Mở đầu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu Chương 4: Kết quả và bàn luận Chương 5: Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Tổng quan về kén tằm Kén là lớp vỏ bên ngoài của con tằm, là một tổ hợp tơ tằm phi nhân tạo có nhiều lớp, đóng vai trò như một rào chắn che phủ và giảm thiểu sự xâm nhập của thiên địch (động vật, chim, côn trùng, …) hoặc các yếu tố bên ngoài (gió, mưa, tia cực tím, …). Hơn nữa, cấu trúc phân cấp của kén mang lại sự bảo vệ mạnh mẽ nhất cho nhộng tằm cho đến khi chúng trưởng thành và phát triển thành bướm. Người ta cho rằng cái kén này phát triển không chỉ để bảo vệ chống lại các mối đe dọa khác nhau mà còn đồng bộ hóa môi trường như loại bỏ sự hấp thụ nước hoặc điều chỉnh dòng khí như oxy và carbon dioxide cho nhộng khi chúng phát triển [8].
Kén tằm được sản xuất bởi loài tằm Bombyx mori - một loài côn trùng chuyển hóa toàn phần được nhóm lựa chọn để nghiên cứu bởi vì những đặc tính tốt của nó (sợi chắc, dễ tháo gỡ, …). Đó là một chuỗi hai sợi liên tục để tạo nên kén, tạo điều kiện tối ưu cho ấu trùng biến thành sinh trưởng. Về mặt kỹ thuật, sợi tơ bao gồm một cặp sợi không tan trong nước gọi là fibroin kỵ nước, được kết nối bằng một chất dẻo có khung không rõ ràng gọi là sợi ưa nước sericin và các amino acid như glutamic acid, valine và aspartic acid (các amino acid này quyết định độ đàn hồi và độ bền của kén) [9]. Các protein tơ này được các tế bào cơ quan của kén tổng hợp ngay lập tức khi chúng đưa vào trong lòng kén nơi xảy ra quá trình sản xuất sợi tơ.
mori có độ dày lớn, độ bền thấp nhưng độ bền kéo cao và cấu trúc lớp được phân loại cụ thể song song với hướng bề mặt với sự kết nối chất keo giữa chúng. Độ bền của các lớp xen kẽ tỷ lệ với khoảng cách giữa các lớp; liên kết giữa các lớp càng mạnh thì khả năng hình thành cấu trúc không dệt ba chiều càng kém [8]. Tổng quan về sericin 2. Tính chất hoá học Sericin là một polymer sinh học tự nhiên, thân thiện với môi trường, giàu protein và có khả năng phân hủy sinh học, thu được dưới dạng sản phẩm phụ từ ngành công nghiệp tơ lụa.
Sericin có nhiều ứng dụng hữu ích trong nhiều lĩnh vực khác nhau như mỹ phẩm, thực phẩm, y tế, màng, vật liệu sinh học, … Do đó, nó được thu hồi dưới phụ phẩm từ tơ tằm hoặc của ngành công nghiệp tơ lụa bằng nhiều phương pháp chiết xuất khác nhau. 4 Sericin là một đại phân tử có tính ưa nước cao. Hơn nữa, nó còn chứa hydroxyl phân cực, carboxyl và 18 amino acid trong đó có các amino acid thiết yếu (serine, aspartic acid và glycine là ba loại đáng kể nhất) (bảng 2. Sericin có dạng hình cầu có dạng xoắn β ngẫu nhiên với trọng lượng phân tử khoảng 10 đến 400 kDa.
Đặc tính sinh học của sericin bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi thành phần hữu cơ, độ hòa tan và sự sắp xếp cấu trúc của các nhóm hóa học phân cực bên trong nó; mặt khác, việc tạo sự kết nối với polymer khác cũng được phép thông qua liên kết ngang, đồng trùng hợp hoặc pha trộn, từ đó giúp tăng cường độ bền cơ học của vật liệu sinh học dựa trên sericin. Hơn nữa, nó có thể được kết hợp để tạo thành các hydrogel, màng, bọt biển, hạt và sợi [11] Bảng 2. Thành phần amino acid của sericin [12] Amino acid Sericin (%) Glycine (G) 13.5 Sericin trong tằm có thể được chia thành ba phần cụ thể: sericin A (lớp ngoài cùng), sericin B và sericin C.2 % nitrogen và amino acid. Ở lớp trung tâm, hàm lượng nitrogen 5 khoảng 16.8 % bao gồm sericin B và các amino acid cấu thành nên sericin A.
Sericin C thuộc lớp trong cùng; lớp này chưa chủ yếu là chất xơ và cũng không hòa tan trong nước ở nhiệt độ cao; hơn nữa, sericin C có thể được tách ra khỏi fibroin bằng cách xử lý bằng acid hoặc kiềm nóng loãng [11, 13]. Mặc dù không có nhiều tác dụng trong lĩnh vực dệt may, sericin đã được đề cập đến như một yếu tố tiềm năng trong lĩnh vực y sinh do có nhiều đặc tính sinh học như khả năng tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học, khả năng tương thích miễn dịch, chống viêm, chống vi khuẩn, chống oxy hóa, chống đông máu, thúc đẩy sự phát triển và biệt hóa tế bào. Tính chất vật lý Độ hoà tan Sericin là một protein hòa tan có tính ưa nước mạnh, nhất là trong nước nóng. Vị trí của sericin trong sợi tơ quyết định độ hòa tan của nó, nếu sericin tồn tại ở lớp ngoài cùng của sợi thì nó sẽ tan nhiều nhất trong nước ấm vì nó là sericin A; mặt khác, sericin B có tính tương thích và ổn định hơn trong nước nóng.
Ngoài vị trí của sericin, cấu hình của sericin còn ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của nó. Cấu trúc vòng bất thường là sự biến đổi nguyên tử phụ của sericin có thể hòa tan nhanh chóng, trong khi dạng xoắn β có cấu trúc tinh thể dẫn đến sự thoái hóa trong dung môi [14, 15]. Khả năng tạo gel Sericin, một loại protein tơ tằm, sở hữu cấu trúc phân tử đặc biệt với nhiều nhóm chức, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành các liên kết yếu như liên kết hydro và tương tác van der Waals. Khi ở trong điều kiện thích hợp về pH, nhiệt độ và nồng độ muối, các phân tử sericin có khả năng tự lắp ráp và tạo thành một mạng lưới ba chiều ổn định, hình thành gel.
Cơ chế tạo gel của sericin được cho là liên quan đến sự biến tính một phần của protein, làm lộ ra các vùng kỵ nước và các nhóm chức bên trong phân tử. Các vùng kỵ nước này tương tác với nhau, tạo thành các micelle hoặc các hạt nhỏ, sau đó kết hợp lại thành một mạng lưới liên kết. Đồng thời, các nhóm chức năng như hydroxyl và carboxyl tham gia vào việc hình thành liên kết hydro, góp phần tăng cường độ bền của gel. Khả năng tạo gel của sericin phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm: • Nguồn gốc sericin: Sericin từ các giống tằm khác nhau có thành phần amino acid và cấu trúc khác nhau, dẫn đến sự khác biệt về khả năng tạo gel.
6 • Điều kiện xử lý: Các phương pháp xử lý sericin như thủy phân, biến tính bằng nhiệt hoặc hóa chất có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và chức năng của protein, từ đó ảnh hưởng đến khả năng tạo gel. • Các yếu tố môi trường: pH, nhiệt độ, nồng độ muối, lực ion và các chất phụ gia đều có thể ảnh hưởng đến quá trình tạo gel và tính chất của gel sericin. Trọng lượng phân tử Trọng lượng phân tử của sericin tơ nằm trong khoảng từ 10 - 400 kDa do sự biến đổi cấu trúc của nó; tuy nhiên, dữ liệu này tương đối phụ thuộc vào phương pháp trích ly [5]. Khi sử dụng dung dịch sodium deoxycholate 1% để kết tủa sericin, sau đó thêm một lượng tương tự dung dịch trichloroacetic acid 10%, thu được các phân tử sericin có khối lượng phân tử trong khoảng từ 17100 đến 18460 Da.
Sericin được trích ly bằng nước nóng cho thấy trọng lượng nguyên tử 24000 Da bằng phương pháp điện di trên gel; với kỹ thuật sấy phun sericin trọng lượng phân tử nằm trong khoảng 5000 - 50000 Da; 300 - 10000 Da đối với các chất xúc tác và 50000 Da khi bị hoà tan bởi dung dịch urea ở 100 oC. Sericin thu được bằng cách trích ly trong dung môi kiềm có phân bố trọng lượng phân tử từ 15 - 75 kDa. Hơn nữa, tính chất hóa học và sinh học của sericin được phản ánh mạnh mẽ bởi sự đa dạng về trọng lượng phân tử của nó [17] Phổ hấp thụ của sericin Trong vùng tia cực tím, liên kết peptide và các acid có vòng thơm được cho là có tác động mạnh mẽ đến cách protein hấp thụ. Serine trong sericin, có hàm lượng lớn nhất, có chứa các nhóm hydroxyl phân cực mạnh, chịu trách nhiệm cho khả năng hấp thụ bước sóng của sericin [18].
Ngoài serine thì còn các amino acid khác như tyrosine, tryptophan và phenylalanine. Ứng dụng của sericin Bao gói thực phẩm Có rất nhiều thử nghiệm nghiên cứu đầy triển vọng các loại bao bì thực phẩm tự nhiên - màng phân hủy sinh học để thay thế các polymer tổng hợp thông thường nhằm giảm thiểu tác động mạnh mẽ đến môi trường vì chúng không thể phân hủy sinh học và không thể tái tạo. Thay vì sử dụng các polymer vô cơ, các polymer sinh học có đặc tính, chức năng phù hợp được chiết xuất từ nhiều nguồn tự nhiên khác nhau. Polymer sinh học được loại bỏ khỏi nguyên liệu thô, chẳng hạn như protein, lipid và polysaccharide để thay thế các polymer tổng hợp.
Hơn nữa, màng làm từ các polymer sinh học có thể nâng cao chất lượng thực phẩm và kéo dài thời gian bảo quản [19]. 7 Các đặc tính của sericin như khả năng phân hủy sinh học, khả năng tương thích sinh học, tính kháng khuẩn và chất chống oxy hóa làm cho nó phù hợp và thích nghi với cơ thể con người. Tuy nhiên, độ bền kéo yếu của nó hạn chế việc bổ sung vào bao bì thực phẩm, vì sự tự tổng hợp được kích thích của sericin gây ra độ bền kéo yếu. Hơn nữa, sericin được biết đến là một polymer ưa nước, do đó không thoải mái trong điều kiện nhiều nước.
Bên cạnh đó, có những đặc tính cụ thể khiến sericin trở thành yếu tố tiềm năng như tính thấm dầu, độ ẩm, khả năng truyền ánh sáng, độ trương nở, độ trong suốt và khả năng hòa tan trong màng [20]. Theo báo cáo của Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA), protein hình cầu sericin và các dẫn xuất của nó được đưa vào danh sách an toàn, không xảy ra trường hợp dị ứng và không có tác dụng gây độc tế bào như một thành phần của mỹ phẩm [21]. Hơn nữa, ái lực và tính chất hóa học của màng sericin bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi tính phân cực của sericin. Độ ẩm của màng cao hơn do loại phân cực cao hơn được sử dụng.
Mặt khác, sự tích tụ sericin hydrolase trong màng vừa làm giảm độ ẩm vừa làm giảm trọng lượng phân tử dẫn đến tăng cường khả năng thấm hơi nước.