Nghiên cứu khả năng tổng hợp vật liệu sinh học chitin từ đầu tôm, vỏ tôm

TÓM TẮT:

Bài viết nghiên cứu về khả năng tổng hợp vật liệu sinh học chitin từ đầu tôm, vỏ tôm. Trong nghiên cứu này, vật liệu chitin được chiết tách từ đầu tôm và vỏ tôm với hiệu suất lần lượt là 32% và 20%. Một số tính chất của vật liệu được xác định thông qua FTIR, SEM và độ ngậm nước. Kết quả các tính chất vật lý cũng như hóa học của vật liệu tương đối tốt với độ ngậm nước vật liệu của vỏ tôm và đầu tôm lần lượt là 75% và 69%, từ đó cho thấy vật liệu có khả năng ứng dụng vào lĩnh vực xử lý một số thành phần ô nhiễm trong nước thải.

Từ khóa: đầu tôm, vỏ tôm, chitin, vật liệu sinh học.

1. Đặt vấn đề

Chitin là vật liệu sinh học được nghiên cứu rộng rãi làm chất hấp phụ cho quá trình xử lý nước thải. Khả năng hấp phụ cao của chitin đối với các phân tử thuốc nhuộm do chitin có tính ưa nước được tăng cường bởi sự phong phú của các nhóm hydroxyl của các đơn vị glucose. Sự hiện diện của nhiều nhóm chức có khả năng phản ứng cao và tính linh hoạt của chuỗi polymer, được ứng dụng rộng rãi trong việc điều chế các vật liệu hấp phụ khác nhau như màng, aerogel, hydrogel, vật liệu tổng hợp, v.v... (Ashik, Kudo, & Hayashi, 2018). Vỏ tôm, đầu tôm là một trong những nguồn nguyên liệu từ phế thải công nghiệp được ưu tiên trong việc áp dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm môi trường bằng phương pháp hấp phụ. Việc chiết tách chitin từ vỏ tôm và đầu tôm để khảo sát khả năng hấp phụ methylene blue trong nước bằng vật liệu sinh học chitin để giải quyết vấn đề ô nhiễm trong sản xuất.

2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ

Nguyên liệu: Vỏ tôm, đầu tôm, chitin, methylene blue.

Hoá chất: Dung dịch NaOH 1N; HCl 1N

Dụng cụ: Tủ sấy, máy khuấy từ, máy ly tâm, pipet, bình định mức, ống đong, cân điện tử, máy quét phổ UV - VIS.

Phương pháp nghiên cứu:

- Sử dụng phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại (FTIR) để xác định đặc tính của vật liệu.

2.2. Quy trình chiết tách Chitin từ vỏ tôm, đầu tôm

Bước 2. Khử khoáng: Cho từ từ 300 ml HCl 1M vào beacher 600 ml có chứa vỏ tôm sau quá trình xử lý, khuấy liên tục trong 24 giờ ở 30⁰C. Sau đó rửa lại vỏ tôm và đầu tôm đến pH trung tính (thử bằng giấy quỳ).

Bước 3. Khử protein: Vỏ tôm, đầu tôm sau khi khử khoáng sẽ được tiếp tục khuấy trong 300 ml NaOH 10 wt%  ở 90^oC trong 5 giờ để loại bỏ protein. Sau đó rửa lại vỏ tôm và đầu tôm đến pH trung tính.

Bước 4. Sấy khô: Sau khi khử protein, vỏ tôm và đầu tôm được rửa lại bằng nước cất và sấy khô ở 82^oC trong 24 giờ để thu được chitin.

2.3. Nghiên cứu một số tính chất chitin từ vỏ tôm và đầu tôm

Phổ hồng ngoại FTIR: FTIR (Fourier-transform infrared spectroscop) truyền các bức xạ hồng ngoại qua mẫu và một số bức xạ được mẫu hấp thụ, các bức xạ còn lại sẽ được truyền qua. Detactor ghi nhận tín hiệu và cho ra phổ kết quả, các phân tử có cấu trúc hóa học khác nhau sẽ có kết quả phổ riêng biệt. FTIR được sử dụng để xác định liên kết hoặc nhóm chức có trong phân tử (Griffiths và cộng sự, 2007 ). Các mẫu được cắt nhỏ và freeze-dried trong 24 giờ, trước khi đo mẫu đã được sấy sẽ được nghiền chung với KBr. Các nhóm chức của mẫu được đo bằng máy Model- 8201; Shimadzu Corp, Japan ở chế độ transmission.

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy-SEM): là kính hiển vi điện tử tạo ra ảnh với độ phân giải cao của hình thái và cấu trúc mẫu vật sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật thực hiện thông qua việc ghi nhận, phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật (Debbie J Stokes, 2008). Vật liệu chitin được chụp SEM để quan sát cấu trúc bền mặt vật liệu. Mẫu chitin được cắt nhỏ và freeze-dried trong 24 giờ. Bề mặt mẫu sẽ được quan sát qua máy scanning electron microscope (JSM - 5300LV, JEOL, Japan).

Độ ngậm nước của Chitin: Khảo sát độ ngậm nước vật liệu thực hiện bằng cách cân vật liệu khô với khối lượng xác định. Ngâm vật liệu vào nước và xác định lại khối lượng vật liệu sau các khoảng thời gian liên tục 30, 60, 90, 120, 150, 180 phút.

Trong đó:  SC: Độ ngậm nước của vật liệu %

                  m₀: Khối lượng ban đầu của vật liệu (g)

                   m: Khối lượng của vật liệu sau 1 khoảng thời gian (g).

3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

3.1. Chiết tách chitin từ đầu tôm, vỏ tôm

3.1.1. Khử khoáng

Khoáng chiếm tỷ lệ lớn trong đầu tôm, vỏ tôm và chủ yếu tồn tại ở dạng CaCO₃ nên bước khử khoáng là bước cần thiết để chiết tách chitin hiệu quả. Có nhiều chất có thể được dùng để loại khoáng như H₂SO₄, HNO₃,…  trong thí nghiệm này sử dụng HCl để khử khoáng vì có hiệu quả xử lý cao hơn và không tạo ra sản phẩm phụ đáng kể.

Quá trình phản ứng của quá trình khử khoáng xảy ra như sau: H⁺ + CaCO₃ → Ca²⁺ +           CO₂↑ + H₂O

Do CaCO₃ phản ứng mãnh liệt với acid HCl đồng thời tạo ra khí CO₂, nên HCl cần cho vào từ từ và khuấy liên tục.

Hình 1: Vỏ tôm và đầu tôm trước và sau quá trình khử khoáng

Nồng độ của HCl ảnh hưởng lớn đến quá trình khử khoáng. Nồng độ HCl càng cao thời gian khử khoáng càng ngắn nhưng rất dễ làm đứt mạch polysaccharide, do đó chất lượng của chitin cũng bị giảm. Khi nồng độ HCl quá thấp, quá trình khử khoáng không triệt để và thời gian xử lý sẽ kéo dài. Vì vậy, hí nghiệm này sử dụng HCl 1M trong 24 giờ ở nhiệt độ 30⁰C. Sau khử khoáng, rửa vỏ tôm đến pH trung tính để đảm bảo loại bỏ được muối CaCl₂ được tạo ra trong quá trình phản ứng và loại bỏ lượng HCl dư để tránh tiêu hao lượng NaOH ở giai đoạn khử protein. (Hình 1)

3.1.2. Khử protein

Các chất có thể được sử dụng để loại bỏ protein như: NaOH, KOH, NaHCO₃, K₂CO₃,… trong đó NaOH là hóa chất được sử dụng phổ biến. Trong giai đoạn này, protein sẽ bị thủy phân bằng NaOH 10wt% để tạo ra các peptit và acid amin, quá trình này được thực hiện ở 90^oC để thúc đẩy quá trình phản ứng nhanh hơn. Sau khi khử protein sản phẩm được sấy ở 80⁰C trong 24 giờ để thu được chitin từ vỏ tôm và đầu tôm. (Hình 2)

                                                                                                                                                 Hình 2 Chitin sau khi sấy khô

Hiệu suất chiết tách chitin từ đầu tôm đạt 20%, trong khi đó hiệu suất chiết tách chitin từ đầu tôm đạt 33%. Khoáng chiếm tỷ lệ lớn trong vỏ tôm (xấp xỉ 50%), nên sau quá trình khử khoáng làm khối lượng đầu tôm, vỏ tôm giảm đi đáng kể và khi hoàn thành quá trình khử protein khối lượng đầu tôm, vỏ tôm sẽ tiếp tục giảm.

3.2. Tính chất của vật liệu chitin

3.2.1. Tính chất FT-IR của vật liệu chitin

Tính chất của vật liệu chitin sau xử lý đầu tôm, vỏ tôm và của chitin thương mại phân tích bằng Phổ hồng ngoại FT-IR được thể hiện ở Hình 3. Có thể thấy, peak FT-IR của chitin thương mại đầu tôm và vỏ tôm, vật liệu sau tổng hợp có các nhóm chức ban đầu của chitin không bị thay đổi, cụ thể ở bước sóng 3406 - 3495 cm^-1 cho thấy có sự xuất hiện của liên kết O - H, trong khoảng bước sóng 1011 - 1064 cm^-1 thể hiện nhóm C - O - C và nhóm C - H tại bước sóng 2889 cm^-1 trong cấu trúc của chitin. Tương tự, có thể quan sát thấy peak của nhóm Amide II (N - H) tại bước sóng 3097 cm^-1, nhóm Amide III (C - N) tại bước sóng 1446 cm^-1, nhóm Amide I (NHCOCH3) tại 2 peak 1672 cm^-1 và 1660 cm^-1, sự xuất hiện của 2 peak của nhóm Amide I này cho thấy đây là cấu trúc α - Chitin (Murat Kaya và cộng sự, 2017). Trong dãy FT - IR của VT và ĐT tại bước sóng 902 cm^-1 có sự xuất hiện của nhóm Calcite nhưng sau quá trình chiết tách FT - IR của Chitin không còn thể hiện peak của nhóm Calcite, chứng minh quá trình khử khoáng đạt hiệu quả tốt.

Hình 3. FT-IR của chitin thương mại, đầu tôm (ĐT) và vỏ tôm (VT)

3.2.2.Tính chất SEM của vật liệu chitin                                                                                               ĐT (Đầu tôm)                                                                 VT (Vỏ tôm)

Hình  4.  SEM của ĐT và VT với độ phóng đại lần lượt 300, 1000, 5000

Tính chất của vật liệu chitin sau xử lý đầu tôm, vỏ tôm phân tích bằng SEM được thể hiện ở Hình 4. Quan sát Hình 3.4 cho thấy, Chitin vỏ tôm và đầu tôm đều có cấu trúc đồng nhất về cả hình thái và kích thước có lỗ rỗng. Tại mức phóng đại 300 của vỏ tôm và đầu tôm có thể dễ dàng quan sát được sự xuất hiện các lỗ rỗng của vật liệu, khi tăng mức phóng đại lên 1000 ta có thể dễ dàng quan sát lỗ rỗng trong vật liệu dày đặc hơn.

3.2.2. Độ ngậm nước của vật liệu chitin được tổng hợp

Độ ngậm nước là một trong những tính chất cơ học quan trọng cần xác định của vật liệu, phản ánh khả năng hấp thụ nước của vật liệu. Đây là tính chất có ảnh huởng rất lớn đến độ ổn định và một phần khả năng xử lý trong nước thải.

Hình 5. Độ ngậm nước của vật liệu thí nghiệm

Dựa vào thực nghiệm có thể thấy, độ ngậm nước của chitin của ĐT (đầu tôm) tăng (từ 0-75%) còn VT (võ tôm) tăng (từ 0-69%), sau đó cả hai vật liệu này giảm dần không đáng kể. Dựa vào kết quả nghiên cứu của ( Ozel, ¨ N., & Elibol, M -2021) tính cơ học của vật liệu chitin từ ĐT (đầu tôm) và VT (vỏ tôm) là khá tốt. (Hình 5)

4. Kết luận

Nghiên cứu đã chiết tách chitin từ đầu tôm, vỏ tôm và tổng hợp thành công chitin từ đầu tôm, vỏ tôm với hiệu suất lần lượt là 32% và 20%.  Một số tính chất của vật liệu được xác định thông qua FT-IR, SEM, độ ngậm nước của chitin tổng hợp đầu tôm 75% và vỏ tôm 69% c, từ đó cho thấy vật liệu có khả năng ứng dụng vào lĩnh vực xử lý một số thành phần ô nhiễm trong nước thải.