5. Cấu trúc luận văn
1.5.1. Nguồn gốc và lịch sử phát triển của cây đậu nành
1.5.1.1. Trên thế giới
Hơn năm ngàn năm trƣớc, các nhà nông Trung Hoa đã khám phá và trồng một loại cây đậu mà sau đó đã trở thành một loại thực phẩm cần thiết cho các dân tộc Á châu và thế giới ngày nay. Cây đậu này đƣợc biết đến là đậu nành, có tên khoa học là
Glycine max, thuộc họ đậu Fabaceae, còn đƣợc gọi là đậu tƣơng, có hàm lƣợng protein cao. Đậu nành là cây thân thảo, hằng năm, thân cây mảnh, cao từ 0,8m đến 0,9m, có lông, cành hƣớng lên phía trên. Thân cây đa số mọc đứng, một số ít thuộc loại nửa đứng. Lá mọc cách, có ba chét hình trái xoan, mũi lá gần nhọn không đều ở gốc. Hoa có màu trắng hay tím xếp thành chùm ở nách cành. Quả thõng, hình lƣỡi liềm, gân bị ép, trên quả có nhiều lông mềm màu vàng, thắt lại giữa các hạt [12, 23].
Đậu nành đƣợc trồng khá phổ biến. Fukuda (1933) và nhiều nhà khoa học đã thống nhất rằng cây đậu nành có nguồn gốc từ vùng Mãn Châu (Trung Quốc), xuất phát từ một loại cây đậu nành dại. Ghi chép đầu tiên về đậu nành đƣợc tìm thấy trong quyển bách khoa toàn thƣ Trung Quốc bao gồm các loại cây trồng đƣợc Hoàng đế Cheng – Nung mô tả vào năm 2838 trƣớc công nguyên. Từ Trung Quốc đậu nành đƣợc lan truyền dần ra khắp thế giới. Theo các nhà nghiên cứu, đậu nành đƣợc đƣa vào Triều Tiên và sau đó là Nhật Bản từ khoảng 200 năm trƣớc công nguyên đến 300 năm sau công nguyên, đến giữa thế kỷ 17 đậu nành đƣợc nhà thực vật học ngƣời Đức Engellbert Caempler đƣa về Châu Âu. Năm 1765, Henry Yonge là ngƣời đầu tiên ở Mỹ trồng đậu nành trong trang trại của mình ở Thunderbolt Georgia. Tuy nhiên, mãi đến đầu những năm 90 của thế kỉ XX đậu nành mới đƣợc trồng phổ biến ở Hoa Kỳ. Sau Chiến tranh thế giới thứ 2, đậu nành phát triển mạnh ở Mỹ, Brazin và Canada. Ở miền Đông Nam Trung Quốc, đậu nành lan truyền sang các nƣớc Đông Nam Á và đƣợc coi là một trong những cây trồng chính của các nƣớc này [24].
Ngày nay, Hoa Kì là quốc gia đứng đầu sản xuất đậu nành, chiếm 50% sản lƣợng trên toàn thế giới, sau đó là Brazin, Trung Quốc, Ấn Độ.
SV: Trần Thị Bảo Quỳnh Trang 20
1.5.1.2. Ở Việt Nam
Do vị trí nƣớc ta nằm sát với Trung Quốc, có sự giao lƣu nhiều mặt từ lâu đời nên cây đậu nành đƣợc biết đến và trồng từ rất sớm, ngay từ thời vua Hùng ông cha ta đã biết trồng cây đậu nành với nhiều loại đậu khác [2].
Từ thế kỉ 13, Lê Quý Đôn đã ghi chép lại trong sách “Vân đài loại ngữ” đậu tƣơng đƣợc trồng ở một số tỉnh vùng Đông Bắc miền Bắc nƣớc ta. Các sản phẩm chính của đậu tƣơng đƣợc nhân dân chế biến phổ biến là: đậu phụ, chao, tƣơng, dầu, sữa, …
Mặc dù có lịch sử phát triển lâu đời nhƣng trải qua thời gian dài, cây đậu nành vẫn chiếm một vị trí khá khiêm tốn trong nền sản xuất nông nghiệp. Năm 1976, diện tích trồng đậu nành cả nƣớc chỉ đạt gần 40 ngàn ha, năng suất 5,2 tạ/ha, sản lƣợng 20,7 ngàn tấn. Năm 1995 có diện tích lớn nhất đạt 121,1 ngàn ha, năng suất 10,3 tạ/ha, sản lƣợng 125,5 ngàn tấn. Hiện nay diện tích trồng đậu nành cả nƣớc khoảng trên dƣới 100 ngàn ha, năng suất khoảng 11 – 12 tạ/ha [26].
Ở nƣớc ta hiện nay có 6 vùng sản xuất đậu nành chính. Theo số liệu năm 1993 vùng Đông Nam Bộ có diện tích trồng lớn nhất với 26,2% diện tích trồng đậu nành cả nƣớc, trung du và miền núi phía Bắc đứng thứ 2 với 24,7%, tiếp theo là đồng bằng sông Hồng với 17,5%, kế đến là đồng bằng sông Cửu Long với 12,4%, hai vùng còn lại trồng đậu nành với tỷ lệ thấp hơn là đồng bằng ven biển miền Trung và Tây Nguyên [26].
Về sản lƣợng, 3 vùng đồng bằng sông Hồng, Đông Nam Bộ, đồng bằng sông Cửu Long chiếm 63,8% sản lƣợng cả nƣớc. Đặc biệt đồng bằng sông Cửu Long với diện tích trồng đậu nành chỉ đứng thứ 4 cả nƣớc nhƣng chiếm tới 20,9% sản lƣợng với năng suất 16 tạ/ha, cao nhất cả nƣớc [26].
1.5.2. Thành phần hóa học của cây đậu nành
Đậu nành là một loại hạt giàu protein, glucid, lipid, muối khoáng và vitamin. Thành phần protein của hạt đậu nành chiếm tỷ lệ khá cao (40%). Protein của đậu nành tốt nhất so với các protein có nguồn gốc thực vật khác. Hàm lƣợng protein trong hạt đậu nành cao hơn hàm lƣợng protein có trong cá, thịt và cao gấp 2 lần so với
SV: Trần Thị Bảo Quỳnh Trang 21 các loại đậu đỗ khác. Protein của đậu nành dễ tiêu hóa hơn thịt và không có các thành phần tạo cholesteron rất tốt cho cơ thể [6].
Trong hạt đậu nành hàm lƣợng dầu chiếm 20% khối lƣợng hạt. Lipit của đậu nành chứa 1 tỉ lệ cao các axit béo chƣa no (60 – 70%) có giá trị dinh dƣỡng cao nhƣ linoleic chiếm 52 – 65%, oleic từ 25 – 36%, linolenolic khoảng 2 – 3% [6].
Muối khoáng và vitamin chiếm khoảng 5% khối lƣợng khô của hạt đậu, trong đó đáng chú ý nhất là canxi, photpho, mangan, kẽm, sắt và nhiều loại vitamin nhƣ B1, B2, E, PP, A, K, C …
Glucid trong đậu nành chiếm 35%, phần lớn là cellulose và hemicellulose và một lƣợng nhỏ lignin.
Bảng 1.4: Thành phần và hàm lƣợng Glucid của hạt đậu nành [6]
Thành phần Hàm lƣợng (%) Cellulose 4 Hemicellulose 15,4 Lignin 0,6 Saccarose 5 Stachiose 3,8 Raffinose 1,1 Các loại đƣờng khác 5,1
Bã đậu nành là một vật liệu lignoxenlulozo, có khả năng tách kim loại nặng hòa tan trong nƣớc.
Lignocellulose là thành phần cấu trúc chính của thực vật thân gỗ và các thực vật khác nhƣ cỏ, lúa, ngô… Thành phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose, hemicellulose và lignin. Cellulose và hemicellulose là các đại phân tử cấu tạo từ các gốc đƣờng khác nhau, trong khi lignin là một polymer dạng vòng đƣợc tổng hợp từ tiền phenylpropanoid. Thành phần cấu tạo và phần trăm của các polymer này là khác nhau giữa các loài.
Các vật liệu lignoxenlulozơ nhƣ mùn cƣa, xơ dừa, vỏ trấu, … đã đƣợc nghiên cứu cho thấy khả năng tách các kim loại nặng hoà tan trong nƣớc nhờ vào cấu trúc nhiều lỗ xốp và thành phần gồm các polyme nhƣ xenluluzo, hemixenlulozo, pectin,
SV: Trần Thị Bảo Quỳnh Trang 22 lignin và protein. Các polime này có thể hấp phụ nhiều ion kim loại chất tan đặc biệt là các ion kim loại hóa trị hai. Các hợp chất polyphenol nhƣ tannin, lignin trong gỗ đƣợc cho là những thành phần hoạt động có thể hấp phụ các kim loại nặng. Reddad (2002) cho rằng các vị trí anionic phenolic trong lignin có ái lực mạnh đối với kim loại nặng. Mykota (1999) cũng chứng tỏ rằng các nhóm acid glacturonic trong peptin là vị trí liên kết mạnh với các cation [10].
Các nhóm hidroxit trên xenlulozơ cũng đóng một vai trò quan trọng trong khả năng trao đổi ion của các lignoxenllulozo. Bản thân các nhóm này có khả năng khả năng trao đổi yếu vì liên kết OH ở đây phân cực không mạnh [11].
Trên thế giới đã có một số nhà khoa học nghiên cứu biến tính bã đậu nành để làm vật liệu xử lí môi trƣờng. Ở nƣớc ta cũng có vài nghiên cứu VLHP chế tạo từ bã đậu nành mà chất hoạt hóa đƣợc sử dụng là axit xitric, axit sunfuric, … Trong đề tài này, VLHP đƣợc chế tạo bằng cách dùng axit xitric để hoạt hóa bã đậu nành. Quá trình hoạt hóa bao gồm các bƣớc ngâm vật liệu trong dung dịch axit xitric sau đó sấy khô, các phân tử axit xitric khi đó sẽ thấm sâu vào các mao quản của vật liệu. Tiếp theo nung ở nhiệt độ khoảng 120C trong 1,5 giờ [13]. Axit xitric đầu tiên sẽ chuyển thành dạng anhydric, tiếp theo là phản ứng ester hóa xảy ra giữa anhydric axit và các nhóm hydroxyl của xenluloza. Tại vị trí phản ứng nhƣ vậy đã xuất hiện hai nhóm chức axit có khả năng trao đổi ion [10].
SV: Trần Thị Bảo Quỳnh Trang 23
Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị
2.1.1. Nguyên liệu
Bã đậu nành đƣợc thu gom từ các tiệm bán sữa đậu nành trong địa bàn thành phố Cần Thơ. 2.1.2. Hóa chất Pb(NO3)2 C4H4O6KNa.4H2O NaOH HNO3 EDTA Axit xitric NH4Cl NH3 NaHCO3 Nƣớc cất ET-OO 2.1.3. Dụng cụ và thiết bị Tủ sấy Mammert UM - 400
Mấy khuấy từ Heidolph Iustruments MR 1000 Máy đo pH Laqua Horiba
Cân Sartorius TE612
Cân 4 số lẻ AND GR - 200 Rây có kích thƣớc 0,5mm Buret 25ml Erlen Becher Bình định mức các loại, pipet, phễu, giấy đo pH, …
2.2. Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ
Bã đậu nành thu về đƣợc rửa nhiều lần cho sạch, sau đó đem phơi khô. Bã đậu nành khô đƣợc nghiền nhỏ, rây lấy kích thƣớc < 0,5mm (bã đậu nành nguyên liệu). Khuấy bã đậu nành với dung dịch NaOH 0,1 M sau đó đem rửa về trung tính bằng nƣớc cất rồi sấy khô ở nhiệt độ 60C. Cân một lƣợng xác định bã đậu nành đã đƣợc sấy khô khuấy với dung dịch axit xitric 0,6 M trong 30 phút, lọc lấy phần bã đem sấy ở nhiệt độ 60C trong vòng 16 giờ rồi tăng lên 120C trong 90 phút. Bã đậu nành sau khi sấy xong đƣợc nghiền nhỏ, rây lấy kích thƣớc < 0,5 mm, rửa sạch với nƣớc cất và ngâm NaHCO3 1% để loại bỏ axit dƣ. Lọc lấy bã rắn, rửa lại bằng nƣớc cất đến trung tính, sau đó sấy bã rắn ở 60C đến khô ta đƣợc VLHP [13, 20].
SV: Trần Thị Bảo Quỳnh Trang 24
Hình 2.1: Bã đậu nành nguyên liệu Hình 2.2: Vật liệu hấp phụ
2.3. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ axit xitric lên quá trình biến tính bã đậu nành nành
Cân chính xác 1 gam VLHP đƣợc hoạt hóa bằng axit xitric có nồng độ lần lƣợt là 0,2 M; 0,4 M; 0,6 M; 0,8 M và 1 M cho vào cốc 100ml.
Thêm vào 50ml dung dịch Pb2+ 0,02 N. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 150 vòng/phút trong 90 phút ở nhiệt độ phòng.
Dùng phễu, xếp giấy lọc để lọc lấy dung dịch sau hấp phụ.
Dùng pipet lấy chính xác 10 ml dung dịch sau hấp phụ đem chuẩn độ bằng phƣơng pháp chuẩn độ tạo phức với thuốc thử EDTA 0,02 N, ghi nhận thể tích (ml) EDTA đã chuẩn độ. Tiến hành chuẩn độ 3 lần, lấy kết quả trung bình, tính nồng độ Pb2+ trong dung dịch sau hấp phụ, từ đó tính độ hấp phụ a (mg/g) của bã đậu nành nguyên liệu và hiệu suất hấp phụ. Mỗi thí nghiệm đƣợc lặp lại 3 lần lấy kết quả trung bình.
2.4. Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ và bã đậu nành nguyên liệu liệu
2.4.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của bã đậu nành nguyên liệu
Cân 1 gam bã đậu nành nguyên liệu cho vào cốc 100 ml.
Thêm vào 50 ml dung dịch Pb2+ 0,02 N. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 150 vòng/phút trong 90 phút ở nhiệt độ phòng.
SV: Trần Thị Bảo Quỳnh Trang 25 Dùng pipet lấy chính xác 10 ml dung dịch sau hấp phụ đem chuẩn độ bằng phƣơng pháp chuẩn độ tạo phức với thuốc thử EDTA 0,02 N, ghi nhận thể tích (ml) EDTA đã chuẩn độ. Tiến hành chuẩn độ 3 lần, lấy kết quả trung bình, tính nồng độ Pb2+ trong dung dịch sau hấp phụ, từ đó tính độ hấp phụ a (mg/g) của bã đậu nành nguyên liệu và hiệu suất hấp phụ. Mỗi thí nghiệm đƣợc lặp lại 3 lần lấy kết quả trung bình.
2.4.2. Khảo sát khả năng hấp phụ của VLHP
Cân chính xác 1,0 gam VLHP cho vào cốc 100 ml.
Thêm vào 50 ml dung dịch Pb2+ 0,02 N. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 150 vòng/phút trong 90 phút ở nhiệt độ phòng.
Dùng phễu, xếp giấy lọc để lọc lấy dung dịch sau hấp phụ.
Dùng pipet lấy chính xác 10 ml dung dịch sau hấp phụ đem chuẩn độ bằng phƣơng pháp chuẩn độ tạo phức với thuốc thử EDTA 0,02 N, ghi nhận thể tích (ml) EDTA đã chuẩn độ. Tiến hành chuẩn độ 3 lần, lấy kết quả trung bình, tính nồng độ Pb2+ trong dung dịch sau hấp phụ, từ đó tính độ hấp phụ a (mg/g) của bã đậu nành nguyên và hiệu suất hấp phụ. Mỗi thí nghiệm đƣợc lặp lại 3 lần lấy kết quả trung bình.
2.5. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng hấp phụ của VLHP 2.5.1. Ảnh hƣởng của thời gian 2.5.1. Ảnh hƣởng của thời gian
Cân chính xác 1 gam VLHP cho vào cốc 100ml.
Thêm vào 50 ml dung dịch Pb2+ 0,02 N. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 150 vòng/phút trong khoảng thời gian lần lƣợt là 5 phút, 15 phút, 30 phút, 45 phút, 60 phút, 75 phút, 90 phút và 120 phút ở nhiệt độ phòng.
Dùng phễu, xếp giấy lọc để lọc lấy dung dịch sau hấp phụ.
Dùng pipet lấy chính xác 10 ml dung dịch sau hấp phụ đem chuẩn độ bằng phƣơng pháp chuẩn độ tạo phức với thuốc thử EDTA 0,02 N, ghi nhận thể tích (ml) EDTA đã chuẩn độ. Tiến hành chuẩn độ 3 lần, lấy kết quả trong bình, tính nồng độ Pb2+ trong dung dịch sau hấp phụ, từ đó tính độ hấp phụ a (mg/g) của bã đậu nành nguyên liệu và hiệu suất hấp phụ Mỗi thí nghiệm đƣợc lặp lại 3 lần lấy kết quả trung bình.
SV: Trần Thị Bảo Quỳnh Trang 26
2.5.2. Ảnh hƣởng của pH
Cân chính xác 1 gam VLHP cho vào cốc 100ml.
Thêm vào 50 ml dung dịch Pb2+ 0,02 N có pH lần lƣợt là 16. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 150 vòng/phút trong 60 phút ở nhiệt độ phòng.
Dùng phễu, xếp giấy lọc để lọc lấy dung dịch sau hấp phụ.
Dùng pipet lấy chính xác 10 ml dung dịch sau hấp phụ đem chuẩn độ bằng phƣơng pháp chuẩn độ tạo phức với thuốc thử EDTA 0,02 N, ghi nhận thể tích (ml) EDTA đã chuẩn độ. Tiến hành chuẩn độ 3 lần, lấy kết quả trong bình, tính nồng độ Pb2+ trong dung dịch sau hấp phụ, từ đó tính độ hấp phụ a (mg/g) của bã đậu nành nguyên liệu và hiệu suất hấp phụ. Mỗi thí nghiệm đƣợc lặp lại 3 lần lấy kết quả trung bình.
2.5.3. Ảnh hƣởng của lƣợng VLHP
Cân lần lƣợt 0,5 gam; 0,8 gam; 1,1 gam; 1,4 gam; 1,7 gam; 2,0 gam và 2,3 gam VLHP cho vào cốc 100ml.
Thêm vào 50 ml dung dịch Pb2+ 0,02 N có pH = 5. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 150 vòng/phút trong 60 phút ở nhiệt độ phòng.
Dùng phễu, xếp giấy lọc để lọc lấy dung dịch sau hấp phụ.
Dùng pipet lấy chính xác 10 ml dung dịch sau hấp phụ đem chuẩn độ bằng phƣơng pháp chuẩn độ tạo phức với thuốc thử EDTA 0,02 N, ghi nhận thể tích (ml) EDTA đã chuẩn độ. Tiến hành chuẩn độ 3 lần, lấy kết quả trung bình, tính nồng độ Pb2+ trong dung dịch sau hấp phụ, từ đó tính độ hấp phụ a (mg/g) của bã đậu nành nguyên liệu và hiệu suất hấp phụ. Mỗi thí nghiệm đƣợc lặp lại 3 lần lấy kết quả trung bình.
2.5.4. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch đầu – cân bằng hấp phụ
Cân 1,7 gam VLHP cho vào cốc 100 ml.
Thêm vào 50 ml dung dịch Pb2+ có các nồng độ đầu lần lƣợt 2,5.10-3 N; 5.10-3 N; 0,01 N; 0,015 N; 0,02 N và 0,03 N ở pH = 5. Tiến hành khuấy trên máy khuấy từ với tốc độ 150 vòng/phút trong 60 phút ở nhiệt độ phòng.
SV: Trần Thị Bảo Quỳnh Trang 27 Dùng phễu, xếp giấy lọc để lọc lấy dung dịch sau hấp phụ.
Dùng pipet lấy chính xác 10 ml dung dịch sau hấp phụ đem chuẩn độ bằng phƣơng pháp chuẩn độ tạo phức với thuốc thử EDTA ở các nồng độ tƣơng ứng, ghi nhận thể tích (ml) EDTA đã chuẩn độ. Tiến hành chuẩn độ 3 lần, lấy kết quả trung bình, tính nồng độ Pb2+ trong dung dịch sau hấp phụ, từ đó tính độ hấp phụ a (mg/g) của bã đậu nành nguyên liệu và hiệu suất hấp phụ. Mỗi thí nghiệm đƣợc lặp lại 3 lần lấy kết quả trung bình.
2.6. Xác định độ hấp phụ cực đại và hằng số cân bằng hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir