TỔNG QUAN
Lịch sử nghiên cứu
Chitosan được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1859 bởi nhà sinh lý học người Pháp Rouget, thông qua các thí nghiệm hóa học và nhiệt trên sợi chitin tự nhiên.
(Au Natural Herbals, 2001) Ông đã đặt tên cho sản phẩm là “chitine modifiée” Đến năm 1894 , Hoppe-Seyler đặt tên lại là chitosan [1]
Những năm 1930, màng và sợi chitosan đầu tiên được cấp bằng sáng chế, đó cũng là ứng dụng đầu tiên của chitosan trong ngành sản xuất giấy [1]
Chitosan đã được sử dụng trong lọc nước hơn 30 năm nhờ khả năng liên kết với nhiều dạng phụ như axit, chất ưa béo và khoáng chất.
Chitosan được sản xuất công nghiệp đầu tiên tại Nhật Bản vào năm 1971 [3]
Chitosan đã được bán ở Châu Âu và Nhật Bản trong 20 năm qua như một sản phẩm không kê đơn để ức chế sự hấp thụ của chất béo [4]
Chitosan lần đầu tiên được bán trên thị trường như một loại thuốc bổ cho người ăn kiêng ở Hoa Kỳ vào cuối những năm 1990 [5]
Tên gọi chitosan
Danh pháp IUPAC: methyl N-[(2S,3R,4R,5S,6R)-5-[(2S,3R,4R,5S,6R)-3-amino-
5-[(2S,3R,4R,5S,6R)-3-amino-5-[(2S,3R,4R,5S,6R)-3-amino-5-[(2S,3R,4R,5S,6R)-3- amino-5-[(2S,3R,4R,5S,6R)-3-amino-5-[(2S,3R,4R,5S,6R)-3-amino-4,5-dihydroxy-6-
(hydroxymethyl)oxan-2-yl]oxy-4-hydroxy-6-(hydroxymethyl)oxan-2-yl]oxy-4- hydroxy-6-(hydroxymethyl)oxan-2-yl]oxy-4-hydroxy-6-(hydroxymethyl)oxan-2- yl]oxy-4-hydroxy-6-(hydroxymethyl)oxan-2-yl]oxy-4-hydroxy-6-
(hydroxymethyl)oxan-2-yl]oxy-2-[(2R,3S,4R,5R,6S)-5-amino-6-[(2R,3S,4R,5R,6R)-5- amino-4,6-dihydroxy-2-(hydroxymethyl)oxan-3-yl]oxy-4-hydroxy-2-
(hydroxymethyl)oxan-3-yl]oxy-4-hydroxy-6-(hydroxymethyl)oxan-3-yl]carbamate
Tên thương mại: chitin, chitosan ascorbate, deacetylated chitin biopolymer, N-O- sulfated chitosan, N-carboxybutyl chitosan, O-sulfated N-acetylchitosan, sulfated N- carboxymethylchitosan, sulfated O-carboxymethylchitosan.
Định nghĩa chitosan
Chitosan, một polysaccharid có trong tự nhiên, là một polysaccharid cation bao gồm [a2-amino-2-deoxy-β-D-glucan] là thành phần cấu trúc chính của vỏ tôm và cua,
Chitosan, một polyme cacbohydrat biến tính, được sản xuất từ việc thủy phân các nhóm aminoacetyl của chitin, có nguồn gốc từ ống mực và thành tế bào của một số loại nấm.
Bảng 1.1 Nguồn cung cấp chitin và chitosan Động vật biển Côn trùng Vi sinh vật
Giáp xác Bọ cạp Tảo lục
Annelida Gián Nấm (thành tế bào)
Thân mềm Nhện Sợi nấm penicilium
Tôm Bọ cánh cứng Tảo nâu
Nhuyễn thể Kiến Họ Chytridiaceae
Chất này là một poly-saccharide tự nhiên, có khả năng phân hủy sinh học, tương thích sinh học, không độc hại và có tính chống vi khuẩn Nó được cung cấp dưới nhiều dạng khác nhau như dung dịch, bột, vảy, sợi và phim, với mã CAS: 9012-76-4.
Hình 1.1 Quá trình điều chế các dạng vật chất chitosan khác nhau
Cấu trúc chitosan
Chitosan, β - (1-4) liên kết 2-amino-2-deoxy- β -D-glucopyranose, là một dẫn xuất
N-deacetyl hóa của chitin thu được bằng cách biến đổi các nhóm axetamit thành các nhóm amin bậc 1
Hình 1.2 Tạo chitosan từ chitin
Cấu trúc hóa học của chitin và chitosan tương tự như xenlulo, với hàng trăm đến hàng nghìn đơn vị D-glucose liên kết β-(1-4) Điểm khác biệt chính là hydroxyl ở vị trí C-2 của xenluloza được thay thế bằng nhóm axetamit trong chitin và chitosan.
Hình 1.3 Công thức hóa học của xenlulo
Hình 1.4 Cấu tạo của glucosamine (monomer của chitosan) và glucose (monomer của xenlulo)
Chitosan có khả năng hoạt động hóa học mạnh mẽ hơn chitin nhờ vào sự hiện diện của nhóm hydroxyl bậc 1 và bậc 2 cùng với nhóm amin trên mỗi đơn vị deacetyl hóa Những nhóm phản ứng này cho phép điều chỉnh hóa học, từ đó thay đổi các đặc tính cơ học và vật lý của chitosan.
Hình 1.6 Thành phần nguyên tố của chitosan
Lợi ích của chitosan đối với sức khỏe
1.5.1 Hoạt động làm giảm lipid và cholesterol [8]
Nghiên cứu lâm sàng cho thấy chitosan có khả năng giảm cholesterol huyết thanh hiệu quả Cụ thể, khi 8 người đàn ông trưởng thành khỏe mạnh tiêu thụ chitosan với liều 3-6 g/ngày dưới dạng bánh quy trong hai tuần, tổng lượng cholesterol huyết thanh giảm từ 188 mg/dl xuống 177 mg/dl, đồng thời chỉ số sinh xơ vữa cũng giảm đáng kể.
Hình 1.5 Công thức hóa học của chitin (a) và chitosan (b)
Nghiên cứu trên động vật cho thấy chitosan có khả năng giảm cholesterol trong huyết tương Cụ thể, việc bổ sung chitosan với tỷ lệ 2 - 5% vào chế độ ăn giàu cholesterol của chuột đực trong 20 ngày đã dẫn đến sự giảm đáng kể nồng độ cholesterol huyết tương từ 25 - 30%, mà không làm ảnh hưởng đến lượng thức ăn tiêu thụ hay sự tăng trưởng của động vật.
Sự gia tăng cholesterol trong gan và chất béo trung tính ở động vật được cho ăn cholesterol đã được ngăn chặn một cách rõ rệt.
- Bổ sung Chitosan ở liều cao hơn 10% làm giảm đáng kể nồng độ cholesterol trong huyết tương, tuy nhiên, sự tăng trưởng của động vật bị chậm lại
Nghiên cứu cho thấy, ở chuột đực ăn kiêng không có cholesterol, việc bổ sung chitosan 0,5% trong 81 ngày không làm thay đổi nồng độ cholesterol trong huyết tương Mặc dù vậy, HDL-cholesterol tăng lên trong khi LDL-cholesterol giảm, dẫn đến tỷ lệ HDL/LDL cải thiện.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi sử dụng các chitosan có mức độ khử oxy hóa tương đương nhưng khác nhau về chỉ số độ nhớt (kích thước phân tử) trên chuột đực ăn chế độ ăn giàu cholesterol, hiệu quả của chúng có thể khác nhau.
(0,5%), tất cả các hỗn hợp chitosan hoàn toàn ngăn chặn sự gia tăng cholesterol huyết thanh ở khẩu phần ăn 5%
- Hoạt động làm giảm cholesterol trong huyết tương và ức chế hấp thụ cholesterol từ ruột cũng xảy ra ở gà (1 ngày tuổi)
- Ngoài ra, bổ sung chitosan làm giảm 26% khả năng tiêu hóa chất béo trong ruột so với đối chứng
Cơ sở cho việc giảm hấp thu cholesterol được quan sát là do đặc tính tạo thành gel trong đường ruột cuốn theo lipid và cholesterol
- Ở nam giới trưởng thành, uống chitosan sau 2 tuần làm tăng đáng kể sự bài tiết qua phân của các axit mật chính là axit cholic và axit chemodexoycholic
Hàm lượng coprostanol, một chất chuyển hóa của cholesterol trong phân, giảm đáng kể trong thời gian ăn vào do hoạt động của vi khuẩn Sự giảm này được cho là do sự thay đổi hệ vi khuẩn trong đường ruột, gây ra bởi tác động kháng khuẩn của chitosan.
Nghiên cứu trên động vật cho thấy việc tiêu thụ chitosan ở chuột đã dẫn đến sự biến đổi rõ rệt về thành phần axit mật trong phân của manh tràng và ruột kết, có thể liên quan đến sự thay đổi trong hệ vi khuẩn và mức pH tăng cao Sự thay đổi này có thể gây cản trở quá trình nhũ hóa, cũng như khả năng tiêu hóa và hấp thu lipid.
Chitin và chitosan có khả năng thúc đẩy quá trình lành vết thương bằng cách kích thích sự hình thành mô hạt Việc điều trị vết thương hở ở chó bằng chitin hoặc chitosan giúp tăng cường tốc độ tái khử trùng, từ đó cải thiện hiệu quả phục hồi.
Chitin và chitosan in vitro cho thấy các hoạt động kháng khuẩn và chống nấm men
N-carboxybutyl chitosan, được thử nghiệm trên 298 mẫu cấy của các vi sinh vật gây bệnh khác nhau, cho thấy các hoạt động kìm khuẩn, diệt khuẩn và diệt nấm candida
Chitosans được chế biến từ vỏ cua có hoạt tính diệt khuẩn rõ rệt chống lại
Streptococcus mutans và Streptococcus salivarius ở nồng độ 0,0005%
Các hoạt động kìm khuẩn và diệt khuẩn cho thấy chitin-chitosans có thể ngăn ngừa nhiễm trùng vết thương bằng cách thoa trực tiếp
Chitin-chitosan có đặc tính kháng khuẩn, nhưng việc sử dụng lâu dài có thể gây ra tác dụng phụ, làm thay đổi hệ vi khuẩn đường ruột Điều này ảnh hưởng đến khả năng tiêu hóa lipid và chuyển hóa axit mật, đồng thời tạo điều kiện cho sự phát triển của các mầm bệnh kháng thuốc.
1.5.5 Hoạt động kháng oxi hóa [9]
Hoạt động kháng oxi hóa của chitosan đã được nghiên cứu sâu rộng cả in vitro và in vivo, cho thấy mối liên hệ với các đặc điểm cấu trúc như khối lượng phân tử (MW) và mức độ deacety hóa (DD).
MW và DD cũng có thể có vài hiệp đồng tác động lên hoạt động sinh học của chitosan
Chitin như một thành phần của chất nền ngoại bào có thể cản trở sự di căn của khối u
Chitin và chitosan có khả năng chống độc, được đánh giá qua xét nghiệm trao đổi chromatid chị em sau khi tiếp xúc với bốn chất đột biến Hai hợp chất này giảm độc tính di truyền của các đột biến, cho thấy tiềm năng bảo vệ của chúng đối với các tác động đột biến từ môi trường.
Độc tính
Việc tiêu thụ không kiểm soát lượng chitosan có thể gây một vài ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng
Sử dụng chitosan trong thời gian ngắn (2 tuần) có thể gây ra sự giảm hấp thụ khoáng chất và làm giảm hàm lượng khoáng chất của xương, dẫn đến nguy cơ khởi phát sớm bệnh loãng xương hoặc làm trầm trọng thêm tình trạng bệnh hiện có Do đó, việc bổ sung canxi là cần thiết cho phụ nữ sau mãn kinh và nam giới cao tuổi Hơn nữa, việc giảm hấp thụ các vitamin tan trong chất béo, đặc biệt là vitamin D, có thể dẫn đến thiếu hụt canxi trong cơ thể.
Hình 1.7 Đặc tính chống oxi hóa của chitosan và dẫn xuất của chúng
Sự hấp thụ selen và magiê có thể giảm khi sử dụng các chất bổ sung trong thời gian dài Những khoáng chất này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì quá trình trao đổi chất của tế bào.
Việc sử dụng chitosan có thể dẫn đến một tác dụng sinh hóa không mong muốn, đó là giảm hấp thu các chất khoáng và vitamin tan trong chất béo như A, D, E và K Gel chitosan hình thành trong ruột không chỉ bao bọc lipid và cholesterol mà còn liên kết với các vitamin và khoáng chất này, làm giảm khả năng hấp thụ của cơ thể.
Giảm lượng vitamin E có thể gây ra những hậu quả tiêu cực cho quá trình trao đổi chất Để duy trì sức khỏe, vitamin D và E nên được bổ sung thông qua thực phẩm bổ sung Các đối tượng cần được đánh giá định kỳ để phát hiện các dấu hiệu và triệu chứng của thiếu hụt vitamin tan trong chất béo.
Việc cho động vật ăn liều cao chitin-chitosan làm chậm quá trình tăng trưởng Chitosan dạng "hạt mịn" có tác dụng mạnh ở liều lượng thấp nhưng hiệu quả chỉ kéo dài trong thời gian ngắn Do đó, cần theo dõi cẩn thận ảnh hưởng của các thực phẩm bổ sung này đối với sự tăng trưởng của trẻ em và chức năng của các đối tượng trong độ tuổi.
Chitin-chitosan có thể ảnh hưởng đến sự trao đổi chất của xương bằng cách giảm hấp thụ canxi và có thể cả vitamin D, do đó, việc phụ nữ mang thai sử dụng thực phẩm bổ sung này có thể tiềm ẩn nguy cơ cho sức khỏe.
1.6.5 Hội chứng hấp thụ kém [8]
Việc 8 nam giới khỏe mạnh uống chitosan với liều 3-6 g / ngày dưới dạng bánh quy trong 2 tuần được dung nạp tốt mà không bị tiêu chảy hoặc táo bón (6) Tuy nhiên, chitin-chitosan tạo thành gel trong đường ruột cuốn theo lipid, mô phỏng hội chứng kém hấp thu nhẹ, mặc dù các cơn tiêu chảy hoặc táo bón chưa được quan sát thấy ở động vật thí nghiệm, chúng có thể xảy ra ở người Những đối tượng có tình trạng cơ bản hoặc tiềm ẩn của hội chứng kém hấp thu hoặc tăng tiết mỡ máu nên tránh thực phẩm bổ sung này vì nó có thể làm trầm trọng thêm các triệu chứng của họ
Tiêu chuẩn chất lượng của chitosan
Chitosan được quy định trong Dược điển châu Âu với các phép thử quan trọng như định tính, tính chất hóa lý, hình thức dung dịch, phần không tan trong nước, pH dung dịch, độ nhớt, mức độ deacyl hóa, nồng độ chloride, hàm lượng kim loại nặng, mất khối lượng khi làm khô và tro sulfat.
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn chất lượng của chitosan
Thử nghiệm Dược điển Châu Âu 6.5 Định tính +
Phần trăm không tan =< 0.5% pH của dung dịch 1% (khối lượng/ thể tích) 4.0 đến 6.0 Độ nhớt +
Mất khối lượng do làm khô =< 10%
TÍNH CHẤT CỦA CHITOSAN
Màu sắc
Chitosan ở cả dạng bột mảnh và dạng bột vi mô, có màu trắng nhạt ở dạng bột và màu vàng nhạt ở dạng lỏng.
Mức độ Deacetyl hóa (DD)
Quá trình deacetyl hóa là quá trình loại bỏ các nhóm acetyl từ chuỗi phân tử chitin, tạo ra chitosan, một hợp chất với nhóm amin có khả năng phản ứng hóa học cao.
Mức độ deactyl hóa (DD) là một yếu tố quan trọng trong sản xuất chitosan, ảnh hưởng đến các đặc tính hóa lý của nó và xác định các ứng dụng phù hợp.
Mức độ deacetyl hóa là yếu tố quan trọng để phân biệt chitin và chitosan, vì nó ảnh hưởng đến hàm lượng nhóm amin tự do trong polysaccharid Chitosan có hai ưu điểm nổi bật so với chitin: trước hết, chitosan hòa tan dễ dàng trong axit axetic loãng, trong khi chitin cần các dung môi độc hại như liti clorua và đimetylaxetamit Thứ hai, chitosan có các nhóm amin tự do, tạo ra vị trí tích cực cho nhiều phản ứng hóa học Mức độ deacetyl hóa của chitosan thường dao động từ 56% đến 99%, với mức trung bình là 80%, tùy thuộc vào loài giáp xác và phương pháp chuẩn bị, trong khi chitin có mức độ khử oxy hóa từ 75% trở lên thường được gọi là chitosan.
Phương pháp quang phổ IR, được đề xuất lần đầu bởi Moore và Roberts, là một công cụ hữu ích để ước tính các giá trị DD Phương pháp này có nhiều ưu điểm, bao gồm tốc độ nhanh và không yêu cầu độ tinh khiết của mẫu thử, cũng như không cần hòa tan mẫu chitosan trong dung môi nước Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm, đặc biệt là việc sử dụng đường cơ trong quá trình phân tích.
Hình 2.1 Màu sắc của chitosan ở dạng bột và lỏng
Có 11 sở để tính độ ẩm (DD) và việc sử dụng các đường cơ sở khác nhau sẽ làm thay đổi giá trị DD Ngoài ra, việc chuẩn bị mẫu, loại dụng cụ và điều kiện phân tích cũng ảnh hưởng đến kết quả Chitosan có tính chất hút ẩm, nên các mẫu có DD thấp hơn thường hút ẩm nhiều hơn so với mẫu có DD cao hơn Do đó, việc đảm bảo mẫu phân tích hoàn toàn khô là rất cần thiết.
Khối lượng phân tử (MW)
Trọng lượng phân tử của chitin tự nhiên thường vượt quá một triệu, trong khi các sản phẩm chitosan thương mại có trọng lượng từ 100.000 đến 1.200.000 Trong quá trình sản xuất, điều kiện khắc nghiệt có thể làm biến chất chitosan Chẳng hạn, với phương pháp Horowitz, sau 30 phút xử lý ở nhiệt độ 180°C, chitosan thu được chỉ có độ dài chuỗi khoảng 20 đơn vị.
Các yếu tố như oxy hòa tan, nhiệt độ cao và ứng suất cắt có thể dẫn đến sự phân hủy của chitosan Oxy được khử từ từ có khả năng làm phân hủy chitosan, trong khi nhiệt độ vượt quá 280°C sẽ gây ra sự phân hủy nhiệt, làm đứt gãy nhanh chóng chuỗi polymer Bên cạnh đó, sự giảm lực cắt do lực thủy động học cũng góp phần làm đứt gãy các phân tử chitosan chuỗi dài đến một chiều dài tới hạn.
Dưới điểm này, việc cắt không ảnh hưởng đến sự phân bố khối lượng phân tử
Trọng lượng phân tử của chitosan có thể được xác định qua các phương pháp như sắc ký, tán xạ ánh sáng và đo độ nhớt Trong đó, đo độ nhớt được coi là phương pháp đơn giản và nhanh chóng nhất để xác định trọng lượng phân tử của chitosan.
Bough và cộng sự cho rằng trọng lượng phân tử của chitosan không luôn liên quan trực tiếp đến độ nhớt, mặc dù phương pháp đo độ nhớt vẫn được sử dụng phổ biến để xác định trọng lượng phân tử tương đối của chitosan Maghami và Roberts đã thử nghiệm một loạt mẫu chitosan với phân bố khối lượng phân tử tương đối giống nhau nhưng có mức độ N-acetyl hóa khác nhau, sử dụng phương trình Mark-Houwink Kết quả cho thấy phương trình này có thể áp dụng cho chitosan với N-acetyl hóa từ 0 đến 40%.
Độ nhớt
Độ nhớt đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khối lượng phân tử của chitosan, ảnh hưởng đến các ứng dụng thương mại của nó trong môi trường sinh học phức tạp, đặc biệt là trong ngành thực phẩm Chitosan có trọng lượng phân tử cao, điều này làm tăng tiềm năng ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Chitosan thường tạo ra dung dịch có độ nhớt cao, điều này có thể gây khó khăn trong quá trình xử lý công nghiệp Các yếu tố như mức độ khử oxy hóa, trọng lượng phân tử, nồng độ dung dịch, cường độ ion, pH và nhiệt độ đều ảnh hưởng đến sản xuất và đặc tính của chitosan Cụ thể, độ nhớt của chitosan giảm khi thời gian khử khoáng tăng Trong môi trường axit axetic, độ nhớt của chitosan có xu hướng tăng khi pH giảm, ngược lại, trong HCl, độ nhớt lại giảm khi pH giảm.
“Độ nhớt nội tại của chitosan”, nghĩa là một hàm của mức độ ion hóa cũng như cường độ ion
Bough và Landes phát hiện rằng quá trình khử protein bằng NaOH 3% và loại bỏ bước khử khoáng trong chế phẩm chitin làm giảm độ nhớt của sản phẩm chitosan Moorjani và cộng sự khuyến cáo không nên tẩy trắng vật liệu bằng axeton hoặc natri hypoclorit, vì điều này sẽ làm giảm đáng kể độ nhớt của chitosan No và cộng sự cũng chỉ ra rằng độ nhớt của chitosan bị ảnh hưởng bởi các phương pháp xử lý vật lý và hóa học, với sự gia tăng thời gian và nhiệt độ xử lý dẫn đến giảm độ nhớt Dung dịch chitosan bảo quản ở 4°C được cho là tương đối ổn định Bough và Landes cũng cho biết rằng kích thước hạt nhỏ hơn (1 mm) tạo ra độ nhớt và trọng lượng phân tử cao hơn so với các kích thước hạt lớn hơn, trong khi Lusena và Rose lại cho rằng kích thước hạt chitin trong khoảng 20–80 mesh không ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch chitosan.
Độ hòa tan
Chitin không hòa tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ, trong khi chitosan lại dễ hòa tan trong các dung dịch axit loãng với pH dưới 6 Các axit hữu cơ như axit axetic, axit fomic và axit lactic thường được sử dụng để hòa tan chitosan, với dung dịch axit axetic 1% ở pH 4 là phổ biến nhất Chitosan cũng có thể hòa tan trong axit clohydric 1%, nhưng không tan trong axit sunfuric và axit photphoric, cho thấy độ hòa tan của chitosan trong axit vô cơ khá hạn chế Ngoài ra, dung dịch axit axetic đậm đặc ở nhiệt độ cao có thể dẫn đến sự khử trùng hợp của chitosan.
Chitosan có xu hướng tạo gel ở pH cao, khi kết tủa gel hóa xảy ra và tạo phức đa ion với hydrocolloid anion Tỷ lệ nồng độ giữa chitosan và axit đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được chức năng mong muốn Ngay cả khi nồng độ dung môi hữu cơ lên tới 50%, chitosan vẫn duy trì tính chất nhớt, giúp dung dịch trở nên mịn màng Nhiều yếu tố như nhiệt độ, thời gian khử oxy hóa, nồng độ kiềm, tiền xử lý chitin, tỷ lệ chitin trong dung dịch kiềm và kích thước hạt ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của chitosan Đặc biệt, độ hòa tan được kiểm soát bởi mức độ khử oxy hóa, với yêu cầu tối thiểu 85% để đạt được độ hòa tan tối ưu.
Chitosan có thể đạt độ hòa tan trên 95% trong dung dịch axit axetic 1% ở nồng độ 0,5% thông qua việc xử lý chitin ban đầu với 45–50% NaOH trong khoảng thời gian từ 10 đến 30 phút Việc xử lý chitosan bằng NaOH 45% trong 5 phút hoặc NaOH 40% trong 30 phút cho thấy sự hiện diện của các hạt không hòa tan trong cả hai dung dịch Theo nghiên cứu của Bough và Landes, thời gian phản ứng 5 phút với NaOH 45% có thể không đủ để các hạt chitin trương nở, do đó cần giảm nồng độ NaOH xuống 40% và tăng thời gian xử lý lên trên 30 phút để thu được chitosan hòa tan.
Sự hấp thụ nước (WBC) và sự hấp thụ chất béo (FBC)
Chitosan có khả năng hấp thụ nước vượt trội hơn so với cellulose và chitin, với chỉ số WBC dao động từ 581 đến 1.150%, trung bình đạt 702%.
Chitin và chitosan có khả năng hấp thu chất béo từ 170 đến 315%, với chitin có mức hấp thu cao nhất và chitosan có mức hấp thu thấp nhất.
Nhũ hóa
Chitosan không có khả năng tạo nhũ tương, nhưng theo nghiên cứu của Cho và cộng sự, việc bổ sung chitosan vào lòng đỏ trứng đã làm tăng khả năng tạo nhũ Ở nồng độ 0,5% chitosan, nhũ tương được tạo ra có độ ổn định cao hơn khi chịu tác động của nhiệt độ Độ nhớt và mức độ khử oxy hóa được xác định là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng tạo nhũ của chitosan.
Đông tụ
Chitosan là một chất đông tụ và keo tụ hiệu quả nhờ vào mật độ cao của các nhóm amin, cho phép nó tương tác với các chất mang điện tích âm như protein, chất rắn, thuốc nhuộm và polyme.
Nhóm amin tự do trong chitosan có khả năng liên kết với ion kim loại hiệu quả hơn so với nhóm acetyl trong chitin Tuy nhiên, khả năng hấp phụ của chitosan còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như độ kết tinh, tính khử và ái lực với nước.
Chitosan nổi bật với khả năng chelation, cho phép nó liên kết chọn lọc với các vật liệu như cholesterol, chất béo, ion kim loại, protein và tế bào khối u Tính năng này đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như chế biến thực phẩm, chăm sóc sức khỏe, cải thiện chất lượng nước và dược phẩm Ngoài ra, chitosan còn có các đặc tính quan trọng khác như ức chế tế bào khối u, tác dụng kháng nấm, thúc đẩy quá trình chữa lành vết thương, kích thích hệ thống miễn dịch và tăng tốc độ nảy mầm của cây.
HLB của chitosan
Chitosan là một polysaccharide ưa nước và phân hủy sinh học có độc tính thấp
Chất tạo nhũ, đặc biệt là chất hoạt động bề mặt, thường được phân loại theo cân bằng ưa nước-ưa béo (HLB), cho biết khả năng hòa tan của chúng trong pha dầu hoặc pha nước Số HLB giúp dự đoán loại nhũ tương được tạo thành Độ ổn định nhũ tương tối đa đạt được với nhũ tương O/W (dầu trong nước) khi sử dụng chất hoạt động bề mặt có số HLB khoảng 10–12, trong khi nhũ tương W/O cần số HLB khác để đạt hiệu quả tối ưu.
Khái niệm HLB không phải lúc nào cũng được áp dụng một cách nhất quán Chẳng hạn, natri dodecyl sulfat (SDS), một chất hoạt động bề mặt không ăn được, có chỉ số HLB khoảng
40, nhưng nó có thể được sử dụng để sản xuất nhũ tương O / W ổn định
Khái niệm HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance) được áp dụng phổ biến cho các chất hoạt động bề mặt, và giá trị HLB của chitosan đã được nghiên cứu trong nhiều dự án Để xác định giá trị HLB của chitosan, các nhà nghiên cứu so sánh kích thước giọt toluen trên bề mặt chitosan trong dung dịch axit 1% với kích thước giọt của một số chất hoạt động bề mặt khác.
Giá trị HLB của chất hoạt động bề mặt trong dung dịch có ảnh hưởng đến đường kính của giọt ở trạng thái nghỉ Nghiên cứu cho thấy chitosan có giá trị HLB dao động từ 34 đến 36,7, giúp thúc đẩy sự hình thành nhũ tương.
ỨNG DỤNG CỦA CHITOSAN TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM
Ngành công nghiệp màng bọc
Việc áp dụng màng và lớp phủ ăn được đã được nghiên cứu để kéo dài thời gian bảo quản và nâng cao chất lượng trái cây và rau quả Hiện nay, các màng ăn được chủ yếu được làm từ các dẫn xuất cellulose và protein Mặc dù chúng hiệu quả trong việc giảm áp suất riêng phần của O2 và CO2, nhưng lại không tối ưu cho việc truyền hơi ẩm giữa thực phẩm và môi trường xung quanh.
Chitosan, với khả năng tạo màng bán thấm, được sử dụng làm màng bọc thực phẩm giúp kéo dài thời gian sử dụng Màng chitosan có độ dai, bền và dẻo, rất khó rách Nó có giá trị thấm nước vừa phải và tạo rào cản tốt đối với sự thẩm thấu oxy, giảm tỷ lệ hô hấp và trì hoãn quá trình chín bằng cách hạn chế sự phát triển của ethylene và carbon dioxide, đồng thời ức chế sự phát triển của nấm.
Nghiên cứu cho thấy việc áp dụng phim chitosan lên bề mặt cà chua giúp nâng cao chất lượng trái cây, giảm tốc độ chín và kéo dài thời gian phân hủy, từ đó gia tăng thời hạn sử dụng của sản phẩm.
Màng chitosan đóng vai trò quan trọng trong việc bảo quản thực phẩm bằng cách tạo ra một lớp bao bì trên bề mặt, giúp ức chế sự phát triển của vi sinh vật Tính ổn định của vi sinh vật trên bề mặt thực phẩm là yếu tố quyết định chính đến hạn sử dụng của sản phẩm.
Chitosan được sử dụng như chất phụ gia
3.2.1 Làm trong nước trái cây hoặc rượu bia
Chất tạo màng là các hợp chất được sử dụng để loại bỏ các chất hữu cơ không mong muốn, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm lỏng Người tiêu dùng thường ưa chuộng sự trong sạch của đồ uống và không muốn thấy các hạt lơ lửng trong rượu, bia hay nước trái cây Do đó, quá trình làm trong đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất đồ uống.
Chitosan đã chứng minh hiệu quả trong việc làm trong đồ uống như nước ép táo, quả mọng, trà xanh, nho, chanh, cam và chanh dây Đặc biệt, khi sử dụng chitosan để làm trong nước ép táo, độ đục có thể giảm tối thiểu 0.8 kg/m³ mà không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Chitosan có khả năng hấp thụ mạnh mẽ các hợp chất polyphenol như catechin, proanthocyanidin và acid cinamic, những chất này có thể gây biến màu cho nước quả qua phản ứng oxy hóa.
Người tiêu dùng thường không chấp nhận các loại rượu có vẩn đục, đặc biệt là rượu trắng, điều này trái ngược với sự ưa chuộng nước ép trái cây Polyphenol đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra hương vị đặc trưng cho các loại rượu.
Hình 3.2 Ứng dụng của màng bọc chitosan lên cà chua
Trong một nghiên cứu về chất lượng rượu vang, 17 chất trong rượu có thể bị oxy hóa, ảnh hưởng đến độ trong của rượu vang đỏ Phân tích cho thấy caseinate, PVPP, chitin và chitosan có khả năng liên kết với các hợp chất polyphenolic Đặc biệt, chitosan thể hiện khả năng liên kết tốt với polyphenol, trong khi chitin có độ hấp phụ rất thấp.
Chitin có khả năng giảm đáng kể chitinase trong rượu vang, nhưng việc sử dụng nó trong sản xuất rượu không được phép ở EU Một nghiên cứu so sánh đã phân tích độ trong của bia thông qua các chỉ tiêu như độ đục, độ nhớt, tổng polyphenol, chất rắn lơ lửng và tổng chất rắn, với các chất làm mịn như chitin, chitosan, statin và bentonit Kết quả cho thấy chitosan và chitin (5 mg/L) hiệu quả hơn so với các chế phẩm thông thường trong việc làm trong bia, cả ở quy mô phòng thí nghiệm lẫn công nghiệp Chitin và chitosan đạt tổng chất rắn cao nhất và giảm tổng chất rắn lơ lửng ở cả hai quy mô này.
Hình 3.3 Chitosan trong sản xuất rượu vang
3.2.2 Tác nhân điều khiển kết cấu
Chitin và chitosan, được chiết xuất từ bã thải chế biến tôm, côn trùng và cua, hiện chưa được FDA (Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ) công nhận là "generally regarded as safe" (GRAS) Điều này đồng nghĩa với việc mọi chất phụ gia thực phẩm cho con người dựa trên chitin đều cần phải được phê duyệt tại Mỹ.
Chất kiểm soát kết cấu từ chitin, bao gồm hydrogel từ chitosan, đã được chứng minh là có khả năng củng cố gel protein Gần đây, nghiên cứu cho thấy gel chitin có thể nâng cao tính chất của gel protein, mở ra tiềm năng ứng dụng mới trong ngành thực phẩm và dược phẩm.
Nhũ tương là sự kết hợp của hai hoặc nhiều chất lỏng không thể trộn lẫn mà không tạo ra sự phân biệt rõ ràng Trong nhũ tương, hai chất lỏng như dầu và nước hòa quyện thành một hỗn hợp phân tán, trong đó các giọt nhỏ của một pha được bao quanh bởi pha kia.
Chất nhũ hóa là thành phần thiết yếu trong nhũ tương, giúp hình thành các giọt và ngăn chặn sự phân chia pha Chitosan đã được chứng minh là một chất nhũ hóa tự nhiên tiềm năng và là chất ổn định hiệu quả cho nhũ tương.
Schulz và cộng sự đã chỉ ra rằng chitosan trở thành một chất amphiphilic tích điện dương trong điều kiện axit có thể ổn định nhiều nhũ tương [16]
Mức độ deacetyl hóa của chitosan ảnh hưởng đến các đặc tính nhũ tương hóa
Chitosan với mức độ deacetyl hóa là 81% và 88% cho thấy đặc tính tạo nhũ tốt nhất
Độ nhớt và độ ổn định của nhũ tương có mối liên hệ trực tiếp với nồng độ chitosan Chitosan có trọng lượng phân tử thấp cho thấy khả năng tạo nhũ tốt hơn so với chitosan có trọng lượng phân tử cao.
Hình 3.4 Chitosan như một chất nhũ hóa
3.2.4 Chất làm dày và ổn định [15]
Chất ổn định được thêm vào để cải thiện độ ổn định của nhũ tương, hoạt động như các tấm chắn giữa các giọt, ngăn cản sự tương tác và kết tụ Chúng cũng tăng độ nhớt của hệ thống, làm đặc dung dịch, từ đó tăng lực cắt và giúp các giọt nhỏ phân tán đồng đều hơn Chitosan có khả năng hoạt động như một chất ổn định nhũ tương bằng cách tạo phức chất bề mặt với chất nhũ hóa và tăng lực đẩy tĩnh điện giữa các giọt.
Hình 3.5 Chitosan như một chất giúp ổn định
Chất nhũ hóa hoạt động bằng cách ngăn chặn sự hình thành giọt lớn, từ đó ngăn ngừa sự kết tụ Tuy nhiên, việc bổ sung chitosan như một chất ổn định có thể tạo ra các giọt lớn hơn khi nồng độ tăng, điều này liên quan đến trọng lượng phân tử của chitosan Với tính chất cation, chitosan làm tăng thế zeta của các giọt nhũ tương Độ nhớt là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá độ ổn định của nhũ tương; khi độ nhớt tăng, khả năng di chuyển của các giọt nhỏ giảm, giúp ngăn chặn va chạm và kết tụ Chitosan đã chứng minh khả năng tăng độ nhớt tương ứng với nồng độ của nó, và độ nhớt của nhũ tương rutin tăng lên khi chitosan được thêm vào hỗn hợp nhũ tương lecithin Khi nồng độ đạt mức tới hạn 0,25%, độ nhớt tăng đáng kể, cho thấy sự hấp phụ hoàn toàn của chitosan cation vào các giọt lecithin tích điện âm.
Tính ổn định trong các điều kiện bảo quản khác nhau là yếu tố quan trọng để xác định tính hữu dụng của sản phẩm thực phẩm Việc sử dụng chất ổn định giúp kéo dài thời hạn sử dụng và duy trì chất lượng của nhũ tương trong thực phẩm.
Chitosan là một chất ổn định hiệu quả nhờ vào nhiều đặc tính nổi bật Nó giúp giảm kích thước giọt của dầu nhũ tương, cải thiện thế zeta và sức căng bề mặt, đồng thời tăng độ nhớt, tạo ra dung dịch dễ trộn lẫn hơn.
Chất ổn định màu
Màu sắc hấp dẫn trong thực phẩm không chỉ thể hiện sự tươi mới và chất lượng mà còn ảnh hưởng mạnh mẽ đến quyết định mua hàng của người tiêu dùng Do đó, màu sắc là một yếu tố quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm Các yếu tố như ánh sáng, không khí, nhiệt độ và độ pH có thể làm thay đổi màu sắc của sản phẩm Mặc dù nhiều thực phẩm có màu sắc tự nhiên, nhưng thường thì màu sắc này được cải thiện hoặc tăng cường thông qua nhiều phương pháp khác nhau Việc bảo tồn màu sắc tự nhiên và bảo vệ các sắc tố màu khỏi sự phân hủy là rất cần thiết Ngoài ra, các sắc tố tạo màu, có thể là tự nhiên hoặc tổng hợp, cũng thường được thêm vào sản phẩm để tạo ra hoặc tăng cường màu sắc.
Nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả của các ứng dụng chitosan trong việc bảo quản chất lượng phi lê cá tra Các phương pháp như nhúng, phun và hút chân không với dung dịch axit chitosan-axetic đã được kiểm tra, và sự thay đổi màu sắc của phi lê cá tra được xác định bằng thiết bị đo màu cầm tay.
Việc áp dụng lớp phủ chitosan cũng đã được chứng minh là cải thiện chất lượng màu đỏ của thịt bò
Chitosan có khả năng bảo vệ chất màu hiệu quả, cả trong quá trình bảo quản và trong môi trường dạ dày giả lập Nó được ứng dụng rộng rãi để tạo ra màng, lớp phủ hoặc làm chất bao gói, giúp tăng cường độ bền và ổn định của sản phẩm.
Màu sắc của các loại thịt, trái cây, đồ uống khác nhau đã được cải thiện và duy trì.
Hoạt động kháng khuẩn, nấm
Cơ chế diệt khuẩn của chitosan vẫn chưa được làm rõ, nhưng đã có một số giả thuyết được đề xuất Với tính chất cation, chitosan có khả năng tương tác với các cấu trúc đại phân tử và hợp chất anion của vi khuẩn, nấm mốc và nấm men.
Mức độ acetyl hóa và phân ly của chitosan ảnh hưởng đến nhiều tính chất vật lý và hóa học của nó, cung cấp một ước lượng chính xác về mật độ điện tích Nghiên cứu đã chỉ ra mối tương quan giữa mức độ acetyl hóa và hoạt tính kháng khuẩn của chitosan.
Chitosan có đặc tính chống nấm nhờ vào cơ chế can thiệp trực tiếp vào sự phát triển của nấm và kích hoạt các phản ứng bảo vệ thực vật Với khả năng chelating, chitosan được xem là một chất chống nấm tiềm năng.
Hình 3.6 Sự hư hỏng của thực phẩm
Sử dụng như một chất dinh dưỡng
Chất xơ ăn kiêng là các polyme carbohydrate không tiêu hóa được có tác dụng sinh lý có lợi ở người
Chitin và chitosan, tùy thuộc vào mức độ deacetyl hóa, được sử dụng làm chất ổn định và chất làm đặc trong thực phẩm như mayonnaise và bơ đậu phộng Chitosan còn có khả năng hạ cholesterol trong máu và giảm hấp thụ lipid, mang lại lợi ích cho sức khỏe Tổng lượng chất xơ trong khẩu phần chitin và chitosan cũng được ghi nhận là đáng kể.
Hình 3.7 Giảm cholesterol của chitosan
3.5.2 Chitosan và Chito-Oligosaccharides là Prebiotics [15]
Chitosan trọng lượng phân tử thấp có khả năng kích thích sự phát triển của các chế phẩm sinh học, đặc biệt là lactobacilli và Bifidobacterium.
Việc bổ sung Chito-Oligosaccharides (COS) vào đậu phụ không chỉ thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các chủng vi khuẩn Lactobacillus mà còn kéo dài thời hạn sử dụng của sản phẩm lên đến 7 ngày mà không làm thay đổi cảm quan.
Nghiên cứu cho thấy rằng mặc dù COS không gây hại cho hệ vi sinh vật trong phân, nhưng các chitosans acetyl hóa và COS của chúng không được coi là prebiotics tiềm năng.
Hình 3.8 Chitosan như một prebiotic
Một số ứng dụng khác của chitosan vào các lĩnh vực khác nhau
3.6.1 Lĩnh vực y tế Đối với chitosan, các ứng dụng dược phẩm bắt đầu xuất hiệnvào cuối những năm
Vào năm 1980, chitosan và các dẫn xuất của nó đã được nghiên cứu chủ yếu như tá dược trong công thức thuốc Các phương pháp mới đang nổi lên, thay thế các hợp chất độc hại tiềm tàng bằng sản phẩm tự nhiên, cho thấy tiềm năng đáng kể Ngành công nghiệp dược phẩm nhanh chóng nhận ra lợi ích của việc sử dụng chitosan trong các sản phẩm của họ.
Hình 3.9 Ứng dụng của chitosan trong y tế
Bảng 3.1 Một số ứng dụng của chitosan trong y tế
Chủ đề Hình thức Ứng dụng
Phân phối thuốc Dung dịch tiêm cung cấp thuốc kháng sinh, peptide, protein, vắc xin
Kỹ thuật y sinh Bột Sửa đổi phản ứng sinh học
Chế tạo sinh học Vi cầu
Phân phối gen, phân phối mục tiêu, liệu pháp axit deoxyribonucleic, điều trị gen, phân phối axit ribonucleic can thiệp nhỏ
Y học tái tạo Hạt Kháng nấm, kháng khuẩn, chống nhiễm trùng Băng bó vết thương Hạt nano Cầm máu nhiễm trùng; tăng cường đông máu
Cấy ghép Khung 2D và 3D Da nhân tạo
Trị liệu Làm dính Kỹ thuật mô sụn
Chitosan và các dẫn xuất của nó có thể được sản xuất với độ dài chuỗi và đặc tính đa dạng, phục vụ cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực mỹ phẩm, vệ sinh và chăm sóc cá nhân.
Chúng có thể được hòa tan trong dung dịch hoặc được sử dụng ở dạng rắn
Chitosan cũng rất được quan tâm trong các công thức mỹ phẩm vì nó tương thích với
24 các thành phần khác như tinh bột, glucose, saccharose, polyols, dầu, chất béo, sáp, axit, chất nhũ hóa không ion và gôm không ion hòa tan trong nước
Hình 3.10 Ứng dụng chitosan trong mỹ phẩm
3.6.3 Công nghiệp giấy và bột giấy
Chitosan, với khả năng tạo phức và chelating, được ứng dụng hiệu quả trong việc xử lý nước thải từ ngành giấy và bột giấy, giúp loại bỏ lignin, màu sắc và các chất ô nhiễm không mong muốn.
Chitosan đang được nghiên cứu sâu rộng và đã được xác nhận có nhiều ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực như nông nghiệp, công nghệ sinh học và hóa chất.