác đối tượng vi sinh vật, nhưng hầu hết đều cho rằng khảnăng kháng khuẩn liên quan đến mức độ hấp phụ chitosan lên bề mặt tế bào. Trong đó chitosan hấp phụ lên bề mặt vi khuẩn gram âm tốt hơn vi
khuẩn dương. Một sốcơ chếđã được giải thích như sau:
- Nhờ tác dụng của những nhóm NH3+ trong chitosan lên các vịtrí mang điện âm ở trên tế bào vi sinh vật, dẫn tới sự thay đổi tính thấm của màng tế bào. Quá trình trao đổi chất qua màng bị ảnh hưởng. Lúc này vi sinh vật không thể nhận chất
dinh dưỡng cơ bản như glucose cho sự phát triển bình thường dẫn đến mất cân bằng giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào. Cuối cùng dẫn đến sự chết của tế bào. Theo giải thích của một số tác giả thì chính sựtác động giữa polycation chitosan sẽ
liên kết với polyme mang tính acid (polyanion) lên bề mặt tế bào vi sinh vật tạo nên
polyelectrolic đã gây khó khăn trong quá trình trao đổi chất.
- Chitosan có thể cản trở và làm mất cân bằng sự phát triển của vi sinh vật do có khảnăng lấy đi các ion kim loại đóng vai trò quan trọng trong thành phần enzym
như Cu2+, Co2+, Cd2+... của tế bào vi sinh vật do tạo phức với nhóm -NH2 có trong phân tửchitosan đồng thời các nhóm này có thể tác dụng với các nhóm anion của bề
mặt tếbào. Như vậy, vi sinh vật sẽ bị ức chế phát triển do sự mất cân bằng liên quan
đến các ion quan trọng.
- Ở nồng độ cao bề mặt vi khuẩn có thể bị bao vây gây nên sự bất động các tế
bào và giảm sự phát triển của chúng. Chitosan mạch ngắn hoặc chitosan oligomer xâm nhập vào nội bào gây cản trở quá trình tổng hợp protein và các hợp chất nội bào khác. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Điện tích dương của nhóm NH3+ của glucosamin monomer ở pH<6.3 có tác
động lên các điện tích âm ở thành tế bào vi khuẩn, dẫn đến sự rò rỉ các phần tử bên trong màng tế bào. Đồng thời gây ra sựtương tác giữa sản phẩm của quá trình thủy phân có khảnăng khuếch tán bên trong thành tế bào sinh vật gây ức chế mARN và sự tổng hợp protein tế bào.
- Chitosan tế bào có khả năng phá hủy màng tế bào thông qua tương tác
nhóm NH3+ với nhóm phosphoryl của thành phần phospholipit của màng tế bào vi khuẩn. Quan sát dưới kính hiển vi sự phá hủy tế bào vi khuẩn, sự phân chia tế bào bị rối loạn, sự tạo thành tế bào không theo quy luật. Tế bào tạo thành không có màng hoặc màng tế bào tạo thành rất mỏng gây nên sự rò rỉ các hợp chất nội bào.
Chitosan có nguồn gốc tự nhiên, không độc, an toàn khi sử dụng làm thực phẩm, dược phẩm, có tính hòa hợp sinh học cao đối với cơ thể và có khả năng tự
phân hủy sinh học. Chitosan và oligomer của nó có đặc tính miễn dịch, do đó nó
gây bệnh. Ngoài ra, chitosan còn có khả năng hút nước, giữ ẩm, có tính kháng khuẩn, kháng nấm. Chúng có khả năng liên kết với protein, lipit nên có tác dụng làm giảm cholesterol và lipit trong máu. Với khảnăng thúc đẩy hoạt động của các peptit, kích thích việc tiết ra insulin ở tuyến tụy nên chitosan được dùng để trị bệnh tiểu đường [10].
1.4.1.3. Oligochitosan
Oligochitosan (COS) là sản phẩm của quá trình thủy phân chitin, chitosan bằng con đường hóa học hoặc sinh học. Tùy theo từng điều kiện và chế độ thủy phân mà các COS có khối lượng phân tử khác nhau [9].
COS là một polysaccharide, được kết hợp bởi các monosaccharide từ 2 đến 20 trong cấu trúc của chitin và chitosan.
Công thức cấu tạo COS:
Hình 1.4. Cấu tạo oligochitosan [11] Công thức phân tử: (C6H11O4N)n
COS dạng bột có màu trắng hoặc hơi vàng, không mùi, vị đặc biệt. Chúng có khả năng tan tốt trong nước, độ nhớt thấp, phân tử lượng nhỏ và dễ kết tinh. COS
được xem như một thực phẩm chức năng. Ngoài việc COS có khả năng chống vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, COS có tính chất hoạt động sinh học cao như tăng sức
đề kháng, điều hòa lượng cholesterol, cải thiện thiếu máu, bệnh gan, điều hòa huyết
áp, làm tăng khả năng hấp thụcanxi, thúc đẩy quá tình bài tiết acid uric, chống ung
Ngoài ra, COS còn tham gia điều trị các bệnh viêm loét dạ dày, bệnh tiêu chảy, bệnh táo bón, chuột rút, đặc biệt có khả năng kết hợp với mangan tham gia vào quá trình hình thành xương sụn rất tốt. COS còn có khả năng kháng bệnh cho cây trồng vật nuôi, đồng thời cũng là chất kích thích sinh trưởng rất tốt [10].
1.4.2. Ứng dụng của chitin, chitosan và oligochitosan1.4.2.1. Trong nông nghiệp 1.4.2.1. Trong nông nghiệp
Trong nông nghiệp, chitin, chitosan được sử dụng để tăng cường sự hoạt
động của các vi sinh vật có lợi trong đất, bọc các hạt giống nhằm mục đích ngăn
ngừa sự tấn công của nấm trong đất và tăng cường khảnăng nẩy mầm của hạt, giảm
stress cho cây, kích thích sinh trưởng và tăng năng suất thu hoạch. Đặc biệt, chitosan còn đóng vai trò là chất kích thích hệ miễn dịch của cây và sự hoạt động của enzym chitinase (Chandkrachang, 2002; Dzung và Thang, 2002; Vasuden và Reddy, 2002).
Sử dụng chitosan để bọc hạt giống mục đích chính là để chống nấm bảo vệ
hạt giống và kích thích nẩy mầm đã được thử nghiệm đối với lúa, đậu nành và nhiều loại hạt giống khác (Agarwal và Sinclair, 1997; Goulart và cộng sự, 2002). Cụ thể,
đối với đậu nành sau khi được bọc chitosan và bảo quản trong túi nhựa hàn kín, ở
15oC, độ ẩm tương đối 60%. Sau 6 tháng bảo quản, tỷ lệ nẩy mầm của các hạt bao chitosan thì cao nhất đạt 74% so với tỷ lệ nẩy mầm của hạt lúc ban đầu là 90 - 92% (Sawatwanich và cộng sự, 2007). Do đó, chitosan được dùng để bao hạt giống trong vài tháng không bị nhiễm nấm và không ảnh hưởng đến quá trình nẩy mầm của hạt giống.
Đối với lúa thì đã có một số thử nghiệm ứng dụng chitosan và COS bằng cách phun lên lá hoặc bọc hạt giống tại Việt Nam, Thái Lan và Miến Điện. Các nghiên cứu tại Miến Điện cho thấy kết hợp ngâm hạt giống để kích thích nẩy mầm bằng chitosan và phun chitosan lên lá có thể tăng năng suất lên 1.6 lần (New và cộng sự, 2006). Đối với hạt giống lúa mì, khi được xử lý trong dung dịch chitosan thì tỷ lệ nẩy chồi thành cây con tăng lên 25%, rễ và lá phát triển mạnh hơn so với không xử lý chitosan (Freepons, 1997) [13].
Qua nghiên cứu ảnh hưởng của chitosan và các nguyên tố vi lượng lên một số chỉ tiêu hóa lý, sinh hóa của lúa mạ, ở nhiệt độ thấp thì kết quả cho thấy chitosan
vi lượng làm tăng hàm lượng diệp lục và hàm lượng nitơ tổng số, đồng thời hàm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
lượng các enzym như amylase, catalase hay peroxidase cũng tăng lên [10].
Viện Khoa học nông nghiệp Miền Nam và Trung tâm công nghệ sinh học thủy sản Việt Nam đã nghiên cứu tác dụng của chitosan đối với các hạt giống dễ
mất khảnăng nẩy mầm và góp phần thúc đẩy khảnăng sinh trưởng của cây con. Kết quả là kéo dài thời gian sống và duy trì khả năng nẩy nầm của hạt cà chua và đậu côve sau thời gian bảo quản là 9 - 12 tháng ở điều kiện bình thường, hạt sinh trưởng và phát triển tốt [13].
COS ảnh hưởng tích cực đến sinh trưởng của rau cải, đậu côve và một số 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 trường và thực hiện chương trình rau sạch, rau an toàn [1].
1.4.2.2. Trong y học
Trong y học, chitin, chitosan và COS được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi. Chitin, chitosan có khả năng hòa hợp sinh học rất cao và thúc đẩy việc gắn liền vết
thương. Nó có tác dụng bảo vệ, chống nhiễm trùng, chống mất nước, tăng khảnăng
tái tạo da.
Chất mang trong việc kiểm soát quá trình giải phóng thuốc và chất mang vận chuyển thuốc
Do tính chất tương ứng sinh học và tự hủy sinh học cao của chitin, chitosan và các dẫn xuất nên chúng được nghiên cứu và thử nghiệm rất nhiều trong lĩnh vực kiểm soát và vận chuyển thuốc. Các dạng ứng dụng chính của chitosan và dẫn xuất là dạng vi hạt, hạt nano, nhũ dịch. Rất nhiều loại thuốc đã được thử nghiệm với
chitosan như insulin, thuốc chống ung thư, kháng viêm...
Thông thường quá trình tạo vi hạt được thực hiện bằng phương pháp kết tủa hạt chitosan trong môi trường NaOH hoặc làm khô trong dầu. Chitosan được hòa tan trong acid acetic, nồng độchitosan được sử dụng thông thường từ 0.5 - 2.0% tùy
thuộc vào tính chất chitosan và phương pháp tạo hạt. Thuốc cần kiểm soát được hòa tan vào trong dung dịch chitosan và quá trình tạo hạt bằng cách nhỏ từng giọt nhỏ
vào trong dung dịch kết tủa chitosan. Tiếp theo, tiến hành rửa hạt và sấy.
Chất chống đông máu và chất làm lành vết thương
Nhiều dẫn xuất chitin và chitosan sulfat cũng được ứng dụng làm chất chống
đông máu. Dẫn xuất N-octanoyl and N-hexanoyl của chitosan tương thích sinh học với máu và chịu được sự thủy phân bởi enzym nên có thể sử dụng trong chế tạo màng thẩm tích máu (Hirano, 1996).
Chitosan đã được nghiên cứu và thử nghiệm rất nhiều về tính chất đẩy nhanh quá trình làm lành vết thương. Chitosan có khả năng làm tăng nhanh quá trình làm lành vết thương vì chitosan có xu hướng tạo phức polyme điện ly (polyelectrolyte complex) với heparin (Shahidi và Abuzaytuon, 2005). Chitin tan trong nước cũng được thử nghiệm khả năng làm lành vết thương trên chuột và kết quả cho thấy
chitin tan trong nước hiệu quả cao [13].
Tạo da nhân tạo chống nhiễm khuẩn và cầm máu
Ở một sốnước đã sản xuất chỉ khâu phẫu thuật từ chitin nhờ việc phát hiện ra một số dung môi đặc biệt có khả năng hòa tan chitin ở nhiệt độ thường mà không làm phá hủy cấu trúc polyme [1].
Nhật Bản đã sản xuất da nhân tạo có nguồn gốc từ chitin gọi là Beschitin.W, nó giống như một tấm vải (có kích thước 10 x 10cm) và được bọc ốp lên vết thương
chỉ một lần đến khi khỏi. Tấm Beschitin.W bị phân hủy sinh học từ từ cho đến lúc hình thành lớp biểu bì mới. Nó có tác dụng giảm đau, giúp các vết sẹo, bỏng phục hồi biểu bì nhanh chóng và chống nhiễm trùng [10].
Ở Việt Nam, các nhà khoa học thuộc Viện Hóa học, Trung tâm Khoa học tự
nhiên và Công nghệ quốc gia và bác sĩ Trường Đại học Y Hà Nội đã nghiên cứu