đặc tính và sản xuất chitosan từ vỏ tôm thải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC


Báo cáo seminar:
ĐẶC TÍNH VÀ SẢN XUẤT CHITOSAN
TỪ VỎ TÔM THẢI


Mục Lục

Trang 2


I) Tóm tắt:
Mục đích của việc nghiên cứu là sản xuất ra chitosan từ vỏ tôm tận dụng nguồn
phế phẩm từ sản xuất thủy sản và nêu lên những thông số đặc trưng cho chất lượng
của chitosan từ vỏ tôm phế phẩm bao gồm các các số liệu về năng suất, độ hòa tan, độ
nhớt, trọng lượng phân tử và độ deacetylation. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc xử lý
nhiệt độ và thời gian gia nhiệt trong quá trình acetyl hóa ảnh hưởng đáng kể đến năng
suất, độ hòa tan, độ nhớt, trọng lượng phân tử và độ deacetylation trong việc sản xuất
chitosan. Trong khi đó, sự tương tác giữa nhiệt độ và thời gian gia nhiệt vào quá trình
deacetylation đã không có tác động đáng kể đến năng suất, độ hòa tan, độ nhớt, trọng
lượng phân tử và độ deacetylation của chitosan sản xuất. Kết quả tốt nhất trong nghiên
cứu lấy nhiệt độ ở 100oC và thời gian gia nhiệt 80 phút.
II) Giới thiệu:
Tôm là một trong những sản phẩm thủy sản quan trọng trên thế giới kể cả
Indonesia, sản phẩm này chủ yếu được xuất khẩu trong điều kiện đông lạnh đã trải qua
quá trình tách đầu và vỏ (giáp tôm). Phế phẩm của quá trình tách này sẽ gây ra ô
nhiễm môi trường, các mùi hôi và thiệt hại môi trường mỹ quan. Tuy nhiên, phế phẩm
này có giá trị kinh tế cao cho việc sản xuất chitin và chitosan trong công nghiệp

(Budiyanto 1993).
Chitin là polyme sinh học được tạo thành từ các đơn phân D-glucosamine Nacetyl với liên kết β (1-4) với giới hạn liên kết thường được tìm thấy trong tự nhiên
sau cellulose (Patil et al 2000). Polyme sinh học này là kết quả của quá trình
deacetylation chitin, gồm các đơn vị của N-acetyl glucosamine và N-glucosamine. Sự
hiện diện của các nhóm amin hoạt tính tại nguyên tử C-2 và các nhóm hydroxyl ở
nguyên tử C-3 và C-6 trên chitosan được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công
nghiệp khác nhau như dược phẩm, hóa sinh, công nghệ sinh học, mỹ phẩm, y học,
công nghiệp giấy, các ngành công nghiệp thực phẩm và dệt may….. Bên cạnh đó,
chitosan có thể được sử dụng như một chất nhũ hóa, đông máu, tác nhân tạo phức, nhũ
tương, chất làm đặc. Ngoài ra, chitosan cũng có thể được sử dụng để thay thế cho
formalin để bảo quản thực phẩm phục vụ tương đối an toàn cho tiêu dùng (Muzzarelli
1985).
Trang 3


Ứng dụng của chitin và chitosan trong các lĩnh vực khác nhau được xác định
bởi các đặc tính của chất lượng bao gồm mức độ deacetylation, độ hòa tan, độ nhớt, và
trọng lượng phân tử. Chất lượng của chitosan được xác định chủ yếu bởi độ
deacetylation, mà độ deacetylation tùy thuộc vào vật liệu và điều kiện quá trình như
nồng độ của dung dịch kiềm, nhiệt độ và thời gian (Suhardi 1993).
Mục tiêu của nghiên cứu là để có được những điều kiện tối ưu của nhiệt độ và
thời gian deacetylation của chitin và chitosan từ vỏ tôm phế thải. Nghiên cứu này là
rất quan trọng đặc biệt đối với việc sử dụng phế phẩm tôm thành các sản phẩm có giá
trị kinh tế.
III) Vật liệu và phương pháp
III.1) Thiết kế thí nghiệm.
Nhóm thiết kế ngẫu nhiên (RDG) 3 x 4 với hai yếu tố đã được sử dụng trong
nghiên cứu này. Yếu tố đầu tiên là nhiệt độ deacetylation với bốn cấp độ, cụ thể là: 70,
80, 90, và 1000C. Yếu tố thứ hai là thời gian gia nhiệt deacetylation với ba mức độ tức
là 40, 60, 80 (phút). Xử lý hỗn hợp là 3 x 4 = 12 đơn vị với 2 lần lặp lại, dẫn đến 24

nghiệm thức.
III.2) Chuẩn bị mẫu.
Vỏ tôm được thu thập từ các nhà máy sản xuất thủy sản của thành phố Banda
Aceh, Indonesia. Các vỏ tôm thu được rửa bằng nước cất, và sau đó các mẫu được
phơi dưới nắng trong 24h và tiếp tục sấy khô trên lò ở nhiệt độ 80 oC trong 24h. Các
mẫu khô được pha trộn và rây với lưới 80 meshes. Sử dụng khoảng 20g bột vỏ tôm đã
được xử lý ở trên để làm thí nghiệm phân tích.
III.3) Giai đoạn deproteination.
Có tổng cộng 20g mẫu bột vỏ tôm đã được thêm vào 3,5% sodium hydroxide
theo tỷ lệ 1:5 (w/v). Trích khuấy trên lửa và để trong 1 giờ ở 90 oC, sau đó các dung
dịch đã được lọc và phần dư được rửa sạch bằng nước máy cho đến khi pH trung tính,
sau đó tái sấy khô trong lò ở nhiệt độ 60oC cho 4 giờ và dẫn đến bột chitin.
III.4) Giai đoạn khử khoáng.
Bột Chitin là kết quả của deproteination sau đó được bổ sung Axit 2-Nhydrochloric theo tỷ lệ 1:5 (w/v), để yên trong 1 giờ ở 90 oC rồi tách cặn từ dịch lọc, và
Trang 4


sau đó phần dư được rửa sạch bằng nước cất cho đến khi pH trung tính, sau đó sấy
khô trong lò ở 60oC trong 4 giờ.
III.5) Giai đoạn khử màu.
Việc khử khoáng chiết chitin với acetone 1: 5 (w/v) trong 41 giờ ở Soxhlet, sau
đó phần còn lại được tẩy trắng bằng 0,32% sodium hypochlorite trong 5 phút ở nhiệt
độ phòng, sau đó phần dư được rửa sạch bằng nước cất cho đến khi pH trung tính và
khô trong lò ở 600C trong 4h.
III.6) Deacetylation chitin thành chitosan.
Cho 5g chitin phản ứng với 50ml sodium hydroxide 50%, sau đó làm nóng
bằng cách sử dụng một tấm nóng với nhiệt độ khác nhau (70, 80, 90 và 100 0C trong
40, 60, và 80 phút, tương ứng), sau đó được lọc và phần dư được rửa sạch cho đến khi
pH trung tính và sau đó sấy khô trong lò nung với nhiệt độ 60oC trong 4h.
III.7) Phân tích thống kê.

Tất cả dữ liệu được phân tích theo phương sai (Two Way Anova), tiếp theo là
so sánh các phương tiện sử dụng thử nghiệm trong nhiều phạm vi của Duncan (Zar
1984). Tất cả các phân tích thống kê được thực hiện bằng cách sử dụng SPSS.
IV) Kết quả và thảo luận
IV.1) Năng suất và khả năng hòa tan.
Năng suất Chitosan được dao động từ 50,39 - 88,25%, bình quân là 67,42%,
trong khi năng suất Chitin là 40%. Phân tích thống kê cho thấy rằng tác động của nhiệt
độ và thời gian ủ nhiệt của deacetylation vào sản lượng chitosan được đánh giá cao
(P<0,01), tuy nhiên các hiệu ứng tương tác giữa hai yếu tố này không có ý nghĩa (P>
0,05). Ảnh hưởng của nhiệt độ đến deacetylation về sản lượng chitosan có thể được
nhìn thấy trong hình 1, và các hiệu ứng thời gian gia nhiệt của deacetylation về sản
lượng chitosan có thể trong hình 2. Nhiều thử nghiệm ở các khoảng của Duncan cho
thấy năng suất cao nhất thu được ở nhiệt độ 70 0C (83,73%), đó là khác biệt đáng kể
với 800C, 900C và 1000C, trong khi năng suất thấp nhất tại 1000C (54,65%). Nhìn
chung, giá trị sản lượng của chitosan được giảm với sự gia tăng của nhiệt độ, có thể là
do nhiệt độ cao sẽ gây ra quá trình khử trùng hợp chitosan mà cuối cùng sau đó gây ra
sự giảm trọng lượng phân tử của chitosan.
Trang 5


Khả năng hòa tan của chitosan là một trong những thông số quan trọng đối với
chất lượng của chitosan, nơi hòa tan cao hơn sẽ tạo ra một chitosan tốt hơn (Winarti et
al 2008). Khả năng hòa tan của chitosan thu được trong nghiên cứu này dao động từ
17,43% đến 95,29%, bình quân là 57,52%, trong khi khả năng hòa tan trung bình của
chitin là 20%. Phân tích thống kê cho thấy rằng nhiệt độ nóng và thời gian gia nhiệt
deacetylation đã ảnh hưởng đáng kể đến sản xuất của chitosan (P <0,01), tuy nhiên sự
tương tác giữa các yếu tố này không ảnh hưởng đáng kể (P> 0,05). Ảnh hưởng của
nhiệt độ nóng của deacetylation về độ hòa tan chitosan có thể được nhìn thấy trong
hình 3, và các hiệu ứng thời gian gia nhiệt của deacetylation về độ hòa tan chitosan
trong hình 4.

Khả năng hòa tan của chitosan trong dung dịch acid acetic bị ảnh hưởng bởi
nhiệt độ và thời gian ngâm trong dung dịch NaOH. Axit axetic được phân loại như là
một axit yếu của lớp axit cacboxylic chứa nhóm carboxyl (-COOH). Nhóm cacboxyl
chứa cacbonyl và một nhóm hydroxyl. Các điểm sôi đạt được tại 118˚C và mùi rất hắc
(Fessenden & Fessenden 1986). Tỷ lệ gia tăng khả năng hòa tan được theo dõi với
mức độ ngày càng tăng deacetylation. Điều này là do các nhóm acetyl trong quá trình
deacetylation chitin sẽ được cắt rời khỏi nhóm amin. Ion H vào nhóm amin để
chitosan dễ dàng tương tác với các nước thông qua liên kết hydro. Thuộc tính của
chitosan chỉ hòa tan trong axit loãng, chẳng hạn như axit axetic, axit formic, axit citric
Trang 6


đã được thay thế, ngoại trừ chitosan tan trong nước. Sự hiện diện của nhóm carboxyl
trong axit acetic sẽ tạo điều kiện cho việc giải thể của chitosan do sự tương tác giữa
hydro carboxyl và nhóm amin của chitosan (Li et al 1997).
Trong dung dịch axit, nhóm amin tự do là phù hợp như polikationic cho tạo
phức kim loại hoặc phân tán. Do các polymer chitosan có tính axit, có cấu trúc thẳng
nên nó rất hữu ích cho việc keo tụ, tạo thành một màng hoặc làm bất động enzyme
(Winarti et al 2008). Điều này được hỗ trợ bởi Sanford (1989) trong một acid, nhóm
amin tự do của chitosan sẽ được proton để tạo thành nhóm amin cation (NH3 +).
Cation trong chitosan khi phản ứng với polyme anion sẽ tạo thành một chất điện phân
phức tạp.

IV.2) Độ nhớt
Chất lượng của chitosan là tùy thuộc vào độ nhớt, để tìm khối lượng phân tử
của chitosan thì cần phải có giá trị độ nhớt cần thiết, trong khi độ nhớt liên quan chặt
chẽ với trọng lượng phân tử và độ deacetylation. Hơn nữa nghiên cứu cho thấy sự gia
tăng độ nhớt chủ yếu chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ tăng lên. Việc tăng độ nhớt là do
hàm lượng acetyl chitosan cao, nên nhiệt độ tăng cao, acetyl hòa tan nhiều hơn, do đó

làm tăng độ deacetylation và tăng độ nhớt (giống như gel) với nhiệt độ tăng. Các đơn
phân của deacetylation chitosan cao hơn depolymerization làm giảm độ nhớt và trọng
lượng phân tử (Bastaman 1989).

Trang 7


Độ nhớt của chitosan thu được trong nghiên cứu này dao động trong khoảng
172,3-196,8 ml/g với trung bình 184,57 ml/g, trong khi nhớt của chitin là 150,9 ml/g.
các phân tích phương sai cho thấy nhiệt độ và thời gian gia nhiệt của quá trình
deacetylation có ảnh hưởng đáng kể giá trị của nhớt (P <0,01), tuy nhiên, hiệu ứng
tương tác giữa hai yếu tố này không bị ảnh hưởng đáng kể (P> 0,01). Ảnh hưởng của
nhiệt độ đến deacetylation vào độ nhớt có thể được nhìn thấy trong hình 5 và các hiệu
ứng thời gian gia nhiệt của deacetylation trên nhớt trong hình 6.

IV.3) Trọng lượng phân tử.
Trọng lượng phân tử của chitosan là một tham số có thể được sử dụng như một
tiêu chuẩn về chất lượng. Do chitosan có trọng lượng phân tử nên được áp dụng như
một chất chống vi khuẩn, chống oxy hóa và chất chống khối u. Chitosan có trọng
lượng phân tử trung bình có khả năng chống cholesterol cao hơn so với chitosan phân
tử lượng cao (Brzezinski et al 2004).
Trọng lượng phân tử của chitosan thu được trong nghiên cứu này dao động từ
81948,39 đến 110967,40 g/mol, trọng lượng phân tử trung bình của chitosan là
92036,83 g/mol, trong khi trọng lượng phân tử của chitin là 150,898 g/mol. Kết quả
của phương sai cho thấy nhiệt độ nóng, thời gian gia nhiệt vào quá trình deacetylation
và tương tác giữa chúng cho hiệu quả đáng kể (P≤0.05) vào trọng lượng phân tử của
chitosan. Ảnh hưởng của nhiệt độ nóng của deacetylation vào trọng lượng phân tử
chitosan có thể được nhìn thấy trong hình 7, và ảnh hưởng của thời gian gia nhiệt của
deacetylation vào trọng lượng phân tử chitosan trong hình 8.

Trang 8


IV.4) Độ Deacetylation.
Độ Deacetylation của chitosan là tham số chất lượng quan trọng nhất trong
nghiên cứu này. Độ deacetylation cho thấy tỷ lệ phần trăm của các nhóm acetyl có thể
được loại bỏ từ chitin để sản xuất chitosan. Độ Deacetylation cao cho thấy các nhóm
acetyl chứa trong chitosan là thấp. Các nhóm acetyl chitosan ít về sự tương tác giữa
các ion và liên kết hydro của chitosan sẽ mạnh mẽ hơn (Winarti et al 2008).
Độ Deacetylation của chitosan thu được trong nghiên cứu này dao động từ
76,26 đến 91,60% với độ trung bình tổng thể deacetylation là 82,86%. Kết quả của
phương sai cho thấy nhiệt độ nóng và thời gian gia nhiệt vào quá trình deacetylation
của chitosan ảnh hưởng rất đáng kể (P≤0.01) đến mức độ deacetylation của chitosan
sản xuất, trong khi sự tương tác đó không ảnh hưởng đáng kể (P> 0,05). Ảnh hưởng
của nhiệt độ đến deacetylation về mức độ deacetylation của chitosan có thể được nhìn
thấy trong hình 9 và các hiệu ứng thời gian gia nhiệt của deacetylation về mức độ
deacetylation của chitosan có thể được nhìn thấy trong hình 10.

Trang 9


V) Kết luận
Dựa trên các kết quả thu được từ nghiên cứu đã được thực hiện, có thể kết luận
rằng: (i) năng suất chitosan là 67,42%, trong khi năng suất chitin là 40%, (ii) độ tan
của chitosan là 57,52%, (iii) độ nhớt nội tại là 184,57 ml/g, trong khi nhớt của chitin
là 150,9 ml/g, (iv) trọng lượng phân tử của chitosan là 92.036,83 g/mol, (v) bằng
deacetylation của chitosan là 82,86%.
Các chitosan tốt nhất trong nghiên cứu này dựa trên khả năng hòa tan, độ nhớt,
trọng lượng phân tử và độ deacetylation thu được ở nhiệt độ làm nóng 100 0C và thời
gian gia nhiệt 80 phút ở quá trình deacetylation, trong khi năng suất cao nhất thu được

ở nhiệt độ làm nóng là 700C, và thời gian gia nhiệt 40 phút trong quá trình
deacetylation.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Bastaman S., 1989 Studies on degradation and extraction of Chitin and
Chitosan from Prawn Shell (Nephrops norvegicus). Tesis, Faculty of Engineering,
The Queen’s University of Belfast, 119 pp.
Brzezinski R., Lehoux J. G., Kelly A., 2004 Clinical studies on the
innocuousness of chitosan and its short-chain derivative generated by enzymatic
hydrolysis. Asia Pacific Journal of Clinical Nutrition 13:S96.
Budiyanto D., 1993 Teknologi Khitin dan Khitosan. Direktorat Jenderal
Perikanan, Balai Bimbingan dan Pengujian Mutu Perikanan, Jakarta.
Fessenden R. J., Fessenden J. S., 1986 Kimia Organik. Jilid 2, Edisi Ketiga,
Erlangga, Jakarta.
Trang 10


Li Q., Dunn E. T., Grandmaison E. W., Goosen M. F. A., 1997 Applications and
properties of chitosan. In: Applications of chitin and chitosan. Goosen M. F. A.
(ed), pp. 3-29, Technomic Publishing Company, Lancaster.
Muzzarelli R. A. A., 1985 Chitin. In :The polysaccharides. Aspinall G. O.
(ed.), pp. 417– 450, Academic Press, New York.
Patil R. S., Chormade V., Des-phande M. V., 2000 Chitinolytic enzymes: An
exploration.
Enzyme Microb Technol 26:473-483
Sanford P. A., 1989 Chitosan: Commercial uses and potential applications.
In: Chitin and Chitosan - sources, chemistry, biochemistry, physical properties
and applications.
Skjak G., Anthonsen T., Sanford P. (eds), pp. 51-69, Elsevier, London, UK.
Suhardi 1993 Khitin dan Kitosan. Buku Monograf, Pusat Antar Universitas

Pangan dan Gizi UGM, Yogyakarta, 272-278.
Winarti Z., Ariesta A., Salmalah E., 2008 Karakterisasi Mutu dan Kelarutan
Kitosan dari Ampas Silase Kepala Udang Windu (Panaeus monodon). Buletin
Teknologi Hasil Pertanian. Vol XI Nomor 2. Zar J. H., 1984 Biostatistical analysis.
2nd edition, Prentice Hall Inc, New Jersey, 178 pp.

Trang 11