การปรับปรุงกระบวนการในการสกัดไคโตซานจากกากเซลล์ในอุตสาหกรรม
A Development of Chitosan Extraction from Industrial Waste Biomass


รศ.ดร.วิโรจน์ บุญอำนวยวิทยา
Virote Boonamnuayvitaya. (Assoc. Prof.)
ภาควิชาวิศวกรรมเคมี
โทร. 470-9221 ต่อ 222 โทรสาร. 428-3534

ความสำคัญและที่มาของการวิจัย

ไคโตซานเป็นสารพอลิเมอร์ธรรมชาติที่เกิดจากการกำจัดหมู่อะมิโนอิสระ (deacetylation) ออกจากโครงสร้างของไคตินแล้วได้อนุพันธุ์ที่สามารถมีประจุบวกบนหมู่อะมิโนอิสระและสามารถละลายได้ในสารละลายหลายชนิดที่มี pH น้อยกว่า 5.5 สารละลายไคโตซานมีคุณสมบัติเชิงหน้าที่หลายประการ เช่น ก่อให้เกิดความคงตัวให้ความข้นหนืด และการเกิดแผ่นฟิล์ม นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นสารช่วยตกตะกอนในน้ำเสีย การทำให้น้ำผลไม้ใส การกำจัดโลหะหนัก การตรึงเอนไซม์และการกักเซลล์ แม้กระทั่งในอุตสาหกรรมการผลิตยาปฏิชีวนะด้วย
ไคตินหรือ Poly (N-acetylcosamine) มีปริมาณมากเป็นที่สองรองจากเซลลูโลส ซึ่งสามารถแยกสกัดออกมาจากเปลือกของพวกสัตว์ที่มีปล้อง เช่น กุ้ง, ปู, เปลือกของตัวไหม, แกนปลาหมึก เป็นต้น ในเปลือกเหล่านี้จะมีปริมาณของไคตินต่ำตั้งแต่ 0.01% จนสูงถึง 40% ของน้ำหนักแห้งของมัน นอกจากนี้ไคตินยังเป็นองค์ประกอบในแมลง, รา และยีสต์อีกด้วยโครงสร้างทางเคมีของไคตินมีความคล้ายคลึงกับเซลลูโลสผิดกันแต่เพียงว่าหน่วยย่อยของเซลลูโลสเป็น D-glucose ส่วนหน่วยย่อยของไคตินเป็นอนุพันธ์ของกลูโคส คือ N-acetly-glucosamine
ไคโตซานได้จากปฏิกิริยา deacetylaition ของไคติน ซึ่งก็คือพอลิเมอร์ (1-4)-2 amino-2 deoxy-Beta-D-glucan นั่นเอง หรือเรียกง่าย ๆ ว่า พอลิเมอร์ของ glucosamine การเกิดไคโตซานนั้นขึ้นอยู่กับปริมาณของการเกิด deacetylation ซึ่งวัดจากค่า degree of deacetylation คิดเป็นร้อยละ หรือ percent of deacetylation หรือกล่าวได้ว่า การลดหมู่ acetyl ลงจากไคตินผลที่ได้คือ การเพิ่มหมู่ amine ซึ่งเป็นการเพิ่มคุณสมบัติการเป็น polycationic activity บนพอลิเมอร์ทำให้เกิดสภาพของการเป็นไคโตซานเพิ่มขึ้น ฉะนั้นโครงสร้างของไคโตซานต่างจากไคตินตรงหน่วยย่อยที่เป็น glucoamine ในสายพอลิเมอร์เพิ่มมาเกินกว่า 50% ขึ้นไปนั่นเอง
โดยทั่วไป ไคตินเป็นสารที่ไม่ละลายในตัวทำละลายทั่วๆ ไป ส่วนไคโตซานนั้นสามารถละลายได้ในกรดอินทรีย์หลายชนิด เมื่อค่า degree เกิน 50% ขึ้นไปสามารถใช้พอลิเมอร์นั้น ทำให้เกิดอนุพันธุ์ที่ละลายน้ำได้   การทำปฏิกิริยา deacetylation ของไคติน เพื่อให้ได้ไคโรซานที่สมบูรณ์นั้น ทำได้โดยต้มในด่างเข้มข้นภายใต้บรรยากาศของไฮโดรเจนหรือไนโตเจน เพื่อป้องกันการสลายตัวของพอลิเมอร์ ไคโตซานเมื่อละลายในกรดอินทรีย์ย่อมเกิดเป็นสารของ polyamine ที่อยู่ในรูปของ protonated form ซึ่งมีความเข้มของประจุบวกสูงและมีคุณสมบัติที่พร้อมจะทำปฏิกิริยากับชีวโมเลกุลที่มีประจุลบได้เป็นอย่างดี ยิ่งไปกว่านั้นในรูป neutralized form ของมันยังสามารถเกิดสารเชิงซ้อนได้อย่างดีกับโลหะหลายชนิด ดังนั้น การประยุกต์ใช้ผลิตภัณฑ์ไคตินและไคโตซานจึงมุ่งไปอุตสาหกรรมด้านการปรับปรุงคุณภาพน้ำเป็นส่วนใหญ่ อีกทั้งประกอบกับมันเป็นสารที่ธรรมชาติที่ปลอดภัยและย่อยสลายได้ ทำให้สามารถใช้ในการตกตะกอนของพวกโปรตีนที่มีประจุต่าง ๆ ได้ในกระบวนการผลิตอาหารและเครื่องดื่ม ขณะนี้ได้ผ่านการขึ้นทะเบียนเป็น Food Processing Aids แล้วโดยคณะกรรมการอาหาร (Codex Committee on Food Additive and Contaminants) ที่กรุง Hague ประเทศเนเธอร์แลนด์ เมื่อปี 1990 นอกจากนี้ยังได้การยอมรับให้ใช้ผสมอาหารและยาได้ในประเทศญี่ปุ่นนานมาแล้ว
กระบวนการผลิตไคโตซาน แบ่งเป็น 2 ขั้นตอนที่สำคัญ
ขั้นแรกนำกากเหลือทิ้ง(เปลือกกุ้งหรือหอย) มาบดให้ละเอียด แล้วผสมกับสารละลายด่างโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) เพื่อละลายเอาโปรตีนที่แยกออกมาโดยนำไปใช้ประโยชน์อีกได้ซึ่งจะทำได้โดยการลดความเป็นกรด-ด่างให้เหลือ 4.0 ก็จะได้ตะกอนที่แยกนั้นนำไปอบแห้ง
ขั้นที่สองนำกากที่เหลือจากขั้นที่หนึ่งมาล้างด้วยน้ำกรดเกลือ (HCI) ที่เจือจาง (ประมาณ 10%) จะได้สารที่ชื่อว่า ไคติน นำไคตินที่ได้มาดึงเอากลุ่มอะเซ็ทธิลออกโดยใช้สารละลายที่ร้อน (NaCI 40-50%)จากนั้นนำไปล้างแล้วทำแห้ง บดให้ละเอียดก็จะได้ไคโตซาน

เปลือกกุ้ง,ปูหรือกากจุลินทรีย์ ---> บด ---> แยกโปรตีนออก(NaOH) ---> ล้าง(HCI) ---> ไคติน --->
แยก Acetyl ออก(NaOH) ---> ล้างและทำให้แห้ง ---> บด ---> ไคโตซาน

แผนผังแสดงการผลิตไคตินและไคโตซาน(Knorr,1984)


การใช้ประโยชน์จากไคตินและไคโตซาน
  1. ใช้เป็นปุ๋ยผสมอาหารสัตว์
  2. ใช้เป็นตัวพยุงเพื่อช่วยตรึง Enzyme และ Cell ในการผลิตสารชีวภาพต่าง ๆ
  3. ใช้เป็นตัวช่วยตกตะกอน หรือแยกสานในระบบที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบ
  4. ใช้ในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่มต่าง ๆ
  5. ใช้เป็นส่วนผสมในผลิตภัณฑ์ เครื่องสำอางและเภสัชกรรม
  6. ใช้เป็นตัวยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อจุลินทรีย์
  7. ใช้เป็น Antibacterial agent หยุดการเจริญเติบโตของ E. coli โดยไคโตซาน 0.02% ในอาหารพืชผัก ทำให้เก็บรักษาได้นานขึ้น
  8. ใช้เป็นส่วนผสมของผลิตภัณฑ์ยับยั้งและกำจัดเชื้อรา
  9. ใช้เป็นสารหุ้มเซลล์ (Encapsulation)
  10. ช่วยให้วัสดุที่ทำภาชนะบรรจุมีคุณภาพดีขึ้น
  11. ช่วยลดค่าใช้จ่ายในการบรรจุได้อย่างมากเมื่อเทียบกับวิธีบรรจุที่ใช้อยู่
  12. การใช้งาน Clarificartion และ Management
  13. การใช้งานด้าน Biotechnology Uses ด้วยเหตุที่ chitosan มีคุณสมบัติด้าน biocompatible และ non-toxin จึงใช้ในการตรึง enzyme สามารถใช้ได้ดีในการแยก และทำการแยกทางชีวภาพได้
ไคโตซาน เป็นพอลิเมอร์ที่มีมวลโมเลกุลสูง และเป็นพอลิเมอร์สายตรงที่เป็นของแข็งที่ไม่มีรูปร่างแน่นอน (amorphous solid) มีหมู่ อะมิโน ที่พร้อมจะละลายในกรดแร่เข้มข้น เช่น HCI เป็นต้น การละลายของไคโตซานมีคุณสมบัติหลายอย่าง เช่น ในรูป Free amine จะไม่ละลายน้ำที่ pH เป็นกลาง แต่ที่ pH เป็นของ free amine group (-NH2) จะถูก protonated ได้เป็น cationic amine group (-NH3)
ดังที่กล่าวมาแล้วด้วยการผลิต วัตถุดิบต่างๆจะมีตามฤดูกาลและขึ้นอยู่กับดินฟ้าอากาศ(การจับกุ้ง,หอย) แม้ว่าวัตถุดิบเหล่านี้จะมีมากในธรรมชาติแต่ในอนาคตสามารถขาดแคลนได้เนื่องมาจากการแข่งขันในเชิงอุตสาหกรรมและความไม่สม่ำเสมอของปริมาณการจับกุ้ง,ปู ดังนั้นการพบไคตินในจุลินทรีย์เป็นการเปิดโอกาสให้มีการพัฒนาแหล่งของการผลิตด้วยเทคโนโลยีชีวภาพเพื่อเป็นแนวทางการป้องกันการขาดแคลนแหล่งไคตินในอนาคต นอกจากนี้ในปัจจุบันมีอุตสาหกรรมหลายชนิดได้มีการใช้จุลินทรีย์เพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ เช่นการผลิตยาปฏิชีวนะ การผลิตเอนไซม์ การผลิตแอลกอฮอล์ เป็นต้น ซึ่งหลังการผลิตจะมีกากเซลล์จุลินทรีย์เหลืออยู่ โรงงานส่วนใหญ่ในเมืองไทยจะนำไปทิ้งหรือปล่อยลงในระบบบำบัดน้ำเสียหรือนำไปทำเป็นอาหารสัตว์ซึ่งมีราคาถูก ซึ่งการนำไปทิ้งในแหล่งต่าง ๆจะก่อให้เกิดปัญหาสิ่งแวดล้อมเกิดขึ้นได้ฉะนั้นการนำจุลินทรีย์เหล่านี้มาทำการสกัดเป็นไคโตซานจึงเป็นแนวทางที่สามารถลดปัญหาสิ่งแวดล้อมได้ และการผลิตจากจุลินทรีย์ที่มีขนาดเล็กจะได้ไคโตซานสายสั้นหรือสามารถทำให้สายสั้นได้ง่าย ซึ่งการผลิตทำได้ยากและมีความต้องการสูง ไคโตซานสายสั้นมีคุณสมบัติในการละลายน้ำได้เป็นที่ต้องการในอุตสาหกรรมยาปฏิชีวนะ

วัตถุประสงค์ของโครงการ

  1. ศึกษาและปรับปรุงวิธีการสกัด Chitin จากเชื้อจุลินทรีย์ เช่น เชื้อรา เชื้อแบคทีเรีย เพื่อหาเชื้อจุลินทรีย์ที่เหมาะสมรวมถึงวิธีการสกัด Chitosan ให้ได้ปริมาณ Chitosan ที่สูง
  2. ศึกษาการเตรียมวัตถุดิบและการปรับสภาวะที่เหมาะสมในการเลี้ยงเชื้อจุลินทรีย์เพื่อนำไปสกัด Chitosan
  3. เปรียบเทียบคุณสมบัติทางกายภาพของ Chitosan ที่ได้จากจุลินทรีย์กับที่ได้จากเปลือกกุ้ง เปลือกหอยเพื่อเปรียบเทียบข้อแตกต่างทางกายภาพของไคโตแซนที่ผลิตได้จากทั้งสองชนิด
  4. ศึกษาคุณสมบัติของ Chitosan และปรับปรุง Chitosan ให้สามารถประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม การแพทย์ เพื่อปรับปรุงคุณภาพของไคโตซานให้มีสายสั้นและมีความบริสุทธิ์สูง สามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรม การแพทย์ได้

ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับจากการวิจัย

  1. เป็นแหล่งข้อมูลในการนำไปช่วยพัฒนาขั้นตอนและวิธีการผลิตด้วยเทคโนโลยีทางชีวภาพ ในการผลิตไคโตซานของประเทศไทยให้ก้าวหน้าทัดเทียมต่างชาติ
  2. ลดปัญหาสิ่งแวดล้อมที่มาจากกากจุลินทรีย์ตามโรงงาน โดยการนำกากจุลินทรีย์เหล่านั้นกลับมาใช้ใหม่ให้ได้ประโยชน์สูงสุด
  3. สามารถผลิตไคโตซานสายสั้นได้ซึ่งถ้าสามารถผลิตได้ในระดับอุตสาหกรรมด้วยแล้วจะทำให้ประเทศไทยยังมีอุตสาหกรรมใหม่ที่น่าลงทุนเป็นเทคโนโลยีของไทย และสามารถเพิ่มรายได้ให้ประเทศได้
  4. ผลพลอยได้คือเราสามารถลดการขาดดุลการค้าโดยไม่ต้องสั่งซื้อไคโตซานจากต่างประเทศ
  5. เป็นการส่งเสริมแนวความคิดในการใช้เครื่องอุปโภคและบริโภคที่ได้จากสารสกัดจากธรรมชาติเพื่อลดปัญหาทางด้านสุขภาพที่เกิดจากการใช้สารสังเคราะห์ทางเคมี
return engineer and ind. topic

Revised: 22 September 1999
© 1999 by Research and Intellectual Property Promotion Center.