Đặt vấn đề Chitin là một polysaccharid có mặt trong tự nhiên nhiều nhất chỉ sau Cellulose. Nó có trong vỏ các loài giáp xác, màng tế bào nấm thuộc họ Zygemycetes, trong sinh khối nấm mốc, một vài loại tảo…Chitosan chính là sản phẩm biến tính của chitin. Ở nước ta tôm đông lạnh chiếm sản lượng lớn nhất trong số các sản phẩm đông lạnh. Chính vì vậy vỏ tôm phế liệu là nguồn nguyên liệu tự nhiên dồi dào, rẻ tiền có sẵn quanh năm cho việc sản xuất chitin và chitosan ở nước ta.
Chitosan là một polyme sinh học được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như thực phẩm, nông nghiệp, môi trường, y học và mỹ phẩm (Hirano,1996). Hiện nay, chitosan được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau (tôm, cua, mực, vi nấm và vi khuẩn), trong đó nhiều nhất là nguồn phế liệu tôm. Tuy nhiên, nguồn phế liệu tôm thường chứa một lượng lớn protein, khoáng và chất màu nên chitosan từ phế liệu tôm dù đã qua công đoạn khử khoáng và khử protein vẫn còn chứa một lượng protein và khoáng đáng kể cũng như chất màu. Ngoài ra, độ tan của chitosan từ tôm cũng thường không đạt được trên 99%, vì còn một phần chất không tan chủ yếu là chitin do quá trình deacetyl không đạt độ đồng nhất cao.
Việc nâng cao độ tinh khiết của chitosan chiết rút từ phế liệu tôm sẽ cho phép mở rộng ứng dụng của polyme này vào những lĩnh vực mới như y học và công nghệ sinh học với những đòi hỏi về tiêu chuẩn chất lượng rất cao (Knapczyk và cộng sự, 1989). Các quy trình sản xuất chitosan từ phế liệu tôm hiện nay thường bắt đầu bằng bước sản xuất chitin với việc sử dụng NaOH và HCl với nồng độ cao để loại protein và khoáng, tiếp theo là quá trình deacetyl bằng NaOH đặc (No và Meyer, 1997). Tuy nhiên các quá trình này thường không loại bỏ tuyệt đối được lượng protein và khoáng dù có tăng nồng độ và thời gian xử lý. Mặt khác, việc tinh chế chitosan bằng một số phương pháp hiện đại như sử dụng sắc ký điều chế, dùng siêu lọc thường rất tốn kém, đòi hỏi đầu tư lớn, rất khó thực hiện ở quy mô lớn [9].
n 2 Xuất phát từ thực tế trên chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan từ phế liệu tôm” 1. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu được quy trình sản xuất chitosan từ phế liệu tôm - Đánh giá được chất lượng chế phẩm chitosan sản xuất được 1. Yêu cầu của đề tài - Nghiên cứu được các công đoạn của quá trình sản xuất chitosan 1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Xác định và đánh giá được các chế độ khử protein, khử khoáng, khử màu, deacetyl hóa và quá trình tinh sạch chitosan.
- Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu và tạo ra được sản phẩm đặc thù từ phế liệu thủy sản vỏ tôm. Giải quyết được một phần lượng phế thải vỏ tôm của các nhà máy chế biến thủy sản. Đáp ứng phục vụ đào tạo thực tập tay nghề cho sinh viên ngành công nghệ thực phẩm. n 3 PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.
Cơ sở nghiên cứu khoa học 2.Lịch sử và nguồn gốc của chitin/chitosan Về mặt lịch sử, chitin được Braconnot phát hiện đầu tiên vào năm 1811, trong cặn dịch chiết từ một loại nấm. Ông đặt tên cho chất này là “Fungine” để ghi nhớ nguồn gốc của nó. Năm 1923, Odier phân lập được một chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi là “chitin” hay “chiton”, tiếng Hy Lạp có nghĩa là vỏ giáp, nhưng ông phát hiện ra sự có mặt của nitơ. Cuối cùng Odier và Braconnot đều đi đến kết luận chitin có dạng công thức giống với cellulose.
Sự xuất hiện của nitơ trong chitin đã được Lassaige chứng minh vào năm 1843 từ đó nhân loại bắt đầu nghiên cứu và ứng dụng lâu dài hợp chất này và các dẫn xuất của nó [15].1: Chitin có nhiều trong vỏ tôm Ở động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng trong vỏ của một số động vật không xương sống như côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác, giun tròn. Ở động vật bậc cao, monome của chitin là một thành phần chủ yếu trong mô da giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da. Ở thực vật, chitin có trong thành tế bào nấm, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo,…[5]. Chitin có cấu trúc thuộc họ polysaccharide, hình thái tự nhiên ở dạng rắn.
Do n 4 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. Chitosan là sản phẩm biến tính của chitin, là chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ thành các kích cỡ khác nhau. Chitosan – dẫn xuất của chitin được xem là polymer tự nhiên quan trọng, nhiều thứ hai sau cellulose, các nghiên cứu đã cho thấy chitosan có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm,…Giống như cellulose, chitosan là chất xơ, không giống chất xơ thực vật, chitosan có khả năng tạo màng, có các tính chất cấu trúc quang học,… Chitosan còn là chất cao phân tử mang điện dương duy nhất trong tự nhiên, nó có khả năng kết hợp với những chất tích điện âm như chất béo, lipid và acid. 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 được coi như một 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, ổn định hay tác nhân kháng khuẩn,… 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 trọng lượng khô. Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin – chitosan [7]. Cấu trúc hóa học của chitin/chitosan Chitin (C8H13O5N)n là một polymer mạch dài của N-acetylglucosamine, dẫn xuất của glucose, trong đó nhóm (-OH) ở nguyên tử C (2) được thay thế bằng nhóm acetyl amino (-NHCOCH3).2: Công thức cấu tạo của chitin Hình 2.3: Công thức cấu tạo của chitosan Chitosan một polysaccharid mạch thẳng, là dẫn xuất deacetyl 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- deoxy-D-glucose hoặc là poly β-(1,4)-D-glucosamine [1].4: So sánh cấu tạo của chitin, chitosan và cellulose 2.
Tính chất của chitosan 2. Tính chất vật lý của chitosan a) Đặc tính bề ngoài - Là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ theo các kích cỡ khác nhau. - Chitosan có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi vị [24]. b) Mức độ acetyl hóa Quá trình deacetyl bao gồm quá trình loại bỏ acetyl khỏi chuỗi phân tử chitin và hình thành phân tử chitosan với nhóm amin hoạt động hóa học cao.
Mức độ deacetyl là một đặc tính quan trọng của quá trình sản xuất chitosan vì nó ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và khả năng ứng dụng của chitosan sau này [5]. Mức độ deacetyl hóa của chitin vào khoảng trên 50% phụ thuộc vào loài giáp xác và phương pháp sử dụng. Do quá trình khử acetyl xảy ra không hoàn n 7 toàn nên người ta quy ước mức độ acetyl lớn hơn 50% thì gọi là chitosan, nhỏ hơn 50% gọi là chitin. Khi ở mức độ acetyl hóa thấp, chitosan có khả năng hút ẩm lớn hơn [22].
c) Trọng lượng phân tử Chitosan là polymer sinh học có khối lượng phân tử cao. Chitosan thương phẩm có khối lượng khoảng 1000000 – 1200000 Dalton, phụ thuộc vào quá trình chế biến và loại sản phẩm. Trọng lượng phân tử khác nhau dẫn đến đặc tính của từng loại chitosan khác nhau, người ta thường phân loại chitosan dựa vào trọng lượng phân tử. Trọng lượng phân tử chitosan có thể xác định bằng phương pháp sắc ký, phân tán ánh sáng hoặc đo độ nhớt [24,25].
d) Độ nhớt Độ nhớt là yếu tố quan trọng để xác định khối lượng phân tử của chitosan [1]. Chitosan phân tử lượng cao thường làm cho dung dịch có độ nhớt cao. Quá trình chế biến ảnh hưởng và quyết định đến độ nhớt của chitosan [4]. e) Tính tan Chitin tan hầu hết trong các dung môi hữu cơ, trong khi đó chitosan tan trong các dung dịch acid, dung dịch đệm có pH dưới 6.
Các axit hữu cơ như acetic, formic và lactic thường được sử dụng để hòa tan chitosan. Ở pH cao, có thể xảy ra hiện tượng kết tủa hoặc đông tụ nguyên nhân là do hình thành hỗn hợp poly- ion với chất keo anion. Tuy nhiên tính tan của dung dịch còn bị ảnh hưởng bởi mức độ acetyl hóa [19]. f) Tỷ trọng Tỷ trọng của chitin từ tôm và cua thường là 0,06 và 0,17g/ml, điều này cho thấy chitin từ tôm xốp hơn từ cua.
Như vậy do loài giáp xác hoặc phương pháp chế biến, mức độ acetyl hóa ảnh hưởng lớn đến tỷ trọng của chitosan [24]. g) Khả năng kết hợp với nước (WBC) và khả năng kết hợp với chất béo (FBC) Khả năng kết hợp với nước của chitosan lớn hơn rất nhiều so với cellulose hay chitin. Thông thường, khả năng hấp thụ nước của chitosan khoảng 581 – 1150% (trung bình là 702%) phụ thuộc vào từng sản phẩm. Quá n 8 trình sản xuất chitosan có nhiều giai đoạn, thay đổi thứ tự sản xuất cũng ảnh hưởng đáng kể đến khả năng giữ nước và giữ chất béo.
Khả năng kết hợp với chất béo của các chế phẩm chitosan trong khoảng 370,2 – 665,4% [24]. h) Khả năng tạo màng Bản chất là polymer sinh học có phân tử lượng lớn nên khi hòa tan vào dung môi, chitosan tạo dung dịch có độ nhớt lớn, dung dịch dạng gel, tạo thành màng mỏng khi được phun hay phủ một lớp mỏng lên bề mặt vật liệu và để khô tự nhiên. Màng chitosan dai, khó xé rách, có khả năng tự phân hủy sinh học [19]. Tính chất hóa học của chitosan Chitosan chứa nhiều nhóm –NH2 nên có thể tan trong dung dịch acid.
Khi tan trong dung dịch acid, chitosan tạo gel có thể tráng mỏng thành màng. Ứng dụng tính chất này nên chitosan được dùng để tạo màng không thấm bảo quản trứng, trái cây hay dùng hỗ trợ trong điều trị viêm loét dạ dày, tá tràng (trong môi trường acid của dạ dày, chitosan tạo gel che phủ, bảo vệ niêm mạc) [1].