Lý do chọn đề tài Việc nghiên cứu sâu về hoá học và tác động của các hợp chất polyphenol một loại hợp chất quan trọng nhất của chè, chưa được triển khai sâu rộng, còn là một hướng nghiê
Trang 1TẬP ĐOÀN HOÁ CHẤT VIỆT NAM
VIỆN HOÁ HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
*********************
LỤC VĂN THỤ
NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG VÀ CƠ CHẾ
CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI CỦA MỘT SỐ CHẤT
CHIẾT TỪ PHỤ PHẨM CÂY CHÈ
Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã sô: 62 44.27 01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC
HÀ NỘI – 2012
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Xuân Quế
TS Hoàng Văn Hoan
Phản biện 1: Ngô Duy Cường
Phản biện 2: Phạm Văn Thỉnh
Phản biện 3: Nguyễn Văn Phất
Luân án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước, tại Viện Hoá Học Công Nghiệp Việt Nam
Vào hồi 14 giờ 00 ngày 06 tháng 8 năm 2012
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam
Trang 3Chương 1:GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1 Mở đầu
Ngày nay, ngoài tác dụng chữa bệnh và làm thực phẩm chức năng của
các hợp chất thiên nhiên, việc ứng dụng các hợp chất thiên nhiên vào các lĩnh
vực công nghệ được quan tâm nghiên cứu Một trong những ứng dụng có
nhiều triển vọng là sử dụng hợp chất thiên nhiên làm chất ức chế chống ăn
mòn kim loại
1.2 Lý do chọn đề tài
Việc nghiên cứu sâu về hoá học và tác động của các hợp chất
polyphenol một loại hợp chất quan trọng nhất của chè, chưa được triển khai
sâu rộng, còn là một hướng nghiên cứu mới nhiều triển vọng ở nước ta
Những nghiên cứu về hàm lượng các hợp chất có hoạt tính hoá học cao trong
chè, đặc biệt là các hợp chất polyphenol có tác dụng chống oxy hoá
(antioxydat) vẫn đang được tiếp tục quan tâm nghiên cứu Vì cho đến nay ở
nước ta việc khai thác và ứng dụng chè xanh để chữa trị bệnh mới chỉ dừng lại
ở kinh nghiệm dân gian, các nghiên cứu về chè chủ yếu tập trung vào lĩnh vực
thực phẩm, chưa có hướng khai thác hiệu quả tác dụng chống oxi hoá của các
hợp chất được chiết tách từ chè vào quá trình chống oxi hoá và ức chế ăn mòn
kim loại nói riêng, sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại đất nước nói chung
Nghiên cứu ứng dụng các polyphenol từ chè Việt Nam vẫn còn là một
hướng nghiên cứu mới, chưa khai thác hiệu quả tác dụng chống oxi hoá của
các hợp chất được chiết tách từ chè
Trong khuôn khổ luận án này, chúng tôi đã lựa chọn đề tài:
"Nghiên cứu hiệu ứng và cơ chế chống ăn mòn kim loại của một số
chất chiết từ phụ phẩm cây chè"
1.3 Mục tiêu nghiên cứu
1.4 Đôi tượng nghiên cứu, hoá chất, thiết bị
1.4.1 Phụ phẩm của cây chè
1.4.1.2 Thép
Trang 41.4.1.3 Hóa chất
+ Metanol, etanol, etylaxetat, n-hexan, axeton, anilin, Na2CO3, H2SO4, các thuốc thử và các hóa chất khác đạt tiêu chuẩn tinh khiết cho phân tích, nguồn gốc Trung Quốc
+ Silica gel Merck 60, cỡ hạt 0,015 - 0,040 mm, CHLB Đức
+ Lớp mỏng sắc ký (TLC): Silica gel 60 F254, Merck, CHLB Đức
1.4.1.4 Thiết bị
- Máy cô quay chân không Buechi R114 và R210 (Thụy Sỹ)
- Sắc kí lỏng trung áp (MPLC) MD 80/100 Labomatic AG (Thụy Sỹ)
- Cột tách sắc ký trung áp: Đường kính x Chiều dài (ID x L) = 35 x 250 mm; nạp pha tĩnh sắc ký pha thường Silica gel 60 (0,015 - 0,040 mm) hoặc pha đảo LichroPrep®RP18 (Merck)
- Dụng cụ thủy tinh (thiết bị chưng cất dung môi, các loại cốc, ống nghiệm, bình cầu, bình tam giác,…)
- Các chất tinh khiết được phân tích xác định cấu trúc bằng các phương pháp MS, 1D và 2D NMR tại Viện Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam; trong đó
Phổ khối lượng được ghi đo trên thiết bị sắc kí lỏng kết nối trực tuyến phổ khối lượng Agilent HP 1100 ESI-MS/LC-MSD-Trap-SL
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR một chiều và hai chiều được ghi đo trên hệ thống thiết bị Bruke AVAN 500; Phổ proton 1H-NMR được ghi ở tần
số Bo 500 MHz và phổ 13C-NMR ở tần số 125 MHz; phổ DEPT (The Distortionless Enhancement by Polarization Transfer) sử dụng chuỗi xung phức hợp đồng thời với góc tấn 45o, 90o và 135o Nội chuẩn TMS (tetrametyl
silan với δH = 0,0 ppm), dung môi CD3OD (δH 3,3 ppm; δC = 49,0 ppm)
1.5 Phương pháp nghiên cứu
Trang 5Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu truyền thống, hệ thống hóa các kiến thức liên quan về cây chè, nước chiết, về ăn mòn và ức chế ăn mòn kim loại
1.7 Kết cấu của luận án
Luận án đuợc trình bày trong ba chương chính, phần mở đầu, Kết luận
và Tài liệu tham khảo, ngoài ra còn có các phụ lục, mục lục bảng tóm tắt giới thiệu các chữ viết tắt, bảng biểu đồ thị
1.8 Nhiệm vụ của luận án
Trong luận án này chúng tôi tiến hành nghiên cứu những nội dung sau:
- Định lượng hàm lượng polyphenol tổng và cafein có trong mẫu phụ phẩm chè được nghiên cứu
- Phân lập cafein và một số catechin từ phụ phẩm chè
- Xác định hiệu ứng ức chế ăn mòn kim loại của dịch chiết phụ phẩm chè trong môi trường nước có pH thấp
- Khảo sát động học và tiếp cận cơ chế ức chế ăn mòn kim loại của catechin và cafein chiết tách từ chè
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng phụ phẩm chè ức chế ăn mòn kim loại
1.9 Những đóng góp mới của luận án
Chế tạo được cao chè từ dung dịch chiết lá chè - phụ phẩm chè, có thể bảo quản dài hạn, thuận tiện cho việc làm sử dụng làm chất ức chế
ăn mòn trong dung dịch axit
Đánh giá động học ức chế ăn mòn của catechin EGCG và cafein chiết tách từ phụ phẩm chè
Tiếp cận cơ chế ức chế ăn mòn thép xây dựng sản xuất tại Thái Nguyên của EGCG, cafein phân lập được và của dich chiết chè, cũng như cao chè, trong môi trường axit
Pha chề được dung dịch tẩy gỉ H2SO4 0,5M với chất ức chế là cao chè chế tạo từ phụ phẩm cây chè Thái Nguyên
Trang 6
CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN
2 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHÈ
2.1.1 Sinh thái học của chè
Tên khoa học của chè: Camellia sinensis Cây chè Việt Nam liên quan
chặt chẽ đến nguồn gốc cây chè trên thế giới Việt Nam nằm trong vùng nguyên sản chè thế giới Cây chè có nguồn gốc ở vùng khí hậu gió mùa, nhiệt đới ẩm ướt ở vùng đông nam châu Á, nhưng trong quá trình sinh trưởng và phát triển dưới tác động của con người cây chè đã thích nghi với điều kiện khí hậu biến đổi khác nhau trên thế giới từ Sochi (Liên Xô cũ) 420 bắc đến Cotriente (Argentina) ở 270 vĩ độ nam
2.1.2 Tác dụng của chè
Chè là một loại thức uống truyền thống đã có lịch sử hàng ngàn năm Chè dùng để pha nước uống chủ yếu do có polyphenol đặc hữu, làm thuốc kích thích do có cafein Chè có tác dụng giúp tiêu hóa, sáng mắt, trung hòa độc
tố,
Theo y học hiện đại nhiều công trình khoa học đã chứng minh rằng chè
có nhiều tác dụng tốt với sức khỏe của con người, có nhiều tác dụng kỳ diệu trong việc phòng chống bệnh hiểm nghèo
2.2 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA LÁ CHÈ
Hiện nay thành phần hóa học của lá chè đã được mô tả tương đối đầy
đủ Thành phần chủ yếu của lá chè được mô tả trong bảng 2.1
Bảng 2.1: Thành phần hóa học chủ yếu của lá chè
1 -2
3 -4
Trang 7Flavonol và flavonol glucoside
Polyphenolic acid and depside
5 -6
3 -4 4-5 4-5 14-22 4-7 5-6 5-6 14-17 3-5 0,01 – 0,02
2.3 NHÓM HỢP CHẤT POLYPHENOL TRONG CHÈ
2.3.1 Tính chất hóa lý của catechin
Catechin của chè thuộc họ flavonoid, nhóm flavan-3-ol, phân tử có 15 carbon bao gồm hai vòng 6 carbon A và B được nối bởi 3 đơn vị carbon ở vị trí 2, 3, 4, hình thành một dị vòng C chứa một nguyên tử oxy
Hình 2.2 Khung cơ bản của catechin và cách đánh số cacbon
2.3.2. Nghiên cứu ứng dụng Polyphenol từ chè
Ở Việt nam chè có vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Xuất khẩu và sử dụng chè đứng hàng đầu trên thế giới Các nghiên cứu đã tập trung vào quy trình chăm sóc và chọn giống, chế biến, nâng cao năng suất, chất lượng của chè
Trang 8Gần như rất ít các công trình nghiên cứu nhằm khai thác và sử dụng các hợp chất có hoạt tính sinh học, đặc biệt là những nghiên cứu về hóa học và tác dụng sinh học của polyphenol khai thác từ chè Việt Nam phục vụ cho y học
và phục vụ ngành công nghiệp vẫn là một hướng nghiên cứu mới
Một số nghiên cứu dịch tễ học của các nhà khoa học Nhật Bản, một trong số các nước sử dụng nhiều chè nhất thế giới đã chỉ ra mối quan hệ tỉ lệ nghịch giữa thói quen uống chè xanh và tỉ lệ số người chết vì bệnh ung thư, qua đó thấy ở nhóm người có thói quen uống chè xanh thì tỉ lệ chết về ung thư
Ở nước ngoài, nhiều tác giả đã nghiên cứu khả năng ức chế ăn mòn của caffein trong dung dịch axit Cơ chế ức chế của cafein được nghiên cứu, nhất là ức chế ăn mòn đồng, trong đó hấp phụ tạo barie được xác định bằng kết quả đo tổng trở
2.5 KHÁI QUÁT VỀ ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI
2.5.1 Ăn mòn kim loại trong dung dịch axit
Khi nhúng một kim loại M vào trong dung dịch axit, tại một thời điểm nhất định, có một thế được gọi là thế ăn mòn (Ecorr), thể hiện các phản ứng điện hoá diễn ra trên bề mặt điện cực:
- Phản ứng anôt tương ứng với sự oxi hoá hòa tan kim loại M:
M → Mn+ + ne
- Phản ứng catôt tương ứng với sự khử chất oxi hoá có mặt trong dung dịch axit
Trang 9+ Thoát hiđro: 2H+ + 2e →H2 (dung dịch axit không chứa khí oxi)
+ Khử oxi: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O (dung dịch axit có chứa khí oxi)
Quá trình ăn mòn là tổng thể của cả hai quá trình catôt, anôt và tạo ra các sản phẩm ăn mòn
2.5.2 Phương pháp chống ăn mòn kim loại
Một số biện pháp chủ yếu hạn chế làm chậm quá trình ăn mòn kim loại:
- Dùng các hợp kim bền với môi trường
- Bảo vệ bằng lớp phủ vô cơ hay hữu cơ
- Bảo vệ điện hoá chống ăn mòn kim loại
- Xử lí làm giảm độ xâm thực của môi trường
rẻ tiền như thép cacbon thông thường thay cho thép – hợp kim đặc biệt, đắt tiền (thép không gỉ)
Chất ức chế được sử dụng trong tẩy gỉ kim loại, tẩy rửa cặn bám các hệ trao đổi nhiệt (ống dẫn, nồi hơi, hệ làm mát…) Các chất ức chế được dùng rộng rãi trong công nghiệp khai thác và chế biến dầu mỏ và làm phụ gia ức chế ăn mòn trong dầu bảo quản Các chất ức chế còn được đưa vào vữa bê tông chống ăn mòn cốt thép Các chất ức chế được dùng bảo quản chống ăn mòn khí quyển
2.5.3 Phân loại chất ức chế
Các chất ức chế có thể được phân loại theo nhiều cách:
- Theo cơ chế điện hoá: Chất ức chế catôt, chất ức chế anôt, chất ức chế hỗn hợp cả anôt và catôt
- Theo bản chất hoá học: Chất ức chế vô cơ, chất ức chế hữu cơ
Trang 10- Theo môi trường ăn mòn: Chất ức chế trong môi trường axit, bazơ, trung tính
- Theo đối tượng bảo vệ: Chất ức chế cho kim loại đen, màu hoặc cả hai loại
Phương pháp phân loại thường được sử dụng ngày nay chia chất ức chế thành các nhóm:
• Chất ức chế điện hóa (anôt: nitrit, catôt: muối hay ion arsenic)
• Chất tạo màng như các amine
• Chất ức chế nguồn gốc thực vật (các hợp chất tự nhiên)…
2.5.4 Nghiên cứu chất ức chế ăn mòn kim loại
Ở Việt Nam, chất ức chế ăn mòn đã được nghiên cứu từ những năm 80 nhưng số lượng chất ức chế được đưa vào sử dụng còn hạn chế Một số chất
ức chế đơn giản như urotropin, thioure, các muối nitrit, crommat, benzoat, vẫn đang được sử dụng mặc dù hiệu quả ức chế không cao mà còn gây độc hại Nghiên cứu chất ức chế ăn mòn đã được thực hiện ở:
+ Viện Hoá học các hợp chất thiên nhiên, Viện KH và CN Việt Nam
+ Phân viện Vật liệu, Viện hoá học, TT Khoa học và Công nghệ Quân sự + Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐH Quốc gia Hà Nội
- Một vài năm gần đây, các chất ức chế nguồn gốc tự nhiên đã được quan tâm nghiên cứu Nhiều chất đã được tách chiết, tổng hợp từ các hợp chất tự nhiên
và cho thấy rằng khả năng ức chế ăn mòn của chúng đạt hiệu quả cao
Trên thế giới, chất ức chế đã được nghiên cứu và sản xuất với qui mô
công nghiệp từ những năm đầu thế kỷ 20
2.5.5 Chất ức chế ăn mòn chiết tách từ chè xanh
Trang 11Nước chiết chè xanh là một hỗn hợp phức tạp nhiều hợp chất tự nhiên, nhưng có nhóm chính là polyphenol và chất cafein là có tác dụng trực tiếp trong đó polyphenol là nhóm chất chủ yếu quyết định giá trị của chè xanh Trong polyphenol – catechin chất EGCG là đại diện điển hình, có hàm lượng cao nhất trong dịch chiết và thường được phân lập từ chè xanh, được quan tâm nghiên cứu
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 CHIẾT, LÀM GIÀU POLYPHENOL, PHÂN LẬP CAFFEIN và GALLOCATECHIN GALLAT (EGCG)
EPI-3.1.1 Chiết phụ phẩm chè
Phụ phẩm chè (lá già, chè vụn, chè cám, cọng, ) tận thu từ các hộ nông dân ở Xã Tân cương, Huyện Đại Từ, Tỉnh Thái Nguyên, vào thời điểm các hộ nông dân bắt đầu đốn chè cuối vụ thu hoạch tháng 12 năm 2008, sau đó rửa sạch, cắt nhỏ vò nát rồi đun sôi tỉ lệ 1kg / 5 lít, duy trì nhiệt độ sôi 30 phút, rồi
để nguội, sau đó gạn vắt bỏ bã, để lắng lọc lấy phần trong Lặp lại quá trình trên, chiết lần 2 với 5l nước Dịch chiết tổng được cô nhẹ thu được 5 lít dịch chiết đặc Sơ đồ chiết được giới thiệu trong hình 3.1
Bằng phương pháp cô kiệt dưới áp suất thấp đến khối lượng không đổi, chúng tôi đã xác định được hàm lượng chất tan trung bình trong dịch chiết là 95 g/l Thành phần chủ yếu trong nước chiết lá chè đã được xác định bằng HPLC/UV-Vis/LC-MS là các catechin (chiếm 63 - 67% khối lượng khô) và caffein (9-11%), một phần là polyxacharit, kết quả này hoàn toàn phù hợp với tài liệu
3.1.2 Cao chè
Dịch chiết nước chè còn được cô đặc thành cao chè với hàm lượng nước thấp còn 13 – 14% nước.Cao chè sau đó được bảo quản kín khí, phòng tránh oxi hoá, ở nhiệt độ phòng và áp suất thường
Trang 12Thành phần của cao chè chủ yếu gồm các hoạt chất polyphenol (các catechin), caffein, tương tự như dịch chiết nước nhưng hàm lượng đậm đặc hơn
3.1.3 Tách cafein
Từ 3 kg nguyên liệu bằng quy trình chiết (hình 3.1) và qui trình tách (hình 3.2) thu được được 9,03 gam cafein, độ sạch 99 % Hiệu suất chiết đạt 98%
3.3 KHẢ NĂNG ỨC CHẾ ĂN MÒN
3.3.1 Nước chiết lá chè ức chế ăn mòn kim loại trong H 2 SO 4 1M
Điện thế ăn mòn Ecorr đạt ổn định chỉ sau 15 - 30 phút nhúng mẫu trong dung dịch axit, sau đó phân cực đo dòng ăn mòn được thực hiện (hình 3.3)
Ecorr ổn định phụ thuộc vào nồng độ chất tan dịch chiết lá chè, tăng về dương hơn cùng chiều tăng của Cex, trong khi dòng ăn mòn Jcorr giảm mạnh theo Cex
(hình 3.4)
1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3
-0.57 -0.56 -0.55
Trang 13Về mặt nhiệt động học, Ecorr cho thấy khả năng xảy ra ăn mòn bị giảm
Dòng ăn mòn giảm mạnh do tác động của dịch chiết lá chè, từ cỡ 1 mA/cm2 tại Cex = 0 xuống khoảng 10 lần còn gần 0,1 mA/cm2 với Cex = 1 đến
2 g/l (hình 3.4) Tương tự, tổng trở điện hóa tại Ecorr ổn định tăng theo Cex
(hình 3.5) Biến thiên của điện trở Rct, điện dung Cdl xác định được theo nồng
độ Cex được giới thiệu trong hình 3.6
0 25 50 75 100 125
0.5 0
Hình 3.5 Phổ tổng trở dạng Nyquist tại các nồng độ C ex ghi trên đồ thị
Điện dung lớp kép bề mặt thép trong axit có chất ức chế bị giảm do hấp phụ Với thành phần 70% chất tan trong dịch chiết nước lá chè polyphenol có vai trò chủ yếu trong hấp phụ lên bề mặt thép Sự hấp phụ này tăng lên theo nồng độ Cex, làm cản trở quá trình chuyển điện tích và gia tăng điện trở Rct, là
cơ chế điển hình ức chế ăn mòn thép Điều đáng chú ý là phương pháp phân cực đo dòng ăn mòn Jcorr và phương pháp tổng trở xác định điện trở chuyển điện tích Rct, với tương quan lý thuyết là Rct ∼ RP và Jcorr = B/Rct (B là hằng số) đều cho kết quả hiệu suất ức chế H (%) tương tự như nhau (hình 3.7), cho thấy độ lặp lại cao của thí nghiệm
Trang 14Có thể xác định hiệu quả ức chế ăn mòn trong vùng điện thế lân cận điện thế ăn mòn, bằng cách so sánh hiệu suất ức chế ăn mòn tại từng điện thế phân cực ∆E = E - Eo (hình 3.8)
Như vậy dịch chiết lá chè già ức chế ăn mòn theo cả hai cơ chế ức chế anot và catot, trong đó ức chế anot mạnh hơn catot Cơ chế ức chế ăn mòn của dịch chiết được xác định là hấp phụ che chắn, với độ che phủ bề mặt θ lớn, đạt 88% Hiệu quả ức chế ăn mòn của dịch chiết nước tương tự như của cao chè, cho phép sử dụng trực tiếp dịch chiết nước ức chế ăn mòn, không cần sử dụng dung môi, không cần cô đặc, do đó tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường
3.3.2 Đơn chất phân lập từ chè xanh ức chế ăn mòn
3.3.2.1 EGCG chè xanh ức chế ăn mòn kim loại trong môi trường axit
Trong môi trường axit, với nồng độ từ 0,2g/l đến 2g/l, EGCG có tác động làm tăng điện thế ăn mòn E0 của thép xây dựng CT3, do đó làm giảm nguy cơ xảy ra ăn mòn (hình 3.9)
Tác động ức chế ăn mòn của EGCG được định lượng bằng phép đo đường cong Tafel xác định dòng ăn mòn, kết quả được giới thiệu trong hình 3.7
Biến thiên của dòng ăn mòn và hiệu suất ức chế của EGCG theo nồng
độ được giới thiệu trong hình 3.10 Hiệu suất ức chế của EGCG khá cao, đạt 70% với nồng độ từ 1g/l trở lên
0 400 800 1200 1600 2000 -0.59
-0.58 -0.57 -0.56 -0.55
1 g/l
Hình 3.9 Biến thiên của điện thế ăn mòn E 0 theo thời gian
trong dung dịch H 2 SO 4 1M
