1.5.3.1. Sơ lược về cấu trúc tơ tằm
Tơ tằm hay còn được gọi là lụa, là một trong những loại xơ sợi được con người biết đến sớm nhất [22]. Tơ tằm có cấu trúc mặt cắt ngang không đồng đều, là một loại sợi tơ mảnh và dài gồm 2 sợi fibroin nằm sóng đôi nhau, được bao bọc bởi một lớp keo gọi là sericin.
Hình 1.18. Cấu trúc mặt cắt ngang của tơ tằm [23]
Thành phần chính của tơ tằm gồm 72-81% Fibroin; 19-28% sericin; 0,8-1,0% axit béo và sáp; 1,0-1,4% muối và khoáng chất [23].
Hình 1.19. Cấu trúc hóa học của fibroin [10]
Với cấu tạo trên tơ tằm có bề mặt ánh sáng bóng, mịn, óng ả, có độ bền cao, khả năng hút ẩm tốt, có độ đàn hồi tốt, tương đối bền đối với axit vô cơ loãng và axit hữu cơ. Tuy nhiên, khả năng chống chịu với bazơ kém và nhạy cảm với ánh sáng. Fibroin rất nhạy cảm với chất oxy hóa vì thế có thể làm thay đổi nhóm định chức của fibroin bằng cách oxy hóa các nhóm rượu bậc nhất hoặc làm mất các nhóm amin.
1.5.3.2. Nhuộm tơ tằm bằng chất màu tự nhiên
Việc đạt được các tính chất đồng đều màu trong quá trình nhuộm vải sợi rất quan trọng. Khả năng phân tán hay hấp phụ của thuốc nhuộm còn phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc hóa học, tính chất vật lý của cấu trúc xơ sợi và khả năng dịch chuyển của nó trước và trong suốt quá trình nhuộm (Burdett, 1975) [16]. Mặt khác, vấn đề kiểm soát quy trình nhuộm bằng thuốc nhuộm tự nhiên cũng cần phải quan tâm đến các thông số công nghệ.
Chất cầm màu vô cơ (muối kim loại luôn được sử dụng với tỷ lệ tương ứng, sử dụng ít hơn cho một màu nhạt, nhưng không bao giờ sử dụng thêm vì quá nhiều kim loại có thể gây tổn hại cho sợi, đặc biệt là tơ tằm. Chuẩn bị vật liệu dệt phù hợp với thiết bị và điều kiện nhuộm [24].
Tính đặc trưng của những loại thuốc nhuộm tự nhiên này có thể một phần là do sự có mặt của tannin được xem như là đóng vai trò chất cầm màu. Các chất hỗ trợ thêm
cho những quy trình nhuộm chất màu tự nhiên là axit acetic để trung hòa hàm lương canxi có trong nước, bột của axit citric để tăng độ sáng cho màu nhuộm khi sử dụng kết
hợp chất cầm màu và Na2SO4 để kiểm soát quy trình nhuộm [16].
TỔNG QUAN VỀHOA ĐẬU BIẾC
Cây hoa đậu biếc còn gọi đậu hoa tím hay bông biếc, tên khoa học Clitoria ternatean [48], thuộc họ đậu. Đậu biếc là một cây họ đậu lâu năm, loại thảo, leo, thân và cành mảnh có lông.
Hình 1.20. . Hoa đậu biếc
Hoa: có màu tím, màu trắng, với hình dáng lạ mắt dạng trứng ngược. Hoa này mọc thành chùm hay riêng lẻ rất sai hoa. Có nguồn gốc từ châu Á nhiệt đới và sau đó được phân phối rộng rãi ở Nam và Trung Mỹ, Đông và Tây Ấn, Trung Quốc và Ấn Độ [49]. Cây đậu biếc được trồng nhiều nơi ở nước ta. Các tác dụng dược lý từ các thành phần của cây hoa đậu biếc được thể hiện rõ qua Bảng 1.8 dưới đây.
Bảng 1.6. Chức năng các thành phần của cây hoa đậu biếc
Thành phần Chức năng Tài liệu tham khảo
Hoa Làm màu thực phẩm. [18]
Rễ Giải lo âu, thuốc chống
trầm cảm, thuốc chống co giật.
[18]
Thân Điều trị bệnh tình dục
chẳng hạn như: vô sinh và bệnh lậu.
[32]
Trích xuất của hoa đậu biếc Ôn định nhiệt [33]
1.6.1. Thành phần hóa học của hoa đậu biếc
Hoa đậu biếc chứa một este và một chất nhựa glycosid. Terahara và cộng sự [12] đã phân lập sáu anthocyanins chính từ hoa đậu biếc C.ternatea với cấu trúc đặc trưng là malonylationdelphinidin, thu được chuỗi cạnh 3’5 với D-glucose xen kẽ và bốn axit p- coumaric với một phân tử axit malonic. Delphinidin glucoside là anthocyanin chính tạo
ra màu xanh lam đặc biệt của loại hoa này. Các thành phần hóa học chính được tìm thấy ở Clitoria ternatea là các triterpenoids pentacyclic như taraxerol và taraxerone. Trong rễ có sự hiện diện của ternatins, ancaloit, flavonoid, saponin, tannin, carbohydrate, protein, nhựa, tinh bột, taraxerol và taraxerone [34].
GIỚI THIỆU VỀ CHẤT MÀU ANTHOCYANIN
1.7.1. Khái niệm vế chất màu anthocyanin
Anthocyanin là chất khá phân cực nên có khả năng tan tốt trong dung môi phân cực [6], hiện thuộc nhóm các chất màu tự nhiên tan trong nước lớn nhất trong thế giới thực vật. Thuật ngữ anthocyanin bắt nguồn từ Hi Lạp, trong đó anthocyanin là sự kết hợp giữa Anthos - nghĩa là Hoa và kysanesos - nghĩa là màu xanh [2]. Anthocyanin, thuộc nhóm flavonoid, là sắc tố trong không bào thực vật, tan trong nước chịu trách nhiệm về màu đỏ sáng, tím hoặc màu xanh của hoa, vỏ, hạt, quả và lá [50]. Nguồn cung cấp anthocyanin chính trong quả ăn được như là nho, anh đào, mận, mâm xôi, dâu tây, táo, đào, việt quất, ... Nhóm rau có chứa sắc tố anthocyanin như cà tím, bắp cải tím, tía tô, hoa đậu biếc,... Cường độ và độ bền màu anthocyanin phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần cấu trúc, nồng độ chất màu, pH, nhiệt độ, ánh sáng, sự hiện diện của các chất màu khác, ion kim loại, enzyme, oxy, vitamin C, đường và SO2,... [36], [37].
1.7.2. Cấu trúc hóa học của Anthocyanin
Hiện nay từ thực vật đã phân lập được khoảng 539 anthocyanin khác nhau [38]. Chúng khác nhau do sự khác nhau về các nhóm chức R1 đến R7 có trong phân tử. Anthocyanin là những glycozit do gốc đường glucose, glactose, … kết hợp với gốc aglucon có màu được gọi là anthocyanidin. Aglucon của chúng có cấu trúc cơ bản được mô tả trong Hình 1.21. Các gốc đường có thể gắn vào vị trí 3, 5, 7; thường được gắn vào vị trí 3 và 5 còn vị trí 7 rất ít. Phân tử anthocyanin gắn đường vào vị trí 3 gọi là monoglycozit, ở vị trí 3 và 5 gọi là diglycozit. Khi thủy phân anthocyanin thu được đường và anthocyanidol. Các aglucon của anthocyanin khác nhau chính là do các nhóm gắn vào vị trí R1 và R2 thường là H, OH hoặc OCH3 [35].
Tuy nhiên, chỉ có 6 loại anthocyanidin thường tìm thấy trong thực vật là cyanidin, delphinidin, malvidin, pelargonidin, peonidin và petunidin. Các glycosid của 3 loại anthocyanidin không bị metyl hóa (gồm cyanidin, delphinidin và pelargonidin) là phổ biến nhất trong tự nhiên, chúng chiếm 80% sắc tố có trong lá, 69% sắc tố trong quả và 50% sắc tố trong hoa.
1.7.3. Tính chất vật lý và hóa học của các anthocyanin
a. Sự hấp thụ ánh sáng và màu sắc
Anthocyanin là một hợp chất có khả năng hấp thụ các tia sáng trong vùng nhìn thấy. Màu của anthocyanin tạo ra từ màu tím đến xanh của nhiều loại rau quả. Độ hấp thụ anthocyanin phụ thuộc vào dung môi, pH và nồng độ. Ngoài ra, màu sắc của các anthocyanin còn được quyết định bởi cấu trúc phần glucosyl hóa, nhiệt độ, ánh sáng, pH dung dịch và sự tổ hợp màu…
b. Tính tan
Anthocyanin là hợp chất khá phân cực do phân tử chứa nhóm chức phân cực (H, -
OH, -OCH3) nên tan tốt trong dung môi phân cực như nước, metanol, axeton, etanol,...
c. Tính không bền
Độ bền của các anthocyanin được quyết định bởi nhiều yếu tố bao gồm cấu trúc phân tử, nồng độ anthocyanin, pH, nhiệt độ, cường độ và bản chất bức xạ ánh sáng chiếu vào, sự tổ hợp màu, sự có mặt của các ion kim loại, enzym, oxy, acid ascorbic, đường, các sản phẩm phân hủy của chúng và sulfur dioxit [39].
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG ANTHOCYANIN TỰ NHIÊN
Một số đề tài, công trình nghiên cứu về anthocyanin trong thời gian gần đây:
− Huỳnh Thị Kim Cúc, Phạm Châu Huỳnh (2013). Xác định hàm lượng
anthocyanin trong một số nguyên liệu rau quả bằng phương pháp pH vi sai, Tạp chí Khoa học & Công nghệ, Trường Đại học Đà Nẵng [1].
− Kiều Thị Nhi, Nguyễn Tuấn Kiệt, Hoàng Thị Ngọc Nhơn (2017). Nghiên cứu
quy trình chiết tách anthocyanin hiệu quả từ hành tím, hành lá, tỏi tía, cần tây, cần ta, Tạp chí Khoa học Công nghệ và Thực phẩm 12 (1) (2017) 0-7, Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM [4].
−Nguyễn Thị Trang (2011). Nghiên cứu chiết xuất chất màu anthocyanin từ cây
Cẩm, Đồ án tốt nghiệp, Trường Đại học Nha Trang. Kết quả xác định được một số thành phần hóa học cơ bản của lá Cẩm như sau: Hàm lượng nước 78.32%, anthocyanin tổng số 39272 mg/kg khô), hiệu suất chiết anthocyanin từ lá Cẩm bằng phương pháp ngâm
chiết ở 0oC và phương pháp siêu âm ở 80oC gần như nhau và khá cao (93-96%) [3].
− Nguyễn Thị Hiền và các cộng sự (2013). Nghiên cứu chiết tách anthocyanin từ
Hibiscus Sabdariffa - ứng dụng để sản xuất giấy chỉ thị phát hiện nhanh hàn the trong thực phẩm, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Nông nghiệp Hà Nội [5].
CHƯƠNG 2.THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
2.1.1. Nguyên vật liệu
a. Hoa đậu biếc
Hoa đậu biếc được mua tại các chợ trên địa bàn Thành phố Đà Nẵng. Đây là một loài hoa rất dễ trồng và cũng rất dễ sinh trưởng. Hoa có nguồn gốc từ các nước Đông Nam Á, tuy nhiên hiện nay nó đã được di thực đi phân bố ở nhiều nơi trên thế giới. Đặc biệt là Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam, … Ở nước ta, mới chỉ có một số tỉnh thành trồng loại hoa này. Nhiều nơi vẫn chưa biết đến hoa đậu biếc và những công dụng mà nó mang lại đối với sức khỏe và đời sống [51]. Cây hoa đậu biếc thuộc loại cây thân leo khỏe mạnh, dễ trồng và chăm sóc, chịu được nắng nóng và hạn rất tốt, sợ rét, ít sâu bệnh. Nhiệt độ ưa thích của đậu biếc là từ 20-32oC.
Hình 2.1. Hoa đậu biếc
b. Vải tơ tằm
Vải tơ tằm 100% được sản xuất tại công ty lụa Mã Châu, thị trấn Nam Phước, huyện Duy Xuyên, tỉnh Quảng Nam đã được tẩy hồ trước khi nhuộm.
Hình 2.2. Phân xưởng dệt lụa Mã Châu
2.1.2. Hóa chất
Hóa chất sử dụng cho nghiên cứu được trình bày trong Bảng 2.1
Bảng 2.1. Hóa chất sử dụng
STT Tên hóa chất Xuất xứ Độ tinh khiết
1 NaOH Trung Quốc ≥ 96 %
2.1.3. Hệ thống thiết bị và dụng cụ
Hệ thống thiết bị và dụng cụ cho nghiên cứu được trình bày trong Bảng 2.2
Bảng 2.2. Hệ thống thiết bị và dụng cụ sử dụng
Thiết bị Dụng cụ
• Bộ dụng cụ chưng ninh
• Máy đo quang UV-Vis
• Máy đo pH • Tủ sấy • Bếp cách thủy • Cân phân tích • Bình cầu • Cốc thủy tinh • Bình tam giác • Bình định mức(25ml, 50ml, 00ml) • Các loại pipet • Giấy lọc • Nhiệt kế dầu • Ống đong (0ml, 250ml) NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết tách dịch màu từ hoa đậu biếc nhiệt độ chiết tách, thời gian chiết tách, tỉ lệ rắn/lỏng (nguyên liệu/dung môi), pH của môi trường bằng phương pháp UV-VIS.
- Nghiên cứu tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhuộm vải bằng các chất màu chiết tách từ hoa đậu biếc như nhiệt độ nhuộm, thời gian nhuộm, số lần nhuộm, chất cầm màu cho vải sau nhuộm bằng phương pháp CIE LAB.
Hình 2.3. Quy trình trích ly chất màu từ hoa đậu biếc
Đánh giá dịch chiết Đo UV- VIS Xác định mật độ quang
Chiết tách bằng phương pháp chưng ninh
Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình chiết tách Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình chiết tách
pH của môi trường Tỉ lệ nguyên
liệu/dung môi
Xử lí sơ bộ Hoa đậu biếc
Nhiệt độ chiết tách
Thời gian chiết tách
Quá trình trích ly chất màu từ hoa đậu biếc trong dung môi nước được thực hiện như Hình 2.3, với những điều kiện tối ưu về tỉ lệ nguyên liệu/dung môi, nhiệt độ, thời gian.
Dịch chiết tối ưu trích ly từ hoa đậu biếc được nhuộm trên vải tơ tằm 100% theo sơ đồ Hình 2.4.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3.1.Phương pháp trích ly chất màu thiên nhiên
Luận văn sử dụng phương pháp trích ly ngâm (chiết ngâm) để trích ly chất màu từ hoa đậu biếc.
Phương pháp trích ly chiết ngâm hay còn gọi là đun cách thủy được tiến hành ở
nhiệt độ dưới 100oC, ở áp suất 1 atm (hay 1.325 Pa), là phương pháp tương đối đơn giản
và dễ lắp đặt, gia nhiệt gián tiếp qua nước, tránh hiện tượng quá nhiệt khi đun nóng, hạn chế được hiện tượng cháy chất cần đun. Bên cạnh đó, sử dụng nhiệt gián tiếp từ nước sẽ góp phần kiểm soát được nhiệt độ và giảm nhiệt nhanh nếu tăng cao hơn so với nhiệt độ khảo sát [9]. Phương pháp này được ứng dụng nhiều trong công nghệ tách chất màu thiên nhiên từ thực vật.
Quá trình chiết tách chất màu từ hoa đậu biếc được thực hiện trên bộ chưng ninh tại phòng thí nghiệm, trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng.
2.3.2.Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử 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, bước sóng cực đại, độ hấp thu quang A, tính độ tận trích của
Nhuộm vải
Sản phẩm nhuộm Dịch chiết tối ưu từ quá
trình chiết tách
Đánh giá độ bền màu với giặt Nhiệt độ
nhuộm
Thời gian nhuộm Số lần nhuộm Chất cầm
màu
Xử lí sau nhuộm
dịch chiết lên vật liệu, thông thường 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, nhưng đặc biệt hữu ích là xác định sự có mặt và giải thích bản chất của các 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 như C=C, C=O, C=N, N=N, C≡C, N≡N, -NO2… Do vậy, chúng được 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 λmax nằm ở vùng có bước sóng dài. Dựa vào λmax, có thể biết được loại liên kết:
λmax < 150nm: chỉ có loại liên kết σ của hợp chất no λmax > 150 nm: có liên kết đôi
λmax quanh vùng 200÷260 nm có thể có benzen và dẫn xuất của benzen
λmax >280 nm: hệ liên hợp
λmax càng lớn thì hệ liên hợp càng dài. Hầu hết các phân tử hữu cơ trong suốt trong một phần của phổ điện tử được gọi là vùng tử ngoại (Ultraviolet-UV) và vùng khả kiến (visible-VIS) với các bước sóng từ 190÷800 nm. Phổ tử ngoại và khả kiến của hợp chất hữu cơ gắn liền với các mức năng lượng electron. Nói chung các bước chuyển xảy ra giữa một orbitan liên kết hay cặp electron không chia sẻ và một orbitan không liên kết hay phản liên kết. Khi đó bước sóng hấp thụ là số đo khoảng cách của các mức năng lượng giữa các orbitan. Khoảng cách năng lượng lớn nhất được tìm thấy khi các electron ở liên kết bị kích thích, cho hấp thụ trong vùng 120÷200 nm. Có hai định luật thực nghiệm được sử dụng tính cường độ hấp thụ. Định luật Lambert phát biểu rằng phần tia tới bị hấp thụ phụ thuộc vào cường 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 phương trình của định luật Beer- Lambert [9] như sau:
A= log𝐼0
𝐼 = 𝜀𝐿𝐶 (2.1) Trong đó:
Io và I: cường độ của tia tới và tia phản xạ tương ứng L: chiều dày của dung dịch hấp thụ tính bằng cm C: nồng độ dung dịch tính bằng mol/l
ε: độ hấp thụ phân tử gam và có thứ nguyên là 1000 cm2/mol, đây là tính chất của
phân tử tham gia bước 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 thước của hệ hấp thụ và xác suất mà bước chuyển electron sẽ xảy ra, sẽ kiểm soát độ hấp thụ, nằm trong khoảng từ 0÷104. Các giá trị trên 104 được gọi là sự hấp thụ