Nghiên cứu tổng hợp màng composite phân hủy sinh học chitosan và tinh bột sử dụng để kháng khuẩn xâm nhập”

Nghiên cứu tổng hợp màng composite phân hủy sinh học chitosan và tinh bột sử dụng để kháng khuẩn xâm nhập Tổng hợp vật liệu màng nanocomposite bạc kháng khuẩn từ chitosan và tinh bột; khảo sát tính kháng khuẩn và tính chất cơ lí của vật liệu.Vỏ tômTinh bột sắn Phương pháp thực nghiệm: phương pháp tổng hợp vật liệu; phương pháp định tính, định lượng chitosan; phương pháp trắc quang ; phương pháp thử các tính chất cơ lý của màng tinh bột sắn – chitosan; phương pháp thử hoạt tính kháng khuẩn. Phương pháp xác định cấu trúc của vật liệu tổng hợp: phương pháp nhiễu xạ tia X; phương pháp phổ hồng ngoại; phư¬ơng pháp hiển vi điện tử quét.

MỤC LỤC

1 Lý do chọn đề tài 7

2 Mục tiêu nghiên cứu 8

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 8

4 Phương pháp nghiên cứu 9

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 9

6 Cấu trúc báo cáo 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 10 1 Tổng quan về chitin - chitosan 10 1.1 Giới thiệu về chitin - chitosan 10

1.2 Cấu trúc hóa học của chitin và chitosan 10

1.2.1 Chitin 10

1.2.2 Chitosan và dẫn xuất 11

1.3 Tính chất vật lý của chitin – chitosan12

1.3.1 Tính tan 12

1.3.2 Độ deacetyl hóa 12

1.3.3 Phân tử lượng 12

1.4 Tính chất hóa học của chitin - chitosan 13

1.4.1 Thủy phân trong môi trường acid và môi trường kiềm 13

1.4.2 Phản ứng tạo phức với ion kim loại 14

1.4.3 Phản ứng N-acyl hóa15

1.4.4 Phản ứng alkyl hóa 15

1.5 Ứng dụng của chitosan [36] 15

1.5.1 Trong y dược 15

1.5.2 Trong công nghiệp 15

1.5.3 Trong nông nghiệp 15

1.5.4 Trong công nghệ thực phẩm16

1.5.5 Ứng dụng trong mỹ phẩm 16

1.5.6 Ứng dụng trong xử lý môi trường 16

2 Giới thiệu tinh bột 162.1 Hình dạng, đặc điểm, kích thước hạt tinh bột [20], [28] 17

2.2 Thành phần hóa học của tinh bột [9], [8], [27] 20

2.3 Thành phần cấu trúc của amylose [8], [9] 20

2.4 Thành phần cấu trúc của amylopectin [9] 22

2.5 Các phản ứng tiêu biểu của tinh bột [8], [9] 23

2.5.1 Phản ứng thủy phân 23

2.5.2 Phản ứng tạo phức [8], [9] 24

2.5.3 Tính hấp thụ của tinh bột 24

2.5.4 Khả năng hấp thụ nước và khả năng hòa tan của tinh bột 25

2.6 Những tính chất vật lí của huyền phù tinh bột trong nước [8], [11] 25

2.6.1 Độ hòa tan của tinh bột 25

2.6.2 Sự trương nở 25

2.6.3 Tính chất hồ hóa của tinh bột 25

2.7 Độ nhớt của hồ tinh bột 26

2.8 Khả năng tạo gel và sự thoái hóa gel 26

3 Giới thiệu màng tinh bột sắn - chitosan 323.1 Phương pháp tạo màng [1], [7], [10] 32

3.2 Cơ chế hóa dẻo hóa của màng tinh bột sắn - chitosan [13] 33

3.3 Tác nhân dẻo hóa cho màng tinh bột sắn - chitosan33

2.2 Dụng cụ, thiết bị 36

3 Thực nghiệm tổng hợp màng 363.1 Tổng hợp chitosan từ vỏ tôm 36

3.2 Tách amilozo từ tinh bột sắn 38

3.3 Tổng hợp màng 40

4 Các phương pháp phân tích, khảo sát 424.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 42

4.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 43

4.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy-SEM)

4.7.2 Độ hòa tan của màng 48

4.7.3 Xác định tính chất cơ học của màng tinh bột sắn – chitosan 48

4.7.4 Xác định độ dày màng 49

4.7.5 Phương pháp thử tính kháng khuẩn với vi khuẩn Ecoly 49

1 Tách amylose từ tinh bột - hiệu suất tách amylose 511.1 Xây dựng đường chuẩn để định lượng amylose trong mẫu tinh bột sắn 51 1.2 Hàm lượng amylose tách được từ tinh bột sắn 53

2 Tổng hợp chitosan 54

3 Tổng hợp màng chitosan - tinh bột 563.1 Khảo sát điều kiện khuấy 56

3.2 Khảo sát nhiệt độ tổng hợp và thời gian khuấy 57

3.3 Khảo sát nhiệt độ sấy và thời gian sấy để tạo màng tinh bột sắn - chitosan

58

3.4 Khảo sát tỷ lệ nguyên liệu 59

4 Cấu trúc và các tính chất cơ học, tính kháng khuẩn của màng 604.1 Độ bền kéo và độ dãn dài 60

4.2 Hấp thụ nước và độ bền ướt của màng 61

4.3 Phân tích XRD 61

4.4 Kết quả SEM 64

4.5 Quang phổ FTIR 64

4.6 Giản đồ phân tích nhiệt TGA 67

5 Hoạt tính kháng khuẩn của màng 69

KẾT LUẬN 70

KIẾN NGHỊ 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của chitin 11

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của chitosan 11

Hình 1.3 Quá trình deacetyl hoá chitin thành chitosan 14

Hình 1.4 Phức chiosan với kim loại 14

Hình 1.5 Phản ứng N-acyl hóa 15

Hình 1.6 Phản ứng alkyl hóa 15

Hình 1.7 Một số ứng dụng của chitosan 16

Hình 1.8 (1) tinh bột sắn 1500X (2) tinh bột sắn 3500X………19

Hình 1.9 Cấu tạo của tinh bột 20

Hình 1.10 Cấu trúc amylose 22

Hình 1.11 Amylose và amylopectin 22

Hình 1.12 Phản ứng thủy phân của tinh bột 23

Hình 1.13 Sơ đồ phân tử thể hiện các nhóm hydroxyl 24

Hình 2.1 Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể 42

Hình 3.1 Đường hồi quy tuyến tính biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ D-glucose 52

Hình 3.2 Màng tinh bột sắn - chitosan (1:1) tạo thành ở điều kiện khuấy trong bình teflon 57

Hình 3.3 Màng amylose - chitosan (1): Tỷ lệ 1/1, (2): Tỷ lệ 2/1 59

Hình 3.4 Kết quả cường độ chịu lực, độ dãn dài khi đứt của màng amylose- chitosan 60

Hình 3.5 Ảnh chụp SEM của các mẫu (1) chitosan; (2) tinh bột; (3) màng amylose – chitosan 64

Hình 3.6 IR của tinh bột, chitosan, màng amylose - chitosan 66

Hình 3.7 Giản đồ phân tích nhiệt TGA (1) tinh bột; (2) chitosan (3) màng amylose -chitosan 68

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Hình 1.1 (1) tinh bột sắn 1500X (2) tinh bột sắn 3500X 19

Bảng 1.2 Nhiệt độ hồ hóa của một số loại tinh bột 26

Bảng 3.1 Mật độ quang của các dung dịch D-glucose chuẩn 51

Bảng 3.2 Hệ số tương quan của D-glucose ở các khoảng nồng độ khác nhau 52

Bảng 3.3 Kết quả xác định lượng amylose trong tinh bột sắn theo nhiệt độ 53

Bảng 3.4 Tính chất cảm quan của các màng ở các điều kiện khuấy khác nhau 56

Bảng 3.5 Tính chất cảm quan của các mẫu khảo sát nhiệt độ tổng hợp và thời gian khuấy 57

Bảng 3.6 Tính chất cảm quan của các màng ở các nhiệt độ sấy khác nhau .58

Bảng 3.7 Tính chất cảm quan của màng amylose - chitosan 59 Bảng 3.8 Các peak đặc trưng của chitosan, tinh bột và màng amylose - chitosan 66

LỜI MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay vấn đề an toàn thực phẩm đang rất được quan tâm Vì lý do lợinhuận và tiện lợi rất nhiều loại hóa chất độc hại nhằm bảo quản rau quả tươilâu đã được sử dụng Hóa chất được sử dụng phun lên trái cây để bảo quảntrái cây tươi lâu hầu hết đều nằm ngoài danh mục và với hàm lượng không thểkiểm soát được Không chỉ làm giảm chất lượng của trái cây mà những chấtnày còn gây ra những bệnh nguy hiểm cho người tiêu dùng Hiện nay, ngoàiviệc sử dụng hóa chất cách bảo quản phổ biến nhất là bảo quản lạnh Nhưngtheo các chuyên gia dinh dưỡng, cách bảo quản này không tiết kiệm nănglượng lại đòi hỏi chi phí cao Trước thực trạng đó, các nhà khoa học đã vàđang ngiên cứu tìm ra các giải pháp bảo quản thực phẩm một cách an toànbằng cách sử dụng các loại màng có tính kháng khuẩn

Có rất nhiều loại màng polymer sinh học được nghiên cứu thành công.Chúng được làm từ các vật liệu khác nhau như protein, dẫn xuất pectin,polysaccarit (tinh bột, xenlulozo), chitosan… Một số màng polysaccarit vàprotein chắn khí tốt nhưng chắn ẩm kém Màng chitosan có tính kháng khuẩntốt tuy nhiên chi phí vẫn tương đối cao Vì vậy chúng ta cần lựa chọn loạimàng nào tối ưu nhất (rẻ tiền, dễ kiếm, không ôi nhiễm môi trường…)

Chitossan là một hợp chất sinh học có tính ưu việt rất phù hợp cho việcbảo quản rau quả, ngoài khả năng kháng vi sinh vật, chitossan còn có khảnăng hạn chế quá trình hô hấp hiếu khí tự nhiên của rau quả vì thế trái cây sẽđược bảo quản lâu hơn và trạng thái tự nhiên biến đổi ít hơn- điều này đãđược nhiều đề tài chứng minh bằng thực nghiệm Chitosan tích điện dươngnên có khả năng liên kết hóa học với những chất mang tích điện âm như chấtbéo, lipid, cholesterol, protein và các đại phân tử khác Mặc dù, chitosan cótính chống thấm nước, tính dẻo và tính cơ học khá cao nhưng các đặc tính này

sẽ được cải thiện nhiều hơn nữa khi liên kết với các loại vật liệu tạo màngkhác Hoaglan và Parris (1996) đã tổng hợp thành công màng chitosan-pectin,Hosokawa et al (1990) đã chứng minh khả năng phân hủy sinh học tăng lênnhiều khi kết hợp chitosan và cellulose [24]

Bên cạnh đó tinh bột là một nguồn nguyên liệu đồi dào, rẻ tiền, an toàn.Tinh bột cũng được sử dụng rất nhiều để tổng hợp vật liệu phân hủy sinh họcthay thế cho nhựa polymer do chi phí thấp và khả năng tái sinh Tuy nhiên,

vật liệu đi từ tinh bột chưa được ứng dụng nhiều bởi khả năng hòa tan trongnước kém, dòn Để khắc phục điều này, Jagannath et al (2003) đã tổng hợptinh bột – protein nhằm tăng khả năng tan trong nước, tăng độ bền kéo, độbền nhiệt.

Việc kết hợp giữa chitosan và tinh bột là một hướng đi mới trong việctổng hợp màng kháng khuẩn Nghiên cứu để chế tạo nên một loại vật liệupolymer mới sử dụng chitosan làm pha gia cường và pha nền là các hạt tinhbột đang được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm Sự kết hợp giữa chitosan

và tinh bột theo những tỉ lệ thích hợp cho ta một loại vật liệu mới gọi là vậtliệu composide có khả năng phân hủy sinh học So với chitosan và tinh bộtban đầu thì chitosan-tinh bột là một loại vật liệu được cải thiện đáng kể về độdai, độ bền, tính chống thấm nước…và khả năng kháng khuẩn so với các loạivật liệu ban đầu

Để tăng hoạt tính kháng khuẩn của các loại màng polyme, nhiều phụ gia

đã được thêm vào như các benzoate, sorbate, hay nano bạc Công nghệ nanobạc đang được quan tâm nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kĩthuât, y tế, thực phẩm, mỹ phẩm bởi tính kháng khuẩn rất cao và không gâyđộc hại khi sử dụng

Với mong muốn tăng hoạt tính kháng khuẩn của màng chitosan - tinh bột,bước đầu chúng em bổ sung thêm dung dịch nano Bạc vào nguyên liệu tổnghợp màng để khảo sát tính kháng khuẩn của màng tổng hợp được

Xuất phát từ thực tiễn đó, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài: “

Nghiên cứu tổng hợp màng composite phân hủy sinh học chitosan và tinh bột sử dụng để kháng khuẩn xâm nhập”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tổng hợp vật liệu màng nanocomposite bạc kháng khuẩn từ chitosan vàtinh bột; khảo sát tính kháng khuẩn và tính chất cơ lí của vật liệu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Vỏ tôm

- Tinh bột sắn

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thực nghiệm: phương pháp tổng hợp vật liệu; phương phápđịnh tính, định lượng chitosan; phương pháp trắc quang ; phương pháp thửcác tính chất cơ lý của màng tinh bột sắn – chitosan; phương pháp thử hoạttính kháng khuẩn

Phương pháp xác định cấu trúc của vật liệu tổng hợp: phương pháp nhiễu

xạ tia X; phương pháp phổ hồng ngoại; phương pháp hiển vi điện tử quét

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Các điều kiện tổng hợp vật liệu nanocomposite từnguồn nguyên liệu có sẵn ở Việt Nam (chitosan, tinh bột), số liệu vềkhả năng kháng khuẩn

- Ý nghĩa thực tiễn: mẫu vật liệu mới có khả năng kháng khuẩn, phânhủy sinh học, dùng để bảo quản thực phẩm

6 Cấu trúc báo cáo

Báo cáo chia thành các chương sau:

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Thực nghiệm

Chương 3 Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1 Tổng quan về chitin - chitosan

1.1 Giới thiệu về chitin - chitosan

Chitin – chitosan là một polysacharide tồn tại trong tự nhiên với sản lượngrất lớn (đứng thứ 2 sau cenllulose) Trong tự nhiên chitin tồn tại ở động vật vàthực vật và là thành phần chính trong bộ xương ngoài của động vật giáp xácnhư tôm, cua hay mực [30]

Ở động vật, chitin là thành phần quan trọng của các vỏ một số động vậtkhông xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn Ở độngvật bậc cao monomer của chitin là một thành phẩn chủ yếu trong mô, da nógiúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da Trong thực vật chitin có ởthành tế bào nấm họ zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo…[4]

Chitin – chitosan có khối lượng phân tử lớn Cấu trúc của chitin là tổ hợpcác monosaccharide liên kết với nhau bằng các liên kết glycozit và hình thànhcác sợi có tổ chức Hơn nữa, chitin rất hiếm khi tồn tại ở trạng thái tự do vàhầu như luôn luôn nối với các hợp chất như protein, CaCO3 và các hợp chấthữu cơ khác [26]

Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitinchiếm khá cao từ 14 – 35 % so với khối lượng khô [6]

Về mặt lịch sử chitin được Braconnot phát hiện đầu tiên vào năm 1821 trongcặn dịch chiết từ một loại nấm Ông đặt tên cho chất này là “Fungine” để ghinhớ nguồn gốc của nó Năm 1823, Odier phân lập được một chất từ bọ cánhcứng mà ông gọi là chitin hay “chiton”, tiếng hy lạp có nghĩa là vỏ giáp,nhưng ông không phát hiện ra sự có mặt của nitơ trong đó Cuối cùng, cảOdier và Braconot điều đi đến kết luận chitin có công thức giống cellulose[12]

1.2 Cấu trúc hóa học của chitin và chitosan

1.2.1 Chitin

Chitin (C8H13O5N) là một polymer của N-acetylglucosamin, dẫn xuất củaglucose, trong đó nhóm (-OH) ở nguyên tử C2 được thay thế bằng nhómacetamido (-NHCOCH3) Như vậy, chitin là poli (N-acetyl-2-amino-2-deoxi-β-D-glucopyranose) liên kết với nhau bằng liên kết β-(C-1-4) glycoside, trong

đó các mắt xích của chitin cũng được đánh số như glucose [26], [38]

Công thức cấu tạo của chitin:

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của chitin

Tên gọi: Poly (1-4)-2-acetamido-2-deoxy-β-D-glucose hay acetamido-2-deoxy-β-D-glucopyranose

D-Công thức cấu tạo của chitosan

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của chitosan

Tên gọi khoa học: Poly(1-4)-2-amino-2-deoxy-β-D-glucose hay 2-amino-2-deoxy-β-D-glucopyranose

poly(1-4)-Công thức phân tử: [C6H11O4N]n

- Phân tử lượng: Mchitosan = (161,07)n

Cấu trúc của chitin và chitosan cho thấy chitin chỉ có một loại nhóm chứchoạt động đó là nhóm (–OH) (H ở nhóm hydroxyl bậc 1 linh động hơn H ởnhóm hydroxyl bậc 2 trong vòng 6 cạnh), nhóm NHCOCH3 có hoạt tính thấpcòn chitosan có 2 nhóm chức hoạt động là (–OH) và (-NH2), do đó chitosan

dễ dàng tham gia phản ứng hóa học hơn chitin Trong thực tế các mạch chitin

- chitosan đan xen nhau, vì vậy chúng tạo ra nhiều sản phẩm đồng thời vàviệc tách và phân tích chúng rất phức tạp

1.3 Tính chất vật lý của chitin – chitosan

Chitin - chitosan là chất rắn màu trắng ngà hoặc vàng nhạt, tồn tại dạng bộthoặc dạng vảy, không mùi không vị, nhiệt độ nóng chảy 309 - 3110C

1.3.2 Độ deacetyl hóa

Quá trình deacetyl hóa bao gồm quá trình loại nhóm acetyl khỏi chuỗiphân tử chitin và hình thành phân tử chitosan với nhóm amin hoạt động hóahọc cao Độ deacetyl hóa là một tính chất quan trọng của chitosan bởi vì nóảnh hưởng đến tính chất lý hóa và khả năng ứng dụng của chitosan sau này

Độ deacetyl hóa của chitosan vào khoảng 56 – 99 % (nhìn chung là 80%) phụthuộc vào loại giáp xác và phương pháp deacetyl hóa Chitin có độ deacetylhóa khoảng 75% trở lên thường được gọi là chitosan

Có rất nhiều phương pháp để xác định độ deacetyl hóa của chitosan như sửdụng thuốc thử ninhydrin, chuẩn độ theo điện thế, quang phổ hồng ngoại,chuẩn độ bằng HI, chuẩn độ acid - base [36].

1.3.3 Phân tử lượng

Chitosan là một polymer sinh học có phân tử lượng cao Tùy theo nguồnnguyên liệu và phương pháp chế biến, phân tử lượng của chitin thường lớnhơn 1 triệu Dalton trong khi các sản phẩm chitosan thương mại có khối lượngkhoảng 100.000 – 1.200.000 Dalton

Độ nhớt là một nhân tố quan trọng để xác định phân tử lượng của chitosan.Chitosan phân tử lượng cao thường làm cho dung dịch có độ nhớt cao Độnhớt phụ thuộc vào nhiệt độ và khối lượng phân tử của chitosan [17]

Phân tử lượng của chitosan được xác định thông qua độ nhớt đặc trưng Độnhớt đặc trưng có đơn vị là 100ml/g

Mối quan hệ giữa độ nhớt đặc trưng và phân tử lượng của polymer được biểuthị bằng phương trình Mark – Houwink [15t]

[η] = KMνα

Trong đó: K và α là các hệ số đặc trưng và phân tử lượng của polymer, dungmôi cho trước ở nhiệt độ xác định

1.4 Tính chất hóa học của chitin - chitosan

Phân tử chitin - chitosan có các nhóm chức -OH, -NHCOCH3 trong các mắtxích N-acetyl-D-glucosamin và nhóm –OH, nhóm -NH2 trong các mắt xíchD-glucosamin; điều này có nghĩa chúng vừa là ancol vừa là amin, vừa làamid Phản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thếO-, dẫn xuất thế N- hoặc dẫn xuất thế O-, N

Mặt khác, chitin - chitosan là polimer mà các monomer được nối với nhaubởi các liên kết β-(1-4)-glycoside, các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi cácchất hoá học như: acid, base, tác nhân oxy hóa và các enzym thuỷ phân Do

đó chitin - chitosan có những tính chất sau [2], [ 3], [12]

1.4.1 Thủy phân trong môi trường acid và môi trường kiềm

Sự thủy phân trong môi trường kiềm là phản ứng deacetyl hóa chitin thànhchitosan

H

NH2H

OH

CH2OH O

O H

H

NH2H

OH

CH2OH H O

H

H NHCOCH3

H NHCOCH3H

OH

CH2OH H O

H

NH2HCl H

OH

CH2OH O

Hình 1.3 Quá trình deacetyl hoá chitin thành chitosan

1.4.2 Phản ứng tạo phức với ion kim loại

Chitosan tạo phức với ion kim loại chuyển tiếp nên chitosan được ứng dụngtrong xử lý môi trường

Trong phân tử chitin - chitosan và một số dẫn xuất của chitin có các nhóm chức

mà trong đó các nguyên tử oxy và nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa sửdụng, do đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng vàcác kim loại chuyển tiếp như: Hg2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ Tuỳ nhóm chứctrên mạch polymer mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau Ví dụ, phứcNi(II) với chitin có cấu trúc bát diện với số phối trí bằng 6, còn phức Ni(II) vớichitosan có cấu trúc tứ diện với số phối trí bằng 4

Hình 1.4 Phức chiosan với kim loại

a) Cấu trúc của phức chitosan với Ni2+ b) Cấu trúc của phức chitosan với Cu2+

O

O

H2-

O

O H

1.5.2 Trong công nghiệp

Chitosan được dùng trong nhiếp ảnh, trong ngành giấy và trong xử lý dệtnhuộm và in

1.5.3 Trong nông nghiệp

Chitosan được dùng làm phân bón kích thích sinh trưởng cây trồng, bảoquản rau quả, hạt giống mang lại hiệu quả cao, dùng như một thành phần

chính trong thuốc trừ nấm bệnh (đạo ôn, khô vằn…), làm thuốc kích thíchsinh trưởng cây trồng cho lúa, cây công nghiệp, cây trồng, cây ăn quả.

1.5.4 Trong công nghệ thực phẩm

Dùng làm sản phẩm bảo quản hoa quả tươi và thực phẩm chức năng cho conngười

1.5.5 Ứng dụng trong mỹ phẩm

Dùng làm sản phẩm chăm sóc da, chăm sóc tóc

1.5.6 Ứng dụng trong xử lý môi trường

Dùng đề xử lý kim loại nặng trong nước thải, xử lý nước thải dệt nhuộm(trừ nước thải chứa thuốc nhuộm base)

Hình 1.7 Một số ứng dụng của chitosan

2 Giới thiệu tinh bột

Tinh bột là polysaccarit chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây Mộtlượng tinh bột đáng kể có trong các loại quả như chuối và nhiều loại rau trong

đó xảy ra sự biến đổi thuận nghịch từ tinh bột thành đường glucose phụ thuộcvào quá trình chín và chuyển hóa sau thu hoạch Tinh bột có vai trò dinh

dưỡng đặc biệt lớn vì trong quá trình tiêu hóa chúng bị thủy phân thànhđường glucose là chất tạo nên nguồn calo chính của thực phẩm cho conngười Tinh bột giữ vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm do nhữngtính chất lý hóa của chúng Tinh bột thường được dùng làm chất tạo độ nhớtsánh cho thực phẩm dạng lỏng, là tác nhân làm bền cho thực phẩm dạng keo,

là các yếu tố kết dính và làm đặc tạo độ cứng và độ đàn hồi cho nhiều thựcphẩm Hiện nay, tinh bột còn có những ứng dụng to lớn trong công nghiệpđặc biệt là công nghiệp ứng dụng tinh bột để xử lý nước thải, tạo màng baobọc kị nước trong sản xuất thuốc nổ nhũ tương, thành phần kết dính trongcông nghệ sơn [19] Các tính chất “sẵn có” của tinh bột có thể thay đổi nếuchúng bị biến tính (hóa học hoặc sinh học) để thu được những tính chất mớihoặc hoàn toàn mới lạ

2.1 Hình dạng, đặc điểm, kích thước hạt tinh bột [20], [28]

Tinh bột là polysaccarit chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây Tinhbột cũng có nhiều ở các loại củ như khoai tây, sắn, củ mài Một lượng đáng kểtinh bột cũng có trong các loại quả như chuối và nhiều loại rau Tinh bột cónhiều trong các loại lương thực do đó các loại lương thực được coi là nguồnnguyên liệu chủ yếu để sản xuất tinh bột Hình dạng và thành phần hóa họccủa tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt, …

Tinh bột không phải là một chất riêng biệt, nó bao gồm hai thành phầnamylose và amylopectin Hai chất này khác nhau về nhiều tính chất lí học vàhóa học Dựa vào sự khác nhau đó có thể phân chia được hai thành phần trên

để điều chế dạng tinh khiết Các phương pháp để tách và xác định hàm lượngamylose và amylopectin là:

- Chiết rút amylose bằng nước nóng

- Kết tủa amylose bằng rượu

- Hấp thụ chọn lọc amylose trên xenlulozơ

Tinh bột là loại polysaccarit khối lượng phân tử cao gồm các đơn vịglucose được nối nhau bởi các liên kết α-glycoside, có công thức phân tử là(C6H10O5)n, ở đây n có thể từ vài trăm đến hơn 1 triệu Tinh bột giữ vai tròquan trọng và được ứng dụng rộng rãi là do những tính chất hóa lí của chúng.Tinh bột thường dùng làm chất tạo độ sánh cho các thực phẩm dạng lỏng hoặc

là tác nhân làm bền keo hoặc nhũ tương, như các yếu tố kết dính và làm đặc

tạo độ cứng, độ đàn hồi cho nhiều loại thực phẩm Ngoài ra tinh bột còn cónhiều ứng dụng trong ngành dược phẩm, công nghiệp dệt và hóa dầu, …[29] Trong thực vật, tinh bột thường có mặt dưới dạng không hòa tan trongnước Do đó có thể tích tụ một lượng lớn ở trong tế bào mà vẫn không bị ảnhhưởng đến áp suất thẩm thấu Các cacbonhydrat đầu tiên được tạo ra ở diệplục do quang hợp, nhanh chóng được chuyển thành tinh bột Tinh bột ở mức

độ này được gọi là tinh bột đồng hóa, rất linh động, có thể được sử dụng ngaytrong quá trình trao đổi chất hoặc có thể được chuyển hóa thành tinh bột dựtrữ ở trong hạt, quả, củ, rễ, thân và bẹ lá

Khoai lang 5-50 Bầu dục 20

Hạt tinh bột của tất cả hệ thống nêu trên hoặc có dạng hình tròn, hình bầudục, hay hình đa giác Hạt tinh bột khoai tây lớn nhất và bé nhất là hạt tinhbột thóc

Kích thước các hạt khác nhau dẫn đến những tính chất cơ lí khác nhau nhưnhiệt độ hồ hóa, khả năng hấp thụ xanh metylen…Có thể dùng phương pháplắng để phân chia một hệ thống tinh bột ra các đoạn có kích thước đồng đều

để nghiên cứu [29]

Tinh bột sắn có dạng hình cầu, hình trứng hoặc hình mũ, có một số hạttrũng, điều này có thể nhận thấy từ kết quả chụp hiển vi điện tử quét [8], [9]

Hình 1.1 (1) tinh bột sắn 1500X (2) tinh bột sắn 3500X

Kích thước hạt tinh bột qua phương pháp nhiễu xạ laze:

Kính hiển vi điện tử quét có thể xác định kích thước trung bình của hạttinh bột nhưng chỉ những hạt nằm trong vùng quan sát của kính, nên số liệukhông đặc trưng cho toàn khối hạt Những phương pháp khác như phươngpháp lắng, hoặc rây, sàng để phân chia hệ thống tinh bột ra các đoạn có kíchthước đồng đều rồi nghiên cứu thì mất thời gian, không chính xác (hạt to lẫnhạt nhỏ)

(1)

(2) (1)

Để khắc phục điều này, ta có thể sử dụng phương pháp nhiễu xạ X-ray.

Nó có thể phân tích và xử lý số liệu đo được một cách nhanh chóng và chínhxác [5]

2.2 Thành phần hóa học của tinh bột [9], [8], [27]

Tinh bột không phải một hợp chất đồng thể mà gồm hai polysaccarit khácnhau: amylose và amylopectin Tỉ lệ amylose/amylopectin xấp xỉ 1/4

Trong tinh bột nếp (gạo nếp hoặc ngô nếp) gần như 100% là amylopectin.Trong tinh bột đậu xanh, dong riềng hàm lượng amylose chiếm trên 50%

Hình 1.9 Cấu tạo của tinh bột

2.3 Thành phần cấu trúc của amylose [8], [9]

Trong vi hạt, tinh bột tồn tại dưới dạng hạt có kích thước trong khoảng từ0,02 – 0,12 nm Hạt tinh bột của tất cả các hệ có dạng hạt hình tròn, hình bầudục hay hình đa diện Cấu tạo và kích thước của hạt tinh bột phụ thuộc vàogiống cây, điều kiện trồng trọt cũng như quá trình sinh trưởng của cây

Cấu tạo bên trong của vi hạt tinh bột khá phức tạp Vi hạt tinh bột có cấutạo lớp, trong mỗi lớp đều có lẫn lộn các amylose dạng tinh thể vàamylopectin xắp xếp theo phương hướng tâm

Nhờ phương pháp hiển vi điện tử quét và nhiễu xạ tia X thấy rằng tronghạt tinh bột “nguyên thủy” các chuỗi polysaccarit của amyloza vàamylopectin tạo thành xoắn ốc với ba gốc glucose một vòng

Trong tinh bột của các hạt ngũ cốc, các phân tử có chiều dài từ 0,35 – 0,7µm; trong khi đó chiều dày của một lớn hạt tinh bột là 0,1 µm Hơn nữa, cácphân tử lại sắp xếp theo hướng tâm nên các mạch glucoside của cácpolysaccarit phải ở dạng gấp khúc nhiều lần

Các mạch polysaccarit sắp xếp hướng tâm tạo ra độ tinh thể: các mạchbên của một phân tử amylopectin này nằm xen kẽ giữa các mạch bên củaphân tử kia.

Ngoài cách sắp xếp bên trong như vậy, mỗi hạt tinh bột còn có vỏ bọcphía ngoài Đa số các nhà nghiên cứu [29] cho rằng vỏ hạt tinh bột khác vớitinh bột bên trong, chứa ít ẩm hơn và bền đối với các tác động bên ngoài.Trong hạt tinh bột có lỗ xốp nhưng không đều Vỏ hạt tinh bột cũng có lỗ nhỏ

do đó các chất hòa tan có thể xâm nhập vào bên trong bằng con đường khuếchtán

Hầu hết các loại tinh bột đều chứa hai loại polyme khác nhau về khốilượng phân tử và cấu trúc hóa học:

* Amylose là loại mạch thẳng, chuỗi mạch dài từ 500 – 2000 đơn vị glucose,liên kết nhau bởi liên kết α – 1,4 glicozit Amylose “nguyên thủy” có mức độtrùng hợp không phải hàng trăm mà là hàng ngàn Có hai loại amylose:

- Amylose có mức độ trùng hợp tương đối thấp (khoảng 2000)thường không có cấu trúc bất thường và bị phân ly hoàn toàn bởi β –amylose

- Amylose có mức độ trùng hợp lớn hơn, có cấu trúc án ngữ đốivới β – amylose nên chỉ bị phân hủy 60%

Trong hạt tinh bột hoặc trong dung dịch hoặc ở trạng thái thoái hóa,amylose thường có cấu hình mạch giãn Khi thêm tác nhân kết tủa vào,amylose mới chuyển thành dạng xoắn ốc, mỗi vòng xoắn ốc gồm 6 đơn vịglucose Đường kính của xoắn ốc là 12,97A0 Các nhóm hydroxyl của các gốcglucose được bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong là các nhóm C – H

Hình 1.10 Cấu trúc amylose

2.4 Thành phần cấu trúc của amylopectin [9]

Phân tử amylopectin có thể chứa tới 100000 đơn vị glucose Có thể nhậnthấy phân tử amylose và amilopectit ở hình 1.11

Hình 1.11 Amylose và amylopectin

Amylopectin là polme mạch nhánh, ngoài mạch chính có liên kết α – 1,4glicozit còn có nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α – 1,6 glicozit Mối liên kết nhánh này làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài củachuỗi mạch nhánh này khoảng 25 – 30 đơn vị glucose Sự khác biệt giữaamylose và amylopectin không phải luôn luôn rõ nét Bởi lẽ, ở các phân tử

amylose cũng thường có một phần nhỏ phân nhánh do đó cũng có những tínhchất giống như amylopectin.

Cấu tạo của amylopectin lớn và dị thể hơn amylose nhiều Trong tinh bột tỉ lệamylose/amylopectin khoảng 1/4 Tỉ lệ này có thể thay đổi phụ thuộc thời tiết,mùa vụ và cách chăm bón

2.5 Các phản ứng tiêu biểu của tinh bột [8], [9]

Hình 1.12 Phản ứng thủy phân của tinh bột

Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể bị oxi hóa tạo thành andehyt,xeton và tạo thành các nhóm cacboxyl Quá trình oxi hóa thay đổi tùy thuộcvào tác nhân oxi hóa và điều kiện tiến hành phản ứng Quá trình oxi hóa tinhbột trong môi trường kiềm bằng hypoclorit là một trong những phản ứng haydùng, tạo ra nhóm cacboxyl trên tinh bột và một số lượng nhóm cacbonyl.Quá trình này còn làm giảm chiều dài mạch tinh bột và tăng khả năng hòa tantrong nước, đặc biệt trong môi trường loãng

Hình 1.13 Sơ đồ phân tử thể hiện các nhóm hydroxyl

Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể tiến hành ete hóa, este hóa Một

số monomer vinyl đã được dùng để keo lên tinh bột Quá trình ghép đượcthực hiện khi các gốc tự do tấn công lên tinh bột và tạo ra các gốc tự do trêntinh bột ở các nhóm hydroxyl Những nhóm hydroxyl trong tinh bột có khảnăng phản ứng với andehyt trong môi trường axit Khi đó xảy ra phản ứngngưng tụ tạo liên kết ngang giữa các phân tử tinh bột gần nhau Sản phẩm tạothành không có khả năng tan trong nước

2.5.2 Phản ứng tạo phức [8], [9]

Phản ứng rất đặc trưng của tinh bột là phản ứng với iot Khi tương tác vớiiot, amylose sẽ cho phức màu xanh đặc trưng Vì vậy, iot có thể coi là thuốcthử đặc trưng để xách định hàm lượng amylose trong tinh bột bằng phươngpháp trắc quang Để phản ứng được thì các phân tử amylose phải có dạngxoắn ốc để hình thành đường xoắn ốc đơn của amylose bao quanh phân tử iot.Các dextrin có ít hơn 6 gốc glucose không cho phản ứng với iot vì không chophản ứng với iot vì không tạo được một vòng xoắn ốc hoàn chỉnh Axit vàmột số muối như KI, Na…tăng cường tốc độ phản ứng

Amylose với cấu hình xoắn ốc hấp thụ được 20% khối lượng iot, tương ứngvới một vòng xoắn một phân tử iot Amylopectin tương tác với iot cho màunâu tím Về bản chất phản ứng màu với iot là hình thành nên hợp chất hấpthụ

Ngoài khả năng tạo phức với iot, amylose còn có khả năng tạo phức vớinhiều chất hữu cơ có cực cũng như không cực như: các rượu no, các rượuthơm, phenol, các xeton phân tử lượng thấp

2.5.3 Tính hấp thụ của tinh bột

Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên khi tương tác với các chất bị hấp thụ thì

bề mặt trong và ngoài của tinh bột đều tham dự Vì vậy trong quá trình bảoquản, sấy và chế biến cần phải hết sức quan tâm tính chất này Các ion liên

kết với tinh bột thường ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của tinh bột Khảnăng hấp thụ của các loại tinh bột phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của hạt vàkhả năng trương nở của chúng.

2.5.4 Khả năng hấp thụ nước và khả năng hòa tan của tinh bột

Xác định khả năng hấp thụ nước và khả năng hòa tan của tinh bột cho phépđiều chỉnh được tỉ lệ dung dịch tinh bột và nhiệt độ cần thiết trong quá trìnhcông nghiệp, còn có ý nghĩa trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến thủynhiệt Rất nhiều tính chất chức năng của tinh bột phụ thuộc vào tương tác củatinh bột và nước (tính chất thủy nhiệt, sự hồ hóa, sự tạo gel, tạo màng) Ngoài

ra, nó cũng là cơ sở để lựa chọn tinh bột biến tính thích hợp cho từng ứngdụng cụ thể Ví dụ: để sản xuất các sản phẩm nước uống, …[20]

2.6 Những tính chất vật lí của huyền phù tinh bột trong nước [8], [11] 2.6.1 Độ hòa tan của tinh bột

Amylose mới tách từ tinh bột có độ tan cao hơn song không bền nên nhanhchóng bị thoái hóa trở nên không hòa tan trong nước Amylopectin khó tantrong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ tan trong nước nóng

Tinh bột bị kết tủa trong cồn, vì vậy cồn là một tác nhân tốt để tăng hiệu quảthu hồi tinh bột

2.6.3 Tính chất hồ hóa của tinh bột

Nhiệt độ để phá vỡ hạt chuyển tinh bột từ trạng thái đầu có mức độ oxi hóakhác nhau thành dung dịch keo gọi là nhiệt độ hồ hóa Phần lớn tinh bột bị hồhóa khi nấu và trạng thái trương nở được sử dụng nhiều hơn ở trạng thái tựnhiên Các biến đổi hóa lí khi hồ hóa như sau: hạt tinh bột trương lên, tăng độtrong suốt và độ nhớt, các phân tử mạch thẳng và nhỏ thì hòa tan và sau đó tựliên hợp với nhau để tạo thành gel Nhiệt độ hồ hóa không phải là một điểm

mà là một khoảng nhiệt độ nhất định Tùy điều kiện hồ hóa như nhiệt độ,

nguồn gốc tinh bột, kích thước hạt và pH mà nhiệt độ phá vỡ và trương nởcủa tinh bột biến đổi trên một khoảng rộng lớn.

Bảng 1.2 Nhiệt độ hồ hóa của một số loại tinh bột

Tinh bột tự nhiên Nhiệt độ hồ hóa (oC)

sự bất đối xứng của phân tử Nồng độ tinh bột, pH, nhiệt độ, tác nhân oxi hóa,các thuốc thử phá hủy liên kết hydro đều làm cho tương tác của các phân tửtinh bột thay đổi do đó làm thay đổi độ nhớt của dung dịch tinh bột

2.8 Khả năng tạo gel và sự thoái hóa gel

Tinh bột sau khi hồ hóa và để nguội, các phân tử sẽ tương tác nhau và sắpxếp lại tạo một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng 3chiều Để tạo được gel thì dung dịch tinh bột phải có nồng độ đậm đặc vừaphải, phải được hồ hóa để chuyển tinh bột thành trạng thái hòa tan và sau đóđược để nguội ở trạng thái yên tĩnh Trong gel tinh bột chỉ có các liên kếthydro tham gia, có thể nối trực tiếp các mạch polyglucode hoặc gián tiếp quaphân tử nước

Khi gel tinh bột để nguội một thời gian dài sẽ co lại và lượng dịch thể sẽthoát ra, gọi là sự thoái hóa Quá trình này sẽ càng tăng mạnh nếu gel để ởlạnh đông rồi sau đó cho tan giá

3 Giới thiệu về nano – bạc

3.1 Phương pháp điều chế

Có hai phương pháp để tạo vật liệu nano, phương pháp từ dưới lên vàphương pháp từ trên xuống Phương pháp từ dưới lên là tạo hạt nano từ cácion hoặc các nguyên tử kết hợp lại với nhau Phương pháp từ trên xuống làphương pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu Đối với hạt nano kimloại như hạt nano vàng, bạc, bạch kim,… thì phương pháp thường được ápdụng là phương pháp từ dưới lên Nguyên tắc là khử các ion kim loại như

Ag +, Au+ để tạo thành các nguyên tử Ag và Au Các nguyên tử sẽ liên kếtvới nhau tạo ra hạt nano Các phương pháp từ trên xuống ít được dùng hơnnhưng thời gian gần đây đã có những bước tiến trong việc nghiên cứu theophương pháp này

Phương pháp ăn mòn laser

Đây là phương pháp từ trên xuống [4] Vật liệu ban đầu là một tấm bạcđược đặt trong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt Một chùmLaser xung có bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, nănglượng mỗi xung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm.Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10

nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặtCnH2n+1SO4Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ 0,001 đến 0,1 M

Phương pháp khử hóa học

Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loạithành kim loại Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏngnên còn gọi là phương pháp hóa ướt Đây là phương pháp từ dưới lên Dungdịch ban đầu có chứa các muối của các kim loại như HAuCl4, H2PtCl6,AgNO3 Tác nhân khử ion kim loại Ag+, Au+ thành Ag0, Au0 ở đây là cácchất hóa học như Citric acid, vitamin C, Sodium Borohydride NaBH4,Ethanol (cồn), Ethylene Glycol [5] (phương pháp sử dụng các nhóm rượu đachức như thế này còn có một cái tên khác là phương pháp polyol) Để các hạtphân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụngphương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và

đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt Phươngpháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chất khử Phương phápbao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương pháp này có thể làmcho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng Các hạtnano Ag, Au, Pt, Pd, Rh với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo

từ phương pháp này

Phương pháp khử vật lí

Phương khử vật lí dùng các tác nhân vật lí như điện tử [6], sóng điện từnăng lượng cao như tia gamma [7], tia tử ngoại [8], tia laser [9] khử ion kimloại thành kim loại Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều quá trìnhbiến đổi của dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóahọc có tác dụng khử ion thành kim loại Ví dụ, người ta dùng chùm laser xung

có bước sóng 500 nm, độ dài xung 6ns, tần số 10 Hz, công suất 12-14 mJ [9]chiếu vào dung dịch có chứa AgNO3 như là nguồn ion kim loại và SodiumDodecyl Sulfate (SDS) như là chất hoạt hóa bề mặt để thu được hạt nano bạc

Phương pháp khử hóa lí

Đây là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lí Nguyên lí là dùngphương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano Phương phápđiện phân thông thường chỉ có thể tạo được màng mỏng kim loại Trước khixảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽtạo các hạt nano bàm lên điện cực âm Lúc này người ta tác dụng một xungsiêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điệncực và đi vào dung dịch [10]

Phương pháp khử sinh học

Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại [11] Người ta cấy vi khuẩnMKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để thu được hạt nano bạc.Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường và có thể tạo hạt với sốlượng lớn

3.2 TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO KIM LOẠI