MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Chitin là một polysaccharide đứng thứ hai về lượng trong tự nhiên chỉ sau cellulose.[3] Chitin và các sản phẩm của chúng hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: y học, sản xuất mỹ phẩm, bảo quản nông sản, xử lý môi trường.[5] Ngoài ra khi ta khử acetylene trong hợp chất chitin sẽ tạo thành chitosan là đơn vị cao phân tử của glucosamine, là một chất có ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhẹ, thực phẩm, nông nghiệp. Việc nghiên cứu và tách chiết chitin từ vỏ giáp xác đã được thực hiện hơn một thế kỷ nay. Hiện nay, tôm là mặt hàng chế biến chủ lực của ngành thuỷ sản Việt Nam, chủ yếu là tôm đông lạnh. Theo báo cáo của Bộ thuỷ sản, sản lượng tôm năm 2010 là 693,3 nghìn tấn, tuỳ thuộc vào sản phẩm chế biến và sản phẩm cuối cùng, phế liệu tôm có thể lên tới 40 – 70% khối lượng nguyên liệu.[8] Tương ứng với sản lượng tôm hàng năm sẽ có khối lượng phế liệu khổng lồ gồm đầu và vỏ tôm được tạo ra.
Hiện nay, ở nước ta nguồn phế liệu đầu và vỏ tôm chưa được tận dụng trên quy mô lớn. Tình trạng trên đặt ra yêu cầu cấp bách cho các nhà khoa học công nghệ, cho ngành thuỷ sản là phải sử dụng hợp lý và hiệu quả lượng phế liệu tôm rất lớn do các nhà máy chế biến thuỷ sản tạo ra hàng ngày để sản xuất ra sản phẩm có giá trị cao - chitin – chitosan. Việc bảo quản các loại thực phẩm tươi sống giàu đạm dễ hư hỏng như: thịt, cá, rau quả …trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của nước ta là một trong những vấn đề đã và đang được quan tâm của các nhà sản xuất, chế biến và của các nhà khoa học thực phẩm. Chính vì vậy nên làm màng bao sinh học để bảo quản thực phẩm bằng màng bao sinh học từ chitosan đã và đang được quan tâm và nghiên cứu nhiều năm qua.
Mục tiêu đề tài - Thu nhận chitin – chitosan từ vỏ tôm, đánh giá một số chỉ tiêu chất lượng của bán thành phẩm thu được. - Thử nghiệm chế tạo màng bao sinh học ở quy mô phòng thí nghiệm từ nguồn chitosan tách chiết được. - Tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến tính kéo đứt của màng chitosan thu nhận từ vỏ tôm - Khảo sát tác dụng của màng chitosan khi bảo quản táo xanh Mỹ. 1 Nghiên cứu khoa học 2013 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về nguyên liệu, chitin – chitosan.
- Nghiên cứu quá trình khử khoáng và tách protein trong vỏ tôm để thu được chitin. - Nghiên cứu quá trình deacetyl chitin để tạo ra chitosan. - Nghiên cứu tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến tính kéo đứt của màng chitosan thu nhận từ vỏ tôm. - Nghiên cứu quá trình bảo quản táo xanh bằng màng chitosan.
- Nghiên cứu các biến đổi của táo trong quá trình bảo quản. Trình tự nghiên cứu Để đạt được các mục tiêu và nội dung nghiên cứu trên chúng tôi tiến hành theo các trình tự như sau: - Nghiên cứu tài liệu, sách báo và tra cứu thông tin về nguyên liệu, quá trình điều chế ra chitin – chitosan và ứng dụng của chúng trong cuộc sống cũng như khoa học. - Tiến hành thực nghiệm tách chiết chitin từ nguyên liệu vỏ tôm. - Deacetyl chitin để thu chitosan , dùng phổ IR để xác đ ịnh mức độ deacetyl.
Xác định một số chỉ tiêu của chitosan thu nhận được. - Tìm hiểu các yếu tố có ảnh hưởng đến sự tạo màng. Thực nghiệm và chọn ra các yếu tố có ảnh hưởng đến tính ch ất của màng. Tiến hành tối ưu các yếu tố này v ới mục tiêu xác định được các thông số kỹ thuật cần thiết cho việc chế tạo ra màng bao sinh học có tí nh kéo đứt tốt.
- So sánh khả năng ứng dụng của màng trên sản phẩm táo qua khảo sát một số chỉ tiêu như trạng thái cảm quan , sự hao hụt khố i lượng, hàm lượng vitamin C , hàm lượng đư ờng khử, đường tổng, hàm lượng các acid hữu có trong mẫu táo sau thời gian bảo quản giữa mẫu táo có và không có bọc màng chitosan. 2 Nghiên cứu khoa học 2013 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Chitin và chitosan 1.
Nguồn gốc và sự tồn tại của chitin – chitosan trong tự nhiên Chitin – chitosan là một polysaccharide tồn tại trong tự nhiên với sản lượng rất lớn đứng thứ hai sau cellulose. Trong tự nhiên chitin tồn tại trong cả động vật. Chitin – chitosan là polysaccharide có đạm không độc, có khối lượng phân tử lớn. Cấu trúc của chitin là tập hợp các monosaccharide (N-acetyl-D-glucosamine) liên kết với nhau bởi các cầu nối glucoside và hình thành một mạng các sợi có tổ chức.
Hơn nữa chitin tồn tại rất hiếm ở trạng thái tự do và hầu như luôn luôn nối bởi các liên kết đồng hóa trị với các protein, CaCO3 và các hợp chất hữu cơ khác [4]. Về mặt lịch sử, chitin được Braconnot phát hiện đầu tiên vào 1821, trong cặn dịch chiết từ một loại nấm. Ông đặt tên cho chất này là “Fungine” để ghi nhớ nguồn gốc của nó. Năm 1823 Odier phân lập một chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi là chitin hay “chiton”, tiếng Hy Lạp có nghĩa là vỏ giáp, nhưng ông không phát hiện ra sự có mặt của nitơ trong đó.
Cuối cùng cả Odier và Braconnot đều đi đến kết luận chitin có dạng công thức giống như cellulose [3]. Khái niệm 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 monomer 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 chitin có ở thành tế bào nấm họ Zygenmycetas, sinh khối nấm mốc, một số loại tảo.
Trong động vật thủy sản đặc biệt là tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin khá cao, từ 14 – 35% so với trọng lượng khô. Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu tiềm năng sản xuất chitin – chitosan và các sản phẩm từ chúng [4]. Chitin có khối lượng phân tử lớn. Công thức phân tử chitin: (C8H13O5N)n [9].
Tùy thuộc vào loại nguyên liệu để chiết tách chitin mà giá trị n sẽ thay đổi như sau: Với tôm thẻ: n = 400 - 500 Với tôm hùm: n = 700 - 800 Với cua: n= 500 - 600 3 Nghiên cứu khoa học 2013 Qua nhiều nghiên cứu về sự thuỷ phân chitin bằng enzyme hay acid HCl đậm đặc thì người ta thấy rằng chitin có cấu trúc là một polymer được tạo thành từ các đơn vị N-acetyl--D-glucosamine liên kết với nhau bởi liên kết β-(1-4) glucoside. Công thức cấu tạo chitin được thể hiện dưới hình sau: Hình 1. Công thức cấu tạo của chitin [9] Tên gọi: Poly(1-4)-2-acetamido-2-deoxy-D-glucopyranose 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 [ 9].
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 α– chitin có cấu trúc các mạch được sắp xếp ngược chiều nhau đều đặn, nên ngoài liên kết hydro trong một lớp 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 4 Nghiên cứu khoa học 2013 chiều, xen kẽ thuận lợi về mặt không gian và năng lượng. Đây cũng là dạng phổ biến trong tự nhiên.
Có nhiều ở phần cứng vỏ động vật [9]. 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 hoá cho cấu trúc tinh thể bền vững hơn. Chúng có nhiều ở phần mềm của động vật [9].
Tính chất vật lý của chitin Chitin có màu trắng, cũng giống như cellulose, chitin có tính kỵ nước cao và không tan trong nước, trong kiềm, trong acid loãng và các dung môi hữu cơ 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 [9]. 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 rút ra từ các nguyên liệu khác nhau [5]. Chitin tự nhiên có độ deacetyl dao động trong khoảng từ 8 - 12%, phân tử lượng trung bình lớn hơn 1 triệu Dalton. Tuy nhiên, chitin chiết từ vi sinh vật thì có phân tử lượng thấp, chỉ khoảng vài chục nghìn Dalton [5]. Khả năng hấp thụ tia hồng ngoại của chitin ở bước sóng: = 884 - 890µm [5].
Tính chất hóa học Cấu trúc của chitin là tập hợp các monosacharide (N-acetyl-β-D- glucosamim) có liên kết với nhau bởi các cầu nối glucoside và hình thành các mạng sợi có tổ chức. Hơn nữa 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 hợp chất hữu cơ khác [8]. Chitin tương đối ổn định với các chất oxy hóa, như thuốc tím (KMnO4), nước oxy già (H2O2), nước javen (NaClO) hay Ca(ClO)2…[9] lợi dụng tính chất này người ta sẽ khử chitin bằng các chất oxy hóa trên. Phản ứng thủy phân hoàn toàn xảy ra khi đun nóng chitin trong acid HCl đậm đặc sẽ thu được glucosamin.
Quá trình thủy phân xảy ra đầu tiên ở cầu nối glucoside sau đó loại nhóm acetyl (-CO-CH3) [9]. (C32H54N4O21)x + 2(H2O)x → (C28H50N4O19)x + 2(CH3COOH)x Khi đun nóng chitin trong dung dịch NaOH đậm đặc thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan. Chitin+ n NaOHđđ → chitosan + n CH3COONa 5 Nghiên cứu khoa học 2013 Phản ứng este hóa: - Chitin tác dụng với HNO3 đậm đặc cho sản phẩm chitin nitrat [5]. - Chitin tác dụng với anhydride sunfuric trong pyridin, dioxan và N,N- dimetylanilin cho sản phẩm chitin sunfonat [5].
Từ thế kỷ trước các nghiên cứu về việc hấp thu, tạo phức với kim loại nặng đã được thực hiện.