Đánh giá ảnh hưởng của thành phần nguyên liệu đến chất lượng của sản phẩm chitin, chitosan

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU
ĐẾN CHẤT LƢỢNG CỦA SẢN PHẨM CHITIN, CHITOSAN

Giáo viên hƣớng dẫn: ThS. Phạm Thị Đan Phƣợng
Sinh viên thực hiện:

Võ Nguyễn Tú Uyên

Lớp:

57TP3

Mã số sinh viên:

57130909

Khánh Hòa – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU
ĐẾN CHẤT LƢỢNG CỦA SẢN PHẨM CHITIN, CHITOSAN

GVHD: ThS. Phạm Thị Đan Phƣợng
SVTH: Võ Nguyễn Tú Uyên
Lớp:

57TP3

MSSV: 57130909

Khánh Hòa – 2019


LỜI CAM ĐOAN
Khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Đánh giá ảnh hƣởng của thành phần nguyên
liệu đến chất lƣợng của sản phẩm chitin, chitosan” là công trình do tôi nghiên cứu.
Tôi xin cam đoan các số liệu nêu trong khóa luận là trung thực.
Những kết luận trong khóa luận chưa từng được công bố ở bất kỳ tài liệu nào.

Khánh Hòa, tháng 07 năm 2019
Người thực hiện

Võ Nguyễn Tú Uyên

iv

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận này, em nhận được nhiều sự chỉ bảo, giúp đỡ, động
viên và khích lệ của nhiều thầy cô, các anh chị và bạn bè.
Trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu Trường Đại học
Nha Trang, Ban chủ nhiệm Bộ môn Công nghệ thực phẩm cùng quý thầy cô đã giảng
dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho em
trong suốt thời gian học tập tại trường.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Cô ThS. Phạm Thị Đan
Phượng đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu cho em trong
suốt thời gian thực hiện khóa luận.
Qua đây em xin chân thành cảm ơn đến toàn thể thầy cô quản lý phòng thí nghiệm
Khu công nghệ cao đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em hoàn thành khóa luận này.
Cảm ơn gia đình và những người bạn đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ
em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Khánh Hòa, tháng 7 năm 2019
Sinh viên thực hiện

Võ Nguyễn Tú Uyên

v


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................v
MỤC LỤC .....................................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... viii
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ....................................................................3
1.1. Tìm hiểu về nguyên liệu vỏ và đầu tôm ........................................................................ 3

1.1.1. Sản lượng phế liệu tôm ..........................................................................................3
1.1.2. Cấu tạo và thành phần hóa học của phế liệu tôm ..................................................4
1.2. Nguồn gốc và sự tồn tại của chitin, chitosan ................................................................. 7
1.2.1. Cấu trúc và tính chất của chitin .............................................................................8
1.2.2. Cấu trúc và tính chất cơ bản của chitosan .......................................................... 10
1.3. Chỉ tiêu chất lượng của chitin,chitosan ....................................................................... 11
1.4. Ứng dụng của chitin, chitosan ..................................................................................... 12
1.5. Công nghệ sản xuất chitin, chitosan ............................................................................ 16
1.6. Tình hình nghiên cứu sản xuất chitin-chitosan trên thế giới và ở Việt Nam .............. 21
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................27
2.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................................. 27
2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị ....................................................................................... 27
2.3. Các phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 28
2.3.1. Thu mẫu và xử lý mẫu .........................................................................................28
2.3.2. Bố trí thí nghiệm xác định thành phần hóa học của đầu và vỏ tôm thẻ chân trắng ....28
2.3.3. Sơ đồ bố thí nghiệm tổng quát.............................................................................29
vi


2.3.4. Bố trí thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ bản của chitin khi sản xuất theo 2 quy
trình đề xuất ...................................................................................................................30
2.3.5. Bố trí thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ bản của chitosan khi sản xuất theo 2
quy trình đề xuất ............................................................................................................36
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................................................38
3.1. Thành phần hóa học cơ bản của nguyên liệu .............................................................. 38
3.2. Kết quả phân tích chỉ tiêu chất lượng và đánh giá chất lượng các mẫu chitin thu
được ở 2 quy trình đề xuất .................................................................................................. 40
3.3. Kết quả phân tích chỉ tiêu chất lượng và đánh giá chất lượng các mẫu chitosan thu
được từ 2 quy trình đề xuất................................................................................................. 44
3.4. Đề xuất phương pháp xử lý nguyên liệu trong quy trình sản xuất chitin, chitosan .......48

CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 51
4.1. Kết luận........................................................................................................................ 51
4.2. Kiến nghị ..................................................................................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 52
PHỤ LỤC .....................................................................................................................56

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần hóa học cơ bản của phế liệu tôm ...................................................... 5
Bảng 1.2. Thành phần hóa học cơ bản của vỏ tôm thẻ chân trắng ....................................... 6
Bảng 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của phế liệu tôm thẻ chân trắng ............................ 38
Bảng 3.2. Chất lượng cảm quan về màu sắc của chitin thu được từ 2 quy trình đề xuất ... 40
Bảng 3.3. Chất lượng cảm quan về màu sắc của chitosan thu được từ 2 quy trình đề xuất .... 44
Bảng 3.4. Chất lượng của các mẫu chitosan thu được ở quy trình deacetyl các mẫu
chitin từ quy trình 1 giai đoạn khử protein ......................................................................... 46
Bảng 3.5. Chất lượng của các mẫu chitosan thu được ở quy trình deacetyl các mẫu
chitin từ quy trình 2 giai đoạn khử protein ......................................................................... 46

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Công thức hóa học của cellulose và chitin ........................................................... 7
Hình 1.2. Công thức phân tử của chitin ................................................................................ 8
Hình 1.3. Công thức cấu tạo của chitosan .......................................................................... 10
Hình 1.4. Quy trình sản xuất chitosan theo phương pháp hóa học của Trang Sĩ Trung .... 22
Hình 1.5. Quy trình sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp hóa học của Phạm Thị
Đan Phượng, 2012 .............................................................................................................. 24

Hình 1.6. Quy trình sản xuất chitin, chitosan theo phương pháp sinh học của Phạm Thị
Đan Phượng, 2012 .............................................................................................................. 25
Hình 1.7. Quy trình sản xuất chitin của Holanda và Netto (2006) ..................................... 26
Hình 2.1. Sơ đồ sản xuất chitin tổng quát .......................................................................... 29
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình sản xuất chitin 1 giai đoạn khử protein (A) .............................. 31
Hình 2.3. Sơ đồ quy trình sản xuất chitin 2 giai đoạn khử protein (B) .............................. 34
Hình 2.4. Sơ đồ quy trình sản xuất chitosan....................................................................... 36
Hình 3.1. Nguyên liệu đầu tôm thẻ chân trắng ................................................................... 38
Hình 3.2. Các mẫu chitin sản xuất theo 2 quy trình đề xuất .............................................. 40
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn hàm lượng khoáng và protein còn lại trong các mẫu chitin
được sản xuất từ 3 nguyên liệu theo 2 quy trình. ............................................................... 42
Hình 3.4. Các mẫu chitosan sản xuất theo 2 quy trình đề xuất .......................................... 44
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn hàm lượng protein còn lại trong các mẫu chitosan thu được
sản xuất từ 3 nguyên liệu theo 2 quy trình ......................................................................... 45
Hình 3.6. Sơ đồ đề xuất phương pháp xử lý nguyên liệu trong quy trình sản xuất chitin,
chitosan 2 giai đoạn khử protein ........................................................................................ 48

ix


LỜI MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Ngành thủy sản đang là một ngành công nghiệp mũi nhọn của Việt Nam, nó
đóng góp một phần không nhỏ vào sự phát triển của nền kinh tế nước nhà. Đi đôi với
sự phát triển đó thì vấn đề phế liệu thải ra từ quá trình chế biến thủy sản hàng năm là
rất lớn, đặc biệt là phế liệu tôm, đây là một điểm hạn chế và luôn được sự quan tâm
của mọi người.
Trước đây, phế liệu tôm chỉ được dùng làm phân bón và thức ăn chăn nuôi. Thì
thời gian gần đây các nhà nghiên cứu đã chế biến phế liệu thành các sản phẩm giá trị
gia tăng như chitin, chitosan và các sản phẩm có giá trị khác. Đã có rất nhiểu nghiên

cứu liên quan đến vấn đề tìm hiểu và sản xuất chitin, chitosan. Các nhà nghiên cứu
luôn mong muốn cho ra sản phẩm chitosan chất lượng để ứng dụng vào nhiều lĩnh vực
như: nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm…
Một số nghiên cứu đã chỉ ra thành phần phế liệu tôm, phần đầu thường chiếm
khoảng 35÷45% trọng lượng tôm nguyên liệu, phần vỏ chiếm 10÷15%, còn lại là các
phế liệu khác. Trong phế liệu tôm có chứa các thành phần giá trị như protein, khoáng
chất, chitin, carotenoid, cacbonat canxi, sắc tố, enzyme…1. Việc tạo ra sản phẩm
chitosan từ các thành phần khác nhau từ phế liệu tôm bằng hóa chất loãng không
những cho chitin, chitosan đạt chất lượng mà còn dần tối ưu hóa về quy trình sản xuất,
hiệu quả sử dụng nguồn nguyên liệu, giảm thiểu lượng hóa chất sử dụng, giải quyết
vấn đề nước thải và tính an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng khi ứng dụng vào các
ngành công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm…
Với mong muốn đánh giá sự khác biệt giữa các thành phần trong nguyên liệu
đầu tôm ban đầu ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm chitin, chitosan. Vì vậy em tiến
hành thực hiện đề tài: “ Đánh giá ảnh hƣởng của thành phần nguyên liệu đến chất
lƣợng của sản phẩm chitin, chitosan” .
Mục tiêu nghiên cứu: Đánh giá sự khác biệt giữa các thành phần trong nguyên
liệu đầu tôm ban đầu đến chất lượng sản phẩm chitin, chitosan.

1


Nội dung nghiên cứu:
1. Xác định thành phần hóa học cơ bản của nguyên liệu đầu tôm thẻ chân trắng
với các phương pháp xử lý khác nhau.
2. Xác định các chỉ tiêu chất lượng cơ bản của chitin và chitosan khi sản xuất
theo quy trình đề xuất.
3. Đánh giá sự ảnh hưởng của nguyên liệu đầu tôm ban đầu đến chất lượng của
sản phẩm chitin, chitosan.
4. Đề xuất phương pháp xử lý nguyên liệu trong quy trình sản xuất chitin,

chitosan.
Ý nghĩa khoa học: Kết quả của đề tài có ứng dụng trong nghiên cứu, là dữ liệu
khoa học tham khảo về chitin, chitosan.
Ý nghĩa thực tiễn: Sự thành công của đề tài dưới quy mô phòng thí nghiệm sẽ
góp phần vào sự phát triển của ngành sản xuất chitin, chitosan. Qua đó, tận thu tối đa
nguồn phế liệu từ sản xuất mặt hàng tôm thẻ chân trắng, hạn chế ô nhiễm môi trường
và tạo sản phẩm thực phẩm có giá trị, mang lại hiệu quả kinh tế cao.

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Tìm hiểu về nguyên liệu vỏ và đầu tôm
1.1.1. Sản lƣợng phế liệu tôm
Theo thống kê của tổ chức lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO)
thì sản lượng tôm trên thế giới khoảng trên dưới 4 triệu tấn/năm. Hầu hết sản lượng
tôm trên thế giới từ các nước đang phát triển như: Thái Lan, Trung Quốc, Việt Nam,
Ecuado, Malaysia, Ấn Độ, Indonexia. Theo đó tạo ra một lượng phế liệu tôm rất lớn,
ước tính khoảng 1.6÷2 triệu tấn/năm 40.
Theo Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu thủy sản Việt Nam (VASEP), xuất khẩu
thủy sản của Việt Nam trong năm 2017 đạt trên 8,3 tỉ USD, tăng gần 19% so với năm
2016. Đây cũng là mức kỷ lục của ngành thủy sản từ trước tới nay. Đóng góp lớn nhất
vào xuất khẩu thủy sản đó là mặt hàng tôm với mức tăng trưởng trên 21% với giá trị
xuất khẩu đạt 3,8 tỉ USD. Sản lượng tôm sản xuất năm 2017 ước tính đạt 887,5 nghìn
tấn 43.
Sự phát triển nhanh chóng của ngành chế biến thủy sản đã góp phần lớn vào
việc nâng cao giá trị xuất khẩu của nước ta. Từ đó quá trình chế biến các sản phẩm
thủy sản cũng tạo ra một lượng lớn phế liệu.
Phế liệu tôm chủ yếu là đầu, vỏ và đuôi tôm, ngoài ra còn có phần thịt vụn do bóc
nõn không đúng quy trình kỹ thuật, tuy nhiên phần này cũng không đáng kể. Tùy thuộc

vào từng loài, sản phẩm chế biến khác nhau mà lượng phế liệu tôm thu được là khác
nhau. Trong thành phần phế liệu tôm, phần đầu thường chiếm khoảng 35÷45% trọng
lượng tôm nguyên liệu, phần vỏ chiếm 10÷15%, còn lại là các phế liệu khác. Tuy vậy tỷ
lệ này còn phụ thuộc vào giống loài, giai đoạn sinh trưởng và công đoạn chế biến 1.
Các loại phế liệu này nếu thải trực tiếp ra môi trường sẽ gây ô nhiễm môi
trường trầm trọng và nếu đem xử lý chất thải thì chi phí sẽ rất lớn. Ngày nay đã có
nhiều hướng nghiên cứu sử dụng phế liệu tôm để sản xuất các chế phẩm có giá trị
trong đó quan trọng nhất là việc sản xuất chitin, chitosan.

3


1.1.2. Cấu tạo và thành phần hóa học của phế liệu tôm
 Cấu tạo vỏ tôm 7
Lớp ngoài cùng của vỏ tôm có cấu trúc chitin protein bao phủ,lớp vỏ này
thường bị hóa cứng khắp bề mặt cơ thể do sự lắng đọng của muối canxi và các hợp
chất hữu cơ khác nằm dưới dạng phức hợp do sự tương tác giữa protein và các chất
không hòa tan.
Lớp biểu bì, lớp màu, lớp canxi hóa cứng do sự lắng đọng của canxi. Lớp màu,
lớp canxi hóa, lớp không bị canxi hóa chứa chitin nhưng lớp biểu bì thì không. Ta gọi
các lớp có chứa chitin là lớp endocuticle.
Vỏ chia làm 4 lớp chính:
Lớp biểu bì (epicuticle)
Lớp màu
Lớp canxi
Lớp không bị canxi hóa.
Lớp biểu bì (epicuticle): những nghiên cứu cho thấy lớp màng nhanh chóng bị
biến đỏ bởi fuxin, có điểm pH = 5.1 không chứa chitin. Nó khác với các lớp vỏ còn lại,
bắt màu với anilin xanh. Lớp epicuticle có lipid vì thế nó cản trở tác động của acid ở
nhiệt độ thường trong công đoạn khử khoáng bằng acid hơn là các lớp vỏ bên trong.

Màu của lớp này thường vàng rất nhạt có chứa polyphenol – oxidase và bị hóa cứng
bởi quinone – tanin.
Lớp màu: tính chất của lớp này do sự có mặt của những thể hình hạt của vật
chất mang màu giống dạng melanin. Chúng gồm những túi khí hoặc những không bào.
Một vài vùng xuất hiện những hệ thống rãnh thẳng đứng có phân nhánh, là con đường
cho canxi thấm vào.
Lớp canxi hóa: lớp này chiếm phần lớn vỏ, thường có màu xanh trải đều khắp,
chitin ở trạng thái tạo phức với canxi.
Lớp không bị canxi hóa: vùng trong cùng của lớp vỏ được tạo thành bởi một
phần tương đối nhỏ so với tổng chiều dày bao gồm các phức chitin – protein bền vững
không có canxi và quinone.
4


 Thành phần hóa học của phế liệu tôm:
Nguồn nguyên liệu khác nhau dẫn đến quy trình chiết rút chitin có sự khác
nhau, tùy thuộc vào hàm lượng khoáng và protein có trong phế liệu. Trong các loại
phế liệu thủy sản, vỏ cua có hàm lượng khoáng cao nhất, có thể lên đến trên 50% nên
quá trình loại khoáng khó khăn hơn, trong khi hàm lượng protein trong đầu tôm khá
cao. Ngoài ra một số loài tôm trong vỏ đầu có hàm lượng lipid tương đối cao (trên
10%) thì cần phải lưu ý công đoạn xử lý lipid. Thông thường lượng lipid này cũng
được loại đi trong công đoạn khử protein. Thành phần khoáng của phế liệu tôm, cua,
ghẹ, nang mực chủ yếu là Ca, ngoài ra còn có Mg, P, K, Mn và Fe 14.
Trong thời gian gần đây, việc nuôi tôm thẻ chân trắng (Penaaus vannamei)
thương phẩm phát triển mạnh, nguồn phế liệu tôm thẻ gồm đầu và vỏ tôm trở thành
nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học cơ bản của phế liệu tôm 12

STT

a

Thành phần hóa học

Hàm lượnga

1

Hàm lượng tro tổng số (%)

24,6 ± 0,8

2

Hàm lượng chitin (%)

18,3 ± 0,9

3

Hàm lượng protein (%)

47,4 ± 1,8

4

Hàm lượng lipit (%)

4,7 ± 0,3

5

Hàm lượng Astaxanthin (ppm)

130 ± 13,9

: Tính theo khối lượng khô tuyệt đối, độ ẩm của phế liệu tôm là 77,5 ± 1,2%.

5


Bảng 1.2. Thành phần hóa học cơ bản của vỏ tôm thẻ chân trắng 9

STT

Thành phần hóa học

Hàm lượng*

1

Hàm lượng chitin (%)

29,4 ± 1,4

2

Hàm lượng protein (%)

24,3 ± 1,2

3

Hàm lượng khoáng (%)

26,5 ± 1,9

4

Hàm lượng lipit (%)

2,2 ± 0,5

*

: Tính theo khối lượng khô tuyệt đối, độ ẩm của vỏ tôm là 76 ± 1,8%.

Thành phần chiếm tỷ lệ đáng kể trong đầu tôm và vỏ tôm là protein, chitin,
khoáng, sắc tố. Tỷ lệ các thành phần này không ổn định, chúng thay đổi theo giống,
loài, đặc điểm sinh thái, sinh lý…
Hàm lượng chitin, protein, khoáng và Astaxanthin trong phế liệu vỏ tôm thay
đổi phụ thuộc vào quá trình chế biến cũng như phụ thuộc vào loài, trạng thái dinh
dưỡng, chu kỳ sinh sản.
Protein: protein trong phế liệu tôm thường là loại protein không hòa tan do đó
khó tách ra khỏi vỏ, tồn tại dưới 2 dạng.
Dạng tự do: dạng này tồn tại trong cơ quan nội tạng và trong các cơ gắn phần
vỏ.
Dạng phức tạp: ở dạng này protein không hòa tan và thường liên kết với chitin,
canxi carbonate, với lipid tạo lipoprotein, với sắc tố tạo nên protein – carotenoid…như
một phần thống nhất quyết định tính bền vững của vỏ tôm.

Chitin tồn tại dưới dạng liên kết với protein, khoáng và nhiều hợp chất hữu cơ
khác, đây là khó khăn cho việc tách và tinh chế chúng.
Canxi: trong vỏ tôm, đầu tôm, vỏ ghẹ có chứa một lượng lớn muối vô cơ, chủ
yếu là muối CaCO3, hàm lượng Ca3(PO4)2 mặc dù không nhiều nhưng trong quá trình
khử khoáng dễ hình thành hợp chất CaHPO4 không tan trong HCl gây khó khăn trong
quá trình khử khoáng.
6


Sắc tố: trong vỏ tôm có nhiều loại sắc tố nhưng chủ yếu là astaxanthin. Trong
đầu và vỏ tôm thì astaxanthin kết hợp với protein một cách chặt chẽ. Cũng nhờ có liên
kết này mà thành phần astaxanthin trong vỏ tôm được bảo vệ.
Enzyme: phế liệu tôm cũng có chứa một số enzyme. Trong đầu tôm có chứa
enzyme tiêu hóa chymotrypsin, nó được ứng dụng trong điều trị bệnh ung thư. Một vài
loại enzyme khác có mặt trong phế liệu tôm gồm alkaline phosphate, chitinase, -Nacetyl glucosamidase cũng được ứng dụng nhiều trong thực tế. hoạt độ enzyme
protease của đầu tôm khoảng 6.5 đơn vị hoạt động tươi 13.
1.2. Nguồn gốc và sự tồn tại của chitin, chitosan
Chitin là một copolymer của N–acetyl–D–glucosamine và D–glucosamine liên
kết với nhau bằng liên kết β–1,4 glycoside. Chitin rất phổ biến tồn tại trong tự nhiên
với một số lượng rất lớn (đứng thứ hai sau cellulose). Chitin lần đầu tiên được tìm thấy
trong cặn dịch chiết từ một loại nấm bởi nhà khoa học người Pháp Braconnot vào năm
1811. Ông đặt tên cho chất này là “Fungine”. Năm 1823, Odier phân lập được một
chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi là chitin hay “chiton”, tiếng Hy lại có nghĩa là vỏ
giáp, nhưng 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 2.

Hình 1.1. Công thức hóa học của cellulose và chitin 13

Ngày nay chitin được phát hiện ở cả động vật và thực vật.
Trong động vật: Chitin là thành phần cấu trúc quan trọng của vỏ bao của một số

động vật không xương sống như côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác, giun tròn, Chitin
được coi là chất tạo xương hữu cơ chính ở động vật không xương sống 2.
7


Trong thực vật: Chitin có trong vách tế bào của nấm và một số loài tảo
chlorophyceae. Chitin tồn tại trong tự nhiên ở dạng tinh thể. Nó có cấu trúc gồm nhiều
phân tử được nối với nhau bằng cầu nối hydro và tạo thành một hệ thống dạng sợi ít
nhiều có tổ chức. Trong tự nhiên rất ít gặp dạng tồn tại tự do của chitin, nó liên kết
dưới dạng phức hợp Chitin-protein,Chitin với các hợp chất hữu cơ,… khi tồn tại như
thế Chitin có sự đề kháng đối với các chất thủy phân, hóa học và enzyme. Do đó nó
gây khó khăn cho việc tách chiết và tinh chế. Tùy thuộc vào đặc tính của cơ thể và sự
thay đổi từng giai đoạn sinh lý mà trong cùng một loài, người ta có thể thấy sự thay
đổi về hàm lượng cũng như chất lượng của chitin 2.
Trong tự nhiên, chitosan rất hiếm gặp, chỉ có trong vách ở một số lớp vi nấm
(đặc biệt: zygomycetes, mucor,…) và ở vài loại côn trùng như ở thành bụng của mối
chúa. Sự deacetyl bằng kiềm, chitin tạo thành Chitosan và tan được trong dung dịch
acid acetic loãng 2.
1.2.1. Cấu trúc và tính chất của chitin


Cấu trúc phân tử của chitin:
Từ những nghiên cứu về sự thuỷ phân của chitin bằng Enzym hay bằng acid

chlohydric đậm đặc đều cho ta một kết quả là chitin có cấu trúc đa phân tử đồng
nhất từ các đơn vị 2-acetamido-2 dioxy-D glucose được nối với nhau bằng cầu nối D1-4-2 dioxy glucozid. Nó được xem như là một dẫn xuất của Cellulose mà nhóm
hydroxyt ở C2 được thay thế bằng nhóm acetamit (-NH-CO-CH 3) 14.

Hình 1.2. Công thức phân tử của chitin 42

8


Công thức phân tử: (C32H54O21N4)n
n: phụ thuộc vào nguồn gốc của nguyên liệu
Ở cua: n = 500÷ 600
Ở tôm hùm: n = 700÷ 800
Ở tôm thẻ: n = 400÷500
Phân tử lượng : Mchitin =(203.09)n 14.
 Tính chất của chitin 14:
Chitin là một polysaccharide có tính kiềm trong môi trường kiềm nhưng kém
bền trong môi trường acid. Nó kết tinh ở dạng tinh thể màu trắng không định hình,
không tan trong nước, trong môi trường kiềm, acid loãng và các dung môi hữu cơ như
ete, rượu….Khi bị thuỷ phân tại liên kết amit do kiềm hoặc acid tạo ra amin và
cacbonyl chitin khó hoà tan trong dung dịch amoniac, khó hoà tan trong thuốc thử
schweizeisapramona. Điều này có thể là do nhóm acetamit (-NHCOCH3) ngăn cản sự
tạo thành các phức chất cần thiết. Chitin có thể hoà tan trong dung dich đặc nóng của
muối thioxianat Liti (LiSCN) và thioxianat canxi Ca(SCN)2 tạo thành dung dịch keo.
Độ phân tán của dung dịch keo này được xếp theo mức độ sau:
LiSCN > Ca(SCN)2 > CaI2> CaBr2 > CaCl2
LiSCN > LiI > LiBr > LiCl
Tính ổn định hoá học đáng kể của chitin được kết hợp với đặc tính hấp thụ đối
với nước và chất béo. Chitin vi tinh thể (có trọng lượng phân tử nhỏ) dễ phân tán được
tạo thành do thuỷ phân trong hỗn hợp acid photphoride/2propanol cũng có đặc tính
nhũ tương hoá hơn cả cellulose vi tinh thể.
Chitin tương đối ổn định với các chất oxy hoá khử, như thuốc tím (KMnO4),
oxy gìa (H2O2), nước Javen (NaClO) hay Ca(ClO)2 lợi dụng tính chất này người ta sử
dụng các chất oxy hoá trên để khử màu cho chitin.
Chitin có hoạt tính sinh học cao, có tính hòa hợp sinh học và tự phân hủy trên
da. Chitin bị men lysozyme, một loại men chỉ có ở cơ thể người, phân giải thành

monome N-acetyl-D-glucosamine.
9


Khi đun nóng chitin trong acid HCl đậm đặc thì chitin bị thuỷ phân hoàn toàn
tạo thành 88.5% D-Glucosamin và 22.5% acid acetic, quá trình thuỷ phân bắt đầu xảy
ra ở cầu nối glucoside, sau đó loại bỏ nhóm acetyl (-CO-CH3).
(C32H54N4O21)x + 2(H2O)x  (C28 H50N4O19)x + 2(CH3-COOH)x
Khi đun nóng chitin trong môi trường kiềm đặc chitin bị khử gốc acetyl tạo
thành chitosan.
Chitin +nNaOH(đậm đặc) chitosan + nCH3COONa
Khi đun nóng Chitin trong acid HCl đặc thì Chitin sẽ bị thủy phân tạo thành
glucosamine 85.5%, acid acetic 14.5%.
Chitin có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại ở bước sóng:λ = 884÷ 890 µm.
1.2.2. Cấu trúc và tính chất cơ bản của chitosan
 Cấu trúc phân tử của chitosan:
Chitosan là một vật liệu tương thích sinh học và phân hủy sinh học, được sản
xuất thương mại bằng phản ứng N-deacetyl hóa chitin, thành phần chính trong vỏ của
động vật giáp xác, trong môi trường kiềm. Chitin và chitosan là copolymer của hai
monomer 2-acetamido-2-deoxy-D-glucose (N-acetyl glucosamine, GlcNAc) và 2amino-2- deoxy-D-glucose (glucosamin, GlcN) thông qua liên kết β-(1→4) 5.

Hình 1.3. Công thức cấu tạo của chitosan 5

 Tính chất cơ bản của chitosan:
- Chitosan là chất rắn, xốp, nhẹ, màu trắng ngà, không mùi, không vị 5.

10


- Chitosan không độc, an toàn cho người dùng. Tính tương thích sinh học cao

và có khả năng phân hủy sinh học nên không gây dị ứng và không gây phản ứng phụ,
không gây tác hại đến môi trường 5.
- Cấu trúc ổn định 5.
- Tan tốt trong dung dịch acid loãng (pH < 6,3) và kết tủa ở những giá trị pH
cao hơn, hóa tím trong dung dịch iod 14 .
- Có tính kháng khuẩn tốt 14 .
- Là hợp chất cao phân tử nên trọng lượng của nó giảm dần theo thời gian do
phản ứng tự phân cắt mạch. Nhưng khi trọng lượng phân tử giảm thì hoạt tính kháng
khuẩn và kháng nấm không bị giảm đi 14.
- Có khả năng hấp thụ cao đối với các kim loại nặng 14.
- Ở pH < 6,3 Chitosan có tính điện dương cao 5.
- Trong phân tử chitosan có nhóm - OH, - NHCOCH3 trong các mắt xích Nacetyl-D-glucosamine có nghĩa chúng vừa là alcol vừa là amine, vừa là amit. Phản ứng
hóa học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thể N-14 .
- Mặt khác chitosan là những polymer mà các monomer được nối với nhau bởi
các liên kết alpha-1, 4-glycoside, các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất như:
acid, base, tác nhân oxi hóa và các enzyme thủy phân 5.
1.3. Chỉ tiêu chất lƣợng của chitin,chitosan
Ở Việt Nam hiện tại chưa có 1 hệ thống chuẩn các chỉ tiêu đánh giá chất lượng
chitin, chitosan, các chỉ tiêu dưới đây là các chỉ tiêu mà tôi đã tham khảo các tài liệu:
Chất lượng của Chitin - chitosan được đánh giá thông qua chất lượng chitosan
của công ty Protan - Biopolymer là một trong những công ty lớn trên thế giới (theo tạp
chí Thuỷ sản số 2 - 1992). Gồm các chỉ tiêu sau:
- Độ ẩm: 10%
11


- Hàm lượng tro: 1,5%
- Chất không hoà tan: 20%
- Độ nhớt : 200cps
- Độ deacetyl: 70%

Chitosan được sử dụng trong y học, dựa vào dược điển Việt Nam phải có các
giới hạn sau:
- Canxi: ≤ 0,03%
- Protein: cho phản ứng Biure âm tính
- Hàm lượng tro toàn phần : ≤ 1%
1.4. Ứng dụng của chitin, chitosan
Kể từ khi chitin được phát hiện, nó đã là đối tượng của nhiều nghiên cứu nhằm
tìm hiểu các tính chất của nó và tìm thấy ứng dụng của nó trong rất nhiều lĩnh vực.
Chitin và chitosan có các đặc điểm nổi bật như : hoạt tính sinh học, không độc hại, tính
trơ sinh lý, đặc tính kháng khuẩn, kháng nấm, tính chất tạo gel, tạo màng và tính ưa
nước. Do những ưu điểm này, chitin và chitosan đã được sử dụng rộng rãi trong các
lĩnh vực khác nhau như xử lý nước thải, y học, mỹ phẩm và nông nghiệp, công nghiệp
thực phẩm…
 Ứng dụng trong nông nghiệp
Chitosan đem lại hiệu quả trong việc kháng các loại bệnh sau thu hoạch và có
hiệu lực bảo quản tốt, giúp kéo dài giá trị thương phẩm của trái cây sau thu hoạch, tạo
thuận lợi cho quá trình vận chuyển, phân phối đem lại lợi ích cho người dân. Chitosan
còn được sử dụng để bảo vệ các hạt giống nhằm mục đích ngăn ngừa sự tấn công của
nấm trong đất, đồng thời nó còn có tác dụng cố định phân bón, thuốc trừ sâu, tăng
cường khả năng nảy mầm của hạt 3.
Chitosan chiếu xạ có khối lượng phân tử 30 kDa với nồng độ 800 ppm đã ức
chế hoàn toàn sự sinh trưởng của hệ sợi nấm Phytophthora spp. Tưới chitosan chiếu xạ
vào đất trồng cây dâu tây đã được gây nhiễm Phytophthora spp., sau đó bổ sung thêm
nấm Trichoderma làm giảm hoàn toàn tỷ lệ bệnh chết héo do nấm Phytophthora spp.
gây ra và làm cho cây dâu tây sinh trưởng tốt hơn 4.
12


 Ứng dụng trong xử lý nước thải
Chitosan có rất nhiều ứng dụng trong xử lý môi trường như: loại bỏ kim loại

nặng, chất ô nhiễm hữu cơ bằng cách tạo keo tụ hoặc tạo phức không tan với chúng,
bắt giữ thu hồi các kim loại quý, chất thải phóng xạ (Uranium, Cadimium). Đó là các
ứng dụng rộng rãi và có giá trị kinh tế nhất của chitosan.
Trong phân tử của chitosan có chứa các nhóm chức với các nguyên tử oxi và
nitơ còn cặp electron chưa sử dụng. Chúng có khả năng tạo phức với hầu hết các
kimloại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+… giúp
tách các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước một cách dễ dàng hơn. Khả năng tạo
phức này của chitosan đã được gia tăng đáng kể khi khâu mạch thành vật liệu gel ưa
nước 34. Các dẫn xuất hòa tan trong nước như N(o-carboxybenzyl) chitosan,
Ncarboxymethyl chitosan đã được sử dụng để thu hồi một số kim loại quý 28.
Trong dung dịch axit, các nhóm amin trong phân tử chitosan cũng bị proton hóa
(protonation), để trở nên dễ dàng hấp phụ một số hợp chất phenol, chất nhuộm kiềm.
Một ứng dụng lớn khác của chitosan và dẫn xuất là làm giảm độ đục của nước thải từ
ngành công nghiệp thực phẩm, ứng dụng này dựa vào khả năng kết tụ của chúng với
các hợp chất hữu cơ. Nguồn nước thải từ các nhà máy chế biến thực phẩm chứa một
lượng lớn protein, chitosan có thể giữ lại phần lớn lượng đạm này và sau khi qua một
số công đoạn sấy, tiệt trùng, lượng protein này lại có thể được dùng làm thức ăn bổ
sung cho gia súc 29.
Ngoài ra, chitosan còn chứng tỏ khả năng điều hòa bùn rất tốt, cả bùn thải ra từ
quá trình xử lý nước thải sinh hoạt lẫn công nghiệp, giúp bùn phân hủy sinh học nhanh
chóng trong môi trường đất và giảm chi phí khi thực hiện tách nước ra khỏi bùn bằng
phương pháp ly tâm 39.
Chitosan thể hiện là một chất trợ lắng sinh học rất tốt với hiệu suất thu hồi đạt
được gần 60% protein hòa tan trong nước rửa surimi trong thời gian ngắn (trong
khoảng 15 phút) 13.
 Ứng dụng trong y học
Với đặc tính tương thích sinh học và phân hủy sinh học tốt, chitosan được Tổ
chức Y tế Thế giới (WHO) đánh giá rất cao về tiềm năng ứng dụng trong y sinh dược
học 29.
13

Chitosan không chỉ cải thiện độ phân tán của các thuốc khó tan trong nước mà
còn ảnh hưởng đáng kể đến chuyển hóa chất béo trong cơ thể. Các gel được hình thành
thông qua tương tác của chitosan với các tác nhân polyanion như polyphosphat, sulfat,
glutaraldehit có ứng dụng rộng rãi trong các chế phẩm điều trị ngoài da dạng gel (kem
trị sẹo) 32.
Trong công nghiệp bào chế dược phẩm, chitosan đã được nghiên cứu làm tá
dược dính, tá dược rã, tá dược độn trong bào chế viên nang, chất mang thuốc có khả
năng nhả chậm...32. Đồng thời chitosan cũng được nghiên cứu như là một hoạt chất
có tác dụng giảm đau, hạ cholesterol, chữa bệnh dạ dày, chống động tụ máu, tăng sức
đề kháng, chữa xương khớp 25.
Ngoài ra, chitosan được dùng làm vật liệu sinh học mới thay thế trong y sinh
học và dược phẩm. Chitosan được ứng dụng làm chỉ khâu tự tan trong phẫu thuật, thay
thế các loại chỉ truyền thống, do chitosan có đặc tính bền với dịch mật, dịch tụy và
nước tiểu 30. Trong các trường hợp bị bỏng, chitosan có thể tạo màng xốp hút nước
mạnh, và giúp cho oxy thấm qua màng vào mô tổn thương rất dễ dàng, tạo điều kiện
bình phục nhanh 25. Trong điều trị vết thương, chitosan có tác dụng cầm máu, đẩy
nhanh quá trình phát triển các tế bào ở vùng mô bị thương, tăng cường hoạt động của
enzym chitinase và lysozym, giúp mau lành vết thương và giảm nhiễm trùng 30. Gần
đây, chitosan cũng được nghiên cứu dạng ống nhằm mục đích tái sinh dây thần kinh
27.
 Ứng dụng trong ngành dệt
Quá trình hấp phụ thuốc nhuộm lên chitosan là quá trình tỏa nhiệt và sự gia
tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ hấp phụ nhưng lại làm giảm khả năng hấp phụ. Tuy
nhiên, lượng thuốc nhuộm thường chiếm hàm lượng rất thấp trong nước thải ngành
dệt, nên sự thay đổi nhiệt độ không ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hấp phụ chất
nhuộm màu 22.Các vật liệu hydrogel nguồn gốc chitosan đã được sử dụng để xử lý
nước thải ô nhiễm màu từ các nhà máy dệt nhuộm.
Các nghiên cứu của Chiou và cộng sự đã chỉ ra rằng chitosan khâu mạch có khả

năng hấp phụ thuốc nhuộm bản chất kiềm cao hơn nhiều so với chitosan không khâu
mạch. Nguyên nhân là nhóm (-NH2) trong phân tử chitosan khâu mạch dễ bị proton hóa
14


bởi acid môi trường hơn và là tâm hấp phụ với thuốc nhuộm kiềm. Dung lượng hấp phụ
của chitosan khâu mạch có thể đạt mức 1800 g/kg chất hấp phụ và dung lượng hấp phụ
ban đầu phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của chất ô nhiễm. Ngoài độ pH, thời gian hấp
phụ và tốc độ dòng cũng ảnh hưởng tới tới động học quá trình hấp phụ thuốc nhuộm
23.
 Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm
Chitosan có đặc tính kháng nấm, kháng khuẩn 8 nên nó được dùng để làm
màng bọc bao gói thực phẩm sẽ kéo dài được thời gian bảo quản, làm giảm sự hư hỏng
của thực phẩm.
Công nghệ nano-chitosan có các đặc tính sinh học như khả năng phân hủy,
thích nghi, kháng nấm, kháng khuẩn, chống oxy hóa và không độc hại. Sản phẩm chế
phẩm sinh học nano-chitosan an toàn với con người được thế giới công nhận và sử
dụng để bảo quản thực phẩm. Chitosan kết hợp với nano bạc tạo thành một dung dịch
sử dụng trong bảo quản thanh long ruột đỏ cho hiệu quả tốt. Chất lượng thanh long khá
ổn định và thời gian tồn trữ cao hơn so với nghiệm thức đối chứng. Dung dịch chứa
1% chitosan và 7,5 mM nano bạc phối trộn theo tỉ lệ 3:1 cho kết quả tốt nhất, thanh
long tồn trữ được 19 ngày ở nhiệt độ thường (261C) và 30 ngày ở nhiệt độ lạnh
(61C) 17.
Ở nhiệt độ thường, trứng gà tươi bọc màng chitosan nồng độ 1,5% có bổ sung
0,05% Sodium Benzoate hoặc 1% Sorbitol có khả năng duy trì hạng chất lượng đến
15-20 ngày sau khi đẻ. Trong khi đó, trứng gà tươi không qua bọc màng chỉ duy trì
hạng chất lượng không quá 5 ngày, đồng thời các chỉ tiêu chất lượng khác (hao hụt
khối lượng, chỉ số màu lòng đỏ trứng) đều có biến đổi lớn hơn so với trứng có xử lý
màng bọc chitosan 6.
“Ứng dụng chitosan trong bảo quản chanh”. Kết quả cho thấy: Sau 3 tháng,

chanh bảo quản với màng chitosan màu sắc của vỏ chanh chỉ thay đổi chút ít so với lúc
mới hái, đồng thời độ cứng của quả cũng cao hơn hẳn so với chanh không được bảo
quản bằng chitosan 1.

15


Chế phẩm chitosan với bản chất là một polymer có khả năng “bắt giữ” các keo
âm trong dịch quả, bia, rượu vang, nước giải khát, nên chúng được sử dụng như một
chất trợ lắng mang lại hiệu quả cao 8.
Sandipan Chatterjee và cộng sự (2004), đã sử dụng dung dịch chitosan 2% hòa
tan trong acid acetic 7% để làm trong nước ép táo, nước ép chanh và nước ép cam. Sau
đó sử dụng chitosan với nồng độ 0,1g/l thấy rằng độ đục của nước quả ít hơn so với
dùng bentonit và gelatin. Nước trái cây sau khi đã được xử lý bằng dung dịch chitosan
được tiến hành đánh giá cảm quan (theo thang điểm 9) và khả năng chấp nhận thấy
rằng mức ý nghĩa tăng đáng kể.
1.5. Công nghệ sản xuất chitin, chitosan
Ở lớp vỏ giáp xác động vật, chitin là thành phần cấu trúc chính hình hành nên
độ vững chắc. Quá trình tách chiết chitin từ nguyên liệu vỏ giáp xác gồm 3 bước chính
là khử protein, khử khoáng được xem là quan trọng nhất và quyết định đến chất lượng
của chitin từ đó ảnh hưởng đến chất lượng của chitosan [31].
Công nghệ sản xuất chitin – chitosan theo phương pháp hóc học gồm các bước
cơ bản sau:
Nguyên liệu  Xử lý acid(khử khoáng)  Xử lý kiềm(khử protein) Khử
màu  Deacetyl  Chitosan.
- Quá trình khử protein: Quá trình khử protein thường được thực hiện với các
hóa chất là NaOH và KOH nồng độ từ 1%-10%, ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ cao có
khi lên đến 100C, thời gian xử lý vài giờ đến vài ngày. Tùy theo tính chất của nguyên
liệu mà chúng ta có thể chọn chế độ loại protein phù hợp 16.
Đối với quá trình khử protein, nhiệt độ đóng vai trò quan trọng, ở nhiệt độ

thường quá trình tách protein diễn ra chậm, thời gian thủy phân từ một đến vài ngày.
Khi nâng nhiệt độ xử lý thì thời gian cần thiết để tách protein giảm đáng kể. Để rút
ngắn thời gian khử protein chỉ còn vài giờ thì nhiệt độ cần đạt khoảng 90-1000C.
Ngoài ra tỷ lệ giữa phế liệu với dung dịch hóa chất cũng đóng vai trò quan trọng quyết
định hiệu quả của quá trình tách protein, trong nhiều nghiên cứu quá trình khử protein
được lặp lại nhiều lần.

16


Tuy nhiên cần phải lưu ý là sử dụng nhiệt độ cao hoặc thời gian xử lý dài sẽ dẫn
đến quá trình cắt mạch của sản phẩm chitin. Nồng độ kiềm sử dụng ảnh hưởng đến
chất lượng của chitin và chitosan thu được. nồng độ cao thì khả năng thủy phân protein
cao, thời gian xử lý ngắn, hàm lượng protein còn lại trong sản phẩm chitin thấp. tuy
nhiên gây ra hiện tượng cắt mạch chitin và chitosan. Thông thường nồng độ kiềm sử
dụng là 4%. Tỷ lệ giữa dung dịch kiềm và phế liệu cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu quả
tách protein, tỷ lệ 5/1 đối với nguyên liệu tươi và 15/1 đối với nguyên liệu khô thường
được sử dụng. Để tăng cường hiệu quả của quá trình tách protein thì trong quá trình xử
lý cần thực hiện khuấy đảo. Ngoài ra kích thước của nguyên liệu cũng ảnh hưởng đến
hiệu quả tách protein. Do đó trong rất nhiều quy trình sản xuất chitin, phế liệu tôm
được nghiền nhỏ đến kích thước từ 2-5 mm. Để đáp ứng yêu cầu chất lượng của
chitosan công nghiệp, thì hàm lượng protein còn lại trong sản phẩm chitin phải nhỏ
hơn 1%.
- Quá trình khử khoáng: Phế liệu thủy sản tôm thường chứa một lượng khoáng
khá cao (chủ yếu là muối canxi). Trong vỏ tôm thành phần khoáng chủ yếu là muối
CaCO3 và rất ít Ca3(PO4)2

.

Nên người ta thường dùng các loại axit như HCl,

H2SO4,...để khử khoáng. Vì vậy, một trong những công đoạn quan trọng của công
trình sản xuất chitin là khử khoáng. Thông thường quá trình khử khoáng được thực
hiện trong dung dịch acid clohydric loãng ở nhiệt độ phòng. Tương tự như quá trình
khử protein, theo các công trình nghiên cứu đã công bố, chế độ tách khoáng cũng rất
đa dạng nồng độ HCl từ 0.5 đến 2N, nhiệt độ từ nhiệt độ rất thấp đến nhiệt độ phòng,
thời gian từ 0.5 đến 48h 32.
Khi xử lý khử khoáng bằng acid HCl thì quá trình khử khoáng diễn ra theo
phương trình sau:
CaCO3 + 2HCl = CO2 +CaCl2 + H2O
Ca3(PO4)2 + 6HCl = 3CaCl2 + 2H2PO4
Động học phản ứng của quá trình tách khoáng diễn ra rất nhanh ở thời gian
đầu (trong vòng 30 phút) với hàm lượng khoáng giảm đến 90%, sau đó quá trình diễn
ra rất chậm. kết quả tương tự cũng được ghi nhận trong nghiên cứu của No và cộng
sự (1989) và Percot và cộng sự (2003). Theo kết quả nghiên cứu của Percot, sau 30
giây, 98% lượng acid HCl cho vào đã phản ứng thể hiện quá trình khử khoáng diễn
17