Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5 hydroxymethyl 2 furfuraldehyde (5 hmf) bằng sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác hcl

TÓM TẮT Tên đề tài: Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde 5-HMF bằng sự kết hợp giữ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BẰNG SỰ KẾT HỢP GIỮA NHIỆT

VÀ XÚC TÁC HCl

TÓM TẮT

Tên đề tài: Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng

đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)

bằng sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác HCl

Sinh viên thực hiện: Võ Thị Hoàng Yến

Số thẻ SV: 107130129 Lớp: 13H2B

5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) là một sản phẩm trung gian của phản

ứng caramel, được coi là một hóa chất quan trọng do có nhiều ứng dụng trong các lĩnh

vực khác nhau Trong y dược, 5-HMF được sử dụng để điều trị các bệnh tim mạch, chấn

thương do thiếu oxy,…; trong thực phẩm, hợp chất này được sử dụng để sản xuất các

loại phụ gia thực phẩm; ngoài ra, còn được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp vật

liệu, hóa chất, năng lượng…

Dựa trên kết quả khảo sát đơn biến ban đầu, phương pháp bề mặt đáp ứng được sử

dụng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành

5-HMF bằng sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác HCl với hàm mục tiêu là hiệu suất chuyển

hóa 5-HMF (H, %) Hàm lượng 5-HMF được xác định bằng phương pháp sắc kí lỏng

hiệu năng cao (HPLC) Phần mềm Minitab version 16 được sử dụng để xử lý số liệu

thực nghiệm thu được, sự khác biệt có ý nghĩa đối với hiệu suất trích ly được phân tích

bằng phương pháp phương sai ANOVA – one way Mô hình toán học mô tả ảnh hưởng

của các yếu tố cũng như sự tương tác của chúng đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF có

dạng: H = - 238,523 + 10,970T + 248,784C - 7,343R - 0,555TC - 0,158TR + 8,330CR

- 0,258T2 - 81,507C2 - 0,428R2; trong đó, T: Thời gian phản ứng (phút), C: Nồng độ xúc

tác HCl (M), R: Tỉ lệ thể tích xúc tác HCl:sucrose (mL:g) Hiệu suất chuyển hóa 5-HMF

đạt giá trị cực đại Hmax = 56,229 ± 2,519% tại điều kiện phản ứng tối ưu là T = 17,4

(phút); C = 1,81 (M) và R = 6,6:1 (v:w) Hiệu suất trích ly đạt giá trị cực đại là 61,067

± 0,645% với độ tinh khiết của 5-HMF là 75,56 ± 3,67% khi tiến hành tinh chế hợp chất

5-HMF bằng phương pháp trích ly với dung môi diethyl ether ở tỉ lệ sản phẩm

thô:diethyl ether là 1:09 (v:v) Nghiên cứu đã cung cấp thông tin quan trọng cho các

nghiên cứu tiếp theo về 5-HMF và quá trình sản xuất 5-HMF với qui mô lớn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hoá sucrose thành

5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde bằng sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác HCl

2 Đề tài thuộc diện: □ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quá thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

MỞ ĐẦU

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

6 Họ tên người hướng dẫn: ThS Bùi Viết Cường

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 12/01/2018

8 Ngày hoàn thành đồ án: 28/05/2018

Đà Nẵng, ngày 28 tháng 05 năm 2018

Sau hơn 3 tháng nghiên cứu, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô

giáo khoa Hóa – trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, các thầy cô trong bộ môn Công

Nghệ Thực Phẩm và đặc biệt là thầy Bùi Viết Cường, giáo viên hướng dẫn đã tận tình

giúp đỡ, định hướng, góp ý, để từ đó giúp tôi nắm bắt kĩ lưỡng, chi tiết hơn về nội dung,

cũng như cung cấp kiến thức về các vấn đề liên quan trong suốt thời gian hoàn thành đồ

án của mình Tiếp đến, tôi xin chân thành cảm ơn tất cả bạn bè và người thân đã động

viên giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian làm đồ án và học tập Họ là

những người luôn cho tôi những góp ý về nội dung cũng như giúp tôi thu thập những tài

liệu cần thiết phục vụ cho đồ án nghiên cứu này

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Đà Nẵng, ngày 21 tháng 05 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Võ Thị Hoàng Yến

CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đồ án “Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa các

yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hoá sucrose thành furfuraldehyde bằng sự kết hợp giữa nhiệt với xúc tác HCl” dưới sự hướng dẫn của giảng viên ThS Bùi Viết Cường là công trình nghiên cứu độc lập được thực hiện bởi bản thân tôi Việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp được soạn thảo và hoàn thành một cách độc lập, sáng tạo, không sao chép từ đề tài khác Các kết quả số liệu thu được trong bài đều trung thực, khách quan, không có chỉnh sửa, sao chép Tài liệu tham khảo sử dụng trong đồ án chính xác, có độ tin cậy cao, được trích dẫn đầy đủ và đúng quy định

5-Hydroxymethyl-2-Đà Nẵng, ngày 21 tháng 5 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Võ Thị Hoàng Yến

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp

Lời cảm ơn i

Cam đoan ii

Mục lục iii

Danh sách các bảng, hình vẽ v

Danh sách các chữ viết tắt vii

Trang Mở đầu 1

Chương 1 Tổng quan 2

1.1 Tổng quan về 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) 2

1.1.1 Định nghĩa 2

1.1.2 Cấu trúc 2

1.1.3 Tính chất vật lí 2

1.1.4 Tính chất hóa học 3

1.1.5 Cơ chế tổng hợp 5-HMF từ sucrose 10

1.1.6 Ứng dụng của 5-HMF 13

1.2 Phản ứng caramel 14

1.2.1 Định nghĩa 14

1.2.2 Đặc điểm của phản ứng caramel 15

1.2.3 Cơ chế của phản ứng caramel 16

1.3 Các phương pháp sản xuất 5-HMF 17

1.4 Các phương pháp định lượng 5-HMF 19

1.5 Giới thiệu về phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) 20

1.5.1 Nguyên tắc của phương pháp RSM 20

1.5.2 Công dụng của phương pháp RSM 21

1.5.3 Ưu, nhược điểm của phương pháp RSM 21

1.5.4 Các mô hình xây dựng ma trận thí nghiệm trong RMS 22

1.6 Tình hình nghiên cứu 5-HMF tại Việt Nam và trên thế giới 24

1.6.1 Tại Việt Nam 24

1.6.2 Trên thế giới 25

Chương 2 Hóa chất và phương pháp nghiên cứu 27

2.1 Hóa chất nghiên cứu 27

2.2 Phương pháp nghiên cứu 27

2.2.1 Phương pháp chuẩn bị mẫu và bố trí thí nghiệm 27

2.2.2 Phương pháp phân tích 31

Chương 3 Kết quả nghiên cứu và thảo luận 32

3.1 Kết quả thí nghiệm và xây dựng mô hình toán học tối ưu cho phản ứng chuyển hóa 5-HMF dưới tác dụng của nhiệt và xúc tác HCl .32

3.2 Đánh giá phương trình hồi qui cấp 2 mô tả mối quan hệ của các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF 33

3.3 Kết quả xác định điều kiện phản ứng tối ưu của phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-HMF dưới sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl bằng phương pháp RSM – CCD .35

3.4 Kết quả tinh chế hợp chất 5-HMF bằng phương pháp trích ly với dung môi diethyl ether 40

3.5 Đề xuất qui trình thu nhận 5-HMF 43

KẾT LUẬN 44

KIẾN NGHỊ 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1 Tính chất vật lý của 5-HMF 2

Bảng 1.2 Nhiệt độ xảy ra phản ứng caramel của một số loại đường 15

Bảng 1.3 Các nhóm chất xúc tác [20] 18

Bảng 2.1 Mức, khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng 28

Bảng 2.2 Ma trận thí nghiệm 30

Bảng 3.1 Kết quả thực nghiệm hiệu suất chuyển hóa 5-HMF theo ma trận thí nghiệm (bảng 2.2) 32

Bảng 3.2 Kết quả phân tích phương sai ANOVA 33

Bảng 3.3 Bảng so sánh hiệu suất chuyển hóa 5-HMF giữa kết quả thực nghiệm và phương trình hồi qui 39

Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm tinh chế đối với hiệu suất trích ly 5-HMF 42

DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Công thức cấu tạo của 5-HMF 2

Hình 1.2 Các sản phẩm của phản ứng este hóa của nhóm hydroxymethyl (-CH2OH) 4

Hình 1.3 Các sản phẩm của phản ứng ether hóa của nhóm hydroxymethyl (-CH2OH) 5 Hình 1.4 Các sản phẩm của phản ứng halogen hóa của nhóm hydroxymethyl 5

Hình 1.5 Phản ứng OXH của nhóm hydroxymethyl (-CH2OH) 6

Hình 1.6 Các sản phẩm của phản ứng khử của nhóm andehyde (-CHO) 6

Hình 1.7 Các sản phẩm của phản ứng ngưng tụ của nhóm andehyde (-CHO) 7

Hình 1.8 Các sản phẩm của phản ứng OXH của nhóm andehyde (-CHO) 8

Hình 1.9 Phản ứng polyme hóa của 5-HMF 9

Hình 1.10 Phản ứng OXH vòng furan 9

Hình 1.11 Cơ chế tổng hợp 5-HMF từ sucrose [2] 10

Hình 1.12 Chuyển hóa Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein [9] 11

Hình 1.13 Các giai đoạn mất nước của fructose 12

Hình 1.14 Quá trình thủy phân sucrose tạo thành glucose và fructose 12

Hình 1.15 Quá trình chuyển hóa glucose thành 5-HMF 12

Hình 1.16 Một số dẫn xuất của 5-HMF [18] 14

Hình 1.17 Quá trình đồng phân hóa aldose thành ketose 16

Hình 1.18 Phản ứng caramel trong môi trường acid 17

Hình 1.19 Các sản phẩm tạo ra của quá trình caramel trong môi trường kiềm 17

Hình 1.20 Sơ đồ chức năng chuyển đổi 20

Hình 1.21.a) Mô hình Box-Behnken cho 3 yếu tố dưới dạng hình học (khối lập phương) và b) 3 thiết kế kết hợp 22 giai thừa 22

Hình 1.22 Mô hình CCD cho các yếu tố dưới dạng hình học 24

Hình 3.1 Phát đồ đường viền 2D thể hiện ảnh hưởng của tương tác giữa thời gian phản ứng (T, phút) và nồng độ xúc tác HCl (C, M) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (H, %) khi tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) (constant) = 10:1 (mL:g) 35

Hình 3.2 Phát đồ bề mặt 3D thể hiện ảnh hưởng của tương tác giữa thời gian phản ứng (T, phút) và nồng độ xúc tác HCl (C, M) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (H, %) khi

tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) (constant) = 10:1 (mL:g) 36 Hình 3.3 Phát đồ đường viền 2D thể hiện ảnh hưởng của tương tác giữa thời gian phản ứng (T, phút) và tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (H, %) khi nồng độ xúc tác HCl (C, M) (constant) = 2 M 36 Hình 3.4 Phát đồ bề mặt 3D thể hiện ảnh hưởng của tương tác giữa thời gian phản ứng (T, phút) và tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (H, %) khi nồng độ xúc tác HCl (C, M) (constant) = 2 M 37 Hình 3.5 Phát đồ đường viền 2D thể hiện ảnh hưởng của tương tác giữa nồng độ xúc tác HCl (C, M) và tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (H, %) khi thời gian phản ứng (T, phút) (constant) = 10 (phút) 37 Hình 3.6 Phát đồ bề mặt 3D thể hiện ảnh hưởng của tương tác giữa nồng độ xúc tác HCl (C, M) và tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (H, %) khi thời gian phản ứng (T, phút) (constant) = 10 (phút) 38Hình 3.7 Ảnh hưởng của tỉ lệ sản phẩm thô:diethyl ether (v:v) đến hiệu suất trích ly 5-HMF (%) và độ tinh khiết của 5-HMF (%) 41 Hình 3.8 Sơ đồ qui trình thu nhận 5-HMF 43

5-HMF : 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde

HPLC : Sắc kí lỏng hiệu năng cao

DMSO : Dimethyl sulfoxide

RSM : Response surface method (Phương pháp bề mặt đáp ứng) CCD : Central Composite design (Phương án cấu trúc có tâm quay)

MỞ ĐẦU

5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) được coi là một hóa chất quan trọng

do có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như trong thực phẩm (sản xuất phụ gia thực phẩm: alapyridaine, acid levulinic, acid fomic, ), công nghiệp vật liệu (sản xuất polymer, nhựa tái sinh, polyester, ), công nghiệp năng lượng (phối trộn với nhiên liệu lỏng), y dược, hóa chất,… Hiên nay, các phương pháp sản xuất 5-HMF đã sử dụng còn tồn tại nhiều khuyết điểm cần được khắc phục như: thiết bị phức tạp, thời gian phản ứng kéo dài, cơ chất ban đầu đắt tiền, các xúc tác được sử dụng buộc phải loại bỏ hoàn toàn trước khi đưa vào ứng dụng trong y dược hay thực phẩm,… Nghiên cứu phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-HMF bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl đã khắc phục được các nhược điểm này Tuy nhiên, các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa còn mang tính rời rạc, chưa có mô hình toán học mô tả ảnh hưởng của tất cả các yếu

tố cũng như sự tương tác của chúng đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF, nhằm kiểm soát phản ứng chuyển hóa khi ứng dụng vào thực tế sản xuất và đặc biệt chưa được xác định được điều kiện phản ứng tối ưu cho hiệu suất chuyển hóa 5-HMF đạt giá trị cao nhất, đồng thời chưa tiến hành tinh chế sản phẩm thô thu chế phẩm 5-HMF tinh khiết; vì vậy, ứng dụng của nghiên cứu vào qui mô sản xuất lớn bị giới hạn Do đó, tôi được giao

nhiệm vụ: “Nghiên cứu tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa

sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde bằng sự kết hợp giữa nhiệt với xúc tác HCl và tinh chế hợp chất 5-HMF”

1.1.2 Cấu trúc

Cấu tạo phân tử của 5-HMF bao gồm một vòng furan, có chứa cả nhóm chức andehyde (-CHO) và nhóm hydroxymethyl (-CH2OH), được liên kết với vòng ở vị trí

số 2 và 5 [2]

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của 5-HMF

Tên thông thường: 5-(Hydroxymethyl)-2-furancarboxaldehyde [3]

Tên gọi khác: 5-(Hydroxymethyl)-2-furaldehyde; HMF; 5-(Hydroxymethyl)-2- furancarbonal; 5-(Hydroxymethyl)-2-furfural; 5-Hydroxymethyl-2- formylfuran; 5-Oxymethylfurfurole; Hydroxymethyl furfuraldehyde [3]

1.1.3 Tính chất vật lí [3],[4]

Bảng 1.1 Tính chất vật lý của 5-HMF

Công thức phân tử C6H6O3

Phân tử lượng 126,11 (g/mol)

Trạng thái

- Tinh thể rắn dạng kim/bột

- Dung dịch có màu vàng nhạt, mùi hoa cúc nhẹ

Nhiệt độ sôi 126,11 (g/mol)

Khả năng hòa tan

- Tan nhiều trong nước, methanol, ethanol, aceton, ethyl acetade, dimethyl formamide

- Tan được trong ether, benzene, chloroform

- Ít tan trong carbon tetrachlorua

1.1.4.1 Phản ứng của nhóm hydroxymethyl (-CH 2 OH)

• Phản ứng este hóa:

Triacetates hoặc monoacetate có thể được tạo thành từ sự acetyl hóa 5-HMF với acid acetic Nhưng 5-Acetoxymethylfurfural được thu nhận dễ dàng trong phản ứng của 5-HMF với acetic anhydride (CH3CO)2O

5- Propionoxymethylfurfural là một loại thuốc diệt nấm được sử dụng nhiều trong ngành dệt và công nghiệp thực phẩm, thu được bằng phản ứng của 5-HMF với anhydride propionic (CH3CH2CO)2 (được gia nhiệt) Hoặc cho acid propionic (CH3CH2COOH) phản ứng với 5HMF trong sự hiện diện của acid sulfuric (H2SO4) [5]

Phản ứng của 5-HMF với benzoyl clorua (C6H5COCl) xúc tác bởi natri hydroxide (NaOH) tạo thành 5-Benzoyloxymethylfurfural là một chất trung gian để sản xuất vinyl monomer 5-(Benzoyloxymethyl)-2-vinylfuran (BzMVF) [6]

Hình 1.2 Các sản phẩm của phản ứng este hóa của nhóm hydroxymethyl (-CH2OH)

Với xúc tác acid, phản ứng của 5-HMF với rượu đơn giản cũng tạo thành ether tương ứng

Hình 1.3 Các sản phẩm của phản ứng ether hóa của nhóm hydroxymethyl (-CH2OH)

• Phản ứng halogen hóa [7]:

Các nhóm hydroxyl trong 5-HMF thay thế halogen rất dễ dàng để tạo thành Halomethyfurfurals như 5-Chloromethylfurfural (CMF) hoặc 5-Bromomethylfurfural (BMF), là những hóa chất nền để tổng hợp 1 loạt các hóa chất và nhiên liệu lỏng[8] Thu được 5-Chloromethylfurfural từ phản ứng của hydroclorua (HCl) với 5-HMF Tương tự như vậy, 5-Bromomethylfurfural được tổng hợp trong phản ứng với hydrobromide (HBr)

5-Hình 1.4 Các sản phẩm của phản ứng halogen hóa của nhóm hydroxymethyl

• Quá trình oxy hóa:

5-HMF có thể bị oxy hóa với các chất oxy hóa khác nhau như crom trioxide trong

pyridin (C5H5N) hoặc anhydride acetide (CH3CO)2O trong DMSO để tạo thành

dialdehyde, là tiền chất cho việc tổng hợp các macrocycles phức tạp, oxo-porphirines,

bis alkenyl,… [5]

Hình 1.5 Phản ứng OXH của nhóm hydroxymethyl (-CH2OH)

1.1.4.2 Phản ứng của nhóm andehyde (-CHO)

• Phản ứng khử:

2,5-Bis- (hydroxymethyl) furan là một hợp chất được ứng dụng trong các lĩnh vực

như trong chế tạo nhựa, polymer Nó được tổng hợp bằng việc khử nhóm andehyde

(-CHO) của 5-HMF xúc tác bởi niken, đồng chromide , platin oxide, oxide coban hoặc

oxide molybden và amalgam natri [5]

Hình 1.6 Các sản phẩm của phản ứng khử của nhóm andehyde (-CHO)

• Phản ứng ngưng tụ:

Sự ngưng tụ của 5-HMF với các dẫn xuất của amoniac (NH3) tạo thành các hợp chất như oximes (1), phenylhydrazone (2), p-nitrophenylhydrazone (3), semioxamazone (4) và semicarbazone (5)

Hình 1.7 Các sản phẩm của phản ứng ngưng tụ của nhóm andehyde (-CHO)

• Phản ứng OXH:

Nhóm andehyde (-CHO) trên 5-HMF có thể dễ dàng bị oxy hóa thành nhóm carboxylic 5-HMF bị OXH bởi oxit bạc (Ag2O) tạo thành acid 5-Hydroxymethyl-2-furancarboxylic 5-HMF phản ứng với acid nitric (HNO3) tạo thành diacid và acid 5-Formyl-2-furancarboxylic với hiệu suất cao Các acid này là những tiền chất của nhiều loại dược phẩm khác nhau và các diacid được ứng dụng rộng rãi để tổng hợp các polyester, poly amid trong công nghiệp vật liệu,… [5]

Hình 1.8 Các sản phẩm của phản ứng OXH của nhóm andehyde (-CHO)

1.1.4.3 Phản ứng polyme hóa [2, 5]

Tùy thuộc vào pH mà 5-HMF khi phản ứng với phenol sẽ tạo thành các sản phẩm ngưng tụ hay nhựa Các loại nhựa phản ứng với hexamethylenetetramine (aminof ORM) với sự hình thành của chất kết dính sử dụng như chất làm dẻo HMF tạo thành nhựa chịu nhiệt khi phản ứng với p-toluenesulfonamide hoặc butanone Phản ứng của HMF với polyisocyanates cho polyure than, được sử dụng để sản xuất sợi không thể tan và không hòa tan Khi tinh bột được sử dụng như một chất ổn định trong tổng hợp nhựa phenolate,

sẽ hình thành HMF bằng việc phản ứng với phenol thông qua các nhóm andehyde CHO) và hydroxyl (CH2OH) của nó

Hình 1.10 Phản ứng OXH vòng furan

1.1.5 Cơ chế tổng hợp 5-HMF từ sucrose [2]

Dựa trên các dữ liệu thực nghiệm, có 3 con đường tổng hợp 5-HMF chính [3] Trong đó, cơ chế phổ biến nhất là sự tổng hợp trực tiếp 5-HMF dựa trên sự mất phân tử nước của hexoses với xúc tác acid Khi đó, 3 phân tử nước được loại bỏ khỏi phân tử đường Ngoài 5-HMF còn tạo ra nhiều sản phẩm phụ khác nhau [5] Cơ chế của phản ứng này là khá phức tạp, bao gồm một loạt các phản ứng phụ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của quá trình chuyển hóa [2]

Hình 1.11 Cơ chế tổng hợp 5-HMF từ sucrose [2]

5-HMF được hình thành từ sự mất nước của monosaccharides như fructose hoặc glucose (mất ba phân tử nước) Cả hai có thể được sử dụng như một chất nền chính hoặc được thu từ sự thủy phân các disaccharides hay polysaccharides ( như sucrose,

cellobiose, celllose,…) với các xúc tác enzyme, acid Hầu hết các polysaccharides đều nhạy cảm với acid và có thể được thủy phân thành đường đơn, sau đó được dùng như một chất nền cho sự hình thành 5-HMF Sự khử nước ở fructose diễn ra hiệu quả và nhanh chóng hơn so với glucose [2]

Trong điều kiện acid, glucose có thể thực hiện chuyển hóa Lobry de Alberda van Ekenstein để tạo thành fructose Quá trình đồng phân hóa diễn ra với sản phẩm trung gian là 1,2-Enodiol

Bruyn Khi 1,2-Endiol bị khử nước, sẽ tạo thành 3-Deoxy-2,3-diulose (7), đây là một sản phẩm trung gian quan trọng cho nhiều phản ứng phụ Khi không có mặt các hợp chất khác, hợp chất (7) sẽ chịu sự khử nước lần thứ hai tạo thành dicarbonyl với liên kết đôi tại vị trí C số 3 (8)

- Tiếp theo là một quá trình dẫn đến sự hình thành 2-hydroxy-2,5-dihydrofuran (9)

5-Hydroxymethyl-2-formylo Cuối cùng, 5-Hydroxymethyl-2-formylo-2-hydroxy-2,5-dihydrofuran (9) bị mất một nước và tạo thành 5-HMF [Antal và cộng sự, 1990], [2]

-

Hình 1.12 Chuyển hóa Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein [9]

Sự chuyển đổi fructose để tạo thành 5-HMF xảy ra trong ba bước khử nước riêng biệt [10]:

- Giai đoạn đầu tiên của sự biến đổi là việc khử nước của vòng furanose tại C5 tạo thành fructofuranosyl oxocation (3) Tiếp đến, fructofuranosyl oxocation (3) được loại

bỏ một proton dẫn đến sự hình thành của enol 2,5-Anhydro-D-mannose(4)

- Tiếp theo, một phân tử nước được giải phóng khỏi enol đóng liên kết đôi đầu tiên trong vòng furan (5) Các nhóm carbonyl ở C5 tạo ra ở giai đoạn này

- Giai đoạn thứ ba: Sự khử nước lần thứ 3 tạo ra cấu trúc cuối cùng của Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde

5-Hình 1.13 Các giai đoạn mất nước của fructose

Hình 1.14 Quá trình thủy phân sucrose tạo thành glucose và fructose

Hình 1.15 Quá trình chuyển hóa glucose thành 5-HMF

1.1.6 Ứng dụng của 5-HMF

Trong những thế kỷ qua, tốc độ tăng trưởng và phát triển cả các nước trên thế giới đang ngày càng tăng nhanh, kéo theo đó là sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá, ) Trong khi đó, lượng dự trữ nguồn nhiên liệu hóa thạch đang có xu hướng giảm dần, đòi hỏi việc tăng cường những mối quan tâm tìm một nguồn năng lượng thay thế Việc sử dụng các dẫn xuất furanic như là vật liệu khởi đầu cho những hợp chất hóa học mới dựa trên sinh khối đang thu hút nhiều sự quan tâm [11, 12] Trong

đó, 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) được coi là một hóa chất quan trọng

do có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

• Trong hóa chất nông nghiệp:

Acid 5-Amino-levulinic và các dẫn xuất của nó là một chất diệt cỏ được tổng hợp

từ 5-HMF [3] Phản ứng của 5-HMF với acetonitril trong xúc tác HCl, tạo ra sản phẩm chống rầy gây hại trong nông nghiệp 5- Propionoxymethylfurfural là một chất diệt nấm được thu từ phản ứng acyl hóa của 5-HMF với propionic anhydride [3]

• Trong công nghiệp vật liệu :

5-HMF là cơ chất để sản xuất polymer, nhựa tái sinh, polyester, Các dẫn xuất quan trọng của 5-HMF như 2,5-Bis (hydroxymethyl) -furan (BHMF), 5-Hydroxymethyl-acid -2-furoic (HMFA) và acid 2,5-Dicarboxylic (FDCA) đã được nghiên cứu rộng rãi cho việc sản xuất các polyeste furanoic Một số dẫn xuất khác của 5-HMF cũng có nhiều ứng dụng quan trọng như [5- (aminomethyl) furan-2-yl] methanol (AMFM); furan-2,5-diyldimethanamine (FDDMA); furan-2,5-dicarb-aldehyde (FDCAL); 5,5 '- (oxydimethanediyl) difuran-2-carb- aldehyde (ODFCA), [10]

• Trong công nghiệp thực phẩm :

Hợp chất 5-HMF có thể được sử dụng để tổng hợp các phụ gia thực phẩm như alapyridaine, acid levulinic, acid fomic, [13].Hơn thế nữa, 5-HMF là hợp chất có khả năng ức chế sự phát triển của nấm men và vi khuẩn, vì vậy được sử dụng để bảo quản thực phẩm lên men [14]

Ngoài ra, 5-HMF còn được sử dụng để điều chế các hợp chất tăng cường hương vị như các hợp chất tăng vị ngọt (S)-alapyridainen được điều chế từ 5-HMF và alanine Các hợp chất pyridinium tương tự cũng được tạo ra bởi phản ứng giữa 5-HMF và methylamine, 1-proplamin, glycine,  - alanine,  - aminobutyric acid và N – acetyl – lysine [3]

• Trong y học :

5-HMF được ứng dụng để làm thuốc điều trị bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm, bệnh thần kinh, tim mạch và nội tạng Ngoài ra 5-HMF còn có tác dụng làm giảm sự tích tụ các chất độc trong cơ thể, đặc biệt nó có khả năng loại bỏ các gốc tự do chống oxy hóa trên màng protein [15, 16]

• Trong công nghiệp năng lượng:

5-HMF là chất có hoạt tính sinh học cao được ứng dụng như một tiền chất để sản xuất nhiên liệu sinh học như dẫn xuất 2,5-Dimethylfuran (DMF) được xem như là một nhiên liệu sinh học tiềm năng, cũng như tiền thân trong quá trình tổng hợp ankan lỏng

để sử dụng trong nhiên liệu diesel hoặc nhiên liệu của máy bay phản lực [17]

Hình 1.16 Một số dẫn xuất của 5-HMF [18]

1.2 Phản ứng caramel

1.2.1 Định nghĩa

Phản ứng caramel là phản ứng mất nước của đường khi dung dịch đường có nồng

độ cao được đun nóng mãnh liệt, hình thành những sản phẩm dễ bay hơi như diacetyl (tạo mùi thơm Caramel) và có màu nâu đặc trưng (màu nâu do 3 nhóm polyme:

caramelans (C 24H 36 O 18 ), caramelens (C 36 H 50O 25 ), và caramelins (C 125 H 188O 80) [19].

Trong thực phẩm, phản ứng caramel gây ra những thay đổi quan trọng, không chỉ

ở màu sắc mà còn trong hương vị của các loại thực phẩm có hàm lượng đường cao dưới tác dụng của nhiệt độ (cô đặc, sấy, sao, rang, nướng, ) Do đó, đây là phản ứng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp chế biến thực phẩm Đặc biệt, sản phẩm của phảm ứng caramel như các hợp chất màu, mùi được sử dụng là phụ gia thực phẩm Các hợp chất màu này có mặt trong những sản phẩm như bia, bánh mỳ, chocolate, bánh kẹo, nước sốt, nước chấm, mứt, nước ép trái cây,

1.2.2 Đặc điểm của phản ứng caramel

Phản ứng caramel là phản ứng không cần xúc tác enzyme, xảy ra cả trong môi trường acid (pH < 3) và môi trường kiềm (pH > 9)(tỷ lệ caramel hóa thấp nhất ở môi trường gần trung tính, tối ưu nhất ở pH = 10), ở nhiệt độ trên 120°C [9] Phản ứng xảy

ra mạnh mẽ ở nhiệt độ nóng chảy của đường Mỗi loại đường có một điểm nhiệt độ riêng, mà tại đó các phản ứng caramel bắt đầu diễn ra dễ dàng nhất Tuy nhiên, phản ứng còn phụ thuộc vào nồng độ của đường, pH của môi trường và thời gian đun nóng,

Do đó vẫn tìm thấy các sản phẩm của sự caremel hóa ở các nhiệt độ thấp hơn điểm nóng chảy của đường

Bảng 1.2 Nhiệt độ xảy ra phản ứng caramel của một số loại đường

Loại đường Nhiệt độ phản ứng (°C)

Fructose 110 Galactose 160 Glucose 160 Mannose 160 Maltose 160 Sucrose 160

Phản ứng caramel là phản ứng làm nâu hóa đường, đường thường bị nâu hóa nhiều nhất là đường sucrose Đường sucrose dưới tác dụng của acid sẽ bị thủy phân thành glucose và fructose theo phản ứng [21]:

C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6

Sucrose Fructose Glucose

Dựa vào bảng 1.2 cho thấy fructose dễ bị phân hủy bởi nhiệt độ hơn glucose nên phản ứng caramel ở fructose xảy ra dễ dàng hơn

• Trong phản ứng caramel sự phân hủy đường và tạo các sản phẩm có màu do những phản ứng sau [21]:

C12H22O11 C12H20O10 C12H18O9 C36H50O25Sucrose Isosucran Caramenlan Caramenlan (không màu) (không màu) Ehrlich sucran

(màu đậm) C36H48O24 C96H102O05 (C12H8O4)n hoặc (C3H2O)x

Chất màu caramel được coi như là hợp chất humin Đó là sự polymer hóa ở các mức độ khác nhau của  - anhydride

1.2.3 Cơ chế của phản ứng caramel

Phản ứng caramel làm biến đổi đường thành các hợp chất màu, phá vỡ các phân tử dài tạo các phân tử ngắn hơn và sắp xếp lại chúng Các phản ứng xảy ra theo một trình

tự liên tiếp Dưới tác dụng của nhiệt độ, các monosaccharides sẽ có sự bố trí lại trong nội bộ phân tử, gây ra sự giải phóng các cation H+

Phản ứng caramel hóa carbohydrate được khơi mào bằng việc mở vòng hemiacetal tạo enodiol trung gian xảy ra trong môi trường có xúc tác acid hoặc base, dẫn đến sự hình thành carbohydrate đồng phân Đây là một phản ứng quan trọng vì nó sẽ mở đầu cho một chuỗi các phản ứng xảy ra tiếp theo

Hình 1.17 Quá trình đồng phân hóa aldose thành ketose

H +

Trong môi trường acid, carbohydrate đồng phân được tạo thành với lượng thấp, tuy nhiên sự mất nước của đường lại diễn ra mạnh mẽ dẫn đến tạo thành các hợp chất furaldehyde: 5-(hydroxymethyl)-2-furaldehyde từ hexoses và 2-Furaldehyde từ pentoses [9].

Hình 1.18 Phản ứng caramel trong môi trường acid Ngược lại, trong môi trường kiềm phản ứng khử nước diễn ra chậm hơn so với môi trường trung tính hoặc acid Nhưng thay vào đó lại diễn ra quá trình phân hủy đường tạo các sản phẩm như acetone, acetoin, và diacetyl Khi có mặt của oxy quá trình phân hủy đường sẽ tạo ra acid formic, acid acetic, cũng như các acid hữu cơ khác [9]

Hình 1.19 Các sản phẩm tạo ra của quá trình caramel trong môi trường kiềm

1.3 Các phương pháp sản xuất 5-HMF

Vì 5-HMF là một sản phẩm trung gian của phản ứng caramel và phản ứng nâu hóa mailard nên tất cả các phương pháp tổng hợp 5-HMF đều đòi hỏi nhiệt độ kết hợp với các loại xúc tác khác nhau để khử nước của hexoses Việc lựa chọn các chất xúc tác và phương pháp nhiệt khác nhau ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tổng hợp 5-HMF [20]

Phần lớn các nghiên cứu sử dụng phương pháp nhiệt như hơi nước bão hòa, quá bão hòa, gia nhiệt bằng phương pháp truyền thống, … [20] để chuyển hóa đường pentose (fructose) thành 5-HMF Tuy nhiên, những phương pháp này thường đòi hỏi các thiết bị tiến hành đắt tiền, điều kiện làm việc ở áp suất cao, quy trình phức tạp, chi phí bão dưỡng

và vận hành lớn, thời gian phản ứng kéo dài nên là gánh nặng về kinh tế cho quá trình sản xuất ở qui mô công nghiệp Trong khi đó, phương pháp gia nhiệt truyền thống có giá thành thấp, vận hành đơn giản, chi phí bảo trì bảo dưỡng thấp, nhưng chưa được khai thác triệt để và sử dụng vào quá trình sản xuất 5-HMF Vì vậy, trong nghiên cứu

này chọn phương pháp nhiệt truyền thống để tổng hợp 5-HMF.

Phương pháp nhiệt kết hợp xúc tác (acid vô cơ, hữu cơ, base, muối, ) đã được sử dụng để làm tăng hiệu suất tổng hợp 5-HMF Xúc tác được sử dụng để tổng hợp 5-HMF đầu tiên là acid oxalic [20] và cho đến nay có gần một trăm các hợp chất vô cơ và hữu

cơ có thể làm chất xúc tác để tổng hợp 5-HMF Cottier đã chia chất xúc tác thành 5 nhóm chính và được thể hiện trong bảng 1.3 [20]

(NH4 )2SO4/SO3Pyrid/ PO4-3Pyrid/HCl Muối nhôm Các ion: Cr, Al,

Ti, Ca ZrOCl2TiO2

ZnCl2AlCl3BF3

Nhựa trao đổi ion Zeolit

Nghiên cứu chuyển hóa fructose thành 5-HMF sử dụng phương pháp hơi nước bão hoà kết hợp với xúc tác acid H2SO4 cho hiệu suất 40,3% Trong khi đó với xúc tác acid oxalic cho hiệu suất chuyển hoá thành 5-HMF là 17,4% [24, 25] Từ đó cho thấy việc lựa chọn xúc tác có ảnh hưởng lớn đến hiệu xuất sản xuất 5-HMF

Trong các nghiên cứu trước đây, sử dụng các acid vô cơ và muối vô cơ làm chất xúc tác bắt buộc phải loại bỏ hoàn toàn trước khi đưa vào sử dụng trong y học, sinh học

và thực phẩm gặp khá nhiều khó khăn Mặc khác, đối với những nghiên cứu sử dụng xúc tác là acid hữu cơ thì cường lực xúc tác thấp hơn acid vô cơ và dễ dàng bị phân hủy bởi nhiệt độ cao, điều này ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng chuyển hóa fructose thành 5-HMF Trong đó, chỉ có HCl được sử dụng như một loại phụ gia thực phẩm do đó an toàn với đối tượng sử dụng [26, 27], cho nên HCl sẽ là một xúc tác tốt cho quá trình sản xuất 5-HMF và công đoạn tinh chế sẽ đơn giản hơn Khả năng ứng dụng 5-HMF khi được sản xuất với xúc tác HCl sẽ dễ dàng hơn.

5- HMF có thể thu được bằng cách khử nước với xúc tác acid của các carbohydrate khác nhau như fructose, glucose, mannose, sucrose, cellulose hoặc inulin [28, 29] Trong

đó, cơ chất fructose và glucose được sử dụng phổ biến trong các nghiên cứu trước đây

vì chúng là những cơ chất để chuyển hóa thành 5-HMF Tuy nhiên, các cơ chất này lại

có giá thành cao, không sẵn có; do đó gây hạn chế trong sản xuất ở quy mô công nghiệp Trong khi đó, sucrose là cơ chất sẵn có và giá thành thấp hơn so với fructose và glucose

Do đó, trong nghiên cứu này sử dụng cơ chất là sucrose để chuyển hóa thành 5- HMF.Nghiên cứu này được tiến hành nhằm mục đích khai thác những ưu điểm vượt trội của nguồn nhiệt thường, cơ chất sucrose và xúc tác HCl vào quá trình sản xuất 5-HMF

Từ cơ sở đó tìm ra những điều kiện tối ưu nhất để đạt được hiệu suất chuyển hóa 5-HMF cao nhất từ sucrose với sự kết hợp của nguồn nhiệt thường và xúc tác HCl, để có thể tiến tới sản xuất thử nghiệm và sản xuất ở qui mô công nghiệp Đây là một phương pháp hoàn toàn mới chưa từng được thực hiện để tổng hợp 5-HMF

1.4 Các phương pháp định lượng 5-HMF

Trên thực tế đã có nhiều nghiên cứu về phương pháp định lượng 5-HMF trong một

số sản phẩm khác nhau Trong đó, phương pháp đo quang được ứng dụng đầu tiên để xác định 5-HMF trong các chế phẩm Tại Việt Nam, trong chuyên luận glucose cũng như TCVN năm 2012 về an toàn vệ sinh thực phẩm cũng có quy định định lượng 5-HMF bằng phương pháp đo quang với thuốc thử p – toluidin [22] Phương pháp này có nhiều ưu điểm như cách tiến hành và trang thiết bị đơn giản, có thể tiến hành ở nhiều phòng thí nghiệm Tuy nhiên, phương pháp này có độ chính xác và chọn lọc không cao.Phương pháp sắc kí khí khối phổ Đây là phương pháp có độ chọn lọc rất cao, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng thấp, không bị ảnh hưởng khi có mặt các chất khác trong mẫu Tuy nhiên, phương pháp này rất tốn kém, trang thiết bị khá phức tạp, không sẵn có

Ngoài ra, 5-HMF còn được định lượng bằng phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao HPLC cũng được sử dụng để xác định trực tiếp 5-HMF Phương pháp này có độ

nhạy, độ chọn lọc và đặc hiệu cao, thời gian phân tích nhanh (mất khoảng 7 phút cho một mẫu phân tích), đây lại là thiết bị có sẵn có Vì vậy, nghiên cứu này sử dụng HPLC

để định lượng 5-HMF trong mẫu thu được

1.5 Giới thiệu về phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) [30, 31]

Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) là một phương pháp thống kê sử dụng các dữ liệu định lượng từ các thí nghiệm để xác định và giải thích nhiều biến phương trình RSM khám phá các mối quan hệ giữa các biến giải thích với một hay nhiều biến đáp ứng Phương pháp này đã được giới thiệu bởi GEP Box và KB Willson năm 1951[31] RSM sử dụng một chuỗi các thí nghiệm được thiết kế để có được một mục tiêu tối

ưu Để làm được điều này, Box và Willson đã sử dụng một mô hình đa thức bậc hai Mô hình này ước lượng xấp xỉ hàm mục tiêu, nhưng lại tương đối dễ áp dụng

1.5.1 Nguyên tắc của phương pháp RSM [32]

Sự thay đổi giá trị của các biến đầu vào Xi sẽ kéo theo sự thay đổi của đặc tính được nghiên cứu hay hàm mục tiêu Y Việc lựa chọn các biến đầu vào, xác định các giai đoạn quan sát và tính toán sai số được lưu ý khi xây dựng mô hình thí nghiệm của phương pháp RSM Những biến đầu vào Xi(i=1, ,n) cũng được gọi là những biến cơ sở Chúng được đặc trưng bởi một loạt các thông tin thống kê µj (j = 1,2,…,p)(chức năng phân phối độc lập hoặc tương quan,…) Trong trường hợp chung, những biến Xi là những biến thay đổi theo không gian – thời gian

Sự chuyển đổi này của các biến kích thích được thể hiện ở hình 1.20

Hình 1.20 Sơ đồ chức năng chuyển đổi Hình thức rõ ràng của chức năng chuyển đổi này tùy thuộc vào các biến cơ sở là không được biết đến, vì vậy việc nghiên cứu về tính xấp xỉ hay chức năng đáp ứng trở nên cần thiết Thông thường, nó xuất hiện trong một họ chức năng thường là tuyến tính hoặc phi tuyến tính và được đặc trưng bởi những thông số Xk(k=1,2, ,m) một cách ngẫu nhiên hay xác định Việc điều chỉnh mục tiêu phải dựa trên một cơ sở của những số liệu thí nghiệm và việc tính toán các sai số, nó cho phép ta suy ra được các thông số Xk Sự biểu diễn hình học của chức năng đáp ứng dưới dạng một đường cong, một mặt phẳng hoặc một mặt phẳng gia tăng được gọi là bề mặt đáp ứng

Biến đầu vào

Xi

Chức năng chuyển đổi Hàm mục

tiêu Y

Để xây dựng một bề mặt đáp ứng cần phải khai báo:

- X =  X1, X2,…, n  : biến đầu vào,

- µ =  µ1, µ2, …, µn  : thông tin thống kê về vecto X ( chức năng phân phối độc lập hoặc tương quan,…),

-  (X/µ) : tính xấp xỉ của hàm mục tiêu Y, được ghi theo công thức chức năng của X

1.5.2 Công dụng của phương pháp RSM [30, 31]

Các phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) được dùng để khảo sát mối quan hệ giữa một hay nhiều biến đáp ứng (hàm mục tiêu) với một tập hợp các biến đầu vào (các yếu tố) Các phương pháp này thường được áp dụng sau khi đã xác định được các yếu tố quan trọng có thể kiểm soát được và muốn tìm các giá trị của các yếu tố để có đáp ứng tối ưu

Phương pháp bề mặt đáp ứng RSM được dùng để xác định các mức yếu tố làm thỏa mãn đồng thời các thông số kĩ thuật mong muốn, kết hợp tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng để tìm được các giá trị của yếu tố cho giá trị hàm đáp ứng tốt nhất, đồng thời mô

tả kết quả tối ưu đó Ngoài ra, phương pháp còn giúp xác định được những điều kiện tiến hành mới giúp cải thiện chất lượng sản phẩm (đáp ứng) so với những điều kiện hiện tại và mô hình hóa mối quan hệ giữa các yếu tố định lượng với mục tiêu mong muốn (đáp ứng)

1.5.3 Ưu, nhược điểm của phương pháp RSM

Phương pháp bề mặt đáp ứng RSM có ưu điểm mang tính thực tế vì số liệu được lấy từ thực nghiệm Phương pháp này có thể áp dụng cho bất kỳ hệ thống nào có biến đầu vào và mục tiêu đầu ra Đồng thời , nó cũng đánh giá được tác động của các yếu tố ảnh hưởng và thực hiện dễ dàng, nhanh chóng

Tuy nhiên, phương pháp này chỉ mang tính gần đúng, phạm vi tác dụng bị giới hạn, mặt đáp ứng (hàm mục tiêu) sẽ không hợp lệ đối với những vùng khác ngoài dải yếu tố đang nghiên cứu