Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Khảo sát nhuộm vải coton-tơ tằm bằng chất màu tự nhiên từ hạt điều màu (Annatto)

Tuy nhiên, các tác nhân phụ gia hỗ trợ được gọi là chất cầm màu giúp liên kết các phân tử của vải và chất màu thường độc hại.Các hạt điều màu đã được khảo sát kiểm tra để xác định tiềm n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHẢO SÁT NHUỘM VẢI COTTON-TƠ TẰM BẰNG CHẤT

MÀU TỰ NHIÊN TỪ HẠT ĐIỀU MÀU (ANNATTO)

VÕ HOÀNG NGÂN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa họcMã ngành: 60 52 03 01

Tp Hồ Chí Minh, năm 2017

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Phan Thị Hoàng Anh

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Phạm Thành Quân2 TS Mai Huỳnh Cang

3 TS Lê Xuân Tiến4 TS Bạch Long Giang5 TS Hà Cẩm Anh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

PGS.TS Phạm Thành Quân GS.TS Phan Thanh Sơn Nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Võ Hoàng Ngân MSHV:7140194

Ngày, tháng, năm sinh: 21/01/1990 Nơi sinh: Cần Thơ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số : 60 52 03 01

I TÊN ĐỀ TÀI: Khảo sát nhuộm vải cotton-lụa bằng chất màu tự nhiên từ hạt điều màu (annatto)

II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Khảo sát quy trình trích ly từ hạt điều màu annatto

Khảo sát quy trình nhuộm

Nghiên cứu phương pháp cải thiện độ bền màu

III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :07/2016

IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:12/2016

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:Ts Phan Thị Hoàng Anh

Tp HCM, ngày 11 tháng .01 năm 2017

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….………

(Họ tên và chữ ký)

iii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến toàn thể quý thầy cô trong trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình dạy dỗ em trong suốt những năm tháng theo học tại trường

Em xin chân thành gởi lời cám ơn đến: Giáo viên hướng dẫn, cô Phan Thị Hoàng Anh, Bộ Môn Kỹ thuật Hóa Hữu cơ, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM người gợi hướng đề tài Cô đã tận tình hướng dẫn em tìm hiểu phương pháp nghiên cứu, sửa chữa và đóng góp ý kiến quý báu, động viên tinh thần, giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình hoàn thành và thực hiện luận văn này Quý thầy cô trong khoa Kĩ thuật Hóa học đã truyền đạt kiến thức chuyên môn, tiếp thêm hành trang để em hoàn thành luận văn này

Các bạn làm chung thí nghiệm đã bên cạnh giúp em vượt qua khó khăn, đồng hành chia sẽ kiến thức trong suốt thời gian làm luận văn

Ba mẹ và mọi người trong gia đình luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc giúp em có thêm nghị lực vượt qua khó khăn, luôn cổ vũ khích lệ em trong suốt thời gian học tập

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng vì kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn Em xin chân thành cảm ơn

Em xin chúc gia đình, tất cả thầy cô và các bạn lời chúc tốt đẹp nhất!

Tp.HCM, ngày 26 tháng 12 năm 2016.

i

TÓM TẮT

Thuốc nhuộm tự nhiên đang nhận được sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất, vì bản chất sinh thái thân thiện của nó Tuy nhiên, các tác nhân phụ gia hỗ trợ được gọi là chất cầm màu giúp liên kết các phân tử của vải và chất màu thường độc hại.Các hạt điều màu đã được khảo sát kiểm tra để xác định tiềm năng sử dụng của nó như là một loại thuốc nhuộm tự nhiên cho các ứng dụng dệt nhuộm Muối phèn nhôm và đồng đã được chọn cầm màu Kỹ thuật cầm màu khác nhau và các yếu tố nhuộm đã được áp dụng để đạt được tối ưu hóa và cải thiện tính bền màu Kiểm soát chất lượng của tất cả các mẫu nhuộm được thực hiện bằng các xét nghiệm độ bền tiêu chuẩn và đo màu Các kết quả đầy hứa hẹn cho hạt điều màu như một chất màu tự nhiên, trong đó có thể mở đường cho sự phát triển của một dòng sản phẩm mới của thuốc nhuộm thân thiện với môi trường tự nhiên

ii

Abstract

Natural dyes are receiving increasing attention from researchers and manufacturers, given its perceived eco-friendly nature Yet, adjunct agents known as mordants that help bond the molecules of the fabric being dyed and the colorant used to dye it are often toxic The plant colorant annatto was investigated to determine its potential use as a natural dye for conventional and novel textile applications KAl(SO4)2 and CuSO4 were selected as mordant Different techniques of mordanting and a broad set of variations in the dyeing recipes were applied to achieve optimisation and an improvement in colour fastness properties Quality control of all dyeings was performed using standard fastness tests and colour measurements The results were promising for annatto as a natural colorant, which possibly paves the way for the development of a new range of natural environmentally friendly dyes

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng có ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 01 năm 2017

Võ Hoàng Ngân

1.2 Giới thiệu chung về hạt điều màu 6

1.2.1 Thành phần hóa học trong hạt điều nhuộm 8

1.2.2 Cấu tạo của bixin và norbixin 9

1.2.3 Một số ứng dụng của hạt điều màu 11

1.2.4 Các nghiên cứu về hạt điều màu 15

1.2.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 15

1.2.4.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 17

1.3 Đặc điểm của vải bông và tơ tằm 18

2.3.3 Đánh giá ngoại quan cường độ màu, độ bền màu của vải sau nhuộm 26

2.3.4 Đánh giá bằng phương pháp quang phổ UV-Vis 28

2.3.5 Kiểm tra độ tận trích 29

2.4 Quy trình trích ly 30

2.5 Quá trình nhuộm trên vải sợi 31

2.5.1 Biện pháp cầm màu cho vải nhuộm 32

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 33

3.1 Đánh giá nguyên liệu 33

3.1.1 Độ ẩm nguyên liệu 33

3.1.2 Lụa 33

3.2 Kết quả trích ly chất màu annatto 34

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ ethanol đến khả năng trích ly bixin 34

3.2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi/ nguyên liệu đến khả năng trích ly bixin 35

3.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến khả năng trích ly bixin 36

3.2.4 Kiểm tra định tính 36

3.2.5 Quang phổ hấp thu phân tử trong vùng khả kiến của dịch chiết 37

3.2.6 Hàm lượng phần trăm chất màu 37

3.3 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhuộm cotton 38

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng dung tỉ 38

3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ dịch chiết/ nước 39

3.3.3 Khảo sát nhiệt độ 40

3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của chất điện ly Na2SO4 42

3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Na2CO3 43

3.3.6 Giá trị khảo sát độ bền màu giặt của vải cotton khi nhuộm ở điều kiện thích hợp 45

3.4 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng quá trình nhuộm lụa 45

3.4.5 Giá trị khảo sát độ bền màu với giặt của lụa khi nhuộm ở điều kiện tối ưu 50

3.5 Kết quả khảo sát các yếu tố cầm màu 51

3.5.1 Cầm màu cho vải cotton 51

3.5.1.1 Cầm màu KAl(SO4)2 cho vải cotton trước nhuộm 51

3.5.1.2 Cầm màu CuSO4 cho vải cotton trước nhuộm 53

3.5.1.3 Cầm màu KAl(SO4)2 cho vải cotton sau nhuộm 55

3.5.1.4 Cầm màu CuSO4 cho vải cotton sau nhuộm 57

3.5.2.1 Cầm màu KAl(SO4)2 cho lụa trước nhuộm 59

3.5.2.2 Cầm màu CuSO4 cho lụa trước nhuộm 61

3.5.2.3 Cầm màu KAl(SO4)2 cho lụa sau nhuộm 63

3.5.2.4 Cầm màu CuSO4 cho lụa sau nhuộm 65

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 71

4.1 Những kết quả đạt được 71

4.2 Hạn chế đề tài 71

4.3 Hướng phát triển của đề tài: 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 77

vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

UV-Vis: Ultraviolet–visibleO.w.f: On the weight of fabric CIE: Commission internationale de l'éclairage CIE Lab: L*-Lightness coordinate, a*-Red/Green coordinate, b*-yellow/blue coordinate

LCh: h*-Hue of metamerism, C* – Saturation, L* – Lightness ΔE: Độ đều màu

ΔEbg: Bền giặt

viii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Quả điều nhuộm chính và hạt điều nhuộm 6

Hình 1.2 Hạt điều nhuộm và bột màu sau khi chiết 7

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử của bixin và norbixin 10

Hình 1.4 Chuyển đổi qua lại giữa các dạng annatto 11

Hình 1.5 Phản ứng sinh sắc tố McKeown 11

Hình 1.6 Trang trí các bức họa trên tường 12

Hình 1.7 Màu nhuộm trên vải của người Maya 12

Hình 1.8 phô mai và snack sử dụng màu norbixin 13

Hình 1.9 Chế phẩm màu dạng bột, lỏng và sệt 13

Hình 1.10 Màu annatto trên vải cotton và lụa 14

Hình 1.11 Đồ thị phân bố bài báo về thuốc nhuộm tư nhiên và tổng hợp qua từng năm 15

Hình 1.12 Cấu trúc mặt cắt của tơ tằm 20

Hình 2.1 dụng cụ chiết hồi lưu dung môi 25

Hình 2.2 Hệ thống màu CIE 26

Hình 2.3 phổ UV-vis của bixin trong các dung môi 29

Hình 2.4 Sơ đồ quy trình trích ly 30

Hình 2.5 Quy trình nhuộm 31

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ ethanol đến độ hấp thu 34

Hình 3.2 Phổ hấp thu của bixin trong dung môi ethanol khác nhau 35

Hình 3.3 Độ hấp thu bixin ở tỷ lệ rắn/ lỏng khảo sát 35

Hình 3.4 Độ hấp thu bixin ở nhiệt độ khảo sát 36

Hình 3.5 Chất màu bixin trong dung môi ethanol 99 36

Hình 3.6 Phổ hấp thu của chất màu annatto trong dung môi ethanol 37

Hình 3.7 Đồ thị ảnh hưởng dung tỉ 38

Hình 3.8 Biểu đồ ảnh hưởng của dung tỉ với cotton 40

Hình 3.9 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ với cotton 41

Hình 3.10 Đồ thị ảnh hưởng của chất điện ly Na2SO4 42

Hình 3.11 Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ Na2CO3 44

ix

Hình 3.12 Đồ thị ảnh hưởng của dung tỉ nhuộm lụa 46

Hình 3.13 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ 47

Hình 3.14 Đồ thị ảnh hưởng của chất điện ly Na2SO4 48

Hình 3.15 Đồ thị ảnh hưởng của pH tới quá trình nhuộm lụa 50

Hình 3.16 Biểu đồ ảnh hưởng pH của KAl(SO4)2 trước nhuộm cho cotton 52

Hình 3.17 Biểu đồ ảnh hưởng thời gian của KAl(SO4)2 trước nhuộm cho cotton 52

Hình 3.18 Biểu đồ ảnh hưởng nồng độ cầm màu KAl(SO4)2 trước nhuộm cho cotton 53

Hình 3.19 Biểu đồ ảnh hưởng pH cầm màu CuSO4 trước nhuộm cho cotton 54

Hình 3.20 Biểu đồ ảnh hưởng thời gian cầm màu màu CuSO4 trước nhuộm cho cotton 54

Hình 3.21 Biểu đồ ảnh hưởng của nồng độ cầm màu CuSO4 trước nhuộm cho cotton 55

Hình 3.22 Biểu đồ ảnh hưởng của pH cầm màu KAl(SO4)2 sau nhuộm cho cotton 56

Hình 3.23 Biểu đồ ảnh hưởng thời gian cầm màu KAl(SO4)2 sau nhuộm cho cotton 56

Hình 3.24 Biểu đồ ảnh hưởng của nồng độ cầm màu KAl(SO4)2 sau nhuộm cho cotton. 57

Hình 3.25 Biểu đồ ảnh hưởng của pH cầm màu CuSO4 sau nhuộm cho cotton 58

Hình 3.26 Biểu đồ ảnh hưởng của thời gian cầm màu CuSO4 sau nhuộm cho cotton 58

Hình 3.27 Biểu đồ ảnh hưởng nồng độ cầm màu CuSO4 sau nhuộm cho cotton 59

Hình 3.28 Biểu đồ ảnh hưởng pH cầm màu KAl(SO4)2 trước nhuộm cho lụa 60

Hình 3.29 Biểu đồ ảnh hưởng thời gian cầm màu KAl(SO4)2 trước nhuộm cho lụa 60

Hình 3.30 Biểu đồ ảnh hưởng nồng độ KAl(SO4)2 cho lụa trước nhuộm 61

Hình 3.31 Biểu đồ ảnh hưởng pH cầm màu CuSO4 trước nhuộm cho lụa 62

Hình 3.32 Kết quả ảnh hưởng thời gian cầm màu CuSO4 trước nhuộm cho lụa 62

Hình 3.33 Biểu đồ ảnh hưởng nồng độ cầm màu CuSO4 trước nhuộm cho lụa 63

Hình 3.34 Biểu đồ ảnh hưởng của pH cầm màu KAl(SO4)2 sau nhuộm cho lụa 64

Hình 3.35 Biểu đồ ảnh hưởng thời gian cầm màu KAl(SO4)2 sau nhuộm cho lụa 64

Hình 3.36 Biểu đồ ảnh hưởng nồng độ cầm màu KAl(SO4)2 sau nhuộm cho lụa 65

Hình 3.37 Kết quả pH cầm màu CuSO4 sau nhuộm cho lụa 66

Hình 3.38 Biểu đồ ảnh hưởng thời gian cầm màu CuSO4 sau nhuộm cho lụa 66

Hình 3.39 Biểu đồ ảnh hưởng thời gian cầm màu CuSO4 sau nhuộm cho lụa 67

Bảng 2.2 Bảng tiêu chuẩn đánh giá cấp độ đều màu và lệch màu [43] 28

Bảng 3.1 Độ ẩm của hạt điều màu 33

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ ethanol đến độ hấp thu 34

Bảng 3.3: Mối liên hệ giữa tỉ lệ rắn/lỏng và độ hấp thu A tại bước sóng 458nm 35

Bảng 3.4 Mối liên hệ giữa nhiệt độ trích ly và độ hấp thu A tại bước sóng 458 36

Bảng 3.5 Độ hấp thu cực đại của màu annatto trong dung môi ethanol 37

Bảng 3.6 Hàm lượng phần trăm chất màu/ khối lượng khô tuyệt đối 37

Bảng 3.7 Ảnh hưởng dung tỉ 38

Bảng 3.8 tỉ lệ dịch chiết/ nước 39

Bảng 3.9 kết quả ảnh hưởng của tỉ lệ dịch chiết/ nước 39

Bảng 3.10 Kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ 40

Bảng 3.11 Kết quả ảnh hưởng của chất điện ly Na2SO4 42

Bảng 3.12 pH của dung dịch có nồng độ Na2CO3 khác nhau 43

Bảng 3.13 Kết quả ảnh hưởng của nồng độ Na2CO3 43

Bảng 3.14: Giá trị khảo sát độ bền màu với giặt của cotton khi nhuộm ở điều kiện thích hợp 45

Bảng 3.15 Kết quả ảnh hưởng dung tỉ nhuộm lụa 45

Bảng 3.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ 46

Bảng 3.17 Kết quả ảnh hưởng của chất điện ly Na2SO4 48

Bảng 3.17 ảnh hưởng của pH tới quá trình nhuộm lụa 49

Bảng 3.18: Giá trị khảo sát độ bền màu giặt của lụa khi nhuộm ở điều kiện thích hợp 51 Bảng 3.19: Kết quả muối cầm màu KAl(SO4)2 trước nhuộm cho cotton 51

Bảng 3.20: Kết quả cầm màu CuSO4 trước nhuộm cho cotton 53

Bảng 3.21 Kết quả cầm màu KAl(SO4)2 sau nhuộm cho cotton 55

xi

Bảng 3.22 Kết quả cầm màu CuSO4 sau nhuộm cho cotton 57

Bảng 3.23 Kết quả cầm màu KAl(SO4)2 trước nhuộm cho lụa 59

Bảng 3.34 Kết quả cầm màu CuSO4 trước nhuộm cho lụa 61

Bảng 3.37 Kết quả cầm màu KAl(SO4)2 sau nhuộm cho lụa 63

Bảng 3.40 Kết quả cầm màu CuSO4 sau nhuộm cho lụa 65

Bảng 3.40 Kết quả cầm màu cho vải cotton và lụa ở điều kiện thích hợp 69

Bảng 5.1 Kết quả đo LCh tỉ lệ dịch chiết/ nước 77

Bảng 5.2 Kết quả đo LCh dung tỉ cotton 77

Bảng 5.3 Kết quả đo LCh nhiệt độ cotton 78

Bảng 5.4 Kết quả đo LCh Na2SO4 cotton 78

Bảng 5.5 Kết quả đo LCh Na2CO3 cotton 79

Bảng 5.6 Kết quả đo LCh dung tỉ lụa 80

Bảng 5.7 Kết quả đo LCh nhiệt độ lụa 80

Bảng 5.8 Kết quả đo LCh Na2SO4 lụa 81

Bảng 5.9 Kết quả đo LCh pH lụa 81

Bảng 5.10 Kết quả đo LCh cầm màu trước KAl(SO4)2 cotton 82

Bảng 5.11 Kết quả đo LCh cầm màu sau KAl(SO4)2 cotton 82

Bảng 5.12 Kết quả đo LCh cầm màu trước CuSO4 cotton 83

Bảng 5.13 Kết quả đo LCh cầm màu sau CuSO4 cotton 83

1

MỞ ĐẦU

Những di chỉ khảo cổ tìm được trên thế giới cho thấy từ nền văn minh cổ đại con người đã biết sử dụng thuốc nhuộm Người ta tìm kiếm thuốc nhuộm từ những sản phẩm có sẵn trong tự nhiên, lấy từ động vật, thực vật…Tuy nhiên, khi khoa học phát triển cộng với sự gia tăng dân số và đa dạng về nhu cầu mặc đẹp đã làm cho chất màu tự nhiên không đủ khả năng đáp ứng Từ đó ngành sản xuất thuốc nhuộm tổng hợp ra đời (năm 1856), đã nhanh chóng thay thế thuốc nhuộm tự nhiên bởi các tính chất ưu việt của nó như: màu sắc phong phú, đa dạng, độ bền màu cao và phạm vi sử dụng rộng lớn, phù hợp với quy mô sản xuất công nghiệp Vì thế thuốc nhuộm tự nhiên dần bị lãng quên, không mấy ai còn nhớ đến những sắc màu tuyệt đẹp mà nó mang lại

Tuy nhiên, việc tổng hợp và sử dụng thuốc nhuộm kéo theo sự ô nhiễm đối với nguồn nước rất lớn Ngoài ra một số loại thuốc nhuộm tổng hợp có thể còn chứa một số hợp chất Azo-amin bị cấm mà chưa được kiểm soát sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe con người Hiện nay thuốc nhuộm tổng hợp đang dần mất chỗ đứng do những nhận thức mang tính quốc tế về bảo vệ môi trường và sinh thái Để giải quyết những hạn chế đó, người ta có xu hướng quay lại với thiên nhiên, tìm kiếm các loại thuốc nhuộm tự nhiên và làm phong phú nguồn chất màu tự nhiên đã biết để đưa vào sản xuất, góp phần giải quyết vấn nạn ô nhiễm môi trường, tạo ra các sản phẩm hàng may mặc “xanh”- một xu hướng mới cho ngành công nghiệp dệt may trong thế kỷ XXI Đó là sản phẩm đáp ứng được các tiêu chuẩn sinh thái quy định, an toàn về sức khỏe đối với người sử dụng và không gây ô nhiễm môi trường sản xuất

Ở nước ta, việc nhuộm bằng các loại chất màu tự nhiên vẫn còn được duy trì tại các vùng dân tộc miền núi Phần lớn là thực hiện theo thủ công, dựa và kinh nghiệm truyền thống là chính nên độ bền màu chưa đảm bảo và sản xuất còn nhỏ lẻ, khó đáp ứng yêu cầu cao theo tiêu chuẩn Bên cạnh đó, phương pháp nhuộm cũ chưa giải quyết đầy đủ vấn đề bảo vệ môi trường và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên cho phát triển bền vững, cũng như tạo ra nhiều chủng loại sản phẩm có giá trị xuất khẩu

Trong số các màu nhuộm bằng nguồn chất màu tự nhiên, hạt điều màu (tên khoa

học là Bixa Orellana L) là sản phẩm có nhiều ở vùng nhiệt đới như nước ta Việc trồng

2 hạt điều màu tại miền trung và niềm nam là khá phổ biến, sản lượng thu hoạch hằng năm khá lớn và sản phẩm có bán ở các chợ trên khắp cả nước Từ trước đến nay người ta vẫn thường hay sử dụng hạt điều màu cho thực phẩm và dược phẩm mà ít khi sử dụng cho nhuộm vải Với kết quả nghiên cứu bước đầu, đề tài đã sử dụng hạt điều màu để nhuộm các loại vải cho gam màu tươi sáng từ vàng nhạt đến da cam Do đó, đề tài

“Khảo sát nhuộm màu vải cotton – tơ tằm bằng chất màu tự nhiên từ hạt điều màu”

được tiến hành nhằm góp phần tạo nên tính đa dạng về nguyên liệu, sự phong phú về màu sắc, nâng cao độ bền màu cho sản phẩm – một trong những hạn chế của lĩnh vực nghiên cứu thuốc nhuộm tự nhiên hiện nay

3

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về thuốc nhuộm tự nhiên 1.1.1 Phân loại

Thuốc nhuộm tự nhiên được chiết xuất từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên gồm: thực vật, động vật, khoáng sản… trong đó nguồn nguyên liệu quan trọng nhất là thực vật Các bộ phận của thực vật chỉ có một lượng nhỏ thuốc nhuộm 0.5 – 5 % cùng với các hợp chất khác như carbohydrate, protein, chất diệp lục…Do đó, thuốc nhuộm tự nhiên có thành phần hóa học phức tạp Không như thuốc nhuộm tổng hợp, chúng không tồn tại dạng nguyên chất, mà là hỗn hợp của các dẫn xuất khác nhau của một nhóm chất

Dựa trên cấu tạo hóa học, có thể phân thành các nhóm thuốc nhuộm sau [1]: Indigoid: thuốc nhuộm màu chàm Indigo là thuốc nhuộm quan trọng nhất trong

lớp thuốc nhuộm tự nhiên này, có cấu trúc hóa học là hợp chất Indigotine, được tìm thấy trong lá của các loài cây thuộc họ Indigofera

Anthraquinone: phần lớn các thuốc nhuộm tự nhiên màu đỏ là dẫn xuất của

Anthraquinone Trong đó, quan trọng nhất là alizarin được chiết xuất từ loài cây Europeanmadder (Rubia tinctorum)

Naphthoquinone: một số thuốc nhuộm tự nhiên thuộc nhóm này như henna (thu

được từ cây lá móng), walnut (thu được từ hạt quả óc chó)…Hợp chất mang màu có trong thuốc nhuộm henna là 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone (lawsone) và trong walnut là 5-hydroxy-1,4-naphthalenedione (Juglone) Những loại thuốc nhuộm này tạo ra sắc màu cam, đỏ hoặc đỏ nâu giống như thuốc nhuộm nhóm Anthraquinone

Flavonoid: hầu hết các thuốc nhuộm tự nhiên màu vàng đều là dẫn xuất hydroxyl

hoặc dẫn xuất methoxy của flavone Thuốc nhuộm có cấu trúc hóa học này được tìm thấy trong nhiều nguồn nguyên liệu tự nhiên khác nhau Loài cây Weld (Reseda luteola) chứa thành phần mang màu là chất 2-(3,4-Dihydroxyphenyl)-5,7-dihydroxy-4-chromenone (luteolin) được sử dụng rộng rãi ở châu Âu để nhuộm màu cho len, vải tơ tằm, với đặc điểm nổi bật là cho màu vàng sáng và đạt độ bền màu tốt Hoa Marigold

4 (Tagetusspp) có chứa hợp chất mang màu là quercetagetol – một hợp chất flavonol được sử dụng nhuộm màu cho len, tơ tằm tạo ra các sắc màu vàng, cam, và đạt độ bền màu tốt

Carotenoid: Loại thuốc nhuộm chính trong nhóm này là bixin tìm thấy trong hạt

quả annatto (quả điều màu) và crocin được tìm thấy trong nhụy của hoa saffron (nghệ tây) Cả hai hợp chất này đều có cấu trúc của Carotenoid

Tannin: Tannin là một loại hợp chất polyphenolic hiện diện trong nhiều loài thực

vật trong tự nhiên, được sử dụng trong ngành nhuộm Công thức hóa học rất phức tạp và không đồng nhất Sử dụng tannin làm thuốc nhuộm cần có thêm chất cầm màu Phức chất tạo ra từ thuốc nhuộm – chất cầm màu có xu hướng làm thay đổi màu sắc của vật liệu được nhuộm Tannin nằm trong nhóm màu từ vàng nhạt đến màu nâu nhạt, có khả năng tạo kết tủa với protein, enzyme, carbonhydrate và alkaloid; vì vậy thường được dùng trong ngành thuộc da

1.1.2 Ưu và nhược điểm của thuốc nhuộm tự nhiên 1.1.2.1 Ưu điểm

Thuốc nhuộm tự nhiên được xem là thân thiện với môi trường và sinh thái vì chúng được điều chế từ nguồn nguyên liệu có thể tái tạo khác với thuốc nhuộm tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ là nguồn tài nguyên không thể tái tạo Chúng có thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật, nguồn thực vật còn dư sau quá trình khai thác thuốc nhuộm có thể phối trộn để làm phân bón Ngoài ra quy trình công nghệ đơn giản, ít sử dụng hóa chất Bên cạnh những lợi ích về môi trường, thuốc nhuộm tự nhiên cũng mang lại những lợi ích cho người mặc, người sử dụng các sản phẩm dệt may

Bức xạ tia cực tím (UV) từ mặt trời là nguyên nhân làm sạm màu da, gây lão hóa da sớm và khi tiếp xúc quá nhiều có thể dẫn đến ung thư da [2] Nhiều loại thuốc nhuộm tự nhiên có thể hấp thu tia cực tím, vì thế vải nhuộm với thuốc nhuộm tự nhiên có khả năng kháng UV tốt Tính chất kháng UV của sợi cellulosic sau khi được xử lý với thuốc nhuộm tự nhiên đã được trình bày trong nhiều nghiên cứu khác nhau [3, 4, 5]

5 Griffony et al [6] nhận thấy khi sử dụng tannin làm chất cầm màu có thể làm tăng khả năng kháng UV của vải

Saxena et al [7] nghiên cứu cho thấy dịch chiết từ vỏ quả lựu giàu tannin có khả năng hấp thu mạnh tia UV và vải cotton xử lý bằng dịch chiết này có tính kháng UV rất tốt ngay cả sau nhiều lần giặt

Nhiều loại thuốc nhuộm tự nhiên có tính kháng khuẩn nhờ vào sự có mặt của một số thành phần hóa học như tannins [10, 11], flavonoids [12], curcuminoids [13],

alkaloids [14] và quinones [15] Vì thế một số các sản phẩm dệt may nhuộm bằng thuốc

nhuộm tự nhiên cũng có hoạt tính kháng khuẩn Tính chất này đã được trình bày trong nhiều nghiên cứu [8,9]

Nhiều thuốc nhuộm tự nhiên có hoạt tính sinh học được sử dụng trong nhiều ngành y học khác nhau Các sản phẩm dệt may nhuộm bằng những chất trên cũng có đặc tính chữa bệnh nhờ sự hấp thụ của hợp chất dược liệu qua da Các sản phẩm dệt may sản xuất ở Kerala - Ấn Độ được nhuộm bằng thảo mộc trở nên phổ biến, được xem là sản phẩm có khả năng trị bệnh và được xuất khẩu sang nhiều quốc gia khác nhau [1]

1.1.2.2 Nhược điểm

Thuốc nhuộm tự nhiên được xem là thân thiện với môi trường sinh thái, là một lựa chọn để nhuộm các mặc hàng dệt may, đặc biệt là nhuộm sợi tự nhiên Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm, có rất nhiều hạn chế trong việc sử dụng thuốc nhuộm tự nhiên:

So với thuốc nhuộm tổng hợp, thuốc nhuộm tự nhiên cần thời gian dài để nhuộm, vì cần phải tách chiết dịch màu và cần có thêm bước cầm màu Nếu sử dụng thuốc nhuộm dạng bột thì giá thành cao, không có tính kinh tế

Độ tận trích của các thuốc nhuộm tự nhiên trên vật liệu dệt không cao dù có sử dụng chất cầm màu

Giới hạn về sự phong phú đa dạng của màu sắc Màu tự nhiên hiếm có các gam màu tươi, nếu có thì độ bền màu rất thấp

Khó khăn trong việc lập lại các màu sắc là một nhược điểm khác của thuốc nhuộm tự nhiên, nguyên nhân là do sự khác biệt về tỷ lệ các thành phần hóa học có trong nguồn

6 nguyên liệu Theo đó, quá trình trích ly nguyên liệu thô phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại đất trồng, vùng miền … Do đó không thể sản xuất được cùng một sắc màu khi đi từ một loại thuốc nhuộm tự nhiên với cùng một thao tác nhuộm [16] Một số thuốc nhuộm tự nhiên nhạy với pH và có xu hướng thay đổi màu sắc khi thay đổi pH Thuốc nhuộm tự nhiên có xu hướng tạo thành phức màu với các ion kim loại, các thành phần khoáng có trong nước cũng là nguyên nhân gây ra các ánh màu khác nhau Do đó, cùng một loại bột màu nhuộm có thể tạo ra các ánh màu khác nhau ở hai nơi khác nhau do sự khác biệt về khoáng chất và độ pH của nước Điều này gây khó khăn cho việc lập lại các màu

Thuốc nhuộm tự nhiên khó đáp ứng được các tiêu chuẩn về độ bền màu Chỉ có một vài thuốc nhuộm tự nhiên có độ bền màu đáp ứng được yêu cầu của mặt hàng dệt may hiện đại Hạn chế về việc sử dụng các chất cầm màu là muối của kim loại như crom, đồng, thiếc… theo tiêu chuẩn sinh thái không chỉ làm giảm số lượng màu sắc có thể tạo ra của thuốc nhuộm tự nhiên mà còn làm cho khó đạt được độ bền màu [1]

1.2 Giới thiệu chung về hạt điều màu

Điều nhuộm hay còn gọi là điều màu, sâm phụng, cây cà ri là một loài cây bụi hay cây gỗ nhỏ thuộc họ Điều nhuộm (Bixaceae)

Tên tiếng Anh: Annatto, arnatto, achiote, aploppas, lipstick tree

Hình 1.1 Quả điều nhuộm chính và hạt điều nhuộm

7

Hình 1.2 Hạt điều nhuộm và bột màu sau khi chiết

Bảng 1.1 Hệ thống phân loại thực vật [46] Giới (regnum): Thực vật (Plantae)

Ngành (division): Thực vật có hoa (Angiospermae)

Lớp (class): Hai lá mầm (Eudicots) Bộ (ordo): Cẩm quỳ (Malvales)Họ (familia): Điều nhuộm (Bixaceae)Chi (genus): Điều nhuộm (Bixa)

Loài (species): Bixa Orellana Linn

Tên khoa học Bixa Orellana có nguồn gốc do lấy theo tên của ông Francisco de Orellana, nhà thám hiểm người Tây Ban Nha, thế kỷ XVI Có nguồn gốc từ khu vực nhiệt đới của Châu Mỹ, hiện được trồng nhiều ở các nước nhiệt đới Cây điều nhuộm được trồng và phát triển tốt ở nơi có thời tiết nóng ấm Ở một số nước Châu Âu cũng đã thuần hóa để trồng cây điều nhuộm nhưng loài này kém phát triển hơn so với vùng nhiệt đới [17, 18, 27, 29]

8

Ở Việt Nam, cây điều nhuộm được trồng từ thời Pháp, hiện nay loài cây này mọc hoang dại hoặc trồng rải rác ở các tỉnh miền nam, Tây Nguyên và miền Trung để thu hoạch hạt, làm cảnh hoặc làm thuốc Loại cây này có thể trồng vào bất kỳ thời điểm nào trong năm và thường ra hoa vào năm thứ 3, cho thu hoạch hạt vào khoảng tháng 10, tháng11 trong năm

1.2.1 Thành phần hóa học trong hạt điều nhuộm

Hạt điều màu có màu đỏ cam, chất màu này bao phủ xung quanh hạt, hạt thường mềm nhưng cứng và dòn khi khô Có mùi nồng đặc trưng, mềm trong nước và có tiết ra màu vàng nhưng không tan Đã có một số công trình nghiên cứu về hạt điều, thành phần các chất trong hạt điều màu, phương pháp tách Kết quả phân tích cho thấy hạt điều màu chứa 40 – 45% cellulose; 3,5 – 5,5 % sucrose; 0,3 – 0,9 % tinh dầu và 13 – 16 % protein Nhìn chung, hàm lượng các sắc tố trong hạt điều màu khoảng 5 % đối với quả có hình bán cầu, 3 – 3,58 % đối với quả hình nón Còn quả hình oval chỉ có 1,5 – 2%

Thành phần hóa học chủ yếu trong hạt điều màu là Bixin (C25H30O4 - methyl hydrogen 9’-cis-6,6’-diapocarotene-6,6’-dioate) và Norbixin (C24H28O4 – 6,6’-diapocarotene-6,6’ dioic acid) Ngoài Bixin và norbixin, các sắc tố còn lại với tỷ lệ nhỏ đã được xác định từ dịch trích ly annatto gồm 5 carotenoid (C30 và C32), 8 diapocarotenoid (C19, C22, C24 và C25) và một số dẫn xuất carotenoid (C14) Ngoài các sắc tố vừa nêu, hạt điều màu còn chứa alpha và beta-carotene, methyl 9’z-apo-6’-lycopenoate cùng một số thành phần khác như cryptoxanthin, lutein, zeaxanthin, methylbixin, tannin, saponin, dầu ethereal, hợp chất tương tự dầu mustard, mono và sesquiterpene bixaghanene, bixein, bixol, crocetin, axit ellagic và tryptophan [17, 18, 20, 35, 39]

Theo Amaral et al (2009), màu annatto chỉ nằm ở lớp áo hạt nên khi trích ly không cần thiết phải nghiền hạt Năm 2006, Nobre và các cộng sự đã so sánh và thấy rằng hàm lượng annatto trích nguyên hạt và hạt nghiền mịn cho kết quả không khác biệt Trích ly nguyên hạt còn có ưu điểm hơn đó là hạn chế tạp chất lẫn với chất màu Ngoài ra, nghiền hạt gây khó khăn và tốn kém cho công đoạn làm sạch

Theo khảo sát của Bùi Thị Mỹ Lệ (2012), hàm lượng màu trong hạt tăng dần trong quá trình sinh trưởng và phát triển của hạt Do đó, hạt chín có hàm lượng chất màu cao nhất

1.2.2 Cấu tạo của bixin và norbixin

Bixin chiếm 80 % hàm lượng màu trong hạt (tùy theo độ chính của hạt) và là một tinh thể màu đỏ tươi, kém phân cực nên không tan trong nước, có thể tan trong dầu và dung môi hữu cơ như chloroform, ethyl acetate, acetone, … Kết tinh trong cồn nóng Màu sắc của bixin thay đổi tùy vào môi trường: màu vàng cam ở pH cao và chuyển dần

10 sang hồng nhạt ở pH thấp Bixin ổn định cao với nhiệt độ dưới 1000C Nó là một carotenoid và là thành phần của chất nhuộm màu đỏ [20, 42]

Norbixin là một axit dicarboxylic, chất tạo ra màu cam vàng, phân tử phân cực mạnh hơn, không tan trong nước ở pH thấp và ít tan trong dung môi hữu cơ [27]

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử của bixin và norbixin

Norbixin

Mạch carbon của bixin và norbixin có các nối đôi xen kẽ đều đặn giữa các nối đơn Do có nhiều nối đôi trong mạch carbon nên cả bixin và norbixin đều biến đổi khi tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng cường độ cao trong thời gian dài Najar và các cộng sự (1988) đã chứng minh ánh sáng là nhân tố gây thoái hóa màu mạnh nhất Norbixin bị kết tủa trong môi trường pH thấp (khoảng dưới 5,5), khi norbixin kết tủa thường tạo phức bền với protein, tinh bột và một số thành phần khác và tạo ra sự đồng đều màu sắc trong sản phẩm, đồng thời ngăn chặn hiện tượng trôi màu Màu sắc của hạt điều màu rất bền trong môi trường kiềm Tương tự như như các hợp chất carotenoid khác, do có nhiều nối đôi trong phân tử nên phẩm màu dễ bị oxi hóa, nhất là khi ở dạng bột do bề mặt tiếp xúc lớn hoặc đã khi phối chế vào thực phẩm mặc dù một số thực phẩm có tác dụng bảo vệ phẩm màu

Trong nhóm carotenoid, annatto là nhóm màu gần như duy nhất vẫn giữ màu khi thay đổi các dạng cấu trúc hóa học (Hình 1.4) Ở điều kiện nhiệt độ và pH nhất định, bixin bị thủy phân thành norbixin hoặc xà phòng hóa thành muối kali hoặc natri của

Bixin

11 norbixin Ở nhiệt độ thấp hơn 50oC trở lên, đồng phân cis-bixin dễ biến thành trans – bixin ổn định hơn [50], rồi từ đó có thể phân hủy thành một số sản phẩm, trong có chất màu vàng C17 với tên đầy đủ là polyene 4,8 – dimethyltetradecahexaenedioc acid monomethyl ester (sắc tố McKeown) và metaxilen

Hình 1.4 Chuyển đổi qua lại giữa các dạng annatto [47]

Hình 1.5 Phản ứng sinh sắc tố McKeown

1.2.3 Một số ứng dụng của hạt điều màu

Hạt điều nhuộm được sử dụng trong việc trang trí và lấy chất màu Điều này được tìm thấy ở nhiều dấu tích của người Maya cổ Khắp nơi ở những khu rừng nhiệt đới, những bộ lạc bản địa đã sử dụng hạt điều nhuộm để trang trí và nhuộm vải Họ đã dùng chúng như những tác nhân màu chính trong thực phẩm, trang trí cơ thể, và dùng làm màu trong nghề thủ công, trang trí các bức họa trên tường [27, 35]

12

Hình 1.6 Trang trí các bức họa trên tường

Hình 1.7 Màu nhuộm trên vải của người Maya

Chất màu Bixin tách chiết được sử dụng làm màu công nghiệp để chế biến thực phẩm, có tác dụng chống lại tia cực tím, chống oxi hóa và bảo vệ gan Ngoài ra còn được sử dụng cho các sản phẩm chăm sóc sắc đẹp, được thêm vào để tạo màu trong dầu gọi, kem, mỹ phẩm, xà phòng… [18, 20, 23, 31, 41, 42]

Ở Bắc Mỹ và châu Âu, người ta dùng màu annatto để nhuộm màu bơ, phô mai Ngoài ra còn được dùng để tạo màu cho nước xốt, thịt lợn quay ở Trung Quốc Còn ở Việt Nam, màu này được dùng trong món cà ri, gà quay mật ong và các loại mì, bún nước, … Ở Mexico, annatto được trộn với một số gia vị khác tạo thành một loại gia vị

13 màu đỏ gạch gọi là achiote paste và adobo, rất được người dân Mexico ưa chuộng Họ thường dùng achiote chung với giấm để ướp thịt hoặc phối chế nước xốt Do có nguồn gốc thực vật nên annatto thích hợp để chế biến các món ăn chay

Hình 1.8 phô mai và snack sử dụng màu norbixin

Phẩm màu annatto tan trong dầu thường được dùng để tạo màu cho thực phẩm nhiều dầu như bơ, margarine, phô mai, bánh ngọt, bánh quy, snack, nước xốt hay đồ tráng miệng dạng kem Annatto dạng nhũ có lợi thế hơn khi sử dụng cho phô mai, kem, kẹo và sản phẩm từ sữa Màu annatto tan trong pH acid có thể dùng cho nước ép, rượu, thạch và món tráng miệng dạng sệt Hầu hết các nhà sản xuất đều lưu ý rằng khi sử dụng phẩm màu annatto cần phải quan tâm đến độ bền của nó Annatto thích hợp để chế biến thực phẩm có sử dụng nhiệt, nhưng ở nhiệt độ quá cao trong thời gian dài sẽ làm phân hủy chất màu Do đó nên bổ sung màu vào cuối quy trình sản xuất Khả năng hòa tan và độ pH cũng ảnh hưởng đến sắc màu của annatto

Hình 1.9 Chế phẩm màu dạng bột, lỏng và sệt

14

Hình 1.10 Màu annatto trên vải cotton và lụa

Ngoài lĩnh vực thực phẩm, phẩm màu annatto còn được sử dụng làm chất nhuộm cho dược phẩm và nhuộm quần áo Là nguồn màu tự nhiên cho chất liệu lụa Màu cam của annatto là màu được ưa chuộng trên chất liệu vải lụa Mặc dù thuốc nhuộm tự nhiên không thể tồn tại lâu dài với thời gian nhưng người ta đã phát triển quy trình làm cho chất nhuộm bền hơn trên chất liệu tơ sợi Thuốc nhuộm không thấm vào sợi nhiều, do đó thường sử dụng các chất cầm màu như kali nhôm sulfat và đồng sulfat … để kéo dài độ bền của thuốc nhuộm trên tơ sợi Cụ thể ở đây là kết quả nhuộm vải bông và tơ tằm

Ngoài ra còn tận dụng bã thải sau khi tách chiết chất màu có thể dùng làm phân hữu cơ vi sinh hay thức ăn cho gia súc [21, 35]

15

1.2.4 Các nghiên cứu về hạt điều màu

1.2.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trong nhiều thập kỷ qua, những công trình nghiên cứu về quá tình trích ly hay tách chiết hợp chất màu tự nhiên và cô lập xác định từng hợp chất riêng lẻ được nghiên cứu rất nhiều Trong đó cũng có một số công bố về việc sử dụng mô hình thực nghiệm và tối ưu hóa mô hình vào trong quá trình tách chiết chất màu tự nhiên đơn lẻ Tuy nhiên vấn đề trích ly chất màu tự nhiên ứng dụng trong công nghệ nhuộm lại mang một ý nghĩa ứng dụng khác, không cô lập hợp chất đơn lẻ mà sử dụng hỗn hợp dịch chiết nhuộm cho các loại vật liệu vải sợi khác nhau

Những năm gần đây, vấn đề nghiên cứu quy trình nhuộm vải bằng chất màu tự nhiên được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm, chủ yếu tập trung vào chất màu trích ly từ thực vật Sự đa dạng của hệ thực vật trên thế giới đã tạo nhiều gam màu đa dạng cho các công trình nghiên cứu này

Hình 1.11 Phân bố bài báo về thuốc nhuộm tư nhiên và tổng hợp qua từng năm [44]

Nhóm tác giả A.J Degnan, J.H Von Elbe và R.W Hartel [40] đã trích ly chất màu

từ hạt điều nhuộm bằng SC-CO2 tại áp suất khoảng 3000 – 7000 psi và nhiệt độ 550C, sản phẩm phụ thu được chỉ số chỉ có α và β – bixin, không có lẫn norbixin

40-Nhóm tác giả N.M Gosmez-Ortiz, Vaquez-Maladonado, A.R Pérez-Espadas,

G.J Mena-Rejón [39] đã khám phá ra ứng dụng của chất nhuộm tự nhiên từ hạt Bixa

Orellana L để nhuộm pin mặt trời Thành phần chính của chất màu là bixin và norbixin, các chất này thu được bằng cách tách chiết màu đỏ đậm (annatto) sử dụng phương pháp

16 sóng siêu âm ở nhiệt độ dưới 600C Bixin và Norbixin tinh khiết được phân tích bằng H-NMR, phổ FTIR và phổ UV-Vis

A Tamil Selvi và các cộng sự [26] nghiên cứu ứng dụng nhuộm màu tự nhiên từ

hạt điều màu cho sản sản phẩm thuộc da Hạt điều được xay và ngâm trong nước trong 10 phút, gia nhiệt lên 800C trong 1 giờ, pH của dịch chiết là 6,5 Sau khi nhuộm, dịch nhuộm được đem đi sắc ký, đo phổ UV, phổ IR Kết quả nghiên cứu cho thấy tính chất màu về độ bền ánh sáng (cấp 3 của thang màu xám) cũng như độ bền màu ma sát (4/5 trên thang chuẩn màu xám) tốt hơn so với lúc chưa nhuộm

Nhóm của Keka Sinha (2013) [41] nghiên cứu mô hình trích ly màu vàng – đỏ

từ hạt Bixa Orellana bằng dung môi nước với sự trợ giúp bằng vi sóng dân dụng bằng cách sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (Respose Surface Methodology - RSM) và mạng neuron nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN) RSM và ANN đã được phát triển để dự đoán mô hình mô phỏng và tối ưu hóa quá trình chiết phẩm màu Mục đích chính của tác giả là so sánh hiệu quả của hai phương pháp thống kê chứ không phải hiệu suất trích, bởi lẽ dung môi nước tuy cần ít chi phí nhưng kém hiệu quả đối với đối tượng trích ly là hạt điều màu Các thông số ảnh hưởng đến quá trình chiết được khảo sát (pH, thời gian chiết và số hạt được chiết) Kết luận của công trình này là phương pháp ANN hiệu quả hơn RSM về hiệu năng dự đoán trong trường hợp trích ly chất màu từ hạt annatto bằng dung môi nước có hỗ trợ vi sóng

Georgios Savvidis và các cộng sự (2012) [45] đã đăng kết quả với tựa “In kỹ

thuật số và in truyền thống và nhuộm với thuốc nhuộm tự nhiên Annatto: tối ưu hóa và tiêu chuẩn hóa các quy trình để đáp ứng nhu cầu trong tương lai” trên vải cotton Cầm màu bằng phèn nhôm ở nhiệt độ 45oC Kết quả của bài báo cho biết sau khi tối ưu các giá trị nhuộm ở pH = 9, nhiệt độ 80oC, dung tỉ 1:20, cũng như các kỹ thuật cầm màu thì độ bền giặt được cải thiện Bên cạnh đó bài báo còn đưa ra ứng dụng dùng bột màu annatto in lên vải cotton

Một cuộc khảo sát sơ bộ (2014) [48] dựa trên một loạt các nguồn thông tin cho thấy bán đảo Yucatan trồng 23 loại thực vật để tìm tính chất nhuộm Bốn trong số chúng (Justicia Spicigera, Bixa orellana, Bougainvillea glabra và Rhoe discolor) đã được lựa

17 chọn để trích xuất thuốc nhuộm tự nhiên của chúng, đó là hóa chất và độc tính đặc trưng B Orellana đã được sử dụng thành công để nhuộm vải cotton bình thường (manta) Các bể thuốc nhuộm không có độc, và lượng độc tính thấp khi xuất hiện cầm màu, J spicigera và thuốc nhuộm B glabra là độc nhất B Orellana nhuộm là ít độc, mặc dù độc tính của nó được tăng lên khi sử dụng cầm màu Về màn trình diễn màu sắc của vải nhuộm, chất cầm màu chịu ảnh hưởng chiều sâu của màu, cải thiện nhuộm và độ bền ánh sáng Tuy nhiên chất cầm màu không có ảnh hưởng trọng yếu trên các giá trị màu

1.2.4.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Những năm gần đây, trong số các nghiên cứu về vấn đề này tại Việt Nam, có khá nhiều kết quả công bố về vấn đề tối ưu hóa quá trình tách chiết chất màu annatto, chẳng

hạn tác giả Bùi Thị Mỹ Lệ [36] trong đề tài “Nghiên cứu chiết tách phẩm màu annatto

theo độ chín của hạt điều nhuộm ở Gia Lai” đã sử dụng NaOH, nước để chiết tách bixin trong hạt điều nhuộm Tác giả đã thấy rằng tiến hành khảo sát với NaOH thì hàm lượng chất tủa màu thu được sẽ nhiều hơn so với dung môi là nước, chiết phẩm màu với nồng độ dung dịch 0,4 M; tỷ lệ rắn/ lỏng là 10 g/160 mL trong thời gian 5 giờ ở nhiệt độ chiết là 700C sẽ thu được hàm lượng chất màu cao nhất với 33,45 % Hay một số công bố về kết quả nghiên cứu tách chiếtkhác như nhóm tác giả Đào Hùng Cường, Phan Thảo Thơ

[34], trường đại học Bách Khoa Đà Nẵngchủ trì đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu thành phần và phản ứng chuyển hóa hợp chất hóa học của hạt điều nhuộm miền trung, Tây Nguyên” Kết quả chính của đề tài đạt được là:

- Thời điểm thu hoạch hạt điều màu để tách chất màu norbixin trong hạt lớn nhất 2,4 % là vào đầu tháng thứ 3 kể từ khi cây ra quả (tháng 11 hàng năm) Tỷ lệ hạt điều/ nước trích ly tốt nhất là 5/80; thời gian ngâm cho hiệu quả tối ưu là 24 giờ ở 100oC

- Thời điểm thu hoạch hạt điều để tách chất bixin trong hạt lớn nhất là vào đầu tháng thứ 6 kể từ khi cây ra quả (tháng 2 hàng năm) Chiết tách bixin tốt nhất 19,8 % từ hạt điều nhuộm bằng ethyl acetate ở nhiệt độ 80oC, tỷ lệ rắn/ lỏng là 1/18 trong thời gian 10 giờ

18

Các công trình nghiên cứu nói trên đã thu được những kết quả khả quan, chứng minh một cách khoa học về khả năng thực tế của phẩm màu annatto với hiệu suất ngày càng cao Tuy nhiên tất cả chỉ dùng lại việc khảo sát khả năng chiết tách màu mà ít chú trọng vào những ứng dụng khác, hướng ứng dụng màu tự nhiên không nhiều, chỉ mới là những khảo sát mang tích tự phát, chưa được công bố trên các tạp chí uy tín

Tại Việt Nam, tính tới thời điểm hiện tại, các trường đại học và các viện nghiên cứu cũng đã có khá nhiều nghiên cứu về công nghệ nhuộm vải bằng chất màu tự nhiên từ nhiều loại thực vật khác nhau Tuy nhiên, các ý tưởng và xu hướng nghiên cứu này chủ yếu là vẫn dựa trên các công trình nghiên cứu của PGS.TS Hoàng Thị Lĩnh, Khoa Công Nghệ Dệt may và thời trang, Đại Học Bách Khoa Hà Nội Là chuyên gia hóa nhuộm, bằng đam mê khoa học, bà đã bắt đầu nghiên cứu lĩnh vực này từ năm 1996, đến nay bà đã chủ nhiệm rất nhiều đề tài về nhuộm vật liệu bằng chất màu tự nhiên Trong đó, phải kể đến đề tài Nghị định thư hợp tác giữa chính phủ Việt Nam và chính

phủ Áo: “Nghiên cứu khả năng sử dụng chất màu tự nhiên để nhuộm vải bông và tơ

tằm, thiết lập qui trình công nghệ và triển khai ứng dụng cho một số cơ sở làng nghề dệt nhuộm” Trong dự án này PGS.TS Hoàng Thị Lĩnh đã nghiên cứu thành phần và

bản chất của các loại chất màu có nguồn gốc thiên nhiên, từ đó xây dựng, lựa chọn và tối ưu hóa các thành phần tách chiết chất màu với các thông số công nghệ phù hợp Đã xây dựng quy trình nhuộm bằng chất màu chiết tách từ lá chè, lá bang, lá xà cừ và hạt điều màu cho vải bông và vải tơ tằm Nghiên cứu các biện pháp xử lý sau nhuộm nâng cao độ bền màu của sản phẩm

1.3 Đặc điểm của vải bông và tơ tằm

1.3.1 Vải bông

Xơ bông được dùng nhiều trong ngành dệt Mỗi xơ bông là một tế bào thực vật mọc từ hạt của quả bông Xơ bông có hình dải dẹt, một đầu nhọn, đầu gắn hạt bông thì nhẵn, phẳng Xơ bông có nhiều nếp xoắn, độ xoắn của xơ phụ thuộc vào độ chín của xơ bông

Công thức chung của xơ bông như nhau sau: [C6H7O2(OH)3]n

Cellulose tương đối bền với tác dụng của kiềm, nhưng nếu có mặt của oxygen và nhiệt độ thì cellulose bị giảm bền mạnh Trong môi trường kiềm, cellulose bị trương nở mạnh, các mặt phân tử xơ giãn ra xa nhau, kết quả là cấu trúc xơ bị thay đổi làm cho xơ hút nước cũng như các hóa chất tốt hơn, làm cho dễ nhuộm hơn

Cellulose rất nhạy cảm với chất oxy hóa Khi bị oxy hóa, các nhóm –OH trong mạch phân tử chuyển dần thành nhóm aldehyd –CHO rồi thành nhóm carboxyl –COOH Kết quả là đứt mạch phân tử, tạo thành các oxide cellulose, làm giảm bền xơ

Cellulose tương đối bền với tác dụng của các chất khử Ngoài ra, cellulose tác dụng với muối giống như acid và kiềm nhưng chậm hơn Nghĩa là nếu muối có tính acid hay tính kiềm thì nó phản ứng với cellulose giống như với acid hay với kiềm [37]

Sáp bông Acid

hữu cơ Pectin Họp chất chứa nitrogen Đường Tro

Chất khác

20

1.3.2 Tơ tằm

Tơ tằm hay còn gọi là lụa, một loại xơ do một loài sâu nhả ra trong quá trình làm tổ, có nhiều giống tằm và chất lượng tơ khác nhau tùy thuộc vào giống tằm Tơ tằm thuộc dạng xơ dài liên tục, có tiết diện ngang thay đổi trong khoảng 24 ÷ 30 m Khác với các loại xơ thiên nhiên khác như bông, lanh, len… tơ tằm không có cấu tạo tế bào (giống như các loại xơ nhân tạo và tổng hợp)

Hình 1.12 Cấu trúc mặt cắt của tơ tằm

Mỗi sợi do tằm nhả ra gồm hai xơ liên tục nằm song song với nhau, được bao bọc bởi một lớp keo gọi là sericin Thành phần chính của tơ tằm là hợp chất protein, gồm hai loại protein là fiborin (72-81 %) và secirin (19-28 %)

 Fiborin: bao gồm các chuỗi acid amin: glycine – serine – glycine – alanine – glucine – alanine

Fibroin có cấu trúc kém bền, dễ tác dụng hóa chất, khi nhuộm dễ dàng hấp thụ thuốc nhuộm hơn so với những phần khác trong xơ, dễ thay đổi hình dạng, không có khả năng giữ nếp lâu do thiếu các liên kết cộng hóa trị ngang giữa các mạch, không hòa tan trong nước rượu, ester, sulful cacbon (CS2) và các dung môi thông thường khác, tan trong dung dịch đồng – ammoniac, acid sulfuric,

Fibroin khi tiếp xúc với nước sẽ hút một lượng nhất định (30 – 40 %) và sẽ bị trương nở Nó còn bị trương nở trong dung dịch acid, kiềm, và các dung dịch muối như

21 CaCl2, Bal2 Trong các dung dịch muối loãng như NaCl, NaNO3 thì nó vẫn giữ nguyên tính chất

 Sericin (C15H25N5O8) Có thành phần giống fibroin nhưng có lẫn thêm nước và một số khoáng chất, nó bao lấy fibroin hình thành nên một lớp keo (gum)

Ngoài ra nó còn chứa một số hợp chất hòa tan trong ester, rượu etylic và các chất màu thiên nhiên (thường là màu vàng)

Thành phần các nguyên tố trong sericin thường chênh lệch (sự chênh lệch này phụ thuộc vào giống tằm và phương pháp tách) và có các nguyên tố sau:

Bảng 1.4 Thành phần các nguyên tốt trong sericin

Nguyên tố Carbon Hydrogen Nitrogen Oxyen Sulfur

Thành phần % 44,32÷46,29 5,72÷6,42 16,44÷18,3 30,35÷32,5 0,15

Sericin không tan trong rượu, ester, aceton, xăng và các dung môi hữu cơ khác nhưng hòa tan trong nước, dung dịch acid và kiềm, không bền với các men vi sinh vật, có khả năng nhũ hóa và hấp phụ

Tơ tằm hòa tan trong dung dịch acid vô cơ đậm đặc (H2SO4, HCl) ngay cả ở nhiệt độ thường trong một thời gian ngắn Các acid vô cơ loãng có thể làm cho tơ tằm bị co rút Các acid hữu cơ không có tác dụng với tơ tằm, ngay cả các dung dịch acid hữu cơ mạnh, loãng ở nhiệt độ cao Do vậy, khi nhuộm tơ trong môi trường acid cũng không làm giảm độ bền của nó

Là xơ protein nên tơ tằm dễ bị phá hủy trong môi trường kiềm, trong đó NaOH có tác dụng mạnh hơn cả Dung dịch NaOH 5-7 % ở nhiệt độ sôi sẽ phá hủy tơ trong vài phút Các muối như Na2CO3, NaSiO3, Na3PO4,….cũng có thể phá hủy tơ ngay cả nhiệt độ thấp [37, 32, 33]

22

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là khảo sát quy trình sử dụng chất màu tự nhiên của hạt điều nhuộm annatto để nhuộm vải bông và lụa tơ tằm

Các mục tiêu cụ thể như sau: - Xây dựng quy trình chiết chất màu từ annatto, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến

quá trình tách chiết gồm: nồng độ ethanol, nhiệt độ, tỉ lệ rắn/lỏng… - Đánh giá tính chất của dịch chiết qua các thông số: hiệu suất thu sản phẩm; độ

ẩm; phổ hấp thu UV – Vis; khả năng nhuộm màu trên cotton và vải tơ tằm - Tạo ra loại vải nhuộm có chất lượng đáp ứng yêu cầu theo các chỉ tiêu độ bền

màu cũng như các tính chất an toàn không gây độc hại

Ý nghĩa

Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu hướng đến mục tiêu sử dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên là hạt điều màu nhằm góp phần tạo nên tính đa dạng về nguyên liệu, phong phú về màu sắc cho ngành nhuộm tự nhiên ở Việt Nam và trên thế giới

Ý nghĩa thực tiễn: Mục tiêu chuẩn hóa quy trình chiết tách chất màu tự nhiên để đưa vào sản xuất trên quy mô công nghiệp, góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường gây ra bởi nước thải của ngành công nghiệp dệt nhuộm

Nâng cao hiệu quả bảo vệ môi trường sinh thái

2.2 Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị 2.2.1 Nguyên liệu

Nguyên liệu hạt điều màu khô được thu mua ở các chợ trong TP Hồ Chí Minh Hạt điều màu thu mua thường là các hạt khô, già, có màu đỏ sẫm và có hình oval

Vải tơ tằm: sử dụng vải tơ tằm mộc của công ty dệt lụa tơ tằm Toàn Thịnh Mật độ vải là 0,0045 g/cm2 Vải mộc là loại dệt thoi

Vải cotton được cung cấp bởi công ty Đông Phương Vải đã qua giữ hồ, nấu tẩy Mật độ của vải là 0,014 g/cm2 Vải interlock thuộc loại dệt kim

23

2.2.2 Hóa chất

Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng STT Tên hóa chất Xuất xứ Độ tinh khiết

+ Máy cô quay + Máy đo độ hấp thu Visible Spectrophotomiter LI 722 + Máy nhuộm Laboratory Oscillating Dyeing Machine

24

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Tham khảo các tài liệu đã công bố trong và ngoài nước về đặc điểm thực vật, thành phần hóa học của hạt cũng như các kết quả đạt được để đánh giá tính chất nguyên liệu, kết hợp phân tích thành phần trong dịch tách chiết từ nguyên liệu bằng các phương pháp phân tích hiện đại như phổ hấp thụ màu và đo quang phổ để xác định bản chất của chất nhuộm màu, sự thay đổi màu sắc và một số tính chất của vải nhuộm bằng phương pháp đo màu LCh Từ đó đưa ra quy trình chiết cũng như quy trình nhuộm cho phù hợp với đối tượng nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp xác định độ ẩm

Độ ẩm được xác định bằng máy đo độ ẩm SATORIUS MA35 Máy hoạt động theo nguyên lý tác dụng của nhiệt được cung cấp làm bay hơi nước của mẫu nguyên liệu cho đến khi khối lượng không đổi Máy đo chênh lệch khối lượng của mẫu trước và sau để tính % độ ẩm của mẫu Nguyên liệu được xay nhỏ và cho vào đĩa nhôm với khối lượng tối thiểu 0,4 g, sau đó được cho vào máy để tiến hành đo Tiến hành 3 lần và số liệu thể hiện ở dạng trung bình

Các thông số cài đặt: - Nhiệt độ: 1050C - Thời gian: 0,0 (ở chế độ mặc định, máy sẽ cho kết quả khi khối lượng mẫu không đổi)

Các thí nghiệm được thực hiện nhiều lần Độ ẩm trung bình được xác định bằng cách lấy trung bình kết quả của các lần thí nghiệm

1

nii

ww

Các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình trích ly rắn lỏng chủ yếu là hình dạng, kích thước, thành phần hóa học chất rắn, cấu trúc bên trong của chất rắn như kích thước, hình dạng, cách sắp xếp của mao quản… Quá trình chiết dùng những dụng cụ gồm một bình cầu, một thiết bị chiết và một ống sinh hàn hồi lưu dung môi

Hình 2.1 dụng cụ chiết hồi lưu dung môi