Đặt vấn đề Chitosan là một polisaccharide tự nhiên, là dẫn xuất từ quá trình chiết acetyl của chitin. chitin là thành phần cấu trúc chính vỏ tôm, cua, là một polymer sinh học có nhiều trong tự nhiên, đặc biệt ở Việt Nam có bờ biển dài, nhiều sông suối. chitosan không độc, có khả năng tự phân hủy sinh học cao, là chất ăn đƣợc. chitosan mang điện tích dƣơng, có ái lực cao với các axit mang điện tích âm, tƣơng tác với các thành phần polianion của vách tế bào vi sinh vật, kết hợp DNA, gắn kết gây đông tụ, kết tủa tế bào vi khuẩn Do đó, chitosan có tính kháng khuẩn, kháng nấm rộng, làm con ngƣời trẻ lâu, hoạt hóa tế bào cơ thể, gia tăng khả năng miễn dịch, giải độc, bảo vệ gan trong cơ thể.
Đặc biệt hạt nano chitosan có kích thƣớc nano, có nhiều ƣu điểm nhƣ diện tích tiếp xúc và điện tích dƣơng lớn hơn chitosan, do đó có tiềm năng tăng cƣờng hoạt tính sinh học, trong đó có hoạt tính kháng khuẩn. Vì vậy, việc nghiên cứu tạo hạt nano nhằm tăng cƣờng tính kháng khuẩn của chitosan ứng dụng trong bảo quản thực phẩm là vấn đề cấp thiết hiện nay. Trong thời gian gần đây nano chitosan đƣợc quan tâm nghiên cứu và có nhiều ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp thực phẩm (thu hồi protein, thực phẩm chức năng, màng bao thực phẩm, phân tách rƣợu-nƣớc,…), công nghiệp khác (trong y dƣợc, công nghiệp, nông nghiệp, in ấn, công nghệ sinh học,…) Cần tây với tên khoa học là Apium graveolens trồng nhiều ở Việt Nam để làm rau ăn, có nhiều tác dụng tốt trong chữa bệnh huyết áp cao, lợi tiểu trong phù thũng Do trong cần tây có nhiều tinh dầu và thƣờng đƣợc trồng để sản xuất tinh dầu và tinh dầu cần tây có tính kháng nấm, khuẩn cao nên đã đƣợc quan tâm nghiên cứu. Ngoài ra trong cần tây có chứa nhiều hợp chất tự nhiên mang nhiều tính chất đặc biệt đã đƣợc nghiên cứu.
2 Thời gian gần đây, ứng dụng của nano chitosan và dịch chiết cần tây nhằm chế tạo thuốc bảo vệ thực vật, thuốc tăng trƣởng cho cây trồng,… có nhiều triển vọng và là tiềm năng cần nghiên cứu và khảo sát thêm vì tính ứng dụng, giá thành tƣơng đối rẻ, ngoài ra là ít gây hại với các loài thiên địch có trong hệ sinh thái nông nghiệp. Chính vì những lý do trên tác giả tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát khả năng kháng nấm, khuẩn của nanochitosan kết hợp dịch chiết cần tây (Apium graveolens)”.2 Mục tiêu Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tổng hợp nano chitosan kết hợp chiết cần tây nhằm sử dụng trong việc kháng các chủng nấm, khuẩn gây hại.3 u cầu ác định điều kiện tối ƣu để tổng hợp nano chitosan kết hợp dịch chiết cần tây. ác định tác dụng kháng khuẩn của nano chitosan dịch chiết cần tây đối với các chủng Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa. ác định khả năng kháng nấm của nano chitosan kết hợp dịch chiết cần tây đối với các chủng Fusarium ambrosium, Phytophthora capsici, Sclerotium rolfsii.
3 Chƣơng 2 T NG QUAN 2.1 Giới thiệu công nghệ nano 2.1 Khái niệm và nguồn gốc Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống kết hợp việc điều khiển hình dáng, kích thƣớc trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10-9 m) [36]. Ở kích thƣớc nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có đƣợc đó là do sự thu nhỏ kích thƣớc và việc tăng diện tích mặt ngoài. Ý tƣởng công nghệ nano đƣợc đƣa ra bởi nhà vật lý học ngƣời Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến ừng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa Nhƣng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt ầu đƣợc sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi, một nhà nghiên cứu tại đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử [35].2 Cơ sở khoa học Công nghệ nano dựa trên những cơ sở khoa học chủ yếu sau: - Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lƣợng tử: Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lƣợng tử đƣợc trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên Nhƣng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lƣợng tử thể hiện rõ ràng hơn - Hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thƣớc nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm t lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thƣớc nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.
4 - Kích thƣớc tới hạn: Các tính chất lý, hóa của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thƣớc. Nếu vật liệu nhỏ hơn kích thƣớc này thì tính chất của nó bị thay đổi Ngƣời ta gọi đó là kích thƣớc tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thƣớc của nó có thể so sánh đƣợc với kích thƣớc tới hạn của các tính chất của vật liệu [1].1 Độ dài tới hạn và một số tính chất của vật liệu [39] Tính chất Cấu trúc Độ dài tới hạn (nm) Bƣớc sóng điện tử 10-100 Tính chất điện Quãng đƣờng tự do trung bình không đàn hồi 1-100 Hiệu ứng đƣờng ngầm 1-10 Độ dày vách đômen 10-100 Tính chất từ Quãng đƣờng tán xạ spin 1-100 Hố lƣợng tử 1-100 Tính chất Độ dài suy giảm 10-100 quang Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100 Tính siêu dẫn Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Tƣơng tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 Tính chất cơ Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100 Sai hỏng mầm 0,1-10 Độ nhăn bề mặt 1-10 Độ dài Kuhn 1-100 Siêu phân tử Cấu trúc nhị cấp 1-10 5 Cấu trúc tam cấp 10-1000 Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10 2.3 Ứng dụng Do có nhiều tính năng độc đáo và kích thƣớc tƣơng đƣơng với các phân tử sinh học nên hiện nay, công nghệ nano đang đƣợc đầu tƣ nghiên cứu đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh. Các ứng dụng tiêu biểu của công nghệ nano trong lĩnh vực này là: - Chẩn đoán: Sử dụng các hạt nano (hạt nano vàng, nano từ, chấm lƣợng tử…) để đánh dấu các phân tử sinh học, vi sinh vật, phát hiện các chuỗi gen nhờ vào cơ chế bắt cặp bổ xung của DNA hoặc cơ chế bắt cặp kháng nguyên – kháng thể.
- Vận chuyển thuốc: Cung cấp thuốc cho từng tế bào cụ thể kết hợp cách sử dụng các hạt nano nhằm tiết kiệm thuốc và tránh các tác dụng phụ. - Mô kỹ thuật: Công nghệ nano có thể giúp cơ thể tái sản xuất hoặc sửa chữa các mô bị hỏng kết hợp sử dụng “giàn” dựa trên vật liệu nano và các yếu tố tăng trƣởng [2].2 Giới thiệu chitin – chitosan 2.1 Giới thiệu chung Trong số các polysaccharide, chitin là nguồn nguyên liệu sinh học tự nhiên phong phú sau cellulose, mạch phân tử chitin gồm các mắc xích N-acetyl-D-glucosamin nối với nhau kết hợp liên kết β(1→4) glycosit hay 2-axetatamindo-2deoxy β-D-glucose và mắc xích β(1→4)-D-glucosamin Khi β(1→4)-D-glucosamin nhiều hơn thì đƣợc gọi là chitoan, ngƣợc lại là chitin. Tính tan của chitin-chitosan trong dung dịch axit axetic loãng tăng theo chiều tăng của tần suất xuất hiện nhóm amin trong mắc xích phân tử. Ngƣời ta sử dụng đặc điểm này để phân biệt kết hợp giá trị độ acetyl hóa (DA (%)) hay độ deacetyl hóa (DDA (%)), DA = 100 – DDA (%), nếu DA>50 % đƣợc gọi là chitin và ngƣợc lại thì đƣợc gọi là chitosan.
Chitin-chitosan là polysaccharide duy nhất chứa nhóm chức amin nên đánh giá là vật liệu có tiềm năng hơn cellulose trong nhiều lĩnh vực với tinh chất quý nhƣ có khả năng phân hủy sinh học, có khả năng tƣơng hợp sinh 6 học và đặc biệt là có hoạt tính sinh học. Chính vì vậy, ngày nay chitin-chitosan và các dẫn xuất vẫn đang đƣợc quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ y dƣợc, công nghệ thực phẩm, mỹ phẩm,… [9, 12 – 27].2 Cấu trúc Chitin là polysaccharide có cấu trúc mạch thẳng, có khối lƣợng phân tử lớn đƣợc tạo thành bởi các mắt xích N-acetyl-D-glucosamin theo liên kết β-(1,4)-glicosit tƣơng tự liên kết giữa các mắc xích D-glucose ở phân tử cellulose.1 Cấu trúc mạch của chitin và chitosan Kết hợp phƣơng pháp nhiễu xạ tia đã xác định đƣợc chitin tồn tại trong tự nhiên với 3 dạng: α-chitin, β-chitin, γ-chitin. Ba dạng này phân biệt nhờ sự sắp xếp các mạch đai phân tử trong tinh thể chitin-chitosan. Các nghiên cứu cho thấy α-chitin có trữ lƣợng lớn nhất [8, 9].2 Các dạng của chitin-chitosan 7 2.1Tính chất vật lý Ở điều kiện thƣờng, α- chitin tồn tại ở trạng thái rắn, xốp, nhẹ có thể xay nhỏ thành bột mịn có màu trắng hoặc vàng, không mùi vị β-chitin cũng có những tính chất trên nhƣng ít xốp hơn, khá dai khó nghiền nhỏ hơn Tính tan: Chitin không tan trong nƣớc và các dung môi thông thƣờng khác mà ch tan trong một số dung dịch nhƣ dung dịch chứa LiCl nhƣ N,N-dimetylaxetamit (DMAc) chứa 5-10 % LiCl và N-metyl pirrolidone (NMP), hỗn hợp DMAc và NMP có chứa 5-8 % LiCl thƣờng đƣợc sử dụng khi gia công màng chitin.2Tính chất hoá học Công thức tổng quát của chitin-chitosan có dạng: (C8H11N05)n với cấu tạo nhƣ sau: Hình 2.3 Công thức tổng quát của chitin-chitosan Trong phân tử chitin-chitosan có chứa đồng thời các nhóm chức hidroxyl (-OH), amino (-NH2) và nhóm chức axetamit (-NHCOCH3) nên chitin-chitosan vừa có tính chất hóa học của ancol lại vừa có tính chất của một amit.
Các phản ứng biến tính chủ yếu xảy ra ở các nhóm chức này [25]. Phản ứng ở nhóm hydroxyl: Tƣơng tự nhƣ các ancol đa chức, tính axit của nhóm hydroxyl khá mạnh, chitin phản ứng đƣợc với Na, NaOH tạo thành hợp chất có cấu trúc ancolat gọi là chitin kiềm. [C6H7O3NHCOCH3(OH)2]n+2nNaOH→[C6H7O3NHCOCH3(ONa)2]n +2nH2O Ngoài ra, chitin còn phản ứng đƣợc với ankyl sunfat trong ankyl halogenua, các hợp chất vinyl tạo este. 8 Phản ứng ở nhóm axetamit Chitin có khả năng tham gia phản ứng thể hiện tính chất của amin bậc 2 nhƣ phản ứng deacetyl hoá tạo thành chitosan.4 Phản ứng acetyl hóa chitin thành chitosan Sản phẩm phản ứng là chuỗi polymer chứa đồng thời các mắt xích N-acetyl-D- glucosamin đan xen với D-glucosamine [9].