Nghiên cứu khả năng tổng hợp dẫn xuất n (benzyliđen) chitosan và thăm dò khả năng hấp thụ thuốc nhuộm hoạt tính của nó

Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
-------------------------

NGUYỄN THỊ DOAN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỔNG HỢP DẪN XUẤT
N-(BENZYLIĐEN) CHITOSAN VÀ THĂM DÒ KHẢ NĂNG
HẤP THỤ THUỐC NHUỘM HOẠT TÍNH CỦA NÓ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trường

Người hướng dẫn khoa học:

TS. Trần Thị Ý Nhi

HÀ NỘI, 2015

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin cảm ơn thầy giáo Lê Cao Khải, cùng toàn thể các thầy
cô giáo trong khoa Hóa Học Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2, đã tạo điều
kiện cho tôi được tiếp thu những kiến thức chuyên môn về Hóa học.
Đồng thời tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trần Thị Ý Nhi
- Viện Hóa Học - Viện Hàn lâm Khoa Học và công nghệ Việt Nam đã tận tình
hướng dẫn và truyền đạt cho tôi các phương pháp nghiên cứu khoa học và
những kinh nghiệm học thuật quý báu trong quá trình thực hiện khóa luận.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô, các anh chị tại Viện
Hóa Học - Viện Hàn lâm Khoa Học và công nghệ Việt Nam đã tận tình giảng
dạy, chỉ bảo và dìu dắt tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận.
Trong quá trình làm khóa luận tốt nghiệp này mặc dù đã hết sức cố gắng
nhưng chắc chắn không thể tránh được những thiếu sót. Vì vậy tôi kính mong
nhận được ý kiến đóng góp, chỉ bảo của quý thầy cô và các bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2015
Sinh viên

Nguyễn Thị Doan

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bài khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu
của cá nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu thực tiễn dưới sự hướng dẫn
khoa học của TS. Trần Thị Ý Nhi.
Các số liệu và những kết quả trong khóa luận là trung thực, do chính cá
nhân tôi tiến hành thí nghiệm.
Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên.
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Doan

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .....................................................................................................
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................
DANH MỤC BẢNG ...........................................................................................
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ .................................................................................
MỞ ĐẦU...............................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ............................................................................ 4
1.1. Giới thiệu chung [1, 2, 3, 14, 20]............................................................. 4
1.1.1. Cấu trúc hóa học [1, 2, 3, 38] ........................................................... 5

1.1.2. Tính tan [20,35]................................................................................ 5
1.1.3. Khối lượng phân tử [20] ................................................................... 6
1.1.4. Phương pháp điều chế chitin/chitosan [7,17]. .................................. 8
1.1.5. Tính chất hoá học [1, 2, 6] ............................................................. 12
1.2. Nước thải dệt nhuộm chứa thuốc nhuộm hoạt tính................................. 15
1.2.1. Khái quát về thuốc nhuộm .............................................................. 15
1.2.2. Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm và tác hại của nó ... 20
1.2.3. Các phương pháp xử lý thuốc nhuộm hoạt tính trong nước thải dệt
nhuộm....................................................................................................... 22
1.3. Ứng dụng của chitin/chitosan và dẫn xuất [12, 33] ............................... 25
Chương II: THỰC NGHIỆM ........................................................................ 28
2.1. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu ........................... 28
2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất ..................................................................... 28
2.1.2. Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu ........................................................... 28
2.2. Thực nghiệm .......................................................................................... 29
2.2.1. Điều chế chitin/chitosan ................................................................. 29
2.2.2. Điều chế dẫn xuất N-(benzyliđen) chitosan ..................................... 32
2.2.3. Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính của dẫn xuất N(benzyliđen) chitosan ................................................................................ 34
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................. 35
3.1. Điều chế chitin/chitosan ........................................................................ 35
3.1.1. Điều chế chitin................................................................................ 35

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

3.1.2. Điều chế chitosan từ chitin theo phương pháp kiềm đặc kết hợp nhiệt
độ cao....................................................................................................... 36
3.1.3. Điều chế chitosan có DA thấp ......................................................... 40
3.2. Tổng hợp dẫn xuất N-(Benzyliđen) chitosan .......................................... 44
3.2.1. Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-(Benzyliđen) chitosan .................... 44
3.2.2. Khảo sát phản ứng bằng phổ hồng ngoại (FT- TR)......................... 45
3.2.3. Khảo sát bằng phổ X-Ray ............................................................... 46
3.2.4. Khảo sát sản phẩm phản ứng bằng TGA ......................................... 47
3.2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp dẫn xuất N(Benzyliđen)chitosan ................................................................................ 48
3.2.5.2. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến hiệu suất phản
ứng ........................................................................................................... 49
3.2.5.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng ......... 49
3.2.5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng .......................... 50
3.2.5.5. Khảo sát khả năng hấp thụ nước của dẫn xuất N- (Benzyliđen)
chitosan. ................................................................................................... 51
3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính của dẫn xuất N(Benzyliđen)chitosan. ................................................................................... 52
3.3.1. Ảnh hưởng của pH .......................................................................... 52
3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ RB19 ........................................................ 53
3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian................................................................. 54
KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 56

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

DANH MỤC HÌNH
Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của β-chitin ............................................................ 35
Hình 3.2: Phổ hồng ngoại của  –chitosan....................................................... 37
Hình 3.3: Phổ 1  -NMR của β-chitosan........................................................... 38
Hình 3.4: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan ................................................. 38
Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa /C và nồng độ chitosan ........... 39
Hình 3.6: Phổ FT-IR của -chitosan theo phương pháp phá kết tinh ............... 40
Hình 3.7: Phổ 1H-NMR của  –chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn ..................... 41
Hình 3.8: Phổ 13C-NMR của  –chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn .................... 41
Hình 3.9: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan điều chế theo
phương pháp phá kết tinh ................................................................................. 42
Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa /C và C ................................. 43
Hình 3.11: Phổ hồng ngoại của N-(Benzyliđen)chitosan ................................. 45
Hình 3.12: Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan và dẫn xuất
N-(Benzyliđen)chitosan.................................................................................... 46
Hình 3.13: Giản đồ phân tích nhiệt của chitosan (mẫu a) và BCh ( mẫu b).......47
Hình 3.14 : Ảnh hưởng của tỷ lệ nhóm alđehyt/amin đến hiệu suất phản ứng
tổng hợp BCh.......................................................................................................48
Hình 3.15: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng tổng hợp
dẫn xuất N-(Benzyliden)chitosan của chitosan.............................................50
Hình 3.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng tổng hợp hợp dẫn
xuất N-(Benzyliđen)chitosan ............................................................................ 51
Hình 3.17: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính
RB19. ............................................................................................................... 52

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học

Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Hình 3.18: Ảnh hưởng của nồng độ thuốc nhuộm ........................................... 53
Điều kiện hấp phụ: 24 giờ, pH: 5,9 ................................................................... 53
Hình 3.19: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt
tính RB19 ......................................................................................................... 54

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Tổn thất thuốc nhuộm khi nhuộm các loại xơ sợi…..……………….21
Bảng 2.1: Thành phần chính của một số nguyên liệu chứa chitin. ..................... 30
Bảng 3.1: Hàm lượng β-chitin trong mai mực ống ............................................ 35
Bảng 3.2: Độ chuyển dịch hoá học của proton (1H) của chitosan ...................... 37
Bảng 3.3: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan tại các nồng độ khác nhau39
Bảng 3.4: Độ chuyển dịch hóa học của proton (1H) của chitosan ...................... 41
Bảng 3.5: Độ dịch chuyển hóa học cacbon (13C) của Chitosan .......................... 42
Bảng 3.6: Kết quả đo áp suất thẩm thấu của chitosan DA0 ............................. 43
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của tỷ lệ nhóm alđehyt/amin đến hiệu suất phản ứng tổng

hợp BCh...............................................................................................................48
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chitosan đến hiệu suất tổng
hợp dẫn xuất N-(Benzyliđen)chitosan.................................................................49
Bảng 3.9 : Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phản ứng tổng hợp
dẫn xuất N-(Benzyliden)chitosan của chitosan...................................................49
Bảng 3.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng tổng hợp hợp dẫn
xuất N-(Benzyliđen)chitosan..............................................................................50
Bảng 3.11: Khả năng hấp thụ nước của dẫn xuất N- (Benzyliđen) chitosan.....51
Bảng 3.12: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính
RB19....................................................................................................................52
Bảng 3.13 : Ảnh hưởng của nồng độ thuốc nhuộm…………………………...53
Bảng 3.14 : Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt
tính RB19...........................................................................................................54

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 1.1: Cấu tạo của Xenlulozo, Chitin, Chitosan…………………………… 4
Sơ đồ 1.2: Điều chế chitosan……………………………………………………9
Sơ đồ 1.3: Quá trình sản xuất chitin / chitosan truyền thống…………………..10
Sơ đồ 1.4: Công thức cấu tạo của chitin/chitosan…………………………....... 12
Sơ đồ 1.5: Phản ứng deaxetyl hóa chitin.............................................................13
Sơ đồ 1.6: Quá trình thuỷ phân chitosan bằng HCl............................................ 15

Sơ đồ 3.1: Phản ứng đeaxetyl hóa chitin............................................................ 36

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

BẢNG CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT TRONG KHÓA LUẬN
BCh:

N-(Benzyliđen)chitosan

Ac:

CH3CO

CTS:

Chitosan

DDA:

Độ đề axetyh hóa

DA:

Độ axetyl hóa

DMAc:

N,N’-đimetyl axetamit

DP:

Độ polymer hóa trung bình

GlcN:

D-glucosamin

GlcNAc: N-axetyl-D-glucosamin
IR:

Hồng ngoại

LAB:

Lactic axit bacterial

n

Khối lượng phân tử trung bình

Me:

CH3

NMR:

Nuclear Magnetic Resonance - Cộng hưởng từ hạt nhân

NMP:

N-metyl-2-pyroliđon

RB19:

Thuốc nhuộm họat tính màu xanh – Reactive Blu 19

Nguyễn Thị Doan

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Doan

Trường ĐHSP Hà Nội 2

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Chitin [poly- β- (1→ 4)- 2- axetamiđo- 2- đeoxy- D- glucopyranozơ, một
polysacarit với hàm lượng đứng hàng thứ hai trong tự nhiên sau xenlulozo, là
thành phần chính của vỏ các loài động vật giáp xác như: vỏ tôm, mai cua, mai
mực... Chitosan là dẫn xuất của chitin thu được trong quá trình deaxetyl hóa.
Chitin/chitosan có các tính chất đặc biệt như: kháng khuẩn, kháng nấm, chống
viêm, kháng virut, không độc, tính hòa hợp sinh học, phân hủy sinh học...nên
chúng được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực như: y học, dược phẩm, nông
nghiệp, mỹ phẩm, công nghệ môi trường...[1, 2].
Hiện nay, ngành công nghiệp dệt nhuộm có những bước phát triển mạnh
mẽ, tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng có chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu ngày
càng tăng của thị trường, và ngành dệt may đã đem lại ngoại tệ nhiều thứ hai cho
đất nước. Bên cạnh lợi ích to lớn mà nó đem lại thì cũng không thể phủ nhận
những tổn hại nó gây ra đó là: hàng năm ngành dệt nhuộm sử dụng hàng triệu
tấn thuốc nhuộm để nhuộm vải đã tạo ra lượng lớn nước thải chứa nhiều chất
độc hại đối với môi sinh và trực tiếp ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Đặc
biệt, trong thời gian vừa qua nước thải dệt nhuộm chủ yếu là chứa thuốc nhuộm
hoạt tính vì thuốc nhuộm hoạt tính đang được sử dụng rất nhiều (cụ thể là thuốc
nhuộm RB19).
Ở nước ta, nhiều nhà máy dệt nhuộm xây dựng các hệ thống, trạm xử lý
nước thải với quy mô và mức độ xử lý khác nhau. Các phương pháp xử lý nước
thải dệt nhuộm được áp dụng phổ biến là phương pháp hóa học, sử dụng axit
trung hòa kiềm và các chất tạo phản ứng oxy hóa khử, tuy nhiên các phương
pháp này đạt hiệu quả không cao và vẫn gây ra ô nhiễm thứ cấp, làm ảnh hưởng
nghiêm trọng đến môi trường. Bên cạnh phương pháp xử lý hóa học còn có
nhiều phương pháp xử lý khác như: phương pháp xử lý bằng ozon, ozon kết hợp
với sinh học, và công nghệ màng điện hóa. Tuy lượng nước thải sau khi xử lý
Nguyễn Thị Doan

1

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

bằng những phương pháp này hoàn toàn có thể tái sử dụng trong sản xuất,
nhưng việc ứng dụng lại gặp rất nhiều khó khăn và giá thành rất cao. Với
phương pháp hấp phụ đã sử dụng than hoạt tính, đất sét, tro bay…để loại bỏ chất
màu, nhưng khả năng hấp phụ của nó không lớn. Trong số vật liệu hấp phụ có
nguồn gốc thiên nhiên thì chitin/chitosan và dẫn xuất của nó được cho là vật liệu
có khả năng hấp phụ thuốc nhuộm tốt hơn và có thể tái sử dụng. Vì vậy, trước sự
phát triển mạnh mẽ của ngành dệt nhuộm và yêu cầu khắt khe về xử lý nước thải
tránh gây ô nhiễm môi trường trong những năm gần đây, việc tìm ra công nghệ
xử lý nước thải dệt nhuộm đạt hiệu quả cao, giá thành rẻ, ít sử dụng hóa chất, có
tính sinh thái, thân thiện với môi trường đã trở thành vấn đề cấp thiết.
Nước ta có bờ biển dài hơn 3000km, với nguồn nguyên liệu thủy, hải sản
dồi dào, việc phát triển nghiên cứu về chitin/chitosan cũng như dẫn xuất của nó
nhằm mở rộng hơn nữa khả năng ứng dụng của loại vật liệu sinh học này đang là
mối quan tâm của khoa học Việt Nam. Để góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng
nguồn phế thải thủy, hải sản ở trong nước và góp phần vào công cuộc bảo vệ
môi trường.
Xuất phát từ lí do trên, tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng tổng
hợp dẫn xuất N-(Benzyliđen)chitosan và thăm dò khả năng hấp phụ thuốc
nhuộm hoạt tính của nó” nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng phế thải
thủy sản, hạn chế ô nhiễm và bảo vệ môi trường.

2. Mục đích nghiên cứu
-

Nghiên cứu tổng hợp dẫn xuất N-(Benzyliden)chitosan và thăm dò khả

năng hấp phụ thuốc nhuộm hoạt tính RB19 của nó.
3. Nội dung nghiên cứu
-

Tách -chitin từ mai mực ống vùng biển Hải phòng và điều chế -

chitosan.

Nguyễn Thị Doan

2

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

-

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Tổng hợp dẫn xuất N-(benzyliđen)chitosan: Khảo sát các yếu tố ảnh

hưởng đến hiệu suất tổng hợp các dẫn xuất N-(benzyliđen) chitosan: tỷ lệ mol
alđehyt/amin, nhiệt độ, thời gian phản ứng, khối lượng phân tử của -chitosan.

-

Nghiên cứu khả năng hấp thụ thuốc nhuộm hoạt tính màu xanh RB19

của dẫn xuất N-(benzyliđen)chitosan: Khảo sát các yếu tố pH, nồng độ RB19,
thời gian ảnh hưởng đến hiệu suất hấp thụ thuốc nhuộm hoạt tính màu xanh
RB19.

Nguyễn Thị Doan

3

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung [1, 2, 3, 14, 20]
Trong số các polysaccarit thì xenlulozo và chitin là nguồn tài nguyên sinh
học tự nhiên phong phú nhất. Xenlulozo được tổng hợp từ thực vật còn chitin
được tổng hợp chủ yếu từ động vật bậc thấp. Chitin có cấu trúc tương tự như
xenlulozo, tên gọi " chitin " xuất phát từ tiếng Hilap " chiton " nghĩa là vỏ của
các loài giáp xác như tôm, cua, mai mực...
Chitin được đánh giá là loại vật liệu có tiềm năng lớn nhưng cho đến nay
việc ứng dụng chitin vẫn chưa rộng rãi như xenlulozo. Chitin là một polyme
sinh học với nhiều tính chất quý báu như khả năng phân huỷ sinh học và đặc biệt
là có hoạt tính sinh học nên nó không chỉ là nguồn tài nguyên sẵn có mà nó còn

là một loại vật liệu chức năng mới.

Xenlulozo

Chitin

Chitosan
Sơ đồ 1.1: Cấu tạo của Xenlulozo, Chitin, Chitosan

Nguyễn Thị Doan

4

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Trong thực tế chitin và chitosan cùng tồn tại trong một phân tử polyme vì
vậy khái niệm chitin, chitosan chỉ là tương đối. Khi polyme có tỷ lệ mắt xích
β(1→4)-D-glucozamin lớn hơn 50% (DDA>50% ) thì được gọi là chitosan và
ngược lại là chitin
1.1.1. Cấu trúc hóa học [1, 2, 3, 38]
Chitin là một loại polisaccarit mạch thẳng với khối lượng phân tử lớn
đựơc tạo thành bởi mắt xích N-axetyl-D-glucozamin theo liên kết (14)
glucozit như kiểu liên kết các mắt xích D-glucozo ở xenlulozo. Bằng phương
pháp nhiễu xạ tia X đã phát hiện chitin có 3 kiểu đa hình là: ,,-chitin được
mô tả theo hình sau:

Chitin

Chitin

Chitin

- -chitin: có cấu trúc tinh thể mạng ghép đôi song song (một mạng lên
một mạng xuống liền nhau ),  -chitin thường được tách từ vỏ cua.
- -chitin: các mạch ghép trong tinh thể theo cách ghép song song cùng
chiều, -chitin chủ yếu có trong mai mực nang sừng.
- -chitin: có mạch ghép trong tinh thể theo 2 cách cứ 2 mạch song song
lại có 1 mạch đối song, -chitin được tách từ sợi kén của bọ cánh cứng, dạ dày
của mực ống, là loại có trữ lượng ít nhất.
1.1.2. Tính tan [20]
Vì có liên kết hiđro chặt chẽ giữa các phân tử nên chitin thể hiện ái lực
hạn chế với phần lớn các dung môi. Chitin thường (  -chitin) không tan và hầu
như không trương trong dung môi thông dụng mà chỉ tan trong một số dung môi
đặc biệt, ví dụ: N,N-đimêtylaxetamit (DMAC) có chứa 5-10% LiCl.
Chitosan là một polyamin không tan trong nước cũng như dung môi hữu
cơ nhưng tan trong môi trường axit loãng. Độ tan của chitosan phụ thuộc vào
loại axit và nồng độ axit trong dung dịch. Khi xử lý chitin/chitosan trong môi

Nguyễn Thị Doan

5

K36B – Hóa học

Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

trường axit mạnh với nồng độ lớn thường xảy ra phản ứng depolyme hoá (cắt
mạch) làm giảm khối lượng phân tử polyme.
1.1.3. Khối lượng phân tử [20]
Khối lượng phân tử của chitin/chitosan là thông số quan trọng nhưng khó
có thể xác định được chính xác do tính tan kém của chúng và sự đa dạng về kiểu
phân bố các nhóm axetyl cũng như mức độ axetyl hoá.
Khối lượng phân tử của chitin tự nhiên, càng khó xác định vì nó tồn tại ở
dạng liên kết chặt chẽ với protein, muối khoáng cũng như hầu hết các chất màu.
Hơn nữa độ dài mạch chính của chitin/chitosan có thể giảm trong quá trình xử lý
với axit và kiềm. Khối lượng phân tử chitin sau khi tách khỏi protein cũng như
các chất khác được tính toán theo các phương pháp đo độ nhớt, tán xạ ánh sáng,
sắc ký thẩm thấu gel ( GPC- gel Permeation Chomatography ) hoặc sắc ký loại
trừ theo độ lớn phân tử ( SEC- Site Exlusion Chomatography ) trong dung môi
DMAc/LiCl. Tán xạ ánh sáng là phương pháp xác định trực tiếp khối lượng
phân tử. Kết hợp các phương pháp SEC, tán xạ ánh sáng và đo độ nhớt thì có thể
xác định được chính xác khối lượng phân tử trung bình và độ phân bố của khối
lượng phân tử. Từ các số liệu thu được từ phương pháp PC đã khẳng định các
mẫu chitin tách từ mai cua, vỏ tôm và mai mực ống có độ polyme hoá ( degree
of polymeizaion-DP ) nằm trong khoảng 2000-4000. Chitosan tan được trong
dung dịch axit loãng và khối lượng phân tử có thể xác định theo phương pháp
sắc ký lỏng cao áp ghép nối với cột loại trừ theo độ lớn phân tử ( SE - HPLC size exlusion high performance liquidchromatography).GPC - HPLC, GPC,
phương pháp đo độ nhớt...cũng có thể chuyển hoá chitosan thành chitin qua
phản ứng N-axetyl hoá và khối lượng phân tử được tính theo phương pháp GPC
trong hệ dung môi DMAc/LiCl. Trong đó phương pháp đơn giản nhất để xác
định khối lượng phân tử polime là xác định theo phương pháp gián tiếp qua
phép đo độ nhớt. Phép đo độ nhớt không phải là phương pháp tuyệt đối để xác

định khối lượng phân tử mà chỉ là phương pháp tương đối dựa trên cơ sỏ độ
nhớt của dung dịch polyme tăng tỉ lệ với số lượng các phân tử thêm vào.
Nguyễn Thị Doan

6

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Phương pháp đo áp suất thẩm thấu là phương pháp dựa trên định luật
Vant-Hoff. Theo định luật này, sự phụ thuộc giữa áp suất thẩm thấu P, thể tích V
và nhiệt độ tuyệt đối T và số gam phân tử của vật chất trong dung dịch pha
loãng được biểu diễn bằng phương trình trùng với dạng phương trình của dạng
khí lí tưởng:
PV= nRT = (g/M)RT
 P = (g/V)(RT)/M
 M = (RTC)/P
Trong đó:

g:

Khối lượng của chất hòa tan (g)

M:

Khối lượng phân tử của chất (g/mol)

C:

Nồng độ của dung dịch

R:

Hằng số

T:

Nhiệt độ tuyệt đối

Khối lượng phân tử trung bình của chitosan được xác định như sau: Pha
dung dịch chitosan có các nồng độ lần lượt 0,025; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4 (g/100 ml)
trong dung môi axetic axit 1% ở nhiệt độ 35oC. Lập bảng giá trị sự phụ thuộc
của áp suất thẩm thấu () vào nồng độ (C), xây dựng đường biểu diễn sự phụ
thuộc của /C vào C để tìm giá trị ngoại suy của /C khi C0. Thay vào
phương trình {2.5} để tính toán được khối lượng phân tử trung bình số.
848 x (T + 273)
Mn =

{1.1}
(/C) x Tỷ trọng của dung môi
C0

Trong đó:
: áp suất thẩm thấu
Mn: Khối lượng phân tử trung bình số
848: hằng số

T: nhiệt độ đo
C: nồng độ chitosan
Nguyễn Thị Doan

7

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

/C (C0): giá trị ngoại suy của /C khi C0
1.1.4. Phương pháp điều chế chitin/chitosan [7,17].
Chitin có ở nhiều loài khác nhau, từ các loài nấm đến các động vật bậc
thấp. Vỏ của các loài động vật chân đốt là nguồn nguyên liệu chính để điều chế
chitin, trong thành phần của vỏ các loài động vật này có chứa 20 - 50 % chitin
tính theo khối lượng khô. Vỏ tôm, mai cua là nguồn nguyên liệu phế thải từ
công nghiệp chế biến thuỷ sản, hải sản được sử dụng để sản xuất chitin thương
mại. Các nguồn nguyên liệu khác để sản xuất chitin là: mai mực, sâu bọ, tảo,
nấm... Thành tế bào một số loại nấm chứa cả chitin cũng như chitosan và được
coi là nguồn chitosan tự nhiên. Chitosan được điều chế bằng cách thực hiện
phản ứng deaxetyl hoá chitin trong môi trường kiềm.
1.1.4.1. Tách chitin từ vỏ phế thải thuỷ hải sản [1,17,18].
Nguyên tắc chung để điều chế chitin là loại bỏ muối khoáng (chủ yếu là
canxicacbonat), protein và các chất màu ra khỏi phế liệu thuỷ, hải sản. Hai
phương pháp chủ yếu được áp dụng để tách chitin/chitosan là phương pháp hoá
học và phương pháp lên men vi sinh vật.
Theo phương pháp hoá học: Quá trình điều chế chitin được thực hiện

theo các bước : tách khoáng, tách protein và khử màu. Muối khoáng thường
được tách ra bằng cách xử lý nguyên liệu với dung dịch axit HCl, protein bị thuỷ
phân trong môi trường kiềm, chất màu được loại bỏ bằng dung môi hoặc tác
nhân oxi hoá. Trong quá trình xử lý, một số nhóm axetamit trong các mạch đại
phân tử chitin bị thay thế bởi nhóm amino do phản ứng deaxetyl hoá, vì vậy
chitin sau khi xử lý có độ deaxetyl hoá trung bình ~ 0,1.
Điều chế chitin theo phương pháp hoá học có một số mặt hạn chế như
phải sử dụng một lượng lớn kiềm, axit, nước rửa do đó chi phí lớn và gây ô
nhiễm môi trường. Việc sử dụng axit và kiềm nóng dẫn đến việc cắt giảm mạch
chitin tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau.
Theo phương pháp xử lý vi sinh vật : Protein được tách khỏi vỏ các loài
giáp xác bằng cách xử lý với ezim hay vi sinh vật theo nguyên tắc: vi khuẩn sinh

Nguyễn Thị Doan

8

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

ra axit lactic (LAB : lactic acid bacterial) tự có trong phủ tạng của vỏ phế thải
(vỏ tôm, cua, mai mực...) với một lượng rất nhỏ cùng với nguồn LAB thuần
chủng được bổ sung có tác dụng bảo quản và thuỷ phân phế thải. Hỗn hợp lên
men bao gồm: vỏ phế thải, LAB, dung dịch glucozo. Trong quá trình lên men,
LAB sản sinh ra axit lactic làm giảm pH của môi trường, tạo điều kiện cho quá
trình thuỷ phân protein, thuỷ phân khoáng tạo thành các lactat canxi, magiê...là

các muối tan được trong nước. Bằng phương pháp ly tâm, phần dung dịch lỏng
chứa protein và các muối khoáng hoà tan được loại bỏ thu được phần chitin
không hoà tan. Để có chitin sạch, có thể xử lý tiếp bằng dung dịch axit và kiềm
loãng.
Phương pháp điều chế chitin bằng phương pháp lên men vi sinh vật có
một số ưu điểm như chi phí thấp, cấu trúc sản phẩm không bị thay đổi nhiều và
đặc biệt là ít gây ô nhiễm môi trường.
β-chitin được sản xuất chủ yếu từ mai mực ống theo cách đơn giản hơn vì
thành phần của mai mực ống chủ yếu là chitin, hàm lượng protein và muối
khoáng thường rất thấp. Hơn nữa, do sự sắp xếp các mạch đại phân tử trong βchitin khác hẳn với -chitin nên -chitin có các liên kết hyđro chặt chẽ hơn, vì
vậy khi xử lý mai mực ống với axit và kiềm thường ở điều kiện êm dịu hơn
nhiều so với xử lý vỏ tôm để thu được β- chitin.
1.1.4.2. Điều chế chitosan [18].
Chitosan là sản phẩm deaxetyl hoá của chitin. Chitosan thương mại có
nhiều loại với độ deaxetyl hoá khác nhau nhưng thường được điều chế bằng
cách deaxetyl hoá chitin trong môi trường kiềm nồng độ 40- 50 % ở 100-1300C
trong 24 giờ. Phản ứng deaxetyl hoá xảy ra như sau :
OH

OH

O
HO

dd

HO

O
NHCOCH3

OH

O

NaOH, t 0

O
O

NH2

n

HO
x

O
NHCOCH3

y

Sơ đồ 1.2: Điều chế chitosan

Nguyễn Thị Doan

9

K36B – Hóa học

Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Chitosan thu được theo phương pháp này có DDA lên tới 90%. Để thu
được chitosan có độ deaxetyl hoá cao hơn phải tiến hành phản ứng lặp đi lặp lại
nhiều lần. Phản ứng deaxetyl hoá β- chitin diễn ra dễ dàng hơn nhiều so với chitin: Từ các mẫu -chitin, β- chitin có DDA tương đương nhau tiến hành phản
ứng deaxetyl hoá trong NaOH 30% ở 1000C với thời gian như nhau (2 giờ) thu
được β-chitosan với DDA70% trong khi đó đối với α-chitin giá trị đó là
20%. Tuy nhiên khi sử dụng dung dịch kiềm đặc thì bên cạnh phản ứng
deaxetyl hoá còn xảy ra phản ứng thuỷ phân mạch chitin/chitosan làm giảm
đáng kể khối lượng phân tử của chitin/chitosan.
Ta có thể mô tả quá trình điều chế chitosan từ vỏ mai mực ống qua sơ đồ
1.3 :

Sơ đồ 1.3: Quá trình sản xuất chitin /chitosan truyền thống
1.1.4.3. Độ axetyl hóa- Xác định độ axetyl/đeaxxetyl hóa [5, 6, 7, 11, 14, 16]
Độ axetyl hoá là hàm lượng nhóm (-NHCOCH3) còn độ deaxetyl hoá là
hàm lượng nhóm (-NH2) trong chitin và chitosan. Mắt xích cơ sở của chitin là
N-axetyl-D-glucosamin (GlcNAc). Mặc dù hầu hết các nhóm amino gắn với C2

Nguyễn Thị Doan

10

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

đã bị axetyl hoá, nhưng trong tự nhiên chitin vẫn tồn tại một số nhóm amino tự
do. Hơn nữa, phản ứng deaxetyl hoá chitin còn xảy ra trong quá trình tách loại
protein bằng kiềm. Vì vậy, các mẫu chitin trên thực tế có DDA khác nhau
(khoảng 5-15 %) phụ thuộc vào nguồn gốc và cách điều chế chúng. Để thu được
chitin có cấu trúc thuần nhất (chỉ gồm các mắt xích GlcNAc) thì phải tiến hành
N- axetyl hoá chọn lọc các nhóm amino tự do. Khi chitin bị deaxetyl hoá đáng
kể thì trở nên tan trong dung dịch axit axetic loãng và được gọi là chitosan.
OH

OH
O

HO

O
O

NH2

HO

O
NHCOCH3

DDA

DA

Trong đó, DDA = 100 - DA. Đối với chitin thì DA > DDA, đối với
chitosan thì DA < DDA. Khi DA = DDA thì có chitin tan trong nước.
Tính chất của chitin cũng như chitosan phụ thuộc rất nhiều vào độ
deaxetyl hoá (DDA)-một thông số quan trọng nhất để chỉ ra là chitin hay
chitosan. Vì vậy, việc tìm ra phương pháp xác định DDA (hay DA)một cách
chính xác và đơn giản là vấn đề rất quan trọng và cần thiết. Có rất nhiều phương
pháp đã đựơc áp dụng để xác định DDA của chitin/chitosan như: phân tích
nguyên tố, các phương pháp phổ như phổ hồng ngoại (IR), phổ tử ngoại (UV),
phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NRM): 1 -NRM, 13 C -NRM, và

15  -NRM

ở

trạng thái rắn, phép đo lưỡng sắc cầu, phổ khối, chuẩn độ điện thế, chuẩn độ
nitrat (phương pháp chuẩn độ sử dụng bạc nitrat), chuẩn độ với axit picric,
chuẩn độ độ dẫn, sắc ký lỏng cao áp, sắc ký khí- lỏng, sắc ký thẩm thấu gel,
nhiệt phân - sắc ký khí, sắc ký khí.
Trong các phương pháp xác định DA đã được áp dụng thì phổ IR là
phương pháp thuận tiện đặc biệt trong trường hợp mẫu ở trạng thái rắn, không
hoà tan trong các dung môi. Đối với chitosan (tan trong môi trường axit loãng)
thì phổ 1 -NRM là phương pháp nhanh, chính xác và có độ nhạy cao, đo trong
dung môi D2O, CD3COOD/D2O hoặc DCl /D2O.

Nguyễn Thị Doan

11

K36B – Hóa học

Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

1.1.5. Tính chất hoá học [1, 2, 6]
Công thức tổng quát của chitin là :  C8135 n

Sơ đồ 1.4: Công thức cấu tạo của chitin/chitosan
Ta thấy trong mỗi mắt xích của chitin/chitosan vừa có nhóm chức (-OH)
vừa có nhóm chức amin (-NHCOCH3/NH2) nên có ba trung tâm phản ứng chính,
vì vậy nó vừa có tính chất của ancol lại vừa có tính chất của amin.
1.1.5.1. Phản ứng ở nhóm - OH
Cũng giống như ancol đa chức tính axit của nhóm hyđroxyl khá mạnh.
Chitin phản ứng với Na, NaOH tạo thành hợp chất có cấu trúc ancolat được gọi
là chitin kiềm.
[C6H7O3NHCOCH2(OH)2]n+ 2nNaOH[C6H7O3NHCOCH2(ONa)2]n+ 2n H2O
Chitin kiềm là sản phẩm trung gian khi sản xuất ete như ankyl chitin.
[C6H7O3NHCOCH2(ONa)2]n kí hiệu là [Chit(ONa)2]n
[Chit(ONa)2]n + 2n RX  [Chit(OR)2]n + 2 NaX
Sợi ankyl chitin được tạo ra bằng cách xử lý ankyl chitin trong dung dịch
axit formic và axit axetic rồi cho kéo sợi qua một ống có đường kính nhỏ cỡ
mm.
+ Phản ứng với axit, anhiđric axetic hay HCl thu được sản phẩm ở dạng
este.
[Chit(OH)2]n + 2n HCl  [Chit(OCl)2]n + 2n H2O
+ Phản ứng với ankyl sunfat trong ankyl halogenua thu được các este.
+ Phản ứng với các hợp chất vinyl tạo este
Trong mỗi mắt xích của chitin có 2 nhóm - OH ở C3 và C6, đều có khả

năng tham gia phản ứng. Do cấu trúc phân tử, nhóm -OH bậc 2 ở C3 bị án ngữ
không gian nên phản ứng kém hơn nhóm -OH bậc 1 ở C6.

Nguyễn Thị Doan

12

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

1.1.5.2. Phản ứng ở nhóm axetamit
Chitin có khả năng tham gia phản ứng thể hiện tính chất của amin bậc 2
như phản ứng đeaxetyl hoá tạo thành chitosan.
OH

OH
O
HO

dd NaOH, t0
O

NHCOCH3

O
HO

O
NH2

n

Chitin

m

Chitosan

M =  203n

M = 161n

Sơ đồ 1.5: Phản ứng deaxetyl hóa chitin
Phản ứng trên thường được thực hiện với NaOH 40% ở 120oC trong 1 
3h. Hiệu suất deaxetyl hoá chỉ đạt 70%. Điều này có nghĩa là sản phẩm phản
ứng là chuỗi polime vẫn có cả mắt xích N-axetyl-D-glucoamin đan xen với β (1
→ 4) glucozamin.
Để đánh giá mức độ deaxetyl hoá của chitin người ta đưa ra khái niệm độ
deaxetyl hoá (DDA) được tính theo công thức sau
DDA =

203 100   
.100%
203.(100  42  )

Với A là tổng số % mắt xích N-axetyl-D-glucozamin.

Muốn thu được chitosan deaxetyl hoá hoàn toàn DDA=0, phải rửa sạch
mẫu rồi xử lý kiềm lặp lại nhiều lần. Phương pháp mới của tác giả chỉ dùng
dung dịch NaOH 5% và NaBH4 (0,1g chitosan) là chất bảo vệ. Phản ứng thực
hiện trong 3h đạt hiệu suất  100%. Phương pháp này có nhiều ưu điểm tạo ra
chitosan có DA thấp  1%, hiệu suất cao, giảm tiêu tốn hoá chất, giảm ô nhiễm
môi trường.
1.1.5.3. Phản ứng ở nhóm -NH2
Phản ứng xảy ra ở nhóm amin -NH2 và nhóm amit -NHCOCH3 hai nhóm
này gắn ở vị trí C2(hay ở vị trí N). Tại đây nhóm -NH2 của chitin/chitosan có
đôi điện tử không phân chia do đó về mặt hoá học, chúng có khả năng phản ứng
cao với các tác nhân ái electron để tạo ra các dẫn xuất tương ứng.
Nguyễn Thị Doan

13

K36B – Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Phản ứng gắn với các nhóm -OH tại C3 (hoặc C6) hay gắn polietylen
glycol vào nhóm -NH2 thu được các dẫn xuất có cấu trúc hoá học cồng kềnh
nhằm cản trở không gian, làm giảm các liên kết cầu hiđro giữa các mạch và
trong mạch phân tử của chitin/chitosan như lúc ban đầu, để tạo ra các dẫn xuất
tan trong nước.
1.1.5.4. Phản ứng giảm mạch chitosan
Do quá trình chuyển hoá trong động thực vật chủ yếu xảy ra trong môi
trường nước nên chitosan với khả năng tan kém trong nước đã làm hạn chế phần

nào hiệu quả và phạm vi ứng dụng. Vì vậy, để tăng khả năng ứng dụng của
chitosan chúng ta phải cải thiện khả năng tan trong nước của chitosan.
Hiện nay, trên thế giới, các nhà khoa học đã nghiên cứu và tìm ra rất
nhiều phương pháp để cải thiện khả năng tan trong nước của chitosan, trong đó
phương pháp depolyme hoá được coi là phương pháp đơn giản và hiệu quả nhất.
Quá trình depolyme hoá là quá trình phá huỷ các liên kết glycozit trong
mạch đại phân tử dưới các tác nhân cắt mạch như: enzim, hoá chất chiếu
xạ...Các tác nhân cắt mạch phá huỷ liên kết glycozit, chuyển hoá chitosan thành
oligome có khả năng tan trong nước cao hơn so với chitosan đại phân tử.
Có nhiều phương pháp cắt mạch chitosan như: cắt mạch bằng enzim, cắt
mạch bằng chiếu xạ, cắt mạch bằng phản ứng hoá học...Trong đó cắt mạch bằng
phản ứng hoá học là phương pháp đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất.
Cắt mạch bằng phản ứng hoá học: Liên kết glycozit của chitosan tương
đối bền trong môi trường kiềm nhưng lại dễ dàng bị phá huỷ trong môi trưòng
axit. Các loại axit vô cơ đã được sử dụng như: axit clohidric (HCl), axit sunfuric
(H2SO4), axit photphoric (H3PO4), axit nitric (HNO3)...trong đó axit clohidric
(HCl) được sử dụng nhiều hơn cả do giá thành rẻ, khi trung hoà bằng NaOH sản
phẩm phụ là NaCl không độc, dễ tách.

Nguyễn Thị Doan

14

K36B – Hóa học