Tổng hợp và nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng của n cacboxymetyl chitosan

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
*********

HOÀNG THỊ THANH HƯƠNG

TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG
HẤP PHỤ MỘT SỐ ION KIM LOẠI NẶNG
CỦA N-CACBOXYMETYL CHITOSAN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Hóa Học Môi Trường

Người hướng dẫn khoa học
ThS. NGUYỄN TIẾN AN

HÀ NỘI - 2011


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ths. Nguyễn Tiến
An – Viện Hóa Học – Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã tận tình
hướng dẫn và truyền đạt cho em các phương pháp nghiên cứu khoa học và
những kinh nghiệm học thật quý báu trong quá trình thực hiện bài luận
văn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy cô, các anh chị tại
Viện Hóa Học – Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã tận tình giảng

dạy, chỉ bảo và dìu dắt em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Đồng thời em 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 em được tiếp thu những kiến thức chuyên môn về hóa học
hữu cơ và công nghệ môi trường.
Sinh viên

Hoàng Thị Thanh Hương

Hoàng Thị Thanh Hương

ii

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

Lời cam đoan
Dưới sự hướng dẫn của Ths. Nguyễn Tiến An, tôi đã hoàn thành
khóa luận này. Tôi xin cam đoan kết quả nghiên cứu của tôi là hoàn toàn
do bản thân tôi nghiên cứu, không trùng với kết quả của các tác giả khác.
Nếu có gì sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Sinh viên

Hoàng Thị Thanh Hương

Hoàng Thị Thanh Hương

iii

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

DDA

Độ deaxetyl hóa

DA

Độ axetyl hóa

GlcNAc

N-axetyl-D-Glucozamin

GLcN

Glucosamin

DP

Độ polyme hóa

DS

Độ thế

Me

CH3

SEC

Sắc kí loại trừ theo độ lớn phân tử

LAB

Lactic axit bacterial

Ac

CH3CO

NMP

N-metyl pirrolidone

DMAc

N,N-dimetylaxetamit

DCA

Dicloaxetic

TCA

Tricloaxetic

FA

Axit fomic

EA

Phương pháp phân tích nguyên tố

CTDA

chitosan-etecrown

DMAP

4-dimetyl aminopiridin

HPLC

Sắc kí lỏng cao áp

O-CMC O-cacboxymetyl chitin/chitosan

N-CMC N-cacboxymetyl chitosan

Hoàng Thị Thanh Hương

iv

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC HÌNH
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU

1

1. Đặt vấn đề

1

2. Mục tiêu nghiên cứu

1

Chương1: TỔNG QUAN

3

1. Giới thiệu chung

3

1.2. Cấu trúc và tính chất của chitin-chitosan

4

1.2.1. Cấu trúc chitin-chitosan

4

1.2.2. Tính chất của chitin- chitosan

5

1.2.2.1. Tính chất vật lý

5

1.2.2.2. Tính chất hóa học

6

1.2.3. Phương pháp điều chế chitin-chitosan

8

1.2.3.1. Tách chitin từ vỏ phế thải

8

1.2.3.2. Điều chế chitosan

10

1.2.4. Độ axetyl hóa – độ đề axetyl hóa.

10

1.2.5. Khối lượng phân tử

13

1.2.6. Một số sản phẩm biến tính chitin-chitosan

15

1.2.6.1. Dẫn xuất N-ankyl chitosan

15

1.2.6.2. Dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan

16

1.2.6.3. Dẫn xuất N-axyl chitosan

17

1.2.6.4. Dẫn xuất O-axyl chitosan

18

1.2.6.5. Dẫn xuất O-cacboxyankyl chitin-chitosan

19

Hoàng Thị Thanh Hương

v

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

1.2.6.6. Dẫn xuất O-ankyl chitosan

19

1.2.7. Ứng dụng của chitin-chitosan và dẫn xuất trong xử lý môi

20

trường
Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

26

CỨU

2.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị nghiên cứu

26

2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất

26

2.1.2. Thiết bị nghiên cứu

26

2.2. Phương pháp thực nghiệm

26

2.2.1. Điều chế chitosan từ chitin

26

2.2.2. Tổng hợp và khảo sát tính chất dẫn xuất tan trong nước N-

27

cacboxymetyl chitosan (N-CMC)
2.2.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của N-

27

cacboxylmetyl chitosan
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

29

3.1. Điều chế chitosan từ chitin

29

3.1.1. Phương pháp điều chế chitosan

29

3.1.2. Phổ hồng ngoại của chitin/chitosan

29

3.1.3. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của chitosan

31

3.2.

33

Tổng hợp và tính chất của dẫn xuất N-cacboxylmetyl

chitosan
3.2.1. Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxymetyl chitosan

33

3.2.2. Khảo sát cấu trúc của N-cacboxymetyl chitosan bằng

34

phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)
3.2.3. Khảo sát N-cacboxymetyl chitosan bằng phổ cộng hưởng từ

34

hạt nhân (NMR)
3.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số kim loại nặng của N-

37

CMC
3.3.1. Dung lượng hấp phụ
Hoàng Thị Thanh Hương

37
vi

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ

38

3.3.3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ

39

KẾT LUẬN

41

TÀI LIỆU THAM KHẢO

43

Hoàng Thị Thanh Hương

vii

K33- Khoa Hóa Học

Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang
Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của chitin

30

Hình 3.2. Phổ hồng ngoại của chitosan

30

H×nh 3.3: Phæ 1H-NMR cña  –chitosan

31

H×nh 3.4: Phæ 13C-NMR cña  –chitosan

31

H×nh 3.5: Phæ 1H- 13C-HSQC- NMR cña  –chitosan

32

Hình 3.6: Phổ hồng ngoại của N-CMC

34

Hình 3.7: Phổ 1H-NMR của N-CMC

35

Hình 3.8: Phổ 13C-NMR của N-CMC

35

Hình 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại đến dung lượng

37

hấp phụ
Hình 3.10: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ kim loại

38

của N-CMC
Hình 3.11: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ion kim

40

loại của N-CMC

Hoàng Thị Thanh Hương

viii

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 3.1: Độ chuyển dịch hóa học của proton của chitosan

32

Bảng 3.2: Độ chuyển dịch hóa học của cacbon của Chitosan

33

Bảng 3.3: Độ dịch chuyển hóa học của proton của N-CMC

36

Bảng 3.4: Độ chuyển dịch hóa học của cacbon của N-CMC

36

Hoàng Thị Thanh Hương

ix

K33- Khoa Hóa Học

Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2
MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Chitin [poly-β-(1-4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucopyranozo] là một
trong những polysaccarit với trữ lượng lớn chỉ sau xenlulozo, có trong vỏ
của các loài động vật giáp xác như vỏ tôm, mai cua, mai mực…Chitinchitosan và các dẫn xuất của nó là những polyme sinh học quan trọng với
những tính năng đặc biệt mà nhiều polysaccarit khác không có như tính hòa
hợp sinh học, phân hủy sinh học và kháng khuẩn, kích thích sinh
trưởng…Do đó, nó đã được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực như: y dược, mĩ phẩm, công nghiệp, thực phẩm, nông nghiệp,
công nghệ môi trường…vv [26, 27, 30, 40, 47, 61]
Tuy vậy, các ứng dụng của loại vật liệu trên cơ sở chitin-chitosan còn
rất hạn chế do khả năng hòa tan kém trong hầu hết các loại dung môi. Do
đó, việc nghiên cứu để tổng hợp ra các dẫn xuất có khả năng hòa tan trong
các dung môi hữu cơ đặc biệt là trong môi trường nước thông qua các phản
ứng biến tính hóa học là rất cần thiết. Trong những năm gần đây có nhiều
nhà khoa học đã cố gắng thực hiện biến tính hóa học chitin-chitosan để tạo
ra các dẫn xuất có khả năng tan trong dung môi thông thường đặc biệt là
nước để mở rộng phạm vi ứng dụng của nó [22, 27, 30]
Trong số các dẫn xuất được tạo ra từ phản ứng biến tính chitinchitosan, N-cacboxymetyl chitosan [35] là dẫn xuất đơn giản, tan trong
nước và có nhiều ứng dụng rộng rãi đặc biệt là khả năng hấp phụ ion kim
loại nặng trong nước nhằm góp phần bảo vệ môi trường. Xuất phát từ thực
tế trên, tôi chọn đề tài:
“ Tổng hợp và nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại
nặng của N-cacboxymetyl chitosan”.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Hoàng Thị Thanh Hương

-1-

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

- Điều chế được chitosan từ chitin, nghiên cứu cấu trúc của chitosan.
- Tổng hợp dẫn xuất N-cacboxymetyl chitosan từ chitosan và axit
monocloaxetic.
- Khảo sát cấu trúc và tính chất đặc trưng cơ bản của dẫn xuất Ncacboxymetyl chitosan.
- Nghiên cứu thăm dò khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của dẫn
xuất N-cacboxymetyl chitosan và điều kiện ảnh hưởng đến quá trình
hấp phụ.

Hoàng Thị Thanh Hương

-2-

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2
Chương1: TỔNG QUAN

1. Giới thiệu chung
Chitin[poly-β-(1-4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucopyranozo] là một
trong những polysaccarit quan trọng nhất, có trữ lượng lớn chỉ sau
xenlulozo, là thành phần chính trong vỏ của các loài động vật giáp xác như:
tôm, mai cua, mai mực … Cấu trúc phân tử của chitin-chitosan tương tư
như xenlulozo, mạch phân tử của chitin gồm các mắt xích N-axetyl-Dglucosamin nối với nhau bằng liên kết β(1→4)glycosit hay 2- axetamido-2deoxy-β-D-glucozo. Trong thực tế chitin-chitosan cùng tồn tại trong một
phân tử polyme, gồm các mắt xích β(1→4)- N-axetyl-D-glucosamin và mắt
xích β(1→4) -D-glucosamin. Khi tỉ lệ β(1→4) -D-glucosamin nhiều hơn
thì được gọi là chitosan, ngược lại là chitin. Vì trong mắt xích: β(1→4) -Dglucosamin có nhóm amino (NH2) nên chitosan dễ tan trong một số dung
dịch axit loãng như axit axetic loãng 1%, axit focmic, trong khi đó chitin
hầu như không tan trong các dung môi hữu cơ. Tính tan của chitin-chitosan
trong dung dịch axit axetic loãng tăng theo chiều tăng của tần suất xuất
hiện nhóm amin trong mắt xích phân tử. Người ta đã dùng đặc điểm này để
phân biệt chitin-chitosan. Nếu tan trong axit axetic loãng thì gọi là
chitosan, nếu không tan thì gọi là chitin. Ngoài ra co thể dựa vào giá trị độ
axetyl hóa (DA) hay độ deaxetyl hóa (DDA) để phân biệt chitin và chitosan
[12, 17, 51].
Chitin-chitosan là polysaccarit duy nhất có chứa nhóm chức amin
nên chitin-chitosan và dẫn xuất của nó có nhiều đặc tính quý như: tính
kháng nấm, kháng khuẩn cao, kích thích sinh trưởng cây trồng, chất bảo
quản nông sản, có khả năng tự phân hủy sinh học cao, không gây dị ứng
không gây độc hại cho người và gia súc, có khả năng tạo phức với một số
kim loại chuyển tiếp như: Hg, Cd, Cu, Fe…Chính vì vậy, ngày nay chitinchitosan và các dẫn xuất đã được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong
Hoàng Thị Thanh Hương

-3-

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

nhiều các lĩnh vực khác nhau như: y dược, công nghệ thực phẩm, mĩ phẩm,
nông nghiệp, công nghệ môi trường…[68]
1.2. Cấu trúc và tính chất của chitin-chitosan
1.2.1. Cấu trúc chitin-chitosan
Chitin là một polysaccarit có cấu trúc mạch thẳng, mạch chitin tương
tự như mạch polyme của xenlulozo chỉ thay nhóm (-OH) ở C2 của mỗi
mắt xích xenlulozo bằng nhóm –NHCOCH3. Cấu trúc mạch chitin là một
chuỗi các mắt xích N-axetyl-D-glucosamin được liên kết với nhau bằng các
liên kết β(1→4) glicosit. Cấu trúc mạch của chitin, chitosan và xenlulozo
được trình bày ở sơ đồ 1:
6
3

OH

OH

O

5

4

HO

OH
1
2

HO
O

OH

O
HO

O

HO
O

OH

OH

OH

OH

O

O

OH

O

O
HO

HO
O

OH

OH

O
O
OH

Xenluloz¬
OH
O
HO

NHCOCH3
HO
O

NHCOCH3

O

OH

NHCOCH3

O

O
HO

HO
O

NHCOCH3

OH

O

OH

NHCOCH3

O

O
HO

HO

O

NHCOCH3

OH

O
O
OH

Chitin
OH
O
HO
NH2

OH

NH2
HO
O

O

O
HO

OH

O

OH

NH2
HO
O

NH2

O
OH

O
HO

NH2

O

HO
O

NH2

O
O
OH

Chitosan
Sơ đồ 1: Công thức cấu tạo của xenlulozo, chitin, chitosan

Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X người ta đã xác định được chitin tồn
tại trong tự nhiên với 3 dạng: α-chitin, β-chitin, γ-chitin. Ba dạng này được
phân biệt nhờ vào sự sắp xếp các mạch trong tinh thể [35].

Chitin

Hoàng Thị Thanh Hương

Chitin

-4-

Chitin

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

*α-chitin: có cấu trúc tinh thể theo kiểu mạng ghép đối song (1 mạng
lên, 1 mạng xuống liền nhau, α-chitin thường được tách từ vỏ tôm, cua.
*β- chitin: các mạch ghép song song cùng chiều, β- chitin chủ yếu có
trong mai mực ống mực nang sừng.
*γ- chitin: Các mạch ghép trong tinh thể theo hai cách cứ 2 mạch song
song lại có 1 mạch đối song, γ- chitin được tách từ sợi kén của bọ cánh
cứng, dạ dày của mực ống, có trữ lượng ít nhất.
Trong 3 dạng trên, α- chitin có cấu trúc tinh thể bền vững nhất, chitin
tồn tại chủ yếu dưới dạng α- chitin. Khi ở điều kiện thích hợp các dạng

chitin có thể chuyển hóa lẫn nhau, khi xử lý β- chitin trong dung dịch HCl
đặc (> 6N) có thể chuyển thành α- chitin, ngâm γ- chitin trong dung dịch
LiSCN bão hòa có thể chuyển thành α- chitin [12, 17].
1.2.2. Tính chất của chitin- chitosan
1.2.2.1. Tính chất vật lý
Loại α- chitin tồn tại ở trạng thái rắn, xốp nhẹ có thể xay nhỏ thành
bột mịn có màu trắng hoặc vàng, không mùi vị.
β- chitin cũng có những tính chất như trên nhưng ít xốp hơn khá dai
khó nghiền nhỏ [16]
Chitin có khả năng hấp thụ nước cao, nó có thể được nghiền nhỏ rồi
ngâm trong nước, nghiền tơi thành dạng huyền phù, sau đó đem gia công
thành giấy chitin. Do β- chitin dai hơn nên giấy β- chitin dễ sản xuất hơn.
Tính tan: 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 không tan trong
nước và các dung môi thông thường khác mà chỉ tan trong dung môi phân
cực mạnh có chứa LiCl như N,N-dimetylaxetamit (DMAc) chứa 5-10%
LiCl và N-metyl pirrolidone (NMP), hỗn hợp DMAc và NMP có chứa 5-

Hoàng Thị Thanh Hương

-5-

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

8% LiCl thường được sử dụng khi gia công màng chitin. Kifune và cộng sự

đã tìm ra hệ dung môi hòa tan chitin là tricloaxetic (TCA) và
clohidrocacbon như: clometan, điclometan, 1,1,2-tricloetan[6]. S.Tokura và
các cộng sự đã sử dụng hệ dung môi axit fomic (FA)- dicloaxetic (DCA),
diclopropylete làm hệ dung môi hòa tan chitin [64].
Chitosan là một polyamin không tan trong nước cũng như hầu hết
các dung môi hữu cơ nhưng tan được trong môi trường axit loãng. Độ tan
cua chitosan phụ thuộc vào loại axit và nồng độ của dung dịch axit sử dụng
[30]. Khi sử lí chitin-chitosan trong môi trường axit mạnh với nồng độ lớn
thường xảy ra phản ứng depolyme hóa (cắt mạch) làm giảm khối lượng
phân tử polime.
1.2.2.2. Tính chất hóa học
Công thức tổng quát của chitin-chitosan có dạng (C8H11NO5)n có cấu tạo
như sau:
OH

OH
O

HO

O
O

NHCOCH3

HO
n

Chitin

O
NH2

m

Chitosan

Trong phân tử chitin-chitosan chứa đồng thời các nhóm chức hydroxyl
(-OH), amino (-NH2) và nhóm chức axetamit (-NHCOCH3) nên chitinchitosan vừa có tính chất hóa học của ancol lại vừa có tính chất của một
amit[12].
a) Phản ứng ở nhóm hydroxyl (-OH)
Giống như các ancol đa chức, tính axit của nhóm hydroxyl khá
mạnh, chitin phản ứng được với Na, NaOH tạo thành hợp chất có cấu trúc
ancolat gọi là chitin kiềm:
[C6H7O3NHCOCH3(OH)2]n + 2nNaOH → [C6H7O3NHCOCH3(ONa)2]n+2n H2O

Hoàng Thị Thanh Hương

-6-

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

Chitin kiềm là sản phẩm trung gian để sản xuất các chitin ete như
ankyl chitin
[chit(ONa)2]n + 2n RX → [chit(OR2)]n + 2n NaX

Sợi ankyl chitin được tạo ra bằng cách xử lí ankylchitin trong dung
dịch axit focmic và axit axetic rồi cho kéo sợi qua một đường kính nhỏ cỡ
mm.
Phản ứng với axit, anhydric axetic tạo ra sản phẩm ở dạng este.
[chit(OH)2]n + 2n HCl → [chit(Cl)2]n +2nH2O
Ngoài ra, chitin còn phản ứng với ankyl sunfat trong ankyl
halogenua, các hợp chất vinyl tạo este.
b) Phản ứng ở nhóm axetamit
Chitin có khả năng tham gia phản ứng thể hiện tính chất của amin
bậc 2 như phản ứng deaxetyl hóa tạo thành chitosan.
OH

OH
O
HO

dd NaOH, t 0
O

NHCOCH3

O
HO

O
NH2

n

Chitin, M= (203)n

m

Chitosan, M= (161)

Phản ứng trên thường được thực hiện trong dung dịch NaOH 40% ở
nhiệt độ 100-120°C, thời gian 1-3 giờ. Hiệu suất phản ứng deaxetyl hoá đạt
khoảng 70%. Điều này có nghĩa sản phẩm phản ứng là chuỗi polyme chứa
đồng thời các mắt xích N-axetyl-D-glucosamin đan xen với Dglucosamin[18].
c) Phản ứng ở nhóm amino (-NH2)
Nguyên tử nito của nhóm NH2 ở vị trí C2 trên mạch chitin- chitosan
vẫn còn một cặp e tự do chưa tham gia vào liên kết, do đó về mặt hóa học,

Hoàng Thị Thanh Hương

-7-

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

chúng có khả năng phản ứng cao với các tác nhân electronphin để tạo ra
các dẫn xuất tương ứng.
Nhóm NH2 có thể tham gia vào các phản ứng như: ankyl hóa khử với
các tác nhân chứa nhóm cacbonyl như andehit, anhydric axit. Phản ứng
ankyl hóa trực tiếp với các tác nhân chứa nhóm halogen, phản ứng Michael
với các tác nhân chứa liên kết đôi…

Phản ứng biến tính vào nhóm NH2 thường được áp dụng để tạo ra
các sản phẩm biến tính tan trong nước [37].
d) Phản ứng cắt mạch polime
Ngoài các phản ứng ở các nhóm chức hoạt động, chitin-chitosan còn
có tính chất chung của các polyme là có thể tham gia phả ứng cắt mạch
phân tử tạo thành các phân tử có mạch ngắn hơn, thường được gọi là các
oligome. Phản ứng nay có ý nghĩa quan trọng vì độ hóa học của polime.
Mạch chitin-chitosan có thể bị thủy phân trong môi trường axit làm
đứt liên kết β-glucozit tạo thành các oligosaccarit, disaccarit hoặc phân hủy
đến cùng tạo ra các monome.
Phản ứng xảy ra như sau[10, 12, 30]:
OH

OH
O

HO

OH
O

O
NHCOCH3

HO
n

O
NH2

+HCl

OH
O

HO

O
+

O
NHCOCH3

m

x

HO

O
NH2

y

x <
1.2.3. Phương pháp điều chế chitin-chitosan
1.2.3.1. Tách chitin từ vỏ phế thải
Phần lớn α-chitin được sản xuất từ vỏ tôm và mai cua. 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 thủy hải sản. Hai phương pháp chủ
yếu được áp dụng để tách chitin-chitosan là phương pháp hóa học và
phương pháp lên men sinh vật.
Hoàng Thị Thanh Hương

-8-

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

* Theo phương pháp hóa 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 thủy phân trong môi
trường kiềm, chất màu được loại bỏ bằng dung môi hoặc tác nhân ôxi hóa.
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 hóa, vì vậy chitin
sau khi xử lý có độ deaxetyl hóa trung bình ≈ 0,1.
Quá trình điều chế chitin bằng phương pháp hóa học có nhược điểm
là tiêu tốn năng lượng, tạo ra một số thể tích lớn nước thải chứa nhiều
NaOH, HCl gây ăn mòn và ô nhiễm nặng, đồng thời rất khó tách các sản
phẩm còn có giá trị như chất màu, protein. Nhưng điều quan trọng hơn cả
là tính không ổn định của quá trình mà từ đó dẫn đến sự thay đổi độ axetyl
hóa và trọng lượng phân tử của chitin [30, 31].
* Phương pháp lên men vi khuẩn axit lactic
Nguyên tắc của phương pháp[8, 30]: Vi khuẩn sinh ra axit lactic

(LAB-lactic axit bacterial) tự do có trong phủ tạng của phế thải (vỏ tôm,
cua, …) với một lượng rất nhỏ cùng một lượng thuần chủng được bổ xung
có tác dụng bảo quản và thủy phân phế thải. Hỗn hợp lên men gồm: vỏ phế
thải, axit lactic, dung dịch gluco. Trong quá trình lên men, LAB sản sinh ra
axit lactic làm giảm pH của dung dịch, tạo điều kiện cho quá trình thủy
phân protein, thủy phân khoáng, tạo thành các lactate canxi, magie… là
những chất tan được trong nước. Bằng cách li tâm, phần dung dịch lỏng
giàu protein và khoáng chất đã hòa tan được tách khỏi phần chitin không
hòa tan, phần còn lại là chitin thô. Để có chitin sạch có thể xử lý tiếp bằng
một lượng nhỏ axit và kiềm nhưng chỉ cần ở nồng độ thấp hơn nhiều: HCl
1M, NaOH 1-2M [2].

Hoàng Thị Thanh Hương

-9-

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

So với phương pháp hóa học thì phương pháp này có nhiều ưu điểm
hơn: ít gây ô nhiễm, tiết kiệm năng lượng và lượng nước rửa nên chi phí
thấp, cấu trúc sản phẩm không bị thay đổi nhiều do điều kiện xử lý êm dịu
hơn và đặc biệt ít gây ô nhiễm môi trường.
1.2.3.2. Điều chế chitosan
Chitosan là sản phẩm deaxetyl hóa của chitin. Chitosan thương mại
có nhiều loại với độ deaxetyl hóa khác nhau thường được điều chế bằng

cách deaxetyl hóa chitin trong môi trường kiềm nồng độ 40-50% ở 100130oC trong 24h. Phản ứng deaxetyl hóa xảy ra như sau:
OH

OH

O
HO

HO

O
NHCOCH3

OH

O

dd NaOH, t0

NH2

n

O
O

HO
x

O

NHCOCH3

y

Chitosan thu được theo phương pháp này có DDA lên đến 90%. Để
thu được chitosan có độ deaxetyl hóa cao hơn phải tiến hành phản ứng lặp
đi lặp lại nhiều lần [31]. Phản ứng deaxetyl hóa β-chitin diễn ra dễ dàng
hơn nhiều so với α-chitin: từ các mẫu β-chitin và α-chitin có DDA tương
đương nhau (≈10%) tiến hành phản ứng deaxetyl hóa trong NaOH 30% ở
100oC với thời gian 2h thu được β-chitosan với DDA≈70% trong khi đó đối
với α-chitin giá trị đó là ≈20% [31].
1.2.4. Độ axetyl hóa – độ đề axetyl hóa.
Độ axetyl hóa (DA – Degree of Acetylation) là hàm lượng nhóm (NHCOCH3) còn độ deaxetyl hóa (DDA-Degree of deacetylation) là hàm
lượng nhóm (-NH2) trong chitin và chitosan. Trong đó, DDA=100-DA, đối
với chitin thì DA>DDA, đối với chitosan thì DAcó chitin tan trong nước.
Tính chất của chitin cũng như chitosan phụ thuộc rất nhiều vào độ
deaxetyl hóa (DDA), dựa vào DDA ta có thể phân biệt được chitin và
Hoàng Thị Thanh Hương

- 10 -

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

chitosan. DA và DDA cũng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu

polysacarit và đôi khi có tính chất quyết định đến khả năng sử dụng của
chúng trong các lĩnh vực khác nhau như y học, dược phẩm, môi trường,
nông nghiệp… . Do đó việc 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
để xác định DA của chitin-chitosan như: phân tích nguyên tố[24, 25, 57],
phương pháp phổ như phổ hồng ngoại (IR) [11,14, 15, 22, 65], phổ tử
ngoại (UV)[5] phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)[21, 25, 65, 48, 53],
phương pháp chuẩn độ điện thế [20, 57]
Trong các phương pháp xác định DA đã được áp dụng thì phổ IR là
phương pháp thuận tiện trong trường hợp mẫu ở trạng thái rắn, không hòa
tan trong các dung môi[52]. Đối với chitosan thì phổ 1H-NMR là phương
pháp nhanh, chính xác và có độ nhạy cao, đo trong dung môi D2O[66];
CD3COOD/D2O[21, 25, 58] hoặc DCl/D2O [21]
* Xác định độ axetyl hóa bằng phương pháp phổ IR
Độ axetyl hóa DA được tính theo công thức của Roberts G.F

DA(%) 

A1655
 115
A3450

Trong đó: A1655 – diện tích dải hấp thụ tại bước sóng 1655cm-1 đặc
trưng cho dao động hóa trị γC-0
A3450 – diện tích dải hấp thụ tại bước sóng 3450cm-1, đặc trưng cho
dao động hóa trị γ0-H
* Xác định độ axetyl hóa (DA) bằng phương pháp phổ NMR.
Mẫu dung dịch chitin-chitosan được đo ở phổ NMR trên máy
Adevance 400 MHz, dung môi D2O/CD3COOD tỉ lệ 95/5V/V cho các pic
6(ppm)=1,98 (tương đương với nhóm CH=O); 3,17(ppm) của H2 ở GlcN;

Hoàng Thị Thanh Hương

- 11 -

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

3,53-3,94(ppm) của H1 ở GlcN và 4,86-4,88 H1’ ở mắt xích GlcNAc. DA
của mẫu được xác định theo công thức
IH 1 
DA 

IAc
3

IAc
IH 1  IH 2  IH '1 
3

x100%

Trong đó: I cường độ của các pic
H1’ là nguyên tử H ở nhóm GlcNAc
H1 là nguyên tử H ở nhóm GlcN
H2 là nguyên tử H thứ hai của mắt xích GlcN

Ac là pic của 3 nguyên tử h tương đương trong nhóm CH3
* Xác định độ deaxetyl hóa (DDA) theo phương pháp chuẩn độ
điện thế
Cho 0,5g chitosan (cân chính xác) hòa tan trong 0,1M HCl. Dung dịch
được chuẩn với 0,1M NaOH, độ deaxetyl hóa được xác định như sau
NH2%  100
Trong đó:

0,016(C1V1  C 2V2 )
G (100  W )

C1: nồng độ của HCl (mol/lit)
C2: nồng độ của NaOH (mol/l)
V1: thể tích của HCl (ml)
V2: thể tích NaOH (ml)
G: trọng lượng mẫu (g)
W: phần trăm ẩm của mẫu
0,016 là khối lượng của –NH2 cân với 0,1 ml dung dịch

0,1 mol/l HCl.

Hoàng Thị Thanh Hương

- 12 -

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

Độ deaxetyl hóa:

DDA 

NH 2 %
100%
9,94%

Trong đó 9,94% lý thuyết –NH2
* Xác định độ deaxetyl hóa (DDA) bằng phương pháp phân tích
nguyên tố (EA)
Mẫu làm khô hoàn toàn trong tủ xấy ở 60oC, trong 48h trước khi đưa
mẫu để phân tích EA. Tất cả các phân tích EA đều được thực hiện với máy
perkin elmer 2400-II, độ deaxetyl hóa theo phân tích nguyên tố được xác
định bởi phương trình

C
 5,14
N
DDA  [1 
] 100%
1,72
Trong đó C/N là tỉ lệ cacbon với nitơ
1.2.5. Khối lượng phân tử
Chitin-chitosan là polyme có khối lượng phân tử lớn (10-500kDa)
tùy thuộc vào nguồn gốc và phương pháp điều chế. Khối lượng phân tử của
chitin-chitosan là thông số quan trọng nhưng khó có thể chính xác được do
tính tan kém của chúng và sự đa dạng về kiểu phân bố các nhóm axetyl

cũng như mức độ axetyl hóa.
Phương pháp xác định khối lượng phân tử chitin: phương pháp đo độ
nhớt, tán xạ ánh sáng, … trong dung môi DMAc/LiCl [30, 57, 63]. Tán xạ
ánh sáng là phương pháp xác định trực tiếp khối lượng phân tử. Kết hợp
các phương pháp SEC (size exclusion chromatography) tán xạ ánh sáng có
thể xác định chính xác khối lượng phân tử trung bình và độ phân bố của
khối lượng phân tử [63]. Chitosan tan được trong dung dịch axit loãng khối

Hoàng Thị Thanh Hương

- 13 -

K33- Khoa Hóa Học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

lượng phân tử có thể được xác định theo phương pháp sắc kí lỏng cao áp
HPLC [8, 62], SEC, phương pháp đo độ nhớt, …. Cũng có thể chuyển hóa
chitosan thành chitin qua phản ứng N-axetyl hóa và khối lượng phân tử
được tính theo SEC trong hệ dung môi DMAc/LiCl [30].
* Phương pháp xác định khối lượng phân tử qua phép đo độ nhớt –
Phương trình Mark-Houwink.
Phép đo độ nhớt là phương pháp so sánh dựa trên sự thay đổi nhớt
của dung dịch polyme theo nồng độ chất tan
Nguyên tắc chung của phương pháp xác định khối lượng phân tử
bằng phép đo độ nhớt: tiến hành đo thời gian chảy bằng giây, một thể tích
bằng nhau của dung môi dùng để hòa tan polime (t0) và dung dịch (t) qua

mao quản của nhớt kế ở một nhiệt độ nhất định.
Để xác định khối lượng phân tử polyme theo phương pháp này các
đại lượng sau đây được tính toán.
- Độ nhớt tương đối: t® =

t
to

Với t là thời gian để dung dịch polyme chảy hết từ vạch trên xuống
vạch dưới của nhớt kế (giây)
t0 là thời gian để dung môi (dung môi hòa tan polyme) chảy hết từ
vạch trên xuống vạch dưới của nhớt kế (giây)
t
- Độ nhớt riêng phần: rp = t  t o =
- 1 = t® - 1
to
to

- Độ nhớt đặc trưng: [] =

lim
C 0



rp

C

với C là nång ®é dung dÞch

polyme.

Hoàng Thị Thanh Hương

- 14 -

K33- Khoa Hóa Học


Khúa lun tt nghip

Trng HSP HN2



Độ nhớt đặc trưng [] là giới hạn của tỷ số

phương pháp ngoại suy đồ thị sự phụ thuộc của



rp

C
rp

C

được xác định bằng

= f(C) khi C 0.

Biết [] sẽ tính được khối lượng phân tử trung bình theo độ nhớt ( M v)
của polyme theo phương trình Mark - Houwink Sakurada [25].
[] =

a

K.Mv

Trong ú: K v a l hng s i vi mt h polyme dung mụi xỏc
nh, mt nhit xỏc nh. Cỏc giỏ tr ny khụng th tớnh toỏn c mt
cỏch chớnh xỏc theo lý thuyt m phi xỏc nh t phộp o thc nghim ph
thuc vo dng hỡnh hc ca cỏc phõn t v tng tỏc gia polyme vi
dung mụi.
1.2.6. Mt s sn phm bin tớnh chitin-chitosan
Cỏc hng bin tớnh chitin-chitosan to ra cỏc sn phm khỏc
nhau da vo kh nng phn ng ca cỏc nhúm chc OH v NH2 cú
trong phõn t chitin-chitosan [23, 33].
1.2.6.1. Dn xut N-ankyl chitosan
Cỏc dn xut N-ankyl chitosan c to ra ch yu t phn ng
ankyl húa kh ca chitosan vi tỏc nhõn phn ng cú nhúm CHO theo hai
giai on: giai on hỡnh thnh baz Schiff (cha cỏc liờn kt imin v
ketimin) v giai on kh liờn kt imin, ketimin thnh liờn kt n. Quỏ
trỡnh xy ra nh sau:
OH

OH

OH
O

HO

O
NH2

O

RCHO
HO
x

Hong Th Thanh Hng

NaCNBH3

O
N=CHR

- 15 -

x

O
HO

O
NHCH2R

x

K33- Khoa Húa Hc


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP HN2

Phản ứng loại này được tiến hành trong hỗn hợp dung dịch nước của
axit axetic với metanol và dễ dàng đạt đến DS= 1 [30].
Theo phương pháp trên, nhiều dẫn xuất với các ứng dụng khác nhau
đã được một số tác giả tổng hợp. Tiến hành phản ứng ankyl hóa – khử
chitosan với salixylandehyt hoặc phtalandehyt nhận được các dẫn xuất có
khả năng tạo phức với ion kim loại tốt hơn chitosan.
Ngoài ra, có thể tổng hợp dẫn xuất N-ankyl chitosan bằng phản ứng
giữa chitosan và halogenua hoặc các dẫn xuất halogen.
Dẫn xuất tan trong nước N,N,N-trimetyl chitosan đã được tổng hợp
từ phản ứng của chitosan với CH3I với sự có mặt của NaI và N-metyl-2pyrolidon/NaOH. Phản ứng xảy ra như sau [13]:
OH

OH
O

HO

CH3I

O

NH2

O
HO

O
N(CH3)3

n

n

1.2.6.2. Dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan
Các dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan được điều chế bằng phản ứng
ankyl hóa – khử là dẫn xuất có cấu trúc đã được định rõ vì đây là phản ứng
chọn lọc vào vị trí nhóm amino [30]. Phản ứng tổng hợp xảy ra như sau:
OH

OH
O

HO
NH2

O

RCO(CH2)nCOOH

O

NaCNBH3

HO

O
NHCHR(CH2)nCOOH

m

m

Theo phương pháp trên một số dẫn xuất đã được tổng hợp như dẫn
xuất N-cacboxymetyl chitosan, N-cacboxybutyl chitosan.
Trong quá trình tổng hợp dẫn xuất N-cacboxymetyl chitosan, ban
đầu chitosan phản ứng với axit glyoxylic trong môi trường axit tạo thành

Hoàng Thị Thanh Hương

- 16 -

K33- Khoa Hóa Học