(Nguồn: https://www.mdpi.com/1420-3049/23/4/942/htm)
Gần đây, ngƣời ta đã đề xuất phƣơng pháp gel hóa bằng muối đơn hóa trị của pectin đã khử ester bằng enzym. Độ bền của gel bị ảnh hƣởng bởi cả pH và loại cation đơn hóa trị. Cơ chế tạo gel vẫn chƣa đƣợc hiểu rõ, nhƣng nó đã đƣợc giả định là đƣợc gây ra bởi q trình khử ester hóa chậm đồng thời của
pectin trong các điều kiện thƣờng tạo muối (kết tủa) LM pectin khi khơng có pectin methylesterase.
1.4. CÁC ỨNG DỤNG TIỀM NĂNG CỦA PECTIN TRONG NGÀNH
DƢỢC PHẨM VÀ Y SINH
Pectin, là một polyme tự nhiên trong nhiều loại trái cây, có nhiều đặc tính thú vị đã đƣợc khai thác rộng rãi trong công nghệ thực phẩm, và nghiên cứu trong lĩnh vực y sinh và dƣợc phẩm. Ngày nay, việc tìm kiếm những cách mới và tốt hơn cho các ứng dụng vẫn tiếp tục. Một số ứng dụng chính của pectin đƣợc tóm tắt trong bảng 1.1.
Bảng a1.1: Các đặc tính y sinh / dƣợc phẩm và đặc điểm hóa học nhƣ mức độ ester hóa của pectin đƣợc chiết xuất từ các nguồn khác nhau.
Ứng dụng y sinh / dƣợc
phẩm Nguồn pectin
Mức độ ester hóa (%)
Hiệu ứng tiền sinh học [60]
Chất thải vỏ cam NA
Bã củ cải đƣờng / vỏ chanh NA
Bột củ cải đƣờng NA
Rễ cây sài hồ NS
Vỏ táo, vỏ quýt và cây dại NA
Mức đƣờng huyết [51]
Cây lạc tiên 35
Táo chƣa chín NS
Pectin cam quýt NS
Ứng dụng y sinh / dƣợc phẩm Nguồn pectin Mức độ ester hóa (%) Pectin/Arabinoxylans NS Mức cholesterol [7]
Chất xơ hòa tan trong thực
phẩm NA
Chuối chanh dây 52
Loại bỏ kim loại [5,7]
Cỏ biển, pectin cam quýt 60
Cỏ biển P. iwatensis 2,54-6,91
Cam quýt thƣơng phẩm / củ
cải đƣờng 16,35
Pectin cam quýt 3,8
Pectin cam quýt NS
Pectin cam quýt 1
Ngăn ngừa ung thƣ [8] Pectin biến tính NS
Ung thƣ tuyến tiền liệt [53]
Pectin cam quýt biến tính NS Pectin cam quýt (P-9135) 6,7
Ung thƣ ruột kết [53] Pectin chanh / Táo biến tính 30, 60, 90 Bệnh ung thƣ tuyến tụy
Ứng dụng y sinh / dƣợc
phẩm Nguồn pectin
Mức độ ester hóa (%)
Ung thƣ vú [8] Polysaccharide pectic NS
Di căn [53]
Pectin cam quýt biến tính NS Pectin cam quýt biến tính 6,7
Quả bí ngơ 5,4
Tác dụng chống tăng sinh [8]
Pectin cam quýt NS
Củ cải đƣờng biến tính 18, 55, 57, 62 Pectin cam quýt biến tính NS
Chuyển gen [67] Pectin trong cam quýt 26
Kỹ thuật mô [67] Pectin biến tính với
oligopeptide LM
Làm lành vết thƣơng [74] Amidated pectin LM
Bao gói thuốc [68, 70]
Cam qt, bí đỏ 48,44; 8,1; 30
Unipectine OF300C
Chất mang thuốc qua đƣờng mũi [74]
Pectin thƣơng mại 29, 38, 70
Fentanyl Pectin NA
Ứng dụng y sinh / dƣợc
phẩm Nguồn pectin
Mức độ ester hóa (%)
[74] Cesapectin ® 32
Chất mang thuốc đại
tràng [74] Pectin cam quýt 36,25; 10,35
* NA: Không áp dụng; NS: Không hiển thị; LM: Methoxyl thấp.
1.5. SƠ LƢỢC VỀ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG (Cd, Pb)
Kim loại nặng đƣợc định nghĩa là những nguyên tố có số hiệu nguyên tử lớn hơn 20 và mật độ nguyên tử trên 5 g/cm 3
và phải thể hiện các tính chất của kim loại. Kim loại nặng có thể đƣợc phân loại rộng rãi thành hai loại: kim loại nặng thiết yếu và không cần thiết. Kim loại nặng thiết yếu là những kim loại nặng cần thiết cho các sinh vật sống để thực hiện các quá trình cơ bản nhƣ tăng trƣởng, trao đổi chất và phát triển các cơ quan khác nhau. Có rất nhiều kim loại nặng thiết yếu nhƣ Cu, Fe, Mn, Co, Zn và Ni vì chúng tạo thành các đồng yếu tố quan trọng về mặt cấu trúc và chức năng đối với các enzym và các protein khác của thực vật. Các nguyên tố thiết yếu thƣờng đƣợc yêu cầu ở dạng vi lƣợng ở mức 10-15 ppm và đƣợc gọi là vi chất dinh dƣỡng. Các kim loại nặng không cần thiết nhƣ Cd, Pb, Hg, Cr và Al không cần thiết đối với thực vật ngay cả ở một lƣợng nhỏ, đối với bất kỳ quá trình trao đổi chất nào. Các kim loại nặng đƣợc quan tâm trong nghiên cứu này là Cadimi (Cd) và Chì (Pb).
1.5.1. Tính chất của Cd và Pb
1.5.1.1. Tính chất vật lý của Cd và Pb
Cadimi và Chì đều là các kim loại nặng có ánh kim. Cadimi là kim loại nóng chảy, có màu trắng bạc nhƣng trong khơng khí ẩm, nó dần bị bao phủ bởi lớp màng oxit nên mất ánh kim, cịn chì kim loại có màu xám xanh, mềm, bề mặt chì thƣờng mờ đục do bị oxi hố.
Bảng b1.2: Một số hằng số vật lý quan trọng của Cadimi và Chì Hằng số vật lý Cd Pb Khối lƣợng nguyên tử (đvc) 112,411 207,21 Nhiệt độ nóng chảy (oC) 321,07 327,4 Nhiệt độ sôi (oC) 767 1740 Tỉ khối (25oC) (g/cm3) 8,642 11,530
Năng lƣợng ion hóa thứ nhất (eV)
8,99 7,42
Bán kính nguyên tử (Å) 1,56 1,75
Cấu trúc tinh thể Lục giác bó chặt Lập phƣơng tâm diện
1.5.1.2. Tính chất hóa học của Cd và Pb
Ở nhiệt độ thƣờng Cadimi và Chì bị oxi hố bởi oxi khơng khí tạo thành lớp oxit bền, mỏng bao phủ bên ngồi kim loại.
Cadimi và Chì tác dụng đƣợc với các phi kim nhƣ halogen tạo thành dihalogenua, tác dụng với lƣu huỳnh và các nguyên tố không kim loại khác nhƣ photpho, selen.
Ở nhiệt độ thƣờng Cadmi và Chì bền với nƣớc do có màng oxit bảo vệ. Nhƣng ở nhệt độ cao Cd khử hơi nuớc biến thành oxit, cịn khi có mặt oxi, chì có thể tƣơng tác với nƣớc tạo thành hyđroxit.
1.5.2. Sự nhiễm độc của Pb và Cd
Chì (Pb) tồn tại ở nhiều dạng trong các nguồn tự nhiên trên khắp thế giới và hiện là một trong những kim loại vết phân bố đồng đều và rộng rãi nhất. Đất và thực vật có thể bị ơ nhiễm chì từ khói xe, bụi và khí từ các nguồn công nghiệp khác nhau.
Pb 2+ đƣợc phát hiện là chất độc cấp tính đối với con ngƣời khi tồn tại với lƣợng cao. Vì Pb 2+
không phân hủy sinh học, nên một khi đất đã bị ơ nhiễm, nó vẫn là nguồn phơi nhiễm Pb 2+
lâu dài. Ô nhiễm kim loại có tác động có hại đối với các hệ thống sinh học và không trải qua quá trình phân hủy sinh học [75].
Đất có thể bị ô nhiễm Pb từ một số nguồn khác nhƣ các khu công nghiệp, từ nhiên liệu pha chì, đƣờng ống dẫn nƣớc bằng chì cũ, hoặc thậm chí các khu vƣờn cây ăn quả cũ trong q trình sản xuất có sử dụng arsen chì. Chì tích tụ khoảng 20cm dƣới mặt đất và rất bất động. Sự ô nhiễm là lâu dài. Nếu khơng có biện pháp khắc phục, mức độ chì cao trong đất sẽ khơng bao giờ trở lại bình thƣờng [75].
Trong mơi trƣờng, chì đƣợc biết là chất độc đối với thực vật, động vật và vi sinh vật. Các ảnh hƣởng thƣờng đƣợc giới hạn ở những khu vực đặc biệt bị ơ nhiễm [76]. Ơ nhiễm Pb trong mơi trƣờng tồn tại ở dạng khơng hịa tan, và các kim loại độc hại gây ra các vấn đề nghiêm trọng về sức khỏe con ngƣời, cụ thể là tổn thƣơng não và chậm phát triển [77].
Cadimi và các hợp chất của nó có độc tính cao và việc tiếp xúc với kim loại này đƣợc biết là có thể gây ung thƣ và nhắm vào các hệ thống tim mạch, thận, tiêu hóa, thần kinh, sinh sản và hơ hấp của cơ thể [78-81].
1.5.3. Phƣơng pháp xác định kim loại nặng.
Hiện nay, có rất nhiều phƣơng pháp khác nhau để xác định Cadimi và Chì nhƣ phƣơng pháp phân tích khối lƣợng, phân tích thể tích, điện hố, phổ phân tử, sắc ký lỏng hiệu năng cao, phổ phát xạ nguyên tử, phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa và không ngọn lửa... Sau đây là phƣơng pháp hóa học xác định Cadimi và Chì bằng phƣơng pháp hóa học.
Nhóm các phƣơng pháp này dùng để xác định hàm lƣợng lớn (đa lƣợng) của các chất, thông thƣờng lớn hơn 0,05%, tức là mức độ miligram. Các trang thiết bị và dụng cụ cho các phƣơng pháp này là đơn giản và không đắt tiền.
Phƣơng pháp xác định kim loại nặng đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này là phƣơng pháp chuẩn độ tạo phức Complexom.
Chuẩn độ tạo phức là một hình thức phân tích thể tích trong đó sự hình thành phức chất có màu đƣợc sử dụng để chỉ ra điểm kết thúc của quá trình chuẩn độ. Chuẩn độ tạo phức đặc biệt hữu ích để xác định hỗn hợp các ion kim loại khác nhau trong dung dịch. Một chất chỉ thị có khả năng tạo ra sự thay đổi màu sắc rõ ràng thƣờng đƣợc sử dụng để phát hiện điểm cuối của phép chuẩn độ.
Axit etylenglicoltetraacetic (EDTA), có bốn nhóm cacboxyl và hai nhóm amin có thể hoạt động nhƣ các chất cho cặp điện tử, hoặc bazơ Lewis. Khả năng EDTA có khả năng hiến tặng sáu cặp electron đơn lẻ của nó để hình thành liên kết cộng hóa trị tọa độ với các cation kim loại làm cho EDTA trở thành phối tử lục phân. Tuy nhiên, EDTA thƣờng chỉ bị ion hóa một phần, và do đó hình thành ít hơn sáu liên kết cộng hóa trị tọa độ với cation kim loại nhƣ tetradentat.
Disodium EDTA thƣờng đƣợc sử dụng để chuẩn hóa các dung dịch nƣớc của các cation kim loại chuyển tiếp. Disodium EDTA (thƣờng đƣợc viết là Na2H2Y) chỉ tạo bốn liên kết cộng hóa trị tọa độ với các cation kim loại ở giá trị pH ≤ 12. Trong phạm vi pH này, các nhóm amin vẫn đƣợc proton hóa và do đó khơng thể tặng electron để hình thành liên kết cộng hóa trị tọa độ.
EDTA tạo thành phức chất bền đƣợc gọi là hợp chất chelate, với hầu hết các ion kim loại đa hóa trị nhƣ Sắt3+
và Mg2+ theo phản ứng thể hiện trong phƣơng trình sau.
(Y = anion EDTA) Na4Y + FeCl3 → NaFeY + 3NaCl Na4Y + MgCl2 → Na2MgY + 2NaCl
Để thực hiện chuẩn độ cation kim loại bằng EDTA, hầu nhƣ luôn luôn cần sử dụng chất chỉ thị phức để xác định khi nào đạt đến điểm cuối. Chất chỉ thị phổ biến là thuốc nhuộm hữu cơ nhƣ Fast Sulphon Black, Eriochrome Black T. Sự thay đổi màu sắc cho thấy chất chỉ thị đã bị dịch chuyển (thƣờng
bằng EDTA) khỏi các cation kim loại trong dung dịch khi đã đạt đến điểm cuối. Do đó, chất chỉ thị tự do (thay vì phức kim loại) đóng vai trị là chất chỉ thị điểm cuối.
1.6. ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ TRÊN VẬT LIỆU POLYSACCHARIDE DẠNG PECTIN DẠNG PECTIN
1.6.1. Các khái niệm cơ bản
Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách pha (khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ gọi là chất hấp phụ, cịn chất đƣợc tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ [82]. Hiện tƣợng hấp phụ xảy ra do lực tƣơng tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Tuy theo bản chất lực tƣơng tác mà ngƣời ta có thể chia hấp phụ thành 2 loại: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
1.6.1.1. Hấp phụ vật lý:
Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực Van der Walls yếu. Đó là tổng hợp của nhiều loại lực khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hƣớng. Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ khơng tạo thành hợp chất hố học (khơng tạo thành các liên kết hóa học) mà chất bị hấp phụ chỉ ngƣng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ. Do vậy, trong q trình hấp phụ vật lý khơng có sự biến đổi đáng kể cấu trúc điện tử của cả chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ khơng lớn, năng lƣợng tƣơng tác thƣờng ít khi vƣợt quá 10 kcal/mol, phần nhiều từ 3 ÷ 5 kcal/mol và năng lƣợng hoạt hóa khơng vƣợt quá 1 kcal/mol [82].
1.6.1.2. Hấp phụ hóa học:
Xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo hợp chất hóa học với các phân tử chất bị hấp phụ. Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thơng thƣờng (liên kết ion, cộng hóa trị, liên kết phối trí…) Nhiệt hấp phụ hóa học tƣơng đƣơng với nhiệt phản ứng hóa học và có thể đạt tới giá trị 100 kcal/mol. Cấu trúc điện tử của cả chất hấp phụ và chất bị hấp phụ đều có sự biến đổi sâu
sắc, tạo thành liên kết hóa học. Trong thực tế, sự phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học chỉ là tƣơng đối vì ranh giới giữa chúng khơng rõ rệt. Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [82].
1.6.1.3. Dung lượng hấp phụ:
Dung lƣợng hấp phụ (q) là lƣợng chất bị hấp phụ (độ hấp phụ) bởi 1 gam chất hấp phụ rắn [82] đƣợc tính theo cơng thức:
(1.1)
Trong đó:
q: lƣợng chất bị hấp phụ (mg/g).
C0, Ccb: nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/l).
V: thể tích dung dịch (l).
m: khối lƣợng chất hấp phụ (g).
1.6.1.4. Hiệu suất hấp phụ:
Hiệu suất hấp phụ (H) là tỉ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ (C) và nồng độ dung dịch ban đầu C0 [83].
(1.2)
1.6.2. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt
Một hệ hấp phụ khi đạt đến trạng thái cân bằng, lƣợng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ:
q = f(T, P hoặc C) (1.3)
Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đƣờng biểu diễn q = fT(P hoặc C) đƣợc gọi là đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt biểu diễn sự phụ thuộc của dung lƣợng hấp phụ tại một thời điểm vào nồng độ cân bằng
hoặc áp suất của chất bị hấp phụ tại thời điểm đó ở một nhiệt độ xác định [82]. Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt đƣợc mô tả qua các phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry, Freundlich, Langmuir… Ngƣời ta cịn có thể sử dụng nhiều các dạng phƣơng trình đẳng nhiệt khác.
Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir:
Khi thiết lập phƣơng trình hấp phụ [82], Langmuir đã xuất phát từ các giả thuyết sau:
Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định.
Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân.
Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lƣợng hấp phụ trên các trung tâm là nhƣ nhau và khơng phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh. Phƣơng trình Langmuir đƣợc xây dựng cho hệ hấp phụ khí rắn, nhƣng cũng có thể áp dụng cho hấp phụ trong mơi trƣờng nƣớc để phân tích các số liệu thực nghiệm.
Trong pha lỏng phƣơng trình có dạng:
(1.4)
Trong đó:
KL: hằng số (cân bằng) hấp phụ Langmuir
q: dung lƣợng hấp phụ (lƣợng chất bị hấp phụ/1 đơn vị chất hấp phụ) qmax: dung lƣợng hấp phụ tối đa của chất hấp phụ (lƣợng chất bị hấp
phụ/1 đơn vị chất hấp phụ) C: nồng độ dung dịch hấp phụ Phƣơng trình (1.4) có thể viết dƣới dạng:
(1.5)
Để xác định các hệ số trong phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, ngƣời ta chuyển phƣơng trình (1.5) về dạng tuyến tính (1.6):
(1.6)