1.7.1. Cấu trúc và tính chất của Chitosan 1.7.1.1. Cấu trúc của Chitosan
Chitosan là dẫn xuất đề axetyl hóa của chitin, trong đó nhóm (-NH2) thay thế nhóm (-COCH3) ở vị trí C(2). Chitosan được cấu tạo từ các mắt xích D-glucozamin liên kết với nhau bởi các liên kết b - (1 - 4) - glicozit. Chitosan có tên hóa học là: b – (1 – 4) – 2 – Amino – 2 – Deoxy – D – Glucopyranose. Chitosan có cấu trúc tuyến tính từ các đơn vị b – D – glucosamin liên kết với nhau bằng liên kết b – (1– 4 ) Glucozit.
+ Công thức phân tử: ( C6H11O4N)n + Phân tử lượng: M = (161.07)n + Công thức cấu tạo:
Hình 1.5: Công thức cấu tạo của Chitosan [2, 16] 1.7.1.2. Tính chất của Chitosan
Đặc tính cơ bản của Chitosan
Chitosan có nguồn gốc thiên nhiên, không độc, dùng an toàn cho người trong thức ăn, thực phẩm, dược phẩm, có tính hòa hợp sinh học cao với cơ thể, có khả năng tự phân hủy sinh học, có nhiều tác dụng sinh học đa dạng: có khả năng hút nước, giữ ẩm, kháng nấm, kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau, kích thích tăng sinh tế bào ở người, động vật, thực vật, có khả năng nuôi dưỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh dưỡng.
Tính chất vật lý
Chitosan là chất rắn, xốp, nhẹ, ở dạng vảy trong suốt, dạng bột có màu vàng nhạt hay màu trắng ngà, không mùi, không vị.
Chitosan có nhiệt độ nóng chảy 309oC – 310oC, trọng lượng phân tử trung bình từ 10.000 – 500.000 dalton tùy loại. Loại Chitosan có trọng lượng phân tử trung bình (M) từ 200.000 đến 400.000 hay được dùng nhiều nhất trong y tế và thực phẩm.
Tính chất hóa học
Chitosan có tính kiềm nhẹ, không tan trong nước, dung dịch kiềm và Acid đậm đặc nhưng hòa tan trong môi trường Acid loãng (pH = 6 – 6,5) tạo dung dịch keo trong.
Khi hòa tan trong môi trường Acid acetic loãng tạo thành dung dịch keo dương, nhớt và trong suốt, do đó keo chitosan không bị kết tủa khi có mặt của một số ion kim loại nặng như Hg+, Pb++…
Chitosan kết hợp với Aldehyt trong điều kiện thích hợp hình thành gel, đây là cơ sở để bẫy tế bào và enzyme. Chitosan phản ứng với Acid đậm đặc, tạo thành muối khó tan, tác dụng với iod trong môi trường H2SO4 cho phản ứng màu tím, phản ứng này dùng để phân tích định tính Chitosan.
Tính chất sinh học
Chitosan có nhiều tác dụng sinh học đa dạng như: tính kháng nấm, tính kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau, kích thích sự phát triển tăng sinh của tế bào, có khả năng nuôi dưỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh dưỡng, tác dụng cầm máu, chống sưng u.
Ngoài ra, Chitosan còn có tác dụng làm giảm Cholesterol và Lipid máu, làm to vi động mạch và hạ huyết áp, điều trị thận mãn tính, chống rối loạn nội tiết.
Với khả năng thúc đẩy hoạt động của các Peptide – Insulin, kích thích việc tiết ra Insulin ở tuyến tụy nên Chitosan được dùng để điều trị bệnh tiểu đường.
1.7.2. Ứng dụng của Chitosan [1, 16, 17]
Ứng dụng trong y học
Chitosan là vật liệu hòa hợp sinh học cao, nó là chất mang lý tưởng trong hệ thống vận tải thuốc, không những sử dụng cho đường uống, tiêm tĩnh mạch, tiêm bắp, tiêm dưới da, mà còn ứng dụng an toàn trong ghép mô.
Chitosan còn có khả năng chống viêm cấp trên mô lành. Băng cứu thương kiểu mới, kỹ thuật cao, có thành phần cấu tạo bởi chất Chitosan. So với các loại băng thường, tốc độ cầm máu, tính sát khuẩn và thời gian lành mô khi sử dụng loại băng này có hiệu quả hơn gấp nhiều lần.
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… Viện Vacxin Nha Trang đã nghiên cứu và sản xuất ra 2 sản phẩm Chitosan chữa béo phì và Glusivac điều trị thoái hóa khớp. Hai loại thuốc này đã được Bộ Y tế cấp phép lưu hành toàn quốc vào đầu tháng 6/2005.
Chitosan được tinh chế dùng làm chỉ khâu, da nhân tạo, làm liền sẹo các vết thương, thấu kính tiếp xúc, thuốc chữa bệnh viêm loét dạ dày-tá tràng, bào chế dược phẩm, ... Ngày nay, vẫn còn nhiều hướng được nghiên cứu về tác động kích thích miễn dịch, chống ung thư, làm giảm Cholesterol và không tác dụng phụ, nó cũng có tác dụng làm mau lành sau khi nhổ răng và được dùng để bọc các viên thuốc.
Ứng dụng trong xử lý nước thải
Do Chitosan là Polymer mang điện tích dương nên Chitosan được dùng để xử lý nguồn nước thải công nghiệp từ các nhà máy hoá chất và thực phẩm.
Đó là nhờ khả năng kết đông và khả năng tạo phức với các ion kim loại nặng như chì, thuỷ ngân,… của keo Chitosan, làm lắng các vật thể lơ lửng trong nước thải.
Hiện nay, người ta đã dùng Chitosan để hấp phụ các ion kim loại nặng gây ô nhiễm môi trường sinh thái như Cu2+, Hg2+, Crn+, Pb2+, Ni2+, Cd2+. . . trong đó Crom gây nguy hiểm cho hệ sinh thái nhất. Crom có thể tồn tại ở nhiều dạng với nhiều số oxi hoá khác nhau, trong số đó, chỉ có những hợp chất hóa trị (III) với hoá trị (V) là thân thiện, quan trọng với môi trường. Cr (VI) có thê gây hại vì nó phân tán ở dạng
CrO42- hay HCrO4- có thể oxi hoá những phân tử sinh học. Mặt khác, do có khả năng hoà tan cao, Cr (VI) có thể gây hại cho sự sống của sinh vật hơn Cr(III). Kĩ thuật cổ điển để loại bỏ ion kim loại nặng từ nước thải bao gồm các công đoạn như kết tủa, tách qua màng, thẩm thấu ngược, bay hơi và xử lí điện hoá. Tuy nhiên, với những cách làm như vậy thì không hiệu quả đối với những nguồn nước thải có hàm lượng ion kim loại độc thấp. Hiện nay, người ta tìm cách hạ giá thành của qui trình bằng cách tìm những vật liệu có khả năng hấp thụ các ion kim loại độc này. Và Chitosan là chất đã làm được điều đó.
Sử dụng làm dung môi lọc
Bộ môn Công nghệ Chế Biến – Trường Đại học Thủy Sản và cộng sự đã nghiên cứu sử dụng Chitosan để tinh chế và nâng cao chất lượng Agar – Agar, giúp giải quyết khó khăn về công nghệ, đặc biệt là quá trình lọc thực hiện đễ dàng, giải quyết tồn tại chất lượng của Agar hiện nay.
Tạo kết cấu cho thực phẩm và tẩy màu
Ngoài ra Chitosan còn tạo kết cấu cho thực phẩm liên kết, ổn định mùi vị, loại bỏ chất chát tamin trong quả nhờ chất MCC (Mycre Cregslalline Chitine). Chitosan có tính tẩy màu mà không hấp thụ mùi và các thành phần khác nên người ta đã ứng dụng nó lên việc khử màu thức uống ở nồng độ 1 gam Chitosan bột cho 100ml nước uống.
Ứng dụng trong nông nghiệp
Bọc nang hạt giống: Năm 1987 Betech dã được cấp bằng sáng chế nhờ nghiên cứu ứng dụng của Chitosan trong việc bọc nang hạt giống để ngăn ngừa sự tấn công của nấm trong đất. Trong những vùng đất mà cây trồng thường bị nấm tấn công vào hệ rễ, nếu hạt giống được bọc nang bằng Chitosan sẽ nâng cao hiệu suất thu hoạch lên 80 % so với không dùng Chitosan.
Chitosan vi lượng: Chitosan vi lượng có tác dụng cố định phân bón, thuốc trừ sâu và kích thích tăng khả năng nẩy mầm của hạt.
Từ nghiên cứu ảnh hưởng của Chitosan vi lượng lên một số chỉ tiêu sinh lý. Sinh hoá của mạ lúa CR–205 trong điều kiện nhiệt độ thấp của Lê Thu Hiền và
Lê Thị Lan Oanh cho thấy Chitosan vi lượng làm tăng hàm lượng diệp lục tổng số từ 15,3 ÷ 43,9% và hàm lượng nitơ lên 14,9%, tăng amylata lên 71,3%, Catalatan lên 16,4÷24% và Peroxydata 10,5 ÷ 23,8%. Qua nghiên cứu về sinh trưởng của mạ lúa CR203 cho thấy: Cây mạ được xử lý Chitosan vi lượng có khả năng chống rét ở nhiệt độ từ 5оC ÷ 8oC. Ở nhiệt độ này cây mạ vẫn phát triển tốt và cho năng suất gần bằng năng suất lúa của cây mạ mọc trong điều kiện bình thường (to = 15 ÷ 19oC). Nếu ở nhiệt độ này mạ lúa được xử lý Chitosan vi lượng thì quá trình sinh trưởng và phát triển đều tăng so với đối chứng năng suất lúa tăng từ 21 ÷ 24%.
Ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác
- Trong công nghiệp dệt
Chitosan được dùng thay thế hồ tinh bột để hồ vải có tác dụng cố định hình in hoa, làm cho vải bóng, sợi bền chịu được cọ sát, bề mặt đẹp, bền trong kiềm và Acid.
Làm vải chịu nước, không bắt lửa: Hoà tan Chitosan trong dung dịch axit acetic loãng cùng với axetat nhôm và axit stearic thu được hỗn hợp. Hỗn hợp này đem sơn lên vải, khi khô tạo thành màng mỏng, chắc, bền, chịu nước và không bắt lửa. Vải này được sử dụng để sản xuất đồ bảo hộ lao động.
Ghép CoPolymer Chitosan 1,5% + HEMA CoPolymer Chitosan-PHEMA Tạo hạt dung dịch khâu mạch Chitosan 2% Sodium tripolyphotphate sục khí Nitơ chiếu xạ Co 60 Trypsin.
Làm sợi chitin, ngâm Chitosan trong dung dịch Na2SO4 bão hoà rồi đem kéo sợi, rửa trong nước ở nhiệt độ cao thu được giống sợi gai. Đem sợi này trộn với sợi Cellulose tỷ lệ 30% thu được sợi Chitin – Cellulose. Khả năng bắt màu thuốc nhuộm càng tăng khi ta tăng hệ sợi chitin.
- Trong công nghiệp giấy
Chitosan có tác dụng làm tăng độ bền của giấy, chỉ cần thêm trọng lượng bằng 1% trọng lượng của giấy thì sẽ làm tăng gấp đôi độ bền của giấy khi ẩm ướt, tăng độ nét khi in. Các loại giấy này dùng làm giấy vệ sinh, giấy in, túi giấy.
- Trong ngành phim ảnh
Phim Chitosan có độ nét rất cao, không tan trong nước, Acid. Độ cứng được cải thiện bằng cách tổng hợp đúc Chitosan, rồi xử lý phim bằng dung dịch Acid.
- Ứng dụng trong mỹ phẩm
Chitosan được sử dụng trong sản xuất kem chống khô da, do bản chất Chitosan cố định dễ dàng trên biểu bì da bởi những nhóm NH4.
Thường được các nhà khoa học gắn với những chất giữ nước hoặc những chất lọc tia cực tím. Vì vậy Chitosan là gạch nối giữa hoạt chất của kem và da.
1.8. TỔNG QUAN VỀ SỰ KEO TỤ VÀ TẠO BÔNG [2, 18]
Sự keo tụ và sự tạo bông là các quá trình hóa lý thường được sử dụng để tách các chất hòa tan và các chất màu trong nước hoặc nước thải.
Sự keo tụ là quá trình làm mất tính bền vững của hệ keo trong dung dịch, kết quả là sự tập hợp của các phần tử rất nhỏ lơ lửng thành khối lớn hơn do sự thay đổi tính chất lý hóa trên bề mặt của các phần tử này.
Sự tạo bông là quá trình liên kết của các phần tử nhỏ trong dung dịch thành khối lớn hơn nhờ các cầu nối ion hay Polymer.
1.8.1. Tính bền vững của các chất keo trong dung dịch
Các phần tử như Protein hòa tan, vi khuẩn, oxit kim loại... có thể lơ lửng trong dung dịch nếu tổng của lực solvate hóa và lực tương tác bề mặt giữa các phần tử lớn hơn trọng lực của chúng. Nói chung, trọng lực là không đổi đối với một hệ keo cho trước, song sự solvat hóa và lực tương tác giữa các phân tử phụ thuộc rất lớn vào tính chất lý hóa của dung dịch, tính chất bề mặt của các phần tử và kích thước của chúng. Kích thước các phần tử càng nhỏ, diện tích bề mặt của chúng càng lớn, do đó sự Solvate hóa tăng lên. Kết quả là hệ keo bền vững hơn.
Bề mặt của các hạt keo thường mang điện tích âm trong dung dịch có pH kiềm và mang điện tích dương trong dung dịch có pH Acid. Việc thêm vào các chất điện ly đa hóa trị (như CaCl2) hoặc các Polymer hữu cơ (như Chitosan) có thể làm mất tính bền vững của hệ keo. Các Polymer hữu cơ có phân tử lượng lớn thường được sử dụng để làm sạch nước và xử lí nước thải.
1.8.2. Tốc độ keo tụ - tạo bông
Quá trình keo tụ và tạo bông bao gồm tương tác giữa các phần tử với nhau. Sự tương tác giữa các phần tử có thể theo 3 cơ chế sau.
+ Sự chuyển động ngẫu nhiên do sự phân tán của các phần tử hay chuyển động Brown.
+ Gradient vận tốc chảy lớp cho phép các phần tử gần kề dòng chảy tương tác với nhau.
+ Tốc độ lắng khác nhau, trong đó các phần tử lắng chậm bị tương tác bởi các phân tử lắng nhanh hơn.
Tốc độ tập hợp của các phần tử được xây dựng dựa trên hai hệ quả sau:
+ Ban đầu các phần tử phân tán kiểu đơn lẻ, tức là ban đầu chúng có cùng kích thước.
+ Xác định tốc độ keo tụ - tạo bông giới hạn trong các khoảng thời gian ngắn mà đường kính của các phần tử thay đổi không nhiều.
Sự keo tụ theo chuyển động Brown có thể giải thích bằng động lực học và được biểu diễn bằng hàm sau:
2 (1) P dN d dt dN k N dt ν = − − = Trong đó: + N: nồng độ của các phần tử.
+ kP: hằng số tốc độ được tính theo công thức sau:
(2) 4 . 3 P P k κΤ = α µ Với: + κ: hằng số Boltzman (1,38.10−16 dyne.cm/°K). + µ: độ nhớt của nước (8,95.10-3 dyne.sec/cm2 ). + T: nhiệt độ tuyệt đối (oK).
+ Khi nhiệt độ nước ở 20oC thì αP = 1, tính được kP = 5.10−12cm3/s.
+ Hệ keo có các phần tử kích thước 1µm hay nhỏ hơn đều tuân theo công thức trên. Quá trình khuấy có thể làm tăng sự tập hợp do làm tăng sự va chạm giữa các phần tử. Sự tập hợp là kết quả của gradient vận tốc được gọi là tập hợp theo động lực học kiểu Ortho (Orthokinetic ). Quá trình tập hợp này có thể điều chỉnh bằng mức năng lượng đưa vào và được biểu diễn bằng hàm số sau:
dN d dt ν = − Mặt khác: 3 2 0 2 (3) 3 dN Gd N dt − = α Trong đó: + d : đường kính của các phần tử. + G: gradient vận tốc chính (sec-1).
+ α0: hiệu suất tương tác giữa các phần tử theo Orthokinetic (α0 ≤1).
Nếu thể tích của các phần tử rắn là không đổi trong quá trình tập hợp, thể tích riêng phần của các hạt keo φ, có thể tính bằng:
3 3 0 0 (4) 6d N 6d N π π ϕ = = Trong đó:
+ d0: là đường kính của các hạt ban đầu (trước khi tập hợp). + N0: là nồng độ ban đầu của các phần tử (trước khi tập hợp).
Từ phương trình (3) và (4) ta có được phương trình tốc độ lắng theo Orthokinetic
như sau: 0 4 (5) dN GN dt π − = α ϕ
Vậy tổng tốc độ của quá trình keo tụ - tạo bông do sự giảm nồng độ của các phần tử chất keo ở bất kì kích thước nào có thể được tính bằng tổng của phương trình (1) và phương trình (5).
1.9. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THU HỒI PROTEIN TRONG DỊCH THẢI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC [2]
1.9.1. Kết quả nghiên cứu ở Việt Nam
Trong những năm gần đây, ở nước ta đã bắt đầu có nhiều nghiên cứu về việc thu hồi Protein hòa tan trong dịch thải.
Tại trường ĐH Nha Trang, năm 2003 Đỗ Văn Ninh và cộng sự đã nghiên cứu thu Protein trong dịch thải bằng phương pháp dùng dung dịch Acid và dung dịch Base kết hợp với nâng nhiệt. Kết quả cho thấy hiệu suất thu hồi Protein là 1,21% khi pH = 6, là 1,76 khi pH = 5 ở nhiệt độ 800C. Năm 2005, nhóm cộng sự do TS.Trang Sĩ Trung hướng dẫn đã nghiên cứu thu hồi Protein trong nước rửa Surimi bằng cách điều chỉnh pH dịch thải về 4,5 sau đó sử dụng Chitosan kết hợp nâng nhiệt. Các nghiên cứu bước đầu đã cho kết quả khả quan.
Năm 2006, Lê Thanh Hải – ĐHQG Tp. Hồ Chí Minh – Đại học Bách Khoa, đã nghiên cứu tách Protein từ máu cá tra thải bỏ từ ngành công nghiệp chế biến thủy sản. Kết quả nghiên cứu cho thấy máu cá tra chiếm khoảng 1% thể trọng, Protein chiếm 87% chất khô. Bước đầu nghiên cứu thu hồi Protein từ dung dịch máu cá Tra loãng trong dòng thải cho thấy có thể dùng phương pháp kết tủa Protein bởi dung dịch đệm Acetate 0,1M; pH = 4, tỉ lệ 1/27 so với dung dịch máu, kết hợp gia nhiệt ở 630C trong thời gian 59 phút, đạt hiệu suất thu hồi Protein 91,47%.