6. Bố cục luận văn
1.3.2. Vật liệu hyđrogel
Hyđrogel được định nghĩa là các polyme ưa nước có cấu trúc không gian ba chiều, có khả năng trương trong nước mà không tan. Trên quan điểm về tính chất
lưu biến, hyđrogel được định nghĩa là polyme khâu mạch có tính chất nhớt đàn hồi hoặc đàn hồi thuần túy. Khả năng trương của hyđrogel rất lớn, chúng có thể hấp thụ lượng nước lớn gấp hàng nghìn lần khối lượng khô của chúng [31].
a) Tính chất của hyđrogel
Hyđrogel từ vật liệu polyme có khả năng trương trong nước. Khả năng trương này dưới những điều kiện sinh học khiến hyđrogel trở thành vật liệu lí tưởng sử dụng trong vận chuyển thuốc, cố định protein, peptit cũng như các hợp chất sinh học khác. Do có hàm lượng nước cao nên các hyđrogel này giống tế bào sống tự nhiên hơn bất kì vật liệu sinh học tổng hợp nào khác [31]. Hyđrogel có cấu trúc mạng không gian 3 chiều được khâu mạch vật lí (rối, tinh thể) hoặc hóa học (điểm nút, mối nối). Cấu trúc khâu mạch không gian cho phép cố định các tác nhân hoạt động hay các phân tử sinh học một cách hiệu quả và cho phép giải phóng chúng theo một cách riêng. Do khả năng tương hợp sinh học của hyđrogel nên chúng có nhiều ứng dụng khác nhau trong y sinh.
* Tính chất đàn hồi
Hyđrogel có thể thực hiện một lực đàn hồi giống như cao su là vật liệu với ứng suất gần như ngay lập tức và biến dạng là hoàn toàn thuận nghịch. Hyđrogel cũng thể hiện các đặc tính tương tự trong trạng thái trương nở.
* Tính chất đàn hồi nhớt
Hyđrogel không chỉ có tính đàn hồi bình thường mà còn có tính đàn hồi nhớt. Đây là một thuộc tính tự nhiên của loại vật liệu vừa có tính rắn vừa có tính lỏng. Lý thuyết đàn hồi nhớt xem xét mối quan hệ giữa tính đàn hồi, dòng chảy và chuyển động phân tử trong các vật liệu polyme. Do kích thước phân tử lớn, mà đáp ứng đàn hồi nhớt của vật liệu polyme phụ thuộc mạnh vào bản chất chuyển động của phân tử khi chịu tác động cơ học bên ngoài. Vì thế, sự phụ thuộc thời gian cũng như độ lớn của ứng suất tác động hoặc biến dạng, có ý nghĩa quan trọng trong việc tiên đoán các đáp ứng cơ học của vật liệu cho các ứng dụng cụ thể [31].
* Tính chất trương và nhả trương
Khả năng trương của một hyđrogel có thể được xác định là khoảng không gian bên trong mạng hyđrogel có sẵn để chứa nước. Tuy nhiên, nền tảng cơ bản để xác định hyđrogel trương bắt đầu với các lực tương tác polyme-nước. Về cơ bản, polyme càng có cấu trúc ưa nước, tương tác polyme-nước càng mạnh. Hyđrogel với nhiều nhóm chức ưa nước trương lên trong nước như là một kết quả điển hình của lực tương tác polyme-nước. Nếu cấu trúc hyđrogel chứa các nhóm ion, sự thẩm thấu hình thành bởi các lực kháng ion do sự khác biệt về nồng độ ion trong hyđrogel và dung dịch bên ngoài. Sự khác nhau về nồng độ ion càng lớn, áp suất thẩm thấu càng cao. Nguồn của các ion trong hyđrogel là sự ion hóa đồng thời của các nhóm ion gắn trên mạch chính; theo đó, nếu các chuỗi trục polyme chính mang điện tích âm hoặc điện tích dương thì các hyđrogel được gọi tương ứng là các hyđrogel anion hoặc cation. Các điện tích ion trong trục polyme chính đẩy nhau khi ở trong dung dịch nước sẽ tạo ra không gian đáng kể cho sự hấp thụ nước [31].
b) Ứng dụng
Hyđrogel, đặc biệt là hyđrogel thông minh nhạy với môi trường có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong nông nghiệp, công nghệ sinh học và y tế...
* Trong nông nghiệp
Hyđrogel có thể làm giảm tỉ lệ chết và giảm công sức chăm sóc đối với thực vật do hyđrogel hấp thụ nước rất tốt, có thể dự trữ một lượng nước rất lớn trong một thời gian dài, hơn nữa việc giữ nước này còn có ý nghĩa quan trọng trong việc trồng cây ở những vùng khô hạn, vận chuyển cây đi xa, các hyđrogel siêu hấp thụ nước còn có khả năng cải tạo đất trồng. Hyđrogel làm tăng quá trình lưu thông và thoát nước do nó làm gãy một phần cấu trúc của đất sét nặng khi trương. Ngoài ra hyđrogel cũng có thể trương lên cực đại để nhằm mục đích giữ nước hoặc thoát nước nhanh chóng.
* Trong y học
Hyđrogel cũng được ứng dụng trong nhiều phương pháp quan trọng dẫn thuốc vào cơ thể người như dẫn thuốc qua miệng, đường tiêu hóa, dẫn thuốc chữa da và qua da. Fang J.Y. và các đồng sự đã phát triển các hyđrogel cationic với tính chất trương và nhả thuốc nhạy pH để vận chuyển kháng sinh trong môi trường axit của dạ dày [31]. Trong khi vùng ruột kết cũng được coi là vi trí hấp thụ thuốc đối với protein và peptit được đưa qua đường miệng, chủ yếu là do hoạt tính phân giải enzim thấp hơn so với vùng ruột non. Nhiều hyđrogel đang được nghiên cứu dưới dạng những hệ tiềm năng để vận chuyển thuốc hướng đích tại ruột kết.
Do tính chất giữa nước và hấp thụ nước tốt mà hyđrogel cũng có thể được sử dụng để nhuộm màu bằng dung dịch chất màu anthocyanin trong nghiên cứu này, khả năng hấp thụ tốt sẽ lưu giữ tốt sẽ cho hàm lượng anthocyanin được giữa lại trên vật liệu nhiều hơn.
1.4. Phƣơng pháp nhuộm cho vật liệu nền [32] 1.4.1. Giới thiệu các phƣơng pháp nhuộm
Quá trình nhuộm được thực hiện sao cho phân bố đều thuốc nhuộm trên mặt vật liệu, trong đó xảy ra sự khuếch tán của phân tử thuốc nhuộm vào bên trong vật liệu để tạo cho vật liệu có màu sắc mong muốn. Mục tiêu của quá trình nhuộm là làm cho các phân tử chất nhuộm gắn chặt vào vật liệu. Có các phương pháp đưa thuốc nhuộm vào trong hoặc lên trên bề mặt vật liệu như sau:
Nhuộm gián đoạn (tận trích)
Nhuộm bán liên tục
Nhuộm liên tục
Hiện nay có rất nhiều kiểu thiết bị dùng để nhuộm vật liệu dệt như máy Jigger, Jet, Thics, Baths... Quá trình nhuộm là quá trình kỹ thuật được hình thành bởi các yếu tố: vật liệu nhuộm, thuốc nhuộm, nhiệt độ nhuộm, các chất phụ trợ, áp suất, dung tỷ, thiết bị và phương pháp nhuộm. Mỗi loại vật liệu sẽ sử dụng một quy trình
và các thiết bị phù hợp riêng tối ưu cho chúng. Trong nghiên cứu này tôi lựa chọn phương pháp nhuộm tận trích cho các vật liệu nền trong môi trường kiềm và sử dụng máy nhuộm Baths để nhuộm vì phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện, chất lượng quá trình nhuộm khá tốt.
1.4.2. Phƣơng pháp nhuộm tận trích
Nhuộm tận trích là phương pháp khuếch tán thuốc nhuộm đã hoà tan vào trong vật liệu. Chủ yếu bằng quá trình chuyển dịch cân bằng nồng độ từ dung dịch nhuộm vào xơ, thông qua các quá trình nhiệt động học. Thuốc nhuộm sẽ chuyển dịch từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp. Trong phương pháp này vật liệu nằm trong dung dịch trong suốt quá trình nhuộm, nhờ vậy mà chất màu có trong dung dịch nhuộm được đưa lên vật liệu đồng thời thực hiện các liên kết với vật liệu để gắn màu cho vật liệu.
Quy trình nhuộm tận trích có thể chia thành 3 giai đoạn:
Giai đoạn nhuộm (tận trích và hấp phụ): Giai đoạn này diễn ra sự khuếch tán của thuốc nhuộm vào trong sợi vải.
Giai đoạn cân bằng: Là giai đoạn mà khi đó nồng độ thuốc nhuộm trên sợi vải đạt đến gần hiệu suất thuốc nhuộm.
Giai đoạn gắn màu thuốc nhuộm: Khi quá trình nhuộm đã ở trạng thái cân bằng, thuốc nhuộm thường đứng yên ở vùng ngoài của sợi vải.
Phương pháp này áp dụng trong cả quy mô công nghiệp và thủ công, ứng dụng cho hầu hết các loại vật liệu và các loại thuốc nhuộm do đơn giản, dễ thực hiện và yêu cầu kỹ thuật không cao. Các thiết bị sử dụng trong phương pháp này như: Jigger, Beam, Baths – HHS6,...
1.5. Tiểu kết phần tổng quan
Qua nội dung nghiên cứu tổng quan có thể rút ra một số kết luận như sau: 1. Trong các hợp chất tự nhiên, anthocyanin, thuộc nhóm flavonoid, có nhiều đặc tính sinh học quý như khả năng chống oxi hóa, bảo vệ tim mạch, chống viêm, hạn chế sự phát triển của các tế bào ung thư... Hơn nữa, hợp chất này còn mang màu sắc đẹp (màu đỏ, tím hoặc màu xanh) nên thường được dùng làm chất tạo màu an toàn cho thực phẩm, mỹ phẩm và sản phẩm dệt. Anthocyanin có trong nhiều loại thực vật với hàm lượng và thành phần khác nhau tùy thuộc vào loài, giống và môi trường sinh trưởng. Bắp cải tím là một trong những nguồn chứa hàm lượng anthocyanin cao với 24 hợp chất đã được phân lập, chủ yếu là cyanidin-3,5- diglucoside, cyanidin-3-sophoroside-5-glucoside và các dạng acrylat hóa khác.
2. Do chất màu anthocyanin kém bền với tác động của môi trường như pH, ánh sáng, nhiệt độ, oxy, ion kim loại... nên có nhiều phương pháp được áp dụng để chiết tách hợp chất này. Trong đó, phương pháp chiết có sử dụng dung môi hữu cơ như axeton, clorofom và ancol được dùng phổ biến hơn. Khi chiết trong ancol, một lượng nhỏ axit khoáng hoặc axit hữu cơ được thêm vào để phá vỡ thành tế bào thực vật, nơi chứa các hợp chất anthocyanin. Một phương pháp chiết hiện đại được áp dụng để chiết tách các hợp chất thiên nhiên là sử dụng sự trợ giúp của sóng siêu âm cho hiệu quả tốt, ít tốn kém và dễ dàng thực hiên.
3. Các vật liệu nền được sử dụng để nhuộm màu anthocyanin trong nghiên cứu bao gồm màng xơ xenlulo, màng xenlophan, màng hyđrogel. Trong đó, màng xơ xenlulo và màng xenlophan có cấu tạo từ vật liện xenlulo và màng hyđrogel có cấu tạo từ các polyme ưa nước. Hyđrogel có khả năng trương nở trong nước và hấp phụ các hoạt chất sinh học, hợp chất mang màu nên được ứng dụng nhiều trong y sinh.
4. Để nhuộm cho các vật liêu trên, một số phương pháp nhuộm bao gồm:
Nhuộm gián đoạn (tận trích)
Nhuộm bán liên tục
Nhuộm liên tục
CHƢƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Thu được chất màu chiết tách từ bắp cải tím (RC).
Sử dụng chất màu chiết tách được làm chất chỉ thị cho vật liệu cảm biến pH.
2.2. Nội dung nghiên cứu
Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, thời gian, dung tỉ đến hiệu suất chiết tách.
Sử dụng phần mềm Design Expert 9 để tối ưu hóa hiệu suất chiết theo phương pháp bề mặt đáp ứng (Response surface methodology, RSM)
Đánh giá khả năng chỉ thị pH thông qua sự thay đổi màu sắc của chất màu RC.
Chế tạo vật liệu cảm biến pH bằng cách nhuộm chất màu RC lên các vật liệu nền.
Sử dụng vật liệu cảm biến pH để nhận biết sự phân hủy của một số sản phẩm sữa.
2.3. Đối tƣợng, hóa chất và thiết bị 2.3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Bắp cải tím Xuất xứ Đà Lạt được cung cấp bởi siêu thị VinMart,
Việt Nam.
Màng xơ xenlulo (Giấy lọc)
Macherey-Nagel GmbH & Co.KG. Germany.
Xenlophan Xuất xứ hàng Merck.
Hyđrogel PCA 23-30 Vật liệu được tổng hợp bởi TS. Nguyễn Ngọc Thắng
[33] (Xem phần phụ lục).
Sữa đậu nành Mua tại chợ truyền thống.
2.3.2. Hóa chất
Các hóa chất sử dụng trong quá trình thực nghiệm được trình bày ở bảng 2.1.
STT Tên hóa chất Công thức hóa học Xuất xứ
1 Etanol CH3CH2OH Trung quốc
2 Axit formic HCOOH Trung quốc
3 Amoni hydroxit NH4OH Trung quốc
4 Axit clohydric HCl Trung quốc
5 Kali clorua KCl Trung quốc
6 Kali hydrophtalat KHC8H4O4 Trung quốc
7 Natri hydroxit NaOH Trung quốc
8 Kali dihydro photphat KH2PO4 Trung quốc
9 Kali hydro photphat K2HPO4 Trung quốc
10 Natri hydro cacbonat NaHCO3 Trung quốc
11 Borax Na2B4O7.10H2O Trung quốc
2.3.3. Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm
Máy xay Philips HR2100.
Bể rửa siêu âm: Elmasonic - S70H.
Máy đo mật độ quang phổ UV-VIS (Unico 4802 Double Beam Uv/Vis Spectrophotometer).
Micropipet - BIOHT, dung tích 5-50µ.
Máy sấy chân không (Vaccum oven ADP 300).
Máy cất quay chân không - Hãng BUCHI.
Máy nhuộm BATHS HH-S6.
Một số dụng cụ khác như: ống nghiệm, giấy lọc, cuvet, cốc thủy tinh...
Hình 2.1. Hình ảnh đối tượng nghiên cứu và hóa chất sử dụng.
Bắp cải tím Màng xơ xenlulo Xenlophan
PCA 23-30 Sữa đậu nành Etanol
Amoniac Sữa bò tươi
Micropipet Máy sấy
Hình 2.2. Hình ảnh dụng cụ và thiết bị thí nghiệm.
S70H Elmasonic
Máy nhuộm BATHS HH-S 6
Unico 4802 Double Beam Uv/Vis Spectrophotometer
Máy cất quay chân không
Máy đo độ pH Cân khối lượng
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.4.1. Phƣơng pháp chiết tách chất màu
Chất màu từ bắp cải tím được chiết tách theo hai dạng là chiết trong dung môi (dung môi etanol được axit hóa bởi axit formic) và chiết trong nước để đối chứng rằng chất màu thu được khi chiết trong dung môi không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố hóa chất, nhiệt độ...
Chiết trong nước (Antho-Aq)
Nguyên liệu bắp cải tím được làm sạch, cắt lát và nghiền nhỏ bằng máy xay Philips HR2100. Lấy một lượng khoảng 40g bắp cải tím đã nghiền, chiết lọc lấy dung dịch chất màu. Bảo quản trong tủ lạnh cho quá trình nhuộm màu lên vật liệu.
Chiết trong dung môi (Antho-a)
Nguyên liệu bắp cải tím được làm sạch, cắt lát và nghiền nhỏ bằng máy xay Philips HR2100. Cân lượng xác định bắp cải tím đã nghiền (4.0 g) và tiến hành chiết tách chất màu với 20 ml dung môi etanol đã axit hóa bằng axit fomic 1%, trong bể rửa siêu âm công suất 750W (S70H Elmasonic, Đức). Điều kiện chiết bao gồm nhiệt độ, thời gian và nồng độ etanol được trình bày trong bảng 2.2. Sau khi chiết, dung dịch chất màu được phân tách qua giấy lọc. Một phần dung dịch chiết được đo mật độ quang bằng thiết bị Unico 4802 Double Beam UV/Vis Spectrophotometer để xác định giá trị độ hấp thụ và tìm điều kiện tối ưu. Chiết tách lượng lớn ở điều kiện tối ưu, cất ngay chân không (Buchi Rotavapor R-210) để thu được dung dịch ở dạng cô đặc sau đó trung hòa và bảo quản để sử dụng cho quá trình nhuộm màu lên các vật liệu nền. Quy trình chiết tách chất màu từ bắp cải tím và nhuộm màu cho vật liệu được trình bày trong hình 2.3.
2.4.2. Phƣơng pháp đánh giá và định lƣợng chất màu
Sử dụng phương pháp pH vi sai để xác định hàm lượng anthocyanin. Đây là một phương pháp cho phép xác định hàm lượng anthocyanin trong hỗn hợp chứa anthocyanin không tinh khiết một cách đơn giản, nhanh chóng, chính xác mà hầu hết các công trình nghiên cứu về chiết tách anthocyanin từ thực vật đều dùng phương pháp này để định lượng anthocyanin.
Nguyên tắc của phương pháp: dựa trên sự thay đổi màu và thay đổi độ hấp thụ của anthocyanin theo sự thay đổi của pH. Tại pH = 1, anthocyanin có màu và độ hấp thụ cực đại, tại pH = 4,5 anthocyanin không màu và có độ hấp thụ gần như bằng không.
Nghiền
Dịch chiết Đo UV-Vis
Chiết siêu âm Etanol
Dung dịch cô đặc Cất quay chân không
Chiết mẫu lớn Chiết trong nƣớc
Nhuộm
Lấy một lượng nhỏ chất màu sau chiết đem đi xác định giá trị độ hấp thụ của anthocyanin bằng thiết bị đo quang phổ hấp thụ phân tử UV- Vis. Sử dụng hai dung dịch đệm có pH =1 (KCl + HCl) và pH = 4,5 (KHC8H4O4 + HCl). Độ hấp thụ của anthocyanin trong dịch chiết được xác định ở bước sóng 520 nm và 700 nm. Trong đó, mỗi ống cuvet chứa 2ml dung dịch đệm và 500μl dịch màu chiết, được lấy chuẩn bằng micropipet. Hàm lượng anthocyanin có trong dịch chiết bắp cải tím được quy đổi theo mg C3G/l dịch chiết và tính theo công thức (1) [34].
Ta = A×M×DF×1000/(ε×L), mg/l (1) Trong đó:
A= (Aλmax. pH=1 – A700nm. pH=1) - (Aλmax. pH= 4,5 – A700nm. pH= 4,5)
M: khối lượng phân tử của C3G, g/mol
DF: hệ số pha loãng
ε = 26900: hệ số hấp thụ phân tử, mol-1.cm-1
L: chiều dày cuvet, 1 cm
2.4.3. Lập kế hoạch thực nghiệm
Các thí nghiệm được thiết kế theo mô hình BoxBehnken (BBD- Box-Behnken Design) với ba biến số độc lập (nhiệt độ, thời gian và nồng độ etanol) và hàm mục