Trong các loại polyme, chitosan được nghiên cứu mạnh nhất bởi tính tương thích sinh học, phân hủy sinh học, không độc và dễ sản xuất với nguồn nguyên liệu dồi dào. Vì vậy, chitosan được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y học, thực phẩm và công nghệ hóa học, dược học, dinh dưỡng và nông nghiệp.

Các đặc tính sinh học của chitosan:

- Về độ tương thích sinh học: chitosan là một polime tự nhiên, có khả năng tự phân hủy sinh học, an toàn và không gây độc.

- Có khả năng liên kết với tế bào của vi khuẩn và động vật có vú.

- Tái tạo hiệu quả sự liên kết giữa các mô nướu.

- Kích thích sự hình thành nguyên bào xương phục vụ cho sự hình thành các khớp xương.

- Là chất cầm máu hiệu quả.

- Có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm trên các tế bào động, thực vật.

- Chống ung thư.

- Ngăn chặn chất béo gây xơ cứng động mạch.

- Làm dịu hệ thống trung ương thần kinh.

Một số ứng dụng của chitosan

Chitosan là polyme sinh học được đánh giá là có triển vọng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần đây. Chitosan được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm: xử lí nước thải, công nghệ vi sinh, công nghệ giấy và bột giấy, mỹ phẩm, thực phẩm, y tế, công nghệ sinh học và nông nghiệp (Imeri and Knorr 1998).

Với mỗi ứng dụng khác nhau sẽ đòi hỏi chitosan có độ đề axetyl và khối lượng phân tử khác nhau.

+ Trong mỹ phẩm:

Là hợp chất aminopolisaccarit tự nhiên, chitosan được bao quanh trong lớp hydrocolloid. Tuy nhiên, không như các hydrocolloid khác là polyanion, chitosan là chất kết dính cation tự nhiên. Khi trung hòa axit, chitosan trở thành chất nhầy, tạo điều kiện thuận thuận lợi để chitosan tương tác tốt với da và tóc. Hơn nữa, dựa trên đặc tính kháng khuẩn, kháng nấm hiệu quả, chitosan được ứng dụng trong các sản phẩm: chăm sóc tóc (dầu gội, thuốc nhuộm, dầu xả...), chăm sóc da (sữa tắm, kem dưỡng da.) và cả chăm sóc răng miệng (kem đánh răng, kẹo cao su, nước súc miệng.).

+Trong xử lí nước thải:

Dựa vào khả năng tạo phức chelat, chitosan được sử dụng để hấp phụ hiệu quả các ion kim loại nặng như chì, thủy ngân, asen. trong nước thải nhà máy hay sinh hoạt. Do đó, chitosan và các dẫn xuất chitosan được sử dụng trong nhiều hệ thống lọc nước, khử muối, thẩm tách. Ngoài ra, chitosan còn được ứng dụng để làm sạch nước uống.

+ Trong công nghiệp giấy:

Trong quá trình sản xuất giấy in, chitosan thường được thêm vào vì có khối lượng phân tử tương đương với xenlulo - thành phần chính của vỏ cây. Điều này sẽ giúp tiết kiệm chất phụ gia hóa học và làm tăng lượng giấy sản xuất. Giấy được chế tạo bởi chitosan có bề mặt phẳng hơn và chống thấm tốt hơn. Ngoài ra, chitosan được ứng dụng để sản xuất giấy ăn, giấy vệ sinh, giấy gói quà, bìa cứng và giấy gói thực phẩm.

+ Trong nông nghiệp:

Chitosan và các hợp chất của chitosan là các sản phẩm tự nhiên, không độc, phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường. Chúng có thể ứng dụng trong nông nghiệp nhờ các hoạt tính sinh học như: kích thích sự nảy mầm và sinh trưởng thực vật, làm tăng hàm lượng chlorophyll, tăng khả năng hấp thu dinh dưỡng của cây, làm giảm stress. Ngoài ra, chúng còn có hoạt tính kháng nấm, kháng khuẩn, kháng virus. và được ứng dụng như là thuốc bảo vệ thực vật.

+ Trong y học:

Chitosan đã được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực dược phẩm và y học do có những đặc tính tốt như: Không độc, tính tương hợp sinh học cao, có thể tự phân hủy... Do trong cấu trúc của chitosan có sự hiện diện của nhóm hydroxyl (-OH) và nhóm amin (-NH2) có khả năng tạo liên kết với các nhóm chức khác nên chitosan thường được dùng làm chất mang trong ngành dược phẩm.

Bên cạnh đó, chitosan còn được ứng dụng để điều chế thuốc bôi da, thuốc sát trùng da, làm da nhân tạo, thuốc chữa bệnh viêm loét dạ dày, tá tràng, băng gạc để băng bó vết thương. Chitosan được chiết tách từ vỏ tôm, cua có thể sản xuất glucosamin, một dược chất quý dùng để chữa khớp đang phải nhập khẩu ở nước ta.

Chitosan có khả năng làm giảm hàm lượng cholesterol trong máu. Nếu sử dụng thực phẩm chức năng có bổ sung 4% chitosan thì lượng cholesterol trong máu giảm đi đáng kể chỉ sau 2 tuần. Ngoài ra chitosan còn xem là chất chống đông tụ máu. Nguyên nhân việc giảm cholesterol trong máu và chống đông tụ máu được nghiên cứu là do chitosan ngăn không cho tạo các micelle. Điều chú ý là ở pH = 6 - 6,5 chitosan bắt đầu bị kết tủa, toàn bộ chuỗi polysacchride bị kết lắng và giữ lại toàn bộ lượng micelle trong đó. Chính nhờ đặc điểm quan trọng này chitosan ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm thực phẩm chức năng.

Phương pháp điều chế

Chitosan là sản phẩm thu được sau khi đề axetyl hóa chitin.

Chitin - chitosan được chiết xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau: phế liệu thủy sản, vi nấm, vi khuẩn. tuy nhiên nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin - chitosan là phế liệu thủy sản, đặc biệt là vỏ tôm, ghẹ, mực. Tùy theo từng nguyên liệu mà hàm lượng chitin biến đổi khác nhau, trong đó nang mực có hàm lượng chitin cao nhất kế đến là tôm sú và tôm thẻ.

Trong vỏ của các loài giáp xác, ngoài chitin còn có những hợp chất phi chitin như: protein, chất khoáng, chất màu. Vì vậy việc chiết tách chitin phải trải qua nhiều công đoạn phức tạp.

Có nhiều phương pháp để chiết tách chitin-chitosan như phương pháp hóa học, phương pháp sinh học hoặc phương pháp kết hợp hóa học và sinh học. Tuy nhiên, phương pháp hóa học được sử dụng phổ biến vì đơn giản, dễ thao tác, thực hiện nhanh chóng trong thời gian ngắn.

a.Phương pháp hóa học

Chitosan được điều chế theo quy trình như sau:

Nguyên liệu > Khử khoáng > Đề Protein > Chitin > Đề axetyl > Chitosan

* Khử khoáng

Trong vỏ tôm, thành phần khoáng chủ yếu là muối CaCO3 và rất ít Ca3(PO4)2, nên các loại axit loãng như HCl, H2SO4. thường được sử dụng để khử khoáng.

Tuy nhiên nếu khử khoáng sử dụng axit H2SO4 thì sẽ tạo muối khó tan, thay vào đó, axit HCl được dùng để khử khoáng hiệu quả hơn theo các phản ứng sau:

MgCO3 + 2HCl = MgCl2 + CO2 + H2O

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O

Ca3(PO4)2 + 6HCl = 3CaCl2 + 2H3PO4

Trong quá trình rửa, muối Cl^- tạo thành được rửa trôi, nồng độ axit HCl có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của chitosan thành phẩm, đồng thời có ảnh hưởng lớn đến thời gian và hiệu quả khử khoáng.

Quá trình khử khoáng thường được thực hiện ở nhiệt độ thường kết hợp với khuấy đảo.

* Đề protein

Quá trình đề protein từ phế liệu thủy sản có thể thực hiện với nhiều hóa chất như NaOH, Na2CO3, NaHCO3, KOH, K2CO3, Ca(OH)2. Tuy nhiên, NaOH được sử dụng nhiều nhất, nồng độ từ 1% - 10%, ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ cao, thời gian xử lý từ vài giờ đến vài ngày. Để tăng cường hiệu quả của quá trình đề protein cần thực hiện khuấy đảo trong khi xử lý.

* Đề axetyl

Thông thường quá trình đề axetyl được thực hiện bằng cách ngâm chitin trong dung dịch NaOH hoặc KOH đậm đặc. Nồng độ NaOH thường sử dụng từ 40 - 50%, ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao.

Chitosan thu được không tan trong nước nhưng tan được trong dung dịch axit. Muốn thu được chitosan có DDA cao gần như hoàn toàn thì phải rửa lại mẫu và xử lý bằng kiềm đặc nhiều lần.

Phương pháp mới để thực hiện phản ứng đề axetyl hóa có hiệu suất cao được các nhà khoa học thực hiện khi dùng dung dịch NaOH 5% và NaBH4 với tỉ lệ 0,1g NaBH4/1g chitosan thì chitosan được bảo vệ không bị cắt mạch và phá được cấu trúc tinh thể. Phản ứng thực hiện trong 3 giờ, đạt hiệu suất cao, giảm tiêu tốn hóa chất, giảm ô nhiễm môi trường.

* Tẩy màu chitosan

Chitin - chitosan thô có màu hồng nhạt do có sắc tố astaxanthin. Do chitin - chitosan ổn định với các chất oxy hóa như thuốc tím (KMnO4), người ta sử dụng H2O2 nồng độ thấp để khử màu chitin - chitosan.

b.Phương pháp lên men vi khuẩn axit lactic

Nguyên tắc của phương pháp: Hỗn hợp lên men gồm: vỏ phế thải, axit lactic, dung dịch glucozơ. Trong quá trình lên men LAB (Lactic Acid Bacterial) sản sinh ra axit lactic làm giảm pH (pH < 4,8) của dung dịch tạo điều kiện cho quá trình thủy phân protein, thủy phân khoáng tạo ra các lactat canxi, magic... là những chất tan được trong nước. Bằng cách ly tâm phần dung dịch lỏng dầu và khoáng đã hòa tan, tách được khỏi phần chitin không hòa tan. Phần còn lại là chitin thô.

Ưu điểm phương pháp: không cần quá nhiều hóa chất nên giá thành thấp, ít gây ô nhiễm môi trường, lượng nước rửa ít hơn, tuy nhiên thời gian lên men thường kéo dài 20-30 ngày.

Theo: Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư phạm