Nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan từ phế liệu tôm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
-------------------------

HOÀNG THỊ HÒA

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHITOSAN
TỪ PHẾ LIỆU TÔM

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo
: Chính quy
Chuyên ngành
: Công nghệ thực Phẩm
Lớp
: 42 - CNTP
Khoa
: CNSH - CNTP
Khoá học
: 2010 - 2014
Giảng viên hướng dẫn : 1. ThS. Lương Hùng Tiến
Khoa CNSH – CNTP trường ĐH Nông Lâm Thái Nguyên
2. ThS. Nguyễn Thị Đoàn
Khoa CNSH – CNTP trường ĐH Nông Lâm Thái Nguyên

Thái Nguyên, năm 2014

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và các kết quả nghiên cứu trong luận văn
này là hoàn toàn trung thực.
Trong quá trình thực hiện đề tài và hoàn thiện luận văn mọi sự giúp
đỡ đều đã được cám ơn và các trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ
nguồn gốc.
Sinh viên

Hoàng Thị Hòa


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành bài luận văn này, ngoài sự cố gắng của bản thân tôi đã
nhận được sự ủng hộ giúp đỡ nhiệt tình của gia đình, thầy cô và bạn bè.
Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô giáo trong trường
Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi
những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo ThS. Lương Hùng
Tiến, đã tận tình giúp đỡ, định hướng và giúp tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu
này trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Trong thời gian làm việc với
thầy, tôi không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập
được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả,
đây là những điều rất cần thiết cho tôi trong quá trình học tập và công tác sau
này.
Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến cô giáo ThS.
Nguyễn Thị Đoàn đã nhiệt tình giúp đỡ, dạy bảo để tôi hoàn thành tốt bài luận
văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo cùng các anh, chị, bạn bè làm việc
trong phòng thí nghiệm vi sinh khoa CNSH - CNTP trường đại học Nông Lâm
Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn giúp đỡ tôi trong thời gian qua.

Tôi xin cảm ơn và chia sẻ niềm vui này với gia đình, bạn bè cùng anh,
chị những người đã luôn ở bên tôi, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để cho
tôi được học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Dù đã cố gắng nhiều, xong luận văn không thể tránh khỏi những thiếu
sót và hạn chế. Kính mong nhận được sự chia sẻ và những ý kiến đóng góp
quý báu của thầy cô giáo và các bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên

Hoàng Thị Hòa


DANH MỤC VÀ KÍ HIỆU VIẾT TẮT
STT

Tên đầy đủ

Tên viết tắt

1

L. Plantarum NCDN4

Lactobacillus Plantarum NCDN4

2

DA

Degree of acetylation

3

DDA

Degree of Dacetylation

4

PE

Polyetilen

5

PLT

Phế liệu tôm

6

h

Giờ

7

S. Typhimurium

Salmonella. Typhimurium

8

MP

Meat peptone

9

CPS

Centipoise


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Thành phần hóa học của phế liệu tôm ........................................... 20
Bảng 4.1: Thành phần hóa học của nguyên liệu ............................................. 34
Bảng 4.2: Hàm lượng protein còn sót lại trong vỏ tôm sau khử protein ........ 35
Bảng 4.3 : Hàm lượng khoáng còn sót lại trong vỏ tôm sau khử khoáng ...... 36
Bảng 4.4: Kết quả xác định độ DDA của chitosan ......................................... 37
Bảng 4.5: Tính chất của chitosan sau tinh sạch .............................................. 38
Bảng 4.6: Đánh giá chất lượng chitosan ......................................................... 39


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Chitin có nhiều trong vỏ tôm ............................................................ 3
Hình 2.2: Công thức cấu tạo của chitin ............................................................. 5
Hình 2.3: Công thức cấu tạo của chitosan ........................................................ 5
Hình 2.4: So sánh cấu tạo của chitin, chitosan và cellulose ............................. 6
Hình 2.5: Phức của Cu2+ với chitin và chitosan ................................................ 9

Hình 3.1: Sơ đồ quy trình sản xuất chitosan ................................................... 30
Hình 3.2: Sơ đồ quy trình tinh sạch chitosan bằng phương pháp sấy đối lưu ...... 31
Hình 3.3: Sơ đồ quy trình tinh sạch chitosan bằng phương pháp sấy đông khô .... 32
Hình 3.4: Sơ đồ phương pháp đối kháng trực tiếp trong dịch nuôi cấy lỏng . 33
Hình 4.1 : PLT ban đầu .................................................................................. 36
Hình 4.2 : PLT sau thủy phân ......................................................................... 36
Hình 4.3: Sản phẩm chitin sau lên men .......................................................... 36
Hình 4.4: Chitosan sấy đối lưu ........................................................................ 36
Hình 4.5: Chitosan sấy đông khô .................................................................... 38
Hình 4.6: Khả năng kháng S. Typhimurium của chitosan .............................. 39


MỤC LỤC
PHẦN 1. MỞ ĐẦU .......................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 1
1.2. Mục đích nghiên cứu .............................................................................. 2
1.3. Yêu cầu của đề tài ................................................................................... 2
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài................................................ 2
PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................... 3
2.1. Cơ sở nghiên cứu khoa học .................................................................... 3
2.1.1.Lịch sử và nguồn gốc của chitin/chitosan ......................................... 3
2.1.2. Cấu trúc hóa học của chitin/chitosan ............................................... 4
2.1.3. Tính chất của chitosan ...................................................................... 6
2.1.4. Một số ứng dụng của chitin/chitosan và các dẫn xuất ................... 12
2.1.5. Giới thiệu về phế liệu tôm và các phương pháp thu nhận chitin ... 17
2.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .......................................... 24
2.2.1. Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin/chitosan trên thế giới .......... 24
2.2.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin/chitosan ở Việt Nam .......... 24
PHẦN 3. VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..... 26
3.1. Vật liệu nghiên cứu .............................................................................. 26

3.1.1. Nguyên liệu .................................................................................... 26
3.1.2. Enzyme ........................................................................................... 26
3.1.3. Chủng vi khuẩn .............................................................................. 26
3.1.4. Hóa chất.......................................................................................... 26
3.1.5. Dụng cụ, thiết bị ............................................................................. 26
3.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu......................................................... 27
3.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................ 27
3.4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 28
3.4.1. Phương pháp xác định thành phần hóa học của phế liệu tôm ........ 28
3.4.2. Phương pháp nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan ................... 30
3.4.3. Phương pháp đánh giá chất lượng chitosan ................................... 32
PHẦN 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 34
4.1. Xác định thành phần hóa học ban đầu của phế liệu tôm ...................... 34


4.2. Xây dựng quy trình sản xuất chitosan .................................................. 34
4.2.1. Kết quả nghiên cứu công đoạn khử protein ................................... 34
4.2.2. Kết quả nghiên cứu công đoạn khử khoáng ................................... 35
4.2.3. Kết quả xác định màu của phế liệu tôm sau quá trình khử khoáng
và khử protein ........................................................................................... 36
4.2.4. Kết quả nghiên cứu công đoạn deacetyl hóa.................................. 37
4.2.5. Kết quả nghiên cứu công đoạn tinh sạch chitosan ......................... 37
4.3. Đánh giá chất lượng sản phẩm chitosan ............................................... 39
PHẦN 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................... 40
5.1. Kết luận ................................................................................................. 40
5.2. Kiến nghị............................................................................................... 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 41


1

PHẦN 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Chitin là một polysaccharid có mặt trong tự nhiên nhiều nhất chỉ sau
Cellulose. Nó có trong vỏ các loài giáp xác, màng tế bào nấm thuộc họ
Zygemycetes, trong sinh khối nấm mốc, một vài loại tảo…Chitosan chính là
sản phẩm biến tính của chitin.
Ở nước ta tôm đông lạnh chiếm sản lượng lớn nhất trong số các sản phẩm
đông lạnh. Chính vì vậy vỏ tôm phế liệu là nguồn nguyên liệu tự nhiên dồi dào,
rẻ tiền có sẵn quanh năm cho việc sản xuất chitin và chitosan ở nước ta.
Chitosan là một polyme sinh học được ứng dụng rộng rãi trong nhiều
ngành công nghiệp như thực phẩm, nông nghiệp, môi trường, y học và mỹ
phẩm (Hirano,1996). Hiện nay, chitosan được sản xuất từ nhiều nguồn
nguyên liệu khác nhau (tôm, cua, mực, vi nấm và vi khuẩn), trong đó nhiều
nhất là nguồn phế liệu tôm. Tuy nhiên, nguồn phế liệu tôm thường chứa một
lượng lớn protein, khoáng và chất màu nên chitosan từ phế liệu tôm dù đã qua
công đoạn khử khoáng và khử protein vẫn còn chứa một lượng protein và
khoáng đáng kể cũng như chất màu. Ngoài ra, độ tan của chitosan từ tôm
cũng thường không đạt được trên 99%, vì còn một phần chất không tan chủ
yếu là chitin do quá trình deacetyl không đạt độ đồng nhất cao. Việc nâng cao
độ tinh khiết của chitosan chiết rút từ phế liệu tôm sẽ cho phép mở rộng ứng
dụng của polyme này vào những lĩnh vực mới như y học và công nghệ sinh
học với những đòi hỏi về tiêu chuẩn chất lượng rất cao (Knapczyk và cộng sự,
1989). Các quy trình sản xuất chitosan từ phế liệu tôm hiện nay thường bắt
đầu bằng bước sản xuất chitin với việc sử dụng NaOH và HCl với nồng độ
cao để loại protein và khoáng, tiếp theo là quá trình deacetyl bằng NaOH đặc
(No và Meyer, 1997). Tuy nhiên các quá trình này thường không loại bỏ tuyệt
đối được lượng protein và khoáng dù có tăng nồng độ và thời gian xử lý. Mặt
khác, việc tinh chế chitosan bằng một số phương pháp hiện đại như sử dụng

sắc ký điều chế, dùng siêu lọc thường rất tốn kém, đòi hỏi đầu tư lớn, rất khó
thực hiện ở quy mô lớn [9].


2

Xuất phát từ thực tế trên chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:
“Nghiên cứu quy trình sản xuất chitosan từ phế liệu tôm”
1.2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu được quy trình sản xuất chitosan từ phế liệu tôm
- Đánh giá được chất lượng chế phẩm chitosan sản xuất được
1.3. Yêu cầu của đề tài
- Nghiên cứu được các công đoạn của quá trình sản xuất chitosan
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học:
Xác định và đánh giá được các chế độ khử protein, khử khoáng, khử
màu, deacetyl hóa và quá trình tinh sạch chitosan.
- Ý nghĩa thực tiễn:
Nghiên cứu và tạo ra được sản phẩm đặc thù từ phế liệu thủy sản vỏ tôm.
Giải quyết được một phần lượng phế thải vỏ tôm của các nhà máy chế
biến thủy sản.
Đáp ứng phục vụ đào tạo thực tập tay nghề cho sinh viên ngành công
nghệ thực phẩm.


3

PHẦN 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Cơ sở nghiên cứu khoa học

2.1.1.Lịch sử và nguồn gốc của chitin/chitosan
Về mặt lịch sử, chitin được Braconnot phát hiện đầu tiên vào năm 1811,
trong cặn dịch chiết từ một loại nấm. Ông đặt tên cho chất này là “Fungine”
để ghi nhớ nguồn gốc của nó. Năm 1923, Odier phân lập được một chất từ bọ
cánh cứng mà ông gọi là “chitin” hay “chiton”, tiếng Hy Lạp có nghĩa là vỏ
giáp, nhưng ông phát hiện ra sự có mặt của nitơ. Cuối cùng Odier và
Braconnot đều đi đến kết luận chitin có dạng công thức giống với cellulose.
Sự xuất hiện của nitơ trong chitin đã được Lassaige chứng minh vào năm
1843 từ đó nhân loại bắt đầu nghiên cứu và ứng dụng lâu dài hợp chất này và
các dẫn xuất của nó [15].

Hình 2.1: Chitin có nhiều trong vỏ tôm
Ở động vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng trong vỏ của
một số động vật không xương sống như côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác, giun
tròn. Ở động vật bậc cao, monome của chitin là một thành phần chủ yếu trong
mô da giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da. Ở thực vật, chitin
có trong thành tế bào nấm, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo,…[5].
Chitin có cấu trúc thuộc họ polysaccharide, hình thái tự nhiên ở dạng rắn. Do


4

đó, các phương pháp nhận dạng chitin, xác định tính chất và phương pháp hóa
học để biến tính chitin cũng như việc sử dụng và lựa chọn các ứng dụng của
chitin gặp nhiều khó khăn.
Chitosan là sản phẩm biến tính của chitin, là chất rắn, xốp, nhẹ, hình
vảy, có thể xay nhỏ thành các kích cỡ khác nhau. Chitosan – dẫn xuất của
chitin được xem là polymer tự nhiên quan trọng, nhiều thứ hai sau cellulose,
các nghiên cứu đã cho thấy chitosan có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như
thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm,…Giống như cellulose, chitosan là chất xơ,

không giống chất xơ thực vật, chitosan có khả năng tạo màng, có các tính chất
cấu trúc quang học,… Chitosan còn là chất cao phân tử mang điện dương duy
nhất trong tự nhiên, nó có khả năng kết hợp với những chất tích điện âm như
chất béo, lipid và acid.
Chitosan là polymer không độc, có khả năng phân hủy sinh học và có
tính tương thích về mặt sinh học. Trong nhiều năm qua, các polymer có
nguồn gốc từ chitin đặc biệt là chitosan được coi như một vật liệu mới có ứng
dụng đặc biệt trong công nghiệp dược, y học, xử lý nước thải và trong công
nghiệp thực phẩm như là tác nhân kết hợp, gel hóa, ổn định hay tác nhân
kháng khuẩn,…
Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin
– chitosan chiếm khá cao, dao động từ 14 – 35% so với trọng lượng khô.
Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin –
chitosan [7].
2.1.2. Cấu trúc hóa học của chitin/chitosan
Chitin (C8H13O5N)n là một polymer mạch dài của N-acetylglucosamine,
dẫn xuất của glucose, trong đó nhóm (-OH) ở nguyên tử C (2) được thay thế
bằng nhóm acetyl amino (-NHCOCH3).


5

Hình 2.2: Công thức cấu tạo của chitin

Hình 2.3: Công thức cấu tạo của chitosan
Chitosan một polysaccharid mạch thẳng, là dẫn xuất deacetyl của
chitin, trong đó nhóm (-NH2) thay thế nhóm (-COCH3) ở vị trí C (2). Chitosan
được cấu tạo từ các mắt xích D-glucosamine liên kết với nhau bởi các liên kết
β-(1,4)-glucoside, do vậy chitosan có thể gọi là poly β-(1,4)-2-amino-2deoxy-D-glucose hoặc là poly β-(1,4)-D-glucosamine [1].

6

Hình 2.4: So sánh cấu tạo của chitin, chitosan và cellulose
2.1.3. Tính chất của chitosan
2.1.3.1. Tính chất vật lý của chitosan
a) Đặc tính bề ngoài
- Là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ theo các kích cỡ
khác nhau.
- Chitosan có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi vị [24].
b) Mức độ acetyl hóa
Quá trình deacetyl bao gồm quá trình loại bỏ acetyl khỏi chuỗi phân tử
chitin và hình thành phân tử chitosan với nhóm amin hoạt động hóa học cao.
Mức độ deacetyl là một đặc tính quan trọng của quá trình sản xuất chitosan vì
nó ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và khả năng ứng dụng của chitosan sau này
[5]. Mức độ deacetyl hóa của chitin vào khoảng trên 50% phụ thuộc vào loài
giáp xác và phương pháp sử dụng. Do quá trình khử acetyl xảy ra không hoàn


7

toàn nên người ta quy ước mức độ acetyl lớn hơn 50% thì gọi là chitosan, nhỏ
hơn 50% gọi là chitin. Khi ở mức độ acetyl hóa thấp, chitosan có khả năng
hút ẩm lớn hơn [22].
c) Trọng lượng phân tử
Chitosan là polymer sinh học có khối lượng phân tử cao. Chitosan
thương phẩm có khối lượng khoảng 1000000 – 1200000 Dalton, phụ thuộc
vào quá trình chế biến và loại sản phẩm. Trọng lượng phân tử khác nhau dẫn
đến đặc tính của từng loại chitosan khác nhau, người ta thường phân loại
chitosan dựa vào trọng lượng phân tử. Trọng lượng phân tử chitosan có thể

xác định bằng phương pháp sắc ký, phân tán ánh sáng hoặc đo độ nhớt
[24,25].
d) Độ nhớt
Độ nhớt là yếu tố quan trọng để xác định khối lượng phân tử của
chitosan [1]. Chitosan phân tử lượng cao thường làm cho dung dịch có độ
nhớt cao. Quá trình chế biến ảnh hưởng và quyết định đến độ nhớt của
chitosan [4].
e) Tính tan
Chitin tan hầu hết trong các dung môi hữu cơ, trong khi đó chitosan tan
trong các dung dịch acid, dung dịch đệm có pH dưới 6. Các axit hữu cơ như
acetic, formic và lactic thường được sử dụng để hòa tan chitosan. Ở pH cao,
có thể xảy ra hiện tượng kết tủa hoặc đông tụ nguyên nhân là do hình thành
hỗn hợp poly- ion với chất keo anion. Tuy nhiên tính tan của dung dịch còn bị
ảnh hưởng bởi mức độ acetyl hóa [19].
f) Tỷ trọng
Tỷ trọng của chitin từ tôm và cua thường là 0,06 và 0,17g/ml, điều này
cho thấy chitin từ tôm xốp hơn từ cua. Như vậy do loài giáp xác hoặc phương
pháp chế biến, mức độ acetyl hóa ảnh hưởng lớn đến tỷ trọng của chitosan [24].
g) Khả năng kết hợp với nước (WBC) và khả năng kết hợp với chất béo (FBC)
Khả năng kết hợp với nước của chitosan lớn hơn rất nhiều so với
cellulose hay chitin. Thông thường, khả năng hấp thụ nước của chitosan
khoảng 581 – 1150% (trung bình là 702%) phụ thuộc vào từng sản phẩm. Quá


8

trình sản xuất chitosan có nhiều giai đoạn, thay đổi thứ tự sản xuất cũng ảnh
hưởng đáng kể đến khả năng giữ nước và giữ chất béo.
Khả năng kết hợp với chất béo của các chế phẩm chitosan trong khoảng
370,2 – 665,4% [24].

h) Khả năng tạo màng
Bản chất là polymer sinh học có phân tử lượng lớn nên khi hòa tan vào
dung môi, chitosan tạo dung dịch có độ nhớt lớn, dung dịch dạng gel, tạo
thành màng mỏng khi được phun hay phủ một lớp mỏng lên bề mặt vật liệu
và để khô tự nhiên. Màng chitosan dai, khó xé rách, có khả năng tự phân hủy
sinh học [19].
2.1.3.2. Tính chất hóa học của chitosan
Chitosan chứa nhiều nhóm –NH2 nên có thể tan trong dung dịch acid.
Khi tan trong dung dịch acid, chitosan tạo gel có thể tráng mỏng thành màng.
Ứng dụng tính chất này nên chitosan được dùng để tạo màng không thấm bảo
quản trứng, trái cây hay dùng hỗ trợ trong điều trị viêm loét dạ dày, tá tràng
(trong môi trường acid của dạ dày, chitosan tạo gel che phủ, bảo vệ niêm
mạc) [1].
Trong phân tử chitosan có chứa các nhóm chức -OH, -NHCOCH3 trong
các mắt xích N-acetyl-D-glucosamine và nhóm –OH, nhóm -NH2 trong các
mắt xích D-glucosamine có nghĩa chúng vừa là ancol vừa là amine, vừa là
amide. Phản ứng hóa học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế
O-, dẫn xuất thế N- [25].
Mặt khác chitosan là những polyme mà các monome được nối với nhau
bởi các liên kết α-(1,4)-glicoside, các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các
chất hóa học như: acid, base, tác nhân oxy-hóa và các enzyme thủy phân.
Trong phân tử chitosan và một số dẫn xuất của chitosan có chứa các
nhóm chức mà trong đó các nguyên tử Oxi và Nitơ của nhóm chức còn cặp
electron chưa sử dụng, do đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết
các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+,
Ni2+, Co2+…Tùy nhóm chức trên mạch polyme mà thành phần và cấu trúc của
phức khác nhau [20]. Hơn nữa chitosan và các kim loại như Ag+, Cu2+, Ni2+,
… có tính chất khử trùng và diệt khuẩn, sau khi chitosan liên kết với các ion

9

kim loại nhờ oxi hay nitơ, các liên kết ràng buộc làm tăng cường hoạt tính
kháng khuẩn, đây là một tính chất tốt, sẽ thuận lợi cho các ứng dụng trong
nông nghiệp, y tế công nghiệp cũng như công nghiệp thực phẩm [5].
Ví dụ: với phức Cu(II), chitin có cấu trúc bát diện với số phối trí bằng
6, phức Cu(II) với chitosan có cấu trúc tứ diện với số phối trí bằng 4.

Hình 2.5: Phức của Cu2+ với chitin và chitosan
Tuy nhiên khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng của chitosan rất lớn.
Độ hấp phụ đối với hầu hết các kim loại này không nhỏ hơn 1mmol/g
chitosan. Khả năng hấp phụ kim loại nặng của chitin/ chitosan đặt ra một vấn
đề cần phải kiểm soát chặt chẽ hàm lượng của các kim loại nặng, đặc biệt các
loại độc hại nhất như Hg, Cd, Pb, As trong các sản phẩm chitin/ chitosan dùng
trong thực phẩm và y dược [20].
2.1.3.3. Tính chất sinh học của chitosan
Chitosan không độc, dùng an toàn cho người. Chúng có tính hòa hợp
sinh học cao với cơ thể, có khả năng tự phân hủy sinh học [7].
Chitosan có nhiều tác dụng sinh học đa dạng như: tính kháng nấm, tính
kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau, kích thích sự phát triển tăng
sinh của tế bào, có khả năng nuôi dưỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh
dưỡng, tác dụng cầm máu, chống sưng u. Ngoài ra, chitosan còn có tác dụng


10

làm giảm cholesterol và lipid máu, hạ huyết áp, điều trị thận mãn tính, chống
rối loạn nội tiết [2].
Với khả năng thúc đẩy hoạt động của các peptide – insulin, kích thích
việc tiết ra insulin ở tuyến tụy nên chitosan đã được dùng để điều trị bệnh tiểu

đường. Nhiều công trình đã công bố khả năng kháng đột biến, kích thích làm
tăng cường hệ thống miễn dịch cơ thể, khôi phục bạch cầu, hạn chế sự phát
triển của các tế bào u, ung thư, HIV/AIDS, chống tia tử ngoại, chống
ngứa,…của chitosan.
- Tác dụng ức chế u bướu: Chitosan có tác dụng tăng cường miễn dịch
tế bào, hoạt hóa công năng của tế bào limpho, nâng cao độ pH trong dịch thể,
từ đó tạo ra môi trường kiềm tính, tăng cường khả năng tấn công tiêu diệt các
tế bào ung thư của tế bào limpho. Trong các nghiên cứu về u bướu thấy rằng
chitosan có tác dụng khống chế tế bào ung thư khá tốt, đồng thời còn có tác
dụng kích hoạt khả năng miễn dịch của cơ thể chống lại các tế bào ung thư.
- Tác dụng tăng cường cơ năng gan: Chitosan có thể hấp thụ chất bẩn
trong đường ruột, phòng trừ phát sinh mỡ trong gan.
- Tác dụng phòng chống bệnh tiểu đường: Bệnh lý cơ bản của bệnh tiểu
đường là rối loạn nội tiết do lượng insulin tuyệt đối hoặc tương đối tiết ra
không đủ. Khi dịch thể kiềm tính thì có thể nâng cao khả năng hấp thụ insulin,
đồng thời có thể điều tiết acid dịch thể của bệnh nhân tiểu đường do sự phân
giải chất béo mà sinh ra lượng acid hữu cơ quá cao. Chitosan có tính hấp thụ
khá mạnh, trong đường ruột chỉ có dung tích nhất định, có thể giảm thiểu sự
hấp thu các loại đường trong thức ăn, hạ thấp và kéo dài mức đường huyết ổn
định, từ đó phòng trị bệnh tiểu đường.
- Tác dụng hạ huyết áp, phòng bệnh xơ cứng động mạnh: Chitosan có
thể hạn chế sự hấp thụ nguyên tử clo trong cơ thể. Nhờ tác dụng của dịch toan
dạ dày hình thành các nguyên tử mang điện tích dương kết hợp với nguyên tử
clo, làm giảm nồng độ các nguyên tử clo trong đường huyết, đẫn đến mạch
máu giãn nở tốt hơn, từ đó mà huyết áp giảm. Đồng thời còn làm cho
cholesterol không bám được vào thành mạch máu, phòng được bệnh xơ cứng
động mạch.


11

- Tác dụng đào thải độc tố và hấp thụ kim loại nặng: Chitosan mang
điện tích dương có tác dụng hút kim loại nặng thải ra ngoài, giảm bớt sự tích
tụ kim loại nặng trong cơ thể, cân bằng chất điện giải trong cơ thể để duy trì
sức khỏe. Thậm chí các chất có tính phóng xạ cũng bị đào thải ra ngoài.
Ngoài ra chitosan còn hấp thụ các độc tố, các dư chất hóa học xâm nhập vào
cơ thể qua con đường ăn uống, thuốc chữa bệnh, ô nhiễm môi trường,… trong
cơ thể đào thải ra ngoài.
- Cải thiện cơ năng tiêu hóa : Chitosan có thể nâng cao khả năng đối
kháng của vi khuẩn có ích trong đường ruột đối với vi khuẩn có hại, thúc đẩy
quá trình gia tăng số lượng vi khuẩn có ích trong đường ruột, cải thiện công
năng đường tiêu hóa, nâng cao sức hấp thụ dinh dưỡng cho cơ thể.
- Ứng dụng của giáp xác trong ngoại khoa: Chitosan có khả năng thúc
đẩy làm lành da, tác dụng diệt khuẩn, phục hồi vết thương nhanh chóng, cầm
máu, thấm máu ở vị trí bị xuất huyết, làm vết thương đỡ đau đớn.
- Độc tính của chitosan : Năm 1968, K.Arai và cộng sự đã xác định
chitosan hầu như không độc, chỉ số LD50= 16g/kg cân nặng cơ thể, không gây
độc trên súc vật thực nghiệm và người, không gây độc tính trường diễn ( LD50
là chỉ số biểu thị độ độc cấp tính của một chất, lượng chất độc gây chết 50%
số cá thể thí nghiệm) [21].
Nghiên cứu tiêm chitosan theo đường tĩnh mạch trên thỏ, các tác giả đã
kết luận: chitosan là vật liệu hòa hợp sinh học cao, nó là chất mang lý tưởng
trong hệ thống vận tải thuốc, không những sử dụng cho đường uống, tiêm tĩnh
mạch, tiêm bắp, tiêm dưới da, mà còn sử dụng an toàn trong ghép mô.
Từ những nghiên cứu, các tác giả đưa ra kết luận:
- Chitosan có tính chất cơ học tốt, không độc, dễ tạo màng, có thể tự
phân hủy sinh học, hòa hợp sinh học không những đối với động vật mà còn
đối với các mô thực vật, là vật liệu y sinh tốt, làm mau liền vết thương.
- Chitosan không độc hoặc độc tính rất thấp trên xúc vật thực nghiệm
và nó có thể được sử dụng an toàn trên cơ thể người.

12

2.1.4. Một số ứng dụng của chitin/chitosan và các dẫn xuất
Với các đặc tính ưu việt vốn có, chitosan đã được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực: công nghiệp, nông nghiệp, y học, thực phẩm, môi trường…
2.1.4.1. Trong công nghiệp thực phẩm
* Ứng dụng làm màng bao bảo quản hoa quả
Trong thực tế người ta đã dùng màng chitosan để đựng và bảo quản các
loại rau quả như đào, dưa chuột, đậu, quả kiwi…[15,23]. Các thí nghiệm thực
tế cho thấy chitosan có khả năng ức chế hoạt động của một số loại vi khuẩn,
nấm mốc, một số dẫn xuất của chitosan diệt được một số loại nấm hại dâu tây,
cà rốt, đậu và có tác dụng tốt trong bảo quản các loại rau quả có vỏ cứng bên
ngoài. Có thể bảo quản các loại thực phẩm tươi sống, đông lạnh khi bao gói
chúng bằng các màng mỏng dễ phân hủy sinh học và thân thiện với môi
trường. Thông thường người ta hay dùng màng PE để bao gói các loại thực
phẩm khô. Nếu dùng PE để bao gói các thực phẩm tươi sống thì có nhiều bất
lợi do không khống chế được độ ẩm và độ thoáng không khí (oxy) cho thực
phẩm. Trong khi bảo quản, các thực phẩm tươi sống vẫn “thở”, nếu dùng bao
gói bằng PE thì mức cung cấp oxy bị hạn chế, nước sẽ bị ngưng đọng tạo môi
trường cho nấm mốc phát triển. Màng bao chitosan sẽ giải quyết được các vấn
đề trên. Màng chitosan cũng khá dai, khó xé rách, có độ bền tương đương với
một số chất dẻo vẫn được dùng làm bao gói.
Màng chitosan làm chậm lại quá trình bị thâm của rau quả. Rau quả sau
khi thu hoạch sẽ dần dần bị thâm, làm giảm chất lượng và giá trị. Rau quả bị
thâm là do quá trình lên men tạo ra các sản phẩm polyme hóa của oquinon.
Nhờ bao gói bằng màng chitosan mà ức chế được hoạt tính oxy hóa của các
polyphenol, giữ cho rau quả tươi lâu hơn [18].
* Cố định enzyme

Hiện nay trên thế giới đã thành công việc sử dụng chitosan làm chất
mang để cố định enzyme và tế bào. Việc cố định enzyme α-amylase, βamylase, glucoseisomerase và amyloglucosidase trên chitosan bằng
formaldehyde đã được nghiên cứu với Synowiecki và công sự [26]. Enzyme
cố định đã cho phép mở ra việc sử dụng rộng rãi enzyme trong công nghiệp, y
học và khoa học phân tích. enzyme cố định được sử dụng lâu dài, không cần


13

thay đổi xúc tác, tạo điều kiện thuận lợi và đạt hiệu quả cao. Chitosan thỏa
mãn yêu cầu đối với một chất mang có phân tử lượng lớn, bền vững không
tan và ổn định với các yếu tố hóa học [15].
* Chất làm trong - ứng dụng trong công nghiệp sản xuất nước quả
Trong sản xuất nước quả, việc làm trong là yêu cầu bắt buộc. Thực tế
hiện nay đang sử dụng các chất làm trong như: gelatin, bentonite, tanin,
chitosan,… Chitosan là tác nhân loại bỏ đục, giúp điều chỉnh acid trong nước
quả. Đối với dịch quả táo, nho, chanh, cam không cần qua xử lý pectin, dùng
chitosan có thể làm trong mà không hề gây ảnh hưởng xấu tới chỉ tiêu chất
lượng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng chitosan có ái lực lớn đối với các hợp chất
polyphenol (catechin, acid cinamic và dẫn xuất của chúng,…) – những chất
có thể làm biến màu nước quả bởi phản ứng oxi hóa [15].
* Thu hồi protein
Whey được coi là chất thải trong công nghiệp sản xuất phomat, chứa
lượng lớn lactose và protein ở dạng hòa tan. Nếu thải trực tiếp ra ngoài sẽ gây
ô nhiễm môi trường, còn xử lý nước thải thì tốn kém trong vận hành hệ thống
mà hiệu quả kinh tế không cao. Việc thu hồi protein trong whey được xem là
biện pháp làm tăng hiệu quả kinh tế sản xuất phomat, whey protein khi thu
hồi được bổ sung vào đồ uống, thịt băm và các loại thực phẩm khác. Có rất
nhiều phương pháp khác nhau nhằm thu hồi lượng protein này và chitosan
mang lại hiệu suất tách cao nhất. Tỷ lệ chitosan để kết bông các hạt lơ lửng là

2,15% (30mg/lit), độ đục thấp nhất ở pH = 6,0. Nghiên cứu về protein thu
được bằng phương pháp này cho thấy không hề có sự khác biệt về giá trị giữa
protein có chứa chitosan và protein thu được bằng các phương pháp khác.
Ngoài thu hồi protein từ whey, người ta sử dụng chitosan trong thu hồi
các axit amin trong nước của đồ hộp sản xuất thịt, cá [15].
* Sử dụng trong thực phẩm chức năng, chất phụ gia thực phẩm
Không giống như các chất xơ có nguồn gốc thực vật, nhóm amin của
chitosan có thể kết hợp với một ion H+ trong dung dịch acid của dạ dày tạo
thành nhóm amin mang điện tích dương [15]. Theo đó, những phần tử mang
điện tích âm như các chất béo, các acid béo, các acid mật có thể kết hợp với
chitosan qua nhóm amin này. Bằng các liên kết kị nước, chitosan cũng liên


14

kết với các chất béo trung tính như cholesterol và sterol. Các liên kết ion và
liên kết kị nước này sẽ tạo ra những hợp chất cao phân tử ít bị tiêu hóa trong
cơ thể. Các hợp chất này sẽ đi vào ruột . Tại đây, trong môi trường pH trung
tính, hỗn hợp nhũ tương chất béo – chitosan lập tức chuyển thành dạng gel
không hòa tan. Do đó, chất béo không bị tấn công bởi các enzyme tiêu hóa
trong ruột và tuyến tụy. Tác động này của chitosan được tăng cường bởi sự có
mặt của một số hợp chất khác, ví dụ như acid ascorbic. Nếu sử dụng thực
phẩm chức năng có bổ sung 4% chitosan thì lượng cholesterol trong máu
giảm đi đáng kể chi sau 2 tuần [2]. Ngoài ra chitosan còn là chất chống đông
tụ máu. Chính nhờ đặc điểm quan trọng này chitosan ứng dụng trong thực
phẩm chức năng…
Ngoài ra, chitosan được sử dụng thay thế cho các phụ gia độc hại trong
chế biến thực phẩm (thay thế nitrit, nitrat trong chế biến giò nhằm tạo cấu trúc
gel tốt, tăng khả năng kháng vi sinh vật, kéo dài thời gian sử dụng,…), chất
làm dày, chất ổn định,…[7].

2.1.4.2. Trong y học, dược phẩm
Những ứng dụng của chitosan và dẫn xuất của chúng ngày càng được
sản xuất và ứng dụng nhiều. Với các đặc tính ưu việt, chitosan đã được đưa
vào ứng dụng thực tế trong ngành y như là: chỉ khâu kỹ thuật tự hủy, da nhân
tạo, tác động kích thích miễn dịch, chống sự phát triển của khối u, đặc tính
làm giảm cholesterol máu, trị bỏng nhiệt,…[2].
Da nhân tạo có nguồn gốc từ chitin, nó giống như một tấm vải và được
bọc ốp lên vết thương chỉ một lần đến khi khỏi. Da nhân tạo bị phân hủy sinh
học từ từ cho đến lúc hình thành các biểu bì mới. Nó có tác dụng giảm đau,
giúp cho các vết sẹo bỏng phục hồi biểu bì nhanh chóng. Trường Đại học
Dược Hà Nội, Đại học Y Hà Nội, Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ
Quốc gia cũng đã chế tạo thành công loại da nhân tạo này và bước đầu có ứng
dụng hiệu quả.
Chitin/chitosan và các oligome của nó có đặc tính miễn dịch do nó kích
thích các tế bào giữ nhiệm vụ bảo vệ miễn dịch với các tế bào khối u và các
tác nhân gây bệnh. Những nghiên cứu gần đây hướng vào các oligome, Nacetylglucosamin và glucosamin, các chất này có một số tính chất của các


15

polymer tương ứng nhưng lại có ưu thế là tan tốt trong nước do đó dễ dàng
được hấp thụ. Glucosamin được dùng rộng rãi trong điều trị viêm khớp, thoái
hóa khớp [3].
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 rộng rãi và có
hiệu quả trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm. Thuốc kem Pokysan có tác dụng
kháng khuẩn, kháng nấm, đặc biệt là chủng nấm Candida albicans, không gây
dị ứng và tác dụng phụ, có khả năng cầm máu, chống sưng u, kích thích tái
tạo biểu bì mô và tế bào da để làm mau liền các vết thương, vết bỏng, chóng
lên da non và giảm bớt đau đớn cho người bệnh. Ứng dụng vật liệu

chitin/chitosan từ phụ phẩm của ngành chế biến thủy, hải sản (vỏ tôm, cua,
mai mực) của tập thể cán bộ Khoa học nữ phòng polyme dược phẩm (Viện
hóa học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam). Thuốc đã được thử
nghiệm lâm sàng trên 500 bệnh nhân bỏng nông và bỏng sâu tại viện bỏng
Quốc gia và các bệnh viện khác ở Việt Nam với hiệu quả tốt ngang thuốc
bỏng nhập ngoại của Mỹ và Ấn Độ nhưng giá rẻ hơn nhiều. Từ chitosan,
người ta đã bào chế ra nhiều loại thuốc điều trị các bệnh như: nhiễm xạ, chữa
bỏng, giảm đau, thuốc hạ cholesterol, chữa bệnh dạ dày, đông tụ máu và chữa
được cả bệnh ung thư. Đặc biệt tại Việt Nam, viện vacxin Nha Trang đã thu
gom hàng ngàn tấn vỏ tôm được thải ra từ các nhà máy chế biến đông lạnh tại
địa phương để nghiên cứu và sản xuất ra 2 sản phẩm chitosan chữa béo phì và
glusivac điều trị thoái hóa khớp.
2.1.4.3. Trong xử lý nước, nước thải
Từ trước tới nay, ở nước ta chất keo tụ được sử dụng để lắng trong
nước sinh hoạt là nhôm sunfat (thường gọi là phèn đơn) hoặc nhôm kali,
nhôm amoni sunfat (thường gọi chung là phèn kép) hoặc dung dịch phèn nước
(thông thường là dung dịch phèn nhôm sắt). Nhằm phòng chống một số bệnh
tật, bệnh dịch, người ta còn sử dụng một số hóa chất khác như clo (clo lỏng,
nước javen, bột tẩy) có tác dụng diệt khuẩn, vôi để hiệu chỉnh độ pH, natri
silicofluorua chống bệnh sâu răng, polyacrylat để hoàn thiện quá trình lắng
trong nước… hiện nay, đã có những ứng dụng áp dụng tiến bộ kỹ thuật vào
sản xuất các hóa chất có hiệu quả xử lý nước tốt hơn các loại phèn đơn, phèn


16

kép truyền thống đã sử dụng hàng trăm năm nay. Đó chính là những vật liệu
hấp thụ sinh học.
Vật liệu hấp thụ sinh học mới có khả năng xử lý kim loại từ nước thải.
Nước thải của hoạt động khai thác mỏ, mạ kim loại, nhà máy điện, chế tạo

thiết bị điện và đặc biệt là hoạt động của các tổ hợp nhiên liệu hạt nhân, các
cơ sở quốc phòng… có chứa các kim loại có độc tính cao như crôm, cadimi,
chì, thủy ngân, niken, đồng cần được xử lý trước khi thải. Kết tủa hóa học,
oxy hóa – khử, lọc cơ học, trao đổi ion, tách màng, hấp phụ trên vật liệu than
là những phương pháp được sử dụng rộng rãi để tách các kim loại nặng khỏi
dòng thải.
Hấp phụ sinh học là phương pháp sử dụng các vật liệu sinh học để tách
kim loại hay các hợp chất và các hạt khỏi dung dịch. Trong những năm gần
đây, phương pháp này được đánh giá là một trong những phương pháp hiệu
quả về cả kinh tế và kỹ thuật để loại bỏ các kim loại gây nhiễm bẩn nguồn
nước mặt và nhiều loại nước thải công nghiệp. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra
12 loại chất hấp phụ có khả năng tách kim loại khỏi các dòng thải với chi phí
thấp. Trong số 12 loại này, chitosan có dung lượng hấp phụ cao nhất đối với
kim loại.
Chitosan có khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng. Do đặc tính của
nhóm amino tự do trong cấu trúc chitosan được tạo thành khi deacetyl hóa
chitin, các phức chelat của nó làm cho khả năng hấp phụ kim loại tăng gấp 5
đến 6 lần so với chitin. Khi ghép một số nhóm chức vào khung cấu trúc của
chitosan sẽ làm tăng khả năng hấp phụ kim loại của chitosan lên nhiều lần. Để
tạo điều kiện tốt cho quá trình chuyển khối, đồng thời tăng dung lượng hấp
phụ kim loại của chitosan, biến tính chitosan hấp phụ kim loại nặng trên mạng
lưới liên kết mạch thẳng và chéo nhau. Kết quả là đã tạo ra được nhiều loại
chitosan biến tính có dung lượng hấp phụ kim loại cao [12].
Các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu một số chất hấp phụ sinh học và
khả năng giữ các nguyên tố phóng xạ như urani, thori. Họ đã nhận thấy khả
năng ứng dụng rộng lớn của các loại chất hấp phụ sinh học trên cơ sở chitosan
biến tính, vì vậy chúng đã được tập chung nghiên cứu, phát triển và thương
mại hóa. Các chất hấp phụ sinh học ở dạng tự nhiên thường mềm, trong dung

17

dịch nước có xu hướng kết tụ hoặc tạo gel. Hơn nữa, ở dạng tự nhiên mạng
lưới của chúng thực tế không có khả năng hấp phụ. Sự di chuyển của kim loại
nhiễm bẩn vào mạng lưới giam giữ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình
chế tạo vật liệu hấp phụ sinh học. Cần thiết phải cung cấp sự hỗ trợ vật lý và
tăng cường sự thâm nhập của mạng giam giữ kim loại của chất hấp phụ sinh
học trên các loại giá thể khi chuẩn bị vật liệu hấp phụ sinh học. Nhiều vật liệu
hấp phụ sinh học với các loại màng chitosan biến tính trên các cá thể khác
nhau đã được nghiên cứu cho mục đích này [12].
2.1.4.4. Trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp khác
Do có cấu trúc tương tự cellulose nên chitosan được nghiên cứu bổ
sung vào làm nguyên liệu sản xuất giấy. Chitosan làm tăng độ bền dai của
giấy, đồng thời việc in trên giấy cũng tốt hơn. Trong sản xuất giấy, qua
nghiên cứu người ta thấy nếu bổ sung 1% chitosan thì độ bền giấy tăng lên
khi bị ướt hay tăng độ nét khi in [3].
Có thể thay thế hồ tinh bột bằng chitosan để hồ vải, nó có tác dụng làm
tơ sợi bền, mịn, bóng đẹp, cố định hình in, chịu được axit và kiềm nhẹ.
Chitosan kết hợp với một số thành phần khác để sản xuất vải chịu nhiệt,
vải chống thấm, vải dùng cho may quần áo diệt khuẩn trong y tế,…
Trong nông nghiệp, chitosan được sử dụng làm chất bảo quản quả, hạt
giống mang lại hiệu quả cao. Dùng như một thành phần chính trong thuốc trừ
bệnh nấm, là chất kích thích sinh trưởng cho cây trồng,…[23].
2.1.5. Giới thiệu về phế liệu tôm và các phương pháp thu nhận chitin
2.1.5.1. Giới thiệu về phế liệu tôm
Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tôm là rất dồi dào, được thu từ 2 nguồn
chính là đánh bắt tự nhiên và nuôi trồng. Đặc biệt, nuôi tôm đã phát triển
mạnh trong những năm gần đây và trở thành ngành kinh tế mũi nhọn. Diện
tích nuôi tôm đã tăng từ 250.000 ha năm 2000 lên đến 478.000 ha năm 2001
và 540.000 ha năm 2003. Năm 2002, giá trị xuất khẩu thuỷ sản đạt hơn 2 tỷ

USD, trong đó xuất khẩu tôm đông lạnh chiếm 47%, đứng thứ 2 sau xuất
khẩu dầu khí. Năm 2004, xuất khẩu thuỷ sản đạt giá trị 2,4 tỷ USD, chiếm
8,9% tổng giá trị xuất khẩu cả nước trong đó tôm đông lạnh chiếm 53% tổng
giá trị xuất khẩu thuỷ sản. Năm 2006 kim ngạch xuất khẩu thủy sản đã qua