Điều chế glucosamin từ chitin/chitosan với tác nhân axit clohiđric và chiếu xạ

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2013, Vol. 58, No. 10, pp. 28-34 ĐIỀU CHẾ GLUCOSAMIN TỪ CHITIN/CHITOSAN VỚI TÁC NHÂN AXIT CLOHIĐRIC VÀ CHIẾU XẠ Nguyễn Thị Nhi Phương Khoa Cơ bản, Trường Đại học Phạm Văn Đồng, Quảng Ngãi Tóm tắt. Chitin/chitosan là hợp chất có nhiều ứng dụng trong cuộc sống, đặc biệt là nguyên liệu để sản xuất các biệt dược, chất chống viêm, nguyên liệu sinh học. Chitin/chitosan có chủ yếu ở vỏ bọc bên ngoài của các loài động vật giáp xác và côn trùng. Trong bài báo này tác giả trình bày các điều kiện để điều chế chitin/chitosan từ vỏ tôm với hiệu suất cao nhất tương ứng các điều kiện phản ứng: nồng độ axit HCl; thể tích axit HCl; nhiệt độ phản ứng; thời gian bẽ gãy mạch và liều xạ. Cấu trúc của sản phẩm được xác nhận bằng phương pháp phổ hồng ngoại. Từ khóa: Điều chế, glucosamin, chitin/chitosan, tác nhân HCl. 1. Introduction Chitin (kitin) được tìm thấy đầu tiên trong nấm vào năm 1811 do nhà khoa học Henry Braconnot, ông đặt tên cho chất này là "Fungie" để ghi nhớ nguồn gốc của nó. Đến năm 1823 Odier phân lập được một chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi là chitin, sau đó vào năm 1934 Children phát hiện ra sự có mặt của nitơ trong phân tử, đến năm 1875 Ledderhose thủy phân vỏ tôm hùm bằng dung dịch HCl và nhận được một muối clorua của amin 6C. Cuối cùng đều đi đến kết luận chitin có dạng công thức giống xenlulozơ [3]. Công thức cấu tạo của chitin như sau: Poly(1,4)-2 acetamido 2-deoxy -D-glucoza Ngày nhận bài: 22/9/2013. Ngày nhận đăng: 24/10/2013. Tác giả liên lạc: Nguyễn Thị Nhi Phương, địa chỉ E-mail: nhiphuongnpn@gmail.com 28 Điều chế glucosamin từ chitin/chitosan với tác nhân axit clohidric và chiếu xạ Năm 1894 nhà khoa học người Đức Hoppe Seyler chuyển hoá chitin tạo sản phẩm mới (dẫn xuất của chitin) được đặt tên là chitosan. Công thức cấu tạo của chitosan như sau: Poly(1,4)-2 amido 2-deoxy -D-glucoza Chitin có chủ yếu trong động vật không xương sống, tạo thành vỏ bọc bên ngoài của các loài giáp xác và côn trùng. Chitosan là dẫn xuất của chitin thu được từ phản ứng đeacetyl hóa, tách gốc acetyl khỏi nhóm amino ở vị trí C2. Trên thực tế mạch phân tử chitosan vẫn tồn tại nhóm acetyl đan xen do sự đeacetyl hóa chưa hoàn toàn. Do đó công thức chính xác của mạch chitosan như sau: Chitin/chitosan có trữ lượng rất lớn trong thiên nhiên: lượng chitin/chitosan được tạo ra trong thiên nhiên ước tính khoảng 100 tỉ tấn/năm, được phân bố rải rác ở các loài động vật giáp xác và sản lượng chỉ đứng sau xenlulozơ. Hiện nay, nhiều dự án lớn về nuôi tôm trên cát đang được triển khai như: dự án 2.000 ha nuôi tôm trên cát và nhà máy chế biến tại Hà Tĩnh, dự án xây dựng khu nuôi tôm công nghiệp trên cát lớn nhất Việt Nam tại Quảng Bình với diện tích 2.800 ha. Theo nhận định của Viện Kinh tế và Quy hoạch Thủy sản (Bộ Thủy sản), xu hướng này sẽ còn tăng mạnh trong thời gian tới. Qua thống kê của Viện Kinh tế và Quy hoạch thủy sản, Trung tâm Nghiên cứu Thủy sản III (Bộ Thủy sản) cho thấy, vùng ven biển nước ta có khoảng 100.000 ha đất cát, tập trung chủ yếu tại miền Trung, nhiều nhất là ở Quảng Bình (39.000 ha), Phú Yên (14.000 ha), Quảng Trị (13.000 ha) và Quảng Ngãi (13.000 ha). Tại các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long diện tích nuôi tôm càng xanh đã tăng nhanh trong những năm gần đây và hiện đạt gần 5.000 ha, sản lượng đạt mức 1,5 tấn/ha. Vì vậy, nghề nuôi tôm phát triển mạnh mẽ từ Bắc tới Nam, sản lượng năm sau luôn cao hơn năm trước. Mặc dù chitin/chitosan có rất nhiều trong tự nhiên, được xem là hợp chất có nhiều ứng dụng trong y học, có khả năng tự phân huỷ sinh học và tương hợp sinh học, nhưng quá trình nghiên cứu chitin/chitosan chỉ thực sự có hệ thống vào giữa thế kỉ 20 [1]. 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 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 29 Nguyễn Thị Nhi Phương nghiên cứu chậm hơn so với những nước khác nhưng lại đang phát triển rất nhanh trong lĩnh vực này [3]. Ở Việt Nam, chitin/chitosan bắt đầu được nghiên cứu từ năm 1984 tại phòng nghiên cứu các hợp chất cao phân tử, thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và công nghệ Quốc gia. Hiện nay ở Việt Nam có nhiều cơ sở khoa học đang nghiên cứu sản xuất chitin/chitosan như: Trường Đại học Nông Lâm, thành phố Hồ Chí Minh, Trung tâm nghiên cứu polyme viện Khoa học Việt Nam, Viện Hoá học thuộc phân viện Khoa học Việt Nam tại thành phố Hồ Chí Minh. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Thực nghiệm * Xử lí sơ bộ nguyên liệu: Nguyên liệu là vỏ tôm được mua từ nhà máy đông lạnh. Vỏ tôm được rửa sạch bằng nước, loại bỏ phần mắt và thịt ở đầu, phơi khô và nghiền nhỏ, lúc này mẫu có màu hồng sáng. * Tách chitin/chitosan từ vỏ tôm cua phế thải: - Nguyên tắc: Công nghệ sản xuất chitin/chitosan dựa trên nguyên tắc loại bỏ muối khoáng và protein - Giai đoạn loại protein: Tách protein bằng cách đun cách thủy với dung dịch NaOH 5% ở 90 C trong 2 giờ. Mẫu sau khi loại protein được rửa nhiều lần bằng nước để loại hết NaOH. Mẫu sau khi rửa sạch kiềm, làm khô nước và tiến hành loại khoáng. - Giai đoạn loại khoáng: Tách khoáng bằng cách ngâm trong dung dịch HCl 12% ở nhiệt độ phòng trong 6 giờ (cần thêm HCl vào từ từ vì CO2 thoát ra rất mạnh). Chitin tạo thành được rửa bằng nước nhiều lần để loại axit. Tỉ lệ mẫu và hóa chất: 100 g mẫu khô tiêu tốn hết 0,5 l HCl 12% và 0,5 l NaOH 5%, kết quả thu được 16 g chitin. * Phương pháp xác nhận cấu trúc của glucosamin: Sử dụng phương pháp Phổ hồng ngoại trên máy Shimadzu FTIR- 8101M (ép viên với KBr). 2.2. Kết quả và thảo luận 2.2.1. Điều chế glucosamin từ chitin với tác nhân HCl * Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất cắt mạch với các thông số cố định như: Khối lượng chitin:10 g; Thể tích HCl:150 ml; Nồng độ HCl: 10 N; Thời gian phản ứng: 4 giờ. Kết quả khảo sát được biểu diễn ở Hình 1. 30 Điều chế glucosamin từ chitin/chitosan với tác nhân axit clohidric và chiếu xạ Hình 1. Sự ảnh hưởng của hiệu suất cắt mạch vào nhiệt độ Hình 1 cho thấy: Khi nhiệt độ càng tăng thì hiệu suất cắt mạch tăng và đạt cực đại ở 95 C. Vì vậy, chúng tôi chọn giá trị nhiệt độ này cho các nghiên cứu tiếp theo. * Ảnh hưởng của nồng độ HCl: Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến hiệu suất cắt mạch với các điều kiện phản ứng cố định: Khối lượng chitin: 10 g; Thể tích HCl: 150 ml; Thời gian: 4 giờ; Nhiệt độ: 95 C. Bảng 1. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ HCl đến hiệu suất cắt mạch Nồng độ HCl (N) Hiệu suất (%) 9 23,000 10 25,754 10,5 29,793 11 32,714 11,5 35,612 12 38,660 12,5 38,006 Từ kết quả ở Bảng 1 ta thấy, khi nồng độ HCl càng tăng thì hiệu suất cắt mạch tăng và đạt cực đại ở 12 N. Vì vậy, chúng tôi chọn nồng độ HCl 12 N cho các nghiên cứu tiếp theo. 2.2.2. Điều chế glucosamin từ chitin với tác nhân chiếu xạ và HCl * Ảnh hưởng của thể tích HCl Khảo sát ảnh hưởng thể tích axit HCl đến hiệu suất cắt mạch ở 3 mẫu có liều xạ khác nhau và các điều kiện phản ứng cố định: Khối lượng chitin đã chiếu xạ: 10 g; Nồng độ HCl: 12 N; Thời gian: 4 giờ; Nhiệt độ: 95 C. 31 Nguyễn Thị Nhi Phương Bảng 2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thể tích HCl đến hiệu suất cắt mạch ở 3 mẫu có liều xạ khác nhau Liều xạ (KGy) Thể tích HCl (ml) Hiệu suất (%) 140 65,190 150 68,104 10 160 71,130 180 84,722 200 74,570 100 57,186 120 67,700 30 140 78,806 150 75,178 160 74,608 90 70,025 100 70,834 50 120 69,352 140 65,454 150 60,340 Nhận xét tổng quát: Qua khảo sát ảnh hưởng của thể tích HCl đến hiệu suất cắt mạch ở các liều xạ khác nhau ta thấy, ở liều xạ 10 KGy đạt hiệu suất cao nhất và ứng với thể tích HCl 180 ml, vì thể tích lớn hơn sẽ xảy ra sự phá hủy vòng glucosamin làm cho hiệu suất giảm xuống. Vì vậy, chúng tôi chọn mẫu có liều xạ 10 KGy và 180 ml HCl 12 N cho các nghiên cứu tiếp theo. * Ảnh hưởng của thời gian phản ứng: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất cắt mạch với điều kiện phản ứng cố định: Khối lượng chitin đã chiếu xạ: 10 g; Nồng độ HCl: 12 N; Thể tích HCl: 180 ml; Liều xạ: 10 KGy; Nhiệt độ: 95 C. Kết quả khảo sát được thể hiện ở Hình 2. Hình 2. Sự ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất cắt mạch 32 Điều chế glucosamin từ chitin/chitosan với tác nhân axit clohidric và chiếu xạ Hình 2 cho thấy: Khi tăng thời gian thì hiệu suất cắt mạch tăng và đạt cực đại ở 5 giờ. Nếu tăng thời gian thì hiệu suất cắt mạch giảm do vòng của glucosamin bị phá hủy. Vì vậy, chúng tôi chọn thời gian cắt mạch tối ưu là 5 giờ. - Với cùng các giá trị tối ưu được chọn thì mẫu chitin đã chiếu xạ có hiệu suất cắt mạch cao hơn so với chitin chưa chiếu xạ. Điều này có thể được giải thích là do chiếu xạ nên mạch chitin đã được cắt sơ bộ thành các oligo chitin. - Đối với các mẫu chitin đã chiếu xạ: Với liều xạ càng cao thì hiệu suất càng thấp do khi tăng liều xạ lên cao thì glucosamin sẽ mở vòng và sản phẩm tạo thành không như mong muốn. * Phổ hồng ngoại của Glucosamin chuẩn và mẫu nghiên cứu Hình 3. Phổ hồng ngoại của mẫu glucosamin chuẩn Hình 4. Phổ hồng ngoại của mẫu glucosamin nghiên cứu Phổ hồng ngoại (IR) của glucosamin chuẩn (do Công ty Cổ phần Hóa chất Việt Mỹ cung cấp) và glucosamin nghiên cứu được trình bày trong Hình 3 và Hình 4. Phổ hồng ngoại cho thấy có sự hiện diện của liên kết O-H tại 3327 cm1 (glucosamin chuẩn) và tại 3292 cm1 (mẫu glucosamin nghiên cứu). Dao động đặc trưng của liên kết amin bậc một N-H được ghi nhận tại 1628 cm1 và 1538 cm1 trong cả hai phổ. Dao động của nhóm C-O-C cũng được ghi nhận trong phổ hồng ngoại tại vùng hấp thu từ 1022 - 1131 cm1 trong cả hai phổ. Kết quả trên cho thấy mẫu glucosamin nghiên cứu có dữ liệu phổ hồng ngoại tương tự như mẫu glucosamin chuẩn. 33 Nguyễn Thị Nhi Phương 3. Kết luận - Tác giả đã khảo sát một số điều kiện ảnh hưởng đến hiệu suất cắt mạch chitin bằng tác nhân HCl để điều chế glucosamin hiệu suất cao nhất (65,5%) với các điều kiện phản ứng như sau: Nồng độ HCl: 12 N; Thể tích HCl: 150 ml/10 g chitin; Nhiệt độ: 95 C. - Tác giả cũng đã khảo sát một số điều kiện ảnh hưởng đến hiệu suất cắt mạch chitin để điều chế glucosamin bằng phương pháp kết hợp chiếu xạ và HCl. Kết quả thu glucosamin hiệu suất cao nhất (84,7%) với các điều kiện phản ứng như sau: Liều xạ: 10 KGy; Nồng độ HCl: 12 N; Thể tích HCl: 180 ml/10 g chitin; Thời gian: 5 giờ; Nhiệt độ: 95 C. - Với điều kiện phản ứng như nhau, thì mẫu có chiếu xạ cho lượng glucosamin nhiều hơn mẫu không chiếu xạ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Đàn, Ngô Ngọc Khuyến, 1999. Hợp chất thiên nhiên dùng làm thuốc. Nxb Y học, Hà Nội. [2] Nguyễn Quốc Hiến, 2000. Hoá học bức xạ và các quá trình công nghệ bức xạ chế tạo, biến tính vật liệu polyme. Nxb Đà Lạt. [3] Wikipedia. ABSTRACT The modulation glucosamin from chitin/chitosan with hydrochloric acid and radiation agents Chitin/chitosan is a compound substance that has many applications in life, such as the production of drugs, anti-inflammatory agents, biological rawmaterials. Chitin/chitosan is found mainly in the external covers of the species of crustaceans and insects. In this arti- cle, the author presents the conditions for modulating chitin/chitosan from shrimps shells with high efficiency corresponding to reaction conditions such as: the concentration of HCl acid, capacity of HCl acid, reaction temperature, time of breaking down artery and dose. 34