- Khảo sát, tìmđiều kiện phản ứng để điều chế sucrose ester từ nguồn nguyên liệu acid béo C8, C10, C12và dầu dừa
- Khảo sát một số tính chất của sản phẩm điều chế được
2.2. Nội dung nghiên cứu
Methyl ester của acid béo là những chất không phân cực, còn sucrose là chất phân cực, để phản ứng xảy ra cần sử dụng dung môi có khả năng hòa tan hai tác chất
này, nhằm tạo hỗn hợp phản ứng đồng thể. Ngoài ra, với hóa chất thông dụng, rẻ
tiền, phảnứng tương đối đơn giản và cho hiệu suất cao nên tổng hợp sucrose ester
bằng phương pháp chuyển đổi ester hóa học thực hiện trong dung môi vẫn được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Mặc dù, hạn chế duy nhấtcủa phương pháp này là dùng dung môi có khả năng ảnh hưởng đến sức khỏe con người dẫn đến sản phẩm chưa đượcứng dụng nhiều trong lĩnh vực thực phẩm nói riêng, nhưng nếu dung môi
được khống chế ở hàm lượng cho phép thì sản phẩm vẫn có thể được sử dụng.
Trong nghiên cứu này, chọn phương pháp tổng hợp sucrose ester bằng phản ứng chuyển đổi ester hóa học thực hiện trong dung môi nhằm góp phần với xu hướng nghiên cứu trên thế giới nhưng chưađược nghiên cứu sâuởViệt Nam.
Theo đó, chọn DMSO làm dung môi cho phản ứng chuyển đổi ester vì đun nóng
ổn định, hòa tan được tác chất và ít độc hơn so với các dung môi cùng loại khác. Dung môi phản ứng thường chiếm 20-150% tổng khối lượng sucrose và alkyl ester của acid béo [33]. Trong nghiên cứu này, DMSO được sử dụng là 70.8-145.8% tổng khốilựơng sucrose và methyl ester.
Chọn methyl ester của octanoic acid, decanoic acid, dodecanoic acid làm tác chất
trong phản ứng chuyển đổi ester vì sản phẩm phụ sinh ra là methanol - rượu đơn giản và có nhiệt độ sôi thấp (ts = 64,50C ở 760 mmHg) nên dễ dàng loại nó ra khỏi
hỗn hợp sản phẩm phản ứng bằng chưng cất, làm cân bằng phản ứng chuyểndịch về
thành phần dầu dừa. Tạo bước chuyển động cho việc ứng dụng dầu dừa trong việc
sản xuất sucrose ester.
Phản ứng chuyển đổi ester giữa sucrose và methyl ester của acid béo là phản ứng thuận nghịch, thu nhiệt, do đó cần cung cấp nhiệt cho phản ứng. Tuy nhiên, sucrose rất dễ bị caramel hóa ở nhiệt độ cao (t0 caramel hóa (sucrose) = 1860C) và theo thời gian. Mặt khác, phản ứng chuyển đổi ester là phản ứng thuận nghịch nên nhiệt độ và thời gian phản ứng có ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng và độ ester hóa của sản phẩm. Vì thếtrong nhiệt độvà thời gian phản ứng cũng được khảo sát trong nghiên cứu này.
Phản ứng chuyển đổi ester giữa sucrose và methyl ester của acid béo trong dung môi DMSO với sự có mặt của xúc tác base K2CO3 cần được thực hiện trong điều
kiện khan nước, nhằm tăng hiệu suất và dễ dàng tinh chế sản phẩm. Do đó, phản ứng thường cần điều kiện nhiệt độ cao và áp suất chân không nhằm đảm bảo
không có H2O trong quá trình phản ứngđồng thời tách loại được methanol ngay khi nó hình thành.
Sucrose ester có độ ester hóa từ 1-5 có thể được tổng hợp với tỷ lệ mol methyl ester và sucrose tương ứng với tỷ lệ cân bằng [32]. Khi tỷ lệ mol giữa sucrose và methyl ester của acid béo càng tăng thì hàm lượng sucrose mono-ester thu được càng tăng. Tuy nhiên, xét về tính kinh tế và lượng dung môi DMSO sử dụng, để
tổng hợp sucrose mono-ester của decanoic acid, trong nghiên cứu này cũng tiến
hành khảo sát tỷ lệmol giữa sucrose và methyl ester
Vì xúc tác K2CO3 là tác chất cho phản ứng tạo kali sucrate nên trong nghiên cứu này
2.3 Hóa chất và dụng cụ
Hóa chất Thiếtbị- Dụngcụ
- Methanol (Trung Quốc)
- Octanoic cid (Merck) - Decanoic acid (Merck) - Dodecanoic acid (Merck)
- Sulfuric acid H2SO4 98%(Trung Quốc)
- Sodium sulfate Na2SO4(Trung Quốc)
- Potassium carbonate K2CO3(Trung Quốc)
- Sodium chloride NaCl (Trung Quốc)
- Sucrose C12H22O11 (Trung Quốc)
- Dimethylsulfoxide (DMSO) - n- butanol (Trung Quốc)
- Cloroform CHCl3 (Trung Quốc)
- Acid acetic CH3COOH (Trung Quốc)
- Bảnmỏng silicagel - Giấy kiểm tra pH - Bình cầu250 ml - Bình cầu2 cổnút nhám 250ml - Bếp khuấytừ +cá từ - Phễu nhỏgiọt - Phễu chiết 500ml
- Nhiệt kếthủyngân 2000C - Nhiệt kếrượu 1000C - Pipet 10ml, 5ml, 2ml, 1ml - Ống đong 100ml - Sinh hàn hồilưu - Hệthốngchưng cất rượu - Microwave
- Máy hút chân không - Máy cô quay chân không
2.4 Các phương pháp phân tích
2.4.1 GC/MS
GC/MS là một thiết bị gồm có hai phần: sắc ký khí và khối phổ. Phần sắc ký khí bao
gồm cột mao quản có kích cỡ (chiều dài, đường kính, bề dày) phụ thuộc vào tính chất
của pha. Sự khác nhau về tính chất hóa học giữa các phân tử khác nhau trong hỗn hợp,
sẽ tách phân tử lần lượt đi ra dọc theo chiều dài cột. Mỗi phân tử có thời gian ra khỏi
cột (thời gian lưu) khác nhau. Và điều này cho phép khối phổ bắt các ion của phân tử.
Hình 2.1.Sơ đồ máy sắc ký khí khối phổ
Mẫu được đo GC/MS trên số hiệu máy Agilent 6890N – 5973 inert Mass selective detector. Cột mao quản HP5 ( 30m x 0.25mm x 0.25m), chế độ chia dòng split 20.
Chương trình nhiệt: giữ 600C trong 2 phút, gia nhiệt với tốc độ 100C/ phút, đến nhiệt độ 1400C giữ 1phút, tiếp tục gia nhiệt với tốc độ 300C/phút, đến 2800C giữ 20 phút.
2.4.2 TLC
Về bản chất, sắc ký bản mỏng TLC (Thin Layer Chromatography) là hệ sắc ký lỏng-rắn mà pha tĩnh rắn được trải thành lớp mỏng trên bản kính, nhựa hay kim loại. Giọt dung dịch mẫu nghiên cứu được nhỏ trên đường xuất phát cách rìa bản
khoảng 1-3 cm, còn rìa bản được nhúng vào dung môi thích hợp. Dung môi nàyđóng vai trò như pha động trong sắc ký hấp phụ lỏng-rắn. Dưới tác dụng của lực mao quản, dung môi chuyển động dọc theo lớp hấp phụ và chuyển vận các cấu tử của
hỗn hợp với các vậntốc khác nhauđưađến việc tách các cấutử.
Phương pháp sắc ký lớp mỏng có nhiều ưu điểm như: thiết bị đơn giản, thời gian phân tích tương đối nhanh, việc tách các cấu tử được thực hiện khá dễ dàng. TLC
được ứng dụng nhiều trong quá trình đồng nhất các chất (định tính) theo phương pháp làm chứng. Theo phương pháp này, tại vạch xuất phát, bên cạnh giọt dung dịch
mẫunghiên cứu, người ta nhỏ một giọt chất tương ứng với thành phần giả thiết có trong mẫu. Do các yếu tố ảnh hưởng đến Rf của các chất như nhau vì sự trùng nhau của Rf của mộtcấu tử trong mẫu của chất làm chứng cho phép chúng là Rf của
cùng một chất [34].
Để phân tích TLC, 1mL hỗn hợp mẫu được lấy ra khỏi phản ứng, chấm trên bản mỏng
Cột mao quản Bộ phận bắt khối phổ Bơm mẫu Lòđiều nhiệt Khí N2, H2, He
silicagel (0.1mm) và chloroform / methanol / acid acetic / water 80:15:8:2 v/v/v/v
được sử dụng làm dung môi chạy. Hiện màu bằng phương pháp phun methanol/acid sulfuric (1:1 v/v) và đốt nóng ở nhiệt độ 1400C trong 10 phút
2.4.3 LC/MS
Sắc ký lỏng cao áp HPLC (High Pressure Liquid Chromatography) hay sắc ký lỏng hiệu năngcao là phương pháp sắc ký được phát triển dựa trên phương pháp sắc ký
lỏng dạng cột. Trong phương pháp sắc ký cổ điển, pha động chuyển động dưới tác dụng của trọng lực qua cột sắc ký. Phương pháp này cho phép sử dụng các hạt có
kích thước nhỏ trong cột hấp phụ , làmtăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa pha tĩnh
và các phân tử đi qua nó, tăng cường khả năng phân tích các chất trong hỗn hợp. Các chất có thời gian lưu trên cột khác nhau lần lượt được thoát ra khỏi cột, đầu
dò ghi nhậncác phần tử qua nó và thể hiệnthành các peak trên sắckýđồ [34].
Hình 2.2:Sơ đồhệ máy HPLC
2.4.4 Sức căng bề mặt[21, 26, 53]
Phương pháp đo sức căng bề mặt phổ biến nhất là phương pháp sử dụng vòng Du
Nouy. Phương pháp này được đặt theo tên của một nhà vật lý học người Pháp vào những năm cuối 1800s. Hệ thống đo bao gồm: một cân micro chính xác, một vòng platinium và một cơ cấu chính xác để dịch chuyển mẫu lỏng trong cốc thủy tinh.
Vòng treo trên một giá cân bằng được đưa từ từ ngâm vào trong chất lỏng, sau đó từ từ
lỏng và vòng trong suốt quá trình kéo. Sức căng bề mặt là lực (dynes/cm) cần thiết để
kéo vòng ra khỏi bề mặt chất lỏng.
(a) (b)
Hình 2.3. Thiết bị đosức căng bềmặt : (a)–vòng Du Nouy (b)–Thiết bị đo SCBM
2.5 Thực nghiệm
2.5.1 Điều chế Methyl ester [5, 12, 47]
Methyl ester là nguồn nguyên liệu trung gian trong quá trìnhđiều chếsucrose ester từ
acid béo.
Điều chếmethyl ester bằng phảnứng ester hóa giữa methanol và acid béo thực hiện trong máy microwave do có những ưu điểm:
Hiệu suất phảnứng cao: > 90%
Thời gian phảnứng ngắn: 20 phút/mẻ
Phảnứng được thực hiện trong bình cầu có dung tích 250ml có gắn sinh hàn hồi lưu và được gia nhiệt bằng máy microwave.
Đây là phảnứng thuận nghịch nên để phảnứng xảy ra theo chiều mong muốn, cần sử
dụng một lượng dư một tác chất ban đầu phảnứng.Ở đây sửdụng dư lượng methanol. Hệphản ứng gồm 1 mol acid béo, 3 mol methanol và 3ml H2SO4 98% được cho vào bình cầu . Máy microwave được đặt ở chế độ công suất 120W trong vòng 10 phút và
điều chỉnh xuống 90W trong vòng 20 phút.
Kết thúc phản ứng, để lắng hệ và hỗn hợp sẽ tách ra làm 2 lớp. Ta chiết tách bỏ lớp
dưới, thu lấy lớp trên, sau đó dùng Na2CO3 bão hòađể trung hòa. Kiểm tra pH của dung dịch bằng quỳ tím. Rửa hệ với dung dịch NaCl bão hòa rồi chiết bỏ lớp dưới.
Làm khan hệvới một lượng natri sulfate khan trong từ 1 đến 2 ngày rồi lọc bỏNa2SO4. Cô quay thu hồi methanol. Methyl ester thu được sau khi cô quay được đem đi phân
tích bằng sắc ký khí khối phổ GC/MS Agilent 6980N – 5973 Mass selective detector tại phòng phân tích của viện Khoa học công nghệVật liệu và Ứng dụng –số 01 Mạc
Đĩnh Chi –Quận 1 –Tp.HCM.
Hình 2.4. Quy trìnhđiều chếmethyl ester C8, C10, C12 Hiệu suất phảnứng Methyl ester được tính theo công thức:
(%) tt 100% Methylester lt m H x m (CT 2.1)
Trong đó: mtt: khối lượng methyl ester nhận được bằng thực nghiệm
Chiết tách Trung hòa Rửa Làm khan Cô quay Methyl esters H2SO4 Acid béo C8, C10, C12 Methanol N Naa22CCOO33 NaCl Na2SO4khan Ester hóa CH3OH
Quy trìnhđiều chế Methyl ester của các acid béo C8, C10, C12
Mlt: khối lượng methyl ester tính theo lý thuyết, theo công thức: * acid lt methylester acid m m M M (CT 2.2)
Trong đó: macid: khối lượng acid béo sửdụng cho phảnứng Macid: phân tửkhối của acid béo tương ứng
Mmethyl ester: phân tửkhối của methyl ester tương ứng với acid.
2.5.2 Điều chếmethyl ester dầu dừa
Hình 2.5. Quy trìnhđiều chế Methyl ester từ dầu dừa
Phảnứng được thực hiện trong bình cầu có dung tích 250ml có gắn sinh hàn hồi lưu và được gia nhiệt bằng máy microwave.
Đây là phảnứng thuận nghịch nên để phảnứng xảy ra theo chiều mong muốn, cần sử
dụng một lượng dư một tác chất ban đầu phảnứng.Ở đây sửdụng dư lượng methanol. Hệphảnứng gồm 1 mol dầu dừa, 7.5 mol methanol và sodium silicate 3% khối lượng của dầu dừa được cho vào bình cầu . Máy microwave được đặt ở chế độ công suất 70W trong vòng 15 phút. Kết thúc phản ứng, lọc thu lấy kết tủa, để lắng hệ và hỗn
Sodium silicate Methanol Dầu dừa
Phản ứng chuyển hóa ester
Lọc Tách pha Rửa Làm khô Biodiesel Glycrein H2O
hợp sẽtách ra làm 2 lớp. Ta chiết tách bỏ lớp dưới (glycerin), thu lấy lớp trên, sau đó
rửa với nước. Rửa hệ với dung dịch NaCl bão hòa rồi chiết bỏlớp dưới. Làm khan hệ
với một lượng natri sulfate khan từ 1 đến 2 ngày rồi lọc bỏ Na2SO4. Cô quay thu hồi methanol.
Methyl ester thu được sau khi cô quay được đem đi phân tích bằng sắc ký khí khối phổ
GC/MS Agilent 6980N – 5973 Mass selective detector tại phòng phân tích của viện Khoa học công nghệ Vật liệu và Ứng dụng – số 01 Mạc Đĩnh Chi – Quận 1 –
Tp.HCM.
Hiệu suất điều chếmethyl ester dầu dừa được tính dựa trên kết quả đo phổGC/MS:
100 * (%) S H Smethylesterdd rdd methyleste
Hmethyl ester dd: hiệu suất methyl ester dầu dừa
Smethyl ester dd: diện tích methyl ester dầu dừa
ƩS: Tổng diện tích của các chất có trong sản phẩm
2.5.3. Điều chếsucrose ester
Phản ứng chuyển đổi ester giữa sucrose và methylester trong dung môi DMSO với xúc
tác K2CO3 được thực hiện trong bình cầu hai cổ (dung tích 250ml)ở điều kiện áp suất
chân không (600mmHg) theo trình tự như sau:
Sucrose và một lượng xúc tác K2CO3 được cho vào bình cầu 2 cổ, gia nhiệt giảm áp
để bay hơi ẩm. Sau đó, dung môi DMSO được thêm vào bình, điều chỉnh tốc độ
khuấy của bếp để phân tán đều sucrose và K2CO3 trong dung môi. Tiếp tục cho methyl ester vào phản ứng.
Dùng sắc ký bản mỏng để theo dõi sự phản ứng của sucrose và methyl ester acid béo. Tiến hành: 1 ml hỗn hợp được lấy ra khỏi phản ứng, phân lập bằng n-butanol, lấy lớp trên, chấm trên bản mỏng silicagel, dùng pha động là hệ
chloroform:methanol: acid acetic: nước (35:10:4:1 v/v/v/v). Hiện màu TLC bằng
cách phun dung dịch H2SO4 10% trong ethanol và nung nóng ở 1100C trong 5 phút [19].
chưng cất bằng hệ n-butanol : NaCl 10% (1:1 v/v) ở 600C. Cho hỗn hợp dung dịch
vào phểu chiết, chiết lấy lớp trên. Tiếp tục chiết với dd NaCl 10% để loại K2CO3 (dùng giấyquỳkiểm tra pH) và sucrose dư.
Cô quay loạidung môi trong dịchchiết ởtrên ta thuđược hỗnhợp sản phẩm.
Hình 2.6: Sơ đồlắphệ phản ứng chuyển đổiester tạo sucrose ester
Khảo sát tuần tự các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển đổi ester: tỷ lệ đương lượng tác chất, thời gian, nhiệt độ, lượng xúc tác bằng cách thay đổi
yếu tố khảo sát, giữcố địnhcác thông sốcòn lại.
Để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ đương lượng tác chất, thực hiện phản ứng chuyển đổi ester ở 900C trong 5h [35] với 10% khối lượng K2CO3 so với methyl methyl ester [36]. Để tạo được nhiều sucrose mono-ester trong hỗn
hợp sản phẩm, chọn khảo sát ở 4 tỷ lệ mol sucrose/methyl decanoate là 1:1, 2:1, 3:1, 4:1.
Sản phẩm thu được ứng với điều kiện phản ứng khác nhau được quét phổ LC-MS ở Phòng Phân tích Dược liệu - Labo Hóa học cây thuốc - Đại
học Y Dược - Số 41 Đinh Tiên Hoàng - Q1 - Tp. HCM để xác định thành phần các chất, đồng thời dùng làm chuẩn so sánh giữa các kết quả tổng hợp với nhauđể chọn tỷ lệ đương lượng tác chấtphù hợp. Tỷlệ nàyđược dùngđể
khảo sát các yếu tốtiếp theo.
chất đã chọn được ở trên, nhiệt độ phản ứng 900C [35], 10% khối lượng K2CO3 so với methyl ester [36], thời gian được thay đổi: 3 [14], 4, 5, 7 [25]. So sánh độ hòa tan của các chất trong nước, chọn thời gian phản ứng cho sản
phẩm có hàm lượng sucrose monoester cao nhất và thấp nhất. Thời gian này
được dùngđể khảosát tiếpsự ảnhhưởng của nhiệt độ và lượng xúc tác.
Nhiệt độ phản ứng được khảo sát bằng cách cố định 3 thông số: tỷ lệ đương lượng tác chất, thời gian phản ứng đã chọn được ở trên và 10% khối
lượng K2CO3 so với methyl ester, nhiệt độ phản ứng được thay đổi: 70