Page 3 of 8
ลักษณะเฉพาะของไคโตแซน (Characteristics of chitosan)
1. ระดับการกำจัดหมู่แอซิติล (Degree of deacetylation, DD) ไคโตแซนเกิดจากปฏิกิริยาการกำจัดหมู่แอซิติลของไคติน (พอลิเมอร์สายยาวที่มีองค์ประกอบเป็น เอน-แอซิติลกลูโคซามีน) สภาพของการเป็นไคโตแซนจึงขึ้นอยู่กับปริมาณการการเกิดปฏิกิริยากำจัดหมู่แอซิติล ซึ่งวัดได้จากค่าระดับการกำจัดหมู่แอซิติล การลดลงของหมู่แอซิติลในไคตินเป็นการเพิ่มขึ้นของหมู่อะมิโนของกลูโคซามีนซึ่งเป็นการเพิ่มประจุบวกบนสายพอลิเมอร์ทำให้เกิดสภาพของการเป็นไคโตแซนเพิ่มขึ้น การจัดระดับของการกำจัดหมู่แอซิติลของไคโตแซนมีค่าเป็นร้อยละหรือที่เรียกว่า Percent Deacetylation (% DD) ค่าระดับการกำจัดหมู่แอซิติลของไคโตแซนมีผลต่อคุณสมบัติต่างๆ ของไคโตแ
2. คุณสมบัติในการยับยั้งเชื้อจุลินทรีย์ (Antimicrobial properties) (Harish Prashanth and Tharanathan, 2007) ไคโตแซนและอนุพันธ์ของไคโตแซนมีคุณสมบัติในการยับยั้งการเจริญของจุลินทรีย์หลายชนิด เช่น แบคทีเรีย ยีสต์และรา ไคโตแซนจึงได้รับความสนใจอย่างมากในการนำมาใช้ประโยชน์เพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพและยืดระยะเวลาในการเก็บรักษาอาหารหลายชนิด เช่น อาหารทะเล เนื้อสัตว์ ผักและผลไม้ นม ขนมปัง และน้ำผลไม้ (No, HK., et al., 2007)
จากการศึกษาฤทธิ์ของไคโตแซน (94% DD, 43 kDa) ในการยับยั้งเชื้อจุลินทรีย์ชนิดต่างๆ ที่พบในอาหารที่ความเข้มข้น 40-750 mg/l (Devlieghere, F., Vermeulen, A., and Debevere, J., 2004) พบว่า แบคทีเรียแกรมลบมีความไวสูงต่อไคโตแซน ในขณะที่ความไวของแบคทีเรียแกรมบวกจะแตกต่างกันมากและยีสต์มีความไวปานกลาง นอกจากนี้ยังพบว่าประสิทธิภาพในการยับยั้งเชื้อจุลินทรีย์ของไคโตแซนลดลงเมื่อค่าความเป็นกรด-ด่าง (pH) สูงขึ้น องค์ประกอบของอาหาร เช่น แป้ง โปรตีน และเกลือโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) มีผลเสียต่อการยับยั้งเชื้อจุลินทรีย์ ส่วนไขมันไม่พบว่ามีผลกระทบใดๆ งานวิจัยของ ดร. บุญศรี จงเสรีจิตต์ และคณะ (2547) พบว่าไคโตแซนที่ความเข้มข้น 100-3,000 ส่วนในล้านส่วน (part per million, ppm) สามารถยับยั้งเชื้อแบคทีเรีย S.aureus, E.coli, S. typhimurium ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยมีค่าความเข้มข้นน้อยที่สุดของไคโตแซน (minimal inhibitory concentration, MIC) ในการยับยั้งการเจริญของแบคทีเรียเท่ากับ 100, 500 และ 1,000 ppm ตามลำดับ แต่สามารถยับยั้งการเจริญของเชื้อ V. parahaemolyticus ได้เพียง 70% และยับยั้งเชื้อ V. cholerae ได้ต่ำมาก
สำหรับกลไกการยับยั้งการเจริญของจุลินทรีย์ ได้มีผู้รวบรวมเสนอไว้หลากหลาย (Harish Prashanth, KV. and Tharanathan, RN., 2007) ไคโตแซนอาจยับยั้งเชื้อจุลินทรีย์โดยอนุภาคประจุบวกบนโมเลกุลของไคโตแซนสามารถจับกับอนุภาคประจุลบบนผนังเซลล์ของจุลินทรีย์ ทำให้ผนังเซลล์เกิดความเสียหายขึ้นจนไม่สามารถควบคุมการผ่านเข้าออกของสาร จึงเกิดการรั่วไหลของสารต่างๆในเซลล์และทำให้เซลล์ตายในที่สุด นอกจากนี้ยังพบว่าฤทธิ์ในการต้านจุลินทรีย์อาจเป็นผลมาจากการขัดขวางสารอาหารเข้าสู่เซลล์ ไคโตแซนบางชนิดโดยเฉพาะชนิดที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ เมื่อเคลื่อนเข้าสู่เซลล์ของจุลินทรีย์จะไปจับกับ DNA จึงยับยั้งการสังเคราะห์ RNA และโปรตีน หรืออาจจับกับอิออนของโลหะ (chelation) และสารอาหารที่จำเป็น นอกจากนี้ประสิทธิภาพในการยับยั้งการเจริญของจุลินทรีย์ขึ้นอยู่กับขนาดน้ำหนักโมเลกุล ค่าระดับการกำจัดหมู่อะซิทิล ชนิดของจุลินทรีย์หรือแบคทีเรีย ชนิดของสารละลายกรดที่ใช้ ชนิดของอาหารและอุณหภูมิในการเก็บรักษา องค์ประกอบของอาหาร เช่น คาร์โบไฮเดรต โปรตีน ไขมัน เกลือแร่ เกลือ อาจทำปฏิกิริยากับไคโตแซนและส่งผลให้ประสิทธิภาพในการยับยั้งการเจริญของจุลินทรีย์เพิ่มขึ้นหรือลดลงได้ (นภาพร เชี่ยวชาญ และธนารัตน์ ศรีธุระวานิช, 2547) การดัดแปลงโมเลกุลของไคโตแซนมีผลต่อการยับยั้งจุลินทรีย์ด้วยเช่นกัน อนุพันธ์ของไคโตแซนหลายตัว เช่น dietylmethylchitosan, N,O-acylchitosan และ hydroxypropylchitosan มีฤทธิ์ยับยั้งแบคทีเรียและเชื้อราได้ดีกว่าไคโตแซน
3. การทำเป็นแผ่นหรือเยื่อบาง (Formation of film) ไคโตแซนและอนุพันธ์ของไคโตแซนหลายชนิดมีคุณสมบัติในการนำมาขึ้นรูปเป็นแผ่นฟิล์มหรือเป็นเยื่อบางๆ ที่มีความเหนียว คงทน ยืดหยุ่นและไม่ฉีกขาดง่าย แผ่นฟิล์มมีลักษณะเด่นในการป้องกันการสูญเสียน้ำหรือความชื้นและควบคุมการผ่านเข้าออกของก๊าซได้ดี สามารถรับประทานได้ ไม่เป็นพิษและย่อยสลายได้ในธรรมชาติ นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติยับยั้งการเจริญของจุลินทรีย์หลายชนิด (นภาพร เชี่ยวชาญ และธนารัตน์ ศรีธุระวานิช, 2547; Harish Prashanth, KV. and Tharanathan, RN., 2007) จึงมีการนำไปใช้ประโยชน์เป็นบรรจุภัณฑ์หรือเคลือบบนผิวของอาหารเพื่อชลอการเน่าเสียและถนอมคุณค่าของอาหาร เช่น ผลไม้ เนื้อสัตว์ และเนยแข็ง ไคโตแซนเป็นสารที่ไม่ละลายน้ำ ดังนั้นการทำแผ่นฟิล์มไคโตแซนต้องใช้กรดอินทรีย์เพื่อเป็นตัวทำละลาย เช่น กรดอะซิติก (acetic acid) กรดแลคติก (lactic acid) กรดฟอร์มิก (formic acid) กรดโพรพิออนิก (propionic acid) และกรดมาลิก (malic acid) เมื่อละลายในกรดอินทรีย์จะได้สารละลายไคโตแซนที่มีความหนืดต่างๆ ขึ้นอยู่กับชนิดของกรดที่ใช้ทำละลายและจะมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติของแผ่นฟิล์มหรือการเคลือบไคโตแซน ประกอบกับกรดอินทรีย์เหล่านี้ยังมีคุณสมบัติในการยับยั้งการเจริญของจุลินทรีย์ในตัวของกรดเอง จึงช่วยเสริมฤทธิ์ในการต้านเชื้อจุลินทรีย์ของไคโตแซนยิ่งขึ้น ประสิทธิภาพในการการยับยั้งการเจริญของจุลินทรีย์ขึ้นอยู่กับชนิดของกรดอินทรีย์ โดยไคโตแซนที่ละลายในกรดอินทรีย์ต่างชนิดกันจะมีประสิทธิภาพในการยับยั้งการเจริญของจุลินทรีย์แตกต่างกันไปด้วย มีรายงานว่าไคโตแซนที่ละลายในกรดอะซิติก กรดแลคติกและกรดฟอร์มิก มีประสิทธิภาพในการยับยั้งการเจริญของแบคทีเรียมากกว่ากรดโพรพิออนิกและกรดแอสคอบิก (ascorbic acid) (นภาพร เชี่ยวชาญ และธนารัตน์ ศรีธุระวานิช, 2547)
การผสมสารบางชนิด เช่น น้ำมันหอมระเหยกรดสเตียริก (steric acid) และสารเชื่อมโยง (cross-linking agent) มีผลต่อประสิทธิภาพในการยับยั้งการเจริญของจุลินทรีย์ การผ่านเข้าออกของน้ำตลอดจนความยืดหยุ่น และความทนทานของแผ่นฟิล์มไคโตแซน (Mi, FL., et al., 2006; Moller, H., et al., 2004; Zivanovic, S., Chi, F., Draughon, AF., 2005) น้ำมันหอมระเหยออริกาโน (oregano essential oil) ทำให้แผ่นฟิล์มหนาและขุ่นขึ้น มีความแข็งแรงลดลงแต่มีความยืดหยุ่นสูงขึ้น และลดการซึมผ่านของน้ำได้ดีรวมทั้งเพิ่มประสิทธิภาพในการยับยั้งการเจริญของเชื้อ L. Monocytogene และ E. Coli ในแผ่นไส้กรอก (bologna slice) เก็บที่อุณหภูมิ 10 องศาเซลเซียส นาน 5 วัน ได้ดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแผ่นฟิล์มไคโตแซนเดี่ยวๆ (Zivanovic, S., Chi, F., Draughon, AF., 2005) นอกจากนี้ยังสามารถผลิตเป็นแผ่นฟิล์มแบบผสม (composite film) กับเซลลูโลส (chitosan-hydroxy propyl methyl cellulose film) ซึ่งมีคุณสมบัติในการยับยั้งการเจริญของเชื้อ Listeria Monocytogenes ซึ่งเป็นจุลินทรีย์ที่พบในอาหาร (Moller, H., et al., 2004)
ความแข็งแรงของแผ่นฟิล์มไคโตแซนและการป้องกันความชื้นเป็นคุณสมบัติที่สำคัญและเป็นข้อจำกัดของการใช้แผ่นฟิล์มไคโตแซน จากงานวิจัยต่างๆ พบว่าคุณสมบัติดังกล่าวขึ้นอยู่กับองค์ประกอบที่ใช้ในการผลิต เช่น ชนิดของกรด ค่าความเป็นกรด-ด่าง (pH) และอัตราการกำจัดหมู่แอซิติลของไคโตแซน รวมทั้งชนิดของสารที่ใช้เพื่อทำให้แผ่นฟิล์มเกิดความยืดหยุ่น (plasticizer) เช่น กลีเซอรอล (glycerol) หรือพอลีเอธิลีนไกลคอล (polyethylene glycol) (Suyatma, NE., Tighzert, L., and Copinet, A., 2005) แผ่นฟิล์มไคโตแซนที่ผลิตจากกรดไฮโดรคลอริก (hydrochloric acid ) และกรดอะซิติก จะมีเนื้อแน่นและเปราะบาง ในขณะที่ฟิล์มที่ทำจากกรดแลคติก (lactic acid) และกรดซิตริก (citric acid) จะมีความยืดหยุ่นสูงกว่า (Zivanovic, S., Chi, F., Draughon, AF., 2005) นอกจากนี้พบว่า แผ่นฟิล์มไคโตแซนที่มีระดับการกำจัดหมู่แอซิติลต่ำ (78.9%) จะมีการซึมผ่านของน้ำและมีปริมาณสารที่ละลายน้ำได้ (total soluble matter) ต่ำกว่าและมีความแข็งแรงต้านต่อแรงดึง (tensile strength) มากกว่าแผ่นฟิล์มไคโตแซนที่มีระดับการกำจัดหมู่แอซิติลสูง (92.3%) และแผ่นฟิล์มไคโตแซนที่มีระดับการกำจัดหมู่แอซิติลสูงจะเกิดการเปลี่ยนแปลงมากกว่าแผ่นฟิล์มไคโตแซนที่มีระดับการกำจัดหมู่แอซิติลต่ำเมื่อชนิดของกรดและค่าความเป็นกรด-ด่าง (pH) เปลี่ยนแปลงไป นอกจากนี้เมื่อค่าความเป็นกรด-ด่าง (pH 3, 4 และ 5) สูงขึ้นจะทำให้การซึมผ่านของน้ำและมีปริมาณสารที่ละลายน้ำได้เพิ่มขึ้นตามแต่จะทำให้ต้านแรงดึงได้น้อยลง สำหรับแผ่นฟิล์มที่เตรียมด้วยกรดอะซิติกและกรดโพรพิโอนิกจะมีการซึมผ่านของน้ำและมีปริมาณสารที่ละลายน้ำได้ต่ำและมีความแข็งแรงต่อแรงดึงสูง ในขณะที่สำหรับแผ่นฟิล์มที่เตรียมด้วยกรดแลคติกจะยืดได้มากและมีปริมาณสารที่ละลายน้ำได้สูงแต่มีความแข็งแรงต่อแรงดึงน้อยที่สุด (Kim, KM., et al., 2006)
มีรายงานว่าไคโตแซนที่แยกจากเปลือกแข็งของสัตว์น้ำ (crawfish) ด้วยกรรมวิธีที่แตกต่างกันจะมีคุณสมบัติที่ไม่เหมือนกันทั้งขนาดน้ำหนักโมเลกุล ความหนืด เปอร์เซ็นต์ของการลดหมู่แอซิติล (%deacetylation) และปริมาณความชื้น จึงสามารถพัฒนาเป็นฟิล์มชนิดต่างๆที่มีคุณสมบัติแตกต่างกัน โดยศึกษาพฤติกรรมในการดูดซับความชื้นของไคโตแซนฟิล์มที่เตรียมจากเปลือกของสัตว์น้ำด้วยกรรมวิธีต่างกันและใช้ตัวทำละลายชนิดต่างๆ และพบว่าการใช้กรดอะซิติกหรือกรดฟอร์มิกเป็นตัวทำละลายจะได้แผ่นฟิล์มไคโตแซนที่มีความยืดหยุ่นและโปร่งใสซึ่งเหมาะแก่การใช้เป็นบรรจุภัณฑ์ ส่วนแผ่นฟิล์มไคโตแซนที่เตรียมด้วยกรดแลคติกหรือกรดมาลิกจะซับน้ำได้ดี (hydrophilic) และกลายเป็นก้อนเหนียวจึงไม่เหมาะสำหรับทำเป็นบรรจุภัณฑ์ และแผ่นฟิล์มไคโตแซนที่เตรียมโดยกรดอะซิติกดูดซับความชื้นได้น้อยกว่าชนิดที่เตรียมจากกรดฟอร์มิก คุณสมบัติในการดูดซับความชื้นของแผ่นฟิล์มมีความสำคัญต่อคุณภาพและการนำมาใช้ในสภาวะที่มีความชื้น กรรมวิธีที่ใช้ในการสกัดแยกไคโตซานจากวัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตและชนิดของตัวทำละลายจึงเป็นปัจจัยที่สำคัญในการผลิตแผ่นฟิล์มไคโตแซนที่ดูดซับความชื้นน้อยลง ผลจากการวิจัยต่างๆเหล่านี้จะเป็นแนวทางในการผลิตแผ่นฟิล์มไคโตแซนที่เหมาะกับการใช้ประโยชน์ (Nadarajah, K., et al., 2006)
4. น้ำหนักโมเลกุล ความหนืดและความสามารถในการละลาย (Molecular weight, viscosity, solubility) ไคโตแซนที่ผลิตขึ้นมีหลากหลายชนิดซึ่งจะมีน้ำหนักโมเลกุลและระดับการกำจัดหมู่แอซิติลที่แตกต่างกันออกไป ส่งผลให้สารละลายไคโตแซนมีความหนืดและคุณสมบัติอื่นๆ ที่ต่างกันไปด้วย ไคโตแซนไม่สามารถละลายน้ำแต่ละลายได้ในกรดอินทรีย์ ไคโตแซนเมื่อผ่านปฏิกิริยาการสลายตัวด้วยน้ำ (hydrolysis) จะอยู่ในรูปที่มีน้ำหนักโมเลกุลเล็กลงและในรูปของโอลิโกแซ็กคาไรด์ (oligosaccharide) ที่สามารถละลายน้ำได้และยังคงมีฤทธิ์ยับยั้งการเจริญของเชื้อแบคทีเรียและยีสต์หลายชนิด (Tsai, GJ., Zhang, SL., and Shieh, PL., 2004) สารละลายที่เตรียมจากไคโตแซนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงจะมีความหนืดมากและไม่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้หลากหลาย จึงมีการนำไคโตแซนมาย่อยสลายด้วยกรรมวิธีทางเคมีฟิสิกส์หรือใช้เอนไซม์เพื่อตัดสายพอลิเมอร์ให้สั้นลงซึ่งทำให้มีน้ำหนักโมเลกุลเล็กลง จึงเพิ่มประสิทธิภาพในการละลายและถูกดูดซึมได้ดีขึ้นตลอดจนเพิ่มคุณสมบัติอื่นๆ เช่น การยับยั้งการเจริญของแบคทีเรียและเชื้อรา ความสามารถในการต่อต้านเชื้อโรคต่างๆ ต้านมะเร็งและเพิ่มภูมิคุ้มกันโรค (Harish Prashanth, KV. and Tharanathan, RN., 2007; No, HK., et al., 2007)
