Nghiên cứu tổng hợp và tính chất phụ gia tạo Đặc kháng khuẩn trên cơ sở dẫn xuất cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp

Nghiên cứu tổng hợp và tính chất phụ gia tạo Đặc kháng khuẩn trên cơ sở dẫn xuất cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HA NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Hải Linh

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT PHỤ GIA TẠO ĐẶC KHÁNG KHUẨN TRÊN CƠ SỞ DẪN XUẤT CELLULOSE

TỪ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2023

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HA NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Hải Linh

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT PHỤ GIA TẠO ĐẶC KHÁNG KHUẨN TRÊN CƠ SỞ DẪN XUẤT CELLULOSE

TỪ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học

Mã số: 8520301.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN TRƯỜNG GIANG PGS TS PHAN THỊ TUYẾT MAI

Hà Nội -2023

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Khoa Hóa học, đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Hóa học đã tạo điều kiện tốt nhất cho em trong quá trình học tập và tham gia nghiên cứu

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và những người đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian qua để em có thể tập trung hoàn thành nghiên cứu này

Dù đã có nhiều cố gắng, song về mặt kiến thức chuyên môn và thời gian còn hạn chế, đề tài nghiên cứu khoa học này không tránh khỏi những thiếu sót Em kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của Quý thầy cô, gia đình, bạn bè và những người quan tâm đến đề tài để nghiên cứu tiếp tục được hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 1 tháng 11 năm 2023 Học viên

Nguyễn Hải Linh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về Carboxymethyl Cellulose (CMC) 3

1.1.1 Khái niệm về Carboxymethyl Cellulose (CMC) 3

1.1.2 Tính chất của Carboxymethyl Cellulose (CMC) 3

1.1.3 Đặc trưng của dung dịch CMC 4

1.2 Phản ứng tổng hợp CMC 8

1.2.1 Cơ chế phản ứng tổng hợp CMC 8

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp CMC 9

1.3.1 Tình hình nông nghiệp ở nước ta 9

1.3.2 Sản suất CMC từ phụ phẩm nông nghiệp 10

1.3.3 Sản xuất CMC từ lá dứa 12

1.4 Khả năng tạo đặc của CMC 13

1.4.1 Cơ chế tạo đặc của CMC trong nước 13

1.4.2 Cơ chế tạo đặc khi có mặt của cation 14

1.4.3 Cơ chế tạo đặc trong sơn 15

1.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của CMC 15

1.5 Ứng dụng của CMC làm chất phụ gia tạo đặc kháng khuẩn 18

1.5.1 Phụ gia tạo đặc CMC 18

1.5.2 CMC kháng khuẩn và cơ chế kháng khuẩn 20

1.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng khả năng kháng khuẩn 22

1.5.4 Một số nghiên cứu về CMC kháng khuẩn và ứng dụng 23

1.5.5 Phản ứng tổng hợp CMC kháng khuẩn 24

1.6 Lý do chọn đề tài 25

1.7 Nội dung nghiên cứu 25

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Hóa chất và nguyên liệu 26

2.2 Quy trình tổng hợp 27

2.2.1 Quy trình thu hồi cellulose từ lá dứa 27

2.2.2 Quy trình tổng hợp carboxymethyl cellulose 27

2.2.3 Quy trình tổng hợp CMC kháng khuẩn 27

2.3 Các phương pháp nghiên cứu 28

2.3.1 Các phương pháp nghiên cứu xác định tính chất vật liệu 28

2.3.2 Các phương pháp xác định cấu trúc vật liệu 30

2.3.3 Đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu 30

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

3.1 Nghiên cứu quy trình tách cellulose từ lá dứa 32

3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiền xử bằng dung dịch NaOH 32

3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng công đoạn tẩy trắng lá dứa 33

3.2 Nghiên cứu quy trình tổng hợp CMC từ cellulose lá dứa 37

3.3.1 Nghiên cứu lựa chọn dung môi cho phản ứng carboxymethyl hóa cellulose37 3.3.2 Ảnh hưởng của trạng thái cellulose đến phản ứng tổng hợp CMC 40

3.2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng NaOH/cellulose đến phản ứng

tổng hợp CMC 44

3.2.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng MCA/cellulose đến phản ứng

tổng hợp CMC 47

3.3 Nghiên cứu khả năng tạo đặc của sản phẩm CMC 52

3.4 Nghiên cứu tổng hợp CMC kháng khuẩn 55

3.4.1 Nghiên cứu điều kiện tổng hợp CMC kháng khuẩn 56

3.4.2 Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của ZnCMC 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 76

SẢN PHẨM KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 84

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1: Phạm vi nhớt của dung dịch CMC 15

Bảng 1 2: Ứng dụng của CMC trong một số lĩnh vực 19

Bảng 2 1: Danh mục các dung môi và hóa chất 26

Bảng 3 1: Khối lượng bã lá dứa sau công đoạn tiền xử lý bằng kiềm 33

Bảng 3 2: Trạng thái sợi cellulose được tẩy trắng với tỷ lệ L/R khác nhau 33

Bảng 3 3: Trạng thái sợi cellulose được tẩy trắng với nồng độ H2O2 khác nhau 34

Bảng 3 4: Trạng thái sợi cellulose được tẩy trắng ở nhiệt độ khác nhau 35

Bảng 3 5: Độ kết tinh của các mẫu CMC và cellulose 52

Bảng 3 6: Đánh giá độ tan của các mẫu CMC kháng khuẩn 56

Bảng 3 7: Hiệu suất kháng khuẩn của dung dịch CMC 64

Bảng 3 8: Hiệu suất kháng khuẩn của màng hydrogel 65

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Cấu trúc của CMC 3

Hình 1 2: Các phản ứng trong quá trình tổng hợp CMC 8

Hình 1 3: Phụ phẩm nông nghiệp 10

Hình 1 4: Dứa được trồng ở Việt Nam 12

Hình 1 5: Cơ chế tạo đặc của CMC 14

Hình 3 1: Hình ảnh bã lá dứa sau công đoạn kiềm hóa và công đoạn tẩy trắng 32

Hình 3 2: Phổ FTIR của cellulose 36

Hình 3 3: Phổ XRD của cellulose 37

Hình 3 4: Hiệu thu carboxymethyl hóa cellulose với dung môi khác nhau 38

Hình 3 5: Giá trị DS của CMC tổng hợp trong các dung môi khác nhau 39

Hình 3 6: Khối lượng phân tử với dung môi khác nhau 40

Hình 3 7: Hiệu suất thu CMC với trạng thái cellulose khác nhau 41

Hình 3 8: Giá trị DS của CMC tổng hợp từ cellulose có trạng thái khác nhau 41

Hình 3 9: Khối lượng phân tử của CMC tổng hợp từ cellulose có trạng thái khác nhau 43

Hình 3 10: Hiệu suất thu CMC với các tỷ lệ khối lượng NaOH/cellulose khác nhau 44

Hình 3 11: Giá trị DS của các mẫu CMC tổng hợp với các tỷ lệ khối lượng

NaOH/cellulose khác nhau 45

Hình 3 12: Khối lượng phân tử với các tỷ lệ khối lượng NaOH/cellulose khác nhau 46

Hình 3 13: Hiệu suất thu CMC với tỷ lệ khối lượng MCA/cellulsoe khác nhau 47

Hình 3 14: Gía trị DS của các mẫu CMC tổng hợp với tỷ lệ khối lượng MCA/cellulose khác nhau 48

Hình 3 15: Khối lượng phân tử với tỷ lệ MCA/cellulose khác nhau 49

Hình 3 16:Phổ FTIR của cellulose và các mẫu CMC 49

Hình 3 17: Ảnh SEM của cellulose và CMC 50

Hình 3 18: Phổ XRD của cellulose và các mẫu CMC 51

Hình 3 19: Độ nhớt của dung dịch CMC với các mối trường pH khác nhau 53

Hình 3 20: Độ nhớt của dung dịch CMC với các nồng độ dung dịch khác nhau 53

Hình 3 21: Độ nhớt của dung dịch CMC trong các dung dịch muối khác nhau 54

Hình 3 22: Độ nhớt của dung dịch CMC với các nồng độ muối cation 3+ khác nhau 55

Hình 3 23: Độ nhớt cuả dung dịch CMC với các tỷ lệ thay thế Zn2+ khác nhau 57

Hình 3 24: Độ nhớt dung dịch CMC với tỷ lệ Pectin khác nhau 58

Hình 3 25: Phổ EDX của CMC kháng khuẩn 59

Hình 3 26: Ảnh SEM của Zn-CMC ở độ phóng đại: (a): 1000 lần, (b):10000 lần 59

Hình 3 27: Phổ FTIR của NaCMC và ZnCMC 60

Hình 3 28: Phổ XRD của ZnCMC 61

Hình 3 29: Ba mẫu dung dịch CMC kí hiệu 1,2,3 63

Hình 3 30: Ảnh thử nghiệm khả năng kháng khuẩn E coli của 3 mẫu dung dịch CMC ở các độ pha loãng là 3, 4 và 5 63

Hình 3 31: Ảnh thử nghiệm khả năng kháng khuẩn S aureus của 3 mẫu dung dịch CMC ở các độ pha loãng là 3, 4 và 5 64 Hình 3 32: Màng hydrogel 65

Hình 3 33: Kết quả khả năng kháng khuẩn E coli của các màng hydrogel ở các độ pha loãng là 3, 4 và 5 66 Hình 3 34: Kết quả khả năng kháng khuẩn S aureus của các màng hydrogel ở các độ pha loãng là 3, 4 và 5 67

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Cellulose

Natri Carboxymethyl Cellulose

spectroscopy

Tán xạ năng lượng tia X

Spectroscopy

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

MỞ ĐẦU

Ngày nay, để đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp ngày càng tăng trên toàn cầu

thì ngành công nghiệp phụ gia tạo đặc cũng phát triển nhanh chóng và đóng vai trò vô

cùng quan trọng Trong đó, carboxymethyl cellulose (dẫn xuất của cellulose với acid

chloroacetic) hay được gọi là CMC là một phụ gia được sản xuất hằng năm với khối lượng lớn cung cấp cho nhiều nghành công nghiệp như thực phẩm, dược phẩm,

hóa mỹ phẩm, chất tẩy rửa, sơn và chất phủ, keo dính, gốm sứ, khai khoáng Phụ gia

CMC được sử dụng rộng rãi bởi những chức năng quan trọng của nó như: khả năng

tạo đặc, khả năng ổn định nhũ tương, khả năng ổn định huyền phù, khả năng kết dính…Sản phẩm phụ gia CMC thương mại hiện nay rất phong phú thường ở dạng

tinh khiết, bán tinh khiết và kỹ thuật

Nhu cầu sử dụng CMC trong các ngành công nghiệp là cực kì lớn Quy mô thị

trường carboxymethyl cellulose toàn cầu được định giá là 1.566,9 triệu đô la vào năm

2020 và dự kiến sẽ đạt 2.439,4 triệu đô la vào năm 2030, đạt tốc độ tăng trưởng kép

hàng năm là 4,0% từ năm 2021 đến năm 2030 Bên cạnh tiềm năng thị trường rộng mở

CMC còn có những mặt hạn chế về khả năng tạo đặc, khả năng hòa tan, đặc biệt hơn

CMC là dẫn xuất của cellulose – nguồn thức ăn của nhiều loại vi sinh vật; dẫn đến hiện

tượng nấm, mốc gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng sản phẩm mà chúng làm

phụ gia Ngoài ra, nguồn nguyên liệu sản xuất CMC hiện nay chủ yếu đến từ gỗ, bông

với các quy trinh tách cellulose phức tạp, đây là thách thức trong quá trình sản xuất và

xử lí chất thải, do vậy giá thành sản phẩm cao Chính vì vậy, việc tạo ra dòng sản phẩm

phụ gia tạo đặc kháng khuẩn, có giá thành thấp hơn đang nhận được nhiều sự quan tâm

từ các nhà khoa học

Sản xuất CMC kháng khuẩn từ các nguồn phụ phẩm nông nghiệp giàu cellulose

đang là giải pháp có nhiều tiềm năng để giải quyết những vấn đề trên Việc tìm nguồn

phụ phẩm có khả năng tách cellulose dễ dàng mà đáp ứng được yêu cầu về khối lượng

dồi dào, liên tục để sản xuất quy mô công nghiệp đang thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu Việt Nam với lợi thế là một quốc gia nông nghiệp, hàng năm thải ra lượng khổng lồ phụ phẩm giàu cellulose, có nhiều tiềm năng phát triển công nghiệp sản xuất phụ gia CMC Chính vì vậy đề tài “Nghiên cứu tổng hợp và tính chất phụ gia tạo đặc, kháng khuẩn trên cơ sở dẫn xuất cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp” được đưa ra nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao Đề tài được triển khai nhằm mục đích xây dựng quy trình tổng hợp CMC từ phụ phẩm lá dứa, đánh giá khả năng tạo đặc và kháng của sản phẩm CMC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về Carboxymethyl Cellulose (CMC)

1.1.1 Khái niệm về Carboxymethyl Cellulose (CMC)

Carboxymethyl cellulose (CMC) là một polymer, dẫn xuất anion, tan trong nước của cellulose với các nhóm carboxylmethyl (-CH2COOH) CMC tồn tại phổ biến dưới dạng muối của Natri carboxymethyl cellulose (NaCMC), nó còn một số tên gọi khác như sodium cellulose glycolat, NaCMC, cellulose gum Cấu trúc của CMC là những chuỗi dài, mạch thẳng (Hình 1.1) Các nhóm carboxylmethyl (-CH2COOH) thay thế một số nguyên tử hydro của nhóm hydroxyl trên mạch cellulose, giúp chúng thể hiện các hoạt tính hóa học khác

Hình 1 1: Cấu trúc của CMC [20]

1.1.2 Tính chất của Carboxymethyl Cellulose (CMC)

a) Tính chất vật lý

CMC có màu trắng ngà, ở dạng sợi hoặc bột mịn, không mùi, không độc, hút ẩm

và có khả năng phân hủy sinh học CMC tan được cả trong nước nóng và nước lạnh, tạo dung dịch keo, CMC không tan trong một số dung môi hữu cơ như alcohol, ester, isopropanol, acetone Độ hòa tan của CMC phụ thuộc vào pH, độ thế (DS) và khối

lượng phân tử

b) Tính chất hóa học

Các tính chất hóa học của CMC phụ thuộc vào số lượng các nhóm carboxylmethyl thế vào vị trí các nhóm hydroxyl (OH) trên mạch polyme hay còn được gọi là độ thế (DS) và chiều dài mạch cellulose Một tính chất hóa học quan trọng khác của CMC là khối lượng phân tử ảnh hưởng đến các thông số về độ tan, tính ổn định, tính chất cơ học, độ hút ẩm CMC tan trong nước và kiềm ngay cả khi có DS thấp Mặt khác, trong môi trường acid CMC bị kết tủa do hình thành liên kết hydro giữa các nhóm carboxyl [31]

1.1.3 Đặc trưng của dung dịch CMC

Trong các nghiên cứu về CMC bên cạnh các tính chất vật lí và hóa học đã được nêu ở mục 1.1.2 thì đặc trưng về dung dịch của CMC đóng vai trò vô cùng quan trọng quyết định đến ứng dụng của chúng trong công nghiệp sản xuất Tính lưu biến, độ

nhớt, độ thế (DS) là những tính chất được thảo luận

1.1.3.1 Tính lưu biến

Trong nghiên cứu về tính chất của CMC, tính lưu biến đóng vai trò quan trọng,

nó nghiên cứu về ứng xử dòng chảy và sự biến dạng của dòng chảy dưới tác dụng của lực Tính lưu biến có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc của vật liệu polymer như cấu trúc, kích thước vật liệu, nồng độ, hình dạng hoặc đặc điểm bề mặt Từ đó đưa ra góc nhìn tổng quát về hệ dòng chảy như thixotropy, pseudoplastic, viscoelastic và ứng suất-biến dạng dòng chảy [36]

và duy trì trạng thái chất lỏng khi ứng suất tác dụng giao nhau với ứng suất chảy [36]

DS từ 0,9 đến 1,2 Những loại CMC này thường được ứng dụng trong thực phẩm và

mỹ phẩm [36]

Viscoelastic (hay còn gọi là độ dẻo) là dạng polyme vừa thể hiện tính chất nhớt

và tính đàn hồi Chúng có khả năng chống lại dòng chảy và biến dạng tuyến tính theo thời gian dưới tác dụng của ứng suất, đồng thời đàn hồi khi bị kéo căng sẽ trở lại trạng thái ban đầu khi hết ứng suất Hơn nữa, những vật liệu này thể hiện sự biến dạng phụ thuộc vào thời gian Độ dẻo của CMC phụ thuộc vào nồng độ dung dịch Tính chất này của CMC khiến chúng được ứng dụng rộng trong hydrogel của lĩnh vực y sinh, nông nghiệp hay thực phẩm [36]

c) Thixotropy

Thixotropy là đặc tính của một số chất lỏng hoặc gel trở nên loãng hơn khi tác dụng một lực không đổi và sau khi giảm lực, độ nhớt phục hồi hoàn toàn về trạng thái ban đầu trong một khoảng thời gian thích hợp Lực tác dụng càng cao thì độ nhớt càng giảm Thixotropy là một hiện tượng phụ thuộc vào thời gian, vì độ nhớt của chất phải phục hồi sau một thời gian nhất định khi lực tác dụng bị loại bỏ Thixotropy của CMC đôi khi phụ thuộc vào giá trị DS hoặc hệ số nồng độ của nó Trong thế kỷ 20, Feddersen và Throp (1993) [18] đã nghiên cứu tính chất thixotropy sắc nét của CMC với giá trị DS thấp (0,4 đến 0,7) và nồng độ hoặc độ nhớt cao Trong quá trình cô đặc cao, thixotropy cao hơn so với nồng độ thấp hơn của chất lỏng do sự hình thành các vùng không hòa tan cao hơn trong chất lỏng Theo Ghannam và Esmail (1997) [20], không xác định được thixotropy của CMC với nồng độ từ 1 đến 3% của dung dịch CMC Trên 3% (tức là 4% hoặc 5%), thixotropy của CMC tăng tốc khi nồng độ CMC tăng lên, trong khi ở 5% CMC, dung dịch cho thấy hành vi thixotropic cao hơn và rõ ràng hơn so với nồng độ 4% của CMC Các CMC thuộc dạng thixotropy thường được ứng dụng trong các loại thuốc tiêm Nó giúp mũi tiêm thấy thoải mái và dễ tiếp cận qua

da Khi tác dụng áp lực lên pít tông trong quá trình tiêm, các hạt huyền phù dễ bị phá

vỡ và giảm độ nhớt của chúng Dung dịch trong ống tiêm có độ nhớt thấp cho phép các hạt thuốc lơ lửng dễ dàng đi qua bên trong da mà không có bất kỳ hiệu ứng kích ứng

nào Sau khi tiêm thuốc, các hạt lơ lửng lại được tập hợp lại và tăng cường tính nhất quán của chúng bên trong da Hành vi này giúp giải phóng thuốc trong cơ thể con người một cách bền vững [36]

1.1.3.2 Độ nhớt

Độ nhớt là thước đo khả năng chống lại dòng chảy của chất lỏng và xác định ma sát bên trong của chất lỏng chuyển động CMC là vật liệu cao phân tử, dung dịch nhớt trong môi trường nước do khả năng hòa tan cao trong nước Do đó, thông số độ nhớt đóng một vai trò quan trọng trong việc mô tả các đặc tính trong nước của CMC Độ nhớt CMC phụ thuộc vào điều kiện phản ứng (kích thước cellulose, nhiệt độ phản ứng, nồng độ NaOH, khối lượng phân tử, DS) và tính chất của dung dịch CMC (pH của dung dịch, cation có mặt trong dung dịch, nồng độ dung dịch, nhiệt độ dung dịch)

[36,45]

Độ nhớt là thông số quan trọng đánh giá ứng dụng phù hợp của CMC Ví dụ như trong ngành công nghiệp thực phẩm, CMC có độ nhớt thấp được xem như là chất kết dính và tạo ẩm, còn CMC có độ nhớt cao là chất tạo gel Người ta thường dùng bentonite để điều chỉnh độ nhớt của CMC có độ nhớt thấp Một ví dụ khác với ngành y sinh hay mỹ phẩm, CMC có độ nhớt cao thường được dùng làm chất độn trong thuốc, CMC có độ nhớt thấp làm phụ gia mỹ phẩm do chúng có khả năng tiếp cận và lan rộng

1.1.3.3 Mức độ thay thế (DS)

Mức độ thay thế (DS) là thông số quan trọng trong việc xác định hoạt động hóa học dẫn xuất từ cellulose được xác định bằng số nhóm thế cacboxymethyl gắn vào mỗi đơn vị vòng glucose, có giá trị từ 0 đến 3 DS đóng một vai trò quan trọng trong xác định tính chất của CMC như tính chất hòa tan, tính nhũ tương, đặc tính làm đặc, tính kháng acid, độ nhớt, độ ổn định và tính chịu muối của CMC [12] Ví dụ, CMC hoàn toàn không hòa tan nhưng có thể trương nở dưới giá trị 0,4 DS Ngược lại, CMC hòa

tan hoàn toàn vượt quá 0,4 (DS) [28, 46] CMC tan trong dung dịch kiềm có nồng độ từ

4 - 8% có DS từ 0,1 đến 0,5 DS càng tăng CMC có khả năng chịu muối và tăng cường

độ hút ẩm Độ kết tinh của CMC là ở DS có giá trị từ 0,82 đến 1,0 Với các nguồn gốc cellulose khác nhau DS cũng thay đổi [36]

1.2 Phản ứng tổng hợp CMC

1.2.1 Cơ chế phản ứng tổng hợp CMC

CMC thường được sản xuất bằng phản ứng ete hóa cellulose-kiềm và acid monocloacetic CMC hầu như tồn tại ở dạng muối natri nhưng nó thường được gọi đơn giản là carboxymethyl cellulose (CMC) Các nhóm carboxylmethyl (-CH2COOH) được thế ở vị trí cacbon 2, 3 và 6 [8] Mỗi đơn vị anhydroglucose (βglucopyranose) có ba nhóm phản ứng (hydroxyl) vậy về mặt lý thuyết, giá trị DS có thể nằm trong khoảng từ

0 (chính cellulose) đến 3 (cellulose được thay thế hoàn toàn) [28] Nhìn chung, DS của cacboxymetyl cellulose thu được bằng phản ứng kiềm hoá cellulose với natri monocloaxetat nằm trong khoảng 0,4-1,3 [8] Quy trình tổng hợp CMC bao gồm hai bước phản ứng, đó là quá trình kiềm hóa và quá trình ether hóa (Hình 1.2):

Hình 1 2: Các phản ứng trong quá trình tổng hợp CMC

Mục đích của giai đoạn kiềm hóa là phá vỡ cấu trúc tinh thể của cellulose tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng ghép các nhóm carboxylmethyl [8] Mặt khác, NaOH còn hòa tan hemicellulose và lignin Trong quá trình kiềm hóa, hỗn hợp lỏng gồm nước và cồn (thường là isopropanol hoặc ethanol) có vai trò như một chất hòa tan, hòa tan NaOH và phân tán nó đồng đều với các nhóm hydroxyl của cellulose tạo thành alkali cellulose Sau đó, dung dịch NaOH sẽ tiến vào trong cấu trúc tinh thể của cellulose,

xảy ra quá trình solvate hóa các nhóm hydroxyl và phá vỡ các liên kết hydro để dễ dàng tham gia phản ứng ether hóa [24] Tiếp theo, cellulose đã kiềm hóa sẽ phản ứng với monochloroacetic acid (MCA) hoặc muối của nó, natri monochloroacetate acid (NaMCA) để tạo thành ether carboxymethyl cellulose Bên cạnh đó, phản ứng thủy phân MCA trong môi trường kiềm NaOH để tạo thành hai sản phẩm phụ đó là natri glycolate và sodium chloride, theo phương trình dưới đây:

Trong quá trình carboxylmethyl hóa này, lượng NaOH ban đầu phải đủ lớn để duy trì độ pH kiềm trong suốt phản ứng [24] Nếu pH trong phản ứng ete hóa có tính acid, một phản ứng ete hóa nội bộ sẽ xảy ra và làm cho các phân tử CMC bị liên kết chéo [21] Do đó, độ pH rất quan trọng trong phản ứng ete hóa Ngoài ra hiệu suất của phản ứng kiềm hóa cũng phụ thuộc vào dung môi cồn sử dụng, hiệu suất kiềm hóa với ethanol thấp hơn isopropanol vì NaOH có xu hướng dễ bị hoà tan trong etanol [31] Một lượng Na+ và OH- sẽ đi vào pha cồn của isopropanol và làm cho nồng độ NaOH cao hơn trong vùng lân cận của cellulose, kết quả là phá vỡ cấu trúc của cellulose và cellulose sẽ chuyển thành Na-cellulose sau đó sẽ diễn ra phản ứng tạo ra CMC

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp CMC

Hiệu suất thu hồi CMC chủ yếu được đánh giá thông qua độ thế (DS) mà CMC đạt được Một số yếu tố có ảnh hưởng lớn đến độ thế DS của CMC như dung môi, trạng thái của cellulose, tỷ lệ hoạt hóa và hàm lương MCA là vô cùng quan trọng Hiện nay, CMC có DS cao thường được tổng hợp bằng cách sử dụng một hàm lượng lớn MCA, chưa tối ưu cho việc sản xuất Do vậy, việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp CMC sẽ có thể điều chỉnh tổng hợp được CMC như mong muốn

1.3 Sản xuất Carboxymethyl Cellulose (CMC) từ phụ phẩm nông nghiệp

1.3.1 Tình hình nông nghiệp ở nước ta

Hàng năm nước ta thải ra hàng triệu tấn phụ phẩm nông nghiệp không có giá trị

sử dụng chẳng hạn như rác thải từ các loại cây công nghiệp, cây lương thực, sản xuất hoa quả, thực phẩm… chủ yếu là lá dứa, vỏ dứa, vỏ trấu, mùn cưa, bã mía, cùi ngô, bẹ ngô, xơ dừa, rơm, rạ…(Hình 1.3) Đây là nguồn nguyên liệu khổng lồ và ngày càng gia tăng Đã có một số giải pháp tận dụng và xử lý các nguồn phụ phẩm trên như làm chất đốt, thức ăn chăn nuôi hay nguyên liệu để ủ phân bón hữu cơ,… tuy nhiên phần lớn vẫn đổ bỏ gây lãng phí và ô nhiễm môi trường

Hình 1 3: Phụ phẩm nông nghiệp 1.3.2 Sản suất CMC từ phụ phẩm nông nghiệp

Hiện nay, tổng hợp CMC từ nguồn phụ phẩm nông nghiệp đã được nhiều nước trên Thế giới nghiên cứu, chủ yếu tập trung vào các loại có cấu trúc thân mềm nên việc thu hồi cellulose là khá dễ dàng, quy trình tiền xử lý đơn giản Mohammad Mousavi và cộng đã tổng hợp CMC từ bã mía đạt DS là 0,78, qua 2 giai đoạn là tẩy trắng bằng NaClO, sau đó loại bỏ hemicellulose bằng KOH (1:20) tại 80oC trong 2 giờ thu được

cellulose [8], sau đó phản ứng carboxymethyl trong dung môi isopropanol với tỷ lệ 1g

cellulose /30ml dung môi, 30 ml NaOH 30% và 10,8g MCA [8]

Tại Việt Nam, đã có nhiều kết quả tổng hợp CMC từ phụ phẩm nông nghiệp Tác giả Phan Thị tuyết Mai và cộng sự [31] đã nghiên cứu tổng hợp CMC từ rơm rạ đạt độ thế 0,97 với điều kiện tách cellulose bằng NaOH 1,5M và H2SO4 0,5M, sau đó phản ứng carboxymethyl hóa trong isopropanol bổ sung NaOH 16% w/v tại 60oC trong 2 giờ, tỷ lệ khối lượng MCA đối với cellulose là 0,8/1 (g/g) Trong một công bố khác, tác giả Phan Thị tuyết Mai và cộng sự [32] đã nghiên cứu tổng hợp CMC từ lá dứa đạt độ

thế 0,94 với điều kiện tách cellulose bằng NaOH 0,75M và H2SO4 0,5M, sau đó phản ứng carboxymethyl hóa trong isopropanol bổ sung NaOH 16% w/v tại 60oC trong 2 giờ, tỷ lệ khối lượng MCA đối với cellulose là 0,6/1 (g/g) Tác giả Ngô Thị Sen [33] cũng đã công bố nghiên cứu tổng hợp CMC từ vỏ chanh leo đạt độ thế 0,78 với điều kiện tách cellulose từ vỏ chanh leo bằng bằng NaOH 1M tại 90oC trong 1 giờ và HNO3

1,25M trong 1 giờ, sau đó thực hiện phản ứng carboxymethyl hóa trong isopropanol có

bổ sung NaOH trong 1,5 giờ ở 70°C, tỷ lệ khối lượng MCA đối với cellulose là 0,4/1 (g/g) [32]

Việc thu hồi cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp và nghiên cứu các phương pháp biến tính chúng thành CMC hoặc cũng như các dẫn xuất của cellulose đang là xu hướng để thay thế các nguồn nguyên liệu từ gỗ, bông ở hiện tại Với nguồn phụ phẩm lớn dễ tìm kiếm thì nếu như khai thác hết được tiềm năng giá trị của chúng thì việc sản suất CMC rồi ứng dụng được trong thực tế sẽ là một bước phát triển cho nền khoa học cũng như kinh tế của cả Thế giới, đồng thời cũng có thể khắc phục được các vấn đề môi trường đối với phế thải nông nghiệp Tuy nhiên việc sản xuất CMC quy mô công nghiệp từ phụ phẩm khác nhau, chi phí sản xuất còn cao và đặc biệt là nguồn nguyên liệu không ổn định, phân bổ theo mùa vụ, khó khăn trong việc thu gom và lưu trữ

Giải pháp cho vấn đề này là việc lựa chọn nguồn phụ phẩm có sản lượng lớn và sẵn có

quanh năm, thu hồi tối đa được các sản phẩm để giảm chi phí sản xuất

1.3.3 Sản xuất CMC từ lá dứa

Hiện nay, Việt Nam thuộc nhóm chín nước có diện tích trồng dứa lớn nhất thế giới, đứng thứ ba ở Đông Nam Á (sau Thái Lan và Philippine) Năm 2021, Ninh

Bình có khoảng hơn 2.600 ha trồng dứa, đạt sản lượng 45.000 – 50.000 tấn/năm Ngoài

ra, ở Thanh Hóa cũng có khoảng 3.000 ha trồng dứa Các vùng trồng dứa lớn nhất của

nước ta là các tỉnh Tây Nguyên và khu vực Tây Nam Bộ lên đến hơn 100.000 ha Mỗi

ha dứa sau khi thu hoạch thải ra trên 50 tấn lá dứa (Hình 1.4) Do vậy, lượng lá dứa

nước ta thải ra là rất lớn, hàng triệu tấn mỗi năm

Hình 1 4: Dứa được trồng ở Việt Nam

Tuy nhiên, ngành sản xuất dứa mới chỉ tập trung thu hoạch quả dứa tươi và các

sản phẩm chế biến từ quả như nước ép, miếng, mứt… Còn các phụ phẩm từ việc thu

hoạch dứa chủ yếu là lá dứa thì chưa được khai thác mà hiện vẫn đang vứt bỏ tại ruộng

và được xử lý bằng cách đốt và phun thuốc diệt cỏ…gây ô nhiễm môi trưởng và ảnh

hưởng sức khỏe của người dân Với lợi thế về thành phần cellulose cao và dễ tách, lá

dứa là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất các sản phẩm từ cellulose

Đã có một số nghiên cứu sử dụng là dứa để ứng dụng sản xuất vải da thay cho da động vật, tổng hợp vật liệu aerogel và các sản phẩm trên cơ sở cellulose nhằm thay thế các sản phẩm thương mại được sản xuất từ các nguyên liệu như gỗ, bông, đay…Hairul Abral và các cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp sợi nanocellulose từ lá dứa bằng phương pháp cắt cao và siêu âm [26] Ở Việt Nam, tác giả Tô Phương Linh và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp CMC từ lá dứa và ứng dụng CMC làm nguyên liệu tổng hợp vật liệu hydrogel [4] Cellulose được tách từ lá dứa bằng NaOH 0,75M tại 90oC trong 90 phút và HNO3 0,75M tại 90oC trong 90 phút [4], sau đó phản ứng carboxymethyl hóa được thực hiện trong isopropanol có bổ sung NaOH, bổ sung MCA với tỷ lệ khối lượng MCA/cellulose là 0,8 g/g, ở 60oC tại 90 phút, sản phẩm CMC đạt DS là 0,942 [4] Trong một công bố của tác giả Nguyễn Diệu Phương và công sự [30] đã nghiên cứu tách thành công từ phế thải lá dứa bằng NaOH 0,75M ở 90oC và HNO3 5M ở 70oC trong thời gian lần lượt là 1,5 giờ và 5 giờ Các sợi cellulose thu được, có đường kính trung bình 150-300 nm, được chuyển thành carboxymethyl cellulose (CMC) bằng quá trình este hóa Với dung môi isopropanol, kiềm hóa bằng NaOH 16% w/v trong 2 giờ, carboxymethyl hóa MCA ở 60oC trong 1,5 giờ CMC thu được có mức độ thay thế (DS) cao là 2,3 [30] Trong nghiên cứu của Phan Thị Tuyết mai và công sự [34] đã nghiên cứu tổng hợp CMC từ là dứa với quy trình tách cellulsoe dung dịch NaOH sau

đó bằng HNO3 ở 90°C Phản ứng tổng hợp CMC được thực hiện giữa cellulose dứa với axit chloroacetic ở 60°C trong 1,5 h Các điều kiện tối ưu cho phản ứng này đã được thiết lập CMC thu được có mức độ thay thế (DS) là 0,91 [34]

1.4 Khả năng tạo đặc của CMC

1.4.1 Cơ chế tạo đặc của CMC trong nước

Cơ chế trương nở

CMC được gọi là chất tạo đặc tự nhiên, ở trạng thái khô chúng là các chuỗi polyme dài cuốn vào với nhau lấp đầy các khoảng không gian giữa các phân tử Khi

được hòa tan trong nước, các phân tử nước sẽ đi sâu vào giữa các sợi CMC và tương

tác với các nhóm chức trên mạch CMC Trong môi trường nước các nhóm chức

carboxyl (-COO-) có cùng điện tích âm trên mạch CMC tương tác đẩy nhau khiến

chuỗi polyme duỗi mạch và trương nở lấp đầy chỗ trống trong dung dịch làm giảm tính

linh hoạt của dung dịch dẫn đến độ nhớt tăng [36,41,8]

Cơ chế hình thành liên kết giữa các phân tử dung môi và CMC

CMC khi hòa tan vào nước, các nhóm chức carboxyl (-COO-) trên mạch polyme

hình thành các liên kết hydro với các ion H+của phân tử nước, khiến các phân tử nước

bị giữ lại khó chuyển động trong dung dịch, điều này làm tăng độ nhớt của dung dịch [48] Hình 1.5 mô tả cơ chế tạo đặc của CMC

Hình 1 5: Cơ chế tạo đặc của CMC

1.4.2 Cơ chế tạo đặc khi có mặt của cation

Đối với các dung dịch CMC chứa các cation2+ và cation3+, các cation cạnh tranh tạo phức với các nhóm chức -COO- và -OH trên mạch CMC khiến các phân tử nước bị giữ lại, tạo đặc cho dung dịch [19] (Hình 1.5)

1.4.3 Cơ chế tạo đặc trong sơn

Các phân tử CMC ngậm nước trở nên cồng kềnh có tương tác tương đối yếu và

dễ bị biến dạng trong điều kiện cắt Các phân tử CMC được định hướng lại trong điều kiện cắt (chải, lăn, phun), chúng tạo thành các lớp song song dẫn đến độ nhớt thấp [9]

1.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của CMC

CMC là polyme hòa tan hoàn toàn trong nước có nguồn gốc từ cellulose CMC phân tán được trong nước lạnh và nước nóng Một trong những ứng dụng quan trọng của CMC là làm chất tạo đặc, Độ nhớt của CMC được phan loại theo các phạm vi khác nhau (Bảng 1.1) Các tính chất như độ thế (DS), khối lượng phân tử (Mw), tốc độ cắt (Shear rate), pH, nhiệt độ, nồng độ ion và nồng độ CMC

Độ thế (DS) của CMC đặc trưng cho mức độ thế nhóm hydroxyl bằng các nhóm carboxymethyl trên mạch phân tử cellulose Khi DS tăng thì khả năng thế nhóm carboxymethyl trên đơn vị glucose càng nhiều dẫn đến khả năng tạo đặc sẽ càng tăng,

do nhiều nhóm -COO- sẽ tương tác và đẩy nhau hơn, mạch phân tử sẽ bị duỗi dài và nhiều nước sẽ xâm nhập dẫn đến khả năng trương nở mạch, đồng thời chính các nhóm thế sẽ tự làm cản trở khả năng di chuyển trong không gian của mạch phân tử và lực tương tác giữa các phân tử sẽ lớn dẫn đến độ nhớt dung dịch sẽ tăng Ngoài ra, thì độ đồng đều của các nhóm thế gây ảnh hưởng lớn đến độ nhớt của CMC Nếu nhóm thế carboxymethyl được thế được đồng đều thì độ dài trung bình được thay thế dự kiến cao hơn khả năng hòa tan tốt hơn ngược lại nếu sự phân bố dày đặc của nhóm carboxymethyl thì khả năng tan sẽ giảm dẫn đến độ nhớt sẽ giảm [49]

b) Ảnh hưởng của khối lượng phân tử (M w )

Khối lượng phân tử (MW) hay chiều dài của một phân tử CMC được mô tả bởi DP liên quan đến số lượng đơn vị anhydroglucose trung bình (AGU) MW của CMC thường từ 20.000 – 1.000.000 g/mol, Mw càng cao mạch phân tử càng dài độ nhớt sẽ càng cao [45]

c) Ảnh hưởng của tốc độ cắt (Shear rate) tới độ nhớt của CMC

Đối với CMC thể hiện tính giả dẻo thì độ nhớt giảm khi tốc độ cắt tăng Ngay sau khi ngừng tác dụng lực cắt, độ nhớt sẽ giảm (chất lỏng pseudoplastic) [47] Những đặc tính giả dẻo này có thể là do các phân tử chuỗi dài của CMC có xu hướng tự định hướng theo lưu lượng Khi ứng suất cắt tăng lên, càng có nhiều chuỗi tự sắp xếp lại dọc theo hướng cắt, thì khả năng chịu cắt đối với lưu lượng (độ nhớt) càng giảm [47] Nhóm OH trên chuỗi CMC, có thể tạo ra liên kết hydro giữa các polyme CMC Trạng thái liên kết tĩnh điện của chuỗi CMC trong dung dịch không ổn định Cắt cơ học mạnh

có thể phá vỡ một số liên kết hydro trong dung dịch dẫn đến khối lượng phân tử nhỏ hơn [47]

d) Ảnh hưởng của pH đến độ nhớt

Dung dịch CMC có độ nhớt ổn định ở nhiệt độ môi trường trong một phạm vi pH rộng, độ nhớt của dung dịch và độ ổn định tốt nhất thu được ở pH 7-9 [45] Khi pH dưới 4 độ nhớt giảm xuống do tạo acid carboxymethylcellulose và các nhóm acid tự do [45, 18] Khi pH lớn hơn 10 độ nhớt có xu hướng giảm nhẹ, do sự liên kết giữa nhóm hydroxyl không thế với các phân tử kiềm giúp thúc đẩy sự phân tán của cellulose [18]

e) Ảnh hưởng của nhiệt độ

Độ nhớt của dung dịch CMC phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Độ nhớt của dung dịch CMC giảm khi tăng nhiệt độ, khi bị giữ ở nhiệt độ cao trong thời gian dài thì sẽ phân hủy và độ nhớt bị giảm vĩnh viễn [18]

f) Ảnh hưởng của ion đến độ nhớt của CMC

Độ nhớt của dung dịch CMC cũng thay đổi đáng kể với sự có mặt của cation và anion Khi thêm các muối NaCl, MgCl2, CaCl2, LiCl… thì sẽ làm giảm độ nhớt của dung dịch CMC theo chiều tăng nồng độ mol của chúng do khi có mặt các ion này các nhóm -COO- bị ion hóa trên chuỗi CMC được bảo vệ tĩnh điện và các chuỗi CMC sau

đó thích nghi với cấu trúc ít giãn nở hơn, hay nói cách khác việc thêm các cation kiềm

dư vào dung dịch CMC có thể gây ra sự kết tụ giữa các anion CMC và các ion kim loại

do lực đẩy tĩnh điện bị loại bỏ Hiện tượng kết tụ này làm giảm số lượng anion CMC tự

do và giảm độ nhớt [39,47] Các cation Ca2+ có thể thu hút nhiều phân tử CMC hơn để tạo thành các hạt keo lớn hơn, do đó làm giảm độ nhớt hơn [39] Tuy nhiên, khi bổ sung muối Al2(SO4)3 thì độ nhớt của dung dich CMC sẽ tăng theo chiều tăng nồng độ mol của ion này, bởi vì các phản ứng thủy phân và trùng hợp xảy ra trong dung dich sẽ tạo ra keo Al(OH)3, làm độ nhớt của dung dịch tăng [18]

g) Ảnh hưởng của nồng độ CMC đến độ nhớt

Độ nhớt của dung dịch CMC phụ thuộc rất lớn vào nồng độ, khi tăng nồng độ CMC thì độ nhớt sẽ tăng mạnh [18, 44] Trong dung dịch CMC đậm đặc thì có rất ít xu hướng cho các ion ngược dấu (Na) di chuyển ra vùng ảnh hưởng của các điện tích lên các phân tử polyme [18] Khi pha loãng, các cation có xu hướng di chuyển vào các vùng liên kết trùng hợp trong nước, để lại điện tích thực trên các phân tử, khi tiếp tục pha loãng, mật độ điện tích trên các chuỗi tăng lên và các chuỗi tiếp tục bung ra nên độ nhớt giảm [44]

1.5 Ứng dụng của CMC làm chất phụ gia tạo đặc kháng khuẩn

1.5.1 Phụ gia tạo đặc CMC

CMC với đặc tính không mùi, không vị, dung dịch CMC trong suốt nên đã và đang đuợc sử dụng trong các loại thực phẩm làm chất tạo đặc, chất kết dính, ổn định huyền phù… nhằm để ngăn chặn sự phân tách do trọng lực của các hạt lơ lửng và tạo

ra các thuộc tính kết cấu mong muốn Bên cạnh đó, CMC còn sử dụng làm phụ gia tạo đặc, chất tạo huyền phù, chất cải tạo bám và chất giữ ẩm trong sơn và lớp phủ gốc nước Nó có thể phân tán nhanh chóng, chống lại sự tấn công của vi khuẩn, nhất quán

và ổn định trong sự thay đổi nhiệt độ Phụ gia này là chất tạo đặc có độ nhớt cao và nó cung cấp khả năng kiểm soát lưu biến mượt mà, khả năng huyền phù hiệu quả và huyền phù sắc tố cho chất lỏng đồng nhất được trộn đều và duy trì, kéo dài thời hạn sử dụng, cải thiện độ bám và dòng chảy mượt mà Tuy nhiên, việc sử dụng CMC làm phụ gia tạo đặc cho sơn vẫn còn gặp một số hạn chế Hầu hết, các CMC trước khi phân tán vào sơn phải hòa tan trong nước, do khi tiếp xúc với nước lớp bên ngoài hạt CMC dễ ngậm nước hình thành gel, gây các kết tụ ngậm nước trên bề mặt khó phân tán đồng đều trong sơn [37] CMC là một polyme có nguồn gốc từ cellulose nên dễ bị các enzyme phân giải cellulose hoặc các vi sinh tấn công, điều này dẫn đến làm giảm độ nhớt và hỏng màng sơn Mặt khác, độ nhớt của CMC dễ bị thay đổi bởi yếu tố từ môi trường, đồng thời độ nhớt của CMC chưa cao so với các sản phẩm dẫn xuất khác từ

cellulose, chi phí sản xuất cao nên chúng thường được ứng dụng trong thực phẩm và dược phẩm Một số ứng dụng của CMC được đưa ra trong Bảng 1.2

Thời gian gần đây, CMC và dẫn xuất của nó đã được ứng dụng nhiều trong dược phẩm, hóa mỹ phẩm Đây là một polyme có tính tương hợp sinh học, thời gian bán hủy dài trong cơ thể sống, độ ổn định cao và liên kết với thuốc CMC có ứng dụng dược phẩm khác nhau như chất kết dính, chất ổn định, chất nhũ hóa, thành phần tạo màng, chất mang đáng tin cậy, v v Những ứng dụng này phụ thuộc rất nhiều vào độ tinh khiết, giá trị DS, độ hòa tan, kích thước hạt, v v của CMC tổng hợp và các dẫn xuất của chúng Đặc tính của CMC được gắn liền với các sản phẩm dược phẩm, nơi nó hoạt động như một yếu tố thiết yếu trong thuốc CMC yêu cầu độ tinh khiết cao đối với các sản phẩm dược phẩm hoặc thực phẩm và điều này được xác định bởi sự hiện diện của các sản phẩm phụ tối thiểu (natri glycolat, natri clorua và lượng kiềm không hoạt động

dư thừa) và cellulose chưa chuyển hóa trong hỗn hợp CMC được sản xuất Giá trị DS

có tác động rất lớn đến độ hòa tan, tính nhũ tương, đặc tính làm đặc, kháng acid, độ nhớt, độ ổn định của CMC, v v Ví dụ, độ hòa tan của CMC tăng lên khi giá trị tăng của DS Ngoài ra, trong các ứng dụng thuốc dạng nhũ tương, CMC hoạt động như một chất nhũ hóa tốt hơn trong phạm vi 0,6 – 0,7 DS so với các phạm vi khác Giá trị DS của CMC yêu cầu nhiều hơn 0,8 đối với các loại thuốc giải phóng bền vững hoặc có kiểm soát trong đó CMC cho thấy khả năng kháng acid và muối đáng kể [36]

Bảng 1 2: Ứng dụng của CMC trong một số lĩnh vực [4]

Chất tẩy rửa Bột giặt, nước rửa bát,

nước rửa xe…

Ngăn không cho bụi bẩn được lắng lại trên vật liệu rửa

trang điểm…

Chất tạo đặc, chất làm bền

Dệt may Thuốc nhuộm Chất làm dày, chất kết dính nước

Thực phẩm Kem, bánh, đồ uống… Chất ổn đinh, duy trì cấu trúc, tăng kết

dính, tang khả năng giữ nước

1.5.2 CMC kháng khuẩn và cơ chế kháng khuẩn

Vi khuẩn là một trong mối quan tâm lớn trong cuộc sống hằng ngày, ngoài việc trực tiếp gây ra nhiều loại bệnh nghiệm trọng do viêm nhiễm trong cơ thể con người, thì nấm mốc cũng gây đến khó khăn trong việc sản xuất và bảo quản nhiều mặt hàng phục vụ đời sống như sơn, màng bọc, mỹ phẩm, Vì vậy nhu cầu phát triển về dòng sản phẩm phụ gia CMC kháng khuẩn là cần thiết

Kháng khuẩn được hiểu là sự phá hủy hoặc kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật, đặc biệt là vi sinh vật gây bệnh Cơ chế của kháng khuẩn được lý giải dựa vào cấu tạo của vi sinh vật Cấu trúc của vi sinh vật bao gồm thành tế bào, màng tế bào, thành phần nội bào Năm 1884, Hans Christian Gram, nhà vi khuẩn học người Đan Mạch, đã phát minh ra phương pháp phân loại vi khuẩn gọi là phương pháp nhuộm Gram Theo phản ứng với Hexamethyl-p-phenylenediamine clorua, một loại thuốc nhuộm pha lê tím, ông chia vi khuẩn thành hai loại: vi khuẩn Gram dương và vi khuẩn Gram âm Phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi trong sàng lọc hoặc xác định các sinh vật kể từ đó

Vi khuẩn gram dương có một mạng lưới thành tế bào dày làm bằng peptidoglycan, giữ lại thuốc nhuộm màu tím tinh thể, do đó, vi khuẩn hiển thị màu tím Thay vào đó, vi khuẩn gram âm có thành tế bào quá mỏng để giữ lại thuốc nhuộm pha lê tím, do đó, vi khuẩn không bị nhuộm màu Các vi khuẩn gram âm hay gram dương đều có màng tế bào chất là lớp kép phospholipid bao gồm lipid anion của của cardiolipin, phosphatidyl glycerol và phosphatidyl serine, khác rất nhiều so với màng tế bào động vật có vú giàu

lipid dạng zwitterionic của phosphatidyl choline, phosphatidyl ethanolamine và

cholesterol Do đó, cấu trúc của vi khuẩn mang điện tích âm cao

Màng tế bào là mục tiêu hàng đầu để tấn công tiêu diệt vi sinh vật Khi đã bị tổn

thương màng tế bào thường rất khó để tái tạo Các polyme kháng khuẩn nhờ lực hút

tĩnh điện giữa đầu cation với màng tế bào Các đuôi kị nước của polyme tấn công vào

các đuôi lipid trên màng tế bào của vi khuẩn, dẫn đến quá trình phân giải màng

Polyme thường chứa các nhóm chức tích điện dương như amin và guanidin trong phân

tử, trong khi màng tế bào của vi khuẩn tích điện âm ở trạng thái bình thường Thông

qua lực tĩnh điện giữa điện tích dương và điện tích âm, các vật liệu cation bị hút vào

màng vi khuẩn anion và tiếp tục thâm nhập vào hoặc trở thành một phần của tế bào

chất của vi khuẩn; chúng cũng có thể chen vào lớp kép photpholipit dẫn đến màng bị

phá vỡ Điều đáng chú ý là không phải tất cả các phân tử cation đều gây độc cho vi

khuẩn Các phân tử sẽ có hại cho màng vi khuẩn tích điện âm khi độ cation đạt đến một

lượng nhất định để đạt được hiệu ứng đa hóa trị Hầu hết các polyme lưỡng tính bao

gồm dư lượng cation và kỵ nước đã giết chết vi khuẩn thông qua cơ chế

ly giải màng [35]

Cơ chế kháng khuẩn của nano ZnO

ZnO là oxit kim loại chuyển tiếp và chất bán dẫn có năng lượng liên kết cao cho

phép có đặc tính oxy hóa cao, do vậy khi tiếp xúc với vi sinh vật chúng làm tổn thương

màng tế bào và làm gián đoạn một số con đường trao đổi chất Bên cạnh đó, phân chia

tế bào là một quá trình quan trọng cho sự sống còn của vi sinh vật Trong số các

protein tham gia vào quá trình này, FtsZ có chức năng then chốt, trong đó nó đóng vai

trò như một giàn giáo để lắp ráp cấu trúc phức hợp đa protein, phân chia, chịu trách

nhiệm điều phối tất cả các bước phân chia tế bào và tái cấu trúc thành tế bào Các hạt

nano ZnO tấn công ức chế FTsZ làm suy giám quá trình phân chia tế bào [11] Cơ chế

kháng khuẩn của nano ZnO được mô phỏng trên Hình 1.6

Hình 1 6: Cơ chế kháng khuẩn [11]

1.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng khả năng kháng khuẩn

a) Chủng loại vi khuẩn

Chủng loại vi khuẩn là một trong những yếu tố quyết định hoạt tính kháng khuẩn

Các chủng vi khuẩn khác nhau sẽ tương thích với với các chất kháng khuẩn khác nhau,

được xác định bằng tính nhạy cảm, sức đề kháng, khả năng chịu đựng và

sự tồn tại [24]

b) Nồng độ chất kháng khuẩn

Các chất kháng khuẩn phát huy tác dụng của nó theo các cơ chế khác nhau, ban

đầu bằng cách ức chế sự tổng hợp thành vi khuẩn (penicillin, glycopeptide,

carbapenem và cephalosporin), ức chế sự sao chép DNA (quinolones) hoặc phiên mã

của nó (rifampicin), làm suy yếu ribosome của vi khuẩn và tổng hợp protein

(macrolides, linezolid, dalfopristin, tetracycline và aminoglycoside), cản trở quá trình

trao đổi chất (sulfonamid và trimethoprim) hoặc phá vỡ màng tế bào chất (polymyxin

và daptomycin) Nồng độ kháng khuẩn khác nhau có thể dẫn đến sự lựa chọn khác nhau của vi khuẩn có khả năng kháng lại chất kháng khuẩn, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả của chất kháng khuẩn [25]

1.5.4 Một số nghiên cứu về CMC kháng khuẩn và ứng dụng

Hiện nay, có một số nghiên cứu về CMC kháng khuẩn Theo Yadollah Ebrahimi cùng các cộng sự (2019) đã phân tán các hạt nano oxit có tính kháng khuẩn cao như CuO, ZnO và Ag cùng với CMC để nghiên cứu dòng sản phẩm màng ăn được có tính

kháng khuẩn [14] Nghiên cứu này được thực hiện với vi khuẩn Escherichia coli (E coli) và Staphylococcus Aureus (S aureus), tương ứng là đại diện của vi khuẩn gram

âm và gram dương, kết quả đưa ra màng nanobiocompozit chứa hỗn hợp Ag, ZnO và CuO ở tỷ lệ phần trăm trọng lượng lần lượt là 1,333, 0,333 và 0,333 có tính kháng khuẩn tốt nhất [15] Một nghiên cứu khác của Mehrdad Mohammadil (2019) về màng

ăn chế tạo kết hợp giữa CMC và gelatin sử dụng tinh dầu Dianthus barbatus làm chất

kháng khuẩn chống ba loại nấm mốc sinh aflatoxin bao gồm A flavus, A parasiticus

và A parasiticus [26] Sự hiện diện của tinh dầu trong các công thức tạo màng ăn được

giúp ổn định các hợp chất phenolic và làm giảm ô nhiễm bề mặt thực phẩm thông qua việc giải phóng dần dần các hợp chất kháng vi sinh vật [27] Công thức màng tối ưu là

tỷ lệ CMC:Gelatin là 4:1, tỷ lệ tinh dầu đưa vào 300, 450 và 600 ppm tinh dầu Dianthus barbatus [26] Một công bố khác của Mamata Das và các cộng sự (2023) tổng hợp màng ăn được nanocompozit carboxymethyl cellulose/natri alginate kháng khuẩn bởi graphene oxit và nano bạc [13] Hiệu quả kháng khuẩn của màng chế tạo được thử

nghiệm với E coli và S aureus vùng ức chế cao nhất là 21,30 ± 0,70 mm đối với E coli và 18,00 ± 1,00 mm đối với S aureus [13]

Một phương pháp khác để tổng hợp CMC kháng khuẩn là ghép trực tiếp các nhóm chức có khả năng kháng khuẩn lên mạch polyme Theo nghiên cứu của Jing Yu

và cộng sự, tetrabutylammonium (TBA) được ghép lên mạch CMC, các dẫn xuất

CMC-TBA cho thấy tác dụng ức chế tốt đối với S aureus và E coli Việc đưa các gốc

tetrabutylammonium vào xương sống carboxymethyl cellulose làm tăng điện tích dương của polyme để tăng cường hoạt động kháng khuẩn Hơn nữa, hoạt tính kháng

khuẩn tăng lên cùng với sự gia tăng mức độ cation hóa và tác dụng ức chế S aureus đáng chú ý hơn so với E coli [48] Ngoài các aminoacid thì các ion kim loại có tính

kháng khuẩn như kẽm (Zn2+) cũng được nghiên cứu để ghép lên mạch của CMC [14]

Hình 1 7: Phản ứng tổng hợp CMC-TBA [13]

Bên cạnh các lĩnh vực về thực phẩm, dược phẩm, sơn và mỹ phẩm, còn có nghiên cứu CMC kháng khuẩn về lĩnh vực thời trang Pei Wang và cộng sự đã nghiên cứu ghép PDxM1 lên mạch CMC ứng dụng tổng hợp vải cotton kháng khuẩn [44]

1.5.5 Phản ứng tổng hợp CMC kháng khuẩn

CMC kháng khuẩn được tổng hợp dựa trên cơ sở thay thế các nguyên tử natri trên mạch Na-CMC bằng các nhóm chức kháng khuẩn như các aminoacid hoặc ion kim loại

có tính kháng khuẩn [14,50] Phản ứng này được chia thành 2 giai đoạn, giai đoạn một

là acid hóa Na-CMC trở thành H-CMC nhờ phản ứng trao đổi giữa Na-CMC và Hydrochloric acid trong dung môi ethanol tuyệt đối [46] Giai đoạn hai thực hiện phản ứng ghép các nhóm chức kháng khuẩn lên mạch H-CMC trong dung môi nước [14,50]

Cơ chế kháng khuẩn được mô tả trong Hình 1.8

Hình 1 8: Phản ứng tổng hợp CMC kháng khuẩn

1.6 Lý do chọn đề tài

Nghiên cứu tổng hợp CMC kháng khuẩn từ phụ phẩm nông nghiệp là bài toán đồng thời giải quyết vấn đề xử lý nguồn phụ phẩm khổng lồ có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường và chế tạo phụ gia tạo đặc, kháng khuẩn có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp

Mục tiêu của nghiên cứu này là nghiên cứu tổng hợp phụ gia tạo đặc kháng khuẩn dựa trên cơ sở dẫn xuất carboxymethyl cellulose từ phụ phẩm lá dứa có độ thế đồng đều cao và hoạt tính kháng khuẩn tốt

1.7 Nội dung nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu tổng hợp và tính chất phụ gia tạo đặc, kháng khuẩn trên cơ sở dẫn xuất cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp” bao gồm bốn nội dung chính:

• Nội dung 1: Nghiên cứu quy trình tách cellulose từ lá dứa

• Nội dung 2: Nghiên cứu quy trình tổng hợp CMC từ cellulose lá dứa

• Nội dung 3: Nghiên cứu khả năng tạo đặc của sản phẩm CMC từ lá dứa

• Nội dung 4: Nghiên cứu tổng hợp Zn-CMC kháng khuẩn

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Hóa chất và nguyên liệu

Luận văn thạc sĩ được tiến hành tại phòng thí nghiệm Hóa sinh và Công nghệ Thực phẩm, Bộ môn Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Các hóa chất đã sử dụng được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2 1: Danh mục các dung môi và hóa chất

(%)

Nguồn gốc

Nguyên liệu: Lá dứa được cung cấp bởi Nông trường Dứa Suối Hai, Ba Vì, Hà Nội, Việt Nam Lá dứa tươi được cắt nhỏ đến kích thước 5 mm được sử dụng luôn hoặc sấy khô ở 60oC trong 24 giờ và bảo quản trong túi zip làm bằng polyethylene, hút chân không, nhiệt độ bảo quản 25 - 30oC, độ ẩm không khí < 80%

2.2 Quy trình tổng hợp

2.2.1 Quy trình thu hồi cellulose từ lá dứa

Lá dứa tươi xay nhỏ đến kích thước < 5mm được xử lý bằng dung dịch NaOH 0,5M ở nhiệt độ phòng (25±3oC), thời gian thay đổi từ 24 giờ đến 96 giờ, sau đó phần rắn được tẩy trắng bằng dung dịch H2O2 5% phần khối lượng (pkl) ở nhiệt độ phòng (25±3oC) trong 96 giờ Tiếp theo, phần bã rắn được xử lý bằng HNO3 0,5M trong 2 giờ

ở 90 oC, bã rắn được rửa đến trung tính và sấy khô và được bảo quản trong túi zip Hiệu suất thu hồi cellulose được tính theo nguyên liệu khô:

𝐻𝐶(%) = 𝑚𝐶

𝑚0 × 100 Trong đó m0, mc là khối lượng lá dứa và cellulose ở trạng thái khô

2.2.2 Quy trình tổng hợp carboxymethyl cellulose

Phản ứng biến tính cellulose thành CMC được thực hiện theo quy trình đã được công bố trong [4] Hiệu suất thu hồi CMC được xác định theo công thức sau:

𝐻𝐶𝑀𝐶(%) = 𝑚𝐶𝑀𝐶

Với mCMC và mC là khối lượng CMC và khối lượng cellulose

2.2.3 Quy trình tổng hợp CMC kháng khuẩn

➢ Quy trình 1: Trộn CMC với các hoạt chất kháng khuẩn ZnSO4

CMC được hòa tan trong dung dịch ZnSO4 ở nhiệt độ phòng (25oC) với tốc độ khuấy trộn bằng máy khuấy từ với tốc độ 1000 vòng/phút, trong 45 phút

➢ Quy trình 2: Ghép cation Zn2+ lên trên mạch CMC

CMC được phân tán trong ethanol bổ sung HCl trong 2 giờ, tách phần rắn bằng kỹ thuật lọc Sau đó, phần rắn được hòa tan trong nước ở 60oC, nhỏ giọt dung

dịch ZnSO4 và thực hiện trong 2 giờ 60oC, khuấy liên tục [14, 46] với tốc độ 1000 vòng/phút, sau đó phần rắn được rửa bằng ethanol 80o, lặp lại 3 lần và sấy ở 40oC trong 17 giờ

2.3 Các phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Các phương pháp nghiên cứu xác định tính chất vật liệu

a) Xác định khối lượng phân tử bằng phương pháp đo độ nhớt

Khối lượng phân tử của CMC được xác định bằng phương pháp đo độ nhớt đặc trưng sử dụng nhớt kế Ubbelohde tại 25oC [43]

Chuẩn bị mẫu dung dịch CMC với nồng độ khác nhau: 5,0; 6,25; 10,0; 12,5; 25,0 g/L, hòa tan trong dung dịch NaOH 6%, để trong 72 giờ để đạt đồng nhất

Các dung dịch mẫu CMC đã hòa tan hoàn toàn được đổ vào mao quản của nhớt kế và tiến hành đo thời gian chảy Mối quan hệ giữa độ nhớt đặc trưng và khối lượng phân tử được thể hiện trong phương trình Mark-Houwink:

η = KMα

Trong đó: K, α là các hằng số tùy theo mỗi loại polyme, M là khối lượng phân tử polyme (g/mol) Tại 25oC và dung môi sử dụng là dung dịch NaOH 6% thì K và α của CMC tương ứng là: 7,3x10-3 và 0,93 [43]

Hình 2 1: Ảnh nhớt kế Ubbelohde

Hình 2 2: Ảnh nhớt kế gilmont

b) Xác định độ nhớt bằng nhớt kế Gilmont

Độ nhớt của dung dịch CMC 1% được xác định bằng phương pháp đo độ nhớt

đặc trưng sử dụng nhớt kế Gilmont tại 25oC [43]

Chuẩn bị mẫu: Các mẫu CMC được cân chính xác 1,0000g sau đó hòa tan vào

100ml nước cất để trong 24h

Lắp nhớt kế Gilmont vào giá đặt trong bể điều nhiệt, rót khoảng 6ml dung dịch

CMC 1% vào ống thủy tinh của nhớt kế sao cho qua vạch đỏ Đóng nhớt kế và điều

nhiệt khoảng 15 phút để đạt nhiệt độ thí nghiệm 25°C Đưa từ từ quả cầu vào cột chất

lỏng, khi đáy quả cầu chạm vạch A thì bắt đầu bấm đồng hồ đo, khi đáy quả cầu chạm

vạch B thì bấm dừng (A,B là vị trí lúc đáy quả bi chạm vạch đỏ) Thời gian chuyển

động ứng với chiều dài đo được lAB Rửa sạch quả cầu, lau khô và lặp lại ít nhất 3 lần,

các lần khác nhau không quá 2 %

mẫu và cặn natri sunfat