Nghiên cứu sản xuất oligochitin bằng phương pháp chiếu xạ gamma coban 60 phạm thị phượng; vũ ngọc bội, lê hải GVHD pdf

BỘ GIÁO VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
-----------PHẠM THỊ PHƢỢNG

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT
OLIGOCHITIN BẰNG PHƢƠNG PHÁP
CHIẾU XẠ GAMMA COBAN 60

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

CÁN BỘ HƢƠNG DẪN: TS. Vũ Ngọc Bội
ThS. Lê Hải

KHÁNH HÒA - 2013


BỘ GIÁO VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
------------

PHẠM THỊ PHƢỢNG

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT
OLIGOCHITIN BẰNG PHƢƠNG PHÁP
CHIẾU XẠ GAMMA COBAN 60
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Mã số sinh viên
: 51130574

Lớp
: 51CBTP2
Cán bộ hƣớng dẫn : TS. Vũ Ngọc Bội
ThS. Lê Hải

KHÁNH HÒA - 2013


i

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Đồ án này
Trƣớc hết tôi xin gửi tới Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Nha Trang, Ban
Chủ nhiệm khoa Công nghệ Thực phẩm, Phòng Đào tạo niềm kính trọng, sự tự hào
đƣợc học tập tại Trƣờng trong những năm qua.
Sự biết ơn sâu sắc nhất tôi xin đƣợc giành cho thầy:ThS. Lê Hải - Trƣởng
phòng Công nghệ Bức xạ - Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt và TS. Vũ Ngọc Bội
- Trƣởng khoa Công nghệ Thực phẩm - Trƣờng Đại học Nha Trang đã tài trợ kinh
phí, tận tình hƣớng dẫn và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt
nghiệp này.
Xin cám ơn: Viện trƣởng Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt cùng toàn thể
cán bộ Phòng Công nghệ Bức xạ đã tạo điều kiện thuận lợi về trang thiết bị và tận
tình giúp đỡ tôi trong thời gian tôi thực hiện đề tài tại phòng Công nghệ Bức xạ Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt.
Đặc biệt, xin đƣợc ghi nhớ tình cảm, sự giúp đỡ của: các thầy cô giáo trong
Bộ môn Công nghệ Thực phẩm và tập thể cán bộ trong Các phòng thí nghiệm Trung tâm Thực hành Thí nghiệm - Trƣờng Đại học Nha Trang đã giúp đỡ nhiệt
tình và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian qua.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, ngƣời thân và các bạn bè đã tạo điều
kiện, động viên khích lệ để tôi vƣợt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập vừa qua.

ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
MỤC LỤC .................................................................................................................. ii
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vii
DANH MỤC VIẾT TẮT ........................................................................................ viii
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................1
CHƢƠNG 1TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU .................................3
1.1. TỔNG QUAN VỀ CHITIN, OLIGOCHITIN .................................................3
1.1.1. Cấu tạo và tính chất hóa học của chitin [2] ..............................................3
1.1.2. Cấu trúc hóa học và tính chất của oligochitin ..........................................7
1.1.3. Một số ứng dụng của chitin ......................................................................8
1.2. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP CHIẾU XẠ ..........................................9
1.2.1. Xử lý bức xạ và sự ra đời của công nghệ bức xạ .....................................9
1.2.2.Các đặc trƣng của bức xạ và nguồn bức xạ .............................................11
1.2.3. Nguồn bức xạ gamma .............................................................................11
1.2.4. Tƣơng tác của bức xạ lên các hợp chất hữu cơ và polymer ...................13
1.2.5. Thiết bị chiếu xạ gamma Co60 tại phòng Công nghệ Bức xạ - Viện
Nghiên cứu Hạt nhân (Đà Lạt) .........................................................................18
1.2.5.1. Nguồn bức xạ ..................................................................................18
1.2.6. Tình hình nghiên cứu và triển vọng của đề tài [4] .................................19
CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP ......................................................21
2.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU ...........................................................................21
2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................21
2.2.1. Phƣơng pháp phân tích (trình bày ở phụ lục 1) ......................................21
2.2.2. Phƣơng pháp đánh giá hiệu ứng sinh học của oligochitin ......................22
2.2.3. Phƣơng pháp bố trí thí nghiệm ...............................................................23

iii

2.2.3.1. Bố trí thí nghiệm tổng hợp dự kiến sản xuất oligochitin bằng
phƣơng pháp chiếu xạ gamma coban - 60....................................................23
2.2.3.2. Bố trí thí nghiệm xác định các thông số của quy trình ...................26
2.3. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT ...............................................40
2.3.1. Thiết bị ....................................................................................................40
2.3.2. Dụng cụ...................................................................................................41
2.3.3. Vật liệu và hóa chất ................................................................................41
2.4. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM ............................41
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................42
3.1. Xác định chế độ xử lý chitin thô ....................................................................42
3.1.1. Xác định thời gian khử khoáng ..............................................................42
3.1.2. Xác định thời gian khử protein ...............................................................43
3.1.3. Đề xuất quy trình tái tinh chế chitin .......................................................44
3.2. XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÒA TAN CHITIN ...................................................45
3.2.1. Xác định tỷ lệ chitin/dung môi ...............................................................45
3.2.2. Ảnh hƣởng thời gian khuấy ....................................................................46
3.3. XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ PHÂN CẮT CHITIN BẰNG BỨC XẠ
GAMMA COBAN 60 ...........................................................................................48
3.3.1. Đánh giá độ hòa tan của chitin khi chiếu xạ trong dung dịch NaOH .....48
3.3.2. Xác định độ nhớt của chitin trƣớc và sau khi chiếu xạ ..........................51
3.3.2.1. Chiếu xạ dạng khô:..........................................................................51
3.3.2.2. Chiếu xạ ở dạng dung dịch ..............................................................53
3.3.2.3. Chiếu xạ chitin trƣơng trong nƣớc ..................................................56
3.3.2.4. Chiếu xạ chitin trong môi trƣờng có H2O2 ......................................59
3.3.2.5. Chiếu xạ chitin trong dung dịch NaOH 25% và 50% .....................61
3.3.3. Xác định biến đổi cấu trúc của chitin sau khi chiếu xạ ..........................62
3.3.4. Đánh giá hiệu ứng sinh học của chitin biến tính bức xạ lên vi

khuẩn Bacillus subtilis ......................................................................................64


iv

3.4. ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH SẢN XUẤT OLIGOCHITIN BẰNG CHIẾU
XẠ GAMMA COBAN 60 ....................................................................................67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................69
I. KẾT LUẬN .......................................................................................................69
II. KIẾN NGHỊ .....................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................70
PHỤ LỤC ............................................................................................................... PL1


v

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc hóa học chitin, chitosan và cellulose ............................................ 5
Hình 1.2. Sự sắp xếp của chuỗi polymer của α-chitin, β-chitin, γ-chitin ................... 5
Hình 1.3. Sơ đồ phân rã với các chuyển mức chính của một số nguồn gamma
công nghiệp. .............................................................................................................. 13
Hình 1.4. Sơ đồ khâu mạch của polymer (A- chuỗi đơn phân tử) ............................ 16
Hình 1.5. Thiết bị chiếu xạ gamma Co60 tại phòng Công nghệ Bức xạ - Viện
Nghiên cứu Hạt Nhân Đà Lạt (Trái: máy chiếu xạ GC 5000, Phải: máy chiếu
xạ Isscledavatel) ........................................................................................................ 18
Hình 2.1. Sơ đồ thí nghiệm dự kiến quy trình sản xuất oligochitin .......................... 23
Hình 2.2. Sơ đồ thí nghiệm xác định các thông số của quá trình tinh chế chitin...... 26
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ chitin/dung môi phù hợp .............. 28
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian khuấy phù hợp ....................... 29
Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiệm xác định liều xạ thích hợp dạng chitin bột khô ............ 31

Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định liều xạ thích hợp dạng dung dịch ......... 32
Hình 2.7. Sơ đồ thí nghiệm xác định thời gian và liều chiếu chitin trong NaOH 25% ....... 33
Hình 2.8. Sơ đồ thí nghiệm xác định liều xạ thích hợp dạng chitin trong NaOH 50%....... 35
Hình 2.9. Sơ đồ thí nghiệm xác định liều xạ thích hợp dạng chitin trƣơng trong nƣớc ...... 36
Hình 2.10. Sơ đồ thí nghiệm xác định liều xạ thích hợp dạng chitin trong dung dịch
H2O ........................................................................................................................................... 37
Hình 2.11. Hình dạng của vi khuẩn Bacillus subtilis ................................................ 38
Hình 2.12. Bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu ứng sinh học của oligochitin ................ 39
Hình 3.1. Sơ đồ qui trình tinh chế chitin thô từ phế liệu vỏ tôm ............................. 44
Hình 3.2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chitin đến hiệu suất hòa tan của chitin
trong hệ dung môi ..................................................................................................... 46
Hình 3.3. Ảnh hƣởng thời gian khuấy lên độ tan của chitin ..................................... 47
Hình 3.4. Độ hòa tan của chitin theo liều xạ trong dung dịch NaOH ....................... 49
có nồng độ khác nhau ................................................................................................ 49


vi

Hình 3.5. Ảnh hƣởng liều xạ lên hiệu suất tạo oligochitin ....................................... 50
Hình 3.6. Sự thay đổi độ nhớt theo nồng độ khi chiếu xạ dạng khô ......................... 51
Hình 3.7. Ảnh hƣởng liều chiếu lên trọng lƣợng phân tử của chitin ........................ 52
...................................................................................................... 52
Hình 3.8. Sự thay đổi độ nhớt chitin chiếu xa theo nồng độ..................................... 54
khi chiếu xạ dạng dung dịch...................................................................................... 54
Hình 3.9. Biến
........................................................................... 55
Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn độ nhớt theo nồng độ chitin chiếu xạ trong nƣớc ........ 57
Hình 3.11. Biến đổi trọng lƣợng phân tử của chitin theo liều chiếu xạ khi .............. 58
............................................................................. 58
Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ nhớt dung dịch chitin theo nồng độ.

chitin chiếu xạ trong dung dịch 6% H2O2 ................................................................. 59
Hình 3.13. Sự thay đổi trọng lƣợng phân tử của chitin theo liều xạ khi ................... 60
2O2 ............................................ 60

Hình 3.14. Phổ FTIR của chitin chiếu xạ (a)- Chitin trƣớc khi chiếu xạ; (b)chitin chiếu xạ trong 50% NaOH phần không tan nƣớc; (c )- chitin chiếu xạ
trong 25% NaOH phần tan nƣớc, (d)- chitin chiếu xạ trong 50% NaOH phần
tan nƣớc ..................................................................................................................... 63
Hình 3.15. Hiệu ứng sinh học của chitin chiếu xạ trong NaOH 50% phần
không tan trong nƣớc (chitosan) ............................................................................... 65
Hình 3.16. Hiệu ứng sinh học của chitin chiếu xạ trong NaOH50% phần tan ......... 65
Hình 3.17. Hiệu ứng sinh học của phần chitin chiếu xạ trong dung dịch NaOH
25% phần tan ............................................................................................................. 65
Hình 3.18. Sơ đồ quy trình sản xuất oligochitin ....................................................... 67


vii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.Thành phần hóa học một số loại phế liệu thủy sản thông dụng để sản
xuất chitin (No và Meyers, 1997, Trung, 2003).......................................................... 4
Bảng 1.2. Phân loại polymer khâu mạch và ngắt mạch ............................................ 15
Bảng 1.3. Các đặc trƣng chủ yếu của 3 loại máy gia tốc điện tử .............................. 19
Bảng 1.4. So sánh đặc trƣng của nguồn gamma Co-60 với máy gia tốc điện tử ...... 19
Bảng 2.

[1] ............................................ 21

Bảng 3.1. Hàm lƣợng khoáng của các mẫu chitin sau khi tinh chế .......................... 42
Bảng 3.2. Hàm lƣợng proiein của các mẫu chitin sau tinh chế ................................. 43
Bảng 3.3. Bảng đánh giá chất lƣợng chitin sau khi tinh chế ..................................... 45

Bảng 3.4. Cấu trúc của chitin trƣớc và sau chiếu xạ ................................................. 64


viii

DANH MỤC VIẾT TẮT
Chữ cái viết tắt/ ký hiệu

Cụm từ đầy đủ

FTIR

Fourier transform infrared spectroscopy

TLPT

Trọng lƣợng phân tử

KDa

Kilodalton

Dt

Dalton


1

LỜI MỞ ĐẦU

Tôm là mặt hàng xuất khẩu thủy sản chủ lực của Thủy sản Việt Nam với kim
ngạch xuất khẩu hàng năm trung bình 1 ÷ 2 tỷ USD. Phế liệu tôm ƣớc tính trên
100.000 tấn/năm, từ đấy ƣớc tính có thể sản xuất lƣợng chitin (tinh khiết) tƣơng ứng
trên vài chục nghìn tấn. Chitin là polymer sinh học có sẵn trong phế liệu vỏ tôm cua
và có nhiều ứng dụng trong thực tiễn.
Công nghệ bức xạ là một lĩnh vực khoa học ra đời trên nền tảng sự kết hợp
đa ngành từ vật lý hạt nhân, vật lý điện tử, cơ-điện, khoa học vật liệu, hóa học, sinh
học, y học và nông học,... Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ bức xạ trong lĩnh
vực làm “biến tính các polymer tự nhiên” tạo sản phẩm có ích hiện bắt đầu đƣợc
nhiều ngƣời quan tâm do các sản phẩm sau quá trình “biến tính các polymer tự
nhiên” có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Trong lĩnh vực biến tính bằng bức xạ,
chitin dễ bị phân cắt mạch bằng bức xạ tạo thành một số dẫn xuất có thể đƣợc ứng
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt trong lĩnh vực Nông – Sinh – Y. Tƣơng
tác của bức xạ ion hóa lên các hệ polymer có thể xảy ra các phản ứng cắt mạch
- lý tùy thuộc bản chất và cấu trúc của polymer. Nhiều công trình nghiên cứu đã
chứng minh rằng polymer có cấu tạo từ các vòng glucozit nhƣ chitin thƣờng xảy ra
phản ứng cắt mạch tạo oligomer khối lƣợng phân tử thấp khi đƣợc chiếu dƣới
trƣờng bức xạ, trong khi đó dẫn xuất của chúng thƣờng xảy ra phản ứng khâu mạch
tạo sản phẩm có cấu trúc không gian 3 chiều. Các oligomer phân tử lƣợng thấp có
nhiều hiệu ứng sinh học khác
hiệu ứng tăng trƣởng phát triển, điều hòa hoặc ức chế hủy diệt các vi sinh, nấm
mốc. Các hydrogel hay sản phẩm khâu mạch từ các dẫn xuất của chitin có giá trị
ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực đặc biệt trong y học và xử lý môi trƣờng. Nhằm
đóng góp một phần trong xu hƣớng phát triển chung, chúng tôi đã mạnh dạn thực hiện đề
tài: “Nghiên cứu sản xuất oligochitin bằng phương pháp bức xạ gamma Co-60”.


2

Mục tiêu của đề tài là: xác định các thông số thích hợp của quá trình cắt

chitin tạo oligochitin bằng phƣơng pháp chiếu xạ gamma Coban-60 và đánh giá
hiệu ứng sinh học của chúng.
Nội dung của đề tài:
1) Xác định các thông số thích hợp cho quá trình phân cắt chitin thành
oligochitin bằng phương pháp bức xạ gamma coban 60;
2) Đánh giá hoạt tính sinh học của oligochitin;
3) Đề xuất quy trình sản xuất oligochitin bằng phương pháp bức xạ gamma
coban 60;
Ý nghĩa thực tiễn: Thành công của đề tài sẽ góp phần mở rộng ứng dụng
của chitin trong thực tế góp phần nâng cao giá trị của nguồn phế liệu tôm.


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
1.1. TỔNG QUAN VỀ CHITIN, OLIGOCHITIN
1.1.1. Cấu tạo và tính chất hóa học của chitin [2]
Chitin đƣợc Braconnot phát hiện đầu tiên vào năm 1811, trong cặn dịch tiết
từ một loại nấm. Ông đặt tên cho chất này là “Fungine” để ghi nhớ nguồn gốc của
nó. Năm 1823 Odier phân lập đƣợc một chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi là chitin
hay “chiton”, tiếng Hy Lạp có nghĩa là vỏ giáp, nhƣng ông không phát hiện ra sự có
mặt của nitơ trong đó. Cuối cùng cả Odier và Braconnot đều đi đến kết luận chitin
có dạng công thức giống với cellulose.
Chitin là polymer phổ biến trong tự nhiên sau cellulose. Chitin ít khi ở dạng
tự do mà luôn liên kết với protein dƣới dạng phức hợp, cacbonat canxi và nhiều hợp
chất hữu cơ khác, gây khó khăn cho việc tách chiết. Chitin là một polysaccharide
đƣợc cấu tạo bởi các monosaccharide liên kết với nhau bằng cầu nối β-1,4- glucozit,
có công thức phân tử là (C8H13O5N)n. Chitin có cấu tạo hóa học giống cellulose và
có thể xem là một dẫn xuất của cellulose với nhóm acetamido ở cacbon số 2 thay vì

nhóm hydoxyl.
Chitin là thành phần chính tạo nên độ cứng chắc cho vỏ của loài giáp xác.
Năm 1811 nhà hóa dƣợc ngƣời Pháp Henri Braconnot (Braconnot, 1811) lần đầu
tiên đã tách chiết đƣợc chitin từ nấm.
Không chỉ từ nấm mà chitin còn đƣợc chiết rút từ nhiều nguồn nguyên liệu
khác nhau: phế liệu thủy sản, vi nấm, vi khuẩn. Tuy nhiên, nguồn nguyên liệu chính
để sản xuất chitin là từ vỏ tôm, cua, nang mực,… Hàm lƣợng chitin biến đổi theo
từng loại nguyên liệu, trong đó phế liệu mực (nang mực ống) có hàm lƣợng chitin
cao nhất, sau đó là tôm sú và tôm thẻ (Bảng 1.1).


4

Bảng 1.1.Thành phần hóa học một số loại phế liệu thủy sản thông dụng để sản
xuất chitin (No và Meyers, 1997, Trung, 2003)
Thành phần hóa học (%)
Nguồn
Độ ẩm

Protein

Khoáng Lipid

Chitin

Phế liệu cua, ghẹ
Cua xanh (Callinecles sapidus)

4,5

24,0

56,0

2,0

12,9

Ghẹ chấm (Portunus

12,9

10,3

57,9

0,3

17,1

trituberculatus)
Phế liệu tôm sú (Peaenus monodon)
Đầu

9,1

26,8

29,3

0,5

34,9

Vỏ

9,7

42,8

20,8

1,2

36,5

-

75- 80

Phế liệu mực (nang mực ống)

6,0– 8,0

7,0– 8,0 0,7 – 1,0

Chitin là các polysaccharide có hình thái tự nhiên ở dạng sừng ban trong
suốt. Do đó, các phƣơng pháp nhận dạng chitin, xác định tính chất, và phƣơng
gặp nhiều khó khăn.
Cấu trúc của chitin là tập hợp các monosaccharide N-acetyl-glucosamine

liên kết với nhau bởi các cầu nối glucozit. Trong tự nhiên, chitin đƣợc tìm thấy
trong vách tế bào một số loài nấm nhƣ Zygomycetes, trong tảo lục Chlorella sp,
cũng nhƣ trong lớp cuticle của côn trùng, tôm, cua,...


5

 Cấu trúc hóa học của chitin:

Hình 1.1. Cấu trúc hóa học chitin, chitosan và cellulose
Chitin có cấu trúc hóa học tƣơng tự nhƣ chitosan và cellulose, chúng có thể
đƣợc xem nhƣ là dẫn xuất của nhau. Tại cacbon số 2 gắn kết nhóm NH-COCH3 đối
với chitin, nhóm NH2 đối với chitosan và nhóm OH đối với cellulose. Cấu trúc hóa
học của ba loại vật liệu trên đƣợc mô tả chi tiết trên Hình 1.1.
Tùy thuộc cấu trúc chitin có thể chia thành ba dạng α-chitin, β-chitin và γchitin (Hình 1.2).

α-chitin

β-chitin

γ-chitin

Hình 1.2. Sự sắp xếp của chuỗi polymer của α-chitin, β-chitin, γ-chitin


6

Cấu trúc của chitin ở các dạng trên xuất phát từ nguồn chiết rút chitin, chitin
từ tôm và cua có dạng α-chitin, còn chitin từ mực có dạng β-chitin. Ba dạng chitin
nêu trên có sự khác nhau về tính hydrat hóa, kích thƣớc của mỗi đơn vị cấu trúc và

số mạch chitin trong mỗi đơn vị cấu trúc. α-chitin có độ kết tinh cao nhất và ở dạng
rắn chắc và các mạch chitin sắp xếp song song nhƣng ngƣợc chiều nhau, β-chitin
bao gồm các mạch chitin song song cùng chiều nhau, có độ kết tinh thấp, tính
hydrat hóa cao. γ-chitin sắp xếp cứ 2 mạch song song cùng chiều thì có một mạch
ngƣợc chiều. Trong tự nhiên, α-chitin có mặt nhiều nhất và thƣờng rất cứng trong
khi β-chitin, γ-chitin thì tạo nên tính dai, dẻo.
Cấu trúc hóa học của chitin với các liên kết hydro nội phân tử giữa các phân
tử đƣờng trong chitin rất chặt chẽ vì vậy làm cho phân tử chitin có độ rắn chắc cao
và khó hòa tan.
 Độ deacetyl của chitin
Chitin có độ deacetyl thấp. Độ deacetyl của chitin là một thông số đặc
trƣng cho tỷ lệ giữa các nhóm chức 2-acetamido-2-deoxy-D-glucopyranose với 2amino-2-deoxy-D-glucopyranose trong phân tử của chúng.
 Độ kết tinh (crystallinity) của chitin
Chitin có cấu trúc tinh thể rắn chắc, so với các polymer sinh học khác,
chitin có độ kết tinh cao và biến đổi tùy theo từng loại chitin đƣợc chiết rút từ các
nguồn nguyên liệu khác nhau.
Phổ nhiễu xạ tia X của α-chitin từ vỏ tôm và β-chitin từ xƣơng mực cho
thấy ở mẫu α-chitin có vòng nhiễu xạ mạnh, ở vòng trong thì không có tính hydrat
hóa mạnh. Trong khi ở mẫu β-chitin thì có vòng tƣơng tự nhƣng có vòng nhiễu xạ
yếu hơn và có tính hydrat hóa mạnh. Ngoài ra, để hiểu rõ cấu trúc về sự sắp xếp của
các mạch chitin và các liên kết hydro, ngƣời ta đã nghiên cứu cấu trúc tinh thể của chitin.
 Tính chất của chitin
Chitin có màu trắng, cũng giống cellulose, chitin có tính kị nƣớc cao (đặc
biệt đối với α-chitin) và không tan trong nƣớc, trong kiềm, trong acid. Chitin có cấu


7

trúc chặt chẽ, có liên kết trong và liên phân tử mạnh thông qua các nhóm hydroxyl
và acetamide. Tuy nhiên khác với α-chitin, β-chitin có tính trƣơng nƣớc cao.

- Chitin bị phân hủy trong dung dịch acid đậm đặc nhƣ HCl, H3PO4 và
dimethylacetamide chứa 5% lithium chloride (LiCl).
- Chitin tự nhiên có độ deacetyl dao động trong khoảng từ 8-12%, phân tử
lƣợng trung bình lớn hơn 1000 kDa. Tuy nhiên, chitin chiết rút từ vi sinh vật thì có
phân tử lƣợng thấp, chỉ khoảng vài chục ngàn Dalton. Khi đun nóng chitin trong
dung dịch NaOH đặc thì chitin bị khử mất gốc acetyl tạo thành chitosan.
- Khi đun nóng chitin trong dung dịch HCl đặc thì chitin sẽ bị thủy phân tạo
thành các phân tử glucosamine có hoạt tính sinh học cao.
Chitin tƣơng đối ổn định với các chất oxy hóa khử nhƣ thuốc tím (KMnO4),
oxy già (H2O2), nƣớc giaven (NaClO) hay Ca(ClO)2… lợi dụng tính chất chống oxy
hóa của chitin ngƣời ta sử dụng các chất oxy hóa nêu trên để khử màu chitin.
Khi đun nóng trong acid HCl đậm đặc thì thì chitin sẽ bị thủy phân hoàn toàn
tạo thành 88,5% D-Glucosamin và 21,5% acid axetic, quá trình thủy phân xảy ra
chủ yếu cắt mạch ở cầu nối glucozit.
(C32H54N4O21)x + 2(H2O)x

(C28H50N4O19)x + 2(CH3COOH)x

Trong môi trƣờng kiềm đặc đun nóng sẽ xảy ra phản ứng deacetyl hóa trên
phân tử chitin, trong đó nhóm (–NH2) thay thế nhóm (-COCH3) ở vị trí C2, tạo thành
sản phẩm chính là chitosan theo phản ứng sau.
Đun nóng
Chitin + nNaOH

chitosan + nCH3COONa [2]

1.1.2. Cấu trúc hóa học và tính chất của oligochitin
Oligochitin là đoạn mạch polymer của N-acetyl-β-D-glucosamine liên kết
với nhau bằng liên kết β-1,4 glucozit . Oligochitin đƣợc tạo thành qua quá trình thủy
phân/ cắt mạch có thể bằng phƣơng pháp hóa học, phƣơng pháp sinh học sử dụng

enzyme, phƣơng pháp chiếu xạ bằng bức xạ năng lƣợng cao nhƣ

hoặc chùm điện

tử gia tốc (Accelerated electron beam - EB machine). Các nghiên cứu cắt mạch,
khâu mạch và biến tính chitosan là dẫn xuất của chitin đã đƣợc công bố trên nhiều


8

công trình trong và ngoài nƣớc, tuy nhiên tài liệu nghiên cứu liên quan về
oligochitin còn quá ít. Hƣớng nghiên cứu này hiện đang là một vấn đề mới mẻ.
1.1.3. Một số ứng dụng của chitin
Chitin có độ kết tinh cao, khó tan trong nhiều dung môi nên chúng ít đƣợc
ứng dụng trực tiếp mà thƣờng sử dụng từ các dẫn xuất của chúng đặc biệt là
chitosan. Chitosan đƣợc xem nhƣ một loại vật liệu mới có ứng dụng đặc biệt trong
công nghiệp dƣợc, y học, xử lý nƣớc thải và trong công nghiệp thực phẩm nhƣ là tác
nhân gel hóa, tác nhân ổn định,...
Chitin có ứng dụng làm da nhân tạo và là nguyên liệu trung gian cho quá
trình điều chế các dẫn xuấtquan trọng nhƣ chitosan, glucosamine và các dẫn xuất có
giá trị khác.
Những nghiên cứu gần đây cho thấy chitin, chitosan và những dẫn xuất của
chúng đƣợc ứng dụng rất nhiều trong các ngành y học, nông nghiệp, công nghiệp,
chế biến thực phẩm, bảo vệ môi trƣờng, công nghệ sinh học,... Những ứng dụng này
chủ yếu dựa trên các tính năng đặc biệt nhƣ hoạt tính kháng nấm, kháng khuẩn, khả
năng tự phân hủy sinh học cao, không gây dị ứng, không gây độc cho ngƣời và gia
súc, có khả năng tạo thành gel, hấp thụ ion kim loại nặng độc,...
Chitin đƣợc xem là một trong những vật liệu sinh học, là loại vật liệu có tính
tƣơng hợp cao “vật liệu tƣơng hợp sinh học – biocompatible materials” có tính
tƣơng thích và khả năng tƣơng hợp tốt với mô xung quanh và không tạo ra đáp ứng

đào thải của vật chủ. Chitin làm tăng mức kéo giãn của vị trí vết mổ ở chuột và thỏ.
Chitin nguyên chất xúc tiến khả năng làm lành vết thƣơng và không gây phản ứng
phụ bất lợi.
Chitin là nguồn nguyên liệu sản xuất glucosamine, một dƣợc chất quý có khả
năng điều trị các bệnh xƣơng khớp hiện đang phải nhập khẩu từ các nƣớc khác. Từ
chitin và chitosan có thể sản xuất các loại dƣợc liệu khác nhƣ: chỉ phẫu thuật tự
hoại, chito-olygosaccharide giúp bảo vệ hệ miễn dịch với các tế bào khối u và các
tác nhân gây bệnh, màng chữa bỏng, da nhân tạo,...


9

1.2. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP CHIẾU XẠ
1.2.1. Xử lý bức xạ và sự ra đời của công nghệ bức xạ
Phát minh ra tia X của Wilhelm C. Roentgen năm 1895 và hiện tƣợng phóng
xạ của Antoine Henri Becquerel năm 1896 đã mở ra những hƣớng nghiên cứu và
ứng dụng rộng rãi của một lĩnh vực mới “lĩnh vực công nghệ bức xạ”.
Tính năng ion hóa vật chất của tia X và tia gamma là cơ sở của các quá trình
hóa -lý hay đƣợc gọi là hóa bức xạ.
Cùng với sự ra đời của các chƣơng trình năng lƣợng hạt nhân quy mô lớn từ
những năm 1940, các nguồn bức xạ gamma đƣợc chế tạo từ các chất phóng xạ tích
luỹ trong lò phản ứng nhƣ Cs-137, Co-60, càng thúc đẩy lĩnh vực xử lý bức xạ phát
triển mạnh mẽ.
Những năm 60, 70 của thế kỷ trƣớc đƣợc coi là thời kỳ của các nghiên cứu
sâu rộng đối với các quá trình vật lý liên quan đến sự hấp thụ năng lƣợng của bức
xạ. Các biến đổi hoá lý do tác dụng của bức xạ ion hoá năng lƣợng cao là tiền đề
cho sự phát triển của các lĩnh vực khoa học và công nghệ mới - lĩnh vực hoá bức xạ
và công nghệ bức xạ.
Trong các hệ hữu cơ và sinh học, các phân tử bị ion hoá hoặc bị kích thích
thƣờng tạo ra các gốc tự do, một trạng thái phân tử vốn có mối liên kết đồng hoá trị

với một electron đồng hành bị mất đi trong quá trình chiếu xạ. Ở giai đoạn đầu, các
gốc tự do tập trung xung quanh đƣờng đi của các vết do hạt ion hoá gây ra. Dần dần
các gốc tự do này khuếch tán và phân bố đều trong môi trƣờng bị chiếu xạ. Gốc tự
do là những phần tử có hoạt tính hóa học cao. Các phản ứng hoá học do chúng gây
ra trong các hệ khí và lỏng thƣờng chỉ kéo dài vài phút, song đối với đa số các chất
rắn do độ linh động bị giới hạn, chúng có thể đƣợc tồn tại hàng tuần thậm chí hàng
tháng sau khi chiếu xạ. Các hiệu ứng bức xạ trong thực vật và động vật có thể kéo
dài trong nhiều năm đặc biệt là ở những liều chiếu thấp.
Sự tƣơng tác giữa các photon và hạt mang điện năng lƣợng cao làm gia tăng
số lƣợng các cặp ion (ion dƣơng và điện tử) cũng nhƣ các phân tử ở trạng thái kích


10

thích tập trung dọc theo đƣờng đi của bức xạ, tạo ra các hiện tƣợng ion hoá thứ cấp;
những biến đổi thứ cấp này cũng làm thay đổi tính chất của vật liệu. Những biến đổi
nhƣ vậy phụ thuộc loại bức xạ, năng lƣợng bức xạ cũng nhƣ tốc độ truyền năng
lƣợng của bức xạ cho vật chất.
Tốc độ mất mát năng lƣợng của bức xạ thƣờng gắn liền với quá trình truyền
năng lƣợng tuyến tính (Linear Energy Transfer - LET) của bức xạ. Trên cơ sở đó
ngƣời ta phân biệt đƣợc các loại bức xạ truyền năng lƣợng tuyến tính thấp (Low
LET) và bức xạ truyền năng lƣợng tuyến tính cao (High LET). Đại diện của bức xạ
Low LET là electron nhanh và bức xạ điện từ (tia gamma và tia X). Các loại bức xạ
này có năng lƣợng nằm trong dải keV và MeV. Năng lƣợng của các loại bức xạ
Low LET thƣờng đƣợc tích luỹ chủ yếu trong các quần thể ion hoặc các phân tử
kích thích biệt lập và hàm đặc trƣng đƣợc mô tả bằng mô hình truyền năng lƣợng.
Các hạt electron di chuyển chậm, các hạt alpha, ion hêli và các hạt nặng mang điện
khác đƣợc xếp vào loại bức xạ High LET. Phần lớn năng lƣợng của loại bức xạ này
bị mất mát và hấp thụ dọc theo đƣờng đi trong vật chất, có thể đƣợc mô tả cả bằng
lý thuyết cấu trúc vết lẫn mô hình truyền năng lƣợng. Các nguồn tạo ra bức xạ Low

và High - LET có thể là các chất đồng vị phóng xạ, máy gia tốc hoặc thiết bị phát
chùm tia. Các hiệu ứng hoá - lý, lý - sinh có thể đƣợc định lƣợng thông qua năng
lƣợng bức xạ truyền cho môi trƣờng hấp thụ và đƣợc xác định bằng liều lƣợng hấp
thụ. Chất lƣợng của các quá trình xử lý bức xạ và công nghệ bức xạ phụ thuộc vào
độ chính xác của phép đo liều lƣợng.
Công nghệ bức xạ là một ngành khoa học – công nghệ mới chuyên nghiên
cứu ứng dụng các hiệu ứng vật lý, hoá học, sinh học và một số hiệu ứng khác xuất
hiện khi bức xạ truyền năng lƣợng cho vật chất nhằm biến các hiệu ứng này thông
qua các quy trình công nghệ để tạo ra các sản phẩm với những phẩm chất, tính năng
và công dụng mới phục vụ con ngƣời. Sự ra đời của công nghệ bức xạ là kết quả
của sự giao nhau và kết hợp chủ yếu giữa các ngành vật lý hạt nhân, khoa học vật
liệu, hóa học và sinh học.


11

1.2.2.Các đặc trƣng của bức xạ và nguồn bức xạ
 Các đặc trƣng của bức xạ
Bức xạ ion hoá năng lƣợng cao đƣợc sử dụng để tạo ra các biến đổi ở mức
nguyên tử và phân tử bao gồm bức xạ alpha (α), bêta (β), gamma ( ), tia X, nơtron (
n10 ), electron ( e ) và ion. Trong lĩnh vực công nghệ bức xạ

và e thƣờng sử dụng

phổ biến hơn so với các loại bức xạ khác.
Tuy không đƣợc xếp vào loại bức xạ ion hoá năng lƣợng cao, song gần đây
bức xạ tử ngoại (UV) cũng đƣợc sử dụng trong các quy trình xử lý màng mỏng và
xử lý bề mặt vật liệu.
 Tính chất sóng và hạt của bức xạ
Bức xạ là những dạng năng lƣợng phát ra trong quá trình vận động và biến

đổi của vật chất. Về mặt vật lý nó đƣợc thể hiện dƣới dạng sóng, hạt, hoặc sóng hạt.
Mỗi dạng bức xạ đƣợc đặc trƣng bằng một dải năng lƣợng hay tƣơng ứng với nó,
một dải bƣớc sóng xác định.
Mối tƣơng quan giữa năng lƣợng E và bƣớc sóng λcủa bức xạ đƣợc mô tả
bằng biểu thức (2.1):
E = hv =
Trong đó:h = 6.626075(40) x 10-34 (J.s) là hằng số Planck;
c = 299 792 458 m.s-1 là vận tốc ánh sáng trong chân không.
1.2.3. Nguồn bức xạ gamma
Hiện nay các nguồn bức xạ ion hoá thƣờng đƣợc sử dụng trong công nghệ bức xạ là:
- Nguồn bứcxạ gamma từ 60Covà 137Cs.
- Chùm điện tử gia tốc và bức xạ hãmtừ máy gia tốc điện tử. Ngoài ra, bức
xạgamma từ lò phản ứng cũng đƣợc sử dụng.


12

Nguồn bức xạ (radiation source): Là vật thể bất kỳ có thể gây ra chiếu xạ
bằng cách phát bức xạ ion hóa hoặc làm phát tán các chất phóng xạ hoặc vật liệu
phóng xạ.
Bức xạ gamma (gamma radiation): Bức xạ sóng điện từ (photon) sinh ra
trong quá trình biến đổi hạt nhân hoặc khi hủy biến các hạt.
 Các đặc trƣngvật lý
Bức xạ gamma là bức xạ sóng điện từ, có khả năng xuyên thâu rất lớn. Bức
xạ gamma đƣợc phát ra khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ
bản trong những quá trình hạt nhân khác nhau. Các hạt nhân phóng xạ xác định phát
ra các bức xạ gamma có năng lƣợng xác định. Năng lƣợng cao nhất có thể đạt 8 – 10MeV.
Khi đi qua vật chất,bức xạ gamma bị mất năng lƣợng do 3 quá trình quang
điện, Compton và tạo cặp.
Trong quá trình quang điện, bức xạ gamma tƣơng tác với điện tử liên kết của

nguyên tử (thƣờng là điện tử lớp K), truyền toàn bộ năng lƣợng cho điện tử này, bứt
nó ra khỏi nguyên tử, kết quả gây ra sự ion hóa.
Trong quá trình Compton, bức xạ gamma tƣơng tác với điện tử ngoài cùng
của nguyên tử (điện tử liên kết yếu), truyền một phần năng lƣợng cho điện tử này và
thay đổi hƣớng ban đầu.
Trong quá trình tạo cặp, bức xạ gamma tƣơng tác với điện trƣờng gần hạt
nhân và biến thành một cặp mang điện electron và phản electron hay còn gọi là
positron. Các hạt này đƣợc tạo thành có năng lƣợng đủ lớn để gây ra sự ion hóa tiếp theo.
Bức xạ gamma có mối nguy hiểm bức xạ cao. Do có độ đâm xuyên lớn nên
có thể nguy hiểm đáng kể ở những khoảng cách khá xa nguồn. Các bức xạ tán xạ
cũng gây nguy hiểm vì vậy khi che chắn phải quan tâm đến mọi hƣớng. Tia gamma
gây tổn hại cho các mô, bao trùm cả cơ thể do đó những mô nhạy cảm với bức xạ sẽ
bị tổn hại khi con ngƣời có mặt trong trƣờng gamma ngoài. So với hạt alpha và
beta, tia gamma nguy hiểm hơn về mặt chiếu xạ ngoài nhƣng chiếu trong thì kém


13

hơn vì quãng chạy lớn nên năng lƣợng truyền cho một thể tích nhỏ của mô là nhỏ,
vì vậy cơ quan nhỏ trong cơ thể sẽ bị tổn thƣơng do chiếu trong của gamma ít hơn
alpha và beta.
Tia gamma thƣờng phát ra bởi những hạt nhân kích thích ngay sau quá trình
phân rã

của hạt nhân mẹ. Quá trình phân rã

với 1 và 2 chuyển mức gamma

thƣờng đƣợc sử dụng trong các nguồn gamma công nghiệp (Hình 1.3).
Bản chất của quá trình phát xạ gamma là do hạt nhân ở vào trạng thái kích

thích. Để giải phóng năng lƣợng, nó phân rã

-, đồng thời phát các tia gamma đặc

trƣng. Khi đó điện tích hạt nhân giảmđi 1 ví dụ 27Co thành26Ni.

Hình1.3. Sơ đồ phân rãvớicácchuyểnmức chính của mộtsố nguồn gamma
côngnghiệp.
a) Phân rã

-với hai gamma; b)Phân rã

-với mộtgamma

1.2.4. Tƣơng tác của bức xạ lên các hợp chất hữu cơ và polymer
N
đƣợc thực hiện hơn 40 năm qua. Các quá trình chính xảy ra khi chiếu xạ polymer
hóa ghép. Ngoài ra còn có các sản phẩm phụ nhƣ khí, hợp chất liên kết đôi,… cũng
đƣợc sinh ra trong quá trình xạ lý.


14

γ

T

c phản ứng quang hạt nhân (γ,n) có
thể bỏ qua nếu năng lƣợng photon thấp hơn 10 MeV và nếu vật liệu chỉ gồm những
nhân nhẹ nhƣ trƣờng hợp polymer hữu cơ, gồm các nguyên tố nhƣ H, C, N, O, S…

Khi tia γ hoặc tia X tƣơng tác lên vân đạo điện tử ba quá trình có thể xảy ra là hiệu
ứng quang điện, tán xạ Compton và sự tạo cặp. Những quá trình tƣơng tự cũng xảy
ra trong polymer chiếu xạ. Bức xạ ion hóa tạo ra những ion, những gốc và các phân
tử polymer ở trạng thái kích thích.
Tƣơng tác giữa các phân tử nảy sinh ra một số biến đổi hóa học sau:
Khâu mạch tạo liên kết giữa các phân tử (tăng khối lƣợng phân tử)
Cắt mạch liên kết đại phân tử (giảm khối lƣợng phân tử)
Thay đổi nồng độ và tính chất của liên kết đôi
Oxi hóa (khi có mặt oxi) và các phản ứng khác
Tách khí
Sự biến đổi hóa học dẫn tới thay đổi tính chất cơ lý, hóa lý của polymer nhƣ
độ kết tinh, độ tan trong dung môi, tính dẫn điện, tính thấm khí…
Nếu polymer khâu mạch bức xạ dẫn tới gia tăng độ cứng, lực kéo đứt, nhiệt
độ chảy mềm, giảm độ giãn dài và độ tan
mạch bức xạ thì hiệu ứng ngƣợc lại. Nếu polymer đồng thời thể hiện hai hiệu ứng
trên thì một hiệu ứng sẽ chiếm ƣu thế. Nguyên tắc thực nghiệm tiên đoán hiệu ứng
bức xạ lên vinyl polymer là nếu cấu trúc polymer có dạng (-CH2-CHR-)n

Nhƣ vậy, các quá trình chính xảy ra khi chiếu xạ polymer là cắt mạch hoặc
khâu mạch. Qua nghiên cứu của nhiều nhà khoa học đã đi đến kết luận rằng, các
polysaccharide nhƣ alginate, chitin/chitosan, pectin… bị cắt mạch dƣới tác dụng của
bức xạ. Sự cắt mạch dẫn đến sự giảm khối lƣợng phân tử đồng thời kèm theo một số
biến đổi hóa học.


15

Bảng 1.2. Phân loại polymer khâu mạch và ngắt mạch
Polymer khâu
mạch

Polymer cắt mạch

Polymer khâu mạch Polymer cắt
mạch

Polymethylen

Polyisobutylen

Poly vinyl axetat

Chitin/Chitosan

Polypropylen

Poly (α-methylstyren)

Poly vinylakylete

Agar

Polystyren

Polymethacrylat

Poly amit

Caraghinin

Polycrylat

Polymethaacrylamit

Polyvinyl pyrolidon Xanthan gum

Polyacrylamit

Poly vinyliden

Caosu tổng hợp

Polyacrylic axit

Xenluloza và dẫn xuất

Polyisopren

Polyacrylonitril

Polytetrafloruaaethylen Polybutadien

Poly vinyl
clorua

Alginat

Polyvinyl alcohol

 Những biến đổi hoá và hoá - lý của polymer dƣới tác dụng của bức xạ

Polymer là những hợp chất cao phân tử (phân tử lƣợng từ vài nghìn tới hàng
triệu đơn vị). Phân tử polymer là các đại phân tử, bao gồm nhiều nhóm phân tử (các
chuỗi đơn phân tử) đƣợc sắp xếp theo thứ tự lặp lại nhiều lần, nối với nhau bằng các
liên kết hoá học.
Khác với các chất rắn khác, vật liệu polymer dƣới tác dụng của bức xạ
thƣờng xảy ra các hiệu ứng tạo khuyết tật không mong muốn.Tuy nhiên, trong nhiều
trƣờng hợp, chiếu xạ lại cải thiện tính chất của vật liệu.
 Hiệu ứng khâu mạch và cắt mạch của polymer
Đây là những phản ứng không thuận nghịch, làm thay đổi đáng kể cấu trúc
và tính chất của polymer.
Hiệu ứng khâu mạch (cross-linking)
Hiệu ứng khâu mạch thƣờng cải thiện tính chất của polymer và có những ứng
dụng thực tế rất rộng rãi.
Cóhai loại khâu mạch: Khâu mạch ngang và khâu mạch vòng. Trong khâu
mạch ngang, mỗi liên kết mới gắn liền với 4 đoạn của chuỗi phân tử, còn trong khâu
mạch vòng nó chỉ nối với 3 đoạn (Hình 6.1).