CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về nguyên liệu 1. Tổng quan về chitosan Chitosan là một polysaccharide mạch thẳng, được cấu tạo từ các mắt xích D- glucosamine được kết nối với nhau thông qua liên kết -(14)-glucoside. Nó được tạo thành bằng cách xử lý chitin trong vỏ tôm, giáp xác khác bằng một chất có tính kiềm như là NaOH.
Ma trận tinh thể chitosan ba chiều bao gồm sự kết hợp của các liên kết hydro mạnh và lực liên kết của các nhóm chức acetyl (O=C), hydroxyl (-OH) và amine (-NH). Các nhóm chức này liên kết kiểu -NH…O=C và -OH…O=C bằng liên kết hydro [1].1: Cấu trúc Chitosan. Phản ứng deacetyl hoá tạo thành chitosan là quá trình loại bỏ các nhóm acetyl khỏi chitin và thay thế bằng các nhóm amine (-NH 2) và mức độ deacetyl hoá (DDA) xác định nồng độ của các nhóm amine tự do trong cấu trúc [2].2: Phản ứng deacetyl hoá Chitin thành Chitosan. Tổng quan về nguồn gốc chitosan Chitosan (Cs) là chitin được deacetyl hoá một phần hoặc hoàn toàn, bao gồm lượng dư 2-acetamono-2-deoxy--D-glucopyranose (GlcNac, A) và 2-animo-2-deoxy--D glucopyranose (GlcN, D), chitin (C8H13O5N)n là một polymer chuỗi dài của một N- Acetylglucosamine, một dẫn xuất của glucose.
Chúng là một dạng polysaccharid mạch thẳng gồm các tiểu phân N-acetyl-D-glucosamine kết hợp lại với nhau theo liên kết β (14) glycoside. Cấu trúc của chitin là poly[β-(14)-2-acetamido-2-deoxy-D- glucopyranose] [1].3: Cấu trúc hoá học của chitin. Chitin, có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp là “chiton” có nghĩa là lớp vỏ ngoài hay sự bao bọc, là một polysaccharide tự nhiên gồm các đơn vị monomers -(14)-N-acetyl-D- glucosamine. Chitin là polymer chứa nitơ, có màu trắng, cứng, không đàn hồi được tìm thấy trong bộ xương ngoài và trong cấu trúc bên trong của động vật không xương sống.
Việc sản xuất chitosan từ vỏ giáp xác là chất thải của ngành công nghiệp thực phẩm giúp tối ưu hoá về mặt kinh tế, giảm thải ô nhiễm môi trường. Nhược điểm của chitin là có ứng dụng hạn chế do có các nhóm acetyl, nhưng thông qua quá trình deacetyl hoá, chitin được chuyển thành chitosan. Trong quá trình deacetyl hóa, nhóm acetyl có trong chitin được chuyển thành nhóm hydroxyl (-OH) và amineo (-NH2). Việc sửa đổi các nhóm này có trong chitosan mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Có thể sửa đổi cấu trúc của chitosan bằng các phương pháp hóa học. Hầu hết các ứng dụng mới đều tập trung vào các đặc tính và sửa đổi các vật liệu tổng hợp của nó.4: Chitin dạng vảy. Các nguồn cung cấp chitin ở trong tự nhiên: - Động vật: Giáp xác, tôm, cua, vảy cá, nhuyễn thể, … - Côn trùng: Gián, nhện, bọ cánh cứng, kiến, … 4 - Vi sinh vật: Nấm, tảo nâu, bào tử, tảo lục, … Hình 1.55: Nguồn gốc Chitin. Tính chất của chitosan 1.
Tính chất vật lý Chitosan là vảy hoặc bột màu hơi vàng. Mức độ deacetyl hoá đóng vai trò quan trọng đối với Mw của chitosan. Mức độ deacetyl thấp thì trọng lượng phân tử cao, khi đó độ bền cơ học và độ bền hoá học sẽ lớn. Chitosan thuộc loại chất rắn vô định hình và chúng không tan trong nước, do liên kết hidro giữa các phân tử, hình thành từ các phân tử trung tính của chitosan [1].66: Hình dạng của chitosan: dạng vảy (bên trái), dạng bột (bên phải).
Chitosan không thể hoà tan trong nước nhưng có thể hoà tan trong acid hữu cơ như acid fomic hay acid acetic loãng, sau đó nó trở thành polymer cation do sự proton hoá 5 của các nhóm amine có sẵn trong phân tử. Tuy nhiên chitosan lại không tan trong dung dịch acid acetic đậm đặc, do ở nhiệt độ cao acid acetic đậm đặc có thể gây ra phản ứng khử trùng hợp của chitosan. Khả năng hoà tan của chitosan trong dung dịch acid loãng phụ thuộc vào mức độ deacetyl hoá. Tính chất này có thể được sử dụng để phân biệt giữa chitin và chitosan.
Mức độ deacetyl hoá phải đạt ít nhất 85% để đạt được độ hoà tan mong muốn. Các tính chất của dung dịch chitosan không chỉ phụ thuộc vào độ deacetyl hoá trung bình mà còn phụ thuộc vào sự phân bố các nhóm acetyl dọc theo mạch, nồng độ cũng như loại acid làm dung môi. Phân tử khối Chitosan và các dẫn xuất của nó đang được sử dụng nhiều trong đời sống, những đặc tính của những vật liệu này được phát hiện là phụ thuộc vào DDA, độ kết tinh và Mw của chúng. DDA và Mw của chitosan bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, thời gian và áp suất của quá trình deacetyl hóa chitosan.
Quá trình trong quá trình xử lý kiềm. Mw trung bình của chitosan là ~500 kDa với 100% deacetyl hóa đạt hiệu quả cao bằng cách rửa liên tục sản phẩm trung gian bằng nước DDA. DDA tăng nhanh lên khoảng 68% trong giờ đầu tiên xử lý bằng kiềm (50% o NaOH) ở 100 C và tiếp tục tăng dần chậm theo thời gian. Có một số phương pháp được sử dụng để tính Mw, chẳng hạn như tán xạ ánh sáng, sắc ký thấm gel (GPC), và máy đo độ nhớt mao quản.
Phương pháp đo độ nhớt mao quản là phương pháp đơn giản nhất và được sử dụng rộng rãi nhất để xác định Mw của chitosan. Trong quá trình phân tích, máy đo độ nhớt mao quản loại Ubbelohde được sử dụng để đo o thời gian chảy của dung dịch chảy qua ống mao dẫn ở 25 C. Các dung dịch có độ nhớt khác nhau của chitosan được sử dụng ở các nồng độ khác nhau từ 0,00125% đến 0,15% trong acid acetic 0,1 M 0,2 M Các dung dịch NaCl. Nhớt kế được đổ đầy mẫu và được o cân bằng trong nồi cách thủy ở 25 C.
Thời gian chảy của dung dịch và dung môi được đo để tính độ nhớt tương đối. Phương trình Mark Houwink Sakurada đưa ra dưới đây cung cấp mối quan hệ giữa độ nhớt nội tại (η) và Mw [3]: [η] = K x [Mw]a = 3,04 x 10-5[Mw]1,26 Dựa trên Mw, chitosan được phân loại thành ba loại khác nhau, đó là chitosan khối lượng phân tử thấp (LMWC; <50 kDa), chitosan khối lượng phân tử trung bình 6 (MMWC; 50 – 250 kDa) và chitosan trọng lượng phân tử cao (HMWC; >250 kDa LMWC có khả năng kháng khuẩn và kháng nấm, kháng u, chuyển hóa lipid,. Ngoài ra, Mw cũng đóng một vai trò quan trọng trong các đặc tính lưu biến của biopolymer. Nó tác động trực tiếp đến sự phát triển của vật liệu sinh học dựa trên chitosan.
HMWC được sử dụng trong màng chitosan bậc bốn với đặc tính hòa tan trong nước và loại bỏ gốc tự do [1]. Độ nhớt Chitosan là dẫn xuất đã được deacetyl hóa được biết đến nhiều nhất của chitin, vì một trong những tính chất độc đáo của nó là chitosan có đa chức khi hòa tan trong dung dịch acid (giá trị pKa = 6,0). Do đó, chất tạo màng sinh học này rất hữu ích khi ứng dụng trong công nghiệp và y sinh. Khi hòa tan chitosan trong dung dịch aicd loãng, nó tạo ra một dung dịch nhớt.
Độ nhớt của dung dịch chitosan liên quan đến Mw, DDA, nồng độ, pH và nhiệt độ của dung dịch [1]. Độ nhớt của dung dịch chitosan, ở cấp độ phân tử, là thước đo trực tiếp thể tích của các phân tử polyme, lần lượt được điều chỉnh bởi kích thước phân tử hoặc chiều dài mạch. Độ nhớt của dung dịch polyme được đo rộng rãi bằng nhớt kế mao quản và giá trị của nó được sử dụng để xác định Mw trung bình của polyme bằng cách sử dụng phương trình Mark Houwink. Độ nhớt [η] có thể được xác định theo công thức sau [1]: (η − ηs) [η] = ηsC Độ nhớt và độ chảy của các dung dịch đậm đặc của chitosan với các mức deacetyl hóa khác nhau là khác nhau.
Độ nhớt và tính chất dòng phi Newton của các dung dịch tăng lên khi tăng DDA của chitosan. Mặt khác, muối bổ sung làm giảm độ nhớt và tính chất chảy phi Newton của dung dịch chitosan. Ứng dụng của chitosan Chitosan có ứng dụng trong nhiều trong các lĩnh vực khác nhau, từ lĩnh vực nông nghiệp đến các lĩnh vực công nghệ cao như là công nghệ sinh học và công nghệ nano. Với các nhóm chức như hydroxyl và các nhóm amine, chitosan có thể được sửa đổi bằng các phản ứng hóa học được kiểm soát.
Chúng cũng được sử dụng để thay đổi các đặc tính vật lý của dung dịch. Tùy vào lĩnh vực ứng dụng mà người ta sử dụng chitosan ở các mức độ tinh sạch khác nhau [1].77: Một vài ứng dụng của chitosan. Ứng dụng trong y sinh Hầu hết các mô sống đều mang điện tích âm, nhưng chitosan lại mang điện tích dương nên bị hút vào các mô, da, xương và tóc. Bề mặt bên ngoài của hầu hết các vi khuẩn cũng mang điện tích âm.
Do đó, khả năng liên kết của chitosan là một đặc tính quan trọng đối với tất cả các loại tế bào sống cũng như các ứng dụng y sinh. Ứng dụng y sinh của chitosan cũng phụ thuộc vào các đặc tính sinh học của nó như trong Hình 1. Các hạt chitosan có thể dễ dàng hình thành với nhiều độ xốp và kích cỡ khác nhau. Các hạt của nó thích hợp để phân phối thuốc và cố định enzym và tế bào [4].88: Một số ứng dụng y sinh của chitosan.
Chitosan có đặc tính sinh học đặc biệt, tái tạo mô, kháng khuẩn, chống viêm và cầm máu. Các ứng dụng y sinh của chitosan có liên quan đến các đặc tính quan trọng nhất 8 của nó: tính tương hợp sinh học và khả năng phân hủy sinh học. Tính tương hợp sinh học liên quan trực tiếp đến độc tính tế bào của vật liệu. Phương pháp nuôi cấy tế bào là cách đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất để nghiên cứu cả độc tính và tương tác giữa chitosan với tế bào.
Bao bì thực phẩm Chitosan có các nhóm cationic trên mạch của nó. Nó cho thấy đặc tính kháng khuẩn chống lại vi khuẩn, nấm men, nấm mốc và nấm [5]. Chitosan hoạt động như một chất chống vi khuẩn. Bản chất đa ion (điện tích dương) của chitosan can thiệp vào quá trình trao đổi chất của vi khuẩn bằng cách xếp chồng tĩnh điện (điện tích âm) ở bề mặt tế bào.
Chitosan với Mw thấp sẽ đi vào nhân tế bào và ngăn chặn quá trình phiên mã RNA từ DNA do sự hấp phụ vào các phân tử DNA. Hơn nữa, xử lý bằng chitosan cung cấp khả năng bảo vệ chống lại vi sinh vật.99: Trái cây được và không được bảo quản bằng chitosan. Chitosan có đặc tính tạo màng tuyệt vời hoặc các màng bán thấm khí. Được biết, những loại màng này có độ thấm oxy thấp.