Chitin là gì? Tính chất, nguồn gốc và các ứng dụng của chitin

Chitin là thành phần chính cấu tạo nên bộ xương ngoài của côn trùng và một số động vật như tôm, cua hoặc động vật chân đốt,….Trong tự nhiên, số lượng chitin được xem là rất lớn và nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Đồng thời, chitin cũng là nguồn gây ô nhiễm bề mặt nước ở các khu vực ven biển.

Vậy ứng dụng cụ thể của chitin là gì? Các bạn hãy cùng chúng tôi đi tìm câu trả lời qua nội dung bài viết dưới đây nhé.

Chitin là gì?

Chitin hay còn gọi là Kitin, là một loại mucopolysaccharide có nguồn gốc tự nhiên và là thành phần quan trọng trong cấu tạo cơ thể của động vật giáp xác, côn trùng,… Bản chất của Chitin là một polymer chuỗi dài của một dẫn xuất của glucose, cụ thể là N-Acetylglucosamine. Điểm khác biệt duy nhất của chitin với cellulose là ở trong cấu trúc, đó là sự thay thế hydroxyl ở vị trí C-2 bằng nhóm acetamido.

chitin là gì

Cấu trúc phân tử của Chitin

Công thức hóa học của chitin là (C8H13O5N)n  

Chitin là một dạng polysaccharide mạch thằng gồm các tiểu phân N-acetyl-D-Glucosamine liên kết với nhau theo liên kết β(1- 4) hay nó chính là hợp chất 2-acetamido-2-deoxy- liên kết với phân tử đường (d-glucose) thông qua liên kết β(1 → 4).

Liên kết của chitin là poly[β-(1→ 4)-2-acetamido-2-deoxy-D-glucopyranose. Chitin có cấu trúc tinh thể được sắp xếp thành một mạng lưới sợi hữu cơ rất chặt chẽ và đều đặn khiến cho nó khó xảy ra các phản ứng hóa học.

Cấu tạo phân tử của chitin

Các tính chất đặc trưng của chitin

Chitin là một chất rắn màu trắng ngà, vàng nhạt hoặc trắng hồng, tồn tại ở dạng vẩy hoặc dạng bột, không mùi, không vị, không có sự đàn hồi. Nhiệt độ nóng chảy của chitin là 522 °C.

Mặc dù có sự hiện diện của Nito nhưng chitin không có “khả năng tự bảo vệ” tốt. Nó dễ dàng bị phá hủy cấu trúc bởi enzyme chitinase. Và cũng giống như cellulose, chitin hoạt động như một polysaccharide “thực thụ”, đó là không tan trong nước kiềm, axit loãng và các dung môi hữu cơ nhưng nó có thể tan được trong dung dịch axit đặc nóng như axit clohydric, axit sulfuric, axit photphoric 78 – 97%, axit formic khan và hexafluoro isopropanol.

Ngoài ra, do cấu trúc tinh thể chặt chẽ của chitin mà khả năng xảy ra các phản ứng hóa học của nó cũng rất thấp.

Chitin có đặc tính kháng nấm mốc, kháng vi khuẩn, không gây hại cho con người và các loại động vật. Khi bị đun nóng trong Natri hydroxit đậm đặc, chitin sẽ tạo ra chitosan.

Tính chất của chitin

Chitin có ở đâu? Nguồn gốc của chitin

Chitin được tìm thấy ở rất nhiều nơi ngoài tự nhiên vì nó là một thành phần chính trong các thành tế bào của nấm, khung xương, chất tạo nên lớp vỏ (biểu bì) của các loài giáp xác như tôm, cua, côn trùng…và là chất cấu tạo trên vảy cùng các mô mềm khác của cá. Ngoài ra, chitin cũng được tìm thấy trong dải răng chitin của động vật thân mềm hoặc vỏ bên trong của động vật thân mềm, bao gồm cả mực và bạch tuộc.

Ở các loại động vật giáp xác, cụ thể là động vật có vỏ, chitin là thành phần của một mạng lưới phức tạp với các protein mà trên đó, canxi cacbonat (CaCO3) tích tụ lại để tạo thành lớp vỏ cứng.

Trong vảy cánh bướm, chitin tổ chức thành các ngăn, xếp các lớp nano-lớp hoặc gậy nano bằng tinh thể nano chitin tạo thành sự giao thoa màng mỏng, giúp cánh bướm có màu sắc óng ánh. Điều cũng xảy ra tương tự với các bộ lông chim có màu sắc óng ánh.

Một số loại động vật có vỏ giàu chitin ở Việt Nam mà chúng ta có thể kể đến, đó là tôm Thẻ, tôm Sú, tôm Hùm, cua, ghẹ biển, cua đồng, vỏ, kén côn trùng,  vỏ kén ruồi lính đen,….

Nguồn gốc của chitin

Cách sản xuất chitin được sử dụng hiện nay

Chitin được sản xuất chủ yếu ở các nước Đông Nam Á và một số vùng tại Châu Phi, nơi có nguồn chitin nhiều nhất thế giới nhờ vào sự phát triển của ngành công nghiệp chăn nuôi thủy hải sản. Nguồn vỏ tôm, vỏ cua và vỏ của một số loại thủy hải sản khác sau khi bị loại bỏ từ quá trình chế biến sẽ được thu gom lại và chuyển đến các nhà máy chuyên sản xuất Chitin để xử lý.

Mặc dù cấu tạo của chitin rất chắc chắn nhưng nó vẫn có thể bị phá hủy bằng các enzym. Quy trình sản xuất chitin diễn ra như sau:

Ban đầu, vỏ tôm, cua hoặc vỏ cũng những động vật giáp xác khác sẽ được làm sạch và khử khoáng bằng dung dịch axit clohydric nồng độ 8%. Sau khi khử khoáng, phần vỏ này sẽ được xử lý trong dung dịch natri hydroxit 10%. Cuối cùng là rửa sạch và kiểm tra các protein còn sót lại trên phần vỏ. Kết thúc quá trình khử khoáng và khử protein, chúng ta sẽ thu được chitin thô.

Dung dịch sau khi khử khoáng và khử protein khá khó xử lý vì có chứa hàm lượng lớn các chất ô nhiễm COD (> 1.500mg/l), đồng thời có lượng TSS và pH không không ổn định. Để xử lý dòng chất thải này, người ta phải sử dụng kết hợp chất keo tụ tạo bông, bể kỵ khí, bể Anoxic và bể hiếu khí, hay chính là hệ thống xử lý nước thải AAO. Nước thải sau khi được xử lý hóa lý sẽ được đưa đến bể Anoxic và bể hiếu khí loại bỏ lượng chất gây ô nhiễm là COD, Nito và Photpho có trong nước thải.

Sản xuất chitin phần lớn sử dụng vỏ tôm và vỏ cua được lấy về từ các nhà máy đóng hộp. Đây là một nguồn nguyên liệu phế phẩm giá rẻ. Ngoài các quốc gia ở khu vực Đông Nam Á và châu Phi thì cũng có t số quốc gia sở hữu nguồn tài nguyên giáp xác khá lớn nhưng chưa được khai thác, điển hình là Na Uy, Mexico và Chile.

Tại Viện Công nghệ Thủy sản Trung ương, Kerala của Ấn Độ, các nhà khoa học đã khởi xướng lên quá trình nghiên cứu về chitin và chitosan. Từ những nghiên cứu này, họ đã xác định được lượng chitin có trong chất thải từ các nhà máy sản xuất tôm khô và mực khô lần lượt là 23% và 15%. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, khối lượng chất thải rắn có chứa chitin từ vỏ giáp xác tại Ấn Độ dao động trung bình từ 60 000 - 80 000 tấn.

Ứng dụng của chitin

Các nhà khoa học bắt đầu quan tâm đến chitin từ nghiên cứu về đặc tính hóa học của lysozyme, một loại enzyme tồn tại trong dịch cơ thể con người. Từ đó, một loạt các ứng dụng của chitin và dẫn xuất của nó trong lĩnh vực y tế đã được báo cáo suốt ba thập kỷ qua.

Chitin được sử dụng để sản xuất chitosan, một chất có rất nhiều ứng dụng trong y học. Ví dụ như ức chế xơ hóa trong chữa lành vết thương, thúc đẩy sự phát triển và biệt hóa mô trong nuôi cấy mô hoặc làm hạ cholesterol trong máu theo cơ chế tại chỗ, hỗ trợ điều trị viêm loét dạ dày,…

Đặc tính kém hòa tan của chitin là lý do hạn chế ứng dụng của nó. Tuy nhiên, nó đã được điều chỉnh cấu trúc để có thể ứng dụng nhiều hơn, điển hình là làm nguyên liệu cho sợi nhân tạo. Các loại sợi làm từ chitin được sử dụng trong y tế hiện nay chính là chỉ khâu “tự tan” và các loại băng vết thương. Chỉ khâu tự tan chitin có độ bền cao với khả năng chống lại môi trường “khắc nghiệt” trong mật, nước tiểu và dịch tụy. Đây là điều mà những loại chỉ tự tiêu khác không làm được.

Ngoài ra, băng vết thương làm từ chitin còn được ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải với vai trò là loại bỏ các ion kim loại nặng.

Chỉ tự tiêu - chitin

Cách sản xuất chitosan từ chitin

Có 3 phương pháp để sản xuất chitosan từ chitin, đó là sử dụng enzym, lên men vi sinh vật và dùng hóa chất, cụ thể là natri hydroxit. Trong đó, sử dụng natri hydroxit là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất.

Trong công nghiệp, chitosan thường được sản xuất thương mại bằng phường pháp khử acetyl của chitin – một thành phần cấu trúc trong exoskeleton của động vật giáp xác và thành tế bào của nấm. Trung bình, khối lượng phân tử chitosan được sản xuất thương mại dao động là từ 3800 - 20.000  Dalton .

Quy trình sản xuất chitosan từ chitin diễn ra như sau:

Bước 1: Rửa sạch để loại bỏ tạp chất

Sau khi thu gom vỏ tôm, cua,…từ các nhà máy chế biến thủy hải sản đóng hộp và chuyển đến nhà máy sản xuất chitosan thì phần vỏ này sẽ được rửa sạch bằng nước sạch và xử lý để loại bỏ nhiều nhất các loại tạp chất còn sót lại trong vỏ tôm, cu,…thịt, lipid… Việc rửa sạch này sẽ tạo điều kiện cho việc khử khoáng và khử protein diễn ra thuận lợi hơn và tốn ít hóa chất xử lý hơn.

Bước 2: Khử khoáng

Trước khi sản xuất chitosan, chitin sẽ được rửa sạch và tẩy trắng để khử khoáng. Hóa chất dùng để tẩy rửa là các chất oxy hóa mạnh như thuốc tím, oxy già, nước javel,…hoặc dùng axit clohydric 20%, với tỷ lệ rắn và dung môi 1:10 (1W/10V) ở nhiệt độ phòng trong 2giờ. Tiếp đó dùng nước cất rửa lại cho đến khi pH đạt 6.5–7 thì làm khô cặn.

Bước 3: Khử Protein

Sau khi khử khoáng, phần vỏ sẽ được đun nóng trong natri hydroxit 8% ở nhiệt độ cao 120 độ C (tỉ lệ 1W/10V) từ trong 2 giờ để khử protein. Cặn thu được trong quá trình này sẽ được rửa sạch và ngâm trong nước sạch cho đến khi pH đến khi pH đạt 6.5–7. Lúc này, chitin đã được tạo ra.

Bước 4: Deacetyl

Đun nóng chitin trong dung dịch HCl 20% ở nhiệt độ 120 độ C trong 15 giờ để deacetyl chitin. Sau đó lại rửa bằng nước sạch cho để đến khi pH đạt 6.5–7.

Bước 5: Tinh chế chitosan

Hòa tan trong axit acetic 2% và natri hydroxit 10% để tinh chế chitosan.

Cách này sẽ tạo ra khoảng 70% chitosan đã khử acetyl. Mức độ deacetyl hóa (% DD) có thể được xác định bằng phương pháp quang phổ NMR và % DD trong chitosan thương mại nằm trong khoảng từ 60 đến 100%.

Để sản xuất được 1 kg chitosan đã khử acetyl 70% từ vỏ tôm, cua,… ta cần khoảng 6.3 kg axit clohydric và 1.8 kg natri hydroxit, nito, nước đã qua xử lý là 0.5 t và nước lạnh là 0.9 t.

Cách sản xuất chitosan

Sự khác biệt giữa chitin và chitosan

Sự khác biệt lớn nhất chitin với chitosan là khả năng hòa tan axit, ngoài ra còn có một số đặc tính khác nữa, cụ thể như sau:

Hy vọng rằng, với những thông tin mà chúng tôi đưa ra trong bài viết trên, các bạn đã hiểu được chitin là gì cũng như các vấn đề liên quan đến chitin. Để xem thêm nhiều bài viết hay và bổ ích hơn nữa, các bạn vui lòng tìm hiểu tiếp trên website https://ammonia-vietchem.vn/ nhé.

Xem thêm

• Grayscale là gì? Vai trò, đặc điểm và các tiêu chuẩn của Grayscale

• Vải Polyester là gì? Ứng dụng của Chất liệu polyester hiện nay