Nghiên cứu sản xuất chitosan hòa tan trong nước và ứng dụng để kích thích sự nảy mầm của lúa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
------------------------

BÙI THỊ KIM THU

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHITOSAN HÒA TAN TRONG
NƯỚC VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ KÍCH THÍCH
SỰ NẢY MẦM CỦA LÚA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÒA - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
------------------------

BÙI THỊ KIM THU

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CHITOSAN HÒA TAN TRONG
NƯỚC VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ KÍCH THÍCH
SỰ NẢY MẦM CỦA LÚA
LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngành:

Công nghệ Sinh học

Mã số:

60420201

Quyết định giao đề tài:

529/QÐ-ÐHNT ngày 17/6/2014

Quyết định thành lập HÐ:
Ngày bảo vệ:
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS TRANG SĨ TRUNG
Chủ tịch Hội đồng:
Khoa sau đại học:

KHÁNH HÒA - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Nghiên cứu sản xuất chitosan hòa
tan trong nước và ứng dụng để kích thích sự nảy mầm của lúa” là công trình nghiên
cứu của cá nhân tôi và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào
khác cho đến thời điểm này.
Khánh Hòa, Ngày tháng
Tác giả luận văn

i

năm

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này:
Trước hết tôi xin gửi đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban Chủ
nhiệm Viện Công nghệ Sinh học và Môi trường niềm kính trọng, sự tự hào được học
tập tại trường trong những năm qua.
Sự biết ơn sâu sắc nhất tôi xin được dành cho PGS.Ts Trang Sĩ Trung – hiệu
trưởng trường Đại học Nha Trang đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và truyền đạt kiến thức,
kinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Đặc biệt xin được ghi nhớ và chân thành cảm ơn đến NCS Nguyễn Công Minh
đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt kinh nghiệm và động viên tôi trong suốt
quá trình.
Xin được cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Sinh
học – Viện Công nghệ Sinh học và Môi trường và Bộ môn Công nghệ Thực Phẩm –
Khoa Công nghệ Thực Phẩm – trường Đại học Nha Trang đã giúp đỡ nhiệt tình và tạo
điều kiện thuận lợi về hóa chất, dụng cụ, thiết bị… cho tôi trong suốt quá trình.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân và các bạn bè đã tạo điều kiện,
động viên khích lệ để tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập vừa qua cũng
như thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn!
Khánh Hòa, Ngày tháng
Tác giả luận văn

năm


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...................................................................... vii
TRÍCH YÊU LUẬN VĂN .............................................................................................. x

MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ............................................................................................3
1.1.

Tổng quan về chitosan và chitosan hòa tan trong nước....................................3

1.1.1.Cấu trúc và tính chất của chitosan ...................................................................3
1.1.1.1. Cấu trúc của chitosan .............................................................................3
1.1.1.2. Tính chất của chitosan ...........................................................................3
1.1.1.3. Ứng dụng của chitosan ..........................................................................6
1.1.2.Chitosan hòa tan trong nước ............................................................................8
1.1.2.1. Muối chitosan ........................................................................................8
1.1.2.2. Chitosan phân tử lượng thấp ................................................................ 10
1.2.

Tổng quan về lúa (thóc) và một số chất kích thích sinh trưởng cho cây lúa ..13

1.2.1. Lúa gạo .........................................................................................................13
1.2.1.1. Hạt lúa ..................................................................................................13
1.2.1.2. Sự nảy mầm của hạt lúa .......................................................................14
1.2.2. Một số chất kích thích sinh trưởng cho cây lúa ............................................17
1.3.

Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về chitosan hòa tan trong nước và

khả năng kích thích nảy sinh trưởng của cây trồng ...................................................21
1.3.1.Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................ 21
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................25
CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................28
2.1. Vật liệu nghiên cứu ............................................................................................. 28

2.1.1. Chitosan ........................................................................................................28
2.1.2. Lúa giống ......................................................................................................28
2.1.3. Hoá chất ........................................................................................................28
2.2. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................29
2.2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát .................................................................29

iii


2.2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm quy trình sản xuất muối chitosan bằng phương pháp
rắn ........................................................................................................................... 30
2.2.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của loại acid đến khả năng tạo muối chitosan ..30
2.2.2.2. Ảnh hưởng của kích thước chitosan đến khả năng tạo muối chitosan ...45
2.2.2.3. Xác định ảnh hưởng của tỉ lệ chitosan/acid lactic đến khả năng tạo muối
chitosan ................................................................................................................46
2.2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm quy trình sản xuất muối chitosan bằng phương pháp
sấy phun ..................................................................................................................34
2.2.3.1. Ảnh hưởng của loại acid đến khả năng tạo muối chitosan .....................34
2.2.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến khả năng tạo muối chitosan .......36
2.2.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy – nhiệt độ tách ẩm đến khả năng tạo muối
chitosan ................................................................................................................37
2.3. Các phương pháp phân tích .................................................................................40
2.3.1. Phương pháp phân tích hóa học ....................................................................40
2.3.2.Phương pháp xác định các chỉ tiêu vật lí của lúa giống ................................ 41
2.4.

Phương pháp xử lí số liệu ...............................................................................41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .......................................42
3.1. Nghiên cứu quy trình sản xuất muối chitosan hòa tan trong nước .....................42

3. 1. 1. Nghiên cứu quy trình sản xuất muối chitosan bằng phương pháp rắn .......42
3.1. 1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của loại acid ảnh hưởng đến khả năng tạo muối
............................................................................................................................. 42
3.1.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước chitosan nguyên liệu thích hợp
............................................................................................................................. 44
3.1.1.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ chitosan/acid lactic đến khả năng tạo
muối chitosan ......................................................................................................47
3.1.2. Nghiên cứu quy trình sản xuất muối chitosan hòa tan trong nước bằng
phương pháp sấy phun ............................................................................................ 49
3.1.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của loại acid đến khả năng tạo muối chitosan
hòa tan trong nước ............................................................................................... 49
3.1.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chitosan ban đầu đến khả năng tạo
muối chitosan hòa tan trong nước .......................................................................51


3.1.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ sấy – nhiệt độ gió ra của quá trình
sấy đến khả năng tạo muối chitosan hòa tan trong nước.....................................52
3.2. Nghiên cứu chế độ bảo quản muối chitosan .......................................................55
3.3. Nghiên cứu khả năng kích thích nảy mầm lúa của muối chitosan .....................63
3.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của muối chitosan sản xuất bằng phương pháp rắn
đến khả năng kích thích nảy mầm lúa ....................................................................63
3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của muối chitosan lactate sấy phun đến khả năng
kích thích nảy mầm lúa ........................................................................................... 76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................73
KẾT LUẬN ................................................................................................................73
KIỀN NGHỊ ...............................................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 74
PHỤ LỤC

v

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ABA:

Abxixic

CK-L:

Đóng gói chân không (95%) và bảo quản ở nhiệt độ lạnh (8-100C)

CK-RT:

Đóng gói chân không (95%) và bảo quản ở nhiệt độ phòng

COS:

Oligochitosan

CTS:

Chitosan

GA:

Gibberellin

GAPDH:

Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase

HTPC:

N-[(2-hydroxy-3-trimethylammonium)propyl] chitosan chloride

LOC_Os03g03720: 1,3-bisphosphoglycerate
LOC_Os04g38600: Glyceraldehyde-3 phosphate
LOC_Os05g41640: 3-phosphoglycerate
LOC_Os10g08550 : Enolase
LOC_Os10g11140: Phosphoglucomutase
N,O-CMC:

N,O-carboxy methyl chitosan

O-CMC:

O-carboxymethyl chitosan

O-CM-HTPC:

Dẫn xuất carboxymethyl HTPC

PGK:

Phosphoglycerate kinase

T-L:

Đóng gói thường và bảo quản ở nhiệt độ lạnh (8-10 0C)

T-RT:

Đóng gói thường và bảo quản ở nhiệt độ phòng


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình1.1. Cấu trúc hóa học của chitosan .......................................................................3
Hình 1.2. Cấu trúc của chitosan và các đồng phân của chitosan ..................................5
Hình 1.3. Sơ đồ các dẫn xuất đi từ chitin, chitosan ......................................................6
Hình 1.4. Công thức cấu tạo của muối chitosan..........................................................10
Hình 1.5. Đồ thị biểu diễn mức độ hấp thụ chất béo của chitosan ............................. 13
Hình 1.6. Cấu tạo của hạt lúa ......................................................................................14
Hình 1.7. Quá trình nảy mầm và phát triển của cây lúa ..............................................15
Hình 1.8. Quá trình biến đổi dẫn đến nảy mầm của hạt lúa .......................................16
Hình 1.9. Cơ chế kéo dài tế bào của các chất kích thích .............................................19
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình bố trí thí nghiệm tổng quát ................................................29
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của loại acid đến khả năng tạo
muối chitosan ..................................................................................................31
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí nghiệm xác định kích thước của chitosan ban đầu ..................32
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí nghiệm xác định tỉ lệ acid tạo muối chitosan ..........................36
Hình 2.5. Sơ đồ bố trí nghiệm xác định loại acid tạo muối chitosan ..........................35
Hình 2.6. Sơ đồ bố trí nghiệm xác định nồng độ của chitosan trước khi sấy .............36
Hình 2.7. Sơ đồ bố trí nghiệm xác định nhiệt độ sấy muối chitosan..........................37
Hình 2.8. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định điều kiện bảo quản muối chitosan……..38
Hình 2.9. Sơ đồ bố trí nghiệm xác định nồng độ muối chitosan thích hợp ................39
Hình 3.1. Ảnh hưởng của loại acid đến độ tanvà độ nhớt biểu kiến của muối chitosan
sản xuất bằng phương pháp rắn ......................................................................42
Hình 3.2. Muối chitosan được sản xuất bằng phương pháp rắn .................................43
Hình 3.3. Ảnh hưởng của kích thước chitosan ban đầu đến độ tanvà độ nhớt biểu kiến

của muối chitosan ........................................................................................... 45
Hình 3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ chitosan/ acid bổ sung vào đến độ tanvà độ nhớt biểu
kiến của muối chitosan ...................................................................................47
Hình 3.5. Ảnh hưởng của loại acid đến độ tanvà độ nhớt biểu kiến của muối chitosan
........................................................................................................................50
Hình 3.6. Muối chitosan được sản xuất bằng phương pháp sấy phun ........................51
Hình 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan ban đầu đến độ tan, hiệu suất thu hồi và
độ nhớt biểu kiến của muối chitosan .............................................................. 51

vii


Hình 3.8. Ảnh hưởng của loại acid đến độ tan, hiệu suất thu hồi và độ nhớt biểu kiến
của muối chitosan ........................................................................................... 54
Hình 3.9. Phổ FTIR của chitosan ................................................................................56
Hình 3.10. Phổ FTIR của muối chitosan sản xuất bằng phương pháp rắn..................56
Hình 3.11. Phổ FTIR của muối chitosan sản xuất bằng phương pháp sây phun ........57
Hình 3.12. Kết quả phân tích Xray của chitosan và muối chitosan lactate .................57
Hình 3.13. Ảnh hưởng chế độ và thời gian bảo quản đến độ ẩm của muối chitosan
sản xuất theo phương pháp rắn (A) và phương pháp sấy phun (B) ................58
Hình 3.14. Ảnh hưởng chế độ và thời gian bảo quản đến độ tan của muối chitosan
sản xuất theo phương pháp rắn (A) và phương pháp sấy phun (B) ................59
Hình 3.15. Ảnh hưởng chế độ và thời gian bảo quản đến độ nhớt của muối chitosan
sản xuất theo phương pháp rắn (A) và phương pháp sấy phun (B) ................60
Hình 3.16. Mẫu muối chitosan sản xuất theo phương pháp rắn ở các chế độ và thời
gian bảo quản khác nhau.................................................................................61
Hình 3.17. Mẫu muối chitosan sản xuất theo phương pháp sấy phun ở các chế độ và
thời gian bảo quản khác nhau. ........................................................................62
Hình 3.18. Ảnh hưởng của nồng độ muối chitosan sản xuất theo phương pháp rắn đến
khả năng nảy mầm và tỷ lệ nảy mầm của cây mạ. .........................................63

Hình3.19. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan lactate sản xuất theo phương pháp
rắnđến chiều dài thân và chiều dài rễ của cây mạ. .........................................65
Hình 3.20. Ảnh hưởng của nồng độ muối chitosan sản xuất theo phương pháp rắn đến
hàm lượng ẩm của cây mạ. .............................................................................66
Hình 3.21. Ảnh hưởng của nồng độ muối chitosan sản xuất theo phương pháp rắn đến
hàm lượng chlorophyll a, chlorophyll b và carotene của cây mạ ...................67
Hình 3.22. Các mẫu lúa được kích thích bằng muối chitosan lactate sản xuất theo
phương pháp rắn ............................................................................................. 68
Hình 3.23. Ảnh hưởng của nồng độ muối chitosan sản xuất theo phương pháp sấy
phun đến khả năng nảy mầm và tỷ lệ nảy mầm của cây mạ...........................69
Hình 3.24. Ảnh hưởng của nồng độ muối chitosan sản xuất theo phương pháp sấy
phunđến chiều dài thân và chiều dài rễ của cây mạ........................................70
Hình3.25. Ảnh hưởng của nồng độ muối chitosan sản xuất theo phương pháp sấy
phun đến hàm lượng ẩm của cây mạ. ............................................................. 71
Hình 3.26. Ảnh hưởng của nồng độ muối chitosan sản xuất theo phương pháp sấy
phun đến hàm lượng chlorophyll a, chlorophyll b và carotene của cây mạ ...71
Hình 3.27. Các mẫu lúa được kích thích bằng muối chitosan lactate .........................72


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tính chất của một số loại chitosan thương mại ................................................4
Bảng 1.2. Ảnh hưởng của hệ dung môi sử dụng đến ứng suất kéo, độ giãn dài giới hạn,
độ trương nở của màng chitosan với độ deacetyl khác nhau ..........................5
Bàng 1.3. Các thông số hóa lý của vi hạt chitosan ............................................................9
Bảng 1.4. Chế độ cắt mạch và độ nhớt của các sản phẩm chitosan ............................... 11
Bảng 3.1. pH của muối chitosan sản xuất bằng phương pháp rắn..................................44
Bảng 3.2. Trạng thái của muối chitosan lactate với kích thước chitosan ban đầu khác
nhau sản xuất bằng phương pháp rắn ............................................................. 46
Bảng 3.3. Trạng thái của muối chitosan lactate với tỷ lệ chitosan/acid khác nhau sản
xuất bằng phương pháp rắn ............................................................................48

Bảng 3.4. Độ ẩm của các mẫu muối chitosan được sấy ở các thông số nhiệt độ khác
nhau ................................................................................................................53
Bảng 3.5. Phân tích phổ hồng ngoại của chitosan và mối chitosan lactate sản xuất bằng
phương pháp rắn và sấy phun.........................................................................55

ix


TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
Chitosan (CTS) là một polymer sinh học có nhiều ứng dụng trong công nghiệp,
nông nghiệp, thực phẩm, mỹ phẩm, y tế… Chitosan tan tốt trong môi trường acid và
không tan nước và môi trường kiềm do vậy đã làm hạn chế khả năng ứng dụng của
chitosan khi áp dụng quy mô lớn. Chitosan hòa tan trong nước có tính tiện dụng hơn
rất nhiều, chitosan hòa tan trong nước tồn tại hai dạng là muối chitosan và chitosan
phân tử lượng thấp (COS). COS đã được nhiều nhà nghiên cứu trong nước và ngoài
nước quan tâm, tuy nhiên ở Việt Nam thì chưa nhiều công bố nghiên cứu về muối
chitosan do đó nghiên cứu sản xuất muối chitosan là cần thiết.
Mục tiêu của để tài là tìm điều kiện sản xuất muối chitosan hòa tan trong nước
có độ tan tốt nhất và ứng dụng sản phẩm muối để bước đầu nghiên cứu khả năng kích
thích nảy mầm lúa của muối chitosan đồng thời đề tài nghiên cứu sự biến đổi của muối
chitosan theo thời gian. Để đáp ứng mục tiêu trên, đề tài tiến hành thử nghiệm khả
năng sản xuất muối chitosan bằng phương pháp rắn và phương pháp sấy phun, muối
chitosan sau khi sản xuất được tiến hành bảo quản ở các chế độ khác nhau trong thời
gian 3 tháng nhằm tìm điều kiện bảo quản tốt nhất đồng thời muối chitosan được thử
nghiệm khả năng kích thích nảy mầm lúa.
Kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy, muối chitosan có thể được sản xuất
bằng phương pháp rắn và phương pháp sấy phun. Muối chitosan có độ tan tốt, màu
sắc đẹp, dạng bột và có khả năng bảo quản trong thời gian 3 tháng ở điều kiện lạnh-hút
chân không. Các kết quả thử nghiệm khả năng kích thích nảy mầm lúa của muối
chitosan cho thấy mầm lúa sau khi được kích thích bằng muối chitosan có khả năng

nảy mầm tốt, tỷ lệ nảy mầm cao, độ dài rễ, thân cao hơn so với mẫu không kích thích.
Từ khóa: chitosan hòa tan trong nước, muối chitosan, sấy phun, phương pháp rắn, lúa.


MỞ ĐẦU
Chitosan là một polysacarit mạch thẳng được cấu tạo bởi các hợp phần
glucosanmin và N-acetylglucosamin thông qua liên kết β-glucozit-1,4. Chúng được
tách chiết từ vỏ động vật giáp xác, là một trong những polymer sinh học phổ biến trên
thế giới chỉ sau xenluloz. Chitosan có nhiều tính chất sinh học quý báu như kháng
khuẩn, kháng nấm, khả năng tự phân hủy sinh học, không gây độc, kích thích sinh
trưởng thực vật… Vì vậy chitosan được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác
nhau như thực phẩm, mỹ phẩm, nông nghiệp, y học, dược học…
Ngày nay, muối chitosan là một trong những dẫn xuất được sử dụng thường
xuyên để sản xuất thuốc. Một số muối chitosan như glutamate, aspartate,
hydrochloride và acetate đã được sử dụng để sản xuất các loại thuốc trị đại tràng và
tăng cường việc cung cấp các peptide để chữa bệnh qua biểu mô ruột (Orienti và cộng
sự,2002).

Một số tác giả cho thấy acid ascorbic hỗ trợ chitosan trong quá trình bao

bọc chất béo thông qua quá trình nhũ hóa trung gian của acid ascorbic (Tsujikawa và
cộng sự, 2003). Theo Senel và cộng sự (2000) đã chứng minh cho thấy chitosan hòa
tan trong dung dịch acid loãng có thể làm tăng khả năng hấp thụ peptid trên niêm mạc
miệng lợn. Ngoài ra, một bằng chứng khác là với nồng độ 40ppm oligoglicosamin làm
tăng cường lượng diệp lục trong lá và lượng nốt sần chứa nito, năng suất cây lạc tăng
từ 19,34% đến 40,65% (Lehduwi và cộng sự, 1997; Chandkrachang, 2002)
Các đặc tính của chitosan phụ thuộc nhiều vào dung môi hòa tan. Thông thường
chitosan hòa tan tốt trong môi trường acid yếu như acid acetic, acid lactic, acid focmic...
Hạn chế lớn nhất của chitosan là không tan trong nước và dung môi hữu cơ. Đã có nhiều
công trình công bố đưa ra các giải pháp khác nhau như bẻ ngắn mạch chitosan, thực hiện

các phản ứng chuyển hóa… nhằm chuyển chitosan sang dạng dễ tan trong nước. Tuy
nhiên tùy theo mục đích của sản phẩm sử dụng mà sử dụng các quy trình công nghệ thích
hợp.
Lúa đã được trồng lâu đời ở Việt Nam nhưng làm sao để nâng cao năng suất,
rút ngắn thời gian nuôi trồng mà không gây ô nhiễm môi trường bằng các hóa chất hóa
học thì vẫn còn là câu hỏi khó

1


Xuất phát từ những lý do trên tôi quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu sản
xuất chitosan hòa tan trong nước và ứng dụng để kích thích sự nảy mầm của lúa”
do PGS.TS Trang Sĩ Trung hướng dẫn.


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan về chitosan và chitosan hòa tan trong nước

1.1.1. Cấu trúc và tính chất của chitosan
1.1.1.1.

Cấu trúc của chitosan

Chitosan là một dẫn xuất của chitin được hình thành khi tách nhóm acetyl (quá
trình deacetyl hoá chitin) khỏi chitin nên chitosan chứa rất nhiều nhóm amino.
Chitosan được phát hiện lần đầu tiên bởi Rouget vào năm 1859.
Chitosan là một polysacarit mạch thẳng được cấu tạo bởi các hợp phần

glucosanmin và N-acetylglucosamin thông qua liên kết β-glucozit-1,4. Chúng được
tách chiết từ vỏ động vật giáp xác, là một trong những polymer sinh học phổ biến trên
thế giới chỉ sau xenluloz.

Hình1.1. Cấu trúc hóa học của chitosan (Trang Sĩ Trung, 2010)
Tên hóa học của chitosan là: Poly-β-(1,4)-D-glucosamin, hay còn gọi là polyβ -(1,4)-2-amino-2-deoxy-D-glucose.
Công thức phân tử: (C6H11O4N)n.
Phân tử lượng: Mchitosan= (161,07)n
1.1.1.2.

Tính chất của chitosan

-

Chitosan là một chất rắn, xốp, nhẹ, ở dạng vảy có màu đục

-

Chitosan có tính kiềm nhẹ, không hoà tan trong nước, trong dung dịch kiềm.

Nhưng hoà tan trong dung dịch acid loãng, tạo thành dung dịch keo dương. Nhờ đó,
keo chitosan không bị kết tủa khi có mặt của một số ion kim loại nặng như: Pb3+,
Hg+,…

3


Chitosan là một polymer mang điện tích dương nên được xem là một

-

polycationic (pH < 6,5), có khả năng bám dính trên bề mặt có điện tích âm như
protein, alginate, acid béo và phospholipid nhờ sự có mặt của nhóm amino (- NH2)
Dung dịch chitosan có tính kháng nấm, kháng khuẩn cao (Trang Sĩ Trung,

-

2010) cơ chế chính xác của hoạt động kháng khuẩn của chitosan còn chưa biết rõ,
nhưng đã có một số cơ chế được đề xuất. Do sự tương tác giữa các phân tử chitosan
mang điện tích dương và màng tế bào mang điện tích âm dẫn đến biến tính màng tế
bào và rò rỉ các thành phần trong tế bào. Chitosan thâm nhập vào nhân tế bào liên kết
với DNA ức chế tổng hợp mRNA và protein.
Chitosan có tính chất cơ học tốt, không độc, dễ tạo màng, có thể tự phân huỷ

-

sinh học, có tính hoà hợp sinh học cao với cơ thể (Nguyễn Trọng Bách, 2004; Trang Sĩ
Trung, 2010)
Những đặc tính quý giá trên đã nâng cao khả năng ứng dụng của chitosan trong
sinh học, y học, công nghệ thực phẩm...
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại chitosan với tính chất và chất lượng
rất khác nhau, thể hiện rất rõ ở hàm lượng protein, tro, độ deacetyl và độ nhớt (Bảng
1.1). Do đó, các tính chất công nghệ cũng rất khác nhau (Bảng 1.2)
Bảng 1.1. Tính chất của một số loại chitosan thương mại (Trang Sĩ Trung,
2010)
Sản
phẩm

Hàm lượng
nitơ (%)

Hàm lượng khoáng Ðộ deacetyl
(%)
(%)

Mật độ khối
(g/ml)

Ðộ nhớt
(cps)

1

7,13 ± 0,00

0,3 ± 0,1

90,6 ± 0,0

0,26 ± 0,02

120 ± 3

2

7,16 ± 0,03

0,2 ± 0,1

89,9 ± 1,1

0,38 ± 0,01

444 ± 6

3

7,14 ± 0,08

1,0 ± 0,2

83,0 ± 0,0

0,28 ± 0,00

1928 ± 11

4

6,91 ± 0,28

0,2 ± 0,1

72,5 ± 0,0

0,38 ± 0,01

72 ± 3

5

7,00 ± 0,05

1,7 ± 0,3

86,9 ± 1,1

0,20 ± 0,01

768 ± 8


Bảng 1.2. Ảnh hưởng của hệ dung môi sử dụng đến ứng suất kéo, độ giãn
dài giới hạn, độ trương nở của màng chitosan với độ deacetyl khác nhau (Trang Sĩ
Trung, 2009)
Ứng suất kéo
(N/mm3)

Ðộ giãn dài giới hạn
(%)

Ðộ trương nở
(%)

Dung môi

Chitosan
độ
deacetyl
thấp

Chitosan
độ
deacetyl
cao

Chitosan
độ
deacetyl
thấp

Chitosan
độ
deacetyl
cao

Chitosan
độ
deacetyl
thấp

Chitosan
độ deacetyl
cao

Acid formic

18,64

35,35

0,95

1,95

403,90

69,81

Acid acetic

27,91

40,53

0,84

1,70

359,00

65,69

Acid
glycolic

18,78

35,71

0,88

2,50

450,39

97,35

Acid citric

24,80

36,55

1,85

3,50

437,24

7,54

Những biến đổi hóa học được dùng để cải thiện khả năng hòa tan của chitosan ở
pH trung tính và kiềm. Chitosan có ba nhóm hoạt tính: nhóm chính hydroxyl tại C-6,
một nhóm hydroxyl ở C-3 trên mỗi đơn vị lặp đi lặp lại và một nhóm amin ở C-2 trên
mỗi đơn vị đã được deacetyl. Hình 1.2 là bốn loại dẫn xuất chitosan hòa tan trong
nước.

Hình 1.2. Cấu trúc của chitosan và các đồng phân của chitosan: (R,R’=H); 0CMC (R=CH2COOH,R’=H); N,O-CMC (R, R’ =CH2COOH); HTPC (R=H,
R’=CH2CH(OH)CH2N+(CH3)3Cl-); O-CM-HTPC (R=CH2COOH,

R’=CH2CH(OH)CH2N+(CH3)3Cl-) (Tungtong và cộng sự, 2012)
5


Hình 1.3. Sơ đồ các dẫn xuất đi từ chitin, chitosan (Nutraceutical, 2009)
Một số dẫn xuất nữa của chitosan được thể hiện ở hình 1.3. Ta thấy có thể tạo
nhiều dẫn xuất chitosan bằng các phản ứng hóa học khác nhau. Tạo ra các đồng phân
có tính chất khác nhau và có tính hòa tan cao hơn đáng kể so với chitosan gốc. Ví dụ:
Chitosan----sulfation anticoagulant; Chitosan----O-acylation emulsifier; Chitosan
-----O-IN-carboxy alkylation moisture retainer (sản phẩm chăm sóc da)

(B.

Nutraceutical, 2009).
Quá trình phân hủy hoặc thủy phân chitin/chitosan tạo ra được chitosan có khối
lượng phân tử thấp gọi là chitooligosacarit cũng có khả năng hòa tan trong nước ở dải
pH rộng (pH = 5÷8).
1.1.1.3.

Ứng dụng của chitosan

Khả năng ứng dụng của chitosan theo nhiều hướng khác nhau, chẳng hạn như
trong thực phẩm và dinh dưỡng, công nghệ sinh học, khoa học vật liệu, thuốc và dược
phẩm, nông nghiệp và bảo vệ môi trường, gần đây được sử dụng rất tốt trong liệu pháp
gen. Mạng lưới ion điện tích dương cũng như sự hiện diện của nhiều nhóm chức năng


làm cho phân tử chitosan là phân tử sinh học được chào đón. Ý nghĩa đối với y sinh
học và điều trị của các dẫn xuất chitin/chitosan là một chủ đề quan tâm đáng kể của
nhiều người trên khắp thế giới. Tính kháng khẩn, tính chống oxy hóa, tính tạo kết cấu,

tạo màng làm cho chitosan là một phụ gia phổ biến được ứng dụng trong phát triển sản
phẩm thực phẩm và bảo quản khác nhau. Chitosan là một polycation nên được dùng
trong lọc nước, nước trái cây, sữa, cố định enzyme… Đối với khả năng tạo màng
chitosan được sử dụng như một thành phần các hợp chất dinh dưỡng và thành phầm
trong dược phẩm bao gồm cả chất chống ung thư (Nutraceutical, 2009). Các ứng dụng
của chitosan phụ thuộc vào mức độ polymer hóa và mức độ deacetyl xảy ra.
Hoạt động kháng khuẩn của chitosan đối với một số vi sinh vật bao gồm cả
Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus, B.licheniformis, B. subtilis, Clostridium
perfringens,

Brochothrix

spp.,

Lactobacillus

spp.,

Listeria

monocytogenes,

Pseudomonas spp., Salmonella typhimurium, S. enteritidis, Serratia liquifaciens, và
bao gồm cả nấm men (Candida spp và Saccharomyces spp.) và nấm mốc (Aspergillus
spp, Penicillium spp, Rhizopus spp.) trong một loạt các loại thực phẩm đã được tổng
hợp. Tính nhạy cảm của vi sinh vật phụ thuộc vào loại và nồng độ chitosan
(Nutraceutical, 2009)
Các hoạt động chống oxy hóa có thể là do chitosan có khả năng nắm giữ các
kim loại và liên kết với lipid.
Màng được làm từ chitosan có độ thấm khí oxy thấp do đó có thể làm các màng

cản khí tốt. Những màng này sử dụng trên các loại thực phẩm bao gồm các loại trái
cây, rau quả, kéo dài thời gian bảo quản của chúng bằng cách chống khí và độ ẩm và
còn có khả năng kháng khuẩn của màng chitosan. Với khả năng chống oxy hóa, kháng
khuẩn và đặc tính thấm của màng, chitosan có thể được sử dụng để tạo lớp màng phủ
cho các sản phẩm thực phẩm.
Nhiều nhà nghiên cứu xác định, chitosan và oligomer có hiệu quả trong việc
làm giảm thấp mức độ lipoprotein (LDL) cholesterol trong gan và máu. Chitosan giúp
giảm sự hấp thụ chất béo bằng cách giữ chất béo trung tính như cholesterol và sterol
khác, bằng tương tác kỵ nước. Vì hoạt động ức chế này hấp thụ chất béo, gom những
phân tử đóng vai trò như chất béo trong đường tiêu hóa, và loại bỏ chất béo,
cholesterol thông qua bài tiết. Bên cạnh chitosan, oligomer chitosan có khối lượng
7


phân tử trung bình 10.000 Da có thể tăng cường đáng kể quá trình bài tiết steroid trung
tính từ phân. Nó cũng có thể tăng cường hoạt động lysozyme trong máu và các mô.
Các polysaccharide cũng thuận lợi cho quá trình chuyển hóa đường lactose.
Oligosaccharide chitosan hoạt động như một chất kích thích tăng trưởng có chọn lọc
của lactobacilli và bifidobacteria (Nutraceutical, 2009).
Các ứng dụng trong y tế của chitosan bao gồm đa dạng nhiều lĩnh vực bao gồm
việc sử dụng như màng lọc máu, da nhân tạo, vật liệu mang thuốc và cũng là một chất
cầm máu.
Trong công nghệ sinh học, chitosan sử dụng như một mạng lưới để cố định các
enzyme và các tế bào vi khuẩn.
Chitosan là một bazo yếu với pKa = 6,2 - 7 (Kerch và cộng sự, 2010) nên
không tan ở pH trung tính và kiềm. Chitosan tan ở trong nước ở pH thấp hơn 6,5, tại
đó nhóm amin của chitosan được ion hóa. Nói chung là chitosan tan trong các dung
dịch có tính acid như acid acetic, acid lactic và acid clohydric loãng (Cardile và cộng
sự, 2008) do đó gây khó khăn khi ứng dụng và khi áp dụng quy mô lớn. Chitosan hòa
tan trong nước có tính tiện dụng cao tuy nhiên các đặc tính cơ bản của chitosan hòa tan

trong nước phụ thuộc nhiều vào các điều kiện xử lý và bảo quản.
1.1.2. Chitosan hòa tan trong nước
Độ hòa tan là một đặc điểm rất quan trọng đối với chitosan. Cải thiện hòa tan có
thể tạo điều kiện cho các ứng dụng của chitosan trong y học và thực phẩm. Trọng
lượng phân tử cao thì khả năng hòa tan trong nước thấp, do đó có thể cải thiện khả
năng hòa tan trong nước bằng cách giảm trọng lượng phân tử (Du và cộng sự, 2009)
hoặc tạo muối chitosan cũng là một phương pháp để cải thiện độ hòa tan trong nước
của chitosan.
1.1.2.1.

Muối chitosan

Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về muối chitosan và cho ra nhiều loại
muối chitosan với chất lượng khác nhau
Chitosan tạo muối hòa tan trong nước với cả hai loại acid vô cơ và acid hữu cơ
như acid clohydric, acid formic, acid glutamic, acid lactic, acid citric, acid acetic và
ascorbic (Orienti và cộng sự, 2002). Các nhóm amin phản ứng hiện diện trong chuỗi


chitosan có thể proton (NH3+OCOR-) của các axit nói trên, và các polysaccharide tan
trong nước kết quả được tích điện dương.
Tác giả Janusz Adamiec (2005) đã sản xuất thành công muối chitosan bằng
phương pháp sấy phun sau khi pha chitosan có độ deacetyl 71%, M w = 500 kDa trong
dung dịch acid ascobic (1,7% w/w) và acid acetic (0,6% w/w). Nồng độ dung dịch
chitosan là 1,7% (w/w).Thêm mẫu bổ sung 0,02 g Glutaraldehyde/g chitosan hoặc 0,5g
triphotphate/g chitosan vào dung dịch muối chitosan. Sau đó tiến hành sấy phun và
thu được kết quả như sau:
Bảng 1.3. Các thông số hóa lý của vi hạt chitosan (Adamiec và Modrzejewska
2005)
Mẫu

Ðộ ẩm (%)

Mật độ (g/cm3)

Ðường kính
(µm)

Cầu thể
(dmin/dmax)

Chitosan acetate

10,18

1,1460

3 - 16

0,8 - 0,9

Chitosan ascorbate

3,37

1,4332

2-4

0,9

Chitosan acetate +
glutaraldehyde

11,04

1,1286

1-4

0,9

Chitosan ascorbate
+ triphotphate

3,33

1,6033

3 - 5 và 16 - 30

0,5

Tác giả Yan Li và cộng sự (2007) cũng đã sản xuất về muối chitosan với quy
trình: ngâm chitosan (5g) trong ethanol 95%, tỉ lệ acid acetic/chitosan bổ sung lần lượt
là 1/1, 1/ 2, 1/3, 1/ 4, 1/5. Sau đó khuấy trong vòng 2 giờ và đem sấy khô đến trọng
lượng không đổi ở điều kiện sấy chân không thu được muối chitosan có pH = 5,03; độ
nhớt 0,343 mPa.S và độ tan (tính theo độ đục ở 420nm) là 0,037.
Mirna Fernández Cervera và cộng sự (2011) cũng đã sản xuất thành công muối
chitosan bằng phương pháp sấy phun như sau: Chitosan được hòa tan trong các dung

dịch acid lactic, acid citric và acid acetic để tạo dung dịch chitosan 4%. Các mẫu được
để trong 24 giờ cho tan hoàn toàn. Tỷ lệ chitosan/acid hữu cơ là 1/24. Sau đó đem sấy
phun bằng máy sấy phun Buchi B -191 của Thụy Sỹ. Với kích thước vòi phun 0,7 mm.
Tốc độ dòng sấy phun 558 ml/h. Tốc độ luồng khí nén là 600 l/h, tốc độ không khí 60
m3/h và áp suất không khí là 42mbar. Thu được độ nhớt của muối acetate (273.6
mPas) > muối chitosan lactate (249.0 mPas) > muối chitosan citric (220.9 mPas).
Muối chitosan acetate có độ ẩm cao hơn muối chitosan lactate và muối chitosan citrate
(Cervera và cộng sự, 2011)
9


Cơ chế: Chitosan là một bazơ, dễ tạo muối với các acid, hình thành những chất
điện ly cao phân tử có tính tan phụ thuộc vào bản chất của các anion có liên quan.
Chitosan và acid liên kết với nhau bằng liên kết tĩnh điện thay vì liên kết cộng
hóa trị. Ở vị trí C2 của chitosan, acid sẽ liên kết vào để hình thành phân tử mang điện
tích dương (Li và cộng sự, 2007)

Hình 1.4. Công thức cấu tạo của muối chitosan
1.1.2.2.

Chitosan phân tử lượng thấp (oligochitosan – COS)

COS là chitosan có trọng lượng phân tử thấp. Chúng độ trùng hợp n ≥ 20 (n ≈ 20 ÷
40). COS được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau.
-

Phương pháp hóa học : Dùng tác nhân hóa học để thủy phân
Có nhiều tác nhân hóa học đã được nghiên cứu và ứng dụng để thủy phân

chitosan để thu chitosan PTLT hoặc COS: acid acetic, acid sulfuric, acid

phosphotungtic và acid hydrofluoric (Anayancy Osorio và cộng sự, 2010; Emmanuel
Belamie và Alain Domard, 1997).
Ngoài ra, các tác giả Allan, Chang, Tanioka đã sản xuất thành công chitosan có
trọng lượng phân tử thấp bằng việc cắt mạch chitosan trạng thái lỏng (sau khi đã
phaloãng trong môi trường acid) bởi các tác nhân oxy hóa như ozone, natri nitrite và
hydroperoxit (H2O2) (Allan và cộng sự, 1995). Tuy nhiên, phương pháp này vẫn chưa
khắc phục được những nhược điểm lớn nhất của phương pháp hóa học là có nguy cơ
gây ô nhiễm môi trường và quá trình tinh chế sản phẩm còn gặp nhiều khó khăn. Vì
vậy, acid HCl đã được nghiên cứu để thuỷ phân chitosan trạng thái rắn với mong
muốn tì ra phương pháp mới với nhiều ưu điểm như giảm chi phí, giảm nguy cơ gây ô
nhiễm môi trường và dễ thực hiện. Nghiên cứu đã thành công với 80% chitosan được
chuyển thành glucosamin. Tuy nhiên, phương pháp này rất khó để thương mại hóa sản


phẩm vì việc xử lý nước thải gặp nhiều khó khăn và sản phẩm chủ yếu không phải là
chito-olysaccharide (Anayancy Osoriovà cộng sự, 2010)
Đáng kể nhất là các công trình của GS.Trần Thị Luyến và các cộng sự, 2006 đã
nghiên cứu sản xuất COS bằng HCl. Sản phẩm thu được có màu sắc trắng, đẹp và chất
lượng tốt.
Đỗ Thị Liền (2008), đã nghiên cứu cắt mạch chitosan trong dung dịch acid
acetic bằng hydroperoxit (H2O2) (Đỗ Thị Liền, 2008). Tác giả Đỗ Thị Liền đã sản
xuất thử nghiệm thành công 9 sản phẩm chitosan ngắn mạch. Bảng 1.4 là loại chitosan,
các chế độ cắt mạch và độ nhớt của sản phẩm chitosan ngắn mạch, do tác giả Liền chế
tạo được.
Bảng 1.4. Chế độ cắt mạch và độ nhớt của các sản phẩm chitosan (Đỗ Thị
Liền, 2008)
Chế độ cắt
mạch

Chitosan DD 75%

Ðộ nhớt
(mPa/s)

Nồng
độ
H2 0 2
(%)

Nhiệt
độ

100

1,40

40

1,9

10

1,65

65

5

1,7

70

(0C)

Chitosan DD 85%

Thời Nồng
gian
độ
(giờ) H202
(%)

Nhiệt
độ

Chitosan DD 95%
Nồng
độ
H2 0 2
(%)

Nhiệt
độ

(0C)

Thời
gian
(giờ)

(0C)

Thời
gian
(giờ)

1,35

35

1,69

0,05

30

1,0

3,4

1,60

60

3,04

1,62

60

2,9

3,7

1,65

65

3,31

1,68

65

3,1

Phương pháp hóa học thường cho hiệu quả cắt mạch cao. Tuy nhiên, các nhà
khoa học lo ngại về hoạt tính sinh học của sản phẩm thủy phân tạo thành (hoạt tính
kháng khuẩn, chống oxi hóa, khả năng hấp thụ chất béo) không cao và có nguy cơ gây
ô nhiễm môi trường. Do đó cần phải tìm ra một phương pháp hóa học hoàn hảo hơn có
thể khắc phục được hai nhược điểm trên.
-

Phương pháp sinh học: thủy phân chitosan bằng enzyme: chitinase,
chitosanase, β-glycosidase, cellulase, lysozyme
Có hơn 30 loại enzyme có thể được sử dụng để cắt mạch chitosan: Chitosanase,

cellulase thu được từ các VSV khác nhau (vi khuẩn, nấm mốc), papain chiết tách từ đu
đủ.... Phương pháp cắt mạch bằng enzyme có hiệu quả cắt mạch tốt và không gây ô
nhiễm môi trường. Tuy vậy, phương pháp này vẫn còn những hạn chế khi sản xuất ở

11


quy mô lớn như: Chi phí sản xuất cao do công đoạn tinh sạch sản phẩm khó khăn, qui
trình sản xuất phức tạp, tính đặc hiệu của enzyme cao nên có những enzyme chỉ cắt
liên kết giữa các đơn vị có chứa nhóm acetyl, hoặc chỉ cắt liên kết giữa các đơn vị đã
bị khử nhóm acetyl nên hiệu quả thủy phân chưa cao.
Năm 2006, GS.Trần Thị Luyến đã nghiên cứu sản xuất COS có nguồn gốc từ
chitin, chitosan bằng enzyme papain, hemicellulose, enzyme cellulase từ xạ khuẩn .
Theo tác giả Trần Thị Luyến khi dùng enzyme papain chiết rút từ đu đủ xanh, kết quả
thu được 95% COS từ chitosan. Khi dùng enzyme thương phẩm thì thu được 97%
COS. Khi dùng enzyme hemicellulose thương phẩm, kết quả thu được 88,9% COS từ
chitosan và 86,7% COS từ chitin. Khi dùng enzyme cellulase từ xạ khuẩn sẽ thu được
52,6% COS từ chitosan và 45,6% COS từ chitin.
-

Phương pháp vật lý
Wasikiewicz và cộng sự, 2004 đã dùng tia gamma, tia UV và sóng siêu âm để

thủy phân chitosan. Kết quả thu được COS có phân tử lượng khá thấp (> 25kDa). Tuy
nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chitosan phải hòa tan trong môi trường
acid trước khi thủy phân với nồng độ thấp (0,1 – 1)% và thời gian thủy phân dài, nên
đã gây khó khăn cho quá trình sản xuất ở qui mô công nghiệp (Jaroslaw và cộng sự,
2005).
Czechowska-Biskup và cộng sự (2005) đã thử nghiệm với phương pháp vật lý
để thủy phân chitosan thu được COS đồng thời thử nghiệm khả năng kết hợp giữa
COS và chất béo với mục đích ứng dụng COS trong dược phẩm hoặc thực phẩm chức
năng để làm giảm khả năng hấp thụ chất béo của con người (với 1g chitosan có thể hấp
thu 8 – 20g chất béo) Hình 1.5

Hình 1.5. Đồ thị biểu diễn mức độ hấp thụ chất béo của chitosan
(Czechowska và cộng sự, 2005)
Có những phương pháp chiếu xạ sau:


Chiếu xạ ở trạng thái khô: dùng tia gamma phát ra từ nguồn 60Co

với liều lượng là 0.56 Gy s

Chiếu xạ trong dung dịch: dùng tia gamma phát ra từ nguồn 60Co với

liều lượng là 0.023 Gy s

Siêu âm trong dung dịch. Phương pháp này cũng dễ dàng thu được

chitosan phân tử lượng thấp phụ thuộc vào tần số của sóng siêu âm sử dụng.
Nguyễn Ngọc Duy (2011) đã kết hợp phương pháp vật lý và hóa học khi cho
thủy phân chitosan bằng tia gamma trong môi trường có bổ sung H2O2và thu được
olygochitosan có khối lượng phân tử thấp (5 – 10kDa) (Nguyễn Ngọc Duy, 2011)
1.2.

Tổng quan về lúa (thóc) và một số chất kích thích sinh trưởng cho cây lúa

1.2.1. Lúa gạo
1.2.1.1.

Hạt lúa

Giới (Regnum): Plantae

Bộ (Drdo): Poales
Họ (Familia): Poaceae
Chi (genus): Oryza
13