Nghiên cứu sản xuất chitosan phân tử lượng thấp bằng phương pháp thủy phân ở trạng thái rắn với tác nhân h2o2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & MÔI TRƯỜNG
----------------0o0--------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHITOSAN PHÂN TỬ LƯỢNG
THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY PHÂN Ở TRẠNG THÁI
RẮN VỚI TÁC NHÂN H2O2

Giảng viên hướng dẫn : ThS. NGUYỄN CÔNG MINH
Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN THỊ HIỀN

Mã số sinh viên

: 53130517

Khánh Hòa: tháng 6/2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & MÔI TRƯỜNG
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC
----------------0o0--------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHITOSAN PHÂN TỬ LƯỢNG
THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY PHÂN Ở TRẠNG THÁI
RẮN VỚI TÁC NHÂN H2O2

GVHD

: ThS. NGUYỄN CÔNG MINH

SVTH

: NGUYỄN THỊ HIỀN

MSSV

: 53130517

Khánh Hòa, tháng 06/2015


i
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho tôi xin chân thành cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo Trường
Đại học Nha Trang đặc biệt là Quý Thầy cô giáo Viên Công nghệ Sinh học và Môi
trường đã trực tiếp giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt khóa
học.
Để hoàn thành được Đồ án tốt nghiệp, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất
đến giáo viên hướng dẫn Th.S Nguyễn Công Minh đã tận tình hướng dẫn cho tôi
trong suốt quá trình nghiên cứu.
Tiếp theo cho tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô giáo phụ trách
phòng thí nghiệm - Trung tâm Thí nghiệm Thực hành đã tạo điều kiện cho tôi trong

suốt thời gian nghiên cứu tại phòng.
Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với gia đình và
bạn bè. Họ là nguồn động viên tinh thần lớn lao và luôn ủng hộ tôi trên từng bước
đường học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Nha Trang - 2015
Nguyễn Thị Hiền


ii
TÓM TẮT
Chitosan phân tử lượng thấp là đối tượng thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà
khoa học trên thế giới và tại Việt Nam. Là sản phẩm polymer sinh học, chitosan phân tử
lượng thấp được biết đến với nhiều ứng dụng khác nhau như kháng khuẩn, kháng nấm,
khả năng phân phối thuốc trong cơ thể, làm chất mang trong công nghệ DNA… Vì vậy
sản xuất chitosan phân tử lượng thấp có vai trò rất lớn. Với mục đích nhằm tìm ra một
phương pháp sản xuất chitosan phân tử lượng thấp có hiệu quả và đạt chất lượng cao.
Phương pháp thủy phân chitosan ở trạng thái rắn với tác nhân H2O2 tạo chitosan phân tử
lượng thấp đã thu được kết quả cao nhất khi tiến hành quá trình tiền xử lý bằng phương
pháp cơ học đến kích thước chitosan 8 mm và ngâm với NaOH 0.1% trong thời gian 150
phút ở 300C, sau đó tiến hành cắt mạch với H2O2 0.2%, tỷ lệ chitosan/H2O2 là 1/3 (w/v)
trong thời gian 120 phút ở 30 0C. Sau quá trình cắt mạch, sản phẩm chitosan phân tử lượng
thấp thu được có khối lượng phân tử 152 kDa và độ nhớt biểu kiến 83 cP.


iii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................ i
TÓM TẮT ................................................................................................................................. ii

MỤC LỤC ............................................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................................... vii
MỞ ĐẦU................................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................................... 3
1.1. Chitosan ..........................................................................................................................3
1.1.1. Cấu trúc và tính chất của chitosan ......................................................................... 3
1.1.1.1. Cấu trúc hóa học của chitosan ......................................................................... 3
1.1.1.2. Tính chất của chitosan: .................................................................................... 4
1.1.2. Ứng dụng của chitosan ........................................................................................... 4
1.1.2.1. Chitosan ứng dụng trong nông nghiệp và thủy sản ........................................ 4
1.1.2.2. Chitosan ứng dụng trong y học và công nghệ sinh học ................................. 5
1.1.2.3. Chitosan ứng dụng trong công nghiệp ............................................................ 6
1.2. Nghiên cứu sản xuất chitosan phân tử lượng thấp.......................................................8
1.2.1. Vai trò của chitosan phân tử lượng thấp ................................................................ 8
1.2.2. Nghiên cứu sản xuất chitosan phân tử lượng thấp .............................................. 10
1.2.2.1. Nghiên cứu sản xuất chitosan phân tử lượng thấp trên thế giới .................. 10
1.2.2.2. Nghiên cứu sản xuất chitosan phân tử lượng thấp ở Việt Nam ................... 13
1.2.3. Sử dụng H2O2 cho quá trình thủy phân ở trạng thái rắn tạo chitosan phân tử
lượng thấp và cơ sở khoa học của phương pháp ........................................................... 14
1.2.3.1. Cơ chế cắt mạch của H2O2 và cơ sở khoa học của phương pháp ................ 14
1.2.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng thủy phân chitosan ............................. 15
Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................... 17
2.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................................17
2.1.1. Chitosan ................................................................................................................. 17
2.1.2. Hóa chất ................................................................................................................. 17
2.1.2.1. Hydroperoxide (H2O2) ................................................................................... 17


iv

2.1.2.2. Một số hóa chất khác...................................................................................... 17
2.1.3. Thiết bị sử dụng cho nghiên cứu .......................................................................... 17
2.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................18
2.2.1. Bố trí thí nghiệm tổng quát................................................................................... 18
2.2.2. Nghiên cứu quá trình tiền xử lý chitosan ở trạng thái rắn tạo chitosan phân tử
lượng thấp với tác nhân H2O2 ......................................................................................... 19
2.2.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước chitosan đến quá trình tạo chitosan
phân tử lượng thấp ....................................................................................................... 19
2.2.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình tạo chitosan phân
tử lượng thấp ................................................................................................................ 21
2.2.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian tiền xử lý đến quá trình tạo chitosan
phẩn tử lượng thấp ....................................................................................................... 22
2.2.3. Nghiên cứu quá trình cắt mạch chitosan bằng H2O2 ở trạng thái rắn tạo chitosan
phân tử lượng thấp........................................................................................................... 23
2.2.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến quá trình tạo chitosan phân
tử lượng thấp ................................................................................................................ 23
2.2.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến quá trình tạo chitosan
phẩn tử lượng thấp ....................................................................................................... 24
2.2.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ chitosan/H2O2 đến quá trình tạo chitosan
phẩn tử lượng thấp ....................................................................................................... 26
2.3. Phương pháp phân tích ................................................................................................27
2.4.Phương pháp xử lý số liệu ............................................................................................27
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................................ 28
3.1. Nguồn chitosan ban đầu ..............................................................................................28
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ tiền xử lý đến khả năng cắt mạch chitosan ở
trạng thái rắn với tác nhân H2O2 ........................................................................................30
3.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước chitosan đến khả năng cắt mạch chitosan
ở trạng thái rắn với tác nhân H2O2 ................................................................................. 30
3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ NaOH trong quá trình tiền xử lý đến khả
năng cắt mạch chitosan ở trạng thái rắn với tác nhân H2O2 ......................................... 33

v
3.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian tiền xử lý đến khả năng cắt mạch chitosan
ở trạng thái rắn với tác nhân H2O2 ................................................................................. 36
3.3. Nghiên cứu các chế độ cắt mạch chitosan tạo chitosan phân tử lượng thấp ở trạng
thái rắn với tác nhân H2O2 ..................................................................................................39
3.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến khả năng cắt mạch chitosan ở
trạng thái rắn .................................................................................................................... 39
3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến khả năng cắt mạch chitosan
ở trạng thái rắn với tác nhân H2O2 ................................................................................. 41
3.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ chitosan/H2O2 đến khả năng cắt mạch chitosan
ở trạng thái rắn với tác nhân H2O2 ................................................................................. 44
3.4. Đề xuất quy trình sản xuất chitosan phân tử lượng thấp ở trạng thái rắn với tác nhân
H2O2 ..................................................................................................................................46
Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 49
4.1. Kết luận ........................................................................................................................49
4.2. Kiến nghị ......................................................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 50
PHỤ LỤC ................................................................................................................................ 54


vi
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Các thông số chitosan ban đầu ............................................................................. 29
Bảng 3.2. Thông số chitosan ban đầu và sản phẩm chitosan phân tử lượng thấp .............. 47


vii
DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Công thức phân tử đầy đủ của Chitosan [19]......................................................... 3
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát ......................................................................... 18
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định kích thước chitosan thích hợp ........................ 20
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định nồng độ NaOH thích hợp cho quá trình tiền xử
lý .............................................................................................................................................. 21
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian tiền xử lý thích hợp ......................... 22
Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định nồng độ H2O2 thích hợp.................................. 24
Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian thủy phân thích hợp ........................ 25
Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ chitosa/H2O2 thích hợp ........................... 26
Hình 3.1. Sơ đồ quy trình sản xuất chitosan bằng phương pháp hóa học ........................... 28
Hình 3.2. Chitosan sản xuất bằng phương pháp hóa học ..................................................... 29
Hình 3.3. Chitosan ban đầu với các kích thước khác nhau .................................................. 30
Hình 3.4. Ảnh hưởng của kích thước chitosan đến độ nhớt biểu kiến (cP) và hiệu suất thu
hồi (%) của sản phẩm sau khi cắt mạch ................................................................................ 31
Hình 3.5. Ảnh hưởng của kích thước chitosan đến khối lượng phân tử (kDa) của sản phẩm
sau khi cắt mạch ..................................................................................................................... 32
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến độ nhớt biểu kiến (cP) và hiệu suất thu hồi
(%) của sản phẩm sau khi cắt mạch ...................................................................................... 34
Hình 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến khối lượng phân tử (kDa) của sản phẩm sau
khi cắt mạch ............................................................................................................................ 35
Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian tiền xử lý đến độ nhớt biểu kiến (cP) và hiệu suất thu
hồi (%) của sản phẩm sau khi cắt mạch ................................................................................ 37
Hình 3.9. Ảnh hưởng của thời gian tiền xử lý chitosan đến khối lượng phân tử (kDa) của
sản phẩm sau khi cắt mạch..................................................................................................... 38
Hình 3.10. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến độ nhớt biểu kiến (cP) và hiệu suất thu hồi
(%) của sản phẩm sau khi cắt mạch ...................................................................................... 39
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến khối lượng phân tử (kDa) của sản phẩm sau
khi cắt mạch ............................................................................................................................ 40

viii
Hình 3.12. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến độ nhớt biểu kiến (cP) và hiệu suất thu
hồi (%) của sản phẩm sau khi cắt mạch ................................................................................ 42
Hình 3.13. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến khối lượng phân tử (kDa) của sản
phẩm sau khi cắt mạch ........................................................................................................... 43
Hình 3.14. Ảnh hưởng của tỷ lệ chitosan/H2O2 đến độ nhớt biểu kiến (cP) và hiệu suất thu
hồi (%) của sản phẩm sau khi cắt mạch ................................................................................ 44
Hình 3.15. Ảnh hưởng của tỷ lệ chitosan/H2O2 đến khối lượng phân tử (kDa) của sản
phẩm sau khi cắt mạch ........................................................................................................... 45
Hình 3.16. Đề xuất quy trình tối ưu sản xuất chitosan phân tử lượng thấp ở trạng thái rắn
với tác nhân H2O2 ................................................................................................................... 46
Hình 3.17. Chitosan ban đầu và chitosan phân tử lượng thấp ............................................. 47


1
MỞ ĐẦU
Chitosan có khối lượng phân tử khác nhau thì khả năng ứng dụng trong các lĩnh
vực khác nhau. Chitosan phân tử lượng cao thường được ứng dụng để tạo màng sinh học,
xử lý nước thải… Trong khi đó chitosan phân tử lượng thấp được ứng dụng nhiều trong
nông nghiệp, y học và công nghệ sinh học. Cụ thể, khi mạch phân tử chitosan ngắn,
chitosan được sử dụng làm phân bón cho cây trồng, cây trồng sẽ dễ dàng hấp thu vào lá
và rễ hoặc một số bộ phận khác, kích thích sự phát triển của cây. Đồng thời, chitosan
phân tử lượng thấp có khả năng kháng khuẩn nhờ vào đặc tính vốn có của 1 polymer tích
điện dương mà không phải bất kỳ polymer sinh học nào cũng có. Trong y học, chitosan
phân tử lượng thấp được ứng dụng cho điều trị viêm loét dạ dày do có tác dụng kháng
khuẩn đối với vi khuẩn Helicobacter pylori với kết quả rất khả quan [13, 38]. Ngoài ra,
chitosan phân tử lượng thấp còn sử dụng làm thuốc kháng viêm, làm lành vết thương,
kiểm soát cholesterol, ngăn ngừa sự phát triển của bệnh đái tháo đường…[2]. Trong công
nghệ sinh học, chitosan phân tử lượng thấp có tác dụng trong thu hồi, phân riêng các chất
có hoạt tính sinh học như phân riêng protein, tinh sạch protein, enzyme… Đồng thời, nó

được nghiên cứu trong công nghệ làm chất mang DNA trong lĩnh vực hệ phân phối không
dùng virus trong liệu pháp gen [14, 22].
Để sản xuất chitosan phân tử lượng thấp, các nghiên cứu trên thế giới nói chung và
tại Việt Nam hiện nay thường sử dụng phương pháp sinh học (enzyme), hóa học (HCl,
H2SO4…) và vật lý (chiếu xạ…). Tuy nhiên các phương pháp này gặp phải một số hạn
chế như thực hiện trong thời gian dài, phải hòa tan chitosan bằng acid loãng trước khi cắt
mạch, tinh sạch sản phẩm khó khăn dẫn đến chi phí sản xuất cao, hiệu suất thu hồi thấp và
nguy cơ gây ô nhiễm môi trường cao.
Bên cạnh những nhược điểm tồn tại của các phương pháp trên, một số công trình
nghiên cứu ngoài nước cho thấy, cắt mạch chitosan ở trạng thái rắn là phương pháp có
hiệu quả, quy trình sản xuất đơn giản, không gây ô nhiễm môi trường, không tốn kém chi
phí cho quá trình tinh sạch và ít ảnh hưởng đến chất lượng của chitosan phân tử lượng
thấp sau khi cắt. Tuy nhiên, tại Việt Nam chưa có nhiều tài liệu công bố về nghiên cứu
này.


2
Xuất phát từ ý nghĩa thực tiễn và khoa học trên, đề tài: “Nghiên cứu sản xuất
chitosan phân tử lượng thấp bằng phương pháp thủy phân ở trạng thái rắn với tác
nhân H2O2” được tiến hành.
Mục đích của đề tài: nghiên cứu sản xuất chitosan phân tử lượng thấp tiết kiệm,
đơn giản, nhằm tăng hiệu quả về mặt kinh tế đồng thời đảm bảo được chất lượng và hoạt
tính sinh học của chitosan.
Nội dung của đề tài:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý chitosan đến khả năng cắt mạch
chitosan ở trạng thái rắn với tác nhân H2O2
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến khả năng cắt mạch chitosan ở
trạng thái rắn với tác nhân H2O2
- Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian xử lý đến khả năng cắt mạch chitosan ở
trạng thái rắn với tác nhân H2O2

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ chitosan/H2O2 đến khả năng cắt mạch chitosan
ở trạng thái rắn với tác nhân H2O2
Tính mới của đề tài: Thủy phân chitosan ở trạng thái rắn là một hướng đi mới với
nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp thủy phân chitosan ở trạng thái lỏng như:
giảm thiểu ô nhiễm môi trường, quy trình sản xuất đơn giản, giảm chi phí cho quá trình
loại bỏ ở công đoạn tinh sạch, tăng hiệu quả thu hồi và chất lượng sản phẩm.
Ý nghĩa khoa học của đề tài: Nghiên cứu sản xuất chitosan phân tử lượng thấp ở
trạng thái rắn với tác nhân H2O2 là một phương pháp mới có nhiều ưu điểm so với các
phương pháp đang được sử dụng hiện nay.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Sản xuất chitosan phân tử lượng thấp với hiệu suất
cao,chi phí sản xuất thấp, không gây ô nhiễm môi trường và hoạt tính sinh học cao là điều
mong đợi của các nhà khoa học và các doanh nghiệp sản xuất lớn nhằm ứng dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, y học, thực phẩm và công nghệ sinh học…


3
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Chitosan
1.1.1. Cấu trúc và tính chất của chitosan
1.1.1.1. Cấu trúc hóa học của chitosan
Chitosan là một dẫn xuất của chitin được hình thành khi tách nhóm acetyl (quá
trình deacetyl hoá chitin), vì vậy chitosan chứa rất nhiều nhóm amino. Chitosan thường ở
dạng vảy hay dạng bột có màu trắng ngà. Công thức phân tử của chitosan gần giống với
chitin nhưng chitosan có chứa nhóm amin ở cacbon số 2 [9, 39].
Trong tự nhiên, chitin tồn tại khá phổ biến đặc biệt có nhiều trong vỏ của các loài
động vật giáp xác như: tôm, cua, ghẹ, mai mực. Vì vậy, phế liệu từ động vật thủy sản
thường được dùng để sản xuất chitin - chitosan và dẫn xuất của chúng.
Thực tế cho thấy, mạch phân tử chitosan không đơn thuần chỉ chứa các nhóm amin
ở cacbon số 2 mà còn được đan xen bởi các mắt xích chitin (khoảng 10%). Vì vậy, công
thức phân tử của chitosan được biểu diễn như Hình 1.1.

Hình 1.1. Công thức phân tử đầy đủ của Chitosan [19]
(trong đó tỷ lệ m/n phụ thuộc vào mức độ deacetyl hóa)
Chitosan được gọi là: Poly-β-(1-4)-D-glucosamin hay còn gọi: Poly-β-(1-4)-2amino-2-deoxy-D-glucose.
Công thức hóa học chitosan: (C6H11O4N)n
Khối lượng phân tử của chitosan: MChitosan = (161.07)n


4
1.1.1.2. Tính chất của chitosan:
Chitosan là một chất rắn, xốp, nhẹ, có màu trắng ngà và thường ở dạng vảy hoặc
dạng bột.
Thông thường, chitosan thương mại có độ deacetyl (DD) >70% và trọng lượng
phân tử (100.000 - 1.200.000) Dalton. Phân tử lượng của chitosan thường rất khó kiểm
soát và phụ thuộc nhiều vào nguồn chitin cùng với điều kiện deacetyl. Phân tử lượng của
chitosan quyết định đến tính chất của chitosan như khả năng kết dính, tạo màng, tạo gel,
khả năng hấp phụ chất màu đặc biệt là khả năng ức chế vi sinh vật. Chitosan có phân tử
lượng càng lớn thì độ nhớt càng cao, khả năng tạo màng tốt và màng có sức căng tốt. Tuy
nhiên, chitosan có phân tử lượng thấp thường có hoạt tính sinh học cao hơn và có nhiều
ứng dụng trong nông nghiệp, y học và công nghệ sinh học.
Chitosan có tính kiềm nhẹ, không hòa tan trong nước, trong dung dịch kiềm mà tan
tốt trong các acid hữu cơ thông thường như acid acetic, acid fomic, acid propionic, acid
lactic, acid citric. Khi hòa tan trong dung dịch acid loãng, chitosan tạo thành keo dương.
Đây là điểm đặc biệt của chitosan vì đa số keo polysaccharide tự nhiên đều tích điện âm.
Khi hòa tan chitosan trong dung dịch acid loãng, Chitosan sẽ mang điện tích
dương. Chính vì vậy, chitosan có khả năng bám dính lên bề mặt các ion tích điện âm và
có khả năng tạo phức với các kim loại và tương tác tốt với các polymer tích điện âm.
Chitosan là một trong những polymer sinh học có khả năng kháng nấm và kháng
khuẩn tốt [4, 9, 21].
Chitosan là một chất không độc, dễ tạo màng, có thể tự phân hủy sinh học và có

tính hòa hợp, tương thích cao với cơ thể [1, 9].
Nhờ những đặc tính trên mà chitosan tăng được khả năng ứng dụng của nó trong
một số lĩnh vực như: nông nghiệp, thực phẩm, y học, công nghệ sinh học…
1.1.2. Ứng dụng của chitosan
1.1.2.1. Chitosan ứng dụng trong nông nghiệp và thủy sản
 Trong nông nghiệp
Chitsosan thường được ứng dụng trong nông nghiệp giúp tăng cường sự hoạt động
của các vi sinh vật có lợi trong đất, bọc các hạt giống ngăn ngừa sự tấn công của nấm
trong đất. Đồng thời, chitosan còn có tác dụng cố định phân bón, thuốc trừ sâu, tăng khả


5
năng nảy mầm của hạt, giảm stress cho cây, kích thích sinh trưởng và tăng năng suất thu
hoạch. Đặc biệt, chitosan đóng vai trò là chất kích thích hệ miễn dịch của cây [12, 16, 29].
Theo Lê Thị Thu Hiền và Lê Thị Lan Oanh năm 2007, khi sử dụng hàm lượng vi
lượng chitosan sẽ có khả năng tăng hàm lượng diệp lục tổng số, hàm lượng nitơ, amylase,
catalase và peroxydase lên đáng kể đối với giống lúa CR-205 và CR-230. Cây mạ được
xử lý chitosan sinh trưởng rất tốt, có khả năng chịu rét và cho năng suất từ 21 - 24% so
với giống đối chứng.
Năm 1987, Betech đã được cấp bằng sang chế nhờ nghiên cứu ứng dụng chitosan
trong việc bọc hạt giống để ngăn ngừa sự tấn công của nấm trong đất. Trong những vùng
cây trồng bị nấm tấn công vào hệ rễ, nếu hạt giống được bọc bởi chitosan sẽ nâng cao
hiệu quả thu hoạch lên 80% so với không sử dụng chitosan. Ngoài ra, chitosan còn có tác
dụng kích thích sự nảy mầm của hạt.
Ngày nay, chitosan còn được dùng làm nguyên liệu để bổ sung vào thức ăn cho gia
cầm, gia súc để kích thích sinh trưởng và tăng khả năng kháng bệnh.
 Trong thủy sản
Trong lĩnh vực thủy sản, chitin và chitosan đã được nghiên cứu nhiều đặc biệt là
nuôi trồng thủy sản. Chitosan được nghiên cứu bổ sung vào thức ăn cho tôm, cá để kích
thích sự sinh trưởng, tăng hệ miễn dịch và cải thiện môi trường ao nuôi. Ngoài ra chitosan

còn được ứng dụng làm màng bao, làm chất kết dính để tăng độ ổn định cho thức ăn của
tôm [7, 8].
1.1.2.2. Chitosan ứng dụng trong y học và công nghệ sinh học
 Trong y học
Chitosan có ứng dụng quan trọng và hiệu quả kinh tế cao trong lĩnh vực y học mà
hiện nay được rất nhiều các nhà nghiên cứu quan tâm.
Nhờ khả năng kháng khuẩn và tạo màng mà chitosan được phối hợp ứng dụng với
một số thành phần khác để tạo ra các sản phẩm trong y học: màng sinh học, da nhân tạo,
chất nền cho da nhân tạo, chỉ khâu phẫu thuật, mô cấy ghép chống nhiễm khuẩn và cầm
máu…
Nhờ tính chất tương thích và phân hủy sinh học cao của chitosan nên chitosan
được ứng dụng làm chất mang trong việc kiểm soát quá trình giải phóng thuốc và vận


6
chuyển thuốc. Các dạng ứng dụng chính của chitosan là vi hạt, hạt nano, nhũ dịch. Đã có
rất nhiều loại thuốc được thử nghiệm với chitosan như: Insulin, 5-fluorouracil, thuốc
chống ung thư, kháng viêm…
Chitosan còn được dùng làm hoạt chất chính để chữa các bệnh như: thuốc điều trị
liền vết thương, vết bỏng, vết mổ vô trùng. Đồng thời, chitosan giúp hạ đường huyết và
cholesterol trong máu, chữa đau dạ dày, chống đông tụ máu, điều trị suy giảm miễn
dịch…
Ngoài ra, trong lĩnh vực kiểm soát cân nặng cơ thể, chitosan còn được xem là một
chất giảm béo rất tốt [33]. Chitosan có khả năng ngăn cản sự hấp thu mỡ của cơ thể.
 Trong công nghệ sinh học
Chitosan được ứng dụng làm vật liệu cố định enzyme và tế bào, thông qua cầu nối
glutaraldehyte hoặc được nhốt trong gel.
Chitosan còn được ứng dụng trong việc chế tạo màng bao, màng vi bảo, chất mang
sinh học và nuôi cấy mô. Trong việc ứng dụng chitosan để bảo vệ và duy trì hoạt tính của
các chất có giá trị cao, chitosan đã được nghiên cứu để bảo vệ, tăng cường độ ổn định của

các chất có hoạt tính sinh học như: thuốc, chất màu, vitamin, DNA…
Trong công nghệ di truyền, chitosan được nghiên cứu làm chất mang DNA trong
hệ phân phối không dùng virus vào liệu pháp gen. Với các nghiên cứu này, DNA được cố
định trong các hạt nano chitosan.
Đối với lĩnh vực nuôi cấy mô, chitosan được ứng dụng làm giá thể vi chitosan có
cấu trúc xốp, có tính chất tạo gel, dễ dàng thực hiện cảm biến, có ái lực cao đối với các
đại phân tử (Kim và cộng sự, 2008). Có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng chitosan trong
lĩnh kỹ thuật mô xương chủ yếu tập trung vào hợp chất chitosan - Phosphat Canxi. Đồng
thời, chitosan cũng được nghiên cứu trong việc làm chất kích thích trong nuôi cấy mô
thực vật.
1.1.2.3.

Chitosan ứng dụng trong công nghiệp

Chitosan được ứng dụng khá phổ biến trong các ngành công nghiệp.
 Trong công nghiệp thực phẩm
Chitosan là hợp chất polymer tự nhiên an toàn với những tính chất đặc trưng như
khả năng kháng nấm, kháng khuẩn, chống oxy hóa, tạo màng, tạo gel, hấp phụ màu, làm


7
trong… Vì vậy, chitosan được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực chế biến và bảo quản
thực phẩm.
Ứng dụng chitosan trong tạo màng, chống biến nâu, mất nước, kháng nấm bảo
quan rau quả. Nhờ hàng hào bảo vệ, hạn chế sự cung cấp oxy trên bề mặt rau quả và hàm
lượng CO2 bên trong màng tăng lên nên quá trình hô hấp của rau quả bị ức chế và hạn chế
quá trình biến nâu của quả. Hơn nữa, màng chitosan có lại có tính khàng khuẩn, kháng
nấm nên sự hư hỏng do vi sinh vật sẽ giảm đi nhiều.
Năm 2001 và 2005, Jiang đã thực hiện bảo quản vải, nhãn nhờ chitosan và kết quả
cho thấy sự biến nâu được giảm rõ rệt và kéo dài được thời gian bảo quản khi sử dụng

chitosan ở nồng độ 2% [24, 25]. Ngoài ra có nhiều loại hoa quả khác cũng được ứng dụng
như: xoài, táo, chuối, đào, kiwi, nho, cà rốt, dâu tây, cà chua…
Chitosan được ứng dụng trong kháng khuẩn, kháng nấm, chống oxy hóa, chống
hao hụt trọng lượng trong bảo quản và chế biến thịt, các, chả giò, xúc xích, đậu phụ, bánh
mì…
Chitosan được sử dụng làm chất trợ keo tụ, tạo bông trong công nghệ sản xuất
nước hoa quả nhằm mục đích tạo độ trong, sáng, màu sắc đẹp và tăng tính cảm quan cho
sản phẩm.
 Trong xử lý môi trường
Chitosan có khả năng hấp phụ nhiều ion kim loại nặng như đồng, chì, crom, thủy
ngân… Nhờ các nhóm amin của chitosan có ái lực mạnh và có thể hình thành phức hợp
với các ion kim loại nặng [20, 27, 28, 35]. Tuy nhiên, chitosan có hạn chế là bị hòa tan
trong môi trường pH thấp. Với pH của dịch nước thải từ 5 - 5,5 thì khả năng hấp phụ Pb2+
và Cu2+ của chitosan là tốt nhất.
Chitosan được ứng dụng để thu hồi protein trong nước thải của ngành Công nghệ
Thực phẩm [9, 32]. Nhiều công trình nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm sử dụng
chitosan để thu hồi protein từ nước rửa surimi, dịch thải máu cá, nước thải trong quá trình
chế biến cá, chế biến sữa… Phân tử chitosan có khả năng hấp phụ, tạo cầu nối để liên kết
các hạt keo protein đã keo tụ thành các phân tử có kích thước lớn hơn và lắng xuống.
Chitosan được ứng dụng trong xử lý chất màu của nước thải từ nhà máy dệt
nhuộm. Ngành công nghiệp dệt - nhuộm là ngành tạo ra một lượng lớn nước thải chứa


8
nhiều chất màu gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, các phương pháp xử lý nước thải
hiện nay chỉ có thể làm giảm BOD và các chất thải rắn mà hiệu quả xử lý chất màu chưa
cao. Và chitosan đã nâng cao được hiệu quả đó nhờ khả năng hấp phụ chất màu thông qua
phản ứng trao đổi ion tại giá trị pH thích hợp và cơ chế hấp phụ vật lý.
Chính vì vậy, hiện nay chitosan được ứng dụng khá phổ biến và được xem như là
một trong các nhóm tác nhân chính để xử lý nước thải [22].

 Trong công nghiệp giấy: Nhờ cấu trúc tương tự cellulose nên chitosan được
nghiên cứu bổ sung vào làm nguyên liệu sản xuất giấy giúp tăng độ bền dai của giấy,
đồng thời giúp cho việc in trên giấy được tốt hơn.
 Trong công nghiệp dệt: Dung dịch chitosan có thể thay thế cho hồ tinh bột để
hồ vải, nó có tác dụng làm sợi tơ bền, mịn, bóng đẹp, cố định hình in, chịu được acid và
kiềm nhẹ. Đồng thời, chitosan có thể kết hợp với một số thành phần khác để sản xuất vải
chịu nhiệt, vải chống thấm, vải cold…
 Trong nghành hóa mỹ phẩm: Chitosan có thể cố định dễ dàng trên biểu bì của
da nhờ các nhóm NH3+. Các nhóm này liên kết với tế bào sừng hóa của da. Dựa vào đặc
tính này, người ta sử dụng chitosan làm các loại kem dưỡng da: giữ ẩm, chống khô, làm
mềm da, ngăn ngừa tia cực tím…
1.2. Nghiên cứu sản xuất chitosan phân tử lượng thấp
Chitosan phân tử lượng thấp là chitosan có khối lượng phân tử có sự dao động từ
20 - 200 (kDa), độ nhớt biểu kiến dao động từ 20 - 200 (cP) [36] và mang đầy đủ tính
chất vật lý, hóa học, sinh học của chitosan.
1.2.1. Vai trò của chitosan phân tử lượng thấp
Chitosan phân tử lượng thấp có thể nhận biết khi so sánh với chitosan phân tử
lượng cao thông qua độ nhớt của chitosan khi được hòa tan trong dung dịch acid loãng.
Như vậy, độ nhớt là nhân tố quan trọng để xác định trọng lượng phân tử của chitosan
[42]. Ta có thể thấy rằng, chitosan phân tử lượng thấp sẽ có độ nhớt thấp bởi mạch phân
tử chitosan ngắn sẽ làm giảm sự tương tác giữa các phân tử với nhau. Ngược lại, nếu
mạch phân tử chitosan cao, các phân tử trong môi trường có sự ràng buộc lẫn nhau tạo


9
thành trạng thái rối làm cho chitosan có độ nhớt cao hơn. Vì lý do đó mà ta có thể xác
định tương đối chitosan phân tử lượng thấp thông qua độ nhớt của nó.
Theo một số nghiên cứu cho biết, chitosan phân tử lượng thấp sẽ có độ nhớt nằm
trong khoảng từ 20 - 200 (cP). Trong khi đó, chitosan phân tử lượng trung bình có độ
nhớt từ 200 - 800 (cP) và chitosan phân tử lượng cao có độ nhớt từ 800 - 2000 (cP) [36].

Ngoài việc vẫn đảm bảo được tính chất như một chitosan phân tử lượng cao và
trung bình thì chitosan phân tử lượng thấp còn có nhiều đặc tính ưu việt khác.
Theo một nghiên cứu ngoài nước [15] cho thấy, chitosan phân tử lượng thấp là một
chất có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm và virus rất tốt. Trên thực tế, đa số bề mặt tế
bào vi khuẩn thường là Gram âm, nhờ lực tương tác tĩnh điện xảy ra giữa nhóm NH3+ của
chitosan và bề mặt tế bào vi khuẩn dẫn đến sự phá vỡ màng tế bào vi khuẩn, đồng thời
màng bao bọc của chitosan lên tế bào vi sinh vật là rào cản của các quá trình trao đổi chất
và gián tiếp tham gia vào quá trình ly giải tế bào. Hơn nữa, chitosan là một tác nhân tạo
phức, nó có thể loại bỏ các kim loại vi lượng cần thiết cho quá trình phát triển của vi sinh
vật.
Khi quan sát dưới kính hiển vi điện tử, các nhà Khoa học chỉ ra rằng, chitosan có
phân tử lượng thấp có khả năng ức chế vi sinh vật tốt hơn chitosan phân tử lượng cao.
Nhờ khả năng tương tác và tiếp xúc với toàn bộ bề mặt vi sinh vật làm ngăn cản các quá
trình sinh hóa và hoạt động bình thường mà chitosan phân tử lượng thấp có khả năng
kháng khuẩn tốt hơn chitosan phân tử lượng cao.
Ngoài cơ chế kháng khuẩn, chitosan còn được xem là một chất an toàn và có khả
năng tự phân hủy sinh học mà các nhà nghiên cứu muốn ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực
công nghiệp thực phẩm.
Một số nghiên cứu khác cho thấy rằng, với khả năng tác động về mặt lý hóa và đặc
tính sinh học mà chitosan phân tử lượng thấp được sử dụng như một chất tăng cường hấp
thu cho các đại phân tử và còn là phương tiện chuyển gen hữu hiệu. Đồng thời, chitosan
phân tử lượng thấp hữu ích cho việc thiết kế hệ thống phân phối thuốc do các tính chất
hòa tan được cải thiện [34].


10
Từ các cơ sở khoa học và vai trò trên, đề tài được tiến hành nghiên cứu nhằm đưa
ra một quy trình tối ưu cho quá trình sản xuất chitosan phân tử lượng thấp với độ nhớt
mục tiêu từ 50 - 100 (cP).
1.2.2. Nghiên cứu sản xuất chitosan phân tử lượng thấp

Chitosan đã được biết đến về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất và ứng dụng bởi các
nhà nghiên cứu trên thế giới công bố từ những năm 30 của thế kỷ XX.
Trên thế giới và tại Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu thành công trong lĩnh vực
này.
1.2.2.1. Nghiên cứu sản xuất chitosan phân tử lượng thấp trên thế giới
Nhật Bản, Hoa Kỳ, Trung Quốc, Ấn Độ, Pháp được xem là những nước có rất
nhiều thành công trong lĩnh vực nghiên cứu sản xuất chitosan.
Với công nghệ sản xuất chitosan hàng đầu, Nhật Bản là nước đầu tiên trên thế giới
sản xuất 20 tấn/năm. Cho đến nay, mỗi năm Nhật Bản sản xuất được 700 tấn, trong khi
Hoa Kỳ chỉ đạt trên 300 tấn.
Người ta ước tính rằng, sản lượng chitosan trên thế giời sẽ đạt tới 118.000 tấn/năm,
trong đó Nhật Bản và Hoa Kỳ là hai nước sản xuất chính.
Cho đến nay có rất nhiều các phương pháp sản xuất chitosan và chitosan phân tử
lượng thấp, tuy nhiên, trong pham vi Đề tài, chúng tôi quan tâm đến các phương pháp
thủy phân chitosan tạo chitosan phân tử lượng thấp với mục đích giảm thiểu nguy cơ ô
nhiễm môi trường và quy trình sản xuất đơn giản.
Trên thế giới, có rất nhiều phương pháp sản xuất chitosan có phân tử lượng thấp và
chủ yếu được phân thành các dạng như sau: Phương pháp sinh học, hóa học và vật lý. Bởi
một số ưu điểm vươt trội mà phương pháp hóa học và sinh học được ứng dụng nhiều
trong cuộc sống.
 Thủy phân chitosan bằng tác nhân sinh học
Ước tính có hơn 30 loại enzyme có thể sử dụng để cắt mạch chitosan: chitosanase,
cellulase thu từ các vi sinh vật (vi khuẩn, nấm mốc), papain tách chiết từ đu đủ… [6].
Theo nghiên cứu của Jin Li và cộng sự, 2004, chitosan sau khi được cắt mạch bằng
enzyme protease có nguồn gốc từ vi khuẩn Bacillus subtilis đã tạo ra được sản phẩm
chitosan phân tử lượng thấp có khối lượng phân tử là 5 -10 (kDa).


11
Nhờ tính đặc hiệu của enzyme mà phương pháp thủy phân bằng enzyme có hiệu

quả cao và giảm thiểu được khả năng biến đổi hóa học không có lợi, đồng thời tăng hoạt
tính sinh học của sản phẩm thủy phân và không gây ô nhiễm môi trường.
Tuy phương pháp thủy phân chitosan bằng enzyme có nhiều ưu điểm, nhưng
phương pháp này vẫn còn khá nhiều hạn chế. Do công đoạn tinh sạch cho sản phẩm khó
khăn nên chi phí cho sản xuất rất lớn, quy trình sản xuất phức tạp. Tính đặc hiệu của
enzyme cao vì vậy có những enzyme chỉ cắt liên kết giữa các đơn vị có chứa nhóm acetyl
hoặc chỉ cắt liên kết giữa các đơn vị đã bị khử nhóm acetyl nên hiệu quả thủy phân chưa
cao.
 Thủy phân chitosan bằng tác nhân vật lý
Sử dụng tác nhân vật lý cho thủy phân chitosan cũng đã được các nhà khoa học
nghiên cứu khá nhiều. Khi thủy phân bằng tác nhân vật lý, người ta thường sử dụng các
tia chiếu xạ cho quá trình thủy phân. Có thể kể đến như:
- Chiếu xạ ở trạng thái khô: dùng tia gamma phát ra từ nguồn

60

Co với liều

lượng là 0.56 Gy s -.
- Chiếu xạ trong dung dịch: dùng tia gamma phát ra từ nguồn

60

Co với liều

lượng là 0.023 Gy s-.
- Siêu âm trong dung dịch: phương pháp này dễ dàng thu được chitosan phân tử
lượng thấp phụ thuộc vào tần số của sóng siêu âm sử dụng.
Năm 2005, Czechowska-Biskup và cộng sự đã thử nghiệm thủy phân chitosan
bằng phương pháp vật lý tạo oligochitosan và thử nghiệm kết hợp oligochitosan với chất

béo nhằm mục đích ứng dụng oligochitosan trong dược phẩm hoặc thực phẩm chức năng
để làm giảm khả năng hấp thụ chất béo của con người.
Năm 2004, Wasikiewicz và cộng sự đã sử dụng tia gamma, tia UV và sóng siêu âm
để thủy phân chitosan, kết quả thu được oligo chitosan có phân tử lượng khá thấp (>25
kDa).
Năm 2011, Nguyễn Ngọc Duy đã kết hợp phương pháp vật lý và phương pháp hóa
học để thủy phân chitosan bằng tia gamma trong môi trường có bổ sung H2O2 và thu được
olygochitosan có khối lượng phân tử thấp (5 – 10 kDa) [30].


12
Phương pháp này có ưu điểm là phản ứng thủy phân diễn ra nhanh nhờ tác động
mạnh của các tia chiếu xạ.
Tuy nhiên, Thủy phân bằng phương pháp vật lý phải hòa tan chitosan trong môi
trường acid với nồng độ (0.1 - 1)%, đồng thời phản ứng thủy phân dễ xảy ra quá trình phá
vỡ các cấu trúc bên ngoài của chitosan.
 Thủy phân chitosan bằng phương pháp hóa học
Trên thực tế có rất nhiều tác nhân hóa học đã được nghiên cứu và ứng dụng để
thủy phân chitosan thu chitosan phân tử lượng thấp hoặc oligochitosan như: acid nitrous,
acid sulfuric, acid phosphosunfuric và acid hydrofluoric [17, 26, 31, 37]. Tuy nhiên,
phương pháp này đòi hỏi thời gian dài, dễ bị phá vỡ các cấu trúc mạch vòng của chitosan,
quá trình tinh sạch sản phẩm khó khăn, ô nhiễm môi trường và phải sử dụng các thiết bị
hiên đại ở quy mô công nghiệp.
Bên cạnh đó, một số các nghiên cứu đã sản xuất thành công chitosan phân tử lượng
thấp bằng việc thủy phân chitosan ở trạng thái lỏng (sau khi pha loãng trong môi trường
acid) bởi các tác nhân oxy hóa như: ozone, natri nitrite và hydroperoxid [10, 13]. Tuy
nhiên, phương pháp này vẫn chưa khắc phục được nhược điểm lớn nhất của phương pháp
hóa học là quá trình tinh chế sản phẩm gặp nhiều khó khăn và nguy cơ ô nhiễm môi
trường cao.
Một phương pháp mới đã được đưa ra nhằm giảm thiểu chi phí và đơn giản hóa

quy trình sản xuất khi thủy phân chitosan ở trạng thái rắn với tác nhân HCl. Nghiên cứu
này đã thành công với 80% chitosan được chuyển thành glucosamine. Tuy vây, phưng
pháp này khó thương mại hóa sản phẩm vì sản phẩn tạo thành chủ yếu không phải
chitosan - oligosaccharide và việc xử lý nước thải gặp rất nhiều khó khăn [17].
Phương pháp thủy phân với tác nhân hóa học thường cho hiệu quả cao, sản phẩm
tạo thành có sự đồng nhất bởi chitosan được hòa tan ở dạng dung dịch. Tuy nhiên, khi
thủy phân chitosan bằng phương pháp hóa học ở dạng dung dịch, các nhà khoa học còn lo
ngại về hoạt tính sinh học của sản phẩm và có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy,
cần tìm ra một phương pháp hóa học hoàn hảo hơn để có thể khắc phục được các nhược
điểm trên.


13
1.2.2.2. Nghiên cứu sản xuất chitosan phân tử lượng thấp ở Việt Nam
Ở Việt Nam hiện nay có rất nhiều cơ sở khoa học đã và đang nghiên cứu sản xuất
chitosan như: Trường Đại học Nha Trang, Trung tâm nghiên cứu polymer – Viện khoa
học Việt Nam, Viện Hóa thuộc Viện khoa học Việt Nam tại Thành phố Hồ Chí Minh,
Trung tâm Công nghệ và Sinh học Thủy sản - Viện Nghiên cứu Môi trường Thủy sản 2,
Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh…
Gần đây, Trường Đại học Nha Trang đã công bố nhiều quy trình sản xuất theo
hướng giảm thiểu sử dụng hóa chất trong xử lý và những nghiên cứu ứng dụng công nghệ
enzyme [3, 5].
Đặc biệt có công trình của GS. Trần Thị Luyến và cộng sự, 2006 đã nghiên cứu sản
xuất oligochitosan bằng HCl, sản phẩm thu được có màu sắc trắng, đẹp, và chất lượng tốt.
Đồng thời, cùng năm 2006, GS. Trần Thị Luyến đã nghiên cứu sản xuất oligochitosan từ
chitin, chitosan bằng enzyme papain, enzyme hemicellulose, enzyme cellulase từ xạ
khuẩn [5].
Theo GS.Trần Thị Luyến khi sử dụng enzyme papain từ đu đủ xanh đã thu được
95% oligochitosan từ chitosan. Còn sử dụng enzyme papain thương phẩm thì thu được
97%. Đối với khi sử dụng enzyme hemicellulose thương phẩm, sản phẩm thu được là

88,9% oligochitosan từ chitosan và 86,7% từ chitin. Khi sử dụng enzyme cellulase từ xạ
khuẩn [5] sẽ thu được 52,6% oligochitosan từ chitosan và 45,6% từ chitin.
Năm 2008, Đỗ Thị Liền đã nghiên cứu cắt mạch chitosan trong dung dịch acid
acetic bằng H2O2 [3], kết quả cho thấy 9 sản phẩm chitosan mạch ngắn đã được sản xuất
thử nghiệm thành công.
Đây là một bước tiến mới so với các phương pháp sản xuất chitosan phân tử lượng
thấp ở Việt Nam trước năm 2008.
Tuy nhiên, độ nhớt của chitosan mà tác giả Đỗ Thị Liền đã nghiên cứu sau khi cắt
mạch chỉ có thể chấp nhận về mặt định tính bởi độ nhớt của chitosan thấp có thể biểu thị
phân tử lượng thấp một cách tương đối mà chưa xác định đầy đủ về mặt định lượng.
Đồng thời, phương pháp cắt mạch của nghiên cứu trên phải thông qua bước hòa tan
và pha loãng chitosan trong môi trường acid, điều này ảnh hưởng rất lớn đến môi trường,
gây khó khăn và tốn kém chi phí trong công đoạn tách và tinh sạch sản phẩm.


14
Như vậy, để phát triển ưu điểm của các phương pháp trên và hạn chế các nhược
điểm còn tồn tại, nghiên cứu mong muốn có thể giảm thiểu được những tồn tại của các
phương pháp trước đây.
1.2.3. Sử dụng H2O2 cho quá trình thủy phân ở trạng thái rắn tạo chitosan phân tử
lượng thấp và cơ sở khoa học của phương pháp
1.2.3.1. Cơ chế cắt mạch của H2O2 và cơ sở khoa học của phương pháp
Quá trình cắt mạch chitosan của H2O2 là một quá trình thủy phân liên tục, vì vậy để
hiểu thêm về cơ chế cắt mạch của H2O2 khi tác động vào mạch phân tử chitosan, chúng ta
cần biết rõ về cấu trúc của chitosan.
Mạch phân tử chitosan là polysaccharide được cấu tạo bởi các monosaccharide liên
kết với nhau bằng cầu nối 1,4 glucoside và có sự hình thành của các nhóm amin ở cacbon
số 2 khi deacetyl hóa chitin.
Trong quá trình thủy phân chitosan bằng hydroperoxide, các phản ứng được diễn ra
lần lượt như sau:

Trước hết là sự phân ly của H2O2:
H2O2 = H+ + HOO-

(1)

Ion H+ của phương trình (1) sẽ liên kết với nhóm NH2 ở cacbon số 2 của chitosan
(hình 1.3) để tạo thành NH3+:
R – NH2 + H+ = R – NH3+

(2)

Từ (1), (2) và hình 1.3, ta có phương trình tổng quát:
H2O2 + R – NH2 = R – NH3+ + HOO-

(3)

Gốc HOO- được tạo ra khá linh động, nó dễ dàng bị thủy phân tạo ra gốc tự do
HO*, O* và nhóm -OH-. Như vậy, có thể hiểu là H2O2 liên tục bị thủy phân.
HOOH2O2 + HOO-

OH- + O*
HO* + O*2- + H2O

(4)
(5)

Gốc hydroxyl là một gốc oxy hóa rất mạnh, nó phản ứng với Cacbohydrates rất
nhanh, HO* lấy một hydro nguyên tử của mạch phân tử chitosan, nước được hình thành

15
tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân. Dựa vào cấu trúc chitosan Hình 1.3, ta có
phương trình:
(GlcN)m − (GlcN)n + HO*→ (GlcN*)m − (GlcN)n + H2O

(6)

(GlcN.)m− (GlcN)n + H2O→ (GlcN)m + (GlcN)n

(7)

Sau quá trình thủy phân, cấu trúc của chitosan sẽ không thay đổi, mạch chitosan
ngắn lại do các liên kết 1,4 glucoside bị cắt đứt [19].
Ở trạng thái rắn, sự trương nở cấu trúc của chitosan là một yếu tố quan trọng nhằm
hỗ trợ cho sự xâm nhập và cắt đúng vị trí của tác nhân H2O2. Nếu khả năng xâm nhập vào
các liên kết bị giảm thì tác nhân oxy hóa chỉ phản ứng ở bề mặt ngoài của chitosan, vì
vậy, sản phẩm tạo thành sẽ có hiên tượng ngả sang màu vàng.
Như vậy, tiền xử lý chitosan cho phản ứng cắt mạch là quá trình quan trọng ảnh
hưởng rất lớn đến tính chất của chitosan sản phẩm.
Từ cơ chế đã được phân tích ở trên cho thấy, chitosan hoàn toàn có thể được cắt
mạch bằng tác nhân H2O2 ở trạng thái rắn mà không cần hòa tan trong dung dịch acid.
1.2.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng thủy phân chitosan
Phản ứng thủy phân chitosan bằng H2O2 ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, có thể kể đến
một số yếu tố ảnh hưởng lớn như: kích thước chitosan, nồng độ - tỷ lệ H2O2 được bổ sung,
nhiệt độ và thời gian thủy phân.
 Ảnh hưởng của kích thước chitosan:
Chitosan có kích thước khác nhau sẽ có phản ứng thủy phân khác nhau phụ thuộc
vào khả năng tiếp xúc giữa H2O2 và chitosan.
 Ảnh hưởng của nồng độ và tỷ lệ H2O2 được bổ sung:
Theo nghiên cứu của Tian, 2004 [6] cho thấy trọng lượng phân tử của chitosan sau

khi thủy phân sẽ giảm dần khi nồng độ H2O2 tăng, một lượng nhỏ H2O2 cũng có thể làm
giảm trọng lượng của phân tử chitosan. Như vậy, khi điều kiện phản ứng không đổi thì
nồng độ H2O2 càng cao, lượng H2O2 được bổ sung vào càng nhiều thì trọng lượng phân tử
càng giảm.