﹣ Xác định các điều kiện thích hợp cho quá trình biến tính: xác định các yếu tố quan trọng như nồng độ EDTA, tỉ lệ EDTA/mủ trôm, tỉ lệ nhựa trao đổi ion/mủ trôm, thời gian phản ứng và nh
TỔNG QUAN
Mủ trôm
Mủ trôm, hay còn gọi là Gum karaya, là nhựa chiết xuất từ cây Trôm (Sterculia urens) thuộc họ Sterculiaceae, thường mọc ở vùng cận nhiệt đới và có nguồn gốc từ châu Á Tại Việt Nam, cây Trôm chủ yếu được trồng ở Ninh Thuận và Bình Thuận, nơi cây có khả năng phát triển trong điều kiện môi trường khắc nghiệt như lượng mưa thấp và nhiệt độ cao Mủ trôm được khai thác cho nhiều mục đích khác nhau, nhưng nhu cầu sử dụng ngày càng tăng đã dẫn đến tình trạng khai thác quá mức, do đó cần có biện pháp cân bằng giữa khai thác và bảo tồn nguồn tài nguyên này.
Mủ trôm là polysaccharide tự nhiên được hình thành từ quá trình gummosis của cây Trôm, tiết ra từ vết thương trên vỏ cây Việc khai thác mủ trôm thường được thực hiện bằng cách khoan lỗ trên thân cây sau khi cạo sơ vỏ và vệ sinh khu vực khoan Mủ sẽ chảy ra, khô lại khi tiếp xúc với không khí và sau đó được thu hoạch, phân loại, sấy khô, làm sạch và bảo quản Mủ trôm nguyên chất có màu từ trắng đến nâu và có kích thước, màu sắc, hình dạng khác nhau tùy thuộc vào phương thức khai thác và chế biến Năng suất mủ trôm thay đổi theo đặc tính di truyền, điều kiện khí hậu và thời điểm thu hoạch, với sản lượng từ 0,5 đến 4,5 kg mỗi mùa.
Mủ trôm sở hữu nhiều tính chất độc đáo như khả năng tạo gel, hấp thụ và trương nở trong nước Nó có độ nhớt cao, khả năng tạo màng và đặc tính sinh học tương thích, đồng thời không độc hại, là nguồn nguyên liệu tự nhiên quý giá.
Năm nguyên liệu tự nhiên sẵn có và tiết kiệm chi phí này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và đời sống, bao gồm thực phẩm, dược phẩm, y tế, mỹ phẩm và vật liệu.
Hình 1.1: Mủ trôm nguyên chất
Hình 1.2: Mủ trôm sau khi ngâm nở trong nước
Mủ trôm là một polysaccharide loại ramnoda-lacturonane có chuỗi dài của các monosaccharides như galactose, rhamnose và galacturonic acid và có cấu trúc phân nhánh
Mủ trôm được acetyl hóa một phần và thường được tìm thấy dưới dạng muối của Ca 2+ và
Mg 2+ Mủ trôm có khối lượng phân tử từ 9 đến 16.10 6 Da [3]
Mủ trôm là một loại polymer ưa nước, chứa khoảng 8% nhóm acetyl, 37–40% axit glucuronic và galacturonic, cùng với 55–60% galactose và rhamnoses Hàm lượng protein trong mủ trôm chỉ chiếm 1%, thấp hơn so với các loại nhựa cây khác Thành phần hóa học của mủ trôm có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện sinh trưởng ở các vùng khác nhau.
Mủ trôm có cấu trúc mạch chính chủ yếu từ các đơn vị acid a-D-galacturonic và -L-rhamnose, kết nối qua các liên kết 1-2 và 1-4 Ngoài ra, chuỗi bên axit glucuronic β-D gắn với axit galacturonic thông qua liên kết 1-3, trong khi chuỗi bên β-D-galactose liên kết với rhamnose qua liên kết 1-4 và với axit galacturonic qua liên kết 1-2.
Hình 1.3: Cấu trúc mủ trôm[2]
Mủ trôm chỉ trương nở mà không tan trong nước do sự tồn tại của các nhóm acetyl và các ion kim loại trong cấu trúc polymer Mủ trôm có khả năng trương nở tới hơn 60 lần trong nước, với độ hòa tan khoảng 10% trong nước lạnh và tăng lên 30% trong nước nóng Để cải thiện khả năng hòa tan, người ta thường sử dụng các dung dịch kiềm như NaOH và KOH để deacetyl hóa, loại bỏ các nhóm acetyl Sau quá trình khử acetyl, mủ trôm có thể hòa tan tới 90% trong nước.
1.1.3.2 Độ nhớt Độ nhớt của mủ trôm phụ thuộc vào độ phân tán của nó trong nước Độ nhớt của mủ trôm đạt khoảng 0,12 – 0,40 Pa.s cho độ phân tán 0,5%[3] Độ nhớt của GK cao hơn trong nước lạnh và thấp hơn khi đun nóng Khi sử dụng các dung dịch kiềm có thể làm giảm độ nhớt của dung dịch mủ trôm
Mủ trôm có khả năng chống thủy phân trong môi trường acid nhờ vào acid uronic có trong cấu trúc polymer Độ pH tự nhiên của mủ trôm nguyên chất dao động từ 4,4 đến 5,2 Việc tăng độ pH có thể dẫn đến hiện tượng deacetyl hóa, làm giảm các nhóm acetyl trong cấu trúc của mủ trôm.
Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhớt của mủ trôm, với việc gia nhiệt làm giảm độ nhớt do tăng độ tan Tuy nhiên, khi áp suất và nhiệt độ được kiểm soát, có thể điều chế mủ trôm với nồng độ lên đến 20% để tạo ra dung dịch có độ nhớt rất cao.
1.1.3.5 Độ ổn định sinh học
Mủ trôm có khả năng bị ảnh hưởng bởi vi khuẩn, vì vậy khi sử dụng trong thực phẩm, cần thêm chất bảo quản như benzoic, sorbic, methyl và propyl parahydroxybenzoate, cùng với propylene glycol để đảm bảo an toàn và chất lượng.
Mủ trôm là một polymer tự nhiên an toàn cho sức khỏe con người, mang lại nhiều lợi ích kinh tế và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và công nghiệp.
Mủ trôm có nhiều ứng dụng quan trọng trong y tế, bao gồm việc vận chuyển thuốc, phát triển hệ thống phân phối thuốc FDDS, và tạo ra các hạt microsphere để phân phối thuốc tại các vị trí cụ thể Ngoài ra, mủ trôm còn được sử dụng để điều chế viên nang, vi bao mang thuốc, làm thuốc nhuận tràng, keo dán răng giả, băng vết thương, và tổng hợp các hạt nano.
Mủ trôm được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm nhờ vào đặc tính như độ nhớt cao và khả năng giữ nước tốt, giúp làm chất ổn định, bảo quản, làm đặc và nhũ hóa Sản phẩm này phù hợp để kéo dài thời hạn sử dụng và làm chậm quá trình hư hại của bánh, đồng thời ổn định các nhũ tương có độ pH thấp như nước sốt Ngoài ra, mủ trôm còn được sử dụng làm chất kết dính trong phô mai, món salad và món tráng miệng đông lạnh Việc bổ sung mủ trôm vào bánh mì không chỉ giúp kéo dài thời gian sử dụng mà còn làm chậm quá trình lão hóa, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của sự thay đổi trong việc bổ sung nước và thời gian trộn Để giảm tình trạng ôi thiu trong bánh mì, tỷ lệ mủ trôm từ 0,1 đến 0,9% kết hợp với 0,01 đến 0,02% alginate/carrageenan được khuyến nghị.
1.1.4.3 Các ngành công nghiệp khác
Mủ trôm không chỉ được sử dụng trong các ứng dụng thông thường mà còn là chất làm đặc hiệu quả cho thuốc nhuộm trong in màu vải cotton và thay thế agar trong việc tạo gel Trong sản xuất giấy, mủ trôm được khử acetyl để tăng cường hoạt tính của các nhóm carboxyl và hydroxyl, từ đó cải thiện khả năng liên kết với sợi xenlulo, làm cho nó trở thành chất kết dính lý tưởng Hơn nữa, mủ trôm còn đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường, như là chất keo tụ và hydrogel để hấp thụ kim loại nặng và thuốc nhuộm, cũng như trong việc tổng hợp các sợi nano có khả năng phân hủy sinh học.
1.1.5 Hạn chế và thách thức
EDTA
EDTA (Ethylenediaminetetraacetic acid) là một axit hữu cơ mạnh với nhiều ứng dụng đa dạng trong các ngành công nghiệp Được phát hiện bởi Ferdinand Münz vào những năm 1930, EDTA đã được phát triển nhằm thay thế axit citric Kể từ đó, các hợp chất như HEEDTA (hydroxyethylethylenediaminetriacetic acid), DTPA (diethylenetriaminepentaacetic acid) và muối của chúng đã trở thành các hóa chất chelating quan trọng, thiết yếu trong nhiều lĩnh vực như y học, nông nghiệp và môi trường.
EDTA có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào điều kiện môi trường, bao gồm dạng acid và dạng muối diamine thay thế của kim loại như H4EDTA, EDTA-2Na, EDTA-4Na, và EDTA-Ca2Na Một số dạng phổ biến của EDTA bao gồm các dạng này.
Dạng acid của EDTA (H 4 EDTA): Đây là dạng không ion của EDTA là một acid đa chức
EDTA acid tồn tại ở dạng chất rắn, ít tan trong nước
EDTA tetrasodium salt (EDTA-4Na) là một dạng muối của EDTA với công thức hóa học là (Na₄EDTA) Chất này tồn tại dưới dạng rắn màu trắng và có khả năng hòa tan tốt trong nước.
Nó được dùng trong một số ngành, lĩnh vực khác nhau ví dụ như trong sản xuất chất tẩy rửa và chất làm mềm nước
EDTA disodium salt (EDTA-2Na) là dạng phổ biến nhất của EDTA với công thức hóa học (Na₂H₂EDTA) Chất này tồn tại dưới dạng rắn màu trắng và hòa tan tốt trong nước, thường được ứng dụng trong phân tích hóa học và công nghệ sinh học.
EDTA là một chất có khả năng tạo phức với nhiều ion kim loại, từ kim loại kiềm, kiềm thổ đến kim loại nặng Tính chất tạo phức của EDTA phụ thuộc vào pH, với pH cao giúp tạo ra các phức chất bền và ổn định hơn so với pH thấp Mặc dù EDTA tương đối ổn định và không tham gia vào các phản ứng oxi hóa – khử, nhưng nó có khả năng tương tác với các ion kim loại, tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng này.
Hình 1.6: Cấu trúc EDTA-2Na
EDTA, được thiết kế tổng hợp bởi Ferdinand Münz, nhằm thay thế acid citric để giảm sự phụ thuộc vào hóa chất nhập khẩu ở Đức Quá trình tổng hợp EDTA diễn ra thông qua phản ứng giữa ethylenediamine, axit monochloroacetic và natri hydroxit Tuy nhiên, sản phẩm cuối cùng bị nhiễm natri clorua và cần được tinh chế trước khi sử dụng.
12 khó có thể thương mại hóa [11] Ngày nay, EDTA chủ yếu được tổng hợp bằng quá trình kiềm hóa cyanomethyl của ethylenediamine bằng natri xyanua và formaldehyde.[10]
H2NCH2CH2NH2 + 4CH2O + 4NaCN + 4H2O →(NaOOCCH2)2NCH2CH2N(CH2COONa)2
Phương pháp tổng hợp EDTA có hiệu suất cao, đạt trên 90%, với sản phẩm phụ và tạp chất hầu như không ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng Ngoài phương pháp chính, EDTA cũng có thể được tổng hợp qua quá trình Singer hai bước, trong đó quá trình cyanomethyl hóa được tách biệt với thủy phân Đầu tiên, hydro xyanua và formaldehyde phản ứng với ethylenediamine để tạo ra tetraacetonitril không tan (ethylenedinitrilo - EDTN) Sau đó, nitrile được tách ra, rửa sạch và thủy phân bằng NaOH để tạo thành EDTA-4Na, đồng thời giải phóng amoniac Quá trình tổng hợp hai giai đoạn giúp loại bỏ hầu hết tạp chất, tạo ra tác nhân chelat tinh khiết.
H2NCH2CH2NH2 + 4CH2O + 4HCN → (NCCH2)2NCH2CH2N)CH2CN)2 + 4H2O 4𝑁𝑎𝑂𝐻 → (NaOOCCH2)2NCH2CH2N(CH2COONa)2 + 4 NH3
EDTA là một chất rắn màu trắng, không mùi, có khối lượng phân tử 292,24 Da, tan trong nước với nồng độ 1000 mg/L ở 25°C, nhưng không tan trong dung môi hữu cơ Chất này có khả năng hòa tan trong hydroxit của kim loại kiềm, tạo ra các muối chứa từ 1 đến 4 ion kim loại kiềm Ngoài ra, EDTA cũng phân hủy ở nhiệt độ từ 234 đến 250°C.
EDTA-2Na là một chất rắn không mùi, màu trắng, có khối lượng phân tử từ 336,21 đến 372,24 Da và tan tốt trong nước với nồng độ trên 100g/L ở 20°C Chất này phân hủy ở 252°C và có điểm nóng chảy là 240°C EDTA-2Na có khả năng hút ẩm từ không khí, dẫn đến sự hình thành các tinh thể hydrate, vì vậy cần được bảo quản trong điều kiện khô ráo.
13 Đa phần EDTA được sử dụng thường là dạng muối Na2H2Y vì EDTA ít tan trong nước và
Na2H2Y, mặc dù khác với EDTA về khối lượng mol và độ tan, nhưng vẫn có các tính chất hóa học tương tự như EDTA Do đó, Na2EDTA và Na2H2Y thường được gọi chung là EDTA.
EDTA, một axit cacboxylic polyamino với công thức phân tử C10H16N2O8, có cấu trúc bao gồm nhóm ethylenediamine và bốn nhóm carboxyl, cho phép nó tạo phức hiệu quả với nhiều loại ion kim loại Mỗi nhóm carboxyl và nhóm ethylenediamine có khả năng liên kết với ion kim loại, hình thành cấu trúc vòng bao quanh ion kim loại, từ đó tạo ra các phức chất ổn định Khả năng này giúp hạn chế hoạt động của các ion kim loại trong các quá trình hóa học và sinh học, tạo điều kiện dễ dàng hơn để loại bỏ các ion kim loại độc hại khỏi môi trường hoặc cơ thể Do đó, khả năng tạo phức là tính chất quan trọng nhất của EDTA, khiến nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hóa học, y học, công nghệ xử lý nước và các ngành công nghiệp khác.
EDTA và các muối của nó có nhiều ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, và nghiên cứu cho thấy EDTA tương đối an toàn, không gây độc hại cho con người và động vật Giá trị LD50 cấp tính qua đường miệng đối với Na2EDTA là 2,0 – 2,2 g/kg, và EDTA dạng muối trisodium không gây mẫn cảm cho da EDTA hầu như không được chuyển hóa trong cơ thể và được bài tiết nhanh chóng qua nước tiểu, với khoảng 50% EDTA tiêm tĩnh mạch được bài tiết trong vòng 1 giờ và 90% trong vòng 7 giờ Khoảng 95% EDTA được đào thải qua thận và 5% qua mật, cùng với các kim loại liên kết khi di chuyển qua hệ thống tuần hoàn.
EDTA là một chất phụ gia quan trọng được sử dụng để chống oxy hóa, bảo quản và ổn định thực phẩm Nó giúp duy trì hương vị, màu sắc và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm, đồng thời ngăn chặn quá trình oxy hóa, đổi màu và ôi thiu EDTA thường được thêm vào các sản phẩm như thực phẩm đóng hộp, đồ uống đóng chai, nước có ga và nước sốt.
EDTA là một hợp chất có khả năng tạo phức chất ổn định với các ion kim loại, mang lại nhiều ứng dụng quan trọng trong ngành dược phẩm Nó giúp bảo vệ và duy trì hiệu quả của thuốc bằng cách ngăn chặn sự suy giảm dược tính Ngoài ra, EDTA còn có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn, vi sinh vật và nấm, do đó được sử dụng làm chất bảo quản, đảm bảo tính vô trùng và kéo dài thời gian sử dụng của thuốc Bên cạnh đó, EDTA hoạt động như một chất chống oxy hóa, bảo vệ sản phẩm dược phẩm khỏi sự ôxy hóa, và đóng vai trò là chất đệm để kiểm soát độ pH trong các công thức dược phẩm, đảm bảo tính ổn định và tương thích của thuốc với môi trường Hơn nữa, EDTA còn được sử dụng trong điều trị nhiễm kim loại nặng.
Trong ngành mỹ phẩm, EDTA được sử dụng với nhiều mục đích như chất ổn định, chất bảo quản và chất tạo màu Việc tạo phức với các ion kim loại giúp loại bỏ chúng khỏi công thức, từ đó nâng cao sự ổn định của sản phẩm, ngăn chặn quá trình oxy hóa và hỗ trợ hòa tan cũng như phân tán các thành phần EDTA còn giúp ổn định màu sắc và bảo vệ hoạt tính của các thành phần, kéo dài thời gian sử dụng của sản phẩm.
1.2.4.4 Các ngành công nghiệp khác
Nhựa trao đổi i-on
Quá trình trao đổi ion được Thomspon và Way phát hiện vào những năm 1850 và đến năm
Vào năm 1905, quá trình trao đổi ion lần đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp, đánh dấu bước khởi đầu cho sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của hiện tượng này Đến năm 1935, Homles và Adams đã tổng hợp chất trao đổi ion hữu cơ đầu tiên, từ đó nhựa trao đổi ion đã phát triển mạnh mẽ và trở thành một phần quan trọng trong nhiều lĩnh vực ngày nay.
Nhựa trao đổi ion là vật liệu tổng hợp có khả năng trao đổi ion với dung dịch xung quanh và không tan trong nước Loại nhựa này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống, phục vụ cho nhiều mục đích như xử lý nước, lọc nước và tinh chế.
Nhựa trao đổi ion được hình thành từ các polymer có nhóm ion hóa phân bố đều trên mạch chính, thường được chế tạo từ nhựa polystyrene (PS) và polymethacrylate (PMA) Tính chất và hiệu suất của nhựa trao đổi ion phụ thuộc vào cấu trúc của nó, cho phép điều chỉnh theo nhu cầu sử dụng.
Hình 1.7: Nhựa trao đổi ion
Trao đổi ion là quá trình chuyển giao ion giữa pha lỏng và pha rắn thông qua nhựa trao đổi ion Khi nhựa tiếp xúc với dung dịch chứa ion, quá trình trao đổi diễn ra, cho phép các ion trong dung dịch thẩm thấu vào nhựa, trong khi các ion trong nhựa sẽ thẩm thấu ra ngoài Hiệu suất của quá trình này phụ thuộc vào nồng độ và ái lực của các ion trong dung dịch.
Hình 1.8: Quá trình trao đổi ion giữa nhựa trao đổi ion và dung dịch [17]
Trao đổi ion là một hiện tượng tự nhiên diễn ra trong nhiều môi trường như đất, nước và cơ thể sống Mặc dù hấp phụ và trao đổi ion đều là hiện tượng bề mặt, nhưng chúng có sự khác biệt về bản chất cân bằng hóa học Trao đổi ion liên quan đến sự cân bằng điện tích, trong đó một lượng điện tích bị loại bỏ sẽ được thay thế bằng một lượng tương đương, trong khi hấp phụ chỉ loại bỏ chất tan mà không có sự thay thế đáng kể Quá trình trao đổi ion là nền tảng cho nhiều phản ứng hóa học khác và có tính thuận nghịch, cho phép nhựa trao đổi ion được tái sử dụng.
Nhựa trao đổi ion có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm tính chất hóa học và nhóm ion hóa Tuy nhiên, phân loại phổ biến nhất thường dựa trên nhóm ion của nhựa.
17 ion hóa được gắn với polymer và được chia thành hai loại là nhựa trao đổi cation và nhựa trao đổi anion,
Nhựa trao đổi cation là loại nhựa trao đổi ion có khả năng hấp phụ và trao đổi các ion mang điện tích dương từ dung dịch xung quanh Chúng được tổng hợp qua phản ứng đồng trùng hợp giữa styrene và divinyl benzene, với các nhóm chức ion hóa như –HSO3, -COOH, và -H2PO3 được gắn vào mạng polymer Đặc biệt, pH của dung dịch không ảnh hưởng đến khả năng trao đổi ion của nhựa có nhóm chức acid mạnh như –HSO3, trong khi đối với các nhóm acid yếu, pH có thể tác động đáng kể đến hiệu suất trao đổi ion.
Nhựa trao đổi cation thường được dùng để trao đổi, loại bỏ các ion kim loại như Ca 2+ ,
Mg 2+ có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như xử lý nước thải, làm mềm nước, tách các ion kim loại và sắc ký Sau khi sử dụng, có thể tái sử dụng nhựa bằng cách sử dụng các dung dịch acid mạnh để hoàn nguyên Một số loại nhựa trao đổi cation phổ biến bao gồm Dowex 50Wx8, Lewtit S100, Amberlite IRP64, Purolite C100, Resintech CG8 và Ionac C249.
Nhựa trao đổi anion là loại nhựa ion với khả năng trao đổi và hấp phụ các ion âm từ dung dịch xung quanh Để chế tạo nhựa này, người ta thường sử dụng phương pháp đồng trùng hợp divinyl benzene và styrene, sau đó thực hiện diclomethyl hóa các vòng benzene của copolymer để gắn nhóm CH2Cl Nhựa trao đổi anion có thể được phân loại dựa trên độ bazo của nhóm chức ion hóa, với nhiều nhóm chức ion hóa phổ biến được sử dụng.
Nhựa trao đổi anion có các nhóm bazơ mạnh không bị ảnh hưởng bởi pH của dung dịch, trong khi nhựa có nhóm bazơ yếu chỉ hoạt động hiệu quả ở pH > 7 Để tái sinh nhựa bazơ, có thể sử dụng dung dịch bazơ mạnh, trong khi nhựa bazơ yếu có thể được tái sinh bằng các dung dịch như NH3 hoặc Na2CO3.
Nhựa trao đổi anion là một loại nguyên liệu quan trọng trong việc loại bỏ các ion như NO3 -, SO4 2-, F -, Cl - khỏi dung dịch Chúng được ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường, điều chế dược phẩm và xử lý nước Một số loại nhựa trao đổi anion phổ biến bao gồm Amberlite IRA402, Dowex 1x8, Resintech SBG1 và Ionac ASB1.
Nhựa trao đổi ion có khả năng trao đổi và loại bỏ có chọn lọc các ion, mang lại nhiều ứng dụng đa dạng trong nhiều ngành khác nhau Một số ứng dụng phổ biến của nhựa trao đổi ion bao gồm xử lý nước, tinh chế hóa chất, và cải thiện chất lượng thực phẩm.
Nhựa trao đổi ion là một giải pháp hiệu quả trong xử lý nước, chủ yếu được sử dụng để loại bỏ các ion Ca 2+ và Mg 2+ nhằm làm mềm nước, ngăn ngừa cặn bám trong ống, nồi hơi và thiết bị gia dụng do nước cứng gây ra Bên cạnh việc làm mềm nước, nhựa trao đổi ion còn có khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm, xử lý nước thải và kim loại nặng như Cd 2+, Pb 2+, Cu 2%, cũng như các chất ô nhiễm hữu cơ, thuốc nhuộm và chất hoạt động bề mặt, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Trong lĩnh vực dược phẩm, nhựa trao đổi ion đóng vai trò quan trọng trong quá trình tinh chế và chiết xuất các loại dược phẩm và kháng sinh Chúng được sử dụng để làm sạch các hợp chất như streptomycin, gentamycin, cephalosporin và tetracyclin sau khi chiết xuất từ dịch lên men, với các loại nhựa phổ biến như Amberlite XAD1600 và Amberlite XAD7HP Bên cạnh đó, nhựa trao đổi ion còn được ứng dụng trong sắc ký để phân tích thành phần hoạt tính của dược phẩm và được sử dụng làm tá dược trong các công thức thuốc giải phóng có kiểm soát, góp phần nâng cao hiệu quả điều trị.
Nhựa trao đổi ion đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm, được sử dụng để khử mùi, khử màu, loại bỏ cafein và thu hồi sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất Ngoài ra, nó còn giúp bảo tồn màu sắc và hương vị của thực phẩm, tinh chế đường và xử lý nước trước, trong và sau quá trình sản xuất.
Tình hình nghiên cứu về biến tính mủ trôm
Mủ trôm là polysaccharide tự nhiên nổi bật với các ứng dụng trong dược phẩm, thực phẩm và mỹ phẩm, thường được sử dụng làm chất làm đặc, nhũ hóa và ổn định Tuy nhiên, khả năng ứng dụng của mủ trôm bị hạn chế do độ hòa tan rất thấp trong nước, chỉ trương nở và ít tan Do đó, nghiên cứu về việc biến tính cấu trúc của mủ trôm nhằm tăng cường khả năng hòa tan và mở rộng ứng dụng của nó là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, thu hút nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện các đặc tính chức năng của mủ trôm.
Nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng để biến tính mủ trôm, bao gồm các phương pháp hóa học, vật lý và sinh học, nhằm cải thiện các tính chất của nó.
Thủy phân kiềm là một phương pháp phổ biến trong nghiên cứu, sử dụng các dung dịch kiềm như NaOH, KOH, NH4OH để phá vỡ chuỗi polysaccharide, giảm trọng lượng phân tử và loại bỏ các nhóm acetyl Nghiên cứu cho thấy rằng xử lý mủ trôm bằng dung dịch kiềm làm tăng đáng kể khả năng hòa tan của nó trong nước Quá trình này bắt đầu bằng việc ngâm mủ trôm nguyên chất trong nước ở nhiệt độ phòng, sau đó hòa tan bằng dung dịch kiềm theo phương pháp deacetyl hóa Bên cạnh đó, đồng trùng hợp ghép là phương pháp thường được áp dụng để kết hợp các polymer thiên nhiên và tổng hợp, với các polymer như Chitosan, Tinh bột, Cellulose, Gellan gum, Pectin, Gum Ghatti, Locust Bean Gum, Carrageenan và Gum Acacia.
Moole[22] đã tổng hợp được một loại hydrogel từ mủ trôm(GK) với 2-
(methacryloyloxyethyl)trimethylammonium clorua (METAC) thông qua kỹ thuật chiếu xạ vi sóng dùng để loại bỏ thuốc nhuộm,
Carboxymethylation là một phương pháp xử lý mủ trôm, bắt đầu bằng việc sử dụng NaOH, sau đó thêm DMSO để cuối cùng tạo ra CGK Phương pháp này không chỉ giúp tạo ra sản phẩm mà còn tăng cường độ hòa tan của mủ trôm.
Mủ trôm trong nước có khả năng tăng cường tạo gel và cải thiện độ ổn định nhiệt Mủ trôm carboxymethyl hóa được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống phân phối thuốc kiểm soát và chất làm đặc.
Ngoài các phương pháp đã đề cập, còn nhiều cách khác để biến tính mủ trôm Nguyên nhân chính khiến mủ trôm không tan là do sự hiện diện của nhóm acetyl trong phân tử và các ion kim loại trong cấu trúc của nó Các ion kim loại này hoạt động như cầu nối giữa các chuỗi mủ trôm, tạo ra liên kết chéo, dẫn đến hình thành cấu trúc mạng lưới hoặc gel, làm giảm khả năng hòa tan của mủ trôm trong nước Sử dụng phương pháp thủy phân với dung dịch kiềm như NaOH, KOH không chỉ thủy phân nhóm acetyl mà còn loại bỏ các ion kim loại, giúp mủ trôm dễ tan hơn trong nước.
Hình 1.9: Cấu trúc mủ trôm trước và sau khi thủy phân bằng dung dịch kiềm[5]
Việc sử dụng dung dịch kiềm có thể gây hại cho môi trường và con người EDTA được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm, trong khi nhựa trao đổi ion thường được dùng để lọc và xử lý nước Cả hai tác chất này đều không độc hại và có khả năng tạo phức với các ion kim loại trong mủ trôm Việc loại bỏ một trong hai nguyên nhân gây khó tan cho mủ trôm có thể làm tăng độ tan của nó trong nước, do đó, đề tài này đã sử dụng EDTA và nhựa trao đổi ion để đạt được mục tiêu trên.
Quá trình loại bỏ các ion kim loại trong cấu trúc của mủ trôm nhằm phá vỡ các liên kết chéo giữa các ion này, từ đó tăng độ tan của mủ trôm trong nước Phương pháp này được thực hiện mà không gây tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người.
Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu
Phép đo lưu biến là phương pháp quan trọng để phân tích dòng chảy và đặc tính biến dạng của vật liệu, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vật liệu, mỹ phẩm, dược phẩm, polymer, thực phẩm và các vật liệu sinh học Lưu biến học mô tả cách vật liệu phản ứng với ứng suất, biến dạng và thời gian, cung cấp thông số như độ nhớt, độ đàn hồi và độ đàn nhớt, rất cần thiết cho tối ưu hóa quy trình và kiểm soát chất lượng Đo độ nhớt polymer là một khía cạnh cơ bản trong phân tích lưu biến, cung cấp thông tin về đặc tính dòng chảy, sự tan chảy và phân tán của polymer Độ nhớt, là thước đo khả năng chống chảy của chất lỏng, đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn điều kiện xử lý, thiết kế và phát triển vật liệu, cũng như duy trì tính đồng nhất và chất lượng sản phẩm.
Máy đo lưu biến là thiết bị quan trọng có khả năng thực hiện nhiều phép đo độ nhớt khác nhau Các loại máy đo lưu biến chủ yếu được sử dụng để đo độ nhớt của polymer bao gồm nhiều mẫu mã và tính năng đa dạng.
Máy đo lưu biến quay hoạt động bằng cách áp dụng lực cắt quay lên mẫu và đo mô-men xoắn tạo ra Thiết bị này được sử dụng phổ biến để đo độ nhớt cắt trong trạng thái ổn định và phân tích hành vi dòng chảy ở các tốc độ cắt khác nhau.
Máy đo lưu biến mao dẫn là thiết bị chuyên dụng để đo dòng chảy của polyme nóng chảy qua khuôn mao dẫn dưới áp suất cao Thiết bị này thường được sử dụng trong các ứng dụng có độ cắt cao, như quy trình ép đùn và ép phun.
Máy đo lưu biến dao động hoạt động bằng cách sử dụng ứng suất cắt dao động để đo biến dạng tạo ra Thiết bị này được ứng dụng trong nghiên cứu đặc tính đàn hồi nhớt của polymer.
1.5.2 Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourie
Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) là một kỹ thuật phân tích hiện đại, được sử dụng để xác định thành phần, cấu trúc và định lượng các chất và vật liệu.
Máy quang phổ FTIR hoạt động dựa trên nguyên tắc đo sự tương tác giữa bức xạ hồng ngoại và mẫu thông qua hấp thụ, phát xạ hoặc phản xạ Nguồn sáng phát ra ánh sáng hồng ngoại với bước sóng từ 4000 đến 400 cm-1, cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc phân tử Ánh sáng hồng ngoại đi qua giao thoa kế, nơi nó được tách, phản xạ và tái tổ hợp trước khi tương tác với mẫu Máy dò đo cường độ ánh sáng và chuyển tín hiệu thành tín hiệu điện, tạo ra giao thoa kế chứa thông tin về các bước sóng hấp thụ Phép biến đổi Fourier chuyển đổi giao thoa kế từ miền thời gian sang phổ miền tần số, biểu thị độ hấp thụ của mẫu Các đỉnh trong phổ tương ứng với tần số dao động của các liên kết hóa học, giúp xác định các nhóm chức năng và cấu trúc phân tử.
Kỹ thuật SEM – Kính hiển vi điện tử quét, sử dụng chùm electron năng lượng cao để phân tích vi cấu trúc vật liệu, cho phép kiểm tra hình thái bề mặt và thành phần mẫu với độ phóng đại và độ phân giải cao Bằng cách quét bề mặt mẫu, SEM tạo ra hình ảnh 3D chi tiết, thể hiện rõ cấu trúc và kết cấu của vật liệu.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là công cụ quan trọng trong việc kiểm tra cấu trúc vi mô và phân tích bề mặt mẫu SEM có nhiều ứng dụng đa dạng, bao gồm kiểm tra các vết xử lý và nứt trên bề mặt kim loại, nghiên cứu hình thái tế bào và mô, cũng như phân tích cấu trúc, hình thái và thành phần của vật liệu.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị là các electron được phát ra từ các nguồn điện từ như dây tóc vonfram, súng phát xạ trường hoặc tinh thể lanthanum hexaboride (LaB6) Những electron này đi qua các kính điện trường để thu nhỏ, phóng đại và được gia tốc bởi điện áp, hướng về phía mẫu Khi chùm tia electron chiếu vào mẫu, chúng xuyên qua bề mặt và tương tác với các nguyên tử bên trong, phát ra các tín hiệu khác nhau như electron thứ cấp (SE), electron tán xạ ngược (BSE) và tia X đặc trưng Máy dò thu thập và xử lý các tín hiệu này để tạo thành hình ảnh, cho thấy hình thái và thành phần của mẫu.
Quang phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) là một phương pháp phân tích hiện đại, giúp xác định thành phần hóa học và các nguyên tố có trong mẫu Thường được kết hợp với kính hiển vi điện tử quét (SEM), EDX cho phép phân tích chi tiết các nguyên tố của vật liệu Khi chùm electron từ SEM chiếu vào mẫu, nó kích thích sự phát xạ tia X đặc trưng từ các nguyên tố, và EDX sẽ phát hiện cũng như phân tích năng lượng của các tia X này để xác định và định lượng các nguyên tố hiện diện.
Nguyên lý hoạt động của SEM liên quan đến việc chùm electron sơ cấp tương tác với mẫu, dẫn đến việc đánh bật các electron lớp vỏ bên trong nguyên tử Các chỗ trống này được lấp đầy bởi electron từ mức năng lượng cao hơn, giải phóng năng lượng dưới dạng photon tia X Máy dò EDX sẽ đo năng lượng và cường độ của tia X, từ đó tạo ra các phổ tương ứng với năng lượng đặc trưng cho từng nguyên tố Kết quả thu được cung cấp thông tin chi tiết về thành phần và sự phân bố các nguyên tố trong mẫu.
1.5.4 Quang phổ nhiễu xạ tia X(XRD)
Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là một công cụ phân tích quan trọng trong việc xác định tính chất của vật liệu tinh thể XRD cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc, pha, và hướng tinh thể của vật liệu, cùng với các thông số cấu trúc khác như kích thước hạt.
Giản đồ nhiễu xạ tia X phản ánh sự sắp xếp tuần hoàn của các nguyên tử trong vật liệu, với các đỉnh nhiễu xạ được tạo ra từ sự giao thoa của chùm tia X đơn sắc tại các góc cụ thể Cường độ cực đại của các đỉnh này phụ thuộc vào phân bố nguyên tử trong mạng tinh thể Máy nhiễu xạ tia X bao gồm ba bộ phận cơ bản, trong đó ống tia là một thành phần quan trọng Việc phân tích độ kết tinh và khuyết tật tinh thể thông qua nhiễu xạ tia X giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc vật liệu.
X, giá đỡ mẫu và máy dò tia X Tia X được tạo ra trong ống tia bằng cách đốt nóng dây tóc để tạo ra các electron, gia tốc các electron về phía mục tiêu bằng cách tạo ra điện áp và bắn phá các vật chất có electron Khi các electron có đủ năng lượng để đánh bật các electron ở lớp vỏ bên trong của vật liệu, quang phổ tia X đặc trưng được tạo ra Những quang phổ này bao gồm một số thành phần, phổ biến nhất là Ka và Kb[28]
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nguyên liệu và hóa chất
Bảng 2.1: Nguyên liệu và hóa chất
Mủ trôm(Gum karaya) Ninh Thuận
Nhựa trao đổi ion Trung Quốc Dowex 50Wx8
100-200 mesh NaOH HCl, Ethanol Trung Quốc
Thiết bị
- Cân phân tích 4 số OHAUS PX224/E
- Máy đo quang phổ hồng ngoại Jasco FTIR-4700 (Nhật Bản)
- Máy đo SEM TM4000 (Hitachi, Nhật Bản)
- Máy đo XRD D8 ADVANCE ECO
- Máy khuấy từ gia nhiệt IKA C-MAG HS7
- Máy lưu biến quay Haacker Rheostress
- Máy ly tâm Hermle Z326, Đức
- Nhiệt ẩm kế JR 900, Trung Quốc
- Tủ sấy nhiệt đối lưu Memmert UN110
Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu
2.3.1 Biến tính mủ trôm với EDTA
Hình 2.1: Sơ đồ quy trình biến tính mủ trôm với EDTA
Kết rủa với ethanol 80 o ( Tỉ lệ 2:1)
Quy trình biến tính mủ trôm với EDTA bắt đầu bằng việc ngâm mủ trôm trong nước trong 24 giờ để trương nở hoàn toàn Sau đó, dung dịch EDTA được thêm vào theo tỷ lệ đã tính toán trước Hỗn hợp được khuấy và gia nhiệt, sau đó ly tâm trong 6 phút với tốc độ 9000 vòng/phút để thu phần pha lỏng Pha lỏng này được kết tủa bằng ethanol 80 độ với tỷ lệ 2:1, sau đó kết tủa được sấy ở 60 độ C trong 24 giờ Cuối cùng, mủ trôm đã được biến tính bằng EDTA sẽ được thu nhận.
2.3.2 Biến tính mủ trôm với nhựa trao đổi ion
Thuyết minh sơ đồ quy trình biến tính mủ trôm với nhựa trao đổi ion(Hình 2.2):
Mủ trôm được ngâm trong nước 24 giờ để trương nở, sau đó nhựa trao đổi ion cũng được ngâm trong nước và dung dịch HCl 1M trong 24 giờ để hoàn nguyên Nhựa hoàn nguyên được trộn với mủ trôm đã ngâm nở, sau đó hỗn hợp được khuấy và gia nhiệt Hỗn hợp này sẽ được ly tâm trong 6 phút với tốc độ 9000 vòng/phút để thu phần pha lỏng Pha lỏng thu được sẽ được kết tủa bằng ethanol 80° với tỷ lệ 2:1 và sau đó sấy ở 60°C trong 24 giờ để thu mủ trôm đã biến tính Phần chất rắn không tan được lọc và rửa bằng nước cất để tách nhựa trao đổi ion đã qua sử dụng, sau đó nhựa này được ngâm trong dung dịch HCl 1M để hoàn nguyên và sấy ở 60°C trong 24 giờ để thu hồi nhựa.
Kết rủa với ethanol 80 o (Tỉ lệ 2:1)
Hoàn nguyên với HCl 1M Ngâm nở trong nước(24h)
Lọc rửa với nước cất
Nhựa đã qua sử dụng
Hoàn nguyên với HCl 1M (24h) Sấy(60 o C, 24h)
Hình 2.2: Sơ đồ quy trình biến tính mủ trôm với nhựa trao đổi ion
2.3.3 Phương pháp khảo sát điều kiện biến tính mủ trôm với EDTA và nhựa trao đổi ion
2.3.3.1 Khảo sát điều kiện biến tính mủ trôm với EDTA
Mủ trôm, có nguồn gốc từ Ninh Thuận, Việt Nam, đã được nghiên cứu và phân tích về thành phần dinh dưỡng, được trình bày chi tiết trong bảng 2.2[29].
Bảng 2.2: Hàm lượng các kim loại trong mủ trôm
STT Chỉ tiêu Hàm lượng
EDTA có khả năng tạo phức với các ion kim loại như Ca 2+, Mg 2+, Zn 2+ và Fe 2+ Tuy nhiên, theo thông tin trên bao bì, chỉ có khả năng tạo phức với hai ion kim loại chính là Ca 2+ và Mg 2+, trong khi sự tương tác với Zn 2+ và Fe 2+ được coi là không đáng kể.
Trong 1 g mủ trôm có 1,0106 mg Ca và 0,4301 mg Mg Khi ngâm mủ trôm trong nước với nồng độ phần trăm theo khối lượng là 1% (1g/100mL H2O) ta được nồng độ phần triệu của
Ca và Mg là Cppm Ca2+ = 10,106 mg/L; Cppm Mg2+ = 4,301 mg/L
Suy ra: CM Ca2+ = 2,53.10 -4 M; CM Mg2+ = 1,79.10 -4 M
Với nồng độ mủ trôm là 1% xem như Vdd của Ca 2+ và Mg 2+ là 100 mL
Ta có: nCa2+ = 2,53.10 -5 mol nMg2+ = 1,79.10 -5 mol
Suy ra tổng số mol của Ca 2+ và Mg 2+ là: ∑ 𝑛 𝐾𝐿 = 4,32 10 −5 𝑚𝑜𝑙 ≈ 5 10 −5 𝑚𝑜𝑙
EDTA tạo phức với kim loại theo tỉ lệ 1:1 theo sơ đồ phản ứng sau
Số mol EDTA cần thiết để phản ứng hoàn toàn với lượng Ca2+ và Mg2+ trong 1 g mủ trôm là nEDTA = 5.10^-5 mol Để đảm bảo phản ứng tạo phức giữa EDTA và mủ trôm diễn ra thuận lợi, cần có nEDTA tối thiểu là 4 mol.
Với nồng độ EDTA là 0,01 M thì thể tích EDTA cần dùng là 10 mL
Nghiên cứu này khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình biến tính, bao gồm tỉ lệ mol giữa mủ trôm và EDTA, nhiệt độ, và thời gian Đầu tiên, tỉ lệ mol giữa mủ trôm (1%) và EDTA (0,01M) được điều chỉnh bằng cách thay đổi thể tích EDTA từ 10 mL đến 70 mL Hỗn hợp được khuấy ở nhiệt độ 80°C trong 4 giờ, sau đó ly tâm để thu pha lỏng Tiếp theo, sử dụng ethanol 80°C để kết tủa và sấy ở 60°C trong 24 giờ nhằm thu mẫu khô Cuối cùng, khối lượng mẫu được cân để tính hiệu suất biến tính.
Sau khi khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol, chúng tôi sẽ chọn tỉ lệ mol tối ưu để đạt hiệu suất cao nhất Tiếp theo, chúng tôi sẽ tiến hành khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ với các mức nhiệt độ 60, 80 và 100 độ C để xác định nhiệt độ tối ưu cho hiệu suất cao nhất Cuối cùng, chúng tôi sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất của quá trình biến tính, với các thời gian khuấy lần lượt là 1h, 2h, 4h, 6h và 8h.
2.3.3.2 Khảo sát điều kiện biến tính mủ trôm với nhựa trao đổi ion
Nhựa trao đổi ion được dùng trong nghiên cứu này là Dowex 50W-8 100 – 200 mesh
Sau khi chuẩn độ nhựa bằng dung dịch NaOH 0,5 N (Phụ lục 1), xác định được số đương lượng mol của 1 g nhựa là: n = 3,312 mmol/g
Trong 1g mủ trôm có tổng số mol kim loại(trang 42) là:
Ngâm nở 1g mủ trôm trong 100 mL H2O
Vậy số mol đương lượng có trong 1 g mủ trôm là n = 0,001.100 = 0,1 mmol
Suy ra số gam nhựa cần để tạo phức với lượng kim loại trong 1 gam mủ trôm là m nhựa = 3,312.0,1/1 = 0,3312 g
Bằng cách giữ nồng độ mủ trôm ở mức 1%, nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa nhựa và mủ trôm với các tỉ lệ 1/2, 1/1, 2/1 và 3/1 Hỗn hợp được khuấy ở nhiệt độ 80°C trong 4 giờ, sau đó ly tâm để thu pha lỏng Tiếp theo, sử dụng ethanol 80°C để kết tủa và sấy khô mẫu ở 60°C trong 24 giờ Cuối cùng, khối lượng mẫu được cân để tính hiệu suất biến tính.
Sau khi khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol, chúng tôi sẽ lựa chọn tỉ lệ mang lại hiệu suất cao nhất và tiếp tục nghiên cứu tác động của nhiệt độ, cụ thể là ở các mức 60, 80 và 100 độ C Sau khi xác định được nhiệt độ tối ưu cho hiệu suất cao nhất, chúng tôi sẽ tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng, với các mốc thời gian là 1, 2, 4, 6 và 8 giờ.
2.3.4 Phương pháp xác định tính chất của mủ trôm sau khi biến tính
Hình 2.3: Sơ đồ quy trình nghiên cứu
Các mẫu mủ trôm được kiểm tra tính chất gồm GK, E80 – 4, E100 – 4, E100 – 6, N80 – 4 Trong đó:
GK: mủ trôm nguyên chất
E: mẫu mủ trôm biến tính bằng EDTA
N: mẫu mủ trôm biến tính bằng nhựa trao đổi ion
80; 100: nhiệt độ của quá trình biến tính
Cân 0,1 g mẫu mủ trôm và hòa tan trong 10 mL nước, sau đó để ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ Tiến hành ly tâm để thu phần chất rắn không tan và sấy khô ở 60 °C trong 24 giờ Cuối cùng, cân khối lượng chất rắn thu được; độ tan của các mẫu trong nước được tính bằng công thức: Độ tan = (mbd - mr còn lại) (g/10 mL).
Mủ trôm đã biến tính Độ tan Tỉ lệ trương Lưu FTIR XRD biến Độ ẩm
2.3.4.2 Tỉ lệ trương nở Đầu tiên, cân khối lượng các túi lọc trà sau đó cho khoảng 0,1 g các mẫu mủ trôm(m0) cho vào trong túi lọc trà Sau đó đem túi ngâm vào trong nước cất và giữ ở nhiệt độ phòng trong
Sau 6 giờ, hãy lấy túi ra và dùng khăn giấy thấm khô nước bề mặt sau mỗi 30 phút Sau đó, cân khối lượng của mẫu (m1) để xác định chỉ số trương nở theo công thức CT.
2.3.4.3 Độ hút ẩm Đầu tiên, cân trọng lượng ban đầu của đĩa petri và cân khoảng 0,1 g các mẫu mủ trôm(m s và cho vào đĩa Sau đó, để mẫu ở trong thùng ẩm (là một thùng xốp kín, có chứa nước cất) trong vòng 24 giờ cho mẫu hấp thụ ẩm và đem cân khối lượng của mẫu sau 24 giờ Độ ℎú𝑡 ẩ𝑚(%) =𝐾ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑠𝑎𝑢 24ℎ − 𝐾ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑏𝑎𝑛 đầ𝑢
𝐾ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑏𝑎𝑛 đầ𝑢 100 Độ ẩm trong thùng là 80%, nhiệt độ là 32 o C được đo bằng nhiệt ẩm kế JR900
Mẫu mủ được đo độ nhớt ở nồng độ 0,2% bằng cách cân 0,2 g mẫu và hòa tan vào 100 mL nước Sau khi khuấy và gia nhiệt cho đến khi mẫu tan hoàn toàn, dung dịch cần được để nghỉ trong 24 giờ để ổn định.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Khảo sát điều kiện biến tính mủ trôm
3.1.1 Kết quả khảo sát điều kiện biến tính mủ trôm bằng EDTA
3.1.1.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa EDTA và mủ trôm đến hiệu suất biến tính
Bảng 3.1: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa EDTA và mủ trôm đến hiệu suất biến tính
STT Tỉ lệ mol EDTA/Mủ trôm Hiệu suất (%)
Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình "TB±SD" với độ lệch chuẩn (n=3) Các chữ cái a và b trong cùng một cột chỉ ra sự khác biệt ý nghĩa thống kê (p0,05) dựa trên kết quả kiểm định ANOVA về Hiệu suất thu được.
Hình 3.1: Ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa EDTA và mủ trôm đến hiệu suất của quá trình biến tính mủ trôm
Tỉ lệ mol giữa EDTA và mủ trôm ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất biến tính mủ trôm Cụ thể, khi tỉ lệ mol EDTA/mủ trôm tăng từ 2 lên 6, hiệu suất tăng khoảng 1,5 lần, đạt mức cao nhất Tuy nhiên, khi tỉ lệ mol tiếp tục tăng đến 10, hiệu suất bắt đầu giảm và gần như không thay đổi.
Việc biến tính mủ trôm bằng EDTA có nồng độ tối ưu để tối đa hóa hiệu suất quá trình Tỉ lệ mol từ 2 đến 6 cung cấp nhiều phân tử EDTA hơn, tăng cường tương tác với mủ trôm và giúp phản ứng tạo phức với các ion kim loại diễn ra hiệu quả hơn Tuy nhiên, khi vượt qua một ngưỡng nhất định, việc tăng thêm thể tích EDTA có thể dẫn đến giảm hiệu suất Nồng độ ion kim loại trong mủ trôm có giới hạn, do đó khi tỉ lệ mol đạt 6, các ion kim loại đã phản ứng hết với EDTA, khiến việc bổ sung thêm EDTA không còn tác dụng Thêm vào đó, việc tăng EDTA sẽ làm loãng nồng độ của cả mủ trôm và EDTA, giảm khả năng tương tác giữa chúng và từ đó làm giảm hiệu suất.
Tỉ lệ mol EDTA/ Mủ trôm
Sự kết hợp giữa EDTA và mủ trôm ở nồng độ quá cao có thể làm thay đổi môi trường hóa học, gây cản trở quá trình điều chỉnh pH của dung dịch EDTA 0,01 M trong khoảng 4,5 - 5 EDTA dư thừa có khả năng làm dịch chuyển độ pH ra khỏi phạm vi tối ưu, và nếu có quá nhiều EDTA, nó có thể tạo ra rào cản vật lý, ngăn chặn sự tương tác hiệu quả giữa mủ trôm và các phân tử EDTA, dẫn đến giảm hiệu suất.
3.1.1.2.Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất biến tính mủ trôm bằng EDTA
Bảng 3.2: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất biến tính mủ trôm bằng
Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn (n=3) Các chữ cái a, b trong cùng một cột chỉ ra sự khác biệt ý nghĩa thống kê (p0,05) theo kết quả kiểm định ANOVA về Hiệu suất thu được.
Theo số liệu từ bảng 3.2 và biểu đồ hình 3.2, nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất biến tính mủ trôm Cụ thể, ở nhiệt độ 60°C, hiệu suất khá thấp, nhưng khi tăng lên 80°C, hiệu suất gần như tăng gấp đôi, và ở 100°C, hiệu suất tăng hơn hai lần so với 60°C Sự gia tăng hiệu suất này có thể được giải thích bởi việc tăng nhiệt độ làm tăng động năng của các phân tử, từ đó nâng cao khả năng tương tác giữa mủ trôm và EDTA, giúp phản ứng diễn ra dễ dàng và nhanh chóng hơn.
Nhiệt độ cao giúp vượt qua các hàng rào năng lượng, phá hủy liên kết trong mủ trôm và hình thành liên kết mới với EDTA dễ dàng hơn Điều này làm tăng tốc độ phản ứng và đạt hiệu suất cao hơn.
Khi nồng độ EDTA tăng lên, tốc độ khuếch tán của các phân tử EDTA cũng sẽ tăng, dẫn đến sự linh động cao hơn của các chuỗi polymer trong mủ trôm Nhiệt độ có thể làm phá hủy các liên kết hydro và lực nội phân tử yếu trong mủ trôm, tạo điều kiện cho EDTA dễ dàng tương tác và phản ứng với mủ trôm, từ đó nâng cao tốc độ phản ứng và hiệu suất của quá trình.
Hình 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất của quá trình biến tính mủ trôm bằng
3.1.1.3.Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất biến tính mủ trôm bằng EDTA
Bảng 3.3: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất biến tính mủ trôm bằng
STT Thời gian(h) Hiệu suất(%)
Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình "TB±SD" với độ lệch chuẩn (n=3) Các chữ cái a, b trong cùng một cột chỉ ra sự khác biệt ý nghĩa thống kê (p0,05) về các giá trị Hiệu suất thu được theo kiểm định ANOVA.
Hình 3.3: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất của quá trình biến tính mủ trôm bằng
Thời gian có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất quá trình biến tính mủ trôm Kết quả từ bảng 3.3 và biểu đồ hình 3.3 cho thấy, khi thời gian tăng từ 1 giờ lên 6 giờ, hiệu suất tăng mạnh và đạt mức tối đa tại 6 giờ Tuy nhiên, nếu kéo dài thời gian phản ứng lên 8 giờ, hiệu suất lại giảm.
Việc biến tính mủ trôm bằng EDTA yêu cầu một khoảng thời gian phản ứng tối ưu để đạt hiệu suất tối đa, tương ứng với thể tích EDTA được thêm vào Tại thời điểm xử lý tối ưu, sự tương tác giữa mủ trôm và EDTA được cân bằng, giúp quá trình biến tính diễn ra dễ dàng và cải thiện hiệu suất Tăng thời gian xử lý từ 1 giờ lên 6 giờ sẽ tạo điều kiện cho phản ứng diễn ra hoàn toàn, nâng cao hiệu quả của quá trình biến tính.
Tử EDTA tương tác hiệu quả với mủ trôm, tối ưu hóa phản ứng sau 6 giờ Sau thời gian này, các vị trí ion kim loại trong mủ trôm có thể đã phản ứng hoàn toàn với EDTA, khiến việc kéo dài thời gian không tăng hiệu suất Tuy nhiên, khi kéo dài thời gian phản ứng lên 8 giờ, hiệu suất giảm do sự phân hủy của mủ trôm và EDTA, làm giảm khả năng phản ứng.
Kết quả khảo sát cho thấy điều kiện tối ưu để biến tính mủ trôm với EDTA là tỉ lệ mol giữa EDTA và mủ trôm là 6, nhiệt độ đạt 100 o C, và thời gian thực hiện là 6 giờ.
3.1.2 Kết quả khảo sát biến tính mủ trôm bằng nhựa trao đổi ion
3.1.2.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol đến hiệu suất biến tính mủ trôm bằng nhựa trao đổi ion
Bảng 3.4: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol đến hiệu suất biến tính mủ trôm bằng nhựa trao đổi ion
STT Tỉ lệ mol nhựa /Mủ trôm Hiệu suất(%)
Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình "TB±SD" với độ lệch chuẩn (n=3) Các ký tự a, b trong cùng một cột chỉ ra sự khác biệt có ý nghĩa thống kê (p0,05) về các giá trị Hiệu suất thu được thông qua kiểm định ANOVA.
Hình 3.4: Ảnh hưởng của tỉ lệ mol nhựa/ mủ trôm đến hiệu suất của quá trình biến tính mủ trôm bằng nhựa trao đổi ion
Từ số liệu trong bảng 3.4 và biểu đồ hình 3.4, có thể nhận thấy rằng tỉ lệ mol nhựa/mủ trôm ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của quá trình biến tính mủ trôm bằng nhựa trao đổi ion Khi tỉ lệ mol tăng từ 1/2 lên 1, hiệu suất tăng khoảng 2,65 lần và đạt cực đại Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng tỉ lệ mol lên 2 và 3, hiệu suất bắt đầu giảm mạnh Sự gia tăng hiệu suất khi tỉ lệ mol tăng lên 1 là do lượng nhựa tăng, dẫn đến khả năng tương tác giữa nhựa và mủ trôm tăng, tối ưu hóa phản ứng Tại tỉ lệ 1, các vị trí trao đổi ion trên nhựa tương tác hiệu quả nhất với phân tử mủ trôm, đạt được hiệu suất tối đa.
Khảo sát tính chất của mủ trôm sau khi biến tính
Bảng 3.7: Kết quả khảo sát độ tan của các mẫu mủ trôm
STT Tên mẫu Độ tan/10mL
Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình "TB±SD" với độ lệch chuẩn (n=3) Các chữ cái a, b trong cùng một cột chỉ ra sự khác biệt có ý nghĩa thống kê (p0,05) về giá trị Hiệu suất thu được theo kiểm định ANOVA.
Hình 3.7: Biểu đồ độ tan của các mẫu mủ trôm
Kết quả từ bảng 3.7 và biểu đồ hình 3.7 cho thấy độ tan của mủ trôm sau khi biến tính tăng đáng kể so với mủ trôm ban đầu Cụ thể, độ tan của các mẫu mủ trôm biến tính tăng lần lượt 3,75 lần, 3,72 lần, 4,02 lần và 3,37 lần so với mẫu mủ trôm ban đầu.
Quá trình biến tính mủ trôm đã làm thay đổi cấu trúc lý - hóa, dẫn đến việc tăng độ tan của nó Sự biến tính này, thông qua việc sử dụng EDTA và nhựa trao đổi ion, đã loại bỏ các ion kim loại liên kết trong cấu trúc mủ trôm, làm giảm kích thước phân tử polysaccharides Các chuỗi polymer dài bị phân mảnh thành những chuỗi ngắn hơn, giúp chúng dễ dàng hòa tan trong nước Với kích thước phân tử nhỏ hơn, mủ trôm có khả năng phân tán đồng đều hơn trong nước, cải thiện khả năng hấp thụ nước và tăng diện tích bề mặt, từ đó tăng tốc độ hòa tan.
Tương tự với việc biến tính bằng các dung dịch kiềm(NaOH, KOH, LiOH, NH4OH) của
Nghiên cứu của Postulkova và cộng sự cho thấy rằng việc biến tính mủ trôm bằng EDTA và nhựa trao đổi ion đã làm tăng đáng kể độ tan của nó trong nước Điều này chứng tỏ rằng cả hai phương pháp biến tính này đều có hiệu quả trong việc cải thiện khả năng hòa tan của mủ trôm.
Hình 3.8: Biểu đồ tỉ lệ trương nở của các mẫu mủ trôm theo thời gian
Kết quả từ phụ lục 2 và biểu đồ hình 3.8 cho thấy tỉ lệ trương của các mẫu mủ trôm sau khi biến tính khác biệt rõ rệt so với mủ trôm ban đầu (GK) Tốc độ trương nở của các mẫu diễn ra khá nhanh.
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng các mẫu mủ trôm sau khi được biến tính có tỉ lệ trương nở cao và tốc độ trương nở nhanh chóng Đặc biệt, các mẫu biến tính với EDTA (E80 – 4, E100 – ) cho thấy hiệu quả rõ rệt trong khả năng trương nở.
Các mẫu E100 - 6 có tỷ lệ trương nở cao, nhưng mức độ trương nở không đồng nhất giữa các mẫu Sự khác biệt này được gây ra bởi nhiều yếu tố như hàm lượng nước, mức độ polymer hóa, sự hiện diện của tạp chất, và các điều kiện phản ứng như nhiệt độ và thời gian phản ứng Khi biến tính bằng EDTA, EDTA sẽ làm thủy phân một phần các nhóm acetyl, dẫn đến sự gia tăng độ trương nở.
Mẫu mủ trôm sau khi biến tính bằng nhựa trao đổi ion (N80 – 4) có tỉ lệ trương nở thấp hơn so với mủ trôm nguyên chất Nguyên nhân là do quá trình sử dụng nhựa trao đổi ion để loại bỏ các ion kim loại đã ảnh hưởng đến cấu trúc polysaccharide của mủ trôm Các ion kim loại này hoạt động như các liên kết chéo, giúp mạng lưới liên kết của các phân tử mủ trôm trở nên chặt chẽ hơn, từ đó cải thiện khả năng giữ nước Khi các ion kim loại bị loại bỏ, cấu trúc mủ trôm trở nên lỏng lẻo hơn và khả năng giữ nước giảm Hơn nữa, quá trình biến tính cũng có thể làm ảnh hưởng đến các nhóm ưa nước trong phân tử, dẫn đến việc giảm độ trương nở của mẫu mủ trôm sau khi biến tính.
Cả EDTA và nhựa trao đổi ion đều có khả năng loại bỏ các ion kim loại trong mủ trôm, nhưng tỷ lệ trương nở của mẫu biến tính bằng EDTA cao hơn so với mẫu biến tính bằng nhựa trao đổi ion Sự khác biệt này có thể do cơ chế hoạt động của hai phương pháp EDTA, một chất tạo phức với kim loại, liên kết với các ion kim loại trong mủ trôm để tạo thành phức EDTA-kim loại, phức này tan trong nước và giúp loại bỏ ion kim loại mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc polysaccharide của mủ trôm Kết quả là, các chuỗi polysaccharide vẫn giữ nguyên hình dạng và kích thước ban đầu, cho phép chúng hút nước và trương nở mạnh mẽ, dẫn đến tỷ lệ trương nở cao Trong khi đó, nhựa trao đổi ion hoạt động theo cơ chế trao đổi ion, ảnh hưởng đến cấu trúc của mủ trôm.
Mủ trôm lỏng có cấu trúc kém hơn và khả năng giữ nước hạn chế, dẫn đến tỷ lệ trương nở thấp hơn so với mủ trôm nguyên chất.
Bảng 3.8: Kết quả khảo sát độ hút ẩm của các mẫu mủ trôm
STT Tên mẫu Độ hút ẩm
Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình "TB±SD" với độ lệch chuẩn (n=3) Các chữ cái a, b trong cùng một cột chỉ ra sự khác biệt ý nghĩa thống kê (p0,05) về các giá trị Hiệu suất thu được theo kiểm định ANOVA.
Hình 3.9: Biểu đồ độ hút ẩm của các mẫu mủ trôm
Kết quả nghiên cứu cho thấy, các mẫu mủ trôm sau khi biến tính có độ hút ẩm cao hơn so với mủ trôm nguyên chất, với độ hút ẩm của mẫu nguyên chất đạt 15,58% Quá trình biến tính đã làm thay đổi cấu trúc mủ trôm, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với hơi nước, từ đó nâng cao khả năng hút ẩm Các ion kim loại trong mủ trôm đóng vai trò như cầu nối giữa các phân tử polysaccharide, giúp ổn định cấu trúc và giảm tính linh động của chuỗi polymer Khi loại bỏ các ion kim loại bằng EDTA hoặc nhựa trao đổi ion, cấu trúc mủ trôm trở nên lỏng lẻo hơn, chuỗi polymer linh động hơn, và khả năng tương tác với phân tử nước cũng tăng lên, dẫn đến khả năng hút ẩm cao hơn Sự khác biệt về độ hút ẩm giữa các mẫu sau khi biến tính có thể do các điều kiện biến tính khác nhau ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất sản phẩm thu được.
3.2.4.1 Độ nhớt của mủ trôm trước và sau khi biến tính
Hình 3.10: Biểu đồ độ nhớt của các mẫu mủ trôm
Mủ trôm nguyên chất và các mẫu đều là chất lỏng phi Newton, với độ nhớt giảm khi tốc độ cắt tăng Các phân tử polysaccharide trong mủ trôm có cấu trúc không gian 3 chiều, ổn định ở trạng thái tĩnh, tạo nên độ nhớt ban đầu cao Khi tác dụng lực, các liên kết trong mạng lưới bị phá vỡ, khiến các chuỗi polysaccharide giãn ra và giảm độ nhớt Độ nhớt của các mẫu được đo ở dung dịch nồng độ 0,2% nên thấp, và độ nhớt của các mẫu thu được sau khi biến tính không đồng đều, đặc biệt là mẫu E80.
Các mẫu E100 – 4 và N80 – 4 có độ nhớt thấp hơn mủ trôm nguyên chất, trong khi mẫu E100 – 6 có độ nhớt cao nhất Các mẫu GK, E80 – 4 và E100 - 6 cho thấy độ nhớt giảm đáng kể khi tốc độ cắt tăng Sự khác biệt về độ nhớt giữa các mẫu có thể do điều kiện biến tính khác nhau, dẫn đến sự khác biệt về tính chất và cấu trúc của sản phẩm.
Trong cùng một điều kiện biến tính, mẫu biến tính bằng EDTA (E80 – 4) có độ nhớt cao hơn so với mẫu biến tính bằng nhựa (N80 – 4) Khi sử dụng EDTA, việc tăng nhiệt độ trong quá trình biến tính sẽ dẫn đến sự giảm độ nhớt, trong khi việc kéo dài thời gian biến tính lại làm tăng độ nhớt.