STT pH 1 5 2 6 3 7 4 8 5 9 6 10
C ax ( % ) C an ( % )
Hình 3.10. Ảnh hưởng của pH đến hiệợ̣u suấố́t thu hồồ̀i, hàồ̀m lượợ̣ng Cax vàồ̀ Can
Các kết quả thực nghiệm ở bảng 3.10 và hình 3.10 cho thấy:
- Hàm lượng carbonyl vẫn cao hơn hàm lượng carboxyl trong cùng một mẫu tinh bột oxy hóa ở cùng một điều kiện, hai giá trị này trong môi trường kiềm cao hơn so với mơi trường trung tính và acid yếu. Theo nghiên cứu của tác giả Parovuori và cộng sự (1995) khi nghiên cứu oxy hóa tinh bột khoai tây bằng tác nhân H2O2 thì khả năng xúc tác Cu2+ trong môi trường acid kém hơn mơi trường kiềm, đây chính là ngun nhân khi pH tăng thì hàm lượng carbonyl, carboxyl và hiệu xuất thu hồi đều tăng [66].
- Khi oxy hóa tinh bột hạt mít bằng tác nhân H2O2 cho kết quả tương tự như trong trường hợp tác nhân NaClO khi kết quả ảnh hưởng của pH đều đạt cực đại tại pH= 9 ứng với cả ba đại lượng carbonyl, carboxyl và hiệu suất thu hồi.
Như vậy, khi khảo sát ảnh hưởng của pH đến q trình oxy hóa tinh bột bằng tác nhân H2O2 thì pH = 9 là giá trị được chọn để khảo sát các thông số tiếp theo.
3.3.4. Ảnh hường của nhiệt độ
Thực nghiệm tiến hành khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng oxy hóa tinh bột bằng tác nhân H2O2 trong điều kiện:
- Nồng độ H2O2 2%.
- Nồng độ huyền phù 20%.
- Thời gian phản ứng 90 phút.
Kết quả thực nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến q trình oxy hóa được trình bày ở bảng 3.11 và hình 3.11.
Bảng 3.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến q trình oxy hóa bằng tác nhân H2O2
STT 1 2 3 4 5
( Các chữ cái a,b,c,d,... khác nhau trong cùng một cột khác nhau về mặt thốố́ng kê - p <0.05).
C ax ( % ) C an ( % )
Carboxyl Carbonyl Hiệu suất
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nhiệợ̣t độ phảả̉n ứố́ng đến hiệợ̣u suấố́t thu hồồ̀i, hàồ̀m lượợ̣ng Cax vàồ̀ Can
Các kết quả thực nghiệm ở bảng 3.11 và hình 3.11 cho thấy: Khi tăng nhiệt độ phản ứng thì hàm lượng carbonyl và carboxyl tăng và đạt cực đại tại nhiệt độ 40oC. Điều này có thể giải thích là khi nhiệt độ lớn hơn 40oC, thuận tiện cho phản ứng tự phân hủy H2O2:
Do một phần tác nhân H2O2 bị phân hủy nên lượng H2O2 tham gia phản ứng oxy hóa tinh bột giảm, dẫn đến hàm lượng carbonyl và carboxyl tạo thành giảm.
Mặt khác, khi nhiệt độ tăng q cao thì xảy ra hiện tượng hồ hóa tinh bột gây ảnh hưởng q trình oxy hóa và q trình thu hồi tinh bột [61]. Do đó, hiệu suất thu hồi tinh bột cũng giảm dần khi tăng nhiệt độ.
Dựa vào các kết quả khảo sát, nhiệt độ phản ứng bằng 40oC là giá trị tối ưu được lựa chọn để khảo sát các ảnh hưởng tiếp theo.
3.3.5. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Thực nghiệm tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến q trình oxy hóa tinh bột hạt mít tác nhân H2O2 tiến hành trong điều kiện:
- Nồng độ H2O2 2%.
- Nồng độ huyền phù 20%.
- pH = 9.
- Nhiệt độ phản ứng 40oC.
Kết quả thực nghiệm khảo sát được trình bày ở bảng 3.12 và hình 3.12.
Bảng 3.12. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến q trình oxy hóa bằng tác nhân H2O2 STT 1 2 3 4 5 6
Thời gian phản ứng (phút)
Carboxyl Carbonyl Hiệu suất
Hình 3.12. Ảnh hưởng của thờồ̀i gian phảả̉n ứố́ng đến hiệợ̣u suấố́t thu hồồ̀i, hàồ̀m lượợ̣ng Cax vàồ̀ Can
Các kết quả thực nghiệm ở bảng 3.12 và hình 3.12 cho thấy:
- Hàm lượng carbonyl tăng nhanh trong khoảng 90 phút đầu và giảm nhẹ khi thời gian phản ứng tăng từ 90 đến 180 phút; trong khi đó, hàm lượng carboxyl tăng dần theo thời gian phản ứng. Quy luật này cũng giống với kết quả nghiên cứu của tác giả Parovuori và cộng sự (1995) khi nghiên cứu q trình oxy hóa tinh bột khoai tây
[66] và kết quả của tác giả Sangseethong và cộng sự khi nghiên cứu oxi hóa tinh bột sắn [63]. Nguyên nhân làm hàm lượng carbonyl giảm và hàm lượng carboxyl tăng sau thời gian thực hiện phản ứng oxy hóa 90 phút là do sau thời gian này hàm lượng carbonyl đủ lớn thuận tiện ưu tiên cho q trình chuyển hóa nhóm carbonyl thành carboxyl. Như vậy, q trình oxy hóa các nhóm hydroxyl trong phân tử tinh bột bằng peroxide gần như đã hồn thành trong vịng 90 phút đầu.
- Hiệu suất thu hồi của q trình oxy hóa tinh bột hạt mít cũng tăng dần theo thời gian và đạt cực trị tại 90 phút, khi thời gian càng dài thì một lượng tác nhân H2O2
dư tham gia phản ứng cắt mạch amylose và amylopectin tạo ra phân tử có khối lượng nhỏ hơn và dễ bị thất thốt trong q trình lọc rửa, do đó hiệu suất thu hồi tinh bột giảm khi tăng thời gian phản ứng oxy hóa tinh bột lớn hơn 90 phút. Do đó, phản ứng oxy hóa tinh bột hạt mít bằng tác nhân H2O2 trong thời gian 90 phút là giá trị tối ưu được lựa chọn.
- So với quá trình oxi hóa tinh bột hạt mít bằng tác nhân NaClO cho thấy cả hai quá trình đều cho kết quả tương đương: hàm lượng carbonyl giảm, hàm lượng
carboxyl tăng và hiệu xuất thu hồi giảm khi thời gian oxy hóa lớn hơn giá trị tối ưu lựa chọn.
Như vậy qua khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến q trình oxy hóa tinh bột hạt mít bằng tác nhân hydrogen peroxide thu được các điều kiện phù hợp để tổng hợp tinh bột hạt mít oxy hóa là: - Nồng độ H2O2 2%. - Nồng độ huyền phù 20% - pH = 9 - Nhiệt độ phản ứng 40oC - Thời gian phản ứng 90 phút.
3.4. Đề xuất quy trình oxy hóa tinh bột hạt mít
3.4.1. Quy trình oxy hóa tinh bột hạt mít bằng NaClO
Sau khi khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình oxy hóa tinh bột hạt mít, chúng tơi đề xuất quy trình biến tính chế tạo tinh bột oxy hóa với các thơng số tối ưu như hình 3.13.
Nước Dung dịch NaClO 3% Thời gian: 60 phút Nhiệt độ: 40oC pH = 9 HCl 0.5M Nước, ethanol Tinh bột hạt mít Tạo huyền phù 40% Oxy hóa Trung hịa
Ly tâm, rửa nhiều lần
Sấy
Tinh bột oxy hóa
Hình 3.13. Đề x́ố́t quy trình oxy hóa tinh bột hạợ̣t míố́t bằng tác nhân NaClO
Thuyết minh quy trình:
+ Tạo huyền phù tinh bột và chỉnh pH cho hệ phản ứng:
Cân chính xác lượng tinh bột hạt mít và hịa tan vào nước để tạo huyền phù 40%, sử dụng máy khuấy từ để đồng nhất hệ phản ứng, tiến hành gia nhiệt và duy trì hệ ở 40oC. Chỉnh pH = 9 bằng dung dịch NaOH 0.5M.
+ Oxy hóa tinh bột hạt mít bằng tác nhân NaClO:
Khi nhiệt độ và pH trong hệ ổn định, thêm vào hệ một thể tích dung dịch NaClO đã chỉnh pH =9 (để nồng độ chlor hoạt động 3% so với hàm lượng tinh bột khô), thời gian phản ứng 60 phút.
Kết thúc thời gian oxy hóa 60 phút, trung hịa hỗn hợp bằng dung dịch HCl 0.5M đến khi pH = 7.
+ Ly tâm rửa:
Sau khi trung hòa, mẫu đem qua ly tâm (tốc độ 5000 vòng/phút trong 15 phút), thu phần tinh bột lắng cặn thành khối đem hoà tan vào nước và tiếp tục lặp lại quá trình ly tâm thêm 3 lần để rửa sạch tinh bột bằng nước, và rửa lại lần cuối bằng ethanol (1:5).
+ Sấy:
Tinh bột sau khi rửa xong được đem đi sấy khơ ở 50oC trong 16 giờ nhằm mục đích giảm độ ẩm của tinh bột, tiêu diệt vi sinh vật, tăng thời gian bảo quản tinh bột.
3.4.2. Quy trình oxy hóa tinh bột hạt mít bằng H2O2
Tinh bột hạt mít Nước CuSO4: 0.1% Dung dịch H2O2 2% Thời gian: 90 phút Nhiệt độ: 40oC pH = 9 H2SO4 0.5M Nước, ethanol Sấy
Hình 3.14. Đề x́ố́t quy trình oxy hóa tinh bột hạợ̣t míố́t bằng tác nhân H2O2
Thuyết minh quy trình:
+ Tạo huyền phù tinh bột và chỉnh pH cho hệ phản ứng:
Cân chính xác lượng tinh bột hạt mít và hịa tan vào nước để tạo huyền phù 20%, sử dụng máy khuấy từ để đồng nhất hệ phản ứng, tiến hành gia nhiệt và duy trì hệ ở 40oC. Chỉnh pH = 9 bằng dung dịch NaOH 0.5M.
+ Oxy hóa tinh bột:
Cho thêm vào hỗn hợp huyền phù tinh bột lượng xúc tác CuSO4 (0.1% so với hàm lượng tinh bột khơ) và thể tích dung dịch H2O2 đã chỉnh pH =9 có nồng độ 2% so với hàm lượng tinh bột khô. Khuấy đều hỗn hợp ở nhiệt độ 40oC trong 90 phút.
+ Trung hịa:
Kết thúc thời gian oxy hóa 60 phút, trung hịa hỗn hợp bằng dung dịch HCl 0.5M đến khi pH = 7.
+ Ly tâm rửa:
Sau khi trung hòa, mẫu đem qua ly tâm (tốc độ 5000 vòng/phút trong 15 phút), thu phần tinh bột lắng cặn thành khối đem hoà tan vào nước và tiếp tục lặp lại quá trình ly tâm thêm 3 lần để rửa sạch tinh bột bằng nước, và rửa lại lần cuối bằng ethanol (1:5).
+ Sấy:
Tinh bột sau khi rửa xong được đem đi sấy khơ ở 50oC trong 16 giờ nhằm mục đích giảm độ ẩm của tinh bột, tiêu diệt vi sinh vật, tăng thời gian bảo quản tinh bột.
3.5. Xác định một số thành cơ bản của tinh bột hạt mít oxy hóa
Kết quả xác định một số thành phần cơ bản của tinh bột hạt mít oxy hóa được trình bày trong bảng 3.13.
Bảng 3.13. Kết quả kiểm tra một số thành phần cơ bản của JOS STT 1 2 3 4 5 6
Kết quả kiểm tra các thành phần cơ bản của tinh bột tinh hạt mít oxy hóa bởi tác nhân NaClO và tác nhân H2O2 trình bày ở bảng 3.13 cho thấy cả hai loại tinh bột đều có độ ẩm, hàm lượng tro, xơ thấp và đạt tiêu chuẩn của tinh bột sử dụng trong công nghiệp. Các kết quả này tương đối gần với các kết quả nghiên cứu của Naknaen và cộng sự [51]. Theo Xiao và cộng sự [67] đã nghiên cứu trong tinh bột gạo có hàm lượng nhóm carboxyl là 0.48% và hàm lượng nhóm carbonyl là 0.08%; trong tinh bột ngơ có hàm lượng nhóm carboxyl là 0.73% và hàm lượng nhóm carbonyl là 0.09%; trong tinh bột khoai tây có hàm lượng nhóm carboxyl là 0.95% và hàm lượng nhóm carbonyl là 0.09%. Điều này cho thấy q trình oxy hóa tinh bột hạt mít đạt hàm lượng nhóm carboxyl và carbonyl khá cao.
3.6. Xác định một số đặc tính hóa lý của tinh bột hạt mít oxy hóa3.6.1. Phổ hồng ngoại 3.6.1. Phổ hồng ngoại
Quang phổ hồng ngoại rất nhạy để theo dõi sự thay đổi của các nhóm chức cũng như thay đổi cấu trúc của các đại phân tử tinh bột. Phổ hồng ngoại của tinh bột hạt mít tự nhiên (JS) và tinh bột oxy hóa tại nồng độ tác nhân oxy hóa NaClO 3% (JOJS 3%) và H2O2 2% (JOHS 2%) được biểu diễn trên hình 3.15.
A b s o r b a n c e (3) (2) 3400 (1) 1734 1406 2932 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 Wavenumber (cm-1)
ngoại của cả ba tinh bột đều xuất hiện pic 3400 cm đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm -OH; nhóm pic 2932 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị khơng đối xứng
của liên kết C–H no; pic 1637 cm đặc trưng cho liên kết hydrogen nội phân tử; pic 1406 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết C–H no.; nhóm pic 1154 cm-
1, pic 1062 cm-1 và pic 1024 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị đối xứng của liên kết C-O-C. Tuy nhiên, trên phổ hồng ngoại của hai tinh tinh bột mít oxy hóa có xuất hiện pic 1734 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm carbonyl (C=O) trong khi phổ hồng ngoại của tinh bột hạt mít tự nhiên hồn tồn khơng xuất hiện píc này. Các nghiên cứu đo phổ FTIR cũng cho kết quả tương tự đối với tinh bột oxy hóa tạo ra từ tinh bột chuối [56], tinh bột ngô [55, 59], tinh bột đậu và tinh bột khoai tây [55].
Ngồi ra, kết quả đo phổ FTIR cịn cho thấy trong phổ của JOHS 2% có độ lớn pic của nhóm carbonyl lớn hơn trong JOJS 3%. Kết quả này một lần nữa chứng tỏ hàm lượng carbonyl tạo thành khi thực hiện oxy hóa tinh bột mít bằng tác nhân H2O2 lớn hơn khi sử dụng tác nhân NaClO. Sự hấp thụ ở số sóng 1637 cm-1 (tương ứng với liên kết hydro nội phân tử) của ba loại tinh bột có độ lớn cũng như cường độ khác nhau, độ lớn của các pic theo thứ tự: JS > JOJS > JOHS. Điều đó có nghĩa là lượng nhóm hydroxyl tham gia liên kết hydro nội phân tử giảm đáng kể trong tinh bột hạt mít oxy hóa. Trong q trình oxy hóa tinh bột hạt mít, nhóm hydroxyl đã bị oxy hóa để tạo ra các nhóm carbonyl và carboxyl.
3.6.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X
Kết quả đo nhiễu xạ tia X của tinh bột hạt mít tự nhiên và tinh bột hạt mít oxy hóa bởi hai tác nhân NaClO và H2O2 được trình bày trong hình 3.16.
C ou n ts 10 2 Theta
Kết quả đo nhiễu xạ tia X (hình 3.16) cho thấy khơng có thay đổi đáng kể nào được phát hiện trong mơ hình nhiễu xạ tia X của tinh bột hạt mít oxy hóa so với tinh bột hạt mít tự nhiên. Các pic kết tinh của cả ba tinh bột gồm hai đỉnh của góc 2θ vào khoảng 15.4°và 23.3° với một đỉnh kép tại 17.1° và 18.2°. Đỉnh tinh bột hạt mít thể hiện kiểu tinh thể loại C điển hình [24]. Kết quả này hồn toàn phù hợp với các nghiên cứu đã được cơng bố [54 55,74,76]. Như vậy, q trình oxy hóa chủ yếu xảy ra ở các vùng vơ định hình và khơng làm thay đổi cấu trúc tinh thể và của các hạt tinh bột.
3.6.3. Vi ảnh của tinh bột
Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) của tinh bột hạt mít tự nhiên và tinh bột hạt mít oxy hóa cho thấy hầu hết các hạt tinh bột hạt mít ngun liệu có dạng hình cầu hoặc nửa oval chảy tự do, các hạt tách rời nhau và không thấy bất kỳ khối nhầy hoặc dính nguyên vẹn nào, bề mặt hạt tương đối nhẵn không thấy khuyết tật chứng tỏ phương pháp trích ly và làm khơ khơng gây phá hủy tinh bột. Vi ảnh hạt tinh bột hạt mít thu được có hình dạng tương đồng với kết quả của các tác giả khác [51,68,69].
JS JOJS 2% JOJS 3% JOJS 4% JOJS 6%
JOHS 0.5% JOHS 1% JOHS 2% JOHS 3%
Hình 3.17. Ảnh SEM của JS vàồ̀ JOS ở các nồồ̀ng độ tác nhân khác nhau
Tất cả các hạt tinh bột bị oxy hóa ở các nồng độ tác nhân khác nhau khơng cho thấy sự khác biệt đáng kể với tinh bột hạt mít ngun liệu. Kết quả nghiên cứu khơng thay đổi nhiều về đặc tính bề mặt và hình dạng của hạt sau q trình oxy hóa cũng được báo cáo đối với tinh bột khoai lang [29], tinh bột chuối [54], tinh bột khoai tây [57],... Tinh bột oxy hoá vẫn giữ được cấu trúc dạng hạt nhưng bề mặt hạt tinh bột khơng cịn nhẵn như tinh bột tự nhiên mà bị bào mòn nhẹ và xuất hiện những mảnh vỡ nhỏ. Những mảnh vỡ này xuất hiện nhiều trên bề mặt hạt tinh bột oxy hóa bởi tác nhân H2O2 hơn so với tác nhân NaClO. Ngoài ra, theo nghiên cứu của Adebowale và cộng
sự (2006) lại cho thấy cấu trúc hạt tinh bột đậu kiếm oxy hóa bị vỡ ra và tạo ra các hốc
ở trung tâm của một số hạt [70]. Những quan sát khác nhau này có thể là do sự khác nhau của phương pháp oxy hóa, khác nhau về cấu trúc hạt và độ bền của hạt tinh bột.
3.6.4. Phân bố kích thước hạt
Phân bố kích thước hạt là tính chất quan trọng của tinh bột có ảnh hưởng đến chất lượng và kết cấu của nhiều sản phẩm. Kết quả xác định phân bố kích thước hạt của tinh bột hạt mít ngun liệu, tinh bột oxy hóa theo nồng độ clo hoạt động và tinh bột oxy hóa bằng tác nhân H2O2 được chỉ ra ở bảng 3.14.