Tài liệu Khảo sát quy trình tổng hợp chitosan từ vỏ ghẹ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC KHẢO SÁT QUY TRÌNH TỔNG HỢP CHITOSAN TỪ VỎ GHẸ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Trần Thế Yên SINH VIÊN THỰC HIỆN Đặng Hữu Vinh (MSSV 2041698) Ngành Công Nghệ Hóa Học – Khóa 30 Khoa: Công Nghệ Cần Thơ, 11/2008 Trường Đại học Cần Thơ Khoa Công Nghệ Bộ môn Công Nghệ Hóa Học Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập  Tự do  Hạnh phúc ------------ PHIẾU ĐĂNG KÝ ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Năm học: 2008  2009 1. Họ và tên sinh viên: Đặng Hữu Vinh. MSSV: 2041698. Lớp Công Nghệ Hóa Học. Khóa 30. 2. Tên đề tài: Khảo sát quy trình tổng hợp Chitosan từ vỏ ghẹ. 3. Cán bộ hướng dẫn: Trần Thế Yên. 4. Địa điểm và thời gian thực hiện:  Địa điểm: phòng thí nghiệm cơ sở sản xuất phân bón hóa sinh VAC – Tiền Giang. Địa chỉ: 505 quốc lộ 50 – xã Tân Mỹ Chánh – TP Mỹ Tho – tỉnh Tiền Giang. Phòng thí nghiệm bộ môn Công Nghệ Hóa Học – Khoa Công Nghệ – Trường Đại Học Cần Thơ.  Thời gian: từ ngày 11/08/2008 đến ngày 16/11/2008. 5. Mục đích của đề tài: khảo sát các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình tổng hợp chitosan từ vỏ ghẹ phế phẩm nhằm tìm ra điều kiện tốt nhất từ đó có thể ứng dụng vào trong sản xuất công nghiệp. 6. Các nội dung chính của đề tài: Luận văn gồm các phần sau:  Chương 1: Giới thiệu tổng quát.  Chương 2: Lược khảo tài liệu.  Chương 3: Phương pháp và phương tiện thực hiện.  Chương 4: Kết quả và nhận xét.  Chương 5: Kết luận. 7. Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài: trang thiết bị, dụng cụ thí nghiệm, kinh phí thực hiện đề tài. 8. Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: 500.000 đồng (năm trăm nghìn đồng chẵn). CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN Ý K I ẾN B Ộ M Ô N H Ộ I Đ Ồ N G T H I V À X ÉT TỐ T N G H I ỆP Trường Đại học Cần Thơ Khoa Công Nghệ Bộ môn Công Nghệ Hóa Học Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập  Tự do  Hạnh phúc ------------ NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1. Cán bộ hướng dẫn: Trần Thế Yên. 2. Tên đề tài: Khảo sát quy trình tổng hợp Chitosan từ vỏ ghẹ. 3. Sinh viên thực hiện: Đặng Hữu Vinh. MSSV: 2041698. 4. Lớp: Công Nghệ Hóa Học. Khóa 30. 5. Nội dung nhận xét: a. Nhận xét về hình thức của tập thuyết minh:.................................................. ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... b. Nhận xét về nội dung của luận văn: ..............................................................  Các nội dung và công việc đã đạt được:................................................. ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ......................................................................................................................................  Những vấn đề còn hạn chế: .................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... c. Nhận xét đối với sinh viên thực hiện đề tài:.................................................. ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... d. Kết luận và đề nghị: ...................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... 6. Điểm đánh giá: .................................................................................................. Tiền Giang, ngày …. tháng .... năm 2008 Cán bộ hướng dẫn Trường Đại học Cần Thơ Khoa Công Nghệ Bộ môn Công Nghệ Hóa Học Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập  Tự do  Hạnh phúc ------------ NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ CHẤM PHẢN BIỆN 1. Cán bộ chấm phản biện: .................................................................................. 2. Tên đề tài: Khảo sát quy trình tổng hợp Chitosan từ vỏ ghẹ. 3. Sinh viên thực hiện: Đặng Hữu Vinh. MSSV: 2041698. 4. Lớp: Công Nghệ Hóa Học. Khóa 30. 5. Nội dung nhận xét: ................................................................................................................................ ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ................................................................................................................ Cần Thơ, ngày .…. tháng ….. năm 2008 Cán bộ chấm phản biện Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Sau hơn ba tháng thực hiện luận văn tốt nghiệp “Khảo sát quy trình tổng hợp chitosan từ vỏ ghẹ” do Ông Trần Thế Yên hướng dẫn, không những giúp tôi cũng cố lại những kiến thức quý báu của Thầy − Cô đã truyền đạt trong suốt 4 năm học qua mà còn giúp tôi tiếp cận được những kiến thức mới lạ trong lĩnh vực mà mình nghiên cứu. Với những kiến thức đã học hỏi được trong thời gian vừa qua sẽ giúp tôi tích lũy được những kinh nghiệm quý báu cho việc làm của tôi sau ngày ra trường. Để hoàn thành được đề tài này, ngoài sự cố gắng và nổ lực của bản thân, tôi còn nhận được sự gúp đỡ của nhiều Thầy − Cô, gia đình và bạn bè. Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Ông Trần Thế Yên đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tìm tài liệu, cung cấp hóa chất, thiết bị, tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ông Huỳnh Văn Hải đã tạo điều kiện cho tôi được thực hiện luận văn tốt nghiệp tại cơ sở sản xuất phân bón hóa sinh VAC − Tiền Giang. Ngoài ra, tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị nhân viên phòng thí nghiệm cơ sở sản xuất phân bón hóa sinh VAC − Tiền Giang, quý Thầy − Cô bộ môn Công Nghệ Hóa Học − Khoa Công Nghệ − trường Đại Học Cần Thơ và tập thể lớp Công Nghệ Hóa Học đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt thời gian qua. Mặc dù đã có nhiều cố gắng và nổ lực cùng với sự thận trọng và tinh thần trách nhiệm cao trong suốt quá trình thực hiện nhưng chắc chắn luận văn sẽ không tránh khỏi những sai sót do kiến thức và thời gian có hạn. Rất mong quý Thầy − Cô cùng các bạn thông cảm và mong nhận được những ý kiến đóng góp chân thành để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Đặng Hữu Vinh i Luận văn tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Chitosan là dẫn xuất của chitin – một loại polymer thiên nhiên có trong thành phần vỏ của các loài giáp xác. Ngày nay, chitin và chitosan có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực như y tế, công nghiệp dược, nông nghiệp, mỹ phẩm, môi trường,…. Do ưu điểm này mà chitosan được xem như một nguyên liệu mới của thời đại. Như chúng ta đã biết nguyên liệu dùng để sản xuất chitin và chitosan chủ yếu từ vỏ các loài giáp xác như tôm, cua, ghẹ,…. Đặc biệt, với điều kiện tự nhiên của Việt Nam, hàng năm sản lượng tôm, cua, ghẹ thu được từ đánh bắt và nuôi trồng thủy sản là rất lớn. Với nguồn lợi thủy sản phong phú như vậy, lượng vỏ tôm, cua, ghẹ thải ra hàng năm là rất lớn. Vì thế, việc tận dụng nguồn phế phẩm thủy sản này để sản xuất ra chitin, chitosan được xem là giải pháp tối ưu không những góp phần bảo vệ môi trường mà còn đem lại nhiều lợi ích kinh tế thiết thực. Đó là những lý do mà chitin và chitosan đang được đẩy mạnh nghiên cứu trong các Viện nghiên cứu, các trường Đại Học, Cao Đẳng… ở nước ta. Xuất phát từ những vấn đề trên, đề tài này được thực hiện với hy vọng vừa tạo được một nền tảng kiến thức về loại vật liệu tự nhiên mới mẻ này, vừa góp phần vào việc phát triển những mục tiêu nghiên cứu khoa học trọng điểm của đất nước. Mục đích của đề tài: khảo sát các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình tổng hợp chitosan từ vỏ ghẹ phế phẩm nhằm tìm ra điều kiện tốt nhất từ đó có thể ứng dụng vào trong sản xuất công nghiệp. Các nội dung chính của đề tài:  Chương 1: Giới thiệu tổng quát.  Chương 2: Lược khảo tài liệu.  Chương 3: Phương pháp và phương tiện thực hiện.  Chương 4: Kết quả và nhận xét.  Chương 5: Kết luận. Sau ba tháng làm việc với sự cố gắng và nổ lực tối đa, tôi đã tìm ra được quy trình tổng hợp chitosan từ vỏ ghẹ. Tuy chưa được tối ưu lắm nhưng nó vẫn có thể áp dụng vào thực tế sản xuất công nghiệp với chất lượng chitin và chitosan đạt chất lượng chitin và chitosan thương phẩm. Do khả năng kiến thức còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn nên đề tài luận văn tốt nghiệp này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp chân thành của quý thầy cô và các bạn. Đặng Hữu Vinh ii Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................ ii MỤC LỤC .............................................................................................................. iii DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................ vi DANH SÁCH HÌNH ............................................................................................ vii DANH SÁCH PHỤ LỤC .................................................................................... viii Chương 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT .............................................................. 1 Chương 2. LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU ................................................................... 2 2.1. Tình hình khai thác, xuất khẩu ghẹ ở Việt Nam ............................................... 2 2.2. Lịch sử phát triển của chitin và chitosan ........................................................... 2 2.3. Sơ lược về chitin và chitosan ............................................................................ 4 2.3.1. Cấu trúc phân tử của chitin, chitosan và cellulose ................................... 4 2.3.1.1. Cấu trúc phân tử của chitin .............................................................. 4 2.3.1.2. Cấu trúc phân tử của chitosan ......................................................... 4 2.3.1.3. Cấu trúc phân tử của cellulose ........................................................ 5 2.3.2. Tính chất lý hóa của chitin và chitosan .................................................... 5 2.3.2.1. Tính chất lý hóa của chitin ............................................................... 5 2.3.2.2. Tính chất lý hóa của chitosan........................................................... 5 2.4. Thực trạng nghiên cứu, ứng dụng của chitin và chitosan vào thực tế .............. 6 2.4.1. Thực trạng nghiên cứu về chitin và chitosan ........................................... 6 2.4.1.1. Thực trạng nghiên cứu trên thế giới ................................................. 6 2.4.1.2. Thực trạng nghiên cứu trong nước................................................... 7 2.4.2. Ứng dụng của chitin và chitosan vào thực tế............................................ 7 2.5. Các phương pháp xác định tính chất của chitin và chitosan ............................. 8 2.5.1. Xác định độ deacetyl ................................................................................ 8 2.5.1.1. Phương pháp xác định quang phổ hồng ngoại ................................. 8 2.5.1.2. Phương pháp của Đỗ Thu Thủy ....................................................... 9 2.5.1.3. Phương pháp chưng cất với acid phosphoric ................................... 9 2.5.2. Xác định khối lượng phân tử trung bình ................................................ 10 2.5.2.1. Nhóm các phương pháp trực tiếp ................................................... 10 2.5.2.2. Nhóm các phương pháp gián tiếp .................................................. 10 2.6. Các phương pháp sản xuất chitin và chitosan phổ biến trong và ngoài nước .............................................................. 11 2.6.1. Các phương pháp trên thế giới ............................................................... 11 2.6.1.1. Phương pháp thủy nhiệt của Nhật .................................................. 11 2.6.1.2. Phương pháp của Heckman ........................................................... 12 2.6.1.3. Phương pháp của P. Meyer và Keuns, Lee .................................... 13 2.6.2. Các phương pháp trong nước ................................................................. 14 2.6.2.1. Phương pháp của Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh ............... 14 Đặng Hữu Vinh iii Luận văn tốt nghiệp 2.6.2.2. Phương pháp của Đại học Thủy Sản Nha Trang ........................... 15 2.6.2.3. Phương pháp của Đại học Cần Thơ ............................................... 16 2.7. Cơ sở lý thuyết của quy trình sản xuất chitin và chitosan .............................. 17 2.7.1. Các quá trình cơ bản của quy trình tổng hợp chitosan từ ghẹ ................ 17 2.7.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình loại protein .............................................. 17 2.7.2.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................... 17 2.7.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng .................................................................... 18 a. pH của môi trường ............................................................................. 18 b. Nhiệt độ ............................................................................................. 18 c. Kích thước của nguyên liệu ............................................................... 19 d. Thời gian loại protein ........................................................................ 19 2.7.3. Cơ sở lý thuyết của quá trình loại khoáng .............................................. 19 2.7.3.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................... 19 2.7.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng .................................................................... 20 a. Nồng độ acid ...................................................................................... 20 b. Kích thước vỏ ghẹ ............................................................................. 20 c. Thời gian loại khoáng ........................................................................ 20 d. Nhiệt độ ............................................................................................. 20 2.7.4. Cơ sở lý thuyết của quá trình tẩy màu .................................................... 21 2.7.5. Cơ sở lý thuyết của quá trình deacetyl hóa............................................. 21 2.7.5.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................... 21 2.7.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng .................................................................... 21 a. Nồng độ NaOH .................................................................................. 21 b. Thời gian phản ứng ............................................................................ 22 c. Nhiệt độ phản ứng.............................................................................. 22 Chương 3. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU ............... 23 3.1. Địa điểm và thời gian thực hiện ...................................................................... 23 3.2. Nguyên liệu thí nghiệm ................................................................................... 23 3.3. Thiết bị  Dụng cụ  Hóa chất thí nghiệm...................................................... 23 3.4. Quy trình thực hiện ......................................................................................... 24 3.4.1. Các bước thực hiện của quy trình ........................................................... 24 3.4.2. Thuyết minh quy trình ............................................................................ 25 3.5. Bố trí thí nghiệm ............................................................................................. 25 3.5.1. Thí nghiệm trích ly chitin từ vỏ ghẹ ....................................................... 25 3.5.1.1. Xác định nồng độ NaOH thích hợp cho giai đoạn loại protein ..... 25 3.5.1.2. Xác định thời gian thích hợp cho giai đoạn loại protein ................ 26 3.5.1.3. Xác định nồng độ HCl thích hợp cho giai đoạn loại khoáng ......... 26 3.5.1.4. Xác định thời gian thích hợp cho giai đoạn loại khoáng ............... 27 3.5.1.5. Lựa chọn tác nhân tẩy màu thích hợp ............................................ 27 3.5.2. Thí nghiệm tổng hợp chitosan từ chitin .................................................. 27 3.5.2.1. Xác định nồng độ NaOH thích hợp cho giai đoạn deacetyl hóa .... 27 3.5.2.2. Xác định thời gian thích hợp cho giai đoạn deacetyl hóa .............. 28 3.5.2.3. Xác định nhiệt độ thích hợp cho giai đoạn deacetyl hóa ............... 28 Đặng Hữu Vinh iv Luận văn tốt nghiệp Chương 4.KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT ............................................................... 29 4.1. Thí nghiệm loại protein bằng dung dịch NaOH .............................................. 29 4.1.1. Xác định nồng độ NaOH thích hợp cho giai đoạn loại protein .............. 29 4.1.1.1. Kết quả thí nghiệm ......................................................................... 29 4.1.1.2. Nhận xét ......................................................................................... 30 4.1.2. Xác định thời gian phản ứng thích hợp cho giai đoạn loại protein ........ 30 4.1.2.1. Kết quả thí nghiệm ......................................................................... 30 4.1.2.2. Nhận xét ......................................................................................... 31 4.2. Thí nghiệm loại khoáng bằng dung dịch HCl ................................................. 31 4.2.1. Xác định nồng độ acid HCl thích hợp cho giai đoạn loại khoáng .......... 31 4.2.1.1. Kết quả thí nghiệm ......................................................................... 31 4.2.1.2. Nhận xét ......................................................................................... 32 4.2.2. Xác định thời gian phản ứng thích hợp cho giai đoạn loại khoáng ........ 32 4.2.2.1. Kết quả thí nghiệm ......................................................................... 32 4.2.2.2. Nhận xét ......................................................................................... 33 4.3. Lựa chọn tác nhân tẩy màu thích hợp ............................................................. 33 4.4. Thí nghiệm deacetyl hóa tổng hợp chitin thành chitosan ............................... 33 4.4.1. Xác định nồng độ NaOH thích hợp cho giai đoạn deacetyl hóa ............ 33 4.4.1.1. Kết quả thí nghiệm ......................................................................... 33 4.4.1.2. Nhận xét ......................................................................................... 35 4.4.2. Xác định thời gian thích hợp cho giai đoạn deacetyl hóa....................... 35 4.4.2.1. Kết quả thí nghiệm ......................................................................... 35 4.4.2.2. Nhận xét ......................................................................................... 36 4.4.3. Xác định nhiệt độ thích hợp cho giai đoạn deacetyl hóa ........................ 36 4.4.3.1. Kết quả thí nghiệm ......................................................................... 36 4.4.3.2. Nhận xét ......................................................................................... 37 4.5. Thí nghiệm xác định lượng NaOH và HCl cần dùng ..................................... 38 4.5.1. Thí nghiệm xác định lượng NaOH cần dùng cho quá trình loại protein .......................................................................... 38 4.5.2. Thí nghiệm xác định lượng HCl cần dùng cho quá trình loại khoáng .......................................................................... 38 4.6. Quy trình tổng hợp chitosan từ vỏ ghẹ ............................................................ 40 Chương 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................... 41 5.1. Kết luận ........................................................................................................... 41 5.1.1. Ưu điểm .................................................................................................. 41 5.1.2. Nhược điểm ............................................................................................ 41 5.2. Một số kiến nghị của đề tài ............................................................................. 41 Tài liệu tham khảo Phụ lục Đặng Hữu Vinh v Luận văn tốt nghiệp DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1. Ứng dụng của chitin và chitosan trong thực tế ....................... 7 – 8 Bảng 2.2. Thành phần phần trăm nitơ trong chitin ....................................... 9 Bảng 2.3. Thành phần phần trăm nitơ trong chitosan ................................... 9 Bảng 2.4. Giá trị của a, k theo một số hệ dung môi khác nhau .................. 10 Bảng 3.1. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất thí nghiệm ....................................... 23 Bảng 4.1. Hàm lượng Nitơ tổng cộng trung bình ứng với từng nồng độ NaOH ........................................................................ 29 Bảng 4.2. Hàm lượng Nitơ tổng cộng trung bình ứng với từng thời gian cụ thể ........................................................................ 30 Bảng 4.3. Hàm lượng khoáng tồn dư và nồng độ acid còn lại ứng với từng nồng độ acid HCl ............................................................. 31 Bảng 4.4. Hàm lượng khoáng tồn dư và nồng độ acid còn lại ứng với từng thời gian cụ thể ................................................................ 32 Bảng 4.5. Hàm lượng N và độ deacetyl hóa của chitosan theo nồng độ ..................................................................... 34 Bảng 4.6. Hàm lượng N và độ deacetyl hóa của chitosan theo thời gian .................................................................... 35 Bảng 4.7. Hàm lượng N và độ deacetyl hóa của chitosan theo nhiệt độ ..................................................................... 36 Đặng Hữu Vinh vi Luận văn tốt nghiệp DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1. Sản lượng xuất khẩu ghẹ ở Việt Nam (2001 – 2004) ................... 2 Hình 2.2. Cấu trúc phân tử của chitin ........................................................... 4 Hình 2.3. Cấu trúc phân tử của chitosan ....................................................... 4 Hình 2.4. Cấu trúc phân tử của cellulose ...................................................... 5 Hình 2.5. Quy trình trích ly chitosan theo phương pháp thủy nhiệt của Nhật ................................................................................ 11 Hình 2.6. Quy trình trích ly chitin của Heckman ........................................ 12 Hình 2.7. Quy trình trích ly chitin của P. Meyer và Keuns, Lee ................ 13 Hình 2.8. Quy trình sản xuất chitosan của Đại học Bách Khoa TP HCM ................................................................ 14 Hình 2.9. Quy trình sản xuất chitin của Đại học Thủy Sản Nha Trang ................................................................ 15 Hình 2.10. Quy trình sản xuất chitin của Đại học Cần Thơ........................ 16 Hình 2.11. Các quá trình cơ bản của quy trình tổng hợp chitosan từ ghẹ........................................................................ 17 Hình 3.1. Các bước tiến hành của quá trình thí nghiệm ............................. 24 Hình 4.1. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa hàm lượng N và nồng độ NaOH ............................................................ 29 Hình 4.2. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa hàm lượng N và thời gian phản ứng ............................................................................ 30 Hình 4.3. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa hàm lượng khoáng tồn dư với nồng độ acid HCl ................................................................. 31 Hình 4.4. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa hàm lượng khoáng tồn dư với thời gian phản ứng ............................................................... 32 Hình 4.5. Đồ thị biểu diễn hàm lượng N của chitosan theo nồng độ NaOH ............................................................................... 34 Hình 4.6. Đồ thị biểu diễn độ deacetyl hóa của chitosan theo nồng độ NaOH ............................................................................... 34 Hình 4.7. Đồ thị biểu diễn hàm lượng N của chitosan theo thời gian ......................................................................................... 35 Hình 4.8. Đồ thị biểu diễn độ deacetyl hóa của chitosan theo thời gian ......................................................................................... 36 Hình 4.9. Đồ thị biểu diễn hàm lượng N của chitosan theo nhiệt độ .......................................................................................... 37 Hình 4.10. Đồ thị biểu diễn độ deacetyl hóa của chitosan theo nhiệt độ .......................................................................................... 37 Hình 4.11. Quy trình tổng hợp chitosan sau khi tổng kết số liệu ............... 40 Hình 5.1. Quy trình sản xuất chitin và chitosan đề xuất ............................. 42 Đặng Hữu Vinh vii Luận văn tốt nghiệp DANH SÁCH PHỤ LỤC Phụ lục 1: Quang phổ IR của chitin điều chế Phụ lục 2: Quang phổ IR của chitosan điều chế Phụ lục 3: Một số hình ảnh về chitin và chitosan Đặng Hữu Vinh viii Luận văn tốt nghiệp Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT Trong những năm gần đây việc khai thác, đánh bắt, nuôi trồng và chế biến thủy sản xuất khẩu đang ngày càng phát triển ở Việt Nam. Theo thống kê của Bộ Thủy Sản năm 2004 tổng kim ngạch xuất khẩu thủy sản của Việt Nam đạt xấp xỉ 2,55 tỉ USD. Bên cạnh tôm đông lạnh là mặt hàng xuất khẩu chủ lực (chiếm 50 %) thì sản phẩm thịt ghẹ xuất khẩu đang dần được thị trường thế giới quan tâm hơn (theo Bộ Thủy Sản năm 2004 xuất khẩu ghẹ đông lạnh ở Việt Nam là gần 18500 tấn đạt kim ngạch 90 triệu USD). Do đó, hàng năm các nhà máy xí nghiệp chế biến thịt ghẹ đông lạnh phải vứt bỏ 1 lượng lớn vỏ ghẹ sau khi đã lấy đi phần thịt của chúng. Như chúng ta biết, thành phần chính trong lớp vỏ các loài giáp xác (tôm, cua, ghẹ,…) là chitin – 1 loại polyme thiên nhiên được ứng dụng rộng rãi. Hiện nay phần lớn lượng phế phẩm này được phơi khô làm thức ăn gia súc hoặc không được sử dụng và lúc đó chúng được xem là chất thải rắn có khả năng gây ô nhiễm cao. Trong khi đó nếu tận dụng nguồn phế phẩm này để chiết xuất chitin và các dẫn xuất của nó sẽ tạo nên những mặt hàng giá trị đem lại lợi nhuận kinh tế cao và giải quyết được tình trạng ô nhiễm môi trường Chitin là thành phần chính trong vỏ của các loài động vật giáp xác và là sản phẩm có giá trị cao trên thị trường thế giới. Theo Nguyễn Đức Lượng (2003) hàm lượng chitin có trong cỏ cua, ghẹ là gần 24 %, chỉ đứng sau vỏ tôm và là 1 tỉ lệ khá cao so với vỏ hến (0,48 %), vỏ ốc (1,24 %)….Hiện nay, trên thế giới các nhà khoa học đã nghiên cứu thành công nhiều quy trình chiết suất chitin từ vỏ các loài giáp xác và đã được ứng dụng vào trong sản xuất. Chitosan là dẫn xuất của chitin, do có những đặc tính quý giá nên chitosan ngày càng được khám phá và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y học, công nghiệp dược, mỹ phẩm, xử lý nước thải, bảo quản thực phẩm, nông nghiệp….Theo thống kê, hàng năm trên thế giới tiêu thụ khoảng 1100 – 1300 tấn chitin/chitosan. Xuất phát từ những vấn đề trên đề tài này được tiến hành với mong muốn có thể tìm ra những điều kiện tốt nhất trong quy trình tổng hợp chitosan từ ghẹ vừa tiết kiệm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm vừa tận dụng được nguồn phế phẩm. Đặng Hữu Vinh 1 Luận văn tốt nghiệp Chương 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1. Tình hình khai thác, xuất khẩu ghẹ ở Việt Nam Ghẹ là đối tượng hải sản quý, có giá trị thương mại cao và là mặt hàng xuất khẩu quan trọng của Việt Nam. Ghẹ được phân bố ở khắp các vùng biển đến độ sâu 50 – 100 m và cửa sông, đáy cát bùn từ Bắc vào Nam. Những năm gần đây do nhu cầu tiêu thụ trong nước và xuất khẩu tăng, cùng với nghề khai thác ghẹ tự nhiên, nghề nuôi ghẹ đã phát triển ở nhiều địa phương trong cả nước. Hình 2.1. Sản lượng xuất khẩu ghẹ ở Việt Nam (2001 – 2004) ( trích Bộ Thủy Sản Việt Nam ) 2.2. Lịch sử phát triển của chitin và chitosan Danh từ “chitin” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “tunic” hay “envenlopen” có nghĩa là lớp vỏ ngoài hay sự bao bọc. Chitin đã được phát hiện bởi Henri Braconnot vào năm 1811. Lần đầu tiên ông phân lập được chitin như một hợp chất không tan trong kiềm của một số loại nấm. Hợp chất do Braconnot phân lập được còn lẫn rất nhiều tạp chất nhưng ông khẳng định đây không phải là gỗ. Đặng Hữu Vinh 2 Luận văn tốt nghiệp Đến năm 1823, Odier đã cô lập được chitin từ cánh cứng của con bọ cánh cứng và cũng phân lập được chitin khi loại khoáng vỏ cua. Từ đó Odier cho rằng đây là hợp chất cơ bản trong vỏ giáp xác và côn trùng. Vào năm 1834, Chilren phát hiện sự có mặt của nitơ trong chitin. Đến năm 1843 tức 9 năm sau đó sự tồn tại của nitơ trong chitin đã được Lassaigne chứng minh một lần nữa. Năm 1859, C.Rouget phát hiện ra một hợp chất mới khi đun hoàn lưu chitin trong dung dịch KOH đặc có tính chất khác chitin, ông gọi nó là “modified chitin”. Năm 1876, Ledderhose thủy phân vỏ tôm hùm bằng dung dịch HCl trong 30 phút và nhận được một muối Clorua của amin 6C. Ông đề nghị cấu trúc CHO.(CHOH)4.CH2NH2.HCl. Năm 1894, Winterstein phát hiện ra khi xử lý nấm với H2SO4 hay NaOH rồi thủy phân trong HCl thì đều thu được cùng 1 loại mono saccharide và acid acetic. Tuy nhiên, ông vẫn gọi hợp chất này là celulose. Cũng trong năm này, khi đun chitin trong dung dịch KOH ở 1800C Hope – Seyler thu được một hợp chất mới có số nguyên tử giống như trong chitin và gọi nó là chitosan. Năm 1912, Brach và Furth nhận thấy tỉ lệ acid acetic và glucosamin là 1:1, ông gọi nó là polyme mono acetyl glucosamin. Năm 1928, Meyer và Mark dựa trên phổ nhiễu xạ tia X kết luận rằng chitin và chitosan nằm ở dạng liên kết (1 – 4) giữa các mắt xích pyranoz. Từ những năm 1930 đến năm 1940 có rất nhiều nghiên cứu về chitin và chitosan, khoảng 50 phát minh được đăng ký. Với những nghiên cứu của mình, Purchase và Braum chứng minh được chitin là một polysaccharide của glucossamine bằng cách thủy phân chitin theo nhiều cách khác nhau, hay với nghiên cứu của Rammelberg đã xác định một cách chính xác nguồn gốc của chitin. Vào năm 1948, Matsusshima cũng đã có một phát minh sản xuất glucossamine từ vỏ cua. Năm 1950, người ta đã sử dụng tia X để phân tích nhằm nghiên cứu sâu hơn sự hiện diện của chitin trong nấm và trong thành tế bào. Đến năm 1951, quyển sách đầu tiên viết về chitin đã được xuất bản. Lúc bấy giờ người ta đã phát hiện tiềm năng của các polyme thiên nhiên này. Vào năm 1978, một hội nghị đầu tiên nói về chitin và chitosan diễn ra tại Mỹ và thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới. Hiện nay, những nghiên cứu về chitin và chitosan đã đạt được những thành công nhất định. Tại Nhật, một chương trình nghiên cứu dài hơn 10 năm cũng bắt đầu khởi động. Trung Quốc, tuy là nước bắt đầu nghiên cứu chậm hơn so với những nước khác nhưng lại đang phát triển rất nhanh trong lĩnh vực này. Nhiều sản phẩm chitin và chitosan đã được thương mại hóa ở Việt Nam và trên thế giới dưới dạng dược phẩm và thực phẩm chức năng. 2.3. Sơ lược về chitin và chitosan Đặng Hữu Vinh 3 Luận văn tốt nghiệp 2.3.1. Cấu trúc phân tử của chitin, chitosan và cellulose 2.3.1.1. Cấu trúc phân tử của chitin Chitin là một dạng polysaccharide gồm các tiểu phân N – acetyl – D – glucosamine kết hợp với nhau theo liên kết (1 – 4). Liên kết của chitin là poly[( – (1 → 4) – 2 – acetamido – 2 – deoxy – D – glucopyranose]. Chitin có cấu trúc tinh thể và nó cấu tạo thành một mạng lưới sợi hữu cơ. Vì thế mà chitin làm tăng độ bền, độ cứng và là điểm tựa cho các sinh vật. Công thức phân tử của chitin: (C8H13O5N)n. Khối lượng phân tử của chitin: Mchitin = (203)n. Hình 2.2. Cấu trúc phân tử của chitin 2.3.1.2. Cấu trúc phân tử của chitosan Chitosan là một poly[(  (1 → 4) – 2 – amino – 2 – deoxy – D – glucopyranose]. Cả chitin và chitosan đều là copolyme, tỉ lệ giữa 2 nhóm monome này cũng là tỉ lệ giữa nhóm amino và nhóm acetamido và được gọi là độ deacetyl (DD) của sản phẩm. Nếu DD > 60 %, đó là chitosan ngược lại là chitin. Công thức phân tử của chitosan: (C6H11O4N)n. Khối lượng phân tử của chitosan: Mchitosan = (161)n. Hình 2.3. Cấu trúc phân tử của chitosan 2.3.1.3. Cấu trúc phân tử của cellulose Đặng Hữu Vinh 4 Luận văn tốt nghiệp Hình 2.4. Cấu trúc phân tử của cellulose 2.3.2. Tính chất lý hóa của chitin và chitosan 2.3.2.1. Tính chất lý hóa của chitin Chitin là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi, không vị. Công thức phân tử: (C8H13O5N)n. Khối lượng phân tử: Mchitin = (203)n. Trong tự nhiên chitin tồn tại dưới 3 dạng cấu hình: , ,  – chitin nhưng phổ biến nhất là  – chitin,  – chitin. Do cấu hình của chitin khác nhau, dẫn đến chúng có một số tính chất khác nhau nhưng nhìn chung chitin có các tính chất sau: – Chitin có cấu trúc tinh thể cao nên chúng chỉ tan trong một số dung môi đặc biệt. Chitin bị phân hủy trước khi nóng chảy, đây là đặc tính tiêu biểu của polysaccharid có liên kết hydro. Điều này cần thiết để hòa tan chitin và chitiosan trong một hệ thống dung môi riêng biệt để truyền tính năng. – Trong dung dịch HCl, chitin có độ triền quang thay đổi từ []20 = – 1407 đến []26 = + 560 bởi sự thủy phân. – Chitin là một polyme rất kỵ nước, không tan trong nước và trong hầu hết các dung môi hữu cơ, acid loãng. Nhưng nó lại tan trong hexafluoro, isopropanol, hexafluoroaceton, chloro alcol dưới sự có mặt của dung dịch acid vô cơ và dimetylacetamid chứa 5 % litiumchlorid. 2.3.2.2. Tính chất lý hóa của chitosan Ở trạng thái tự nhiên chitosan là chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy có thể xay nhỏ theo nhiều kích cỡ khác nhau. Chitosan có màu trắng hoặc vàng nhạt, không mùi không vị. Công thức phân tử: (C6H11O4N)n. Khối lượng phân tử: Mchitosan = (161)n. Một trong những chỉ số quan trọng của chitosan là độ deacetyl hóa (DD) hoặc độ acetyl hóa (DA = 100 – DD). Chitosan có độ DD khác nhau dẫn đến sự khác nhau về khối lượng phân tử, độ nhớt, khả năng hòa tan trong acid…. Chitosan là một bazơ, dễ tạo muối với các acid hình thành những chất điện ly cao phân tử (polyeletrolyt) có tính tan phụ thuộc vào bản chất của các anion có liên quan. Chitosan tan được trong HCl, HBr, HI, HNO3 và HClO4 loãng nhưng cũng có thể tách riêng được trong dung dịch HCl hoặc HBr khi tăng nồng độ acid. Đặng Hữu Vinh 5 Luận văn tốt nghiệp Chitosan tan rất ít trong H3PO4 đậm đặc, sự hòa tan xảy ra song song với sự sulfat hóa và thủy phân chitosan. Chitosan hình thành muối tan được trong nước với phần lớn các acid hữu cơ. Các muối của monocarboxylic acid như chitosan benzoat, chitosan – o – aminobenzoat (chitosan antranilat), chitosan aminobenzoat, chitosan phenylacetat tan tốt nhưng chitosan hydrocinnamat tan rất ít và chitosan – p – methonycinnamat thì không tan. Còn muối của chitosan và acid formic, acid acetic tan rất tốt trong nước. Ngoài ra, chitosan còn tan rất dễ dàng trong hỗn hợp DMF – N2O2 với tỷ lệ N2O2:chitosan là 3:1, cho dung dịch có độ nhớt nhỏ. Đây là dung môi hữu cơ duy nhất của chitosan được biết đến. Chitosan tan tốt trong một số rất ít các dung môi hữu cơ, song trong dung dịch acid acetic có thể thống nhất với các dung môi phân cực mà không gây ra một sự kết tủa nào. Trong môi trường acid, chitin/chitosan đều bị thủy phân. Khả năng bị thủy phân phụ thuộc vào các nhóm thế theo thứ tự sau: –NHCOCH3 < –OH < –NH2. Mức độ thủy phân phụ thuộc vào loại acid, nồng độ acid, nhiệt độ và thời gian phản ứng. Ngoài ra trong môi trường acid, chitosan bị proton hóa nên nó phản ứng được với các polyanion tạo phức do đôi electron tự do của nhóm amin đã giúp chitosan tạo được liên kết cho nhận với đối chất. Sự tạo phức giữa chitosan và các ion kim loại nói chung rất khác nhau. Cấu trúc của phức chất theo đó cũng ít được công nhận. 2.4. Thực trạng nghiên cứu, ứng dụng của chitin và chitosan vào thực tế 2.4.1. Thực trạng nghiên cứu về chitin và chitosan 2.4.1.1. Thực trạng nghiên cứu trên thế giới Trong những thập kỷ qua, những nhà nghiên cứu ở Nhật, châu Âu và Mỹ đã không ngừng thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng của chitin và các dẫn xuất của nó trong các lĩnh vực hóa sinh. Gần 1000 bài nghiên cứu về chitin và những dẫn xuất của nó đã được xuất bản và gần 200 bằng sáng chế đã được phát hành tại Mỹ và một vài quốc gia trên thế giới. Đặc biệt tập trung vào lĩnh vực thực phẩm và dinh dưỡng. Ngoài ra các lĩnh vực khác cũng được chú trọng rất nhiều như môi trường, y học hay mỹ phẩm….Sau đây là một số nghiên cứu tiêu biểu: – Chitin and chitosan sources, Chemistry, Biochemistry, Physical Properties and Applications – Knapczyk J (2001). – Methods for reducing the amount of contaminants in water – Patent number 6821427. – Process for preparing chitosan particles – Patent number 6740752. – Process for manufacture of chitosan – Patent number 6821427. 2.4.1.2. Thực trạng nghiên cứu trong nước Đặng Hữu Vinh 6 Luận văn tốt nghiệp Cùng với xu hướng của thế giới, các nhà khoa học Việt Nam cũng đã và đang thúc đẩy những nghiên cứu mới mẻ mang tính ứng dụng vào thực tiễn về chitin và chitosan. Bởi vì đất nước ta có nguồn thủy hải sản vô cùng phong phú, đó chính là nguồn nguyên liệu to lớn để chúng ta sản xuất ra chitin và chitosan. Và chúng ta không chỉ dừng ở đó mà còn tiến sâu, tiến xa hơn vào các lĩnh vực ứng dụng của hai chất mới mẻ này. Với tiêu chí đó, các viện nghiên cứu (Viện nghiên cứu Hóa Học, Viện hạt nhân Đà Lạt,…), các trường đại học (Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Đại Học Cần Thơ,…) đã và đang cho ra đời những sản phẩm từ chitin và chitosan để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất và cuộc sống. Một số nghiên cứu tiêu biểu là: – Nghiên cứu về độc tính của chitin và chitosan. – Nghiên cứu sản xuất chitin và chitosan từ vỏ tôm, cua, ghẹ phế thải. – Nghiên cứu chitosan làm phụ gia an toàn thay thế cho hàn the. – Nghiên cứu phụ gia mạ bóng trên cơ sở chitosan. – Nghiên cứu chitin, chitosan xử lý nước thải. – Màng sinh học chitin, chitosan. – Chỉ tự hủy từ chitin. – Sản xuất chitin bằng vi sinh vật. – Nghiên cứu sử dụng chitosan trong y học. – Nghiên cứu chitosan trong việc trị bệnh đạo ôn trên lúa…. 2.4.2. Ứng dụng của chitin và chitosan vào thực tế Ngày nay, chitin và chitosan là một polyme sinh học phổ biến nhất do đặc tính sinh lý và hóa lý của nó như khả năng tạo màng, hình thành muối polyoxy, tạo vòng với các ion kim loại và đặc điểm cấu trúc quang học. do đó nó được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Có thể tóm tắt một vài ứng dụng tiêu biểu theo bảng sau: Lĩnh vực ứng dụng Xử lý nước Nông nghiệp Y học Công nghiệp dược Mỹ phẩm Đặng Hữu Vinh Ví dụ Dùng như chất làm đông tụ hoặc kết bông: thu hồi ion kim loại và thuốc trừ sâu, tách phenol, protein, đồng vị phóng xạ và các nguyên liệu khác từ chất thải thực phẩm… Bọc nang các hạt giống nhằm ngăn ngừa sự tấn công của nấm trong đất, tăng cường khả năng nảy mầm của hạt, cố định phân bón, thuốc trừ sâu, trị bệnh đạo ôn trên lúa,… Điều trị bỏng, da nhân tạo, làm lành vết thương phẩu thuật, màng lọc máu, chống đông tụ máu, chống khối u và trong điều trị nha khoa, thuốc trị thấp khớp… Chất phụ gia trong dược phẩm, làm tá dược độn, tá dược dính, chất tạo màng, viên nang mềm và cứng, chất mang sinh học dẫn thuốc… Nước thơm, sơn móng tay và sản phẩm chăm sóc tóc, làm thành phần sản xuất kem chống khô da, kem 7 Luận văn tốt nghiệp Công nghiệp thực phẩm Công nghệ sinh học Chất lượng dinh dưỡng Lĩnh vực khác dưỡng da… Kiềm chế di chuyển ẩm giữa thực phẩm và môi trường xung quanh, ngăn chặn sự thất thoát các tác nhân chống VSV, làm sáng và tăng giá trị cảm quan trái cây, thức uống… Nguyên liệu kích động tế bào, tác nhân chống vi khuẩn, làm chất mang để cố định enzym và cố định tế bào… Chất xơ cho ăn kiêng, tác dụng giảm cholesterol, phụ gia trong thức ăn gia cầm và cá, giảm hấp thu lipid, chống viêm dạ dày… Nguyên liệu cho ngành công nghiệp giấy, công nghiệp dệt, công nghiệp in, phim ảnh, bao bì, vật liệu y sinh… Bảng 2.1. Ứng dụng của chitin và chitosan trong thực tế 2.5. Các phương pháp xác định tính chất của chitin và chitosan 2.5.1. Xác định độ deacetyl Độ deacetyl (DD) là một trong những thông số quan trọng thể hiện tính chất chitin và chitosan. Hiện có nhiều phương pháp để xác định DD, sau đây là những phương pháp phổ biến nhất: 2.5.1.1. Phương pháp xác định quang phổ hồng ngoại Khi khảo sát phổ IR của chitin và chitosan, các nhà nghiên cứu nhận thấy dao động hấp thu của nhóm –OH không phụ thuộc vào DD trong khi ở nhóm amide thứ nhất có hiện tượng này (Lưu Văn Chính, 2001). Từ đó các nhà nghiên cứu đưa ra nhiều công thức thực nghiệm tính DD của sản phẩm. Các công thức này khá lặp lại về kết quả và phù hợp với kết quả của phương pháp chuẩn độ keo DD = 100 – (A1655/A3450) * 115 Trong đó: A1655: diện tích phần phổ hấp thu do dao động của nhóm amide thứ nhất. A3450: diện tích phần phổ hấp thu do dao động của nhóm –OH. 115: hệ số thực nghiệm. hoặc DD = 100 * (1 – A1655/A3450/1,33) 2.5.1.2. Phương pháp của Đỗ Thu Thủy Đặng Hữu Vinh 8