ไคโตซาน (Chitosan) คืออะไร?

สารบัญ

ไคโตซาน (chitosan) คืออะไร?

ไคโตซาน คือ สารธรรมชาติจำพวกสารโพลีเซคคาไรด์ (Polysaccharide) สกัดที่ได้จากเปลือกกุ้ง กระดองปู และแกนปลาหมึก เป็นต้น นอกจากนี้ยังสามารถสกัดได้จากเปลือกแข็งของแมลง ผนังเซลล์ของเห็ดและรา และสาหร่ายบางชนิด โดยแยกเอาโปรตีนและเกลือแร่ออกจะได้สารที่เรียกว่าไคติน (Chitin) แสดงดังรูปที่

รูปที่ 1 แสดงไคตินในธรรมชาติ

ไคโตซานเป็นสารพอลิเมอระรรมชาติซึ่งเป็นอนุพันธ์ของไคตินที่มีหมู่อะมิโน (-NH₂) มาประกอบกันเรียกว่า polyamino glucose มีสูตรโมเลกุล (C₆H₁₂O₄N)n ไคโตซานมีชื่อทางเคมีว่า poly-β-(1,4)-2-amino-2-deoxy-D-glucose สามารถเตรียมได้จากปฏิกิริยาการกำจัดหมู่อะซีติล (deacetylation) ออกจากไคตินในสารละลายด่างเข้มข้น จึงทำให้โครงสร้างของไคตินบางส่วนเปลี่ยนแปลงโดยเฉพาะหมู่ฟังชั่นที่มีธาตุไนโตรเจนในรูปของหมู่อะเซตามิโด (NH-CO-CH₃) เปลี่ยนไปเป็นหมู่อะมิโน (NH₂) แสดงดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดงการเตรียมไคโตซานจากไคติน

กระบวนการผลิตไคโตซาน

กระบวนการผลิตไคโตซานมี 4 ขั้นตอนสำคัญ ได้แก่ การกำจัดเกลือแร่ การกำจัดโปรตีน การฟอกสีและการสกัดไคโตซาน

1. การกำจัดเกลือแร่

เป็นขั้นตอนการสกัดเกลือแร่ เช่น เกลือแคลเซียมคาร์บอเนตที่พบในเปลือกของสัตว์ที่ไม่มีกระดูกสันหลัง กรดที่ใช้ เช่น กรดไฮโดรคลอริก กรดฟอร์มิก กรดอะซิติก กรดซัลฟูริก และกรดกำมะถัน เป็นต้น

2. การกำจัดโปรตีน

เป็นขั้นตอนการสกัดแยกโปรตีนออกในเปลือกของสัตว์ที่ไม่มีกระดูกสันหลัง ขั้นตอนการแยกโปรตีนนี้ใช้สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่มีความเข้มข้น 1-10 เปอร์เซ็นต์ สามารถให้ความร้อนได้เพื่อสกัดโปรตีนออกได้สมบูรณ์

3. การฟอกสี

การผลิตไคตินจากขั้นตอนดังกล่าวไว้ข้างต้นนั้นพบว่า ไคตินที่ได้มักจะยังคงมีสีดังนั้นหากต้องการไคตินฟอกขาวจะต้องนำไคตินมาผ่านกระบวนการแยกสีโดยสารสี (pigment) ในไคตินสามารถกำจัดได้โดยการสกัดด้วยอะซิโตน คลอโรฟอร์ม เอธิลอะซิเตต สารผสมระหว่างเอทานอลและอีเทอร์ โดยปรกติทำการฟอกสีด้วยสารละลายโซเดียมไฮโปคลอไรท์ หรือไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์

4. การสกัดไคโตซาน

การสกัดไคโตซานเกิดจากปฏิกิริยาการกำจัดหมู่อะซิธิลของไคตินหรือที่เรียกว่า ปฏิกิริยา deacetylation ทำให้เอ็น-อะซิทิลกลูโคซามีนซึ่งเป็นโมเลกุลเดี่ยวของไคตินถูกเปลี่ยนเป็นกลูโคซามีน ดังนั้นจากไคตินจึงเปลี่ยนเป็นไคโตซาน ขั้นตอนการสกัดไคโตซานจากไคตินสามารถทำได้โดยการแช่ไคตินในสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ หรือโปตัสเซียมไฮดรอกไซด์เข้มข้น 50 เปอร์เซ็นต์ ที่อุณหภูมิ100 องศาเซลเซียส หรือสูงกว่า เป็นเวลา 6 ชั่วโมง ทำให้หมู่อะซิทิลบางส่วนหรือทั้งหมดจะถูกดึงออกจากโพลิเมอร์

การใช้ประโยชน์ไคติน-ไคโตซาน

ไคโตซานเป็นไบโอโพลิเมอร์ธรรมชาติอย่างหนึ่งซึ่งมีองค์ประกอบสําคัญในรูปของ D–Glucosamine พบได้ในธรรมชาติโดยเป็นองค์ประกอบอยู่ในเปลือกนอกของสัตว์พวกกุ้งปูแมลงและเชื้อราเป็นสารธรรมชาติที่มีลักษณะโดดเด่นเฉพาะตัวคือที่เป็นวัสดุชีวภาพ (Biometerials) ย่อยสลายตามธรรมชาติมีความปลอดภัยในการนํามาใช้กับมนุษย์ไม่เกิดผลเสียและปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมไม่เกิดการแพ้ไม่ไวไฟและไม่เป็นพิษ (Non – Phytotoxic) ต่อพืชนอกจากนี้ยังส่งเสริมการเพิ่มปริมาณของสิ่งมีชีวิตที่มีประโยชน์จึงได้มีการนําไคติน-ไคโตซานมาใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆดังนี้

ด้านการเกษตรการใช้ประโยชน์จากไคติน-ไคโตซานทางด้านการเกษตรสามารถนําไปใช้ได้ในเกือบทุกขั้นตอนหรือเกือบครบวงจร เช่นใช้เป็นสารปรับสภาพดินสําหรับเพาะปลูกการใช้ไคโตซานผสมในปุ๋ยน้ำสําหรับพืชมีข้อดีคือสามารถยึดเกาะกับพื้นผิวดินได้ดีทนต่อการถูกชะล้างลดการระเหยของน้าอีกทั้งยังเป็นตัวควบคุมการปลดปล่อยแร่ธาตุและสารอาหารให้แก่พืชช่วยเร่งอัตราการเจริญเติบโตมีผลทําให้ผลไม้สดสามารถเก็บรักษาไว้ได้นานขึ้นเป็นส่วนประกอบในการผลิตแผ่นคลุมดินเพื่อเร่งการเจริญเติบโตของพืชเพิ่มอุณหภูมิของดินและช่วยเพิ่มปริมาณจุลินทรีย์ที่เป็นประโยชน์ในดินนอกจากนี้ยังสามารถนํามาใช้ในการผลิตกระถางหรือถุงเพาะต้นกล้าได้ซึ่งผลิตภัณฑ์เหล่านี้สามารถย่อยสลายได้เองตามธรรมชาติ
ด้านอุตสาหกรรมอาหารปัจจุบันไคโตซานมีการผลิตออกจําหน่ายอย่างแพร่หลายในรูปของอาหารเสริมเพื่อลดคอเลสเตอรอลและควบคุมน้ำหนักจากสมบัติของไคโตซานในด้านการยับยั้งเชื้อจุลชีพเช่นแบคทีเรียเชื้อรานับเป็นจุดเด่นที่สําคัญต่อการนํามาใช้ประโยชน์ในด้านการถนอมอาหารเช่นในการเก็บรักษาเนื้อปลาการนําไปใช้ในเครื่องปรุงรสอาหารในกระบวนการผลิตอาหารและเครื่องดื่มหลายชนิดใช้เป็นฟิล์มห่อหุ้มเพื่อถนอมอาหาร
การใช้เป็นสารตกตะกอนได้มีการนําไคโตซานมาใช้ด้านการบําบัดน้ำจากการศึกษาที่ผ่านมาพบว่าไคโตซานมีประสิทธิภาพในการใช้เป็นสารตกตะกอนชีวภาพ (Bioflocculant) ในการบําบัดน้ำเสียจากอุตสาหกรรมอาหารสามารถลดความขุ่นปริมาณตะกอนแขวนลอยตลอดจนค่า BOD และ COD ลงได้ทําให้น้ำมีคุณภาพดีขึ้นการใช้ไคติน-ไคโตซานเป็นตัวจับไอออนโลหะในน้ำทิ้งเช่นไอออนของปรอททองแดงตะกั่วแคดเมียมเป็นต้น
ด้านเครื่องสําอางไคโตซานเป็นสารประเภท Non Toxic Polyelectrolyte ที่มีประโยชน์ต่อการประยุกต์ใช้ในผลิตภัณฑ์เครื่องสําอางทั้งนี้เพราะประจุบวกของหมู่แอมโนเนียม (NH3⁺) ที่เรียงรายอยู่บนโครงสร้างของไคโตซานจะมีความว่องไวต่อการจับกับผิวหนังและเส้นผมที่ประกอบด้วยสาร Mucopolysaccharides โปรตีนและไขมันที่มีประจุลบได้เป็นอย่างดีไคโตซานที่เคลือบอยู่นี่จะก่อตัวเป็นฟิล์มบางๆพร้อมกับดูดซับความชื้นและไขมันเอาไว้จึงช่วยรักษาความชุ่มชื้นและความยืดหยุ่นให้แก่ผิวหนังและเส้นผมและนอกเหนือจากสมบัติในการช่วยยับยั้งเชื้อแบคทีเรียและลดอาการระคายเคืองหรือคันศีรษะแล้วอันตรกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่าง Polysaccharides และโปรตีนของเส้นผมยังมีส่วนในการเพิ่มความเงางามให้แก่เส้นผมปัจจุบันผลิตภัณฑ์เครื่องสําอางที่มีส่วนผสมของสารไคตินและไคโตซานได้แก่ครีมและโลชั่นบํารุงผิวแชมพูโลชั่นบํารุงผมแป้งแต่งหน้ายาทาเล็บยาสีฟันและมอยส์เจอไรเซอร์
ด้านเส้นใยและสิ่งทอการประยุกต์ใช้ไคตินไคโตซานทางด้านเส้นใยและสิ่งทอพบว่าสามารถแบ่งตามลักษณะการใช้งานได้ดังนี้ใช้ผลิตเป็นเส้นใยและเส้นด้ายเส้นใยไคตินและไคโตซานสามารถนําไปใช้ผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆเช่นผ้านอนวูฟเวน (Nonwoven) ผ้าปิดแผลไหมละลายเป็นต้นในขั้นตอนของกระบวนการขึ้นรูปใช้วิธีละลายด้วยตัวทําละลายที่เหมาะสมแล้วจึงปั่น (Spin) เส้นใยผ่านหัวรีดที่มีรูเล็กๆที่เรียกว่า spinneret ลงในอ่างสารเคมีที่ทําให้เกิดการแข็งตัว (Coagulation Bath) ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่าการปั่นเส้นใยแบบเปียก (Wet Spinning) การผลิตเป็นเส้นใยมีหลายลักษณะด้วยกันเช่นผลิตเส้นใยจากไคติน-ไคโตซานโดยตรงการผลิตโดยปั่นเป็นเส้นใยร่วมกับโพลิเมอร์ชนิดอื่น
ด้านการแพทย์และเภสัชกรรมไคติน-ไคโตซานเป็นสารธรรมชาติที่มีความเข้ากันได้กับเนื้อเยื่อและเซลล์ของร่างกายสามารถรับประทานได้และย่อยสลายได้ตามธรรมชาติโดยไม่เป็นพิษต่อร่างกายจึงได้มีการนําไคติน-ไคโตซานมาประยุกต์ใช้ทางด้านการแพทย์และเภสัชกรรมเช่นใช้ในวัสดุทดแทนกระดูกใช้เป็น Filling ในกระดูกและฟันใช้เป็นวัสดุปิดบาดแผลกระตุ้นการสร้างเซลล์ใหม่และป้องกันการติดเชื้อจึงช่วยทําให้บาดแผลหายเร็วขึ้นเป็นสารป้องกันการจับตัวเป็นก้อนของเลือด (Blood Anticoagulant) และสารห้ามเลือด (Hemostatic)
ด้านการดูดซับน้ำมันของไคโตซานมีรายงานการนําไคโตซานมาใช้ประโยชน์ในการดูดซับน้ำมันตกค้าง (Residue Oil) ที่มีอยู่ในน้ำเสียซึ่งเป็นปัญหาสําคัญโดยเฉพาะในอุตสาหกรรมการสกัดน้ำมันปาล์มในรายงานได้กล่าวถึงไคโตซานซึ่งเป็นพอลิเมอร์ชีวภาพที่มีประจุบวก (Cationic Biopolymer) โมเลกุลของไคโตซานประกอบด้วยหมู่อะมิโนที่มีประสิทธิภาพสูงในการดูดซับน้ำมันและเนื่องจากโมเลกุลของไคโตซานมีประจุบวกจึงสามารถจับกับสารที่มีประจุลบได้ดีนั่นคือไคโตซานสามารถดูดซับ Residue Oil ได้และทําให้ประจุลบของ Residue Oil สูญเสียเสถียรภาพโดยอาศัยกลไกการสะเทิน (Neutralize)ประจุการนําไคโตซานมาใช้ในการกําจัดน้ำมันเป็นวิธีที่ยอมรับกันทั่วไปในปัจจุบันซึ่งจากรายงานการทดลองพบว่าไคโตซานในรูปแบบผง (Powder) มีประสิทธิภาพในการดูดซับน้ำมันมากกว่าเกล็ดไคโตซาน (Chitosan Flake) การใช้ SEM Micrographs เป็นข้อพิสูจน์ว่าไคโตซานสามารถดูดซับน้ำมัน ไว้ที่ผิวของไคโตซานได้จริงโดยลักษณะพื้นผิวของไคโตซานก่อนที่จะดูดซับน้ำมันจะเรียบมีรูพรุนกระจายทั่วเป็นเนื้อเดียวขณะที่พื้นผิวของไคโตซานหลังจากการดูดซับน้ำมันแล้วจะมีลักษณะขรุขระไม่เรียบและรูพรุนจะมีลักษณะเป็นแบบ Craterlike Pores แสดงให้เห็นว่าน้ำมันสามารถแทรกเข้าไปในรูพรุนของไคโตซานได้

ที่มา

สุธิดา คงทอง ไคติน-ไคโตซาน(Chitin-Chitosan) วารสารวิชาการอุตสาหกรรมศึกษาวารสารวิชาการอุตสาหกรรมศึกษาปีที่ 3 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถุนายน 2552 (1-7) สาขาวิชาอุตสาหกรรมศึกษาคณะศึกษาศาสตร์มหาวิทยาศรีนครินทรวิโรฒ