โครงงานวิทยาศาสตร์: 2012

ไคโตซานจากเปลือกกุ้ง

บทที่1

บทนำ

ที่มาและความสำคัญ

ในแต่ละปีประเทศไทยมีการส่งออก นำเข้าและบริโภคกุ้ง ปูและปลาหมึกเป็นจำนวนมากซึ่งจากสถิติในช่วงปี พ.ศ. 2536 -2543 พบว่าประเทศไทยมีปริมาณมวลรวมของการส่งออกนำเข้า และบริโภคในประเทศสำหรับกุ้ง ปู และปลาหมึก ประมาณ 57000 และ 190000 ตันต่อปี ตามลำดับ ซึ่งปริมาณเหล่านี้จะเป็นดัชนีแสดงถึงปริมาณเหล่านี้จะเป็นดัชนีแสดงถึงปริมาณกากของเหลือที่เกิดขึ้นจะมากตามไปด้วยดังนั้นแนวทางหนึ่งในการแปรรูปกากของเหลือเหล่านี้ให้มีมูลค่าสูงขึ้น คือ การแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์ไคตินและไคโตซาน

จากการศึกษาข้อมูลพบว่า ในชุมชนของเรานิยมรับประทานกุ้งกุลาดำเป็นส่วนใหญ่เพราะหาได้ง่าย และมีราคาถูกส่วนเปลือกกุ้งที่เหลือจากการรับประทานนั้น ถูกมองว่าเป็นเศษอาหารที่ไร้ค่าเพราะไม่มีใครนำมันมาใช้ประโยชน์

จากการที่เราได้ศึกษาเบื้องต้นเกี่ยวกับสารไคติน ทำให้เรารู้ว่าสารไคตินมีมากในเปลือกของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง เช่น กุ้ง ปู รวมทั้งแมลงต่างๆ และสารไคตินนั้นยังมีประโยชน์ต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นด้านการแพทย์ ด้านเกษตรกรรม อุตสาหกรรม เป็นต้น จากคำกล่าวข้างต้น ทำให้เราเกิดความคิดขึ้นว่า “มีวิธีการที่จะทำสารไคตินที่อยู่ในเปลือกกุ้งนี้ออกมาใช้ให้เกิดประโยชน์สูงสุดอย่างไร”

จากการที่เราได้รับการศึกษาเบื้องต้นเกี่ยวกับสารไคติน และได้อ่านงานวิจัยของศาสตราจารย์ จากมหาวิทยาลัยต่างๆเกี่ยวกับการใช้ประโยชน์จากสารไคติน ไม่ว่าจะเป็นด้านเกษตรกรรม ด้านการแพทย์ ด้านอุตสาหกรรม ตั้งแต่อยู่ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 1 อีกทั้งคุณครูยังเคยกล่าวถึงโครงงานเกี่ยวกับสารไคตินที่สกัดจากเปลือกแมลงสาบ เพื่อเคลือบผิวผลไม้ กลุ่มของเรามีความเห็นตรงกันว่า โครงงานนี้น่าสนใจเป็นอย่างมาก จึงเป็นแรงผลักดันให้สมาชิกในกลุ่มศึกษาข้อมูลเกี่ยวกับสารไคตินนี้มากขึ้น ผลปรากฏว่า สารไคตินนั้นยังสามารถสกัดได้จากเปลือกของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง เช่น กุ้ง ปู รวมทั้งแมลงปีกแข็งชนิดต่างๆได้อีกด้วย พอกลับมามองที่ชุมชนของเรา ซึ่งนิยมรับประทานกุ้งกุลาดำเป็นส่วนใหญ่ เพราะ หาได้ง่าย และมีราคาถูก ส่วนเปลือกกุ้งที่เหลือจากการรับประทานนั้น ก็กลายเป็นเศษอาหารที่ไร้ค่า เนื่องจากไม่มีใครนำมาใช้ให้เกิดประโยชน์ กลุ่มของเราจึงนำความรู้ที่ได้มานั้นมาใช้ โดยเราจะสกัดสารไคตินนี้จากเปลือกกุ้งกุลาดำ แล้วนำมาเคลือบผิวของมะนาว (สาเหตุที่เลือกมะนาวเพราะ มะนาวเป็นผลไม้ที่มีขนาดเล็ก และผู้คนนิยมบริโภคเป็นส่วนมาก)

วัตถุประสงค์

1.เพื่อสกัดสารไคตินจากเปลือกกุ้งกุลาดำ

2.เพื่อศึกษาหาอัตราส่วนโดยน้ำหนักของ ไคติน ต่อ NaOH50 % ที่ดีที่สุดในเปลี่ยนสาร

ไคตินให้เป็นสารไคโตซาน

3.เพื่อศึกษาหาอัตราส่วนโดยน้ำหนักของไคโตซาน ต่อ สารละลายกรดแอซิติก ที่มีประสิทธิภาพดีที่สุดในการเคลือบผิวมะนาว

สมมติฐาน

1.อัตราส่วนโดยน้ำหนักของไคติน ต่อ NaOH50 % เป็น 1:90 จะได้สารไคโตซานที่มีปริมาณมากที่สุด

2.อัตราส่วนโดยน้ำหนักของไคโตซาน ต่อ สารละลายกรดแอซิติกเป็น 1:90 จะมีประสิทธิภาพในเคลือบผิวมะนาวและเก็บรักษาผลมะนาวหลังเก็บเกี่ยวได้นานที่สุด

ขอบเขตการศึกษา

ตอนที่ 1 การผลิตไคโตซาน

ตัวแปรต้น : อัตราส่วนโดยน้ำหนักของไคติน ต่อ โซเดียมไฮดรอกไซด์ 50 % มีดังนี้

1. 1:90

2. 1:120

3. 1:150

ตัวแปรตาม : ปริมาณไคโตซานที่ได้จากการผลิต

ตัวแปรควบคุม :

1.ความเข้มข้นของกรดไฮโดรคลอริก,โซเดียมไฮดรอกไซด์ที่ใช้ในการผลิตไคติน

2.อุณหภูมิ

3.ระยะเวลา

4.ชนิดของกุ้ง

ตอนที่ 2 การเคลือบผิวมะนาวด้วยไคโตซาน

ตัวแปรต้น : อัตราส่วนโดยน้ำหนักของไคโตซาน ต่อสารละลายกรดแอซิติก มีดังนี้

1. 1:90

2. 1:120

3. 1:150

ตัวแปรตาม : ระยะเวลาในการเก็บรักษาผลมะนาว

ตัวแปรควบคุม :

1.อุณหภูมิ

2.ชนิดของผลไม้(มะนาว)

3.ความเข้มข้นของสารละลายกรดแอซิติก

ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ

1.ได้ทราบกระบวนการในการสกัดสารไคตินจากเปลือกกุ้ง

2.ได้อัตราส่วนโดยน้ำหนักของไคติน ต่อ NaOH ที่ดีที่สุดในการเปลี่ยนไคตินให้เป็นไคโตซาน

3.ได้ทราบอัตราส่วนโดยน้ำหนักของไคโตซานต่อสารละลายกรดแอซิติก ที่เหมาะสมที่สุดในการเคลือบผิวมะนาวและเก็บรักษาผลมะนาวหลังเก็บเกี่ยวได้นานที่สุด

ระยะเวลาทำโครงงาน

โครงงานนี้มีระยะเวลา 2 เดือน เริ่มตั้งแต่ ตุลาคม 2552 – พฤศจิกายน 2552

สถานที่ที่ใช้ในการทำโครงงาน

ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ ห้องปฏิบัติการเคมี กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ โรงเรียนสกลราชวิยานุกูล

นิยามศัพท์เฉพาะ

-ไคติน คือ โพลิเมอร์ธรรมชาติ โดยพบเป็นองค์ประกอบของเปลือกแข็งที่หุ้มเซลล์ของรา ยีสต์ และจุลินทรีย์หลายชนิด หรือ พบเป็นโครงสร้างแข็งของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง เช่น กุ้ง ปู และแมลงทุกชนิด ซึ่งโครงงานนี้จะสกัดสารไคตินจากเปลือกกุ้งกุลาดำ

-ไคโตซาน คือ อนุพันธ์ของไคตินที่ตัดเอาหมู่อะซิทิล ของน้ำตาล N-acetyl-D-glucosamine ออกตั้งแต่ 50% ขึ้นไป และมีสมบัติในการละลายในกรดอ่อน

บทที่ 2เอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง
ไคติน และไคโตซาน

ไคโตซาน เป็นสารอนุพันธ์ที่ไม่ละลายน้ำของไคติน ซึ่งสามารถสกัดได้จากเปลือกของกุ้งขนาดกลางและเล็ก กุ้งกร้ามกราม หรือปู มีการวิจัยทางคลินิกวิทยามากว่า 17 ปี ถึงการใช้ไคโตซานเป็นสารลดน้ำหนักธรรมชาติโดยใช้เป็นใยอาหาร(ไฟเบอร์) เพื่อทำให้อืดอิ่ม และใช้ในการทำความสะอาดสำไส้ เรื่อยจนมาถึงปัจจุบัน ไคโตซานมีคุณสมบัติในสมบัติในการดูดซับน้ำมัน คราบไขมันและสารพิษบางชนิด เพื่อทำให้กำจัดได้ง่ายขึ้น ไคโตซานถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมอาหาร เครื่องสำอาง รวมทั้งผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร การทดลองของฮาน (Han L. K.) และเพื่อนร่วมงานของเขา (1999) ที่โรงเรียนการแพทย์ในประเทศญี่ปุ่นชี้ให้เห็นว่า ไคโตซานป้องกันการเพิ่มของน้ำหนักตัว ป้องกันภาวะไขมันในเลือดสูง และการมีไขมันสะสมในตับมากอันเนื่องมาจากการบริโภคอาหารที่มีไขมันสูง มีการทดลองที่ทำการเปรียบเทียบการขับไขมันออกจากร่างกาย และคุณสมบัติในการลดน้ำหนักของใยอาหารจากพืชผักหลากหลายชนิดกับไคโตซาน ผลปรากฎว่าไคโตซานให้ผลดีเหนือกว่าใยอาหารอื่นทั้งหมด ไม่เพียงใช้ในอุตสาหกกรมอาหารไคโตซานยังใช้เป็นไหมเย็บบาดแผลและเส้นเลือดที่ขาด นักวิทยาศาสตร์บางท่านได้จัดให้ไคโตซานเป็นหนึ่งในกลุ่มอาหารเพื่อหน้าที่ หรือที่รู้จักกันว่า ฟังก์ชันนอล ฟูด

ไคโตซาน เป็นไบโอโพลิเมอร์ธรรมชาติอย่างหนึ่ง ซึ่งมีองค์ประกอบสำคัญในรูปของ D – glucosamine สามารถพบเจอได้จากธรรมชาติ ซึ่งเป็นองค์ประกอบอยู่ในเปลือกนอกของสัตว์พวก กุ้ง ปู แมลง และเชื้อรา และ เป็นสารธรรมชาติที่ มีลักษณะโดดเด่นเฉพาะตัว คือเป็นวัสดุชีวภาพ ( Biometerials ) สามารถย่อยสลายตามธรรมชาติ ซึ่งมีความปลอดภัยในการนำมาใช้กับมนุษย์โดยไม่เกิดผลเสียและปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม ไม่เกิดอาการแพ้ ไม่เป็นวัตถุไวไฟและไม่เป็นพิษ ( non– phytotoxic ) ต่อพืช นอกจากนี้ยังส่งเสริมการเพิ่มปริมาณของสิ่งมีชีวิตที่มีประโยชน์ต่อพืชและสัตว์

กุ้ง

จัดอยู่ในไฟลัมสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง ชั้น Crustacea อันดับ Decapoda มีด้วยกันหลายวงศ์ กุ้งเป็นสัตว์น้ำ หายใจด้วยเหงือก ลำตัวยาว แบนหรือกลม แบ่งเป็นปล้องๆ เปลือกที่หุ้มท่อนหัวและอกคลุมมาถึงอกปล้องที่ 8 ส่วนใหญ่กรีมีลักษณะแบนข้าง ก้ามและขาอยู่ที่ส่วนหัวและอก มี 10 ขา มีทั้งในน้ำจืดและน้ำเค็ม โดยปกติชอบหลบซ่อนตัวอยูเงียบ ๆ ตามพื้นน้ำหรือในวอกมือด ๆ จะออกหากินในเวลากลางคืน กุ้งกินทั้งพืชและสัตว์เป็นอาหาร เช่น กิน กุ้งด้วยกันเอง ลูกปลา ไส้เดือน สัตว์หน้าดินขนาดเล็กชนิดต่าง ๆ ข้าว เนื้อมะพร้าวตลอดจนซากสัตว์ สามารถแบ่งออกได้หลายชนิด เช่น กุ้งกุลาดำ กุ้งก้ามกราม กุ้งนาง กุ้งหลวง กุ้งก้ามเกลี้ยง กุ้งตะกาด กุ้งตะเข็บ กุ้งฝอย กุ้งหัวแข็ง กุ้งหัวโขน กุ้งขาว กุ้งรู กุ้งหิน กุ้งดีดขัน กุ้งแชบ๊วย กุ้งเครย์ฟิช

บทที่ 3

วิธีการดำเนินการทดลอง
วัสดุอุปกรณ์และสารเคมี
1.กระดาษกรอง
2.เทอร์มอมิเตอร์
3.บีกเกอร์ขนาด 50 , 100 และ 250 มิลลิลิตร
4.ปิเปต
5.หลอดหยด
6.Hot plate
7.เครื่องคนแม่เหล็ก
8.เครื่องชั่ง 2 ตำแหน่ง
9.เตาอบ(Oven)
10.กรวยกรอง
11.NaOH 2 M
12.HCl     2 M
13.NaOH 50%
       14.ผลมะนาว
15.สารละลายกรดแอซิติก
16. เหล็กคีบ
17.ผ้าเช็ด
18.เปลือกกุ้ง
19.แท่งแก้วคนสาร
20.ขวดรูปชมพู่
21.สารส้ม
22.น้ำกลั่น
วิธีการทดลอง แบ่งออกได้เป็น 2 ขั้นตอน
ขั้นตอนที่ 1 การผลิตไคโตซาน
การสกัดสารไคติน
1.การเตรียมวัตถุดิบ
นำเปลือกกุ้งกุลาดำ มาแยกเอาส่วนเนื้อ ไขมัน และขากุ้งออก แล้วนำมาล้างด้วยน้ำสะอาดหลายๆครั้ง จากนั้นนำไปตากแดดไว้จนแห้ง
2.การกำจัดแร่ธาตุ
นำเปลือกกุ้งที่ตากไว้จนแห้ง มาแยกแร่ธาตุ (ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นเกลือแคลเซียมคาร์บอเนต) ด้วยกรดไฮโดรคลอริก ความเข้มข้น 2 M ปริมาณ 100 มิลลิลิตร คนตลอดเวลา 2 ชั่วโมง ที่อุณหภูมิห้อง(30±2 องศาเซลเซียส) โดยใช้เครื่อง Stirring Hot Plate   หลังจากนั้น ล้างน้ำให้สะอาด แล้วจึงกรองด้วยกระดาษกรองเพื่อเอากากที่ติดอยู่บนผิวของกระดาษกรอง
3.การกำจัดโปรตีน
นำกากของเปลือกกุ้งที่ได้จากการแยกแร่ธาตุ มากำจัดโปรตีนด้วยสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ ที่มีความเข้มข้น 2 M ปริมาณ 100 มิลลิลิตร คนตลอดเวลา 2 ชั่วโมง ที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส
หลังจากนั้น ล้างน้ำให้สะอาดแล้วกรองด้วยกระดาษกรอง จะได้สารไคตินอยู่บนผิวของกระดาษกรอง
4.การกำจัดสี
นำสารไคตินที่ได้มากำจัดสีออก โดยใช้เอทานอล 95% เทกรองผ่านกระดาษกรองและกรวยกรอง
จนกว่าสีใกล้จะหมด แล้วนำไปอบจนแห้ง    จากนั้นนำไปเปรียบเทียบร้อยละกับสารตั้งต้น
การเตรียมสารไคโตซาน
นำสารไคตินที่ได้มากำจัดหมู่อะซิทิล ด้วยสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ 50% โดยใช้อัตราส่วนโดยน้ำหนัก ของสารไคติน ต่อ โซเดียมไฮดรอกไซด์ 50%เป็น 1:90, 1:120 และ 1:150
จากนั้นคนตลอดเวลา 2 ชั่วโมง ที่อุณหภูมิ 140±10 องศาเซลเซียส ด้วยเครื่อง Stirring Hot Plate
หลังจากนั้นนำไคโตซานที่ได้ไปล้างน้ำ แล้วกรองจนหมดด่าง ขั้นตอนสุดท้ายนำไปอบจนแห้ง
จากนั้นนำไปเปรียบเทียบร้อยละกับสารไคตินตั้งต้น และเปรียบเทียบร้อยละจากปริมาณเปลือกกุ้งข้างต้น

ขั้นตอนที่ 2 การเคลือบผิวมะนาวด้วยสารละลายไคโตซาน

1.เตรียมสารละลาย ไค โตซานกับสารละลายกรดแอซิติก โดยใช้อัตราส่วนโดยน้ำหนักที่แตกต่างกัน ดังนี้
1. 1 : 90
2. 1 : 120
3. 1 : 150
2.นำผลมะนาวไปล้างให้สะอาด จากนั้นเช็ดให้แห้งแล้วจุ่มลงในสารละลายที่เตรียมไว้ เป็นเวลา 3 นาที
3.นำไปผึ่งไว้จนแห้ง
4.เก็บมะนาวไว้ที่อุณหภูมิห้อง สังเกตการณ์เปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับมะนาวทั้ง 4ลูก
5.บันทึกผลการทดลองทุกๆ 2 วัน

ประโยชน์

ไคโตซานจากเปลือกกุ้งซึ่งนำไปใช้ในกระบวนการเคลือบผิวมะนาว เพื่อให้มีผลสดนานกว่าปกติ ซึ่งปลอดภัยกว่าใช้สารเคมีในการเคลือบ และต้นทุนในการผลิตถูกกว่าการใช้สารเคมี
สามารถผลิตเองได้ นั่นก็เป็นผลดีต่อเกษตรกรที่ค้าขายมะนาวและผู้บริโภคอีกด้วย

แหล่งที่มา

http://www.tint.or.th/nkc/nkc53/content/nstkc53-062.html

ดาวน์โหลดแบบจำลอง 3 มิติ (HTML5)

ลิงค์ดาวน์โหลด

สามรถเปิดดูแบบจำลอง 3 มิติ นี้ได้โดยการเปิดผ่าน Browser ที่รับรอง HTML5 และ 3D

เช่น FireFox ...

เปิดไฟล์ 3DLoader.html เพื่อดูแบบจำลอง 3 มิติ

................................................................

ผู้จัดทำโครงงาน

The TurTer