5. Bố cục của luận văn
1.5.3. Trích ly chất màu tự nhiên từ hạt cau ứng dụng trong công nghệ nhuộm vả
vải
Trích ly chất màu từ hạt cau là quá trình trích ly rắn lỏng. Trong quá trình này, dung môi tiếp xúc trực tiếp với nguyên liệu, hòa tan và vận chuyển chất màu vào dung môi, thƣờng xảy ra các hiện tƣợng hòa tan, khuếch tán, thẩm thấu.Vì vậy
tốc độ của quá trình này phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố nhƣ: hình dạng, kích thƣớc, thành phần, cấu trúc bên trong của vật thể rắn, tính chất hóa lý và chế độ thủy động của dung môi, kiểu thiết bị, phƣơng pháp trích ly, tỷ lệ rắn lỏng, thời gian và nhiệt độ trích ly.
Động lực của quá trình trích ly chất màu là sự chênh lệch nồng độ của các hợp chất mang màu trên bề mặt nguyên liệu và nồng độ của chúng trong dịch chiết . Trạng thái cân bằng đạt đƣợc khi thế hóa của cấu tử hòa tan ở trong chất rắn bằng thế hóa của nó ở trong dung dịch ở cùng nhiệt độ. Khi đó nồng độ của dung dịch tƣơng ứng với nồng độ bão hòa gọi là độ hòa tan. Phƣơng trình cấp khối hay tốc độ của quá trình trích ly có dạng:
(1.4)
Trong đó: M là lƣợng cấu tử phân bố, F là bề mặt tiếp xúc pha tại thời điểm t; β là hệ số cấp khối; Cbh là nồng độ cấu tử hòa tan ở bề mặt chất rắn, tại nồng độ này cân bằng đƣợc thiết lập rất nhanh; Co là nồng độ trung bình chất rắn hòa tan trong dung dịch.
Cơ chế của quá trình chuyển khối trong hệ rắn lỏng rất phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Nếu gọi D là hệ số khuếch tán phân tử thì hệ số cấp khối β=D/δ tỷ lệ nghịch với chiều dày của lớp màng chảy dòng δ ở sát bề mặt vật thể rắn, tức là phụ thuộc vào chế độ thủy động của dung môi.
Hình 1.17. Sự thay đổi nồng độ của các cấu tử mang màu gần bề mặt nguyên liệu (a) và xác định tốc độ quá trình trích ly rắn- lỏng (b).[2]
Ngoài ra, kích thƣớc của hạt rắn càng giảm thì tốc độ của quá trình trích ly càng tăng, do tăng bề mặt tiếp xúc pha và giảm đoạn đƣờng khuếch tán trong các hạt rắn. Tuy nhiên, kích thƣớc của các hạt rắn càng giảm thì năng lƣợng tiêu tốn cho quá trình nghiền càng tăng, do đó phải chọn kích thƣớc hạt rắn thích hợp. Tỷ lệ giữa lƣợng dung môi và lƣợng chất rắn ảnh hƣởng lớn đến tốc độ khuếch tán. Tỷ lệ này càng cao thì tăng tốc độ khuếch tán và khả năng tách triệt để cấu tử phân bố càng nhiều, nhƣng tiêu tốn năng lƣợng để tách cấu tử phân bố trong dung dịch càng tăng. Do đó phải chọn tỷ lệ giữa lƣợng dung môi và lƣợng chất rắn thích hợp. Trong quá trình trích ly chất rắn, dung môi phải xâm nhập vào vào trong các mao quản của chất rắn để tác dụng với cấu tử phân bố, nên tốc độ của toàn quá trình giảm nhanh. Tốc độ của quá trình trích ly đƣợc quyết định bởi tốc độ khuếch tán bên trong.
CHƢƠNG 2
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. NGUYÊN LIỆU, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 2.1.1. Nguyên liệu
Hạt cau
- Hạt cau khô đƣợc thu mua tại chợ Ái Nghĩa, huyện Đại Lộc, tỉnh Quảng Nam. - Cách xử lý nguyên liệu: Hạt cau đƣợc sấy khô. Làm sạch sau đó nghiền hoặc xay với kích thƣớc khoảng từ 0,1÷1 mm.
Hình 2.1. Nguyên liệu hạt cau khô và hạt cau đã xử lý
Vải tơ tằm
- Vải tơ tằm thô đƣợc mua tại làng lụa Mã Châu, thôn Châu Hiệp, Thị trấn Nam Phƣớc, huyện Duy Xuyên, tỉnh Quảng Nam.
- Cách xử lý vải tơ tằm thô:
+ Bƣớc 1: Giũ hồ vải tơ tằm bằng cách luộc vải trong thời gian 4 tiếng, sau đó để vải khô trong mát. Đây là bƣớc quan trọng để quyết định vải có bắt màu nhuộm tốt hay không.
Hình 2.2. Vải luộc trong thời gian 4 tiếng
+Bƣớc 2: Vải đƣợc ngâm trong dung dịch Na2CO3 1% trong thời gian 1 tiếng với mục đích tách keo serisin cùng toàn bộ tạp chất ra khỏi tơ, chỉ còn lại thành phần fibroin làm cho sợi vải mềm mại và trắng. Sau đó, vải đƣợc giặt sạch và phơi khô trong bóng râm.
2.1.2. Dụng cụ và hóa chất
a. Dụng cụ và thiết bị
- Bình cầu 500ml; bếp điện; bếp cách thủy; cốc thủy tinh 50ml, 100ml, 250ml; bình tam giác có nút nhám 100ml; pipet 5ml, 10ml, 20ml; nhiệt kế; giấy lọc.
- Cân phân tích, tủ sấy.
- Máy đo quang phổ tử ngoại- khả kiến UV-VIS, máy đo pH.
b. Hóa chất
- Cồn tuyệt đối ( C2H5OH) - Natri hydroxyt ( NaOH) - Soda ( Na2CO3)
- Potassium aluminium sulphate ( KAl(SO4)2) - Hexane ( C6H14)
- Etyl axetate ( C4H8O2) - Dichloromethane ( CH2Cl2)
Các hóa chất đều có nguồn gốc Trung Quốc với độ tinh khiết là 99.5%.
2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC CHẤT MÀU TRÍCH TỪ HẠT CAU 2.2.1. Phổ UV-VIS 2.2.1. Phổ UV-VIS
Để xác định sơ bộ thành phần các nhóm chức có thể tồn tại trong dịch chiết, xác định số nối đôi liên hợp, bƣớc sóng cực đại, độ hấp thu quang A, thông thƣờng xác định bằng cách kiểm tra quang phổ khả kiến- tử ngoại ( UV-Vis). Một số ít nhóm chức có thể xác định nhờ phổ UV-Vis, nhƣng đặc biệt hữu ích là xác định sự có mặt và giải thích bản chất của hệ liên hợp có vòng thơm.
Các chất có màu là do trong phân tử của các chất chứa nhiều nhóm nối đôi hay nối ba nhƣ C=C, C=O, C=N, N=N, N ,-NO2, …Do vậy, chúng đƣợc gọi là nhóm mang màu. Nếu trong phân tử có nhiều nhóm mang màu liên hợp tạo thành mạch dài thì màu của chất sẽ càng đậm. Các chất màu đậm khi đo phổ tử ngoại khả kiến cho nằm ở vùng có bƣớc sóng dài. Dựa vào λmax, có thể biết đƣợc loại liên kết:
λmax : chỉ có loại liên kết σ của hợp chất no
λmax : có liên kết đôi
λmax quanh vùng 200÷260 nm có thể có benzene và dẫn xuất của benzene
λmax : hệ liên hợp
Hầu hết các phân tử hữu cơ đo trong phổ điện tử nằm trong vùng tử ngoại (Ultraviolet-UV) và vùng khả kiến ( visible-VIS) với các bƣớc sóng từ 190-800nm. Phổ tử ngoại và khả kiến của hợp chất hữu cơ gắn liền với các mức năng lƣợng electron. Nói chung các bƣớc chuyển xảy ra giữa một orbital liên kết hay cặp electron không chia sẽ và một orbital không liên kết hay phản liên kết. Khi đó bƣớc sóng hấp thụ là số đo khoảng cách của các mức năng lƣợng giữa các orbital. Khoảng cách năng lƣợng lớn nhất đƣợc tìm thấy khi các electron ở liên kết σ bị kích thích , cho hấp thụ trong vùng 120÷250nm. Có hai định luật thực nghiệm đƣợc sử dụng tính cƣờng độ hấp thụ. Định luật Lambertbeer phát biểu rằng phần tia tới bị hấp thụ phụ thuộc vào cƣờng độ của nguồn. Định luật Beer phát biểu rằng sự hấp thụ tỷ lệ với phân tử hấp thụ. Từ các định luật này có phƣơng trình của định luật Lamber-beer nhƣ sau [2]:
(1.5) Trong đó:
I0 và I: cƣờng độ của tia tới và tia phản xạ tƣơng ứng. L: chiều dày của dung dịch hấp thụ tính bằng cm C: nồng độ của dung dịch tính bằng mol/l
độ hấp thụ phân tử gam và có thứ nguyên là 1000 cm2/mol, đây là tính chất của phân tử tham gia bƣớc chuyển electron và không phải là hàm số của các thông số thay đổi khi chuẩn bị dung dịch.
A: độ hấp thụ hay mật độ quang.
Kích thƣớc của hệ hấp thụ và xác suất mà bƣớc chuyển electron sẽ xảy ra, sẽ kiểm soát độ hấp thụ, nằm trong khoảng từ 0÷104. Các giá trị trên 104 đƣợc gọi là sự hấp thụ có cƣờng độ cao. Định luật lamber-beer đƣợc tuân theo hoàn toàn chỉ khi các dạng đơn lẻ gây ra sự hấp thụ. Tuy nhiên, định luật không thể tuân theo khi một số các phân tử khác đang hấp thụ nằm ở trạng thái cân bằng, khi chất tan và dung
môi kết hợp tạo một số dạng phức, khi cân bằng nhiệt tồn tại giữa trạng thái electron cơ bản và trạng thái kích thích ở mức thấp, hay khi các hợp chất huỳnh quang hoặc các hợp chất bị biến đổi nhờ bức xạ có mặt trong dung dịch.
Độ truyền quang T đƣợc định nghĩa: Phần trăm truyền qua T%:
Các mối quan hệ giữa mật độ quang A, độ truyền quang T nhƣ sau: A=-logT Kết quả xác định UV-VIS đƣợc thực hiện trên thiết bị Spectro UV-VIS Double beam PC Scanning spectrophotometer, UVD-2950 tại phòng thí nghiệm trƣờng Đại học sƣ phạm Đà Nẵng.
2.2.2. Phƣơng pháp sắc ký khí khối phổ GC-MS
Phƣơng pháp phổ khối lƣợng MS ( Mass spectrometry) có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc nghiên cứu xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ. Dựa trên các số khối thu đƣợc trên phổ có thể xây dựng cấu trúc phân tử hoặc chứng minh công thức cấu tạo dự kiến. Nguyên tắc chung của phƣơng pháp phổ khối lƣợng là phá vỡ phân tử trung hòa thành ion phân tử và các ion dƣơng mảnh có số khối z=m/e (m là khối lƣợng; e là điện tích ion). Sau đó phân tách các ion này theo số khối và thu đƣợc phổ khối lƣợng. Dựa vào phổ khối này có thể xác định phân tử khối và cấu tạo phân tử của chất nghiên cứu.
Sắc ký khí ghép nối khối phổ là một kỹ thuật phân tích kết hợp khả năng phân tích lý học của sắc ký khí với khả năng phân tích khối lƣợng của phân tích khối phổ.
Phƣơng pháp GC-MS đƣợc áp dụng trong luận văn nhằm mục đích định danh thành phần có trong dịch chiết màu từ hạt cau. Phổ GC-MS đƣợc đo tại Trung tâm Kỹ thuật tiêu chuẩn đo lƣờng chất lƣợng 2 ( Quatest 2), Tp Đà Nẵng.
2.3. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHIẾT DỊCH MÀU TỪ HẠT CAU DỊCH MÀU TỪ HẠT CAU
2.3.1. Khảo sát tỷ lệ dung môi H2O:C2H5OH
Để khảo sát sự ảnh hƣởng của tỷ lệ dung môi vào khả năng chiết dịch màu từ hạt cau. Ta cố định các thông số sau:
- Thời gian chiết: 1 giờ - Nhiệt độ chiết : 70oC
- Khối lƣơng nguyên liệu: 2 g
- Tiến hành trích ly với tỷ lệ dung môi (ml/ml) H2O: C2H5OH khác nhau là: 50:0; 40:10; 30:20; 20:30; 10:40; 0:50
2.3.2. Khảo sát thời gian chiết
Để khảo sát sự ảnh hƣởng của thời gian vào khả năng chiết dịch màu từ hạt cau. Ta cố định các thông số sau:
- Nhiệt độ chiết :70oC
- Khối lƣợng nguyên liệu: 2 g
- Đối với thông số thời gian chiết, các giá trị biến thiên t = 0,5 giờ, 1 giờ, 2 giờ, 3 giờ, 4 giờ
2.3.3. Khảo sát nhiệt độ chiết
Để khảo sát sự ảnh hƣởng của nhiệt độ vào khả năng chiết dịch từ hạt cau. Ta cố định các thông số sau:
- Thời gian chiết: 3 giờ
- Khối lƣơng nguyên liệu: 2 g
- Tỷ lệ dung môi H2O: C2H5OH (ml/ml) là 30:20
- Đối với thông số nhiệt độ chiết, các giá trị biến thiên từ 50 oC, 60 oC, 70
oC,80 oC, 90 oC.
2.3.4. Khảo sát tỷ lệ rắn-lỏng
cau. Ta cố định các thông số sau: - Thời gian chiết: 3 giờ
- Tỷ lệ dung môi H2O: C2H5OH (ml/ml) là 30:20 - Nhiệt độ chiết: 90 o
C
Đối với thông số tỷ lệ rắn-lỏng, cố định khối lƣợng nguyên liệu 2 g, còn giá trị thể tích dung môi là 25ml; 50 ml; 100 ml; 150 ml; 200 ml; 250 ml .
2.4. XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CÓ TRONG DỊCH CHIẾT TỪ HẠT CAU HẠT CAU
2.4.1. Xác định thành phần hóa học trong dịch chiết từ hạt cau với dung môi là ethanol bằng phƣơng pháp GC-MS ethanol bằng phƣơng pháp GC-MS
Quá trình chiết dịch từ hạt cau trong dung môi ethanol đƣợc thực hiện nhƣ Hình 2.4.
Hình 2.4. Quy trình chiết dịch từ hạt cau bằng dung môi ethanol.
2.4.2. Xác định thành phần hóa học trong dịch chiết từ hạt cau với dung môi là n-hexan, dichloromethane, etylaxetate bằng phƣơng pháp GC-MS n-hexan, dichloromethane, etylaxetate bằng phƣơng pháp GC-MS
Từ dịch chiết hạt cau từ dung môi nƣớc, tiến hành chiết lỏng-lỏng với các dung môi hữu cơ:n- hexan, dichloromethane và etyl axetat đo GC-MS để xác định thành phần các chất hữu cơ trong dịch chiết tƣơng ứng với từng dung môi đƣợc thực hiện nhƣ Hình 2.5.
Hạt cau xử lý sơ bộ
Đun trong bếp cách thuỷ 70oC,thời gian 3 giờ
D + ethanol Hỗn hợp dịch chiết Lọc Dịch chiết cần dùng Dung dịch
Cô dung môi Đo
GCMS
Hình 2.5. Quy trình chiết nước hạt cau với lần lượt các dung môi n-hexan, dichloromethane, etylaxetate.
Chiết với dung môi n – hexan Dịch chiết Dịch chiết 3 (trong cloroforrm) Dung dịch I Dịch chiết 1 (trong n-hexan) Đo GC-MS
Cô cạn dung môi
Chiết với dung Môi dichloromethane Kết quả Dịch chiết 2 (trong nƣớc) Dịch chiết 4 (trong n- nƣớc) Dung dịch III Cô cạn dung môi
Đo GC-MS
Kết quả
Chiết với dung môi etylaxetat
Dịch chiết 6 Dịch chiết 4
Cô cạn dung môi
Dung dịch II
Đo GC-MS
2.5. KHẢO SÁT ĐIỀU KIỆN TỐI ƢU CỦA QUY TRÌNH NHUỘM VẢI TỪ DỊCH MÀU CHIẾT TỪ HẠT CAU DỊCH MÀU CHIẾT TỪ HẠT CAU
Vải sau khi xử lý sơ bộ, đƣợc nhuộm với 100ml dịch nhuộm vừa chiết đƣợc từ quy trình tối ƣu, nhuộm theo sơ đồ Hình 2.6.
Hình 2.6. Quy trình nhuộm vải
Dịch chiết tối ƣu từ quá trình chiết tách
Nhuộm vải
Thời gian nhuộm pH dịch nhuộm Chất cầm màu
Số lần nhuộm
Xử lí sau nhuộm
Sản phẩm nhuộm
Đánh giá độ bền màu với giặt
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐÉN QUÁ TRÌNH CHIẾT HẠT CAU CHIẾT HẠT CAU
3.1.1. Xác định λmax dịch chiết hạt cau
Sử dụng máy đo quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis để xác định λmax của dịch chiết hạt cau trong khoảng bƣớc sóng từ 400nm đến 600 nm, kết quả tại λ = 532nm xuất hiện peak cực đại. Do đó, giá trị λmax= 532 nm đƣợc sử dụng để khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình trích ly chất màu và quá trình nhuộm vải.
Hình 3.1.Phổ UV-Vis dịch chiết hạt cau.
3.1.2. Khảo sát tỷ lệ dung môi H2O: C2H5OH
Tiến hành: Cân 2 gram hạt cau cho vào bình cầu, tỷ lệ thể tích dung môi H2O: C2H5OH tƣơng ứng biến thiên theo tỷ lệ: 50:0; 40:10; 30:20; 20:30; 10:40; 0:50. Nhiệt độ chiết là 70oC, thời gian chiết 1h. Lọc lấy dịch chiết, sau đó đem đo UV-Vis.
sự phụ thuộc tỷ lệ dung môi H2O: C2H5OH vào khả năng chiết dịch màu từ hạt cau đƣợc biểu diễn ở Bảng 3.1 và Hình 3.2.
Bảng 3.1. Kết quả mật độ quang của các dịch chiết ứng với tỉ lệ dung môi H2O: C2H5OH
Tên mẫu Tỷ lệ dung môi
H2O: C2H5OH (ml/ml) Mật độ quang (OD) HC-1 50:0 0,395 HC-2 40:10 0,896 HC-3 30:20 1,590 HC-4 20:30 1,373 HC-5 10:40 1,039 HC-6 0:50 0,703
Và đƣợc biểu diễn qua đồ thị nhƣ trong Hình 3.2
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang vào tỷ lệ dung môi H2O: C2H5OH(ml/ml)
OD
Hình 3.3. Sự thay đổi màu sắc của các dịch chiết theo tỷ lệ dung môi H2O: C2H5OH(ml/ml)
Nhận xét: Qua kết quả thu đƣợc ở Bảng 3.1 và Hình 3.2 ta thấy H2O và C2H5OH đều có tác dụng thẩm thấu vào các mô nguyên liệu, sau đó sẽ hòa tan, khuếch tán và lôi cuốn các hợp chất có màu trong nguyên liệu. Tỷ lệ H2O: C2H5OH (ml/ml) nhiều hay ít đều ảnh hƣởng đến hiệu quả chiết các hợp chất có màu từ nguyên liệu, xác định tỷ lệ H2O: C2H5OH (ml/ml) khi chiết nguyên liệu nhằm đánh giá khả năng chiết tách chất màu, đây là yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến hiệu quả của quá trình chiết chƣng ninh.
Tóm lại, tỷ lệ dung môi H2O: C2H5OH (ml/ml) đƣợc chọn cho các khảo sát tiếp theo là 30:20 tƣơng ứng 2gram hạt cau.