Nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái và chất lượng chitin đến khả năng deacetyl bằng NaOH

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TRẠNG THÁI VÀ
CHẤT LƯỢNG CHITIN ĐẾN KHẢ NĂNG DEACETYL
BẰNG NaOH

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

: ĐỖ THỊ CẨM NGUYÊN

Mã số sinh viên

: 53131089

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

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TRẠNG THÁI VÀ
CHẤT LƯỢNG CHITIN ĐẾN KHẢ NĂNG DEACETYL
BẰNG NaOH

GVHD

: ThS. NGUYỄN CÔNG MINH

SVTH

: ĐỖ THỊ CẨM NGUYÊN

MSSV

: 53131089

Khánh Hòa, tháng 06/2015


i
LỜI CẢM ƠN
Qua 3 tháng nỗ lực phấn đấu, với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô và bạn bè
tôi đã hoàn thành đề tài này. Qua đây tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Th.s
Nguyễn Công Minh người đã tận tình truyền đạt những kiến thức trong quá trình làm
đề tài và trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo những kinh nghiệm quý báu để tôi hoàn thành
tốt báo cáo đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Công nghệ sinh học và Môi
trường đã nhiệt tình giảng dạy, truyền dạt cho tôi những kiến thức quý báu trong
những năm học vừa qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn của mình đến các thầy, cô giáo quản
lý các phòng thí nghiệm Công nghệ sinh học, khu Công nghệ cao, phòng Công nghệ

thực phẩm, phòng Chế biến thực phẩm… đặc biệt là thầy Vũ Phương – giám đốc
Trung tâm Thí nghiệm Thực hành đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá
trình nghiên cứu tại các phòng thí nghiêm của trường Đại học Nha Trang.
Xin chân thành cảm ơn các bạn chi hội 53CNSH, cùng các bạn sinh viên làm
nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của trường đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên tôi hoàn
thành tốt đề tài.
Cuối cùng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến ba, má kính mến cùng anh
chị em trong gia đình, những người đã ủng hộ nhiệt tính cả vật chất lẫn tinh thần trong
quá trình học tập là thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Nha trang, tháng 6 năm 2015
Sinh viên

Đỗ Thị Cẩm Nguyên


ii
TÓM TẮT
Chitin – chitosan có nhiều ứng dụng trong các ngành công, nông nghiệp, y dược và
bảo vệ môi trường. Từ khả năng ứng dụng khá rộng rãi của chitin – chitosan mà nhiều
nước đã nghiên cứu sản xuất các sản phẩm này. Ở Việt Nam, theo số liệu chiến lược
xuất khẩu của bộ Thủy sản đến năm 2005 sản lượng tôm xuất khẩu đạt 140.000
tấn/năm; từ quá trình sản xuất này sẽ có một lượng lớn phế liệu riêng cho vỏ tôm, thải
ra khoảng 70.000 tấn/năm; theo số liệu thực nghiệm chitosan chiếm khoảng 5% vỏ
tươi và khoảng 20-40% vỏ khô, như vậy hằng năm có thể sản xuất gần 50.000 tấn
chitosan từ vỏ tôm và ghẹ phục vụ sản xuất trong nước và xuất khẩu mang lại hiệu quả
kinh tế cho ngành thủy sản.
Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái và chất lượng chitin đến chất
lượng chitosan thông qua quá trình deacetyl bằng NaOH nhằm đề xuất quy trình sản
xuất chitosan có hiệu suất thu hồi cao đạt 85,14%, độ deacetyl là 79,5%, độ nhớt biểu

kiến 1250 Cp và trọng lượng phân tử là 875 Kdal.


iii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i
TÓM TẮT....................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. viii
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CHITIN - CHITOSAN ...............................................3
1.1.Tổng quan về chitin – chitosan ..............................................................................3
1.1.1.Lịch sử phát hiện.............................................................................................. 3
1.1.2.Sự tồn tại của chitin – chitosan trong tự nhiên ................................................4
1.1.3.Cấu trúc hóa học và tính chất hóa lý của chitin – chitosan ............................. 4
1.1.3.1.Cấu trúc hóa học của chitin – chitosan ......................................................4
1.1.3.2.Tính chất hóa lý của chitin – chitosan ....................................................... 6
1.2.Quy trình sản xuất chitin – chitosan.....................................................................12
1.2.1.Quá trình khử khoáng ....................................................................................13
1.2.2.Quá trình khử protein..................................................................................... 14
1.2.3.Quá trình deacetyl .......................................................................................... 15
1.3.Tình hình nghiên cứu, sản xuất chitin – chitosan trên thế giới và ở Việt Nam ...18
1.3.1.Sản xuất chitin – chitosan theo phương pháp hóa học ..................................18
1.3.1.1.Quy trình của Stevens .............................................................................18
1.3.1.2.Quy trình sản xuất chitin từ vỏ tôm hùm của Hackman ......................... 19
1.3.1.3.Quy trình thủy nhiệt của Yamasaki và Nakamichi (Nhật Bản) ..............20
1.3.2.Sản xuất chitin – chitosan theo phương pháp hóa học cải tiến ...................... 20
1.3.2.1.Quy trình sản xuất của Pháp ....................................................................20

1.3.2.2.Quy trình của Đỗ Minh Phụng, trường Đại học Thủy Sản ..................... 22
1.3.2.3.Quy trình sản xuất chitosan từ vỏ tôm bằng phương pháp hóa học với
một công đoạn xử lý kiềm (Trần Thị Luyến, 2003) ............................................23
1.3.2.4.Quy trình của Trung tâm Chế biến Đại học Thủy sản ............................ 24
1.3.2.5.Qui trình sản xuất chitin và chitosan của Trang Sĩ Trung, Đại Học Nha
Trang (2003) ........................................................................................................25


iv
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................... 27
2.1.Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................... 27
2.2.Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 27
2.2.1.Bố trí thí nghiệm tổng quan ...........................................................................27
2.2.2.Bố trí thí nghiệm chi tiết ................................................................................28
2.2.2.1.Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước chitin đến chất lượng chitosan
thông qua quá trình deacetyl bằng NaOH ........................................................... 28
2.2.2.2.Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm chitin đến chất lượng chitosan thông
qua quá trình deacetyl bằng NaOH .....................................................................29
2.2.1.3.Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng protein, khoáng chitin đến chất
lượng chitosan thông qua quá trình deacetyl bằng NaOH ..................................31
2.3.Các phương pháp phân tích ..................................................................................32
2.3.1.Hàm ẩm của chitin – chitosan được xác định bằng phương pháp sấy ở 1050C
theo TCVN 3700 – 1990 (Phụ lục 1.1). ..................................................................32
2.3.2.Hàm lượng tro tổng số của chitin – chitosan được xác đinh bằng phương
pháp nung ở 5500C theo TCVN 5405 - 1990(Phụ lục 1.2). ...................................32
2.3.3.Độ đục của chitosan được tiến hành đo bằng máy DR – 2000 (Direct reading
spectrophotometer) (Phụ lục 1.3). ..........................................................................32
2.3.4.Độ nhớt của chitosan được xác định bằng nhớt kế Brookfield, model RVT
(Phụ lục 1.4). ...........................................................................................................32
2.3.5.Độ tan của chitosan được xác định thông qua các phân tử không tan trong

dung dịch (Phụ lục 1.5). .......................................................................................... 32
2.3.6.Hàm lượng protein của chitin – chitosan được xác định bằng phương pháp
Microbiuret (Hein và cộng sự, 2004) (Phụ lục 1.6)................................................32
2.3.7.DD của chitin – chitosan được xác định theo phương pháp UV (Tao và cộng
sự, 2008) (Phụ lục 1.7)............................................................................................ 32
2.3.8.Trọng lượng phân tử của chitin – chitosan được xác đinh theo phương pháp
đo độ nhớt nội (Phụ lục 1.8). ..................................................................................32
2.4.Phương pháp xử lý số liệu: ..................................................................................32
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ....................................33
1.1.Chất lượng của chitin: .......................................................................................... 33
1.2.Ảnh hưởng của kích thước chitin đến khả năng deacetyl bằng NaOH ................34


v
1.3.Ảnh hưởng của độ ẩm chitin đến khả năng deacetyl bằng NaOH ....................... 38
1.4.Chất lượng của chitin so với chitin thương mại:..................................................42
1.5.Đề xuất quy trình ..................................................................................................44
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 45
4.1. Kết luận: ..............................................................................................................45
4.2. Kiến nghị .............................................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 46
PHỤ LỤC


vi
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Độ deacetyl hóa của chitosan ở các điều kiện xử lý khác nhau (Trung và
cộng sự, 2006) ........................................................................................................................ 17
Bảng 1.2. Phân tử lượng của chitosan ở các điều kiện deacetyl hóa khác nhau
(Methacanon và cộng sự, 2003) ........................................................................................... 18

Bảng 1.3. Một số chỉ tiêu chất lượng của chitosan từ vỏ tôm sú theo phương pháp xử
lý kiềm một giai đoạn (Trần Thị Luyến, 2003)……………………………………….24
Bảng 3.1. Một số chỉ tiêu cơ bản của chitin .................................................................. 33
Bảng 3.2. Một số chỉ tiêu cơ bản của chitosan khi deacetyl chitin có các kích thước
khác nhau ................................................................................................................................ 35
Bảng 3.3. Một số chỉ tiêu cơ bản của chitosan khi deacetyl chitin có các độ ẩm khác
nhau .......................................................................................................................................... 39
Bảng 3.4. Một số chỉ tiêu về chất lượng của chitin sản xuất theo quy trình của Trang Sĩ
Trung và cộng sự (2010) và chitin thương mại .................................................................. 42


vii
DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Sắp xếp các mạch trong phân tử chitin ........................................................... 5
Hình 1.2. Công thức cấu tạo của chitin ............................................................................ 5
Hình 1.3. Công thức cấu tạo của chitosan ........................................................................ 6
Hình 1.4. Phức của chitin – chitosan với kim loại .......................................................... 9
Hình 1.5. Quá trình khử khoáng của từ vỏ tôm sú .......................................................... 13
Hình 1.6. Quá trình khử protein của từ vỏ tôm sú ở các nhiệt độ khác nhau với nồng độ
NaOH 50% ........................................................................................................................... 15
Hình 1.7. Quá trình deacetyl .............................................................................................. 15
Bảng 1.3. Một số chỉ tiêu chất lượng của chitosan từ vỏ tôm sú theo phương pháp xử
lý kiềm một giai đoạn ......................................................................................................... 24
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quan ................................................................... 27
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước chitin đến chất
lượng chitosan thông qua quá trình deacetyl bằng NaOH ............................................. 28
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm chitin đến chất
lượng chitosan thông qua quá trình deacetyl bằng NaOH ............................................. 30
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng protein, khoáng

chitin đến chất lượng chitosan thông qua quá trình deacetyl bằng NaOH................... 31
Hình 3.1: Quy trình sản xuất chitin ................................................................................... 33
Hình 3.2. Ảnh hưởng của kích thước chitin đến DD và Mw của chitosan .................. 36
Hình 3.3. Chitosan 2mm ............................................................................................. 37
Hình 3.4. Chitosan 4mm .................................................................................................... 37
Hình 3.5. Chitosan 6mm…………………………………………………………….37
Hình 3.6. Chitosan 8mm…………………………………………………………….37
Hình 3.7. Chitosan không xay……………………………………………………….37
Hình 3.8. Ảnh hưởng của độ ẩm chitin đến DD và Mw của chitosan .......................... 40
Hình 3.9. Chitin tự sản xuất ........................................................................................ 43
Hình 3.10. Chitin thương mại ............................................................................................ 43
Hình 3.11. Quy trình đề xuất sản xuất chitosan từ chitin ............................................... 44


viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
-

DD (Degree of Deacetylation): Độ deacetyl

-

Mw (Molecular weight): Trọng lượng phân tử

-

w/v (Weight/volume): Khối lượng/thể tích

-

D: D-glucosamine

-

PEG: Polyethylene glycol


1
LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ chế biến thủy sản đang ngày càng phát triển trên quy mô toàn cầu, rất
nhiều nước Đông Nam Á và Nam Mĩ đang đẩy mạnh ngành công nghiệp này chủ yếu
cho xuất khẩu như Ấn Độ, Indonexia, Thái Lan, Việt Nam,…. Quá trình này bao gồm
cả nuôi trồng và đánh bắt ở biển, với một sản lượng đông lạnh rất lớn, như vậy tất yếu
một lượng phế thải không nhỏ bị vứt bỏ, để thối rữa và do đó gây ô nhiễm môi trường.
Theo ước tính lượng phế thải tôm, cua…hàng năm là 1,44 triệu tấn (trọng lượng khô).
Tuy vậy chính lượng phế thải vỏ tôm, cua, mực…này lại là một nguồn nguyên liệu to
lớn để sản xuất chitin – chitosan, protein, chất màu…[23].
Chitin là một polymer thiên nhiên có cấu tạo mạch thẳng gồm các đơn vị N-acetylDglucosamin nối với nhau bằng các liên kết β-1,4-glucoside. Chitosan là một dẫn xuất
của chitin được hình thành khi tách nhóm acetyl, vì vậy chitosan chứa rất nhiều nhóm
amino. Chitosan thường ở dạng vẩy 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 thứ 2.
Chitosan có nhiều ứng dụng trong các ngành công, nông nghiệp, y dược và bảo vệ môi
trường. Từ khả năng ứng dụng khá rộng rãi của chitin – chitosan mà nhiều nước đã
nghiên cứu sản xuất các sản phẩm này. Ở Việt Nam, theo số liệu chiến lược xuất khẩu
của bộ Thủy sản đến năm 2005 sản lượng tôm xuất khẩu đạt 140.000 tấn/năm; từ quá
trình sản xuất này sẽ có một lượng lớn phế liệu riêng cho vỏ tôm, thải ra khoảng
70.000 tấn/năm; theo số liệu thực nghiệm chitosan chiếm khoảng 5% vỏ tươi và
khoảng 20-40% vỏ khô, như vậy hằng năm có thể sản xuất gần 50.000 tấn chitosan từ
vỏ tôm và ghẹ phục vụ sản xuất trong nước và xuất khẩu mang lại hiệu quả kinh tế cho
ngành thủy sản [23].

Quy trình sản xuất chitosan cơ bản gồm ba quá trình là: quá trình khử khoáng, quá
trình khử protein, quá trình deacetyl; trong đó quá trình deacetyl là quá trình quan
trọng nhất quyết định đến chất lượng chitosan cuối cùng. Đã có nhiều đề tài nghiên
cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình deacetyl hóa như nhiệt độ, nồng độ NaOH,
thời gian xử lý… Tuy nhiên yếu tố ảnh hưởng lớn đến quá trình deacetyl hóa để tạo ra
sản phẩm chitosan là nguyên liệu chitin ban đầu vẫn chưa được nghiên cứu rộng rãi.
Xuất phát từ ý nghĩa thực tiễn và khoa học trên, được sự đồng ý của Bộ môn Công
nghệ sinh học-Viện Công nghệ sinh học và môi trường-Trường Đại học Nha Trang,


2
dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Công Minh, tôi đã tiến hành thực hiện đề tài
“Nghiên cứu sự ảnh hưởng của trạng thái và chất lượng chitin đến khả năng
deacetyl hóa bằng NaOH”.
 Mục đích của đề tài
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của trạng thái và chất lượng chitin đến khả năng deacetyl
hóa bằng NaOH để sản xuất ra chitosan đạt được những chỉ tiêu đề ra nhằm nâng cao
chất lượng chitosan.
 Nội dung của đề tài
 Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước chitin đến chất lượng chitosan
thông qua quá trình deacetyl hóa bằng NaOH.
 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm chitin đến chất lượng chitosan thông
qua quá trình deacetyl hóa bằng NaOH.
 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng protein, khoáng của chitin đến
chất lượng chitosan thông qua quá trình deacetyl hóa bằng NaOH.


3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CHITIN - CHITOSAN
1.1.

Tổng quan về chitin – chitosan

1.1.1. Lịch sử phát hiện
Chitin được Bracannot phát hiện lần đầu tiên vào năm 1811 trong cặn dịch chiết
của một loại nấm và đặt tên là “fungine” để ghi nhớ nguồn gốc tìm ra nó. Năm 1823,
Odier đã phân lập được một chất từ bọ cánh cứng và ông gọi là chitin hay “chitine” có
nghĩa là lớp vỏ. Nhưng không phát hiện sự có mặt của nitơ, cuối cùng cả Bracannot và
Odier đều cho rằng cấu trúc của chitin giống cấu trúc của cellulose [24].
Năm 1929, Karrer đun sôi chitin 24h trong dung dịch KOH 5% và đun tiếp 50 phút
ở 1600C với kiềm bão hòa ông thu được sản phẩm có phản ứng màu đặc trưng với
thuốc thử, chất đó chính là chitosan [24].
Trước đấy, người ta đã thử chiết tách chitin từ thực vật biển nhưng nguồn nguyên
liệu không đủ để đáp ứng nhu cầu. Trữ lượng chitin phần lớn có nguồn góc từ vỏ tôm,
cua. Trong một thời gian, các chất phế thải này không được thu hồi mà lại thải ra ngoài
gây ô nhiễm môi trường. Năm 1977, Viện kỹ thuật Masachusetts (Mỹ) khi tiến hành
xác định giá trị của chitin và protein trong vỏ tôm, cua đã cho thấy việc thu hồi các
chất này có lợi nếu sử dụng trong công nghiệp. Phần protein thu được sẽ dùng để chế
biến thức ăn gia súc, còn phần chitin sẽ dùng như một chất khởi đầu để điều chế các
dẫn xuất có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp [12].
Việc nghiên cứu về dạng tồn tại, cấu trúc, tính chất lý hóa, ứng dụng của chitosan
đã được công bố từ những năm 30 của thế kỷ XX. Những nước đã thành công trong
lĩnh vực nghiên cứu sản xuất chitosan đó là: Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Pháp.
Nhật Bản là nước đầu tiên trên thế giới năm 1973 sản xuất 20 tấn/năm, và đến nay đã
lên tới 700 tấn/năm, Mỹ sản xuất trên 300 tấn/năm. Theo Knorr năm 1991 thì thị
trường có nhiều triển vọng của chitin-chitosan là Nhật Bản, Mỹ, Anh, Đức. Nhật Bản
được coi là nước dẫn đầu về công nghệ sản xuất và buôn bán chitin-chitosan. Người ta
ước tính sản lượng chitosan sẽ đạt tới 118000 tấn/năm; trong đó Nhật Bản và Mỹ là
hai nước sản xuất chính [14].
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và sản xuất chitin-chitosan và ứng dụng của chúng

trong sản xuất phục vụ đời sống là một vấn đề tương đối mới mẻ. Vào những năm


4
1978-1980, trường Đại học Thủy Sản Nha Trang công bố quy trình sản xuất chitosan
của tác giả Đỗ Minh Phụng đã mở đầu bước ngoặc quan trọng trong việc nghiên cứu,
tuy nhiên chưa có ứng dụng nào thực tế trong sản xuất [8].
1.1.2. Sự tồn tại của chitin – chitosan trong tự nhiên
Chitin và dẫn xuất của nó chitosan là những polysaccharide mạch thẳng, chúng phổ
biến trong tự nhiên chỉ sau cellulose, chitin tồn tại ở cả động vật và thực vật. Ở động
vật thủy sản, chitin tồn tại rất nhiều, đặc biệt ở vỏ tôm, cua, ghẹ.
Trong động vật: Chitin là thành phần cấu trúc quan trọng của vỏ bao của một số
loại giáp xác, giun tròn.
Trong thực vật: Chitin có trong vách tế bào của nấm và một số loài tảo
chlorophyceae. Chitin tồn tại trong tự nhiên ở dạng tinh thể. Nó có cấu trúc gồm nhiều
phân tử được nối với nhau bằng cầu nối hydro và tạo thành một hệ thống dạng sợi ít
nhiều có tổ chức. Trong tự nhiên rất ít gặp dạng tồn tại tự do của chitin, nó liên kết
dưới dạng phức hợp chitin-protein, chitin với các hợp chất hữu cơ,…khi tồn tại như
thế chitin có sự đề kháng đối với các chất thủy phân, hóa học và enzyme. Do đó nó
gây khó khăn cho việc tách chiết và tinh chế. Tùy thuộc vào đặc tính của cơ thể và sự
thay đổi từng giai đoạn sinh lý mà trong cùng một loài, người ta có thể thấy sự thay
đổi về hàm lượng cũng như chất lượng của chitin [2].
Chitosan trong tự nhiên cũng rất hiếm gặp, chỉ có trong vách ở một số lớp vi nấm
(đặc biệt: zygomycetes, mucor) và ở vài loại côn trùng như ở thành bụng của mối
chúa. Sự deacetyl bằng kiềm, chitin tạo thành chitosan và tan được trong dung dịch
acid acetic loãng [16].
1.1.3. Cấu trúc hóa học và tính chất hóa lý của chitin – chitosan
1.1.3.1.

Cấu trúc hóa học của chitin – chitosan

CHITIN: Chitin là một polysaccharide mạch thẳng, có cấu trúc tuyến tính gồm các
đơn vị N-acetyl-glucosamine nối với nhau nhờ cầu β-1,4-glucoside. Bằng phương
pháp nhiễu xạ tia X, người ta đã chứng minh được chitin tồn tại ở 3 dạng cầu hình là:
α, β, γ – chitin [1].


5
Các dạng này của chitin chỉ do sự sắp xếp khác nhau về hướng của mỗi mắc xích
(N-acetyl-D-glucosamine) trong mạch. Có thể biểu diễn mỗi mắc xích này bằng mũi
tên sao cho phần đầu mũi tên chỉ nhóm -CH2OH, phần đuôi chỉ nhóm -NHCOCH3, thì
các cấu trúc α, β, γ – chitin được mô tả như sau:

Hình 1.1. Sắp xếp các mạch trong phân tử chitin [1].
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 bên nên rất bền vững. Do các mắc xích sắp xếp đảo chiều, xen kẽ
nhau nên rất thuận lợi về mặt không gian và năng lượng. đây cũng là một dạng phổ
biến trong tự nhiên [22].
β, γ – chitin do mắc xích ghép với nhau theo kiểu song song (β – chitin) và hai
song song một ngược chiều (γ – chitin) nên giữa các lớp không có loại liên kết hydro
nào. Dạng β – chitin cũng có thể chuyển sang dạng α – chitin nhờ quá trình acetyl hóa
cho cấu trúc bền vững hơn [22].
Công thức cấu tạo của chitin:

Hình 1.2. Công thức cấu tạo của chitin [26].
Tên gọi: poly (1,4) – 2 – acetamido – 2 – deoxy – β – D – glucose; poly (1,4) – 2acetamido – 2 – deoxe – β – D – glucopyranose.
Công thức phân tử: (C8H13O5N)n

6
Phân tử lượng: M = (203,19)n
Trong đó n phụ thuộc vào nguồn gốc nguyên liệu:
Đối với tôm hùm: n = 700 ÷ 800
Đối với cua:

n = 500 ÷ 600

Đối với tôm thẻ: n = 400 ÷ 500.
CHITOSAN: Chitosan là dẫn xuất đề acetyl hóa của chitin, trong đó nhóm (-NH2)
thay thế nhóm (-COCH3) ở vị trí C2. Chitosan được cấu tạo từ các mắc 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 (cấu trúc III) [13].
Công thức cấu tạo:

Hình 1.3. Công thức cấu tạo của chitosan [26]
Công thức phân tử: (C6H11O4N)n
Phân tử lượng: M = (161,07)n
1.1.3.2.

Tính chất hóa lý của chitin – chitosan

CHITIN
Chitin có màu trắng hay màu phớt hồng, dạng vảy hay dạng bột, không mùi, không
vị, không tan trong nước, trong bazơ, trong acid loãng và các dung môi hữu cơ khác
như ete, rượu. Chitin hòa tan được trong dung dịch đậm đặc, nóng của muối
thyoxyanate liti (LiSCN) và muối thyoxyanate canxi (Ca(SCN)2) tạo thành dung dịch
keo, tan được trong hệ dimetylacetamid (LiCl 8%) [5], tan trong hexafluoro-isopropyl
alcohol (CF3CHOHCF3) và hexafuoracetone sesquihydrate. Chitin có khả năng hấp

thụ tia hồng ngoại ở bước sóng 884 ÷ 890 cm [13].


7
Chitin ổn định với chất oxy hóa như KMnO4, nước javen, NaClO… người ta lợi
dụng tính chất này để khử màu cho chitin.
Chitin là một polysaccharide nguồn gốc tự nhiên, có hoạt tính sinh học cao, có tính
hòa hợp sinh học và tự phân hủy cao. Chitin bị men lysozyme, một loại men chỉ có ở
cơ thể con người, phân giải thành monome N–acetyl–D–glucosamine.
Chitin kết tinh ở dạng vô định hình, khó hòa tan trong dung dịch ammoniac (NH3), không hòa tan trong thuốc thử Scheizer – Sacrpamonia. Điều này có thể là do sự
thay đổi nhóm hydroxyl (-OH) tại vị trí C2 bằng nhóm acetamic (NHCOCH3) đã ngăn
cản sự tạo thành các phức hợp cần thiết [17].
Khi nung nóng chitin trong dung dịch NaOH đặc thì chitin sẽ bị khử mất gốc acetyl
tạo thành chitosan.

 Lợi dụng tính chất này người ta điều chế ra chitosan – chất có nhiều ứng dựng
trong công nghiệp thực phẩm (màng bao gói, bảo quản thực phẩm), là chất
trung gian điều chế ra glucosamine có nhiều tác dụng trong y học.
Khi đun nóng chitin trong acid HCl đặc thì chitin sẽ thủy phân tạo thành

Glucosamine 85,5% và acid acetic 14,5%.
 Lợi dụng tính chất này người ta điều chế ra glucosamine là một loại thuốc có
tác dụng chống thoái hóa khớp.
Phản ứng este hóa:
-

Chitin tác dụng với HNO3 đậm đặc cho sản phẩm chitin nitrat.

-

Chitin tác dụng với anhydrite sunfuric trong pyridine, dioxin và N,N–
dimetylanilin cho sản phẩm chitin sunfonat.


8
CHITOSAN
a) Tính chất vật lý
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 màu vàng nhạt, không mùi, không vị,
không tan trong nước, dung dịch kiềm và acid đậm đặc nhưng tan trong acid loãng (pH
= 6) tạo dung dịch keo trong, có khả năng tạo màng tốt, nhiệt độ nóng chảy 309 –
3110C [4].
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 [5].
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 [7].
b) Tính chất hóa học
Trong phân tử chitosan có chứa các nhóm chức -OH, -NHCOCH3 trong các mắc
xích N-acetyl-D-glucosamine và nhóm -OH, - NH2 trong các mắc xích D–glucosamine
có nghĩa nó vừa là ancol vừa là amin, vừa là amid. Phản ứng hóa học có thể xảy ra ở vị
trí chứa nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thế N-, hoặc dẫn xuất thế cả O-,
N-.
Mặt khác, chitosan là polime mà các monome được nối với nhau bởi các liên kết
β–1,4–glucoside; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hóa học như acid, bazơ,
tác nhân oxy – hóa và các enzyme thủy phân [11].
-

Các phản ứng của nhóm - OH

 Dẫn xuất sunfat.
 Dẫn xuất O – axyl của chitosan
 Dẫn xuất O – tosyl hóa của chitosan
-

Phản ứng ở vị trí N

 Phản ứng N – acetyl hóa chitosan
 Dẫn xuất N – sunfat chitosan.


9
 Dẫn xuất N – glycochitosan (N – hydroxyl – etylchitosan).
 Dẫn xuất acroleylen chitosan.
 Dẫn xuất acroleylchitosan.
-

Phản ứng xảy ra ở vị trí O, N

 Dẫn xuất O, N – cacboxymetylchitosan.
 Dẫn xuất N, O – cacboxychitosan.
 Phản ứng cắt đứt liên kết β–1,4–glucoside.
 Chitosan phản ứng với acid đậm đặc tạo muối khó tan.
 Chitosan tác dụng với iod trong môi trường H2SO4 cho phản ứng lên màu tím.
Đây là phản ứng dùng trong phân tích định tính chitosan [24].
-

Khả năng hấp thụ tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp

Trong phân tử chitosan có chứa các nhóm chức mà trong đó nguyên tử Oxi và
Nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa sử dụng, do đó chúng có khả năng tạo
phức, phối trí với hầu hết kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg2+, Cd2+,
Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+,…. Tùy nhóm chức trên mạch polymer mà thành phần và cấu
trúc của phức khác nhau [25].
Ví dụ: với phức Ni (II) với chitin có cấu trúc lục diện với số phối trí bằng 6, còn
phức Ni (II) với chitosan có cấu trúc tứ diện với số phối trí bằng 4.

Hình 1.4. Phức của chitin – chitosan với kim loại [24]


10
-

Phản ứng đặc trưng khác của chitosan:

 Phản ứng Van – Wisselingh: chitosan tác dụng với lugol tạo dung dịch màu nâu
trong môi trường acid sunfuric có màu đỏ tím.
 Phản ứng Alternative: tác dụng với acid sunfuric tạo thành tinh thế hình cầu
chitosan sunfat làm mất màu dung dịch fucsin 1%.
 Khử amin nhờ: Ba(BrO)2, AgNO3, N2O2,…
 Cắt mạch bởi acid, enzyme, bức xạ.
 Chitosan tác dụng với iod trong môi trường H2SO4 cho phản ứng lên màu tím.
Đây là phản ứng dùng trong phân tích định tính chitosan [16].
c) Tính chất sinh học
Vật liệu chitosan có nguồn gốc tự nhiên, không độc, dùng an toàn cho người.
Chúng có tính hòa hợp sinh học cao với cơ thể, có khả năng tự phân hủy sinh học.
Chitosan có nhiều tác dụng sinh học đa dạng như: có khả năng hút nước,, giữ ẩm,
tính kháng nấm, tính kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau, kích thích sự phát

triển tăng sinh của tế bào, có khả năng nuôi dưỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh
dưỡng, tác dụng cầm máu, chống sung u [7].
Chitosan không những ức chế vi khuẩn gram+, gram- mà cả nấm men, nấm mốc.
Khả năng kháng khuẩn của chitosan phụ thuộc một vài yếu tố như loại chitosan sử
dụng (độ deacetyl, trọng lượng phân tử), pH môi trường, nhiệt độ, sự có mặt của một
số thành phần thực phẩm. Khả năng kháng khuẩn của chitosan và dẫn xuất của nó đã
được nghiên cứu bởi một số tác giả như Trần Thị Luyến và cộng sự (2005), Shimahara
và cộng sự (1982). Mặc dù chưa có một giải thích đầy đủ cho khả năng kháng khuẩn
liên quan đến mức độ hấp thụ chitosan lên bề mặt tế bào. Trong đó, chitosan hấp phụ
lên bề mặt tế bào vi khuẩn gram- tốt hơn vi khuẩn gram+. Một số cơ chế được giải
thích như sau:
+ Nhờ tác dụng của những nhóm NH3+ trong chitosan lên các vị trí mang điện tích
âm ở trên màng tế nào vi sinh vật, dẫn tới sự thay đổi tính thấm của màng tế bào làm
cho quá trính trao đổi chất qua màng tế bào bị ảnh hưởng. Lúc này, vi sinh vật không
thể nhận các chất dinh dưỡng cơ bản cho sự phát triển bình thướng bên trong và bên
ngoài tế bào và cuối cùng dẫn đến sự chết của tế bào.


11
+ Chitosan có thể ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn do có khả năng lấy đi các ion
kim loại quan trọng như Cu2+, Co2+, Cd2+ của tế bào vi khuẩn nhờ hoạt động của các
nhóm amino trong chitosan có thể tác dụng với các nhóm anion của bề mặt thành tế
bào. Như vậy, vi sinh vật sẽ bị ức chế phát triển do sự mất cân bằng liên quan đến các
ion quan trọng.
+ Điện tích dương của những nhóm NH3+ của glucosamine monome ở pH < 6.3 tác
động lên các điện tích âm ở thành tế bào của vi khuẩn, dẫn đến sự rò rỉ các phần tử ở
bên trong màng tế bào. Đồng thời gây ra sự tương tác giữa sản phẩm của quá trình
thủy phân có khả năng khuếch tán bên trong tế bào vi sinh vật với DNA dẫn đến sự ức
chế mRNA và sự tổng hợp protein tế bào.
+ Chitosan có khả năng phá hủy màng tế bào thông qua tương tác của những nhóm

NH3+ với những nhóm phosphoryl của thành phần phospholipid của màng tế bào vi
khuẩn [19].
Có tác dụng làm giảm đáng kể số lượng vi sinh vật tổng số trên bề mặt thực phẩm.
Với hàm lượng 1,5% đã giảm số lượng vi sinh vật trên bề mặt cam là 93%, trên bề mặt
quýt là 96%, trên bề mặt cà chua là 98%,….[3].
Ngoài ra chitosan còn có tác dụng làm giảm cholesterol và lipid máu, làm to vi
động mạch và hạ huyết áp, điều trị thận mãn tính, chống rối loạn nội tiết.
Chitosan là chất thân mỡ có khả năng hấp thụ dầu mỡ rất cao có thể hấp thu đến
gấp 6 – 8 lần trọng lượng của nó. Chitosan trọng lượng phân tử nhỏ có điện tích dương
nên có khả năng gắn kết với điện tích âm của lipid và acid mật tạo thành những chất có
trọng lượng phân tử lớn không bị tác động bởi men tiêu hóa và do đó không bị hấp thụ
vào cơ thể mà được thải ra ngoài theo phân qua đó làm giảm mức cholesterol nhất là
LDL – cholesterol, acid uric trong máu nên có thể giúp ta tránh các nguy cơ bệnh tim
mạch, bệnh gút, kiểm soát được tăng huyết áp và giảm cân [19].
Với khả năng thúc đẩy hoạt động của các peptide – insulin, kích thích việc tiết ra
insulin ở tuyến tụy nên chitosan được dùng để điều trị bệnh tiểu đường. Nhiều công
trình đã công bố khả năng kháng đột biến, kích thích làm tăng cường hệ thống miễn
dịch cơ thể, khôi phục bạch cầu, hạn chế sự phát triển của các tế bào u, ung thư,
HIV/AIDS.
Chitosan còn có thể chống tia tử ngoại, chống ngứa [19].


12
d) Độc tính
Để dùng trong y tế và thực phẩm, đã có nhiều công trình nghiên cứu về độc tinh
của chitosan và đưa ra các kết luận sau:
Chitosan hầu như không độc, không gây độc trên động vật thí nghiệm và người,
không gây độc tính trường diễn [17].
Chitosan là vật liệu hòa hợp sinh học cao, nó là chất mang lý tưởng trong hệ thống
vận tải thuốc, không những sử dụng cho đướng uống, tiêm tĩnh mạch, tiêm bắp, tiêm

dưới da, mà còn ứng dụng an toàn trong ghép mô.
Chitosan với trọng lượng phân tử thấp để tiêm tĩnh mạch, không thấy tích lũy ở gan.
Loại chitosan có DD = 50% có khả năng phân hủy sinh học cao, sau khi tiêm vào ổ
bụng chuột, nó được thải trừ dễ dàng, nhanh chóng qua thận và nước tiểu, chitosan
không phân bổ tới gan và lá lách.
Những ưu điểm của chitosan: tính cơ học tốt, không độc, dễ tạo màng, có thể tự
phân hủy sinh học, hòa hợp sinh học không những đối với động vật mà còn đối với các
mô thực vật, là vật liệu y sinh tốt làm mau liền vết thương.
Chitosan không độc hoặc độc tính rất thấp trên động vật thí nghiệm và nó có thể sử
dụng an toàn trên cơ thể con người [25].
1.2.

Quy trình sản xuất chitin – chitosan

Mặc dù chitin phân bố rộng rãi trong tự nhiên nhưng nó không được tìm thấy ở
dạng tinh khiết. Chitin ở trạng thái tự nhiên thì liên kết với protein, lipid, sắc tố và
canxi. Vì vậy, nó cần phải được làm sạch trước khi sử dụng cho bất kì mục đích
thương mại nào. Phương pháp dụng để phân tách và tinh sạch chitin phải đẩm bảo lấy
đi khoáng và tận dụng được các hợp chất có giá trị khác. Do đó, nhiều phương pháp đã
được áp dụng cho việc thu hồi chitin như phương pháp hóa học, phương pháp sinh học
hoặc phương pháp kết hợp hóa học với sinh học. Tuy nhiên, hiện nay các qui trình sản
xuất chitin ở qui mô lớn chủ yếu sử dụng phương pháp hóa học. Phương pháp hóa học
có ưu điểm như nhanh, đơn giản, dễ thực hiện ở qui mô lớn. Tuy nhiên, phương pháp
hóa học cũng có nhiều nhược điểm như sản phẩm chitin, chitosan có phân tử lượng
thấp, độ nhớt thấp, dư lượng hóa chất lớn, ô nhiễm môi trường, ăn mòn thiết bị [1].
Chitosan được sản xuất từ chitin qua quá trình tách nhóm acetyl (deacetylation).
Tất cả các công đoạn trên đều được xử lý bằng hóa chất, tùy theo loại nguyên liệu,


13

công nghệ, và yêu cầu về chất lượng sản phẩm chitin và chitosan mà các điều kiện xử
lý sẽ khác nhau [1].
1.2.1. Quá trình khử khoáng
Quá trình khử khoáng có thể thực hiện bằng cách xử lý với các hóa chất sau: HCl,
HNO3, H2SO4. Tuy nhiên, thông thường quá trình khử khoáng được thực hiện trong
dung dịch HCl loãng ở nhiệt độ phòng, nồng độ HCl từ 0,5 N đến 2 N, nhiệt độ từ
nhiệt độ rất thấp đến nhiệt độ phòng. Thời gian từ 0,5 h đến 48 h.
Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình này là:
 Nồng độ acid: Nồng độ acid quá thấp sẽ không khử được hết khoáng dẫn đến
sản phẩm còn nhiều tạp chất. Nồng độ quá cao sẽ gây đứt mạch chitin, giảm
chất lượng sản phẩm.
 Tỉ lệ acid/nguyên liệu: Nếu quá nhỏ thì sẽ không khử hết khoáng, nếu quá lớn
sẽ ảnh hưởng xấu đối với mạch, tốn chi phí.
 Nhiệt độ, thời gian xử lí: Tốc độ phản ứng của quá trình khử khoáng diễn ra rất
nhanh ở thời gian đầu (trong vòng 30 phút) với hàm lượng khoáng giảm đến
90%, sau đó quá trình diễn ra rất chậm (Hình 2.3). Kết quả tương tự cũng được
ghi nhận trong nghiên cứu của No và cộng sự (1989) và Percot và cộng sự
(2003). Trong quá trình ngâm acid thường thực hiện ở nhiệt độ thường, kết hợp
với khuấy đảo, quá trình khử khoáng chưa đạt nếu vỏ còn cứng và không thấy
bọt khí nổi lên, cần bổ sung thêm acid [15].

Hình 1.5. Quá trình khử khoáng của từ vỏ tôm sú (Trung, 1999)


14
Trong sản xuất chitin, việc thực hiện công đoạn khử khoáng sau khi tách protein thì
sản phẩm chitin sẽ có hàm lượng khoáng còn lại thấp hơn so với sản phẩm chitin trong
qui trình bắt đầu bằng công đoạn tách khoáng. Điều này có thể giải thích là HCl sẽ có
tác dụng tốt hơn đối với mẫu phế liệu đã qua công đoạn tách protein, HCl sẽ tiếp xúc
tốt hơn với các chất khoáng có trong phế liệu, hòa tan vào trong dung dịch. Tuy nhiên,

sản phẩm chitosan sản xuất từ chitin của qui trình bắt đầu bằng công đoạn khử khoáng
sau đó khử protein có độ nhớt cao hơn (Lertsutthiwong và cộng sự, 2002). Ngoài ra, để
nâng cao chất lượng chitin, người ta có thể tiến hành khử khoáng nhiều lần với nồng
độ acid xử lý thấp. Để xác định chế độ xử lý khử khoáng phù hợp có thể dùng phương
pháp thực nghiệm, kết hợp với tính toán dựa trên phương trình phản ứng hóa học [15].
1.2.2. Quá trình khử protein
Tương tự như quá trình khử khoáng, quá trình khử protein từ phế liệu thủy sản
cũng có thể thực hiện với nhiều hóa chất như NaOH, Na2CO3, NaHCO3, KOH, K2CO3,
Ca(OH)2. Tuy nhiên, NaOH là được sử dụng nhiều nhất, nồng độ từ 1 đến 10%, ở
nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ cao, có khi lên đến 100oC, thời gian xử lý từ vài giờ đến
vài ngày. Tùy theo tính chất của nguyên liệu mà chúng ta có chế chọn chế độ để khử
protein phù hợp [1].
Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình này là:
 Nhiệt độ: Đối với quá trình khử protein, nhiệt độ đóng vai trò quan trọng, ở
nhiệt độ thường, quá trình tách protein diễn ra chậm, thời gian thủy phân từ 1
ngày đến vài ngày. Khi nâng nhiệt độ xử lý thì thời gian cần thiết để tách
protein giảm đáng kể. Để rút ngắn thời gian tách protein chỉ còn vài giờ thì
nhiệt độ cần đạt khoảng 90-100oC. Ngoài ra, tỷ lệ giữa phế liệu với dung dịch
hóa chất cũng đóng vai trò quan trọng quyết định hiệu quả của quá trình tách
protein. Để tăng hiệu quả tách protein, trong nhiều nghiên cứu quá trình tách
protein được lập lại nhiều lần. Tuy nhiên, cần phải lưu ý là sử dụng nhiệt độ cao
hoặc thời gian xử lý dài sẽ dẫn đến quá trình cắt mạch của sản phẩm chitin.
 Nồng độ kiềm sử dụng ảnh hưởng đến chất lượng chitin và chitosan thu được.
Nồng độ cao thì khả năng thủy phân protein cao, thời gian xử lý ngắn, hàm
lượng protein còn lại trong sản phẩm chitin thấp. Tuy nhiên, gây ra hiện tượng
cắt mạch chitin và chitosan. Thông thường nồng độ kiềm sử dụng là 4%.


15
 Tỷ lệ giữa dung dịch kiềm và phế liệu cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu quả tách

protein, thường là tỷ lệ 5/1 đối với nguyên liệu tươi và 15/1 đối với nguyên liệu
khô thường. Để tăng cường hiệu quả của quá trình tách protein thì trong quá
trình xử lý cần thực hiện khuấy đảo. Để đáp ứng yêu cầu chất lượng của
chitosan công nghiệp, thì hàm lượng protein còn lại trong sản phẩm chitin phải
nhỏ hơn 1% [13].

Hình 1.6. Quá trình khử protein của từ vỏ tôm sú ở các nhiệt độ khác nhau
với nồng độ NaOH 50% (Trung, 1999)
1.2.3. Quá trình deacetyl
Quá trình sản xuất chitosan từ chitin được thực hiện bởi công đoạn deacetyl
(deacetylation), đây là quá trình tách nhóm acetyl khỏi phân tử chitin. Thông thường
quá trình deacetyl được thực hiện bằng cách ngâm chitin trong dung dịch NaOH hoặc
KOH đậm đặc. Nồng độ thường sử dụng từ 40 – 50%, ở nhiệt độ 100oC hoặc cao hơn.
Công đoạn deacetyl được thực hiện ở các chế độ rất đa dạng, phong phú, tùy thuộc vào
nguồn chitin và yêu cầu về tính chất của chitosan [18].
Quá trình deacetyl theo phản ứng sau:

Hình 1.7. Quá trình deacetyl [13]