Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật hóa học: Điều chế chế phẩm chống oxy hóa từ lignin bằng phương pháp oxy hóa với H2O2: Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học

Tiếp theo là một loạt các bước phân lập và tách chiết các sản phẩm tạo thành sau khi oxy hóa lignin như là lọc, hấp phụ – giải hấp phụ , chiết lỏng – lỏng cuối cùng là cô đặc chân không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

GVHD: NGUYỄN VINH TIẾN SVTH: LƯU THỊ MỸ TÂM

TP Hồ Chí Minh, tháng 8/2024ĐIỀU CHẾ CHẾ PHẨM CHỐNG OXY HÓA TỪ LIGNIN

BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA VỚI H₂O₂

i

9

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐIỀU CHẾ CHẾ PHẨM CHỐNG OXY HÓA TỪ LIGNIN BẰNG

SVTH: Lưu Thị Mỹ Tâm MSSV: 20128008

GVHD: PGS.TS Nguyễn Vinh Tiến

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2024

Tp Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐIỀU CHẾ CHẾ PHẨM CHỐNG OXY HÓA TỪ LIGNIN BẰNG

SVTH: Lưu Thị Mỹ Tâm MSSV: 20128008

GVHD: PGS.TS Nguyễn Vinh Tiến

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN CAM KẾT VÀ XÁC NHẬN KẾT QUẢ KIỂM TRA ĐẠO VĂN

(DÀNH CHO BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN,

KHÓA LUẬN, LUẬN VĂN, LUẬN ÁN)

I Thông tin chung

1 Tên sản phẩm học thuật: Điều chế chế phẩm chống oxy hóa từ lignin bằng phương pháp

oxy hóa với H2O2

2 Loại hình sản phẩm học thuật (Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên/khóa luận tốt

nghiệp/luận văn thạc sĩ/luận án tiến sĩ): Khóa luận tốt nghiệp

4 Thông tin giảng viên hướng dẫn

Họ và tên: PGS.TS Nguyễn Vinh Tiến MSCB: 4717

Khoa: Công nghệ Hóa học và Thực phẩm

II Kết quả kiểm tra đạo văn

Ngày nộp sản phẩm Ngày kiểm tra đạo

văn

% trùng lặp toàn nội dung

% trùng lặp cao nhất từ 1 nguồn

Lưu ý: % trùng lặp nêu ở bảng trên không tính % trùng lặp của danh mục tài liệu tham khảo

III Cam kết

Nhóm tác giả sản phẩm học thuật và giảng viên hướng dẫn cam kết rằng:

1 Nội dung trong sản phẩm học thuật nêu trên không vi phạm đạo đức và liêm chính khoa

học

2 Kết quả % trùng lặp nêu tại mục II là hoàn toàn chính xác và trung thực

3 Bằng việc ký xác nhận vào mẫu này, nhóm tác giả và giảng viên hướng dẫn cam kết

chịu hoàn toàn trách nhiệm có liên quan đến sản phẩm học thuật nói trên

Xác nhận của đại diện nhóm tác giả Xác nhận của giảng viên hướng dẫn

(ký ghi rõ họ và tên) (ký ghi rõ họ và tên)

Lưu Thị Mỹ Tâm PGS.TS Nguyễn Vinh Tiến

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHIẾU TRẢ LỜI GÓP Ý NỘI DUNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

I Thông tin chung

- Họ và tên sinh viên: Lưu Thị Mỹ Tâm Lớp: 20128H

- Tên đề tài: Điều chế chế phẩm chống oxy hóa từ lignin bằng phương pháp oxy hóa với H2 O 2

- Mã số khóa luận:

- Họ và tên người hướng dẫn chính: PGS.TS Nguyễn Vinh Tiến

II Nội dung trả lời

STT Nội dung góp ý Nội dung trả lời

1

Sửa lại các lỗi chính tả, lỗi văn bản, lỗi khoảng trống, lỗi trình bày trong bài Lưu ý danh pháp

sử dụng dấu gạch - thay cho gạch –

Sinh viên đã chỉnh sửa theo góp ý, nhận xét từ giáo viên phản biện và các thành viên trong hội đồng

2 Các hình ảnh, bảng biểu đưa vào cần đề cập tới

trong bài

Sinh viên đã đề cập các hình ảnh, bảng biểu (trang 1, 3, 4, 8, 12, 13)

3 Không để tài liệu tham khảo trong phần Danh

5 Chỉnh sửa lại tên mục 1.6

Sinh viên đã sửa tên mục 1.6 (trang 17)

6 Format lại tài liệu tham khảo cho thống nhất

Sinh viên đã format lại tài liệu tham khảo (trang 56 – 61)

Tp.HCM, ngày 21 tháng 08 năm 2024

GV PHẢN BIỆN SINH VIÊN THỰC HIỆN

(Ký ghi rõ họ và tên) (Ký ghi rõ họ và tên)

i

TÓM TẮT

Mẫu lignin được điều chế từ gỗ cây gõ đỏ được thu thập từ một xưởng gỗ tại thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai Bột gỗ sau khi thu thập được rửa sạch, phơi khô và tiến hành ngâm với NaOH loãng ở 90 °C trong 3 giờ, sau đó xử lí acid để thu được lignin thô Lignin được hòa tan lại trong NaOH và oxy hóa bằng dung dịch H2O2 kết hợp với dung dịch xúc tác CuSO4 đun hồi lưu trong 60 phút Tiếp theo là một loạt các bước phân lập

và tách chiết các sản phẩm tạo thành sau khi oxy hóa lignin như là lọc, hấp phụ – giải hấp phụ , chiết lỏng – lỏng cuối cùng là cô đặc chân không tới khô để thu được sản phẩm

là hỗn hợp rắn có màu nâu sậm Hiệu suất điều chế lignin từ gỗ là 13% và hiệu suất oxy hóa lignin bằng H2O2 là 60% w/w Phương pháp phổ biến đổi hồng ngoại Fourier (FT-IR) được dùng để định tính các nhóm chức có trong lignin ban đầu và đánh giá sự thay đổi nhóm chức sau khi oxy hóa lignin

Hỗn hợp sản phẩm oxy hóa được làm giàu bởi nhựa hấp phụ AB – 08 và giải hấp bằng ethanol 95% Để đánh giá các thông số phù hợp trong quá trình hấp phụ và giải hấp này, tôi đã khảo sát sự hấp phụ – giải hấp phụ trên 3 chất vanillin, syringaldehye, 4-hydroxylbenzaldehyde để xác định thời gian và số lần hấp phụ, giải hấp phù hợp cho hỗn hợp oxy hóa từ lignin Kết quả cho thấy nhựa AB – 08 giúp làm giàu các hợp chất hydroxyl phenolic tốt nhất với 2 lần hấp phụ trong 60 phút và 2 lần giải hấp trong 60 phút Cụ thể, hiệu suất hấp phụ đối với vanillin, syringaldehyde, 4-hydroxylbenzaldehyde lần lượt là 88,4%; 89,9% và 94,7%, hiệu suất giải hấp của 3 chất đều đạt trên 90%

Tổng hàm lượng hydroxyl phenolic của năm mẫu phân đoạn gồm lignin, lignin thu hồi (lw – lignin), monomer và oligomer (M-O) , cao chiết ethyl acetate có hấp phụ (M-OAE)

và cao chiết ethyl acetate không hấp phụ (M-OE) được xác định dựa trên phương pháp Follin – Ciocalteu Hoạt tính chống oxy hóa của các mẫu theo từng giai đoạn được đánh giá dựa trên phương pháp ức chế gốc tự do DPPH và nhận xét dựa trên chỉ số chống oxy hóa (AAI) Kết quả TPC và DPPH có sự tương quan dương khi giá trị TPC càng cao thì khả năng ức chế gốc tự do càng cao Mẫu M-OAE cho kết quả cao nhất với %GAE = 26,57% và AAI = 1,84, sau đó là tới M-OE, lignin, M-O và lw – lignin Từ kết quả thu được, ta thấy việc oxy hóa lignin tạo ra chế phẩm M-OAE giúp làm tăng hiệu quả chống

Mặc dù Om chống oxy hóa trên dầu không tốt bằng Ob song đây vẫn là một kết quả khả quan khi cho thấy chế phẩm từ lignin có khả năng chống oxy hóa tốt đối với dầu ăn nói riêng và nhiều tiềm năng cho các sản phẩm có hàm lượng lipid cao nói chung.

iii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy/Cô trong Bộ môn Công nghệ Hóa học nói riêng và trong Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm nói chung nhờ những góp ý chuyên môn và kinh nghiệm của các Thầy/Cô đã giúp tôi hoàn thiện bài luận của mình tốt hơn Lời cảm ơn thứ hai tôi muốn gửi đến quý Thầy/Cô thuộc chuyên ngành Hóa Hữu cơ của Bộ môn Công nghệ Hóa học, những người đã dạy tôi môn Chuyên Đề Tốt Nghiệp Môn học giúp cho bản thân tôi có thêm nhiều kiến thức về cách viết luận văn, cách trình bày cũng như sử dụng các công cụ hỗ trợ cho bài nghiên cứu của mình trở nên chỉn chu hơn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô Nguyễn Thị Mỹ Lệ - giảng viên quản lí phòng thí nghiệm của Bộ môn Công nghệ Hóa học đã điều kiện thuận lợi cho chúng tôi được vào phòng thí nghiệm của Khoa và hỗ trợ tôi trong việc sử dụng thiết bị, dụng cụ trong phòng thí nghiệm

Lời cảm ơn đặc biệt nhất tôi xin gửi tới giảng viên hướng dẫn của mình là PGS.TS Nguyễn Vinh Tiến, giảng viên Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học

và Thực phẩm – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM Nhờ những hướng dẫn, chỉ dạy tận tình của thầy mà tôi ngày càng trưởng thành hơn và định hình được cho mình

tư duy nghiên cứu Sự góp ý của thầy là điều mà tôi luôn trân trọng và ghi nhớ vì đó là kim chỉ nam giúp tôi tìm ra hướng giải quyết khi gặp vấn đề trong thực nghiệm lẫn trong quá trình viết bài Thầy vừa là một người thầy vừa là một người bạn đồng hành luôn động viên tôi và đưa ra lời khuyên mỗi khi xảy ra những khó khăn trong nghiên cứu Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè xung quanh – những người đã giúp đỡ, động viên và ủng hộ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu Quá trình làm luận văn tuy có vất vả song nhờ có những người bạn bên cạnh cùng hỗ trợ, cùng học, cùng làm khiến tôi cảm thấy khoảng thời gian làm luận văn để lại rất nhiều kỷ niệm đẹp Tôi mong muốn nhận được sự góp ý và sửa chữa từ quý thầy/cô để hoàn thiện chất lượng của luận văn một cách hoàn chỉnh nhất

Tôi xin chân thành cảm ơn!

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Lưu Thị Mỹ Tâm là sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa Hữu cơ thuộc khóa 2020 – 2024 Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong bài khóa luận tốt nghiệp này đều là công trình nghiên cứu của riêng bản thân tôi và được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Nguyễn Vinh Tiến Các kết quả và số liệu đo đạc được đều trung thực và chưa được công bố trong bất kì công trình nào khác Trong bài nghiên cứu này, các tài liệu trích dẫn trong bài đều được tham khảo từ những nguồn đáng tin cậy, có kiểm chứng chất lượng trên trang kiểm định Scimagojr.com Đồng thời, các tài liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ và tự động nhờ phần mềm Endnote

Tôi xin cam đoan và chịu hoàn toàn trách nhiệm các hình thức kỉ luật nếu phát hiện sự không trung thực trong quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành khóa luận

Tp.HCM, ngày tháng năm 2024

Sinh viên thực hiện

Lưu Thị Mỹ Tâm

v

MỤC LỤC

TÓM TẮT i

LỜI CẢM ƠN iii

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU xiii

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về lignin 1

1.1.1 Khái quát và nguồn gốc của lignin 1

1.1.2 Thành phần và tính chất của lignin 3

1.1.2.1 Thành phần của lignin 3

1.1.2.2 Tính chất của lignin 5

1.2 Phương pháp điều chế lignin 7

1.2.1 Lignin chứa sulfur 8

1.2.1.1 Kraft lignin (KL) 8

1.2.1.2 Lignosulfonate (LS) 9

1.2.2 Lignin không sulfur 9

1.2.2.1 Soda lignin (SL) 9

1.2.2.2 Organosolv lignin (OL) 10

1.2.2.3 Steam – explosion lignin (SEL) 10

1.3 Tác nhân oxy hóa lignin 11

1.3.1 Oxy hóa bằng nitrobenzene (NBO) 11

1.3.2 Oxy hóa bằng O2 tinh khiết 11

vi

1.3.3 Oxy hóa bằng dung dịch H2O2 12

1.4 Các sản phẩm oxy hóa của lignin 13

1.4.1 Hợp chất phenolic 13

1.4.2 Dicarboxylic acid 14

1.5 Phương pháp phân lập và tinh chế 14

1.5.1 Chiết lỏng – lỏng (LLE) 14

1.5.2 Hấp phụ 15

1.5.2.1 Nhựa trao đổi ion 16

1.5.2.2 Chất hấp phụ không ion 16

1.6 Sự oxy hóa và chống oxy hóa cho dầu ăn 17

1.6.1 Quá trình oxy hóa của dầu ăn 18

1.6.2 Chỉ số đánh giá sự oxy hóa 19

1.6.3 Chống oxy hóa cho dầu ăn 19

CHƯƠNG 2 : THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Nguyên liệu – hóa chất – thiết bị 21

2.1.1 Nguyên liệu 21

2.1.2 Hóa chất 21

2.1.3 Thiết bị 22

2.2 Phương pháp nghiên cứu 23

2.2.1 Điều chế lignin 24

2.2.2 Điều chế sản phẩm oxy hóa lignin 26

2.2.3 Tinh chế sản phẩm oxy hóa 27

2.2.4 Định tính nhóm chức bằng phổ hồng ngoại (FT-IR) 29

2.2.5 Phương pháp sắc ký 29

2.2.6 Khảo sát hấp phụ và giải hấp phụ với nhựa AB – 08 29

2.2.7 Phương pháp ức chế gốc tự do DPPH 31

vii

2.2.7.1 Quy trình thực hiện 32

2.2.7.2 Thông số đánh giá 32

2.2.8 Phương pháp xác định tổng hàm lượng polyphenol 33

2.2.8.1 Quy trình thực hiện 34

2.2.8.2 Thông số đánh giá 34

2.2.9 Phương pháp đo độ bền oxy hóa của dầu ăn 35

2.2.9.1 Phương pháp ferric thiocyanate 35

2.2.9.2 Phương pháp anisidine (AV) 37

2.2.10 Phương pháp xử lí số liệu 38

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 39

3.1 Chiết xuất và oxy hóa lignin sử dụng H2O2 đi kèm xúc tác CuSO4 39

3.2 Kết quả phân tích phổ FT-IR và sắc kí lớp mỏng (TLC) của lignin và sản phẩm oxy hóa 41

3.2.1 Kết quả FT-IR 41

3.2.2 Kết quả TLC 43

3.3 Khả năng hấp phụ của nhựa AB – 08 đối với hợp chất phenolic 44

3.4 Khả năng chống oxy hóa của lignin và các sản phẩm depolymer hóa 47

3.4.1 Xác định tổng hàm lượng hydroxyl phenolic (TPC) 47

3.4.2 Phương pháp DPPH 49

3.5 Khả năng chống oxy hóa trên dầu đậu phộng 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 1: KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ 62

PHỤ LỤC 2: ĐÁNH GIÁ TỔNG HÀM LƯỢNG TPC 64

PHỤ LỤC 3: PHƯƠNG PHÁP ỨC CHẾ GỐC TỰ DO DPPH 65

viii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Phân bố của các đơn vị H, G, S trong lignin từ nhiều nguồn sinh khối khác

nhau 4

Bảng 1.2 Tg của lignin sử dụng các phương pháp điều chế khác nhau 6

Bảng 1.3 Thành phần acid béo có trong dầu đậu phộng 18

Bảng 2.1 Danh mục tên hóa chất, dung môi và nguồn gốc 22

Bảng 2.2 Danh sách thiết bị sử dụng 23

Bảng 3.1 Hiệu suất sản phẩm oxy hóa lignin 41

Bảng 3.2 Kết quả phân tích phổ FT-IR của mẫu lignin tự điều chế so sánh với nghiên cứu trước đó 42

Bảng 3.3 Khả năng hấp phụ – giải hấp phụ một lần của nhựa AB – 08 đối với vanillin, syringaldehyde và p-HBA 46

Bảng 3.4 Khả năng hấp phụ – giải hấp phụ hai lần của nhựa AB – 08 đối với vanillin, syringaldehyde và p-HBA 46

Bảng 3.5 Giá trị phần trăm đương lượng gallic acid của lignin và sản phẩm theo từng phân đoạn 48

Bảng 3.6 Giá trị IC50 và chỉ số chống oxy hóa của BHT và 5 mẫu phân đoạn 49

ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hình ảnh mô phỏng cấu trúc của lignin 2

Hình 1.2 Cấu trúc đơn vị phenylpropane và 3 monolignol 3

Hình 1.3 Một số liên kết chính trong lignin 4

Hình 1.4 Hình ảnh minh họa các sợi cellulose được kết nối thông qua hemicellulose và lignin trong thành tế bào 8

Hình 1.5 Cơ chế oxy hóa lignin tạo ra vanillin 13

Hình 1.6 Một số hợp chất phenolic (A) vanillin; (B) syringaldehyde; (C) p–HBA; (D) acetovanillone; (E) vanillic acid 14

Hình 2.1 Bột gỗ vụn 21

Hình 2.2 Sơ đồ nghiên cứu 24

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình điều chế lignin 25

Hình 2.4 Bột lignin 26

Hình 2.5 Sơ đồ oxy hóa lignin 27

Hình 2.6 Sơ đồ quy trình phân lập 28

Hình 2.7 Mẫu rắn lignin thu hồi (A) và mẫu cao chiết ethy acetate (B) 29

Hình 2.8 Quy trình khảo sát hấp phụ và giải hấp bằng nhựa AB – 08 31

Hình 2.9 Quy trình thử nghiệm hoạt tính ức chế gốc tự do DPPH 32

Hình 2.10 Quy trình đo TPC 35

Hình 2.11 Quy trình xác định sản phẩm oxy hóa sơ cấp 37

Hình 2.12 Quy trình xác định sản phẩm oxy hóa thứ cấp 38

Hình 3.1 Dịch chiết lignin trong NaOH (A) và bột lignin (B) 40

Hình 3.2 Dung dịch M-O (C) và kết tủa lignin thu hồi (D) 40

Hình 3.3 Kết quả FT-IR của từng mẫu khảo sát trong đó (a) Lignin; (b) Lw-lignin; (c) M-OAE 42

Hình 3.4 Kết quả sắc kí lớp mỏng soi ở 2 bước sóng 254 nm và 365 nm 44

Hình 3.5 Nồng độ dung dịch vanillin, syringaldehyde và p-HBA trong quá trình hấp phụ một lần (A) và giải hấp một lần (B) 45

Hình 3.6 Hiệu suất hấp phụ – giải hấp phụ một lần (A) và hai lần (B) 46

Hình 3.7 Phần trăm đương lượng gallic acid của lignin và sản phẩm theo từng phân đoạn 48

x

Hình 3.8 Khả năng ức chế gốc tự do của lignin và sản phẩm tạo thành 49Hình 3.9 Sự thay đổi giá trị độ hấp thu của mẫu dầu theo thời gian 51Hình 3.10 Sự thay đổi giá trị anisidine của mẫu dầu theo thời gian 52

xi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Kí hiệu TÊN TIẾNG ANH TÊN TIẾNG VIỆT

AAI Antioxidant activity index Chỉ số hoạt tính chống oxy hóa

phụ M-OE - Mẫu cao chiết ethyl acetate không hấp phụ

NBO Nitrobenzene oxidation Quá trình oxy hóa bằng nitrobenzene

xii

Tg Glass transition temperature Nhiệt độ chuyển thủy tinh

TLC Thin layer chromatography Sắc kí lớp mỏng

TPC Total phenolic content Tổng hàm lượng phenolic

UV – Vis Ultraviolet visible spectroscopy Quang phổ hấp thu

𝛼 Selectivity factor Hệ số chọn lọc

xiii

MỞ ĐẦU

Lignin là một thành phần quan trọng trong thực vật và là nguồn nguyên liệu sinh khối nhiều thứ hai trên Trái Đất chỉ sau cellulose Trong quá trình sản xuất giấy và bột giấy, lignin thường bị xem là phụ phẩm không có giá trị cao Chính vì thế việc tìm ra phương hướng giải quyết nhằm gia tăng giá trị sử dụng, tận dụng nguồn tài nguyên tái tạo và làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu hóa thạch là rất cần thiết Hiện nay việc tận dụng lignin để sản xuất các sản phẩm hóa học có giá trị vẫn còn trong quá trình tìm hiểu và phát triển

Một trong những giải pháp tiềm năng để chuyển hóa lignin là thông qua quá trình depolymer hóa bằng con đường oxy hóa Qua quá trình này, lignin có thể được phân hủy thành các đơn vị phân tử nhỏ hơn, tạo ra các phân tử có khả năng ứng dụng cao trong ngành công nghiệp hóa chất Điều này giúp làm gia tăng giá trị của phụ phẩm lignin Các phân tử monomer tạo thành thường rất đa dạng do cấu trúc phức tạp của lignin

Nhiều hợp chất vòng thơm có giá trị kinh tế cao như vanillin, p-hydroxylbenzaldehyde,

syringaldehyde…cũng là một trong số những sản phẩm tạo thành từ sự oxy hóa lignin Chúng có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực thực phẩm, dược phẩm và mĩ phẩm nhờ vào khả năng chống oxy hóa tự nhiên của chúng Tuy nhiên trên thực tế, việc tách riêng các chất này gặp nhiều vấn đề khó khăn vì các tính chất hóa lí của chúng rất giống nhau Ngoài ra, quy trình phân tách yêu cầu nhiều bước phức tạp song tỉ lệ thu hồi không cao Với những lí do như vậy, hướng nghiên cứu tập trung vào ứng dụng trực tiếp hỗn hợp sản phẩm oxy hóa lignin sẽ đơn giản, nhanh gọn và tiết kiệm chi phí hơn rất nhiều

Chính vì thế, khóa luận tốt nghiệp này sẽ thực hiện phản ứng oxy hóa lignin bằng H2O2

để tạo ra hỗn hợp sản phẩm có đặc tính chống oxy hóa tốt và ứng dụng làm chất bảo quản cho dầu đậu phộng với tên đề tài “Điều chế chế phẩm chống oxy hóa từ lignin bằng phương pháp oxy hóa với H2O2” Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bột lignin điều chế

từ gỗ cây gõ đỏ được lấy từ một xưởng gỗ ở thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai vào tháng 10/2023 Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận bao gồm (i) đánh giá hiệu suất quá trình oxy hóa lignin bằng tác nhân oxy hóa H2O2 30% cùng với xúc tác CuSO4 1M, (ii) định lượng được tổng hàm lượng polyphenol (TPC) có trong 5 mẫu phân đoạn (iii) khảo

xiv

sát hoạt tính chống oxy hóa bằng phương pháp ức chế gốc tự do DPPH, (iv) dựa trên kết quả hoạt tính sinh học để đánh giá hiệu quả quá trình tinh ch và hấp phụ làm giàu các monomer chống oxy hóa tốt và (v) chọn ra mẫu có hoạt tính mạnh nhất để đánh giá khả năng chống oxy hóa trên dầu đậu phộng Ứng với mỗi mục tiêu đề ra, phạm vi nghiên cứu của đề tài giới hạn trong (i) hiệu suất oxy hóa lignin bằng dung dịch H2O2 30% với xúc tác CuSO4 1M, (ii) quy trình phân tách và tinh chế sản phẩm oxy hóa, (iii) hoạt tính kháng oxy hóa DPPH cùng với (iv) thử nghiệm kháng oxy hóa trên dầu đậu phộng Kết quả của nghiên cứu này là minh chứng về tiềm năng kháng oxy hóa trên dầu đậu phộng của chế phẩm oxy hóa từ lignin, định hướng phát triển làm chất bảo quản cho dầu

ăn và các sản phẩm có hàm lượng chất béo cao Tính mới của nghiên cứu này là ứng dụng chế phẩm từ lignin để chống oxy trên dầu thực vật Điểm mới thứ hai là việc sử dụng nhựa macroporous AB – 08 để làm giàu các hợp chất phenolic cho hỗn hợp sản phẩm oxy hóa lignin

Dựa trên cơ sở nghiên cứu này, ta có thể mở rộng thêm những nghiên cứu để nâng cao giá trị của lignin, vốn là một phế phẩm trong ngành công nghiệp sản suất giấy và bột giấy, nhằm ứng dụng trong ngành thực phẩm nói riêng và các ngành công nghiệp khác nói chung

1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về lignin

1.1.1 Khái quát và nguồn gốc của lignin

Lignin là một polymer hữu cơ có cấu trúc phức tạp được tìm thấy nhiều trong vỏ thực vật Cấu trúc lignin được mô phỏng như Hình 1.1 [1] Đây là nguồn nguyên liệu sinh khối nhiều thứ hai trên Trái Đất, chỉ đứng sau cellulose Trong lớp vỏ tế bào thực vật, lignin điền đầy khoảng trống giữa cellulose và hemicelulose và đóng vai trò như một loại keo gắn kết mạng lưới lignocelllose lại với nhau Khoảng 25 – 35% chất nền hữu

cơ của gỗ là lignin [2] Do đó, có thể nói lignin đóng vai trò hỗ trợ hình thành cấu trúc trong cây, cụ thể là trong giai đoạn phát triển và giúp chúng chống chịu với những tác động đến từ môi trường bên ngoài

Lignin có thể thu được từ nhiều nguồn nguyên liệu tự nhiên khác nhau, bao gồm sinh khối gỗ, phế phẩm nông nghiệp hay canh tác cây năng lượng Thông thường, lignin được biết đến là sản phẩm phụ hay phế phẩm trong ngành công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy Ước tính lượng lignin trong ngành công nghiệp này chiếm tới 80% sản lượng thế giới, tạo ra khoảng 70 triệu tấn mỗi năm [3] Tuy nhiên, hầu hết lignin được sử dụng làm nhiên liệu giá trị thấp để sản xuất nhiệt và năng lượng trong các giai đoạn đốt cháy cũng như là thu hồi hóa chất bột giấy [4] Một phần nhỏ lignin (2% sản lượng trong ngành công nghiệp giấy) vẫn đang được phát triển cho các ứng dụng công nghiệp như phụ gia xây dựng, chất hoạt động bề mặt, chất ổn định [5] Do đó, việc đề xuất thêm nhiều giải pháp thay thế liên quan đến định giá lignin là điều cần thiết Việc này sẽ làm gia tăng giá trị kinh tế và giảm ô nhiễm môi trường cho các ngành sản xuất giấy trong tương lai Rào cản chính đối với việc định giá lignin là sự phức tạp về cấu trúc do sự đa dạng về cấu trúc polymer của các hợp chất thơm [6] Trong những năm gần đây, lignin đang nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu bởi nhiều tính chất nổi bật và ứng dụng tiềm năng của nó Một số đặc tính hấp dẫn của lignin có thể kể đến là thành phần nhóm thơm phong phú (hàm lượng carbon cao), khả năng phân hủy sinh học tốt và ổn định nhiệt [7] Trên

cơ sở đó, để nâng cao giá trị kinh tế cũng như khai thác triệt để nguồn sinh khối dồi dào này, các nhà khoa học đã và đang thực hiện những nghiên cứu liên quan đến việc phân

2

lập và cải tiến lignin để “mở khóa” thêm nhiều ứng dụng đối với loại nguyên liệu tái tạo bền vững này Năm 2022, Chao Zhao và các cộng sự đã báo cáo về phương pháp sử dụng lignin làm phân bón phân giải chậm [8] Kết quả cho thấy lignin là một chất mang các chất dinh dưỡng tuyệt vời với những ưu điểm như không độc, thân thiện với môi trường và dễ phân hủy sinh học Phân bón được bọc trong màng lignin có khả năng phân giải chậm trong nước dài hơn gấp 20 – 30 lần so với loại không có màng lignin Tuy nhiên, vật liệu màng dựa trên nền lignin vẫn thể hiện một vài hạn chế, chẳng hạn như sự bao phủ không đều, bề mặt lỗ trống lớn và có vết nứt Điều này dễ dẫn đến việc hiệu suất phân giải chậm, không ổn định [8] Bên cạnh sử dụng trực tiếp cấu trúc đại phân tử của lignin, con đường depolymer hóa lignin tạo thành các phân tử nhỏ hơn có giá trị cao cũng được xem là giải pháp tiềm năng Trong đó, phương pháp depolymer hóa bằng oxy hóa thu hút nhiều sự chú ý do điều kiện phản ứng ôn hòa, tạo ra được sản phẩm mục tiêu đa chức Quá trình depolymer hóa lignin bằng oxy hóa thường được dùng để sản xuất các hợp chất có giá trị như aldehyde thơm, acid và các carboxylic acid [1] Năm

2021, Shannon và các cộng sự đã thực hiện oxy hóa lignin bằng O2 tinh khiết tại điều kiện 160 oC, 5 bar với sự có mặt của xúc tác Cu2+ tạo ra các oligomer và nhiều monomer thơm đa chức Sản phẩm tạo thành có nhiều chất có giá trị như vanillin, vanillic acid,

syringaldehyde và p-HBA và các chất được tách ra bằng máy sắc ký ly tâm [9]

Một vài nguồn lignin khác nhau bắt nguồn từ quá trình tiền xử lí sinh khối cụ thể, đây cũng là nguồn cung cấp lignin ổn định cho nhà máy lọc sinh học Những nguồn cung này có thể đến từ các quá trình tiền xử lí trong công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy (ví

dụ như kraft và lignosulfonate) hoặc nguyên liệu mới dành riêng cho quá trình tinh chế sinh học (organosolv) [10]

Hình 1.1 Hình ảnh mô phỏng cấu trúc của lignin

3

1.1.2 Thành phần và tính chất của lignin

1.1.2.1 Thành phần của lignin

Về cấu tạo, lignin là một polymer có cấu trúc 3 chiều gồm các đơn vị phenylpropane

Nó hình thành nên một mạng lưới liên kết giữa các đơn vị vòng thơm với nhau, điều này cũng góp phần tạo nên đặc tính cứng và khó phân hủy đặc trưng của lignin [11] Lignin được tạo nên từ quá trình polymer hóa của 3 monolignol là coniferyl alcohol, sinapyl

alcohol và coumaryl alcohol hay thường gọi là syringyl (S), guaicyl (G) và

p-hydroxylphenyl (H) như Hình 1.2 [11] Tùy vào tỉ lệ và cách sắp xếp của các monolignol này trong cấu trúc lignin sẽ quyết định đến tính chất và đặc tính của lignin [1]

Hàm lượng các đơn vị H, G, S trong cây sẽ phụ thuộc nhiều vào nguồn sinh khối lignocellulosic và lignin có thể được phân biệt dựa trên nguồn thực vật (gỗ mềm, gỗ cứng và nguồn phi gỗ) Lignin gỗ mềm hay còn được gọi là guaiacyl lignin, hầu như chỉ bao gồm đơn vị G và một lượng nhỏ các đơn vị H Lignin gỗ cứng, còn được gọi là syringyl-guaiacyl lignin, chứa hỗn hợp các đơn vị G và S Một số lignin gỗ cứng cũng

chứa một ít đơn vị H Phân loại cuối cùng là lignin cỏ, có tên gọi khác là p-

hydroxylphenyl-, guaiacyl-, syringyl-lignin Loại này bao gồm cả 3 đơn vị Vì thế nên

sẽ chứa hàm lượng thành phần H cao hơn so với những loại khác [1] Bảng 1.1 tổng hợp

xu hướng phân bố của các monolignol trong những loại sinh khối khác nhau [1]

Hình 1.2 Cấu trúc đơn vị phenylpropane và 3 monolignol

Các đơn vị phenylpropane này kết nối ngẫu nhiên với nhau bằng liên kết C-C và C-O

để tạo thành cấu trúc lignin Hình 1.3 thể hiện một số liên kết được tìm thấy trong cấu trúc của lignin [1] như là 𝛽-aryl ether (𝛽-O-4), 𝛼-aryl ether (𝛼-O-4); 1,2- diarylpropone (𝛽-1); phenylcoumaran (𝛽-5); biphenyl (5-5, 𝛼-1) với năng lượng liên kết lần lượt là 270; 222; 670; 530; 500; 385 kJ/mol [12] Theo các nghiên cứu trước đó liên kết 𝛽-O-

4 có năng lượng liên kết thấp nhất nên dễ bị cắt đứt để tạo thành vòng thơm có chứa nhóm –OH mới (phenolic hydroxyl) Thêm vào đó, liên kết 𝛽-aryl ether chiếm tới 50 – 60% trên tổng số liên kết, phụ thuộc vào nguồn lấy lignin Yếu tố này đóng vai trò quan trọng cho việc phát huy lợi thế của lignin khi depolymer hóa tạo ra nhiều hợp chất monomer phenolic như là chất chống oxy hóa tự nhiên [12]

Hình 1.3 Một số liên kết chính trong lignin

5

1.1.2.2 Tính chất của lignin

*Khối lượng phân tử

Lignin là một ví dụ điển hình về sự đa dạng trong khối lượng phân tử của chính nó Với

gỗ mềm có khối lượng là 20000 g/mol và gỗ cứng có khối lượng phân tử thấp hơn Loại lignin và con đường điều chế lignin có thể ảnh hưởng đến yếu tố này Trong một loạt các nghiên cứu đã chứng minh rằng kraft lignin từ gỗ mềm có khối lượng phân tử trung bình khoảng 700 – 3490 g/mol và chỉ số đa dạng thay đổi từ 2,07 đến 13,9; trong khi kaft lignin từ gỗ cứng có khối lượng phân tử trung bình là 320 – 1000 g/mol và chỉ số

đa dạng dao động từ 2,2 đến 4,3 [13] Linosulfonate gỗ mềm có khối lượng phân tử trung bình cao hơn so với kraft lignin với khối lượng phân tử nằm từ khoảng 3200 –

18000 g/mol và chỉ số đa dạng là 1,5 đến 12,3 Tương tự, lignosulfonate gỗ cứng cũng cao hơn so với kraft lignin cùng loại với khối lượng phân tử là 490 – 5455 g/mol và chỉ

số đa dạng bằng 1,3 – 5,0 Chỉ số đa dạng của lignin thường rất cao khi so sánh với cellulose [13] Điều này làm nổi bật tính không đồng nhất và chủng loại đa dạng hơn của chuỗi polymer lignin khi so sánh với cellulose

*Nhiệt độ chuyển thủy tinh

Lignin là một polymer nhựa nhiệt dẻo vô định hình Nhiệt độ chuyển thủy tinh của polymer (Tg) là vùng mà polymer chuyển từ trạng thái thủy tinh rắn sang trạng thái mềm dẻo ngay lập tức và không có sự chuyển pha Tg của lignin gián tiếp làm nổi bật một số tính chất nhất định của lignin Giá trị điển hình của nhiều loại lignin khác nhau được để trong bảng 1.2 Cần lưu ý rằng cả lignosulfonate lẫn kraft lignin đều thực hiện quá trình chuyển trạng thái riêng biệt từ trạng thái thủy tinh sang trạng thái mềm dẻo khi gia nhiệt

OL có nguồn gốc từ dung môi làm giấy có nhiệt độ chuyển thủy tinh thấp hơn khi gia nhiệt [14] Những yếu tố ảnh hưởng đến Tg là sự linh hoạt của chuỗi mạch, yếu tố hình thái, lực hấp dẫn liên chuỗi, khối lượng phân tử, liên kết chéo phân nhánh và độ kết tinh

Vì lignin là một phân tử phức tạp, tốc độ chuyển trạng thái từ thủy tinh sang dẻo sẽ không đồng nhất [15]

* Khả năng phân hủy

Lignin phân hủy ở khoảng nhiệt độ khá rộng (200 – 500 °C) bởi kích thước đa dạng, cấu trúc vô định hình tự nhiên và tính không đồng nhất khi so sánh với cellulose và hemicellulose [16] Nhóm chức oxy khác nhau trong cấu trúc của nó có khả năng nhiệt

6

khác nhau, dẫn đến làm đa dạng nhiệt độ phân hủy Trong quá trình này, lignin được phá

vỡ thành các mảnh nhỏ hơn hoặc tái sắp xếp lại hoàn toàn chuỗi mạch dẫn đến khối lượng mất đi Gỗ mềm thường sẽ bền nhiệt hơn so với gỗ cứng Theo như nghiên cứu thực nghiệm, quá trình phân hủy bắt đầu ở khoảng 200 – 275 °C kéo dài tới quá trình phân chỉnh chính ở 400 °C, các thành phần phân hủy hầu hết là sản phẩm có chức nhóm hydroxyl phenolic Ở vùng 230 – 260 °C, có xảy ra sự phân hủy chuỗi mạch propanoid song có sự hình thành của methyl-, ethyl- và vinyl-guaiacol lẫn vanillin [16] Liên kết 𝛽-𝛽 và C-C giữa các đơn vị monomer liên kết cắt mạch ở 275 – 350 °C, nhưng đồng thời có sự tái tổ hợp của các gốc tạo thành trong sự hình thành các hợp chất guaiacyl và syringyl [13] Guaiacyl và syringyl là những sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy và chúng giảm khi nhiệt độ tăng lên Sự có mặt đông đảo của các liên kết aryl-ether (chiếm hơn một nửa các liên kết liên đơn vị) được cắt đứt tại dưới 310 °C Chính những liên kết phong phú trong mạch tạo nên sự biến thiên nhiệt độ phân hủy rộng cho lignin như là liên kết 𝛽-ether, nhóm dimethoxy và liên kết vòng thơm C-O (Bảng 1.2) [13] Hiệu suất và sự phân bố sản phẩm thì không ảnh hưởng nhiều đến điều kiện gia nhiệt bằng yếu tố loại gỗ, tuổi và điều kiện điều chế Tương tự như thế, tốc độ gia nhiệt ảnh hưởng đến sản phẩm quá trình phân hủy khi mà nhiệt độ gia nhiệt cao sẽ phù hợp với các dẫn xuất hydrocarbon và alkyl-phenol Khi phân hủy, lignin bị khử nước và các dạng sản phẩm tan trong nước chứa chuỗi mạch chưa bão hòa như vanillin, dẫn xuất styrene

và nhiều chất khác không thân thiện với môi trường [16]

Bảng 1.2 Tg của lignin sử dụng các phương pháp điều chế khác nhau

và phân loại thành lignin tan và không tan Lignin tan có cấu trúc vô định hình còn lignin không tan có hình thái dạng sợi của nguyên liệu thô [13] Nồng độ nhóm hydroxyl cao

7

có mặt trong lignin khiến chúng tan trong dung dịch kiềm Nghiên cứu cho thấy độ tan của lignin trong dung dịch kiềm tăng khi tỉ lệ số lượng nhóm hydroxyl phenolic và số lượng đơn vị phenylpropane tăng Quá trình điều chế sulfite truyền thống tạo ra lignin kiềm và lignosulfate có thể tan trong nước, dung dịch kiềm loãng và dung dịch muối Lignin có độ tan kém trong hầu hết các dung môi, tuy nhiên có tương tác phức hợp lignin-carbohydrate (LCC) được tìm thấy trong tế bào thực vật [17] Lignin có tính kị nước trong khi các carbohydrate và các polymer khác trong mô thực vật có tính ưa nước

Do đó, vai trò của LCC ở thực vật được cho là có liên quan tới việc ngăn chặn hemicellulose hòa tan trong nước hòa tan ra khỏi thành tế bào bằng cách hình thành các micelle hoặc tập hợp làm cố định chuỗi đường và các vật liệu không tan như lignin để cho phép vận chuyển các chất đó đến bất kì bộ phận nào của tế bào Các phân tử này được liên kết với nhau do các phân tử nước đóng vai trò là nơi hình thành liên kết Điều này sẽ phá vỡ liên kết hydro bên trong lignin và đảm bảo hình thành liên kết dễ dàng với các phân tử nước dựa trên số lượng nhóm methoxyl trên lignin [17]

* Tính chống oxy hóa

Đặc tính chống oxy hóa của lignin có liên quan đến phân loại của nó Điều này sẽ quyết định các tính chất vật lí cũng như cấu trúc hóa học của thực vật [18] Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng đặc tính chống oxy hóa của lignin tỉ lệ nghịch với hàm lượng carbon trong thực vật Lignin có khả năng làm giảm các gốc tự do bằng cách chuyển hydro hoặc chuyển điện tử tạo nên đặc tính chống oxy hóa Tuy nhiên, những đặc tính này có thể bị ảnh hưởng bởi tính ổn định của gốc tự do được hình thành từ quá trình tách hydro [18] Người ta thấy rằng hoạt động bắt gốc tự do giảm nếu sự liên hợp xảy ra bên trong chuỗi mạch propanoid do các nhóm carbonyl vì sự loại bỏ các nhóm carbonyl làm yếu đi hiệu ứng cảm ứng rút electron Ngoài ra, số lượng nhóm methoxy tại vị trí nhóm thế ortho ảnh hưởng đến tính chống oxy hóa, cụ thể khi mà tăng số lượng nhóm methoxy thế vào

vị trí ortho làm cho tính kháng oxy hóa tốt hơn Đặc tính chống oxy hóa của nhóm methoxy tại ortho có sự phụ thuộc vào thế oxy hóa khử trong đó hiệu quả kháng oxy hóa tỉ lệ nghịch với thế oxy hóa khử của chuỗi mạch [18]

1.2 Phương pháp điều chế lignin

Lignin có thể phân loại dựa trên phương pháp tách loại ra nó, bao gồm có lignin chứa sulfur và lignin không sulfur Loại lignin thứ nhất chủ yếu đến từ quá trình sản xuất bột

8

giấy và giấy trong công nghiệp, gồm có kraft lignin và lignosulfonate Loại thứ hai có được từ quy trình chưa thương mại hóa như soda, chiết xuất hữu cơ (organosolv), thủy nhiệt và thủy phân từ sản xuất nhiên liệu sinh học [19]

1.2.1 Lignin chứa sulfur

1.2.1.1 Kraft lignin (KL)

Kraft lignin là lignin tách ra từ quá trình nghiền giấy kraft [20] Quá trình thực hiện cần đun vụn gỗ ở nhiệt độ cao (~170 °C) có áp suất trong hỗn hợp dung dịch Na2S và NaOH [21] Mục đích chính là nhằm loại bỏ đủ lignin và tách sợi cellulose cho quá trình sản xuất giấy và các sản phẩm khác (Hình 1.4) [22] Nó giúp phân mảnh và hòa tan lignin đồng thời phân hủy một phần hemicellulose Gốc sulfite tấn công vào lignin và các mối liên kết giữa lignin và carbohydrate trong phức hợp lignin carbohydrate và giải phóng lignin Các mảnh lignin được giải phóng ra khỏi khung carbohydrate, hòa tan trong dung dịch kiềm Sau đó thực hiện một vài phản ứng kế tiếp để tạo ra kraft lignin [23]

Hình 1.4 Hình ảnh minh họa các sợi cellulose được kết nối thông qua hemicellulose và

lignin trong thành tế bào Tùy vào điều kiện nấu và loại gỗ sử dụng mà rượu đen kraft thường chứa 30 – 45% w/w vật liệu gỗ, 25 – 35% w/w dung dịch saccharinic acid, ~10% w/w dung dịch formic acid

và acetic acid, 17 – 20% w/w dung dịch sodium hydroxide và 3 – 5% w/w dung dịch sulfur [24]

Phương pháp kết tủa bằng acid là cách phổ biến được dùng để thu hồi lignin từ rượu đen kraft Ví dụ như sulfuric acid hoặc carbon dioxide [20] Acid được thêm vào dung dịch rượu đen để giảm pH từ 13 xuống 5 Lignin kết tủa có thể đem đi lọc rửa và làm khô để thu được sản phẩm dạng rắn [25] CO2 được xem là tác nhân acid hóa tốt để kết tủa lignin vì ít ảnh hưởng đến cân bằng sodium – sulfur và kết tủa có thể lọc dễ dàng Tuy nhiên hạn chế của CO2 là không thể chỉnh pH của dung dịch về dưới 8, trong khi hiệu

Bước tinh chế sẽ giúp thu hồi LS với độ tinh khiết cao, gồm có quá trình lên men của những nhóm đường dư chuyển hóa thành ethanol, theo sau là lọc bằng màng membrane

để loại bỏ bớt lượng ion kim loại có mặt trong dung dịch LS thu được có thể tan trong nước dưới hầu hết các điều kiện [30] Ngoài ra, LS còn đến từ phản ứng hóa học xảy ra

giữa kraft lignin và sodium sulfite dưới 200 °C, khi đó nhóm -SO3H sẽ được gắn lên khung lignin và tạo ra sản phẩm là dẫn xuất lignin có thể tan trong nước Lignosulfonate

là một trong số những loại lignin được nghiên cứu rộng rãi cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp như keo dán, chất kết dính, chất hoạt động bề mặt và chất phân tán [31] Nhiều năm về trước, phương pháp nghiền giấy kraft chiếm đa số trong ngành sản xuất này Sau này, KL bị hạn chế bởi hàm lượng lưu huỳnh cao trong quá trình sản xuất lignin Điều này khiến nó trở thành vật liệu sinh học khó xử lý Để khắc phục những khó khăn này, ngành công nghiệp giấy và bột giấy dường như đang chuyển đổi sang nhà máy tinh chế sinh học ưu tiên thu hồi không chỉ cellulose mà còn có hemicellulose và lignin

1.2.2 Lignin không sulfur

1.2.2.1 Soda lignin (SL)

Soda lignin (SL) là loại lignin được tách ra từ phương pháp nấu bột giấy với xút Phương pháp nấu hóa học đầu tiên được cấp bằng sáng chế vào năm 1845 Phương pháp này đang được ưa chuộng với chất thải nông nghiệp như bã mía, rơm rạ và cây trồng ngắn

10

hạn [31] Trong quá trình nấu bột gỗ với xút sẽ không có hóa chất chứa sulfur, như vậy

sẽ thu được lignin kiềm không sulfur Quá trình nấu tiêu chuẩn được thực hiện trong lò

phản ứng chịu áp ở 160 – 170 °C với dung môi kiềm 10 – 15% w/w, điển hình là NaOH

[32] Để giúp cải thiện sự ổn định carbohydrate lẫn độ hòa tan lignin, người ta có thể thêm anthraquinone (AQ) như một chất xúc tác Tuy nhiên, khả năng thu hồi lignin vẫn thấp hơn so với quy trình kraft [33]

SL thu được từ loại cây phi gỗ sẽ khó để thu hồi bằng ly tâm hay lọc vì chứa lượng carboxylic acid cao Khối lượng phân tử của SL thu được từ các phế phẩm nông nghiệp phi gỗ khác nhau nằm trong khoảng từ 840 – 6820 Da, sử dụng THF làm dung môi [34]

Vì soda lignin không chứa lưu huỳnh và ít hemicellulose hoặc cấu trúc khuyết tật bị oxy hóa nên nó mang lại cơ hội tốt để sử dụng trong các sản phẩm có giá trị cao [30]

1.2.2.2 Organosolv lignin (OL)

Lignin hữu cơ (OL) là phương pháp sử dụng hỗn hợp dung môi hữu cơ – nước Trong những điều kiện phản ứng nhất định, dung môi có khả năng phân hủy và biến đổi dần dần cấu trúc đại phân tử lignin cho đến khi các mảnh phân tử thu được đủ nhỏ để hòa tan trong dung dịch nước [35] Trong số đó, tiền xử lí với dung môi ethanol là một hướng

đi khá tiềm năng bởi sản phẩm chính của quá trình sinh học (ethanol) có thể tái chế và tái sử dụng lại cho chu kì xử lí tiếp theo [35] Hỗn hợp dung dịch gồm ethanol và nước

tỉ lệ 1:1 được nấu ở khoảng 200 °C và 2,76 MPa sẽ trích ly được hầu hết lignin từ sinh

khối lignocellulose Lignin được thu hồi bằng cách giảm áp nhanh cho dịch bột tới áp suất thường và nhanh chóng pha loãng bằng nước [36] Bên cạnh quy trình sử dụng ethanol ở trên, một vài nghiên cứu còn sử dụng Lewis acid như là chất xúc tác giúp làm giảm khối lượng phân tử và hàm lượng hydroxyl khi độ cứng cation tăng lên [37]

1.2.2.3 Steam – explosion lignin (SEL)

Steam – explosion lignin (SEL) được phân lập từ sinh khối được đưa vào quy trình nổ hơi Mục đích chủ yếu là để tách các thành phần sinh khối, phá vỡ cấu trúc lignocellulose

và tăng khả năng phản ứng hóa học cũng như khả năng tiếp cận enzyme của nó [38] Quá trình bao gồm ngâm tẩm sinh khối bằng hơi nước trong thời gian ngắn (1 – 20 phút)

ở 180 – 235 °C dưới áp suất cao (1,1 – 3,2 MPa) sau đó giảm áp nhanh [39] Tiếp theo

là rửa mẫu ở pH trung tính để loại bỏ hemicellulose, rửa kiềm để chiết xuất lignin hoặc thủy phân bằng enzyme để tiếp tục đường hóa và lên men So với KL, SEL có độ hòa

11

tan cao hơn trong dung môi hữu cơ và khối lượng phân tử thấp hơn [39]

1.3 Tác nhân oxy hóa lignin

1.3.1 Oxy hóa bằng nitrobenzene (NBO)

Phương pháp oxy hóa lignin sử dụng nitrobenzene đã được đề cập đến khá nhiều và quá trình có độ chọn lọc cao, kết quả của nó về mặt định tính, kể cả định lượng được dùng

để đề xuất cấu trúc của lignin [40] Việc sử dụng nitrobenzene để oxy hóa isoeugenol (C10H12O2) thành vanillin được cấp bằng sáng chế vào năm 1927 [41] NBO của lignin được chủ động phát triển trong công trình nghiên cứu của Hibbert, Leopold và các tác giả khác [42] NBO gây ra sự phá hủy cấu trúc lignin bằng cách cắt đứt liên kết 𝛼-𝛽 dẫn đến sự hình thành các aldehyde thơm là sản phẩm chính cùng với các carboxylic acid tương ứng và một phần nhỏ dẫn xuất aceto của sản phẩm chính là acetovanilone (4-hydroxyl-3-methoxyacetophenone) và acetosyringone (4-hydroxy-3,5-dimethoxyacetophenone) Hiệu suất của các sản phẩm này đặc trưng cho số lượng cũng như tỷ lệ của chúng của các đơn vị guaiacyl và syringyl không được thay thế trong cấu trúc đại phân tử lignin ban đầu

Hiệu suất tạo ra aldehyde thơm phụ thuộc nhiều vào nguồn lignin, điều kiện phân tách

và điều kiện oxy hóa lignin Nitrobenzene là tác nhân oxy hóa hiệu quả nhất để sản xuất các hợp chất thơm từ lignin với hiệu suất tạo thành vanillin đạt tới 13% (w/w) [43] Tuy nhiên, giá thành cao cộng với độc hại, tiềm ẩn khả năng gây ung thư là hạn chế lớn đối với tác nhân này [43] Trong một vài trường hợp, nitrobenzen vẫn được xài cho mục đích làm tham chiếu cho quá trình oxy hóa lignin vì nó cho phép ước tính sự chuyển hóa tối đa của lignin thành các hợp chất phenolic được gắn nhóm chức [44]

1.3.2 Oxy hóa bằng O 2 tinh khiết

Như đã đề cập trước đó, nitrobenzene là một chất oxy hóa hiệu quả mang lại hiệu suất chuyển hóa sản phẩm cao nhất Tuy nhiên nó là một hóa chất đắt tiền và độc hại Để thay thế cho nitrobenzene, người ta đã sử dụng oxy tinh khiết trong quá trình phân hủy lignin khi xem xét tới các vấn đề kinh tế và môi trường Đây là nguồn nguyên liệu sẵn

có, chi phí thấp và thân thiện với môi trường [45] Đồng thời, khả năng oxy hóa ôn hòa của nó còn giúp giữ lại các vòng thơm trong phản ứng oxy hóa và thể hiện hiệu suất tốt trên khối lượng chất oxy hóa sử dụng Oxy hóa lignin bằng O2 tinh khiết đã được nghiên

12

cứu rộng rãi trong những thập kỉ gần đây liên quan đến phân hủy các chất mô phỏng lignin chứa liên kết chặt như lignosulfonate và kraft lignin Vì oxy tinh khiết là một chất oxy hóa yếu ở trạng thái bình thường nên phản ứng yêu cầu có kiềm để ion hóa các nhóm hydroxyl phenolic tự do trong các đơn vị lignin Chính vì thế, để nhắm đến tạo thành các hợp chất thơm, quá trình oxy hóa chủ yếu được thực hiện ở điều kiện hiếu khí trong dung dịch kiềm (thường là NaOH) vì điều này cho phép sản xuất chọn lọc các

aldehyde phenolic như vanillin và syringaldehyde [44]

1.3.3 Oxy hóa bằng dung dịch H 2 O 2

Hydrogen peroxide là một hóa chất phổ biến dùng trong công nghiệp và lành tính với môi trường, đặc biệt trong ngành công nghiệp giấy và bột giấy Nó dễ sử dụng và không yêu cầu bất cứ thiết bị đặc biệt nào [46] Phương pháp depolymer hóa lignin bằng H2O2

tinh khiết thường được thực hiện trong môi trường kiềm, nhiệt độ cao kết hợp với xúc tác kim loại hoặc acid cho quá trình oxy hóa chọn lọc từ lignin Trong quá trình này, lignin được phân cắt thành các phân tử nhỏ hơn, có thể là các phenol và các hợp chất có giá trị khác [2] Jennings và các cộng sự cũng chỉ ra rằng hydrogen peroxide có khả năng oxy hóa tập trung vào liên kết 𝛽-O-4 và 𝛽-1 Đồng thời, họ cho thấy rằng khi giảm thời

gian và nhiệt độ thí nghiệm có thể tăng cường tính chọn lọc phản ứng [47] Tuy nhiên,

hydrogen peroxide cũng dễ gây ra sự oxy hóa quá mức, điều này dẫn đến các hợp chất thơm, hợp chất phenolic mở vòng và tạo thành các hợp chất alkyl Ngoài ra, oxy hóa quá mức tạo ra nhiều sản phẩm và khó kiểm soát dẫn đến phức tạp hóa hỗn hợp và gây khó khăn để tách các sản phẩm [2]

Có nhiều công bố trước đây đã đề xuất cơ chế oxy hóa xảy ra đối với lignin Một trong

số đó được trình bày như Hình 1.5 [48].Trong môi trường kiềm mạnh, các nhóm hydroxyl phenolic chuyển thành dạng ion phenolate (I) Các ion phenolate bị oxy hóa mất electron tạo thành các gốc phenoxyl (II) Tiếp theo, chúng trải qua quá trình tái cấu trúc và oxy hóa thêm để tạo thành các quinonemethide (III) Sau đó, quinonemethide kết hợp với OH- trong môi trường kiềm mạnh để tạo ra coniferaldehyde (IV) Cuối cùng

xảy ra phản ứng cắt mạch retroaldol của coniferaldehyde tạo ra vanillin (V) [48]

13

Hình 1.5 Cơ chế oxy hóa lignin tạo ra vanillin

1.4 Các sản phẩm oxy hóa của lignin

1.4.1 Hợp chất phenolic

Thông qua các quá trình oxy hóa kiềm chuyển đổi lignin thành một hỗn hợp phức tạp các sản phẩm gồm monomer phenolic, dimmer và oligomer [44] Sự chọn lọc và hiệu suất của quá trình phân giải oxy hóa phụ thuộc mạnh mẽ vào điều kiện xử lí và nguồn gốc của lignin Một số sản phẩm hình thành khi oxy hóa lignin được thể hiện trong Hình 1.6 Trong đó, oxy hóa kiềm của lignin có nguồn gốc từ gỗ mềm chủ yếu tạo ra vanillin

và vanillic acid, trong khi syringaldehyde và syringic acid thu được từ lignin gỗ cứng Một số công trình nghiên cứu đại diện về oxy hóa kiềm lignin sử dụng oxy cho thấy hàm lượng vanillin tạo thành nằm trong khoảng 4 – 12% w/w so với lignin ban đầu, và hàm lượng syringaldehyde là 5 – 20% w/w so với lignin ban đầu Điều này còn tùy thuộc vào nguồn gốc, loại cây và quá trình xử lí của từng loại lignin [44] Theo nghiên cứu trước đó, syringaldehyde và vanillin là hai hợp chất chính hình thành trong quá trình oxy hóa kiềm lignin bằng O2 và nitrobenzene Chúng được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm và có giá trị kinh tế cao Hiện nay có hai con đường thương mại để sản xuất vanillin và syringaldehyde bao gồm tổng hợp dẫn xuất từ dầu mỏ và sinh khối Trên thị trường nguồn cung sản phẩm phần lớn đến từ dẫn xuất dầu mỏ (chiếm 85%) và phần còn lại đến từ quá trình oxy hóa lignin [49] Bên cạnh

14

vanillin và syringaldehyde còn có sự xuất hiện của các hợp chất phenolic khác như là

vanillic acid, acetovanillone, syringic acid, acetosyringone, p-hydroxylbenzaldehyde

Tuy nhiên việc tách riêng các sản phẩm phenolic vẫn gặp nhiều khó khăn bởi quy trình phức tạp song hiệu quả đem lại không cao [44]

Hình 1.6 Một số hợp chất phenolic (A) vanillin; (B) syringaldehyde; (C) p–HBA; (D)

acetovanillone; (E) vanillic acid

1.4.2 Dicarboxylic acid

Quá trình oxy hóa lignin thường khó kiểm soát do cấu trúc đại phân tử phức tạp của lignin ban đầu Chính vì thế, có nhiều sản phẩm trong dung dịch là không thể tránh khỏi, một trong số đó là các dicarboxylic acid Các acid có tỉ lệ phổ biến cao hơn trong quá trình oxy hóa lignin là succinic acid (SA), malic acid (MAL) và maleic acid (MA) cùng với một lượng nhỏ fumaric acid (FA) và tataric acid (TA) Hiện nay hầu hết các acid này được sử dụng trong ngành thực phẩm, dược phẩm và polymer [44]

1.5 Phương pháp phân lập và tinh chế

1.5.1 Chiết lỏng – lỏng (LLE)

Kỹ thuật chiết dung môi lỏng – lỏng là phương pháp được sử dụng để tách các hợp chất bằng cách sử dụng hai hệ chất lỏng không trộn lẫn vào nhau [50] Quá trình này bao gồm việc chuyển một chất tan từ dung môi này sang dung môi khác Phương pháp chiết lỏng – lỏng phổ biến nhất được thực hiện bằng cách sử dụng phễu chiết Kỹ thuật này thường được dùng để tinh chế các hợp chất hoặc tách sản phẩm mong muốn ra khỏi hỗn hợp phản ứng [50]

Phương pháp LLE được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm hóa học, mĩ phẩm, dược phẩm, công nghiệp thực phẩm và nhiều ngành công nghiệp khác vì có một loạt các ưu điểm Đầu tiên, LLE có tính chọn lọc cao do nó cho phép tách một chất có chọn lọc dựa trên khả năng phân bố chất trong các pha lỏng khác nhau Điều này đặc