54

T¹p chÝ Hãa häc, T. 41, sè 3, Tr. 54 - 60, 2003

Kh¶o s¸t ®éng häc ph¶n øng deaxetyl hãa chitin thµnh chitosan ë nhiÖt ®é th−êng

§Õn Tßa so¹n 2-12-2002

Lª ThÞ H¶i YÕn, NguyÔn ThÞ Ngäc Tó ViÖn Hãa häc, Trung t©m KHTN&CNQG

summary The influence of NaOH solution concentration and reaction duration on the deacetylation

reaction of chitin to form chitosan has been investigated. The chitosan product obtained from the technic treated chitin has high deacetylation degree (DD ≈ 97%), while those from the non technic treated chitin has lower deacetylation degree at the same reaction condition. 13C-NMR spectra of chitosan in solid form has been studied.

I - §Æt vÊn ®Ò

Chitosan lµ s¶n phÈm deaxetyl hãa chitin (thµnh phÇn chÝnh cña c¸c d− phÈm thñy s¶n nh−: vá t«m, vá cua, sèng l−ng mùc èng...) ®*®−îc nghiªn cøu vµ sö dông réng r*i trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y [1, 2]....

CÊu tróc hãa häc cña chitin cã c¸c m¹ch cao ph©n tö ®an xen nhau nªn kh¸ bÒn v÷ng, v× vËy, th«ng th−êng ®Ó thùc hiÖn ph¶n øng deaxetyl hãa thµnh chitosan ng−êi ta ph¶i sö dông dung dÞch kiÒm ®Æc vµ nhiÖt ®é 90 -100oC[3]. §Æc biÖt, ®Ó thu ®−îc chitosan cã ®é deaxetyl hãa (DD) cao kho¶ng trªn 90%, cã t¸c gi¶ ph¶i thùc hiÖn ph¶n øng deaxetyl hãa chitin trong m«i tr−êng khÝ tr¬ ®Ó tr¸nh sù oxi hãa víi kü thuËt t−¬ng ®èi phøc t¹p [4].

Ph¶n øng ®eaxetyl hãa cña chitin thµnh chitosan còng x¶y ra trong m«i tr−êng kiÒm ®Æc víi thêi gian ph¶n øng kÐo dµi tõ 5 - 6 ngµy ënhiÖt ®é th−êng, cho s¶n phÈm cã ®é deaxetyl hãa kh«ng cao (DD < 85%) [5].

ë ®©y, chóng t«i ®* nghiªn cøu ®éng häc qu¸ tr×nh ph¶n øng ®eaxetyl hãa chitin sau khi xö lý kü thuËt (XLKT) vµ chitin kh«ng qua XLKT thµnh chitosan trong m«i tr−êng kiÒm, nhiÖt ®é b×nh th−êng ®Ó t×m ra ®iÒu kiÖn tèi −u

cho ph¶n øng ®iÒu chÕ chitosan.

II - Thùc nghiÖm

1. Nguyªn liÖu

- Chitin tõ vá t«m do phßng Polyme d−îc phÈm - ViÖn Hãa häc, Trung t©m KHTN& CNQG cung cÊp.

- NaOH tinh s¹ch.

2. ThiÕt bÞ, dông cô

B×nh ph¶n øng thñy tinh, cèc thñy tinh, èng ®ong, ®òa thñy tinh,

M¸y ®o ®é nhít SNB -1/Shangping cña §µiLoan,

M¸y ®o phæ hång ngo¹i (IR) FIR-Impact 410 cña h*ng Nicolet,

M¸y ®o phæ céng h−ëng tõ h¹t nh©n JEOL JNM CMX300 cña NhËt B¶n.

3. Ph¶n øng deaxetyl hãa chitin thµnh chitosan

C©n kho¶ng 10 g chitin cho mçi mÉu, sau khi xö lý kü thuËt (XLKT), chitin ®−îc ng©m ngËp trong dung dÞch NaOH ®Æc ë c¸c nång ®é kh¸c nhau trong b×nh ph¶n øng, thØnh tho¶ng

55

khuÊy ®¶o ®Òu. Ph¶n øng ®−îc thùc hiÖn ë nhiÖt ®é phßng.

Theo dâi qu¸ tr×nh deaxetyl hãa b»ng thö ®é hoµ tan cña s¶n phÈm trong dung dÞch axit axetic 1%, kÕt hîp víi x¸c ®Þnh DD b»ng phæ IR.

KÕt thóc ph¶n øng, lo¹i bá dung dÞch NaOH vµ röa s¹ch phÇn kh«ng tan víi n−íc cÊt nhiÒu lÇn ®Õn pH = 7 vµ sÊy kh« s¶n phÈm ë 40 - 50oC.

S¶n phÈm ®−îc ®ãng trong lä thñy tinh, ®Ëy n¾p kÝn, d¸n nh*n.

MÉu ®èi chøng dïng chitin kh«ng qua XLKT ë cïng ®iÒu kiÖn ph¶n øng nh− nhau.

4. X¸c ®Þnh khèi l−îng ph©n tö trung b×nh

X¸c ®Þnh khèi l−îng ph©n tö trung b×nh cña chitosan theo ph−¬ng ph¸p ®o ®é nhít víi ph−¬ng tr×nh Mark-Houwink [6] vµ c¸c th«ng sè k, α thÝch hîp.

[η] = k . Mvα (1)

Do c¸c s¶n phÈm chitosan cã ®é deaxetyl hãa kh¸c nhau nªn chóng t«i chän hÖ dung m«i ®o CH3COOH 0,2 M/CH3COONa 0,1 M ë 30oCvíi c¸c th«ng sè k vµ α theo [6] nh− sau:

DD = 69%, [η] = 0,104.10-3 M1,12 (ml/g) DD = 84%, [η] = 0,1424.10-3 M0,96 (ml/g) DD = 91%, [η] = 6,589.10-3 M0,88 (ml/g) DD = 100%, [η] = 16,80.10-3 M0,81 (ml/g)

5. X¸c ®Þnh ®é deaxetyl hãa(DD)

Sö dông ph−¬ng ph¸p cña A. Baxter vµcéng sù (ph−¬ng ph¸p nµy cho phÐp ®o ®−îc chitosan cã DA tõ 0 - 55%) ®Ó x¸c ®Þnh ®é deaxetyl hãa cña chitosan.

Trªn phæ IR cña chitosan, x¸c ®Þnh diÖn tÝch hÊp thô cña c¸c ®Ønh t¹i sè sãng x¸c ®Þnh (kh«ng tÝnh chiÒu cao pic) b»ng c¸ch lÊy trÞ sè t¹i 3 sè sãng (gåm hai tiÕp tuyÕn vµ 1 ®iÓm cùc ®¹i). X¸c ®Þnh A1655 vµ A3450, tÝnh ®é deaxetyl hãa (%N-acetylation) theo c«ng thøc 2 [7]:

DA = (A1655 / A3450) × 115 (2)

DD (%) = 100% - DA (%)

III - KÕt qu¶ vµ th¶o luËn

Qua nghiªn cøu ph¶n øng deaxetyl hãa chitin thµnh chitosan trong m«i tr−êng kiÒm, ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é b×nh th−êng, víi chitin cã qua XLKT vµ chitin kh«ng qua XLKT, kÕt qu¶ ®−îc tr×nh bµy ë b¶ng 1.

B¶ng 1: KÕt qu¶ kh¶o s¸t qu¸ tr×nh ®eaxetyl hãa tõ chitin thµnh chitosan ë nhiÖt ®é th−êng

Khèi l−îng ph©n tö trung b×nh

M§é ®eaxetyl (x¸c ®Þnh theo IR),

DD, % TT

Nång ®é NaOH,

%

Thêi gian ph¶n

øng, giêMÉu 1

(cã XLKT) MÉu 2

(kh«ng XLKT)MÉu 1

(cã XLKT) MÉu 2

(kh«ng XLKT)

1 2 3 4 5 6 7

1 20 48 KX§ KX§ KX§ KX§

2 30 48 KX§ KX§ 61 KX§

3 40 48 450 600 465 700 77 63

4 50 48 415 360 420 650 82 67

5 60 48 364 530 390 100 83 68

6 40 0 KX§ KX§ KX§ KX§

7 40 6 KX§ KX§ KX§ KX§

8 40 12 KX§ KX§ KX§ KX§

9 40 18 KX§ KX§ KX§ KX§

56

50

55

60

65

70

75

80

85

20 30 40 50 60

Nång ®é NaOH, %

mÉu 1

mÉu 2

DD

,%

1 2 3 4 5 6 7

10 40 24 KX§ KX§ 60 KX§

11 40 36 455.600 KX§ 67 KX§

3 40 48 450.600 465.700 77 63

12 40 72 434.350 455.600 84 65

13 40 96 385.500 450.100 90 68

14 40 120 380.300 430.000 95 69

15 40 144 369.200 405.500 97 71

*KX§: Kh«ng x¸c ®Þnh ®−îc theo ph−¬ng ph¸p ®o.

Ph−¬ng ph¸p tÝnh khèi l−îng ph©n tö trung b×nh vµ ®é deaxetyl hãa cña chitin/chitosan ¸p dông trong bµi nµy, kh«ng x¸c ®Þnh ®−îc víi s¶n phÈm cã DD < 45% vµ kh«ng tan trong hÖ dung m«i CH3COOH 0,2M/CH3COONa 0,1M (trong b¶ng 1 cho kÕt qu¶ kh«ng x¸c ®Þnh ®−îc theo ph−¬ng ph¸p ®o). Tuy nhiªn ph−¬ng ph¸p nµy l¹i h÷u dông víi s¶n phÈm cã DD > 45% vµtan trong hÖ dung m«i CH3COOH 0,2 M/ CH3COONa 0,1 M.

KÕt qu¶ nghiªn cøu cho thÊy,

- Khèi l−îng ph©n tö trung b×nh cña chitosan gi¶m khi nång ®é NaOH t¨ng vµ thêi gian ph¶n øng t¨ng, ®iÒu nµy lµ hîp lý v× nång ®é kiÒm cao vµ thêi gian ph¶n øng dµi sÏ g©y c¾t m¹ch chitosan nhiÒu h¬n. Tuy nhiªn, khèi l−îng ph©n tö trung b×nh cña chitosan thu ®−îc kh¸c nhau kh«ng ®¸ng kÓ gi÷a hai mÉu cã XLKT vµ kh«ng XLKT. §iÒu nµy cho thÊy qu¸ tr×nh XLKT kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn khèi l−îngph©n tö cña chitin/chitosan.

- Chitin cã XLKT chuyÓn hãa thµnh chitosan dÔ dµng h¬n lo¹i chitin kh«ng XLKT vµ cã thÓ cho ®é DD kh¸ cao (97%). Chitin kh«ng qua XLKT khã chuyÓn hãa thµnh chitosan trong ®iÒu kiÖn ph¶n øng ë nhiÖt ®é th−êng v× cÊu tróc m¹ng tinh thÓ cña nã bÒn v÷ng, kh¶ n¨ng deaxetyl hãa thÊp DD ≤ 71%.

Møc ®é deaxetyl hãa chitin thµnh chitosan theo nång ®é kiÒm ë hai mÉu ®−îc tr×nh bµytrªn h×nh 1.

Chitin kh«ng qua XLKT (mÉu 2) còng bÞ khö axetyl thµnh chitosan ë cïng ®iÒu kiÖn ph¶n øng, nh−ng møc ®é thÊp h¬n so víi chitin

®* qua XLKT (mÉu 1), ë mÉu kh«ng qua XLKT cã DD ®¹t tõ 63% - 68% trong khi mÉu qua XLKT cã DD b»ng 77% - 83%.

H×nh 1: Møc ®é deaxetyl hãa chitin thµnhchitosan theo nång ®é NaOH

MÉu 1: chitosan tõ chitin ®* qua XLKT MÉu 2: chitosan tõ chitin kh«ng qua XLKT

H×nh 2 cho thÊy sù biÕn ®æi chitin ®* qua XLKT thµnh chitosan ë nhiÖt ®é th−êng theo nång ®é NaOH.

Kh¶ n¨ng chuyÓn hãa chitin thµnh chitosan t¨ng theo nång ®é NaOH vµ thêi gian ph¶n øng (DD t¨ng). Víi thêi gian 48 giê kh¶o s¸t, nång ®é NaOH tõ 30% - 40% th× ph¶n øng x¶y ra m¹nh (DD t¨ng tõ 61% - 77%), nh−ng khi nång ®é NaOH t¨ng (60%) th× DD t¨ng chËm vµ chØ ®¹t ®Õn 83%. MÆt kh¸c, khi nång ®é NaOH cao (60%) th× khèi l−îng ph©n tö chitosan gi¶m

(M = 364.530) do bÞ c¾t m¹ch mét phÇn. Nång ®é NaOH chóng t«i lùa chän lµ 40% v× cho s¶n

phÈm chitosan ®¹t ®−îc cã DD = 77%, M =450.000.

57

60

65

70

75

80

85

30 40 50 60 70

DD

,%

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

24 36 48 72 96 120 144

mÉu 1

mÉu 2

DD

,%

Nång ®é NaOH, % H×nh 2: Sù biÕn ®æi chitin cã qua XLKT thµnh chitosan theo nång ®é NaOH

§é deaxetyl hãa chitin thµnh chitosan theo thêi gian ph¶n øng ë hai mÉu tr×nh bµy ë h×nh 3.

Thêi gian, giê

H×nh 3: Møc ®é biÕn ®æi chitin thµnh chitosan theo thêi gian ph¶n øng ë nhiÖt ®é phßng MÉu 1: chitosan thu ®−îc tõ chitin ®* qua XLKT; MÉu 2: chitosan thu ®−îc tõ chitin kh«ng qua XLKT

H×nh 3 cho thÊy, ®é deaxetyl hãa cña chitin

thµnh chitosan t¨ng theo thêi gian ph¶n øng ë c¶ hai mÉu nghiªn cøu, tuy nhiªn DD ë mÉu 2 thÊp h¬n mÉu 1. KÕt qu¶ biÕn ®æi chitin thµnh chitosan ë nhiÖt ®é th−êng (kh«ng qua XLKT) trong 6 ngµy thu ®−îc s¶n phÈm cã DD = 71% phï hîp víi nghiªn cøu cña Pius Thomas vµcéng sù [5].

Sù biÕn ®æi ®é deaxetyl hãa chitin ®* qua XLKT thµnh chitosan theo thêi gian ph¶n øng ë nhiÖt ®é th−êng trong NaOH 40% ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 4.

Chitin trong tù nhiªn cã ®é deaxetyl hãa kho¶ng 10%, ®Ó x¸c ®Þnh ®é DD cña chitin ng−êi ta ph¶i sö dông ph−¬ng ph¸p phæ céng h−ëng tõ h¹t nh©n 1H-NMR hay ph©n tÝch

nguyªn tè.... Th«ng th−êng, Ýt khi ng−êi ta x¸c ®Þnh ®é ®eaxetyl hãa cña chitin, mµ chØ x¸c ®Þnh ®é ®eaxetyl hãa cña chitosan. Trong nghiªn cøu nµy, chóng t«i sö dông ph−¬ng ph¸p phæ hång ngo¹i IR ®Ó x¸c ®Þnh ®é deaxetyl hãa cña chitosan (cho kÕt qu¶ cã sai sè thÊp) [7]. Tuy nhiªn, ph−¬ng ph¸p nµy cã nh−îc ®iÓm lµkh«ng x¸c ®Þnh ®−îc ®é DD cña chitin mµ chØ x¸c ®Þnh ®−îc ®é DD cña chitosan (DA tõ 0 - 55% hay DD tõ 45 - 100%). ChÝnh v× vËy, trªn h×nh 4 thÓ hiÖn sù biÕn ®æi ®é deaxetyl hãa cña chitosan tõ chitin ®* qua XLKT theo thêi gian ph¶n øng ë nhiÖt ®é th−êng trong NaOH 40% tõ 0 - 24 giê ®−îc x¸c ®Þnh bëi ngo¹i suy.

ë 48 giê ®Çu cña ph¶n øng chuyÓn hãa chitin (qua XLKT) thµnh chitosan ë nhiÖt ®é

58

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150

DD

,%

Thêi gian, giê

H×nh 4: Sù biÕn ®æi chitin ®* qua XLKT thµnh chitosan theo thêi gian ph¶n øng ë nhiÖt ®é phßng

th−êng víi nång ®é NaOH b»ng 40%, DD cña s¶n phÈm t¨ng nhanh (mÉu 1 cã DD = 77%), sau ®ã tèc ®é ph¶n øng deaxetyl hãa chËm l¹i. §iÒu nµy ®−îc lý gi¶i nh− sau: c¸c nhãm -NHCOCH3 ban ®Çu nhiÒu vµ dÔ dµng tham gia ph¶n øng nªn tèc ®é deaxetyl hãa diÔn ra nhanh. VÒ sau c¸c nhãm -NHCOCH3 gi¶m dÇn vµ ë vÞ trÝ khã tiÕp xóc (do m¹ch cao ph©n tö ®an xen vµ cuén xo¾n lÉn lén che lÊp c¸c nhãm chøc) nªn khã bÞ lo¹i hoµn toµn trong ph¶n øng khö axetyl. §iÒu nµy còng phï hîp víi víi ph−¬ng ph¸p deaxetyl hãa cña Keisuke Kurita vµ céng sù [4], khi muèn thu ®−îc s¶n phÈm cã ®é DD cao (> 95%), ph¶n øng ph¶i thùc hiÖn trong ®iÒu kiÖn nit¬ vµ lÆp ®i lÆp l¹i nhiÒu lÇn ®Ó lo¹i hoµn toµn nhãm axetyl cßn l¹i trong m¹ch chitin/chitosan. Chitin ®* qua XLKT cã m¹ng ph©n tö linh ®éng nªn ph¶n øng x¶y ra dÔ dµng h¬n so víi chitin kh«ng qua XLKT, nh−ng ®Ó thu ®−îc chitosan cã DD cao chóng t«i ph¶i lÆp l¹i qu¸ tr×nh XLKT nhiÒu lÇn vµkÐo dµi thêi gian ph¶n øng ®Õn 144 giê míi thu ®−îc s¶n phÈm cã ®é ®eaxetyl hãa b»ng 97%.

§Æc biÖt, s¶n phÈm chitosan sau qu¸ tr×nh deaxetyl hãa cã mµu tr¾ng vµ kh«ng bÞ ¶nh h−ëng bëi nhiÖt ®é, kh¸c víi chitosan dïng nhiÖt ®é cao th−êng cã mµu vµng nh¹t vµ träng l−îng ph©n tö gi¶m. Theo nghiªn cøu cña S. Z. Rogovina vµ céng sù, qu¸ tr×nh ®eaxetyl hãa

chitin ë nhiÖt ®é cao dÔ bÞ oxi hãa, s¶n phÈm bÞ vµng vµ khèi l−îng ph©n tö trung b×nh gi¶m [8]. Cßn qu¸ tr×nh deaxetyl hãa cña chóng t«i thùc hiÖn ë nhiÖt ®é th−êng vµ chitin ®−îc XLKT cho s¶n phÈm chitosan cã khèi l−îng ph©n tö

trung b×nh gi¶m chót Ýt (M = 369.200) so víi

chitin kh«ng qua XLKT (M = 405.500), tuy nhiªn sù kh¸c biÖt nµy kh«ng lín l¾m mµ vÉn thu ®−îc s¶n phÈm cã ®é khö axetyl cao.

Phæ 13C-NMR d¹ng r¾n cña chitosan (h×nh 5 vµ 6) còng thÓ hiÖn ®é deaxetyl hãa trong s¶n phÈm. Trªn phæ 13C-NMR ë h×nh 5 cã c¸c ®Ønh ë 23,76 ppm (CH3) vµ 174,43 ppm (CO), chøng tá trong ®¹i ph©n tö chitosan vÉn cßn nhãm axetyl do sù deaxetyl hãa x¶y ra kh«ng hoµntoµn, kh¸c víi phæ ë h×nh 6 cña chitosan cã ®é deaxetyl hãa cao ph¶n øng x¶y ra gÇn nh− hoµntoµn.

IV - KÕt luËn

Qua kh¶o s¸t ®éng häc cña ph¶n øng ®eaxetyl hãa cña chitin thµnh chitosan ë nhiÖt ®é th−êng, chóng t«i ®* x©y dùng ®−îc quy tr×nh s¶n xuÊt chitosan ®¹t chÊt l−îng cao, tèn Ýt n¨ng l−îng vµ dÔ thùc hiÖn ë ViÖt Nam.

S¶n phÈm chitosan thu ®−îc cã ®é ®eaxetyl hãa nh− mong muèn. §Æc biÖt qua qu¸ tr×nh xö

59

H×nh 5: Phæ 13C-NMR cña chitosan cã DD = 77%

H×nh 6: Phæ 13C-NMR cña chitosan cã DD = 97% lý kü thuËt, cã thÓ ®iÒu chÕ chitosan cã ®é DD cao trªn 90% mµ c¸c ph−¬ng ph¸p th«ng th−êng khã thùc hiÖn ®−îc.

Tµi liÖu tham kh¶o

1. W. Paul, C. P. Sharma. Chitosan, a drug carrier for the 21st Century: a review;

Pharma. Sci., Vol. 10, No. 1, P. 5 - 22 (2000).

2. Fereidoon Shahidi, Janak Kamil Vidana Arachchi and You-Jin Jeon. Trends in Food Sci. & Tech., Vol. 10, P. 37 - 51 (1999).

3. §Æng V¨n LuyÕn. Chitin/chitosan. C¸c bµigi¶ng vµ b¸o c¸o chuyªn ®Ò, tËp 2, Tr. 27 -

60

35 (1995).

4. Keisuke Kurita, Koji Tomita, Tomoyoshi Tada, Shigeru Ishii, Shin - Ichiro Nishimura and Kayo Shimoda. J. of Polym. Sci., Part A: Polym. chem. Vol. 31, P. 485 - 491 (1993).

5. Pius Thomas and Babu Philip. International conference 8th ICCC - 4 th APCCS; September 21 - 23, Yamaguchi-Japan, 84 (2000).

6. Wei Wang, Shuqin Bo, Shuqing Li and Wen Qin. Int. J. Biol. Macromol, Oct. Vol. 13, P. 281 - 285 (1991).

7. Alasdair Baxter, Michael Dillon, K. . Anthony Taylor, and George A. F. Robets. Int. J. Biol. Macromol, June, Vol.14, P. 166 - 169 (1992).

8. S. Z. Rogovina, T. A. Akopova, G. A. Vikhoreva. J. Appl. Polym. Sci., Vol. 70, P. 927 - 933 (1998).