Phần mở đầu gồm 3 trang, kết luận và kiến nghị gồm 1 trang, sử dụng 27 tài liệu tham khảo. Nội dung luận văn chia làm 3 chƣơng: Chƣơng 1 – Tổng quan, 24 trang Chƣơng 2 – Nguyên liệu và phƣơng pháp nghiên cứu, 11 trang Chƣơng 3 – kết quả và thảo luận, 24 trang Luan van 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về nguồn phế liệu vỏ tôm Đối với hầu hết các nƣớc, ngành thủy sản có vai trò quan trọng trong ngành kinh tế, đặc biệt đối với những nƣớc có vùng biển và vùng nƣớc nội địa phong phú. Nói về kinh tế biển không thể không nhắc đến vai trò, vị trí của ngành chế biến thủy sản.
Hiện nay, tôm là mặt hàng chế biến chủ lực của ngành thủy sản Việt Nam, chủ yếu là tôm đông lạnh. Theo báo cáo của bộ thủy sản năm 2016, tại các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long, sản lƣợng tôm sú ƣớc đạt 260 nghìn tấn, sản lƣợng tôm thẻ ƣớc đạt 390 nghìn tấn [15]. Tùy thuộc vào sản phẩm chế biến và sản phẩm cuối cùng, phế liệu tôm có thể lên tới 40-70% khối lƣơng nguyên liệu. Trong thành phần phế liệu tôm, phần đầu thƣờng chiếm khoảng 35-45% trọng lƣợng tôm nguyên liệu, phần vỏ chiếm 10 -15%, còn lại là các phế liệu khác.
Các thành phần chiếm tỉ lệ đáng kể trong đầu, vỏ tôm là chitin, protein, canxi cacbonat, lipit, sắc tố [5],… Trong những năm gần đây, nghề nuôi tôm thẻ chân trắng thƣơng phẩm phát triển mạnh, sản lƣợng chế biến ngày càng lớn nên nguồn phế liệu tôm thẻ trở thành nguyên liệu chính để sản xuất chitin, chitosan, nhất là các tỉnh miền trung. Vì vậy, nguồn phế liệu tôm thẻ đƣợc chúng tôi sử dụng trong đề tài nghiên cứu này. Tôm thẻ chân trắng có tên tiếng Anh: White Leg shrimp, tên khoa học: Penaeus vannamei, ngành: Arthropoda, lớp: Crustacea, bộ: Decapoda, họ: Fabricius, giống: Penaeus [19]. Tôm thẻ chân trắng Luan van 5 Phân bố chủ yếu ở Châu Mỹ La Tinh, Hawaii, hiện nay đƣợc nuôi ở rất nhiều nƣớc trên thế giới nhƣ: Đài Loan, Trung Quốc, Việt Nam [19],… 1.Tổng quan về chitin và chitosan 1.
Lược sử nghiên cứu chitin/ chitosan Năm 1811, chitin lần đầu tiên đƣợc phát hiện bởi Henri Braconnot – một nhà khoa học tự nhiên ngƣời Pháp, khi ông phân lập đƣợc từ một loại nấm [9]. Cho đến năm 1830, trên một bài báo về côn trùng học, tác giả của bài báo cũng ghi nhận chất này có trong lớp vỏ côn trùng và cái tên chitin lần đầu tiên đƣợc công bố. Tên gọi chitin theo tiếng Hi Lạp có nghĩa là lớp vỏ hay màng bao. Chitin là polysaccharide đầu tiên đƣợc con ngƣời tìm ra và nghiên cứu, thậm chí trƣớc cellulose 30 năm.
Năm 1843, Lasaigne tìm ra sự hiện diện của nguyên tố nitơ trong chitin. Rouget làm thí nghiệm cho chitin vào môi trƣờng kiềm, ông thu đƣợc chất có tính chất khác với chitin là khả năng hòa tan trong axit. Và tên chitosan đƣợc đặt tên cho sản phẩm deacetyl bởi Hoppe – Seiler. Trong một thời gian dài, nguồn chitin tự nhiên không đƣợc sử dụng cho đến gần đây, khi ngƣời ta càng phát hiện ra nhiều ứng dụng của các loại polymer là dẫn xuất của chitin nhƣ chitosan.
Chitin và chitosan đƣợc các nhà khoa học đi sâu nghiên cứu từ những năm 1970, Nhật Bản cũng nhƣ một số nƣớc Châu Âu đƣa chúng vào lĩnh vực thƣơng mại từ những năm 1990. Sự tồn tại của chitin Chitin là một polysacharit tồn tại trong tự nhiên với sản lƣợng rất lớn (đứng thứ hai sau xellulose). Trong tự nhiên chitin tồn tại trong cả động vật và thực vật.Trong động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng của các vỏ một số động vật không xƣơng sống nhƣ: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn.Trong động vật bậc cao monomer của chitin là một thành phần chủ yếu trong da nó giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thƣơng ở da. Trong thực vật chitin có ở thành tế bào nấm họ Zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo…[26].
Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua ghẹ,… hàm lƣợng chitin chiếm tỉ lệ cao, dao động từ 14-35% so với lƣợng khô [13]. Vì vậy, hiện nay vỏ tôm, cua ghẹ là nguồn chính để sản xuất chitin – chitosan. Luan van 6 Hình 1. Nguồn cung cấp chitin chủ yếu trong tự nhiên Từ kết quả nghiên cứu trƣớc đây, ta có thể biết đƣợc hàm lƣợng chitin trong vỏ của các loài động vật giáp xác đƣợc thể hiện trong bảng 1.
Hàm lƣợng chitin có trong vỏ của các loài động vật giáp xác Hàm lƣợng % CaCO3 % Protein % Chitin Nguồn Vỏ tôm 40,26 32,02 27,72 Nang mực 88,44 6,12 5,40 Tăm mực ống 4,74 46,23 49,00 Vỏ cua 66,58 16,60 16,73 Vỏ loài tép nhỏ 63,94 15,46 20,06 Từ bảng 1.1, ta thấy hàm lƣợng chitin trong tăm mực ống là nhiều nhất. Bên cạnh đó, vỏ tôm chứa một lƣợng α – chitin khá lớn (27,72%) do đó để sản xuất α – chitin ngƣời ta thƣờng chọn vỏ tôm, tăm mực làm nguyên liệu. Chiotosan đƣợc xem là polymer tự nhiên quan trọng nhất vì nó có hoạt tính sinh học cao và có nhiều ứng dụng đa dạng nhất trong thực tế. Việc sản xuất chitosan cũng đơn giản, không cần dùng hóa chất độc hại đắt tiền.
Chitosan thu đƣợc bằng cách deaxyl hóa chitin, trong đó nhóm ( -NH2) thay thế nhóm ( -NHCOCH3) Ở VỊ TRÍ C(2). Đặc điểm cấu tạo và tính chất của chitin, chitosan 1. Đặc điểm cấu tạo và tính chất vật lí của chitin Luan van 7 Đặc điểm cấu tạo phân tử và cấu trúc: Chitin có công thức phân tử: (C8H13O5N)n; phân tử lƣợng: M chitin = (203,09)n; ( giá trị n trong tôm thẻ từ 400 đến 500), đây là một loại polysaccharide mạch thẳng, nếu xem chitn là dẫn xuất của cellulose, thì trong nhóm –OH ở nguyên tử C(2) của cellulose đƣợc thay thế bằng nhóm –NHCOCH3. Nhƣ vậy chitin là poly ( N-acetyl- 2-amino-2-deoxy-β-D-glucopyranose), các mắt xích liên kết với nhau bởi các liên kết β-( 1,4) glucopyzit: Phân loại chitin: Chitin có cấu trúc tinh thể rất chặt chẽ và đều đặn.
Bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X, ngƣời ta đã chứng minh đƣợc chitin tồn tại ở ba dạng cấu trúc hình: α, β, γ- chitin. Các dạng này của chitin chỉ do sự sắp xếp khác nhau về hƣớng của mỗi mắt xích trong mạch. Nếu biểu diễn mỗi mắt xích này bằng một mũi tên sao cho phần đầu mũi tên chỉ nhóm –CH2OH, phần đuôi chỉ nhóm –NHCOCH3 thì các cấu trúc α, β, γ –chitin đƣợc mô tả nhƣ hình 1. Các dạng cấu trúc của chitin + Ở α –chitin ngoài ngoài liên kết hidro trong một lớp và chuỗi hệ nó còn có kết hidro giữa các lớp do các chuỗi thuộc lớp kề nhau nên rất bền vững.
α-chitin là dạng phổ biến nhất trong tự nhiên, nó có mặt trong dây cơ chằng, trong các loài nhuyễn thể, vỏ của cua và tôm, biểu bì của các loài côn trùng,… Luan van 8 + Ở β, γ –chitin, giữa các lớp không có loại liên kết hidro, do vậy β, γ –chitin có liên kết lỏng lẻo hơn α-chitin. Dạng β-chitin cũng có thể chuyển sang dạng α-chitin nhờ quá trình acetyl hoá cho cấu trúc tinh thể bền vững hơn, β-chitin hiếm gặp hơn α-chitin. - Tính chất vật lí Chitin là chất rắn màu trắng hoặc ngà, có cấu trúc lỗ xốp, cứng không đàn hồi, không mùi vị, và không tan trong hầu hết các dung môi, Chitin chỉ tan trong một số ít dung môi nhƣ N-N-dimetylacetamid có chứa 5–10% LiCl hay một số dung môi đã đƣợc flo hóa nhƣ hexafloacetone hay hexaflo-2-propanol với mức tan phụ thuộc vào nguồn gốc điều chế. Chitin có khả năng hấp thu tia hồng ngoại có bƣớc sóng 890-884 cm-1 [4].
Ngoài ra, do chitin có khối lƣợng phân tử lớn nên nó dễ bị cắt mạch làm giảm khối lƣợng trong phản ứng với kiềm đặc ở nhiệt độ cao, có khả năng phân hủy sinh học bởi nhiều loài sinh vật. Đặc điểm cấu tạo và tính chất vật lí của chitosan - Đặc điểm cấu tạo phân tử và cấu trúc: Khi thực hiện phản ứng deacetyl hóa chitin thu đƣợc chitosan, công thức phân tử của chotosan ứng với deacetyl hóa hoàn toàn: (C6H11O4N)n , khối lƣợng phân tử: Mchitosan = (161,07)n ( khoảng 10. Chitosan đƣợc cấu tạo từ các mắt xích D-glucosamine liên kết với nhau bởi các liên kết β-(1,4)-glycpzit, do vậy chitosan có thể gọi là poly-β-(1,4)-2-amino-2- desoxy-D-glucose hoặc β-(1,4)-D-glucosamine [21]. Công thức cấu tạo của chitosan: Do chitosan đƣợc điều chế từ sự khử nhóm acetyl trên các mắt xích của chitin, nên khối lƣợng phân tử của nó phụ thộc vào giá trị n, tỷ lệ phần trăm nhóm acetyl và cả điều kiện điều chế nó.
Để phân biệt chitin với chitosan, ta dựa vào khái niệm Luan van 9 độ deacetyl hóa: DDA ( degree of acetylation), là mức độ tách nhóm acetyl khỏi phân tử chitin và đƣợc tính bằng tỉ lệ phần trăm của số mắt xích chitosan sau phản ứng deacetyl với số mắt xích chitin ban đầu. Thông thƣờng khi đại phân tử có DDA < 50% gọi là chitin, DDA ≥ 50% gọi là chitosan [24]. Chất lƣợng của chitosan đƣợc đánh giá thông qua chất lƣợng chitosan của công ty Protan-Biopolymer là một trong những công ty lớn trên thế giới, các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng thấp nhất là: + Độ ẩm: 10% + Chất không hòa tan: 20% + Độ deacetyl: 70% + Hàm lƣợng tro: 1,5% + Độ nhớt: 200 cps Tính tan của chitosan trong dung dịch axit loãng tăng dần theo chiều tăng của tần số xuất hiện nhóm amin trong đại phân tử, nên cũng có khi ngƣời ta sử dụng đặc điểm này để phân biệt chitin với chitosan. Độ nhớt của chitosan cũng liên quan đến cấu trúc phân tử, nếu đọ nhớt thấp chứng tỏ chitosan có kích thƣớc nhỏ do bị cắt mạch trong quá trình deacetyl hóa [1].
- Tính chất vật lí Chitosan là chất rắn hình vẩy, màu trắng hoặc vàng nhạt, xốp, nhẹ, không mùi, không vị, tồn tại ở hai dạng: dạng tinh thể (50-60%) và dạng vô định hình. Nhiệt độ nóng chảy 309-3110C. Chitosan không tan trong nƣớc, dung dịch kiềm và axit đặc nhƣng tan trong môi axit loãng tạo dung dịch keo trong và có khả năng tạo màng tốt, tính tan của chitosan phụ thuộc nguồn gốc chitosan, và nồng độ và loại axit, một số axit ức chế tính tan của chitosan nhƣ axit sunfuric, axit photphoric, axit citric,… 1. Tính chất hóa học của chitin Chitin ổn định với các chất oxi hóa mạnh nhƣ thuốc tím (KMnO4); oxy già (H2O2); nƣớc javen ( NaOCl-NaCl)… Lợi dụng tính chất đó mà ngƣời ta sử dụng các chất oxy hóa trên để khử màu cho chitin.