Xƣơng là phần quan trọng của cơ thể ngƣời, có ý nghĩa to lớn về mặt sinh học và cấu trúc. Về mặt sinh học, xƣơng là nơi tập trung canxi nhiều nhất và là nơi sản xuất các tế bào máu. Còn về mặt cấu trúc, xƣơng là khung đỡ cho các bộ phận khác, hình thành nên kiến trúc và hình dáng cơ thể. Chất khoáng trong xƣơng gồm chủ yếu là HA dạng khối xốp và một số chất chứa Na+, K+, Mg2+, Cl-, F-, CO32- [6,7].
Hình 1.25: Cấu tạo của xương
Khi mới sinh ra, xƣơng có tỷ lệ collagen nhiều và tỷ lệ khoáng ít. Càng lớn lên, tỷ lệ khoáng càng tăng lên, xƣơng càng trở nên giòn, dễ gãy. Trong xƣơng ngƣời trẻ tuổi thì các pha vô định hình chiếm ƣu thế và chỉ có một phần chuyển hoá thành pha tinh thể, còn ở ngƣời trƣởng thành thì đến 70% khối lƣợng của xƣơng là HA. HA có vi cấu trúc là các sợi tinh thể dài khoảng 10 15 nm kết thành bó xốp với độ xốp từ 40
60% gồm các mao quản thông nhau tạo ra phần khung của xƣơng [8]. Do có hoạt tính sinh học, có khả năng tƣơng thích với các cấu trúc xƣơng và có tính dẫn xƣơng tốt nên HA có thể đƣợc dùng để nối ghép, thay thế xƣơng trong cơ thể ngƣời. Các phẫu thuật ghép xƣơng, chỉnh hình đã đạt đƣợc nhiều thành tựu nhờ ứng dụng vật liệu y sinh HA.
Một vấn đề lớn khác đối với y học thế giới đó là căn bệnh loãng xƣơng. Mặc dù không gây tử vong nhƣng bệnh loãng xƣơng ảnh hƣởng rất nhiều đến chất lƣợng cuộc sống của số đông ngƣời cao tuổi, đặc biệt là phụ nữ. Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), có đến 1/3 phụ nữ và 1/5 nam giới trên 50 tuổi bị bệnh loãng xƣơng. Dự báo tới năm 2050, toàn thế giới sẽ có tới 6,3 triệu trƣờng hợp gãy cổ xƣơng đùi do loãng xƣơng và 51% số này sẽ ở các nƣớc châu Á, nơi mà khẩu phần ăn hàng ngày còn rất thiếu canxi và việc chẩn đoán sớm và điều trị tích cực bệnh loãng xƣơng còn gặp rất nhiều khó khăn. Ở Mỹ, ngành y tế đã phải tiêu tốn hàng năm khoảng 14 tỉ USD để điều trị cho 1,5 triệu trƣờng hợp gãy xƣơng do bệnh loãng xƣơng gây ra [9].
1.8.1. Định nghĩa
Theo định nghĩa của Tổ chức Nông Lƣơng Liên Hiệp Quốc (FAO), phụ gia thực phẩm là chất không dinh dƣỡng đƣợc thêm vào các sản phẩm với các ý định khác nhau. Thông thƣờng, các chất này có hàm lƣợng thấp dùng để cải thiện tính chất cảm quan, cấu trúc, mùi vị cũng nhƣ bảo quản sản phẩm.
Còn theo định nghĩa của Viện Thông tin Y học Trung ƣơng, phụ gia thực phẩm là một chất có hay không có giá trị dinh dƣỡng, không đƣợc tiêu thụ thông thƣờng nhƣ một thực phẩm. Nó là một chất chủ ý bổ sung vào thực phẩm để giải quyết mục đích công nghệ trong sản xuất, chế biến, bao gói, bảo quản, vận chuyển thực phẩm, nhằm cải thiện kết cấu hoặc đặc tính kĩ thuật của thực phẩm đó.
1.8.2. Tầm quan trọng của việc sử dụng phụ gia trong thực phẩm
Phụ gia góp phần điều hòa nguồn nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất thực phẩm, tạo đƣợc nhiều sản phẩm phù hợp với sở thích và khẩu vị của ngƣời tiêu dùng. Giữ đƣợc chất lƣợng toàn vẹn của thực phẩm cho tới khi sử dụng, kéo dài thời gian sử dụng ủa thực phẩm. Tạo sự dễ dàng trong sản xuất, chế biến thực phẩm va làm tăng giá trị thƣơng phẩm trên thị trƣờng đồng thời làm giảm phế liệu trong các công đoạn sản xuất.
Những nguy hại của phụ gia thực phẩm: Sử dụng phụ gia thực phẩm không đúng liều lƣợng, chủng loại nhất là phụ gia không cho phép dùng trong thực phẩm sẽ gây hại cho sức khỏe nhƣ gây ngộ độc cấp tính, nếu dùng quá liều cho phép sẽ gây ngộ độc mạn tính, dù dùng liều lƣợng nhỏ, thƣờng xuyên, liên tục một chất phụ gia thực phẩm tích lũy trong cơ thể, gây tổn thƣơng lâu dài.
1.8.3. Quy định về sử dụng phụ gia thực phẩm
Các chất phụ gia thực phẩm chỉ đƣợc phép sản xuất, nhập khẩu, kinh doanh tại thị trƣờng Việt Nam phải có tên trong danh mục các chất phụ gia đƣợc phép sử dụng và phải đƣợc chứng nhận phù hợp tiêu chuẩn chất lƣợng vệ sinh an toàn thực phẩm bởi cơ quan có thẩm quyền. Việc sử dụng phụ gia thực phẩm trong danh mục sản xuất chế biến, xử lý, bảo quản, bao gói và vận chuyển thực phẩm phải đƣợc thể hiện theo “Quy định về chất lƣợng an toàn thực phẩm của Bộ Y tế”. Việc sử dụng phụ gia thực phẩm trong danh mục phải đảm bảo đúng đối tƣợng thực phẩm và liều lƣợng không vƣợt quá giới hạn an toàn cho phép; đáp ứng yêu cầu kĩ thuật, vệ sinh an toàn quy định cho mỗi chất phụ gia; không làm biến đổi bản chất, thuộc tính tự nhiên của thực phẩm; các chất
phụ gia thực phẩm trong danh mục lƣu thông trên thị trƣờng phải có nhãn với đầy đủ các nội dung theo quy định.
1.8.4. Phụ gia natri bicacbonat [15]
Natri hiđrocacbonat hay natri bicacbonat là tên gọi phổ biến trong hóa học, còn tên thƣờng gọi bình dân là bột nở, bột nổi, thuốc sủi ... có công thức hóa học là NaHCO3. Thƣờng ở dạng bột mịn, màu trắng, dễ hút ẩm, tan nhanh trong nƣớc, có đặc tính không mùi, không vị, khi có sự hiện diện của ion H+ khí CO2 sẽ phát sinh và thoát ra. NaHCO3 là phụ gia phổ biến, không có tính độc và nằm trong danh mục các chất phụ gia đƣợc phép sử dụng trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm, dƣợc phẩm.
Natri bicacbonat có mã hiệu thực phẩm theo tiêu chuẩn quốc tế với INS: 500ii (Sodium Hydrogen Carbonate). Muối này có tác dụng giúp thực phẩm nhanh nhừ, tiết kiệm thời gian và năng lƣợng trong quá trình tiến hành, điều chỉnh độ axit, tạo xốp, cải thiện tính chất bột và tạo nở, chống đông vón…
Dung dịch NaHCO3 tạo ra môi trƣờng kiềm, dƣới tác dụng của nhiệt độ NaHCO3 phân hủy nhanh tạo ra Na2CO3 có môi trƣờng kiềm mạnh hơn, sẽ giúp thủy phân các protein thành các axit amin; chất béo thủy phân thành glixerol và muối của các axit hữu cơ nhanh hơn.
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Dụng cụ, thiết bị và hoá chất 2.1.1. Dụng cụ 2.1.1. Dụng cụ
- Cốc thủy tinh 100 ml, 200 ml, 400 ml, 500 ml… - Chén nung, cốc cân, ống nghiệm
- Bình cầu, mắt kính thủy tinh - Nhiệt kế thủy ngân
- Cối sứ, cối mã não
- Đũa thủy tinh, thìa, kẹp sắt - Khay sắt, dao, kéo, cƣa sắt, cát - Thƣớc kẹp kĩ thuật
2.1. 2. Thiết bị
- Tủ sấy, bếp điện
- Nồi áp suất nhôm Sunhouse 3,0 lít PA 300, nhiệt độ tối đa là 1200C, áp suất là 1,7 atm
- Cân điện tử có độ chính xác ± 10-4 g
- Lò nung có nhiệt độ nung cao nhất 11000C.
2.1. 3. Hoá chất
- Nƣớc cất
- Etanol 900 (C2H5OH)
- Natrihiđrocacbonat (NaHCO3) loại PA (Trung Quốc) - Xƣơng bò tự nhiên chƣa qua xử lí.
2. 2. Nghiên cứu quy trình tách bột HA 2.2.1. Chuẩn bị phụ gia 2.2.1. Chuẩn bị phụ gia
Tiến hành pha dung dịch NaHCO3: Hòa tan 1,14 g NaHCO3 trong 1,0 lít nƣớc cất, đƣợc dung dịch NaHCO3 0,114%.
2. 2. 2. Lấy mẫu và sơ chế mẫu
Tiến hành khảo sát trên xƣơng ống của con bò ở hai vị trí khác nhau là thân xƣơng và đầu xƣơng. Xƣơng bò tự nhiên chƣa qua xử lí, loại bỏ phần thịt, mỡ và lớp màng bám bên ngoài xƣơng, sau đó cƣa và cắt xƣơng thành những khối nhỏ có kích thƣớc khoảng 4 x 6 x 6 mm.
Xƣơng sau khi đƣợc cắt, đem rửa bằng etanol và nƣớc cất để làm sạch, loại bỏ các tạp chất cơ học và các hợp chất hữu cơ, rồi tiến hành ninh mẫu ở các điều kiện nhiệt độ, áp suất và với phụ gia NaHCO3.
2. 3. Phƣơng pháp tiến hành
Việc tách HA từ phần thân xƣơng và đầu xƣơng của xƣơng bò tự nhiên đƣợc tiến hành bằng phƣơng pháp ninh, dƣới ảnh hƣởng của các yếu tố nhƣ nhiệt độ, áp suất và chất phụ gia.
Phƣơng pháp 1: Ninh mẫu xƣơng ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia. Phƣơng pháp 2: Ninh mẫu xƣơng ở điều kiện áp suất thƣờng, có phụ gia.
Phƣơng pháp 3: Ninh mẫu xƣơng ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia.
2. 3. 1. Tạo mẫu HA nguyên bản
Lấy 10,0 g mẫu xƣơng (đã thực hiện ở mục 2.2.2) giữ nguyên hình dạng và sấy
khô ở điều kiện nhiệt độ 90- 110oC, nghiền nhỏ và mịn rồi tiếp tục sấy trong thời gian 60 giờ. Lấy ½ lƣợng mẫu đem nung ở 7000C trong 2 giờ, màu sắc của mẫu xƣơng trƣớc và sau khi nung không thay đổi.
Bảng 2.1: Tên và kí hiệu các mẫu HA nguyên bản
STT Kí hiệu mẫu Tên mẫu
1 NB1 Mẫu HA đƣợc lấy từ hai đầu của xƣơng ống, giữ nguyên thành phần của xƣơng, không xử lý nhiệt
2 NB2 Mẫu HA đƣợc lấy từ thân xƣơng, đƣợc giữ nguyên thành phần, không xử lý nhiệt
3 NB3 Mẫu NB1, sau đó đem nung ở 7000C trong 2 giờ
4 NB4 Mẫu NB2, sau đó đem nung ở 7000C trong 2 giờ
2. 3. 2. Ninh mẫu xƣơng ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia
Cho 20 g mẫu xƣơng (đã thực hiện ở mục 2.2.2) và 300 ml nƣớc cất vào cốc thủy tinh chịu nhiệt có thể tích là 500 ml, để trên khay cát ở trên bếp điện rồi tiến hành ninh. Việc sử dụng khay cát với mục đích là để giữ và truyền nhiệt ổn định cho cốc chứa mẫu xƣơng ninh. Trong quá trình ninh mẫu, thƣờng xuyên kiểm tra nhiệt độ trong cốc ninh mẫu dao động trong khoảng từ 100 – 1020C, trên bề mặt dung dịch của cốc mẫu ninh xuất hiện lớp váng màu trắng nổi lên. Khi trong cốc mẫu xƣơng ninh chỉ còn khoảng 50 -70 ml dung dịch thì thay dung dịch đó đi, nhằm loại bỏ một số
hợp chất hữu cơ ở bên trong mẫu xƣơng đã đƣợc tách ra. Tiếp tục rửa sạch mẫu bằng nƣớc cất và thay nƣớc cất vào cốc mẫu rồi đem ninh, đồng thời thƣờng xuyên theo dõi thời gian ninh mẫu, màu sắc của các mẫu xƣơng trƣớc và sau khi ninh thay đổi không nhiều. Mỗi loại xƣơng đƣợc chia thành 3 phần khác nhau để thu đƣợc 3 kết quả khác nhau.
- Phần 1: Mẫu xƣơng đƣợc ninh trong cốc thủy tinh ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia, thời gian ninh gần bằng ½ thời gian của mẫu ninh tới nhừ.
- Phần 2: Mẫu xƣơng đƣợc ninh ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia và ninh mẫu tới nhừ.
- Phần 3: Lấy ½ mẫu xƣơng ở phần 2 đã đƣợc ninh tới nhừ sau đó sấy khô ở 90 - 1100C rồi đem nung ở 7000C trong 2 giờ.
Bảng 2.2: Tên mẫu, kí hiệu các mẫu HA và thời gian khảo sát ở điều kiện áp
suất thường, không có phụ gia
STT Kí hiệu
mẫu Tên mẫu
Thời gian khảo sát
1 T1 Mẫu trung gian của mẫu T2 30 giờ
2 T2 Mẫu lấy ở hai đầu xƣơng, ninh đến nhừ 58 giờ
3 T3 Mẫu T2, đem nung ở 7000C trong 2 giờ 58 giờ
4 T4 Mẫu trung gian của mẫu T5 100 giờ
5 T5 Mẫu lấy ở thân xƣơng, ninh đến nhừ 196 giờ
6 T6 Mẫu T5, đem nung ở 7000C trong 2 giờ 196 giờ
2. 3. 3. Ninh mẫu xƣơng ở điều kiện áp suất thƣờng, có phụ gia.
Cho 20 gam mẫu xƣơng (đã thực hiện ở mục 2.2.2) và 300 ml dung dịch NaHCO3 0,114% vào cốc thủy tinh chịu nhiệt có thể tích 500 ml rồi tiến hành ninh mẫu. Trong quá trình ninh mẫu xƣơng, nhiệt độ sôi của cốc xƣơng ninh là từ 100 – 1040C, trên bề mặt dung dịch của cốc mẫu ninh xuất hiện lớp váng màu trắng nổi lên. Khi dung dịch trong cốc xƣơng ninh giảm đi 80 – 100 ml thì thay dung dịch NaHCO3 trong cốc xƣơng và rửa sạch mẫu xƣơng bằng nƣớc cất, rồi cho thêm lƣợng dung dịch NaHCO3 tƣơng ứng vào. Mục đích là duy trì nồng độ dung dịch NaHCO3 ở trong cốc mẫu ninh thay đổi không đáng kể, đồng thời thƣờng xuyên theo dõi thời gian ninh mẫu. Màu sắc của mẫu xƣơng trƣớc khi ninh có màu trắng ngà đã chuyển sang màu
trắng sáng sau khi ninh. Mỗi loại xƣơng lại đƣợc chia thành 3 phần khác nhau để thu đƣợc 3 kết quả khác nhau.
- Phần 1: Mẫu xƣơng đƣợc ninh ở điều kiện áp suất thƣờng, trong dung dịch NaHCO3, thời gian ninh gần bằng ½ thời gian của mẫu ninh tới nhừ.
- Phần 2: Mẫu xƣơng đƣợc ninh ở điều kiện áp suất thƣờng, có phụ gia và ninh mẫu tới nhừ.
- Phần 3: Lấy ½ mẫu xƣơng ở phần 2 đã đƣợc ninh tới nhừ sau đó sấy khô ở 90 – 1100C rồi đem nung ở 7000C trong 2 giờ.
Bảng 2.3: Tên mẫu, kí hiệu mẫu và thời gian khảo sát ở điều kiện áp suất
thường, có phụ gia
STT Kí hiệu
mẫu Tên mẫu
Thời gian khảo sát
1 P1 Mẫu trung gian của mẫu P2 10 giờ
2 P2 Mẫu lấy ở hai đầu xƣơng, ninh đến nhừ 16 giờ
3 P3 Mẫu P2, đem nung ở 7000C trong 2 giờ 16 giờ
4 P4 Mẫu trung gian của mẫu P5 50 giờ
5 P5 Mẫu lấy ở thân xƣơng, ninh đến nhừ 90 giờ
6 P6 Mẫu P5, đem nung ở 7000C trong 2 giờ 90 giờ
2. 3. 4. Ninh ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia.
Cho 20 g mẫu xƣơng (đã thực hiện ở mục 2.2.2) và 300 ml nƣớc cất vào cốc thủy tinh chịu nhiệt có thể tích 500 ml, tiếp tục cho 800 ml nƣớc cất vào nồi áp suất, rồi cho cốc chứa mẫu xƣơng ninh vào nồi áp suất, rồi tiến hành ninh mẫu, nhiệt độ ninh mẫu trong nồi áp suất tối đa là 1200C, áp suất 1,7 atm. Trong quá trình ninh mẫu xƣơng thƣờng xuyên thay nƣớc trong cốc mẫu và trong nồi áp suất, đồng thời theo dõi thời gian ninh, màu sắc của mẫu xƣơng trƣớc và sau khi ninh không thay đổi. Mỗi loại xƣơng đƣợc chia thành 3 phần khác nhau để thu đƣợc 3 kết quả khác nhau. - Phần 1: Mẫu xƣơng đƣợc ninh ở điểu kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia, thời gian ninh gần bằng ½ thời gian của mẫu ninh tới nhừ.
- Phần 2: Mẫu xƣơng đƣợc ninh ở điểu kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia, ninh tới nhừ.
- Phần 3: Lấy ½ mẫu xƣơng ở phần 2 đã đƣợc ninh tới nhừ sau đó sấy khô rồi đem nung ở 7000
Bảng 2.4: Tên mẫu, kí hiệu mẫu và thời gian khảo sát ở điều kiện trong nồi áp
suất thường, không có phụ gia
STT Kí hiệu
mẫu Tên mẫu
Thời gian khảo sát
1 A1 Mẫu trung gian của mẫu A2 5 giờ
2 A2 Mẫu lấy ở hai đầu xƣơng, ninh đến nhừ 12 giờ
3 A3 Mẫu A2, đem nung ở 7000C trong 2 giờ 12 giờ
4 A4 Mẫu trung gian của mẫu A5 30 giờ
5 A5 Mẫu lấy ở thân xƣơng, ninh đến nhừ 52 giờ
6 A6 Mẫu A5, đem nung ở 7000C trong 2 giờ 52 giờ
2. 4. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA
2. 4. 1. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia
Các thí nghiệm đƣợc tiến hành ở nhiệt độ từ 100 - 1020C. Quan sát, theo dõi thời gian ninh của các mẫu. Sản phẩm HA đƣợc đánh giá bằng các phƣơng pháp XRD, FTIR, SEM, phân tích nhiệt và độ xốp tổng.
2. 4. 2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thƣờng, có chất phụ gia
Các mẫu xƣơng đƣợc ninh trong dung dịch NaHCO3 0,114%. Với thời gian khảo sát khác nhau. Chất lƣợng HA đƣợc đánh giá bằng XRD, FTIR và độ xốp tổng.
2. 4. 3. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia nồi áp suất, không có phụ gia
Các mẫu xƣơng đƣợc ninh trong nồi áp suất, ở nhiệt độ tối đa là 1200C và áp