Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.3. Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình deacetyl hóa
3.3.1. Kết quả xác định ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến độ deacetyl hóa của chitosan
Từ kết quả chuẩn độ thu được ta tính được độ deacetyl hóa của chitosan (DDA).
Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến độ deacetyl hóa được thể hiện ở hình 3.4.
*Các chữ cái a, b, c,.. trong đồ thị thể hiện sự sai khác có nghĩa giữa các giá trị khi phân tích ANOVA một chiều theo nồng độ với mức ý nghĩa p < 0,02.
Từ đồ thị 3.5 ta thấy, độ deacetyl phụ thuộc nhiều vào nồng độ NaOH. Khi nồng độ NaOH tăng thì độ deacetyl có xu hướng tăng. Tuy nhiên, ở nồng độ 35% và 40%
thì sản phẩm tan ít, dẫn đến độ deacetyl hóa thấp. Độ deacetyl tương ứng với nồng độ 35%, 40% là 37,45% và 45,93%. Với độ deacetyl thấp hơn 50% như vậy thì sản phẩm vẫn chưa được gọi là chitosan mà vẫn là chitin. Độ deacetyl đạt cực đại tại 45% là 61,94%, sau đó thì giảm xuống 54,09% khi tiếp tục tăng nồng độ.
Điều này được giải thích như sau:
20 30 40 50 60 70
30 35 40 45 50 55 60
DDA (%)
CNaOH(%) a
b
c
c d
Hình 3. 5. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến độ deacetyl hóa của chitosan
Nồng độ dung dịch NaOH càng thấp thì cường lực xúc tác không đủ mạnh để cắt đứt nhóm acetyl trong chitin kéo theo độ deacetyl thấp. Nồng độ NaOH càng lớn thì sự cắt nhóm acetyl càng nhiều, dẫn đến độ deacetyl hóa càng lớn nhưng càng về cuối quá trình thì khả năng loại nhóm acetyl càng khó thực hiện nên độ deacetyl hóa tăng chậm lại. Sở dĩ như vậy là do nhóm acetyl của chitin liên kết với các hợp phần khác có trong vỏ nên rất khó tách ra nên cần sử dụng NaOH có nồng độ cao hơn và nhiệt độ cao hơn (Hargono & Djaeni, 2003).
Vì vậy chọn nồng độ NaOH là 45% để tiến hành các thí nghiệm khảo sát tiếp theo để đạt độ deacetyl tốt nhất.
3.3.2. Kết quả xác định ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ deacetyl hóa của chitosan Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ deacetyl hóa được thể hiện ở hình 3.5.
Hình 3. 6. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ deacetyl hóa của chitosan
*Các chữ cái a, b, c,.. trong đồ thị thể hiện sự sai khác có nghĩa giữa các giá trị khi phân tích ANOVA một chiều theo nhiệt độ với mức ý nghĩa p < 0,02.
Phân tích dữ liệu từ đồ thị 3.6 nhận thấy rằng khi tăng nhiệt độ từ 80oCđến 90oC thì độ deacetyl tăng từ 61,94% đến 76,83%, rồi không đổi ở nhiệt độ 100oC. Sau đó lại tiếp tục tăng lên 83,88% khi nhiệt độ tăng lên 110oC đến 120oC.
Điều này được giải thích như sau:
Nhiệt độ là xúc tác mạnh cho phản ứng hóa học giữa NaOH và các nhóm acetyl trong chitin. Khi nhiệt độ càng lớn thì sự cắt nhóm acetyl càng nhiều, dẫn đến độ deacetyl hóa càng lớn. Tuy nhiên theo thời gian, lượng cơ chất gần như đã phản ứng hết với chất xúc tác thì việc tăng tiếp tục tăng nhiệt độ dẫn đến độ deacetyl gần như không tăng nữa.
Độ deacetyl đạt được tại 110oC và 120oC là không có sự khác biệt về ý nghĩa thống kê. Do đó, để đạt được độ deacetyl mong muốn và không làm giảm chất lượng sản phẩm thì nhiệt độ 110oC là lựa chọn thích hợp cho các quá trình khảo sát tiếp theo.
50 60 70 80 90
70 80 90 100 110 120 130
DDA (%)
Nhiệt độ (°C) a
b b
c c
Theo kết quả của Kader Tokatli (2017), khi thực hiện deacetyl hóa bằng NaOH 50%, 1000C, trong 12 giờ độ deacetyl đạt 84,95%. Trong nghiên cứu của Phạm Thị Đan Phương, Trang Sĩ Trung (2012) thì độ deacetyl đạt 84,2% khi thực hiện quá trình deacetyl bằng NaOH 60%, trong 20 giờ. Các kết quả này tương tự với kết quả của chúng tôi (83,88%) thực hiện ở nồng độ NaOH 45%, 1100C, trong 6 giờ. Điều này cũng cho thấy rằng chúng tôi đã rút ngắn được thời gian thu nhận chitosan nhưng vẫn đảm bảo được độ deacetyl của chitosan.
3.3.3. Kết quả xác định ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu/dung dịch NaOH đến độ deacetyl hóa của chitosan
Ảnh hưởng của tỉ lệ dung môi/nguyên liệu đến độ deacetyl hóa được thể hiện ở hình 3.7.
Hình 3. 7. Ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu/dung môi đến độ deacetyl hóa của chitosan
*Các chữ cái a, b, c,.. trong đồ thị thể hiện sự sai khác có nghĩa giữa các giá trị khi phân tích ANOVA một chiều theo tỷ lệ (g/ml) với mức ý nghĩa p < 0,02.
Qua đồ thị 3.7 ta thấy, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi ảnh hưởng rất lớn đến độ deacetyl. Khi tăng tỉ lệ từ 1/10 đến 1/15 thì độ deacetyl tăng từ 69,52% đến 83,88%.
Tiếp tục tăng từ tỉ lệ 1/15 đến 1/20 thì độ deacetyl không đối là do trong quá trình xác định độ deacetyl tiến hành chuẩn độ ở khoảng thể tích khá lớn nên không thấy sự thay đổi rõ rệt ở đây.
Điều này được giải thích như sau:
Thể tích dung môi càng tăng thì khả năng tiếp xúc của nguyên liệu và dung môi càng tăng, dẫn đến độ deacetyl ngày càng lớn. Tuy nhiên khi tăng đến một tỉ lệ nhất định, nhóm acetyl trong chitin sẽ giảm dần, nếu tiếp tục tăng tỷ lệ nguyên liệu/dung dịch NaOH lên thì độ deacetyl gần như sẽ không tăng lên nữa.
Kết quả phân tích ANOVA cho thấy, độ deacetyl hóa ở tỉ lệ 1/15 và 1/20 là không có khác biệt về ý nghĩa thống kê. Vì vậy chọn tỉ lệ 1/15 để thực hiện các thí
60 70 80 90
5 10 15 20 25
DDA (%)
Tỉ lệ nguyên liệu/dung môi (g/ml) a
b b
1/ 1/ 1/ 1/ 1/
50 60 70 80 90
3 4 5 6 7
DDA (%)
Thời gian (giờ) a
b
c
nghiệm tiếp theo để vừa tránh tốn kém chi phí và giảm khả năng cắt mạch, tăng chất lượng chitosan thành phẩm.
3.3.4. Kết quả xác định ảnh hưởng của thời gian đến độ deacetyl hóa của chitosan Ảnh hưởng của thời gian đến độ deacetyl hóa được thể hiện ở hình 3.8.
Hình 3. 8. Ảnh hưởng của thời gian đến độ deacetyl hóa của chitosan
*Các chữ cái a, b, c.. trong đồ thị thể hiện sự sai khác có nghĩa giữa các giá trị khi phân tích ANOVA một chiều theo thời gian với mức ý nghĩa p < 0,02.
Kết quả từ đồ thị 3.8 cho thấy khi tăng thời gian từ 4 giờ đến 6 giờ thì độ deacetyl cũng tăng dần từ 73,21% đến 83,88%.
Sự thay đổi như vậy là do khi kéo dài thời gian thì thời gian nguyên liệu tiếp xúc với dung môi càng tăng lên, khi đó nhóm acetyl sẽ dễ dàng tách ra khỏi chitin. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến độ deacetyl hóa cũng giống như các yếu tố khác, nếu kéo dài thời gian quá lâu, độ deacetyl sẽ tăng nhưng nó sẽ làm giảm mạch chitosan tạo thành và chất lượng sản phẩm không tốt.
Kết quả phân tích ANOVA cho thấy độ deacetyl ở thời gian 5 giờ và 6 giờ là khác biệt không có ý nghĩa thống kê. Vì vậy thời gian 5 giờ được lựa chọn cho các thí nghiệm khảo sát tiếp theo để giảm thời gian thu nhận chitosan.
➢ Độ deacetyl của chitosan sau khi thực hiện giai đoạn deacetyl hóa ở các điều kiện khảo sát đơn (nồng độ NaOH 45%, tỷ lệ nguyên liệu/ dung môi 1/15, nhiệt độ 1100C, thời gian 5 giờ) đạt được là 80,38%. Kết quả này của chúng tối cao hơn kết quả của Kader Tokatli (2017) là 78,2% và cao hơn kết quả của Nguyễn Thị Trúc Loan, Phan Thị Loan (2018) là 76,83%.
3.3.5. Kết quả khảo sát quá trình tối ưu hóa quá trình deacetyl hóa
Từ kết quả của các khảo sát đơn biến, ta tiến hành tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình deacetyl hóa: nồng độ NaOH (%), nhiệt độ, thời gian (giờ). Ảnh hưởng của các yếu tố này đến độ deacetyl hóa được thể hiện ở bảng 3 (Phụ lục 3).
Bảng 3. 6. Mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy để deacetyl hóa
Hệ số Hệ số SE Giá trị T Giá trị p
Cố định -611.254 129,868 -4,707 0,002
X1 14.527 2,576 5,640 0,001
X2 3.568 1,346 2,650 0,033
X3 57.191 12,010 4,762 0,002
X12 -0,094 0,020 -4,747 0,002
X22 -0,009 0,005 -1,864 0,105
X32 -2.499 0,494 -5,056 0,001
X1*X2 -0,027 0,015 -1,724 0,128
X1*X3 -0,514 0,154 -3,343 0,012
X2*X3 -0,053 0,077 -0,687 0,514
Bảng 3. 7. Phân tích phương sai của phương trình hồi quy để deacetyl hóa Thông số Tổng phương
sai Bậc tự do Trung bình phương sai khác
Chuẩn
Fisher Giá trị P
Mô hình 556,260 9 61,807 13,06 0,001
Độ lệch 33,129 7 4,733
Sự không
tương thích 33,129 5 6,626
Sai số 0,000 2 0,000
Tổng 16
R-Sq = 94,38% R-SQ(adj) = 87,15%
Xử lý dữ liệu bằng phần mềm Minitab 16 kết quả thí nghiệm có ý nghĩa đối với từng hệ số hồi quy (Bảng 3.6). Bảng 3.6 cho thấy 3 yếu tố (X1, X2, X3), tương tác (X1X3) và hai giá trị bậc 2 (X12, X32) liên quan đến mô hình được thể hiện rõ ràng ở mức độ tin cậy trên 95%, ngoại trừ X22, X1X2, X2X3. Hơn nữa, dữ liệu trong bảng 3.7 cũng cho thấy giá trị Fisher (13,06) và giá trị xác suất cực thấp (P = 0,001), hệ số hồi quy R2 của mô hình rất cao (94,38%). Điều đó chứng tỏ rằng mô hình hồi quy đã được thiết lập với ý nghĩa rất cao.
Tiến hành xử lý số liệu bằng phần mềm Minitab 16, ta thu được phương trình hồi quy biểu thị mối quan hệ giữa độ deacetyl và các biến độc lập như sau: Y = -611,254 + 14,527X1 + 3,568X2 + 57,191X3 – 0,094X12 – 2,499X32 – 0,514X1X3.
Trong đó Y là độ deacetyl, X1 là nồng độ NaOH (mol/l), X2 là nhiệt độ (0C) , X3
là thời gian (giờ).
Hình 3.9 cho thấy ảnh hưởng của nồng độ NaOH, nhiệt độ và thời gian đến độ deacetyl hóa, giúp tối ưu hóa các điều kiện deacetyl hóa.
a) I)
b) II)
c) III)
Hình 3. 9. Biểu đồ 2D (I, II, III) và biểu đồ bề mặt 3D (a, b, c) xác định phạm vi tối ưu của các điều kiện deacetyl hóa
Tối ưu hóa các điều kiện deacetyl hóa sẽ được giải bằng phương trình hồi quy và kết quả được chỉ ra trong hình 3.9. Các giá trị tối ưu tương ứng với giá trị cực đại của
hàm mục tiêu như sau: NaOH 47%, nhiệt độ 110,60C, tỉ lệ 1/15 (g/ml), thời gian 5,4 giờ. Trong điều kiện tối ưu thì độ deacetyl đạt cao nhất là 82,05%, cao hơn đối với kết quả khảo sát đơn là 80,83%.