tổng hợp một số dung môi sâu trên cơ sở

Nam, cũng như việc phải nâng cao hiệu quả kinh tế của cá da trơn Việt Nam, đáp ứng yêu cầu tính khoa học cao của việc tách và làm giàu Omega-3,6,9 bằng những hệ dung môi xanh và rẻ tiề[r]

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

LÊ THỊ THANH XUÂN

TỔNG HỢP MỘT SỐ DUNG MÔI SÂU TRÊN CƠ SỞ 2-ALKYLBENZIMIDAZOLE, CHOLINE CHLORIDE VÀ ỨNG DỤNG TÁCH CHIẾT OMEGA-3,6,9 TRONG MỠ

CÁ BASA Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC

TP HCM – 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

LÊ THỊ THANH XUÂN

TỔNG HỢP MỘT SỐ DUNG MÔI SÂU TRÊN CƠ SỞ 2-ALKYLBENZIMIDAZOLE, CHOLINE CHLORIDE VÀ ỨNG DỤNG TÁCH CHIẾT OMEGA-3,6,9 TRONG MỠ

CÁ BASA Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

Chuyên ngành: Hóa hữu cơ

Mã số: 9 44 01 14

LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TS Hồ Sơn Lâm

2 TS Cù Thành Sơn

TP.HCM – 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

LỜI CẢM ƠN

Với lòng trân trọng và biết ơn sâu sắc, Nghiên cứu sinh xin được gửi lời cảm

ơn đến PGS.TS Hồ Sơn Lâm và TS Cù Thành Sơn đã chỉ đạo, hướng dẫn tận tình, sâu sát và giúp đỡ Nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện cũng như hoàn thành luận án này Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các Lãnh đạo và Thầy, Cô Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng - Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam đã luôn động viên và giúp đỡ Nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện luận án

Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Học viện Khoa học và Công nghệ, Ban Lãnh đạo Khoa Hóa và Bộ phận đào tạo của Học viện đã giúp đỡ Nghiên cứu sinh trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án

Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Đồng Tháp

và các bạn đồng nghiệp, bạn bè đã luôn động viên, ủng hộ và tạo mọi điều kiện giúp

đỡ Nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập

Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo đã hỗ trợ kinh phí để Nghiên cứu sinh hoàn thành luận án

Tp HCM, ngày tháng năm 2021

Tác giả luận án

Lê Thị Thanh Xuân

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng tất cả các số liệu, kết quả trình bày trong luận án này là trung thực và chưa có ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Lê Thị Thanh Xuân

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 3

1.1 Sơ lược về chất lỏng ion 3

1.2 Dung môi sâu (DES-deep eutectic solvent) thế hệ chất lỏng ion mới 7

1.2.1 Sơ lược về sự hình thành phát triển và ứng dụng của DES 7

1.2.2 Cơ sở khoa học của các hệ DES 10

1.3 Sơ lược về cá basa, cá tra ở Việt Nam và hàm lượng Omega-3,6,9 trong cá 12

1.3.1 Giới thiệu về cá basa, cá tra 12

1.3.2 Trữ lượng cá basa, cá tra và hàm lượng omega trong cá 13

1.4 Giá trị và ứng dụng của Omega-3,6,9 trong cuộc sống 14

1.4.1 Những nghiên cứu về mặt dược lý của omega đối với con người 14

1.4.2 Giới thiệu về chất béo 14

1.4.3 Phân loại aicd béo 15

1.4.4 Giới thiệu về omega 16

1.5 Một số phương pháp tách chiết Omega-3,6,9 21

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 23

2.1 Hóa chất, nguyên liệu, dụng cụ tiến hành thí nghiệm 23

2.1.1 Hóa chất, nguyên liệu 23

2.1.2 Dụng cụ tiến hành thí nghiệm 23

2.2 Chuẩn bị nguyên liệu của cá basa, cá tra 24

2.2.1 Qui trình xử lý nguyên liệu 24

2.2.2 Phương pháp chiết acid béo từ phụ phẩm 26

2.3 Các hệ DES đã tổng hợp và sử dụng trong luận án 27

2.3.1 Hệ choline chloride/urea và các đồng đẳng 288

2.3.2 Hệ methanol/urea và hệ ethylene glycol/benzimidazole 28

2.4 Tổng hợp DES trên cơ sở choline chloride/urea và các đồng đẳng 31

2.5 Tổng hợp 2-alkylbenzimidazole và hệ DES 32

2.5.1 Tổng hợp 2-alkylbenzimidazole 32

2.5.2 Kết hợp ethylene glycol với 2-alkylbenzimidazole để tạo thành hệ DES 34

2.6 Phương pháp phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu và sản phẩm 34

2.6.1 Phân tích các hợp chất omega bằng phương pháp GC-FID 34

2.6.2 Các phương pháp phân tích cấu trúc của DES 35

2.6.3 Các phương pháp xác định tính chất cơ lý của DES 36

2.6.4 Phương pháp tính toán hiệu suất 377

2.7 Phương pháp chiết và tách Omega-3,6,9 khỏi acid béo 37

2.7.1 Thiết bị và kỹ thuật thực hiện tách Omega-3,6,9 khỏi acid béo 37

2.7.2 Tỷ lệ các chất tham gia phản ứng tách omega 388

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

3.1 Kết quả chiết cao acid béo trong từng bộ phận của cá basa, cá tra 40

3.1.1 Kết quả chiết xuất mỡ nguyên sinh 40

3.1.2 Kết quả chiết xuất thịt cá (phile) 40

3.1.3 Kết quả chiết xuất mỡ cá thu từ phụ phẩm 41

3.2 Kết quả phân tích và định danh các hợp chất chiết từ cá basa, cá tra 42

3.2.1 Kết quả phân tích và định danh dịch chiết mỡ nguyên sinh 42

3.2.2 Kết quả phân tích và định danh dịch chiết thịt (phile) 42

3.2.3 Kết quả phân tích và định danh dịch chiết mỡ của phụ phẩm 42

3.2.4 Kết luận về nguyên liệu 44

3.2.5 Methyl ester của nguyên liệu (mỡ phụ phẩm của cá basa) 45

3.3 Kết quả tổng hợp DES trên cơ sở choline chloride với urea và các đồng đẳng 47 3.3.1 Kết quả phân tích FTIR và TGA 47

3.3.2 Tính chất vật lý của các mẫu DES trên cơ sở choline chloride 52

3.4 Kết quả tổng hợp 2-alkylbenzimidazole và hệ ethylene glycol/benzimidazole 52 3.4.1 Kết quả phân tích hợp chất dạng 2-alkylbenzimidazole 52

3.4.2 Hệ dung dịch ethylene glycol/alkylbenzimidazole 62

3.5 Kết quả làm giàu và tách Omega-3,6,9 khỏi hỗn hợp acid béo) 62

3.5.1 Tách và làm giàu Omega-3,6,9 bằng hệ methanol/urea 62

3.5.2 Tách và làm giàu Omega-3,6,9 bằng hệ choline chloride 69

3.5.3 Tách và làm giàu Omega-3,6,9 bằng hệ ethylene glycol/benzimidazole 76

3.6 So sánh và đánh giá hiệu quả làm giàu và tách Omega-3,6,9 83

3.6.1 Khả năng làm giàu Omega-3,6,9 khi chưa tách 83

3.6.2 Khả năng tách pha (lỏng và rắn) 86

3.6.3 Khả năng tách các hợp chất trong phần lỏng 87

3.6.4 So sánh chất lượng Omega-3 tách ra trong sản phẩm lỏng 89

3.6.5 Kết luận chung về các hệ DES 90

KẾT LUẬN 91

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 93

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 PHỤ LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ĐBSCL: Đồng bằng Sông Cửu Long FA: Saturated fatty acid

UFA: Unsaturated fatty acid MUFA: monounsaturated fatty acid PUFA: polyunsaturated fatty acid

DHA: Docosahexaenoic acid

EPA: Eicosapentaenoic acid ALA: Alpha linolenic acid LA: Linoleic acid

DPA: Docosapentaenoic acid GLA: Gamma linolenic acid DGLA: Dihomo gamma linolenic acid LDL: Low densitynlipoprotein

HDL: High density lipoprotein EAA: Essential amino acids EFA: Essential fattyl acids ILs: Ionic liquids

PILs: Protic ionic liquids APILs: Aprotic ionic liquids Emin: 1-ethyl-3-methylimidazolium Bmin: 1-butyl-3-methylimidazolium DES: Deep euteetic solvent

EG: Ethylene glycol NADES: Natural deep eutectic solvents GC-MS: Gas chromatography mass spectrometry FTIR: Fourier transform infrared spectroscopy NMR: Nuclear magnetic resonance

DSC: Differential scanning calorimetry TGA: Thermogravimetric analysis GC-FID: Gas chromatography flame ionization detector

ME: Methyl ester Me/U: Methanol/Urea Ch/U: Choline chloride/ Urea Ch/MU: Choline chloride/ Methyl urea Ch/Thi: Choline chloride/ Thiourea Ch/MThi: Choline chloride/ Methyl thiourea Benz-C5: 2-Pentylbenzimidazole

Benz-C7: 2-Heptylbenzimidazole

Benz-C8: 2-Octylbenzimidazole

Benz-C9: 2-Nonylbenzimidazole

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.2 Thành phần nguyên liệu ban đầu từ cá basa, cá tra 24

Bảng 3.25 Khối lượng sản phẩm lỏng sau chiết tách của hệ choline chloride 74

Bảng 3.31 Thành phần và hàm lượng các chất trong phần lỏng của hệ EG/Benz 80

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 3.19 Phổ 13C-NMR của 2-heptylbenzimidazole 57

MỞ ĐẦU

Hiện nay, nghề nuôi cá đặc biệt là cá basa, cá tra (catfish) phát triển mạnh ở khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long, đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ trong nước và làm nguyên liệu cho chế biến xuất khẩu, thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp thủy sản Việt Nam Tuy nhiên, cá basa, cá tra chủ yếu được sử dụng phần thịt (phile) cho xuất khẩu và loại mỡ nguyên sinh cho thị trường trong nước Các phụ phẩm của qui trình chế biến như: đầu, xương, mỡ, da chưa được tận dụng một cách hiệu quả Dạng phụ phẩm này từ trước đến nay được dùng làm phân bón hoặc thức ăn gia súc Nếu không có biện pháp xử lý phù hợp thì không chỉ lãng phí nguồn dinh dưỡng chứa trong đó, mà còn trở thành nguồn gây ô nhiễm cho môi trường

Trong vài năm gần đây, ở Việt Nam có một số công trình nghiên cứu tách các hợp chất omega bằng các phương pháp như: Thủy giải lipid trong môi trường kiềm

và kết tủa urea, hoặc sử dụng phương pháp kết tinh phân đoạn ở nhiệt độ thấp… nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế của quá trình chế biến cá da trơn Nhưng nhìn chung các kết quả chỉ mới mang tính chất thăm dò, chưa có công trình nghiên cứu tách các hợp chất Omega-3,6,9 khỏi hỗn hợp acid béo của mỡ cá basa và cá tra Trên thế giới các phương pháp tách chiết Omega-3,6,9 hiện có trong nghiên cứu và sản xuất như: phương pháp sắc ký, phương pháp chưng cất và enzyme, phương pháp kết tủa urea phức, phương pháp chiết chất lỏng siêu tới hạn…

Dung môi sâu là dạng chất lỏng ion thế hệ mới, chúng có thể được tạo ra bằng cách trộn các thành phần thích hợp và đun nóng sẽ tạo ra chất lỏng có điểm đóng băng thấp hơn các thành phần riêng lẻ Việc hạ thấp điểm đóng băng là kết quả của

sự tương tác liên kết hydro giữa tác nhân Dung môi sâu có tính chất đặc biệt như, hoàn toàn không bay hơi và không có áp suất hơi Do đó, chúng không gây ra những vấn đề liên quan đến cháy nổ, an toàn cho người vận hành cũng như đối với môi trường sống, như khả năng phân hủy sinh học và khả năng tương thích sinh học Chúng có thể thay thế các dung môi độc hại, hạn chế gây ô nhiễm môi trường, có khả năng thu hồi và tái sử dụng Vì vậy chúng là ứng cử viên được sử dụng như là dung môi trong các kỹ thuật tách chiết

Việc tách Omega-3,6,9 khỏi hỗn hợp acid béo cũng như tách riêng từng dạng

omega với một hệ dung môi xanh và có chi phí thấp là một vấn đề đang được các nhà nghiên cứu và sản xuất quan tâm Căn cứ vào nhu cầu thực tế về Omega-3,6,9 tại Việt

Nam, cũng như việc phải nâng cao hiệu quả kinh tế của cá da trơn Việt Nam, đáp ứng yêu cầu tính khoa học cao của việc tách và làm giàu Omega-3,6,9 bằng những hệ dung

môi xanh và rẻ tiền, chúng tôi đã đề xuất thực hiện công trình “Tổng hợp một số dung

môi sâu trên cơ sở 2-alkylbenzimidazole, choline chloride và ứng dụng tách chiết Omega-3,6,9 trong mỡ cá basa ở Đồng bằng Sông Cửu Long” và được Học Viện Khoa

học và Công nghệ chấp nhận làm nghiên cứu sinh với luận án có nội dung như trên

* Mục tiêu của đề tài

- Tổng hợp các hệ dung môi sâu trên cơ sở choline chloride với các hợp chất, 2-alkylbenzimidazole/ethylene glycol và xác định cấu trúc của chúng

- Sử dụng các dung môi sâu đã tổng hợp được để làm giàu và tách Omega-3,6,9 từ mỡ phế thải theo qui trình nhà máy chế biến cá basa xuất khẩu

* Nội dung của đề tài

1 Khảo sát thành phần, hàm lượng acid béo trong mỡ cá basa bằng dung môi truyền thống và xây dựng qui trình tách acid béo ra khỏi phụ phẩm của quá trình chế biến phile cá basa

2 Nghiên cứu tổng hợp các dung môi sâu (Deep Eutectic Solvent) trên cơ sở

- Choline chloride với urea và đồng đẳng (methylurea, thiourea và methylthiourea) xác định tính chất của chúng

- Alkylbenzimidazole (pentylbenzimidazole, heptylbenzimidazole, 2-octylbenzimidazole, 2-nonylbenzimidazole), và tạo hệ dung môi sâu ethylene glycol/2-alkylbenzimidazole

3 Sử dụng các dung môi sâu đã tổng hợp để tách và làm giàu Omega-3,6,9 từ nguyên liệu

4 So sánh quá trình làm giàu và tách Omega-3,6,9 bằng dung môi sâu đã tổng hợp

* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Tìm ra phương pháp tách và làm giàu Omega-3,6,9 có trong mỡ phụ phẩm của quá trình chế biến cá basa bằng dung môi sâu cho hàm lượng omega cao Tận dụng một cách có hiệu quả nguồn phụ phẩm trong chế biến xuất khẩu cá basa ở vùng Đồng bằng Sông Cửu Long Góp phần nâng cao giá trị kinh tế của con cá và bảo vệ môi trường, hướng nghiên cứu này khá mới và có giá trị học thuật cao Do ở Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu tách và làm giàu Omega-3,6,9 từ mỡ của nguồn phế thải trong quá trình chế biến cá basa xuất khẩu bằng dung môi sâu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Sơ lược về chất lỏng ion

Chiết xuất bằng dung môi ra đời từ rất lâu và cho đến ngày nay vẫn là một trong những cách cơ bản truyền thống để phân lập các hợp chất hoạt tính sinh học từ thực vật, động vật Quá trình này dựa trên việc trộn các mẫu vật với một dung môi phù hợp bằng cách sử dụng bất kỳ phương pháp chiết xuất nào Một số kỹ thuật chiết xuất đã được công bố trong nhiều công trình khoa học và sản xuất như chiết xuất có

hỗ trợ siêu âm, chiết chất lỏng điều áp, chiết xuất bằng lò vi sóng, chiết xuất hồi lưu nhiệt, chiết bằng lôi cuốn hơi nước và chiết xuất bằng dung môi Các dung môi truyền thống thường được sử dụng chủ yếu là các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi Dung môi đóng vai trò hết sức quan trọng, dung môi có thể được chia thành hai loại: phân cực

và không phân cực Nói chung, các hằng số điện môi của dung môi phản ánh sơ bộ tính phân cực của dung môi Tính phân cực mạnh của nước được lấy làm chuẩn, ở 20

oC hằng số điện môi là 78,5 Các dung môi có hằng số điện môi nhỏ hơn 15 thường được coi là không phân cực Về mặt kỹ thuật, hằng số điện môi phản ánh khả năng làm giảm cường độ trường điện của điện trường xung quanh một hạt tích điện nằm trong đó Sự giảm đi này sau đó được so sánh với cường độ trường điện của các hạt tích điện trong chân không Theo cách hiểu thông thường, hằng số điện môi của một dung môi có thể được hiểu là khả năng làm giảm sự tích điện nội bộ của chất tan và tính bền vững của quá trình (khả năng tái chế và khả năng sử dụng nhiều lần) có nghĩa

là dung môi phải ổn định về mặt hóa học và vật lý, độ bay hơi thấp, dễ sử dụng và dễ dàng tái chế nhằm tái sử dụng

Trong các hệ dung môi, nước là dung môi lý tưởng nhất về giá thành và môi trường Tuy nhiên, nhiều chất không thể trích ly bằng loại dung môi này ngoại trừ một số hợp chất thu được khi sử dụng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

Các dung môi hữu cơ khác có nguồn gốc từ dầu mỏ, ancol, eter, ester… trong một thời gian dài là nền tảng của kỹ thuật tách chiết Tuy nhiên những nhược điểm của chúng như dễ cháy nổ, bay hơi, độc hại…, ngày càng được chú trọng và cân nhắc trong sử dụng

Các hệ dung môi sinh học (chủ yếu là các hệ terpene) có thể thay thế hệ dung môi truyền thống có nguồn gốc dầu mỏ như petroeter, n-hexane…nhưng có giá thành cao và khả năng tương thích với chất bị chiết cao nên việc tách sản phẩm cuối rất khó khăn [1-3]

Những vấn đề thực tế nói trên đã buộc các nhà nghiên cứu phải tìm ra những

hệ dung môi mới và đó là nguyên nhân ra đời của chất lỏng ion (ILs)

Trong những năm đầu của thế kỷ 20, một hệ chất lỏng ion mới dựa trên hỗn hợp của muối amonium bậc bốn (2-hydroxy ethyl trimethyl amoni chloride) với một

số chất tạo liên kết hydro như amide, glycol hoặc acid carboxylic, để tạo thành một dung môi có khả năng hòa tan giá thành thấp và dễ tái chế hoặc tự phân hủy mà không gây ô nhiễm Chất lỏng ion đầu tiên được công bố từ 1888 do S.Gabrien và J.Weiner [4] là ethanolamonium nitrate có điểm nóng chảy là 52-55 oC Mãi đến 1914, Paul Wanden [5] mới tổng hợp được một chất lỏng ion ở nhiệt độ phòng là ethylamonium nitrate [(C2H5) NH3+NO3-] với nhiệt độ nóng chảy là 12 oC Chất lỏng ion là chất lỏng chỉ chứa toàn bộ ion mà không có các phân tử trung hòa

Chất lỏng ion được chia thành hai nhóm

+ Chất lỏng ion có proton (Protic ionic liquids-PILs)

H N

A

+

R1 R

2

R3

HO

A +

2

R3

Chất lỏng ion dạng muối amonium Chất lỏng ion dạng amide

+ Chất lỏng ion không có proton (Aprotic ionic liquids-APILs)

CH3

R'

+

R

X-C(2)

Chất lỏng ion dạng imidazole

Chất lỏng ion có proton được tạo thành thông qua chuyển proton từ một acid Bronsted

để thành một base Bronsted

Các chất lỏng ion được xem là dung môi có tính chất thay đổi theo yêu cầu của người sử dụng do các tính chất vật lý như: nhiệt độ nóng chảy, độ nhớt, tỷ trọng, cân bằng ái nước, ái dầu của chúng có thể được thay đổi theo yêu cầu của phản ứng