Nghiên cứu biến tính aminopolysaccharide từ nguồn tự nhiên, định hướng ứng dụng cho quá trình xử lý nước thải nhiễm dầu

i

LỜI CAM KẾT
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kế t
quả đươ ̣c đưa ra trong luận án là trung thực, đươ ̣c các đồ ng giả cho phép sử du ̣ng và
chưa từng đươ ̣c công bố trong bấ t kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, tháng 07 năm 2017
Học viên

DOÃN ANH TUẤN


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM KẾT…………………………………………………………………...

i

MỤC LỤC………………………………………………………………………...

ii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT………………………………………...

v

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ……………………………………………

vi

LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………............

1

LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………..

5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN……………………………………………………...

6

Tổng quan về polysaccharide…………………………………………….

6

1.1.1. Cấu trúc và phân loại polysaccharide…………………………………...

6

1.1.2. Một số nguồn tự nhiên chứa polysaccharide……………………………

8

1.1.3. Phương pháp biến tính polysaccharide………………………………….

9

1.1.3.1.

Phương pháp vật lý………………………………………………………

9

1.1.3.2.

Phương pháp sinh học…………………………………………………..

10

1.1.3.3.

Phương pháp hóa học……………………………………………………

10

Tổng quan về aminopolysaccharide……………………………………..

15

1.2.1. Cấu trúc và dẫn xuất của aminopolysaccharide………………………..

15

1.2.2. Tính chất vật lý và hóa học của aminopolysaccharide…………………

18

1.2.2.1.

Tính chất vật lý…………………………………………………..............

18

1.2.2.2.

Tính chất hóa học………………………………………………………..

21

1.2.3. Chitin và phương pháp chuyển hóa thành aminopolysaccharide……..

24

1.2.3.1.

Chitin………………………………………………………………………

24

1.2.3.2.

Phương pháp chuyển hóa thành aminopolysaccharide……….........

25

1.2.4. Phương pháp biến tính aminopolysaccharide…………………………..

26

1.2.5. Ứng dụng của aminipolysaccharide……………………………………..

30

Các phương pháp xử lý nước thải nhiễm dầu…………………………..

33

1.3.1. Tổng quan về xử lý nước thải có dầu……………………………………

33

1.3.2. Phương pháp loại bỏ dầu trong nước…………………………………...

33

1.3.2.1.

Các phương pháp sinh học……………………………………………..

34

1.3.2.2.

Các phương pháp hóa lý………………………………………………..

35

1.3.2.3.

Các phương pháp hóa học………………………………………………

46

1.1.

1.2.

1.3.


iii

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM……………………………………………….....

47

Phương pháp thực nghiệm……………………………………………….

47

2.1.1. Dụng cụ và hóa chất………………………………………………………

47

2.1.1.1.

Dụng cụ……………………………………………………………………

47

2.1.1.2.

Hoá chất…………………………………………………………………...

47

2.1.2. Phương pháp tách chitin từ vỏ tôm……………………………………...

48

2.1.2.1.

Phương pháp hóa học……………………………………………………

48

2.1.2.2.

Phương pháp sử dụng vi sóng kết hợp enzym tách chitin từ vỏ

2.1.

tôm…………...............................................................................................................

50

2.1.3. Phương pháp chuyển hóa chitin thành aminopolysaccharide…………

51

2.1.3.1.

Các phương pháp tiến hành……………………………………............

51

2.1.3.2.

Xây dựng quy trình chung cho quá trình tách và chuyển hóa

aminopolysaccharide từ vỏ tôm…………………………………………………………..

54

2.1.4. Phương pháp biến tính aminopolysaccharide………………………….

54

2.1.4.1.

Biến tính ghép mạch bằng aniline……………………………………

54

2.1.4.2.

Biến tính khâu mạch bằng amonium persulfate………………………

58

2.1.5. Phương pháp đánh giá khả năng xử lý nước nhiễm dầu bằng vật liệu
aminopolysaccharide biến tính………………………………………………….

60

Các phương pháp phân tích và đánh giá………………………………..

61

2.2.1. Phổ hồng ngoại FT-IR……………………………………………………

61

2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua………………………………..

65

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………………....

66

Phân tích đặc trưng vật liệu……………………………………………..

66

3.1.1. Kết quả phân tích đặc trưng tách chitin từ vỏ tôm…………………….

66

3.1.2. Kết quả chuyển hóa chitin thành aminopolysaccharide……………….

67

3.1.3. Kết quả biến tính ghép mạch aminopolysaccharide bằng polyaniline..

70

3.1.3.1.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu…………………..

70

3.1.3.2.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng……………….

74

3.1.3.3.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng…………..........

76

3.1.4. Kết quả biến tính khâu mạch aminopolysaccharide…………………...

79

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu…………………..

79

2.2.

3.1.

3.1.4.1.


iv

3.1.4.2.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng……………….

81

3.1.4.3.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng………………..

84

3.2.

Kết quả đánh giá khả năng tách dầu trong nước của vật liệu APS-PA

và APS-AMS………………………………………………………………………

87

3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu……………………………………...

87

3.2.2. Ảnh hưởng của pH………………………………………………………..

90

KẾT LUẬN…………………………………………………………………..........

95

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN
VĂN………………………………………………………………………………

97

TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………..

98


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
APS

Aminopolysaccharide

PA

Polyaniline

PAA

Poly axitacrylic

AMS

Ammonium persulfate

SEM

Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua

FT-IR

Phương pháp phổ hồng ngoại

DD
APS-PAA
APS-PA
APS-AMS
DAF

Độ deacetyl hóa

Dẫn xuất khâu mạch của aminopolysaccharide và polyaxitacrylic
Dẫn xuất ghép mạch của aminopolysaccharide và polyaniline
Dẫn xuất khâu mạch của aminopolysaccharide và amonipersunfate
Lắng đọng bằng khí hòa tan


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Tên hình vẽ và bảng

Trang

Hình 1.1. Cấu trúc chung của polysacharide

6

Hình 1.2. Cấu trúc của tinh bột

7

Hình 1.3. Cấu trúc của glycogen

7

Hình 1.4. Cấu trúc cellulose

8

Hình 1.5. Phương pháp biến đổi sunfat hoá

11

Hình 1.6. Phương pháp biến đổi carboxymethyl hóa

12

Hình 1.7. Phương pháp biến đổi photpho hoá

13

Hình 1.8. Phương pháp biến đổi acetyl hoá

14

Hình 1.9. Phương pháp biến đổi alkyl hoá

14

Hình 1.10. Cấu trúc của aminopolysaccharide

16

Hình 1.11. Cấu trúc của aminopolysaccharide và cellulose

16

Hình 1.12. N, O – Cacboxymetylchitin

17

Hình 1.13. Dẫn xuất N, O – Cacbonxymetylaminopolysaccharide

17

Hình 1.14. Dẫn xuất N, O - Axylaminopolysaccharide

18

Hình 1.15. Dẫn xuất N – Metylaminopolysaccharide

18

Hình1.16. Quá trình deacetyl hoá

21

Hình 1.17. Phức aminopolysaccharide với kim loại

23

Hình 1.18. Phản ứng N-acyl hóa

23

Hình 1.19. Phản ứng alkyl hóa

23

Hình 1.20. Cấu trúc của chitin

25

Hình

1.21.

Quá

trình

chuyển

hóa

chung

chitin

thành

aminopolysaccharide

25

Hình 1.22. Cấu trúc hóa học của APS-AMS

26

Hình 1.23. Cấu trúc hóa học của APS-PAA

27

Hình 1.24. Cấu trúc hiển vi của APS-PAA

28

Hình 1.25. Cấu trúc hóa học của APS-PA

29


vii

Hình 1.26. Sự hấp phụ dầu ăn vào dẫn xuất APS-PA

30

Hình 2.1. Sản phẩm vỏ tôm sau khi được khử khoáng

49

Hình 2.2. Sản phẩm vỏ tôm sau khi loại bỏ protein

50

Hình 2.3. Sản phẩm vỏ tôm khử khoáng bằng phương pháp vi sóng

50

Hình 2.4. Sản phẩm chitin được tách bằng phương pháp vi sóng

51

Hình 2.5. Quá trình chuyển hóa chitin thành aminopolysaccharide

52

Hình 2.6. Sản phẩm aminopolysaccharide sau khi xử lý chitin bằng vi
sóng

53

Hình 2.7. Quy trình chuyển hóa vỏ tôm thành aminopolysaccharide

54

Hình 2.8. Sơ đồ biến tính ghép mạch bằng aniline

55

Hình 2.9. Sơ đồ biến tính ghép mạch bằng amoniumpersulfate

58

Hình 2.10. Sơ đồ kỹ thuật đo FT-IR

62

Hình 2.11. Hê ̣ máy đo FT-IR

63

Hình 2.12. Giá trị peak của nhóm OH và NH2

64

Hình 2.13. Máy hiển vi điện tử quét JSM – 5300

65

Hình 3.1. Phổ FT-IR của các mẫu chitin tách từ vỏ tôm bằng các phương
pháp

66

Hình 3.2. Phổ FT-IR của aminopolysaccharide chuyển hóa bằng các
phương pháp

68

Hình 3.3. Ảnh SEM của mẫu aminopolysaccharide chuyển hóa bằng
phương pháp

69

Hình 3.4. Phổ FT-IR của APS-PA với tỉ lệ APS:PA khác nhau

71

Hình 3.5. Ảnh SEM của các mẫu APS-PA với tỷ lệ khác nhau

73

Hình 3.6. Phổ FT-IR của các mẫu APS-PA tổng hợp được ở thời gian

75

Hình 3.7. Ảnh SEM các mẫu APS-PA hình thành tại các thời gian khác
nhau

76

Hình 3.8. Phổ FT-IR của các mẫu APS-PA phản ứng ở các nhiệt độ

78

Hình 3.9. Hình ảnh SEM của các mẫu APS-PA hình thành trong phản

78


viii

ứng ở các nhiệt độ khác nhau
Hình 3.10. Phổ FT-IR của mẫu APS-AMS với các tỷ lệ APS/AMS khác
nhau

80

Hình 3.11. Ảnh SEM các mẫu APS-AMS với tỷ lệ nguyên liệu khác nhau

81

Hình 3.12. Phổ FT-IR của các mẫu APS-AMS ở thời gian phản ứng khác
nhau

82

Hình 3.13. Ảnh SEM các mẫu APS-AMS biến tính tại các thời gian khác
nhau

84

Hình 3.14. Phổ FT-IR của các mẫu APS-AMS phản ứng ở nhiệt độ khác
nhau

85

Hình 3.15. Ảnh SEM của các mẫu APS-AMS biến tính ở các nhiệt độ
khác nhau

86

Hình 3.16. Đồ thị ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu tới khả năng phân
tách dầu trong nước

89

Hình 3.17. Đồ thị ảnh hưởng của pH tới khả năng phân tách dầu/nước

chứa chất nhũ hóa

91

Hình 3.18. Đồ thị ảnh hưởng của pH tới khả năng phân tách dầu trong
nước không chứa chất nhũ hóa

92

Hình 3.19. Đồ thị ảnh hưởng chất nhũ hóa tới khả năng tách dầu trong
nước của APS-PA theo pH

93

Hình 3.20. Đồ thị ảnh hưởng chất nhũ hóa tới khả năng tách dầu trong
nước của APS-AMS theo pH

94

Bảng 2.1. Danh sách hoá chất sử dụng

47

Bảng 2.2. Điều kiện khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu

56

Bảng 2.3. Điều kiện khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng

57

Bảng 2.4. Điều kiện khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

57

Bảng 2.5. Điều kiện khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu

59

Bảng 2.6. Điều kiện khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng

59


ix

Bảng 2.7. Điều kiện khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

59

Bảng 3.1. So sánh các phương pháp

67

Bảng 3.2. Kết quả ghép mạch APS-PA ở các tỷ lệ nguyên liệu khác nhau

73

Bảng 3.3. Kết quả ghép mạch APS-PA ở thời gian phản ứng khác nhau

76

Bảng 3.4. Kết quả ghép mạch APS-PA tại nhiệt độ khác nhau

79

Bảng 3.5. Kết quả khâu mạch của APS-AMS ở tỷ lệ nguyên liệu khác
nhau

79

Bảng 3.6. Kết quả khâu mạch của APS-AMS ở thời gian phản ứng khác
nhau

83

Bảng 3.7. Kết quả ghép mạch APS-AMS ở các nhiệt độ phản ứng khác
nhau

84

Bảng 3.8. Kết quả phân tích thành phần mẫu nước nhiễm dầu sau xử lý

88

Bảng 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng vật liệu đến hiệu suất loại bỏ dầu

88

Bảng 3.10. Kết quả phân tích thành phần mẫu nước nhiễm dầu sau xử lý

90

Bảng 3.11. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất tách dầu đối với mẫu
dầu/nước chứa chất nhũ hóa

91

Bảng 3.12. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất tách dầu đối với mẫu
dầu/nước không chứa chất nhũ hóa

92


1

LỜI NÓI ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Nước thải nhiễm dầu là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi

trường, phá hủy hệ sinh thái trong nước do nồng độ hợp chất hữu cơ cao. Nước thải
nhiễm dầu là vấn đề không chỉ của các ngành công nghiệp dầu mỏ, hóa dầu mà còn
có mặt trong các lĩnh vực khác như công nghiệp sản xuất thực phẩm, dược, mỹ
phẩm. Mặc dù thành phần nước thải nhiễm dầu của mỗi ngành công nghiệp nói trên
khác nhau nhưng chúng đều có đặc điểm chung đó là trạng thái tồn tại của dầu
trong nước ở dạng nhũ tương.
Chính vì vậy, việc xử lý nước thải công nghiệp là điều hết sức cấp bách và
cũng đã được hầu hết các quốc gia trên thế giới quan tâm và nghiên cứu.

Đã có rất nhiều phương pháp khác nhau được ứng dụng để xử lý nước nhiễm
dầu như phương pháp cơ học, phương pháp tách màng, hấp phụ, lọc. Các phương
pháp này chủ yếu ứng dụng trong phạm vi nước nhiễm dầu với diện tích hẹp [10].
Một phương pháp chủ yếu được sử dụng trong kỹ thuật xử lý nước thải nhiễm dầu
là phương pháp phá nhũ tương dầu trong nước bằng quá trình đông tụ và khử nhũ.
Đây là phương pháp dùng hóa chất để gây kết tụ các giọt dầu lơ lửng trong nước
dạng nhũ tương tách thành hai pha dầu và nước riêng biệt. Một số hóa chất truyền
thống thường được sử dụng là dùng axit sunfuric hoặc kết hợp với muối sắt hoặc
muối nhôm làm chất gây đông tụ và phá nhũ tương dầu trong nước [11]. Tuy nhiên,
với những hóa chất này gây ăn mòn thiết bị và làm pH của môi trường bị thay đổi.
Chất phá nhũ tương sau khi làm nhiệm vụ xử lý dầu ra khỏi nước sẽ nằm lại
trong nước, vì vậy, để tránh sự ô nhiễm thứ cấp, các chất phá nhũ cần phải được
tách ra. Sự tách các hoạt chất này sẽ tiêu tốn thêm vào công nghệ xử lý nước nhiễm
dầu và làm phức tạp công nghệ.
Hướng nghiên cứu mới gần đây tập trung vào các nguồn tiền chất tự nhiên như
xenlulo, tinh bột, chitin. Đây là những polyme sinh học được chiết từ thực vật và


2

động vật có khả năng biến tính cao và có khả năng phân hủy sinh học nên sau khi
sử dụng làm chất phá nhũ tương dầu/nước sẽ không gây ô nhiễm thứ cấp như các
hóa chất thông thường.
Chitin là polyme sinh học có nhiều trong thiên nhiên chỉ đứng sau xenluloza,
cấu trúc hóa học của chitin gần giống với xenluloza. Chitin có gốc từ chữ "chiton",
tiếng Hy Lạp có nghĩa là vỏ giáp. Chitin là thành phần cấu trúc chính trong vỏ (bộ
xương ngoài) của các động vật không xương sống trong đó có loài giáp xác (tôm,
cua). Khi chế biến những loại hải sản giáp xác, lượng chất thải (chứa chitin) chiếm
tới 50% khối lượng. Vì chitin phân hủy sinh học rất chậm nên việc xử lý một lượng
chất thải lớn như thế sẽ gặp nhiều khó khăn, nên việc tái chế lại chitin làm vật liệu

xử lý môi trường là một vấn đề cấp thiết.
Trong khi đó, aminopolysaccharide được biết đến là chất có hoạt tính sinh học
cao hơn, đồng thời khả năng phân hủy sinh học cũng lớn hơn và có nhiều tính chất,
công dụng hơn so với chitin. Aminopolysaccharide là hoạt chất sinh học không độc,
có ái lực cao với một số nhóm phẩm màu axit, màu chất nhuộm hoạt tính, các phân tử
dầu... Hoạt tính khử màu của aminopolysaccharide có tính chọn lọc cao hơn nhựa
trao đổi ion, than hoạt tính. Chúng có thể làm giảm nồng độ màu trong nước thải
xuống còn vài ppb, có thể hấp phụ được các ion kim loại gây ô nhiễm như Cu, Hg,
Cr, Pb, Ni, Cd… do có nhóm amino. Mặt khác aminopolysaccharide có khả năng
phân hủy dễ dàng hơn chitin.
Dựa trên những kết quả có được từ các nghiên cứu ứng dụng trên chitin và
aminopolysaccharide đó, ý tưởng từ nguồn chitin có trong vỏ tôm cá chuyển hóa
thành aminopolysaccharide và biến tính chúng, tạo ra hoạt chất có khả năng hấp
phụ các chất gây ô nhiễm trong việc xử lý ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là khả
năng tương tác với các phân tử dầu trong nước gây quá trình đông tụ giúp cho quá
trình xử lý dầu trong nước được dễ dàng hơn.
Trên cơ sở đó, đề tài sẽ thực hiện:


3

"Nghiên cứu biến tính aminopolysaccharide từ nguồn tự nhiên, định
hướng ứng dụng cho quá trình xử lý nước thải nhiễm dầu".
Hy vọng với đề tài này sẽ góp phần tạo cho nguồn nước thải của nhà máy lọc
dầu nói riêng và nguồn nước thải sinh hoạt nói chung thêm trong sạch. Tạo bước
tiền đề cho các hoạt động nghiên cứu tiếp theo về vật liệu màng nanocomposite.
2.

Mục đích của đề tài
Tách

được

chitin

từ

vỏ

tôm

(cua,

mực),

chuyển

hóa

thành

aminopolysaccharide và biến tính bằng các phương pháp khác nhau với định hướng
ứng dụng cho quá trình xử lý nước thải nhiễm dầu.
3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu từ vỏ tôm, nguồn nguyên liệu đơn giản, dễ

kiếm và có nguồn gốc thiên nhiên.
Phạm vi nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu aminopolysaccharide và biến tính vật

liêu cho quá trình xử lý nước thải nhiễm dầu.
4.

Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết
 Nội dung 1: Tách chitin từ nguồn nguyên liệu tự nhiên và nghiên cứu chuyển
hóa chitin thành aminopolysaccharide.
 Nội dung 2: Nghiên cứu quy trình biến tính aminopolysaccharide bằng các
phương

pháp

khác

nhau

và

đánh

giá

khả

năng

biến

tính

aminopolysaccharide.

 Nội dung 3: Đánh giá các đặc trưng của aminopolysacchride biến tính định
hướng sử dụng làm chất phá nhũ, gây đông tụ hệ nhũ tương dầu/nước.
 Nội dung 4: Đánh giá sơ bộ khả năng xử lý nước nhiễm dầu của
aminopolysaccharide biến tính.
5.

Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng các phương pháp hóa – lý truyền thống và hiện đại như:


4

Phương pháp phổ hồng ngoại (FT–IR) để xác định các nhóm chức của mẫu
vật liệu bao gồm các nhóm -OH, -CH, -CO, NH2
Phương pháp hiển vi điện tử (SEM) để xác định hình thái vật liệu
6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Các nghiên cứu trong luận văn đóng góp thêm vào kiến

thức trong lĩnh vực nghiên cứu biến tính, sử dụng các vật liệu tự nhiên, thân thiện
với môi trường trong xử lý nước thải nhiễm dầu, các định hướng khoa học làm
phong phú thêm các phương pháp hóa học biến tính các polyme tự nhiên.
Tính thực thiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài là những nghiên cứu thiết thực
nhàm tận dụng nguồn phế thải chế biến thực phẩm từ các nhà máy và gia tăng giá
trị cho những nguồn phế phẩm này. Nghiên cứu của đề tài cũng làm phong phú
thêm các kết quả trong lĩnh vực biến tính và xử lý môi trường


5

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Lọc - Hóa dầu,
Trường Đại học Mỏ - Địa chất.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thị Linh, người đã luôn
tận tình giúp đỡ và chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Em cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Lọc - Hóa dầu đã hết sức tạo
điều kiện để em có thể làm việc tại phòng thí nghiệm của bộ môn, cũng như đã hết
sức tận tình chỉ bảo giúp em tránh được một số sai sót không đáng có trong quá
trình làm thí nghiệm.
Cảm ơn các anh chị trong lớp Cao học Kỹ thuật Hóa học - K29, K30 cũng như
các bạn trực tiếp làm thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Lọc - Hóa dầu đã
nhiều lần giúp đỡ và động viên tinh thần trong quãng thời gian em làm luận văn.
Cảm ơn các bạn bè đã giúp đỡ những khi em gặp khúc mắc và những lúc khó
khăn để em có thể hoàn thành tốt nhất luận văn của mình.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 07 năm 2017
Học viên

DOÃN ANH TUẤN


6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan về polysaccharide

1.1.1. Cấu trúc và phân loại polysaccharide
Polysaccharide là carbohydrate bao gồm từ mười đến hàng ngàn đơn vị
monosaccharide, trong đó bao gồm D - glucosamine và N – acetyl – D glucosamine. Các monosaccharide là đơn vị xây dựng các polyme sinh học, thường
có cấu trúc dị vòng với mạch sáu nguyên tử oxy và carbon [4].
Cấu trúc chung của polysacharide được thể hiện ở hình dưới:

Cấu trúc monome

Cấu trúc hình thái
Alpha

Cấu trúc hình thái
Beta

Hình 1.1. Các cấu trúc của polysacharide
Các polysaccharide được tạo bởi cùng một loại monosaccharide được gọi là
homo - polysaccharide, nếu được tạo từ các monosaccharide khác nhau được gọi là
hetero - polysaccharide. Một số loại polysaccharide thường gặp trong tự nhiên như:
tinh bột, glycogen, cellulose.


7

 Tinh bột có công thức (C6H10O5)n , là một polysacarit carbohydrate chứa hỗn
hợp amylose và amylopectin, tỷ lệ phần trăm amylose và amylopectin thay
đổi tùy thuộc vào từng loại tinh bột, tỷ lệ này thường từ 20:80 đến 30:70
[32].

Hình 1.2. Cấu trúc của tinh bột
 Glycogen là polysaccharide đa nhánh của glucose, có vai trò làm chất dự trữ

năng lượng trong cơ thể động vật và vi sinh vật [3].

Hình 1.3. Cấu trúc của glycogen
 Cellulose là polyme tự nhiên được cấu tạo từ các liên kết các mắt xích β – D
- Glucose, có công thức cấu tạo là (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n trong đó
n có thể nằm trong khoảng 5000 - 14000, là thành phần chủ yếu cấu tạo nên
vách tế bào thực vật. Trong gỗ lá kim, cellulose chiếm khoảng 41 - 49%,
trong gỗ lá rộng nó chiếm 43 - 52% thể tích [3].


8

Hình 1.4. Cấu trúc cellulose
1.1.2. Một số nguồn tự nhiên chứa polysaccharide
Trong tự nhiên, polysaccharide là một chất đa chức năng. Nó được sử dụng để
lưu trữ năng lượng dưới dạng tinh bột, glycogen… Chúng cũng được cung cấp toàn
vẹn về cấu trúc và độ bền cơ học của sinh vật bằng cách hình thành một mạng lưới
đa chiều ngậm nước liên kết chéo ba, như pectin trong thực vật đất, và
polysaccharide mạch thẳng sulfat hóa từ các loài sinh vật biển như rong sụn, rong
đỏ.... Polysaccharide amin như cellulose và chitin hoạt động như sự hỗ trợ chính
của một sinh vật bởi cấu trúc rắn hoặc sợi cứng rắn với bao bọc chặt chẽ của chuỗi.
Hơn nữa, nó cũng là phần cơ bản ảnh hưởng đến cấu trúc xây dựng của ma trận tế
bào và một số chất lỏng sinh lý. Đối với một số sinh vật, polysaccharide mang bản
chất mục đích là bảo vệ. Nó hoạt động như một polysaccharide vi khuẩn ngoại bào
kháng nguyên và miễn dịch hoặc tiết dịch của nướu từ các hệ thống cung cấp chức
năng phòng ngừa bằng cách phong tỏa một phần bị thương [3].
Chitin được xem là polyme tự nhiên quan trọng thứ hai của thế giới, có nhiều
thứ hai thế giới (chỉ sau cellulose). Là một polyme động vật được tách chiết và biến
tính từ vỏ các loài giáp xác (tôm, cua, hến, trai, sò, mai mực, đỉa biển…), màng tế
bào nấm họ Zygemycetes, các sinh khối nấm mốc, một

số loài tảo …

Aminopolysaccharide thương mại có nguồn gốc từ vỏ tôm và động vật giáp xác
biển khác. Aminopolysaccharide được sản xuất bằng khử acetyl (đề acetyl hóa) của
chitin, đó là yếu tố cơ cấu trong các bộ xương ngoài của của động vật giáp xác (cua,
tôm, mai mực…) và thành tế bào của nấm [2].


9

1.1.3. Phương pháp biến tính polysaccharide
1.1.3.1.

Phương pháp vật lý

Cơ chế của phương pháp biến đổi vật lý là cắt các mạch polysaccharide ban
đầu để có được các mạch với khối lượng phân tử thấp. Phương pháp này có thể đảm
bảo việc duy trì các cấu trúc cơ bản của polysaccharide và chỉ gây ra một số thay
đổi về hình dạng. Phương pháp thường được sử dụng nhất là siêu âm gián đoạn, xử
lý bức xạ, tiếp xúc vi sóng và biến đổi sinh học [30].
 Siêu âm gián đoạn
Nguyên tắc của phương pháp này là dùng tần số thấp và năng lượng siêu âm
cường độ cao có thể cắt giảm một số liên kết hóa học bằng cách tăng năng lượng
rung của các hạt vật chất, do đó làm giảm trọng lượng phân tử và tăng độ tan trong
nước, cuối cùng là cải thiện hoạt tính sinh học của nó. Phân bố trọng lượng phân tử
các polysaccharide có một quy luật nhất định sau khi suy giảm siêu âm, có nghĩa là
độ phân bố khối lượng hẹp. Ngoài ra, tỷ lệ suy giảm các polysaccharide có thể được
tăng lên bằng cách tăng cường độ của sóng siêu âm và áp suất bên ngoài. Phương
pháp này sử dụng một tần số siêu âm và điện cố định, polysaccharide thu được với

trọng lượng phân tử thấp và hoạt tính sinh học cao hơn so với các polysaccharide
biến đổi bằng cách thay đổi vật lý khác. Sau khi xử lý siêu âm, trọng lượng phân tử
polysaccharide được giảm xuống, trong khi vẫn duy trì được phân bố cấu trúc đồng
đều và hoạt tính sinh học được tăng lên [30].
 Tiếp xúc vi sóng
Tiếp xúc với vi sóng có thể làm suy giảm các phân tử polysaccharide, và do đó
tăng độ hòa tan và hoạt động sinh học. Biến đổi vi sóng có những lợi thế của việc
sử dụng tiết kiệm thời gian và năng lượng điện. Quan trọng hơn, nó rất dễ dàng để
xử lý. Sự sụt giảm polysaccharide trong vi sóng được tạo ra bởi sự tương tác giữa
trường điện từ và các thành phần hóa học của polysaccharide, do rung phân tử và
ma sát mãnh liệt với nhau [21].


10

 Xử lý bức xạ
Xạ trị có thể phá vỡ các polysaccharide và thay đổi cấu trúc chính, vì vậy mà
các phân tử của polysaccharide có thể được hình thành. Thông thường, Co-60 được
sử dụng như một nguồn tia gamma. Đã có nhiều báo cáo về tác dụng của chiếu xạ
gamma về sự suy giảm của polysaccharide, bao gồm cả các phương pháp xử lý
cellulose, tinh bột, axit hyaluronic. Hơn nữa, tinh bột từ bốn loại khác nhau đã được
nghiên cứu sau khi biến đổi bởi chiếu xạ gamma, kết quả cho thấy tăng độ tan trong
nước và hấp thụ nước. Trong khi đó, hoạt động chống oxy hóa của chúng đã được
đẩy mạnh với sự gia tăng của cường độ chiếu xạ.
Tóm lại, biến đổi vật lý được sử dụng chủ yếu cho việc biến đổi các
polysaccharide, vẫn giữ hoạt tính sinh học trước khi xử lý và giảm trọng lượng phân
tử của chúng và giải phóng tốt hơn những hoạt động sinh học. Ngược lại, biến đổi
vật lý có thể được sử dụng để cải thiện các chức năng của thành phần thuốc trong
lĩnh vự y khoa. Ví dụ, độ hòa tan của cellulose và tinh bột có thể được tăng lên
thông qua biến đổi vật lý trước khi chúng được sử dụng để phát huy tác dụng điều

trị [23].
1.1.3.2.

Phương pháp sinh học

Nói chung, biến đổi sinh học của polysaccharide chủ yếu đề cập đến biến đổi
enzyme, đó là sự suy giảm của polysaccharide bằng xúc tác bằng enzym. So với
biến đổi hóa học, biến đổi enzyme có lợi thế đặc hiệu cao, hiệu quả cao, và ít tác
dụng phụ. Các khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm polysaccharide là tương
đối thống nhất sau khi giảm enzyme mà không có một ảnh hưởng lớn trên các mạch
chính của một polysaccharide. Việc sử dụng biến đổi enzyme hiện chỉ được giới
hạn một số loại polysaccharide [12, 13].
1.1.3.3.

Phương pháp hóa học

Biến đổi hóa học là một phương pháp phổ biến mà có thể thay đổi cấu trúc của
polysaccharide bằng cách đưa các nhóm thay thế được, do đó tăng cường hoạt tính
sinh học ban đầu của polysaccharide cũng như tạo ra hoạt tính sinh học mới.


11

Phương pháp biến đổi hóa học bao gồm các phương pháp nhứ sulfat hóa, alkyl hóa,
carboxymethyl hóa, phosphoryl hóa, acetyl hóa [21].
 Biến đổi sunfat hóa
Polysaccharide sulfate có thể được tổng hợp bằng cách gắn một nhóm sulfate
để thế một hydroxyl saccharide, chúng đã thay đổi sulfate trở thành một hướng
quan trọng cho biến đổi cấu trúc của một polysaccharide.
Cụ thể, polysaccharide sulfate được tổng hợp bằng cách thay thế hydroxyl,

carboxyl, hoặc nhóm amin với nhóm sulfate, với những cải thiện về hoạt động sinh
học. Nhóm sunfate đóng một vai trò quan trọng trong việc biểu thị các hoạt tính
sinh học. Đối với hầu hết polysaccharide sulfate, sự biến mất của hoạt tính sinh học
rất cao liên quan với việc loại bỏ các nhóm sulfate [20].

Hình 1.5. Phương pháp biến đổi sunfat hoá
Polysaccharide trung hoà nói chung là hòa tan trong các dung môi hữu cơ và
có thể được este hóa trực tiếp bởi sulfate, trong khi polysaccharide có các nhóm
hydroxyl ít thay thế bằng sulfate không hòa tan trong các dung môi hữu cơ. Để
chuyển đổi polysaccharide sunfate hóa thành dạng hòa tan trong một dung môi hữu
cơ, bước đầu tiên là để tái tạo lại chúng bằng polyme có tính axit, và sau đó tạo
nhóm sulfate để có được một mức độ thay thế sulfate cao.
 Biến đổi carboxymethyl hóa
Một số phân tử polysaccharide (cellulose, scleroglucan, và pachymaran) rất
khó để kích thích hoạt tính sinh học vì khó hòa tan vào nước. Vì vậy, cách để tăng
cường hoạt động sinh hóa của nó là thúc đẩy sự hòa tan vào nước.


12

Hình 1.6. Phương pháp biến đổi carboxymethyl hóa
Carboxymethyl hóa có nghĩa là đưa carboxymethyl vào chuỗi polysaccharide.
Phương pháp dung môi với dung môi hữu cơ đặc biệt và phương pháp môi trường
nước thường được sử dụng cho quá carboxymethyl hóa [37].
Phương pháp môi trường nước thực hiện bằng cách hòa tan polysaccharide
trong một dung dịch kiềm, thêm axit monochloroacetic. Sau đó, hốn hợpdung dịch
được phản ứng trong vài giờ, sử dụng axit axetic để điều chỉnh nó để độ pH trung
tính. Sau đó, các dung môi được xử lý bằng cách thêm etanol tạo ra kết tủa, sau đó
kết tủa được rửa bằng ethanol và acetone, phơi khô dưới điều kiện áp suất thấp để
có được các dẫn xuất carboxymethyl của polysaccharide.

Phương pháp dung môi để giải phóng các polysaccharide trong isopropanol,
ethanol, hoặc một số dung môi hữu cơ khác, và sau đó để thêm axit
monochloroacetic cho phản ứng ete hóa dưới nhiệt độ thích hợp.So với các phương
pháp môi trường nước, các phương pháp dung môi có một số ưu điểm nổi bật, bao
gồm sự ổn định của quá trình, tính đồng nhất trong kiềm và etherification phản ứng,
ít phản ứng phụ, phản ứng chính nhanh chóng, và hiệu suất sử dụng cao. Điểm bất
lợi ở đây là dung môi isopropal đắt tiền và độc hại.
 Biến đổi phosphate hóa
Do số lượng, chủng loại của phosphate monosaccharide tự nhiên và
polysaccharide có hạn, nghiên cứu về các hoạt tính sinh học của polysaccharide
phosphate còn rất hiếm. Đã có nhiều thí nghiệm chứng minh được rằng fructose,
glucose, và một số monosaccharide khác không có hoạt tính sinh học tự nhiên có
thể được kích hoạt sau khi sửa đổi phosphoryl hóa. Do đó, hầu hết các nghiên cứu


13

đã tập trung vào quá trình tổng hợp nhân tạo polysaccharide phosphate và một số
chất tương tự chúng. Các phản ứng phosphoryl hóa đòi hỏi xúc tác là axit mạnh, mà
thường dẫn đến sự sụt giảm các polysaccharide và sự phân bố phức tạp hơn. Điều
này phần lớn làm hạn chế các ứng dụng của phosphoryl hóa. Sự tồn tại của các
nhóm phosphate có thể cải thiện độ tan trong nước, thay đổi trọng lượng phân tử, và
sửa đổi chuỗi cấu tạo của polysaccharide.

Hình 1.7. Phương pháp biến đổi photpho hoá
Cách thứ nhất, là sử dụng axit photphoric hoặc anhidrit photphoric. Đầu tiên
chúng cần được hòa tan mẫu polysaccharide trong dimethyl sulfoxide trước khi
thêm axit photphoric. Các dung dịch sau đó cần phải được đun nóng trong một cốc
nước với nhiệt độ phản ứng thích hợp và với thời gian dựa trên các thuộc tính khác
nhau của polysaccharide. Nhược điểm chính của phương pháp này là có khả năng

cao xảy ra quá trình thủy phân polysaccharide.
Cách thứ hai, là sử dụng phosphate, một loại vật liệu giá rẻ mà không gây ra
sự suy giảm của polysaccharide. Natri hydro phosphat, natri dihydrogen phosphate,
sodium tripolyphosphate natri hexametaphosphate, hoặc muối hỗn hợp của chúng.
Nhưng phương pháp này có hoạt tính phản ứng thấp, và rất khó để có được sản
phẩm với một mức độ thay thế cao. Phương pháp này thường được sử dụng cho
việc biến đổi tinh bột.
Cách cuối cùng, là sử dụng photpho oxychloride. Photpho oxychloride là một
loại chất thử với hoạt tính cao. Nhưng vì phản ứng của nó mãnh liệt, năng suất thấp,
và xuất hiện nhiều các phản ứng phụ, ứng dụng của nó thường bị hạn chế. Do đó, để
thúc đẩy tính khả thi và ứng dụng của phương pháp này, cần thiết phải chọn phốt
pho oxychloride như acylating tinh khiết, và sử dụng pyridin để tạo ra muối


14

pyridinium với axit hydrochloric trong quá trình phản ứng. Bằng phương pháp này
có thể ngăn chặn quá trình thủy phân của các polysaccharide.
 Biến đổi acetyl hóa
Biến đổi acetyl hóa chủ yếu được sử dụng để xử lý các nhánh tại các phân tử
polysaccharide, giúp cải thiện đáng kể khả năng hòa tan của polysaccharide. Cơ chế
chính là các nhóm acetyl có thể làm cho các nhánh polysaccharide giãn ra và thay
đổi hướng theo chiều ngang, tạo nên các thế hệ của các phân tử polysaccharide mới.
Việc thay đổi cách sắp xếp không gian của chuỗi polysaccharide có thể dẫn đến
việc tiếp xúc của các nhóm polysaccharide hydroxyl, và do đó làm tăng khả năng
hòa tan trong nước.
Polysaccharide acetyl hóa là sản phẩm của sự hình thành của các nhóm acetyl
trong phân tử polysaccharide [21]. Trong phản ứng này, acid acetic anhydride trở
thành một tác nhân electrophin hoạt động có thể tấn công các phân tử
polysaccharide. Bản chất của phản ứng này là thay thế electrophin.

Hình 1.8. Phương pháp biến đổi acetyl hoá
 Biến đổi alkyl hóa

Hình 1.9. Phương pháp biến đổi alkyl hoá


15

Biến đổi alkyl hóa là sự hình thành của nhóm alkyl đến mạch cuối cùng của
chuỗi chính, để giảm độ nhớt và cải thiện khả năng hòa tan, để tăng hoạt tính sinh
học. Phương pháp này chủ yếu được áp dụng để biến đổi polysaccharide amin [8].
Khả năng hòa tan trong nước của aminopolysaccharide có thể được tăng lên bằng
cách alkyl hóa. Các tác nhân alkyl hóa chủ yếu bao gồm ankan halogen hóa,
aldehyde béo cao, và axit béo chuỗi dài.
Tóm lại, các loại, số hiệu, và vị trí của nhóm thế trong polysaccharide và các
dẫn xuất của chúng có tác động đáng kể đến hoạt động sinh học của chúng. Các vị
trí thay thế và hàm lượng của axit sulfuric, acetyl, nhóm alkyl, và chuỗi glycoside
có thể xác định sự xuất hiện và cường độ của các hoạt tính sinh học polysaccharide.
Do đó, việc sử dụng các biến đổi phân tử có thể thay đổi chủng loại, số lượng, vị trí
của các nhóm thay thế được, và cấu trúc polysaccharide, từ đó cho ra được kết quả
polysaccharide hoặc oligosaccharides có hoạt tính sinh học cao như mong đợi.
1.2.

Tổng quan về aminopolysaccharide

1.2.1. Cấu trúc và dẫn xuất của aminopolysaccharide
Aminopolysaccharide hay chitosan là một trong những dẫn xuất của chitin, là
một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ thành các kích cỡ khác nhau,
aminopolysaccharide được xem là polyme tự nhiên quan trọng nhất. Khác với

chitin, aminopolysaccharide có thể hòa tan nhất trong dung môi đặc biệt là axit cho
phép nó hoạt động như một polyelectrolyte cation. Aminopolysaccharide là chất xơ,
không giống chất xơ thực vật, aminopolysaccharide có khả năng tạo màng, có các
tính chất của cấu trúc quang học... Aminopolysaccharide có khả năng tích điện
dương do đó nó có khả năng kết hợp với những chất tích điện âm như chất béo,
lipid và acid mật. Trong những năm gần đây, aminopolysaccharide đã được áp dụng
nhiều do có nhiều lợi thế hơn so với chitin. Aminopolysaccharide chứa các thuộc
tính như một polyme tương thích sinh học, có khả năng phân hủy tự nhiên, phân
hủy sinh học, không độc tính, có khả năng tạo màng, tạo phức chelat với một số
kim loại, có khả năng hấp phụ và hoạt tính kháng khuẩn.


16

Cấu trúc của aminopolysaccharide rất giống với cấu trúc của xenlulozơ, các
đơn vị cấu tạo nên phân tử aminopolysaccharide là β-D-glucozamin hay β-(1,4)-2amino-2-deoxy-D-glucozơ. Aminopolysaccharide có công thức nguyên là
(C6H11O5N)n (n là số đơn phân D-glucozamin) [42].
Tên gọi khoa học: Poly(1-4)-2-amino-2-deoxy-β-D-glucose hay poly(1-4)-2amino-2-deoxy-β-D-glucopyranose
Công thức phân tử: [C6H11O4N]n
Phân tử lượng: Maminopolysaccharide = (161,07)n

Hình 1.10. Cấu trúc của aminopolysaccharide
Tuy nhiên trong thực tế, quá trình đề axetyl hóa không triệt để nên trong
phân tử aminopolysaccharide vẫn còn có các đơn phân N-axetyl-D-glucozamin xen
lẫn các đơn phân D-glucozamin. Quá trình đề axetyl hóa chitin có thể thực hiện
theo phương pháp hóa học thủy phân bằng kiềm hoặc theo phương pháp sinh học sử
dụng enzym - đề axetylase.

Hình 1.11. Cấu trúc của aminopolysaccharide và cellulose