ไคโตซาน (chitosan) และไคติน (chitin) เป็นสารพอลิเมอร์ชีวภาพที่ถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางในปัจจุบัน ไม่ว่าจะเป็นทางด้านอุตสาหกรรม ทางด้านการแพทย์ การเกษตร เครื่องสำอาง และทางด้านอาหาร รวมถึงทางด้านอื่นๆอีกมาก
ไคติน (chitin) ถูกพบครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ. 1811 โดย Henri Bracannot ด้วยการแยกได้จากเห็ด และในปี ค.ศ. 1823 มีการตั้งชื่อสารที่เป็นพอลิเมอร์ชนิดนี้ว่า ไคติน โดย Odier ที่มาจากคำว่า Chiton ในภาษากรีก แปลว่า เกาะหุ้ม ส่วนไคโตซาน ถูกค้นพบครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ. 1859 โดย Rouget ด้วยการต้มสารไคตินกับโซเดียมไฮดรอกไซด์เข้มข้น ซึ่งเมื่อละลายในไอโอดีน และกรดจะให้สารสีม่วง และตั้งชื่อว่า Modified chitin ต่อมา Hoppe Seyler ได้ตั้งชื่อใหม่ว่า ไคโตซาน (chitosan)
ไคติน เป็นสารพอลิแซคคาไรด์ที่เป็นสารพอลิเมอร์ธรรมชาติที่เกิดจากสาร 2- acetamido –2-deoy-β –D-glucose และ 2- amino-2-deoxy -β – D – glucose มีความแตกต่างจากโพลีแซคคาไรด์ชนิด เนื่องจากไคตินมีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ มีลักษณะโครงสร้างคล้ายเซลลูโลส แต่ต่างกันที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 2 ของเซลลูโลสจะมีหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) เกาะอยู่ ส่วนของไคตินจะมีหมู่ acetamide (NH-CO-CH3) เกาะอยู่
ไคติน เป็นสารโมเลกุลยาว ไม่มีประจุ มีน้ำหนักโมเลกุลประมาณ 200000 มีสูตรคือ (C8H13NO5)n ประกอบด้วยไฮโดรเจนร้อยละ 6.5 คาร์บอนร้อยละ 47.3 ไนโตรเจนร้อยละ 6.9 และออกซิเจนร้อยละ 39.4 มีคุณสมบัติไม่ละลายน้ำ
ไคตินพบได้ในสิ่งมีชีวิตทั่วไป โดยพบมากในสิ่งมีชีวิตที่มีเปลือกหรือผนังแข็งหุ้มลำตัว เช่น กุ้ง ปู หอย แมลง รวมถึงผนังเซลล์ของเชื้อรา ยีสต์ และสาหร่่าย สารนี้ทำหน้าที่เป็นโครงสร้างป้องกัน และสร้างความแข็งแรงให้แก่โครงสร้างร่างกาย
ไคตินในธรรมชาติ แบ่งเป็น 3 ชนิด คือ
1. อัลฟาไคติน มีลักษณะโครงสร้างเป็นเส้นใยเรียงซ้อนกันสลับไปมาหลายชั้นในคนละทิศ และแน่น ทำให้มีโครงสร้างแข็งแรงมากที่สุด เช่น ไคตินในเปลือกกุ้ง ไคตินในกระดองปู เป็นต้น
2. เบต้าไคติน มีลักษณะโครงสร้างเป็นเส้นใยเรียงซ้อนกันในทิศทางเดียวกันหลายชั้น แต่ไม่แน่นมากเหมือนชนิดอัลฟา ทำให้มีโครงสร้างแข็งแรงน้อย เช่น ไคตินในปลาหมึก เป็นต้น
3. แกมมาไคติน เป็นไคตินที่มีลักษณะของไคตินอัลฟา และไคตินเบต้า มีลักษณะโครงสร้างเป็นเส้นใยเรียงซ้อนกันไปมาหลายชั้นแบบไม่มีทิศทาง ทำให้มีโครงสร้างแข็งแรงน้อย เช่น ไคตินในเชื้อรา เป็นต้น
ไคโตซาน (chitosan) หรือเรียก deacetylated chitin เป็นโคโพลีเมอร์ที่เกิดจาก
glucosamine และ N- acetylglucosamine ประกอบด้วย glucosamine มากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ จัดเป็นสารอนุพันธุ์ของไคตินที่ผลิตได้จากการทำปฏิกิริยากับด่างเข้มข้นเพื่อกำจัดหมู่อะซิติลออก ทำให้โมเลกุลเล็กลง และมีคุณสมบัติที่อ่อนตัวสามารถขึ้นรูปเป็นเจล เม็ด เส้นใย หรือคอลลอยด์ รวมถึงการใช้ประโยชน์ในรูปแบบต่างๆได้มากขึ้น นอกจากนั้น ไคโตซานประกอบด้วยหมู่อะมิโน (-NH2) และหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) ที่สามารถทำปฏิกิริยากับสารอื่นเปลี่ยนเป็นสารอนุพันธ์อื่นๆได้หลากหลาย
คุณสมบัติการละลายในกรดของไคโตซาน
ไคโตซานประกอบด้วยหมู่อะมิโนจำนวนมาก (polyamine) ที่พร้อมจะทำปฏิกิริยากับกรดกรดอินทรีย์ และกรดอนินทรีย์บางชนิด และเกิดเป็นเกลือที่ pHกว่า 6.5 กระบวนการเกิดปฏิกิริยาเกิดจากหมู่ amine ของไคโตซานเข้ารับโปรตอนจากกรดแล้วเกิดเป็นโพลีแซคคาไรด์ที่มีประจุบวก (RNH3+) พร้อมได้เกลือของไคโตซานที่ละลายน้ำ เช่น acetate, formate, glycolate, lactate, citrate glyoxylate, malate, pyruvate และ ascorbate ทั้งนี้ ไคโตซานจะไม่ละลายในสารละลายที่เป็นกลางหรือมีความเป็นด่าง
1. ละลายได้น้อย เช่น กรดฟอร์มิก กรดอะซิติค กรดซาลิซิลิก และกรดโปรไฟโอนิก
2. ละลายปานกลาง เช่น กรดลอริก กรดซิตริก กรดทาร์ทาริก กรดซัลฟูริก และกรดไฮโดรคลอริก
3. ละลายได้ดี เช่น กรดออกซาริก กรดซัคซินิก และกรดเบนโซอิก
ประโยชน์ไคโตซาน และไคติน
ในปัจจุบันนิยมนำไคโตซาน และไคตินทั้งสองรูปมาใช้ประโยชน์ แต่ส่วนมากจะใช้ประโยชน์ในรูปของไคโตซานมากกว่า
1. ทางการแพทย์
– ไคโตซานเป็นสารที่มีคุณสมบัติที่ดีที่สามารถนำมาใช้ในทางการแพทย์ได้หลายรูปแบบ สามารถเตรียมได้ในรูปแบบเม็ดเจล ,แผ่นฟิล์มฟองน้ำ, เพลเลท, แคปซูล และยาเม็ด เป็นต้น
– ไคโตซาน และอนุพันธ์ใช้ป้องกันฟันผุ เช่น เอซิลีนไกลคอน-ไคติน, คาบอกซีเมทิล-ไคติน, ซัลเฟตเตด ไคโตซาน และฟอสฟอไลเลตเต็ด ไคติน สามารรถยับยั้งการจับ และก่อตัวของแบคทีเรียบนผิวฟันที่เป็นสาเหตุของฟันผุได้ดี
– ไคตินหรือไคโตซานซัลเฟตสามารถยับยั้งการแข็งตัวของเลือด และปลดปล่อย lipoprotein lipase โดยนำมาประยุกต์ใช้ในขั้นตอนการฟอกเลือดเพื่อป้องกันการแข็งตัวของเลือด นอกจากนี้ยังใช้สำหรับรักษาแผล และป้องกันการติดเชื้อของแผลได้ดี
2. การเกษตร
ด้านการเกษตรนิยมใช้ไคติน ไคโตซานในหลายด้านด้วยกัน อาทิ
– การใช้เคลือบเมล็ดพันธุ์พืช ป้องกันโรค แมลง การเน่าเสียจากจุลินทรีย์ และยืดอายุการเก็บรักษาเมล็ดพันธุ์
– ใช้เร่งการเจริญเติบโตของพืช ทำหน้าที่เป็นฮอร์โมนกระตุ้นการเกิดราก
– ใช้สำหรับปรุบปรุงดิน เพิ่มธาตุอาหารในดิน ปรับปรุงดินเค็ม ปรับปรุงดินที่เป็นกรดเป็นด่าง
3. ยา
ไคโตซานที่ใช้เป็นส่วนผสมในยาชนิดต่างๆ จะใช้ทำหน้าที่ป้องกันการย่อยสลายของยาบริเวณกระเพาะอาหาร ซึ่งเป็นสารควบคุมการปล่อยยาหรือเป็นตัวนำส่งยาเข้าสู่ระบบไหลเวียนโลหิต
4. อุตสาหกรรมอาหาร
– ใช้เป็นอาหารเสริมที่สามารถให้พลังงาน และช่วยลดปริมาณคอเลสเตอรอลชนิด LDL รวมถึงไขมันจำพวกไตรกลีเซอไรด์ในเลือดได้ดี ด้วยการจับตัวกับกลุ่มไขมันทำให้ลดการดูดซึมบริเวณลำไส้จึงนิยมนำไคโตซานผลิตเป็นอาหารเสริมเพื่อลดน้ำหนัก
– ป้องกันเชื้อจุลินทรีย์ในอาหาร ด้วยคุณสมบัติของไคติน และไคโตซานที่สามารถจับกับเซลล์เมมเบรน ของจุลินทรีย์ ทำให้เกิดการรั่วไหลของโปรตีน และสารอื่นๆออกมานอกเซลล์จนจุลินทรีย์ไม่สามารถเติบโต และลดจำนวนลง
– แผ่นฟิล์มบรรจุอาหาร ด้วยการใช้แผ่นฟิมล์พลาสติกชนิดโพลิเอธิลีนมีข้อเสียทำให้อาหารเน่าเสียเร็ว เนื่องจากกักเก็บความชื้นไว้ภายใน แต่แผ่นฟิมล์จากไคโตซานสามารถยืดอายุอาหารได้ดีกว่า เนื่องจากสามารถถ่ายเทความชื้นจากอาหารสู่ภายนอกได้ดีกว่า
– สารเติมแต่งในน้ำผลไม้ ด้วยการเติมสารไคโตซานช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการเป็น fining agent และควบคุมสภาพความเป็นกรดของน้ำผลไม้ได้ดี
5. เครื่องสำอาง
ด้วยคุณสมบัติของไคติน และไคโตซานที่สามารถอุ้มน้ำได้ดี และการเป็นฟิมล์บางๆคลุมผิวหนังป้องกันการเสียความชุ่มชื้นของผิว รวมถึงฤทธิ์ในการต้านเชื้อจุลินทรีย์จึงนิยมนำมาเป็นส่วนผสมของเครื่องสำอางหลายชนิด เช่น แป้งทาหน้า แป้งผัดหน้า สบู่ ยาสีฟัน ยาสระผม ครีมกันแดด ครีมบำรุงผิว ยาย้อมผม ยาเคลือบผม เป็นต้น
6. ทางด้านสิ่งแวดล้อม
ด้วยคุณสมบัติของไคติน และไคโตซานที่สามารถดูดซับ และจับกับสารอินทรีย์จำพวกไขมัน สี รวมถึงสารจำพวกโลหะหนักได้ดีจึงนิยมนำมาประยุกต์ใช้สำหรับเป็นสารกรองหรือตัวดูดซับสารมลพิษในระบบบำบัดน้ำเสีย
การผลิตไคติน และไคโตซาน
ไคตินในธรรมชาติ แบ่งเป็น 2 ชนิด คือ อัลฟาไคติน และเบต้าไคติน โดยเปลือกปู และเปลือกกุ้งเป็นชนิดอัลฟาไคติน ส่วนไคตินจากแกนปลาหมึกเป็นชนิดเบต้าไคติน ไคตินสามารถพบได้ทั้งในพืช และสัตว์ โดยการผลิตไคโตซานจะใช้ไคตินเป็นสารตั้งต้น ซึ่งการผลิตไคตินมักนิยมใช้เปลือกกุ้ง ปู และหอย ในการผลิต เพราะมีราคาถูก และหาซื้อง่ายในอุตสาหกรรมอาหาร อีกทั้งเป็นแหล่งที่สามารถให้ไคตินสูง โดยเปลือกกุ้งจะประกอบด้วยไคตินประมาณร้อยละ 14-30 ของน้ำหนักแห้ง ปูมีประมาณร้อยละ 13-15 ของน้ำหนักแห้ง
กระบวนการผลิตไคติน ประกอบด้วย
1. การกำจัดโปรตีน (Deproteinization) เป็นขั้นตอนกำจัดโปรตีนออกจากเปลือกกุ้ง ปู ด้วยการทำปฏิกิริยากับด่างโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) ความเข้มข้น 3-5% อุณหภูมิในช่วง 80-90 องศาเซลเซียส 2-3 ชั่วโมง ซึ่งสารโปรตีนจะถูกำจัดออกพร้อมกับไขมัน และสีบางส่วน หลังการกำจัดจะเข้าสู่การล้างน้ำให้สะอาดก่อนส่งเข้าสู่ขั้นตอนต่อไป
2. การกำจัดเกลือแร่ (Demineralization) เป็นขั้นตอนการกำจัดอนินทรีย์สารจำพวกแร่ธาตุต่างๆ ที่อยู่ในเปลือกกุ้ง ปู ด้วยการทำปฏิกิริยากับกรดเกลือ (HCl) ความเข้มข้น 3-5% ที่อุณหภูมิห้อง นาน 24 ชั่วโมง แร่ธาตุจะถูกกำจัดออกในรูปของอนินทรีย์สารที่ละลายน้ำได้ เช่น แคลเซียมคลอไรด์ (CaCl2) และกลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ระเหยออกไป รวมไปถึงโปรตีน และสีบางส่วนที่ลงเหลือจากขั้นตอนการกำจัดโปรตีน หลังการกำจัดจะเข้าสู่การล้างน้ำให้สะอาดก่อนส่งเข้าสู่ขั้นตอนต่อไป
3. การกำจัดสี (Decoloration) เป็นขั้นตอนการกำจัดรงควัตถุหรือสีออกให้หมด ขั้นตอนนี้อาจทำก่อนกระบวนการผลิตไคโตซานเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ไคติน และนำไคตินมาผลิตไคโตซานหรือทำหลังขั้นตอนการผลิตไคโตซานเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ไคโตซาน
การฟอกสีจะจะใช้สารไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2) หรือโซเดียมเปอร์คลอเรต (NaOCl4) เหมือนๆกับกระบวนการฟอกสีในสิ่งทอ แต่สารเหล่านี้มีผลทำให้สายโซ่โมเลกุลของไคโตซานแตกสั้นลง จึงนิยมทำในขั้นตอนต้นของกระบวนการผลิต หลังการกำจัดจะเข้าสู่การล้างน้ำให้สะอาดก่อนส่งเข้าสู่ขั้นตอนต่อไป
กระบวนการผลิตไคโตซาน
การผลิตไคโตซานจะมีขั้นตอนเหมือนกับการผลิตไคติน จนได้สารไคตินบริสุทธิ์ หลังจากนั้นจะใช้สารไคตินเป็นสารตั้งต้นในการผลิตไคโตซาน การกำจัดหมู่อะซิติลของไคติน (Demineralization)
การกำจัดหมู่อะซิติลสามารถด้วยปฏิกิริยไฮโดรไลซิสด้วยกรด แต่วิธีนี้ไม่เป็นที่นิยม เนื่องจากประสิทธิภาพการกำจัดยังด้อยกว่าการกำจัดด้วยด่าง ซึ่งนิยมใช้โซเดียมไฮดรอกไซด์ในการทำปฏิกิริยา หลังจากนั้นจะล้างด้วยน้ำให้สะอาด และอบให้แห้งเป็นผลิตภัณฑ์ที่สมบูรณ์ กระบวนการผลิตที่มีประสิทธิภาพจะดูที่ความมากน้อยของหมู่อะซิติลที่เหลืออยู่