Chitin và Chitosan: Khái niệm, quy trình sản xuất và ứng dụng

Chitosan là dẫn xuất N-deacetylated của chitin. Chitin là một loại mucopolysaccharide có nguồn gốc tự nhiên, là thành phần cấu tạo cơ thể hỗ trợ của động vật giáp xác, côn trùng. Chitosan là dẫn xuất N-deacetylated của chitin. Cả hai đều có nhiều ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực khác nhau.

Chitin và Chitosan
Chitin và Chitosan

Chitin là gì?

Chitin, một loại mucopolysaccharide có nguồn gốc tự nhiên, là thành phần cấu tạo cơ thể hỗ trợ của động vật giáp xác, côn trùng,… Chitin thật ra chính là hợp chất 2-acetamido-2-deoxy- liên kết với phân tử đườn (d-glucose) thông qua liên kết β(1 → 4). Chitin sẽ bị phá hủy cấu trúc bởi enzyme chitinase.

Chitin
Chitin

Khả năng “tự bảo vệ” của nó đặc biệt thấp, mặc dù có sự hiện diện của nitơ. Chitin là chất không hòa tan trong nước, tương tự như cellulose về độ hòa tan và khả năng xảy ra phản ứng hóa học thấp. Nó từng được xem như cellulose với duy nhất một sự khác biệt trong cấu trúc là: hydroxyl ở vị trí C-2 được thay thế bằng nhóm acetamido. Giống như cellulose, chitin hoạt động như một polysaccharide “thực thụ”. Chitin có màu trắng, cấu tạo khối cứng, chứa nitơ và không có độ đàn hồi. Nó còn là nguồn gây ô nhiễm bề mặt nước ở các khu vực ven biển.

Chitosan là gì?

Chitosan là dẫn xuất N-deacetylated của chitin. Hiện tại, chưa có một sự phân biệt cụ thể liên quan đến mức độ N-deacetylation (quá trình đẩy nhóm chức acetyl ra khỏi hợp chất) giữa chitin và chitosan.

chitosan
chitosan

Chitin và chitosan đều được quan tâm, chủ yếu về lĩnh vực thương mại, nhờ vàp tỷ lệ nitơ cao (6,89%) trong cấu tạo, so với cellulose thay thế tổng hợp (chỉ 1,25%). Điều này khiến chitin trở thành chất chelating hữu ích. Hầu hết các polyme ngày nay là vật liệu tổng hợp, vì thế tính tương hợp sinh học và khả năng phân hủy sinh học của chúng bị giảm đi nhiều, so với các polyme có nguồn gốc tự nhiên như cellulose, chitin, chitosan và các dẫn xuất của chúng. Tuy nhiên, những nguồn tự nhiên này cũng thể hiện sự hạn chế trong khả năng phản ứng và khả năng xử lý và ứng dụng. Về mặt này, chitin và chitosan được khuyến cáo là nguyên liệu phù hợp, bởi vì những polyme tự nhiên này có các đặc tính tối ưu như tính tương hợp sinh học, khả năng phân hủy sinh học, không độc hại, khả năng hấp thụ,…

Gần đây, người ta tập trung nhiều đến chitosan như là một nguồn polysaccharide tiềm năng. Mặc dù một số nỗ lực điều chế các dẫn xuất hữu ích của chitosan bằng cách sửa đổi cấu trúc hóa học, nhưng lại rất ít đạt được độ hòa tan mong muốn trong dung môi hữu cơ nói chung và một số hệ dung môi hỗn hợp. Trong khi đó, các điều chỉnh trong chính cấu trúc chitin và chitosan đã giúp nâng cao khả năng hòa tan trong dung môi hữu cơ.

Quy trình sản xuất chitin và chitosan

Chitin dễ dàng thu được từ vỏ cua, vỏ tôm và sợi nấm. Cách đầu tiên, sản xuất chitin có liên quan đến các ngành công nghiệp thực phẩm, điển hình là tôm đóng hộp.

Chitin và chitosan

Cách thứ hai, sản xuất phức hợp chitosan-glucan đi liền với quá trình lên men, tương tự như việc sản xuất axit citric từ nấm Aspergillus niger, Mucor rouxii và Streptomyces, bằng cách xử lý kiềm và tạo ra phức hợp trên. Chất kiềm loại bỏ protein và đồng thời, nó có thể đẩy nhóm chức acetyl ra khỏi hợp chất chitin. Tùy thuộc vào nồng độ kiềm, một số glycans hòa tan được loại bỏ. Việc sử dụng vỏ động vật giáp xác chủ yếu cần phải loại bỏ protein và hòa tan một lượng lớn calcium carbonate có trong vỏ cua. Hợp chất chitin đã bị khử acetyl sẽ được tạo ra trong dung môi 40% sodium hydroxide ở 1200C liên tục 1 tới 3 giờ đồng hồ. Cách sử lý này tạo ra 70% chitosan đã khử acetyl.

Sản xuất chitin và chitosan phần lớn dựa vào vỏ tôm và vỏ cua được lấy về từ các nhà máy đóng hộp. Một số quốc gia sở hữu nguồn tài nguyên giáp xác lớn chưa được khai thác như Na Uy, Mexico và Chile . Việc sản xuất chitosan từ vỏ động vật giáp xác (được xem như dạng chất thải của ngành công nghiệp thực phẩm) mang tính khả thi rất cao về mặt kinh tế, đặc biệt hơn nếu carotenoids có thể được sản xuất từ nguồn này. Vỏ giáp xác chứa một lượng đáng kể astaxanthin, một loại carotenoid cho đến nay chưa có quy trình tổng hợp nhân tạo, và được bán trên thị trường như một chất phụ gia trong nuôi trồng thủy sản, đặc biệt là cá hồi.

Để sản xuất 1 kg chitosan đã khử acetyl 70% từ vỏ tôm, ta cần 6,3 kg axit HCl và 1,8 kg NaOH, nitơ, nước đã qua xử lý (0,5 t) và nước lạnh (0,9 t). Các hạng mục quan trọng để ước tính chi phí sản xuất bao gồm vận chuyển, thay đổi tùy thuộc vào lao động và địa điểm. Tại Ấn Độ, Viện Công nghệ Thủy sản Trung ương, Kerala, đã khởi xướng nghiên cứu về chitin và chitosan. Từ nghiên cứu này, họ tìm được thải từ nhà máy sản xuất tôm khô chứa 23% và mực khô chứa 15% chitin. Họ cũng đã báo cáo rằng khối lượng chất thải rắn có chứa chitin từ các loại vỏ giáp xác, tại Ấn Độ, trung bình dao động từ 60 000 đến 80 000 tấn. Chitin và chitosan hiện được sản xuất thương mại ở Ấn Độ, Nhật Bản, Ba Lan, Na Uy và Úc. Giá chitosan trên toàn thế giới (với số lượng nhỏ) là ca. 7,5 USD / 10 g.

Ứng dụng của Chitin và Chitosan

Sự quan tâm đến chitin bắt nguồn từ nghiên cứu về đặc tính hóa học của lysozyme, một enzyme tồn tại trong dịch cơ thể người. Một loạt các ứng dụng y tế từ các dẫn xuất chitin và chitin đã được báo cáo trong ba thập kỷ qua. Người ta đã đề xuất rằng chitosan có thể được sử dụng để ức chế xơ hóa trong chữa lành vết thương và thúc đẩy sự phát triển và biệt hóa mô trong nuôi cấy mô.

Độ hòa tan kém của chitin là yếu tố hạn chế chính trong sự ứng dụng nó. Mặc dù như thế, các ứng dụng khác nhau của chitin và chitin được điều chỉnh cấu trúc đã được báo cáo, điển hình như làm nguyên liệu cho sợi nhân tạo. Các sợi làm từ chitin và chitosan rất hữu ích như chỉ khâu “tự tan” và các loại băng vết thương. Chỉ khâu chitin có độ bền và chống lại môi trường “khắc nghiệt” trong mật, nước tiểu và dịch tụy, mà những loại chỉ khâu “tự tan” khác không thể làm. Đã có tuyên bố rằng băng vết thương làm từ chitin và chitosan có thể dùng trong ứng dụng xử lý nước thải. Cụ thể hơn, việc loại bỏ các ion kim loại nặng bằng chitosan đã nhận được nhiều sự chú ý. Việc sử dụng hai hợp chất này trong ngành công nghiệp rõ ràng có độ khả thi cao và lâu dài, với phạm vi áp dụng nhiều hơn.

Kết luận

Chitin và chitosan có nhiều ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Nó có thể được sử dụng để giải quyết nhiều vấn đề trong kỹ thuật y sinh và môi trường. Các dẫn xuất của chitin, bao gồm cả chitosan được khử acetyl một phần, dễ dàng được tạo thành các dạng khác nhau, đặc biệt các dẫn xuất của chúng được “tiêu hóa” bởi các enzyme lysozomal. Vì thế, nguồn nguyên liệu này có khả năng là một ứng cử viên thú vị nhất để trở thành chất mang trong thuốc sau này, đồng thời ứng dụng cho những sản phẩm có thành phần tự đào thải.

Gần đây, đặc tính thúc đẩy hấp thụ qua da của chitosan đã được khai thác, đặc biệt là các loại thuốc qua đường mũi và đường uống và điều chế vắc-xin. Những tính chất này, cùng với tính không độc hại, làm cho chitosan trở thành nguồn nguyên liệu thú vị và đầy hứa hẹn cho ngành dược phẩm hiện tại và tương lai. Nhờ hoạt tính sinh học của chính chitosan, các công thức thuốc, với sự góp mặt của nó, có thể có tác dụng điều trị kép.

Tài liệu tham khảo:
A review of chitin and chitosan applications
Biên dịch: T.A.M – Science Vietnam – tamhdb5919@gmail.com
Vui lòng để lại nguồn khi sao chép

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here