Chương 1. Tổng quan tài liệu ( 22 trang) Chương 2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu (8 trang) Chương 3. Kết quả và thảo luận ( 33 trang) SVTH: Phạm Thị Gái Trang 3 Luan van CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.
Tổng quan về chitin/chitosan 1. Nguồn gốc và sự tồn tại của Chitin/chitosan trong tự nhiên Về mặt lịch sử, Chitin được Braconnot nhà Khoa học tự nhiên người Pháp, được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1811 trong cặn dịch chiết của một loại nấm và đặt tên là “fungine” để ghi nhớ nguồn gốc tìm ra nó. Năm 1823 Odier phân lập được một chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi là chitin hay “ chiton”, tiếng Hy Lạp có nghĩa là lớp vỏ giáp, nhưng ông không phát hiện ra sự có mặt của nitơ trong đó. Cuối cùng cả Odier và Braconnot đều cho rằng cấu trúc của chitin giống cấu trúc của cellulose.[20] Vào năm 1950, người ta đã sử dụng tia X để phân tích nằm nghiên cứu sâu hơn sự hiện diện của chitin trong nấm và thành tế bào.
Trong động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng của các vỏ một số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn. Trong động vật bậc cao monome của chitin là một thành phần chủ yếu trong mô da nó giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da. Ngoài ra, trong thực vật chitin có ở thành tế bào nấm họ Zygenmycetas, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo… Chitin là một polysaccharide tồn tại trong tự nhiên với sản lượng rất lớn đứng thứ hai sau cellulose, hình thái tự nhiên ở dạng rắn. Do đó, các phương pháp nhận dạng chitin, xác định tính chất, và phương pháp hóa học để biến tính chitin cũng như việc sử dụng và lựa chọn các ứng dụng của chitin gặp nhiều khó khăn.
[14] Còn chitosan chính là sản phẩm biến tính của chitin. Chitosan cũng được xem là một polymer tự nhiên quan trọng nhất. Với đặc tính có thể hòa tan tốt trong môi trường acid, chitosan được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm… Giống như cellulose, chitosan là một chất xơ, không giống chất xơ thực vật, chitosan có khả năng tạo màng , có các tính chất của cấu trúc quang học… SVTH: Phạm Thị Gái Trang 4 Luan van Chitosan là polymer không độc, có khả năng phân hủy sinh học và có tính tương thích về mặt sinh học. Trong nhiều năm qua, các polymer có nguồn gốc từ chitin đặc biệt là chitosan đã được chú ý đặc biệt như là một loại vật liệu mới có ứng dụng đặc biệt trong công nghiệp dược, y học, xử lý nước thải và trong công nghiệp thực phẩm như là tác nhân kết hợp, gel hóa, hay tác nhân ổn định…[8] Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin – chitosan chiếm khá cao dao động từ 14 – 35% so với lượng trọng khô.
Vì vậy, vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin – chitosan. Công thức cấu tạo 1. Cấu trúc hóa học của chitin Chitin là một polysaccharide mạch thẳng, được tạo thành từ các đơn vị N-acety- D-glucosamine liên kết với nhau bởi liên kết β- (1-4) glucoside. Tên gọi của chitin: Poly(1-4)-2-acetamido-2deoxy-D-glucopyranose.
Công thức cấu tạo chitin được thể hiện dưới hình sau: Hình 1. Công thức cấu tạo của chitin [ Nguồn Internet] Chitin có cấu trúc tinh thể rất chặt chẽ và đều đặn. Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta có thể chứng minh được chitin tồn tại ở 3 dạng cấu hình: α, β, γ – chitin. Các dạng này của chitin chỉ do sự sắp xếp khác nhau về hướng của mỗi mắt xích (N-acetyl-D-glucosamin) trong mạch.Có thể biểu diễn mỗi mắt xích này bằng mũi tên chỉ nhóm –CH2OH, phần đuôi chỉ nhóm –NHCOCH3, thì các cấu trúc α, β, γ – chitin được mô tả như sau: α – chitin β – chitin γ – chitin SVTH: Phạm Thị Gái Trang 5 Luan van α – chitin là dạng phổ biến nhất trong tự nhiên, có cấu trúc các mạch được sắp xếp ngược chiều nhau đều đặn, nên ngoài liên kết hydro trong một lớp học và hệ chuỗi, nó còn có liên kết hydro giữa các lớp do các chuỗi thuộc lớp kề nhau nên rất bền vững.
Do các mắt xích sắp xếp đảo chiều, xen kẽ thuận lợi về mặt không gian và năng lượng. [14] β, γ – chitin do mắt xích ghép với nhau theo kiểu song song (β – chitin) và hai song song một ngược chiều (γ – chitin), giữa các lớp không có loại liên kết hydro. Dạng β – chitin cũng có thể chuyển sang dạng α – chitin nhờ quá trình acetyl hóa cho cấu trúc tinh thể bền vững hơn. Cấu trúc hóa học của chitosan Chitosan là dẫn xuất đề acetyl 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-glucosamine liên kết với nhau bởi các liên kết β- (1-4) glucoside, do vậy chitosan có thể gọi là poly β- (1-4)-2-amino-2-deoxi-D-glucose hoặc là poly β-(1-4)-D-glucosamin (cấu trúc III). Công thức cấu tạo của chitosan Tuy nhiên, trên thực tế thường có mắt xích chitin đan xen trong mạch cao phân tử chitosan (khoảng 10%). Vì vậy công thức chính xác của chitosan được thể hiện như sau: [ Nguồn Internet] SVTH: Phạm Thị Gái Trang 6 Luan van Trong đó tỷ lệ m/n phụ thuộc vào mức độ deacetyl hóa. Tính chất vật lý của chitin/chitosan 1.
Tính chất vật lý của chitin Chitin có màu trắng, không tan trong nước, trong kiềm, trong acid loãng và các dung môi hữu cơ khác như ete, rượu… Tính không tan của chitin là do chitin có cấu trúc chặt chẽ, có liên kết trong và liên phân tử mạnh thông qua các nhóm hydroxyde và acetamide. Tuy nhiên, β –chitin có tính trương nở với nước cao. Chitin bị hòa tan bởi dung dịch acid đậm đặc như HCl, H3PO4 và dimethylacetamide chứa 5% lithiumchoride. Chitin có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại ở bước sóng 884÷890 cm.
Chitin là một polysaccharide nguồn gốc tự nhiên, có hoạt tính sinh học cao, có tính hòa hợp sinh học và tự phân hủy trên da. Chitin bị men lysozyme, một loại men chỉ có ở cơ thể người, phân giải thành monome N-acetyl-D-glucosamine.[8] Chitin có cấu trúc rắn chắc hơn các polymer sinh học khác. Độ rắn cao của chitin sẽ thay đổi theo từng loại chitin được chiết từ các nguyên liệu khác nhau. Tính chất vật lý của chitosan Là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ theo các kích cỡ khác nhau.
Chitosan có tính kiềm nhẹ, có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi vị, không tan trong nước, dung dịch kiềm và acid đậm đặc nhưng tan trong acid acetic loãng (pH = 6), tạo dung dịch keo trong, có khả năng tạo màng tốt. Nhiệt độ nóng chảy 309 – 3110C. Chitosan có tính chất cơ học tốt, không độc,dẽ tạo màng, có thể tự phân hủy sinh học, có tính hòa hợp dinh học cao với cơ thể. Ngoài ra, màng chitosan cũng khá dai, khó xé rách, có độ bền tương đương với một số chất dẻo vẫn được dùng làm bao thực phẩm.
Do là một polycationic mang điện tích dương (pH< 6.5) nên chitosan có khả năng bám dính trên các bề mặt có điện tích âm như protein, acid béo và phospholipid nhờ sự có mặt của nhóm amino (NH2).[14] SVTH: Phạm Thị Gái Trang 7 Luan van Chitosan và các dẫn xuất của chúng đều có tính kháng khuẩn, như ức chế hoạt động của một số vi khuẩn như E.coli, diệt được một số loại nấm hại dâu tai, cà rốt, đậu và có tác dụng tốt trong bảo quản các loại rau quả có vỏ cứng bên ngoài. Tính chất hóa học của chitin/ chitosan 1. Tính chất hóa học của chitin Chitin tồn tại rất hiếm ở trạng thái tự do và hầu như luôn luôn liên kết đồng hóa trị với các protein, CaCO3 và các chất hữu cơ khác. Chitin tương đối ổn định với các chất oxy hóa, như thuốc tím (KMnO4 ), nước oxy già (H2O2), nước Javen,… lợi dụng tính chất này để khử màu chitin bằng các chất oxy hóa trên.
Phản ứng thủy phân xảy ra hoàn toàn xảy ra khi đun nóng chitin trong HCl đậm đặc sẽ thu được glucosamine. Quá trình thủy phân xảy ra đầu tiên ở cầu nối glucoside sau đó loại nhóm acetyl (-COCH3). Khi đun nóng chitin trong dung dịch NaOH đậm đặc thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan. Chitin + n NaOHđđ → chitosan + nCH3COONa Phản ứng este hóa: - Chitin tác dụng với HNO3 đậm đặc cho sản phẩm chitin nitrat.
- Chitin tác dụng với anhydride sunfuric trong pyridin, dioxan và N,N- dimetylanilin cho sản phẩm chitin sunfonat. Từ thế kỷ trước các nghiên cứu về việc hấp thu, tạo phức với kim loại nặng đã được thực hiện. Chitin có thể tạo phức với nhiều kim loại như đồng, chì, crom… 1. Tính chất hóa học của chitosan Trong phân tử chitin/chitosan có chứa các nhóm chức -OH, -NHCOCH3 trong các mắt xích N-acetyl-D-glucosamine và nhóm -OH, -NH2 trong các mắt xích D- glucosamine có nghĩa chúng vừa là ancol, vừa là amin và vừa là amit.
Phản ứng hóa học có thể xảy ra ở vị trí nhómchức tạo ra dẫn xuất thế -OH, dẫn xuất thế N-, hoặc dẫn xuất thế O, N-.[14] SVTH: Phạm Thị Gái Trang 8 Luan van Mặt khác, chitin/chitosan là những polymer mà ccá monomer được nối với nhau bởi các liên kết β-(1-4)-glucoside; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hóa học như: acid, base, tác nhân oxy hóa và các enzyme thủy phân. Các phản ứng của nhóm –OH [14] - Dẫn xuất sunfat. - Dẫn xuất O-acyl của chitin/chitosan. - Dẫn xuất O-tosyl hóa chitin/chitosan.
Phản ứng ở vị trí -N [14] - Phản ứng N-acetyl hóa chitosan. - Dẫn xuất N-sunfat chitosan. - Dẫn xuất N-glycochitosan (N-hidroxy-etylchitosan). - Dẫn xuất acroleylen chitosan.
Phản ứng xảy ra tại vị trí O, N [14] - Dẫn xuất O, N-cacboxymetylchitosan. - Dẫn xuất N, O-cacboxychitosan. - Phản ứng cắt đứt liên kết β-(1-4)-glucoside. - Chitosan phản ứng với acid đậm đặc tạo muối khó tan.
- Chitosan tác dụng với iod trong môi trường H2SO4 cho phản ứng lên màu tím. Đây là phản ứng dùng trong phân tích định tính chitosan. Khả năng hấp phụ tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp Trong phân tử chitin/chitosan và một số dẫn xuất của chitin có chứa các nhóm chức mà trong đó các nguyên tử oxi và nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa dùng, do đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+… tùy nhóm chức trên mạch polymer mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau.