Ứng dụng của phương pháp sấy đông khô trong tổng hợp vật liệu ..... Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của phức hợp IPC sử dụng MD có DE 25 chưa hoạt hóa .... Kết quả khảo sá
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
NGUYỄN THỊ XUYÊN
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU PHỨC HỢP
SẮT-POLYMALTOSE (IRON SẮT-POLYMALTOSE COMPLEX, IPC) TỪ CÁC
MALTODEXTRIN CÓ DE KHÁC NHAU
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – 2015
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
NGUYỄN THỊ XUYÊN
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU PHỨC HỢP
SẮT-POLYMALTOSE (IRON SẮT-POLYMALTOSE COMPLEX, IPC) TỪ CÁC
MALTODEXTRIN CÓ DE KHÁC NHAU
Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số: 60520301
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐÀO QUỐC HƯƠNG
Hà Nội – 2015
Trang 3MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4
1.1 Hiện tượng thiếu máu do thiếu sắt 4
1.1.1 Vai trò của sắt đối với sự sống 4
1.1.2 Cơ chế hấp thụ và vận chuyển sắt trong cơ thể 5
1.1.3 Nguyên nhân và hậu quả của việc thiếu máu do thiếu sắt 6
1.1.4 Giải pháp phòng chống thiếu máu do thiếu sắt 9
1.2 Giới thiệu về polysaccarit 11
1.2.1 Tinh bột 12
1.2.1.1 Cấu trúc phân tử 12
1.2.1.2 Tính chất 14
1.2.1.3 Sự hồ hóa tinh bột 15
1.2.2 Maltodextrin (polymaltose) 16
1.3 Vật liệu phức hợp sắt-polymaltose (Iron polymaltose complex, IPC) 17
1.3.1 Cấu trúc 17
1.3.2 Ứng dụng của phức hợp IPC 18
1.3.3 Các phương pháp điều chế vật liệu phức hợp IPC 19
1.4 Các phương pháp xác định đặc trưng của phức hợp IPC 20
1.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X - Ray Diffraction, XRD) 20
1.4.2 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectrophotometer, FT-IR) 21
1.4.3 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy, TEM) 21
1.4.4 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 22
1.4.5 Chuẩn độ oxi hóa khử bằng phương pháp đicromat 23
1.5 Ứng dụng của phương pháp sấy đông khô trong tổng hợp vật liệu 24
Trang 4CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 27
2.1 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất 27
2.1.1 Dụng cụ 27
2.1.2 Thiết bị 27
2.1.3 Hóa chất và các nguyên liệu đầu 27
2.2 Nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu phức hợp IPC 28
2.2.1 Lựa chọn MD có DE khác nhau để tổng hợp vật liệu phức hợp IPC 28
2.2.2 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của phức hợp IPC sử dụng MD có DE 25 chưa hoạt hóa 29
2.2.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng MD 29
2.2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 30
2.2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ổn định MD và muối sắt 30
2.2.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp NaOH 30
2.2.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của pH 31
2.2.2.6 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian già hóa 31
2.2.2.7 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ etanol/dung dịch phức hợp về thể tích khi kết tủa 31
2.2.2.8 Khảo sát ảnh hưởng của kỹ thuật làm khô 32
2.2.3 Xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu phức hợp IPC sử dụng MD có DE 25 đã hoạt hóa 32
2.3 Chuẩn bị mẫu phân tích 34
2.3.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) 34
2.3.2 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) 34
2.3.3 Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 34
2.3.4 Phân tích nhiệt (DTA-TGA) 34
2.3.5 Chuẩn độ oxi hóa khử bằng phương pháp đicromat để xác định
Trang 5hàm lượng sắt trong sản phẩm 35
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37
3.1 Kết quả lựa chọn MD với DE khác nhau để tổng hợp vật liệu phức hợp IPC 37
3.1.1 Đặc trưng XRD 37
3.1.2 Đặc trưng FT-IR 37
3.1.3 Đặc trưng TEM 39
3.1.4 Đặc trưng phân tích nhiệt (DTA-TGA) 40
3.2 Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của vật liệu phức hợp IPC sử dụng MD có DE 25 41
3.2.1 Ảnh hưởng của khối lượng MD 42
3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 43
3.2.3 Ảnh hưởng của thời gian ổn định hỗn hợp MD và muối sắt 44
3.2.4 Ảnh hưởng của tốc độ cấp NaOH 45
3.2.5 Ảnh hưởng của giá trị pH 46
3.2.6 Ảnh hưởng của thời gian già hóa 49
3.2.7 Ảnh hưởng của tỉ lệ etanol/dung dịch phức hợp về thể tích khi kết tủa phức hợp 50
3.2.8 Ảnh hưởng của kỹ thuật làm khô sản phẩm 51
3.3 Một số đặc trưng của phức hợp IPC sử dụng MD có DE 25 đã hoạt hóa 52
3.3.1 Đặc trưng XRD 52
3.3.2 Đặc trưng FT-IR 53
3.3.3 Đặc trưng TEM 54
3.3.4 Đặc trưng phân tích nhiệt (DTA-TGA) 55
KẾT LUẬN 57
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 59
Trang 6
MỞ ĐẦU
Sắt là một vi chất dinh dưỡng rất quan trọng cho cơ thể, là thành phần chính tạo nên hemoglobin của tế bào hồng cầu trong máu Khi bị thiếu máu do thiếu sắt,
sự vận chuyển oxi đến các mô cơ thể cũng như sự dự trữ oxi ở mô cơ vân sẽ giảm sút, làm cho cơ thể hoạt động không hiệu quả, mau mệt mỏi, kém tập trung, trí nhớ kém Tình trạng thiếu máu do thiếu sắt rất phổ biến ở trẻ em và phụ nữ Theo số liệu gần đây nhất, thiếu máu do thiếu sắt ở phụ nữ Việt Nam tuổi sinh đẻ là 28,8%, ở phụ nữ mang thai là 36,5% Để khắc phục tình trạng này, liệu pháp thực phẩm chức năng bổ sung sắt và dược phẩm chống thiếu máu do thiếu sắt được
sử dụng phổ biến ở nước ta cũng như trên thế giới Nhiều loại sản phẩm này được tổng hợp từ các muối sắt(II) và sắt(III) Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là tạo thành các ion sắt, có thể thâm nhập vào hệ thống tuần hoàn gây ngộ độc sắt cho cơ thể Nhược điểm đó có thể được khắc phục bằng cách ổn định các nhân sắt bằng tác nhân tạo vật liệu phức hợp là polysaccarit như tinh bột, dextrin, maltodextrin… Trong phức hợp, nhân sắt được bao bọc bởi lớp vỏ polysaccarit Các phức hợp này không giải phóng ion sắt và có tính tương thích sinh học cao Do các đặc tính quý giá này nên phức hợp sắt-polysaccarit thích hợp cho việc dùng làm thực phẩm chức năng bổ sung sắt và bào chế thuốc chống thiếu máu do thiếu sắt Trên thế giới, đã có nhiều công bố về tổng hợp, cấu trúc và ứng dụng của vật liệu phức hợp này Ở nước
ta, trong những năm gần đây, việc nghiên cứu phức hợp sắt với một số polysaccarit
cụ thể như tinh bột, dextrin, maltodextrin… đã được phòng Hóa học Vô cơ (Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) thực hiện Nhìn chung, các vật liệu này đều có các đặc trưng chứng tỏ chúng chứa nhân sắt được bao bọc bởi lớp vỏ polysaccarit nhưng hàm lượng sắt và khả năng hòa tan trong nước của sản phẩm không thật ổn định
Trang 7
Để góp phần tạo ra một loại vật liệu với nhiều ưu điểm và có khả năng ứng
dụng trong y học và dược học, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật
liệu phức hợp sắt-polymaltose (iron polymaltose complex, IPC) từ các maltodextrin có DE khác nhau”
Mục tiêu của đề tài:
Nghiên cứu lựa chọn maltodextrin từ các maltodextrin có DE khác nhau và tổng hợp vật liệu phức hợp sắt-polymaltose Tiếp đó, khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp các phức hợp này
Những nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu lựa chọn maltodextrin và tổng hợp vật liệu phức hợp sắt-polymaltose;
- Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng trong quá trình tổng hợp đến độ tan, hàm lượng sắt, kích thước nhân sắt của sản phẩm:
+ Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng maltodextrin;
+ Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ;
+ Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ổn định maltodextrin và muối sắt; + Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp NaOH;
+ Khảo sát ảnh hưởng của giá trị pH;
+ Khảo sát ảnh hưởng của thời gian già hóa;
+ Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ etanol/dung dịch phức hợp về thể tích; + Khảo sát ảnh hưởng của kỹ thuật làm khô sản phẩm;
- Nghiên cứu đưa ra quy trình tổng hợp vật liệu phức hợp sắt-polymaltose
sử dụng MD đã hoạt hóa bằng phương pháp sấy nhiệt;
Phương pháp nghiên cứu:
Luận văn sử dụng phương pháp thực nghiệm để tổng hợp, khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng và các phương pháp vật lý hiện đại để khảo sát, đánh giá chất lượng sản phẩm thu được:
- Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD);
Trang 8
- Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR);
- Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM);
- Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA);
- Chuẩn độ oxi hóa khử bằng phương pháp đicromat
Những đóng góp của luận văn:
Đã nghiên cứu một cách có hệ thống về phương pháp tổng hợp và khảo sát các đặc trưng của vật liệu phức hợp sắt-polymaltose
Góp phần đưa ra quy trình hoàn chỉnh để có thể tiết kiệm chi phí tổng hợp, hướng tới đưa sản phẩm vào sản xuất trong thực tế
Bố cục của luận văn
Mở đầu
Nội dung chính với 3 chương
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Thực nghiệm
- Chương 3: Kết quả và thảo luận
Kết luận
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
Trang 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Hiện tượng thiếu máu do thiếu sắt
1.1.1 Vai trò của sắt đối với sự sống
Sắt là một trong những vi chất dinh dưỡng quan trọng đối với cơ thể Nó không những là nguyên liệu để tổng hợp nên hemoglobin (Hb), myoglobin mà còn
là thành phần cấu tạo của một số loại protein và enzim
Trong cơ thể người, khoảng 70% sắt tồn tại trong các phân tử Hb của tế bào hồng cầu và làm cho hồng cầu có màu đỏ [44] Hb là một protein phức tạp, chứa 2 chuỗi α (mỗi chuỗi gồm 141 loại axit amin) và 2 chuỗi β (mỗi chuỗi gồm 146 loại axit amin) [16] Mỗi phân tử Hb chứa 4 nhân sắt ở dạng hem (Fe2+) Cấu tạo của hem và Hb được đưa ra ở Hình 1.1
Hình 1.1 Cấu tạo của hem (trái) và của Hb (phải)
Không chỉ là thành phần quan trọng của Hb, sắt còn là thành phần thiết yếu của myoglobin trong cơ vân, có tác dụng dự trữ oxi cho hoạt động của cơ vân Chúng sẽ kết hợp với các chất dinh dưỡng khác để giải phóng năng lượng cho sự co
cơ
Ngoài chức năng vận chuyển và lưu trữ oxi, sắt còn tham gia vào các quá trình sinh hóa của cơ thể Nó là thành phần không thể thiếu của một số loại protein
và enzim, có vai trò quan trọng trong quá trình giải phóng năng lượng khi oxi hóa các chất dinh dưỡng và ATP Bên cạnh đó, sắt có vai trò trong việc hình thành myelin thần kinh, tổng hợp các neutron truyền tín hiệu Nó là nguyên tố cần thiết
Trang 10
cho quá trình tổng hợp ADN, đảm bảo cho sự sinh trưởng, phát triển và tái tạo của
cơ thể [11]
1.1.2 Cơ chế hấp thụ và vận chuyển sắt trong cơ thể
* Cơ chế hấp thụ
Trong thức ăn, sắt chủ yếu ở trạng thái sắt(III) dưới dạng vô cơ hoặc hữu cơ, cũng có thể tồn tại dưới dạng hiđroxit hoặc liên hợp với protein Hàm lượng sắt khác nhau trong từng loại thức ăn nhưng nhìn chung các thức ăn từ thịt chứa nhiều sắt hơn các thức ăn từ thực vật, trứng hay sữa Khẩu phần ăn hằng ngày trung bình của một người có chứa khoảng 10 - 15 mg sắt Tuy vậy, chỉ có khoảng 5 - 10% sắt trong lượng sắt nói trên được cơ thể hấp thụ Quá trình hấp thụ sắt bắt đầu từ dạ dày nhưng chủ yếu diễn ra tại hành tá tràng và ở mức độ ít hơn tại đoạn đầu ruột non
Để cơ thể có thể hấp thụ được, sắt phải được chuyển từ dạng sắt(III) sang sắt(II) Trong dạ dày, axit clohiđric khử sắt(III) thành sắt(II) để sắt dễ được hấp thụ Vitamin C cũng có vai trò tương tự trong quá trình này Quá trình hấp thụ sắt vào tĩnh mạch phụ thuộc vào nhu cầu sắt của cơ thể Nếu cơ thể thiếu sắt, một lượng lớn sắt sẽ được hấp thụ qua niêm mạc ruột, sau đó đi vào máu Ngược lại, trong trường hợp cơ thể quá nhiều sắt, lượng sắt được hấp thụ vào niêm mạc ruột sẽ giảm đi Nếu
cơ thể không cần sắt, nó sẽ đẩy sắt ra ngoài cùng với các tế bào chết
Sự hấp thụ sắt cũng bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự có mặt của các tác nhân khác có trong thực phẩm hoặc dược phẩm Chẳng hạn, vitamin C làm tăng khả năng hấp thụ cả dạng sắt(II) và sắt(III) Ngược lại, axit phytic, tannin có tác dụng ức chế
sự hấp thụ sắt(III), còn canxi sẽ có ảnh hưởng tiêu cực đến sự hấp thụ dạng sắt(II)
Do vậy, việc kết hợp sử dụng các loại thực phẩm và dược phẩm cần được cân nhắc
để sự hấp thụ sắt đạt hiệu quả cao nhất [11]
Trang 11
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 Trương Thị Minh Hạnh (2008), “Nghiên cứu sản xuất maltodextrin có DE<10
bằng phương pháp axit ở nhiệt độ thấp (nhiệt độ phòng)”, Tạp chí Khoa học
và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, 3(26), tr 58-65
2 Nguyễn Thị Hạnh, Đào Quốc Hương (2009), “Nghiên cứu tổng hợp phức chất
sắt-polymaltose”, Tạp chí Hóa học, 47(6B), tr 6-12
3 Đinh Thị Phương Hoa , Lê Thi ̣ Hơ ̣p , Phạm Thị Thúy Hòa (2013), “So sánh hiê ̣u
quả của bổ sung sắt/acid folic hàng tuần liên tu ̣c và hàng tuần ngắt quãng lên tình tra ̣ng thiếu máu ở phu ̣ nữ 20-35 tuổi ta ̣i 3 xã thuộc huyện Lục Nam , Bắc
Giang”, Tạp chí Y học Thực hành, 10(881), tr 58-61
4 Nguyễn Văn Khôi (2006), Polysaccarit và ứng dụng các dẫn xuất tan của chúng
trong thực phẩm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
5 Phương pháp xác định hàm lượng sắt (TCVN 2618: 1993)
6 Nguyễn Văn Ri, Tạ Thị Thảo (2013), Thực Tập Hóa phân tích - Phần 1: Các
phương pháp phân tích hóa học, Khoa Hóa học, Đại học Khoa học Tự nhiên,
Đại học Quốc gia Hà Nội
7 Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp vật lý ứng dụng trong hoá học,
NXB Đại học Quốc gia Hà Nội
Tiếng Anh
8 Beynum G M., Roels J A (1985), “Starch conversion technology”, Marcel
Dekker Inc., 4, pp 15-30
9 Bjorck I., Asp N G (1994), “Controlling the nutritional properties of starch in
foods - a challenge to the food industry”, Trends in Food Science and
Technology, 5, pp 213-218
10 Bothwell T H (1995), “Overview and mechanisms of iron regulation”,
Nutrition Reviews, 53, pp 237-245
Trang 12
11 Bothwell T H., Charlton R W., Cook J D., Finch C A (1995), Iron
metabolism in man, Wiley Blackwell, Oxford
12 Brian Knight, Lawrence H Bowen et al (1999), “Comparison of core size
distribution in iron dextran complexes using Mossbauer spectroscopy and
X-ray diffraction”, J Inorganic Biochemistry, 73, pp 227-233
13 Ciesielski W., Lii C., Yen M T., Tomasik P (2003), “Interactions of starch with
salts of metals from the transition group”, Carbohydr Polym., 51, pp 47-56
14 Ciesielski W., Tomasik P (2004), “Werner-type metal complexes of potato
starch”, Int J Food Sci Technol., 39, pp 691-698
15 Ciesielski W., Tomasik P (2004), “Complexes of amylose and amylopectins
with multivalent metal salts”, J Inorg Biochem., 98, pp 2039-2051
16 Corwin Q E (2004), Wintrobe’s clinical hematology, Lippincott Williams &
Wilkins, London
17 Danielson B G (2004), “Structure, chemistry and pharmacokinetics of
intravenous iron agents”, J Am Soc Nephrol., 15, pp 93-98
18 Han J A., BeMiller J N (2007), “Preparation and physical characteristics of
slowly digesting modiWed food starches”, Carbohydrate Polymers, 67, pp
366-374
19 James M W., Chen C M., Goddard W P., Scott B B., Goddard A F (2005),
“Risk factor of gastrointestinal malignancy in paitients with iron-deficiency
anaemia”, Eur J Gastroenterol Hepatol., 17, pp 1197-1203
20 Janz T G., Johnson R L., Rubenstein S D (2013), “Anemia in the emergency
department: evaluation and treatment”, Emerg Med Parct., 15, pp 1-15
21 Jenkins P J., Donald A M (1995), “The influence of amylase on starch granule
structure”, International Journal of Biological Macromolecules, 17, pp
315-321
22 Jing-ming L., Sen-lin Z (1990), “Scanning electron microscope study on
gelatinization of starch granules in excess water”, Starch/Staerke, 42, pp
96-98