Polyme phõn hủy sinh học trờn cơ sở axit lactic

Chương I TỔNG QUAN

1.3. Polyme phõn hủy sinh học trờn cơ sở axit lactic

1.3.1. Axit lactic

Axit lactic là một loại axit tồn tại rất đa dạng trong tự nhiờn, được tỡm thấy ở người, động vật, thực vật và vi sinh vật. Được phỏt hiện vào năm 1780 do nhà hoỏ học người Thụy Điển Sheele tỡm thấy trong sữa chua, axit lactic được thừa nhận là sản phẩm của quỏ trỡnh lờn men vào năm 1847. Chỳng được ứng dụng rộng rói trong thực phẩm, dược phẩm, cụng nghiệp mỹ phẩm... Ngày nay chỳng được sử dụng làm nguyờn liệu để tổng hợp ra polyme cú khả năng phõn hủy sinh học. Để cú thể điều chế axit lactic từ nguồn nguyờn liệu là sản phẩm nụng nghiệp ( tinh bột ngũ cốc, sắn, gạo...), cỏc nhà khoa học thế giới thường sử dụng cụng nghệ lờn men với việc lựa chọn cỏc điều kiện lờn men, đặc biệt là cỏc chủng vi sinh vật thớch hợp.

22

1.3.1.1. Tớnh chất vật lý

Axit lactic ( hay 2- hydroxy propionic acid) là axit cacboxylic tồn tại rất phổ biến trong tự nhiờn. Nhà húa học Thụy Điển Scheele phỏt hiện ra lần đầu tiờn năm 1780, nhưng mói năm 1881 axit lactic mới trở thành sản phẩm thương mại bởi Charles E. Avery at Littleton, Massachusetts của Mỹ. Axit lactic cú chứa một nguyờn tử cacbon bất đối xứng vỡ thế nú tồn tại ở hai dạng đồng phõn quang học: L(+) axit lactic và D(-) axit lactic được biểu diễn bởi cụng thức:

H3C C* H OH COOH HO OH H3C H O O H CH3 OH HO

D axit lactic L axit lactic

Hỡnh 1.12. Cấu tạo cỏc dạng đồng phõn D(-) và L(+) của axit lactic

và dễ bị enol hoỏ, khi đú ta cú hiện tượng tự racemic hoỏ (autoracemisation) nghĩa là từ một đồng phõn D hoặc L sẽ tạo hỗn hợp đồng phõn D và L khi đú sẽ mất hoạt tớnh quang học [2, 52]. H3C C OH COOH H C C OH OH CH3 HO CH3CH(OH)COOH

L( )+ axit lactic enol racemic LA

Hỡnh 1.13. Hiện tượng racemic húa của axit lactic

Anhydrit axit lactic dạng racemic là những tinh thể màu trắng, nhiệt độ núng chảy thấp, từ 1833oC. LA hỳt nước mạnh nờn ta thường thu được LA dạng dung dịch đặc với hàm lượng LA trờn 90%. Dung dịch LA khụng màu, gần như khụng mựi, tan trong nước, etanol, dietyl ete và nhiều dung mụi hữu cơ tan trong nước khỏc. Nú gần như khụng tan trong benzen, clorofom. Một vài tớnh chất vật lý của axit lactic được trỡnh bày trong bảng 1[141].

23

Bảng 1.1. Tớnh chất vật lý của axit lactic

Trọng lượng phõn tử 90,08 gam

Điểm chảy 16,8 oC

Điểm sụi 82 oC ở 0,5 mmHg

122 oC ở 14 mmHg

Hằng số axit, Ka ở 25 oC 1,37x10-4

Nhiệt lượng riờng 1361 KJ/mol

Nhiệt dung riờng đẳng ỏp 190 J/kg oC

1.3.1.2. Tớnh chất hoỏ học

Axit lactic cú đầy đủ cỏc tớnh chất hoỏ học của một axit [2,141]: + Phản ứng trung hoà: CH3 CH COOH OH NaOH OH COONa CH CH3 H2O

+ Phản ứng với oxit bazơ:

CH3 CH COOH OH MgO OH COO)2Mg CH (CH3 H2O 2

+ Phản ứng với một số kim loại: CH3 CH COOH OH Zn OH COO)2Zn CH (CH3 H2 2

+ Phản ứng este hoỏ ở chức axit:

CH3 CH COOH OH CH3OH OH COOCH3 CH CH3 H2O H+

24 CH3 CH COOH OH CH3COOH OCOCH3 COOH CH CH3 H2O H+

Ngoài ra, axit lactic rất dễ tham gia phản ứng este hoỏ tạo hai loại đime là lactoyllactic axit, lactit cũng như tạo thành polyme lactic phõn tử lượng thấp:

CH3CH(OH)COOH 2 CH3CH(OH)COOCH(CH 3)COOH H2O (lactoyllactic axit) O O CH3 CH3 O O H2O (lactit) CH3CH(OH)COOH n H [ CH CH3 C n H2O Sb2O3 to , p xúc tá c p ,o t O O ] n OH

Lactic acid cú thể sản xuất bằng con đường tổng hợp hoỏ học hoặc lờn men cacbonhydrat.

1.3.1.3. Cỏc phương phỏp tổng hợp axit lactic

Trước đõy, phương phỏp sản xuất axit lactic bằng con đường hoỏ học do cỏc nhà khoa học Mỹ phỏt triển được xem là thuận lợi và thụng dụng nhờ yếu tố giỏ thành rẻ thời gian sản xuất nhanh. Tuy nhiờn phương phỏp này cú một nhược điểm lớn là chỉ tạo ra đồng phõn dạng D và D,L lactic, đú là những dạng mà thực tế cơ thể con người khụng hấp thụ được. Bằng phương phỏp lờn men, người ta cú thể lựa chọn được chủng giống chỉ tạo L-axit lactic, hơn nữa nếu giải quyết vấn đề về mụi trường bằng cỏch tận dụng phế thải của cỏc ngành cụng nghiệp gõy ụ nhiễm như cụng nghiệp sản xuất bỏnh kẹo, chế biến cỏc sản phẩm sữa, cụng nghệ sản xuất đường, chế biến nụng lõm sản thụng qua cụng nghệ lờn men,… thỡ tuy là một việc làm nhưng thực hiện hai nhiệm vụ. Qua thực tế đú, hiện nay người ta quan tõm đến phương phỏp vi sinh nhiều hơn. Theo thống kờ gần đõy cho biết hằng năm cú khoảng 80.000 tấn axit lactic được tạo ra bằng cả hai phương phỏp húa học và vi sinh, trong đú 90% Axit lactic được tạo ra bằng phương phỏp vi sinh và phần cũn lại được sản xuất bằng phương phỏp húa học [200].

25

a) Phương phỏp tổng hợp hoỏ học [2,177]:

Cú 4 cỏch sản xuất axit lactic bằng phương phỏp tổng hợp hữu cơ : * Đi từ axetaldehit:

(Axetaldehit xyanhydrin) (Axetaldehit) (axetaldehit xyanhydrin)

* Khử hoỏ 2-oxopropanonic axit bằng hydro mới sinh :

* Thuỷ phõn alpha halogen axit:

Axit alpha- cloropropanonic Axit lactic * Thuỷ phõn lactonitryl bằng HCl :

CH3CH(OH)CN + 2H2O + HCl Axit lactic + NH4Cl CH3CH(OH)CN lấy từ phản ứng axetaldehyd và axit xyanhydric :

HCN + CH3CHO CH3CH(OH)CN 1. H+ 2. Thuỷ phõn (Axit D (-) latic) 1. H+ 2. Thuỷ phõn H C COOH CH3 OH CH3 – C – COOH O CH3 – CH – COOH OH 2H (Axit L(+) latic) HOOC C H CH3 OH CH3 – CH – COOH Cl CH3 – CH – COOH OH HOH H C CN CH3 O (-) CH3 H C H O CN C H O (-) CH3

26

Cỏc phương phỏp này chỉ tạo ra D và D,L lactic vỡ thế người ta ớt sử dụng cỏc sản phẩm này trong sản xuất thực phẩm phục vụ con người hoặc vật nuụi vỡ đõy là những dạng khụng cú giỏ trị dinh dưỡng. Phạm vi chủ yếu sử dụng loại axit lactic tổng hợp hoỏ học này là trong sản xuất tổng hợp polyme, phụ gia cụng nghiệp, mỹ phẩm,…

b) Phương phỏp sử dụng enzyme [2,141]

Đi từ axit 2-clo propionic cú thể tạo ra axit lactic nhờ phản ứng của 1 loại enzyme cú nguồn gốc vi khuẩn là 2 halo axitdehalogenase. Enzyme này tồn tại ở dạng L và D,L 2-halo axitdehalogenase được lấy từ dịch lờn men vi khuẩn

Pseudomna. 2-halo axitdehalogenase phản ứng đặc hiệu với đồng phõn quang học L

của axit 2-clo propionic tạo thành axit D lactic; cũn D,L 2-halo axit dehalogenase xỳc tỏc cho quỏ trỡnh loại halogen của cả hai đồng phõn, khụng phõn biệt D hay L, đồng thời quay cấu hỡnh của phõn tử axit lactic (nếu cơ chất ở dạng D thỡ sau phản ứng sẽ tạo thành Axit lactic dạng L và ngược lại) (Motosugi, 1984).

L- CH3CHXCOOH + H2O D CH3CH(OH)COOH + HX L 2- halo. axit dehalogenase

L(D)- CH3CHXCOOH + H2O D(L) CH3CH(OH)COOH + HX DL 2 halo. axit dehalogenase

c) Phương phỏp sử dụng vi sinh vật [5,52,151]

Trong cỏc phương phỏp sản xuất axit lactic thỡ phương phỏp sử dụng vi sinh vật lờn men tạo axit lactic cú nhiều ưu điểm. Nếu như trước đõy người ta coi phương phỏp tổng hợp hoỏ học chiếm lợi thế hơn về mặt thời gian và số lượng thỡ ngày nay khi đó khắc phục được những hạn chế như hàm lượng axit trong lờn men cú thể đạt mức cao hơn hay đó cú cỏc giải phỏp về tinh chế và thu hồi để hạ thấp chi phớ, phương phỏp sử dụng vi sinh vật trong lờn men lactic đang là mục tiờu hướng tới của nhiều nhà sản xuất.

Sản phẩm của phương phỏp lờn men sử dụng vi khuẩn lactic chỉ tạo ra một loại đồng phõn quang học dạng L(+) duy nhất, nú là dạng mà cơ thể con người cú thể hấp thụ được đồng thời nú cú giỏ trị hơn trong cụng nghiệp, đặc biệt là cụng nghiệp thực phẩm. Nguyờn liệu để sản xuất chủ yếu là từ phế thải của cỏc nhà mỏy sữa và rỉ đường từ cỏc nhà mỏy sản xuất đường từ đường mớa, đường củ cải.

27

Hai nguồn vi sinh vật được sử dụng hiện nay là vi khuẩn và nấm mốc. Theo Prescott & Dunn [5] cỏc nấm mốc thuộc giống Rhizopus, Mucor, Monila là cú khả năng tạo axit lactic. Cỏc loài Rhizopus như R.arrizus và R.ozyzae cú khả năng

chuyển hoỏ tinh bột hay cỏc nguyờn liệu chứa tinh bột thành axit L(+) lactic.

Axit lactic được sinh ra nhờ một số loại vi khuẩn lactic thuộc chi

Lactobacillus và một số chủng Streptococcus qua quỏ trỡnh chuyển húa kị khớ hoặc

vi hiếu khớ của một số loại đường như glucoze, fructoze, mantoze…

d) Ứng dụng của axit lactic

Trong cụng nghiệp thực phẩm, axit lactic được ứng dụng làm chất phụ gia thực phẩm. Axit lactic phản ứng với muối cỏc axit bộo tạo thành muối canxi steroyl- 2-lactylat và natri steroyl lactylat. Cỏc este của axớt bộo, những chất này được tỏch ra sử dụng làm polyme thực phẩm, cải thiện tớnh chất bột nhào hay làm chất chuyển thể trong sữa. Cỏc muối lactat amonium, lactat kali dựng làm chất giữ ẩm, tăng vị và nhũ hoỏ [144].

Trong ngành dược phẩm, axit lactic và cỏc sản phẩm dẫn xuất từ nú được ứng dụng khỏ nhiều điển hỡnh như cỏc muối lactat, cỏc este ở dạng metyl, etyl, hay iso propyllactat được dựng làm chất trung gian để tổng hợp phõn tử chiral, chỳng cũng là thành phần chủ yếu trong dịch truyền bổ sung chất điện giải Ringer lactat được sử dụng rất rộng rói hiện nay [21]. Cỏc muối của axit lactic được ứng dụng trong cụng nghiệp dược phẩm khỏ nhiều: Canxi lactat được chế biến làm thuốc bổ sung canxi dưới dạng dễ hấp thụ cho cơ thể để chữa một số bệnh liờn quan đến thiếu canxi như chảy mỏu, co giật, cũi xương, chậm lớn; Magiờ, sắt lactat dựng làm nguồn bổ sung cho sự thiếu hụt cỏc nguyờn tố khoỏng trong cơ thể, chữa bệnh thiếu mỏu; natri lactat được dựng làm dung dịch tỏch sỏi thận và cỏc thuốc chữa thận ngoài đường tiờu hoỏ [2, 21].

Ngày nay, axit lactic và cỏc polyme cú nguồn gốc từ axit lactic được ứng dụng vào sản xuất cỏc thiết bị y tế như chỉ khõu vết thương, tạo cỏc bộ phận thay thế cho cơ thể con người, cỏc loại thuốc gõy mờ.

Trong ngành mỹ phẩm cỏc muối kali, natri lactat được ứng dụng nhiều nhờ đặc tớnh giữ ẩm của chỳng. Cỏc axyl lactat được điều chế nhờ phản ứng của axit lactic với cỏc axớt bộo như axit carpoic và axit stearic. Người ta ứng dụng nú làm chất nhũ hoỏ, chất ổn định và chất làm đụng trong mỹ phẩm. Axit lactic thuộc nhúm

28

“Alpha hydroxy axit” nờn được dựng để chống cỏc biểu hiện của lóo húa liờn quan đến cấu trỳc của da và túc.

Trong ngành cụng nghiệp, ứng dụng của axit lactic rất đa dạng như tạo mụi trường axit trong xử lý bột mỳ, ứng dụng của axit lactic trong nhuộm màu và cải thiện bề mặt vải hay trong cụng nghiệp thuộc da. Trong phõn tớch hoỏ học thực phẩm, axit lactic được dựng làm chất chỉ thị vi sinh vật để xỏc định vitamin, axit amin. Với việc phỏt hiện ra polyme sinh học người ta cú thể chế tạo cỏc loại nhựa, polyme cú nguồn gốc từ axit lactic với chủng loại đa dạng, bền nhiệt và cú khả năng phõn huỷ sinh học như nhựa, cao su, tỳi gúi, bao bỡ, chất bụi trơn,… thay thế cỏc sản phẩm hiện cú, rất độc hại đối với con người, với hệ sinh thỏi mụi trường [128]. Cỏc este alkyl lactat như etyl, butyl lactat rất tốt để thay thế cho ete glylcol và cỏc dung mụi khỏc và chỳng gần như là khụng độc. Etyl L(+) lactat là chất thay thế cho dung mụi cú độc tớnh dựng để rửa bề mặt kim loại trong ngành cụng nghiệp điện tử, ngành hàng khụng vũ trụ, cụng nghiệp bỏn dẫn. Ngoài ra axit lactic cũn cú mặt trong ngành in ấn, sơn tĩnh điện, nhuộm, hàn kim loại,…

Trong nụng nghiệp, vi khuẩn lactic được ứng dụng để lờn men ủ chua bảo quản thức ăn cho gia sỳc gia cầm, kớch thớch gia cầm ăn nhiều để tăng trọng hay tận dụng đặc tớnh sản sinh khỏng sinh bổ sung vi khuẩn lactic vào trong thức ăn để chống bệnh tiờu chảy ở lợn, bổ sung vi khuẩn lactic vào mụi trường để xử lý nước nuụi tụm trong thuỷ sản, polyme tạo ra từ axit lactic cũn được sử dụng làm chất diệt khuẩn, diệt cụn trựng nấm trong lõm, ngư nghiệp [2,4,153].

Cỏc ứng dụng mới của axit lactic chủ yếu là ở dạng polyme: polylactic axit [144]. Cỏc PLA là cỏc hợp chất cao phõn tử cú khả năng phõn huỷ sinh học, cú khả năng đồng hoỏ sinh học, vỡ thế khi bị thuỷ phõn PLA bị chuyển thành cỏc oligome rồi cỏc mono lactat, vốn rất dễ bị cỏc vi sinh vật cú mặt ngoài tự nhiờn mụi trường phõn huỷ. Polyme cú nguồn gốc từ PLA cú khả năng phõn huỷ sinh học tốt hơn so với cỏc loại polyme cú khả năng phõn huỷ khỏc cú nguồn gốc từ tinh bột và axetat xenlulo. Vỡ thế trong y học người ta sử dụng nú làm chỉ khõu vết thương tự phõn huỷ, cỏc bộ phận cấy ghộp cho con người hay làm tỳi gúi, bao bỡ an toàn trong thực phẩm, sản xuất thuốc diệt cỏ trong nụng nghiệp.

29

1.3.2. Lactit

Lactit cũn gọi là 3,6- dimethyl -1,4 - dioxane - 2,5 -dione, cụng thức chung C6H8O4 trọng lượng phõn tử 144,13, một hợp chất trung gian quan trọng, được sử dụng để tổng hợp polylactit và cỏc sản phẩm copolyme của chỳng cú khối lượng phõn tử cao. Bằng phương phỏp dime húa từ hai phõn tử axit lactic người ta thu được lactit qua phản ứng đúng vũng, hoặc cú thể tổng hợp lactit thụng qua phản ứng khử trựng hợp cỏc oligome và cỏc dẫn xuất khỏc của PLA[84,110]. Trong phõn tử của axit lactic cú một vị trớ cacbon bất đối xứng nờn nú tồn tại hai đồng phõn quang học là (L+) và (D+) axit lactic vỡ vậy chỳng dễ bị enol húa [1,184]. Chớnh vỡ điều này, lactit sản phẩm dime húa đúng vũng của axit lactic tồn tại ở ba dạng đồng phõn là L- lactit, D- lactit và meso -lactit. Tuy nhiờn nếu lactit được tổng hợp từ nguyờn liệu đầu là L-lactit hay D-lactit ( sản phẩm axit lactic lờn men) thỡ sản phẩm thu được hoàn toàn là L-lactit hay D- lactit, cũn nguyờn liệu đầu là hỗn hợp D,L axit lactic thỡ ta thu được hỗn hợp đồng phõn của L- lactit, D- lactit và meso -lactit. Để cú được sản phẩm D-lactit và meso lactit tinh khiết người ta phải tỏch riờng hỗn hợp cỏc đồng phõn ra khỏi nhau. O O O O S S O O O O O O O O S O O O O R R R L LA - D LA- meso LA- Hỡnh 1.14. Cỏc dạng đồng phõn của lactit

Ở điều kiện thường lactit là những tinh thể hỡnh kim, màu trắng nhiệt độ núng chảy của L-lactit trong khoảng 95-98 oC.Trong khi DL-lactit cú nhiệt độ núng chảy trong khoảng 122-126 oC. Khi đun núng trờn nhiệt độ núng chảy, lactit bị thăng hoa một phần đặc biệt là dưới điều kiện ỏp suất thấp [79].

Trong những năm gần đõy người ta biết đến polylactit như là một polyme phõn hủy sinh học cú khả năng thay thế cỏc polyme khú phõn hủy hiện nay. PLA khối lượng phõn tử lớn chỉ thu được thụng qua phản ứng polyme mở vũng lactit. PLA cú cấu trỳc và tớnh chất đa dạng bởi vỡ nú được hỡnh thành từ hỗn hợp cỏc đơn phõn tử lactit. Những nghiờn cứu trước đõy cho thấy để ứng dụng được sản phẩm PLA ngoài phõn tử lượng phải đủ lớn thỡ tỷ lệ đồng phõn L-lactit trong sản phẩm PLA cũng phải cao. Vỡ vậy hỗn hợp sản phẩm lactit thụ cần phải tinh chế và làm sạch

30

trước khi đưa vào phản ứng polyme húa để loại hết hoàn toàn meso lactit trong hỗn hợp sản phẩm [104].

1.3.2.1. Cỏc phương phỏp tổng hợp lactit:

a) Tổng hợp lactit từ oligome lactic và cỏc dẫn suất của nú

Việc nghiờn cứu và tổng hợp lactit là ớt được quan tõm trước khi cú sự phỏt triển mạnh mẽ của lĩnh vực nghiờn cứu về polyme phõn hủy sinh học đặc biệt là nghiờn cứu về polylactit ra đời. Năm 1994 cỏc tỏc giả: Chester. A; Thayer; Harold và E; Bellis cụng bố phương phỏp tổng hợp lactit hoặc glycolit từ oligome của axit