Nghiên cứu phản ứng trùng hợp ghép styren với chitosan

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN ĐỨC HỒNG

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG TRÙNG HỢP
GHÉP STYREN VỚI CHITOSAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGHỆ AN - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

NGUYỄN ĐỨC HỒNG

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG TRÙNG HỢP
GHÉP STYREN VỚI CHITOSAN
Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
Mã số: 60.44.01.14

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:

TS. LÊ ĐỨC GIANG


NGHỆ AN - 2015

LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành tại phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ, khoa Hóa
học, trường Đại học Vinh dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Lê Đức Giang.
Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy đã giao đề tài và
tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô khoa Hóa học, phòng
đào tạo sau đại học - trường Đại học Vinh đã giảng dạy và tạo điều kiện cho
tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tác giả xin gửi tới bố mẹ và người thân, bạn bè, những người đã luôn động
viên, khích lệ tác giả trong suốt thời gian làm luận văn lòng biết ơn sâu sắc.
Luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được
và biết ơn các ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn.
Vinh, tháng 10 năm 2015
Tác giả

Nguyễn Đức Hồng


MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ, BẢNG, ĐỒ THỊ.....................................8
Hình:........................................................................................................8
MỞ ĐẦU...............................................................................................10
1. Lí do chọn đề tài............................................................................10
2. Nhiệm vụ nghiên cứu....................................................................11
3. Đối tượng nghiên cứu....................................................................11
Chương

1

TỔNG QUAN.................................................................................................12
1.1. Tổng quan về chitosan...............................................................12
1.1.1. Cấu trúc, tính chất vật lý và hóa học của chitosan.........................12
1.1.2. Ứng dụng của chitosan .................................................................17
1.2. Các phương pháp sản xuất chitin và chitosan............................18
1.2.1. Một số quy trình sản xuất chitin....................................................18
1.2.2. Một số quy trình sản xuất chitosan................................................23
1.3. Các phương pháp biến tính chitin và chitosan...........................28
1.3.1. Các phương pháp biến tính chitin..................................................28
1.3.2. Các phương pháp biến tính chitosan..............................................30
1.4. Các phương pháp tổng hợp copolyme ghép ..............................31
1.4.1. Lý thuyết về cơ chế phản ứng trùng hợp ghép .............................31
1.4.2. Các phương pháp tổng hợp copolyme ghép..................................33


6
Chương

2

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM...............................35
2.1. Nguyên liệu và hóa chất.............................................................35
2.2. Dụng cụ và thiết bị ....................................................................35
2.3. Chiết tách chitin và chitosan từ vỏ tôm tít.................................35
2.3. Tổng hợp copolyme ghép chitosan-styren.................................36
2.4. Các phương pháp nghiên cứu ....................................................37
Chương

3

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN...............................................39
3.1. Khảo sát cấu trúc hóa học..........................................................39
3.2. Khảo sát hình thái học................................................................41
3.3. Khảo sát độ bền nhiệt.................................................................42
3.4. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng.............................................43
3.4.1. Ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào.....................................43
3.4.2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng ghép.......................................44
3.4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng styren..................................................46
KẾT LUẬN...........................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................49


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
Ký hiệu
APS
DDA
DMF
IR
KPS
SEM
TGA
Ac2O

Diễn giải
Amonipersunfat
Độ deaxetyl hóa
Dimethylformamide
Infrared Spectroscopy (phổ hồng ngoại)

Kalipersunfat
Scanning electron microscopy (ảnh kính hiển vi điện tử quét)
Thermogravimetric analysis (phương pháp phân tích nhiệt)
Anhidrit axetic


DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ, BẢNG, ĐỒ THỊ
Hình:
Hình 1.1: Cấu trúc của chitosan............................................................12
Hình 1.2: Thành phần hóa học của vỏ tôm.........................................18
Sơ đồ1.1: Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp
của Nguyễn Hoàng Hà....................................................................................24
Sơ đồ 1.2:

Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp

của Đặng Văn Luyến.......................................................................................25
Sơ đồ 1.3:

Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp

bán thủy nhiệt.................................................................................................26
Sơ

đồ

1.4:

Quy

trình

điều

chế

chitosan

theo phương pháp hóa sinh..............................................................................27
Sơ đồ 3.1. Phản ứng trùng hợp ghép styren với chitosan......................39
Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của chitosan.................................................40
Hình 3.2. Phổ hồng ngoại của copolyme chitosan-g-polystyren..........41
Hình 3.3. Ảnh SEM của chitosan..........................................................41
Hình 3.4: Ảnh SEM copolyme chitosan-g-polystyren..........................42
Hình 3.5. Giản đồ TGA của copolyme chitosan-g-polystyren..............42
Bảng 3.1: Số liệu khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào. .43
Đồ thị 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng khơi mào APS đến hàm lượng
ghép G(%) và hiệu suất ghép Y(%).................................................................44
Bảng 3.2: Số liệu khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng ghép....45


9
Đồ thị 3.2: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng ghép đến hàm lượng
ghép G(%) và hiệu suất ghép Y(%).................................................................45
Bảng 3.3: Số liệu khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng styren...............46
Đồ thị 3.3: Ảnh hưởng của hàm lượng styren đến hàm lượng ghép
G(%) và hiệu suất ghép Y(%).........................................................................46


10

MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài
Ngày nay, khoa học ngày càng phát triển, hiện đại trên tất cả các lĩnh
vực khác nhau vì thế nhu cầu về các sản phẩm làm bằng polyme từ thiên
nhiên đến polyme tổng hợp được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực của đời sống và xã hội.
Việt Nam là quốc gia có đường bờ biển tương đối dài và chạy dọc từ
bắc đến nam. Tiềm năng khai thác và chế biến thủy hải sản là rất lớn và chitin
là một polysacarit thiên nhiên có cấu trúc tương tự như xenlulozơ, có nhiều
trong vỏ tôm, tôm tít, cua, mai mực là những phế liệu hải sản rất sẵn có ở Việt
Nam. Chitosan là polysacarit điều chế được bằng phản ứng deaxetyl hóa
chitin, là một polyme thiên nhiên không độc, có khả năng phân hủy sinh học
và tương thích sinh học cao đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh
vực nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, vật liệu y
sinh, …Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chitosan là không tan trong hầu
hết các dung môi hữu cơ đã gây cản trở cho việc nghiên cứu và ứng dụng của
nó trong thực tế.
Vấn đề đặt ra cho các nhà khoa học là làm thế nào để tạo ra các dẫn
xuất của chitin và chitosan để có thể tận dụng được nguồn phế liệu hải sản ở
địa phương và nghiên cứu ứng dụng trong khoa học cũng như trong đời sống.
Do đó, biến tính hóa học bằng phản ứng trùng hợp ghép các monome gốc
vinyl như acrylonitrin, styren, axit metacrylic, acrylamit, … với chitin và
chitosan bằng các chất khơi mào như kali persunfat, ceri amoni nitrat, sắt
amoni sunfat, ... đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong
nước và trên thế giới [5], [10], [22],[24]. Một số copolyme ghép của monome
vinyl với chitin và chitosan có khả năng tạo phức với các ion kim loại nặng


11

nên có khả năng ứng dụng chúng trong lĩnh vực xử lý nước và nước thải[3].
Chính vì vậy chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu phản ứng trùng hợp
ghép styren với chitosan”.
2. Nhiệm vụ nghiên cứu
Các nhiệm vụ chính để thực hiện mục đích này như sau:
+ Tách chitin từ vỏ tôm tít phế thải và chuyển hóa thành chitosan;
+ Điều chế copolyme bằng phản ứng trùng hợp ghép styren với
chitosan;
+ Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến phản ứng trùng hợp ghép
styren với chitosan;
+ Khảo sát cấu trúc, hình thái học và tính chất nhiệt của copolyme tổng
hợp được.
3. Đối tượng nghiên cứu
Chitosan điều chế được từ vỏ tôm tít phế thải và copolyme ghép
chitosan-g-polystyren.


12
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về chitosan
1.1.1. Cấu trúc, tính chất vật lý và hóa học của chitosan
a.Cấu trúc của chitosan
Chitosan là một poly(β-(1→ 4)- 2-amino-2- deoxy- D- glucopyranose).
Cả chitin và chitosan đều là copolyme, tỉ lệ giữa 2 nhóm monome này cũng
là tỉ lệ giữa nhóm amino và nhóm acetamido và được gọi là độ deaxetyl
(DDA) của sản phẩm. Nếu DDA>60%, đó là chitosan, ngược lại là chitin.

Hình 1.1: Cấu trúc của chitosan
Cấu trúc của phân tử chitosan trong không gian có hình xoắn ốc, mỗi đơn vị

cơ bản có 2 mắc xích D- glucosamin. Chiều dài mỗi đơn vị cơ bản là 10,34 Ao
b. Tính chất vật lý của chitosan
Ở trạng tự nhiên chitosan là chất rắn, xốp nhẹ, hình vảy có thể xay nhỏ
theo nhiều kích cỡ khác nhau. Chitosan có màu trắng hoặc vàng nhạt, không
mùi không vị ( theo Riccardo, 1996).
Một trong những chỉ số quan trọng của chitosan là độ deaxetyl hoá
(DDA) hoặc độ axetyl hoá (DA = 100- DDA). Chitosan có độ DDA khác
nhau dẫn đến sự khác nhau về khối lượng phân tử, độ nhớt, khả năng hoà tan
trong axit...


13
Chitosan là một bazơ, dễ tạo muối với các axit, hình thành những chất
điện ly cao phân tử (polyelectrolyt) có tính tan phụ thuộc vào bản chất của
các anion có liên quan. Quá trình hoà tan chitosan có thể xảy ra hai giai
đoạn: hình thành muối và hoà tan muối. Tuy nhiên, thường cho axit và
chitosan đã ở dạng huyền phù trong nước để hai quá trình xảy ra đồng thời.
Tính tan của muối chitosan phụ thuộc vào trọng lượng phân tử, mức độ
deaxetyl hoá, tổng lượng axit có mặt và nhiệt độ dung dịch.
+ Trong axit vô cơ
Chitosan tan được trong HCl, HBr, HI, HNO 3, và HClO4 loãng nhưng
cũng có thể tách riêng được trong dung dịch HCl hoặc HBr khi tăng nồng độ
axit. Chitosan tan rất ít trong H 3PO4 đậm đặc, sự hoà tan xảy ra song song
với sự sunfo hoá và thuỷ phân chitosan.
Chitosan tan được trong các dung dịch axit loãng là do sự proton hoá
của nhóm amin tự do. Hằng số phân ly Kb của một nhóm amin được xác định
dựa trên cân bằng sau:
-NH2 + H2O ⇔ - NH3+ + OHKb =

[− NH ][. OH ]

+
3

−

[ − NH 2 ]

và pKb = -logKb

Hằng số phân ly của axit liên hợp tương ứng được rút ra từ cân bằng:
-NH3+ + H2O ⇔ -NH2 + H3O+
Ka =

[ − NH 2 ].[ H 3O + ]

[− NH ]
+
3

và pKa = -logKa

Sự thay đổi giá trị pKa có thể được tính toán dựa trên phương trình của
Katchasky (Robert 1992).
pK a = pH + log[ (1 − α ) / α ] = pK 0 − ε .∆ψ ( α ) / kT

trong đó: ∆ψ - độ chênh lệch thế năng tĩnh điện giữa bề mặt polyion
và bề mặt qui chiếu.


14

α- độ phân ly.
kT- hằng số Boltzman’s.
ε - điện tích electron.

Khi α = 1, polyme trở nên trung hoà điện tích và thế năng tĩnh điện
bằng 0. Ngoại suy giá trị pKa tại α = 1 sẽ giúp chúng ta ước lượng được hằng
số phân ly riêng của các nhóm ion, pK 0. Giá trị này ước tính được khoảng
6,5, giá trị này hoàn toàn độc lập với độ DA, trong khi giá trị pK a thì phụ
thuộc rất lớn vào yếu tố này. pK 0 được gọi là pKa riêng của chitosan. Như
vậy, tính tan của chitosan phụ thuộc vào mức độ phân ly và phương pháp
deaxetyl hoá của nó.
+ Trong axit hữu cơ
Chitosan hình thành muối tan được trong nước với phần lớn các axit
hữu cơ. Các muối của monocacboxylic axit như chitosan benzoat, chitosano- aminobenzoat (chitosan antranilat), chitosan aminobenzoat, chitosan
phenyl axetat tan tốt nhưng chitosan hydrocinnamat tan rất ít và chitosan -pmethonycinnamat thì không tan. Còn muối của chitosan và axit fomic, axit
axetic tan rất tốt trong nước.
Ngoài ra, chitosan còn tan rất dễ dàng trong hỗn hợp DMF- N 2O2 với
tỷ lệ N2O2 : chitosan là 3:1, cho dung dịch có độ nhớt nhỏ. Đây là dung môi
hữu cơ duy nhất của chitosan được biết đến.
+ Tính tương hợp với các dung môi
Chitosan tan tốt trong một số rất ít các dung môi hữu cơ, chitosan
trong dung dịch axit axetic có thể thống nhất với các dung môi phân cực mà
không gây ra một sự tạo tủa nào. Dung dịch của axit axetic - chitosan có tính
tương hợp tốt với các rượu như metanol, propanol, butanol, etylen,
dietylglycol và aceton .


15
Những dung dịch axit của chitosan đều hoà lẫn được các nhựa tan trong
nước không ion, hồ, dextrin, saccaro, sorbitol và các loại dầu mỡ, các parafin,

các axit clohydric, nitric, formic, citric, lactic nhưng không tan trong axit
sunfuric và các sunfat.
c. Tính chất hóa học của chitosan
+ Thuỷ phân bằng axit
Trong môi trường axit, chitin - chitosan đều bị thuỷ phân. Khả năng bị
thuỷ phân phụ thuộc vào các nhóm thế trong chitin theo thứ tự sau:
-NHCOCH3 < -OH < -NH2
Mức độ thuỷ phân phụ thuộc vào loại axit, nồng độ axit, nhiệt độ và
thời gian phản ứng. Các kết qủa nghiên cứu cho thấy trong môi trường
H2SO4, sự thuỷ phân chitosan luôn kèm theo quá trình Osự cắt mạch phân tử chitosan một cách ngẫu nhiên.
Trong dung dịch HCl, chitosan bị cắt mạch nhưng không như trong
dung dịch H2SO4. HCl thủy phân chitosan sản phẩm cuối cùng chủ yếu là
monome, dime, trime. Trong môi trường khác như HF, H 3PO4 chitosan vẫn
bị thủy phân nhưng ở mức độ khác nhau. Trong dung dịch CH 3COOH, sự
thuỷ phân chitosan ở nhiệt độ thường xảy ra là không đáng kể.
+ Phản ứng nitrat hoá
Chitosan tương tự xenlulozơ có đặc tính tạo nitrat. Tuy nhiên, hỗn hợp
HNO3 - H2SO4 được dùng làm tác nhân để điều chế xenlulozơ nitrat lại
không thích hợp cho chitosan vì H2SO4 gây phản ứng cắt mạch chitosan. Có
hai hướng điều chế chitosan nitrat như sau:
- Chitosan phản ứng với HNO3 loãng.
- Chitosan tác dụng với hỗn hợp của axit axetic loãng: anhydric axetic:
axit nitric nguyên chất ở nhiệt độ thấp hơn 5oC theo tỉ lệ 1:1:1:3.
Sản phẩm thu được từ hai quá trình trên đều là muối axit của chitosan
nitrat, có mức độ thế là 1.65 dưới tác dụng của kiềm loãng sẽ chuyển sang


16
chitosan nitrat có hàm lượng O-nitrat không đổi, thường thực hiện trong

aceton 50%.
CH2ONO2
O

CH2ONO2
O

O

OH-

O
O

O

O2NO

+

O2NO

O3NNH3

NH2

+ Phản ứng sunfat hoá
Quá trình sunfat hoá xảy ra bằng cách xử lý chitosan, tái tạo tủa, chuyển
hoá dung môi thông qua chuỗi: nước → etanol → etanol nguyên chất → dietyl
ete → DMF và phức SO3- DMF trong lượng thừa DMF, phản ứng được duy trì ở

nhiệt độ phòng. Sản phẩm tạo thành một nhóm N-sunfat và O-sunfat.
Chitosan-NH2 + O3S-O-CH=N(CH3)2 → Chitosan-NH-SO2OH +
HCON(CH3)2
+ Phản ứng ankyl hoá
Phản ứng này dùng để điều chế các dẫn xuất N- ankyl của chitosan.
Tổng quát, phản ứng xảy ra như sau:
R1R2NH + C O

R1R2N C

R1R2N CH

Trong đó, giai đoạn đầu xảy ra chậm, giai đoạn thứ hai xảy ra nhanh
với sự có mặt của NaCNBH, ở pH = 4.
+ Phản ứng khử nhóm amin và cắt mạch bằng HNO2
Axit nitrơ được sử dụng để thực hiện phản ứng deamin hoá và
depolyme hoá chitosan, phản ứng xảy ra càng mạnh khi có mặt của AgNO 3.
Khi thực hiện phản ứng depolyme hoá chitosan ở nhiệt độ phòng bằng HCl
3M thì cần 160 giờ. Trong khi đó nếu dùng HNO 2 thì chỉ cần 5 phút ở nhiệt
độ phòng. Tuy nhiên để thực hiện tốt phản ứng deamin hoá chitosan, người
ta thay bằng anhydrit N2O3. Cơ chế phản ứng như sau: trước hết hình thành
ion diazonium, ion này phân hủy tạo ion cacbonium, gây ra sự cắt mạch.


17
+ Tính tạo phức
Trong môi trường axit, chitosan bị proton hoá nên nó phản ứng được
với các polyanion tạo phức. Khi pH > 4, nó tạo phức được với các hợp chất
màu và kim loại nặng. Các nhà khoa học giả thuyết rằng do đôi electron tự
do của nhóm amin đã giúp chitosan tạo được liên kết cho nhận với các đối

chất. Tuy nhiên, còn phải xem xét tới các hiện tượng đơn giản như hấp phụ,
tương tác tĩnh điện và sự trao đổi ion. Bên cạnh đó, môi trường nhóm chức
amin cũng làm tăng hiệu lực phức của chitosan.
Sự tạo phức giữa chitosan và các ion kim loại nói chung rất khác nhau.
Cấu trúc của phức chất theo đó cũng ít được công nhận. Tuy nhiên, phức
chất giữa chitosan và đồng, niken đã được rất nhiều nhà nghiên cứu xác định
và chỉ ra ion Cu(II) hoặc Ni(II) là ion trung tâm, một ligand là nhóm -NH 2, 2
ligand còn lại là nhóm -OH ở C 3 và C6. Tuy nhiên, ligand thứ tư vẫn có hai ý
kiến trái ngược nhau, một ý kiến cho rằng đó là một phân tử nước, một ý
kiến cho rằng đó là Og nối giữa 2 vòng D - Glucozơ.
Theo Tanja Becker, Michael Schlaak và Henry Strasdeit (2000), khả
năng hấp phụ của chitosan đối với từng ion kim loại như sau: Cu(II) > Cd(II)
≈ Ni(II) > Pb(II) [18].
1.1.2. Ứng dụng của chitosan
Chitosan và các dẫn xuất của nó với nhiều đặc tính quý báu như có hoạt
tính kháng nấm, kháng khuẩn, 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: Cu(II), Ni(II), Co(II)…[11], [25], [27], nên
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: xử lý nước thải và bảo vệ môi
trường, dược học và y học, nông nghiệp, công nghiệp, công nghệ sinh học…
Tính cation của chitosan được lợi dụng để phục hồi protein từ phế thải sản
xuất thực phẩm và tạo phức chelat với kim loại nặng trong nước thải [21],
[28], [29].[1, 2, 13, 14]


18
Trong dược phẩm, nhờ vào tính ưu việt của chitosan, cộng với đặc tính
không độc, hợp với cơ thể, tự tiêu hủy được, nên chitosan đã được ứng dụng
rỗng rãi và có hiệu quả trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm, làm thuốc chữa
bỏng, giảm đau, thuốc hạ cholesterol, thuốc chữa bệnh dạ dày, chống đông tụ

máu, tăng sức đề kháng, chữa xương khớp và chống được cả bệnh ung thư…
Theo một số nhà khoa học thì chitosan có khả năng khống chế sự gia tăng của
tế bào ung thư.
Điển hình trên thị trường dược hiện nay là loại thuốc chữa khớp làm từ
vỏ tôm có tên Glucosamin đang được thịnh hành trên toàn thế giới, do sản
xuất từ nguồn vỏ tôm tự nhiên nên sản phẩm ít gây phản ứng phụ, không độc
hại và không bị rối loạn tiêu hóa cho người bệnh.
1.2. Các phương pháp sản xuất chitin và chitosan
1.2.1. Một số quy trình sản xuất chitin
Chitin trong tự nhiên thường không tồn tại ở dạng tự do mà kết hợp với
những chất khác như: Protein, khoáng chất, lipit, màu. Do đó, cần phải dùng
những tác nhân mạnh để tách các chất này ra khỏi chitin. Những phương pháp
này có thể gây ta sự phân hủy một phần chitin, khó mà thu được sản phẩm
nguyên vẹn, không bị phân hủy.

Hình 1.2: Thành phần hóa học của vỏ tôm
Có rất nhiều phương pháp khác nhau để tinh chế chitin nhưng thông
dụng nhất là phương pháp tinh chế chitin của Hackman, phương pháp


19
Capozza. Không có một chuẩn mực nào chung cho các quy trình, thường
người ta đi qua các bước: Loại khoáng, loại protein, khử màu. Trong đó thì
quá trình loại khoáng và loại protein có thể thay đổi trật tự cho nhau tùy theo
nghiên cứu.
- Loại khoáng
Để loại khoáng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng rất nhiều tác nhân như
HCl, H2SO4, … nhưng HCl được sử dụng nhiều nhất cho loại khoáng gần như
triệt để và không gây phản ứng phụ đáng kể.
2 H+ + CaCO3 (r)

Ca2+ + CO2 + H2O

- Loại protein
Rất nhiều tác nhân đã được sử dụng để loại protein như dung dịch NaOH,
NaHCO3, KOH, K2CO3. Tác nhân ưa chuộng nhiều nhất là dung dịch NaOH do
tính phổ biến của nó. Hiện nay, do yếu tố môi trường được chú ý nhiều hơn nên
người ta đang phát triển các qui trình sử dụng men và vi sinh vật.
- Khử màu
Trong vỏ của các loại giáp xác có chứa các phần tử mang màu, chủ yếu
là carotenoit. Các phần tử này không liên kết với protein hay khoáng chất nên
không bị loại trong các quá trình loại khoáng và protein. Để loại màu, người
ta dùng etanol hay axeton hoặc dùng các chất oxy hoá như H2O2, KMnO4 để
huỷ màu.[15, 17, 19, 20, 26]
a. Trên thế giới
Trước đây người ta đã thử chiết tách chitin từ thực vật biển nhưng
nguồn nguyên liệu không đủ để đáp ứng nhu cầu sản xuất. Trữ lượng chitin
phần lớn có nguồn gốc 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


20
thức ăn gia súc, còn phần chitin sẽ được dùng như một chất khởi đầu để điều
chế các dẫn xuất có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp [16].
Việc nghiên cứu sản xuất chitin và các ứng dụng của chúng trong sản
xuất phục vụ đời sống là một hướng nghiên cứu tương đối mới mẻ ở Việt
Nam. Vào những năm 1978 đến 1980 Trường đại học thủy sản Nha Trang đã

công bố quy trình sản xuất chitin-chitosan của kỹ sư Đỗ Minh Phụng, nhưng
chưa có ứng dụng cụ thể trong sản xuất. Gần đây trước yêu cầu xử lý phế liệu
thủy sản đông lạnh đang ngày càng cấp bách, trước những thông tin kỹ thuật
mới về chitin-chitosan cũng như tiềm năng thị trường của chúng đã thúc đẩy
các nhà khoa học của Việt Nam bắt tay vào nghiên cứu hoàn thiện quy trình
sản xuất chitin-chitosan ở bước cao hơn, đồng thời nghiên cứu các ứng dụng
của chúng trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp.
+ Quy trình sản xuất chitin của Hackman [7]
Vỏ tôm hùm được rửa sạch, sấy khô ở nhiệt độ 100 oC; tiếp theo được
khử khoáng bằng dung dịch HCl 2N với tỷ lệ w/v=1/10 ở nhiệt độ phòng, sau
thời gian 5 giờ đem rửa trung tính và sấy khô ở 100oC và đem xay nhỏ.
Ngâm tiếp trong dung dịch HCl 2N với tỷ lệ w/v=1/2,5 ở nhiệt độ phòng.
Sau 48 giờ đem ly tâm thu phần bã và rửa trung tính. Ngâm bã bột đã rửa trong
dung dịch NaOH 1N với tỷ lệ w/v=1/2,5 ở nhiệt độ 100oC, sau 42 giờ đem ly
tâm thu phần bã. Sau đó lại tiếp tục ngâm trong dung dịch NaOH 1N với tỷ lệ và
nhiệt độ trên, sau 12 giờ đem ly tâm thu phần bã. Tiếp theo đó rửa trung tính và
làm sạch bằng cách đem ly tâm với các chất theo thứ tự: Nước, etanol và ete.
Sau đó làm khô, ta thu được sản phẩm dạng bột màu kem.
Với quy trình này có nhiều công đoạn tăng khả năng khử khoáng, khử
protein song do cồng kềnh, chỉ thích hợp cho đối tượng là vỏ tôm hùm, tôm
mũ ni và vỏ cua, thời gian thực hiện các công đoạn kéo dài do đó quy trình
Hackman chỉ mang tính nghiên cứu thí nghiệm, không có tính khả thi nếu sản
xuất đại trà.


21
+ Phương pháp điều chế chitin của Capozza [23]
Cân 149 gam nguyên liệu vỏ tôm sạch cho vào bình khuấy với một máy
khuấy, thêm từ từ 825 ml dung dịch axit HCl 2N vào, thực hiện phản ứng ở
40oC trong thời gian 48 giờ. Sản phẩm sau quá trình khử khoáng được rửa

sạch bằng nước đến pH=7. Xác định hàm lượng tro 0,4-0,5%. Sau đó sản
phẩm được khuấy ở nhiệt độ phòng với 1500 ml dung dịch axit fomic
HCOOH 90%, để qua đêm. Hỗn hợp được lọc ly tâm lấy phần bã và rửa lại
với nước nhiều lần cho đến pH=7. Sản phẩm sạch sau đó được ngâm ngập
trong 2 lít dung dịch NaOH 10% và đun nóng ở 90-100oC trong 2,5 giờ. Dung
dịch được lọc và rửa sạch với nước đến pH=7, sau đó sản phẩm được tráng
rửa lại trong etanol 96o và ete, sấy khô ở 40oC. Khối lượng chitin khô sạch thu
được là 66 gam. Hiệu suất 44,3%.
+ Quy trình sản xuất chitin của Pháp [7]
Nguyên liệu (vỏ tôm) sạch được đem đi hấp chín, phơi khô, ta đem đi
xay nhỏ. Khử protein bằng dung dịch NaOH 3,5% với tỷ lệ w/v=1/10, ở nhiệt
độ 65oC, sau 2 giờ vớt ra rửa trung tính, tiếp đó ngâm trong dung dịch HCl 1N
với tỷ lệ w/v= 1/10 ở nhiệt độ phòng, sau 2 giờ vớt ra, tiến hành tẩy các chất
màu hữu cơ bằng axeton với tỷ lệ w/v=1/5 ở nhiệt độ phòng, sau 30 phút vớt
ra rửa sạch và tẩy lại màu bằng dung dịch nước javen (NaOCl + NaCl)
0,135%, tỷ lệ w/v=1/10, ở nhiệt độ phòng, sau 6 phút, vớt ra rửa trung tính
thu được chitin sạch đẹp.
Quy trình có ưu điểm là thời gian sản xuất ngắn, sản phẩm có màu sắc
đẹp, sạch do 2 bước khử sắc tố. Tuy nhiên NaOCl là một chất oxy hóa mạnh,
ảnh hưởng đến mạch polyme, do đó độ nhớt sản phẩm giảm rõ rệt. Mặt khác,
axeton đắt tiền, tổn thất nhiều, giá thành sản phẩm sẽ cao, chưa kể các yếu tố
trong an toàn sản xuất, công nghệ này khó áp dụng trong điều kiện ở Việt
Nam hiện nay.


22
b. Ở Việt Nam
Hiện nay ở Việt Nam có nhiều cơ sở khoa học đang nghiên cứu sản
xuất chitin-chitosan như: Trường đại học Nông Lâm- Thành phố Hồ Chí
Minh; Trung tâm nghiên cứu Polyme -Viện khoa học Việt Nam; Viện Hóa

thuộc phân viện Khoa học Việt Nam tại Thành phố Hồ Chí Minh; Trung tâm
Công nghệ và sinh học Thủy sản- Viện nghiên cứu nuôi trồng Thủy sản 2.
+ Quy trình sản xuất chitin của xí nghiệp thủy sản Hà Nội [7]
Nguyên liệu là vỏ tôm khô hoặc tươi được loại bỏ hết tạp chất, xử lý
tách khoáng lần 1 trong dung dịch HCl 4%, tỷ lệ w/v=1/2, ở nhiệt độ phòng ở
24 giờ, vớt ra rửa trung tính. Sau đó dùng dung dịch NaOH 2% để tách
protein lần 1 với tỷ lệ w/v=1/2,8 ở nhiệt độ 90-95 oC, sau 3 giờ rửa và tiến
hành khử khoáng lần 2 cũng dùng dung dịch HCl 4%, tỷ lệ w/v=1/2, ở nhiệt
độ phòng sau 24 giờ, đem rửa trung tính. Để tách protein lần 2 cũng dùng
dung dịch NaOH 2%, w/v= 1/1,28, ở nhiệt độ 90-95 oC, sau 3 giờ rửa trung
tính và tiến hành khử khoáng lần 3 cũng giống như lần khử khoáng trên. Sản
phẩm đem làm khô thu được chitin.
Chitin thu được có độ trắng cao mặc dù không có công đoạn tẩy màu.
Nhưng nhược điểm là thời gian sản xuất của quy trình kéo dài, nồng độ hóa
chất xử lý cao kết hợp với thời gian xử lý dài (công đoạn khử khoáng) làm cắt
mạch polyme trong môi trường axit dẫn đến độ nhớt giảm.
+ Quy trình sản xuất chitin của Đỗ Minh Phụng [7]
Nguyên liệu là vỏ tôm khô được khử khoáng bằng dung dịch HCl 6N
với tỷ lệ w/v=1/2,5, ở nhiệt độ phòng, sau 48 giờ đem rửa trung tính, tiếp theo
đun nóng trong dung dịch NaOH 8% với tỷ lệ w/v=1/1,5, ở nhiệt độ 100 oC,
sau 2 giờ khử protein rồi đem rửa trung tính.
Tiến hành tẩy màu bằng dung dịch KMnO4 1% trong dung dịch H2SO4
10%, sau 1 giờ đem rửa sạch và khử màu phụ bằng dung dịch Na 2S2O3 1,5%
trong 15 phút, vớt ra rửa sạch thu được chitin.


23
Sản phẩm thu được có chất lượng khá tốt, chitin có màu trắng đẹp. Tuy
nhiên thời gian còn dài, sử dụng nhiều chất oxy hóa dễ làm ảnh hưởng tới độ
nhớt của sản phẩm.

1.2.2. Một số quy trình sản xuất chitosan
Phương pháp điều chế chitosan bao gồm 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Những phần tử vô cơ thường bị loại do tác dụng của axit
vô cơ loãng hoặc enzym hòa tan muối vô cơ.
Giai đoạn 2: Protein và các hợp chất hữu cơ khác bị loại do tác dụng
của kiềm hoặc enzym .
Giai đoạn 3: Dùng dung dịch NaOH 40% - 60% và các muối của nó
hoặc enzym để deacetyl hóa thu được chitosan.
Độ tinh khiết của chitosan có thể được kiểm tra bằng cả hai phương
pháp hóa học (cho chitosan hòa tan hoàn toàn trong dung dịch CH 3COOH
1%, nếu chitosan tan càng nhiều thì chứng tỏ nó có độ tinh khiết càng cao) và
phương pháp vật lí (đo phổ IR, H-NMR).Sau đây là một số phương pháp điều
chế chitosan.
+ Phương pháp của Nguyễn Hoàng Hà [8]
Vỏ tôm được làm sạch, nghiền nhỏ, cho vào lò nguyên liệu cùng với
nước theo tỉ lệ 1:1, nấu sôi trong 1 - 2 giờ, lọc thu được vỏ tôm sơ chế. Vỏ
tôm sơ chế được để nguội 60 - 65 oC rồi thủy phân bằng dung dịch HCl 10%
theo tỉ lệ 2 kg nguyên liệu: 1 lít dung dịch HCl, trong 2 - 5 giờ, hoặc enzym
proteasea (1 kg nguyên liệu : 0,3 - 0,5g proteasea) ở 40 oC - 70oC, trong 0,5 - 3
giờ. Sau đó cho vào dung dịch HCl 10%, ở nhiệt độ phòng, trong 2-6 giờ thu
được phức chitin protein. Tiếp theo tiến hành thủy phân phức chitin protein
bằng dung dịch NaOH 10% theo tỉ lệ 5 kg nguyên liệu: 1 lít NaOH ở nhiệt độ
thường, trong 2 - 3 ngày thu được chitin thô. Chitin thô được tẩy màu bằng
nước Javel công nghiệp theo tỉ lệ 1 kg chitin:


24
Vỏ tôm
1. Rửa sạch, nghiền nhỏ.
2. Đun với nước theo tỉ lệ 1 :1, trong 1-2 giờ, lọc.

Vỏ tôm xử lý lần 1
1. Dung dịch HCl 10%, to phòng, trong 6 – 12 giờ.
2. lọc, rửa, sấy khô.
Vỏ tôm xử lý lần 2
1. Dung dịch NaOH 10%, to phòng, trong 2-3 ngày.
2. Lọc, rửa, sấy khô.
Chitin thô
Nước javel công nghiệp tỉ lệ 1:1, trong 30 phút.

Chitin tinh khiết
1. Dung dịch NaOH 40%, ở 110 – 130 oC, trong 5-8 giờ.
2. Lọc, rửa, sấy khô.
Chitosan

Sơ đồ1.1: Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp
của Nguyễn Hoàng Hà


25
1 lít nước Javel công nghiệp. Sau 30 phút thu được chitin tinh khiết.
Cuối cùng chuyển hóa chitin thành chitosan bằng dung dịch NaOH 40% ở
110 - 130oC, trong 3 - 8 giờ, rửa, lọc, sấy khô thu được chitosan.
+ Phương pháp của Đặng Văn Luyến [6]
Vỏ tôm được nghiền nhỏ, phơi khô, cho vào dung dịch NaOH 3% (tỉ
lệ 1 kg nguyên liệu: 4 lít NaOH) tiến hành phản ứng ở 90 oC trong 2 - 4 giờ,
sau đó rửa sạch, sấy khô. Tiếp tục cho vào dung dịch HCl 0,6N ( theo tỉ lệ 1
kg nguyên liệu: 4 lít dung dịch HCl ) phản ứng tiến hành ở 20 - 30 oC, trong 4
- 6 giờ. Tiến hành lọc, rửa, sấy khô vỏ tôm ( quá trình này được lặp đi lặp lại
3 - 4 lần để tách hết canxi và protein). Hiệu suất tách chitin là 10 - 15% so
với vỏ tôm khô.

Vỏ tôm (1000g)
1. Ngâm trong 4 lít NaOH 3%, 90oC, trong 2 – 4 giờ.
2. Lọc, rửa, sấy khô.
Vỏ tôm xử lý lần 1
1. 4 lít HCl 0,6N, ở 20 – 30oC, trong 4 giờ (lặp lại 3 lần).
2. Lọc, rửa, sấy khô.
Chitin thô (152g)
1. 1,5 lít NaOH 40% (thay đổi nhiệt độ từ 5 – 90oC). Tiến
hành 3 lần.
2. Giữ huyền phù ở 30oC, trong 2 – 5 ngày. Sau đó đun
huyền phù ở 70 – 100oC, trong 2 giờ.
Chitosan (105g)
Sơ đồ 1.2: Quy trình điều chế chitosan theo phương pháp
của Đặng Văn Luyến