Tạo màng từ chitosan biến tính với một số anhydride và aldehyde ứng dụng làm bao bì thực phẩm

Tính mới và sáng tạo: Cải thiện các nhược điểm của màng chitosan bằng các anhydride và aldehyde xem xét những biến đổi khi điều chỉnh về nồng độ anhydride và aldehyde cũng như thời gian

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

S K C 0 0 8 0 8 9

TẠO MÀNG TỪ CHITOSAN BIẾN TÍNH VỚI MỘT SỐ ANHYDRIDE VÀ ALDEHYDE ỨNG DỤNG LÀM

BAO BÌ THỰC PHẨM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

Tạo màng từ chitosan biến tính với một số anhydride và aldehyde

ứng dụng làm bao bì thực phẩm.

SV2022-53 Thuộc nhóm ngành khoa học:

SV thực hiện: Đoàn Hồng Trúc Nam, Nữ: Nữ

Dân tộc: Kinh Khoa : Công nghệ Hóa học và Thực phẩm

Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học Người hướng dẫn: PGS.TS.Nguyễn Vinh Tiến

TP Hồ Chí Minh, 10/2022

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan về nguyên liệu 2

1.1.1 Tổng quan về chitosan 2

1.1.2 Tổng quan về nguồn gốc chitosan 3

1.1.3 Tính chất của chitosan 5

1.1.4 Ứng dụng của chitosan 7

1.2 Tổng quan về sản xuất màng chitosan 11

1.3 Tổng quan về Anhydride acetic 12

1.4 Tổng quan về anhydride aenzoic 13

1.5 Tổng quan về vanillin 14

1.6 Tổng quan về cinamaldehyde 15

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH 17

2.1 Vật liệu và thiết bị 17

2.1.1 Hoá chất 17

2.1.2 Thiết bị sử dụng 17

2.2 Phương pháp nghiên cứu 17

2.2.1 Sơ đồ quá trình nghiên cứu 18

2.3 Quy trình thực hiện 19

2.3.1 Phổ hồng ngoại FTIR - Fourier Transform Infrared Spectroscopy 20

2.3.2 Xác định độ ẩm, độ hấp thụ nước, độ tan trong nước của màng 20

2.3.3 Góc tiếp xúc 22

2.3.4 Khảo sát sự giải phóng chất dùng để biến tính vào trong dung dịch cồn 50% theo thời gian 22

2.3.5 Cơ tính 23

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 24

3.1 Phân tích cấu trúc hoá học thông qua phổ FTIR 24

3.1.1 Phổ FTIR của màng Cs biến tính bằng anhydride acetic (Ac:Cs) 27

3.1.2 Phổ FTIR của màng Cs biến tính bằng anhydride benzoic (Be:Cs) 35

3.1.3 Phổ FTIR của màng Cs biến tính bằng cinnamaldehyde (Cin:Cs) 40

3.1.4 Phổ FTIR của màng Cs biến tính bằng vanillin (Va:Cs) 45

3.1.5 So sánh phổ FTIR ở các chất khác nhau 52

3.2 Độ ẩm, khả năng hấp thụ nước và khả năng hoà tan trong nước 55

3.3 Khảo sát góc tiếp xúc (CA) 62

3.4 Khảo sát sự giải phóng chất dùng để biến tính vào trong dung dịch cồn 50% theo thời gian 64

3.5 Cơ tính 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 76

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Khối lượng chất dùng để biến tính màng cần để phản ứng với 0.3g Chitosan 20Bảng 3.1: So sánh số sóng các liên kết đo được trong phổ FTIR của Cs được đo và các nghiên cứu khác 26Bảng 3.2: Bảng phân tích số sóng trên phổ FTIR của màng chitosan khi thay đổi nồng

độ anhydride acetic 31Bảng 3.3: Bảng phân tích số sóng trên phổ FTIR của màng chitosan khi thay đổi thời gian phản ứng với qnhydride acetic 34Bảng 3.4: Bảng phân tích số sóng trên phổ FTIR của màng chitosan khi thay đổi nồng

độ anhydride benzoic 37Bảng 3.5: Bảng phân tích số sóng trên phổ FTIR của màng chitosan thay đổi thời gian phản ứng với anhydride benzoic 39Bảng 3.6: Bảng phân tích số sóng trên phổ FTIR màng chitosan khi thay đổi nồng độ cinnamaldehyde 42Bảng 3.7: Bảng phân tích số sóng trên phổ FTIR màng chitosan khi thay đổi thời gian phản ứng với cinnamaldehyde 44Bảng 3.8: Bảng phân tích số sóng trên phổ FTIR màng chitosan khi thay đổi nồng độ vanillin 48Bảng 3.9: Bảng phân tích số sóng trên phổ FTIR màng chitosan khi thay đổi thời gian phản ứng với Vanillin 51Bảng 3.10: Đỉnh phổ FTIR của màng Cs được biến tính bằng các chất khác nhau 54Bảng 3.11: Các kết quả về độ ẩm, độ hấp thụ nước và độ tan của màng 55Bảng 3.12: Góc tiếp xúc của màng với nước (n=3) 62DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Cấu trúc Chitosan 3Hình 1.2: Phản ứng deacetyl hoá Chitin thành Chitosan 3Hình 1.3: Cấu trúc hoá học của chitin 4

Hình 1.4: Chitin dạng vảy 4

Hình 1.5: Nguồn gốc Chitin 5

Hình 1.6: Hình dạng của chitosan: dạng vảy (bên trái), dạng bột (bên phải) 5

Hình 1.7: Một vài ứng dụng của chitosan 8

Hình 1.8: Một số ứng dụng y sinh của chitosan 8

Hình 1.9: Trái cây được và không được bảo quản bằng chitosan 9

Hình 1.10: Cấu trúc hợp chất anhydride acetic 12

Hình 1.11: Cấu trúc phân tử anhydride benzoic 13

Hình 1.12: Cấu trúc phân tử vanillin 14

Hình 1.13: Cấu trúc phân tử cinamaldehyde 15

Hình 2.1: Sơ đồ quá trình biến tính màng chitosan 18

Hình 2.2: Phương pháp Solvent – Casting 19

Hình 2.3: Máy đo FTIR – 4700, Jasco, Nhật Bản 20

Hình 2.4: Phân tích góc tiếp xúc bằng ImageJ 22

Hình 2.5: Máy đo cơ tính NK – 50 (Njouka, Trung Quốc) 23

Hình 3.1: Phổ FTIR của vẩy chitosan gốc và màng chitosan 25

Hình 3.2: Phản ứng của chitosan và acetic acid 27

Hình 3.3: Phản ứng N – acetyl hoá chitosan 27

Hình 3.4: Phổ FTIR Ac:Cs theo nồng độ anhydride acetic 29

Hình 3.5: Phổ FTIR Ac:Cs theo nồng độ anhydride acetic 1800 – 1300 cm-1 30

Hình 3.6: Phổ FTIR Ac:Cs theo thời gian phản ứng 32

Hình 3.7: Phổ FTIR Ac:Cs theo thời gian phản ứng 1800 – 1300 cm-1 33

Hình 3.8: Phản ứng N – Acyl hoá Cs bằng anhydride benzoic 35

Hình 3.9: Phổ FTIR Be:Cs theo nồng độ anhydride Benzoic 36

Hình 3.10: Phổ FTIR Be:Cs theo nồng độ anhydride benzoic 1800 – 1300 cm-1 36

Hình 3.11: Phổ FTIR ảnh hưởng theo thời gian từ 1800 – 1300 cm-1 38

Hình 3.12: Phản ứng schiff base Cs bằng cinnamaldeyde 40

Hình 3.13: Phổ FTIR Cin:Cs theo nồng độ cinnamaldehyde 41

Hình 3.14: Phổ FTIR Cin:Cs theo nồng độ cinnamaldehyde 1800 – 1300 cm-1 41

Hình 3.15: Phổ FTIR Cin:Cs theo thời gian phản ứng 1800 – 1300 cm-1 43

Hình 3.16: Phản ứng Schiff Base giữa Cs và vanillin 45

Hình 3.17: Phổ FTIR Va:Cs theo nồng độ vanillin 46

Hình 3.18: Phổ FTIR Va:Cs theo nồng độ vanillin 1800 – 1300 cm-1 47

Hình 3.19: Phổ FTIR khảo sát theo thời gian phản ứng với vanillin 1800 – 1300 cm -1 50

Hình 3.20: Phổ FTIR của màng Cs được biến tính bằng các chất khác nhau 52

Hình 3.21: Phổ FTIR của màng Cs được biến tính bằng các chất 1800 – 1300 cm-1 53 Hình 3.22: Đồ thị so sánh độ ẩm, độ hấp thụ nước, độ tan trong nước của màng Ac:Cs theo nồng độ 58

Hình 3.23: Đồ thị so sánh độ ẩm, độ hấp thụ nước, độ tan trong nước của màng Ac:Cs theo thời gian phản ứng 58

Hình 3.24: Đồ thị so sánh độ ẩm, độ hấp thụ nước, độ tan trong nước của màng Be:Cs theo nồng độ 59

Hình 3.25: Đồ thị so sánh độ ẩm, độ hấp thụ nước, độ tan trong nước của màng Be:Cs theo thời gian phản ứng 59

Hình 3.26: Đồ thị so sánh độ ẩm, độ hấp thụ nước, độ tan trong nước của màng Cin:Cs theo nồng độ 60

Hình 3.27: Đồ thị so sánh độ ẩm, độ hấp thụ nước, độ tan trong nước của màng Cin:Cs theo thời gian phản ứng 60

Hình 3.28: Đồ thị so sánh độ ẩm, độ hấp thụ nước, độ tan trong nước của màng Va:Cs theo nồng độ 61

Hình 3.29: Đồ thị so sánh độ ẩm, độ hấp thụ nước, độ tan trong nước của màng Cin:Cs theo thời gian phản ứng 61

Hình 3.30: Nồng độ (ppm) acid acetic được giải phóng, theo nồng độ Ac (bên phải), theo thời gian phản ứng (bên trái) 65

Hình 3.31: Nồng độ (ppm) acid benzoic được giải phóng, theo nồng độ Be (bên phải), theo thời gian phản ứng (bên trái) 65

Hình 3.32: Nồng độ (ppm) Cin được giải phóng, theo nồng độ Cin (bên phải), theo thời gian phản ứng (bên trái) 66

Hình 3.33: Nồng độ (ppm) Va được giải phóng, theo nồng độ Va (bên phải), theo thời gian phản ứng (bên trái) 66Hình 3.34: Sơ đồ so sánh tốc độ giải phóng trung bình 67Hình 3.35: Ảnh hưởng nồng độ chất biến tính đến độ giãn dài (bên trái), độ bền kéo (bên phải) 69Hình 3.36: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ giãn dài (bên trái), độ bền kéo (bên phải) 69

DANH MỤC VIẾT TẮT

Ac: anhydride acetic

Ac:Cs 1:1 Màng được biến tính với anhydride acetic, tỷ lệ mol anhydride acetic

và D – Glucosamine là 1:1 Ac:Cs 1:2 Màng được biến tính với anhydride acetic, tỷ lệ mol anhydride acetic

và D – Glucosamine là 1:2 Ac:Cs 1:4 Màng được biến tính với anhydride acetic, tỷ lệ mol anhydride acetic

và D – Glucosamine là 1:4 Ac:Cs 1h Màng được biến tính với anhydride acetic, tỷ lệ mol anhydride acetic

và D – Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 1 giờ Ac:Cs 2:2 Màng được biến tính với anhydride acetic, tỷ lệ mol anhydride acetic

và D – Glucosamine là 2:1 Ac:Cs 24h Màng được biến tính với anhydride acetic, tỷ lệ mol anhydride acetic

và D – Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 24 giờ Ac:Cs 3h Màng được biến tính với anhydride acetic, tỷ lệ mol anhydride acetic

và D – Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 3 giờ Ac:Cs 6h Màng được biến tính với anhydride acetic, tỷ lệ mol anhydride acetic

và D – Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 6 giờ Be: anhydride benzoic

Be:Cs 1:1 Màng được biến tính với anhydride benzoic, tỷ lệ mol anhydride

benzoic và D – Glucosamine là 1:1 Be:Cs 1:2 Màng được biến tính với anhydride benzoic, tỷ lệ mol anhydride

benzoic và D – Glucosamine là 1:2 Be:Cs 1:4 Màng được biến tính với anhydride benzoic, tỷ lệ mol anhydride

benzoic và D – Glucosamine là 1:4 Be:Cs 1h Màng được biến tính với anhydride benzoic, tỷ lệ mol anhydride

benzoic và D – Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 1 giờ

Be:Cs 2:2 Màng được biến tính với anhydride benzoic, tỷ lệ mol anhydride

benzoic và D – Glucosamine là 2:1 Be:Cs 24h Màng được biến tính với anhydride benzoic, tỷ lệ mol anhydride

benzoic và D – Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 24 giờ Be:Cs 3h Màng được biến tính với anhydride benzoic, tỷ lệ mol anhydride

benzoic và D – Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 3 giờ Be:Cs 6h Màng được biến tính với anhydride benzoic, tỷ lệ mol anhydride

benzoic và D – Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 6 giờ CA: Contact Angle – Góc tiếp xúc

Cin: Cinnamaldehyde

Cin:Cs 1:1 Màng được biến tính với cinnamaldehyde, tỷ lệ mol cinnamaldehyde

và D – Glucosamine là 1:1 Cin:Cs 1:2 Màng được biến tính với cinnamaldehyde, tỷ lệ mol cinnamaldehyde

và D – Glucosamine là 1:2 Cin:Cs 1:4 Màng được biến tính với cinnamaldehyde, tỷ lệ mol cinnamaldehyde

và D – Glucosamine là 1:4 Cin:Cs 1h Màng được biến tính với cinnamaldehyde, tỷ lệ mol cinnamaldehyde

và D – Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 1 giờ Cin:Cs 2:2 Màng được biến tính với cinnamaldehyde, tỷ lệ mol Cinnamaldehyde

và D – Glucosamine là 2:1 Cin:Cs 24h Màng được biến tính với cinnamaldehyde, tỷ lệ mol cinnamaldehyde

và D – Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 24 giờ Cin:Cs 3h Màng được biến tính với cinnamaldehyde, tỷ lệ mol cinnamaldehyde

và D – Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 3 giờ Cin:Cs 6h Màng được biến tính với cinnamaldehyde, tỷ lệ mol cinnamaldehyde

và D – Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 6 giờ Cs: Chitosan

FTIR: Fourier Transform Infrared Spectroscopy - Phổ hồng ngoại

Glucosamine là 1:2 Va:Cs 1:4 Màng được biến tính với vanillin, tỷ lệ mol vanillin và D –

Glucosamine là 1:4 Va:Cs 1h Màng được biến tính với vanillin, tỷ lệ mol vanillin và D –

Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 1 giờ Va:Cs 2:2 Màng được biến tính với vanillin, tỷ lệ mol vanillin và D –

Glucosamine là 2:1 Va:Cs 24h Màng được biến tính với vanillin, tỷ lệ mol vanillin và D –

Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 24 giờ Va:Cs 3h Màng được biến tính với vanillin, tỷ lệ mol vanillin và D –

Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 3 giờ Va:Cs 6h: Màng được biến tính với vanillin, tỷ lệ mol vanillin và D –

Glucosamine là 1:1 với thời gian phản ứng 6 giờ

WS (%): Water solubility – Độ tan trong nước

WU (%): Water uptake – Độ hấp thụ nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Tạo màng từ chitosan biến tính với một số anhydride và aldehyde ứng

dụng làm bao bì thực phẩm

- Chủ nhiệm đề tài: Đoàn Hồng Trúc Mã số SV:19128089

- Lớp: 19128H Khoa: Công nghệ Hóa học và Thực phẩm

- Thành viên đề tài:

1 Lê Thị Huỳnh Như 19128059 19128H Công nghệ

Hóa học và Thực phẩm

2 Lương Tuấn Tùng 18128074 18128H Công nghệ

Hóa học và Thực phẩm

- Người hướng dẫn: PGS.TS.Nguyễn Vinh Tiến

2 Mục tiêu đề tài: Tạo ra một màng với Chitosan biến tính với một số anhydride và

aldehyde như vanillin, isovanillin, cinnamaldehyde, acetic anhydride giúp cải thiện tính chất về cơ tính và khả năng chống chịu nước của nó Ngoài ra các aldehyde có khả năng kháng khuẩn giúp cho thực phẩm giữ được lâu

3 Tính mới và sáng tạo:

Cải thiện các nhược điểm của màng chitosan bằng các anhydride và aldehyde xem xét những biến đổi khi điều chỉnh về nồng độ anhydride và aldehyde cũng như thời gian phản ứng để tạo ra một vật liệu có thể thay thế cho các polymer có nguồn gốc từ hoá

thạch trong tương lai

4 Kết quả nghiên cứu:

Tạo ra được màng chitosan với khả năng kéo dãn của màng giảm và lực kéo tăng, độ

ẩm cũng như khả năng hấp thụ nước, độ tan giảm dần so với màng chitosan chưa biến đổi ban đầu

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

Vì màng Cs có khả năng phân huỷ sinh học nên sẽ là vật liệu tiềm năng thay thế cho nhựa có nguồn gốc từ hoá thạch trong tương lai Các chất được dùng để biến tính đều

có khả năng kháng lại vi sinh vật nên có thể ứng dụng vào bảo quản thực phẩm tươi sống Từ đó sẽ giúp pháp triển trong các lĩnh vực như bao bì, bảo quản thực phẩm chống mất các giá trị dinh dưỡng trong thực phẩm được bảo quản

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí

nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày tháng năm

SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài

(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề

tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

Ngày tháng năm

Người hướng dẫn

(kí, họ và tên)

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Gần đây, đã có những nghiên cứu đáng kể được thực hiện để phát triển và áp dụng các polyme có thể phân huỷ sinh học được làm từ nhiều loại nông sản hoặc phế phẩm từ thực phẩm Sự quan tâm ngày càng tăng lên do căng thẳng, lo ngại về sự suy giảm nguồn nguyên liệu có nguồn gốc từ hoá thạch và tác động đến môi trường do sử dụng vật liệu đóng gói làm từ nhựa không phân huỷ sinh học

Những chất tạo màng có khả năng phân huỷ sinh học ngày càng được quan tâm như là tinh bột, dẫn xuất của cellulose, chitosan/ chitin, mủ trôm, … Những vật liệu này cung cấp khả năng có thể tạo lớp màng mỏng và lớp phủ để bao quản thực phẩm tươi hoặc

đã qua chế biến để kéo dài thời gian sử dụng

Trong những vật liệu trên thì chitosan có tiềm năng hơn cả vì khả năng tương tác sinh học, thẩm mỹ, ngăn khí tốt, không độc hại, không gây ô nhiễm và giá thành rẻ Ngoài

ra màng chitosan có thể tự hoạt động như một chất vận chuyển các chất phụ gia thực phẩm (chất chống oxy hoá, chất chống vi khuẩn) nên chúng đã được đặc biệt xem xét trong bảo quản thực phẩm do chúng có khả năng kéo dài thời gian bảo quản Tuy nhiên màng chitosan lại có những nhược điểm là dễ dàng tan trong nước và tính chất cơ tính không cao Khi bổ xung những chất như anhydride và aldehyde không những có thể tăng khả năng kháng khuẩn, vì những chất này vốn dĩ có khả năng kháng khuẩn, mà còn có thể giảm tính ưa nước Chính vì vậy, bài nghiên cứu này sẽ nghiên cứu về: “Tạo màng từ chitosan biến tính với một số anhydride và aldehyde ứng dụng làm bao bì thực

phẩm” nhằm đánh giá sự thay đồi về cấu trúc hoá học cũng như các tính chất của màng

khi được bổ xung các chất như là anhydride acetic, anhydride benzoic, cinnamaldehyde, vanillin

2 Mục tiêu nghiên cứu

Khảo sát những thay đổi về mặt cấu trúc hoá học khi thay đổi chất biến tính, nồng độ các chất này, thời gian phản ứng đến tính chất của màng chitosan

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tương nghiên cứu: chitosan, anhydride acetic, anhydride benzoic, cinnamaldehyde, vanillin

Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu được thực hiện với điều kiện phòng thí nghiệm

4 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu về tỷ lệ mol giữa anhydride/aldehyde và D-glucosamine trong chitosan (1:4, 1:2, 1:1, 2:1) và thay đổi thời gian phản ứng (1, 3, 6, 24 giờ) đến cấu trúc hoá học

và tính chất của màng chitosan như phổ FTIR, khả năng tương tác với nước, độ ẩm, độ tan, độ hấp thụ nước, khả năng khuếch tán acid (từ anhydride) và aldehyde về lại môi trường

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Cải thiện các nhược điểm của màng chitosan bằng các anhydride và aldehyde xem xét những biến đổi khi điều chỉnh về nồng độ anhydride và aldehyde cũng như thời gian phản ứng để tạo ra một vật liệu có thể thay thế cho các polyme có nguồn gốc từ hoá thạch trong tương lai

6 Bố cục bài nghiên cứu

Bài nghiên cứu được chia thành các phần:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Nội dung và phương pháp thực hiện

Chương 3: Kết quả và bàn luận

D-Hình 1.1: Cấu trúc Chitosan

Phản ứng deacetyl hoá tạo thành chitosan là quá trình loại bỏ các nhóm acetyl khỏi chitin và thay thế bằng các nhóm amine (-NH2) và mức độ deacetyl hoá (DDA) xác định nồng độ của các nhóm amine tự do trong cấu trúc [2]

Hình 1.2: Phản ứng deacetyl hoá Chitin thành Chitosan

1.1.2 Tổng quan về nguồn gốc chitosan

Chitosan (Cs) là chitin được deacetyl hoá một phần hoặc hoàn toàn, bao gồm lượng dư 2-acetamono-2-deoxy--D-glucopyranose (GlcNac, A) và 2-animo-2-deoxy--D glucopyranose (GlcN, D), chitin (C8H13O5N)n là một polymer chuỗi dài của một N-Acetylglucosamine, một dẫn xuất của glucose Chúng là một dạng polysaccharid mạch thẳng gồm các tiểu phân N-acetyl-D-glucosamine kết hợp lại với nhau theo liên kết β (14) glycoside Cấu trúc của chitin là poly[β-(14)-2-acetamido-2-deoxy-D-glucopyranose] [1]

Hình 1.3: Cấu trúc hoá học của chitin

Chitin, có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp là “chiton” có nghĩa là lớp vỏ ngoài hay sự bao bọc, là một polysaccharide tự nhiên gồm các đơn vị monomers -(14)-N-acetyl-D-glucosamine Chitin là polymer chứa nitơ, có màu trắng, cứng, không đàn hồi được tìm thấy trong bộ xương ngoài và trong cấu trúc bên trong của động vật không xương sống Việc sản xuất chitosan từ vỏ giáp xác là chất thải của ngành công nghiệp thực phẩm giúp tối ưu hoá về mặt kinh tế, giảm thải ô nhiễm môi trường Nhược điểm của chitin

là có ứng dụng hạn chế do có các nhóm acetyl, nhưng thông qua quá trình deacetyl hoá, chitin được chuyển thành chitosan Trong quá trình deacetyl hóa, nhóm acetyl có trong chitin được chuyển thành nhóm hydroxyl (-OH) và amineo (-NH2) Việc sửa đổi các nhóm này có trong chitosan mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Có thể sửa đổi cấu trúc của chitosan bằng các phương pháp hóa học Hầu hết các ứng dụng mới đều tập trung vào các đặc tính và sửa đổi các vật liệu tổng hợp của nó

Hình 1.4: Chitin dạng vảy

Các nguồn cung cấp chitin ở trong tự nhiên:

- Động vật: Giáp xác, tôm, cua, vảy cá, nhuyễn thể, …

- Côn trùng: Gián, nhện, bọ cánh cứng, kiến, …

- Vi sinh vật: Nấm, tảo nâu, bào tử, tảo lục, …

tử trung tính của chitosan [1]

Hình 1.66: Hình dạng của chitosan: dạng vảy (bên trái), dạng bột (bên phải)

Chitosan không thể hoà tan trong nước nhưng có thể hoà tan trong acid hữu cơ như acid fomic hay acid acetic loãng, sau đó nó trở thành polymer cation do sự proton hoá

của các nhóm amine có sẵn trong phân tử Tuy nhiên chitosan lại không tan trong dung dịch acid acetic đậm đặc, do ở nhiệt độ cao acid acetic đậm đặc có thể gây ra phản ứng khử trùng hợp của chitosan Khả năng hoà tan của chitosan trong dung dịch acid loãng phụ thuộc vào mức độ deacetyl hoá Tính chất này có thể được sử dụng để phân biệt giữa chitin và chitosan Mức độ deacetyl hoá phải đạt ít nhất 85% để đạt được độ hoà tan mong muốn Các tính chất của dung dịch chitosan không chỉ phụ thuộc vào độ deacetyl hoá trung bình mà còn phụ thuộc vào sự phân bố các nhóm acetyl dọc theo mạch, nồng độ cũng như loại acid làm dung môi

1.1.3.2 Phân tử khối

Chitosan và các dẫn xuất của nó đang được sử dụng nhiều trong đời sống, những đặc tính của những vật liệu này được phát hiện là phụ thuộc vào DDA, độ kết tinh và Mw của chúng DDA và Mw của chitosan bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, thời gian và áp suất của quá trình deacetyl hóa chitosan Quá trình deacetyl hóa đạt hiệu quả cao bằng cách rửa liên tục sản phẩm trung gian bằng nước trong quá trình xử lý kiềm Mw trung bình của chitosan là ~500 kDa với 100% DDA DDA tăng nhanh lên khoảng 68% trong giờ đầu tiên xử lý bằng kiềm (50% NaOH) ở

100oC và tiếp tục tăng dần chậm theo thời gian

Có một số phương pháp được sử dụng để tính Mw, chẳng hạn như tán xạ ánh sáng, sắc

ký thấm gel (GPC), và máy đo độ nhớt mao quản Phương pháp đo độ nhớt mao quản

là phương pháp đơn giản nhất và được sử dụng rộng rãi nhất để xác định Mw của chitosan Trong quá trình phân tích, máy đo độ nhớt mao quản loại Ubbelohde được sử dụng để đo thời gian chảy của dung dịch chảy qua ống mao dẫn ở 25oC Các dung dịch

có độ nhớt khác nhau của chitosan được sử dụng ở các nồng độ khác nhau từ 0,00125% đến 0,15% trong acid acetic 0,1 M 0,2 M Các dung dịch NaCl Nhớt kế được đổ đầy mẫu và được cân bằng trong nồi cách thủy ở 25oC Thời gian chảy của dung dịch và dung môi được đo để tính độ nhớt tương đối Phương trình Mark Houwink Sakurada đưa ra dưới đây cung cấp mối quan hệ giữa độ nhớt nội tại (η) và Mw [3]:

[η] = K x [Mw]a = 3,04 x 10-5[Mw]1,26

Dựa trên Mw, chitosan được phân loại thành ba loại khác nhau, đó là chitosan khối lượng phân tử thấp (LMWC; <50 kDa), chitosan khối lượng phân tử trung bình

(MMWC; 50 – 250 kDa) và chitosan trọng lượng phân tử cao (HMWC; >250 kDa LMWC có khả năng kháng khuẩn và kháng nấm, kháng u, chuyển hóa lipid, Ngoài

ra, Mw cũng đóng một vai trò quan trọng trong các đặc tính lưu biến của biopolymer

Nó tác động trực tiếp đến sự phát triển của vật liệu sinh học dựa trên chitosan HMWC được sử dụng trong màng chitosan bậc bốn với đặc tính hòa tan trong nước và loại bỏ gốc tự do [1]

1.1.3.3 Độ nhớt

Chitosan là dẫn xuất đã được deacetyl hóa được biết đến nhiều nhất của chitin, vì một trong những tính chất độc đáo của nó là chitosan có đa chức khi hòa tan trong dung dịch acid (giá trị pKa = 6,0) Do đó, chất tạo màng sinh học này rất hữu ích khi ứng dụng trong công nghiệp và y sinh Khi hòa tan chitosan trong dung dịch aicd loãng, nó tạo ra một dung dịch nhớt Độ nhớt của dung dịch chitosan liên quan đến Mw, DDA, nồng độ, pH và nhiệt độ của dung dịch [1]

Độ nhớt của dung dịch chitosan, ở cấp độ phân tử, là thước đo trực tiếp thể tích của các phân tử polyme, lần lượt được điều chỉnh bởi kích thước phân tử hoặc chiều dài mạch

Độ nhớt của dung dịch polyme được đo rộng rãi bằng nhớt kế mao quản và giá trị của

nó được sử dụng để xác định Mw trung bình của polyme bằng cách sử dụng phương trình Mark Houwink Độ nhớt [η] có thể được xác định theo công thức sau [1]:

[η] = (η − ηs)

ηsC

Độ nhớt và độ chảy của các dung dịch đậm đặc của chitosan với các mức deacetyl hóa khác nhau là khác nhau Độ nhớt và tính chất dòng phi Newton của các dung dịch tăng lên khi tăng DDA của chitosan Mặt khác, muối bổ sung làm giảm độ nhớt và tính chất chảy phi Newton của dung dịch chitosan

1.1.4 Ứng dụng của chitosan

Chitosan có ứng dụng trong nhiều trong các lĩnh vực khác nhau, từ lĩnh vực nông nghiệp đến các lĩnh vực công nghệ cao như là công nghệ sinh học và công nghệ nano Với các nhóm chức như hydroxyl và các nhóm amine, chitosan có thể được sửa đổi bằng các phản ứng hóa học được kiểm soát Chúng cũng được sử dụng để thay đổi các đặc tính vật lý của dung dịch Tùy vào lĩnh vực ứng dụng mà người ta sử dụng chitosan

ở các mức độ tinh sạch khác nhau [1]

Hình 1.77: Một vài ứng dụng của chitosan

1.1.4.1 Ứng dụng trong y sinh

Hầu hết các mô sống đều mang điện tích âm, nhưng chitosan lại mang điện tích dương nên bị hút vào các mô, da, xương và tóc Bề mặt bên ngoài của hầu hết các vi khuẩn cũng mang điện tích âm Do đó, khả năng liên kết của chitosan là một đặc tính quan trọng đối với tất cả các loại tế bào sống cũng như các ứng dụng y sinh Ứng dụng y sinh của chitosan cũng phụ thuộc vào các đặc tính sinh học của nó như trong Hình 1.7 Các hạt chitosan có thể dễ dàng hình thành với nhiều độ xốp và kích cỡ khác nhau Các hạt của nó thích hợp để phân phối thuốc và cố định enzym và tế bào [4]

Hình 1.88: Một số ứng dụng y sinh của chitosan

Chitosan có đặc tính sinh học đặc biệt, tái tạo mô, kháng khuẩn, chống viêm và cầm máu Các ứng dụng y sinh của chitosan có liên quan đến các đặc tính quan trọng nhất

của nó: tính tương hợp sinh học và khả năng phân hủy sinh học Tính tương hợp sinh học liên quan trực tiếp đến độc tính tế bào của vật liệu Phương pháp nuôi cấy tế bào

là cách đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất để nghiên cứu cả độc tính và tương tác giữa chitosan với tế bào

1.1.4.2 Bao bì thực phẩm

Chitosan có các nhóm cationic trên mạch của nó Nó cho thấy đặc tính kháng khuẩn chống lại vi khuẩn, nấm men, nấm mốc và nấm [5] Chitosan hoạt động như một chất chống vi khuẩn Bản chất đa ion (điện tích dương) của chitosan can thiệp vào quá trình trao đổi chất của vi khuẩn bằng cách xếp chồng tĩnh điện (điện tích âm) ở bề mặt tế bào Chitosan với Mw thấp sẽ đi vào nhân tế bào và ngăn chặn quá trình phiên mã RNA

từ DNA do sự hấp phụ vào các phân tử DNA Hơn nữa, xử lý bằng chitosan cung cấp khả năng bảo vệ chống lại vi sinh vật

Hình 1.99: Trái cây được và không được bảo quản bằng chitosan

Chitosan có đặc tính tạo màng tuyệt vời hoặc các màng bán thấm khí Được biết, những loại màng này có độ thấm oxy thấp Do đó, chitosan và dẫn xuất của nó có các đặc tính độc đáo như khả năng phân hủy sinh học, tính tương thích sinh học, không độc hại và khả năng tái tạo cũng như rẻ tiền và có sẵn trên thị trường Chitosan có độ hòa tan nhất định trong acid acetic và acid clohydric, có thể thúc đẩy khả năng tạo màng Màng dựa trên chitosan có thể được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau, chẳng hạn như đúc, phủ và lắp ráp từng lớp

Các đặc tính có thể được sửa đổi, đó là tính ổn định nhiệt, hoạt tính kháng khuẩn, tính chất cơ học, hoạt tính chống oxy hóa và tính chất quang học Tuy nhiên, đôi khi các

chất có chức năng khác được thêm vào chitosan để chế tạo màng phức hợp nhằm tăng

ưu điểm của màng Màng được biến tính được sử dụng cho các loại thực phẩm khác nhau, chẳng hạn như thịt, trái cây và rau quả với tác dụng bảo quản đặc biệt, thể hiện tiềm năng như một loại bao bì thực phẩm thay thế Màng chitosan tinh khiết ngăn chặn

sự phát triển của vi sinh vật cũng như cho thấy hoạt động chống oxy hóa, do đó kéo dài thời hạn sử dụng Màng chitosan trên cơ sở phân tán có đường kính 600 nm chứng

tỏ khả năng bảo quản thực phẩm tốt hơn so với màng phân tán chitosan submicron có kích thước 1000 nm Chitosan được thêm vào các chất hóa dẻo như glycerol và sorbitol

để cải thiện độ bền, khả năng kéo dài, tính linh hoạt và tính di động Một số bao bì hút chân không thường sử dụng màng chitosan nguyên chất để bảo quản hải sản, chẳng hạn như cá kiếm, cá vược và cá hồi [6]

1.1.4.3 Nhựa sinh học

Rác thải nhựa đang trở thành một vấn nạn toàn cầu Nhựa phân hủy sinh học được đề xuất do có cùng độ bền với nhựa thông thường Sau khi sử dụng phải tự phân hủy trong đất và không gây ô nhiễm môi trường Giai đoạn phân hủy có thể được kiểm soát với chi phí thấp Các polyme tự nhiên, chẳng hạn như chitosan, được phân hủy bởi vi sinh vật trong đất và các vật liệu phân hủy không gây ô nhiễm môi trường Nhựa có thể phân hủy sinh học có thể được sản xuất bằng cách biến đổi các polyme tự nhiên thành vật liệu tổng hợp Những vật liệu này là celluloseza và chitosan Hơn nữa chitosan có cấu trúc như cellulosezơ Phân tử Chitin là một polyme tự nhiên mạch thẳng tương ứng với cellulose, trong đó C2 được thay thế bằng nhóm acetylamineo Nó có các chức năng khác nhau, chẳng hạn như khả năng tương thích sinh học, hoạt tính kháng sinh và khả năng tạo màng, và đã được sử dụng làm nguyên liệu trong ngành công nghiệp thực phẩm [7]

Hiện nay, chất dẻo phân hủy sinh học mới đã có nguồn gốc từ cellulose và chitosan Mặc dù chitosan không hòa tan trong nước, nhưng nó hòa tan trong aicd acetic, và hòa tan trong nước với bản chất cation Màng chitosan này bảo quản các loại thực phẩm khác nhau, chẳng hạn như chuối, lựu, cà rốt, xoài, cà chua, cá, đu đủ và dâu tây, với độ

ổn định lưu trữ được cải thiện [1]

1.1.4.4 Nanocomposite

Polyme được coi là vật liệu chủ tốt cho các hạt nano kim loại và bán dẫn, mặt khác, nó lại thể hiện các đặc tính quang và điện đặc biệt Các polyme tổng hợp thường được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau của nanocomposite, chúng là nguồn chất thải chính sau khi sử dụng và có khả năng phân hủy sinh học kém Do đó, các chất tạo màng sinh học, chẳng hạn như các vật liệu phân hủy sinh học như polysaccharide, protein và acit nucleic, được sử dụng trong các vật liệu nano khác nhau Chitosan là một polysaccharide sinh được sử dụng rộng rãi như một chất nền trong nanobiocomposites

vì tính tương thích sinh học cao và khả năng phân hủy sinh học của nó [8] Trong số nhiều polyme mạch thẳng, chitosan có những ưu điểm ấn tượng nhất là giá thành rẻ, không độc hại, các vị trí phối hợp kim loại phong phú (-NH2 và -OH), và có thể dễ dàng liên kết chéo [9] Chitosan không dẫn điện, do đó, nó cũng có thể được sử dụng trong cảm biến sinh học hoặc tế bào nhiên liệu sinh học Hơn nữa, màng composite ống nano chitosancarbon được sử dụng như một chất nền dẫn điện hỗ trợ truyền điện tử trực tiếp trong cảm biến sinh học Chitosan có thể trải qua phản ứng amid hóa với các nhóm cacboxyl của graphene để tạo thành hỗn hợp graphene đồng nhất và phân tán tốt Composite gốc Graphene/Chitosan với các đặc tính hóa lý được cải thiện có thể sử dụng cho các ứng dụng hấp phụ Một số nanocompozit từ tính cũng được sử dụng để loại bỏ Pb2+, Cu2+ và Cd2+ khỏi nước [10]

1.2 Tổng quan về sản xuất màng chitosan

Solvent-Casting: Quy trình tạo mẫu polyme nhiệt dẻo bằng cách đưa dung dịch cần

tạo màng vào khuôn và tiến hành đuổi dung môi để lại màng polyme bám vào khuôn Phương pháp tạo màng này phổ biến được sử dụng từ lâu đời bởi vì ưu điểm đơn giản

dễ thực hiện, thích hợp với các loại màng nhạy cảm với nhiệt độ, màng đồng dều về độ dày [11]

Quy trình: Hoà tan polymer vào dung môi phù hợp đến khi tan hoàn toàn, tiến hành loại bỏ các chất rắn không tan, khử bọt khí sau đó đổ ra khuôn đúc và làm khô bằng cách sấy hoặc để khô tự nhiên nhằm đuổi dung môi Yêu cầu của phương pháp này là polymer tan trong dung môi đã chọn và dung môi dễ bay (acetone, methanol, nước ), dung dịch tạo màng bền và nồng độ chất rắn không tan trong dung dịch thấp Màng sau khi khô phải dễ lấy ra khỏi khuôn

Film - Coating: Phương pháp tạo lớp màng đồng nhất, mỏng trên bề mặt chất nền bằng

cách phủ dung dịch tạo màng có phối trộn với chất kết dính Quá trình phủ màng polymer có thể được thực hiện bằng cách nhúng chất nền trong dung dịch hoặc phun dung dịch tạo màng lên chất nền ở tốc độ cao [12] Quy trình nhúng mẫu cần đảm bảo

độ đồng nhất về bề dày tại mọi điểm trên chất nền Do quy trình phun diễn ra rất nhanh

do đó cần sự kiểm soát nghiêm ngặt các thông số của quy trình, quy trình nhúng này không thích hợp với quy mô nhỏ như phòng thí nghiệm do phải thực hiện tự đồng hóa Màng sau đó cũng được làm khô và lấy ra khỏi khuôn [13]

Screw - Extrusion: Phương pháp phổ biến cho nhựa hay cao su, thường ứng dụng để

sản xuất sợi, ống nhựa, màng Nguyên tắc của phương pháp này là nhờ sự chuyển động của trục quay xoắn ốc Đi theo chiều chuyển động của trục xoắn, polymer và phụ gia được cấp vào các cửa nhập liệu rồi thực hiện quá trình phản ứng, phối trộn và tạo hình trực tiếp bên trong đường ống chứa trục vít xoắn Dọc theo chiều dài của ống được trang bị hệ thống gia nhiệt phản ứng, cấu tạo của trục xoắn bao gồm ba dạng singel scew, twin screw và multiple- scew Tùy theo loại vật liệu cần gia công mà người ta chọn dạng trục xoắn phù hợp [14].

1.3 Tổng quan về Anhydride acetic

Anhydride acetic hay còn gọi là anhydride ethanoic là hợp chất có công thức (CH3CO)2O viết tắc là Ac2O Ac2O là hợp chất có thể phân lập dễ dàng từ acid acetic

và được sử dụng rộng rãi công công nghiệp Nó là một chất lỏng không màu, có mùi như acid acetic, được tạo thành do phản ứng của acid acetic với hơi ẩm trong không khí Điểm sôi của nó là 129oF, ăn mòn kim loại Mật độ là 9,0 lb/gal Ac2O đều giống như hầu hết các loại anhdydride acid khác là một phân tử linh hoạt với cấu trúc không phẳng [15] Nguyên tử cacbon cacbonyl của Ac2O có tính chất điện phân, sự không đối xứng bên trong nguyên tử làm tăng tính phân cực của nó vì dạng hình học không đối xứng làm cho một của nguyên tử cacbon cacbonyl phản ứng mạnh hơn mặt còn lại,

Hình 1.1010: Cấu trúc hợp chất anhydride acetic

Trong điều kiện bình thường, Ac2O bị thuỷ phân nhanh chóng (thời gian bán huỷ là 4,4 phút) thành acid acetic Độc tính đối với sinh vật ở mức độ trung bình (18 – 3400 mg/L) nhưng nó chỉ tồn tại trong thời gian ngắn do bị phân huỷ nhanh chóng thành acetic/ acid acetic Ac2O gây kích thích tại vị trí tiếp xúc Do tác dụng ăn mòn làm kích ứng đối với mắt, da và đường hô hấp [16]

(CH3CO)2O + H2O  2 CH3COOH

Ac2O thường được sử dụng để thực hiện các phản ứng acetyl hoá để thu được những sản phẩm có giá trị thương mại Ứng dụng lớn nhất của nó là chuyển đổi cellulose thành cellulose acetate , là một thành phần của phim và các vật liệu tráng khác, đồng thời được sử dụng trong sản xuất đầu lọc thuốc lá Tương tự, nó được sử dụng trong sản xuất aspirin (acid acetylsalicylic), được điều chế bằng cách acetyl hóa axit salicylic

1.4 Tổng quan về anhydride aenzoic

Anhydride benzoic là chất rất màu trắng có công thức (C6H5CO)2O Nó là anhydride của acid benzoic Sôi ở 360oC Nó được sử dụng trong phản ứng benzoyl hoá trong sản xuất dược phẩm, thuốc nhuộm và các chất trung gian khác Nó đóng vai trò như là tác nhân acyl hoá trong phản ứng Heck Nó cũng được sử dụng để điều chế aicd benzoic Hỡn nữa anhydride benzoic được sử dụng để điều chế Furan-2-yl-phenyl-methanone tương tự như phản ứng acyl hoá Friedel – Crafts [17]

Hình 1.1111: Cấu trúc phân tử anhydride benzoic

Anhydride benzoic thường được ưu tiên hơn acid benzoic để thực hiện các phản ứng acyl hoá trong rượu, phenol, amine

Anhydride cenzoic bị phân huỷ thành aicd benzoic chậm trong nước

(C6H5CO)2O + H2O  2 C6H5COOH

Anhydride benzoic phản ứng với rượu hoặc phenol tạo thành ester

(C6H5CO)2O + C2H5OH  C6H5COO C2H5 + C6H5COOH

Anhydride benzoic ít hoạt động so với các acid, do trong phân tử của nó, mỗi nhóm cacbonyl được gắn với nguyên tử oxy ở trung tâm, Nguyên tử oxy trung tâm bù đắp sự thiếu hụt điện tử của nguyên tử cacbonyl bằng cách cho điện tử

1.5 Tổng quan về vanillin

Vanillin có nhiều trong củ cải đường và trong quả vani, đây là một trong những hương liệu phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như công nghiệp thực phẩm, nước hoa, dược phẩm, … Do có nhóm -CHO nên vanillin cũng được sử dụng là chất tạo liên kết ngang sinh học, nó cũng được kết hợp với các polymer tạo ra nhiều ứng dụng thực tiễn Cho đến nay rất nhiều bài báo và nghiên cứu dùng vanillin để tăng cường các tính chất cho Chitosan [18]

Vanillin có tên là 4–hydroxy–3–methoxybenzaldehyde, C8H8O3 là tinh thể hình kim màu trắng, có mùi thơm Độ tan trong nước là 125 lần và 20 lần đối với ethylene glycol,

2 lần đối với ethanol 95% nhưng mà không tan trong chloroform và ether

Hình 1.1212: Cấu trúc phân tử vanillin

Vanillin là một aldehyde phenolic, các nhóm chức của nó bao gồm aldehyde, hydroxyl

và ether Vanillin có thể được sản xuất tổng hợp hoặc thông qua công nghệ sinh học,

và cũng có thể thu được từ quả vani Tuy nhiên, vanillin, là một chất hóa học riêng biệt, không thể nhầm lẫn với chiết xuất vani - chứa hơn 80 thành phần khác nhau Hương vani nhân tại là dung dịch vanillin nguyên chất, thường có nguồn gốc tổng hợp Do sự khan hiếm và tốn kém của chiết xuất vani tự nhiên nên việc điều chế tổng hợp thành phần chủ yếu từ lâu đã rất được quan tâm Sự tổng hợp đầu tiên của vanillin bắt đầu với hợp chất tự nhiên có sẵn nhiều eugenol (4-allyl-2-methoxyphenol) Ngày nay, vanillin nhân tạo được làm từ guaiacol hoặc lignin Hương vani nhân tạo dựa trên lignin

có hương vị đậm đà hơn so với dầu hương liệu, sự khác biệt là do sự hiện diện của acetovanillone, một thành phần phụ trong sản phẩm có nguồn gốc lignin không được tìm thấy trong vanillin được tổng hợp từ guaiacol

Công dụng lớn nhất của vanillin là dùng làm hương liệu trong công nghiệp thực phẩm, thường có trong thực phẩm ngọt Ngành công nghiệp kem và socola chiếm khoảng 75

% sản lượng vanillin, còn một lượng nhỏ hơn được sử dụng trong kẹo và bánh nướng [18]

Vanillin cũng được sử dụng trong ngành công nghiệp nước hoa, che dấu mùi hoặc vị khó chịu trong thuốc, chăn nuôi thức ăn gia súc và các sản phẩm tẩy rửa Vanillin được

sử dụng làm chất trung gian hóa học trong sản xuất dược phẩm, mỹ phẩm, và hóa chất khác Năm 1970, hơn một nửa sản lượng vanillin trên thế giới được sử dụng trong quá trình tổng hợp các hóa chất khác Kể từ năm 2016, việc sử dụng vanillin đã mở rộng bao gồm nước hoa, hương liệu và chất thơm che mùi trong thuốc, các sản phẩm làm sạch và tiêu dùng khác nhau và chăn nuôi thực phẩm

1.6 Tổng quan về cinamaldehyde

Cinamaldehyde là hớp chất hữu cơ có công thức là C6H5CH=CHCHO Trong tự nhiên

nó chủ yếu xuất hiện ở dạng đồng phân Trans Đây là chất mang lại hương vị đặc trưng cho quế Cinamaldehyde là một phenylpropranoid được tổng hợp tự nhiên bằng con đường shikimate [19] Cinamaldehyde là chất lỏng nhớt, có màu vàng nhạt Trong tinh dầu quế có tới 90% là cinamaldehyde Tại điều kiện bình thường phân huỷ thành styrene nếu như không được bảo quản tốt

Hình 1.1313: Cấu trúc phân tử cinamaldehyde

Cinnamaldehyde được phân lập từ tinh dầu quế vào năm 1834 bởi Jean-Baptiste Dumas và Eugène-Melchior Péligot và được tổng hợp trong phòng thí nghiệm bởi nhà hóa học người Ý Luigi Chiozza vào năm 1854 Cinnamaldehyde xuất hiện rộng rãi và liên quan chặt chẽ đến việc tạo ra ligin [20],

Ứng dụng rõ ràng nhất của cinnamaldehyde là hương liệu trong kẹo cao su, kem, kẹo,

và đồ uống Nó cũng được sử dụng trong một số loại nước hoa có mùi hương tự nhiên, ngọt ngào hoặc mùi trái cây Cinnamaldehyde có thể được sử dụng như một chất tạp nhiễm thực phẩm; bột vỏ hạt dẻ được làm thơm bằng cinnamaldehyde có thể được

bán trên thị trường dưới dạng bột quế Một số loại ngũ cốc ăn sáng chứa tới 187 ppm cinnamaldehyde

Cinnamaldehyde đã được thử nghiệm như một chất diệt côn trùng an toàn và hiệu quả chống lại ấu trùng muỗi Cinnamaldehyde nồng độ 29 ppm giết chết một nửa số ấu trùng muỗi Aedes aegypti trong 24 giờ Trans-cinnamaldehyde hoạt động như một chất khử trùng mạnh và xua đuổi đối với muỗi trưởng thành Nó cũng có đặc tính kháng khuẩn và kháng nấm [21]

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH

2.1 Vật liệu và thiết bị

2.1.1 Hoá chất

- Chitosan: Dạng vảy, Chitosan Powder deacetyl tối thiểu là 75%, xuất xứ Việt Nam

- Acid acetic: dạng lỏng, độ tinh khiết ≥ 99,5 %, hoá chất Xilong, Trung Quốc

- Anhydride benzoic: dạng bột màu trắng, hoá chất Aladdin, Trung Quốc

- Anhydride acetic: dạng lỏng, độ tinh khiết ≥ 99 %, hoá chất Scharlau, Tây Ban Nha

- Vanillin: dạng bột màu trắng, độ tinh khiết ≥ 99 %, xuất xứ Việt Nam

- Cinnamaldehyde: dạng lỏng màu vàng, xuất xứ Trung Quốc

- Methanol: dạng lỏng, độ tinh khiết ≥ 97%, xuất xứ Việt Nam

2.1.2 Thiết bị sử dụng

- Máy đo quang phổ UV – VIS chùm tia đôi Hitachi UH5300, xuất xứ Nhật Bản

- Máy đo FTIR – 4700, Jasco, Nhật Bản

- Máy khuấy từ gia nhiệt IKA, xuất xứ Đức

- Tủ sấy Memmert, xuất xứ Đức

- Bể siêu âm gia nhiệt ELMA S300H, xuất xứ Đức

- Cân điện tử 2 số OHAUS, xuất xứ Mỹ

- Máy ly tâm Hermle Z326, xuất xứ Đức

- Cân điện tử 4 số, xuất xứ Đức

- Thước kẹp điện tử Mitutoyo, xuất xứ Nhật Bản

- Những dụng cụ khác như: Bercher, pipette, pipett pasteur, micropipette, bình định mức, đĩa petri nhựa, …

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Màng được tạo bằng phương pháp Solvent – coating vì phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện, màng sau khi được tạo ra có độ dày đồng đều tuy nhiên phương pháp này để lại một lượng nhỏ dung môi và chất dùng để biến tính màng cũng như dễ dẫn đến cháy

nổ khi sử dụng dung môi dễ cháy như Methanol, Acetone, … Khi phản ứng có kèm nhiệt độ cao

2.2.1 Sơ đồ quá trình nghiên cứu

Hình 2.1: Sơ đồ quá trình biến tính màng chitosan

Thuyết minh quy trình

Bước 1: Cho vảy chitosan vào dung dịch acid acetic 1% tại nhiệt độ phòng qua đêm

để thu được dung dịch chitosan 1%

Bước 2: Dung dịch chitosan sau khi tan hoàn toàn được ly tâm tại 7000 rpm trong vòng

20 phút để tách lượng chất rắn không tan ra khỏi dung dịch và tiến hành thực hiện các bước tiếp theo

Bước 3: Dung dịch chitosan 1% cho vào đĩa petri nhựa và được sấy trong tủ sấy trong

vòng 24h để đuổi bỏ phần dung môi thu được màng chitosan có màu ngả vàng

Bước 4: Màng chitosan sau khi được sấy khô vẫn còn 1 lượng acetic acid nên được

trung hoà bằng dung dịch NaOH 1M, sau đó được rửa lại nhiều lần bằng nước cất

Bước 5: Màng chitosan sau khi được trung hoà được cho phản ứng các chất: anhydride

acetic, anhydride benzoic, vanillin, cinnamaldehyde trong dung dịch methanol với nồng độ, thời gian phản ứng thay đổi và được khuấy liên tục thu được các màng chitosan biến tính bằng anhydride acetic (Ac:Cs), màng chitosan biến tình bằng anhydride benzoic (Be:Cs), màng chitosan biến tính bằng vanillin (Va:Cs) và màng chitosan biến tính bằng cinnamaldehyde (Cin:Cs)

Bước 6: Cuối cùng các màng đã được biến tính được ngâm lại trong dung dịch

methanol trong vòng 3h để loại bỏ các chất dùng để biến tính màng còn bám trên bề mặt sau đó được đem đi phân tích phổ FTIR, tính chất cơ tính, độ ẩm, độ hấp thu nước,

độ tan, góc tiếp xúc và khả năng giải phóng chất dùng để biến tính màng

2.3 Quy trình thực hiện

Bước 1: Cân 10g chitosan dạng vảy cho vào 990g dung dịch acetic acid 1% ngâm qua

đêm để thu được 1000g dung dịch chitosan 1%

Bước 2: Dung dịch chitosan được ly tâm để loại bỏ cách chất rắn không tan Sau đó

cân 30g dung dịch chitosan 1% vào trong đĩa petri nhựa và sấy trong tủ sấy 55oC trong vòng 24h Màng sau khi được sấy khô sẽ có độ dày trung bình 50 ± 5 µm Màng được trung hoà lượng acetic acid còn dư bằng dung dịch NaOH 1M trong vòng 1h sau đó rửa lại nhiều lần bằng nước cất đến khi dung dịch rửa có pH bằng 7 Cuối cùng được sấy khô vào bảo quan trong thùng chứa NaCl bão hoà

Hình 2.2: Phương pháp Solvent – Casting

Bước 3: Chuẩn bị các chất dùng để biến tính màng với tỷ lệ mol của nó và mắt xích

D-glucosamine của chitosan các tỷ lệ 1:4, 1:2, 1:1, 2:1 được trình bày ở bảng bên dưới trong dung dịch methanol Cân 1,5g màng đã được trung hoà cho vào trong 250ml dung dịch được chuẩn bị trước, đảm bảo màng nằm hoàn toàn bên trong dung dịch và khuấy

tại nhiệt độ phòng với thời gian phản ứng được khảo sát từ 1 giờ, 3 giờ, 6 giờ và 24 giờ Sau thời gian phản ứng màng được vớt ra ngoài và được rửa lại bằng methanol

Bước 4: Màng sau khi được rửa sẽ được để khô và căng phẳng sau đó bảo quản trong

điều kiện độ ẩm 80% RH Số mol mắt xích D-Glucosamine của Chitosan 1% tính cho khối lượng trung bình là 0,3g Chitosan trong một màng:

n = 0.3161,155 = 1,862 10

2.3.1 Phổ hồng ngoại FTIR - Fourier Transform Infrared Spectroscopy

Thiết bị được sử dụng là máy Fourier transform infrared spectrometer (FTIR – 4700, Jasco, Nhật Bản) Các mẫu màng được ép chặt trên đế ATR rồi được quét phổ IR Phạm

vi được hấp thụ được đo từ 399,675 đến 4000,12 cm-1 với độ phân giải 2 cm-1

Hình 2.3: Máy đo FTIR – 4700, Jasco, Nhật Bản

2.3.2 Xác định độ ẩm, độ hấp thụ nước, độ tan trong nước của màng

Phương pháp dùng để xác định các thông số về độ ẩm, độ hấp thụ nước, độ tan của màng trong nước được thực hiện theo phương pháp của [22], [23] và được thay đổi để phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm

Độ ẩm (Moisture Content, MC): Màng được bảo quản trong điều kiện độ ẩm 80%

RH trong vòng 48h được cắt với kích thước 20 x 20 mm, sau đó được sấy khô đến khối

lượng không đổi ở 65oC trong vòng 48h Màng sau sấy được xác định khối lượng một cách nhanh chóng để tránh màng hấp thụ lại nước trong không khí gây sai lệch kết quả Mỗi mẫu lập lại 3 lần Độ ẩm (MC) được xác định bằng độ chênh lệch về khối lượng của màng trước và sau khi sấy:

W0: khối lượng ban đầu của màng, (g)

W1: khối lượng sau khi sấy của màng, (g)

Độ hấp thụ nước (Water Uptake, WU): Màng sau khi sấy để xác định MC được

ngâm trong 20 ml nước cất tại nhiệt độ phòng trong vòng 48h Sau khi ngâm, màng được thấm nước trên bề mặt bằng giấy lọc và xác định khối lượng, lưu ý mẫu phải cân một cách nhanh chóng để tránh sự trao đổi nước với môi trường Độ hấp thụ nước được xác định bằng sự chênh lệch về khối lượng màng sau khi được sấy khô và sau khi ngâm Thực hiện lại 3 lần

Trong đó: WU: Độ hấp thụ nước, (%)

W1: khối lượng sau khi sấy của màng, (g)

W2: Khối lượng màng sau khi ngâm nước, (g)

Độ tan trong nước (Water Solubility, WS): Là phần trăm về khối lượng của màng bị

mất đi sau khi ngâm trong nước ở phần xác định độ hấp thụ nước Màng sau khi được hấp thụ nước được sấy lại đến khối lượng không đổi ở 65oC trong vòng 48h Màng sau khi sấy cũng phải ngay lập tức xác định khối lượng do Chitosan rất dễ hấp thụ lại nước trong không khí Độ tan được xác định bằng sự chênh lệch về khối lượng của màng sau khi ngâm nước và màng được sấy khô sau khi ngâm trong nước, Mỗi mẫu lập lại 3 lần

W3: khối lượng màng sấy sau khi ngâm, (g)

2.3.3 Góc tiếp xúc

Các đặc tính bề mặt của màng được xác định bằng phân tích góc tiếp xúc Các góc tiếp xúc hoặc độ ẩm góc được định nghĩa là góc giữa bề mặt của một chất lỏng (trong nghiên cứu này là nước cất) và đường tiếp tuyến tại điểm tiếp xúc với màng chitosan

Màng sau khi được biến tính sẽ được căng thẳng trước khi dung môi bay hơi hết và sau khi rửa lại bằng Methanol Sau khi được lưu trữ trong vòng 48h trong điều kiện bảo quản 80% RH, góc tiếp xúc được đo bằng cách nhỏ giọt nước 175 µL trên bề mặt mẫu Hình ảnh giọi nước được chụp lại bằng camera, góc tiếp xúc được xác định theo nghiên cứu [25] Mỗi mẫu thực hiện 3 lần

Mỗi tấm ảnh sau được chụp và được sử lý chuyển thành định dạng grayscale Góc tiếp xúc được xử lý thông qua phần mền ImangeJ và sử dụng công cụ Drop_analysis – LB – ADSA

Hình 2.4: Phân tích góc tiếp xúc bằng ImageJ

2.3.4 Khảo sát sự giải phóng chất dùng để biến tính vào trong dung dịch cồn 50% theo thời gian

Để nghiên cứu khả năng giải phóng các chất dùng để biến tính từ chất nền chitosan trong quá trình sử dụng, ta xác định nồng độ các chất này trong dung dịch cồn 50%,

chất mô phỏng thực phẩm được quy định trong luật châu Âu (Quy định EC 10/2011) Mẫu màng 1,7 x 1,7 cm được đưa vào lọ thuỷ tinh chứa 7 mL ethanol 50% được đóng chặt Các lọ mẫu cho mỗi lần biến tính với thời gian khảo sát là 30, 60, 90, 120, 150 phút được mở ra rút 3,5 ml dung dịch cần phân tích bằng micropipet đưa vào cuvette thạch anh và phân tích bằng quang phổ UV – VIS tại bước sóng hấp thu cực đại của từng chất sau đó tiếp tục đưa dung dịch trở lại trong lọ để khảo sát khoảng thời gian tiếp theo [24] Ở đây hai Anhydride sau khi thực hiện phản ứng sẽ bị thuỷ phân thành dạng Acid của chúng vì vậy ta sẽ xác định nồng độ acid acetic và acid benzoic

Từ những giá trị với các nồng độ của các chất acid acetic, acid benzoic, cinnamaldehyde, vanillin đã được xác định, thông qua phân tích độ hấp thụ để thu được phương trình đường chuẩn của từng chất để dựa vào đây có thể xác định ngược lại nồng

độ các chất trong mẫu cần xác định Đường chuẩn của các chất được thể hiện trong

Phụ lục 1

2.3.5 Cơ tính

Phép đo được tiến hành trên máy đo cơ tính NK – 50 (Njouka, Trung Quốc) Trước khi

đo, các mẫu phải được bảo quản tại nhiệt độ phòng và trong thùng chứa NaCl với độ

ẩm tương đối 80% RH trong vòng 48h Các mẫu màng được cắt với kích thước 50 x

10 mm Màng được kẹp cố định 2 đầu với khoảng cách giữa các ngàm là 20 mm Tiến hành kéo, màng được kéo căng đến khi đứt hoàn toàn thì dừng lại, ghi nhận lại độ dãn cực đại, lực kéo cực đại Mỗi mẫu thực hiện 3 lần

Hình 2.5: Máy đo cơ tính NK – 50 (Njouka, Trung Quốc)

Các thông số cần được xác định gồm lực kéo cực đại F (N), độ dãn cực đại trước khi đứt (mm) Với các công thức xác định được như sau:

Trong đó: %E: phần tram độ giãn dài,

∆L: độ dãn dàu cực đại trước khi đứt (mm)

L: khoảng cách giữa 2 ngàm 20 mm

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Nhờ vào khả năng có thể phân huỷ sinh học mà màng chitosan được xem là vật liệu có thể thay thế cho bao bì có nguồn gốc từ hoá thạch khó phân huỷ như là polyethylene (PE), polypropylene (PP), … Tuy nhiên, màng được làm từ chitosan thì lại có một số đặc tính như là dễ tan trong nước cũng như giòn, … Nên thông qua quá trình biến tính bằng một số anhydride và aldehyde để cải thiện các tính chất của màng, khảo sát các thông số như thời gian phản ứng hay thay đổi nồng độ các chất dùng để biến tính đến cấu trúc hoá học, tính chất cơ tính của màng, độ ẩm, độ tan, khả năng hấp thụ nước, tính kỵ nước và ưa nước hay khả năng giải phóng các chất vào trong cồn 50%

3.1 Phân tích cấu trúc hoá học thông qua phổ FTIR

Nguyên tắc của phổ FTIR là thông qua sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của mẫu cần nghiên cứu, ghi nhận, đánh giá sự tương tác các đỉnh, các loại giao động giữa các đỉnh, giao động đặc trưng của những liên kết hoá học giữa các nguyên tử để có thể thấy được những thay đổi trong cấu truc của Chitosan trước và sau khi biến tính

Trong phổ FTIR của vẩy Cs gốc ở Hình 3.1 có thể thấy sự hấp thụ tại hai đỉnh 3430 và

3301 cm-1 là của amine bậc nhất N – H (stretching) và đỉnh của nhóm O – H (stretching)

ở 3361 cm-1, còn nhóm amine bậc 2 N – H (stretching) được thể hiện ở 3291 cm-1 Đỉnh hấp thụ 2902 và 2880 cm-1 chính là đỉnh của Csp3 – H (stretching) Sự hiện diện của hai nhóm 2 – amineoglucose và 2 – acetamidoglucose của Cs được biểu thị bằng các dải ở 1647, 1586 và 1552 cm-1 được quan sát thấy Dao động của nhóm CH2 (asymmetric bending) được thể hiện tại 1420 cm-1 còn dao động biến dạng của nhóm CH3 (bending) được thể hiện ở định 1378 cm-1 Ngoài ra còn đỉnh tại 1331 cm-1 chính

là sự dao động do của C–N (amine bậc 3) Sự dao động bất đối xứng của liên kết glycoside C – O – C có thể được thể hiện tại 1151 cm-1 Cuối cùng tại số sóng 1028

cm-1 có thể là sự dao động của khung cấu trúc pyranose C – O của chitosan [25]

Hình 3.1: Phổ FTIR của vẩy chitosan gốc và màng chitosan

Sau khi tạo thành màng Cs từ vẩy Cs gốc thì nhận thấy một số đỉnh hấp thụ có một số chênh lệch về số sóng và những so sánh đỉnh phổ FTIR của Cs được thu thập từ các nghiên cứu khác được thể hiện tại Bảng 3.1:

Bảng 3.1: So sánh số sóng các liên kết đo được trong phổ FTIR của Cs được đo và các

1 Khi lên cao hơn đỉnh của dao động N–H (stretching – Amine bậc 1) bị kéo giãn từ