Nghiên cứu quá trình cắt mạch β chitosan ở trạng thái rắn với tác nhân h2o2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU Q TRÌNH CẮT MẠCH β–CHITOSAN Ở
TRẠNG THÁI RẮN VỚI TÁC NHÂN H2O2

Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Trang Sĩ Trung
ThS. Nguyễn Công Minh

Sinh viên thực hiện:

Châu Nguyên Chương

Mã số sinh viên:

58132442

Khánh Hòa  2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Nghiên cứu quá trình cắt mạch β–
chitosan ở trạng thái rắn với tác nhân H2O2” là cơng trình nghiên cứu của cá nhân
tôi và chƣa từng đƣợc công bố trong bất cứ cơng trình khoa học nào khác cho đến thời
điểm này.
Khánh Hòa, tháng 8 năm 2020
Châu Nguyên Chƣơng

i


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu cùng quý
Thầy, Cô Trƣờng Đại học Nha Trang đặc biệt là thầy cô trong khoa Cơng nghệ Thực
phẩm đã giúp đỡ tận tình và truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng bổ ích cho
hành trang vào đời của tôi.
Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trang Sĩ Trung đã tận tình
hƣớng dẫn, giúp đỡ và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm q báu cho tơi cũng chính
là giáo viên hƣớng dẫn tôi thực hiện đề tài này.
Đặc biệt xin đƣợc ghi nhớ và chân thành cảm ơn đến Th.S Nguyễn Công Minh
đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt rất nhiều kinh nghiệm trong q trình tơi
thực hiện đề tài nghiên cứu này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô và cán bộ quản lý Phịng thí
nghiệm Cơng nghệ và Thiết bị cao đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho tôi thực tập
tại phịng thí nghiệm.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ và bạn bè đã động viên tơi trong
suốt q trình thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn!
Khánh Hòa, tháng 8 năm 2020
Châu Nguyên Chƣơng

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ...................................................................................................................... iii

DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH........................................................................................................ vi
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 3
1.1 Tổng quan về β–chitosan ........................................................................................ 3
1.1.1. Cấu tạo và tính chất của β–chitosan....................................................................... 3
1.1.2. Ứng dụng của chitosan .......................................................................................... 8
1.2 Nghiên cứu sản xuất chitosan phân tử lƣợng thấp .................................................. 11
1.2.1. Phƣơng pháp vật lý ............................................................................................. 11
1.2.2. Phƣơng pháp sinh học ......................................................................................... 12
1.2.3. Phƣơng pháp hóa học .......................................................................................... 13
1.2.4. Nghiên cứu quá trình cắt mạch bằng H2O2 .......................................................... 15
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................... 18
2.1 Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................................ 18
2.1.1. β–chitosan chitosan ............................................................................................. 18
2.1.2. Hóa chất .............................................................................................................. 19
2.1.3. Thiết bị sử dụng cho nghiên cứu ......................................................................... 19
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................... 19
2.2.1. Bố trí thí nghiệm tổng quát.................................................................................. 19
2.2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm chi tiết ............................................................................ 21
2.3 Phƣơng pháp phân tích .......................................................................................... 25
iii


2.4 Phƣơng pháp xử lý số liệu ..................................................................................... 25
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGUYÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ....................................... 26
3.1 Tính chất cơ bản của nguyên liệu .......................................................................... 26
3.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất cắt mạch chitosan ............................ 27
3.3 Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá hiệu suất mạch chitosan ..................................... 31
3.4 Ảnh hƣởng của thời gian cắt mạch đến hiệu suất cắt mạch chitosan ...................... 34

3.5 Ảnh hƣởng của nồng độ H2O2 đến hiệu suất cắt mạch chitosan ............................. 37
3.6 Đề suất quy trình cắt mạch .................................................................................... 40
CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 44

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các dung dịch acid thƣờng đƣợc dùng để hòa tan chitosan .............................. 5
Bảng 1.2. Một số ứng dụng chính của chitosan ................................................................ 9
Bảng 1.3. Chế độ cắt mạch và độ nhớt của các sản phẩm chitosan ................................. 14
Bảng 3.1. Tính chất chitosan nguyên liệu....................................................................... 26
Bảng 3.2. Thông số chitosan nguyên liệu ban đầu và chitosan khối lƣợng phân tử thấp . 41

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sự sắp xếp mạch của 3 dạng chitosan ............................................................... 4
Hình 1.2. Cấu trúc hóa học của chitin và chitosan ............................................................ 4
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình sản xuất β–chitosan . ............................................................. 18
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng qt ................................................................... 20
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của pH mơi trƣờng hiệu suất
cắt mạch β–chitosan....................................................................................................... 21
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghệm nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất cắt
mạch β–chitosan ............................................................................................................ 22
Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thì nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian đến quá hiệu
suất mạch β–chitosan ..................................................................................................... 23
Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thì nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ H2O2 đến hiệu

suất cắt mạch chitosan ................................................................................................... 24
Hình 3.1. Nguyên liệu sử dụng để cắt mạch .................................................................. 26
Hình 3.2. Đồ thị thể hiện sự ảnh hƣởng của pH đến độ nhớt và hiệu suất cắt mạch của
β–chitosan ..................................................................................................................... 28
Hình 3.3. Đồ thị thể hiện sự ảnh hƣởng của pH đến độ nhớt và hiệu suất cắt mạch của
α–chitosan ..................................................................................................................... 29
Hình 3.4. Ảnh hƣởng của quá trình điều chỉnh pH đến khả năng trƣơng nở của
chitosan ......................................................................................................................... 30
Hình 3.5. Ảnh hƣởng của pH đến màu sắc của sản phẩm .............................................. 31
Hình 3.6. Đồ thị thể hiện sự ảnh hƣởng của nhiệt độ đến độ nhớt và hiệu suất cắt
mạch của β–chitosan ...................................................................................................... 32
Hình 3.7. Đồ thị thể hiện sự ảnh hƣởng của nhiệt độ đến độ nhớt và hiệu suất cắt mạch
của α–chitosan ............................................................................................................... 33
Hình 3.8. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến màu sắc của sản phẩm ...................................... 34

vi


Hình 3.9. Đồ thị thể hiện sự ảnh hƣởng của thời gian cắt mạch đến độ nhớt và hiệu
suất cắt mạch của β–chitosan. ........................................................................................ 35
Hình 3.10. Đồ thị thể hiện sự ảnh hƣởng của thời gian cắt mạch đến độ nhớt và hiệu
suất cắt mạch của α–chitosan. ........................................................................................ 36
Hình 3.11. ảnh hƣởng của thời gian đến màu sắc sản phẩm .......................................... 37
Hình 3.12. Đồ thị thể hiện sự ảnh hƣởng của nồng độ H2O2 đến hiệu suất cắt mạch của
β–chitosan ..................................................................................................................... 38
Hình 3.13. Đồ thị thể hiện sự ảnh hƣởng của nồng độ H2O2 đến hiệu suất cắt mạch của
α–chitosan ..................................................................................................................... 39
Hình 3.14. Ảnh hƣởng của nồng độ đến màu sắc sản phẩm .......................................... 39
Hình 3.15. Quy trình sản xuất β–chitosan khối lƣợng phân tử thấp ............................... 40
Hình 3.16. Nguyên liệu sử dụng để cắt mạch ................................................................ 42

vii


LỜI MỞ ĐẦU
Chitosan có khối lƣợng phân tử thấp (LMW- Low Molecular Weight) có hoạt tính
sinh học cao và đa dạng nhƣ: có khả năng hút nƣớc, giữ ẩm, tính kháng nấm, tính kháng
khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau, kích thích sự phát triển tăng sinh của tế bào, có khả
năng ni dƣỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh dƣỡng, tác dụng cầm máu, chống sƣng.
Chitosan không những ức chế các vi khuẩn gram dƣơng, gram âm mà cả nấm men và nấm
mốc [13].
Chitosan khối lƣợng phân tử thấp đƣợc sản xuất bằng cách cắt mạch chitosan phân tử
lƣợng cao, các phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng là hóa học (HCl, H2SO4, H2O2), sinh học
(pepsin, papain, pronase), vật lý (các phƣơng pháp chiếu xạ nhƣ tia X, tia gamma, bức xạ vi
sóng) [8, 29, 36, 51, 54]. Tuy nhiên các phƣơng pháp trên thƣờng phải thực hiện ở trạng thái
lỏng dẫn đến quá trình thu hồi và tinh sạch sản phẩm khơng cao.
β–chitin có nhiều trong nang mực ống là nguyên liệu để sản xuất chitosan có độ tinh
khiết cao do cấu trúc phân tử có tính hydrate nhờ đó mà q trình khử tạp chất diễn ra dễ
dàng hơn α-chitosan. β–chitosan có khả năng kháng khuẩn và kháng nấm đƣợc cho là tốt
hơn α-chitosan.
Các phƣơng pháp cắt mạch hiện nay chủ yếu tập trung vào α-chitosan và đa số đƣợc
thực hiện ở trạng thái lỏng, chƣa có nghiên cứu đề cập đến quá trình cắt mạch β–chitosan ở
trạng thái rắn bằng H2O2. Từ những lý do trên, đề tài “Nghiên cứu quá trình cắt mạch β–
chitosan ở trạng thái rắn với tác nhân H2O2” đƣợc đề xuất thực hiện.
Mục tiêu đề tài: Xây dựng quy trình cắt mạch β–chitosan ở trạng thái rắn với tác
nhân H2O2.
Nội dung nghiên cứu:
- Phân tích tính chất của β–chitosan.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của pH đến khả năng cắt mạch β–chitosan.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ đến khả năng cắt mạch β–chitosan.

- Nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian đến khả năng cắt mạch β–chitosan.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ H2O2 đến khả năng cắt mạch β–chitosan
- Đánh giá chất lƣợng sản phẩm β–chitosan.
1


Ý nghĩa khoa học: Số liệu từ đề tài là những dữ liệu bƣớc đầu để nghiên cứu quá
trình cắt mạch β-chitosan ở quy mô pilot.
Ý nghĩa thực tiễn: giúp quá trình cắt mạch chitosan trở nên đơn giản, giảm tốn kém
về thời gian, hóa chất, giảm thiểu tác hại đến môi trƣờng đồng thời tăng hiệu suất thu hồi
sản phẩm, nâng cáo đƣợc giá trị kinh tế cho sản phẩm.

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1

Tổng quan về β–chitosan

1.1.1. Cấu tạo và tính chất của β–chitosan
Chitosan là một dẫn xuất của chitin đƣợc hình thành khi thay thế nhóm acetyl (CHCOCH3) bằng nhóm amino (-NH2). Trong tự nhiên, chitin có ở màng tế bào nấm mốc,
thuộc họ Zygemyceces và ở một vài loại tảo cũng nhƣ ở một số côn trùng. Bên cạnh đó
chitin có nhiều trong vỏ động vật giáp xác nhƣ: Tơm, cua, ghẹ và mai mực. Vì vậy, các loại
vỏ này đƣợc dùng để sản xuất chitin - chitosan và dẫn xuất của chúng.
Chitin có 3 dạng cấu trúc không gian khác nhau và tùy thuộc vào nguồn tự nhiên,
bao gồm α–chitin (trong vỏ tôm, cua, ghẹ), β–chitin (trong mai mực) và γ–chitin (trong vi
nấm, vi khuẩn). α–chitin thì có độ rắn phân tử cao nhất và ở dạng rắn do các mạch chitin
đƣợc sắp xếp song song và ngƣợc chiều nhau. β–chitin gồm các mạch chitin song song và
sắp xếp cùng chiều với nhau, có độ rắn thấp, khả năng hydrat hoá cao. γ–chitin đƣợc sắp xếp

cứ hai mạch chitin song song cùng chiều thì có một mạch ngƣợc chiều.
Sự khác nhau về cấu trúc cũng dẫn đến các tính chất khác nhau giữa 3 dạng chitosan
này, trong đó phải kể đến là các liên kết hydro nội phân tử của β–chitin yếu hơn, dẫn đến ái
lực với dung mơi cao hơn, giúp dạng chitosan này có khả năng hịa tan tốt hơn và nhóm
acetyl trong cấu trúc phân tử cũng dễ dàng bị khử tạo thành chitosan so với α–chitin từ vỏ
tôm cua và ghẹ [26, 38]. Mai mực ống có chứa hàm lƣợng β-chitin khá cao (> 35%), hàm
lƣợng khống thấp, chitin từ mực có khối lƣợng phân tử lớn gấp 3 lần α-chitin và hầu nhƣ
không chứa các kim loại nặng nhƣ Pb, Hg, As nên có độ tinh khiết cao [20, 34, 43]. Do đó,
đây là nguồn nguyên liệu cần thiết để sản xuất ra loại β-chitin/chitosan có khối lƣợng phân
tử lớn và độ tinh khiết cao để ứng dụng trong lĩnh vực nhƣ tạo gel trong mỹ phẩm, màng
kháng viêm, màng phân giải thuốc, chỉ khâu cấy ghép trong phẫu thuật, kỹ thuật mơ cấy
ghép da nhân tạo. Ngồi ra, β-chitin/chitosan đã đƣợc chứng minh có độ rắn thấp, độ xốp
cao nên dễ dàng deacetyl và đƣợc ứng dụng trong nuôi cấy mô, cố định tế bào và enzyme,
phân giải thuốc chậm mà các tính chất này vƣợt trội so với α- chitin/chitosan [23, 39, 58].
Chitosan đƣợc phát hiện lần đầu tiên bởi Rouget vào năm 1859 [13]. Chitosan là một
chất rắn, xốp nhẹ và thƣờng ở dạng vẩy hoặc dạng bột có màu trắng ngà. Tính chất chitosan
phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ độ deacetyl, khối lƣợng phân tử và độ nhớt của nó.
3


Hình 1.1. Sự sắp xếp mạch của 3 dạng chitosan [13]

Hình 1.2. Cấu trúc hóa học của chitin và chitosan [13]

Tên hố học của chitosan là: Poly-(1,4)-D-glucosamin, hay cịn gọi là poly-(1,4)-2amino-2-deoxy-D-glucose.
Nhƣ vậy, chitosan là một polymer hữu cơ, có cấu trúc tuyến tính, từ các đơn vị β- DGlucosamin liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucoside.
Công thức phân tử: (C6H11O4N)n .
Phân tử lƣợng: Mchitosan = (161,07)n .
Mai mực ống là thành phần xƣơng sụn bên trong các loài mực ống bao gồm Loligo
lessonicana, Loligo formosana, Loligo vulgaris, Ommasterphes bartrami, và Illex

argentines. Hiện nay, đây là nguồn duy nhất để thu nhận β-chitin [34].

4


Khả năng hịa tan của chitosan
Chitosan khơng tan trong nƣớc, kiềm và cồn nhƣng tan trong các acid hữu cơ, pKa
của chitosan từ 6,2 đến 6,8. Khi hòa tan chitosan trong mơi trƣờng acid lỗng tạo thành keo
dƣơng do đó có khả năng bám dính với bề mặt các ion mang điện tích âm, tạo phức với các
ion kim loại và tƣơng tác tốt với các polymer tích điện âm. Các dung mơi và nồng độ
thƣờng dùng để hịa tan chitosan đƣợc trình bày ở Bảng 1.1 [13].
Bảng 1.1. Các dung dịch acid thƣờng đƣợc dùng để hòa tan chitosan [13]

Dung dịch acid

Nồng độ (%)

Acid acetic

1-2

Acid formic

1-2

Acid lactic

1-2

Acid propionic

1-2

Acid clohydric

0,25-0,5

Acid citric

5-10

Acid glutamic

1-3

Acid ascorbic

1-2

Khi hồ tan chitosan trong acid lỗng, chitosan tan do các nhóm (–NH2) ở vị trí C2
của đơn vị D–glucosamine bị proton hoá, tạo thành keo nhớt trong suốt, tích điện dƣơng.
Đây là một điểm rất khác biệt vì hầu nhƣ các hệ keo polysaccharide tự nhiên thì tích điện
âm. So với α–chitosan, β–chitosan có khả năng tan trong dung môi tốt hơn với độ kết tinh
thấp hơn [25].
Chitosan tích điện dƣơng sẽ có khả năng tƣơng tác với bề mặt các ion tích điện âm,
tƣơng tác tốt với các polymer tích điện âm và có khả năng tạo phức với các kim loại nhƣ
Ag+ , Zn2+ , Cu2+…[57].
Độ deacetyl
Độ deacetyl (DD) của chitosan là một thông số quan trọng, đặc trƣng cho tỉ lệ giữa 2acetamido-2-deoxy-D-glucopyranose với 2-amino-2-deoxy-D-glucopyranose trong phân tử
chitosan, có ảnh hƣởng đến tính chất của chitosan sau này. Chitosan có DD cao (tức là số

5


nhóm –NH2 lớn) thì khả năng hút nƣớc của chitosan giảm. Chitosan có độ deacetyl cao trên
85% thì có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm tốt [13].
Chitosan thƣơng mại thƣờng có DD thấp nhất là 70%. Độ deacetyl hố của chitosan
ảnh hƣởng rất lớn đến tính chất của chitosan nhƣ khả năng hút nƣớc, khả năng hấp phụ kim
loại, chất màu, kết dính với chất béo, kháng nấm, kháng khuẩn, mang DNA,…. Chitosan có
DD càng cao thì có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm sẽ cao hơn. Tuy nhiên, chitosan khả
năng hút nƣớc khi độ DD cao. Nghiên cứu của Trung và cộng sự (2006) cho thấy khả năng
hydrat hóa của chitosan có DD thấp (75%) đạt 659% và nó cao hơn nhiều so với chitosan có
độ deacetyl cao (96%) chỉ đạt 486% [13].
Độ nhớt và khối lƣợng phân tử
Phân tử lƣợng của chitosan quyết định đến tính chất của chitosan nhƣ khả năng kết
dính tạo màng, tạo gel, khả năng hấp phụ chất màu, khả năng ức chế vi sinh vật,… và đây
cũng là một thông số quan trọng. Thơng thƣờng chitosan có phân tử lƣợng nằm trong
khoảng từ 100 kDa đến 1200 kDa. Phân tử lƣợng của chitosan phụ thuộc vào chất lƣợng
chitin và điều kiện deacetyl, đây là những yếu tố khó kiểm sốt, chitosan có phân tử lƣợng
càng lớn thì có độ nhớt càng cao. Chitosan phân tử lƣợng nhỏ thƣờng có hoạt tính sinh học
cao do vậy thƣờng đƣợc ứng dụng trong nông nghiệp, y học và cơng nghệ sinh học.
Chitosan có phân tử lƣợng lớn thƣờng đƣợc ứng dụng để tạo màng do màng chitosan tạo
thành có sức căng tốt [13]. Khối lƣợng phân tử của chitosan đƣợc chia làm 3 loại: chitosan
khối lƣợng phân tử cao (hight molecular weight chitosan) có khối lƣợng phân tử trên
700kDa, chitosan khối lƣợng phân tử trung bình (medium molecular weight chitosan) khối
lƣợng phân từ từ 150-700 kDa, chitosan khối lƣợng phân từ thấp (low molecular weight
chitosan) có khối lƣợng phân từ nhỏ hơn 150 kDa [46].
Độ nhớt của chitosan phụ thuộc vào khối lƣợng phân tử, chitosan có khối lƣợng phân
từ thấp có độ nhớt từ 30-200 cP, chitosan khối lƣợng phân tử lớn hơn 1000 kDa có độ nhớt
lên đến 3000-4000 cP. Bên cạnh đó độ nhớt của chitosan còn phụ thuộc vào độ deacetyl,
cƣợng độ ion, pH và nhiệt độ [13].

Khả năng tạo màng
Chitosan có khả năng tạo màng tốt độ bền tƣơng đƣơng với một số chất dẻo đƣợc
dùng làm các loại bao bì truyền thống. Tính chất cơ lý của màng chitosan nhƣ độ chịu kéo,
6


độ rắn, độ ngấm nƣớc phụ thuộc nhiều vào phân tử lƣợng và độ deacetyl hóa của chitosan.
Chitosan độ deacetyl hóa cao có ứng suất kéo và độ giãn dài giới hạn cao hơn màng chitosan
độ deacetyl hóa thấp, tuy nhiên chúng có độ trƣơng nở thấp hơn. Khi hịa tan chitosan trong
dung dịch acid loãng thu đƣợc dung dịch muối của chitosan, sau đó làm khơ và xử lý nhiệt
sẽ thu đƣợc màng chitosan [13].
Khả năng hấp thụ, tạo phức
Chitosan có thể liên kết tốt với lipid, protein, các chất màu. Ngoài ra, cũng tạo phức
tốt với các ion kim loại thơng qua liên kết chelat của nhóm –NH2. Bên cạnh đó, chitosan
khơng tan trong nƣớc nên chitosan ổn định hơn trong môi trƣờng nƣớc so với các polyme
tan trong nƣớc nhƣ alginat, agar [13]. Do đó, chitosan thƣờng đƣợc sử dụng làm chất hấp
phụ, chất trao đổi ion.
Khả năng hấp thụ, tạo phức của chitosan phụ thuộc nhiều vào phân tử lƣợng, độ
deacetyl, độ rắn, độ tinh khiết và thƣờng biến động lớn với các mẫu chitosan. Chitosan có
độ deacetyl cao thƣờng hấp phụ màu tốt [13].
Hoạt tính kháng khuẩn kháng nấm
Hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của chitosan là một trong những tính chất quan
trong đến khả năng ứng dụng vào cuộc sống.
Chitosan có khả năng ức chế nhiều chủng vi sinh vật: vi khuẩn gram âm, vi khuẩn
gram dƣơng và vi nấm. Khả năng ức chế vi sinh vật của chitosan phụ thuộc vào độ deacetyl,
phân tử lƣợng. Do sự tƣơng tác giữa các phân tử chitosan mang điện tích dƣơng và màng tế
bào mang điện tích âm dẫn đến biến tính màng tế bào và các thành phần trong tế bào.
Các kết quả công bố của Campana-Fillho (2007) và Kumirska (2010) cho thấy
hoạt tính sinh học của chitosan từ -chitin và chitosan từ α-chitin có sự khác nhau là
do nhiều nguyên nhân. Đầu tiên là do nguồn gốc thu nhận khác nhau -chitin từ mai

mực và α-chitin từ vỏ tôm cua ghẹ [15, 19, 40]. Thứ hai là do cấu trúc nội bộ liên phân
tử nhƣ sự tƣơng tác giữa các nhóm amin proton (NH3+) trong mạch chitosan hịa tan
trong mơi trƣờng acid làm thay đổi khả năng tƣơng tác của chitosan với màng tế bào vi
khuẩn do đó ảnh hƣởng đến khả năng kháng khuẩn của chitosan [63].
Chitosan có độ deacetyl cao trên 85% thì có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm tốt.
Chitosan có phân tử lƣợng dƣới 2000 Da thì khả năng ức chế vi sinh vật kém và phân tử
lƣợng trên 9000 Da thì có khả năng ức chế vi sinh vật cao [32]. Tuy nhiên, chitosan có phân
7


tử lớn thì khả năng kháng khuẩn cũng thấp [13]. Chitosan đƣợc hịa tan trong dung mơi hữu
cơ nhƣ acid acetic, acid lactic và đƣợc sử dụng để xử lý kháng khuẩn, kháng nấm.
Theo Wu và cộng sự (2004) chitosan khối lƣợng phân tử thấp có khả năng kháng
khuẩn kháng nấm tốt hơn chitosan khối lƣợng phân tử cao là do mạch phân tử ngắn do đó
tính linh động cao hơn, dễ dàng hấp thụ trên màng vi sinh vật hơn [66].
Khả năng chống oxy hóa
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng chitosan có khả năng kìm hãm các dạng chất oxy
linh động và ngăn cản sự oxy hóa lipid trong thực phẩm và các hệ sinh học [52]. Hoạt tính
chống oxy hóa của chitosan đƣợc quyết định bởi các nhóm hydroxyl (-OH) và amino (NH2). Các nhóm này có thể tƣơng tác với ion kim loại do sự hấp phụ, trao đổi ion và trung
hòa các gốc tự do [44]. Khả năng chống oxy hóa của chitosan phụ thuộc vào các yếu tố sau:
-

Khối lƣợng phân tử: chitosan có khối lƣợng phân tử thấp khì khả năng chống

oxy hóa càng cao do chitosan có khối lƣợng phân tử cao thƣờng có kích thƣớc lớn,
tính linh động kém làm hạn chế khả năng bắt gốc tự do [1].
-

Độ deacetyl: chitosan có độ deacetyl cao thì tích điện dƣơng càng lớn tạo điều

kiện tƣơng tác và bẫy các nhân tố âm cực vào hệ keo chitosan làm tính chống oxy
hóa tăng lên [44].
-

Độ pH: ở pH > 6 chitosan khơng hịa tan nhƣng ở pH < 6 thì hịa tan mạnh,

điều này ảnh hƣởng trực tiếp đến khả năng chống oxy hóa của chitosan do sự giảm
hoạt động của nhóm amin trong phân tử [41].
-

Nồng độ chitosan: nồng độ chitosan càng cao thì số lƣợng nhóm amin càng

nhiều điều này làm thúc đẩy khả năng chống oxy hóa của chitosan [44].
1.1.2. Ứng dụng của chitosan
Trong thực phẩm
Chitosan đã có nhiều ứng dụng trong ngành thực phẩm. Với các hoạt tính sinh học
đặc trƣng của mình, chitosan đƣợc sử dụng nhƣ chất chống oxi hóa, kháng khuẩn, kháng
nấm, làm màng bao chống thoát nƣớc cho trái cây cũng nhƣ làm phụ gia thực phẩm. Các
ứng dụng này đƣợc trình bày trong Bảng 1.2.

8


Bảng 1.2. Một số ứng dụng chính của chitosan [13]

Lĩnh vực

Đối tƣợng

Tác dụng

Chất kháng Thịt bò tẩm gia vị, thịt, cá,
khuẩn,
mực một nắng, trứng gà,
kháng nấm nƣớc ép táo, đậu phụ, bánh
mì, rau, củ, quả.

Kháng khuẩn, kháng nấm, chống oxy
hóa lipid.

Màng bao
gói

Xúc xích, thực phẩm tƣơi
sống.

Kiểm sốt sự trao đổi độ ẩm, oxy, nhiệt
độ giữa thực phẩm với môi trƣờng.
Kiểm soát sự thất thoát chất kháng
khuẩn, kháng nấm, dinh dƣỡng, mùi.

Chất phụ
gia

Nƣớc táo, nƣớc vải, nƣớc cà
chua, rƣợu.

Làm trong, khử acid cho các đồ uống,
nƣớc trái cây. Giữ mùi, màu tự nhiên
của thực phẩm, tác nhân nhũ hóa.

Dinh
dƣỡng

Thực phẩm chức năng, thức
ăn trẻ em. Bổ sung cho thức
ăn vật nuôi, cá, tôm.

Giảm cholestrol, giảm sự hấp thụ lipid.
Chống viêm dạ dày.

Chất tạo
bơng

Thu hồi chất rắn trong q
trình chế biến thủy sản.

Tạo bông, tách phân đoạn agar.

Làm sạch
nƣớc

Nƣớc thải của các nhà máy,
nƣớc thải sinh hoạt, nông
nghiệp.

Liên kết và hấp thụ ion kim loại, thuốc
trừ sâu, phenols, thuốc nhuộm.

Y dƣợc,

sắc ký,
phân tích

Chất dẫn thuốc, chất nhồi
cột sắc ký.

Cố định enzyme, DNA, dƣợc chất. Hấp
thụ trong cột sắc ký.

Trong nông nghiệp và thủy sản
Trong nông nghiệp, chitosan đƣợc sử dụng để tăng cƣờng sự hoạt động của các
vi sinh vật trong đất, bọc các hạt giống nhằm ngăn ngừa sự tấn công của nấm trong đất và
tăng khả năng nảy mầm của hạt, kích thích hệ miễn dịch, kích thích sinh trƣởng và tăng
năng suất thu hoạch [13].

9


Đối với đậu nành sau khi đƣợc bọc chitosan và bảo quản ở các túi nhựa hàn kín ở
15

và độ ẩm 60%, tỉ lệ nảy mầm đối với các mẫu đƣợc xử lý chitosan đạt 90- 92%. Sau 6

tháng bảo quản, tỷ lệ nảy mầm của các hạt bao chitosan cao nhất 74% so với mẫu đối chứng
70%. Bên cạnh đó nghiên cứu cịn cho thấy, số lƣợng nấm gây bệnh bị ức chế đáng kể (8095%) khi đƣợc bọc bằng chitosan [55].
Trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản, chitosan đƣợc nghiên cứu bổ sung vào thức ăn
cho tôm cá để kích thích sinh trƣởng, tăng cƣờng miễn dịch, tăng tỷ lệ sống của thủy sản, cải
thiện môi trƣờng ao ni, làm chất kết dính để tăng độ ổn định cho thức ăn thủy sản. Ngoài
ra, thức ăn sau khi bao chitosan sẽ giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng nuôi do thức ăn bị tan ra,
động vật thủy sản phát triển tốt hơn. Chitosan, chitin bổ sung vào thức ăn ở tỷ lệ 1% (1 g

chitin+1 g chitosan + 100 g thức ăn) làm tăng miễn dịch của cá chép chống lại vi khuẩn
Aeromonas hydrophila [26].
Xử lý môi trƣờng
Nhờ khả năng hấp phụ, tạo phức với các ion kim loại (Pb, Hg, Cd, Fe, Cu…), các
chất màu, khả năng keo tụ, tạo bơng rất tốt với các nhóm chất hữu cơ. Chitosan đƣợc xem
nhƣ là tác nhân thu hồi protein từ nƣớc thải của ngành công nghệ thực phẩm [50]. Việc bổ
sung chitosan với vai trò là chất trợ lắng ở tỉ lệ 80 ppm có thể thu hồi đƣợc trên 55% protein
hòa tan trong nƣớc rửa surimi với thời gian xử lý 15-20 phút [14].
Chitosan và dẫn xuất có các tính chất quan trọng nhƣ: tƣơng thích sinh học cao, tự
phân hủy sinh học, khả năng tạo màng, không độc, có khả năng làm lành vết thƣơng, kháng
khuẩn, kháng nấm và kháng vi rút nên chúng đƣợc nghiên cứu và triển khai ứng dụng nhiều
trong y học nhƣ kiểm sốt q trình giải phóng thuốc (dug release control), vận chuyển làm
chất mang DNA trong liệu pháp gene, thuốc giảm béo, thuốc chữa khớp, trị bỏng, da, chỉ
nhân tạo, kháng viêm… [27, 53, 64].
Ứng dụng một số nghành công nghiệp khác
Trong cơng nghiệp dệt: Chitosan có thể dùng để hồ vải cố định hình in hoa và
chitosan có thể thay thế hồ tinh bột. Vải đƣợc ngâm chitosan thì bền trong kiềm, bề mặt đẹp
chịu đƣợc sợ co xát làm vải chịu nƣớc, không bắt lửa.
Trong công nghiệp giấy: Chitosan có tác dụng làm tăng độ bền cho giấy khi ta cho
vào 1% chitosan vào trong giấy sẽ làm cho giấy có độ bền khi ẩm ƣớt, tăng độ nét khi in.
Ngồi ra chitin, chitosan cịn một số ứng dụng khác nữa.
10


1.2

Nghiên cứu sản xuất chitosan phân tử lƣợng thấp
Chitosan phân tử lƣợng thấp mang có khả năng hịa tan tốt hơn chitosan khối lƣợng

phân tử cao có cùng độ deacetyl đồng thời tính kháng khuẩn, kháng nấm, khả năng khích

thích sinh học và chống oxi hóa vƣợt trội hơn nên đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành
nhƣ thực phẩm, mỹ phẩm, công nghệ sinh học và nông nghiệp. Chitosan phân tử lƣợng phấp
có thể đƣợc sản suất bằng cách deacetyl chitin khối lƣợng phân tử thấp [12] hoặc cắt mạch
chitosan khối lƣợng phân tử cao. Sự có mặt của hydroxyl (-OH) và nhóm amine (-NH2) có
thể tƣơng tác với các thụ thể trên màng tế bào vi sinh vật do đó có thể tác động lên q trình
sinh trƣởng và phát triển của vi sinh vật. Do đó ƣu điểm chính của chitosan khối lƣợng phân
tử thấp so với chitosan khối lƣợng phân tử cao là khả năng kháng khuẩn và khả năng chống
oxi hóa.
Có rất nhiều phƣơng pháp cắt mạch để sản xuất chitosan khối lƣợng phân tử thấp và
các phƣơng pháp này đƣợc phân loại thành 3 nhóm chính: phƣơng pháp hóa học, vật lý và
sinh học. Các phƣơng pháp đều có ƣu và nhƣợc điểm riêng, trong đó phƣơng pháp hóa học
và sinh học đƣợc sử dụng nhiều nhất.
1.2.1. Phƣơng pháp vật lý
Cắt mạch bằng phƣơng pháp vật lý đƣợc xem là phƣơng pháp thân thiện với môi
trƣờng do sử dụng năng lƣợng để phá vỡ liên kết β-1,4 glycoside trong cấu trúc chitosan
bằng các loại tác nhân nhƣ tia bức xạ Gamma, tia X, tia cực tím, bức xạ vi sóng, sóng siêu
âm. Ngồi ra việc kết hợp với tác nhân hóa học để thúc đẩy quá trình cắt mạch hiện đang
đƣợc các nhà khoa học quan tâm.
Các nghiên cứu ứng dụng tia gamma, UV và sóng siêu âm để cắt mạch chitosan do
Wasikiewicz và cộng sự (2004) thu đƣợc chitosan oligosaccharide có phân tử lƣợng thấp (>
25 kDa). Nhƣợc điểm chính của phƣơng pháp này là chitosan đƣợc cắt mạch trong acid ở
nồng dộ 0,1-1% và thực hiện trong thời gian dài [65].
Năm 2014, Taskin và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hƣởng của độ deacetyl đến khả
năng cắt mạch chitosan bằng bức xạ γ Co-60 ở trạng thái rắn với liều bức xạ từ 5-35 kGy.
Kết quả thu đƣợc cho thấy độ deacetyl càng cao thì càng dễ bị cắt mạch. Nguyên nhân đƣợc
giải thích là do sự thay đổi cấu trúc tinh thể chitosan, chitosan có độ deacetyl càng cao thì
khả năng kết tinh càng thấp và càng dễ bị cắt mạch [60].
11

Năm 2011, Nguyễn Quốc Hiến và cộng sự nghiên cứu hiệu ứng đồng vận cắt mạch
chitosan bằng bức xạ gamma Co-60 kết hợp với hydroperosxide. β-chitosan có khối lƣợng
phân tử 90,5 kDa và DD 70,4%, kết quả thí nghiệm cho thấy khi sử dụng kết hợp tia bức xạ
gamma và hydroperoxide cho hiệu quả cắt mạch tốt hơn khi sử dụng đơn lẻ từng phƣơng
pháp. Hiệu suất cắt mạch ở liều chiếu xạ 4 kGy đạt 90,5%, khi tăng liều chiếu xạ thì hiệu
suất cắt mạch tăng khơng đáng kể [4].
Nghiên cứu cắt mạch chitosan bằng cách kết hợp sử dụng H2O2 kết hợp chiếu xạ bằng
tia gamma Co-60 của Nguyễn Ngọc Duy (2016) cho kết quả oligochitosan với khối lƣợng
phân tử <10 kDa có khả năng chống oxi hóa tốt hơn chitosan và oligochitosan phân tử lƣợng
cao [3].
Theo nghiên cứu của Vũ Thị Hoan (2018), chế phẩm oligochitosan đƣợc sản xuất
bằng cách sử dụng bức xạ gamma coban 60 để cắt mạch chitosan với cƣờng độ 166 kGy.
Oligochitosan thu đƣợc sau chiếu xạ có 3 phân đoạn và có khả năng kháng 5 loại vi khuẩn:
E.coli O157:H7, Salmonella typhimurium, S.aureus, B. subtilis và Listeria monocytogenes.
Đồng thời các thí nghiệm độc tính trên chuột cho kết quả an tồn. Ứng dụng chế phẩm
oligochitosan với nồng độ 1% để bảo quản tôm bạc cho thấy nguyên liệu vẫn đáp ứng chất
lƣợng để đƣa vào sản xuất sau 6 ngày bảo quản ở điều kiện mát [6].
Bên cạnh những ƣu điểm về chất lƣợng sản phẩm sau cắt mạch, thân thiện với mơi
trƣờng thì phƣơng pháp vật lý có một số hạn chế khi áp dụng cho quy mơ cơng nghiệp đó là
tốc độ phản ứng của quá trình cắt mạch nhanh do đó khó kiểm sốt chất lƣợng sản phẩm đầu
ra, sản phẩm cắt mạch phân bố rộng về Mw và phƣơng pháp này đòi hỏi các thiết bị đặc biệt
nên chi phí máy móc cao, địi hỏi trình độ cua công nhân và kỹ sƣ.
1.2.2. Phƣơng pháp sinh học
Chitosan đƣợc cắt mạch bằng enzyme có nhiều ƣu điểm hơn phƣơng pháp vật lý và
hóa học do khả năng giảm thiểu biến đổi cấu trúc không gian dẫn đến không thay đổi nhiều
về tính chất sinh học của sản phẩm sau cắt mạch. Mặt khác sản phẩm cắt mạch cho độ tinh
sạch cao và an tồn [61].
Hiện đang có hơn 30 loại enzyme có thể cắt mạch đƣợc chitosan nhƣ chitosanase,
cellulase thu đƣợc từ các vi sinh vật khác nhau (vi khuẩn, nấm mốc), papain chiết tách từ đu
đủ… [18, 36, 38, 42, 48].

12


Năm 2006, GS. Trần Thị Luyến đã nghiên cứu sản xuất chitosan oligosaccharide có
nguồn gốc từ chitin, chitosan bằng enzyme papain, hemicellulose, enzyme cellulase từ xạ
khuẩn. Theo tác giả Trần Thị Luyến khi dùng enzyme papain chiết rút từ đu đủ xanh, kết
quả thu đƣợc 95% chitosan oligosaccharide từ chitosan. Khi dùng enzyme thƣơng phẩm thì
thu đƣợc 97% chitosan oligosaccharide. Khi dùng enzyme hemicellulose thƣơng phẩm, kết
quả thu đƣợc 88,9% chitosan oligosaccharide từ chitosan và 86,7% chitosan oligosaccharide
từ chitin. Khi dùng enzyme cellulase từ xạ khuẩn sẽ thu đƣợc 52,6% chitosan
oligosaccharide từ chitosan và 45,6% chitosan oligosaccharide từ chitin [9].
Năm 2008, Trần Thị Luyến và cộng sự đã nghiên cứu sử dụng enzyme chitosanase từ
Stetomyces Griceus. Kết quả thí nghiệm enzyme đƣợc chọn từ Stetomyces Griceus VTCCA-1126, pH thích hợp để thực hiện cắt mạch là từ 4,5 đến 5, nhiệt độ cắt mạch từ 40 đến
45oC. Tỉ lệ bổ sung enzyme để thủy phân chitosan 1% là 0,4 g CPE trong 100 ml dung dịch
chitosan, thực hiện cắt mạch trong 24 giờ. Sản phâm thu đƣợc có độ nhớt giảm 99,7% so vơi
độ nhớt ban đầu và hiệu suất cắt mạch đến glucosamine là 94,14% [10].
Theo Bùi Văn Hoài và cộng sự (2017) quá trình cắt mạch chitosan bằng cellulose có
thể bị tác động bởi các yếu tố nhƣ nhiệt độ, pH, nồng độ cơ chất (chitosan), nồng độ enzyme
và thời gian phản ứng. Theo đó điều kiện thích hợp để thực hiện cắt mạch là ở 50oC với pH
5,5 nồng độ cơ chất xác định đƣợc là 0,8%, hoạt tính enzyme đo đƣợc là 7 UI/g trong 150
phút. Chitooligosaccharide có khối lƣợng phân tử nhỏ hơn 10 kDa chiếm trên 90% [5].
Sừ dụng emzyme để cắt mạch chitosan hiện là một phƣơng pháp thân thiện với môi
trƣờng, hiệu quả cát mạch tốt. Tuy nhiên phƣơng pháp này còn có nhiều hạn chế khi sản
xuất cơng nghiệp nhƣ q trình tinh sạch sản phẩm gặp nhiều khó khắn dẫn tới chi phí sản
xuất cao, emzyme có tính đắc hiệu do đó chỉ emzyme chỉ cắt liên kết giữa những đơn vị có
chứa nhóm acetyl hoặc các đơn vị đã bị khử nhóm acetyl nên hiệu quả cắt mạch khơng cao.
1.2.3. Phƣơng pháp hóa học
Các tác nhân thƣờng đƣợc sử dụng để cắt mạch chitosan là: acid nitrous, acid acetic,
acid sulfuric, acid phosphotungtic và acid hydrofluoric [17, 18, 33, 35, 48]. Tuy nhiên các
phƣơng pháp này sản phẩm thu hồi đƣợc khó tinh sạch, gây ơ nhiễm mơi trƣờng.

Bên cạch đó các nghiên cứu sản xuất chitosan khối lƣợng phân tử thấp bằng cách cắt
mạch chitosan ở trạng thái lỏng với tác nhân là ozone, natri nitrite và hydroperoxit [16, 21,
62]. Belamie và cộng sự (1997) đã thực hiện cắt mạch chitosan ở trạng thái rắn với tác nhân
13


HCl với mục đích đơn giản hóa q trình sản xuất, giảm chi phí, giảm ơ nhiễm mơi trƣờng.
Kết quả thu đƣợc là 80% chitosan đƣợc chuyển thành glucosamine. Tuy nhiên vấn đề xử lý
nƣớc thải là nguyên nhân gây khó khắn trong việc thƣơng mại hóa sản phẩm và đƣa vào sản
xuất công nghiệp [17].
Nghiên cứu cắt mạch chitosan trong dung dịch acid acetic bằng hydroperoxide
(H2O2) đã đƣợc thực hiện bởi Đỗ Thị Liền năm (2008) [7]. Theo tác giả đã sản xuất thử
nghiệm thành công 9 sản phẩm chitosan ngắn mạch ở các chế độ cắt mạch và độ nhớt của
sản phẩm chitosan ngắn mạch đƣợc thể hiện ở Bảng 1.3.
Bảng 1.3. Chế độ cắt mạch và độ nhớt của các sản phẩm chitosan [7]

Chế độ cắt
mạch
Độ nhớt
(mPas)

Chitosan DD 75%
Nồn Nhiệt
g độ độ
H2O (oC)

Chitosan DD 85%

Thời
gian

(giờ)

Nồng
độ
H2O2

Nhiệt
độ
(oC)

Thời
gian
(giờ)

Chitosan DD 95%
Nồng
độ
H2O2

Nhiệt
độ
(oC)

Thời
gian
(giờ)

2

100

1,40

40

1,9

1,35

35

1,69

0,50

30

1,0

10

1,65

65

3,4

1,60

60

3,04

1,62

60

2,9

5

1,70

70

3,7

1,65

65

3,31

1,68

65

3,1

Theo Nguyễn Duy Bảo và cộng sự (2008), sản phẩm tạo ra từ q trình cắt mạch

chitosan trong mơi trƣờng H2SO4 có hoạt tính chống oxi hóa cao. Mặt khác, q trình
chitosan cắt mạch chitosan chịu tác động của nồng độ acid, thời gian thủy phân và độ
deacetyl của chitosan nguyên liệu. Trong nghiên cứu này cho thấy khả năng cắt mạch
chitosan bằng H2SO4 và hoạt tính chống oxi hóa của sản phẩm cắt mạch nhƣng quá trình cắt
mạch đƣợc thực hiện ở trạng thái lỏng nên hiệu suất thu hồi thấp.
Nghiên cứu cắt mạch chitosan ở trạng thái rắn do Vũ Lệ Quyên thực hiện năm 2012
tại Đại học Nha Trang đã đƣa ra quy trình sản xuất chitosan khối lƣợng phân tử thấp có khối
lƣợng phân tử 24 kDa đồng thời so sánh khả năng kháng khuẩn của chitosan khối lƣợng
phân tử thấp với chitosan nguyên liệu và đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với một số vi
sinh vật trên cá ngừ bảo quản lạnh. Kết quả cho thấy khả năng kháng khuẩn của chitosan
khối lƣợng phân tử thấp tốt hơn [11].
14


Năm 2017, Minh và cộng sự nghiên cứu cắt mạch chitosan ở trạng thái rắn kết hợp
xử lý trƣơng nở trƣớc đó. Chitosan 100 mesh đƣợc trƣơng nở trong dung dịch NaOH 0,2%
trong 8 giờ ở nhiệt độ phòng, sau đó cắt mạch bằng H2O2 0,3% trong 12 giờ, khối lƣợng
phân tử chitosan nguyên liệu từ 1,1x103 kDa sau khi cắt mạch khối lƣợng phân tử còn
1,4x102 kDa độ nhớt trong khoảng 100 cP. Nghiên cứu cho thấy khi trƣơng nở trong NaOH
0,2% cho kích thƣớc chitosan lớn hơn so với trƣơng nở trong nƣớc, từ đó giúp cho các gốc
tự do của H2O2 dễ dàng tiếp cận với mạch chitosan để thực hiện cắt mạch [47].
Cắt mạch chitosan ở trạng thái rắn kết hợp xử lý trƣơng nở là một hƣớng tiếp cận mới
để sản xuất chitosan khối lƣợng lƣợng phân tử thấp. Hƣớng đi này khắc phục đƣợc phƣơng
pháp cắt mạch chitosan ở trạng thái lỏng trƣớc đó đồng thời có tăng hiệu quả cắt mạch đối
với phƣơng pháp cắt mạch ở trạng thái rắn.
1.2.4. Nghiên cứu quá trình cắt mạch bằng H2O2
1.2.4.1. Cơ chế cắt mạch chitosan bằng H2O2
Quá trình cắt mạch chitosan bằng H2O2 làm liên kết 1,4 glucoside bị bẽ gãy do đó
làm giảm phân tử lƣợng của chitosan [21, 62, 68]. Quá trình cắt mạch chitosan các phản ứng
xảy ra lần lƣợt nhƣ sau:

Đầu tiên là sự phân ly của H2O2.
H2O2 = H+ + HOO─

(1)

Chitosan ứu tiên nhận thêm 1 proton (H+) do H2O2 sinh ra để ion hóa NH2
thành NH3+.
R-NH2 + H+ = R-NH3

(2)

Từ phƣơng trình (1) và (2) ta đƣợc:
H2O2 + R-NH2 = R-NH3+ + HOO─

(3)

Do liên kết với NH2 nên nồng độ ion H+ giảm làm pH trong suốt quá trình cắt mạch
tăng lên. Thêm vào đó nhóm anion hydroperoxide (HOO─) rất dễ phân hủy tạo ra gốc tự do
HO*, O* và nhóm OH─, từ phƣơng trình (4) và (5) có thể thấy H 2O2 liên tục bị cắt mạch
trong suốt quá trình.
HOO─ → OH─ + O*

(4)

H2O2 + HOO─ → HO* + O2* + H2O

(5)

Gốc hydroxyl là một chất oxi hóa rất mạnh, nó phản ứng với cacbonhydrates rất
nhanh bằng cách lấy 1 nguyên tử hidro của chitosan tạo thành 1 phân tử nƣớc đồng thời tạo

điều kiện cho quá trình cắt mạch.
15


(GlcN)m - (GlcN)n + HO*→ (GlcN*)m - (GlcN)n + H2O
(GlcN)m - (GlcN)n + H2O→ (GlcN)m + (GlcN)n

(6)
(7)

Trong quá trình cắt mạch, cấu trúc phân tử chitosan không bị thay đổi nhƣng mạch
chitosan bị ngắn lại do liên kết 1,4 glucoside bị cắt đứt.
1.2.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt mạch chitosan bằng H2O2
Quá trình cắt mạch chitosan bằng H2O2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Đóng vai trị
quan trọng nhất là kích thƣớc của ngun liệu, bên cạch đó là nồng độ H2O2, độ deacetyl,
nhiệt độ cắt mạch, thời gian cắt mạch, pH của quá trình cắt mạch.
Ảnh hƣởng của kích thƣớc đến q trình cắt mạch
Kích thƣớc ngun liệu đóng vai trị quan trong trong q trình cắt mạch chitosan ở
trạng thái rắn. Kích thƣớc ngun liệu càng lớn, các gốc tự do của H 2O2 sẽ càng khó tiếp cận
đến các liên kết 1-4 glucoside do đó cản trở q trình cắt mạch chitosan, hiệu suất cắt mạch
thấp.
Quá trình trƣơng nở là quá trình giúp cho cấu trúc của chitosan giãn nở ra nhờ đó các
gốc tự do dễ dàng tiếp cận và thực hiện cắt mạch dẫn đến hiệu quả cắt mạch sẽ tăng lên.
Việc trƣơng nở chitosan bằng cách hịa tan trong mơi trƣờng acid yếu rồi mới thực hiện cắt
mạch đang gây nhiều khó khăn trong q trình thu hồi và xử lý mối trƣờng. Sự trƣơng nở
của chitosan có thể bị ảnh hƣởng bởi một số yếu tố nhƣ tính kỵ nƣớc của chitosan, nhiệt độ,
pH, bản chất môi trƣờng trƣơng nở [59]. Sử dụng NaOH để trƣơng nở chitosan đã đƣợc
chứng minh là có hiệu quả trong việc sản xuất chitosan khối lƣợng phân tử thấp ở trạng thái
rắn, chitosan đạt chất lƣợng tốt, khối lƣợng phân tử thấp, lƣợng hóa chất sử dụng ít do đó ít
gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng [45].

Ảnh hƣởng của nồng độ H2O2 đến quá trình cắt mạch
Theo nghiên cứu của Tian (2003) cho thấy khối lƣợng phân tử của chitosan sau khi
cắt mạch sẽ giảm dần khi nồng độ H2O2 tăng, một lƣợng nhỏ H2O2 cũng có thể làm giảm
trọng lƣợng của phân tử chitosan. Nhƣ vậy, khi điều kiện phản ứng không đổi thì nồng độ
H2O2 càng cao, lƣợng H2O2 đƣợc bổ sung vào càng nhiều thì trọng lƣợng phân tử càng giảm
[62].
Khi sử dụng H2O2 ở nồng độ 0,5 M sản phẩm chitosan thu đƣợc đƣợc xem làm
chitosan khối lƣợng phân tử thấp.

16


Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian đến quá trình cắt mạch
Theo Tian và cộng sự (2004), tốc độ cắt mạch chitosan tăng mạnh khi nhiệt độ và
thời gian tăng lên. Nhiệt độ cao giúp tăng khả năng gặp nhau của các gốc tự do với liên kết
glucoside nhờ đó hiệu quả cắt mạch đƣợc tăng lên. Đồng thời thời gian phản ứng dài cũng là
yếu tố để tăng khả năng cắt mạch chitosan [62].
Bên cạnh các yếu tố trên, q trình cắt mạch cịn phụ thuộc vào bản chất môi trƣờng
phản ứng. Trong môi trƣơng H+ hoặc OH─, sự cắt mạch tạo gốc tự do của H2O2 là khác nhau
do đó khả năng cắt mạch chitosan của 2 loại mơi trƣờng sẽ khác nhau.
Dựa trên quy trình cắt mạch chitosan ở trạng thái rắn của Minh và cộng sự (2017),
nhận thấy q trình cắt mạch cịn chịu ảnh hƣởng của pH, nhiệt độ cắt mạch, đa phần các
nghiên cứu cắt mạch chitosan có nguồn gốc là α–chitosan, nghiên cứu cắt mạch β–chitosan
ở trạng thái rắn cịn ít. Đề tài đƣợc đƣa ra với mục đích xây dựng quá trình cắt mạch β–
chitosan từ mai mực ở trạng thái rắn để tạo ra chitosan khối lƣợng phân tử thấp với độ nhớt
dƣới 200 cP.

17