Ngồi ra, chất hoạt động bề mặt amino acids(AAS) cịn được ứng dụng trong vật liệu nano, tạo màng PEDOT [poly (3,4 ethylenedioxythiophene), các chất hoạt động bề mặt có thể chuyển đổi( thơng qua quá trình thuận nghịch).
26
CHƯƠNG 4: CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CHIẾT XUẤT TỪ DẦU DỪA N-Acyl Prolinate- ỨNG DỤNG TIỀM NĂNG TRONG LĨNH VỰC TẨY RỬA VÀ HIỆU
QUẢ CHỐNG LẠI SARS-COV-2( COVID-19) [53] IV.1. Giới thiệu
Sản xuất xà phòng và chất tẩy rửa là ngành công nghệ hiện đại và luôn hướng tới phát triển các công thức hiệu quả hơn đáp ứng đầy đủ các nhu cầu của người tiêu dùng. Chất tẩy giặt, được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống hàng ngày và trong cơng nghiệp, bao gồm một số thành phần trong đó có cả chất hoạt động bề mặt. Khi thêm chất hoạt động bề mặt vào nước, do sự hấp phụ của chúng lên sợi và vết bẩn làm giảm sức căng bề mặt của chúng(so với nước)cho đến khi tổng của chúng trở nên nhỏ hơn sức căng bề mặt của giao diện sợi/vết bẩn lúc đó vết bẩn tự tẩy đi. Ngoài các hoạt động làm sạch và loại bỏ vết bẩn, đặc tính kháng khuẩn của các cơng thức bột giặt là những yêu cầu quan trọng cần được giải quyết.
Quần áo thường mang một lượng ẩm nhất định, điều này khiến quần áo dễ sinh vi khuẩn và vi rút gây bệnh. Sự xuất hiện gần đây của coronavirus gây hội chứng hô hấp cấp tính nghiêm trọng ở Vũ Hán và lan rộng ra khắp các quốc gia. SARS-CoV-2 (COVID-19), tương tự như virus gây ra hội chứng hơ hấp cấp tính nghiêm trọng coronavirus (SARS- CoV), đã khiến thế giới phải trải qua các làn sóng lây nhiễm chóng mặt và lấy đi tính mạng của hàng triệu người trên thế giới. Mặc dù SARS-CoV-2 chủ yếu lây nhiễm trong khơng khí, nhưng vi rút này cũng có thể lây lan từ người này sang người khác qua các bề mặt bị ô nhiễm như quần áo mà ở đó vi rút có thể tồn tại trong vài giờ và có thể là đến một ngày. Do đó, việc sử dụng bột giặt có chứa chất hoạt động bề mặt có hoạt tính kháng khuẩn để đảm bảo quần áo sạch sẽ và khơng có vi khuẩn có thể gây hại cho sức khỏe của con người đang rất được quan tâm.
Với nhu cầu sử dụng các sản phẩm “xanh” để bảo vệ môi trường ngày càng cao, việc phát triển các chất hoạt động bề mặt ít độc hại hơn đối với mơi trường biển cũng như có khả năng phân hủy sinh học tốt và tương thích sinh thái đã trở thành trọng tâm chính của ngành chất tẩy rửa chất hoạt động bề mặt. Ngày càng có nhiều sự chú ý hướng tới việc tổng hợp các chất hoạt động bề mặt có nguồn gốc từ thiên nhiên như những chất thay thế tiềm năng cho chất hoạt động bề mặt gốc dầu mỏ. Các chất hoạt động bề mặt amino acids
27
đã nổi lên như một sự thay thế do tính tương hợp sinh học tốt, đặc tính đa chức năng cũng như nhẹ và gần như vô hại đối với các sinh vật dưới nước.
Trong số các chất hoạt động bề mặt khác nhau được báo cáo, chất hoạt động bề mặt dựa trên axit amin N-acyl được chú ý đặc biệt do khả năng tạo bọt tốt, đặc tính kháng khuẩn, khả năng chống tĩnh điện, hoạt động bề mặt tốt và được coi là sản phẩm thân thiện với mơi trường. N-cocoyl-L-glutamate và potassium N-cocoyl glycinate, có ứng dụng trong mỹ phẩm và chất hoạt động bề mặt N-acyl có nguồn gốc từ phenylalanine và leucine đã được biết đến với đặc tính tẩy rửa và tạo bọt tốt. Các dẫn xuất của N-acyl Proline được biết là đóng một vai trị quan trọng bằng cách hoạt động như chất nhận liên kết hydro trong liên kết với các protein, cụ thể là các enzym, khiến cho chúng trở nên quan trọng trong nhiều ứng dụng bao gồm cả chất tẩy rửa. Các chất hoạt động bề mặt Sodium N-acyl prolinate có nguồn gốc từ dừa, cọ, karanja, Sterculia foetida và dầu hướng dương có hàm lượng oleic cao và thể hiện các đặc tính hoạt động bề mặt vượt trội, khả năng chịu canxi và độ ổn định nhũ tương cao so với chất hoạt động bề mặt Sodium dodecyl sulphat(SDS) Trong chương này, em sẽ nói về cách tổng hợp và đánh giá các đặc tính hóa lý và tẩy rửa của chất hoạt động bề mặt Sodium cocoate (1) và chất hoạt động bề mặt Sodium cocyl prolinate(2) và so sánh với chất hoạt động bề mặt thông thường SDS. Sau đó xem xét hiệu quả kháng khuẩn cũng như việc gắn kết phân tử của các chất hoạt động bề mặt với protein gai của SARS-CoV-2 giúp giảm sự lây lan của vi rút Corona có thể tồn tại trên bề mặt quần áo trong nhiều giờ. Tương tác của chúng với enzym giặt tẩy Savinase cũng được nói đến rằng liệu chất hoạt động bề mặt và enzym có thể đồng thời phát huy tác dụng của chúng mà khơng làm biến tính enzym và do đó chúng là một “ứng viên” tiềm năng trong các công thức bột giặt.
IV.2. Tổng hợp
IV.2.1 Tổng hợp chất hoạt động bề mặt Sodium cocoate (1 )
Chất hoạt động bề mặt sodium cocoat (1) được tổng hợp bằng phản ứng xà phịng hóa dầu dừa nguyên chất với NaOH để tạo thành muối natri của hỗn hợp axit béo
IV.2.2 Tổng hợp chất hoạt động bề mặt Sodium cocyl prolinate (2)
28
Dầu dừa lần đầu tiên được thủy phân bằng dung dịch NaOH. Hỗn hợp axit béo thu được sau đó được chuyển thành các dẫn xuất clorua axit béo của chúng, sau đó được phản ứng với proline trong THF với sự có mặt của TEA / DMAP, tiếp theo là khuấy với NaOH trong metanol để thu được chất hoạt động bề mặt mong muốn.
Hình 4.1. Tổng hợp chất hoạt động bề mặt (1) và (2)
Vì axit dodecanoic là axit béo dồi dào trong dầu dừa nên trọng lượng phân tử của chất hoạt động bề mặt (1) và (2) được coi là xấp xỉ với trọng lượng phân tử của Natri
dodecanoat (MW: 222,3) và Natri dodecanoyl prolinat (MW: 319,41)
IV.3. Tính chất hóa lý
IV.3.1 Nồng độ Micelle tới hạn (CMC)
CMC của các chất hoạt động bề mặt tổng hợp (1)và (2) được xác định bằng cách sử dụng phương pháp độ dẫn điện. Giá trị CMC của mỗi chất hoạt động bề mặt được lấy tại điểm mà sự thay đổi đột ngột về độ dẫn điện và có giá trị lần lượt là 15,25 mM và 3,81 mM. Do sự hiện diện của hỗn hợp các muối Natri của axit béo có độ dài chuỗi khác nhau trong chất hoạt động bề mặt (1), các mixen hỗn hợp được hình thành dẫn đến giá trị CMC thấp hơn so với giá trị CMC của Natri dodecanoat tinh khiết. Natri cocyl prolinate (2) có giá trị CMC thấp hơn so với Natri cocoat(1), có thể là do sự đóng góp thêm phần kỵ nước của gốc proline vịng, do đó có lợi cho sự hình thành micellar.
IV.3.2. Nhiệt độ Krafft
Điểm Krafft là nhiệt độ ở đó độ hồ tan bằng CMC. Nhiệt độ Krafft của chất hoạt động bề mặt (1) và (2) được xác định bằng phương pháp độ dẫn điện và so sánh với nhiệt độ của chất hoạt động bề mặt Sodium dodecyl sulfat (SDS) bán sẵn trên thị trường. Nhiệt độ
29
Krafft của SDS (16,580C).Các chất hoạt động bề mặt (1) và (2) có nhiệt độ Krafft thấp hơn (tương ứng là 9,50C và 10C) so với SDS. Giá trị thấp hơn có thể là do sự hiện diện của các chuỗi axit béo dài hơn, có xu hướng hình thành micelle dễ dàng hơn nhiều so với SDS (C12).
IV.3.3. Khả năng tạo bọt và độ ổn định của bọt
Khả năng tạo bọt của các chất hoạt động bề mặt được coi là hữu ích trong lĩnh vực cơng nghiệp tùy thuộc vào ứng dụng của chúng. Chất hoạt động bề mặt ít tạo bọt được sử dụng như một thành phần bổ sung trong công thức tẩy rửa dùng trong y tế hoặc công thức rửa chén tự động trong khi chất hoạt động bề mặt tạo bọt nhiều được sử dụng cho dầu gội và chất tẩy rửa tay.Theo quan điểm nghiên cứu các ứng dụng của chúng như là thành phần tiềm năng trong công thức chất tẩy rửa, khả năng tạo bọt của chất hoạt động bề mặt Natri cocoate (1) và chất hoạt động bề mặt Natri cocyl prolinate (2) đã được đánh giá và so sánh với chất hoạt động bề mặt thông thường SDS. Trong khoảng thời gian 1 giờ, người ta quan sát thấy chất hoạt động bề mặt (1) và (2) cho thấy khả năng tạo bọt và độ ổn định tương đối thấp hơn so với SDS (Hình 4.2). Chất hoạt động bề mặt Natri cocyl prolinate (2) cho thấy khả năng tạo bọt tốt hơn so với chất hoạt động bề mặt Natri cocoate (1), điều này có thể là do sự hiện diện của gốc proline mạch vòng. Khả năng tạo bọt thấp hơn của chất hoạt động bề mặt (1) và (2) khiến chúng trở thành những ứng cử viên lý tưởng được sử dụng trong công thức bột giặt máy giặt hơn là trong công thức bột giặt giặt tay.
Hình 4.2. Chiều cao bọt trung bình của chất hoạt động bề mặt (1),(2) và SDS theo thời
gian.
30
Khả năng tẩy rửa của chất hoạt động bề mặt (1) và (2) được đánh giá về khả năng loại bỏ các loại vết bẩn khác nhau, cụ thể là rượu vang đỏ, bùn, cà phê, dầu thực vật, gia vị Ấn Độ và đất khô từ vải bông. Sự đánh giá khả năng tẩy rửa được thực hiện lần lượt ở nhiệt độ phòng( 250C) và nhiệt độ cao hơn (ở 400C) do hoạt tính tẩy rửa của chất hoạt động bề mặt bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Chất hoạt động bề mặt (2)được phát hiện có hiệu suất giặt ở 250C hiệu quả hơn chất hoạt động bề mặt (1) và SDS. Điều này có thể là do nhiệt độ Krafft của chất hoạt động bề mặt (2) thấp hơn, cho phép chất hoạt động bề mặt hình thành các micelle ở nhiệt độ thấp hơn nhiều, do đó nó hoạt động như một chất tẩy rửa hiệu quả ở nhiệt độ phòng. Điều này cho thấy chất hoạt động bề mặt (2)có tác dụng tẩy rửa tốt hơn nhiều so với chất hoạt động bề mặt (1) và SDS cũng như tiết kiệm năng lượng hơn. Người ta thấy rằng khả năng tẩy rửa của các chất hoạt động bề mặt (1), (2) và SDS khác nhau tùy thuộc vào loại vết bẩn. Các chất hoạt động bề mặt (1), (2) và SDS đều có hiệu quả trong việc loại bỏ các hạt đất khỏi vải, trong đó chất hoạt động bề mặt (2) và SDS có hoạt tính tẩy rửa tương đương. Chất hoạt động bề mặt (2) có hiệu quả hơn đối với rượu vang đỏ, bùn, vết bẩn cà phê và dầu thực vật so với chất hoạt động bề mặt (1) và SDS.
IV.5. Hoạt động kháng khuẩn
Một trong những đặc tính quan trọng nhất của bột giặt là khả năng kháng khuẩn chống lại một loạt các mầm bệnh. Vi khuẩn như Staphylococcus aureus tạo thành một phần của hệ thực vật bình thường của da và có thể là ngun nhân gây ra nhiều bệnh nhiễm trùng da. Bacillus cereus là một dịng vi khuẩn khác thường có trong đất và thực phẩm. Do đó, bột giặt khơng chỉ có tác dụng làm sạch mà cịn phải có khả năng tiêu diệt và vơ hiệu hóa các loại vi khuẩn này trong các loại vải bị ô nhiễm.
Theo quan điểm này, các đặc tính kháng khuẩn của chất hoạt động bề mặt (1) và (2) được đánh giá chống lại các chủng vi khuẩn gram dương và gram âm. Chất hoạt động bề mặt (1) và (2) cho thấy các hoạt động kháng khuẩn vừa phải đối với vi khuẩn gram dương và có hoạt tính kháng khuẩn tốt hơn chất hoạt động bề mặt SDS thông thường được sử dụng trong bột giặt. Tuy nhiên, chất hoạt động bề mặt (1) và (2) cũng như SDS cho thấy hoạt tính tối thiểu đối với vi khuẩn gram âm K. pneumoniae và P. aeruginosa.
31
Khi loại coronavirus mới tiếp tục lây lan, mọi người đang thực hiện các biện pháp phòng ngừa ngày càng nghiêm ngặt để đảm bảo rằng mơi trường gia đình khỏi vi rút và giảm nguy cơ lây nhiễm. Mặc dù coronavirus mới thường lây truyền qua các giọt bắn, nhưng virus này có thể tồn tại hàng giờ đến hàng ngày trên các bề mặt được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm cả quần áo và có thể lây truyền khi tiếp xúc nếu những vật liệu này bị nhiễm bẩn. Trong cuộc chiến chống lại coronavirus, các gai protein, làm trung gian cho sự xâm nhập của virus vào tế bào vật chủ. Để nghiên cứu khả năng của chất hoạt động bề mặt (1) và (2) hoạt động như thành phần tẩy rửa đầy hứa hẹn chống lại sự lây lan của coronavirus, các thí nghiệm gắn phân tử của chất hoạt động bề mặt (1) và (2) với protein gai của SARS-CoV đã được thực hiện và kết quả được so sánh với của SDS. Người ta đã báo cáo rằng các axit amin cụ thể ở các vị trí 442, 472, 479, 480 và 487 của protein gai giúp tăng cường liên kết của vi rút với các thụ thể của vật chủ [35]. Do đó, để nghiên cứu hiệu quả của các chất hoạt động bề mặt chống lại SARS-CoV, chất hoạt động bề mặt (1) và (2) đã được “neo đậu” tại vùng lân cận của Phe 442, Phe 472, Asn 479, Asp 480 và Thr 487. Kết quả được đưa ra trong Bảng 4.1. Tất cả ba chất hoạt động bề mặt cho thấy năng lượng tự do liên kết âm trong tính chất của tất cả năm axit amin, cho thấy rằng liên kết giữa chất hoạt động bề mặt và protein gai của SARSCoV là thuận lợi. Chất hoạt động bề mặt (2) hiển thị các tương tác đầy hứa hẹn với protein gai, hầu hết cho thấy ái lực cao nhất với các axit amin quan trọng. Phân tích các liên kết của các gốc axit amin tăng vọt cho thấy chất hoạt động bề mặt (2) tương tác với các gốc axit amin Phe 442, Phe 472, Asn 479 và Asp 480 chủ yếu thông qua tương tác kỵ nước (Hình 4.3). Mặc dù chất hoạt động bề mặt (2) có thể liên kết trong vùng lân cận của Thr 487, tuy nhiên khơng có tương tác trực tiếp giữa chất hoạt động bề mặt và Thr 487. Ngoài các tương tác kỵ nước, Chất hoạt động bề mặt (2) cũng được tìm thấy để tạo liên kết hydro với Asn 457, Lys 439, Lys 465, Lys 31 và Gln 76.
Bảng 4.1. Liên kết năng lượng tự do của chất hoạt động bề mặt (1), (2) và SDS với
32
Hình 4.3. Sơ đồ tương tác của chất hoạt động bề mặt (2) đối với (a) Phe 442, (b) Phe
472, (c) Asn 479, (d) Asp 480 và (e) Thr 487
IV.7. Liên kết phân tử với enzyme Savinase
Enzyme và chất hoạt động bề mặt đều là những thành phần thiết yếu quyết định hiệu suất của bột giặt hiện đại. Mục đích của enzym tẩy rửa là phân cắt các phân tử sinh học phức tạp, giúp loại bỏ chúng. Nhiều chất hoạt động bề mặt anion được biết là làm biến tính các enzym có trong chất tẩy rửa, khiến chúng khơng có hiệu quả trong việc thực hiện các hoạt động của mình. Để tìm ra cơng thức điều chế tẩy rửa tốt hơn, cả hệ thống enzym và chất hoạt động bề mặt phải được điều chỉnh để cùng tồn tại và hoạt động cùng nhau theo cách tốt nhất có thể. Do đó, một chất hoạt động bề mặt thích hợp cho bột giặt phải được thiết kế sao cho tránh được sự các phản ứng với enzym, dẫn đến việc enzym mất cấu trúc ba chiều và bị biến tính. Savinase, một serine proteinase đã được quan tâm như là chất phụ gia phân hủy protein cho chất tẩy rửa trong ngành công nghiệp bột giặt và được sử dụng trong công thức chất tẩy rửa để loại bỏ vết bẩn do protein. Trong cả ba loại, chất hoạt động bề mặt có thể tương tác với savinase theo thứ tự là Chất hoạt động bề mặt (2)> SDS> Chất hoạt động bề mặt (1). Tuy nhiên, sự khác biệt về giá trị năng lượng liên kết của chúng là rất nhỏ, điều này chứng tỏ rằng tương tác của chất hoạt động bề mặt (1), (2)
33
và SDS với savinase có thể so sánh được. Và chất hoạt động bề mặt dựa trên proline (2) sẽ hiển thị hoạt động tương tự như của SDS thông thường, là chất hoạt động bề mặt được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành giặt.
IV.8. Nhận xét
Chất hoạt động bề mặt Sodium cocyl prolinate (2) cho thấy có các đặc tính vượt trội hơn so với chất hoạt động bề mặt Sodium cocoate (1) và SDS vì nó giúp hình thành micelle