Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Deacetyl và cắt mạch Chitin để điều chế Glucosamine

TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 27, 2005<br /> <br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG <br /> ĐẾN QUÁ TRÌNH DEACETYL VÀ CẮT MẠCH CHITIN<br />  ĐỂ ĐIỀU CHẾ GLUCOSAMINE<br /> Trần Thái Hòa<br /> Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế<br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ [1,2,4,5]<br /> Glucosamine là chất có nhiều  ứng dụng trong y học. Nó đóng vai trò sinh lý <br /> sinh hoá trong cơ thể người, tham gia vào chức năng giải độc của gan và thận, chống <br /> viêm gan, chống dị   ứng và chống thiếu oxi trong máu. Glucosamine là nguyên liệu <br /> chủ  yếu để  tổng hợp các chất nhờn và sụn ở  các khớp của cơ  thể. Khi các khớp bị <br /> tổn thương, nó là nguyên liệu để  cơ  thể  sản xuất các chất cần thiết như  collagen,  <br /> proteoglycan và glucosaminoglycan để phục hồi sụn khớp và tái cung cấp chất nhờn  <br /> giúp các khớp linh động trở  lại. Ngoài ra, glucosamine còn có tác dụng chống ung <br /> thư, chữa tổn thương đường ruột và dạ dày. <br /> Khi tiến hành deacetyl hóa đồng thời cắt mạch chitin đến monomer sẽ  thu <br /> được D­glucosamine. Chitin là  polymer thiên nhiên có trữ  lượng đứng thứ  hai trong  <br /> tự  nhiên chỉ  sau cellulose. Chitin là một poly (1,4) ­ 2 acetamido ­ 2 deoxy ­     ­ D <br /> glucose tồn tại chủ yếu  ở vỏ bọc của các loài giáp xác và côn trùng như  vỏ  tôm, vỏ <br /> cua ... <br /> Nước ta có bờ biển trải dài nên việc nuôi trồng, khai thác và chế biến hải sản  <br /> phát triển, nên lượng vỏ  tôm dồi dào. Để  sử  dụng có hiệu quả  nguồn nguyên liệu  <br /> này cần phải có sự  đầu tư  nghiên cứu một qui trình công nghệ  hoàn thiện để  sản  <br /> xuất glucosamine đạt tiêu chuẩn dược dụng từ  vỏ  tôm, một mặt nhằm tạo ra sản <br /> phẩm có giá trị  cao phục vụ  công tác chăm sóc sức khoẻ  con người, mặt khác góp  <br /> phần bảo vệ  môi trường. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ  trình bày kết quả  nghiên  <br /> cứu các yếu tố   ảnh hưởng đến quá trình deacetyl và cắt mạch chitin để  điều chế <br /> glucosamine.<br /> 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT [3,4]<br /> Chitin là một poly (1,4) ­ 2 acetamido ­ 2 deoxy ­   ­ D glucose. Công thức cấu <br /> tạo của chitin và glucosamine được trình bày trên hình 1.<br /> <br /> CH2OH<br /> CH2OH CH2OH<br /> O<br /> O O H<br /> H H H H<br /> H<br /> O O H,OH<br /> OH H OH OH H<br /> H H H OH<br /> <br /> H NHCOCH3 H NHCOCH3 n H NH 2<br /> <br /> 1<br />             Chitin        glucosamine<br /> Hình 1: Công thức cấu tạo của chitin và glucosamine<br /> <br /> Liên kết   (1,4) glucoside của mỗi mắt xích nằm lệch nhau một góc 1800 tạo <br /> nên mạch xoắn. Do loại liên kết này kém bền, dễ  bị  cắt đứt bởi tác nhân H+  nên <br /> chúng tôi tiến hành nghiên cứu deacetyl và cắt mạch chitin bằng tác nhân axit HCl để <br /> điều chế glucosamine.<br /> 3. PHƯƠNG PHÁP NGHÊN CỨU<br /> 3.1. Deacetyl và cắt mạch chitin:<br /> Dùng tác nhân là axit HCl điều chế D­glucosamine theo sơ đồ sau:<br /> <br /> Chitin + dd HCl Đun DD màu Lọc DD màu  Kết  Tinh thể<br />  ủ trong 24 giờ nâu đậm vàng nhạt tinh Glucosamine<br /> cách thuỷ và hấp phụ<br /> màu<br /> 3.2. Khảo sát thăm dò:<br /> Trước khi qui hoạch hóa thí nghiệm, chúng tôi tiến hành khảo sát thăm dò <br /> từng yếu tố  như  nồng độ  HCl, nhiệt độ, thời gian và thể  tích dung dịch HCl  ảnh  <br /> hưởng đến hiệu suất điều chế  để  tìm khoảng nghiên cứu. Các thí nghiệm thăm dò <br /> đều dùng cùng lượng chitin như nhau và bằng 10 gam.<br /> Để  đánh giá khả  năng cắt mạch và deacetyl chitin, chúng tôi sử  dụng khái  <br /> niệm hiệu suất điều chế là phần trăm khối lượng tinh thể  glucosamine thu được so <br /> với lượng chitin ban đầu đem khảo sát.<br /> 3.3. Qui hoạch hóa thí nghiệm:<br /> Qui hoạch hóa thí nghiệm được sử  dụng nhằm tối thiểu hóa số  thí nghiệm <br /> cần thiết đồng thời tìm được phương trình hồi qui mô tả đúng thí nghiệm, trên cơ sở <br /> đó để tìm điều kiện thí nghiệm tối ưu.<br /> 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> 4.1. Khảo sát sơ bộ:<br /> a) Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch HCl:<br />           Khi khảo sát ảnh hưởng của nồng   30<br /> <br /> <br /> độ  dung dịch HCl, chúng tôi cố  định thể <br /> tích dung dịch HCl là 10 ml, thời gian là 2 <br /> 28<br /> <br /> <br /> <br /> giờ   và   nhiệt   độ   là   800C.   Kết   quả   thể <br /> t (%)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 26<br /> hiện ở hình 2.<br /> u suáú<br /> Hiãû<br /> <br /> <br /> <br /> <br />                    Dựa vào đồ  thị  chúng tôi nhận  24<br /> <br /> 2<br /> 22<br /> <br /> <br /> 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0<br /> <br /> Näö<br /> ng âäüHCl (N)<br /> thấy, khi nồng độ  dung dịch HCl tăng thì  <br /> hiệu suất điều chế tăng lên. Do đó, chúng <br /> tôi chọn nồng độ  dung dịch HCl tương  <br /> ứng với hiệu suất lớn nhất là 12N cho <br /> các nghiên cứu tiếp theo. Hình 2: Sự phụ thuộc hiệu suất cắt mạch  <br /> vào nồng độ dung dịch HCl.<br /> <br /> <br /> <br /> b) Ảnh hưởng của nhiệt độ:<br />            Khi khảo sát ảnh hưởng của nhiệt  <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hiãûu suáút(%)<br /> 32<br /> độ, chúng tôi cố  định thể  tích dung dịch <br /> HCl là 10 ml, thời gian là 2 giờ  và nồng <br /> độ  dung dịch HCl là 12N. Kết quả  thể  30<br /> <br /> <br /> hiện ở hình 3.<br />                    Dựa vào đồ  thị  chúng tôi nhận   28<br /> <br /> <br /> thấy,   hiệu  suất   điều   chế   tăng   lên   cùng <br /> với sự  tăng nhiệt độ, nhưng  ở  nhiệt độ  26<br /> 80 85 90 95 100<br /> trên   950C   thì   hiệu   suất   điều   chế   tăng  o<br /> Nhiãûtâäü( C)<br /> không   đáng   kể.   Do   đó   chúng   tôi   chọn <br /> vùng nhiệt độ để qui hoạch thí nghiệm là <br /> từ 850C đến 950C.           Hình 3: Sự phụ thuộc hiệu suất cắt mạch <br /> vào nhiệt độ<br /> c) Ảnh hưởng của thời gian:<br />            Khi khảo sát ảnh hưởng của thời  <br /> t (%)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 36<br /> <br /> gian, chúng tôi cố  định thể tích dung dịch <br /> u suáú<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 35<br /> Hiãû<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> HCl là 10 ml, nhiệt độ là 950C và nồng độ <br /> dung dịch HCl là 12N. Kết quả  thể  hiện  34<br /> <br /> <br /> ở hình 4. 33<br /> <br />                    Dựa vào đồ  thị  chúng tôi nhận   32<br /> <br /> thấy, hiệu suất điều chế  tăng theo thời <br /> 31<br /> gian và tăng không đáng kể  khi thời gian  <br /> cắt   mạch   trên   5   giờ.   Do   đó,   chúng   tôi  30<br /> 2 3 4 5 6<br /> <br /> chọn vùng thời gian để  qui hoạch hóa thí  Thåìi gian (giåì)<br /> nghiệm là từ 3 giờ đến 5 giờ.<br /> 40 Hình 4: Sự phụ thuộc hiệu suất cắt mạch <br /> Hiãûu suáút (%)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 38<br /> vào thời gian.<br /> d) Ảnh hưởng của thể tích dung dịch HCl 12N:<br /> 36<br />            Khi khảo sát ảnh hưởng của thể <br /> 34<br /> tích dung dịch HCl 12N, chúng tôi cố <br /> định thời gian là 5 gi<br /> 32<br /> ờ, nhiệt độ là 950C <br /> 30<br /> 3<br /> 28<br /> <br /> <br /> 26<br /> 10 12 14 16 18 20<br /> Thãøtêch HCl (ml)<br /> và nồng độ  dung dịch HCl là 12N. Kết <br /> quả thể hiện ở hình 5.<br />            Dựa vào đồ  thị  chúng tôi nhận <br /> thấy, hiệu suất điều chế  tăng theo thể <br /> tích dung dịch HCl 12N và tăng không <br /> đáng kể khi thể tích dung dịch HCl 12N  <br /> lớn  hơn 16 ml.  Do  đó,chúng tôi  chọn <br /> vùng   thể   tích   để   qui   hoạch   hóa   thí <br /> nghiệm là từ 14 ml giờ đến 16 ml. Hình 5: Sự phụ thuộc hiệu suất cắt mạch vào  <br /> thể tích dung dịch HCl 12N<br /> 2. Qui hoạch hóa thí nghiệm:<br /> Để đánh giá chính xác và toàn diện hơn về ảnh hưởng của từng yếu tố nhiệt  <br /> độ, thời gian và thể tích dung dịch HCl, cũng như ảnh hưởng đồng thời của các yếu <br /> tố này đến hiệu suất điều chế chúng tôi tiến hành qui hoạch hóa thí nghiệm theo mô <br /> hình 23 yếu tố.<br /> Từ   các   thí   nghiệm   sơ   bộ   ở   trên,   chúng   tôi   đưa   ra   các   mức   tiến   hành   thí <br /> nghiệm được trình bày ở bảng 1.<br /> Bảng 1: Các mức tiến hành thí nghiệm<br /> <br /> Các mức thí nghiệm Z1 Z2 Z3<br /> Mức cao (+1) 95 5 16<br /> Mức gốc (0) 90 4 15<br /> Mức thấp (­1) 85 3 14<br /> Khoảng biến thiên 5 1 1<br /> Trong đó Z1 là biến tự nhiên, nhiệt độ (0C); Z2 là biến tự nhiên, thời gian (giờ); <br /> Z3 là biến tự nhiên, thể tích HCl (ml).<br /> Phương trình hồi quy bậc 1 hai mức tối ưu mô tả thí nghiệm có dạng sau: <br /> y =  bo + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123x1x2x3<br /> Tiến hành thí nghiệm theo ma trận thực nghiệm thu được kết quả trình bày ở <br /> bảng 2. <br /> Bảng 2: Ma trận thí nghiệm<br /> <br /> N Hiệu Suất<br /> xo x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 Su2<br /> y* y ­ y*<br /> yu1 yu2 yuTB<br /> 1 +1 +1 ­1 ­1 ­1 ­1 +1 +1 36,3 36,5 36,4 0,02 33,7 ­0,5<br /> 2 +1 +1 ­1 +1 ­1 +1 ­1 ­1 42,0 42,1 42,1 0,005 42,4 ­0,3<br /> 3 +1 +1 +1 ­1 +1 ­1 ­1 ­1 49,2 49,0 49,1 0,02 44,4 0,5<br /> 4 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 51,1 51,2 51,2 0,005 53,1 0,3<br /> <br /> 4<br /> 5 +1 ­1 ­1 ­1 +1 +1 +1 ­1 29,4 29,5 29,5 0,005 24,9 ­0,4<br /> 6 +1 ­1 ­1 +1 +1 ­1 ­1 +1 38,9 39,2 39,1 0,045 38,0 1,2<br /> 7 +1 ­1 +1 ­1 ­1 +1 ­1 +1 40,8 40,9 40,9 0,005 35,6 0,4<br /> 8 +1 +1 +1 +1 ­1 ­1 +1 ­1 48,1 48,3 48,2 0,02 48,7 ­1,2<br /> 9 0 0 0 43,1 43,5 43,3 0,02<br /> <br /> a) Thiết lập phương trình hồi qui:<br /> * Tính các hệ số của phương trình hồi quy:  <br /> bo = 42,413 ; b1 = 2,888 ;  b2 = 5,788 ; b3 = 3,063 ; b12 = 0,2625 ; <br /> b23 = ­0,613 ; b13 = ­1,263 ; b123 = ­0,438<br /> S2l  = 0,125 ; Sbj = 0,25 ; S2dư = 0,71<br /> tLT (0,95 , 2) = 4,303 từ đó tính tbj* Sbj = 1,84<br /> Theo điều kiện bj > tbj* Sbj thì chỉ có b1 , b2 , b3 , b13 là có nghĩa, phương trình <br /> hồi quy trở thành: y =  42,413 + 2,888x1 + 5,788x2 + 3,063x3 ­ 1,263x1x3<br /> Đổi biến thực ta được: <br /> y = ­226,2 + 2,472* Z1 +5,788*Z2 +12,9*Z3 ­ 0,126*Z1*Z3<br /> Đánh giá tính thích ứng của phương trình hồi quy dựa vào tiêu chuẩn Fisher:<br /> FTN = S2dư / S2l = 14,3 FLT (0,95, 3, 8) = 19,2<br /> Vì FTN