1.4.1 Khái niệm và nguồn gốc của xenlulozo
Xenlulozo là thành phần chính của thành tế bào thực vật cùng với hemixenlulozo và lignin, trong đó, xenlulozo chiếm 40 – 60 %, hemi xenlulozo chiếm 20 – 40 % và lignin chiếm 10 – 25 % [16],[17]. Xenlulozo là loại polyme tự nhiên, có thể tái tạo, phân huỷ sinh học và phổ biến nhất trên Trái đất [18], 19].
Xenlulozo chiếm khoảng 33 % vật chất của tất cả các loài thực vật. Xenlulozo được tìm thấy trong thực vật có dạng sợi nhỏ, là thành phần quan trọng nhất của thành tế bào thực vật (Kirk & Othmer, 1967). Có nhiều nguồn xenlulozo tiềm năng như vỏ cam, nhân cọ và vỏ bưởi (Benyounes & Benmounah, 2013; Chumee, & Seeburin, 2014; Yan, Krishniah, Rajin, & Bono, 2009).
1.4.2 Cấu trúc phân tử và tính chất của xenlulozo
Hình 1.14: Công thức cấu tạo của xenlulozo
Xenlulozo là một phân tử polysaccarit hữu cơ, có công thức phân tử (C6H10O5)n, ở cấp độ phân tử, xenlulozo là một polyme mạch thẳng, có khối lượng phân tử rất lớn (khoảng 1.000.000 đến 2.400.000 đvC), không phân nhánh, được cấu thành bởi nhiều đơn vị D-anhydroglucopyranozo (AGU). Các đơn vị này được liên kết với nhau bởi các liên kết β-(14) glycozit được hình thành giữa C-1 và C-4 của
21
các phân tử glucozo liền nhau. Mỗi đơn vị AGU có ba nhóm hydroxyl (-OH) ở vị trí C2, C3 và C6 nên có thể ký hiệu phân tử xenlulozo là [C6H7O2(OH)3]n. Cácnhóm hydroxyl này ở dạng tự do, một nhóm hydroxyl rượu bậc một và hai nhóm hydroxyl rượu bậc hai, các nhóm này khác nhau về khả năng phản ứng [5]. Vì phân tử có nhiều nhóm hydroxyl nên phân tử xenlulozo có mạng lưới liên kết hidro chằng chịt. Mỗi đơn vị AGU có hai liên kết hydro nội phân tử và một liên kết hidro liên phân tử được hình thành:
- Nhóm hydroxyl ở C2 của một mắt xích liên kết với oxi thuộc nhóm hydroxyl ở C6 của mắt xích liền kề.
- Hydro của nhóm hydroxyl ở C3 của một mắt xích tác dụng với oxi nằm trong vòng của đơn vị mắt xích liền kề.
- Hydro của nhóm hydroxyl ở C6 của đơn vị AGU liên kết với oxi của nhóm hydroxyl ở C3 của đơn vị khác (liên kết liên phân tử)
Ba nhóm hydroxyl trong phân tử không chỉ thể hiện vai trò trong phản ứng điển hình của rượu bậc cao của xenlulozo mà còn ảnh hưởng nhiều đến độ tan của xenlulozo. Mặc dù xenlulozo có chứa hai loại nhóm hydroxyl khác nhau, nhóm hydroxyl chính gắn với nhóm metyl tại vị trí C6, còn hai nhóm hydroxyl phụ còn lại gắn ở C2 và C3, cả hai nhóm này đều ưa nước, nhưng nhìn chung xenlulozo không tan trong nước và các dung môi thông thường kể cả khi đun nóng. Điều đó được lý giải là do xenlulozo có một mật độ lớn các nhóm hydroxyl và có cấu trúc dạng chuỗi polyme. Các nhóm hydroxyl và ete tương tác với nhau theo liên kết hydro, lại thêm sự xoắn xít của ma trận polyme tạo nên cấu trúc bó dài dưới dạng vi sợi, các sợi này không hoà tan và sắp xếp dưới dạng các lớp xen phủ tạo nên một cấu trúc dai và chắc nên có độ bền cơ học cao, dẫn đến xenlulozo gần như không có nhiệt độ nóng chảy, khó tan trong nước và các dung môi hữu cơ [20]. Hơn nữa, khi tiếp xúc với môi trường nước, các phân tử nước sẽ đi vào mạng lưới polyme của xenlulozo và có tác dụng như là cầu nối giữa các nhóm –OH lại góp phần hình thành thêm nhiều liên kết hydro hơn, do vậy, trong nước, xenlulozo không những không tan mà còn có xu hướng trở nên bền chặt hơn. Vậy nên muốn hoà tan được xenlulozo cần phải phá vỡ mạng lưới liên kết hydro của phân tử.
22
1.4.3 Các phương pháp tách Xenlulozo
Dù đã có nhiều phương pháp tách xenlulozo từ phế phẩm của cây ăn quả họ
citrus được thực hiện nhưng chủ yếu là sử dụng những loại kiềm (NaOH, KOH,…)
và các loại axit vô cơ (HNO3, HCl) hoặc axit hữu cơ (axit citrus, axit axetic) [20]. Để phân tách các thành phần khác có trong cùi bưởi như hemi xenlulozo, lignin, pectin …nhằm thu được xenlulozo với độ tinh khiết cao. Giai đoạn kiềm hoá nhằm loại bỏ một phần hemi xenlulozo và lignin do đặc tính tan trong kiềm nóng của chúng. [27], giai đoạn axit hoá sẽ hoà tan phần hemi xenlulozo còn lại và cắt nhỏ mạch xenlulozo [27] .
Với những ưu điểm vượt trội hơn so với các phương pháp khác như: Phương pháp tách pectin bằng cơ học, bằng sinh học (enzym, vi sinh vật),… phương pháp đun trong axit và kiềm là phương pháp dễ thực hiện, hiệu suất khá cao và chi phí thấp. Vì thế, phương pháp này được lựa chọn để thực hiện trong khóa luận.