CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về nguyên liệu Chitosan là một polysaccharide mạch thẳng, được cấu tạo từ các mắt xích D- glucosamine được kết nối với nhau thông qua liên kết -(1,4)-glucoside. Chitosan được tạo thành bằng cách xử lý chitin trong vỏ tôm, giáp xác khác bằng một chất có tính kiềm như là NaOH. Cấu tạo tinh thể bao gồm sự kết hợp của các liên kết hydro mạnh và lực liên phân tử yếu của các nhóm chức acetyl (O=C), hydroxyl (-OH) và amine (-NH).
Chitosan có ba nhóm chức năng bao gồm nhóm amino, nhóm hydroxyl bậc một và bậc hai, giúp dễ dàng biến đổi hóa học. Ngoài ra, các nhóm chức năng này ảnh hưởng đến độ hòa tan và tính chất cơ học của chitosan. Trong môi trường nước có tính acid, chitosan hòa tan hơn chitin, lý do chính khiến chitosan hòa tan là sự proton hóa -NH2 ở vị trí C1 của đơn vị lặp lại D-glucosamine, biến đổi polysaccharide thành polyelectrolyte trong điều kiện acid[1] Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của chitosan Chitosan thường đạt được thông qua phản ứng khử acetyl, chuyển nhóm N-acetyl tại vị trí C2 của chitin thành nhóm amine (-NH2). Theo quy ước, nếu trong cấu trúc phân tử chitin/chitosan, các đơn vị N-acetyl-D-glucosamin chiếm tỷ lệ lớn, nghĩa là mức acetyl hóa (Degree of acetylation DA) trên 50%, thì gọi là chitin, còn ngược lại (DA ≤ 50%) được gọi là chitosan[1].2: Phản ứng deacetyl hóa chitin thành chitosan Chitin là một polysaccharide mạch thẳng được cấu tạo bởi các đơn vị 2-acetamide-2- deoxy-β-d-glucopyranose liên kết thông qua liên kết, 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 hóa, chitin được chuyển thành chitosan. Trong quá trình deacetyl hóa, nhóm acetyl có trong chitin được chuyển thành nhóm hydroxyl (-OH) và amine (-NH2). Việc thay đổi các nhóm chức này có trong chitosan mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Hầu hết các ứng dụng mới đều tập trung vào các đặc tính và sửa đổi các vật liệu tổng hợp của nó.3: Nguồn gốc của chitin Chitin (C8H13O5N), nguồn gốc của từ này bắt nguồn từ “chiton” – một từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là lớp vỏ ngoài hay sự bao bọc. Đây là một polysaccharide tự nhiên của β-(1,4)- N-acetyl-D-glucosamine. Cấu trúc của chitin khá giống với cellulose ngoại trừ sự xuất hiện của các gốc N-acetyl trên monomer. Các ứng dụng của chitin bị hạn chế bởi sự xuất hiện của các nhóm acetyl trên mạch phân tử, nhưng thông qua quá trình deacetyl hóa, chitin được chuyển đổi thành chitosan.
Thông qua quá trình deacetyl hóa này, các gốc acetyl của chitin sẽ được chuyển đổi thành các gốc hydroxy (-OH) và amine (-NH2). Từ đây, nhờ vào quá trình chỉnh sửa các nhóm chức hoạt động của chitosan, các nhà khoa học đã mở ra hàng loạt ứng dụng mới cho chitosan trong nhiều lĩnh vực khác nhau[2].4: Cấu trúc hóa học của chitin 4 1. Tính chất của chitosan Chitosan là vảy hoặc bột màu hơi vàng. Mức độ deacetyl hóa đóng vai trò quan trọng đối với khối lượng phân tử trung bình của chitosan.
Mức độ deacetyl hóa 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 ít tan trong nước, do liên kết hydro giữa các phân tử, hình thành từ các phân tử trung tính của chitosan Hình 1.5: a) Chitosan dạng vẩy b) Chitosan dạng bột 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 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 hóa.
Tính chất này có thể được sử dụng để phân biệt giữa chitin và chitosan. Mức độ deacetyl hóa 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 hóa 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 [2]. Độ nhớt Độ nhớt của polyme là một thông số rất được quan tâm theo quan điểm công nghệ vì các dung dịch có độ nhớt cao rất khó quản lý.
Hơn nữa, độ nhớt là một thông số mạnh mẽ để xác định trọng lượng phân tử của chitosan, vì đây là một phương pháp đơn giản và nhanh chóng mặc dù không phải là phương pháp tuyệt đối, do đó đòi hỏi phải xác định các hằng số cụ thể cho dung môi. 5 Chitosan là một dẫn xuất được biết đến sau khi deacetyl hóa chitin. Một trong những tính chất độc đáo của chitosan là sự tồn tại của chúng dưới dạng polycation nên chúng có khả năng hòa tan trong các dung dịch acid với giá trị pH = 6. Do đó, chitosan được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực liên quan đến công nghiệp và y sinh.
Chitosan sau khi hoàn tan trong môi trường acid sẽ tạo ra một dung dịch nhớt, độ nhớt của dung dịch này phụ thuộc nhiều vào khối lượng phân tử, độ deacetyl hóa, nồng độ, pH và nhiệt độ của dung dịch chitosan. Độ nhớt của dung dịch chitosan ở mức độ phân tử là một phép đo trực tiếp thể tích của các phân tử polymer, kết quả phụ thuộc vào kích thước và chiều dài của mạch phân tử. Độ nhớt của chitosan được đo bằng một nhớt kế mao quản, kết quả độ nhớt này sẽ được sử dụng để xác định khối lượng phân tử trung bình của polymer theo phương trình Mark-Houwink. Phép đo độ nhớt có thể tính theo công thức sau: 1 1 [η] = x (2 x ηr – 2 x lnηtđ) 𝐶 2 Trong đó: [η] là độ nhớt đặc trưng ηr là độ nhớt riêng ηtđ là độ nhớt tương đối Một số giá trị của K và α đã được báo cáo tùy thuộc vào thành phần dung môi, độ pH và cường độ ion [3].
Độ nhớt của chitosan phụ thuộc vào trọng lượng phân tử của polyme và độ deacetyl hóa và giảm khi trọng lượng phân tử của chitosan giảm. Trên thực tế, độ nhớt có thể được sử dụng để xác định độ ổn định của polyme trong dung dịch, vì sự giảm được quan sát thấy trong quá trình lưu trữ polyme do sự phân hủy polyme [4]. Phân tử khối Chitosan và các dẫn xuất của nó đang được sử dụng trong nhiều đời sống, những đặc tính của những vật liệu này được phát hiện là phụ thuộc vào deacetyl hóa, độ kết tinh và khối lượng phân tử trung bình của chúng. Độ deacetyl hóa và khối lượng phân tử trung bình 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 deacetyl hóa đạt hiệu quả cao bằng cách rửa liên tục sản phẩm trung gian bằng nước trong quá trình xử lý kiềm. 6 Ba loại chitosan cơ bản có thể được phân loại theo phạm vi trọng lượng phân tử của chúng: chitosan trọng lượng phân tử thấp (LMWC, < 150 kDa), chitosan trọng lượng phân tử trung bình (MMWC, 150 - 700 kDa) và chitosan trọng lượng phân tử cao (HMWC, > 700 kDa) [1]. Có một số phương pháp được sử dụng để tính khối lượng phân tử trung bình, 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 khối lượng phân tử trung bình của chitosan.
Trong quá trình phân tích, máy đo độ nhớt mao quản loại Ubbelohde được sử dụng để đo thời gian chảy của dung dịch chảy qua ống mao dẫn ở 25oC. Nhớt kế được đổ đầy mẫu và được cân bằng trong nồi cách thủy ở 25oC. Thời gian chảy của dung dịch và dung môi được đo để tính độ nhớt tương đối. Phương trình Martr - Houwink Sakurada đưa ra dưới đây cung cấp mối quan hệ giữa độ nhớt nội tại (η) và Mv: [η] = K x [Mv]α Trong đó: [η] là độ nhớt đặc trưng Mv là Khối lượng phân tử trung bình k và α là hằng số 1.
Độ hòa tan Chitosan được sản xuất bằng cách khử acetyl hóa chitin, trong quá trình này, một số nhóm N-acetylglucosamine được chuyển đổi thành các đơn vị glucosamine. Sự hiện diện của một lượng lớn nhóm -NH2 được proton hóa trên cấu trúc chitosan giải thích cho khả năng hòa tan của nó trong môi trường nước có tính axit vì giá trị pKa của nó xấp xỉ 6. Khi khoảng 50% tất cả các nhóm amino được proton hóa, chitosan trở nên hòa tan [6]. Xét về cấu trúc phân tử, mỗi mắt xích D-Glucosamine của chitosan có chứa một nhóm amino tự do.
Nhóm chức này có thể mang điện tích dương, điều này dẫn đến quá trình proton hóa polymer, nhờ điều này mà chitosan có thể hòa tan trong các dung dịch acid loãng. Chitosan không thể hòa tan trong bất kỳ dung dịch hữu cơ hay nước nào, tuy 7 nhiên chúng hòa tan tốt trong rất nhiều dung dịch acid với pH dưới 6,5 như: acetic, citric, fomic, oxalic,… Một vài acid vô cơ như hydrocloride và nitric acid cũng có thể được dùng để hòa tan chitosan, tuy nhiên đối với acid sunfuric và phosphoric thì quá trình hòa tan của chitosan không xảy ra. Có nhiều yếu tố quan trọng có ảnh hưởng quan trọng đến độ hòa tan của chitosan. Những yếu tố này có thể bao gồm nhiệt độ, nồng độ kiềm, thời gian khử acetyl, các phương pháp xử lý trước đây áp dụng để phân lập chitin, tỷ lệ chitin trong dung dịch kiềm, kích thước hạt,.
Do đó, tính chất dung dịch của chitosan không chỉ phụ thuộc vào mức độ trùng hợp trung bình của nó mà còn phụ thuộc vào sự phân bố của các nhóm acetyl dọc theo chuỗi chính là trọng lượng phân tử [8]. Ngoài độ deacetyl hóa, trọng lượng phân tử cũng là một thông số quan trọng chi phối độ hòa tan và các tính chất khác của chitosan [9]. Tổng quan về oligochitosan Chitosan có mức độ trùng hợp từ 2 đến 20 được coi là oligochitosan.