Chúng hoạt động như chất tẩy rửa, chất làm ướt, chất nhũ hóa, chất tạo bọt và chất phân tán Các chất này có khả năng hấp phụ lên lớp bề mặt, có độ tan tương đối nhỏ, nếu không chúng có x
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BÁO CÁO MÔN HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
ĐỀ TÀI: MICROCRYSTALLINE CELLULOSE VÀ
ỨNG DỤNG TRONG DƯỢC PHẨM
GVHD: TS Phan Nguyễn Quỳnh Anh SVTH: Phạm Văn Pháp 18139146 Lớp : DH18HS
Trang 3MỤC LỤC
I TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 1
1 Khái niệm 1
2 Phân loại 1
2.1 Phân loại theo cấu trúc hóa học 1
2.1.1 Phân loại theo bản chất nhóm háo nước 1
2.1.2 Phân loại theo bản chất nhóm kỵ nước 3
2.1.3 Phân loại theo bản chất liên kết nhóm kỵ nước và ái nước 3
2.2 Phân loại theo chỉ số HLB 3
II TỔNG QUAN VỀ MICROCRYSTALLINE CENLLULOSE (CENLLULOSE VI TINH THỂ) 4
1 Khái niệm 4
2 Thành phần và sản xuất cellulose vi tinh thể 5
3 Đặc tính hóa lý 7
3.1 Độ ẩm 7
3.2 Kích thước hạt 8
3.3 Hình thái hạt 8
3.4 Độ kết tinh 9
4 Các loại cellulose vi tinh thể thương mại 9
5 Tiêu chuẩn chất lượng 10
5.1 Chỉ tiêu cảm quan 10
5.2 Chỉ tiêu lí – hóa 10
Trang 4PHẨM 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO 12
Trang 5I TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
1 Khái niệm
Chất hoạt động bề mặt là các hợp chất có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt giữa hai chất lỏng, chất khí và chất lỏng hoặc giữa chất lỏng và chất rắn Chúng hoạt động như chất tẩy rửa, chất làm ướt, chất nhũ hóa, chất tạo bọt và chất phân tán
Các chất này có khả năng hấp phụ lên lớp bề mặt, có độ tan tương đối nhỏ, nếu không chúng có xu hướng rời khỏi bề mặt vào trong lòng chất lỏng
Các chất hoạt động bề mặt trong nước đa số là các chất hữu cơ như các acid béo, muối của acid béo, ester, rượu, alkyl sulfate Các phân tử chất hoạt động bề mặt bao gồm hai phần:
+ Phần phân cực tái nước, và nước, háo nước) thường chứa các nhóm carboxylate,
sulfonate, sulfate, amine bậc bốn Nhóm này làm cho phân tử chất hoạt động bề mặt có
ái lực lớn đối với nước và bị kéo vào lớp nước
+ Phần không phân cực (kỵ nước, ghét nước hay ái dầu, háo dầu, ưa dầu) là các gốc hydrocarbon không phân cực kỵ nước, không tan trong nước, tan trong pha hữu cơ không phân cực nên bị đẩy đến pha không phân cực Phân tử chất hoạt động bề mặt được biểu diễn như sau:
Hình 1: Phân tử chất hoạt động bề mặt
2 Phân loại
Các chất hoạt động bề mặt có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau như: cấu trúc hóa học, tính chất vật lí, ứng dụng hóa học,…
2.1 Phân loại theo cấu trúc hóa học
Trang 62.1.1 Phân loại theo bản chất nhóm háo nước
Theo bản chất háo nước các chất hoạt động bề mặt được chia thành các nhóm chính như sau: các chất hoạt động bề mặt anion, cation, lưỡng tính và không ion
Chất hoạt động bề mặt anion:
- Trong dung dịch nước, phần thể hiện hoạt tính của chất hoạt động bề mặt được tích điện âm
- Một số chất điển hình là xà phòng, alkylbenzene sulfonate và este sulfate rượu aliphatic
- Được tạo thành từ xà phòng của một axit yếu và một bazơ mạnh
- Vì dung dịch nước có tính kiềm nên chất hoạt động bề mặt anion không tan và lắng đọng dưới dạng xà phòng canxi trong nước cứng
- Được sử dụng như một chất nhũ hóa, chất phân tán, chất tạo bọt, chất hòa tan trong nhiều ứng dụng công nghiệp và các ứng dụng không chứa nước
Chất hoạt động bề mặt cation:
- Trong dung dịch nước, phần thể hiện hoạt tính của chất hoạt động bề mặt được tích điện dương và các dẫn xuất amin khác nhau được sử dụng
- Không được sử dụng chung với chất hoạt động bề mặt aninon vì chúng sẽ hình thành lên kết tủa không tan
Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính:
- Gồm cả nhóm ưa nước anion và nhóm ưa nước cation trong cùng một phân tử
- Hình thành cation ở dung dịch pH dưới điểm đẳng điện tại điểm đẳng điện xấp xỉ
pH 7
6
Trang 7- Khi độ pH của dung dịch chất hoạt động bề mặt lưỡng tính đạt đến điểm đẳng điện, độ hòa tan và hoạt động bề mặt bị suy giảm
- Có thể sử dụng cùng với một số chất hoạt động bề mặt khác và ít độc hơn chất hoạt động bề mặt cation
- Có khả năng diệt khuẩn, chống tĩnh điện, làm mềm vải và là chất nhũ hóa
Chất hoạt động bề mặt không chứa ion:
- Chất hoạt động bề mặt không chứa ion không thể hiện tính ion dù có hòa tan trong nước nhưng thể hiện hoạt động bề mặt
- Chất hoạt động bề mặt điển hình là các chất bổ sung polyethylen và este đường
- Có thể sử dụng cùng chất hoạt động bề mặt anion, cation hoặc chất hoạt động bề mặt lưỡng tính
2.1.2 Phân loại theo bản chất nhóm kỵ nước
- Gốc alkyl mạch thẳng C8-C18
- Gốc alkyl mạch ngắn CC3-C12 gắn vào nhân thơm
- Olein nhánh C8-C20
- Hydrocarbon từ dầu mỏ
- Hydrocarbon mạch dài thu được từ phản ứng CO và H2
2.1.3 Phân loại theo bản chất liên kết nhóm kỵ nước và ái nước
- Nhóm háo nước liên kết trực tiếp nhóm kỵ nước: RCOONa, ROSO3Na, RC6H4SO3Na
Trang 8- Nhóm háo nước liên kết nhóm kỵ nước thông qua liên kết trung gian
+ Liên kết ester: RCOO-CH2CHOHCH2-OSO3Na
+ Liên kết amide: R-NHCOCH2SO3Na
+ Liên kết ether: ROC2H4OSO3Na
2.2 Phân loại theo chỉ số HLB
Tính ưa và kỵ nước của chất hoạt động bề mặt được nhận biết bởi chỉ số HLB (xhydrophilic lipophilic balance) có giá trị từ 0 - 40 Chỉ số này càng cao thì hoạt chất càng dễ hòa tan trong nước và ngược lại, chỉ số càng thấp thì nó càng dễ hòa tan trong các dung môi không phân cực Theo chỉ số HLB, tính chất của chất hoạt động bề mặt sẽ như sau:
- Từ 1 - 3: Chất hoạt động bề mặt có tính phá bọt
- Từ 4 - 9: Chất hoạt động bề mặt nhũ nước trong dầu
- Từ 9 – 11: Chất hoạt động bề mặt thấm ướt
- Từ 11 - 15: Chất hoạt động bề mặt nhũ dầu trong nước
- Trên 15: : Chất hoạt động bề mặt khuếch tán, chất phân tán
8
Trang 9II TỔNG QUAN VỀ MICROCRYSTALLINE CENLLULOSE (CENLLULOSE VI TINH THỂ)
1 Khái niệm
Microcrystalline cellulose hay còn được nghe đến với nhiều cái tên khác nhau như cellulose vi tinh thể hay MMC là một dạng cellulose tinh khiết hơn Nó là một loại bột polyme carbohydrate trắng, không mùi, không vị, thường bao gồm tới 350 đơn vị glucose Về mặt hóa học, nó là một chất trơ, không bị tan rã trong tiêu hóa và không có
sự hấp thụ đáng kể Đa phần nó cung cấp phần chính yếu của chế độ ăn và dẫn đến tác dụng nhuận tràng
Trong cellulose vi tinh thể, các vùng kết tinh của cellulose đã bị cô lập, tạo thành một sản phẩm kết tinh hơn Nó có thể được làm bằng bất kỳ vật liệu nào có chứa nhiều xenlulose (được tìm thấy trong thành tế bào ở thực vật) được nhừ xử lý cẩn thận bằng axit vô cơ Sự phong phú này trong tự nhiên làm cho nó rẻ để sản xuất Mức độ kết tinh cao hơn khi polyme được chiết xuất từ bông so với các nguồn khác Tuy nhiên, gỗ được
sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng dược phẩm do sự phong phú và giá thành thấp hơn
Hình 1: Cenllulose vi tinh thể và công thức cấu tạo
Cenlulose vi sinh thể là sản phẩm rất gần gũi với môi trường, bởi có nguồn gốc từ
an toàn (GRAS) cho con người và nó không hòa tan trong nước mà chảy tự do nên hoạt
Trang 10chất này được coi là một trong những chất phụ gia rất có giá trị trong các sản phẩm như chế phẩm, thực phẩm, dược phẩm hay mỹ phẩm…
Bên ngoài vỏ hộp các sản phẩm luôn được ghi rất rõ Để giúp người dùng an tâm khi sử dụng, hoạt chất này đã được đo đạc, kết quả cho thấy định tính thích hợp với mục đích sử dụng
2 Thành phần và sản xuất cellulose vi tinh thể
Nguyên liệu được sử dụng để điều chế MMC là bột giấy từ thực vật dạng sợi như gỗ hạt trần Bông cũng là một nguồn xenlulo có thể có cho MCC MCC cấp dược phẩm, cần bột giấy chất lượng cao, được sử dụng gỗ làm nguồn phổ biến nhất Từ nguồn gỗ như vậy, các chuỗi xenluloza được đóng thành từng lớp và được giữ với nhau bằng các liên kết hydro mạnh từ lignin, một loại polyme liên kết ngang Vì mục đích đó, cả gỗ mềm (hạt trần thường xanh) và gỗ cứng (lá rộng rụng lá) đều có thể được sử dụng Những loại
gỗ này không chỉ khác nhau về thành phần hóa học bao gồm tỷ lệ xenlulo, hemicelluloses, và lignin mà còn về tổ chức cấu trúc, tức là các vùng tương đối kết tinh hoặc vô định hình Các vùng vô định hình dễ bị axit thủy phân hơn dẫn đến các mảnh kết tinh ngắn hơn và nhiều hơn
Các vật liệu lignocellulosic không phải gỗ cũng được phát triển làm nguồn MCC như xơ bông, thân cây bông, giẻ bông, phế liệu vải bông, bông gò, trấu đậu nành, lõi ngô, bèo tây, gáo dừa , bã sinh khối cọ dầu, lá cọ dầu, trấu, bã mía, đay, gai, sợi và rơm của cây lanh, rơm lúa mì, thân cây lúa miến, sợi sisal và măng cụt, alfa sợi cỏ, vỏ đậu tương, mesocarp màu cam, tre Ấn Độ, sợi roselle, và sợi alfa Xơ hạt từ vỏ cây bông sữa
(Calotropis procera), cây bụi và cây kapok (Ceiba pentandra) cây còn được gọi là tài
nguyên xenlulo Do có độ tinh khiết cao của xenluloza alpha, hầu hết các hạt phải được
xử lý để loại bỏ các tạp chất bao gồm lignin, pectin và sáp Các báo cáo cho thấy nước
xuất xứ có thể có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính như cấu trúc tinh thể và kích thước hạt Những khác biệt này có thể ảnh hưởng nhiều hơn đến hành vi lưu biến, có thể gây ra
10
Trang 11các vấn đề trong một số quy trình dược phẩm, chẳng hạn như đóng viên các hemicelluloses được phân nhánh, làm cho chúng phần lớn là vô định hình
Trang 12Một số quy trình sản xuất
Xenluloza vi tinh thể là xenluloza tinh khiết được khử thủy phân một phần được tổng hợp từ tiền chất α-xenluloza với quá trình thủy phân bởi axit khoáng, thường ở dạng bột giấy từ một loại thực vật dạng sợi Với sự có mặt của nước và axit, quá trình thủy phân sẽ phá vỡ các polyme xenluloza thành các polyme chuỗi nhỏ hơn hoặc các vi tinh thể Các xenluloza khác, dễ hòa tan hơn, chẳng hạn như xenlulo beta và gamma, hemicelluloses và lignin được hòa tan với axit và nước, được tách ra trong quá trình rửa MCC thường được làm khô từ bùn bằng phương pháp sấy phun Bằng các điều kiện sấy phun khác nhau, mức độ kết tụ và độ ẩm có thể được điều chỉnh, để có được các kích thước hạt cụ thể
MCC có thể được tổng hợp bằng các quá trình khác nhau bao gồm quá trình ép đùn và quá trình qua trung gian enzym, cũng có thể được tổng hợp bằng quá trình nổ hơi nước và quá trình thủy phân bằng axit Quá trình thủy phân bằng axit được ưa thích hơn
do thời gian ngắn hơn các quá trình khác Nó cũng cung cấp khả năng được áp dụng như một quá trình liên tục thay vì một quá trình kiểu lô Số lượng axit tiêu thụ hạn chế cũng là lợi thế của quy trình, trong khi mặc dù chi phí đơn vị thấp hơn do sử dụng ít hóa chất hơn, quy trình này cung cấp nhiều hạt mịn MCC hơn Bột thực vật dạng sợi được thủy phân bởi axit khoáng dưới nhiệt và áp suất Với sự có mặt của nước và axit, quá trình thủy phân sẽ phá vỡ các polyme xenluloza thành các polyme chuỗi nhỏ hơn hoặc các vi tinh thể trong đó các thành phần hòa tan của xenluloza như xenluloza beta và gamma, hemixenluloza, và lignin được hòa tan với axit và nước, được tách ra trong quá trình rửa bằng nước được tiếp tục bằng cách lọc Xenluloza alpha tinh khiết thu được sau đó đã được trung hòa và tạo ra sản phẩm cuối cùng là bùn Hỗn dịch này được làm khô để thu được bột màu trắng không hòa tan, không mùi, không vị, sau này được đặc trưng là MCC MCC có tính chất hút ẩm và không hòa tan trong nước, nhưng sẽ nở ra khi tiếp xúc với nước
12
Trang 13Cellulose vi tinh thể rất khó tinh sạch nếu không làm tăng sản phẩm phân huỷ trong quá trình chế biến Quá trình sản xuất MCC chung một phần giống như quá trình sản xuất xenlulo và bắt đầu bằng việc chặt gỗ thành các hạt nhỏ Đầu tiên, dăm gỗ trải qua một quá trình nghiền thành bột: chúng được thủy phân dưới nhiệt và áp suất bởi axit hoặc bazơ khoáng Quy trình nghiền bột thông thường (quy trình Kraft) có thể được thực hiện bằng cách sử dụng hỗn hợp natri hydroxit và natri sunfua (NaOH và Na2S) để phá
vỡ liên kết của lignin với xenlulo Một phương pháp bột giấy khác là sulphit nghiền thành bột, trong đó lignin được chiết xuất từ bột gỗ và loại bỏ bằng các muối khác nhau hoặc axit lưu huỳnh (thường là natri bisunfat NaHSO3 hoặc natri sunfat Na2SO3) Quá trình thủy phân chuyển hóa các hydroxit, oxit và sulfonat không hòa tan thành các hợp chất hòa tan Sau đó, có thể tiến hành xử lý kiềm bằng dung dịch NaOH ở nhiệt độ cao (khoảng 100°C) để loại bỏ hemicelluloses Trong quá trình này, các vùng vô định hình của xenluloza bị phá vỡ đồng thời, trong khi vẫn giữ nguyên các phân đoạn tinh thể Quá trình thủy phân được thực hiện cho đến khi đạt được mức độ trùng hợp nhất định Sau khi thủy phân, vật liệu được rửa bằng nước để loại bỏ các tạp chất hòa tan nhưng để lại cellulose kết tinh không hòa tan Sau khi lọc, bánh thu được được ngâm lại trong nước và phun làm khô bằng khí nóng Quá trình phun này có thể được mô tả là phá vỡ vật liệu sợi xenlulo thành dạng vi tinh thể và sau đó kết tụ các tinh thể này thành các hạt Mặc dù tất
cả lignin có thể bị loại bỏ trong quá trình hòa tan và lọc, một số hemicellulose vẫn có thể
có trong bột tinh khiết
Quy trình sản xuất MCC trên là phương thức sản xuất chung; các nhà sản xuất có thể sử dụng các hóa chất hoặc các bước sản xuất khác nhau để thêm chức năng cụ thể cho sản phẩm của họ Bởi vì xenluloza vi tinh thể được tinh chế và sản xuất bởi các nhà sản xuất khác nhau, công nghệ xử lý, các thông số quy trình và thậm chí cả hành động của người vận hành có thể góp phần tạo ra sự không nhất quán giữa các lô Các cơ sở sản xuất được đặt khắp nơi trên thế giới và có thể sử dụng các loài cây địa phương khác nhau
về thành phần hóa học Sự thay đổi được tạo ra bởi sự thiếu hụt và biến động về thông số
kỹ thuật của nguyên liệu ban đầu; các loài cây trồng, tính thời vụ và nguồn gốc vùng khác
Trang 14nhau có thể có tác động đáng kể Lượng hemicelluloses và lignin có thể khác nhau trong cùng một quần thể cây; cây ở giữa rừng, ven rừng, bên nắng, bên gió, vv
3 Đặc tính hóa lý
3.1 Độ ẩm
Độ ẩm của MCC ảnh hưởng đến tính chất đầm nén, độ bền kéo và nhớt thuộc tính.
Độ ẩm trong lỗ rỗng của MCC có thể hoạt động như một chất bôi trơn bên trong, giảm lực ma sát, và tạo điều kiện thuận lợi cho sự trượt và chảy dẻo bên trong các vi tinh thể riêng lẻ Các đặc tính bôi trơn của nước cũng có thể làm giảm sự thay đổi mật độ của viên nén bằng cách cung cấp sự truyền lực nén tốt hơn qua đầm nén và bằng cách giảm độ bám dính của viên nén với thành khuôn Khả năng nén của MCC phụ thuộc vào độ ẩm,
có nghĩa là khi MCC có độ ẩm khác nhau được nén với cùng một áp suất, nó có thể không tạo ra độ xốp nén giống nhau Áp suất đầm nén cần thiết để tạo ra độ xốp nhất định (hoặc phần rắn) giảm khi độ ẩm tăng Hàm lượng nước dưới 3%, các đặc tính nén chặt của MCC không nhạy cảm với sự thay đổi của độ ẩm Tuy nhiên, ở mức tối ưu, sự gia tăng độ ẩm sẽ làm tăng độ bền của viên nén của hầu hết các tá dược Điều này có thể được giải thích là do liên kết phân tử trong các lớp hơi nước làm giảm khoảng cách bề mặt giữa các phân tử, do đó làm tăng lực hút giữa các phân tử
3.2 Kích thước hạt
Kích thước hạt có ảnh hưởng rất ít đến khả năng tạo viên của MCC gọn gàng, tức
là, không được bôi trơn cũng như không bị pha trộn với các tá dược hoặc thành phần dược hoạt tính khác (API) Kích thước hạt MCC và độ ẩm thường được coi là CMA quan trọng nhất đối với hiệu suất đóng viên Giảm kích thước hạt của MCC sẽ làm tăng tính kết dính và do đó chắc chắn ảnh hưởng đến tính chảy của nó
Theo Kushner các kích thước hạt khác nhau của tá dược có thể ảnh hưởng đến các đặc tính của viên bao gồm độ cứng, độ bở, độ rã và tính đồng nhất của hàm lượng Khả năng chảy được cải thiện sẽ đạt được khi sử dụng các MCC thô hơn cũng như giảm sự thay đổi trọng lượng viên Theo Hlinak rằng kích thước hạt cũng có thể ảnh hưởng đến tính chất thấm ướt, sự hòa tan của API và tính ổn định của các sản phẩm thuốc
3.3 Hình thái hạt
14