Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5 hydroxymethyl 2 furfuraldehyde 5 hmf bằng sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác hcl

5 Hydroxymethyl 2 furfuraldehyde 5 HMF là một sản phẩm trung gian của phản ứng caramel được coi là một hóa chất quan trọng do có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau Trong y dược 5 HMF được sử dụng để điều trị các bệnh tim mạch chấn thương do thiếu oxy … trong thực phẩm hợp chất này được sử dụng để sản xuất các loại phụ gia thực phẩm ngoài ra còn được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp vật liệu hóa chất năng lượng… Dựa trên kết quả khảo sát đơn biến ban đầu phương pháp bề mặt đáp ứng được sử dụng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5 HMF bằng sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác HCl với hàm mục tiêu là hiệu suất chuyển hóa 5 HMF H Hàm lượng 5 HMF được xác định bằng phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao HPLC Phần mềm Minitab version 16 được sử dụng để xử lý số liệu thực nghiệm thu được sự khác biệt có ý nghĩa đối với hiệu suất trích ly được phân tích bằng phương pháp phương sai ANOVA – one way Mô hình toán học mô tả ảnh hưởng của các yếu tố cũng như sự tương tác của chúng đến hiệu suất chuyển hóa 5 HMF có dạng H 238 523 10 970T 248 784C 7 343R 0 555TC 0 158TR 8 330CR 0 258T2 81 507C2 0 428R2 trong đó T Thời gian phản ứng phút C Nồng độ xúc tác HCl M R Tỉ lệ thể tích xúc tác HCl sucrose mL g Hiệu suất chuyển hóa 5 HMF đạt giá trị cực đại Hmax 56 229 ± 2 519 tại điều kiện phản ứng tối ưu là T 17 4 phút C 1 81 M và R 6 6 1 v w Hiệu suất trích ly đạt giá trị cực đại là 61 067 ± 0 645 với độ tinh khiết của 5 HMF là 75 56 ± 3 67 khi tiến hành tinh chế hợp chất 5 HMF bằng phương pháp trích ly với dung môi diethyl ether ở tỉ lệ sản phẩm thô diethyl ether là 1 09 v v Nghiên cứu đã cung cấp thông tin quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo về 5 HMF và quá trình sản xuất 5 HMF với qui mô lớn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HĨA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH : CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP BỀ MẶT ĐÁP ỨNG ĐỂ TỐI ƯU HÓA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ SUCROSE THÀNH 5-HYDROXYMETHYL-2-FURFURALDEHYDE BẰNG SỰ KẾT HỢP GIỮA NHIỆT VÀ XÚC TÁC HCl Người hướng dẫn: ThS BÙI VIẾT CƯỜNG Sinh viên thực hiện: VÕ THỊ HOÀNG YẾN Số thẻ sinh viên: 107130129 Lớp: 13H2B Đà Nẵng, 05/2018 TÓM TẮT Tên đề tài: Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) kết hợp nhiệt xúc tác HCl Sinh viên thực hiện: Võ Thị Hoàng Yến Số thẻ SV: 107130129 Lớp: 13H2B 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) sản phẩm trung gian phản ứng caramel, coi hóa chất quan trọng có nhiều ứng dụng lĩnh vực khác Trong y dược, 5-HMF sử dụng để điều trị bệnh tim mạch, chấn thương thiếu oxy,…; thực phẩm, hợp chất sử dụng để sản xuất loại phụ gia thực phẩm; ngồi ra, cịn ứng dụng lĩnh vực công nghiệp vật liệu, hóa chất, lượng… Dựa kết khảo sát đơn biến ban đầu, phương pháp bề mặt đáp ứng sử dụng để tối ưu hóa yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5HMF kết hợp nhiệt xúc tác HCl với hàm mục tiêu hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (H, %) Hàm lượng 5-HMF xác định phương pháp sắc kí lỏng hiệu cao (HPLC) Phần mềm Minitab version 16 sử dụng để xử lý số liệu thực nghiệm thu được, khác biệt có ý nghĩa hiệu suất trích ly phân tích phương pháp phương sai ANOVA – one way Mơ hình tốn học mơ tả ảnh hưởng yếu tố tương tác chúng đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF có dạng: H = - 238,523 + 10,970T + 248,784C - 7,343R - 0,555TC - 0,158TR + 8,330CR - 0,258T2 - 81,507C2 - 0,428R2; đó, T: Thời gian phản ứng (phút), C: Nồng độ xúc tác HCl (M), R: Tỉ lệ thể tích xúc tác HCl:sucrose (mL:g) Hiệu suất chuyển hóa 5-HMF đạt giá trị cực đại Hmax = 56,229 ± 2,519% điều kiện phản ứng tối ưu T = 17,4 (phút); C = 1,81 (M) R = 6,6:1 (v:w) Hiệu suất trích ly đạt giá trị cực đại 61,067 ± 0,645% với độ tinh khiết 5-HMF 75,56 ± 3,67% tiến hành tinh chế hợp chất 5-HMF phương pháp trích ly với dung mơi diethyl ether tỉ lệ sản phẩm thô:diethyl ether 1:09 (v:v) Nghiên cứu cung cấp thông tin quan trọng cho nghiên cứu 5-HMF trình sản xuất 5-HMF với qui mô lớn ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc KHOA HÓA NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Võ Thị Hoàng Yến Số thẻ sinh viên: 107130129 Lớp: 13H2B………Khoa: Hóa Ngành: Công nghệ thực phẩm Tên đề tài: Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hoá sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2furfuraldehyde kết hợp nhiệt xúc tác HCl Đề tài thuộc diện: □ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu Nội dung phần thuyết minh tính tốn: MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Các vẽ, đồ thị (Không): Họ tên người hướng dẫn: Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hồn thành đồ án: Trưởng Bộ mơn ThS Bùi Viết Cường 12/01/2018 28/05/2018 Đà Nẵng, ngày 28 tháng 05 năm 2018 Người hướng dẫn LỜI CẢM ƠN Sau tháng nghiên cứu, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến q thầy giáo khoa Hóa – trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, thầy cô môn Công Nghệ Thực Phẩm đặc biệt thầy Bùi Viết Cường, giáo viên hướng dẫn tận tình giúp đỡ, định hướng, góp ý, để từ giúp tơi nắm bắt kĩ lưỡng, chi tiết nội dung, cung cấp kiến thức vấn đề liên quan suốt thời gian hồn thành đồ án Tiếp đến, tơi xin chân thành cảm ơn tất bạn bè người thân động viên giúp đỡ tạo điều kiện cho suốt thời gian làm đồ án học tập Họ người cho góp ý nội dung giúp tơi thu thập tài liệu cần thiết phục vụ cho đồ án nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn ! Đà Nẵng, ngày 21 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực Võ Thị Hoàng Yến i CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đồ án “Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hoá sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2furfuraldehyde kết hợp nhiệt với xúc tác HCl” hướng dẫn giảng viên ThS Bùi Viết Cường cơng trình nghiên cứu độc lập thực thân tơi Việc hồn thành đồ án tốt nghiệp soạn thảo hoàn thành cách độc lập, sáng tạo, không chép từ đề tài khác Các kết số liệu thu trung thực, khách quan, khơng có chỉnh sửa, chép Tài liệu tham khảo sử dụng đồ án xác, có độ tin cậy cao, trích dẫn đầy đủ quy định Đà Nẵng, ngày 21 tháng năm 2018 Sinh viên thực Võ Thị Hồng Yến ii MỤC LỤC Tóm tắt Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp Lời cảm ơn i Cam đoan ii Mục lục iii Danh sách bảng, hình vẽ v Danh sách chữ viết tắt vii Trang Mở đầu Chương Tổng quan 1.1 Tổng quan 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Cấu trúc 1.1.3 Tính chất vật lí 1.1.4 Tính chất hóa học 1.1.5 Cơ chế tổng hợp 5-HMF từ sucrose 10 1.1.6 Ứng dụng 5-HMF 13 1.2 Phản ứng caramel 14 1.2.1 Định nghĩa 14 1.2.2 Đặc điểm phản ứng caramel 15 1.2.3 Cơ chế phản ứng caramel 16 1.3 Các phương pháp sản xuất 5-HMF 17 1.4 Các phương pháp định lượng 5-HMF 19 1.5 Giới thiệu phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) 20 1.5.1 Nguyên tắc phương pháp RSM 20 1.5.2 Công dụng phương pháp RSM 21 1.5.3 Ưu, nhược điểm phương pháp RSM 21 1.5.4 Các mơ hình xây dựng ma trận thí nghiệm RMS 22 1.6 Tình hình nghiên cứu 5-HMF Việt Nam giới 24 1.6.1 Tại Việt Nam 24 1.6.2 Trên giới 25 Chương Hóa chất phương pháp nghiên cứu 27 2.1 Hóa chất nghiên cứu 27 iii 2.2 Phương pháp nghiên cứu .27 2.2.1 Phương pháp chuẩn bị mẫu bố trí thí nghiệm 27 2.2.2 Phương pháp phân tích 31 Chương Kết nghiên cứu thảo luận 32 3.1 Kết thí nghiệm xây dựng mơ hình tốn học tối ưu cho phản ứng chuyển hóa 5-HMF tác dụng nhiệt xúc tác HCl 32 3.2 Đánh giá phương trình hồi qui cấp mô tả mối quan hệ yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF 33 3.3 Kết xác định điều kiện phản ứng tối ưu phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-HMF kết hợp nhiệt xúc tác HCl phương pháp RSM – CCD 35 3.4 Kết tinh chế hợp chất 5-HMF phương pháp trích ly với dung mơi diethyl ether 40 3.5 Đề xuất qui trình thu nhận 5-HMF 43 KẾT LUẬN .44 KIẾN NGHỊ 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC iv DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1 Tính chất vật lý 5-HMF Bảng 1.2 Nhiệt độ xảy phản ứng caramel số loại đường 15 Bảng 1.3 Các nhóm chất xúc tác [20] 18 Bảng 2.1 Mức, khoảng biến thiên yếu tố ảnh hưởng 28 Bảng 2.2 Ma trận thí nghiệm 30 Bảng 3.1 Kết thực nghiệm hiệu suất chuyển hóa 5-HMF theo ma trận thí nghiệm (bảng 2.2) 32 Bảng 3.2 Kết phân tích phương sai ANOVA 33 Bảng 3.3 Bảng so sánh hiệu suất chuyển hóa 5-HMF kết thực nghiệm phương trình hồi qui 39 Bảng 3.4 Kết thí nghiệm tinh chế hiệu suất trích ly 5-HMF 42 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Cơng thức cấu tạo 5-HMF Hình 1.2 Các sản phẩm phản ứng este hóa nhóm hydroxymethyl (-CH2OH) Hình 1.3 Các sản phẩm phản ứng ether hóa nhóm hydroxymethyl (-CH2OH) Hình 1.4 Các sản phẩm phản ứng halogen hóa nhóm hydroxymethyl Hình 1.5 Phản ứng OXH nhóm hydroxymethyl (-CH2OH) Hình 1.6 Các sản phẩm phản ứng khử nhóm andehyde (-CHO) Hình 1.7 Các sản phẩm phản ứng ngưng tụ nhóm andehyde (-CHO) Hình 1.8 Các sản phẩm phản ứng OXH nhóm andehyde (-CHO) Hình 1.9 Phản ứng polyme hóa 5-HMF Hình 1.10 Phản ứng OXH vòng furan Hình 1.11 Cơ chế tổng hợp 5-HMF từ sucrose [2] 10 Hình 1.12 Chuyển hóa Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein [9] 11 Hình 1.13 Các giai đoạn nước fructose 12 Hình 1.14 Quá trình thủy phân sucrose tạo thành glucose fructose 12 Hình 1.15 Q trình chuyển hóa glucose thành 5-HMF 12 Hình 1.16 Một số dẫn xuất 5-HMF [18] 14 Hình 1.17 Quá trình đồng phân hóa aldose thành ketose 16 Hình 1.18 Phản ứng caramel mơi trường acid 17 Hình 1.19 Các sản phẩm tạo trình caramel mơi trường kiềm 17 Hình 1.20 Sơ đồ chức chuyển đổi 20 Hình 1.21.a) Mơ hình Box-Behnken cho yếu tố dạng hình học (khối lập phương) b) thiết kế kết hợp 22 giai thừa 22 Hình 1.22 Mơ hình CCD cho yếu tố dạng hình học 24 Hình 3.1 Phát đồ đường viền 2D thể ảnh hưởng tương tác thời gian phản ứng (T, phút) nồng độ xúc tác HCl (C, M) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (H, %) tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) (constant) = 10:1 (mL:g) 35 v Hình 3.2 Phát đồ bề mặt 3D thể ảnh hưởng tương tác thời gian phản ứng (T, phút) nồng độ xúc tác HCl (C, M) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (H, %) tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) (constant) = 10:1 (mL:g) 36 Hình 3.3 Phát đồ đường viền 2D thể ảnh hưởng tương tác thời gian phản ứng (T, phút) tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) đến hiệu suất chuyển hóa 5HMF (H, %) nồng độ xúc tác HCl (C, M) (constant) = M 36 Hình 3.4 Phát đồ bề mặt 3D thể ảnh hưởng tương tác thời gian phản ứng (T, phút) tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (H, %) nồng độ xúc tác HCl (C, M) (constant) = M 37 Hình 3.5 Phát đồ đường viền 2D thể ảnh hưởng tương tác nồng độ xúc tác HCl (C, M) tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) đến hiệu suất chuyển hóa 5HMF (H, %) thời gian phản ứng (T, phút) (constant) = 10 (phút) 37 Hình 3.6 Phát đồ bề mặt 3D thể ảnh hưởng tương tác nồng độ xúc tác HCl (C, M) tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (H, %) thời gian phản ứng (T, phút) (constant) = 10 (phút) 38 Hình 3.7 Ảnh hưởng tỉ lệ sản phẩm thơ:diethyl ether (v:v) đến hiệu suất trích ly 5HMF (%) độ tinh khiết 5-HMF (%) 41 Hình 3.8 Sơ đồ qui trình thu nhận 5-HMF 43 vi Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) kết hợp nhiệt xúc tác HCl Trong nghiên cứu này, chất ban đầu sử dụng để chuyển hóa thành 5-HMF sucrose Trong mơi trường acid, sucrose bị thủy phân thành glucose fructose Quá trình chuyển đổi trung gian từ sucrose thành monosaccharides (fructose glucose); từ glucose thực chuyển hóa Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein để tạo thành fructose, môi trường acid, tạo sản phẩm phụ làm giảm hiệu suất chuyển hóa so với nghiên cứu thực trực tiếp từ chất ban đầu fructose Hiệu suất chuyển hóa 5-HMF tối đa đạt 54,3713% chủ yếu nước fructose tạo thành 5-HMF Trong nghiên cứu OktayYemiş cộng (2012), chất ban đầu sử dụng phế phẩm rơm lúa mì, thành phần nguyên liệu rơm lúa mì bao gồm nhiều tạp chất khác chiếm phần lớn Vì vậy, hiệu suất thu hồi 5-HMF khoảng 3,4% thấp nhiều so với nghiên cứu từ chất ban đầu monosacharide (glucose fructose) hay disaccharide (sucrose) 3.4 Kết tinh chế hợp chất 5-HMF phương pháp trích ly với dung mơi diethyl ether Mỗi thí nghiệm tinh chế cho tỉ lệ pha trộn sản phẩm thô:diethyl ether (v:v) lặp lại lần Kết thí nghiệm biểu diễn hình 3.7 Dựa vào đồ thị biểu diễn kết khảo sát trình tinh chế hợp chất 5-HMF theo tỉ lệ sản phẩm thô:diethyl ether (v:v) khác nhận thấy tỉ lệ sản phẩm thô:diethyl ether (v:v) có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất trích ly, lại không ảnh hưởng đáng kể đến độ tinh khiết 5-HMF thu sau trình tinh chế Phần trăm (%) 100 80 60 40 20 1:04 1:05 1:06 1:07 1:08 1:09 1:10 Tỉ lệ sản phảm thơ:diethyl ether (v:v) Hiệu suất trích ly SVTH: Võ Thị Hoàng Yến GVHD: ThS Bùi Viết Cường Độ tinh khiết 40 Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) kết hợp nhiệt xúc tác HCl Hình 3.7 Ảnh hưởng tỉ lệ sản phẩm thơ:diethyl ether (v:v) đến hiệu suất trích ly 5-HMF (%) độ tinh khiết 5-HMF (%) Nhìn chung, hiệu suất trích ly có xu hướng tăng dần tương ứng với tỉ lệ sản phẩm thô:diethyl ether từ 1:04 (v:v) đến 1:10 (v:v) Cụ thể tăng từ 35,93 ± 0.57% lên 61,38 ± 0,22% Nguyên nhân dẫn đến thay đổi hiệu suất trích ly (tăng dần) với lượng sản phẩm thô cố định lượng diethyl ether lớn chênh lệch nồng độ 5-HMF có sản phẩm thơ dung mơi trích ly cao Điều tạo lực khuếch tán mạnh cho trình khuếch tán 5-HMF vào diethyl ether tăng hiệu suất trích ly Ngược lại, với lượng diethyl ether nhỏ nhanh đạt đến điểm cân vật chất dung mơi trích ly sản phẩm thơ Độ tinh khiết 5-HMF thu sau trình trích ly dao động khoảng 72,61 ± 0,29% 78,49 ± 0,12% tỉ lệ sản phẩm thô:diethyl ether thay đổi khoảng từ 1:04 (v:v) đến 1:10 (v:v); bên cạnh 5-HMF trích ly dung môi diethyl ether, sản phẩm trung gian phản ứng caramel có khả hịa tan diethyl ether trích ly; nghĩa sản phẩm di chuyển từ pha sản phẩm thô qua pha diethyl ether suốt q trình trích ly SVTH: Võ Thị Hoàng Yến GVHD: ThS Bùi Viết Cường 41 Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) kết hợp nhiệt xúc tác HCl Bảng 3.4 Kết thí nghiệm tinh chế hiệu suất trích ly 5-HMF Tỉ lệ sản phẩm thơ:diethyl ether Hiệu suất trích ly trung bình 1:4 35,93 ± 0,57f 1:5 41,03 ± 1,37e 1:6 45,29 ± 2,85d 1:7 51,58 ± 0,15c 1:8 55,68 ± 0,47b 1:9 61,07 ± 0,64a : 10 61,38 ± 0,22a Tuy nhiên, dựa vào kết phân tích phương sai ANOVA one – way, hiệu suất trích ly 5-HMF tỉ lệ sản phẩm thô:diethyl ether 1:09 (v:v), 1:10v(v:v) 61,07%, 61,38% có tăng nhẹ mức cao nhất, khơng có sai khác mang ý nghĩa thống kê Trong đó, hiệu suất trích ly thu tỉ lệ 1:04 (v:v) đến 1:09 (v:v) có khác biệt hồn tồn xét mặt thống kê Vì vậy, chọn tỉ lệ sản phẩm thơ:diethyl ether cho hiệu suất trích ly tối ưu 1:09 (v:v), tương ứng với hiệu suất trích ly thu 61,07 ± 0,64% độ tinh khiết 75,56 ± 3,67% nhằm tiết kiệm dung mơi trích ly, tăng hiệu kinh tế SVTH: Võ Thị Hoàng Yến GVHD: ThS Bùi Viết Cường 42 Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) kết hợp nhiệt xúc tác HCl 3.5 Đề xuất qui trình thu nhận 5-HMF Từ kết thí nghiệm, qui trình thu nhận 5-HMF với phản ứng chuyển hóa sucrose kết hợp nhiệt xúc tác HCl đề xuất sơ đồ hình 3.8 Theo đó, diethyl ether sau sấy bay hết 35°C để thu nhận 5-HMF, đưa qua hệ thống ngưng tụ, với mục đích thu hồi tiếp tục sử dụng làm dung mơi trích ly nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất, tăng hiệu kinh tế áp dụng vào thực tế sản xuất Sucrose Hịa trộn (1:6,64;w:v) Phản ứng chuyển hóa 200°C; 17,4 phút Dung dịch HCl 1,81 M Trích ly sản phẩm thơ:diethyl ether, 1:09,v:v Tách dung mơi trích ly (35°C) Ngưng tụ Diethyl ether 5-HMF Hình 3.8 Sơ đồ qui trình thu nhận 5-HMF SVTH: Võ Thị Hồng Yến GVHD: ThS Bùi Viết Cường 43 Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) kết hợp nhiệt xúc tác HCl KẾT LUẬN Nghiên cứu xây dựng thành cơng mơ hình tốn học mô tả ảnh hưởng yếu tố, tượng tác yếu tố đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF có dạng: H = 238,523 + 10,970T + 248,784C - 7,343R - 0,555TC - 0,158TR + 8,330CR - 0,258T2 81,507C2 - 0,428R2 ; đó, T: Thời gian phản ứng (phút), C: Nồng độ xúc tác HCl (M), R: Tỉ lệ thể tích xúc tác HCl:sucrose (mL:g) Từ đó, nghiên cứu xác định điều kiện tối ưu cho q trình chuyển hóa sucrose thành 5-HMF kết hợp nhiệt xúc tác HCl thời gian phản ứng 17,4 (phút); nồng độ xúc tác HCl 1,81 (M) tỉ lệ thể tích xúc tác HCl:sucrose 6,64:1 (mL:g) Điều kiện phản ứng tối ưu phù hợp lý thuyết phản ứng caramel Với điều kiện phản ứng tối ưu, hiệu suất chuyển hóa 5HMF đạt giá trị lớn Hmax = 56,23 ± 2,52% Bên cạnh đó, nghiên cứu tiến hành tinh chế hợp chất 5-HMF phương pháp trích ly với dung mơi diethyl ether cho hiệu suất trích ly đạt giá trị cao 61,067 ± 0,645% độ tinh khiết 5-HMF 75,56 ± 3,67% tương ứng với tỉ lệ sản phẩm thô:diethyl ether 1:09 (v:v) Nghiên cứu cung cấp thông tin quan trọng cho nghiên cứu hợp chất 5-HMF tiến tới sản xuất qui mơ lớn SVTH: Võ Thị Hồng Yến GVHD: ThS Bùi Viết Cường 44 Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) kết hợp nhiệt xúc tác HCl KIẾN NGHỊ Từ kết thu trình nghiên cứu cho phép đề xuất số kiến nghị hướng nghiên cứu sau: Tiếp tục thực tinh chế hợp chất 5-HMF phương pháp kết tinh để thu chế phẩm 5-HMF có độ tinh khiết cao Đề xuất xây dựng quy trình sản xuất 5-HMF quy mô pilot trước đưa sản xuất quy mô công nghiệp SVTH: Võ Thị Hoàng Yến GVHD: ThS Bùi Viết Cường 45 Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) kết hợp nhiệt xúc tác HCl TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu nước [1] van Putten, R.-J., et al., Hydroxymethylfurfural, a versatile platform chemical made from renewable resources Chemical reviews, 2013 113(3): p 1499-1597 [2] Kowalski, S., et al., 5-Hydroxymethyl-2-Furfural (HMF)–Heat-induced formation, occurrence in food and biotransformation–a Review Polish Journal of Food and Nutrition Sciences, 2013 63(4): p 207-225 [3] van Putten, R.-J., Experimental and modelling studies on the synthesis of 5hydroxymethylfurfural from sugars 2015: University of Groningen [4] Huber, G.W., S Iborra, and A Corma, Synthesis of transportation fuels from biomass: chemistry, catalysts, and engineering Chemical reviews, 2006 106(9): p 4044-4098 [5] Lewkowski, J., Synthesis, chemistry and applications of 5-hydroxymethylfurfural and its derivatives 2001 [6] Mori, Y., et al., Polymerization and Characterization of a Bio-Based Vinyl Polymer Based on 5-Hydroxymethylfurfural Including a Benzoyl Group as a Side Chain Journal of Fiber Science and Technology, 2017 73(10): p 270-275 [7] Abdulmalik, O., et al., 5‐hydroxymethyl‐2‐furfural modifies intracellular sickle haemoglobin and inhibits sickling of red blood cells British journal of haematology, 2005 128(4): p 552-561 [8] Gao, W., et al., Efficient one-pot synthesis of 5-chloromethylfurfural (CMF) from carbohydrates in mild biphasic systems Molecules, 2013 18(7): p 7675-7685 [9] Simpson, T and J Ivey, Neonate with cardiac issues Pediatr Nurs, 2006 32(6): p 566-7 [10] Stanisław Kowalski, et al., 5-Hydroxymethyl-2-Furfural (HMF) – Heat-Induced Formation, Occurrence in Food and Biotransformation – a Review 2013 [11] Xinli Tong, Y.M., Yongdan Li,, Biomass into chemicals: Conversion of sugars to furan derivatives by catalytic processes 2010 [12] Yomaira J Pagán-Torres, T.W., et al., Production of 5-Hydroxymethylfurfural from Glucose Using a Combination of Lewis and Brønsted Acid Catalysts in Water in a Biphasic Reactor with an Alkylphenol Solvent 2012 [13] van Putten, R.-J., Experimental and modelling studies on the synthesis of 5hydroxymethylfurfural from sugars 2015 [14] Zaldivar J., M.A., Ingram L.O,, Effect of selected aldehydes on the growth and fermentation of ethanologenic Escherichiacoli 1999 [15] Abdulmalik, O.S., MK; Chen, Q; Yang, J; Brugnara, C; Ohene-Frempong, K; Abraham, DJ; Asakura, T ,, 5-hydroxymethyl-2-furfural modifies intracellular sickle haemoglobin and inhibits sickling of red blood cells British journal of haematology,128(4): 552–61, 2005 SVTH: Võ Thị Hoàng Yến GVHD: ThS Bùi Viết Cường 46 Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) kết hợp nhiệt xúc tác HCl [16] Li Yong-xin, et al., In Vitro Antioxidant Activity of 5-HMF Isolated from Marine Red Alga Laurencia undulata in Free Radical Mediated Oxidative Systems 2009 [17] Liu Yang, et al., Advances in Production of 5-Hydroxymethylfurfural from Starch 2010 [18] Van Putten “ Experimental and modelling studies on the synthesis of 5hydroxymethylfurfural from sugars” [19] Miller, D.D., Food chemistry: a laboratory manual 1998: Wiley [20] Jarosław Lewkowski, Synthesis, chemistry and applications of 5hydroxymethylfurfural and its derivatives 2001 [24] Andreia A Rosatella, a.S.P.S., a Raquel F M Fradea and Carlos A M Afonso “5-Hydroxymethylfurfural (HMF) as a building block platform: Biological and s.a.s.a properties, Green Chem, 13, 754, 2011 [25] S Wu, H.F., Y Xie, Y Cheng, Q Wang, Z Zhang and B Han, Green Chem, Vol 12, pp 1215–1219, 2010 [26] Cuong Viet Bui, W.S., T.W Wareepat Tiyabhorn, and Natthaphat Limpraditthanont and Siwarutt Boonyarattanakalin, Conversion of jerusalem artichoke tuber powder into fructooligosaccharides, fructose, and glucose by a combination of microwave heating and hcl as a catalyst 2016 [27] F.A.O and W.H.O., C.A.-G.S.f.F.A., Food and Agriculture Organization of the United Nations and World Heald Organization, Viale delle Terme di Caracalla, 00153 Rome, Italy,, 2015 [28] F N D C Gomes, L.R.P., N F P Ribeiro and M M V M Souza,, Production of 5-hydroxymethylfurfural (hmf) via fructose dehydration: Effect of solvent and saltingout 2013 [29] Andreia A Rosatella, et al., 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) as a building block platform: Biological properties, synthesis and synthetic applications 2011 [30] Zangeneh, N., et al Application of response surface methodology in numerical geotechnical analysis in Proceedings 55th Canadian Geotechnical Conference, Niagara Falls, Canada 2002 [31] Lenth, R.V., Response-Surface Methods in R, using rsm Journal of Statistical Software, 2009 32(7): p 1-17 [32] Rguig, M., Méthodologie des surfaces de réponse pour l’analyse en fiabilité des plates-formes pétrolières offshore fissurées 2005, Université de Nantes Faculté des sciences et des techniques [33] Ferreira, S.C., et al., Box-Behnken design: an alternative for the optimization of analytical methods Analytica chimica acta, 2007 597(2): p 179-186 [34] Asghar, A., et al., A comparison of central composite design and Taguchi method for optimizing Fenton process The Scientific World Journal, 2014 2014 [37] Román-Leshkov, Y and J.A Dumesic, Solvent effects on fructose dehydration to 5-hydroxymethylfurfural in biphasic systems saturated with inorganic salts Topics in Catalysis, 2009 52(3): p 297-303 [38] Daorattanachai, P., et al., Conversion of fructose, glucose, and cellulose to 5hydroxymethylfurfural by alkaline earth phosphate catalysts in hot compressed water Carbohydrate research, 2012 363: p 58-61 SVTH: Võ Thị Hoàng Yến GVHD: ThS Bùi Viết Cường 47 Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) kết hợp nhiệt xúc tỏc HCl [39] Mendonỗa, A., et al., Optimization of production of 5-hydroxymethylfurfural from glucose in a water: acetone biphasic system Brazilian Journal of Chemical Engineering, 2015 32(2): p 501-508 [40] Song, Y., et al., Efficient dehydration of fructose to 5-hydroxy-methylfurfural catalyzed by heteropolyacid salts Catalysts, 2016 6(4): p 49 [41] Jadhav, A.H., H Kim, and I.T Hwang, An efficient and heterogeneous recyclable silicotungstic acid with modified acid sites as a catalyst for conversion of fructose and sucrose into 5-hydroxymethylfurfural in superheated water Bioresource technology, 2013 132: p 342-350 [42] Qu, Y., et al., Efficient dehydration of fructose to 5-hydroxymethylfurfural catalyzed by a recyclable sulfonated organic heteropolyacid salt Bioresource technology, 2012 106: p 170-172 [43] Montgomery, D.C and G.C Runger, Applied statistics and probability for engineers 2010: John Wiley & Sons [45] Kumar, M., et al., Statistical optimization of physical parameters for enhanced bacteriocin production by L casei Biotechnology and bioprocess engineering, 2012 17(3): p 606-616 [46] Chen, J., et al., Optimization of hydrolysis conditions for the production of glucomanno-oligosaccharides from konjac using β-mannanase by response surface methodology Carbohydrate polymers, 2013 93(1): p 81-88 [47] Bui, C.V., et al., Conversion of konjac powder into glucomannanoligosaccharides, mannose, and glucose by hydrolysis facilitated by microwave heating and HCl catalyst วารสาร วิชาการ เทคโนโลยี อุตสาหกรรม (The Journal of Industrial Technology), 2016 12(2): p 45-61 [48] Bui, C.V., et al., Conversion of Jerusalem Artichoke Tuber Powder into Fructooligosaccharides, Fructose, and Glucose by a Combination of Microwave Heating and HCl as a Catalyst Science & Technology Asia, 2016 21(3): p 31-45 [49] Guo, X., X Zou, and M Sun, Optimization of extraction process by response surface methodology and preliminary characterization of polysaccharides from Phellinus igniarius Carbohydrate Polymers, 2010 80(2): p 344-349 [50] Yemiş, O and G Mazza, Optimization of furfural and 5-hydroxymethylfurfural production from wheat straw by a microwave-assisted process Bioresource technology, 2012 109: p 215-223 [51] Hu, S., et al., Conversion of fructose to 5-hydroxymethylfurfural using ionic liquids prepared from renewable materials Green Chemistry, 2008 10(12): p 12801283 Tài liệu tiếng Việt [21] Trương Thị Minh Hạnh, Giáo trình cơng nghệ chế biến đường bánh kẹo, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 2017 [22] TCVN 9041:2012, ISO 7466:1986, Cục An toàn vệ sinh thực phẩm,Bộ Y tế [35] Hiền, D.T., Nghiên cứu chuyển hóa glucose thành 5-hydroxylmethylfurfuran (HMF) hỗn hợp xúc tác Amberlyst hydrotanxit 2015 SVTH: Võ Thị Hoàng Yến GVHD: ThS Bùi Viết Cường 48 Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) kết hợp nhiệt xúc tác HCl [36] Bùi, V.C., et al., Nghiên cứu chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2Furfuraldehyde kết hợp nhiệt xúc tác HCI 2017 [44] Cảnh, N., Qui hoạch thực nghiệm 1993: Nhà xuất Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Tài liệu internet [23] https://support.minitab.com/en-us/minitab/18/help-and-how-to/modelingstatistics/doe/supporting-topics/response-surface-designs/response-surface-centralcomposite-and-box-behnken-designs/ (Truy cập tháng năm 2018) SVTH: Võ Thị Hoàng Yến GVHD: ThS Bùi Viết Cường 49 PHỤ LỤC SẮC KÍ ĐỒ CỦA MẪU PHÂN TÍCH Hình 4.1 Sắc kí đồ sản phẩm thô thu sau phản ứng chuyển hóa 5-HMF ( nhiệt độ 200ºC, T=10 phút, [HCl]= M, R=10:1 mL:g) Phụ lục PHỤ LỤC KẾT QUẢ XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN 5-HMF Bảng 1.1 Số liệu kết xây dựng đường chuẩn 5-HMF Nồng độ (µg/mL) Giá trị (%) Giá trị (%) Giá trị (%) Trung bình 0 0 51,60 50,54 52,74 51,63 ± 1,10 110,86 105,86 99,39 105,37 ± 5,75 236,93 236,99 209,46 227,79 ± 15,88 336,20 332,85 314,73 327,93 ± 11,55 417,88 431,60 379,29 409,59 ± 27,12 10 y = 0,0188x R² = 0,9958 Nồng độ (µg/mL) 0 50 100 150 200 250 300 Diện tích peak (mAu.s) Hình 3.1 Đồ thị đường chuẩn 5-HMF Phụ lục 350 400 450 PHỤ LỤC KẾT QUẢ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM TỐI ƯU HĨA Bảng 2.1 Số liệu kết thực nghiệm tối ưu hóa TT T (phút) C (M) R (mL:g) H1 (%) H2 (%) H3 (%) Trung bình 1,8 8:1 14,00 11,30 8,86 11,39 ± 2,57 15 1,8 8:1 44,65 49,69 49,69 48,01 ± 2,91 2,2 8:1 10,92 10,44 10,92 10,76 ± 0,28 15 2,2 8:1 36,04 38,3 35,20 36,51 ± 1,60 5 1,8 12:1 4,67 4,67 3,35 4,23 ± 0,76 15 1,8 12:1 23,89 28,13 25,63 25,88 ± 2,13 2,2 12:1 8,62 6,91 9,32 8,28 ± 1,24 15 2,2 12:1 37,67 37,63 33,79 36,36 ± 2,23 1,59 10:1 0,95 0,95 0,92 0,94 ± 0,02 10 18,41 10:1 61,07 61,60 61,6 61,42 ± 0,31 11 10 1,66 10:1 40,39 40,40 40,39 40,39 ± 0,01 12 10 2,34 10:1 33,67 42,83 42,83 39,78 ± 5,29 13 10 6,64:1 43,06 38,97 43,06 41,70 ± 2,36 14 10 13,36:1 49,06 46,31 46,31 47,23 ± 1,59 15 10 10:1 42,15 41,65 42,73 42,18 ± 0,54 16 10 10:1 45,29 44,57 44,49 44,78 ± 0,44 17 10 10:1 32,83 33,96 36,69 34,49 ± 1,98 18 10 10:1 43,13 40,15 40,57 41,28 ± 1,61 19 10 10:1 39,54 38,76 40,08 39,46 ± 0,66 20 10 10:1 35,89 35,63 39,80 37,11 ± 2,34 Phụ lục PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TINH CHẾ 5-HMF Bảng 3.1 Số liệu kết hiệu suất trích ly đo HPLC Tỉ lệ sản phẩm thô:diethyl ether Giá trị (%) Giá trị (%) Giá trị (%) Trung bình : 04 35,44 35,79 36,56 35,93 ± 0,57 : 05 42,57 39,93 40,6 41,03 ± 1,37 : 06 47,64 46,1 42,12 45,29 ± 2,85 : 07 51,65 51,41 51,69 51,58 ± 0,15 : 08 56,22 55,49 55,34 55,68 ± 0,47 : 09 60,35 61,6 61,25 61,07 ± 0,64 : 10 61,50 61,52 61,13 61,38 ± 0,22 Bảng 3.1 Số liệu kết độ tinh khiết 5-HMF sau tinh chế Phụ lục Tỉ lệ sản phẩm thô:diethyl ether Giá trị (%) Giá trị (%) Giá trị (%) Trung bình : 04 74,4 76,00 77,66 76,02 ± 1,63 : 05 76,59 72,67 73,92 74,39 ± 2,00 : 06 75,01 73,42 76,68 75,04 ± 1,63 : 07 72,28 72,78 72,78 72,61 ± 0,29 : 08 78,56 78,56 78,36 78,49 ± 0,12 : 09 77,27 71,35 78,06 75,56 ± 3,67 : 10 77,46 71,25 77,90 75,54 ± 3,72 ... Tên đề tài: Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5- Hydroxymethyl- 2- furfuraldehyde (5- HMF) kết hợp nhiệt xúc tác HCl Sinh viên... dụng để tối ưu hóa yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5HMF kết hợp nhiệt xúc tác HCl với hàm mục tiêu hiệu suất chuyển hóa 5- HMF (H, %) Hàm lượng 5- HMF xác định phương pháp. .. cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5- Hydroxymethyl- 2- furfuraldehyde (5- HMF) kết hợp nhiệt xúc tác HCl Hình 1 .2 Các sản phẩm phản ứng este hóa nhóm hydroxymethyl (-CH2OH) • Phản ứng