Trong đề tài nghiên cứu này, với mục đích tạo màng composite, tinh thể nano cellulose CNCs được điều chế từ nguyên liệu bã trà hoa đỏ sau xử lý được kết hợp với sodium alginate để tạo
TỔNG QUAN
Tổng quan về nguyên liệu, các khái niệm và tính chất
1.1.1 Nguồn nguyên liệu trà hoa đỏ
Trà hoa đỏ, hay còn gọi là hồng trà, có tên khoa học là Camellia longii Orel & Luu, thuộc chi Camellia L., chi lớn nhất trong họ chè Theaceae với khoảng 280 loài trên toàn cầu Chi này phân bố chủ yếu ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, từ dãy Himalaya đến Nhật Bản và Indonesia C longii được phát hiện lần đầu vào năm 2010 và được công bố về mặt hình thái vào năm 2014, hiện đang được xếp hạng là loài cực kỳ nguy cấp Nghiên cứu về tác dụng y học của Camellia đã được tiến hành từ lâu, cho thấy loài này có đặc tính chống oxy hóa, chống viêm, kháng khuẩn, cũng như tác dụng bảo vệ chống sâu răng, lợi tiểu và hỗ trợ điều trị hen suyễn.
Hình 1.1: Hoa trà longii Orel và Luu [6]
Loài này nổi bật với hoa có hình dạng campanulate hoặc gần giống campanulate, mang màu cam đậm đến đỏ với rìa trắng không đều Hoa gồm 5-6 cánh và 3-2 cánh hoa, với các sợi hoa được hợp nhất với nhau và với cánh hoa Buồng trứng của loài này có hình kim cương và có hợp chất 5-6 kiểu bẩm sinh ở gốc.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các loài thuộc chi Camellia L chứa nhiều thành phần hóa học quan trọng, bao gồm polyphenol, flavonoid, tannin, saponin, đường khử tự do, acid amine, sterol, acid hữu cơ, tinh dầu và các nguyên tố vi lượng như selenium (Se), germannium (Ge), kalium (K), molypden (Mo), manganat (Mn) cùng các vitamin B1, B2, C.
Trà hoa đỏ tươi được thu hái, cắt nhỏ và sấy khô, sau đó ngâm trong 90% ethanol ở nhiệt độ phòng trong ba lần, mỗi lần kéo dài 72 giờ Mẫu chiết xuất được lọc và bay hơi dưới áp suất giảm ở 45℃ để thu được dư lượng chiết xuất ethanol Chiết xuất này được lơ lửng trong nước nóng, sau đó để nguội và phân vùng với n-hexane, ethyl acetate và n-butanol Các phần thu được được cô đặc dưới áp suất giảm để tạo ra các phân đoạn khác Quy trình chiết xuất trà hoa đỏ tương tự như đã trình bày trong các nghiên cứu trước đó.
Bã trà hoa đỏ, sau khi chiết xuất, tạo ra một lượng lớn phế phẩm nông nghiệp không có giá trị kinh tế, gây ra thách thức trong việc xử lý chất thải nông nghiệp và bảo vệ môi trường Tuy nhiên, bã trà có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như phát triển thực phẩm, khắc phục môi trường và sản xuất vật liệu composite Cellulose trong bã trà đã được nghiên cứu và cho thấy nhiều tiềm năng ứng dụng, bao gồm việc tổng hợp vật liệu hydrogel và khảo sát khả năng hấp phụ methylene xanh Một trong những thách thức lớn trong việc khai thác cellulose từ bã trà hoa đỏ là sự thiếu hụt dữ liệu khoa học về cấu trúc và tính chất của chúng qua quá trình phân lập.
Hình 1.2: Nguồn nguyên liệu và cấu tạo cơ bản của cellulose [11]
Cellulose là một polysaccharide bán tinh thể [(C6H12O5)n] bao gồm homopoly tuyến tính của các đơn vị anhydrit-D-glucose liên kết β-1,4 với đơn vị lặp lại của cellubiose
Các monome của cellobiose, được gọi là đơn vị anhydroglucose, chứa ba nhóm hydroxyl, tạo thành liên kết hydro mạnh mẽ với các đơn vị glucose liền kề trong chuỗi và với các chuỗi khác Điều này hình thành nên mạng liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử, góp phần tạo ra độ dai và bền cho sợi cellulose Các mạng lưới liên kết hydro này rất chắc chắn trong các phần tinh thể của cellulose, khiến chúng không hòa tan trong nước và có khả năng chống chịu cao với hầu hết các dung môi hữu cơ trong thành tế bào thực vật.
Cellulose là vật liệu xây dựng chính trong thực vật, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc và tính chất cơ học của tế bào thực vật Là một polymer sinh học tự nhiên phổ biến, cellulose chiếm khoảng 35-50% trong tất cả các loại thực vật Nó không chỉ là thành phần cấu trúc của thành tế bào thực vật xanh, tảo, acetobacter và rhizobium, mà còn có khả năng chiết xuất từ nguyên liệu sinh khối, mở ra tiềm năng trở thành nguồn nhiên liệu sinh học tái tạo gần như vô hạn.
Hình 1.3: Cấu tạo của cellulose
Hình 1.4: Mạng lưới liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử trong cấu trúc cellulose
1.1.2.2 Các tính chất cơ bản của cellulose
Cellulose sở hữu nhiều tính chất vượt trội về cơ học, vật lý và hóa học Nó thể hiện độ ổn định cao trong môi trường axit, độ bền kéo ấn tượng, mô đun đàn hồi tốt từ 130–150 GPa, cùng với mật độ thấp (1,6 g/cm³), giúp giảm trọng lượng sản phẩm Đặc biệt, cellulose có khả năng phân hủy sinh học cao và các nhóm chức hydroxyl linh hoạt, cho phép tham gia vào nhiều phản ứng hóa học.
Cellulose có nhiều ứng dụng tiên tiến trong các lĩnh vực năng lượng, môi trường và y tế Vật liệu dựa trên cellulose, bao gồm các vật liệu tổng hợp với chất hữu cơ và vô cơ, được sử dụng trong y sinh nhờ tính kháng khuẩn và khả năng làm băng vết thương, kỹ thuật mô, cũng như bảo vệ khỏi bức xạ cực tím (UV) Cellulose có thể được chế biến thành nhiều dạng khác nhau như hydrogel, aerogel, màng và khung ba chiều (3D), với đặc tính liên kết tốt Tính chất hóa học bề mặt của cellulose có thể được điều chỉnh thông qua các nhóm chức và hợp chất, mang lại tiềm năng lớn trong y sinh Cellulose và các vật liệu tổng hợp của nó có nhiều ưu điểm như tính tương thích sinh học cao, nguồn gốc từ tái tạo, chi phí thấp, độ bền cơ học và vật lý cao, dễ xử lý và quy trình kết hợp đơn giản với các vật liệu khác.
Cellulose là một chất màu trắng, không có mùi và vị, với nhiệt độ nóng chảy đạt 306℃ và mật độ dao động từ 1.27 đến 1.34 Đặc biệt, cellulose không tan trong nước, ngay cả khi được đun nóng.
Các dung môi hữu cơ như aceton, ethylacetate và nitropropane có khả năng tan trong một số dung dịch acid vô cơ mạnh như HCl, HNO3, cùng với các dung dịch muối như ZnCl2 và PbCl2 Chúng là thành phần chính tạo nên màng tế bào thực vật, giúp các mô thực vật có độ bền cơ học và tính đàn hồi Cellulose, chiếm tỷ lệ 95-99% trong bông và khoảng 40-45% trong gỗ, cũng có mặt trong các nguyên liệu như đay, gai, tre và nứa.
Cellulose là một hợp chất hữu cơ polysaccharid, bao gồm chuỗi từ vài trăm đến hàng nghìn đơn vị D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết β (1→4) với công thức (C6H10O5)n, trong đó n dao động từ 5000 đến 14000 tùy thuộc vào nguồn gốc chiết xuất Đây là một polymer có tính phân cực mạnh và độ kết tinh cao, không tan trong nước, nhưng có khả năng trương nở Vùng vô định hình của cellulose có khả năng hấp thụ nước và trương lên, trong khi vùng kết tinh với mạng lưới liên kết hydro ngăn cản sự trương này.
Hình 1.5: Cấu trúc hóa học cơ bản của cellulose thể hiện đơn vị lặp lại cellobiose [20]
Sự trương nở trong tinh thể xảy ra khi dung môi có ái lực mạnh hơn tương tác giữa các phân tử cellulose, dẫn đến phá vỡ liên kết giữa chúng, như trong trường hợp NaOH đậm đặc hay dung dịch Cu(OH)2 trong amoniac Cellulose có thể bị thủy phân thành glucose khi đun nóng trong môi trường acid hoặc kiềm, do liên kết glucozit không bền với acid, gây ra sự phân hủy và tạo thành các sản phẩm thủy phân Việc xử lý bằng kiềm rất hiệu quả và tiết kiệm, vì dung dịch NaOH có khả năng hòa tan và loại bỏ hemicellulose cũng như lignin trong sợi thực vật.
Tổng quan về Cellulose Nanocrystals (CNCs)
1.2.1 Giới thiệu chung về CNCs
Nanocellulose là chất xơ tự nhiên chiết xuất từ cellulose qua các phương pháp hóa học hoặc vật lý, được phân loại thành ba loại chính: cellulose tinh thể nano, cellulose sợi nano và nanocellulose vi khuẩn Mặc dù có cùng thành phần hóa học, các loại này khác nhau về hình thái, kích thước hạt và tính chất do nguồn gốc và phương pháp chiết xuất Cellulose tinh thể nano (CNC) có tính chất cơ học cao, khả năng phân hủy sinh học và tương thích sinh học, là vật liệu lý tưởng cho ngành công nghiệp polymer sinh học Nghiên cứu cho thấy mô đun đàn hồi trục của CNC cao hơn Kevlar và tương đương với các vật liệu gia cố khác CNC có mật độ thấp và bề mặt phản ứng với các nhóm OH, cho phép tùy chỉnh chức năng hóa bề mặt để cải thiện cường độ liên kết trong ma trận polymer Việc sử dụng CNC với chức năng gia cố đã cho thấy độ bền kéo lớn hơn, và CNC được ứng dụng trong màng chắn, màn hình linh hoạt, chất độn gia cố cho polymer trong y sinh, dược phẩm và phân phối thuốc, cũng như trong các linh kiện điện tử.
Hình 1.6: Sơ đồ CNC có thể được chiết xuất từ chuỗi cellulose bằng cách thủy phân acid [32]
Tinh thể cellulose có độ bền cao, thường được chiết xuất bằng cách thủy phân acid [27,
CNC có hình dạng giống như que ngắn hoặc râu ria, với đường kính từ 2-20nm và chiều dài 100-500nm Nó chứa 100% thành phần hóa học cellulose, chủ yếu tập trung ở các vùng tinh thể Các thành phần vô định hình bị thủy phân và loại bỏ bởi acid, trong khi các phần tinh thể vẫn được duy trì CNC sở hữu nhiều tính năng và đặc điểm nổi bật.
Bảy yếu tố quan trọng giúp chất gia cố đạt hiệu quả cao bao gồm: nhóm hydroxyl phong phú, diện tích bề mặt riêng lớn, độ kết tinh cao, tính chất cơ học ưu việt và khả năng ổn định nhiệt tốt.
CNCs, với nguồn nguyên liệu phong phú và phương pháp chiết xuất đa dạng, nổi bật nhờ tính chất cơ học, cấu trúc nano độc đáo và khả năng tương thích sinh học, đang trở thành nguyên liệu hấp dẫn cho nhiều lĩnh vực, bao gồm y sinh, vật liệu nanocomposite và vật liệu biến đổi bề mặt Việc sử dụng CNCs làm chất gia cố vẫn là ứng dụng phổ biến nhất, kết hợp với nhiều loại polymer để cải thiện độ bền kéo và tính chất nhiệt Ngoài ra, CNCs cũng được sử dụng làm mẫu để tổng hợp vật liệu nano, như nghiên cứu của Shaheen và Fouda về hạt nano Ag hấp thụ trên CNC, cho thấy khả năng kháng khuẩn vượt trội CNCs còn được ứng dụng để nâng cao khả năng tương thích sinh học và tính chất cơ học của chỉ khâu phẫu thuật dựa trên chittin, hỗ trợ quá trình chữa lành vết thương.
Tổng quan về Sodium Alginate
Alginate là một polymer sinh học tự nhiên chủ yếu bao gồm axit β-d-mannuronic và axit α-l-guluronic, với cấu trúc polysaccharide ưa nước chiếm đến 40% trọng lượng khô Là nguồn chính của thành tế bào tảo nâu, alginate được chiết xuất từ rong biển cho các mục đích thương mại Đây là polysaccharide duy nhất chứa các nhóm cacboxyl tự nhiên trong mỗi dư lượng cấu thành, mang lại nhiều chức năng khác nhau cho ứng dụng làm vật liệu chức năng.
Alginate đóng vai trò quan trọng trong các sản phẩm thuốc giải phóng có kiểm soát nhờ vào khả năng tạo gel ổn định và polymer không hòa tan khi phản ứng với cation kim loại hóa trị nhiều, đặc biệt là Ca 2+ Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng alginate có tiềm năng đáng kể trong việc phát triển nguồn cung cấp màng phân hủy sinh học hoặc màng ăn được Tuy nhiên, alginate cũng gặp một số hạn chế về điện trở.
8 suất của nước do tính chất ưa nước, do đó việc biến đổi nó bằng các polymer tổng hợp và tự nhiên vẫn được thực hiện
1.4 Màng CNCs/Alginate gia cường
Alginate và các vật liệu tổng hợp sinh học dựa trên alginate đã được ứng dụng rộng rãi trong bao bì thực phẩm, kỹ thuật mô, y sinh và dược phẩm nhờ vào tính không độc hại, khả năng phân hủy sinh học, và tính tương thích sinh học Chúng cũng được sử dụng để chế tạo màng phân hủy sinh học Tuy nhiên, các đặc tính cơ học kém và khả năng chống nước yếu đã hạn chế ứng dụng của alginate, đặc biệt trong môi trường có nước và độ ẩm cao.
Để khắc phục các vấn đề hiện tại, nghiên cứu này tập trung vào phát triển màng nanocomposite bằng cách kết hợp tinh thể nanocellulose vào ma trận alginate nhằm tăng cường chất lượng Các sợi nano cellulose được chiết xuất từ bã trà hoa đỏ, từ đó nghiên cứu ảnh hưởng của các tinh thể nanocellulose (CNCs) ở các tải trọng khác nhau đối với hành vi cơ học, độ tan, độ ẩm và độ trương nở của màng.
1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
CNCs và Sodium Alginate là những nguyên liệu có tiềm năng lớn trong nghiên cứu và ứng dụng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống Mặc dù CNCs được chiết xuất từ nhiều nguồn thực vật khác nhau, nhưng nghiên cứu về bã trà hoa đỏ vẫn còn hạn chế Việc tạo màng từ CNCs và Sodium Alginate đã chứng minh ứng dụng rộng rãi trong y sinh học, bảo vệ môi trường và công nghiệp bao bì Những tiến bộ trong công nghệ sản xuất và ứng dụng của vật liệu composite này hứa hẹn sẽ đóng góp đáng kể vào sự phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.
THỰC NGHIỆM
Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị
Bảng 2.1: Một số loại nguyên liệu và hóa chất được sử dụng
STT Tên Nguồn gốc, xuất xứ
1 Bã trà hoa đỏ Được thu lại sau đề tài nghiên cứu chuyên ngành
4 Acid sulfuric (H2SO4) Xylong – Trung Quốc
11 Sodium carbonate anhydrous (Na2CO3)
2.1.2 Dụng cụ và thiết bị sử dụng
Bảng 2.2: Một số loại dụng cụ và thiết bị được sử dụng
2 Cốc thủy tinh (50ml, 250ml, 500ml, 1000ml) 4
11 Cân kỹ thuật, cân phân tích 1
Quy trình thực nghiệm
2.2.1 Quy trình chiết xuất tạo CNCs đi từ nguyên liệu bã trà hoa đỏ
Hình 2.1: Sơ đồ quy trình thực nghiệm tạo CNCs
Hình 2.2: Sơ đồ hình ảnh quá trình thực nghiệm tạo CNCs
Quá trình chiết xuất CNCs từ bã trà hoa đỏ qua 5 giai đoạn chính như sau:
2.2.2.1 Quy trình tiền xử lý bã trà hoa đỏ
Trà hoa đỏ sau khi được xử lý sẽ được rửa sạch và sấy khô Tiếp theo, nguyên liệu sẽ được sàng qua rây có kích thước 0.63mm để thu được nguyên liệu đồng nhất Việc đảm bảo kích thước đồng nhất là rất cần thiết cho các bước xử lý tiếp theo.
2.2.2.2 Quy trình xử lý bã trà hoa đỏ
Các bước loại bỏ sáp, kiềm hóa và tẩy trắng được thực hiện để loại bỏ sáp, pectin, tạp chất, hemicellulose và lignin từ bã trà hoa đỏ Quá trình này giúp tăng độ tinh khiết của cellulose, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lý tổng hợp CNCs.
Bã trà hoa đỏ được xử lý bằng dung dịch NaOH với nồng độ 3, 5, 7, 9% theo tỷ lệ mẫu/dung dịch 1/30 (g/ml) trong 2 giờ ở nhiệt độ 80℃ trên bếp khuấy từ gia nhiệt Sau 2 giờ, tiến hành tắt bếp để nguội và rửa nhiều lần bằng nước cất.
Lọc mẫu qua rây 450 mesh và điều chỉnh pH khoảng 7 bằng dung dịch H2SO4 Sau đó, mẫu được sấy khô ở nhiệt độ 60℃ cho đến khi đạt độ khô mong muốn, tiếp theo là tiến hành quá trình tẩy trắng.
Quá trình được thực hiện để loại bỏ lignin và phần hemicellulose còn lại trong bã trà hoa đỏ
Để chuẩn bị dung dịch tẩy trắng hiệu quả, cần sử dụng dung dịch NaClO với nồng độ 0.5%, 1% và 2%, kết hợp với dung dịch acid acetic CH3COOH để đạt pH khoảng 4.5 Nên tránh khảo sát ở nồng độ NaClO 4% vì sẽ làm cho mẫu bã trà nhũn, gây khó khăn trong quá trình lọc rửa và giảm hiệu suất tổng hợp.
Bã trà hoa đỏ sau kiềm hóa được khuấy từ gia nhiệt với hỗn hợp dung dịch NaClO +
CH3COOH được xử lý ở 60℃ trong 2 giờ với tỷ lệ mẫu/dung dịch là 1/30 (g/ml) Sau 3-5 lần tẩy, hỗn hợp chuyển từ màu nâu sang vàng và cuối cùng là trắng Mẫu sau khi trắng hoàn toàn được lọc qua rây 450 mesh và rửa nhiều lần bằng nước cất để loại bỏ dung dịch thừa, cho đến khi dung dịch lọc không còn màu Cuối cùng, mẫu thu hoạch được sấy ở 50℃ để tiến hành quá trình thủy phân acid.
2.2.2.5 Quy trình thủy phân aicd H 2 SO 4 và cô lập CNCs
Bã trà đã được tẩy trắng bằng dung dịch H2SO4 65% với tỉ lệ mẫu/acid là 1/30 (g/ml) ở nhiệt độ phòng trong 30 phút Sau thời gian này, tắt bếp khuấy và thêm nước cất đã làm lạnh với thể tích bằng 1.
Để dừng phản ứng, chia đều 2 dung dịch ban đầu vào các ống ly tâm và thực hiện quá trình ly tâm 4-5 lần nhằm loại bỏ bớt acid trong mẫu Sau đó, cân bằng pH của hỗn hợp về khoảng 7 bằng dung dịch NaOH Tiếp tục ly tâm hỗn hợp đã cân bằng pH 12-15 lần để loại bỏ muối Na2SO4 Cuối cùng, mẫu được sấy ở 50℃ trong 2 ngày để thu được CNCs.
Quy trình chế tạo màng CNCs/Sodium Alginate
2.3.1 Quy trình chế tạo màng
Hình 2.3: Quy trình chế tạo màng CNCs/Sodium Alginate
2.3.2 Thuyết minh quy trình Để khảo sát các đặc tính của màng, tiến hành trộn hỗn hợp CNCs/SA với các tỉ lệ phần trăm CNCs theo khối lượng Sodium Algiante lần lượt là 2,5%, 5%, 7,5%, 10%, 12,5% Cân hai loại polymer và glycerol theo tỷ lệ như bảng 2.3, tiến hành hòa tan SA vào 20ml nước cất ở 60-70℃ trong 1 giờ trên bếp khuấy từ Hòa tan CNCs trong 10ml nước cất đến khi hỗn hợp đồng nhất Trộn đều hỗn hợp và cho thêm glycerol vào, khuấy đều trong vòng 1 giờ Để nguội dung dịch và tiến hành đỗ đĩa petri và để khô tự nhiên trong
Trong 24 giờ, màng sau khi khô được ngâm trong dung dịch CaCl2 2% (w/v) trong 1 giờ Sau đó, màng được rửa bằng nước cất và sấy khô ở nhiệt độ phòng Màng khô được bảo quản trong hộp kín để đảm bảo chất lượng.
Bảng 2.3: Thành phần màng CNCs/SA với các tỉ lệ phối trộn khác nhau
2.4 Các phương pháp nghiên cứu
2.4.1 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
Phân tích phổ hồng ngoại FTIR là phương pháp hiệu quả để nhận diện các nhóm chức và theo dõi sự biến đổi của chúng trong quá trình tạo phức, từ đó hình thành các mẫu bột vi bao.
Sự hình thành phức hợp mới được xác nhận qua sự xuất hiện của các dải hấp thụ mới hoặc sự thay đổi cường độ, cũng như sự dịch chuyển của các dải so với vị trí ban đầu.
Bã trà hoa đỏ, sau khi trải qua quy trình xử lý hóa học từ tiền xử lý đến thủy phân acid, đã được sử dụng để tách chiết cellulose và tổng hợp các nano cellulose (CNCs) Quá trình này được đánh giá thông qua phổ biến đổi hồng ngoại Fourier (FTIR).
Hình 2.4: Máy phổ hồng ngoại FTIR Jasco series 4000
Phân tích hóa học của vật liệu được thực hiện thông qua phương pháp phổ hồng ngoại, sử dụng máy FTIR Jasco series 4000, với dải bước sóng từ 400 đến 4000 cm-1 và độ phân giải 2 cm-1.
2.4.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM
Hình 2.5 Máy SEM Hitachi TM4000 Plus
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) TM4000 Plus của Hitachi cho phép quan sát và đánh giá các đặc trưng hình thái học của vật liệu trong khoảng kích thước từ nanomet tới micromet bằng cách sử dụng chùm tia điện tử Ảnh được tạo ra từ việc ghi nhận và phân tích bức xạ do sự tương tác giữa chùm tia electron và bề mặt mẫu SEM là phương pháp xử lý mẫu đơn giản, đạt độ phóng đại lên tới 30.000 lần, sử dụng nguồn điện tử loại dây vonfram và có thể hoạt động ở các điện áp 5 kV, 10 kV hoặc 15 kV với các chế độ đo khác nhau như BSE, SE hoặc Mix Kích thước mẫu tối đa là 80mm x 50mm, và trong nghiên cứu này, phương pháp đo SEM được thực hiện ở chế độ BSE với độ phóng đại 500.
2.4.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Hình 2.6 XRD Model D2 Phaser, hãng Bruker, Đức
Mẫu tinh thể cellulose dạng bột được phân tích bằng máy quang phổ nhiễu xạ tia X Model D2 Phaser, một thiết bị quang phổ XRD định lượng từ hãng Bruker, hỗ trợ kiểm soát quá trình mẫu bột tại Trung tâm Công nghệ Việt Đức Thiết bị sử dụng bức xạ Cu - Kα ở 40 kV và 100 mA, với bức xạ phân tán được phát hiện trong phạm vi góc quét 2θ từ 5° đến 80° với tốc độ quét 0.02°/min.
Chỉ số kết tinh (Crl) được xác định theo công thức:
Trong đó: 𝐼𝑣ô đị𝑛ℎ ℎì𝑛ℎ là cường độ nhiễu xạ thấp nhất tại 200, 𝐼 002 là mũi cực đại của mặt mạng (002) tại 2θ
2.4.4 Phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS) và thế Zeta
Sự phân bố kích thước hạt CNCs trong huyền phù được xác định bằng phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS) thông qua thiết bị Zetasizer Pro của Malvern tại phòng thí nghiệm hóa Polymer, Khoa Công nghệ hóa học & Thực phẩm, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Phương pháp DLS là công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu các thông số hạt dựa trên hành vi khuếch tán của phân tử trong dung dịch, cho phép đo kích thước hạt và phân tử từ 0,3 nm đến 10 µm, với các phép đo được thực hiện ở góc đo 173° và 13°, cùng với nồng độ mẫu thích hợp.
Trong phương pháp đo kích thước hạt DLS, dung dịch tối đa 40% w/v với lượng tối thiểu 12 μL cho phép các hạt chuyển động ngẫu nhiên theo mọi hướng do chuyển động Brown Sự va chạm liên tục giữa các hạt trong dung dịch tạo ra sự thay đổi về khoảng cách ánh sáng tán xạ, từ đó tín hiệu quang được thu nhận và chuyển đổi thành thông tin về kích thước và phân bố kích thước hạt Kích thước hạt thu được là trung bình của ba chu kỳ đo liên tiếp, với mỗi chu kỳ bao gồm 10 – 15 phép đo tự động Kích thước hạt CNCs được đo bằng phương pháp DLS thể hiện đường kính thủy động lực học trung bình của các hình cầu tương đương, không phản ánh kích thước vật lý thực tế của các hạt CNCs dạng que nhưng có giá trị cho các mục đích so sánh.
Thế Zeta của CNCs được xác định bằng thiết bị Zetasizer Pro của Malvern tại phòng thí nghiệm hóa Polymer, Khoa Công nghệ hóa học & Thực phẩm, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Các phép đo được thực hiện trên mẫu huyền phù nước ở nhiệt độ 35°C, với khối lượng mẫu tối thiểu là 20 μL và kích thước trong khoảng 3,8 nm - 100 μm Mẫu huyền phù sẽ được nhỏ vào cuvette nhựa chứa nước cất và được đo ở nhiệt độ 25℃, với chỉ số khúc xạ là 1.46.
Hình 2.7 Máy đo kích thước hạt Malvern Zetasizer Pro
2.4.5 Xác định độ ẩm mẫu Độ ẩm của mẫu được xác dựa cân sấy ẩm ở phòng B213 – phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ hóa học & Thực phẩm, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Khởi động cân và thiết lập các thông số cần thiết Vệ sinh đĩa cân và đặt mẫu vào đĩa, sau đó đóng nắp đĩa cân Quá trình cân sấy ẩm sẽ xác định độ ẩm của mẫu Khi hoàn tất, màn hình sẽ hiển thị kết quả độ ẩm của mẫu.
Hình 2.8: Máy cân sấy ẩm
2.4.6 Phân tích định lượng các nhóm hợp chất polyphenol (TPC), flavonoid (TFC)
Phương pháp xác định tổng hàm lượng polyphenol và flavonoid trong các mẫu sau xử lý được trình bày chi tiết trong bảng 2.4, cho phép định lượng chính xác các chất này.
Bảng 2.4: Phương pháp xác định tổng hàm lượng polyphenol, flavonoid
STT Mẫu Phương pháp Tài liệu tham khảo
1 Thô Tổng hàm lượng polyphenol (TPC)
Claudia Anesini và cộng sự [58]
Quy về miligam đương lượng với chất chuẩn acid gallic (mg GAE/g mẫu)
5 Thô Tổng hàm lượng polyphenol (TFC)
Quy về milligam lượng tương đương với chất chuẩn catechin (mg QE/g mẫu)
2.4.6.1 Xác định tổng hàm lượng polyphenol (TPC)
Mẫu sau khi xử lý được phân tán trong dung dịch methanol 70% ở nhiệt độ 70 o C trong 30 phút Sau đó, dung dịch được phản ứng với thuốc thử Folin-Ciocalteu trong môi trường kiềm Phản ứng này dẫn đến sự oxy hóa các hợp chất polyphenol trong mẫu, tạo ra các acid Heteroply có màu xanh da trời, với độ hấp thu bước sóng cực đại ở 770nm.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Độ ẩm của mẫu trong quá trình tinh chế CNCs
Bảng 3.1: Độ ẩm của các mẫu sau xử lý
STT Tên mẫu Ký hiệu Độ ẩm (%)
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng quá trình tạo thành CNCs từ bã trà hoa đỏ28
3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của quá trình kiềm hóa bã trà hoa đỏ bằng dung dịch NaOH
Cellulose được chiết xuất từ bã trà hoa đỏ bằng cách xử lý với dung dịch NaOH, giúp phá vỡ các liên kết –OH trong cấu trúc mẫu thô Phương pháp này tối ưu hóa quá trình chiết xuất cellulose, mang lại hiệu quả cao hơn.
Fiber-OH +NaOH → Fiber-O - Na + + H2O
Quá trình kiềm hóa là một phương pháp phân loại quan trọng, dẫn đến việc hòa tan một tỷ lệ đáng kể hemicellulose Cơ chế của quá trình này bao gồm sự hòa tan và xà phòng hóa, làm giảm polymer và cắt đứt các liên kết este cũng như liên kết ngang giữa lignin và hemicellulose Các phản ứng chính trong quá trình này tập trung vào việc phân cắt các liên kết α- và β-ether trong các đơn vị phenolic, cũng như các liên kết β-ether trong các đơn vị không phải phenolic, từ đó loại bỏ lignin Đồng thời, quá trình thủy phân các liên kết glycosid trong hemicellulose sẽ giải phóng các loại đường đơn phân và oligome hòa tan từ ma trận chất xơ vào dịch thủy phân.
Cellulose được chiết xuất hiệu quả thông qua quá trình tiếp xúc với sodium hydroxit, giúp tăng cường khả năng tiếp cận của cellulose Xử lý kiềm phá vỡ các liên kết -OH trong cấu trúc sợi bằng cách ion hóa các nhóm hydroxyl, chuyển đổi chúng thành alkoxit, dẫn đến việc tách rời các vùng liên sợi khỏi sợi cellulose Tuy nhiên, các vật liệu tách rời cần phải hòa tan trong kiềm để các bó sợi cellulose có thể được tách ra, đồng thời làm giảm kích thước của sợi cellulose.
Hình 3.1: Cấu trúc của a) bã trà hoa đỏ và b) bã trà hoa đỏ sau xử lý kiềm hóa
Phương pháp đo SEM được thực hiện ở chế độ BSE với độ phóng đại 500, cho thấy hình ảnh của mẫu thô và mẫu đã xử lý kiềm hóa bằng dung dịch NaOH Hình a) mô tả hình thái của sợi thô, trong đó sợi cellulose được bao bọc hoàn toàn bởi lignin, tạp chất, sáp và chất béo, với các phần nhô ra hình cầu gọi là "tyloses", thể hiện sự tương tác mạnh mẽ giữa các thành phần Hình b) làm nổi bật các bó sợi cellulose, chứng tỏ quá trình kiềm hóa đã loại bỏ các cấu trúc kém bền như hemicellulose, lignin, sáp và pectin Quá trình xử lý này ảnh hưởng đến hình thái sợi, làm lộ bề mặt của nó do loại bỏ các thành phần không cellulose, như hemicelluloses và các tạp chất khác Những thay đổi đáng kể về hình thái sợi sau khi xử lý bằng kiềm cho thấy sợi trở nên sạch hơn và độ nhám giảm do loại bỏ tạp chất Các tạp chất như sáp và lớp biểu bì trên bề mặt sợi đã được loại bỏ thông qua tương tác với sodium trong quá trình xử lý kiềm bằng dung dịch NaOH.
Hình 3.2: Phổ FTIR của các mẫu được kiềm hóa
Kết quả phân tích quang phổ hồng ngoại FTIR của các mẫu được kiềm hóa bằng NaOH với nhiều nồng độ khác nhau trong hình cho thấy:
Đỉnh hấp thụ ở 3328 cm -1 liên quan đến các dao động kéo dài của O-H, C-H và C-O trong cellulose, cho thấy tính ưa nước của mẫu Đỉnh ở 1514 cm -1 trong mẫu thô và mẫu kiềm hóa biểu thị liên kết bất bão hòa và độ dãn dài liên kết C=C trong cấu trúc lignin Các đỉnh tại 2920 cm -1 và 2846 cm -1 đặc trưng cho nhóm chức C-H, trong khi độ hấp thụ ở 1238 cm -1 liên quan đến vòng syringyl và C-.
Quá trình kéo dài lignin và xylan cho thấy sự suy giảm cường độ, xác nhận việc loại bỏ lignin và một phần hemicellulose khỏi bã trà hoa đỏ sau bước kiềm hóa là khả thi Đỉnh tại 1723 cm-1 trong nguyên liệu thô tương ứng với dao động C=O của nhóm acetyl và uronic este từ hemicellulose hoặc acid p-coumaric của lignin Các đỉnh ở 1315 và 1035 cm−1 đại diện cho sự hấp thụ cellulose điển hình, với mỗi đỉnh có thể gán tương ứng là CH2 uốn, CH2 rocking, kéo dài C – O và C – H Tóm lại, phổ FTIR cho thấy quá trình xử lý kiềm hóa bằng NaOH ở các nồng độ khác nhau như 3%, 5%, 7%, 9% ở nhiệt độ 80℃.
Việc loại bỏ hemicellulose và lignin từ bã trà hoa đỏ cho thấy hiệu quả cao, mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc hóa học của cellulose Mẫu với nồng độ 7% và 9% đã loại bỏ nhiều hemicellulose hơn, nhưng nồng độ 7% được ưu tiên để tiết kiệm dung dịch NaOH cho các khảo sát tiếp theo.
3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của quá trình tẩy trắng bã trà hoa đỏ bằng NaClO
Nồng độ dung dịch NaClO ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng cellulose Quá trình tẩy trắng oxy hóa cellulose, làm giảm kích thước mẫu và loại bỏ các thành phần liên kết cấu trúc sợi nhỏ Tẩy trắng hoặc tinh chế sợi cellulose không chỉ làm sạch bề mặt mà còn tăng độ nhám bề mặt Thời gian tẩy trắng không tác động nhiều đến hiệu suất, do đó thời gian tẩy trắng cho các mẫu khảo sát được cố định là 2 giờ.
Quá trình tẩy trắng giúp loại bỏ lignin và hemicellulose mà không được xử lý trong giai đoạn trước, đồng thời bảo vệ độ bền của sợi cellulose Lignin, với cấu trúc phức tạp và nhiều loại liên kết khác nhau, cần được tẩy trắng bằng các hợp chất chứa clo hoặc oxy qua nhiều giai đoạn để phá vỡ các liên kết này.
Hóa chất tẩy trắng được phân thành ba nhóm chính: khí Clo (Cl2), Ozone (O3) và Hydrogen peroxide (H2O2) Các chất này tương tác với lignin thơm, trong đó Clo dioxide (ClO2) và khí oxy (O2) phản ứng với cấu trúc lignin có nhóm hydroxyl phenolic tự do, trong khi hypochlorite (NaClO hoặc Ca(ClO)2) và hydrogen peroxide (H2O2) chỉ phản ứng với một số nhóm chức nhất định như α-carbonyl Phản ứng điển hình của chất tẩy trắng với lignin được minh họa trong hình 3.2.
Hóa chất thường được sử dụng để tẩy trắng sợi cellulose: -NaClO, NaClO2 và H2O2
32 Hình 3.3: Phản ứng điển hình của chất tẩy trắng lignin
Hình 3.4: Phổ FTIR của các mẫu bã trà được tẩy trắng
Phân tích phổ hồng ngoại FTIR cho thấy mẫu tẩy trắng không còn các đỉnh peak đại diện cho liên kết C=C và C=O trong hemiacellulose và lignin, cụ thể là các đỉnh tại 1723 cm-1, 1514 cm-1 và 1238 cm-1 Đỉnh 3328 cm-1 phản ánh dao động kéo dài của O-H, C-H và C-O của cellulose, cho thấy xu hướng ưa nước Đỉnh 1646 cm-1 có thể liên quan đến liên kết este của nhóm cacboxylic trong acid ferulic và p-coumaric của lignin hoặc hemicellulose Các đỉnh ở 1432 cm-1 là do độ giãn C=C của các vòng thơm trong lignin, trong khi các đỉnh 1315 và 1023 cm-1 đại diện cho các đỉnh hấp thụ cellulose điển hình, tương ứng với CH2 uốn, CH2 rocking, kéo dài C–O và C–H.
CH2 uốn Theo kết quả FTIR hiển thị, thông số phù hợp cho quá trình tẩy trắng là dung dịch NaClO 2% + CH3COOH ở 60℃ trong 2 giờ
Hình 3.5: Cấu trúc của a) bã trà hoa đỏ sau xử lý kiềm hóa và b) bã trà hoa đỏ sau tẩy trắng
Phương pháp đo SEM ở chế độ BSE với độ phóng đại 500 cho thấy các bó sợi cellulose đã tách thành từng sợi riêng lẻ, với bề mặt sợi mịn hơn do loại bỏ nhiều thành phần không cellulose và tạp chất trong quá trình tẩy trắng Tiền xử lý chất xơ qua xử lý kiềm và tẩy trắng đã phá vỡ phức hợp lignocellulosic, hòa tan lignin và hemicellulose, làm lộ độ xốp và diện tích bề mặt của cellulose Kết quả là các sợi cellulose được sắp xếp và phân phối riêng lẻ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chiết xuất tinh thể nano cellulose.
3.2.3 Ảnh hưởng của quá trình thủy phân bã trà hoa đỏ bằng acid H 2 SO 4
Sợi cellulose có cấu trúc tinh thể nano nhỏ gọn, hình thành từ sự tương tác liên kết hydro giữa các chuỗi cellulose lân cận, có thể được sử dụng làm chất gia cố Tuy nhiên, các tinh thể cellulose này liên kết với nhau thông qua các đoạn vô định hình, dẫn đến sự suy giảm tính chất cơ học và nhiệt của chúng do phân hủy chủ yếu diễn ra ở các khu vực vô định hình.
Để chiết xuất cellulose tinh thể cao và tinh khiết từ tinh thể nano, cần loại bỏ các vùng vô định hình bằng phương pháp hóa học hoặc sinh học (enzim) Phương pháp hóa học phổ biến nhất là thủy phân bằng acid, trong đó các acid đậm đặc như H2SO4, HCl, acid oxalic, acid hydrobromic (HBr) và HNO3 được sử dụng Trong số này, acid sulfuric là một trong những lựa chọn hàng đầu.
H2SO4 được sử dụng phổ biến để chiết xuất CNCs nhờ vào tính ổn định của huyền phù thu được Tuy nhiên, nồng độ cao của acid sunfuric có thể dẫn đến phân hủy nhiệt mẫu và giảm năng suất CNCs Quá trình thủy phân acid sunfuric hiện nay được áp dụng để điều chế CNCs dưới các điều kiện cụ thể về thời gian, nồng độ acid và tỷ lệ acid/cellulose Quá trình này rất quan trọng để loại bỏ hoàn toàn hemicellulose, lignin và hàm lượng sáp còn lại Thông số tối ưu cho quá trình thủy phân acid là sử dụng dung dịch H2SO4 65%, khuấy ở nhiệt độ phòng trong 30 phút.
Hình 3.6: Phổ FTIR của mẫu bã trà thô và CNCs
Hoạt tính chống oxy hóa
Bảng 3.4: Phần trăm ức chế (I%) và giá trị IC50 của chuẩn acid gallic
Mẫu % Ức chế gốc tự do (I%) IC50 àg/ml Acid
Dữ liệu được thể hiện giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn (n=3)
Các chữ cái a → d ở cùng một cột thể hiện sự khác biệt đáng kể (p