Tổng hợp và khảo sát một số đặc trưng của vật liệu Compozit giữa Canxi HYDROXYAPATIT (HA) và tinh bột sắn (TAPIOCA)

52 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ các chất phản ứng đến kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong compozit HA/tinh bột sắn .... 59 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

TINH BỘT SẮN (TAPIOCA)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN HOÁ HỌC

HOÀNG THỊ TÌNH

TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT GIỮA CANXI HYDROXYAPATIT (HA) VÀ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Trong luận văn có tham khảo một số kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học

trong nước và trên thế giớ i nhưng đã đươ ̣c chú thích c ụ thể Công trình này chưa

được tác giả nào công bố

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, cho tôi gửi lời biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đào Quốc Hương và

Th.S Nguyễn Thị Lan Hương đã nhiệt tình trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, động

viên tôi trong suốt quá trình làm thực nghiệm và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Thị Ngọc Bích, TS Vũ Duy Hiển, Th.S Nguyễn Thị Hạnh, KSC Phạm Văn Lâm và Th.S Quản Thị Thu Trang đã có nhiều giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn tại phòng Hóa Vô cơ (Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam)

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt công việc của mình trong thời gian qua

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2014

Học viên

Hoàng Thị Tình

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

HA Canxi hydroxyapatit

XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X

FTIR Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại

SEM Phương pháp hiển vi điện tử quét

TEM Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua

DTA-TGA Phương pháp phân tích nhiệt vi sai – phân tích nhiệt trọng lượng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Phần trăm hàm lượng amylozơ và amylopectin trong tinh bột 20 Bảng 1.2: Sản lượng tinh bột sắn trên thế giới năm 2001 21 Bảng 1.3: Độ tăng kích thước trung bình của một số loại tinh bột trong nước 24 Bảng 1.4: Nhiệt độ hồ hóa của một số tinh bột tự nhiên 25 Bảng 1.5: Bước sóng đặc trưng của các nhóm chức 39 Bảng 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột sắn đến kích thước và độ tinh thể của HA trong compozit HA/tinh bột sắn 52 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ các chất phản ứng đến kích thước trung bình

và độ tinh thể của HA trong compozit HA/tinh bột sắn 59 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến kích thước tinh thể trung bình của HA trong compozit HA/tinh bột sắn 63 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến kích thước tinh thể trung bình và

độ tinh thể của HA trong compozit HA/tinh bột sắn 66 Bảng 3.5: Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit đến kích thước tinh thể trung bình và

độ tinh thể của HA trong compozit HA/tinh bột sắn 69 Bảng 3.6: Ảnh hưởng của dung môi rửa đến kích thước tinh thể trung bình và độ tinh thể của HA trong compozit HA/tinh bột sắn 71 Bảng 3.7: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến kích thước tinh thể trung bình và độ tinh thể của HA trong compozit HA/tinh bột sắn 72

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Ảnh SEM của các dạng tinh thể HA 3

Hình 1.2: Công thức cấu tạo của phân tử HA 4

Hình 1.3: Quá trình tạo lớp men HA trên bề mặt răng 5

Hình 1.4: HA xốp tổng hợp từ san hô sử dụng làm mắt giả 5

Hình 1.5: Sửa chữa khuyết tật xương bằng gốm HA dạng khối xốp hoặc dạng hạt 6

Hình 1.6: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau 6

Hình 1.7: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể 8

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp kết tủa 8

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp sol – gel 10

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp phun sấy 10

Hình 1.11: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm 11

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp siêu âm hóa học 12

Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lí của thiết bị phản ứng thủy nhiệt 13

Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp plasma 14

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp bốc bay chân không 14

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp phún xạ magnetron 15

Hình 1.17: Cấu tạo của tinh bột 18

Hình 1.18: Cấu trúc chuỗi của phân tử amylozơ 19

Hình 1.19: Cấu trúc phân nhánh của amylopectin 19

Hình 1.20: Ảnh SEM của tinh bột sắn 22

Hình 1.21: Phản ứng thủy phân của tinh bột 24

Hình 1.22: Sơ đồ tổng hợp compozit HA – CS 33

Hình 1.23: Sơ đồ chế tạo compozit HA/chitin theo phương pháp của Gea 34

Hình 1.24: Sơ đồ chế tạo compozit HA/collagen sử dụng phương pháp đồng kết tủa của Kikuchi 34

Hình 1.25: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 36

Hình 1.26: Sơ đồ nguyên lí của thiết bị quang phổ hồng ngoại (FTIR) 38

Hình 1.27: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp SEM 40

Hình 1.28: Nguyên tắc chung của phương pháp TEM 40

Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm tổng hợp compozit HA/tinh bột sắn 44

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp compozit HA/tinh bột sắn 45

Hình 3.1: Giản đồ XRD của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn với hàm lượng tinh bột sắn khác nhau 51

Hình 3.2: Ảnh SEM của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn với các hàm lượng tinh bột sắn khác nhau 53

Hình 3.3: Ảnh TEM của mẫu HA và mẫu compozit HA/tinh bột sắn 54

Hình 3.4a: Phổ FTIR của mẫu HA 55

Hình 3.4b: Phổ FTIR của mẫu tinh bột sắn ban đầu 56

Hình 3.5: Phổ FTIR của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn với hàm lượng tinh bột sắn khác nhau 56

Hình 3.6: Giản đồ DTA-TGA của mẫu compozit HA/tinh bột sắn 57

Hình 3.7: Giản đồ XRD của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp ở các nồng độ chất phản ứng khác nhau 58 Hình 3.8: Ảnh SEM của compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp ở các nồng độ khác nhau 60 Hình 3.9: Phổ FTIR của compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp ở các nồng độ chất phản ứng khác nhau 61 Hình 3.10: Giản đồ XRD của compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau 62 Hình 3.11: Ảnh SEM của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau 63 Hình 3.12: Phổ FTIR của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau 64 Hình 3.13: Giản đồ XRD của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp

ở các tốc độ khấy trộn khác nhau 65 Hình 3.14: Ảnh SEM của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp ở các tốc độ khuấy trộn khác nhau 66 Hình 3.15: Phổ FTIR của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp ở các tốc độ khuấy trộn khác nhau 67 Hình 3.16: Giản đồ XRD của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp

ở các tốc độ cấp axit khác nhau 68 Hình 3.17: Ảnh SEM của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp ở các tốc độ cấp axit khác nhau 69 Hình 3.18: Giản đồ XRD của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp bằng các dung môi rửa khác nhau 70 Hình 3.19: Giản đồ XRD của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp khi có và không có sóng siêu âm 72

Hình 3.20: Ảnh SEM của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp khi

có và không có sóng siêu âm 73 Hình 3.21: Phổ FTIR của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp khi

có và không có tác dụng của của sóng siêu âm 73 Hình 3.22: Ảnh SEM của các mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp trong hai điều kiện làm khô sản phẩm khác nhau 74

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 CANXI HYDROXYAPATIT (HA) 3

1.1.1 Tính chất của HA 3

1.1.1.1 Tính chất vật lí 3

1.1.1.2 Tính chất hóa học 4

1.1.1.3 Tính chất sinh học 4

1.1.2 Vai trò và ứng dụng của các dạng HA khác nhau 5

1.1.2.1 Ứng dụng ở dạng khối xốp 5

1.1.2.2 Ứng dụng ở dạng màng 6

1.1.2.3 Ứng dụng ở dạng bột 7

1.1.3 Các phương pháp tổng hợp vật liệu HA 8

1.1.3.1 Phương pháp ướt 8

1.1.3.1.1 Phương pháp kết tủa 8

1.1.3.1.2 Phương pháp sol – gel 9

1.1.3.1.3 Phương pháp phun sấy 10

1.1.3.1.4 Phương pháp siêu âm hóa học 10

1.1.3.1.5 Phương pháp điện hóa 12

1.1.3.1.6 Phương pháp thủy nhiệt 12

1.1.3.2 Phương pháp khô 13

1.1.3.2.1 Phương pháp phản ứng pha rắn 13

1.1.3.2.2 Phương pháp hóa – cơ 13

1.1.3.2.3 Một số phương pháp vật lí 14

1.1.4 Tình hình nghiên cứu vật liệu HA 15

1.1.4.1 Trên thế giới 15

1.1.4.2 Ở Việt Nam 16

1.2 GIỚI THIỆU VỀ POLYSACCARIT 16

1.2.1 Polysaccarit 16

1.2.2 Tinh bột 17

1.2.3 Tinh bột sắn 20

1.2.3.1 Tính chất vật lí 22

1.2.3.2 Tính chất hóa học 23

1.2.3.3 Tính chất lưu biến 24

1.2.3.4 Sự trương nở và hiện tượng hồ hóa 24

1.2.3.5 Độ nhớt của hồ tinh bột 25

1.2.3.6 Khả năng tạo gel và sự thoái hóa gel tinh bột 26

1.2.3.7 Khả năng tạo hình 26

1.2.3.8 Giá trị dinh dưỡng của tinh bột sắn 27

1.2.3.9 Ứng dụng của tinh bột sắn trong công nghiệp thực phẩm và ngành công nghiệp khác 27

1.3 VẬT LIỆU COMPOZIT CỦA HA VÀ POLYME 28

1.3.1 Tính chất và ứng dụng 29

1.3.2 Phương pháp chế tạo 31

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT HA/TINH BỘT SẮN 35

1.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X – Ray Diffraction, XRD) 35

1.4.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (Fourier Transformation Infrared Spectrophotometry - FTIR) 38

1.4.3 Phương pháp hiển vi điện tử 39

1.4.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM) 39 1.4.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy, TEM) 40

1.4.4 Phương pháp phân tích nhiệt 41

1.4.4.1 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) 41

1.4.4.2 Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 41

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 43

2.1 DỤNG CỤ, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ 43

2.1.1 Dụng cụ 43

2.1.2 Hóa chất 43

2.1.3 Thiết bị 43

2.2 QUY TRÌNH TỔNG HỢP COMPOZIT CỦA HA VÀ TINH BỘT SẮN (HA/TINH BỘT SẮN) 43

2.3 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của sản phẩm compozit HA/tinh bột sắn 45

2.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột sắn 45

2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng 46

2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 46

2.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn 46

2.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit 47

2.3.6 Khảo sát ảnh hưởng của dung môi rửa 47

2.3.7 Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm 47

2.3.8 Khảo sát ảnh hưởng của sóng siêu âm 48

2.4 CHUẨN BỊ MẪU PHÂN TÍCH 48

2.4.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) 48

2.4.2 Phổ hồng ngoại (FTIR) 48

2.4.3 Hiển vi điện tử quét (SEM) 48

2.4.4 Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 49

2.4.5 Phân tích nhiệt (DTA - TGA) 49

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50

3.1 QUY TRÌNH TỔNG HỢP COMPOZIT HA/TINH BỘT SẮN 50

3.2 KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TRƯNG CỦA SẢN PHẨM COMPOZIT HA/TINH BỘT SẮN 51

3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng tinh bột sắn 51

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ các chất phản ứng Ca(OH)2 và H3PO4 58

3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 61

3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn 65

3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit 68

3.2.6 Khảo sát ảnh hưởng của dung môi rửa 70

3.2.7 Khảo sát ảnh hưởng của sóng siêu âm 71

3.2.8 Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm 74

KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

MỞ ĐẦU

Hydroxyapatit hay canxi hydroxyapatit (viết tắt HA) có công thức là

Ca10(PO4)6(OH)2, còn có thể viết khác là Ca5(PO4)3OH HA là thành phần chính của khoáng xương và răng của người và động vật HA có thể tồn tại ở các dạng: dạng bột, dạng màng, dạng khối xốp Do có cùng bản chất và thành phần hoá học, HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao với các tế bào mô và cơ cùng nhiều ưu điểm vượt trội khác Ở dạng màng và dạng khối xốp, HA có các đặc tính giống xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỉ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỉ lệ trong xương và răng Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp nên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể Hợp chất HA tương đối bền với dịch và men tiêu hoá trong cơ thể người Vì những đặc tính này, bột HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao Ngoài ra, HA

là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính kháng khuẩn cao

Ở nước ta từ năm 2005, phòng Hóa vô cơ - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cũng đã thực hiện các nghiên cứu về tổng hợp vật liệu HA ở hai dạng là dạng bộtvà dạng xốp hướng đến việc ứng dụng chúng trong lĩnh vực dược học và y sinh học và hiện nay là nơi cung cấp bột HA kích thước nanomet để sản xuất một số thực phẩm chức năng bổ sung canxi như Fecafovit, Caotot, Growbust, Viên dưỡng khớp…

Để nâng cao hơn nữa khả năng hấp thụ HA của cơ thể, một xu hướng mới

là gắn HA ở các dạng lên các polyme, đặc biệt là các polyme có hoạt tính sinh học cao, dưới dạng vật liệu compozit Trong các vật liệu này, các nhóm chức photphat và hydroxy của HA tạo liên kết với các nhóm chức của polyme Mặt khác, các nhóm chức của polyme có khả năng liên kết tốt với các tế bào sinh học, nâng cao hơn nữa tính tương thích sinh học của vật liệu và khả năng hấp thụ của

cơ thể Các polyme đang được tập trung nghiên cứu theo hướng này là các

polyme tự nhiên như: chitosan, collagen, gelatin hay các polyme tổng hợp như poly (lactide-co-galactide) hoặc polycaprolactone

Compozit của HA và polyme là vật liệu đầy hứa hẹn cho việc thay thế xương và ghép mô, không những vì vật liệu “bắt chước” giống nhất thành phần của xương thật Trong đó, vật liệu tự nhiên hay tổng hợp tương thích và phân hủy sinh học được sử dụng làm khung cho sự phát triển xương, sau đó nhờ quá trình phân hủy sinh học, các polyme sẽ bị hòa tan và bị cơ thể thải loại

Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa HA nói trên đang được tiến hành theo hai hướng chính Hướng thứ nhất là tổng hợp HA ở dạng bột với kích thước khác nhau, sau đó phân tán HA vào mạng lưới polyme bằng phương pháp

cơ học hoặc phương pháp siêu âm Hướng thứ hai là tổng hợp trực tiếp HA trong mạng lưới polyme

Vì vậy, để góp phần nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa HA và tinh

bột sắn theo hướng thứ hai, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Tổng hợp và khảo sát một

số đặc trưng của vật liệu compozit giữa canxi hydroxyapatit (HA) và tinh bột sắn (tapioca)”.

độ cứng theo thang Mohs bằng 5

Tùy vào điều kiện hình thành mà hình dạng của các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo có thể tồn tại ở các dạng khác nhau như: hình que, hình kim, hình vảy, hình sợi hoặc hình cầu [37]

Hình 1.1: Ảnh SEM của các dạng tinh thể HA

a Dạng hình que b Dạng hình trụ c Dạng hình cầu

d Dạng hình sợi e Dạng hình vảy f Dạng hình kim

HA tồn tại ở hai dạng cấu trúc là dạng lục phương (hexagonal) và dạng đơn

tà (monoclinic) HA dạng lục phương thường được tạo thành trong quá trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 đến 100oC, còn dạng đơn tà chủ yếu được sinh ra khi nung dạng lục phương ở 850oC trong không khí sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng Trên giản đồ nhiễu xạ tia X thì hai dạng này giống nhau hoàn toàn về số lượng và

vị trí của vạch nhiễu xạ và chỉ khác nhau về cường độ vạch nhiễu xạ Dạng đơn

(a)

(f)

tà cho các vạch nhiễu xạ có cường độ yếu hơn các vạch nhiễu xạ của dạng lục phương khoảng 1% [57]

1.1.1.2 Tính chất hóa học

Hình 1.2: Công thức cấu tạo của phân tử HA

Công thức cấu tạo của HA được thể hiện trên hình 1.2 Có thể nhận thấy phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca – O là liên kết cộng hóa trị Hai nhóm –OH được gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch [60]

Hợp chất HA có các tính chất hóa học như sau:

- Phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nước

Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl → 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1.1)

- Bị phân hủy bởi nhiệt độ:

+ Từ 800oC đến 1200oC:

Ca10(PO4)6(OH)2 → Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 ≤ x ≤ 1) (1.2) (oxy-hidroxyapatit)

+ Lớn hơn 1200oC:

Ca10(PO4)6(OH)2 → 2β - Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O (1.3)

Ca10(PO4)6(OH)2 → 3β - Ca3(PO4)2 + CaO + H2O (1.4)

1.1.1.3 Tính chất sinh học

HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao do có cùng bản chất và thành phần hóa học HA ở dạng bột mịn kích thước nano, là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thu hơn vì tỉ lệ Ca/P trong phân

tử đúng như tỉ lệ trong xương và răng [50] HA ở dạng màng và dạng xốp đều có thành phần hóa học và các đặc tính của HA giống xương tự nhiên, có các lỗ xốp liên thông với nhau vì thế mà các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập và di chuyển Chính vì vậy mà các tế bào và mô có tính tương thích sinh học cao với loại vật liệu này Ngoài ra, nó còn có tính dẫn xương tốt nên có khả năng liên kết

trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương ở chỗ khuyết tật nhanh mà không bị cơ thể đào thải Ngoài ra, đối với cơ thể người HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng và có tính sát khuẩn cao [32]

Với dịch men tiêu hóa trong dạ dày có chứa nhiều dung dịch axit nhưng hợp chất HA tương đối bền và ít bị ảnh hưởng Cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản HA ở dạng bột mịn kích thước nano Vì những đặc tính này, bột HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao [61]

1.1.2 Vai trò và ứng dụng của các dạng HA khác nhau

1.1.2.1 Ứng dụng ở dạng khối xốp

Theo tài liệu [6], vật liệu HA ở dạng khối xốp có nhiều lỗ xốp liên thông với nhau nên tạo điều kiện dễ dàng cho mô sợi và mạch máu xâm nhập Chúng còn có khả năng vận chuyển và phân tán một số loại thuốc như insulin, vitamin,… trong ruột, bảo vệ dược phẩm tránh tương tác với các tác nhân khác trên đường vận chuyển trong

cơ thể Do vậy, HA được ứng dụng rộng rãi trong y sinh học:

- Chế tạo răng giả và sửa chữa các khuyết tật của răng[46]

Hình 1.3: Quá trình tạo lớp men HA trên bề mặt răng

- Chế tạo mắt giả [50]

Hình 1.4: HA xốp tổng hợp từ san hô được sử dụng làm mắt giả

Cấu trúc HA xốp được tổng hợp từ san hô thường xốp, bền vững, nhẹ và đặc biệt là có khả năng thích ứng cao với cơ thể Ứng dụng HA xốp đã khắc phục được hiện tượng sụp mi do trọng lượng, hạn chế các phản ứng của cơ thể và làm tăng thời gian sử dụng mắt giả [39]

- Làm chất dẫn xương cho đoạn xương gẫy khuyết nhanh liền

- Chế tạo những chi tiết ghép và sửa chữa khuyết tật của xương [75]

Hình 1.5: Sửa chữa khuyết tật xương bằng gốm HA dạng khối xốp hoặc dạng hạt

- Ngoài ra, HA còn có một số ứng dụng khác như: làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học [21], làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [78]

Hình 1.6: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau 1.1.2.2 Ứng dụng ở dạng màng

Lớp màng HA chiều dày cỡ nano (màng n - HA) được phủ lên bề mặt vật liệu thay thế đã mang lại được một số ưu điểm Nhưng trên vật liệu nền, độ bám dính của lớp màng HA không bền chặt, do vậy tuổi thọ và phạm vi ứng dụng của chúng không cao [22] Để cải thiện độ bám dính, người ta phủ lên các kim loại và hợp kim nền một lớp màng HA có chiều dày cỡ nanomet Lớp màng này có độ bám dính cao với vật liệu nền (lớn hơn 60MPa) và rất bền theo thời gian Có thể tăng cường khả năng liên kết giữa xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên bằng cách tạo ra những chi tiết xương nhân tạo do công nghệ màng n – HA Những tiến bộ trong việc tạo màng n – HA, không những làm tăng tuổi thọ các chi tiết ghép mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng Từ chỗ chỉ áp dụng

cho ghép xương hông tiến đến có thể ứng dụng ghép xương đùi, xương khớp gối

và các vị trí khác

1.1.2.3 Ứng dụng ở dạng bột

Việc sử dụng HA ở dạng bột mịn, kích thước nanomet là một phương pháp tương đối hiệu quả để bổ sung canxi [49] HA được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể với kích thước cỡ 20 – 200 nm mà không cần chuyển hóa thêm Mặt khác, ở dạng bột mịn kích thước nano, HA được cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản, do vậy ít chịu ảnh hưởng của dịch axit trong dạ dày Vì những đặc tính này mà bột HA với kích thước nano được sử dụng làm thuốc và thực phẩm chức năng bổ sung canxi dưới dạng hợp chất vi lượng Ở dạng ion, canxi có vai trò quan trọng trong nhiều hoạt động của cơ thể như: tham gia vào quá trình co cơ, đông máu, dẫn truyền thần kinh, các quá trình điều hòa enzym trong cơ thể [41] Nếu trong cơ thể bị thiếu hụt lượng canxi có thể dẫn đến các chứng bệnh như: hội chứng buồng chứng đa nang ở phụ nữ, các bệnh tim mạch ở phụ nữ hậu mãn kinh, bệnh còi xương ở trẻ em

Ngoài những ứng dụng trên, bột HA còn được dùng làm thuốc chữa sâu răng Loại vật liệu trên cơ sở canxi photphat vô định hình (Amorphous Cancium Phosphate - ACP) đã được các nhà nghiên cứu của Viện Công nghệ và Tiêu chuẩn Quốc gia (National Institute of Standards and Technoloy - NIST) ở Gaitherburg – Mỹ đã phát triển thành công giúp chữa lành những vết nứt và những lỗ nhỏ ở răng Trong cơ thể, ACP sẽ chuyển hóa tạo thành HA là chất vốn

có trong răng, có thể liên kết với phần răng bị tổn hại, giúp tái tạo răng Mới đây, nhóm nghiên cứu của Kazue Yamagishi tại Viện Nha khoa FAP ở Tokyo đã phát hiện một loại bột mịn nhão chứa tinh thể HA (vật liệu tạo men răng tự nhiên) có thể hàn những vết nứt và những lỗ nhỏ ở răng nhanh chóng mà không cần loại bỏ những vùng bị hư hại, đồng thời ngăn cản sự hình thành lỗ rỗng mới

Hình 1.7: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể

Hình 1.7 là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể đang được lưu hành trên thị trường [43]

1.1.3 Các phương pháp tổng hợp vật liệu HA

1.1.3.1 Phương pháp ướt

Đây là phương pháp phổ biến để chế tạo HA ở dạng bột và dạng màng từ dung dịch chứa các nguyên liệu ban đầu khác nhau Nó bao gồm: phương pháp kết tủa, phương pháp sol – gel, phương pháp phun sấy,… Nhìn chung, ưu điểm của phương pháp này là kích thước hạt của HA có thể điều chế được như mong muốn

1.1.3.1.1 Phương pháp kết tủa

Phản ứng kết tủa là một dạng phản ứng quan trọng trong hóa học vô cơ Bản chất của phương pháp kết tủa là quá trình tạo ra sản phẩm rắn (quá trình kết tủa) từ dung dịch ban đầu có chứa các ion cấu thành nên sản phẩm đó Đây là quá trình chuyển pha lỏng ↔ rắn với sự xuất hiện của pha mới (rắn) từ trong lòng pha lỏng Sơ đồ nguyên lí của phương pháp kết tủa:

Khuấy, gia nhiệt

Có thể thực hiện tổng hợp HA theo nhiều cách khác nhau bằng cách kết tủa

từ hai ion Ca2+ và PO43- và có thể phân ra thành hai nhóm chính:

- Kết tủa từ các muối dễ tan trong nước: Các muối thường hay được dùng

để tạo ion Ca2+ là Ca(NO3)2 , CaCl2,… và tạo ra ion PO43- là (NH4)2 HPO4,

NH4H2PO4… Phản ứng diễn ra theo phương trình:

10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH4OH→Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+6H2O (1.5)

Phương trình (1.5) được coi là phương pháp cơ bản để tổng hợp HA [24]

Cần duy trì pH của hỗn hợp phản ứng từ 10 đến 12 để phản ứng hóa học xảy ra theo chiều tạo HA

- Kết tủa từ các hợp chất ít tan hoặc không tan trong nước: Các hợp chất

chứa Ca2+ có thể là Ca(OH)2, CaO, CaCO3,… Phản ứng xảy ra với axit H3PO4 trong môi trường kiềm [54] Phương trình phản ứng đặc trưng:

10Ca(OH)2 + 6H3PO4 → Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O (1.6) Yếu tố pH cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều chế Độ pH phải từ

9 đến 10 Để duy trì độ pH này thì bằng cách thêm từ từ H3PO4 vào Ca(OH)2

H3PO4 là một axit có độ mạnh trung bình, phân li theo 3 giai đoạn:

H3PO4 → H2PO4- + H+ pKa1 = 2,2 (1.7)

H2PO4 -→ HPO42- + H+ pKa2 = 7,2 (1.8) HPO42-→ PO43- + H+ pKa2 = 12,3 (1.9) Nếu thêm axit với tốc độ cao sẽ làm cho pH của dung dịch sẽ giảm đột ngột, dẫn đến sự phân li không hoàn toàn tạo ra các ion H2PO4 - và HPO42- Như vậy, sẽ dẫn đến sự tạo thành các sản phẩm phụ và sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của vật liệu HA

Trong phương pháp kết tủa, các yếu tố như nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ phản ứng, môi trường phản ứng,… thường ảnh hưởng đến chất lượng và hình

dạng của tinh thể HA

1.1.3.1.2 Phương pháp sol – gel

Sơ đồ nguyên lí của phương pháp sol – gel được thể hiện qua sơ đồ sau [15, 33, 74]:

Ưu điểm của phương pháp sol – gel là có thể chế tạo vật liệu ở dạng khối xốp, màng mỏng [62], sợi và dạng hạt có chất lượng tốt [74] tạo được độ đồng nhất cao ở mức độ phân tử

1.1.3.1.3 Phương pháp phun sấy

Sử dụng các dung dịch chứa các ion Ca2+ và PO43- được chuẩn bị với tỉ lệ Ca/P là 1,67; pH từ 10 đến 12, được phun vào thiết bị cùng với khí nén Hình 1.10 trình bày sơ đồ nguyên lí của phương pháp phun sấy

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp phun sấy

Cần điều chỉnh tốc độ phun dung dịch bằng áp suất khí nén và dòng khí khô

để phản ứng tạo HA xảy ra hoàn toàn HA được sấy khô và rơi đến đáy cột thủy tinh gia nhiệt và sản phẩm thu được ở bộ phận lắng tĩnh điện Đây là phương pháp chế tạo bột HA dạng liên tục, năng suất cao, phù hợp với quy mô sản xuất

vừa và lớn [51]

1.1.3.1.4 Phương pháp siêu âm hóa học

Có thể tiến hành phản ứng hóa học trong môi trường sóng có cường độ lớn như: vi sóng [70] hoặc sóng siêu âm [20] để chế tạo vật liệu HA bột có kích thước nano

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol – gel

AROGEL

XEROGEL

SẢN PHẨM

Nguyên lí của phương pháp siêu âm là dưới tác dụng của sóng siêu âm với cường độ cao trong môi trường lỏng xảy ra hiện tượng tạo và vỡ bọt (cavitation) Sóng siêu âm tạo ra một chu trình giãn nở, nó gây ra áp suất chân không trong môi trường lỏng Ở gần bề mặt phân chia pha lỏng – rắn, khi mà áp suất chân không vượt quá so với độ bền kéo của chất lỏng thì xảy ra quá trình tạo bọt – vỡ bọt Khi bọt phát triển đến một kích thước nào đó, không hấp thu năng lượng được nữa thì dưới áp lực từ chất lỏng bên ngoài, bọt sẽ vỡ vào trong (hình 1.11), lúc này chất lỏng tác động lên bề mặt chất rắn với tốc độ rất cao làm các tinh thể

bị vỡ thành những hạt nhỏ hơn Hiện tượng này gọi là sự tỏa nhiệt điểm và nó sẽ sinh ra một lượng nhiệt tại ngay thời điểm đó Tuy nhiên, môi trường lỏng xung quanh có nhiệt độ thấp nên sự gia nhiệt nhanh chóng được dập tắt Quá trình tạo

và vỡ bọt đóng vai trò nhận và tập trung năng lượng của sóng siêu âm, chuyển năng lượng này thành năng lượng cần thiết làm tăng tốc độ phản ứng hóa học lên nhiều lần

Hình 1.11: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm

Tốc độ tạo mầm tinh thể tăng do năng lượng được tạo ra ở dạng xung với cường

độ rất lớn Gần bề mặt phân pha lỏng – rắn, quá trình tạo – vỡ bọt tiếp tục xảy ra, lúc này chất lỏng tác động lên bề mặt chất rắn với tốc độ rất cao Các tinh thể bị

vỡ thành những hạt nhỏ hơn tùy thuộc vào tần số và công suất của thiết bị siêu

âm

Hình 1.12 là sơ đồ nguyên lí của phương pháp siêu âm hóa học Để truyền năng lượng cho phản ứng hóa học thì đầu phát sóng siêu âm được ngâm vào trong dung dịch Phương pháp này thường được kết hợp với phương pháp kết tủa

để tạo HA bột có kích thước nanomet [74]

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp siêu âm hóa học

1.1.3.1.5 Phương pháp điện hóa

- Phương pháp điện di (EPD): dưới tác dụng của điện trường phù hợp, các hạt huyền phù HA tích điện âm và di chuyển về phía anot (gắn với vật liệu nền) tạo ra một lớp màng mỏng n – HA (màng HA có độ dày cỡ nanomet) trên bề mặt chi tiết với độ bám dính cao

- Phương pháp anot hóa: sử dụng các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim làm điện cực anot Catot được làm bằng kim loại trơ chẳng hạn như là bạch kim Trên anot sẽ xảy ra hiện tượng oxi hóa các kim loại tạo thành các màng oxit có độ xốp cao với chiều dày khoảng 1 – 2 μm Hiện tượng hấp thụ các ion Ca2+ và PO43- để tạo thành HA sẽ xảy ra tại các mao quản của khối xốp này [69]

- Phương pháp kết tủa catot: Nguyên tắc của phương pháp là catot làm từ các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim, được nhúng vào bể điện phân với chất điện giải là dung dịch bão hòa các ion Ca2+ và PO43- ở pH là 6 Lớp màng HA được tạo ra trên vật liệu nền có chiều dày khoảng 100 nm trong vòng

10 phút, chiều dày của lớp màng HA tăng theo thời gian catot hóa [27, 63]

1.1.3.1.6 Phương pháp thủy nhiệt

Có thể chế tạo HA dạng khối xốp bằng phương pháp thủy nhiệt từ xương tự nhiên của mai mực, san hô, vỏ ốc, thông qua sản phẩm trung gian CaO [34, 77] Ưu điểm của phương pháp này là hình thái và cấu trúc xốp của sản phẩm

HA thu được vẫn giữ nguyên giống như khung xương tự nhiên ban đầu Sản phẩm HA thu được là đơn pha, có độ kết tinh cao Với cấu trúc xốp sinh học, vật liệu này có khả năng tương thích sinh học với cơ thể con người tốt hơn so với

gốm xốp HA tổng hợp bằng những phương pháp khác Tuy nhiên, thiết bị và điều kiện phản ứng thì phức tạp và khó thực hiện [64]

Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lí của thiết bị phản ứng thủy nhiệt

1.1.3.2 Phương pháp khô

1.1.3.2.1 Phương pháp phản ứng pha rắn

Phương pháp này dựa trên cơ sở là các phản ứng pha rắn để tổng hợp HA Nguyên liệu ban đầu có thể là: Ca3(PO4)2 hoặc Ca4P2O9 và Ca(OH)2,… được trộn đều theo tỉ lệ Ca/P là 1,7; sau đó tiến hành ở nhiệt độ khoảng 1000o

C trong hệ kín [58] Phương pháp này cần phải thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao trong một thời gian dài Đây là nhược điểm lớn của phương pháp Tuy nhiên, trong áp suất khí quyển cũng có thể chế tạo HA dạng bột và khối xốp bằng phản ứng pha rắn giữa Ca3(PO4)2 và Ca(OH)2 ở nhiệt độ thấp từ 250 – 300oC

Để chế tạo HA dạng khối xốp thường áp dụng các phản ứng pha rắn này Hỗn hợp nguyên liệu rắn ban đầu được ép nén để tạo ra các chi tiết có hình dạng

và độ xốp mong muốn Sau phản ứng, hình dạng và cấu trúc xốp ban đầu của sản phẩm vẫn giữ nguyên Chính nhờ những ưu điểm này mà phương pháp phản ứng pha rắn thích hợp cho việc chế tạo gốm y sinh với các chi tiết phức tạp

1.1.3.2.2 Phương pháp hóa – cơ

Có thể chế tạo bột HA bằng phản ứng giữa hai pha rắn CaCO3 và CaHPO4.2H2O Nguyên lí của phương pháp này là từ tác động của một lực ma sát lớn giữa bi và má nghiền bi tác động đến các cấu tử của hai pha rắn tạo ra sự khuyếch tán nội, tiến tới phản ứng hóa học giữa hai pha rắn tạo ra pha rắn thứ ba Quá trình phản ứng xảy ra trong thiết bị nghiền với má nghiền và bi có độ cứng cao, khối lượng riêng lớn

Ưu điểm của phương pháp này là điều kiện phản ứng đơn giản, dễ thực hiện Nhược điểm là thời gian phản ứng dài và sản phẩm HA nhận được dễ bị lẫn tạp chất do sự mài mòn của bi và má nghiền [58]

1.1.3.2.3 Một số phương pháp vật lí

- Phương pháp plasma: Trong dòng plasma, bột HA bị ion hóa và một phần nóng chảy tạo ra một lớp màng bám tương đối bền trên vật liệu nền [19, 43] Hình 1.14 là sơ đồ nguyên lí của phương pháp plasma

Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp plasma

- Phương pháp bốc bay chân không [40]:

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp bốc bay chân không

Một buồng được hút chân không nhờ các bơm chân không loại khuyếch tán hoặc bơm phân tử Vật liệu làm thuyền điện trở bằng các kim loại như: wonfram, titan, bạch kim, HA được đốt nóng chảy cho đến khi HA bay hơi, sau đó sẽ được ngưng đọng lại lên các đế được gắn phía trên Hình 1.16 là sơ đồ nguyên lí

của phương pháp bốc bay chân không

- Phương pháp phún xạ magnetron: Nguyên lí của phương pháp là sử dụng nguồn phát có tần số cao khoảng 13,56 MHz để tạo ra trường điện từ làm dịch

chuyển electron còn các ion dương không bị ảnh hưởng nhiều Các electron sẽ di chuyển tới va chạm với Ar trung hòa và làm sinh ra ion Ar+ Các hạt khí ion này được gia tốc và va chạm với các nguyên tử trên bề mặt của HA làm cho chúng phún xạ và bay đến vật liệu nền và lắng đọng hình thành nên lớp màng HA [7]

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp phún xạ magnetron

1.1.4 Tình hình nghiên cứu vật liệu HA

1.1.4.1 Trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới nguyên liệu HA đã dùng để sản xuất ra được nhiều chế phẩm Theo tài liệu [59], lần đầu tiên vào năm 1983, Klein và các đồng nghiệp đã tạo ra chi tiết ghép xương bằng gốm chứa 100% HA Sự phát triển của xương trong miếng ghép này trên thực tế cho thấy có tốc độ phát triển chậm Bằng những thí nghiệm khác, họ đã tiến hành cấy ghép các chi tiết gốm chứa 100% β – TCP Kết quả cho thấy, trong miếng ghép tốc độ phát triển của xương non rất nhanh, do vậy ở nơi cấy ghép chất lượng xương không tốt cho quá trình phát triển của xương Tiếp đến vào năm 1986, Moore và Chapman đã chế tạo được miếng ghép có sự tổ hợp giữa hai pha HA và β – TCP Trong đó TCP có hai dạng thù hình là α và β – TCP, thành phần α – TCP có tác dụng làm tăng tốc

độ tái sinh xương, ở chỗ xương mới nó như là nguồn khoáng cung cấp trực tiếp cho sự phát triển của xương Còn thành phần β – TCP là nguồn cung cấp khoáng cho xương non phát triển vào chỗ khuyết của xương và sẽ tiêu biến dần đi Do

đó, mà gốm tổ hợp HA – β – TCP được coi là vật liệu y sinh chính cho các phẫu thuật ghép xương, nối xương, chỉnh hình hoặc sửa chữa xương

Các nhà khoa học Nhật Bản đã chế tạo được vật liệu HA dạng màng để chế tạo răng giả và sử chữa những khuyết tật của răng

Cục Quản lí Thực phẩm và Dược phẩm Mĩ (FDA) đã cho phép sử dụng HA trong sản xuất thuốc và thực phẩm chức năng để chữa trị căn bệnh loãng xương

đã được lưu hành trên thị trường Trong số đó, có thể kể đến Ossopan của Pháp, Bone Bo oster Complex, Bone Dense Calcium của Mĩ, Calcium Complex của Anh, SuperCal của New Zealand [55]

1.1.4.2 Ở Việt Nam

Lần đầu tiên vào năm 2005, Viện công nghệ xạ hiếm đã triển khai đề tài chế thử gốm HA theo công nghệ của Italia và bước đầu tiến hành thử nghiệm trên động vật thành công [13] Phương pháp của công nghệ này dựa trên nhúng tẩm khung xốp hữu cơ (xenlulozơ) và dung dịch huyền phù HA, sau đó tiến hành nung thiêu kết ở nhiệt độ cao Còn phương pháp tổng hợp bột và màng gốm HA cũng đã nghiên cứu và công bố kết quả sơ bộ ở khoa Hóa học của Đại học Bách khoa Hà Nội [12]

Sau đó, từ năm 2005 đến nay, cũng có một số kết quả nghiên cứu chế tạo

HA bột [10] và HA xốp [36] đã được công bố ở Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Trong đó bằng phương pháp nén ép – thiêu kết HA bột với các chất tạo xốp chitosan, xenlulozơ, đường saccarozơ và phương pháp phản ứng pha rắn giữa Ca(OH)2 và Ca3(PO4)2 đã chế tạo được HA xốp.Bằng phản ứng thủy nhiệt ở áp suất cao và từ khung xốp tự nhiên như san hô, mai mực, vỏ sò,… thì việc chế tạo gốm HA cũng đang được thực hiện

Tiếp đó vào năm 2008, Trung tâm phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ cũng đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo gốm sinh học Calcium Phosphate: Hyđroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 (HA) và Tricalcium phosphate Ca3(PO4)2 (TCP), ứng dụng thay thế một số bộ phận xương, khớp trong cơ thể con người”

Như vậy, có thể nói ở nước ta, việc chế tạo các vật liệu vô cơ có khả năng ứng dụng làm vật liệu sinh học nói chung và vật liệu HA, vật liệu tổ hợp của HA (compozit) nói riêng còn nhiều hạn chế và chưa có nhiều các công trình nghiên cứu được công bố

1.2 Giới thiệu về polysaccarit

1.2.1 Polysaccarit

Polysaccarit là một hợp chất cacbohiđrat cao phân tử có công thức tổng

quát (C6H10O5)n với n từ vài nghìn đến vài chục nghìn Khi thủy phân đến cùng polysaccarit sẽ thu được các phân tử monosaccarit, như vậy các monosaccarit tạo nên polysaccarit Các gốc monosaccarit được nối với nhau bằng cầu nối oxi theo liên kết glicozit tạo thành mạch thẳng hoặc mạch nhánh Nhóm hydroxyl glicozit của phân tử này thường tương tác với nhóm hydroxyl ancol của phân tử kia ở vị trí nguyên tử C4, hiếm hơn là ở vị trí nguyên tử C6 và rất hiếm là ở vị trí C3 Monosaccarit với các nhóm hydroxyl khác nhau tạo nên polysaccarit có những tính chất hoàn toàn khác với đường đơn và oligosaccarit

Đặc điểm của polisaccarit:

- Là những polyme được tạo ra từ thiên nhiên ;

- Là sản phẩm của phản ứng trùng ngưng các anđozơ hoặc xentôzơ ;

- Mạch là mạch hở, không nhánh hoặc có nhánh, mạch vòng hay uốn khúc

Từ những năm 1960 đến nay, các loại phức giữa polysaccarit có khối lượng phân tử 3000 – 7000 đvC với một số kim loại đã được nghiên cứu, tổng hợp và đưa ra sản xuất để làm thuốc cho lợn con và sau này dùng cả cho người [11, 38]

1.2.2 Tinh bột

Theo tiếng Hi Lạp “tinh bột” là amilon, công thức hóa học là (C6H10O5)nvới n từ 1200 đến 6000 Tinh bột là một polysaccarit chứa hỗn hợp amylozơ và amylopectin Tỉ lệ phần trăm amylozơ và amylopectin trong mỗi loại tinh bột là không giống nhau Tùy thuộc vào từng loại tinh bột và tỉ lệ này thay đổi từ 20/80 đến 30/70 Từ các loại cây có nguồn gốc khác nhau thì tinh bột cũng có thành

phần hóa học và tính chất vật lí khác nhau Chúng đều là các polyme cacbohyđrat phức tạp của glucozơ (công thức phân tử là C6H12O6)

Trong tự nhiên, tinh bột được thực vật tạo ra trong các loại hạt, quả, củ như: lúa, ngô, khoai, sắn, Trong chế độ dinh dưỡng của loài người cũng như nhiều loài động vật khác cùng với protein và chất béo thì tinh bột là một thành phần quan trọng bậc nhất Ngoài việc sử dụng làm thực phẩm hàng ngày, tinh bột còn được sử dụng trong công nghiệp sản xuất giấy, rượu, băng bó xương

Tinh bột tự nhiên tồn tại thay đổi từ 0,02 – 0,12 mm, hạt tinh bột của tất cả

hệ thống hoặc có hình dạng tròn, hình bầu dục hay hình đa giác, cấu tạo và kích thước của các hạt tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt và quá trình sinh trưởng của cây Hạt tinh bột của các loại khác nhau thì có kích thước, hình dạng khác nhau Hơn nữa, cùng một hệ thống tinh bột thì hình dáng và kích thước của tinh bột ở tất cả các hạt cũng không giống nhau Cấu tạo bên trong của hạt tinh bột khá phức tạp Hạt tinh bột có cấu tạo lớp, trong mỗi lớp đều có phần lớn các tinh thể amilozơ và amilopectin sắp xếp theo phương hướng tâm

Hình 1.17: Cấu tạo của tinh bột

Trong tinh bột, thành phần thứ nhất là: amylozơ được tạo nên bởi một chuỗi

polyme mạch thẳng Trong phân tử glucozơ, các nguyên tử cacbon được đếm bắt đầu từ nguyên tử cacbon trong nhóm chức andehit (C=O) Trong phân tử amylozơ, nguyên tử C1 trên phân tử glucozơ thứ nhất liên kết với nguyên tử C4của phân tử glucozơ tiếp theo, gọi là kiểu liên kết α – 1,4 Kiểu liên kết α – 1,4 này tạo nên cấu trúc xoắn ốc với chuỗi mạch chứa hàng nghìn đơn vị glucozơ, số đơn vị glucozơ thường khoảng từ 300 đến 3000, thông thường là hàng nghìn Mỗi vòng xoắn ốc chứa sáu monome glucozơ, với 500 – 5000 gốc glucozơ kết hợp với nhau qua liên kết α – 1,4 và glucozit tạo thành cấu trúc mở rộng và xoắn

Mặt bên trong của chuỗi xoắn kị nước có khả năng kết hợp với các hợp chất hữu

cơ Chính vì vậy mà nói chung nếu tinh bột có chứa nhiều amylozơ khó bị phân hủy hơn tinh bột chứa nhiều amylopectin Tùy theo loài thực vật mà amylozơ chiếm tỉ lệ khác nhau nhưng thường chiếm khoảng 30% khối lượng tinh bột [11]

Hình 1.18: Cấu trúc chuỗi của phân tử amylozơ

Thành phần thứ hai trong tinh bột amylopectin:

Hình 1.19: Cấu trúc phân nhánh của amylopectin

Amylopectin là một polyme đa nhánh của glucozơ, có trong tinh bột của một số loại ngũ cốc Tương tự như trong amylozơ, các đơn vị glucozơ tạo thành mạch thẳng bằng liên kết α - 1,4 glucozit Còn các mạch nhánh được tạo bởi liên kết α

- 1,6 và cứ xuất hiện sau 24 đến 30 đơn vị glucozơ Amylozơ có rất ít liên kết α – 1,6 nên có tỉ trọng cao hơn và bị thủy phân chậm hơn so với amylopectin Trong công thức cấu tạo của amylopectin gồm 300 000 – 30 000 000 gốc glucozơ, trong

đó có kiểu cấu trúc xoắn kép tương tự như amylozơ

Từ các nguồn thực vật khác nhau thì khối lượng phân tử, tỉ lệ amylozơ và amylopectin của tinh bột là khác nhau Cấu trúc tinh bột sẽ bị ảnh hưởng bởi hàm lượng amylozơ và amylopectin

Bảng 1.1: Phần trăm hàm lượng amylozơ và amylopectin trong tinh bột

Tinh bột % Amylozơ % Amylopectin Tinh bột đậu xanh 32 – 34 66 – 68

Ngoài cách sắp xếp bên trong, mỗi hạt tinh bột còn có vỏ bao phía ngoài

Đa số các nhà nghiên cứu cho rằng vỏ hạt tinh bột khác với tinh bột nằm ở các lớp bên trong, chứa ít ẩm hơn và bền đối với các tác động bên ngoài Trong hạt tinh bột có lỗ xốp nhưng không đồng đều Vỏ hạt tinh bột cũng có lỗ nhỏ do

đó các chất hoà tan có thể xâm nhập vào trong bằng con đường khuếch tán vỏ Khi cây tạo ra các phân tử tinh bột thì cây cũng sắp xếp các phân tử này thành từng lớp kế tiếp nhau xung quanh một cái lõi trung tâm để tạo nên một hạt chắc và sít Các phần tử amylozơ kề nhau và các mạch nhánh của amylopectin sẽ liên kết với nhau bằng liên kết hydro để tạo nên các chùm tinh thể song song và đồng tâm gọi là các mixen Chính các mixen này giữ vững cấu trúc cho hạt và cho phép nó trương nở trong nước nóng mà không bị phá huỷ hoàn toàn, cũng như không bị tan ra thành từng phân tử tinh bột riêng biệt [16, 3]

từ Bắc đến Nam, nhiều nhất là được trồng ở các vùng đồi núi trung du Hiện nay, cây sắn được coi là một trong những cây lương thực có sản lượng cao nhất [3]

Nó là một loại cây tương đối dễ trồng, không tốn nhiều công chăm sóc thích hợp với cả những vùng đất khô cằn

Trong khi các loại tinh bột như: khoai tây, ngô, lúa là nguồn nguyên liệu khá phổ biến ở các nước châu Âu thì ở các nước châu Á, châu Phi và một số nước châu Mỹ, sắn lại là nguồn nguyên liệu chủ yếu

Bảng 1.2: Sản lượng tinh bột sắn trên thế giới năm 2001

Sắn là một trong những nguồn có hàm lượng tinh bột cao nhất, củ sắn chứa đến 30% hàm lượng tinh bột nhưng có hàm lượng protein, cacbonhydrat và chất

béo thấp Đó là nguồn thức ăn cho cuộc sống con người, là nguồn nguyên liệu cho các nghành công nghiệp chế biến thực phẩm và công nghiệp khác

Vì những lợi ích mà tinh bột sắn mang lại cho con người nên ngày càng có nhiều cơ sở sản xuất tinh bột sắn ra đời với thiết bị khá hiện đại và đã phần nào giải quyết được nguồn nguyên liệu sắn tại nhiều vùng trong cả nước [5]

1.2.3.1 Tính chất vật lí

a Về hình dạng: Tinh bột sắn có dạng hình cầu, hình trứng hoặc hình mũ,

có một số hạt bị trũng Tinh bột sắn có kích thước từ 1,68 đến 20,23 μm, trung

bình là 12,14 μm, tinh bột sắn có màu trắng [3] Theo Tiêu chuẩn Mỹ, các loại

sắn tốt cho tinh bột có pH từ 4,5 đến 6,5 và độ axit thấp

(a) (b) Hình 1.20: Ảnh SEM của tinh bột sắn (a):1500 lần; (b): 3500 lần

b Tính chất hấp thụ: Cấu tạo của hạt tinh bột sắn là lỗ xốp nên cả bề mặt

bên trong và bên ngoài của tinh bột sắn đều tham gia khi tương tác với các chất hấp thụ Vì vậy, cần phải hết sức quan tâm đến vấn đề này trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến thủy nhiệt Các ion liên kết với tinh bột sắn thường ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của nó Đường đẳng nhiệt hấp thụ các loại tinh bột không giống nhau, nó phụ thuộc vào cấu tạo bên trong của hạt và khả năng trương nở của chúng

c Độ hòa tan của tinh bột sắn: Hai thành phần amylozơ và amylopectin

trong tinh bột sắn có độ hòa tan khác nhau Amylozơ mới tách ra từ tinh bột có

độ hòa tan cao song không bền, nhanh chóng bị thoái hóa và trở nên không hòa tan trong nước Amylopectin không hòa tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ hòa tan trong nước nóng Trong môi trường axit, tinh bột sắn bị thủy phân và tạo

thành “tinh bột hòa tan” Nếu môi trường axit mạnh sản phẩm cuối cùng là glucozơ Còn trong môi trường kiềm, tinh bột bị ion hóa từng phần do có sự hyđrat hóa tốt hơn Tinh bột bị kết tủa trong cồn, vì vậy để tăng hiệu quả thu hồi tinh bột thì cồn là một dung môi tốt để lấy lại lượng tinh bột bị hòa tan

1.2.3.2 Tính chất hóa học

- Phản ứng với iot: Thành phần amylozơ trong tinh bột khi tương tác với iot

sẽ cho phức màu xanh đặc trưng Vì vậy, có thể coi iot là thuốc thử đặc trưng để xác định hàm lượng amylozơ trong tinh bột bằng phương pháp trắc quang Để phản ứng được với iot, các phân tử amylozơ phải có dạng xoắn ốc để hình thành đường xoắn ốc đơn của amylozơ bao quanh phân tử iot Amylozơ với hình thể xoắn ốc hấp thụ được 20% khối lượng iot tương ứng với một vòng xoắn ốc một phân tử iot Còn khi xảy ra tương tác giữa iot với amylopectin thì amylopectin cho phức màu tím đỏ Về bản chất, phản ứng màu của amylopectin với iot xảy ra

do sự hình thành của hợp chất hấp phụ

- Tạo phức với nhiều hợp chất hữu cơ có cực cũng như không có cực:

Ngoài khả năng tạo phức với iot, amylozơ còn có khả năng tạo phức với: các rượu no (izoamylic, butylic, izoprotylic), các rượu vòng, các phenol, các xeton có phân tử thấp, các axit béo dãy thấp cũng như các axit béo dãy cao, các este mạch thẳng và mạch vòng, các dẫn xuất benzen có nhóm anđehit, các nitro parafin,… Khi tạo phức với các amylozơ, các chất tạo phức cũng chiếm vị trí bên trong dọc theo xoắn ốc tương tự iot Ngoài ra, amylopectin còn cho phản ứng đặc trưng với lectin Về bản chất đây là một phản ứng giữa một protein với một polysaccarit có mạch nhánh Khi lectin liên kết với D – glucopitanozic nằm ở đầu cuối không khử của amylopectin thì sẽ làm cho amylopectin kết tủa và tách ra khỏi dung dịch

- Phản ứng thủy phân: Tinh bột nói chung và tinh bột sắn nói riêng có tính

chất quan trọng là phản ứng thủy phân liên kết giữa các đơn vị glucozơ bằng axit hoặc bằng enzim Axit có thể thủy phân tinh bột ở dạng ban đầu hoặc ở dạng hồ hóa, còn enzim chỉ thủy phân hiệu quả các phân tử tinh bột bằng cách thủy phân liên kết α – D (1,4) glucozit Đặc trưng của phản ứng này là sự giảm nhanh độ nhớt và sinh ra đường [16]

Hình 1.21: Phản ứng thủy phân của tinh bột

1.2.3.3 Tính chất lưu biến

Trong dung dịch, các phân tử amylozơ có khuynh hướng liên kết lại với nhau để tạo ra các tinh thể Khi sự liên kết xảy ra với tốc độ chậm thì amylozơ sẽ tạo ra khối không tan của các hạt bị thoái hóa Khi tốc độ đạt nhanh thì dung dịch chuyển thành thể keo Amylozơ đã thoái hóa không hòa tan trong nước lạnh nhưng có khả năng liên kết với một lượng nước lớn gần 4 lần trọng lượng của chúng Nếu để amylozơ trong một lượng nước ít hơn 4 lần trọng lượng của nó thì toàn bộ nước sẽ bị hấp thụ và tạo ra keo Keo amylozơ ở nhiệt độ thường là một

khối trắng đục, không thuận nghịch, không có hiện tượng co

1.2.3.4 Sự trương nở và hiện tượng hồ hóa

Khi tinh bột hòa tan vào nước thì do có sự hấp thụ nước nên có sự tăng thể tích hạt và làm hạt tinh bột trương phồng lên Hiện tượng này của tinh bột gọi là hiện tượng trương nở Độ tăng kích thước trung bình của một số loại tinh bột so với trước khi ngâm vào nước như bảng sau:

Bảng 1.3: Độ tăng kích thước trung bình của một số loại tinh bột khi ngâm vào nước

Qua một số kết quả nghiên cứu đã xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến

sự trương nở và hòa tan của tinh bột sắn là ảnh hưởng của loại tinh bột và nguồn

Loại tinh bột Độ tăng kích thước trung bình Tinh bột bắp 9,1%

Tinh bột khoai tây 12,7%

Tinh bột sắn 28,4%