mở đầu bước ngoặc quan trọng trong việc nghiên cứu, tuy nhiên chưa có ứng dụng nào thực tế trong sản xuất[7]. TRANG 4 SVTH: BÙI THANH TRUNG 2. Nguồn chitosan Chitosan là sản phẩm từ vỏ tôm cua, mai mực …phụ phế phẩm chế biến thủy sản trước kia nó là chất thải rắn gây ô nhiễm môi trường. Phát hiện từ phụ phế phẩm này có thể sản xuất chitin và chitosan là những polysaccharide tự nhiên có nhiều đặc tính quý gồm kháng khuẩn, tạo màng bao để bảo quản trái cây rau quả…Từ các công trình nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên toàn thế giới đã chứng minh trong vỏ tôm có chứa 27% chất chitin, từ chitin này họ có thể chiết tách thành chất chitosan.
Nước ta có bờ biển dài sản lượng khai thác thủy sản là 2.45 triệu tấn, sản lượng nuôi trồng thủy hải sản là 2.57 triệu tấn ước tính hàng năm Việt Nam. Tôm là mặt hàng chế biến chủ lực của nghành thủy sản Việt Nam chủ yếu là tôm đông lạnh. Theo báo cáo của bộ thủy sản dự báo sản lượng tôm năm 2011 là 403600 tấn tùy thuộc vào sản phẩm chế biến và sản phẩm cuối cùng, phế liệu tôm có thể lên tới 40 – 70% khối lượng nguyên liệu. Tương ứng với sản lượng hàng năm sẽ có khối lượng phế liệu khổng lồ gồm đầu và vỏ tôm được tạo ra.Việt Nam lượng phế thải vỏ tôm từ các nhà máy tôm đông lạnh khoảng 30.
Ngày nay, nghề nuôi tôm và chế biến tôm đông lạnh ở nhiều nước trên thế giới đang phát triển và nhất là ở Việt Nam. Song song với nó, mỗi năm lại có hàng triệu tấn vỏ tôm bị vứt bỏ, nhưng bên trong nó lại chứa cả một kho tàng quý báu chất Chitosan- hữu dụng cho nhiều ngành kinh tế. Trữ lượng chitin trong thiên nhiên ước tính 100 tỉ tấn/ năm nhưng lượng tiêu thụ chỉ có 1100-1300 tấn/năm, điều này chứng tỏ, nguyên liệu để khai thác là rất dồi dào. Sản phẩm tôm đông lạnh chiếm sản lượng lớn nhất trong các sản phẩm đông lạnh.
Chính vì vậy, vỏ tôm là nguồn nguyên liệu tự nhiên rất dồi dào, rẻ tiền, có sẵn quanh năm, nên rất thuận tiện cho việc cung cấp chitin và chitosan. Các công trình nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới đã chứng minh, trong vỏ tôm có chứa 27% chất Chitin, từ chất Chitin này, họ có thể chiết tách thành chất Chitosan[3]. TRANG 5 SVTH: BÙI THANH TRUNG Chitin được xem là polymer tự nhiên quan trọng thứ hai của thế giới, có nhiều thứ hai thế giới (chỉ sau xenlulo). Là một polymer động vật được tách chiết và biến tính từ vỏ các loài giáp xác (tôm, cua, hến, trai, sò, mai mực, đỉa biển…), màng tế bào nấm họ Zygemycetes, các sinh khối nấm mốc, một số loài tảo … Chitosan thương mại có nguồn gốc từ vỏ tôm và động vật giáp xác biển khác.
Chitosan được sản xuất bằng khử acetyl (deacetylation) của chitin, đó là yếu tố cơ cấu trong các bộ xương ngoài của của động vật giáp xác (cua, tôm, mai mực…) và thành tế bào của nấm. Mức độ deacetylation (%DD) có thể được xác định bằng phổ NMR, và DD% trong chitosan thương mại là khoảng 6- 10%. Công thức cấu tạo 2. Cấu trúc hóa học của chitin Chitin là polysaccarit mạch thẳng, có thể xem như là dẫn xuất của xenlulozơ, trong đó nhóm (-OH) ở nguyên tử C(2) được thay thế bằng nhóm axetyl amino (- NHCOCH3) (cấu trúc I).
Như vậy chitin là poly (N-axetyl-2-amino-2-deoxi-β-D- glucopyranozơ) liên kết với nhau bởi các liên kết b-(C-1-4) glicozit. Trong đó các mắt xích của chitin cũng được đánh số như của glucozơ: Hình 2.1: Cấu trúc hoá học của chitin Phụ thuộc vào nguồn gốc đặc điểm từng vùng, chitin xuất hiện với hai loại cấu trúc đặc trưng, gọi là dạng α và dạng β. Sự khác nhau giữa hai dạng này được nhận biết bằng các phương pháp phổ nghiệm như phổ hồng ngoại, phổ NMR chụp trạng thái rắn kết hợp với XRD. Một dạng thứ ba kém phổ biến hơn là γ-chitin, nhưng xuất phát từ các số liệu phân tích, người ta vẫn cho rằng dạng thứ ba chỉ là một loại khác trong cấu trúc của α-chitin.
TRANG 6 SVTH: BÙI THANH TRUNG α-chitin phổ biến nhất trong tự nhiên, nó có mặt trong vỏ tôm, trong các loài nhuyễn thể thức ăn của cá voi, trong dây chằng (tendon) và vỏ của tôm hùm và cua cũng như trong biểu bì của các loại côn trùng … Hiếm hơn là dạng β-chitin, được tìm ra trong protein của mực ống[5]. α chitin β chitin γ chitin Hình 2.2: Sắp xếp các mạch trong phân tử chitin 2. Cấu trúc hoá học của chitosan và một vài dẫn xuất Chitosan là dẫn xuất đề axetyl hoá của chitin, trong đó nhóm (–NH2) thay thế nhóm (-COCH3) ở vị trí C(2). Chitosan được cấu tạo từ các mắt xích D- glucozamin liên kết với nhau bởi các liên kết b-(1-4)-glicozit, do vậy chitosan có thể gọi là poly β-(1-4)-2-amino-2-deoxi-D-glucozơ hoặc là poly β-(1-4)-D- glucozamin (cấu trúc III).3: Cấu trúc chitosan (poly b-(1-4)-D- glucozamin) Công thức phân tử: (C6H11O4N)n Phân tử lượng: Mchitosan =(161,07)n Tuy nhiên, trên thực tế thường có mắt xích chitin đan xen trong mạch cao phân tử chitosan (khoảng 10%).
Vì vậy công thức chính xác của chitosan được thể hiện như sau: TRANG 7 SVTH: BÙI THANH TRUNG Trong đó tỷ lệ m/n phụ thuộc vào mức độ deacetyl hóa chế phẩm này còn có tên là PDP: Poly- - (1 4) – D- glucosamin Hay còn gọi là Poly- - (1- 4) – 2 – amino – 2- desoxy – D- glucosa Dưới đây là công thức cấu tạo của các dẫn xuất: Dẫn xuất N,O- Cacboxymetylchitin: Hình 2.4: Dẫn xuất N,O- Cacboxymetylchitin Dẫn xuất N,O-cacbonxymetylchitosan: Hình 2.5: Dẫn xuất N, O-cacbonxymetylchitosan Dẫn xuất: N,O-axylchitosan: TRANG 8 SVTH: BÙI THANH TRUNG Hình 2.6: Dẫn xuất: N, O-axylchitosan Dẫn xuất N-metylchitosan: Hình 2.7: Dẫn xuất N-metylchitosan So sánh cấu trúc chitin, chitosan, xenluloza: Hình 2.8: Cấu trúc chitin, chitosan, xenluloza 1: Chitin, 2: Chitosan, 3: Xenluloza. Độ deaxetyl hóa- DD (Degree of deaxetylation) Là tỷ lệ thay thế nhóm (-NHCOCH3) bằng nhóm (-NH2) trong phân tử Chitin TRANG 9 SVTH: BÙI THANH TRUNG Hình 2.9: Quá trình deaxetyl hoá Nếu: DD < 50%_ chitin DD ≥ 50%_ chitosan Các phương pháp xác định: Dựa vào phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton (H-NMR) Phổ hồng ngoại IR Chưng cất chitin, chitosan với axit photphoric Phản ứng tạo màu với ninhidrin Xác định theo Nitơ 2. Tính chất chung. - Khi hoà tan trong dung dịch acid acetic loãng sẽ tạo thành dung dịch keo dương, nhờ đó mà keo chitosan không bị kết tủa khi có mặt của một số ion kim loại nặng như: Pb3+, Hg+… - Nhiệt độ nóng chảy 309- 311oC.
TRANG 10 SVTH: BÙI THANH TRUNG - Trọng lượng phân tử trung bình: 10.000 Dalton (Li, 1997- Onsoyen và Skaugrud, 1990) tùy loại. Loại PDP có trọng lượng phân tử trung bình (M) từ 200.000 hay được dùng nhiều nhất trong y tế và thực phẩm [3]. - Chitosan là một polymer mang điện tích dương nên được xem là một polycationic (pH< 6.5), có khả năng bám dính trên bề mặt có điện tích âm như protein, aminopolysaccharide (alginate), acid béo và phospholipid nhờ sự có mặt của nhóm amino (NH2) - Chitosan thương mại ít nhất phải có mức DD (degree of deacetylation) hơn 70% - Chitosan có tính chất cơ học tốt, không độc, dễ tạo màng, có thể tự phân huỷ sinh học, có tính hoà hợp sinh học cao với cơ thể. Tính chất vật lý của chitosan Là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ theo các kích cỡ khác nhau.
Chitosan có tính kiềm nhẹ, Có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi vị, không tan trong nước, dung dịch kiềm và acid đậm đặc nhưng tan trong acid loãng (pH6), tạo dung dịch keo trong, có khả năng tạo màng tốt. Chitosan có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi vị. Không tan trong nước, dung dịch kiềm và axit đậm đặc nhưng tan trong acid loãng (pH6), tạo dung dịch keo trong, có khả năng tạo màng tốt, nhiệt độ nóng chảy 309 – 311 0C. Chitosan và các dẫn xuất của chúng đều có tính kháng khuẩn, như ức chế hoạt động của một số loại vi khuẩn như E.Coli, diệt được một số loại nấm hại dâu tây, cà rốt, đậu và có tác dụng tốt trong bảo quản các loại rau quả có vỏ cứng bên ngoài.
Khi dùng màng chitosan, dễ dàng điều chỉnh độ ẩm, độ thoáng không khí cho thực phẩm (Nếu dùng bao gói bằng PE thì mức cung cấp oxy bị hạn chế, nước sẽ bị ngưng đọng tạo môi trường cho nấm mốc phát triển) Màng chitosan cũng khá dai, khó xé rách, có độ bền tương đương với một số chất dẻo vẫn được dùng làm bao gói. TRANG 11 SVTH: BÙI THANH TRUNG Màng chitosan làm chậm lại quá trình bị thâm của rau quả. Rau quả sau khi thu hoạch sẽ dần dần bị thâm, làm giảm chất lượng và giá trị. Rau quả bị thâm là do quá trình lên men tạo ra các sản phẩm polyme hóa của oquinon.
Nhờ bao gói bằng màng chitosan mà ức chế được hoạt tính oxy hóa của các polyphenol, làm thành phần của anthocyamin, flavonoid và tổng lượng các hợp chất phenol ít biến đổi, giữ cho rau quả tươi lâu hơn. Tính chất hoá học của chitin/chitosan Trong phân tử chitin/chitosan có chứa các nhóm chức -OH, -NHCOCH3 trong các mắt xích N-axetyl-D-glucozamin và nhóm –OH, nhóm -NH2 trong các mắt xích D-glucozamin có nghĩa chúng vừa là ancol vừa là amin, vừa là amit. Phản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thế N-, hoặc dẫn xuất thế O-, N. Mặt khác chitin/chitosan là những polime mà các monome được nối với nhau bởi các liên kết β-(1-4)-glicozit; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hoá học như: acid, bazơ, tác nhân oxy-hóa và các enzyme thuỷ phân.
Các phản ứng của nhóm –OH - Dẫn xuất sunfat. - Dẫn xuất O-axyl cuả chitin/chitosan. - Dẫn xuất O–tosyl hoá chitin/chitosan. Phản ứng ở vị trí N - Phản ứng N-axetyl hoá chitosan.
- Dẫn xuất N-sunfat chitosan. - Dẫn xuất N-glycochitosan (N-hidrroxy-etylchitosan) - Dẫn xuất acroleylen chitossan. - Dẫn xuất acroleylchitosa 2. Phản ứng xảy ra tại vị trí O, N - Dẫn xuất O, N–cacboxymetylchitosan.
TRANG 12 SVTH: BÙI THANH TRUNG - Dẫn xuất N, O-cacboxychitosan. - Phản ứng cắt đứt liên kết β-(1-4) glicozit - Chitosan phản ứng với acid đậm đặc tạo muối khó tan. - Chitosan tác dụng với Iốt trong môi trường H2SO4 cho phản ứng lên màu tím. Đây là phản ứng dùng trong phân tích định tính chitosan.