Nghiên cứu triết tách và xác định thành phần hóa học của hợp chất Polyphenol nhóm Tanin từ vỏ kéo lá tràm

Nghiên cứu triết tách và xác định thành phần hóa học của hợp chất Polyphenol nhóm Tanin từ vỏ kéo lá tràm

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 142 NGHIÊN CỨU CHIẾT TÁCH VÀ XÁC ĐINH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA HỢP CHẤT POLYPHENOL NHÓM TANIN TỪ VỎ KEO LÁ TRÀM A STUDY ON THE EXTRACTION AND DETERMINATION OF CHEMICAL CONSTITUENTS OF POLYPHENOL TANNIN FROM ACACIA AURICULIFORMIS BARK Lê Tự Hải, Nguyễn Thị Lan Anh, Lưu Vũ Diễm Hằng Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình chiết tách polyphenol nhóm tanin trong vỏ keo lá tràm đã được nghiên cứu. Các nhóm chức trong tanin được xác định bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR). Thành phần hóa học và cấu tạo của một số cấu tử chính trong tanin được phân tích bằng phương pháp sắc ký lỏng cao áp kết nối khối phổ (HPLC-MS). Kết quả nghiên cứu đã tìm được điều kiện tối ưu cho quá trình chi ết tách polyphenol nhóm tanin trong vỏ keo lá tràm: kích thước nguyên liệu dạng bột, tỷ lệ nước: etanol 50 : 50, nhiệt độ 80 0 C, thời gian chiết 75 phút, tỷ lệ rắn: lỏng 2g : 70ml. và hiệu suất tách tanin là 21,60%. so với nguyên liệu vỏ khô. Polyphenol trong vỏ keo lá tràm có chứa tanin ngưng tụ và tanin thủy phân. ABSTRACT The influence of some factors on the extraction yield of polyphenol tannin from Acacia Auriculiformis bark was investigated. The function groups of tannin were determined by the infrared spectroscopy (IR). The chemical components and the structure of main compounds of tannin were determined by high pressure liquid chromatography with mass spectroscopy (HPLC-MS). The optimum conditions for the extraction of polyphenol tannin from Acacia Auriculiformis bark were powder, size of bark, ratio of water: ethanol (%V) 50 : 50, temperature: 80 o C, extraction time 75 mins, ratio of material : solvent 2g : 70 ml and the yield of tannin extraction was 21.60%. The polyphenol tannin from Acacia Auriculiformis bark was hydrolysable - condensed type. 1. Đặt vấn đề Ngày nay, các vật liệu kết dính mới có nguồn gốc từ thực vật đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu [1]. Đặc biệt, đối với ngành sản xuất ván gỗ nhân tạo thì nhu cầu sử dụng các chất kết dính là rất lớn. Trong quá trình sản xuất ván gỗ nhân tạo, người ta thường sử dụng các loại keo như phenol formaldehyde (PF), phenolresorcin formaldehyde (PRF), . Tuy nhiên, việc sử dụng các loại keo dán bắt nguồn từ các hóa chất của công nghiệp dầu mỏ thường có giá thành đắt và gây độc hại với môi trường. Do vậy, xu hướng nghiên cứu tìm các chất không độc hại để thay thế một phần hoặc toàn bộ nguyên liệu gốc dầu mỏ bằng các nguyên liệu tái tạo có nguồn gốc thực vật là công nghệ hấp dẫn về mặt kinh tế và môi trường đang được các nhà khoa học trên thế TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 143 giới quan tâm. Một trong số đó là các hợp chất polyphenol nhóm tanin được tách ra từ các loài thực vật như keo lá tràm, keo đen, keo tai tượng, đước, thông được sử dụng cho tổng hợp keo polyphenol formaldehyde [2, 3, 4, 5]. Ở nước ta cây keo lá tràm hay còn gọi là Tràm bông vàng (Acacia auriculiformis) được trồng với một diện tích lớn trên khắp mọi miền tổ quốc nhằm phục vụ cho công nghiệp gỗ, công nghiệp sản xuất bột giấy. Từ đó, một lượng rất lớn phần vỏ chứa polyphenol bị bỏ đi hoặc làm củi đốt. Do vậy, việc nghiên cứu chiết tách và xác định thành phần hóa học của hợp chất polyphenol nhóm tanin từ vỏ keo lá tràm sẽ có ý nghĩa quan trọng về mặt khoa học và thực tiễn trong việc nghiên cứu tổng hợp một loại keo dán gỗ thân thiện môi trường. 2. Phương pháp thực nghiệm 2.1. Nguyên liệu Nguyên liệu là vỏ keo lá tràm ở các khu rừng Quảng Nam – Đà Nẵng và được rửa sạch, thái nhỏ bằng dao kim loại không gỉ, sấy ở 50 o C đến khô. 2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng các yếu tố đến quá trình chiết tách polyphenol nhóm tanin Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết tách polyphenol nhóm tanin như: kích thước nguyên liệu, tỉ lệ dung môi – nguyên liệu, thời gian, nhiệt độ, tỉ lệ dung môi nước – etanol. Định lượng tanin thu được trong dịch chiết bằng phương pháp Lowenthal: oxi hoá bằng KMnO4 với chất chỉ thị inđigocacmin [6]. 2.3. Định tính phân biệt polyphenol nhóm tanin ngưng tụ và tanin thủy phân Dùng phương pháp Stiasny để xác định sự có mặt của polyphenol nhóm tanin ngưng tụ và tanin thủy phân có trong dịch chiết vỏ keo lá tràm [7]. 2.4. Xác định thành phần hóa học và cấu trúc của các hợp chất polyphenol nhóm tanin Thành phần hóa học và cấu trúc của các hợp chất polyphenol nhóm tanin trong vỏ keo lá tràm được xác định bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR), sắc ký lỏng cao áp kết nối khối phổ (HPLC-MS) tại Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Định tính polyphenol nhóm tanin Dịch chiết vỏ keo lá tràm cho phản ứng dương tính với dung dịch FeCl 3 5% (có màu xanh đen) nên trong dịch chiết có mặt polyphenol nhóm tanin. Tiến hành phản ứng Stiasny của dịch chiết với HCHO trong môi trường axit HCl thấy có xuất hiện nhiều kết tủa vón màu đỏ gạch chứng tỏ có polyphenol nhóm tanin ngưng tụ. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 144 Dịch lọc sau khi loại bỏ kết tủa cho màu xanh rêu khi cho vào dung dịch CH 3 COONa dư với vài giọt dung dịch FeCl 3 , chứng tỏ có polyphenol nhóm tanin thủy phân. 3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình chiết tách polyphenol nhóm tanin từ vỏ keo lá tràm 3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình chiết tách tanin được tiến hành như sau: Lấy 2g vỏ keo lá tràm thái nhỏ có kích thước 3 – 5 cm cho vào 100ml nước đun ở nhiệt độ 70 o C trong các khoảng thời gian khác nhau. Kết quả thu được trình bày ở hình 1. Hình 1 cho thấy, khi thời gian đun càng tăng thì lượng tanin tách ra càng nhiều và đến 75 phút thì lượng tanin tách ra đạt giá trị ổn định. Như vậy thời gian tách tối ưu là 75 phút. 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 30 45 60 75 90 105 t(min) X(%) Hình 1. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất chiết tách 3.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ chất rắn và dung môi chiết Ảnh hưởng của tỷ lệ chất rắn và dung môi đến hiệu suất chiết tách tanin được thực hiện như 3.2.1 trong thời gian 75 phút và thể tích của dung môi từ 30ml đến 80ml. Kết quả thu được trình bày ở hình 2. Hình 2 cho thấy, tỷ lệ chất rắn và dung môi tối ưu cho quá trình chiết tách tanin từ vỏ keo lá tràm là 70ml cho 2g vỏ keo lá tràm. Nguyên nhân là do khi lượng dung môi tăng lên thì khả năng tiếp xúc với nguyên liệu càng lớn và lượng tanin tách ra càng nhiều, nhưng dùng lượng dung môi quá lớn thì tanin cũng không tách thêm vì lúc đó tanin có trong vỏ keo lá tràm hầu như đã được tách hoàn toàn. 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 30 40 50 60 70 80 V(ml) X(%) Hình 2. Ảnh hưởng của tỷ lệ chất rắn và dung môi đến hiệu suất chiết tách tanin TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 145 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất chiết tách tanin được tiến hành như 3.2.2 tại các nhiệt độ khác nhau: 40, 50, 60, 70, 80, 90 o C. Kết quả thu được trình bày ở hình 3. Như vậy, nhiệt độ tăng thì hiệu suất chiết tách tanin tăng và đạt tối ưu tại 80 o C. Điều này có thể giải thích là do khi nhiệt độ tăng thì thuận lợi cho việc phá hủy màng tế bào thực vật và tăng độ hòa tan tanin, dẫn đến tăng hiệu quả chiết tách. 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5 12.5 40 50 60 70 80 90 nhiệt độ (oC) X(%) Hình 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất chiết tách tanin 3.2.4. Ảnh hưởng của kích thước vỏ keo lá tràm Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước vỏ keo lá tràm đến hiệu suất chiết tách tanin được trình bày ở hình 4. Kết quả cho thấy, khi kích thước nguyên liệu càng nhỏ thì hiệu suất chiết tách tanin tăng; nguyên nhân là do tăng khả năng tiếp xúc giữa nguyên liệu và dung môi, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tách tanin từ vỏ keo lá tràm. 8 10 12 14 16 18 20 3 -5c m 2 -3c m 1-1,5cm 2 -3mm dang bot kich thuoc X(%) Hình 4. Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu đến hiệu suất chiết tách tanin 3.2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước : etanol Ảnh hưởng của tỷ lệ nước: etanol được tiến hành như sau: Lấy 5g vỏ keo vào 70ml dung môi với tỉ lệ nước/etanol khác nhau đun ở 80 o C trong thời gian 75 phút. Kết quả thu được trình bày ở hình 5. Từ hình 5 cho thấy, tỷ lệ % nước : etanol tối ưu là 50 : 50. Sau tỷ lệ này thì hiệu quả chiết tách bị giảm đi; nguyên nhân có thể là do tanin tan tốt trong etanol hơn nước nên khi tăng thể tích etanol thì tanin tách ra càng tăng. Tuy nhiên, trong vỏ keo có một số hợp chất cũng tan tốt trong etanol nên tách ra cùng với quá trình tách tanin, do đó khi lượng etanol quá lớn thì các chất này tách ra càng nhiều và giảm hiệu quả của quá trình tách tanin. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 146 Như vậy, điều kiện tối ưu cho quá trình chiết tách tanin từ vỏ keo lá tràm là: nguyên liệu dạng bột, tỷ lệ nước: etanol 50 : 50 tại nhiệt độ 80 0 C, thời gian tối ưu là 75 phút, tỷ lệ rắn: lỏng 2g : 70ml. Với điều kiện này thì lượng tanin tách được là 21,60%. so với nguyên liệu vỏ khô. 3.3. Tách tanin rắn và xác định chỉ số Stiasny Sau khi xử lý vỏ tràm bằng dung môi chiết thì ngoài tanin ra còn có một số tạp chất khác phải loại bỏ. Để loại bỏ tạp chất, dịch chiết sẽ được xử lý qua cloroform. Tách tướng cloroform thì thu được dịch chiết tanin. Cô cạn dịch chiết ở 70 o C thu được tanin dạng bột. Chỉ số Stiasny của tanin rắn được xác định như [7] và có giá trị là 69,05. 3.4. Phân tích sản phẩm tanin 3.4.1. Phổ hồng ngoại của mẫu tanin rắn Phổ hồng ngoại mẫu tanin tách từ dung môi rượu- nước được trình bày ở hình 6. Hình 6. Phổ hồng ngoại của tanin tách ra từ dung môi rượu – nước Phổ đồ cho thấy trong tanin vỏ keo lá tràm có chứa các nhóm chức đặc trưng như: -OH (3380 cm -1 ), C=O (1610cm -1 ), C=C thơm (1515 cm -1 , 1448 cm -1 ), = C – O – C (1204 cm -1 ), - C – O – C (1095 cm -1 ), CH benzen thế para (845 cm -1 ), CH thơm (722 cm -1 ). 3.4.2. Phân tích sắc kí lỏng kết nối khối phổ (HPLC-MS) Tiến hành phân tích HPLC-MS mẫu tanin trong dung môi metanol-nước tại 14 15 16 17 18 19 20 21 22 100/0 0 80/20 6 0/ 4 0 5 0 /5 0 4 0 /6 0 20/80 0 0/ 1 00 V/V (%) X(%) Hình 5. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước: etanol đến hiệu suất chiết tách tanin TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 147 Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên – Viện KH&CN Việt Nam thu được kết quả trình bày ở hình 7. Hình 7. Phổ sắc kí HPLC-MS của tanin vỏ keo lá tràm Từ kết quả phổ HPLC-MS, kết hợp với một số dữ liệu về phổ chuẩn của một số hợp chất tanin cho phép dự đoán sự có mặt một số hợp chất polyphenol nhóm tanin tách ra từ vỏ keo lá tràm được trình bày ở bảng 1. Bảng 1. Các hợp chất polyphenol nhóm tanin trong vỏ keo lá tràm Cấu tử Công thức cấu tạo 1- Rettime: 4,4 min M = 472 CTPT: C 22 H 16 O 12 3 - 0 - galoyl epigallo catechin O OH OH OH O OH OH OH OH OOH O 2- Rettime: 4,9 min M = 414 CTPT: C 21 H 18 O 9 3-0-pyrocatechin-gallo catechin O O OH OH OH OH OH OH OH TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 148 3- - Rettime: 20,5 min M = 442 Công thức phân tử : C 22 H 18 O 10 Epicatechin gallate(ECG) O OH OH O OH OH OH OH HO O 4- Rettime: 24,3 min M = 576 Công thức phân tử : C 30 H 24 O 12 Proanthocyanidin 5- Rettime: 25,4 min M = 578 Công thức phân tử : C 30 H 26 O 12 Epicatechin-(4β ->8)-epicatechin 4. Kết luận - Vỏ keo lá tràm có chứa hai loại polyphenol nhóm tanin: Tanin thủy phân và tanin ngưng tụ. Chỉ số Stiasny trong tanin rắn tách ra là 69,09. - Điều kiện tối ưu cho quá trình chiết tách tanin từ vỏ keo lá tràm là: kích thước nguyên liệu dạng bột, tỷ lệ nước: etanol (%V) 50 : 50 tại nhiệt độ 80 0 C, thời gian tối ưu là 75 phút, tỷ lệ rắn: lỏng 2g : 70ml. Với điều kiện này thì lượng tanin tách được là 21,60%. so với nguyên liệu vỏ khô. - Kết quả phân tích phổ IR và HPLC-MS cho thấy tanin tách từ vỏ keo lá tràm có các dao động chính: -OH, C=O, C=C thơm, = C – O – C, - C – O – C, CH benzen thế TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 149 para, CH thơm và gồm các hợp chất polyphenol thuộc nhóm tanin thủy phân và tanin ngưng tụ. - Vỏ keo lá tràm là nguồn nguyên liệu tự nhiên để chiết tách polyphenol nhóm tanin ứng dụng trong công nghiệp tổng hợp keo, làm chất thuộc da . TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K. Van Langenberg, W. Grigsby and G. Ryan, Green Adhesives (2010): Options for the Australian industry – summary of recent research into green adhesives from renewable materials, Forest & Wood Products, Australia. [2] Mohd. Nor b. Mohd. Yusoff, L.T. Chew (1998), Mangrove tannin as an adhesive for wood-based panels, Journal of Tropical Forest Science 1(2): 97-102. [3] M.T.Paridah & O. C. Musgrave (2006), Alkaline treatment of sulfited tannin-based adhesive from mangrove to increase bond integrity of beech slips, Journal of Tropical Forest Science 18(2): 137-145. [4] Érika da S. Ferreira (2008), Use of Tannin from Pinus oocarpa Bark for Manufacture of Plywood, Proceedings of the 51st International Convention of Society of Wood Science and Technology, November 10-12, 2008 Concepción, CHILE, Paper WS-22 [5] G. Kay Nemlu, G. Rsel .Olakoulu (2005), Effects of Mimosa Bark Usage on Some Properties of Particleboard, Turk J Agric For 29, 227-230. [6] Ann E. Hagerman (1998), Tannin Chemistry, Department of Chemistry and Biochemistry, Miami University, USA. [7] Roland E. Vetter (1996), Mangrove bark: A renewable resin source for wood adhesives, Acta Amazonica 25(1/2), 69-72. (BBT nhận bài: 06/05/2011, phản biện xong: 10/05/2011) . vỏ keo lá tràm [7]. 2.4. Xác định thành phần hóa học và cấu trúc của các hợp chất polyphenol nhóm tanin Thành phần hóa học và cấu trúc của các hợp chất. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(44).2011 142 NGHIÊN CỨU CHIẾT TÁCH VÀ XÁC ĐINH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA HỢP CHẤT POLYPHENOL NHÓM TANIN TỪ