Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp xử lý enzyme và xử lý kiềm kết hợp enzyme đến hình thái và tính chất xơ dứa

Đề tài: Tên tiếng Việt: Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp xử lý enzyme và xử lý kiềm kết hợp enzyme đến hình thái và tính chất xơ dứa.. Nghiên cứu phương pháp xử lý và ảnh hưởng của v

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

Tổng quan về xơ Libe

Cellulose, một vật liệu polymer phong phú nhất trên Trái đất với sản lượng khoảng

75 tỷ tấn hàng năm, có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau bao gồm thực vật, động vật biển (tunicate), vi khuẩn, nấm, tảo (tảo lục Cladophora) và động vật nguyên sinh, với thực vật là nguồn chủ đạo Thuật ngữ “cellulose” lần đầu tiên được giới thiệu vào năm

1839 bởi các nhà khoa học tại Viện Hàn lâm Khoa học Pháp được mô tả là chất xơ rắn trong các mô thực vật không hòa tan trong axit, amoniac, rượu và ether, được phát hiện lần đầu tiên bởi nhà hóa học người Pháp Anselme Payen [1] Xơ cellulose là một trong những vật liệu sớm nhất được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày, dùng để làm vật liệu xây dựng và quần áo cách đây hàng nghìn năm hoặc làm vật liệu thô hóa học trong 150 năm qua

Hình 1.1: Xơ chuối và xơ gai dầu

Cellulose là polymer tự nhiên, cơ sở nguyên liệu sản xuất các xơ nhân tạo gốc cellulose như viscose, rayon, acetate Xơ Libe được lấy từ thân cây, lá cây, vỏ quả của một số loại cây Thành phần cấu tạo chủ yếu của các loại xơ Libe là cellulose (70-80%), ngoài ra còn các loại keo pectin, ligin, và một số tạp chất khác [1] Xơ có hai dạng: Xơ cơ bản và xơ kĩ thuật Xơ cơ bản là vật thể có tỉ lệ chiều dài gấp nhiều lần đường kính, chiều dài tính bằng mm, đường kính tính bằng m Xơ kĩ thuật là tập hợp nhiều xơ cơ bản ghép với nhau theo chiều dọc bởi các chất keo (pectin), hay lực kết tinh Một số loại xơ Libe quan trọng về mặt kinh tế được lấy từ các loại cây trồng trong nông nghiệp,

2 chẳng hạn như lanh, cây gai dầu, nhưng cũng có loại xơ Libe từ cây dại, như cây tầm ma và các cây như vôi hoặc cây bồ đề

Trong công nghiệp dệt sử dụng sử dụng một số loại xơ libe sau đây:

- Xơ mảnh từ thân cây: bao gồm lanh, gai, được sử dụng để sản xuất các loại vải may mặc, vải kỹ thuật và các loại chế phẩm dệt như: khăn trải bàn, dây buộc

- Xơ thô từ thân cây, chủ yếu từ cây đay, được dùng để dệt bao tải, làm dây buộc, làm thảm

- Xơ thô từ thân cây, chủ yếu từ cây đay, được dùng để dệt bao tải, làm dây buộc, làm thảm

- Xơ lấy từ lá: bao gồm xơ dứa, xơ chuối, thông thường dùng để làm dây thừng, dây chão, dây cáp cho tàu biển

- Xơ từ vỏ quả: chủ yếu là xơ dừa dùng để làm dây, làm tấm ép, làm đệm

1.1.2 Đặc điểm cấu tạo, tính chất và ứng dụng của xơ Libe

- Đặc điểm cấu tạo của một số loại xơ Libe:

Bảng 1.1: Thành phần hóa học một số xơ Libe [2]

Bảng trên là thành phần hóa học của một số xơ Libe Thành phần cấu tạo chủ yếu trong các loại xơ Libe là cellulose, hemicellulose ngoài ra còn có các loại keo như pectin, lignin và các tạp chất khác Tùy từng loại xơ mà hàm lượng của từng thành phần khác

3 nhau trong xơ Do cách sắp xếp của các đại phân tử cấu tạo nên xơ rất chặt chẽ do đó tạo cho xơ Libe có độ bền cơ học rất cao, độ giãn đứt thấp, chịu được nhiệt độ khá cao (120°C), khả năng thẩm thấu không khí tốt (W= 8-12%) [2]

- Tính chất của một số xơ Libe:

Các tính chất vật lý của xơ cũng là một yếu tố quan trọng, dựa vào các thông số này mà xơ dệt được quyết định mang đi dệt vải may mặc hay sử dụng cho những mục đích khác Các tính chất về vật lý của xơ sợi sẽ quyết định phần nào đến tính chất của vải sau dệt, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến người sử dụng

Bảng 1.2: Đặc trưng cơ lý của một số xơ Libe [2]

Mật độ khối (kg/𝒎 𝟑 ) Độ hồi ẩm(%)

Lanh, gai, hay đay là các xơ được tách từ thân cây hai lá mầm Loại xơ này chủ yếu tồn tại dưới dạng xơ kỹ thuật và thường được dùng trong các sản phẩm túi, dây thừng vì đường kính của chúng khá lớn Các tính chất cơ lý của xơ sẽ ảnh hưởng đến quá trình gia công xơ

Nét đặc trưng của xơ Libe là hàm lượng keo trong xơ nhiều làm cho xơ cứng, tăng được khả năng chống mục nát cho xơ nhưng hạn chế việc sử dụng xơ, đặc biệt trong lĩnh vực may mặc Thông thường xơ libe được sử dụng làm vải kỹ thuật, làm chỉ may vải bền và một số sản phẩm khác như bao bì, thảm, dây buộc

Sơ lược về dứa và xơ dứa

1.2.1 Nguồn gốc và xuất xứ

Dứa là một loại cây ăn trái nhiệt đới có tên khoa học là Ananas comosus - Pineapple, thuộc họ tầm gửi Bromeliaceae rất được ưa chuộng ở phương Tây Nguồn gốc của cây dứa là từ Nam Mỹ Tại Việt Nam loại quả này còn được gọi là dứa, thơm (có nơi gọi là khóm) hay gai (miền trung) hoặc trái huyền hương Tỉnh Tiền Giang là tỉnh có sản lượng dứa đứng đầu cả nước Năm 2017, diện tích trồng dứa trên cả nước là

41 nghìn ha với sản lượng đạt được là 567,1 nghìn tấn [3] Với điều kiện đất đai, khí hậu nhiệt đới có pha trộn tính chất ôn đới rất thuận lợi cho loài cây dứa phát triển, đây là một thuận lợi lớn cho nền nông nghiệp nước ta

Ngoài là loại trái cây bổ dưỡng, chất Bromelin được chiết từ dứa có đặc tính kháng phù và kháng viêm, được sử dụng để làm thuốc tẩy giun, làm liền sẹo, giảm đau nhức do hư khớp Tại Việt Nam, dứa được trồng trọt và khai thác theo cách truyền thống, xơ dứa được dùng đan võng, dây nhỏ, khảm.

Thân cây dứa hình búp măng, dài 20-30cm, lá dứa mọc dày và theo hình xoắn ốc, lá hẹp dài giống hình lưỡi kiếm Lá phân bố đều, xòe ra bốn phía, dài khoảng 55-75mm, dày khoảng 3-6mm, trung bình lá nặng 15-50g Mỗi cây có khoảng 20 lá trở lên, màu xanh nhạt, có gai ngắn và phủ một lớp phấn trắng trên thân lá Năng suất để lấy xơ dứa (dứa được trồng từ 1-1,5 năm) là 1,55%-2,5%, trong trường hợp dứa được trồng để lấy xơ (không lấy quả) năng suất để tạo xơ dứa cao hơn và chất lượng tốt hơn Hầu hết lá dứa là sản phẩm phụ của việc thu hoạch trái, nó cũng là phần thêm nguồn thu nhập cho

5 các nhà sản xuất Dứa là thực vật trong tự nhiên nên nó thân thiện với môi trường trong việc sản xuất [4].

Với cấu trúc tinh tế, màu sắc tươi sáng, bóng như lụa, độ bền kéo tốt, dễ ăn màu và bền màu với thuốc nhuộm ngoài ra còn có khả năng kháng phá hủy, ngoài được sử dụng để làm giấy chất lượng cao, xơ dứa còn được dùng làm trang phục – đặc biệt là vải Pina Ngoài ra, xơ dứa còn được trộn với cotton hoặc polyester để tạo ra loại vải đặc biệt Hiện nay, sợi Pina lại được ưa chuộng trên toàn cầu và vải Pina từ Philippines đang được xuất khẩu sang nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt là Bắc Mỹ và Châu Âu.

Lá dứa chứa một lượng xơ lớn, mặc dù các phương pháp khai thác xơ đã được biết đến từ lâu và được sử dụng cho đến ngày nay, nhưng việc sử dụng xơ từ lá dứa ở Việt Nam vẫn còn hạn chế đối với ngành dệt may Chính vì vậy, sau khi thu hoạch, một lượng lớn phế thải cần có giải pháp xử lý vừa thân thiện với môi trường, vừa đem lại giá trị kinh tế cho người sản xuất.

Xơ dứa (PALF) là loại xơ cellulose có nguồn gốc từ thực vật, thành phần hóa học của xơ dứa đã được rất nhiều tác giả nghiên cứu và có thể tổng hợp một vài kết quả ở bảng 1.3

Bảng 1.3: Thành phần hóa học của xơ dứa (PALF) [5,6]

Nhìn chung, PALF rất giống với hầu hết các loại xơ cellulose về thành phần hóa học Sau khi phân tách cơ học PALF, ta thu được các sinh khối lignocellulosic đa bào chứa polysacarit, bao gồm các thành phần hóa học như holocellulose, α-cellulose, hemicellulose cùng với số lượng lớn lignin và một số thành phần hóa học khác như chất béo, sáp, pectin, axit uronic, anhydride, pentosan, sắc tố màu, chất vô cơ, …Từ các kết quả nghiên cứu có thể thấy rằng, thành phần hóa học của PALF bao gồm cellulose (67- 82%), hemicellulose (9-19%), holocellulose (80-88%), lignin (5-12%), pectin (1,2-3%) và các hợp chất khác (0,9-4,2%)

Hình 1.3: Giản đồ cấu trúc xơ (a) và mặt cắt (b) [7]

Xơ tự nhiên bao gồm cả xơ dứa có các microfibrils cellulose được bao phủ bởi các thành phần hemicellulose và lignin Cấu trúc cellulose của các xơ được phân biệt thông qua các vùng tinh thể và vô định hình, trong đó hemicellulose và lignin hoàn toàn thuộc vùng vô định hình [7] Từ hình 1.3, thấy được mỗi bó cellulose có vùng vô định hình bao bên ngoài và vùng tinh thể bên trong Xơ dứa có thành phần cellulose tương đối cao Trong số các thành phần này, cellulose là thành phần mang tải chính trong khi hemicellulose và lignin đóng vai trò là chất kết dính để giữ cellulose Trong vùng vô định hình, các cellulose ít bị nén chặt hơn và định hướng không đều hơn so với vùng kết tinh Các nhóm hydroxyl hiện diện trong vùng vô định hình tương đối tự do để phản ứng với các hóa chất khác so với vùng kết tinh [7].

Cellulose được coi là thành phần chính của cấu trúc xơ Nó cung cấp độ bền, độ cứng và sự ổn định cấu trúc của xơ Cấu trúc hóa học của cellulose bao gồm ba nhóm hydroxyl (-OH) Hai trong ba nhóm hình thành liên kết hydro trong các đại phân tử

7 cellulose (nội phân tử) trong khi phần còn lại của nhóm tạo thành liên kết hidro với các phân tử cellulose khác, kết hợp với nhau một cách chặt chẽ, có trật tự hình thành nên vùng cấu trúc tinh thể Bên cạnh đó cũng có một số cellulose kết hợp một cách ngẫu nhiên hình thành nên vùng cấu trúc vô định hình Từ đó cho thấy các dung môi và các chất hóa học rất khó xâm nhập vào vùng tinh thể, nhưng lại dễ dàng xâm nhập vào vùng vô định hình [7].

Hemicelluloses là polysaccharide trong thành tế bào thực vật Hemicelluloses bao gồm xyloglucans, xylans, mannans và glucomannans, và β-(1→3,1→4)-glucans Ngược lại với cellulose, hemicellulose thuộc vùng cấu trúc vô định hình, có trọng lượng phân tử thấp hơn cellulose Hemicellulose thường liên kết với các chuỗi cellulose, có cấu trúc phân nhánh nên dễ hút ẩm hơn cellulose, là chất nền hỗ trợ cho các vi sợi cellulose Vai trò của nó là kết nối lignin và cellulose tạo thành lớp trám cho cấu trúc xơ, do đó củng cố thành tế bào [8] Vì vậy, để tách được xơ cần phải phá hủy liên kết giữa hemicellulose

- cellulose và hemicellulose – lignin Chúng hòa tan trong kiềm và dễ dàng bị thủy phân bởi axit Chủ yếu là các nhóm axit của hemicelluloses làm cho chúng có tính ưa nước cao và tăng khả năng hút nước Hemicelluloses bị phân huỷ ở nhiệt độ (150–180°C) thấp hơn so với cellulose (200–230°C) [8].

Lignin là một chất cao phân tử gốc phenol có cấu trúc vô định hình, các mắt xích của lignin có cấu trúc khác nhau Lignin được kết hợp với mạng cellulose-hemicellulose và cung cấp độ kết dính để giữ các vi xơ với nhau như một đơn vị xơ, cũng như nối các xơ liền kề với nhau để tạo thành bó xơ Độ kết dính này tạo nên các đặc tính độ bền và độ cứng của xơ Lignin không bị thủy phân bởi axit, nhưng hòa tan trong kiềm nóng, dễ bị oxy hóa, dễ ngưng tụ với phenol và tạo ra một số phản ứng màu [9] Trong cấu trúc xơ, lignin được gắn vào hemicellulose thông qua cấu trúc gọi là phức hợp lignin- carbohydrate (LCC) Lignin-carbohydrate (LCC) bao gồm một đơn vị lignin phenolic liên kết với một arabinoxylan bằng axit ferulic, axit ferulic này tạo thành liên kết este với carbon, axit ferulic đóng vai trò là điểm tựa của lignin vào thành tế bào Mối liên kết axit ferulic giữa các phần lignin và hemicellulose là điểm phản ứng trong quá trình xử lý NaOH Xử lý kiềm xảy ra, ion hydroxit (OH) phân li từ NaOH phản ứng với các liên kết este liên kết lignin và hemicellulose trong mạng LCC Khi các liên kết này bị phá vỡ, mạng LCC bị gián đoạn, cho phép các thành phần lignin được hòa tan [10]

Hình 1.4: Cấu trúc hóa học của (a) cellulose, (b) Lignin, (c) Hemicellulose [8]. Pectin là một tập hợp polysaccharide nằm chủ yếu trong thành tế bào sơ cấp, có cấu trúc mạch thẳng, giàu acid galacturonic Ở thực vật pectin tồn tại chủ yếu ở 2 dạng là pectin hòa tan và protopectin không hòa tan (protopectin) [8]

Một số tính chất của Pectin:

− Thuộc nhóm các chất có khả năng làm đông tụ.

− Có khả năng hút nước (biến thành chất keo chỉ cần tránh môi trường kiềm).

− Dễ tan trong nước, dung dịch pectin có độ nhớt cao.

Các phương pháp phân tách xơ dứa

Xơ tự nhiên đã được thừa nhận là vật liệu tiềm năng ở nhiều quốc gia và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng rộng rãi do các đặc tính phù hợp và tác động tích cực đến môi trường của nó Xơ lá dứa (PALF) là loại xơ khá nổi tiếng ở Đông Nam Á Lá dứa chỉ chứa 2,5–3,5% xơ, được bao phủ bởi một lớp sáp kỵ nước Lựa chọn phương pháp phân tách phù hợp là cần thiết để thu được PALF chất lượng tốt cho các ứng dụng trong sau đó Các phương pháp phân tách PALF được phân thành ba loại chính: thủ công, cơ học và phương pháp retting Các tính chất cơ lý của PALF có sự ảnh hưởng khác biệt do phương pháp phân tách khác nhau

1.3.1 Phương pháp bóc vỏ thủ công Đây là một phương pháp thông thường được sử dụng để phân tách PALF Quá trình này được tiến hành trên một mặt phẳng đủ rộng Quá trình này bắt đầu bằng việc vò lá dứa, sau đó tách lấy phần xơ, sau đó rửa sạch dưới vòi nước chảy và phơi trực tiếp dưới ánh nắng mặt trời, hoặc dùng tủ sấy Dùng đĩa sứ đè lên lá dứa với áp lực và chuyển động nhanh sẽ giúp loại bỏ phần thịt lá và làm lộ ra các xơ bên dưới Tuy nhiên, quy trình này chỉ áp dụng cho lá dài do dễ xử lý so với lá ngắn [20, 21] Quá trình phân tách thủ công cho phép thu được một lượng xơ từ lá bao gồm 75% là các bó xơ lớn nằm ở lớp trên và 25% là các xơ mảnh hơn nằm ở lớp dưới [21]

Phương pháp cạo bằng tay tốn thời gian, năng suất không cao, sản lượng xơ đạt khoảng 3–4% và cũng khó mở rộng Quá trình này đòi hỏi nhân lực 30 người cho mỗi tấn lá Một nghiên cứu so sánh khác được thực hiện trên vật liệu này khi sử dụng các kỹ thuật chiết khác nhau, người ta phát hiện ra rằng phương pháp thủ công tạo ra phế phẩm như thịt lá, vỏ lá nhiều hơn 50% so với quy trình chiết tách bằng cơ cơ học Một nghiên cứu đã tiến hành phân tách PALF bằng phương pháp cạo bằng tay và nhận thấy đường kớnh trung bỡnh của PALF khoảng 90,7àm [21]

Hình 1.13: PALF được chiết tách bằng phương pháp thủ công

Phương pháp phân tách là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ học của PALF Đối với phân tách thủ công, các đặc tính cho kết quả thấp hơn so với phương pháp ngâm và phương pháp cơ học Điều này là do dùng lực tác động liên tục tại cùng một điểm để loại bỏ tạp, lực tác dụng không được phân bổ đều dọc theo chiều dài của xơ, điều này có thể dẫn đến hư hỏng và đứt xơ tại một số điểm nhất định Do đó, các độ bền kéo của xơ bị ảnh hưởng Hàm lượng cellulose cao và góc vi sợi thấp là yếu tố chính

19 góp phần tạo nên các đặc tính cơ học tốt của PALF Nghiên cứu trước đây về phân tách xơ bằng phương pháp cạo bằng tay cho thấy độ bền kéo 393,70MPa, young’s modulus 7254,2GPa và độ căng đứt 3,24% [22]

Trong phương pháp này, PALF được phân tách bằng một máy decortication có tên là Máy tách xơ lá dứa 1 (PALF M1) trong hình 1.14

Hình 1.14: Máy tách xơ dứa M1 (hình trái), M2 (hình phải) [24]

Máy này sử dụng các lưỡi dao để loại bỏ lớp sáp trên lá dứa thay vì ép nó ra bằng cách nghiền nát Số lượng lưỡi được sử dụng, kích thước và góc của hai lưỡi cần thiết để đảm bảo rằng lá sẽ không bị gãy trong quá trình đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân tách Lá dứa được chèn vào giữa hai phiến, phiến 1 và phiến 2 Khi vào trong các phiến, lá sẽ bị “mài” và lớp sáp bên ngoài sẽ được loại bỏ trong bước đầu tiên này Trong bước thứ hai, khi lá đã được kéo ra, một lần nữa lá sẽ được “mài” lần thứ hai để loại bỏ toàn bộ lớp sáp còn sót lại trong bước đầu tiên PALF đã phân tách sau đó được sấy khô bằng Máy tạo xơ lá dứa 2 (PALF M2) như trong hình 1.14 (hình phải) Ở giai đoạn này, các mảnh vụn thịt lá còn sót lại ở PALF sẽ được làm sạch và loại bỏ thêm Ngoài việc loại bỏ các mảnh vụn đó, máy này cũng sẽ làm khô xơ cùng một lúc Khác biệt với PALF M1, PALF M2 chỉ có một trống quay với các lưỡi gắn trên nó [23] Đối với phân tách PALF cơ học, bề ngoài sạch, sáng hơn với màu trắng kem so với xơ được phân tách thủ công Sử dụng các loại máy khác nhau cho ra các loại xơ có độ mảnh khác nhau Độ mảnh của PALF đã được cải thiện bằng cách sử dụng quy trình

20 cơ học chiết tách so với phương pháp phân tách thủ công [24] Nghiên cứu khác cho thấy năng suất xơ đã tăng lên đáng kể so với phân tách thủ công và chất thải lá dứa cũng đã giảm Phương pháp cơ học mang lại tác động tích cực và cũng làm giảm thời gian xử lý PALF Nghiên cứu trước đây cho thấy tỷ lệ phần trăm năng suất xơ để phân tách cơ học cũng bị ảnh hưởng bởi tuổi xơ Kết quả cho thấy lá dứa trưởng thành cho năng suất xơ cao hơn và dễ phân tách hơn [25]

Hình 1.15: PALF được chiết tách bằng phương pháp cơ học

Bên cạnh đó, hình ảnh hiển vi FE-SEM thu được từ các phương pháp phân tách PALF khác nhau được thể hiện trong hình 1.16

Hình 1.16: Hình chụp SEM của PALF a) cạo bằng tay; b) chiết tách bằng máy [22]

Cả PALF được phân tách bằng phương pháp thủ công và PALF thu được bằng phương pháp cơ học thể hiện cấu trúc bó xơ và các xơ được liên kết với nhau bằng lignin cũng như hemicellulose Tuy nhiên, rõ ràng là PALF được phân tách cơ học thể hiện sự

21 sắp xếp xơ song song, cấu trúc tốt và tinh tế hơn so với PALF cạo bằng tay Điều này cho thấy phương pháp cơ học không gây ra thiệt hại cao cho cấu trúc PALF so với phương pháp thông thường [22]

Hình 1.17: Chiết tách xơ dứa bằng phương pháp retting [26]

Dầm trong nước: Trong quá trình dầm, lá dứa đã vò nát được ngâm trong một bể nước, diammonium phosphate (DAP) hoặc urê 0,5% được thêm vào để cải thiện hiệu suất của quá trình ngâm phân tách xơ Đến cuối quá trình, lá được loại bỏ và rửa sạch cơ học [27] Quá trình ngâm dầm mất khoảng 15-18 ngày đối với PALF ngâm trong bể nước, cho đến khi các chất không mong muốn bám trên bề mặt PALF được tách ra thành công, và kết quả là quá trình này thu được các bó xơ sạch [28] Quá trình này tạo ra các bó xơ mịn hơn Quá trình retting có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau như trong ao, mương, bể hoặc sông, và cần một lượng lớn nước Ngoài ra, quy trình này cần thời gian lâu hơn và không thân thiện với môi trường Một số phương pháp dầm bao gồm: dầm trong sương, nước và dầm công nghiệp Tuy nhiên, không có một phương pháp duy nhất nào có thể cho kết quả tối ưu về chi phí, độ bền của xơ và ô nhiễm môi trường [26]

Dầm trong enzyme: Bên cạnh phương pháp dầm trong nước và sương, dầm trong enzym hay vi khuẩn cũng được sử dụng cho quá trình phân tách PALF Bằng cách sử dụng quy trình phân tách bằng vi khuẩn giúp tạo ra các bó xơ sạch hơn với độ bền kéo cao hơn và loại bỏ các thành phần không mong muốn Việc tách PALF bằng cách sử dụng tác động của vi khuẩn được tiến hành trong vòng 4-5 ngày để các xơ dễ dàng tách

22 ra từ khối thịt lá Các xơ thu được từ ngâm dầm, là tập hợp các xơ đơn được liên kết với nhau bằng các chất không phải cellulose, chủ yếu là hemicelluloses, lignin và các thành phần khác, không có pectin (phần lớn pectin bị loại bỏ trong quá trình ngâm) Sự tồn tại vi khuẩn trong quá trình này cũng có thể giúp giảm thời gian ngâm so với quá trình ngâm nước thông thường Trong quá trình retting, vi khuẩn được phát triển và nhân lên để tạo ra Pectinase ngoại bào bằng cách hòa tan pectin trong PALF Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chưa được thương mại hóa [29]

Xử lý enzyme Pectinase dựa trên sự thay đổi môi trường của nước ngâm Kỹ thuật ngâm này đã được phát triển để thay thế phương pháp dầm truyền thống và rất tiềm năng trong tương lai vì rút ngắn được thời gian dầm, chi phí không quá cao Đối với phương pháp bình thường thời gian ngâm kéo dài lên đến hàng tuần (tùy loại xơ và môi trường dầm), tuy nhiên đối với phương pháp này đã cải thiện được thời gian ngâm, thời gian chỉ cần từ 8-24 giờ

Dầm trong ure: PALF có chất lượng tốt, có thể được phân tách thông qua quá trình ngâm dầm từ bể lắng với 0,5% urê dưới 35°C [5] Trong quá trình này, sản lượng xơ đạt khoảng 1,8%khối lượng lỏ, cú đường kớnh sợi trung bỡnh là 58,98àm [28] và độ mảnh của xơ là 4,3tex, độ bền của xơ tăng khoảng 13% [9] Phương pháp này tạo ra PALF có bề mặt nhẵn và sạch do các chất không phải cellulose được loại bỏ Điều này có thể giúp cải thiện bề ngoài và khả năng xử lý PALF trong quá trình xử lý tiếp theo

Dầm trong NaOH: Trong một nghiên cứu khác, người ta đã phát hiện ra rằng phương pháp ngâm dầm hóa học như natri hydroxit 5% và natri benzoat ảnh hưởng đến màu sắc của xơ và màu xơ trở nên tối hơn Xơ được phân tách bằng quy trình ngâm dầm hóa học NaOH cũng cho thấy các đặc tính cơ học tốt Dung dịch NaOH tạo độ bền cho xơ và giúp giảm các tạp chất như sáp và lignin trên bề mặt xơ, do đó cải thiện cấu trúc chuỗi cellulose trong xơ [26].

Nghiên cứu xử lý hóa học trên xơ dứa

1.4.1 Mục đích nghiên cứu xử lý trên xơ dứa Ở xơ dứa, hemicellulose và lignin luôn nằm trong cấu trúc vô định hình, nơi các nhóm hydroxyl cũng có mặt Các nhóm hydroxyl hiện diện trong vùng vô định hình có thể dễ dàng kết hợp với các phân tử nước từ khí quyển, cho phép các phân tử nước thâm nhập vào bề mặt xơ Các nhóm hydroxyl có trong hemicellulose và lignin vô định hình

23 ban đầu cho phép các phân tử nước thâm nhập vào bề mặt xơ Điều này làm cho xơ ưa nước và có tính phân cực [7]

Xơ ưa nước làm giảm đi khả năng liên kết của xơ với hầu hết các vật liệu kết dính kỵ nước trong quá trình gia công vật liệu composite Kết quả là liên kết bền chặt giữa xơ và chất nền bị tổn hại, làm giảm tính chất cơ học của composite Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách xử lý xơ với các hóa chất thích hợp Xử lý hóa học có thể làm giảm các nhóm hydroxyl có trong vùng vô định, cải thiện khả năng liên kết với chất nền trong ma trận vật liệu tổng hợp Xử lý cũng tác động đến các thành phần hemicellulose và lignin, và kết quả là đã định hình lại tỷ lệ của chúng trong xơ [7]

Một số phương pháp xử lý xơ tự nhiên phổ biến được tiến hành trên PALF như:

Bảng 1.5: Một số phương pháp xử lý hóa học xơ tự nhiên [30]

Phương pháp xử lý hóa học xơ tự nhiên

Làm giảm đường kính xơ bằng cách loại bỏ các tạp chất như hemicellulose lignin và pectin, do đó làm tăng diện tích bề mặt của xơ dẫn đến độ bám dính tốt với ma trận và cải thiện các đặc tính cơ học và khả năng ổn định nhiệt của hỗn hợp

Tạo ra mối liên kết tốt hơn giữa xơ với ma trận chất nền thông qua liên kết siloxane Nó cải thiện độ bám dính ma trận và ổn định các đặc tính của composite

Phương pháp xử lý này được gọi là quá trình este hóa xơ tự nhiên Phản ứng của nhóm acetyl (CH3CO) với các nhóm hydroxyl (-OH) làm giảm tính ưa nước của xơ tự nhiên và cải thiện tính ổn định kích thước của vật liệu tổng hợp

Cải thiện độ bám dính của xơ tự nhiên trong vật liệu tổng hợp, ổn định nhiệt và giảm sự hấp thụ độ ẩm của xơ và ma trận liên kết.

Sodium chlorite Được sử dụng để tẩy trắng xơ trong dung dịch axit 𝑁𝑎𝐶𝑙𝑂 2 được axit hóa và giải phóng axit choleric 𝐻𝐶𝑙𝑂 2 , axit này trải qua phản ứng oxy hóa và tạo thành clo dioxit 𝐶𝑙𝑂 2 𝐶𝑙𝑂 2 phản ứng với các thành phần lignin và loại bỏ nó khỏi xơ.

Triazine phản ứng với các nhóm hydroxyl của cellulose và lignin trong xơ tự nhiên giúp cải thiện tính chất chống ẩm của nó.

Nó giúp phân hủy các thành phần vô định hình có trong cấu trúc xơ Từ đó tăng chỉ số tinh thể của cellulose và cải thiện độ ổn định nhiệt của xơ.

Xử lý kiềm đối với xơ có nguồn gốc Cellulose, còn được gọi là kiềm hoá, đây là phương pháp thông thường, dễ tìm kiếm và thực hiện, thường được nghiên cứu và sử dụng để nâng cao chất lượng của một số xơ tự nhiên

Cơ chế phản ứng phản ứng hóa học giữa PALF và Natri Hydroxit (NaOH):

Sơ đồ sau đây giải thích cơ chế của phản ứng giữa xơ tự nhiên và dung dịch NaOH

Có thể thấy rằng các nhóm OH được tách ra khỏi xơ do tác động của các ion Na+2 để tạo ra một thành phần mới là (xơ - NaO) thay vì (xơ - OH).

Hình 1.18: Phản ứng giữa xơ tự nhiên và NaOH [31]

Các phương pháp xử lý kiềm được sử dụng cho các xơ tự nhiên làm giảm các nhóm hydroxyl có liên quan đến độ hút ẩm tự nhiên của xơ do đó làm suy yếu tính chất ưa nước của xơ libe Sau khi xử lý kiềm, đường kính xơ giảm đi đáng kể, tuy nhiên bề mặt của xơ trở nên khô, cứng hơn do mất đi các nhóm hydroxyl Thậm chí, sau khi xử lý kiềm còn có thể tách các xơ cơ bản khỏi các bó xơ của chúng bởi vì loại bỏ được các thành phần liên kết, nhưng nếu nồng độ kiềm quá cao có thể gây ra sự loại bỏ quá mức các thành phần hemicellulose và lignin khỏi bề mặt cellulose, dẫn đến suy yếu hoặc làm hỏng cấu trúc xơ, làm mất đi tính chất tự nhiên vốn có của xơ [7]

Những thay đổi hình thái xảy ra trên bề mặt của PALF sau khi xử lý NaOH (3% và 6%) đã được nghiên cứu bởi Asim et al Cho ra kết luận rằng NaOH 3% không có hiệu quả để loại bỏ các tạp chất có trên bề mặt xơ, trong khi xử lý bằng NaOH 6% có ảnh hưởng đáng kể đến sự thay đổi hình thái của PALF cho ra bề mặt xơ sạch hơn[31] Qua phân tích SEM có thể quan sát thấy: PALF được xử lý bằng NaOH nồng độ 6% trong 3 giờ ở hình 1.19 (a) cho thấy bề mặt sạch, có một số tạp chất trên bề mặt xơ và diện tích bề mặt bị ăn mòn PALF được ngâm trong 6 giờ cho thấy bề mặt rõ ràng và nhám như trong hình 1.19 (b) Hình 1.19 (c) xử lý trong 9 giờ và 1.19 (d) trong 12 giờ cho bề mặt xơ rất sạch cho thấy rõ ảnh hưởng của hóa chất trên bề mặt xơ.

Hình 1.19: Ảnh chụp SEM bề mặt PALF xử lý 6% NaOH trong

Nồng độ NaOH cao hơn và thời gian ngâm lâu hơn có thể phá vỡ mạng lưới hemicellulose và lignin của các xơ được xử lý, và tách các xơ cơ bản ra khỏi bó xơ Sau khi xử lý, diện tích bề mặt của xơ tăng lên và tương tác của xơ với chất nền cũng tăng Trong hình 1.19 (a-d), có nhiều rãnh rỗng do việc loại bỏ các tạp chất và vật liệu thô nằm trên bề mặt xơ Hiệu quả của xơ được xử lý NaOH 6% trong 6 giờ cho thấy kết quả

26 cao nhất trong số tất cả các phương pháp xử lý Xử lý NaOH 6% trong 6 giờ có thể loại bỏ hemicellulose và lignin và tăng cường diện tích bề mặt xơ

Các thông số xơ ảnh hưởng sau xử lý:

Hình 1.20: Đường kính xơ PALF khi xử lý 3%, 6% NaOH [33]

Có thể quan sát thấy rằng xơ được xử lý có đường kính nhỏ hơn so với xơ không được xử lý, trong đó xử lý với 6% NaOH cho thấy đường kính nhỏ nhất Xử lý NaOH 3% cũng giảm đường kính nhưng xơ được xử lý NaOH 6% cho thấy kết quả tốt hơn Nghiên cứu này rõ ràng đã cho thấy hiệu quả của xử lý NaOH trên sợi PALF Sự giảm đường kính này là vì NaOH tấn công vào vùng vô định hình của xơ tự nhiên và loại bỏ các tạp chất hemicellulose và lignin [33].

Hình 1.21: Đặc trưng độ bền kéo xơ PALF trước khi xử lý và sau xử lý NaOH 3%, 6% [33].

Tổng kết

Xơ tự nhiên đang được nghiên cứu chuyên sâu do tính chất thân thiện với môi trường, các đặc tính đặc biệt và một số ưu điểm khác như tính sẵn có, dễ dàng xử lý, an toàn, và khả năng phân hủy sinh học Xơ tự nhiên có các đặc tính vật lý và cơ học khá lý tưởng, mặc dù nó thay đổi theo nguồn thực vật, loài, địa lý và điều kiện khí hậu Xơ lá dứa (PALF) là một trong những loại phế liệu có sẵn rất nhiều ở Đông Nam Á, Ấn Độ và Nam Mỹ cho đến nay vẫn chưa được khai thác hết tiềm năng của nó PALF có thể là một nguồn nguyên liệu mới cho các ngành công nghiệp và có thể là một chất thay thế tiềm năng cho vật liệu tổng hợp

Các xơ lá dứa có cấu trúc bao gồm một hệ thống bó mạch tồn tại dưới dạng các chùm tế bào xơ được liên kết chặt chẽ bởi pectin PALF rất giống với hầu hết các loại xơ tự nhiên về thành phần hóa học với hàm lượng cellulose tương đối cao cellulose (67- 82%), hemicellulose (9-19%), holocellulose (80-88%), Lignin (5-12%), Pectin (1,2-3%) và các hợp chất khác (0,9-4,2%) Đã có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới về phương pháp phân tách xơ dứa, trong các phương pháp này người ta muốn giảm bớt thành phần như hemicellulose, pectin, lignin nhằm để nâng cao chất lượng của xơ tự nhiên và đảm bảo cho quá trình kéo sợi sau này Đồng thời khi xử lý với kiềm cụ thể là NaOH ngoài nồng độ cũng cần xem xét các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, thời gian để có được đánh giá tổng thể nhất Tránh việc xử lý quá mức làm hỏng cấu trúc xơ loại bỏ quá nhiều các thành phần liên kết làm xơ cơ bản tách ra khỏi bó xơ khiến xơ suy yếu, mất đi các đặc tính tự nhiên của xơ Ngoài ra việc xem xét và xử lý hàm lượng pectin còn sót sau đó bằng enzyme, tuy không nhiều nhưng cũng góp phần cải thiện tính chất xơ PALF trong quá trình kéo sợi; bên cạnh đó cũng cần xem xét các tính chất xơ có thể bị ảnh hưởng sau mỗi công đoạn, nghiên cứu các điều kiện để xơ sau khi xử lý bớt tạp nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất độ bền.

Do việc loại bỏ tạp làm xơ mất đi các nhóm hydroxyl trong vùng vô định hình khiến bề mặt xơ trở nên khô cứng nên công đoạn xử lý làm mềm sau đó là vô cùng cần thiết để khắc phục nhược điểm trên, cải thiện cảm giác sờ tay đồng thời làm cho xơ dứa trở nên phù hợp để ứng dụng vào các sản phẩm may mặc Tuy nhiên, trong bài nghiên cứu này chưa đủ điều kiện để áp dụng phương pháp phân tách xơ dứa bằng máy Vì vậy,

35 bài nghiên cứu chỉ được áp dụng phương pháp tách xơ thủ công cạo xơ bằng đĩa sứ và tiến hành nghiên cứu vào các phương pháp xử lý hóa học, loại bỏ keo pectin, phá vỡ mạng lưới lignin, hemicellulose và xử lý làm mềm để cải thiện nhược điểm khô cứng sau quá trình loại bỏ tạp Nhóm sẽ lựa chọn phương án xử lý NaOH cho xơ dứa, dựa vào nghiên cứu của Luận văn “ẢNH HƯỞNG CỦA XỬ LÝ KIỀM ĐẾN HÌNH THÁI

BỀ MẶT VÀ TÍNH CHẤT XƠ DỨA” của khóa 2016 đã có được nồng độ tối ưu của NaOH Nhóm sẽ tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của việc xử lý NaOH kết hợp với enzyme trên xơ dứa để loại bỏ bớt lượng keo pectin còn lại trên xơ và cuối cùng là xử lý làm mềm cho xơ dứa Nhóm thử nghiệm trên cùng một giống lá để đảm bảo không có sự ảnh hưởng nhiều bởi nguyên liệu đến kết quả nghiên cứu

PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM

Mục tiêu nghiên cứu

Dựa trên cơ sở lý thuyết và kết quả nghiên cứu của các bài báo khoa học, tiến hành các phương pháp đã nghiên cứu để phân tách và xử lý xơ dứa bằng NaOH kết hợp với enzyme để loại bỏ bớt lượng keo pectin còn lại trên xơ Đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các hóa chất như kiềm và enzyme đến đến bề mặt và các tính chất của xơ dứa Từ đó đánh giá được hiệu quả của việc kết hợp các phương pháp vi sinh trong quá trình xử lý xơ tự nhiên Bên cạnh đó, nhóm cũng nghiên cứu về ảnh hưởng của chất làm mềm Silicone lên hình thái học và các tính chất cơ lý của xơ Qua đó, phát triển được các ứng dụng tiềm năng của xơ dứa trong lĩnh vực dệt may Giúp giải quyết được vấn đề phế thải nông nghiệp hiện nay, tạo ra loại vải thân thiện hơn với môi trường.

Đối tượng nghiên cứu

Trong đề tài này, đối tượng nghiên cứu là cây dứa, cụ thể là phần lá dứa Lá dứa tươi, trưởng thành giúp đảm bảo tính đồng nhất cho chất lượng cũng như kết quả được tin cậy hơn Lá được lấy chung từ một nông trại tỉnh Long An như hình

Hình 2.1: Cánh đồng dứa và cây dứa ở nông trại tỉnh Long An

Ngoài ra tỷ lệ xơ cũng như chất lượng bề mặt, màu sắc còn khác nhau bởi yếu tố môi trường như khu vực phân bố, điều kiện thời tiết Bên cạnh đó trên cùng một lá dứa, đầu lá, thân lá, chóp lá cũng có độ bền và độ mảnh khác nhau Chính vì vậy, trong bài nghiên cứu này xơ được tách từ phần giữa lá của lá trưởng thành, người miền Trung Nam Bộ gọi là khóm, tên khoa học là Pineapple vì đây là giống cây được trồng phổ biến

37 ở Việt Nam Cây có khoảng 30-50 lá trên một cây, lá cứng, chóp lá có màu tím, rất nhiều gai hình răng cưa dọc viền lá.

Nội dung nghiên cứu

Trong báo cáo luận văn này, nhóm sẽ tiến hành nghiên cứu một số nội dung như sau:

- Nghiên cứu các tài liệu về xơ libe, đặc biệt xơ dứa, ảnh hưởng các phương pháp xử lý hóa học đến xơ dứa

− Thực hiện kết hợp phương pháp phân tách thủ công để phân tách xơ dứa

− Thực nghiệm xử lý xơ dứa sử dụng enzyme Pectinase, kiềm kết hợp enzyme Pectinase, dưới các mức nồng độ và thời gian khác nhau và làm mềm

− Đánh giá hình thái học bề mặt, đường kính và các tính chất như độ hồi ẩm thành phần, lực kéo đứt và khả năng hấp thụ thuốc nhuộm của xơ dứa sau các quá trình xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Cũng như các nước khác trên thế giới, ở Việt Nam cũng đang dần đẩy mạnh việc nghiên cứu phân tách các xơ tự nhiên, trong đó có xơ dứa Qua nghiên cứu ở phần tổng quan, hóa chất và nồng độ thích hợp để xử lý xơ dứa là NaOH từ 4-6%, khoảng thời gian phù hợp cho việc ngâm trong dung dịch kiềm là từ 3-6 giờ ở nhiệt độ phòng Lá dứa được lựa chọn thuộc cùng một giống tại cùng một địa điểm trồng, lá trưởng thành gọt bỏ gai, cắt bỏ đầu và đuôi lá chỉ lấy phần thân lá ở giữa để có chất lượng đồng nhất về nguyên liệu cho quá trình nghiên cứu

Xơ gốc cellulose bị kém bền trong axit, tuy nhiên đối với xơ thơm, nhóm nhận thấy thành phần pectin trong xơ sẽ bị phân hủy bởi enzyme Pectinase, nên nhóm sẽ bổ sung thêm trong phương pháp phân tách là phương pháp ngâm enzyme

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Dựa trên việc tham khảo kết quả ở phần nghiên cứu trong xử lý phân tách xơ dứa và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, nhóm nhận thấy có thể sử dụng phương pháp thủ công và xử lý hóa học kết hợp vi sinh để loại bỏ bớt các thành phần trong xơ dứa để nó trở nên phù hợp cho quá trình kéo sợi Dùng phương pháp thủ công để tách xơ dứa ra khỏi lá và loại bỏ tạp chất sơ bộ trước, sau đó luộc xơ và phơi khô ở điều kiện và thời

38 gian thích hợp để bảo quản xơ tốt hơn Sau đó để xơ mảnh hơn bằng cách dùng dung dịch NaOH giúp loại lignin, hemicellulose, tiếp theo dùng enzyme Pectinase giúp loại bớt lượng pectin còn dư có trong xơ

Sau khi xử lý phân tách xơ dứa bằng tay, xử lý xơ và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng của quá trình xử lý hóa này đối với chất lượng xơ dứa Tiến hành đánh giá hình thái học bằng phương pháp dùng kính hiển vi điện tử quét (SEM), thí nghiệm đo độ hồi ẩm, đo đạc đường kính, đo phổ hồng ngoại (FTIR), lực kéo đứt, nhuộm xơ bằng máy nhuộm dầu để đánh giá màu Sau đó, nhóm tiếp tục đánh giá độ tin cậy và xử lý thống kê số liệu thực nghiệm để đưa ra những đánh giá và kết luận khách quan nhất về sự ảnh hưởng của các yếu tố xử lý hóa học và enzyme đối với chất lượng xơ dứa.

Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ thí nghiệm

2.4.1 Nguyên liệu và hóa chất

Lá dứa: Lá dứa tươi của cây trưởng thành được cắt, rửa sạch, gọt gai, bỏ phần đầu lá, chóp lá và cạo bỏ phần thịt lá

Bảng 2.1: Hóa chất sử dụng trong thí nghiệm

STT Tên hóa chất Độ tinh khiết Xuất xứ

1 Natri Hidroxit (NaOH) 96% Trung Quốc

2 Axit acetic (𝐶𝐻 3 COOH) 99,5% Trung Quốc

5 Silicone (FINISH WR301) Hóa chất công nghiệp

6 Nước cất 1 lần Việt Nam

9 Thuốc nhuộm hoạt tính Thụy Sĩ

Pectinase thường được hoạt động ở pH từ 3,0 đến 6,5 Theo các bài nghiên cứu khác, Pectinase hoạt động mạnh mẽ nhất ở pH từ 4,5-5,5, để tránh pH thấp làm tổn hại đến xơ dứa, nhóm chọn pH = 5,0 để đảm bảo enzyme Pectinase vẫn hoạt động hiệu quả mà không gây ảnh hưởng qua mức đến xơ và gia nhiệt 50  2 0 C và dùng môi trường đệm accetat

Bảng 2.2: Bảng thống kê dụng cụ thí nghiệm

STT Tên thiết bị Đặc tính kỹ thuật Xuất xứ

3 Ống đong 100ml, 500ml Trung Quốc

5 Boa cao su Trung Quốc

6 Pipet 2ml, 5ml, 10ml Trung Quốc

7 Cốc thủy tinh Trung Quốc

8 Máy đo PH Việt Nam

9 Nhiệt kế rượu Trung Quốc

12 Bình tam giác Trung Quốc

14 Kính hiển vi quang học ZEISS, Đức

15 Kính hiển vi điện tử quét ZEISS, Đức

16 Máy đo phổ hồng ngoại FTIR ZEISS, Đức

17 Máy đo độ bền sợi

18 Máy đo màu quang phổ X-rite color i5 Benchtop Ý

Quá trình thực hiện xử lý phân tách xơ dứa

2.5.1 Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm Đĩa sứ để cạo xơ dứa có bề dày và độ nhẵn phù hợp, đảm bảo được góc tiếp xúc của cạnh đĩa lên bề mặt xơ đủ lớn

Phần xơ dứa có chất lượng tốt nhất dài khoảng 20-25cm nên chiều dài thớt khoảng 40-45cm, bề rộng thớt khoảng 20-30cm và cao khoảng 1-2cm là phù hợp cho quá trình cạo Bên cạnh đó, mặt thớt không được quá nhẵn, vì thớt nhẵn sẽ không có ma sát, xơ bị trượt đi và không cạo được, tuy nhiên mặt thớt cũng không được quá gồ ghề vì sẽ tạo ma sát lớn với xơ dẫn đến đứt xơ trong quá trình cạo

2.5.2 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm

Lá dứa tươi: Loại lá dứa của giống cây nữ hoàng được trồng ở nông trại của tỉnh Long An

Cách lấy mẫu lá: Lá sau khi thu hoạch ở cánh đồng sẽ được rọc gai, rửa sạch Lựa chọn nhóm lá đã trưởng thành có bề dày khoảng 1-2cm, không bị già và quá non để đảm bảo chất lượng sợi được đồng nhất Lá sẽ được bỏ chóp lá và đầu lá, chỉ lấy phần thân lá, trong quá trình cạo xơ phải đạp giữ một đầu lá

Hình 2.2: Mẫu thân lá dứa sau khi gọt gai và cắt bỏ chóp lá

2.5.3 Tiến hành phân tách xơ dứa

Lá dứa sau khi thu hoạch gọt gai, rửa sạch sẽ được đem đi cạo để lấy xơ Trải lá thẳng trên mặt thớt, ngửa mặt lá lên để cạo trước Một chân đạp lên đầu lá dứa, dùng hai tay cầm đĩa sứ nghiêng 45 0 , đè lên lá và đẩy mạnh, đẩy đều tay làm nát lớp vỏ bên ngoài,

41 sau đó đẩy mạnh hơn nhưng thay đổi góc tiếp xúc lên khoảng 60 0 Sau khi cạo sạch phần mặt lá thì lật mặt lưng lá lên để cạo tiếp Như vậy, xơ được cạo ra sẽ sạch, bóng, không bị dính vỏ trên xơ, xơ đều nhau, không bị rối và không bị đứt

Sau đó xơ được rửa sạch bằng nước lạnh, nấu 2 tiếng, cuối cùng xơ được rửa sạch lại dưới vòi nước chảy nhiều lần rồi mới đem phơi khô dưới nắng, trở đều để đảm bảo xơ được khô ráo đồng bộ Sau đó xơ được bảo quản kín ở điều kiện khô ráo để tránh bị ẩm mốc và đảm bảo chất lượng tốt nhất cho quá trình tiến hành xử lý về sau

Trình tự tổng quát tiền xử lý xơ dứa:

Quá trình xử lý hóa học và vi sinh

2.6.1 Xử lý vi sinh bằng enzyme Pectinase trên xơ dứa

Hình 2.3: Sơ đồ tổng quát quá trình xử lý enzyme Pectinase trên xơ dứa

Nhóm đã thực hiện các phương án sau:

Bảng 2.3: Phương án xử lý enzyme Pectinase trên xơ dứa

(chọn các trường hợp tô màu xanh)

Nhóm thực hiện các phương án như trên, sau đó đánh giá bằng ngoại quan và độ bền đứt, cảm giác sờ tay đối với xơ sau xử lý Nhóm nhận thấy xơ được xử lý trong 2 giờ tuy có màu sắc sáng hơn nhưng độ bền xơ giảm đáng kể, bề mặt xơ xuất hiện các đầu xơ đơn nhô ra nên nhóm đã loại bỏ trường hợp này hoạch Thu lá dứa

Cạo vỏ sạch Rửa sơ bộ nướcvới

2 giờ sạch Rửa lại với nước

Rửa sạch và nấu 10 phút Sấy khô và bảo quản

Quá trình xử lý với enzyme Pectinase và khảo sát sự thay đổi của nồng độ

Chuẩn bị mẫu: Xơ dứa sau quá trình xử lý sơ bộ được bảo quản trong túi kín Cân mỗi mẫu 1 gam xơ buộc chặt một đầu, bỏ vào cốc thí nghiệm

Chỉnh nhiệt độ tủ sấy ở mức 50  2 0 C, gia nhiệt trước khi bỏ xơ dứa vào Pha dung dịch đệm acetat pH= 5,0 Pha dung dịch enzyme Pectinase nồng độ 20g/L, 30g/L, 40g/L Với dung tỷ 1:40 (w/v), rót dung dịch enzyme vào nồng độ tương ứng vào bình định mức 100ml rồi đổ vào các cốc thí nghiệm, dùng băng keo giấy đánh dấu phân biệt các mẫu Ngâm xơ trong 1 giờ 30 phút trong tủ sấy đã gia nhiệt, sau đó vớt xơ ra, rửa sạch bằng nước sạch và đun sôi trong nước cất khoảng 10 phút ở 100 0 C để làm mất hoạt tính enzyme và sau đó sấy khô xơ

Sau khi ngâm các mẫu xơ trong cùng một thời gian, bảo quản mẫu xơ trong điều kiện thích hợp để tiến hành chụp SEM và phân tích bề mặt xơ sau đó kiểm tra mức độ hiệu quả của việc loại keo bằng phương pháp vi sinh

Khảo sát sự ảnh hưởng của enzyme lên xơ dứa để xác định nồng độ xử lý xơ có hiệu quả nhất trong thời gian trên

2.6.2 Xử lý kiềm kết hợp vi sinh trên xơ dứa

Trong phương pháp xử lý này, nhóm đã tiến hành xử lý xơ dứa bằng dung dịch NaOH 5% trong 3 giờ, 4 giờ, 5 giờ sau đó kết hợp enzyme Pectinase với nồng độ (0,25g/L, 0,375g/L, 0,5g/L), trong thời gian (15 phút, 30 phút, 45 phút)

Hình 2.4: Sơ đồ tổng quát quá trình xử lý kiềm kết hợp enzyme

Nhóm thực hiện đánh giá ngoại quan trên các mẫu nhận thấy với mức nồng độ NaOH 5% trong 4 giờ và 5 giờ rồi xử lý enzyme sau đó làm xơ khá nát rất kém bền, bên cạnh đó trên bề mặt xơ xuất hiện các xơ cơ bản bị tách ra nhiều sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình kéo sợi sau này nên nhóm đã loại trường hợp sử dụng NaOH 5% 4 giờ và 5 giờ Đồng thời với mức nồng độ NaOH 5% trong 3 giờ nhóm đã thực hiện thí nghiệm và tiến hành lọc sơ bộ để chọn các thí nghiệm với enzyme như sau:

Sấy khô Cân lại mẫu xơ (1g/mẫu)

Bảng 2.4: Phương án xử lý NaOH 5% trong 3 giờ rồi qua enzyme Pectinase

(chỉ chọn các trường hợp tô màu xanh)

Quá trình xử lý với NaOH kết hợp enzyme Pectinase và khảo sát sự thay đổi của nồng độ, thời gian

➢ Thí nghiệm xử lý xơ dứa trong dung dịch NaOH 5%:

Chuẩn bị mẫu: Xơ dứa sau quá trình xử lý sơ bộ được bảo quản trong túi kín Cân mỗi mẫu 2 gam xơ buộc chặt một đầu, bỏ vào cốc thí nghiệm Đo nhiệt độ phòng tại thời điểm thí nghiệm 31 0 C

Pha dung dịch NaOH 5% Với dung tỷ là 1:50 (w/v), rót dung dịch NaOH 5% vào bình định mức 100ml rồi đổ vào các cốc thí nghiệm, dùng băng keo giấy đánh dấu phân biệt các mẫu Ngâm xơ trong 3 giờ, 4 giờ và 5 giờ Sau đó vớt xơ ra, rửa sạch bằng nước sạch và ngâm trong nước cất khoảng 15 phút

Pha dung dịch Axit Axetic 2%, cho 100ml dung dịch Axit Acetic 2% vào bình chứa xơ ngâm trong 30 phút để trung hòa lượng dư NaOH đồng thời tẩy trắng xơ Sau đó vớt xơ ra rửa sạch và ngâm xơ trong nước cất khoảng 15 phút đến khi pH nước rửa trung tính

Sau khi xử lý NaOH xơ được rửa sạch và sấy khô, hồi ẩm trong 24 giờ rồi mới tiến hành xử lý enzyme

➢ Thí nghiệm xử lý xơ dứa bằng enzyme Pectinase:

Chuẩn bị mẫu: Xơ dứa sau khi xử lý NaOH được rửa sạch, sấy khô, bảo quản trong túi kín Cân mỗi mẫu 1 gam xơ buộc chặt một đầu, bỏ vào cốc thí nghiệm

Chỉnh nhiệt độ tủ sấy ở mức 50  2 0 C, gia nhiệt máy trước khi bỏ xơ dứa vào Pha dung dịch đệm acetat PH= 5,0 trong nhiệt độ phòng Pha dung dịch enzyme Pectinase ở nồng độ 0,25g/L, 0,375g/L và 0,5g/L

Với dung tỷ 1:40 (w/v), rót dung dịch enzyme vào nồng độ tương ứng vào bình định mức 100ml rồi đổ vào các cốc thí nghiệm, dùng băng keo giấy đánh dấu phân biệt các mẫu Ngâm xơ lần lượt trong 15 phút, 30 phút và 45 phút trong tủ sấy đã gia nhiệt, sau đó vớt xơ ra, rửa sạch bằng nước sạch và đun sôi trong nước cất khoảng 10 phút ở 100 0 C để làm mất hoạt tính enzyme

Sau khi ngâm các mẫu xơ trong các nồng độ và thời gian khác nhau, bảo quản mẫu xơ trong điều kiện thích hợp để tiến hành chụp SEM và phân tích bề mặt sau đó

2.6.3 Xử lý làm mềm bằng Silicone trên xơ dứa

Xử lý làm mềm bằng Silicone làm tăng chất lượng xơ sau xử lý hóa học về hình dáng, bề mặt, màu sắc

Hình 2.5: Quy trình tổng quát quá trình xử lý làm mềm xơ dứa

FINISH WR 301 là một Silicone chức năng dạng lỏng, là hoạt chất aminoethylaminopropyl thuộc nhóm chức polydimethylsiloxane Sau khi xử lý hóa học và vi sinh có tiến hành gia nhiệt, xơ trở nên khô cứng, mất đi độ ẩm, sau đó được làm mềm bằng hóa chất FINISH WR 301 để khắc phục nhược điểm trên và cải thiện cảm giác sờ tay, làm các xơ không bết dính vào nhau khiến cho việc kéo sợi trở nên dễ dàng hơn

Quy trình làm mềm bằng FINISH WR 301:

Chuẩn bị mẫu: Xơ sau khi xử lý enzyme, NaOH kết hợp enzyme đem qua làm mềm

Cách pha dung dịch: Dung dịch FINISH WR 301 được pha loãng với nước cất theo tỷ lệ 1:10 (v/v) Xơ được ngâm trong dung dịch làm mềm với dung tỷ 1:40 (w/v) trong 1 giờ ở nhiệt độ phòng Sau đó, vớt xơ ra, rửa sạch, sấy khô và hồi ẩm ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ

Xử lý eznyme, NaOH kết hợp enzmye

Sấy khô và bảo quản

Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của phương pháp xử lý đến tính chất xơ dứa

Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope), thường viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật

Nguyên lý hoạt động: Dòng electron được phát ra từ súng phóng điện tử sau đó được gia tốc về phía mẫu bằng một điện thế dương Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10kV đến 50kV do sự hạn chế của thấu kính Dòng này sau khi bị hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) bằng một khấu độ kim loại và thấu kính từ để tạo ra dòng nhỏ, hội tụ và đơn sắc, sau đó quét lên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện Sự tương tác xảy ra bên trong mẫu khi dòng đập vào, tác động đến sóng electron Sự tương tác này được nhận biết và chuyển đổi thành hình ảnh Ngoài ra độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác với bề mặt mẫu Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này Trong đó, điện tử thứ cấp (Secondary electrons): Đây là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV)

Vì chúng có năng lượng thấp nên các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu

Chuẩn bị mẫu: Chuẩn bị các mẫu xơ bao gồm: Các mẫu xơ xử lý NaOH kết hợp enzyme Pectinase, mẫu xơ chỉ xử lý enzyme Pectinase

Phương tiện thực nghiệm: Kính hiển vi điện tử quét của hãng ZENISS, Đức Tiến hành thí nghiệm: Các mẫu phải được cắt nhỏ, để giảm hiện tựợng tích điện phát sinh khi chiếu tia X vào, bề mặt mẫu cần được phủ một lớp mỏng cacbon Mẫu phải đặt trong buồng chân không để thu được hình ảnh điện tử thứ cấp có độ phân giải cao, áp suất buồng khoảng 10 -5 – 10 -6 torr Mẫu sau khi được chuẩn hóa sẽ được tiến hành chụp bằng kính hiển vi điện tử quét và lựa chọn mức phóng đại phù hợp Ở đây nhóm lựa chọn 2 mức phóng đại 500X và 1000X để đánh giá

46 Đánh giá kết quả: Quan sát bề mặt xơ dưới kính hiển vi điện tử quét để đánh giá ảnh hưởng của các quá trình xử lý hóa học và vi sinh Với mức phóng đại 500X, sẽ quan sát được biên dạng và bề mặt tổng thể cùng các tạp với kích thước lớn bám quanh xơ Ở mức phóng đại lớn hơn 1000X, dễ dàng nhìn thấy được xơ cơ bản và các đường rãnh trên bề mặt xơ cùng các tạp nhỏ còn sót lại trên thân xơ sau quá trình xử lý Qua các hình ảnh đó, ta có thể đánh giá được hiệu quả xử lý bề mặt của các phương pháp hóa học và vi sinh

2.7.2 Đo đường kính xơ thơm sau khi xử lý

Nguyên liệu thí nghiệm: Bao gồm mẫu xơ chưa xử lý và các mẫu xơ đã được xử lý trong các phương án sau:

Bảng 2.5: Phương án thí nghiệm đo đường kính xơ

NaOH 5%, 3 giờ kết hợp enzyme Pectinase Nồng độ (g/L) Thời gian ngân enzyme

Dụng cụ thí nghiệm: Kính hiển vi soi nổi ZEISS

Tiến hành thí nghiệm: Dùng kính hiển vi soi nổi độ phóng đại 100X đo đường kính xơ dứa Đánh giá thí nghiệm: Mỗi mẫu thực hiện 20 lần đánh giá kết quả dựa trên đường kính trung bình mỗi mẫu xơ

2.7.3 Đo độ hồi ẩm của xơ dứa

Tính hấp thụ độ ẩm của xơ, sợi là quá trình hấp thụ nước của xơ, sợi Sự hấp thụ độ ẩm thường làm thay đổi tính chất xơ: Gây ra trương nở, thay đổi kích thước, hình dạng, độ cứng, tính cơ học và tính chất của sợi và vải Điều kiện độ ẩm của vật liệu là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong việc xác định tính chất điện, tĩnh điện của chúng Trong ngành thương mại, sự hấp thụ độ ẩm của xơ sợi ảnh hưởng quan trọng đến khối lượng của sản phẩm lúc giao nhận, nhất là các loại nguyên liệu đắt tiền như tơ tằm,

47 bông thường có sự biến động về độ ẩm bên trong rất lớn Do đó, trong ngành dệt may rất quan tâm tính chất này [19]

Khả năng hút chất lỏng hay độ hồi ẩm là tỷ lệ phần trăm lượng ẩm mà xơ khô sẽ hút vào từ không khí tại nhiệt độ và độ ẩm tương đối tiêu chuẩn: Độ ẩm thực tế (Wtt) là độ ẩm của vật liệu dệt trong điều kiện thực tế; Độ ẩm quy định (Wqđ) là độ ẩm do nhà nước quy định cho từng loại vật liệu dệt, dùng để tính khối lượng quy chuẩn trong quan hệ giao dịch, thương mại

Nguyên tắc: Phương pháp này dựa trên nguyên tắc dùng tủ sấy để tách thành phần nước chứa trong xơ, rồi dùng công thức để tính toán:

𝐺 𝑘 × 100 (%) (2.1) Với G - Khối lượng mẫu tại thời điểm đo

𝐺 𝑘 - Khối lượng khô của mẫu vật liệu

Xơ được sấy khô tới khối lượng không đổi rồi hồi cẩm trong môi trường khí hậu chuẩn ( 202) độ C, (652%) với khoảng thời gian 24 giờ Lúc đó độ ẩm thực tế đạt đến giá trị cân bằng và được gọi là độ ẩm chuẩn Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, không có phòng thí nghiệm với nhiệt độ chuẩn, điều kiện đưa xơ về độ ẩm chuẩn khó khăn nhóm đã tiến hành phương pháp sấy khô và cân để phân tích

Nguyên liệu thí nghiệm: Các mẫu xơ tương tự phần đo đường kính xơ

Tủ sấy điều chỉnh được nhiệt độ trong khoảng từ 102-105 0 C

Sấy các mẫu xơ ở nhiệt độ 102-105 0 C đến khi khối lượng xơ không đổi và ghi lại kết quả Gk Để xơ trong môi trường nhiệt độ( 20  2) 0 C và độ ẩm chuẩn (65  2)%, trong 24 giờ, ghi lại kết quả G Tính toán độ hồi ẩm theo công thức Đánh giá kết quả: Thí nghiệm được lặp lại 5 lần, đánh giá kết quả bằng độ lặp lại r để xác định mức tin cậy

2.7.4 Phân tích thành phần của xơ dứa qua phổ FTIR

FTIR (Fourier Transformation InfraRed) là từ viết tắt có nguồn gốc từ quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier, viết tắt của từ phổ hồng ngoại biến đổi Fourier Với phương pháp này, cấu trúc hóa học của vật liệu được phân tích bằng cách kiểm tra các liên kết

48 hóa học và thành phần Kỹ thuật FTIR hữu ích cho cả vật liệu hữu cơ và vô cơ Ngoài ra, với phương pháp này, các cặp liên kết cộng hóa trị và nhóm chức trong một vật liệu cũng được xác định

Nguyên lý: Phương pháp FTIR sử dụng sự hấp thụ ánh sáng của vật liệu bằng cách sử dụng cách các hợp chất phân tử khác nhau phản ứng với ánh sáng hồng ngoại để xác định cấu trúc của vật liệu được phân tích Phương pháp ghi nhận các dao động đặc trưng của các liên kết hóa học giữa các nguyên tử và phép phân tích với hàm lượng chất mẫu rất thấp và có thể phân tích cấu trúc, định tính và cả định lượng

Phương pháp này còn được gọi là quang phổ hấp thụ và được áp dụng theo nhiều cách khác nhau, bao gồm đánh bóng chùm ánh sáng có nhóm tần số hạn chế hoặc sử dụng ánh sáng đơn sắc Kỹ thuật này khai thác thực tế là mỗi tần số phản ứng khác nhau với vật liệu và hoạt động bằng cách sử dụng nhiều hơn một tần số khác nhau trong chùm tia Bằng cách này, thành phần của một vật liệu chưa biết được xác định chính xác Chuẩn bị mẫu: Mẫu xơ chưa lý và xơ đã qua xử lý NaOH 5% trong 3 giờ kết hợp ngâm enzyme Pectinase 0,25g/L trong 30 phút. Đánh giá kết quả: Xác định các thành phần hóa học tồn tại trong xơ trước và sau xử lý bằng cách ghi nhận các dao động đặc trưng của các liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong tín hiệu phổ Đồng thời ghi lại đường cong biểu diễn sự thay đổi cường độ hấp thụ theo thời gian ở miền phổ khi có sự tạo thành sản phẩm phản ứng hay mất tác chất ban đầu

2.7.5 Đo lực kéo đứt xơ dứa

Do bị hạn chế về mặt thiết bị, nên nhóm không thể đánh giá được lực kéo đứt của xơ theo tiêu chuẩn độ bền xơ mà xét theo tiêu chuẩn độ bền sợi bằng thiết bị và tiêu chuẩn hiện có ở Viện nghiên cứu Dệt May Tp Hồ Chí Minh Các kết quả này chỉ so sánh ảnh hưởng giữa các phương án xử lý tác động đến độ bền xơ, không được dùng để đánh giá độ bền với các xơ khác Bên cạnh đánh giá cảm quan bằng tay về độ bền của xơ ở các phương án xử lý khác nhau, thì nhóm còn dùng giá trị đo được để có đánh giá khách quan hơn cho độ bền của các mẫu xơ

Lực kéo đứt (breaking force) là lực kéo cần thiết (P) để làm đứt mẫu thử, tính theo Newton

Hình thái học xơ dứa chưa xử lý

Xơ dứa thô là phần xơ được tách ra từ thân lá dứa, được rửa sạch, nấu và phơi khô, chưa qua quá trình xử lý hóa học, sinh học Nhìn qua hình SEM xơ chưa xử lý ta có thể thấy một lượng lớn tạp như thịt, vỏ lá còn sót lại, đồng thời bề mặt xơ gồ ghề, keo bề mặt xơ chưa xử lý khá nhiều, lượng keo bám dọc theo chiều dài xơ với mật độ khá cao Ngoài ra bên trong cấu trúc xơ còn lượng pectin, lignin, hemicellulose ở khu vực vô định hình, những thành phần này làm cho các xơ dính lại với nhau khiến xơ bị thô, hơi bết, cứng và tính thẩm mỹ kém đi và gây khó khăn trong quá trình kéo sợi

Hình 3.1: Hình thái học thân xơ chưa xử lý hoá học.

Đánh giá hình thái học xơ dứa qua xử lý enzyme Pectinase

Xơ tự nhiên qua tiền xử lý còn khá thô và nhiều tạp chất, vì vậy việc sử dụng các quy trình xử lý hóa học là rất cần thiết như acetyl hóa, xử lý kiềm… Tuy nhiên, các phương pháp này đưa ra một số nhược điểm như xử lý năng lượng cao, nguy cơ thoái hóa xơ và tính chất cơ học liên quan Việc sử dụng các công nghệ sinh học như xử lý bằng enzyme và lên men vi sinh cung cấp câu trả lời cho nhiều hạn chế nêu trên Công nghệ này thân thiện với môi trường và yêu cầu các điều kiện phản ứng nhẹ nhàng hơn Sau khi xơ được xử lý trong enzyme, xơ được rửa sạch và sấy khô sau đó tiến hành kiểm tra mức độ hiệu quả của việc loại keo bằng phương pháp vi sinh

Pectinase tác động lên xơ bằng cách xuyên qua lớp biểu bì hoặc qua các vết nứt cỡ micro và tiếp xúc với các keo pectin trong xơ Các chất pectin được thủy phân bởi

Pectinase, dẫn đến việc loại bỏ hoặc loại bỏ một phần lớp biểu bì làm mất tính liên kết của lớp biểu bì và cellulose

Hình 3.2: Ảnh SEM 500X thân xơ dứa (a) chưa xử lý; (b) ngâm enzyme 20g/L; (c) ngâm enzyme 30g/L; (d) ngâm enzyme 40g/L Ở phương án ngâm enzyme Pectinase, bằng cách thay đổi nồng độ enzyme tương ứng với 20g/L (hình b), 30g/L (hình c), 40g/L (hình d) trong 1 giờ 30 phút ở 50  2 0 C với môi trường đệm pH = 5,0 nhằm mục đích đánh giá ảnh hưởng của nồng độ enzyme tới hình thái học của xơ Qua ảnh chụp SEM ở độ phóng đại 500 của các mẫu xơ có thể thấy, mẫu xơ ngâm trong 1 giờ 30 phút với các nồng độ enzyme Pectinase khác nhau (hình b, c, d) cho thấy các mẫu xơ đều cho bề mặt khá tốt hơn so với xơ chưa xử lý (hình a) Có thể thấy được bề mặt xơ nhẵn, có một ít tạp chất nhỏ

Khi xử lý xơ PALF với các nồng độ (20g/L, 30g/L, 40g/L) trong 1 giờ 30 phút mang lại hiệu quả xử lý khác nhau Nhìn chung, các xơ được xử lý bằng enzyme Pectinase (nồng độ 20g/L, 30g/L, 40g/L) ngâm trong 1 giờ 30 phút đều có bề mặt tương đối sạch tạp Qua hình SEM cho thấy khả năng loại keo bề mặt có sự thay đổi về mặt biến đổi nồng độ

Hình 3.3: Ảnh SEM 1000X thân xơ dứa (a) ngâm enzyme 20g/L;

Xơ PALF xử lý bằng enzyme Pectinase 20g/L (hình a) vẫn còn lại một ít tạp nhỏ trên bề mặt, thành phần keo chưa được loại bỏ nhiều vẫn còn dính quanh thân xơ, không thấy rõ các xơ đơn trên bề mặt xơ, ngoài ra thân xơ cũng không bị thô ráp hay nứt rãnh

Xơ PALF xử lý bằng enzyme Pectinase 40g/L (hình c) loại keo khá tốt, lượng tạp trên xơ hầu như không còn, tuy nhiên bề mặt xơ bắt đầu bị vỡ, các liên kết trên thân xơ bị

54 nứt và tách ra, nhiều rãnh trống hiện rõ dọc chiều dài xơ Điều này cho thấy thành phần keo đã bị loại bỏ gần như hoàn toàn ở những khu vực rãnh rỗng này, dẫn đến xơ đơn có xu hướng bị tách ra khỏi bó xơ và ở nồng độ này xơ bắt đầu có dấu hiệu kém bền Mẫu PALF xử lý bằng enzyme Pectinase 30g/L (hình b) cho kết quả khả quan hơn Ảnh chụp cho thấy bề mặt xơ khá sạch và nhẵn, chỉ còn một số các mảnh keo liên kết giữa các rãnh xơ nằm rải rác và một ít tạp nhưng không đáng kể, thân xơ bắt đầu bị tách ra bởi những đường rãnh chạy dọc theo thân nhưng không làm tách các xơ đơn, bề mặt xơ tương đối rõ ràng, keo trên bề mặt cũng giảm đi đáng kể

Qua việc khảo sát các nồng độ khác nhau, kết quả cho thấy nồng độ enzyme Pectinase có ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý làm sạch bề mặt xơ so với xơ chưa xử lý Tuy nhiên, enzyme vẫn chưa tác động đồng đều lên toàn bộ mẫu xơ Quan sát từ hình ảnh thu được trên ảnh SEM, có thể thấy một vài chỗ trên thân xơ sạch, bề mặt xơ rõ ràng nhưng vẫn lặp lại một vài chỗ mảng keo và tạp vẫn còn đọng lại trên bề mặt xơ Nhưng trong tất cả các mẫu thì mẫu xơ ngâm trong nồng độ enzyme Pectinase 30g/L trong 1 giờ 30 phút xử lý tạp khá tốt so với mức nồng độ 20g/L mà không làm tổn thương xơ như ở nồng độ 40g/L Enzyme Pectinase chủ yếu tác động trực tiếp vào thành phần keo pectin bằng các phản ứng thủy phân từ đó tác động gián tiếp lên tạp và các thành phần như lignin và hemicellulose có trong xơ qua việc loại keo pectin

Vì vậy, xơ PALF được xử lý với enzyme có cảm giác sờ tay mềm mịn và ít khô cứng hơn so với khi xử lý kiềm do không loại bỏ quá nhiều các nhóm hydroxyl trong vùng vô định hình, nhưng mẫu xơ lại có xu hướng ngả vàng hơn so với mẫu xơ có xử lý kiềm Như vậy, ở nồng độ enzyme cao hơn có thể loại bỏ các thành phần phi cellulose (phần lớn là keo pectin) hiệu quả hơn đồng thời mang theo một phần tạp, lignin và hemicellulose, nhưng sẽ làm ảnh hưởng độ bền kéo của xơ do việc loại keo giữa các vi xơ quá mức sẽ khiến các xơ cơ bản dễ bị tách ra và trượt lên nhau.

Đánh giá hình thái học xơ dứa qua xử lý NaOH kết hợp enzyme Pectinase

Xử lý bằng NaOH có thể loại bỏ được một phần lignin và phân hủy hoàn toàn hemicellulose bằng cách làm thúc đẩy quá trình ion hóa và tiếp xúc với nhóm hydroxyl trong thành phần cellulose với alkoxid [10] Công đoạn này làm loại bỏ các nhóm hydroxyl của xơ khi nó phản ứng với NaOH để tạo ra các phân tử nước (H-OH) Việc xử lý NaOH 5% trong 5 giờ cho bề mặt xơ tương đối nhẵn tuy nhiên vẫn còn một vài

55 tạp chất nhỏ là các thành phần phi cellulose nằm rải rác Sau khi xử lý kiềm, đường kính xơ giảm đi đáng kể, tuy nhiên bề mặt của xơ trở nên khô cứng hơn do mất đi các nhóm hydroxyl, nhưng đường kính xơ có xu hướng tăng lên khi để lâu ngoài môi trường Điều này cho thấy vẫn còn dư lượng keo pectin còn sót lại trên xơ, sau quá trình xử lý kiềm, xơ để ngoài không khí lượng keo này đông tụ lại trên bề mặt xơ khiến đường kính xơ tăng trở lại, lượng keo này bám dọc theo chiều dài xơ làm xơ hơi bết và rít mặc dù xơ vẫn mềm mại

Hình 3.4: Ảnh SEM 500X xơ dứa NaOH 5% 5 giờ

Vì vậy, cần phải xem xét và xử lý hàm lượng pectin còn sót sau đó, tuy không nhiều nhưng cũng góp phần cải thiện tính chất PALF trong quá trình kéo sợi Việc thêm enzyme vào quá trình xử lý cần lưu ý điều chỉnh nồng độ và thời gian xử lý enzyme và kiềm phù hợp tránh để xơ bị phá hủy quá nhiều từ đó giảm được các tác động loại bỏ quá mức của kiềm lên xơ

Lignocellulose là tên gọi chung cho thành phần vật chất chủ yếu cấu tạo nên các loài thực vật gồm 3 thành phần chính: Hemicellulose, cellulose and lignin Lignocellulose là một cơ chất phức hợp bao gồm polisaccarit, các polymer gốc phenol và protein [16] Một cản trở quan trọng trong việc sử dụng nguyên liệu này là tính trơ của nó, và quá trình xử lý sơ bộ nhìn chung khá khó khăn và tốn kém Nguyên nhân là trong tự nhiên, cấu trúc dạng tinh thể của lignocellulose khiến các enzyme khó có thể tiếp cận để phân giải chúng, đặc biệt sự hiện diện của lignin càng ảnh hưởng tiêu cực

56 đến hoạt tính của các enzyme vì nó thu hút enzyme về phía mình hơn là về phía các chất khác [16]

Enzyme Pectinase thường được sử dụng làm enzyme công nghiệp để quét sinh học có thể loại bỏ các yếu tố không mong muốn như keo pectin ra khỏi bề mặt xơ, sợi Tuy nhiên, sáp và các hợp chất phi cellulose khác có thể là một rào cản đối với các enzyme này Để đạt được kết quả tốt, các phương pháp xử lý enzyme này đã được xử lý bằng kiềm trước, cụ thể là NaOH để loại bỏ các tạp chất như lignin và hemicellulose mở đường cho enzyme có thể đi sâu vào bên trong và tác động lên xơ một cách hiệu quả Tuy nhiên trong quá trình xử lý cần lưu ý nồng độ và thời gian xử lý kiềm kết hợp với enzyme sao cho phù hợp để đảm bảo tránh tổn thương xơ nhưng vẫn loại được tạp và các thành phần phi cellulose một cách hiệu quả Ở phương án thực nghiệm này, nhóm đã sử dụng nồng độ tối ưu xử lý kiềm là NaOH 5% trong 3 giờ và kết hợp khảo sát phương án ngâm enzyme Pectinase với các nồng độ 0,25g/L, 0,375g/L, 0,5g/L trong thời gian 15 phút, 30 phút, 45 phút Vì sau quá trình xử lý xơ bằng NaOH 5% trên xơ còn lại lại khá ít tạp nên cần giảm nồng độ và thời gian ngâm enzyme để giảm tối đa mức tổn thương xơ

3.3.1 Ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ enzyme tới bề mặt xơ dứa

Với mục đích đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ enzyme Pectinase tới hình thái học xơ đã qua xử lý NaOH Nhóm đã tiến hành khảo sát ngâm xơ đã qua xử lý NaOH 5% trong 3 giờ vào dung dịch enzyme 0,25g/L, 0,375g/L và 0,5g/L trong thời gian 15 phút

Hình 3.5: Ảnh SEM 500X thân xơ dứa (a) chưa xử lý; (b) ngâm enzyme 0,25g/L;

Qua hình chụp SEM 500X cho thấy PALF được xử lý trong enzyme Pectinase với các nồng độ khác nhau sau khi đã xử lý qua NaOH cho kết quả có khác biệt không nhiều về hình thái học của bề mặt xơ Qua hình ảnh ở hình (b, c, d) có thể thấy các mẫu xơ được kết hợp xử lý enzyme với các nồng độ khác nhau (0,25g/L, 0,375g/L và 0,5g/L) trong 15 phút đều được làm sạch bề mặt khá tốt so với xơ chưa qua xử lý

Cụ thể, xơ dứa sau hai bước xử lý đều có bề mặt thân xơ sạch sẽ, dọc theo thân xơ số lần xuất hiện của vết tạp rất ít, hoặc kích thước rất bé, các mảnh keo liên kết hầu như không còn, các rãnh xơ cũng lộ ra rõ ràng Qua quan sát ngoại quan và kính hiển vi điện tử quét cho thấy từ nồng độ 0,375g/L các mẫu xơ đã bắt đầu có hiện tượng xơ cơ bản bị tách ra nhưng không nhiều Và khi tăng nồng độ xử lý enzyme lên 0,5g/L thì các rãnh xơ lộ rõ ràng hơn rất nhiều và trên thân xơ bắt đầu có hiện tượng nứt rãnh và bong các xơ cơ bản lên bề mặt nhiều hơn

Với mức phóng đại 1000X, có thể thấy rõ bề mặt chung của các xơ dứa xử lý bằng enzyme Pectinase nồng độ 0,25g/L, 0,375g/L và 0,5g/L trong 15 phút Đa số các mẫu sơ đều khá sạch, bề mặt còn một ít tạp nhỏ nhưng không đáng kể cho thấy hiệu quả xử lý của NaOH kết hợp với enzyme Pectinase lên bề mặt xơ

Hình 3.6: Ảnh SEM 1000X thân xơ dứa xử lý NaOH 5% và enzmye Pectinase trong 15 phút (b) ngâm enzyme 0,25g/L; (c) ngâm enzyme 0,375g/L;

Kết luận lại, phương pháp kết hợp giữa NaOH và enzyme với nồng độ phù hợp đều cho thấy rõ các tác dụng của hóa chất lên bề mặt xơ Đối với xơ đã qua bước xử lý hóa học bằng NaOH 5% trong 3 giờ đã loại bỏ bớt các thành phần tạp chất như vỏ lá, thịt lá sót lại trên bề mặt thân xơ và làm giảm hầu hết các thành phần như lignin, hemicellulose Xử lý enzyme Pectinase giúp làm giảm lượng dư keo pectin còn lại trong xơ để làm xơ phù hợp cho quá trình kéo sợi sau này Có thể thấy các mẫu xơ đều đã được làm sạch khá tốt, tuy nhiên theo đánh giá ngoại quan và ảnh chụp SEM, ở mức nồng độ 0,375g/L bắt đầu có dấu hiệu các xơ cơ bản bị bong ra và nhiều hơn ở mức nồng độ 0,5g/L Như vậy, mẫu xơ ngâm NaOH 5% kết hợp với enzyme Pectinase ở

59 nồng độ 0,25g/L xử lý khá tốt nhưng không gây vỡ hoặc bong tróc bề mặt xơ Để giảm thiểu các tác động tiêu cực của hóa chất, nhóm đã tiếp tục khảo sát thời gian cho nồng độ này để tìm ra thời gian tối ưu hơn

3.3.2 Ảnh hưởng sự thay đổi thời gian ngâm tới bề mặt xơ dứa

Nhằm mục đích đánh giá ảnh hưởng thay đổi thời gian của việc xử lý enzyme Pectinase sau bước xử lý NaOH Với nồng độ enzyme 0,25g/L qua quá trình xử lý như trên cho thấy khả năng loại pectin khá tốt, bề mặt xơ chưa xảy ra hiện tượng bong tróc hay xù lông Nhóm đã tiếp tục tiến hành khảo sát thời gian ngâm của nồng độ enzyme Pectinase ở 0,25g/L được ngâm trong khoảng thời gian 15 phút, 30 phút và 45 phút

Hình 3.7: Ảnh SEM 1000X thân xơ dứa xử lý NaOH 5% và enzmye Pectinase 0,25g/L:

(a) ngâm enzyme 15 phút; (b) ngâm enzyme 30 phút;

Trong hình (a) cho thấy bề mặt xơ xử lý bằng NaOH 5% kết enzyme Pectinase 0,25g/L trong thời gian 15 phút khá sạch, trên thân xơ hầu như chỉ còn lại các tạp chất nhỏ mịn nằm rải rác Trong khi đó, xơ được xử lý NaOH 5% và enzyme Pectinase 0,25 g/L trong 30 phút (hình b) cũng có hiệu quả xử lý tương đương như ở phương án (a), nhưng cho bề mặt nhẵn mịn, sạch các tạp chất nhỏ, hiệu quả xử lý bề mặt xơ rõ ràng, đồng đều hơn mà không gây nứt rãnh thân xơ

Mẫu xơ còn lại được xử lý trong 45 phút (hình c) trên bề mặt lộ rõ nhiều các rãnh trống, ít các tạp chất, dễ thấy trên bề mặt xơ có hiện tượng đầu bó xơ cơ bản đã bị tách khỏi thân xơ, tạo thành các rãnh sọc dài dọc trục xơ

Nhìn chung, các xơ xử lý bằng NaOH 5% và enzyme Pectinase 0,25g/L trong 15 phút, 30 phút, 45 phút hiệu quả xử lý làm sạch bề mặt tương đối tốt Không có sự thay đổi nhiều về khả năng làm sạch bề mặt theo thời gian ở mức 15 phút và 30 phút, chỉ có một số ít lượng xơ cơ bản đã bị tách một phần ra khỏi bó xơ nhưng không đáng kể Điều này cho thấy khi tăng thời gian lên đến 30 phút xơ vẫn chưa bị tác động tiêu cực bởi enzyme Tuy nhiên cần lưu ý mức độ tổn thương xơ khi tăng thời gian xử lý enzyme Khi càng tăng thời gian ngâm enzyme thì các liên kết xơ đơn với nhau trong bó xơ càng bị yếu đi Cụ thể là, có nhiều phần xơ đơn bị tách ra khỏi bó xơ và tạo thành các rãnh sọc dài trên thân xơ do sự loại bỏ quá mức lượng pectin cung cấp độ kết dính giữ các vi xơ với nhau làm cho liên kết giữa các xơ cơ bản bị yếu và trở nên lỏng lẻo hơn khiến các xơ cơ bản tách ra một phần và dễ bị trượt lên nhau khi bị kéo Như vậy, thời gian ảnh hưởng trực tiếp đến bề mặt và cả độ bền xơ

Đánh giá đường kính xơ dứa

Để tiến hành đo đường kính của các xơ dứa là rất khó Bởi vì, như ta đã biết mặt cắt ngang của mỗi bó xơ kỹ thuật là hình răng cưa, hình dạng và độ dày các xơ không đồng đều Trong trường hợp này, nhóm quyết định lựa chọn phương pháp dùng kính hiển vi soi nổi để tiến hành đo đường kính xơ dứa Mặc dù độ chính xác của phép đo đường kính không cao nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu trong điều kiện thực tiễn Nhóm đã tiến hành đo đường kính của các mẫu xơ một cách ngẫu nhiên, mỗi mẫu khoảng 15-

20 xơ và đưa ra được khoảng dao động trong đường kính của các mẫu

Hình 3.9: Đường kính xơ dứa dưới kính hiển vi

Các phương pháp xử lý mỗi enzyme Pectinase hoặc NaOH kết hợp với enzyme Pectinase được sử dụng cho xơ dứa đều loại bỏ bớt các thành phần tạp chất như vỏ lá, thịt lá sót lại trên bề mặt thân xơ và làm giảm hầu hết các thành phần lignin, hemicellulose Tùy từng phương pháp, nồng độ và thời gian ngâm của hóa chất mà tác động nhiều ít đến các tạp chất có trong xơ Tuy nhiên, việc loại bỏ các thành phần này đều có ảnh hưởng trực tiếp đến đường kính xơ

Dưới đây là kết quả thí nghiệm:

Bảng 3.1: Kết quả đo đường kính xơ trước và sau khi xử lý

Qua bảng 3,1 ta có thể thấy khoảng dao động và đường kính trung bình của các mẫu xơ đã xử lý so với xơ chưa xử lý Cụ thể, xơ chưa xử lý có đường kính trung bình lớn nhất là 100,26m và giá trị đường kính sau quá trình xử lý mỗi enzyme Pectinase hay kết hợp NaOH và enzyme dù có dao động theo thời gian và tăng giảm theo nồng độ nhưng chung quy vẫn bé hơn mẫu khi chưa xử lý Giải thích cho điều này là vì xơ chưa xử lý vẫn còn tạp chất như thịt lá, vỏ lá còn sót lại và các thành phần như hemicellulose, lignin và pectin bao quanh bề mặt thân xơ, khiến bề mặt xơ trở nên gồ ghề, thô ráp từ đó làm đường kính xơ tăng lên đáng kể Sau xử lý, tác động của các chất hóa học và vi sinh lên thân xơ theo chiều dọc giúp loại bỏ tạp chất và các thành phần phi cellulose làm tách một phần xơ cơ bản bên ngoài bề mặt xơ từ đó làm đường kính xơ giảm theo

3.4.1 Ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ hóa chất lên đường kính xơ

Phương án xử lý bằng enzyme Pectinase: Đường kính xơ dứa thay đổi khi xử lý với các nồng độ enzyme khác nhau 20g/L, 30g/L, 40g/L trong cùng thời gian 1 giờ 30 phút Ứng với từng nồng độ thì khả năng loại tạp và các keo liên kết ở mức khác nhau Biểu đồ dưới đây thể hiện đường kính trung bình của xơ qua các phương án ngâm enzyme Pectinase:

Hình 3.10: Biểu đồ đường kính trung bình của xơ dứa sau khi xử lý Enzyme Pectinase

Từ biểu đồ trên, xét mẫu xơ đầu tiên xử lý với enzyme Pectinase 20g/L có giá trị là 64,71m sau đó lại tăng nhẹ 66,25m tương ứng mới mức nồng độ 30g/L và với mốc xử lý 40g/L đường kính xơ lại giảm xuống và đạt nhỏ nhất trong phương án ngâm enzyme So với đường kính xơ ban đầu 100,26m, sau khi xử lý enzyme đường kính trung bình xơ giảm nhưng sau khi tăng nồng độ Pectinase lên thì đường kính lại có xu hướng tăng nhẹ rồi lại giảm thấp hơn giá trị xử lý ban đầu khi tiếp tục tăng nồng độ enzyme

Giải thích cho việc đường kính xơ chưa xử lý có đường kính lớn nhất là vì trên xơ còn tạp và các thành phần phi cellulose bám chặt vào thân xơ nên làm đường kính xơ tăng Sau khi xử lý enzyme thì đường kính trung bình xơ có giảm do Pectinase đã loại

66 bớt các keo liên kết từ đó gián tiếp tác động lên các thành phần tạp trên bề mặt xơ làm đường kính xơ giảm Tuy nhiên, khi tăng nồng độ enzyme từ 20g/L lên 30g/L đường kính trung bình của xơ lại có xu hướng tăng lên rồi lại giảm ở mốc xử lý 40g/L Điều này được giải thích là do khi xử lý enzyme Pectinase 20g/L đã làm giảm bớt đi phần nào keo nhưng các xơ cơ bản vẫn chưa có cơ hội tiếp xúc với hóa chất nên trên xơ chỉ đang xảy ra quá trình loại keo nên đường kính trung bình giảm Từ nồng độ enzyme 30g/L thì đường kính xơ có xu hướng tăng nhẹ vì lúc này xơ đã trải qua hai quá trình một là quá trình loại keo trên thân xơ nên làm đường kính xơ giảm nhưng vì quá trình loại keo có hiệu quả nên các xơ cơ bản trong bó xơ kỹ thuật vốn được liên kết với nhau nhờ keo bị mất đi lượng keo này do Pectinase đã loại đi lớp keo bên ngoài, nồng độ dung dịch xử lý cao nên lại tiếp tục tấn công vào lượng keo bên trong của bó xơ kỹ thuật, loại tiếp lượng keo giữa các xơ cơ bản này tạo ra các khoảng không trống Đây chính là lý do đường kính xơ sau khi xử lý enzyme giảm và sau đó tăng lên lại Còn đối với mẫu xử lý 40g/L đường kính trung bình giảm hơn cả mốc 20g/L là vì sau khi trải qua hai giai đoạn trên, enzyme sau khi tấn công vào thành phần keo trong bó xơ, ở nồng độ cao hơn tiếp tục quá trình loại keo làm các xơ cơ bản bên ngoài bó xơ tách ra hoàn toàn khỏi bề mặt xơ nên đường kính xơ giảm đi nhiều hơn nồng độ 20g/L Xơ ngâm enzyme với nồng độ càng cao có xu hướng giảm bền hơn rất nhiều Có thể thấy hình chụp SEM của xơ dứa xử lý enzyme 40g/L ở mục 2.1 trên bề mặt xơ có nhiều rãnh trống chạy dài là do thành phần keo liên kết đã bị loại sạch hoàn toàn và các xơ đơn bị tách ra ở những khu vực này

Phương án xử lý bằng NaOH 5% 3 giờ kết hợp enzyme Pectinase trong 15 phút: Ở phương án này, nhóm khảo sát sự thay đổi đường kính của xơ dứa bằng việc thay đổi nồng độ ngâm enzyme Pectinase sau khi đã xử lý NaOH 5% 3 giờ để xét sự ảnh hưởng của từng phương án lên đường kính xơ dứa

Hình 3.11: Biểu đồ đường kính trung bình của xơ dứa sau khi xử lý NaOH kết hợp

Trong phương án kết hợp giữa NaOH và enzyme đường kính trung bình lại có xu hướng giảm khi càng tăng nồng độ enzyme Pectinase kết hợp khác kết quả với phương án chỉ xử lý bằng enzyme Pectinase Khi xử lý xơ bằng phương pháp này làm đường kính giảm đáng kể so với xơ chưa xử lý hay chỉ xử lý mỗi enzyme, còn đối với phương pháp xử lý NaOH 5% 5 giờ, đường kính trung bình tương đương nhau thậm chí còn có phần thấp hơn (45,15m) Có thể thấy sự tác động rõ rệt của hóa chất đối với đường kính xơ trong quá trình xử lý Đối với phương án thay đổi nồng độ enzyme Pectinase khi kết hợp với xử lý NaOH 5% trong 3 giờ Trong cùng một thời gian xử lý, nồng độ enzyme càng tăng đường kính xơ càng có xu hướng giảm Xử lý kiềm kết hợp với enzyme Pectinase làm tăng khả năng loại tạp và keo liên kết nằm giữa các xơ cơ bản trong bó xơ Càng tăng nồng độ enzyme các xơ cơ bản trong bó xơ càng bị tác động và tách ra khỏi bó xơ làm giảm đường kính xơ Vì vậy, việc loại bỏ tạp chất là điều cần thiết nhưng ta cần loại bỏ các thành phần một cách hợp lý, tránh việc nồng độ quá cao làm ảnh hưởng tới cấu trúc xơ cũng như có thể phá hủy xơ

3.4.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi thời gian xử lý enzyme lên đường kính xơ

Trong mục này, nhóm tiến hành khảo sát thời gian ngâm xơ trong enzyme Pectinase trong phương án xử lý NaOH 5% 3 giờ kết hợp enzyme Pectinase 0,25g/L ở các mốc thời gian 15 phút - 30 phút - 45 phút ảnh hưởng tới đường kính trung bình của xơ

Hình 3.12: Biểu đồ đường kính trung bình của xơ dứa sau khi xử lý NaOH kết hợp

Enzyme Pectinase 0,25g/L ở từng mốc thời gian khác nhau

Ngoài yếu tố nồng độ dung dịch xử lý, nhóm nhận thấy yếu tố thời gian ngâm trong dung dịch cũng ảnh hưởng đến đường kính trung bình của xơ Xét cùng một mức nồng độ xử lý NaOH 5% 3 giờ kết hợp Pectinase 0,25g/L càng tăng thời gian ngâm enzyme thì đường kính trung bình của xơ có xu hướng giảm Do trước đó xơ đã được xử lý với kiềm đã loại bỏ được hầu hết các tạp chất bên ngoài xơ và các thành phần phi cellulose Tiếp tục xử lý enzyme Pectinase để loại bớt thành phần keo pectin còn sót lại trên xơ, nhưng thời gian ngâm càng lâu quá trình loại keo xảy ra càng mạnh mẽ và xâm nhập càng sâu vào xơ, càng đi sâu vào giữa các xơ cơ bản càng lấy đi nhiều keo làm mất liên kết trong xơ kỹ thuật Cần xác định lượng enzyme Pectinase và thời gian ngâm đáp ứng được mức loại keo tương đối tối ưu mà không làm ảnh hưởng đến tính chất cơ bản của xơ Thời gian xử lý enzyme là 30 phút với nồng độ 0,25g/L là phù hợp vì tại mức này

69 keo bên ngoài bị loại tương đối hiệu quả mà lại không làm ảnh hưởng đến hình thái xơ quá nhiều cũng như không làm xơ bị tổn thương sâu bên trong Vì vậy, lựa chọn khoảng thời gian xử lý cũng là một trong các yếu tố quan trọng để hiệu quả xử lý xơ cho đường kính tối ưu nhất mà không gây tổn hại đến xơ

Cả yếu tố thời gian xử lý và nồng độ đều có sự ảnh hưởng đáng kể đến xơ dứa trong quá trình loại tạp chất và các keo liên kết Chúng có quan hệ mật thiết đến tính chất của xơ Khi tăng nồng độ xử lý, chúng ta cần phải tăng hoặc giảm thời gian xử lý để có thể đạt được hiệu quả loại keo tốt nhất, từ đó đạt đường kính xơ tối ưu nhất, tránh để hóa chất tấn công vào cấu trúc bên trong và làm tổn thương đến xơ mà vẫn đảm bảo loại được các thành phần hemicellulose, lignin và pectin

Các phương pháp xử lý xơ đều có tác động ít nhiều đến đường kính của PALF nhưng chung quy lại thì vẫn làm giảm đường kính hơn so với xơ chưa xử lý Trong đó, phương pháp kết hợp giữa NaOH và enzyme Pectinase làm giảm đường kính xơ nhiều hơn các mẫu chỉ xử lý qua mỗi enzyme Pectinase Mặc dù xơ càng mảnh thi hiệu quả phối trộn hay kéo sợi tốt hơn nhưng cần chú ý yếu tố ngoại quan và những hạn chế khi kéo sợi trong trường hợp xơ bị phá hủy quá nhiều dẫn đến xơ cơ bản bong ra gây hiện tượng neps, cũng như giảm độ bền khi kéo sợi.

Từ mối tương quan trên, dựa vào kết quả hình chụp SEM trong mục 2.1 và đường kính trung bình qua xử lý số liệu, nhóm nhận thấy phương án xơ dứa đã qua NaOH 5% trong 3 giờ kết hợp enzyme Pectinase 0,25g/L trong 30 phút cho hiệu quả tốt nhất đồng thời phương án xử lý xơ dứa qua enzyme Pectinase 30g/L trong 1 giờ 30 phút cũng cho kết quả khả quan.

Đánh giá độ hồi ẩm của xơ dứa

Trong xơ dứa cũng như trong một số xơ tự nhiên thường có nguồn gốc từ cellulose và các thành phần có chứa nhóm phân cực chịu trách nhiệm hấp thụ độ ẩm: hemicellulose, pectin, lignin Đó là các yếu tố quyết định đến tính ưa nước của xơ, mà tính ưa nước của xơ lại thể hiện độ hút ẩm của xơ Trong các nghiên cứu của Nakamura và cộng sự bằng cách sử dụng kỹ thuật đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC) cho thấy sự giảm đáng kể tỷ lệ nước liên kết trong cellulose khi mức độ kết tinh của cellulose tăng lên Các phân tử nước liên kết với nhóm (-OH) của cellulose ở pha vô định hình trong

70 xơ Như vậy, sự khuếch tán độ ẩm trong cellulose diễn ra chủ yếu ở pha vô định hình

[11] Đặc biệt, đối với các xơ thuộc họ xơ libe cấu trúc bó xơ tương đối xốp làm chúng có độ ẩm cao hơn các xơ khác Độ hồi ẩm là quá trình hút - nhả ẩm trong vật liệu nó luôn biến động và tùy thuộc vào môi trường không khí xung quanh Dưới đây là bảng kết quả đo độ hồi ẩm PALF:

Bảng 3.2: Độ hồi ẩm xơ dứa

Từ kết quả của bảng trên cho thấy sự ảnh hưởng của nồng độ và thời gian xử lý hóa chất lên xơ và làm giảm độ hồi ẩm của xơ rõ rệt Cụ thể, xơ dứa chưa qua xử lý cho độ hồi ẩm cao nhất là 9,77% Nguyên nhân là do xơ chưa xử lý hóa học còn một số các thành phần tạp chất như hemicellulose, lignin và pectin mà trong cấu tạo của chúng có chứa nhiều các nhóm hydroxyl (-OH) Các nhóm Hydroxyl trong vùng vô định hình càng nhiều sẽ dễ dàng kết hợp với các phân tử nước trong không khí nhiều hơn Vì vậy, khi chưa xử lý để loại bỏ, chúng cho phép các phân tử nước xâm nhập vào bề mặt xơ Các phân tử nước sau đó kết hợp với các nhóm Hydroxyl có trong Cellulose và ở lại trong xơ làm xơ có tính ưa nước và có độ hồi ẩm cao hơn

Hình 3.13: Biểu đồ ảnh hưởng của phương pháp và nồng độ xử lý đến độ hồi ẩm xơ dứa

Từ biểu đồ trên, có thể thấy sau khi xử lý enzyme Pectinase trong 1 giờ 30 phút, độ hồi ẩm của xơ đã giảm đi còn vào khoảng 7,18-7,67% và thấp hơn độ hồi ẩm của xơ chưa xử lý là 9,77% Với quá trình xử lý vi sinh khi tăng nồng độ enzyme Pectinase 20g/L, 30g/L, 40g/L đã làm giảm dần độ hồi ẩm của xơ dứa Do enzyme Pectinase đã thủy phân thành phần keo pectin nằm ở giữa các xơ đơn trong bó xơ và được cấu tạo bởi các carboxyl phân cực cao Các nhóm này có khả năng tạo liên kết hydro với các dung môi phân cực như nước Do vậy, khi nồng độ enzyme tăng, khả năng loại keo cao hơn khiến các nhóm cacboxyl phân cực suy giảm, khả năng hút ẩm từ môi trường của xơ kém đi Đối với quá trình xử lý NaOH 5% trong 3 giờ kết hợp enzyme Pectinase trong vòng 15 phút với nồng độ tăng dần 0,25g/L, 0,375g/L, 0,5g/L cũng đã làm độ hồi ẩm của xơ dứa giảm xuống còn 3,21-4,21% thấp hơn cả độ hồi ẩm của xơ chỉ qua xử lý enzyme Điều này khiến cho độ ẩm xơ trở thành một yếu tố bị ảnh hưởng đáng kể trong quá trình xử lý hoá học Sự chênh lệch này phản ánh sự suy giảm độ hút ẩm của xơ khi xử lý bằng dung dịch có tính kiềm mạnh như NaOH có khả năng ion hóa cao kết hợp với việc ngâm enzyme sau bước xử lý kiềm đã loại bỏ đi nhiều hơn các gốc hydroxyl

Chưa xử lý Pectinase 20g/L Pectinase 30g/L

Pectinase 40g/L NaOH+Pectinase 0,25g/L NaOH+Pectinase 0,375g/LNaOH+Pectinase 0,5g/L

72 hút ẩm trong xơ và làm giảm khả năng hồi ẩm hơn so với xơ chỉ được xử lý qua enzyme Pectinase

Hình 3.14: Biểu đồ ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme đến độ hồi ẩm của xơ dứa

Trong cùng một trường hợp xử lý NaOH 5% trong 3 giờ kết hợp ngâm enzyme Pectinase 0,25g/L, phương án này đã khảo sát trên ba mốc thời gian ngâm enzyme khác nhau 15 phút - 30 phút - 45 phút để so sánh độ hồi ẩm thì thấy được trong cùng một nồng độ nhưng với thời gian xử lý tăng thì độ hồi ẩm của xơ có sự giảm Điều này cho thấy xơ được xử lý bằng enzyme càng lâu thì xơ sẽ bị ảnh hưởng càng nhiều vì enzyme sẽ càng tấn công vào thành phần keo kèm theo việc loại bỏ một số cellulose từ phía bên ngoài của bó xơ và làm độ hồi ẩm giảm vì mất lượng cellulose hút ẩm

Như vậy, qua việc xử lý xơ bằng alkaline kết hợp với việc trung hoà, tẩy trắng bằng axit axetic và xử lý loại keo bằng enzyme Pectinase đã tác động nhiều đến quá trình ion hoá thành phần hemicellulose, lignin và pectin Đây là nguyên nhân khiến xơ bị mất đi các nhóm hydroxyl nhiều hơn, dẫn đến sự suy giảm khả năng hút nước cũng như độ hồi ẩm xơ.

Đánh giá thành phần của xơ dứa bằng phương pháp FTIR

Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) dựa trên ý tưởng về sự giao thoa của bức xạ giữa hai chùm tia để tạo ra một chương trình giao thoa, một tín hiệu được

Chưa xử lý NaOH+Pectinase 0,25g/L, 15 phút

NaOH+Pectinase 0,25g/L, 30 phút NaOH+Pectinase 0,25g/L, 45 phút

73 tạo ra như một hàm của sự thay đổi cường độ giữa hai chùm tia Nó được coi là một phân tích không phá hủy có thể cung cấp các kết quả định tính và định lượng của sợi tự nhiên Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại nói ở đây là vùng phổ nằm trong vùng có số sóng 4000 - 400cm -1 , cung cấp thông tin về các dao động của các phân tử thông qua các tần số đặc trưng mỗi chất hay hợp chất Tuy nhiên phương pháp này không cho biết định lượng hay vị trí tương đối giữa các nhóm chức với nhau nên khó các định được là chất nguyên chất hay chất hỗn độn Kết quả phổ FTIR của hai mẫu xơ như sau:

Hình 3.15: Ảnh phổ xơ dứa chưa xử lý

Hình 3.16: Ảnh phổ xơ dứa xử lý NaOH 5% kết hợp enzyme Pectinase 0,25g/L trong

Hình 3.17: Ảnh phổ chồng phổ trước và sau xử lý

Xơ dứa xử lý NaOH 5% kết hợp enzyme Pectinase 0,25g/L trong 30 phút

Xơ dứa chưa xử lý

Bảng 3.3: Bảng thông số phân tích FTIR xơ dứa

Xơ chưa xử lý Xơ đã xử lý

Kết quả thấy được có sự khác biệt về bước sóng trước và sau khi xử lý xơ bằng NaOH kết hợp enzyme Pectinase và xơ chưa xử lý Một số sự thay đổi khác biệt là peak C=O có biến động Vì trong thành phần lignin có cấu tạo chính là vòng benzen có liên kết C=O Sau khi xử lý, một lượng lớn lignin đã bị loại bỏ nên các vòng benzen hay liên kết C=O và mạch nhánh của nó hầu như không còn tồn tại nên kết quả chụp phổ đã gần như biến mất nhưng với thời gian 3 giờ chưa đủ để xử lý hết lượng lignin nên các vòng benzen hay liên kết C=O vẫn còn tồn tại một ít nên kết quả chụp phổ xảy ra có sự biến động nhẹ tại peak này của mẫu xơ đã qua xử lý Trên ảnh phổ chồng về độ nhọn đỉnh cũng như độ hội tụ sau khi xử lý hóa học với NaOH và enzyme Pectinase, nhóm nhận thấy gốc OH đã bị giảm đi Nguyên nhân do đã làm mất đi một phần OH từ keo pectin, hemicellulose, lignin do phản ứng của NaOH lấy đi gốc OH trên xơ để tạo thành phân tử H2O Ngoài ra, trên xơ sau xử lý còn xuất hiện thêm peak CN Điều này được giải thích là do enzyme Pectinase có thành phần men từ nấm mốc Aspergillus niger được cấu tạo từ các acid amin Trong đó, Nito tham gia vào quá trình tạo protein, acid nucleic và nhiều chất có đặc tính sinh học khác của tế bào nấm mốc Môi trường có đủ lượng carbon và nito sẽ tạo ra đủ các acid amin cấu thành nấm mốc Vì vậy mà trong thành

76 phần của nấm có xuất hiện Nito Qua quá trình xử lý, enzyme Pectinase tác động lên xơ dứa, peak CN xuất hiện trong thành phần xơ làm chênh lệch phổ

Ngoài ra, enzyme Pectinase mà nhóm sử dụng cũng chưa được đảm bảo về độ tinh khiết nên sẽ có các thành phần khác tác động lên xơ trong quá trình xử lý gây nhiễu phổ FTIR Đồng thời các peak đỉnh còn lại có sự chênh lệch và khác nhau nhưng không đáng kể có thể cho rằng sự sai lệch còn đến từ sự khác nhau giữa hai mẻ xơ hay môi trường thí nghiệm.

Đánh giá lực kéo đứt xơ dứa

Sau quá trình xử lý bằng các phương pháp vi sinh hay hóa học kết hợp vi sinh, nhóm có nhận thấy phương pháp xử lý bằng enzyme 30g/L khá giảm bền và xơ dễ đứt hơn so với mẫu xơ chưa xử lý Tuy nhiên, khi xử lý kết hợp NaOH 5% trong 3 giờ và enzyme Pectinase 0,25g/L trong 30 phút lại cho xơ chắc hơn, kéo đứt xơ bằng tay khó hơn Thay vì đánh giá cảm quan bằng tay về độ bền của xơ ở các phương án thì ta dùng giá trị đo để đánh giá được khách qua, chính xác hơn nhưng lưu ý các mẫu xơ đo có đường kính tương đương nhau và đều trong khoảng 60-70m Kết quả lực kéo đứt trung bình cho 3 mẫu xơ qua 5 lần đo được ghi lại ở bảng:

Bảng 3.4: Kết quả thử nghiệm lực kéo đứt cho các mẫu PALF

Tiêu chí Mẫu xơ 1 2 3 4 5 Trung bình

(A) Mẫu PALF chưa xử lý

(B) Mẫu PALF xử lý enzyme 30g/L trong 1 giờ 30 phút

(C) Mẫu PALF xử lý NaOH 5% 3 giờ kết hợp enzyme Pectinase 0,25g/l 30 phút

Từ bảng trên cho ta thấy lực kéo đứt của xơ chưa được xử lý và xơ đã qua xử lý Trong đó, mẫu xơ được xử lý bằng phương pháp NaOH 5% trong 3 giờ kết hợp với enzyme Pectinase 0,25g/L trong 30 phút (mẫu C) cho lực kéo đứt cao nhất (1,36N) trong

77 cả ba mẫu và lực kéo đứt thấp nhất (0,24N) tương ứng với mẫu xơ chỉ xử lý qua enzyme 3% (mẫu B) Giải thích cho điều này là do trong mẫu B có bước xử lý NaOH 5% trong

3 giờ đã loại được một lượng lignin, hemicellulose và sáp nhất định bao quanh bề mặt bên ngoài của xơ dứa, đồng thời kết hợp thêm bước ngâm enzyme Pectinase với nồng độ và thời gian phù hợp đã loại bớt được lượng keo pectin có trong xơ Việc loại bỏ đi các thành phần phi cellulose một cách vừa phải mà không gây tổn hại đến cấu trúc xơ có thể giúp định hướng lại cellulose có trong xơ dẫn đến sự sắp xếp song song của cellulose trong vùng tinh thể Mà theo Misra et al.2010, sự sắp xếp song song của cellulose trong vùng tinh thể sẽ cải thiện độ bền kéo của xơ cellulose Từ đó khiến độ bền của xơ đã qua xử lý NaOH kết hợp enzyme có độ bền cải thiện hơn, với xơ chưa xử lý có định hướng cellulose ngẫu nhiên hơn đồng thời sự ảnh hưởng các tác động cơ học trong quá trình cạo xơ làm giảm độ bền xơ Đối với xơ đã qua xử lý đã loại bỏ hiệu quả các lớp phủ bên ngoài bề mặt xơ như hemicellulose, lignin và pectin Các thành phần này vốn nằm trong cấu trúc xơ ở các hướng ngẫu nhiên Những định hướng ngẫu nhiên này tạo điều kiện cho các nhóm hydroxyl trong các thành phần này trở nên tự do và hấp thụ độ ẩm trong khí quyển Điều này gây ra sự hình thành của một lớp trơn trượt làm giảm khả năng chống ma sát giữa các microfibril trong quá trình biến dạng kéo của xơ Qua quá trình xử lý, các nhóm hydroxyl trong các thành phần cellulose vô định hình này cũng được loại bớt khỏi bề mặt xơ Việc thiếu các nhóm hydroxyl đã ngăn chặn sự hình thành lớp trơn trượt giữa các microfibril Từ đó, sự hấp thụ độ ẩm của xơ qua xử lý giảm và tăng khả năng chống ma sát giữa các microfibril trong biến dạng kéo Nói chung trong các xơ cellulose, các microfibril cellulose có thể đáp ứng được ứng suất cao trong khi hemicellulose và lignin chỉ có thể chịu được ứng suất thấp [39] Chính vì vậy mà cấu trúc cellulose trong vùng tinh thể có ảnh hưởng đến độ bền kéo đứt từ đó ảnh hưởng đến lực kéo đứt của xơ Tuy nhiên cũng cần chú ý đến nồng độ hóa chất, nếu nồng độ càng cao và thời gian xử lý càng lâu có thể làm suy giảm cấu trúc xơ, phá vỡ mạng lưới cellulose trong xơ gây ảnh hưởng đến độ bền kéo

Trong khi đó, lực kéo đứt mẫu xơ qua enzyme Pectinase 30g/L (0,24N) có giá trị thấp hơn so với xơ chưa xử lý (0,73 N) Cụ thể, enzyme Pectinase chủ yếu thủy phân keo pectin trong xơ và trong quá trình đó cũng gián tiếp ảnh hưởng đến các thành phần hemicellulose và lignin có trong xơ nhưng không nhiều Do đó, khi xử lý enzyme đã

78 loại đi các thành phần keo chủ yếu kết dính các xơ cơ bản trong bó xơ kết hợp với việc còn lại một lượng dư hemicellulose và lignin gây ra sự hình thành của một lớp trơn trượt làm giảm khả năng chống ma sát giữa các microfibril trong quá trình biến dạng kéo của xơ, khiến các xơ cơ bản dễ tách ra và trượt lên nhau làm giảm độ bền kéo đứt.

Đánh giá khả năng hấp thụ màu thuốc nhuộm của xơ dứa

Các mẫu xơ dứa khi nhuộm sẽ được đo màu trên máy quang phổ X-rite color i5 Benchtop để đánh giá độ ăn màu của xơ dựa trên chỉ số K/S Có thể thấy khi nhuộm trong cùng một điều kiện nhưng vẫn có sự khác biệt giữa các mẫu xơ về màu sắc Nhìn ngoại quan có thể thấy xơ xử lý NaOH kết hợp enzyme Pectinase cho màu đều nhất

Hình 3.18: Các mẫu xơ sau nhuộm: (A) Mẫu PALF chưa xử lý, (B) Mẫu PALF xử lý enzyme 30 g/L trong 1 giờ 30 phút., (C) Mẫu PALF xử lý NaOH 5% trong 3 giờ và enzyme Pectinase trong 0,25g/L 30 phút

Kết quả đo màu DEcmc các mẫu xơ sau nhuộm:

Bảng 3.5: Kết quả đo màu DEcmc các mẫu xơ sau nhuộm

Mẫu xơ Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Lần 6 Lần 7 Trung bình Độ lệch chuẩn

Bảng kết quả DEcmc trên cho thấy sự khác nhau về màu sắc của các mẫu xơ sau khi nhuộm có sự chênh lệch không nhiều Trong đó, trung bình sai lệch màu so với mẫu chuẩn (xơ trắng chưa nhuộm) của mẫu xơ chưa xử lý hoá học là thấp nhất 44,91 và độ lệch chuẩn cao nhất (1.24) Chứng tỏ, xơ chưa xử lý sau khi nhuộm màu cho màu sắc không đồng đều và sai lệch màu nhiều hơn so với các xơ đã chưa xử lý hoá học Điều này là do xơ là loại xơ tự nhiên và có tồn tại một lượng lớn lignin và các chất sáp khác làm cho thuốc nhuộm khó bắt màu lên xơ [38] Chính vì vậy, xơ dứa khi chưa xử lý hoá học sẽ gặp vấn đề về sự thâm nhập thuốc nhuộm trở nên khó khăn hơn do độ thô của chúng tương đối cao Ngược lại, các xơ sau khi xử lý quan NaOH 5% trong 3 giờ kết hợp enzyme 0,25g/L trong 30 phút cho màu sắc tương đồng nhau và độ đều màu tốt hơn

Bảng 3.6: Hệ số K/S của các mẫu xơ PALF tại bước sóng 550 nm

Giá trị K/S Trung bình Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Lần 6 Lần 7

(A) Mẫu PALF chưa xử lý

(B) Mẫu PALF xử lý enzyme 30g/L trong 1 giờ 30 phút

(C) Mẫu PALF xử lý NaOH 5% 3 giờ và enzyme Pectinase 0,25g/L 30 phút Giá trị độ phản xạ của mẫu trong vùng 360-700 nm được xác định bởi máy đo màu quan phổ X-Rite, thành lập một đường cong gọi là đường cong phản xạ Đồ thị dưới đây biểu thị rõ hơn về các giá trị K/S của các xơ sau khi nhuộm trong vùng bước sóng từ

Hình 3.19: Đồ thị K/S của PALF khi chưa xử lý hoá học và được nhuộm màu

Hình 3.20: Đồ thị K/S của PALF xử lý enzyme 30g/L và được nhuộm màu

Hình 3.21: Đồ thị K/S của PALF xử lý PALF xử lý NaOH 5% 3 giờ kết hợp enzyme Pectinase 0,25g/L 30 phút và được nhuộm màu

Nhìn chung, hệ số K/S tại bước sóng 550nm có giá trị cao nhất đối với tất cả các mẫu xơ sau 7 lần đo, và khả năng hấp thu màu thuốc nhuộm của các xơ trước và sau khi xử lý có chênh lệch Tuy nhiên, hệ số K/S của xơ sau khi xử lý enzyme Pectinase 30g/L và NaOH 5% kết hợp enzyme Pectinase 0,25g/L phản ánh được khả năng hấp thụ thuốc nhuộm của PALF sau khi xử lý tốt hơn

Dựa vào các đồ thị biểu diễn giá trị K/S của các mẫu xơ sau khi nhuộm, có thể thấy được khả năng hấp thu màu thuốc nhuộm của các mẫu xơ sau xử lý với tốt hơn so với xơ chưa qua xử lý Tại bước sóng 550nm, các giá trị K/S trung bình của mẫu xơ qua NaOH và enzyme Pectinase (5,40) cao nhất Chứng tỏ xơ chưa xử lý (3,69) và xơ xử lý enzyme Pectinase (4,74) có độ ăn màu thấp hơn xơ khi xử lý kết hợp NaOH và enzyme Pectinase Qua đây chứng minh được hiệu quả xử lý khi hết hợp hóa học và vi sinh trên xơ dứa giúp chất lượng xơ tốt hơn Kết quả thu được sau khi đo màu và xử lý số liệu cho thấy các chênh lệch về giá trị K/S trung bình của các mẫu và độ lệch chuẩn giữa các lần đo là không đáng kể và vẫn được chấp nhận trong thực tế sản xuất Điều này là do xơ là loại xơ tự nhiên và có tồn tại một lượng lớn lignin và các chất sáp khác làm cho thuốc nhuộm khó bắt màu lên xơ Chính vì vậy, xơ dứa khi chưa xử lý hoá học sẽ gặp vấn đề về sự thâm nhập thuốc nhuộm trở nên khó khăn hơn do độ thô của chúng tương đối cao [38] Ngược lại, xơ sau khi xử lý qua kiềm và vi sinh đã loại bỏ tốt tạp chất tốt, cho phép khả năng hấp thu màu thuốc nhuộm và sâu màu hơn hẳn đồng thời chất trợ 𝑁𝑎 2 𝑆𝑂 4 , 𝑁𝑎 2 𝐶𝑂 3 vừa giúp cầm màu vừa thủy phân lignin, hemicellulose nên cho xơ có màu sắc tốt hơn.

Đánh giá xơ dứa đã xử lý làm mềm bằng Silicone

Các phương pháp xử lý hóa học để loại bỏ tạp chất như lignin, hemicellulose và pectin được sử dụng trên xơ tự nhiên bằng cách xử lý kiềm và enzyme làm giảm các nhóm hydroxyl có liên quan đến độ ẩm tự nhiên của xơ do đó làm suy yếu tính chất ưa nước của xơ cellulose Sau khi xử lý, bề mặt xơ trở nên khô cứng do mất đi các nhóm hydroxyl, làm mất đi tính chất tự nhiên vốn có của xơ Vì vậy cần phải tiến hành xử lý làm mềm để khắc phục nhược điểm của xơ sau các bước xử lý hóa chất như cảm giác sờ tay, độ mịn, độ mềm, giảm ma sát cho công đoạn sau

Sau khi xử lý làm mềm cho xơ dứa bằng hóa chất làm mềm công nghiệp FINISH

WR 301 là một Silicone chức năng dạng lỏng, nhóm cũng đã tiến hành đánh giá ảnh hưởng của chất làm mềm này đến hình thái và các tính chất cơ học của xơ dứa Nhóm đã chọn ra một trong các phương án xử lý xơ dứa đem qua làm mềm Silicone, điển hình là phương án xơ dứa được xử lý với enzyme Pectinase 30g/L và so sánh giữa hai phương án có làm mềm và không qua làm mềm

3.9.1 Hình thái học xơ và cảm giác sờ tay

Hình 3.22: Ảnh SEM 500X và 1000X (a) xơ xử lý enzyme Pectinase 30g/L; (b) xơ xử lý enzyme Pectinase 30g/L và qua xử lý làm mềm

Qua ảnh SEM 500X thu được ta có thể thấy giữa hai mẫu xơ chưa xử lý làm mềm (hình a) và đã qua làm mềm (b) đều không có sự khác biệt về mặt hình thái học của xơ Điều này được giải thích là do hợp chất làm mềm Silicone hoạt động bằng cách tạo một lớp màng phân bố đều bao quanh bề mặt xơ, nên nhìn chung, xử lý làm mềm không gây ảnh hưởng đến hình thái bề mặt xơ

Xơ qua xử lý Silicone cho cảm giác sờ tay mềm mại, các xơ cũng nhanh khô và tơi hơn sau quá trình xử lý này Các nhóm amino của Silicone sẽ tạo liên kết hydro bền vững với các nhóm hydroxyl của xơ cellulose Các liên kết này hoạt động như một mỏ neo cho Silicone, tạo thành một lớp màng phân bố đều trên bề mặt xơ Với số lượng tối ưu của các nhóm amin, các đoạn polysiloxane giữa các vị trí neo đủ dài để duy trì tính linh hoạt cao của chúng [35] Đây là lý do chính tạo nên sự mềm mại và tác dụng bôi trơn của các aminofunctional Silicone trên xơ phân cực

3.9.2 Đánh giá đường kính xơ dứa

Bảng 3.7: Đường kính trung bình các mẫu xơ

Xơ xử lý enzyme Pectinase 30g/L 48,15 - 99,51 66,25

Xơ xử lý enzyme Pectinase 30/l và qua xử lý làm mềm 53, 71 - 105,34 75,71

So với mẫu chưa xử lý (100,26m) thì mẫu xử lý enzyme và mẫu xử lý enzyme kết hợp làm mềm (75,71m) đều có đường kính thấp hơn Tuy nhiên, ở mẫu xử lý enzyme kết hợp làm mềm có đường kính lớn hơn mẫu chỉ xử lý enzyme Có thể giải thích điều này là vì Silicone sẽ tạo một màng có tính chất chống thấm nước bao phủ quanh bề mặt ngoài của xơ nên làm đường kính xơ tăng lên Bên cạnh đó, với nồng độ xử lý enzyme Pectinase 30 g/L đã tác động đến các xơ cơ bản và loại keo liên kết giữa chúng tạo ra một số ít khoảng trống giữa các xơ đơn Khi xử lý làm mềm, các chất làm mềm đi vào các khoảng không này và làm cho đường kính xơ tăng lên

3.9.3 Đánh giá độ hồi ẩm xơ dứa

Bảng 3.8: Độ hồi ẩm các mẫu xơ

Mẫu xơ Độ hồi ẩm (%)

Xơ xử lý enzyme Pectinase 30g/L 7,33

Xơ xử lý enzyme Pectinase 30/L và qua xử lý làm mềm 0,3

Dựa vào kết quả của bảng trên có thể thấy độ hồi ẩm của xơ đã xử lý enzyme và qua làm mềm có sự khác biệt rõ rệt so với mẫu chưa qua làm mềm Cụ thể, mẫu đã qua làm mềm có độ hồi ẩm rất thấp (0,3%) so với mẫu chưa qua làm mềm (7,33%), cùng xử

84 lý điều kiện giống nhau nhưng làm mềm bằng Silicone đã tác động đến khả năng hút- nhả ẩm của xơ cellulose Bereck và cộng sự, cho rằng một số lượng lớn các nhóm methyl của OSi(CH3)2 bao phủ các nguyên tử oxi khỏi tiếp xúc bên ngoài Do đó bề mặt của xơ, sợi được hoàn thiện bằng polydimethylsiloxane hầu hết là không phân cực và kỵ nước là do các nhóm methyl được định hướng và gắn vào bề mặt xơ, sợi bởi các liên kết của Silicone [36] Kết quả là xơ, sợi có khả năng chống thấm nước nên có thể cản trở sự xâm nhập của hơi nước từ môi trường không khí vào bên trong cấu trúc xơ trong khi hồi ẩm

3.9.4 Đánh giá lực kéo đứt xơ dứa

Bảng 3.9: Lực kéo đứt trung bình các mẫu xơ

Mẫu xơ Lực kéo đứt trung bình (N)

Xơ xử lý enzyme Pectinase 30g/L 0,24

Xơ xử lý enzyme Pectinase 30g/L và qua xử lý Silicone 0,36

Thông qua bảng số liệu có thể thấy sự khác nhau về lực kéo đứt giữa các phương án: Mẫu xơ chưa xử lý có độ bền kéo đứt lớn nhất (0,73N), xơ xử lý enzyme Pectinase 30g/L qua Silicone (0,36N) có cải thiện độ bền hơn so với xơ không làm mềm (0,24N) Ở mẫu xơ có xử lý làm mềm, các nhóm amino của Silicone sẽ tạo liên kết hydro bền vững với các nhóm hydroxyl bên trong xơ cellulose Các liên kết này hoạt động như một mỏ neo cho Silicone, tạo thành một lớp màng phân bố đều trên bề mặt xơ, sợi Từ đó sẽ làm các xơ xử lý qua Silicone có cấu trúc liên kết chặt chẽ hơn giữa xơ và Silicone làm lực kéo đứt của xơ tăng nhẹ so với mẫu chưa qua làm mềm.