POLYME thiên nhiên và ứng dụng của nó

I. Giới thiệu và phân loại polyme thiên nhiên

Polyme thiên nhiên được hình thành trong chu kỳ sinh trưởng của cơ thể sống. Quá trình tổng hợp các polyme thường bao gồm các phản ứng xúc tác bởi enzym và các phản ứng phát triển mạch của các monome được hoạt hóa, hình thành bên trong tế bào bằng các quá trình trao đổi chất phức tạp. Các polyme này có nguồn gốc đa dạng, từ thực vật, động vật và vi khuẩn. Một số ví dụ về polyme thiên nhiên là protein và axit nucleic có trong cơ thể người, xenlulo là thành phần cấu trúc chính của thực vật, tơ tằm và len. Tinh bột là một loại polyme thiên nhiên được tạo thành từ hàng trăm phân tử glucozơ. Cao su thiên nhiên là một loại polyme thu được từ mủ của cây cao su,…

Để phân loại các polyme thiên nhiên, có thể dựa trên nguồn gốc của chúng. Các polyme thiên nhiên có nguồn gốc từ thực vật (như lúa, ngô, khoai tây, mía, sắn, đỗ, lạc,…) hoặc được tổng hợp bởi vi khuẩn từ các phân tử nhỏ như axit butyric hoặc axit valeric tạo ra polyhydroxybutyrat và polyhydroxybutyrat-co-valerat hoặc có nguồn gốc từ động vật như collagen, chitin, chitosan hoặc protein.

Bảng 1. Một số loại polysaccharide từ các nguồn khác nhau

Hầu hết các polyme thiên nhiên được tạo thành do các đơn vị/mắt xích hay monome (có khối lượng phân tử nhỏ) kết hợp với nhau và sinh ra các sản phẩm phụ là các hợp chất thấp phân tử (thường là nước). Dựa trên các monome ban đầu và cấu trúc của các polyme thiên nhiên, có thể phân chúng vào 6 nhóm chính: polysaccharide, polypeptide, polynucleotide, polyisoprene, polyester và lignin. Polynucleotide như axit deoxyribonucleic (DNA) và axit ribonucleic (RNA) là các polyme mạch dài gồm 13 monome nucleotide hoặc nhiều hơn. Polypeptide và protein là các polyme của amino acid như collagen, actin, fibrin, zein, gluten lúa mì, tơ sericin, tơ fibroin, gelatin,… Polysaccaride là các polyme carbohydrate mạch thẳng hoặc mạnh nhánh gồm tinh bột, xenlulo, hemixenlulo, alginate, chitin và chitosan, pectin, glycogen, hyaluronic acid và chondroitin sulfate,… Bảng 1 liệt kê một số polysaccharide từ các nguồn khác nhau. Lignin là hầu hết các polyme vòng thơm như các polyphenol hoặc lignin nguồn gốc từ gỗ. Các polyeste thiên nhiên chủ yếu gồm cutin, suberin và polyhydroxyalkanoate. Polyisopren là cao su thiên nhiên, nó gồm 2 dạng cis (Z-polyisopren) và trans (E-polyisopren).

II. Một số polyme thiên nhiên tiêu biểu

Theo các nhà khoa học, protein và polypeptit là các polyme thiên nhiên cơ bản trong hầu hết các cơ thể sống. Protein là polyamide với một nhóm amit trong chuỗi xương sống của cơ thể (ước tính có 100.000 loại protein khác nhau, có nguồn gốc từ 20 axit amin). Một số protein đóng vai trò của enzyme – chất xúc tác sinh học cho các phản ứng hóa học xảy ra trong cơ thể. Protein trong máu được gọi là hemoglobin mang oxy từ phổi đến các tế bào của cơ thể người.

Collagen là một trong những polyme thiên nhiên và là một loại protein. Nó tạo nên mô liên kết có trong da của con người. Collagen-polyme này cũng là một chất xơ tạo ra một lớp đàn hồi bên dưới da và do đó giúp giữ cho da mềm mại và mịn màng. Gelatin được tạo thành từ collagen loại I bao gồm cysteine và được sản xuất bằng cách thủy phân một phần collagen từ xương, mô và da của động vật.

Trong các polysaccharide, xenlulo là một trong những hợp chất hữu cơ phong phú nhất trên Trái đất, có trong các bộ phận như rễ, thân, cánh, lá,… của gỗ cây và các loại, dạng tinh khiết nhất của xenlulo thiên nhiên là bông. Nó được tạo thành từ các phân tử glucoza. Tinh bột bao gồm 2 loại polyme tạo thành từ amylopectin và amyloza. Nó có trong hầu hết các loại thực vật, chiếm khoảng 3/4 tổng lượng tinh bột trong bột mì. Glycogen là chất dự trữ năng lượng ở động vật, cũng giống như tinh bột ở thực vật.

Chitin, một polysaccharide tương tự như xenlulo, là polysaccharide phong phú thứ hai trên Trái đất (sau xenlulo). Nó có trong thành tế bào của nấm và là chất cơ bản trong bộ xương ngoài của động vật giáp xác, côn trùng và nhện. Cấu trúc của nó giống với cấu trúc của xenlulo, ngoại trừ sự thay thế nhóm OH trên carbon C-2 của mỗi đơn vị glucozơ bằng một nhóm –NHCOCH3.

Axit nucleic là các polyme trùng ngưng, thường có 2 loại: axit deoxyribonucleic (DNA), kho chứa thông tin di truyền và axit ribonucleic (RNA), chuyển thông tin di truyền từ DNA của tế bào đến tế bào chất, nơi tổng hợp protein diễn ra. Các đơn phân được sử dụng để tạo ra DNA và RNA được gọi là nucleotide.

Latex cao su là dạng mủ của cây cao su thiên nhiên ở một số cây có mủ khác.

III. Công dụng của polyme thiên nhiên

Trong những thập kỷ gần đây, các polyme thiên nhiên ngày càng được sử dụng rộng rãi trong y học, dược phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm, nông nghiệp, dệt may, giầy da, giấy,… bởi đây là nguồn nguyên liệu tái tạo, rẻ tiền, dễ kiếm và nhiều tính chất ưu việt như không độc hại, có khả năng phân hủy và hòa hợp sinh học, dễ loại bỏ bởi các phản ứng thủy phân hoặc sinh tổng hợp trong quá trình sử dụng, thân thiện với môi trường và con người, có khả năng biến đổi để tạo nên các sản phẩm có tính ứng dụng cao hơn. Dưới đây trình bày một số công dụng chủ yếu của các polyme thiên nhiên.

1. Ứng dụng trong lĩnh vực y dược

Các polyme thiên nhiên như collagen vi sợi, collagen bọt biển, màng collagen, xenlulo tái sinh oxy hóa (ORC), gelatin,… là tác nhân cầm máu cho vết thương bên trong và bên ngoài cơ thể người. Một số polyme thiên nhiên được sử dụng như tá dược với vai trò khác nhau như chất kết dính (dẫn xuất xenlulo, gelatin, pectin, natri alginate, amylum, carrageenan,…), chất tan rã (tinh bột sắn khô, gelatin, natri alginate, xenlulo vi tinh thể, glycolate tinh bột natri, gom guar, amylum…), chất độn (amylum, xenlulo vi tinh thể, chitosan,…), chất phủ (collagen, gelatin, xanthan gum,…). Các polyme thiên nhiên được sử như collagen, fucoidan, chitosan, carrageenan,… được sử dụng làm chất hỗ trợ điều trị một số bệnh ung thư, kháng viêm… Trong đó, chitosan được sử dụng điều trị bệnh béo phì, cholesterol cao, huyết áp cao và bệnh Crohn. Alginate được sử dụng để điều trị giảm cholesterol và huyết áp,… Carrageenan được dùng để hỗ trợ chữa ho, bệnh viêm phế quản, lao, đường ruột, dạ dày,… Xanthan gum được ứng dụng để giảm lượng đường trong máu và cholesterol toàn phần ở những người bị bệnh tiểu đường, làm thuốc nhuận tràng,… Pectin được sử dụng làm thuốc điều trị cholesterol cao, hỗ chữa ung thư ruột kết, ung thư tuyến tiền liệt, bệnh tiểu đường và trào ngược dạ dày thực quản.

2. Ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm

Hiện nay, trong sản xuất thực phẩm, rất nhiều polyme thiên nhiên được sử dụng như các phụ gia, chất tạo ngọt, tạo đặc, vỏ bao. Collagen được sử dụng làm chất gắn kết và làm bền hệ nhũ tương của xúc xích và giăm bông. Trong sản xuất phomat và bơ sữa, người ta thêm collagen vào để ngăn chặn sự mất nước, tạo độ mịn, độ sánh cho sản phẩm. Trong sản phẩm kẹo mứt, collagen làm tăng sự dẻo dai, ngăn ngừa hạn chế sự kết tinh của đường, làm chất tạo gel, chất kết dính, tạo xốp và làm chậm quá trình tan trong miệng. Trong sản xuất đồ uống như rượu bia và nước hoa quả, collagen làm cho sản phẩm có màu trong suốt óng ánh, làm phụ gia loại bỏ các thành phần polyphenol và tanin có trong rượu. Carrageenan được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất thực phẩm như chất điều chỉnh độ chắc, tính chất cảm quan. Nó được sử dụng trong đồ uống hòa tan, nước quả cô đặc,…

Polyme được ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Ngoài ra, carrageenan còn có khả năng tạo gel, làm dày, ổn định, tăng khả năng giữ nước trong quá trình chế biến nước gel ngọt, sữa đậu nành, pho mát, nước chấm,… Pectin thuộc nhóm các chất làm đông tụ, là phụ gia thực phẩm an toàn. Alginate được sử dụng làm phụ gia cho các loại thực phẩm như mứt, thạch,… Các màng kháng khuẩn trên cơ sở kết hợp alginate với nhân sâm trắng có khả năng bảo quản tốt các loại thực phẩm. Màng kháng khuẩn alginate kết hợp với vi khuẩn acid lactic và dầu tỏi cho phép kiểm soát sự phát triển của các tác nhân gây bệnh trong thực phẩm, thức ăn,… Chitosan được sử dụng để khử acid của các loại trái cây và đồ uống, ổn định màu, giảm hấp phụ lipid, tạo hương vị tự nhiên, làm chất bảo quản thực phẩm và chất chống oxy hóa, nhũ hóa, phụ gia chăn nuôi và thức ăn cho cá,… Một số polyme thiên nhiên khác được sử dụng như các phụ gia cho thực phẩm là xenlulo, dextrin (ngô), guar gum, tinh bột thủy phân,…

3. Ứng dụng trong lĩnh vực mỹ phẩm

Trong lĩnh vực mỹ phẩm, collagen được dùng làm nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm như: mặt nạ collagen, kem dưỡng da, sữa tắm, dầu gội và các sản phẩm dưỡng tóc,… Collagen là một trong các polyme thiên nhiên được phép tiêm vào vết sẹo, nếp nhăn trên da (một dạng thuốc tiêm làm căng da). Collagen ở dạng thuốc tiêm cũng được tiêm vào lớp hạ bì để điều chỉnh các nếp nhăn và nếp gấp nhằm khôi phục lại vẻ ngoài căng min, mềm mại và trẻ trung cho làn da. Dạng thuốc tiêm collagen làm căng da không có tác dụng vĩnh viễn, chỉ có tác dụng trong thời gian khoảng 1 đến 2 năm do theo thời gian, collagen sẽ bị cơ thể hấp thụ. Chitosan được sử dụng trong công thức sản xuất kem như tác nhân nhũ hóa, tác nhân làm mềm da, giữ ẩm cho da,… Nó cũng được ứng dụng trong các sản phẩm định hình tóc, nước kẻ mắt, son môi, kem đánh răng,… Carrageenan được sử dụng trong các loại kem như kem dưỡng da, kem đánh răng, dầu gội đầu, các loại nước hoa,…

4. Ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp

Chitosan được sử dụng để bảo quản trái cây và rau quả sau thu hoạch, tăng cường vi sinh vật có lợi tương tác cộng sinh thực vật, phân bón và thuốc diệt nấm cho hạt giống và trái cây. Các hydrogel polysaccharide có khả năng chống rửa trôi đất và tăng độ xốp của đất, cải thiện khả năng sống của cây và tăng năng suất cây trồng, được sử dụng làm chất mang phân bón giải phóng chậm và có kiểm soát, các chế phẩm sinh học bảo vệ thực vật chống lại côn trùng, nấm, vi khuẩn,…

5. Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất vải, sợi thiên nhiên

Vải sợi thiên nhiên là loại vải được dệt từ các sợi thiên nhiên do con người trồng và khai thác các loại cây có sợi như cây bông vải, cây lanh, cây gai, cây đay,… Ngoài ra, còn có các loại vải sợi tự nhiên có nguồn gốc từ động vật như sợi tơ tằm thu được từ việc nuôi tằm lấy tơ hay như sợi len thu được từ lông các loài thú như cừu, dê, lạc đà, thỏ mà chủ yếu là từ cừu. Vải sợi thiên nhiên được dùng phổ biến trên thế giới cũng như ở nước ta là vải dệt từ sợi bông, vải len, dạ và lụa tơ tằm. Các thương hiệu thời trang và các hãng dệt may sử dụng ngày càng nhiều các loại sợi tự nhiên chất lượng cao trong sản xuất các sản phẩm may mặc như vải cotton, tơ tằm, modal,… Carrageenan được dùng để sản xuất tơ nhân tạo. Rong biển được sử dụng làm chất phụ gia cho sợi tự nhiên để chế tạo một số loại vải mặc thân thiện môi trường.

Polyme ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất vải, sợi thiên nhiên

6. Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất giấy

Bột giấy là vật liệu dạng xơ sợi, được chế biến từ các loại nguyên liệu thực vật để sản xuất các loại giấy với thành phần chủ yếu là xenlulo. Bột giấy có thể được sản xuất từ gỗ, sợi bông, rơm, rạ, bã mía,… Trong công nghiệp sản xuất giấy, tinh bột gồm bột mì, bột bắp, bột gạo… được sử dụng để tăng độ bền khô, độ nở, độ dai, độ cứng của tờ giấy, tăng độ bền cho bề mặt của tờ giấy, độ hồ, độ láng, giúp in ấn sắc nét hơn. Tinh bột biến tính có tác dụng cải thiện chất lượng giấy (lượng bột giấy được giữ lại 90-95%, tăng hiệu suất sử dụng bột, chất độn và phụ gia). Carrageenan cũng được dùng để sản xuất giấy viết. Alginate hồ lên giấy làm cho giấy bóng, dai, không gãy, mức độ khô nhanh, viết trơn, làm chất kết dính trong sản xuất giấy hoa dán tường.

7. Ứng dụng trong các lĩnh vực khác

Chitosan được sử dụng trong xử lý nước thải, thu hồi các ion kim loại và thuốc trừ sâu, loại bỏ phenol, protein, chất phóng xạ và thuốc nhuộm, thu hồi vật liệu rắn trong chế biến thực phẩm, chất thải, nước thải của các nhà máy nhuộm, dệt, giấy,… Nó cũng được ứng dụng để sản xuất bọt chữa cháy, xi đánh giày,… Alginate được dùng làm chất kết từ và chất kết dính trong sản xuất gỗ tổng hợp. Cao su thiên nhiên có nhiều ưu điểm như khả năng đàn hồi vượt trội, an toàn và thân thiện với môi trường, có khả năng kháng khuẩn, do đó, nó được sử dụng nhiều trong sản xuất nệm, găng tay y tế, dụng cụ mổ, nút cao su, giày, dép,… Nó cũng được ứng dụng để chế tạo lốp ô tô, xe máy, các vật liệu xây dựng và giao thông như tấm lót sàn, đệm giảm chấn, đệm chèn giữa các khe hở công trình,…

Các tài liệu tham khảo chủ yếu

1. Olatunji, O. (2015). Classification of Natural Polymers. Natural Polymers, 1–17, doi:10.1007/978-3-319-26414-1_1.

2. Prnati Srivastava, Syed Abul Kalam, Natural Polymers as Potential Antiaging constituents, Published May 2nd 2019, DOI: 10.5772/interchopen.80808.

3. Ter Horst, B., Moiemen, N. S., & Grover, L. M. (2019). Natural polymers. Biomaterials for Skin Repair and Regeneration, 151–192. doi:10.1016/b978-0-08-102546-8.00006-6.

4. Soottawat Benjakul, Sitthipong Nalinanon, and Fereidoon Shahidi, (2012), Fish Collagen, Food Biochemistry and Food Processing, Chapter 20, John Wiley & Sons, Inc.

5. Trần Đình Toại, Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải, Nguyễn Bích Thủy, Trần Thị Hồng (2006), Carrageenan từ rong biển sản xuất và ứng dụng – Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội.

6. Concha-Meyer A., Schoebitz R., Brito C., Fuentes R., (2011), Lactic acid bacteria in an alginate film inhibit Listeria monocytogenes growth on smoked salmon. Food Control 22, 485-489.

7. Pranoto Y., Salokhe V. M., Rakshit S. K. (2005), Physical and antibacterial properties of alginate-based film incorporated with garlic oil. Food Res. Int. 38, 267-272.

8. Sabra W., Deckwer W. D. (2005), Alginate – A polysaccharide of industrial interest and diverse biological functions. In Polysacharides. Structural diversity and functional versatility, 2d edition (ed. Dumitriu, S.) 515-533.

9. Shigehiro Hirano (1996), Chitin biotechnology applications, Biotechnology Annual Review 2, 237-258.

10. Vida Zargar, Morteza Asghari, Amir Dashti (2015), A Review on Chitin and Chitosan Polymers: Structure, Chemistry, Solubility, Derivatives, and Applications. Chem. Bio. Eng. Rev. 2, 1-24.

11. Abraham J. Domb, Neeraj Kumar (2011), Biodegradable Polymers in Clinical Use and Clinical Development, John Wiley & Sons.

12. Joyce M., Gilbert S.A. (1996), Effect of Ca2+ on the water retention of alginate in paper coatings. Journal of Pulp and Paper Science, 22, 126-130.