การเปรียบเทียบการเจริญเติบโตของต้นไม้จากสารไคตินของเปลือกกุ้งเเละเเกนหมึก

ทำไมถึงทำเรื่องนี้?        

                การเจริญเติบโตของต้นไม้ต้องใช้เวลานาน  และต้องการปัจจัยหลายอย่างในการเจริญเติบโตเช่น น้ำ   แสง  ปุ๋ย  สภาพอากาศ  สภาพพื้นดิน เป็นต้น  และส่วนใหญ่แล้วมนุษย์จะใช้ปุ๋ยในการบำรุงต้นไม้ให้เจิรญเติบโต  และปุ๋ยที่ใช้มีส่วนประกอบของสารเคมี  ซึ่งมีผลกระทบต่อสภาพแวดล้อม  จากการศึกษาพบว่าสารไคตินสามารถเพิ่มการเจริญเติบโตของต้นไม้และไม่มีสารตกค้างในธรรมชาติ

                ทางผู้จัดทำจึงมีแนวคิดในการที่จะทำปุ๋ยหรือน้ำหมักจากสารไคตินแทนการใช้สารเคมีและพบว่าสารไคตินมีอยู่ทั้งในเปลือกกุ้งและแกนหมึก  จึงคิดทำโครงงานเพื่อที่จะศึกษาการเจริญเติบโตของต้นไม้ระหว่างสารไคตินจากเปลือกกุ้งกับสารไคตินจากแกนหมึก

ไคติน-ไคโตซาน มันคืออะไร?

                  ไคติน-ไคโตซาน เป็นวัสดุชีวภาพเกิดในธรรมชาติ จัดอยู่ในกลุ่มคาร์โบไฮเดรตผสม   ที่ประกอบด้วยอนุพันธ์ของน้ำตาลกลูโคสที่มีธาตุไนโตรเจนติดอยู่ด้วยทำให้มีคุณสมบัติที่โดดเด่น และหลากหลายมีประสิทธิภาพสูงในกิจกรรมชีวภาพ และยังย่อยสลายได้ตามธรรมชาติ ดังนั้นจึงเป็นสารที่มีความปลอดภัยในการใช้กับมนุษย์    สัตว์  และสิ่งแวดล้อม สารไคติน-ไคโตซานนี้ มีลักษณะพิเศษในการนำมาใช้ดูดซับและจับตะกอนต่างๆในสารละลายแล้วนำสารกลับมาใช้ใหม่ได้ซึ่งเป็นการหมุนเวียนตามระบบธรรมชาติ

                  โครงสร้างทางเคมีของสารไคติน คล้ายคลึงกับเซลลูโลส คือเป็นเส้นใยที่ยาว   ไคตินที่เกิดในธรรมชาติมีโครงสร้างของผลึกที่แข็งแรงมีการจัดตัวของรูปแบบของผลึกเป็น 3 ลักษณะได้แก่ แอลฟ่าไคติน, บีต้าไคติน,  และแกมม่าไคติน ไคตินที่เกิดในเปลือกกุ้งและปู ส่วนใหญ่อยู่ในรูปแอลฟ่าไคติน    ส่วนไคตินที่อยู่ในปลาหมึกพบว่าส่วนใหญ่เป็นบีต้าไคตินในการจัดเรียงตัวของโครงสร้างตามธรรมชาติ   พบว่าแอลฟ่าไคตินมีคุณลักษณะของเสถียรภาพทางเคมีสูงกว่าบีต้าไคติน     ดังนั้นจึงมีโอกาสที่บีต้าไคตินสามารถจะเปลี่ยนแปลงรูปแบบไปเป็นแอลฟ่าไคตินได้ในสารละลายของกรดแก่ เช่น กรดเกลือ เป็นต้น ส่วนแกมม่าไคตินเป็นโครงสร้างผสมระหว่างแอลฟ่าและบีต้าไคติน

                ไคตินเป็นโพลีเมอร์ที่มีสายยาวมีองค์ประกอบของหน่วยย่อยเป็นอนุพันธ์ของน้ำตาลกลูโคสมีชื่อว่า N-acetyl glucosamine ไคตินเป็นสารที่ละลายยากหรือไม่ค่อยละลาย               ส่วนไคโตซานเป็นโพลีเมอร์ของหน่วยย่อยที่ชื่อว่าglucosamine มากกว่า 60% ขึ้นไป  ( นั้นคือมีปริมาณ N- acetylglcosamine นั้นเอง    ในธรรมชาติย่อมมีไคตินและไคโตซาน ประกอบอยู่ในโพลิเมอร์ ที่เป็นสายยาวในสัดส่วนต่างๆกัน ถ้ามีปริมาณของ glucosamine น้อยกว่า 40 % ลงมา พอลิเมอร์นั้นจะละลายได้ในกรดอินทรีย์ต่างๆนั้นหมายถึงมีปริมาณไคโตซานมากกว่า 60 % นั้นเอง  ฉะนั้นการเปลี่ยนแปลงทางเคมีทำให้ไคตินเปลี่ยนไปเป็นไคโตซาน คือการลดลงของหมู่อะซีติลหรือเรียกว่า Deacetylation    ขณะที่มีการลดลงของหน่วยย่อย N-acetyl glucosamine ย่อมเป็นการเพิ่มขึ้นของ glucosamine ในปริมาณที่เท่ากัน  ซึ่งคือการเปลี่ยนแปลงไคตินให้เป็นไคโตซานนั่นเอง การจัดระดับของการ Deacetylation มีค่าร้อยละหรือเรียกว่า   Percent Deacetylation ( % DD) กล่าวคือเมื่อในพอลิเมอร์มีค่าเกิน % DD เกินกว่า 60 % ขึ้นไป ของการกระจายไคโตซานในกรดอินทรีย์มากจะเพิ่มขึ้นของหมู่อะมิโนของ glucosamine ทำให้มีความสามารถในการรับโปรตรอน    จากสารละลายได้เพิ่มขึ้นซึ่งช่วยในการละลายดีขึ้น เพราะมีสมบัติของประจุบวกเพิ่มขึ้น ฉะนั้นไคโตซานจึงสามารถละลายได้ดีขึ้นในกรดต่างๆ เช่น กรดน้ำส้ม กรดแลคติก และกรดอินทรีย์อื่นๆ

                ซึ่งโดยธรรมชาติแล้ว ไคโตซานจะไม่ละลายน้ำเช่นเดียวกับเปลือกกุ้ง กระดองปู หรือเปลือกไม้ทั่วไป แต่ไคโตซานจะละลายได้ดีเมื่อใช้กรดอินทรีย์เป็นตัวทำละลาย             สารละลายของไคโตซานจะมีความข้นเหนียวแต่ใสคล้ายวุ้น หรือพลาสติกใส ยืดหยุ่นได้เล็กน้อยจึงมีคุณสมบัติที่พร้อมจะทำให้เป็นรูปแบบต่างๆได้ง่าย โดยเฉพาะถ้าต้องการทำเป็นแผ่นหรือเยื่อบางๆเป็นเจล หรือรูปร่างเป็นเม็ด เกล็ด เส้นใย สารเคลือบและคอลลอยด์    เป็นต้น    นอกจากนี้ไคโตซานยังย่อยสลายตามธรรมชาติ จึงไม่เกิดผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิต   เมื่อกินเข้าไปและไม่มีผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมเมื่อเติมลงไปในน้ำหรือในดินเพื่อการเกษตร

                ไคโตซานที่ผลิตขึ้นมาใช้ในปัจจุบันนี้ มีหลายรูปแบบ และส่วนใหญ่จะผลิตมาจากบริษัทต่างประเทศ จึงมีราคาค่อนข้างสูง

สารจากเปลือกกุ้ง

           ไคโตซาน กับไคโตแซน เป็นสารตัวเดียวกัน เขียนเป็น Chitosan,Kytosanสารไคติน-ไคโตซานเป็นสารที่อยู่ในส่วนเปลือกแข็งของสัตว์ และคนเราค้นพบที่จะเอาสิ่งที่มีประโยชน์ของสัตว์มาสกัด ให้เกิดประโยชน์กับมนุษย์ เราเอาเปลือกกุ้งหรือกระดองปูหรือแกนปลาหมึกมาแยกโปรตีน และเกลือแร่ออกไปจะได้สารที่เรียกว่า "ไคติน" และไคตินนี่เองหากนำมาผ่านขบวนการทางเคมีเรียกว่า ดีอะเซทิลเลชั่น ก็จะได้ไคโตซานออกมาเป็นสารธรรมชาติมีคุณสมบัติที่โดดเด่นทางเคมี เพราะเป็นสารที่มีประจุบวกสูงมีโครงสร้างเหมือนตาข่ายหรือคล้ายฟองน้ำ ที่มีช่องว่างเล็กๆ จึงสามารถดูดซับน้ำและสะท้อนรังสียูวีจากแสงแดดได้ และยังมีฤทธิ์ในการยับยั้งเชื้อราและแบคทีเรียด้วย เพราะคุณสมบัติที่มากมายเหล่านี้ทำให้ไคโตซานเป็นที่ต้องการในหลายวงการค่ะ

การผลิตสารไคตินและไคโตซานจากเปลือกกุ้ง

              ปัจจุบันการผลิตสารไคตินและไคโตซานจากเปลือกกุ้งทำโดยการใช้สารเคมีได้แก่ด่างและกรดโดยมีหลักการที่สำคัญคือ

             1. กระบวนการกำจัดโปรตีน (deproteination) โดยการทำปฏิกิริยากับด่าง    ซึ่งส่วนใหญ่ใช้โซดาไฟ (NaOH) ในกระบวนการนี้      โปรตีนส่วนใหญ่จะถูกขจัดออกไปจากวัตถุดิบพร้อมกันนี้บางส่วนของไขมันและรงควัตถุบางชนิดมีโอกาสถูกขจัดออกไปด้วย การพิจารณาใช้กระะบวนการนี้จะขึ้นอยู่กับประเภทของวัตถุดิบที่จะนำมาใช้

             2. กระบวนการกำจัดเกลือแร่ (demineralization) โดยการนำวัตถุดิบที่ผ่าน กระบวนการกำจัดโปรตีนมาแล้ว มาทำปฏิกิริยากับกรดซึ่งส่วนมากใช้กรดเกลือ (HCL) ทำให้เกลือแร่ส่วนใหญ่ ได้แก่ หินปูน (calcium carbonate, CaCO3) ซึ่งจะถูกกำจัดออกไปโดยเปลี่ยนไปเป็นก๊าซ (chitin)

            3. กระบวนการกำจัดหรือลดหมู่อะซีติล (deacetylation) เป็นการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ใช้ในการกำจัดหรือลดหมู่อะซีติล (CH3CO-) ที่มีอยู่บนโมเลกุลของไคติน เพื่อให้เกิดเป็นไคโตซาน(chitosan) ซึ่งเป็นการเพิ่มขึ้นของหมู่อะมิโน (-NH2) บนโมเลกุลของไคตินและหมู่อะมิโนนี้มีความสามารถในการรับโปรตอนจากสารละลายซึ่งช่วยให้การละลายดีขึ้น เพราะมีสมบัติเป็นประจุบวก (Cation) ส่วนใหญ่เมื่อปริมาณของหมู่อะซีติล ถูกกำจัดไปมากกว่า 60% ขึ้นไป สารไคโตซานที่ได้สามารถละลายได้ในกรดอินทรีย์หลายชนิด การลดหมู่อะซีติลกระทำได้โดยใช้ด่างที่เข้มข้นสูงตั้งแต่ 40% ขึ้นไป ดังนั้นพารามิเตอร์ที่สำคัญในการพิจารณาสารไคโตซานก็คือค่าระดับการกำจัดหมู่อะซีติล (degree of deacetylation , %DD) ไคโตซานได้จากปฏิกิริยาการกำจัดหมู่อะซีติล (deacetylation) ของไคตินซึ่งก็คือ   พอลิเมอร์ของ(1-4)-2 amino-2 deoxy- b - D-glucan หรือเรียกง่ายๆว่าพอลิเมอร์ของ (glucosamine) การเกิดไคโตซาน

ไคโตซานจากแกนหมึก..ดีอย่างไร

           อย่างที่พอทราบกันมาบ้างแล้วว่า ไคติน-ไคโตซานเป็นสารธรรมชาติที่สกัดได้จากเปลือกกุ้ง กระดองปู แกนหมึก ผนัง เซลล์ของเห็ดรา สาหร่ายและจุลินทรีย์อีกหลายชนิด อย่างไรก็ตามไคติน-ไคโตซานที่ผลิตออกมาเพื่อเชิงพาณิชย์จะได้จาก เปลือกกุ้ง กระดองปูและแกนหมึกเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งเปลือกกุ้ง กระดองปู และแกนหมึกเหล่านี้จะมีปริมาณมากและเป็นกากเสีย 

           จากอุตสาหกรรมอาหาร การศึกษาวิจัยส่วนมากจะเกี่ยวข้องกับไคติน-ไคโตซานที่ได้จากเปลือกกุ้งและกระดองปู แต่ด้วยเหตุ ที่ประเทศไทยก็มีศักยภาพในการผลิตหรือการนำไคติน-ไคโตซานจากแกนหมึกมาใช้ประโยชน์เช่นกัน ดังนั้นจึงอยากบอกเล่า ข้อมูลของไคโตซานจากแกนหมึกให้ผู้อ่านได้ทราบบ้าง ในแง่มุมการผลิต แกนหมึกก็เป็นกากเหลือของอุตสาหกรรมอาหาร เช่นเดียวกันกับเปลือกกุ้ง และกระดองปู ดังนั้นราคาวัตถุดิบจึงถูกอย่างไม่ต้องสงสัย

ในด้านโครงสร้างทางเคมี พบว่าไม่มีความแตกต่างระหว่างไคติน-ไคโตซานจากเปลือกกุ้ง กระดองปู และแกนหมึก แต่จะต่างกันที่รูปแบบของผลึก (crystalline form) โดยไคตินจากเปลือกกุ้งและกระดองปูจะเป็นแบบอัลฟา (a-form) คือมีการเรียงตัวของสายโซ่โมเลกุลในลักษณะสวนทางกัน (anti-parallel chain alignment) ส่วนไคตินจากแกนหมึก จะเป็นแบบเบต้า (b-form) คือมีการเรียงตัวของสายโซ่โมเลกุลในทิศทางเดียวกัน (parallel chain alignment) และด้วยเหตุนี้เองทำให้ไคติน-ไคโตซานจากเปลือกกุ้ง กระดองปู มีสมบัติต่างจากไคติน-ไคโตซานจากแกนหมึกเล็กน้อย โดยไคตินจากแกนหมึกจะมีความไวต่อปฏิกิริยาเคมีมากกว่าไคตินจากเปลือกกุ้งและกระดองปู ทำให้การผลิตไคโตซานและ อนุพันธ์อื่นๆ ง่ายขึ้น แต่ในทางกลับกันการเสื่อมสลายของสายโซ่โมเลกุล (chain degradation) ก็สามารถเกิดขึ้นได้ง่าย เช่นกัน ไคโตซานจากแกนหมึกสามารถดูดความชื้น หรือดูดน้ำได้ดีกว่า เนื่องจากโมเลกุลของน้ำสามารถแทรกซึมผ่านเข้าไป อยู่ในส่วนของผลึกได้ง่ายกว่า นอกจากนี้ สารละลายไคโตซานจากแกนหมึก จะมีความหนืดมากกว่าไคโตซานจากเปลือกกุ้ง และกระดองปู ที่ความเข้มข้นเดียวกัน จึงเหมาะที่จะใช้เป็นสารเพิ่มความข้น (thickener) ในผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง การแพทย์ และอาหาร

วัสดุอุปกรณ์และวิธีการทดลอง

วัสดุอุปกรณ์

                1.เปลือกกุ้ง 2 กิโลกรัม

                2.แกนหมึก 2 กิโลกรัม

                3.น้ำส้มสายชู 5% 6 ลิตร

                4.กระปุกที่ใช้หมัก 2 ใบ

                5.ต้นไม้จำนวน 2 ต้น  ลักษณะเหมือนกัน

วิธีการทดลอง

                1.นำเปลือกกุ้งและแกนหมึก มาใส่ขวดที่ใช้หมัก  โดยแยกไม่ใส่ในขวดเดียวกัน

                2.น้ำส้มสายชูมาใส่ให้พอดีกับเปลือกกุ้งหรือแกนหมึก

                3.ปิดฝาให้สนิท   หมักไว้ประมาณ 6 เดือน

                4.เมื่อหมักเสร็จแล้วนำน้ำหมักไปทดลองกับต้นไม้ ดังนี้

                                4.1 นำน้ำไคติน 1 ส่วนมาผสมต่อน้ำ 3 ส่วน

                                4.2 นำต้นไม้มา 2 ต้น โดยมีปัจจัยของต้นไม้เหมือนกัน

                                4.3 ให้ใส่น้ำและกากที่หมักได้ลงในโคนต้นไม้

                                4.4 สังเกตว่าต้นไม้ต้นไหนและใส่อะไรเจริญเติบโตกว่า

ประโยชน์ที่ได้รับจากโครงงานนี้

               1.ได้เกิดความคิดสร้างสรรค์เเละได้ทำในสิ่งใหม่ๆ

               2. ได้เเก้ไขปัญหาต่างๆได้โดยใช้วิธีการทางวิทยาศาสตร์

               3. ได้นำวัสดุเหลือใช้เเละวัสดุจากธรรมชาติมาใช้ให้เกิดประโยชน์    

link power point ไคติน : http://www.upload-thai.com/download.php?id=acc5db95a0a186efd7f0293a90fa6184

 link ภาพหมึก  3D : http://www.upload-thai.com/download.php?id=0160f378d81a2764dc1e1fd397daf55a

link VDO นำเสนอ : http://www.youtube.com/watch?v=-ni7cJSxs2A&feature=player_embedded

ขอขอบคุณ

-  http://www.mtec.or.th/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=165
         http://guru.sanook.com/pedia/topic/%E0%B9%84%E0%B8%84%E0%B8%95%E0%B8%B4%E0%B8%99-%E0%B9%84%E0%B8%84%E0%B9%82%E0%B8%95%E0%B8%8B%E0%B8%B2%E0%B8%99/

 

• อาจารย์ที่ปรึกษาวิทยาศาสตร์ : อ.กิจติศักดิ์  
• อาจารย์ที่ปรึกษาคอมพิวเตอร์ : อ.จิรัฎฐ์  พงษ์ทองเมือง

    

โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย นครศรีธรรมราช

     Princess Chulabhorn's College,Nakhon Si Thammarat

     (Chulabhorn  Science High  School) 

สมาชิกในกลุ่ม

1.        น.ส.ธิติรัตน์    กมลปัทมากุล  ม.503  เลขที่ 4
2.        น.ส.นภัสกร    อรชร               ม.503   เลขที่ 5
3.        น.ส.ปัทมพร   กระตากูล        ม.503    เลขที่ 6
4.        น.ส.วรภร       เเกล้วทนงค์    ม.503    เลขที่ 13