Luận án tiến sĩ hóa học nghiên cứu ứng dụng
- 166 trang
- file .pdf
Lời cảm ơn
Trong thời gian thực hiện công trình nghiên cứu tôi đã nhận được nhiều sự
giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo chân tình của Thầy Cô, bạn bè, đồng nghiệp
và các Cơ quan.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Văn
Khôi đã cho những kiến thức vô cùng quí báu đồng thời giúp đỡ tận tình cùng
các Anh Chị, bạn bè, đồng nghiệp Phòng Vật liệu polyme luôn động viên, giúp đỡ
tôi thực hiện thành công luận án tiến sỹ này.
Tôi xin cảm ơn chân thành Lãnh đạo, phòng quản lý tổng hợp, các bạn
đồng nghiệp Viện Hóa học - Viện KH&CN Việt Nam đã hết lòng ủng hộ giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này.
Xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp tại Viện Hóa học, các đơn vị phối hợp
nghiên cứu: Công ty dược phẩm Hà Thành, Viện Hóa Công nghiệp Việt Nam, Viện
kiểm nghiệm thuốc Trung ương, Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng tạo mọi
điều kiện thuận lợi cũng như động viên, chia sẻ để tôi hoàn thành những phần việc
trong luận án.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô, Giáo sư, Phó giáo sư,
Tiến sĩ đã đóng góp những ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thiện luận án này.
DANH MỤC CÁC HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AA : Axit acrylic
AM : Acrylamit
AN : Acrylonitrin
AMS-1 : Tinh bột biến tính bằng axit acrylic (Acrylic acid modified
tapioca starch)
AMS-2 : Tinh bột biến tính bằng axit acrylamit (Acrylamit acid
modified tapioca starch)
Am : Amylozơ
Ap : Amylopectin
AUL : Độ hấp thụ dưới tải trọng (Absobency under load)
BMA : n-butylmetacrylat
CMS : Cacboxymetyl tinh bột
DMSO : Dimetyl sulfoxyt
DSC : Nhiệt vi sai quét (Differential Scanning Calorimetry)
DTA : Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis)
DMF : Dimetyl formamit
DS : Độ thế (Degree of subtitution)
EPI : Epiclohydrin
EMA : Etyl metacrylat
FDA : Cơ quan thực phẩm và thuốc Hoa kỳ (Food and Drug
Administration)
KPS : Kali persunfat
KT : Keo tụ
MBA : N,N'-metylenbisacrylamit
MCA : Monoclo axetic axit
MAM : Metacrylamit
MAN : Metacrylonitrin
MA : Metyl acrylat
MAA : Axit metacrylic
PA : Copolyme
RE : Hiệu suất phản ứng
SEM : Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscopy)
STMP : Matri trimetaphotphat
SMCA : Natri monocloaxetat
TGA : Phân tích nhiệt trọng lượng (Themal Gravimetric Analysis)
TSTP : Trinatri trimetaphotphat
TB : Tinh bột
TB-G : Tinh bột ghép
XRD : Nhiễu xạ tia X
%GY : Hiệu suất ghép (Graft yield)
%GE : Hiệu quả ghép ( Graft efficiency)
%TC : Chuyển hóa tổng số (Total conversion)
%KT : Phần trăm keo tụ
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Hàm lượng tinh bột ở một số loại cây ................................................. 3
Bảng 1.2. Kích thước hạt amylozơ c a một số loại tinh bột ............................... 5
Bảng 1.3. Các thành phần tá dược cho thuốc viên ............................................ 39
Bảng 3.1. Ảnh hưởng c a thời gian phản ứng đến quá trình photphat
hoá ..................................................................................................... 75
Bảng 3.2. Ảnh hưởng c a nhiệt độ tới quá trình photphat hoá ......................... 76
Bảng 3.3. Ảnh hưởng c a pH đến quá trình photphat hoá ................................ 77
Bảng 3.4. Ảnh hưởng c a tỷ lệ mol photphat/glucozơ đến quá trình
photphat hoá ...................................................................................... 78
Bảng 3.5. Ảnh hưởng c a độ thế tới độ bền lạnh đông - tan giá ....................... 83
Bảng 3.6. Ảnh hưởng c a tỷ lệ axit/tinh bột đến quá trình thuỷ phân .............. 92
Bảng 3.7. Ảnh hưởng c a nhiệt độ phản ứng tới tốc độ thuỷ phân ................... 93
Bảng 3.8. Ảnh hưởng c a tỷ lệ H2O/ tinh bột tới tốc độ thuỷ phân .................. 94
Bảng 3.9. Ảnh hưởng c a tác nhân trung hoà đến độ nhớt và hàm lượng
tro c a tinh bột biến tính ................................................................... 95
Bảng 3.10. Ảnh hưởng số lần rửa đến sự thay đổi pH ........................................ 96
Bảng 3.11. Ảnh hưởng lượng nưc rửa đến sự thay đổi pH ................................. 96
Bảng 3.12. Nhiệt độ hồ hoá (T0, Tp và Te) c a tinh bột tự nhiên và biến
tính ...................................................................................................
101 Bảng 3.13. Tính chất c a tinh bột biến tính bằng axit .......................................
104
Bảng 3.14. Một số tính chất c a viên nén thử nghiệm ...................................... 104
Bảng 3.15. Sự phụ thuộc c a trọng lượng phân tử trung bình vào thời gian phản
ứng ở các nhiệt độ khác nhau ......................................... 107
Bảng 3.16. Ảnh hưởng c a nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất thu hồi sản
phẩm, hàm lượng các nhóm chức cacbonyl, cacboxyl ................... 108
Bảng 3.17. Sự phụ thuộc c a trọng lượng phân tử trung bình vào thời
gian phản ứng với hàm lượng clo hoạt động khác nhau ................. 110
Bảng 3.18. Ảnh hưởng c a hàm lượng clo hoạt động đến hiệu suất thu hồi sản
phẩm, hàm lượng các nhóm chức cacbonyl, cacboxyl ....... 111
Bảng 3.19. Ảnh hưởng c a pH tới TLPT, hiệu suất thu hồi và hàm lượng
các nhóm chức cacboxyl, cacbonyl .................................................
112
Bảng 3.20. Ảnh hưởng c a nồng độ tinh bột đến quá trình oxy hoá ................. 113
Bảng 3.21. Nhiệt độ hồ hoá (T0, Tp và Te) c a tinh bột tự nhiên và biến
tính ...................................................................................................
117
Bảng 3.22. Phân tích nhiệt trọng lượng c a tinh bột và tinh bột oxy hoá ......... 119
Bảng 3.23. Ảnh hưởng c a các vật liệu hồ hóa lên các tính chất c a sợi ......... 121
Bảng 3.24. Ảnh hưởng c a thời gian polyme hoá lên TC, GY, GE khi ghép acrylic
lên tinh bột .................................................................. 123
Bảng 3.25. Ảnh hưởng c a nhiệt độ lên TC%, GY%, GE% khi ghép axit acrylic
lên tinh bột ........................................................................... 124
Bảng 3.26. Ảnh hưởng c a nồng độ axit acrylic lên hiệu suất ghép và hiệu
quả ghép. ..........................................................................................
125
Bảng 3.27. Ảnh hưởng c a nồng độ chất khởi đầu lên khả năng ghép .............
126 Bảng 3.28. Ảnh hưởng c a tỷ lệ lỏng/rắn tới hiệu suất ghép
........................... 126 ảng .2 . Ảnh hưởng c a hàm lượng copolyme đến quá
trình keo tụ. ........... 139 ảng . 0. Ảnh hưởng c a pH đến quá trình keo tụ
......................................... 140 ảng . 1. Ảnh hưởng c a nồng độ chất điện ly tới
quá trình keo tụ ............... 140 ảng . 2. Hiệu quả keo tụ c a copolyme với
copolyme ghép ........................ 141
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Cấu trúc phân tử amylozơ ................................................................... 6
Hình 1.1.
Hình 1.2. Cấu trúc phân tử amylopectin ............................................................. 6
Hình 1. . Cơ chế thuỷ phân tinh bột bằng axit ................................................. 32
Hình .1. Ảnh hưởng c a tỷ lệ mol photphat/ glucozơ tới hàm lượng
tro....................................................................................................... 79
Hình .2. Ảnh hưởng c a tỷ lệ mol photphat/ glucozơ tới độ tan c a
tinh bột. ..............................................................................................
80
Hình . . Ảnh hưởng c a độ thế đến khả năng trương c a tinh bột ................. 80
Hình .4. Ảnh hưởng c a tỷ lệ mol photphat/glucozơ đến độ nhớt c a
tinh bột. ..............................................................................................
82
Hình .5. Ảnh hưởng c a độ thế đến độ trong c a dung dịch hồ tinh bột ........ 84
Hình .6. Ảnh SEM c a tinh bột chưa biến tính ............................................. 85
Hình .7. Ảnh SEM c a TB photphat monoeste (tỷ lệ
mol
photphat/glucozơ 2,5:1).......................................................................
85
Hình .8. Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng c a tinh bột chưa biến
tính .....................................................................................................
87
Hình . . Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng c a tinh bột photphat
hoá (tỷ lệ mol photphat/glucozơ 2,5:1) ............................................. 87
Hình .10. Ảnh hưởng c a loại axit và thời gian đến độ nhớt tinh bột sắn biến tính
.............................................................................................. 89
Hình .11. Ảnh hưởng c a loại axit và thời gian đến hàm lượng tro c a tinh bột sắn
biến tính ......................................................................... 91
Hình .12. Ảnh hưởng c a loại axit và thời gian đến độ tan c a tinh bột sắn
biến tính .............................................................................................. 92
Hình .1 . Ảnh hưởng c a nhiệt độ sấy đến độ nhớt sản phẩm ......................... 97
Hình .14. Ảnh hưởng c a thời gian sấy đến độ nhớt sản phẩm ........................ 98
Hình .15. Ảnh kính hiển vi điện tử quét c a tinh bột sắn tự nhiên (a) và
biến tính với tỷ lệ khối lượng axit/tinh bột lần lượt là: 0,02
(b); 0,04 (c); 0,06 (d); 0,08 (e) và 0,10 (f). ....................................... 99
Hình .16. Giản đồ phân tích nhiệt c a TB sắn tự nhiên (1) và T biến
tính với tỷ lệ axit/tinh bột lần lượt là: 0,04 (2); 0,06 (3); 0,08
(4) và 0,10 (5). .................................................................................
100
Hình .17. Giản đồ nhiễu xạ tia X c a tinh bột sắn tự nhiên (1) và biến
tính với tỷ lệ axit/tinh bột lần lượt là: 0,02 (2); 0,06 ( ) và
0,10 (4). ...........................................................................................
102
Hình .18. Sự phân bố kích thước hạt c a TB sắn tự nhiên (A) và biến
tính với tỷ lệ axit/tinh bột lần lượt là: 0,02 ( ); 0,06 (C) và
0,10 (D). ..........................................................................................
103
Hình .1 . Sự thay đổi lượng clo tiêu thụ theo thời gian phản ứng ở các nhiệt độ
khác nhau........................................................................... 106
Hình .20. Ảnh hưởng c a hàm lượng clo hoạt động tới lượng clo tiêu
thụ ....................................................................................................
108
Hình .21. Ảnh hưởng c a pH tới lượng clo tiêu thụ ....................................... 111
Hình .22. Ảnh SEM c a tinh bột sắn (a,b) và tinh bột oxy hoá với hàm lượng clo
hoạt động 1% (c,d), 2% (e,f) và 4% (g,h) ....................... 115
Hình .2 . Giản đồ nhiễu xạ tia X c a tinh bột sắn (1) và tinh bột oxy
hoá với tỷ lệ clo hoạt động so với tinh bột là 1% (2), 2% ( )
và 4% (4) .........................................................................................
115
Hình .24. Giản đồ DSC c a tinh bột và tinh bột oxy hoá ............................... 116
Hình .25. Giản đồ phân tích nhiệt c a tinh bột sắn (T ) và tinh bột oxy
hoá với tỷ lệ clo hoạt động so với tinh bột là 1% (T 1), 2%
(T 2) và 4% (T 4) ......................................................................... 118
Hình .26. Phân bố kích thước hạt c a tinh bột sắn (T ) và tinh bột oxy
hoá với tỷ lệ clo hoạt động so với tinh bột là 1% (T 1), 2%
(T 2) và 4% (T 4) ......................................................................... 120
Hình .27. Ảnh hưởng c a thời gian phản ứng tới quá trình trùng hợp ghép
................................................................................................. 127
Hình .28. Ảnh hưởng c a nhiệt độ phản ứng tới quá trình trùng hợp ghép
................................................................................................. 128
Hình .2 . Ảnh hưởng c a nồng độ monome AM tới quá trình trùng hợp
ghép ................................................................................................. 129
Hình . 0. Ảnh hưởng c a nồng độ KPS tới quá trình trùng hợp ghép ........... 130
Hình . 1. Ảnh hưởng c a tỷ lệ pha lỏng/tinh bột tới quá trình trùng hợp
ghép ................................................................................................. 131
Hình . 2. Phổ hồng ngoại c a tinh bột ghép PAA .......................................... 132
Hình . . Phổ hồng ngoại c a tinh bột ghép PAM ......................................... 132
Hình . 4. Đường cong TGA c a tinh bột và tinh bột ghép ............................. 134
Hình . 5. Giản đồ phân tích nhiệt vi sai (DTA) c a tinh bột và các
copolyme ghép .................................................................................
136 Hình . 6. Ảnh SEM c a tinh bột và copolyme ghép ......................................
137
Hình . 7. Giản đồ nhiễu xạ tia X c a các copolyme ghép .............................. 138
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................
i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................
ii
DANH MỤC CÁC K HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .......................................... iii
DANH MỤC CÁC ẢNG ..................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................ vii
MỤC LỤC ..............................................................................................................
x
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ..................................................................................
3
1.1. Giới thiệu chung về tinh bột ............................................................. 3
1.2. Cấu trúc c a tinh bột ........................................................................ 5
1.3. Một số tính chất c a tinh bột ............................................................ 7
1. .1. Tính chất vật lý .......................................................................... 7
1. .2. Tính chất hóa học
...................................................................... 9 1.4. Một số phương pháp
biến tính tinh bột .......................................... 11 1.4.1. Một số phương
pháp biến tính bằng phương pháp vật
lý ............................................................................................. 11
1.4.1.1. Biến tính bằng hồ hóa sơ bộ ............................................. 11
1.4.1.2. Xử lý nhiệt ẩm .................................................................. 12
1.4.1. . Phân huỷ cơ học ................................................................ 12
1.4.2. Phương pháp biến tính bằng enzym ....................................... 13
1.4.3. Biến tính tinh bột bằng một số tác nhân hóa học..................... 14
1.4. .1. Ete hóa tinh bột ................................................................. 14
1.4.3.2. Tạo liên kết ngang .............................................................
15
1.4. . . Cation hóa ......................................................................... 18
1.4. .4. Este hoá tinh bột ............................................................... 20
1.4.3.5. Biến tính tinh bột bằng axit............................................... 31
1.4. .6. Oxy hoá tinh bột ............................................................... 40
1.4.3.7. Biến tính tinh bột bằng axit acrylic và crylamit ...............
48
1.5. Tình hình nghiên cứu biến tính tinh bột trong nước .......................
58
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................... 61
2.1. Nguyên liệu, hoá chất .................................................................... 61
2.2. Dụng cụ, thiết bị và phương pháp nghiên cứu ............................... 62
2. . Phương pháp tiến hành
................................................................... 67
2.3.1. Tiến hành phốt phát hóa .......................................................... 67
2.3.2. Tiến hành biến tính bằng axit ................................................ 69
2.3.3. Tiến hành oxi hóa tinh bột bằng hypoclorit ............................. 70
2.3.4. Tiến hành trùng hợp ghép: ....................................................... 72
2. .5. Các hằng số ghép .................................................................... 73
CHƯƠNG . KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 75
3.1. Phốt phát hóa tinh bột bằng natri hydrophotphat ........................... 75
3.1.1. Ảnh hưởng c a thời gian phản ứng ......................................... 75
3.1.2. Ảnh hưởng c a nhiệt độ ........................................................... 76
3.1.3. Ảnh hưởng c a pH ................................................................... 77
3.1.4. Ảnh hưởng c a tỷ lệ mol photphat/glucozơ ............................ 77
3.1.5. Ảnh hưởng c a độ thế tới các tính chất c a tinh bột
photphat monoeste .................................................................. 78
.1.6. Đặc trưng lý hoá c a tinh bột photphat monoeste ................... 85
3.1.6.1. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) ............................... 85
.1.6.2. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) ................................... 86
3.2. Th y phân tinh bột bằng axit .......................................................... 88
3.2.1. Ảnh hưởng c a loại axit ........................................................... 88
3.2.2. Ảnh hưởng c a tỷ lệ axit/tinh bột ............................................ 92
3.2.3. Ảnh hưởng c a nhiệt độ phản ứng ........................................... 93
3.2.4. Ảnh hưởng c a tỉ lệ nước/tinh bột ........................................... 94
3.2.5. Ảnh hưởng c a tác nhân trung hoà .......................................... 95
3.2.6. Nghiên cứu quá trình tinh chế sản phẩm đạt tiêu
chuẩn dược dụng ..................................................................... 96
3.2.7. Ảnh hưởng c a nhiệt độ và thời gian sấy lên độ nhớt c a sản phẩm
........................................................................... 97
3.2.8. Cấu trúc và tính chất nhiệt c a tinh bột biến tính bằng
axit .......................................................................................... 98
.2.8.1. Hình thái học ..................................................................... 98
3.2.8.2. Giản đồ phân tích nhiệt ................................................... 100
3.2.8.3. Nhiễu xạ tia X ................................................................. 101
3.2.8.4. Phân bố kích thước hạt ................................................... 102
3.2.9. Thử nghiệm chế tạo viên nén ................................................. 103
. . Oxy hoá tinh bột bằng natri hypoclorit ......................................... 106
3.3.1. Ảnh hưởng c a nhiệt độ và thời gian phản ứng .................... 106
3.3.2. Ảnh hưởng c a hàm lượng clo hoạt động ........................... 108
3.3.3. Ảnh hưởng c a pH ................................................................. 111
3.3.4. Ảnh hưởng c a nồng độ tinh bột ......................................... 113
3.3.5. Một số đặc trưng lý hoá c a tinh bột oxy hoá ..................... 113
. .5.1. Hình thái học bề mặt ....................................................... 113
3.3.5.2. Nhiễu xạ tia X ................................................................. 115
. .5. . Phân tích nhiệt vi sai quét (DSC) ................................... 116
. .5.4. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) ................................. 117
3.3.5.4. Phân bố kích thước hạt ................................................... 119
. .6. Hồ sợi ..................................................................................... 120
3.4. Biến tính bằng axit acrylic và acrylamit ....................................... 122
3.4.1. Biến tính bằng axit acrylic .................................................... 122
3.4.1.1. Ảnh hưởng c a thời gian ................................................ 122
3.4.1.2. Ảnh hưởng c a nhiệt độ .................................................. 123
3.4.1.3. Ảnh hưởng c a tỷ lệ tinh bột: monome .......................... 124
3.4.1.4. Ảnh hưởng c a chất khởi đầu ......................................... 125
3.4.2. Biến tính bằng acrylamit ........................................................ 127
3.4.2.1. Ảnh hưởng c a thời gian phản ứng ................................ 127
3.4.2.2. Ảnh hưởng c a nhiệt độ phản ứng .................................. 128
3.4.2.3. Ảnh hưởng c a nồng độ monome AM ........................... 129
3.4.2.4. Ảnh hưởng c a nồng độ chất khơi mào KPS ................. 129
3.4.2.5. Ảnh hưởng c a tỷ lệ pha lỏng/tinh bột ........................... 130
.4.2.6. Các đặc trưng hoá lý ....................................................... 131
3.4.2.7. Xử lý nước thải bằng T ghép theo phương pháp
keo tụ .............................................................................. 138
KẾT LUẬN CHUNG .........................................................................................
142
CÁC CÔNG T ÌNH Đ CÔNG ................................................................ 144
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................
145
1
MỞ ĐẦU
Tinh bột là polysaccarit được tìm thấy trong các loại, hạt, c , quả c a các loại
cây trồng. Nó là nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo và gần như vô tận. Tinh
bột cùng với protein và chất béo là một thành phần quan trọng bậc nhất trong chế
độ dinh dưỡng c a loài người cũng như nhiều loài động vật khác.
Ngoài ra, tinh bột còn là một trong những nguyên liệu, rẻ tiền, được ứng
dụng rộng rãi cho nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp giấy, thực phẩm,
dệt…[1] bởi những tính chất đặc trưng ưu việt c a nó [2]. Tuy vậy, tinh bột tự
nhiên vẫn còn hạn chế nhiều tính chất nên chưa đáp ứng được những mục đích sử
dụng khác nhau trong nhiều lĩnh vực như không tan trong nước lạnh, mất độ nhớt
và giảm khả năng làm đặc sau khi nấu. Ngoài ra, sự thoái hóa xảy ra sau khi mất
sự sắp xếp cấu trúc trên tinh bột hồ hóa, mà kết quả là sự tách nước trong hệ thống
thực phẩm chứa nhiều tinh bột…. [ ]. Do vậy, việc biến tính tinh bột được quan
tâm rất lớn nhằm cải thiện tính chất c a nó đáp ứng nhu cầu sử dụng. Có rất nhiều
phương pháp biến tính tinh bột khác nhau được chia thành nhiều lĩnh vực như: vật
lý, hóa học, enzym. Việt Nam là một nước nông nghiệp, tinh bột rất dồi dào, trong
đó tinh bột sắn rất được quan tâm phát triển. Tuy vậy, ch yếu sử dụng ở dạng
nguyên liệu thô chưa biến tính, giá thành rẻ. Do vậy, cần phải biến
tính để đáp ứng các nhu cầu kỹ thuật và mục đích sử dụng khác nhau.
Xuất phát từ thực tế này, đề tài “Nghiên cứu biến tính tinh bột bằng một
số tác nhân hóa học và ứng dụng” nhằm biến đổi cấu trúc, tính chất vật lý, kỹ
thuật để mở rộng khả năng ứng dụng c a tinh bột sắn, thông qua đó nâng cao giá trị
cho vật liệu này.
Với nội dung nghiên cứu bao gồm:
2
- Biến tính tinh bột bằng phương pháp phốt phát hóa và thử nghiệm trong
thực phẩm. Trong đó nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, nồng độ,
thời gian, pH, hàm lượng tinh bột...
- Biến tính tinh bột sắn bằng axit, nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng
và thử nghiệm làm tá dược.
- Oxy hóa tinh bột sắn bằng natri hypoclorit, nghiên cứu một số yếu tố
ảnh hưởng như nhiệt độ, nồng độ, thời gian, pH, hàm lượng tinh bột… ứng dụng thử
nghiệm hồ vải.
- Biến tính bằng phương pháp ghép axit acrylic và acrylamit lên tinh bột
và thử nghiệm trong xử lý nước.
* Đóng góp của luận án:
Lần đầu tiên ở Việt Nam đã tổng hợp được tinh bột phốt phát hóa làm cơ sở
xây dựng quy mô pilot chế tạo vật liệu sạch sử dụng trong thực phẩm.
Đã chế tạo ra tinh bột có trọng lượng phân tử thích hợp bằng phương pháp th
y phân ở quy mô pilot có chất lượng đáp ứng yêu cầu dược điển. Sản phẩm đã được
sử dụng làm tá dược có chất lượng tốt.
Đã oxi hóa tinh bột bằng natri hypoclorit (sản phẩm phụ c a nhà máy hóa chất
Việt trì) tạo ra sản phẩm trung gian chế tạo AMS và hồ sợi.
Đã ghép tinh bột sắn bằng các monome ưa nước là phương pháp mới đang
được quan tâm hiện nay, tạo ra sản phẩm mới sử dụng cho quá trình keo tụ xử lý
nước cho kết quả tốt và có khả năng phân h y sinh học.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về tinh bột
3
Tinh bột là loại polysaccarit thực vật tồn tại trong tự nhiên có khối lượng
phân tử cao, gồm các đơn vị glucozơ được nối với nhau bởi các liên kết αglycozit.
Công thức phân tử c a tinh bột là (C6H10O5)n trong đó n trong khoảng từ 50 đến vài
trăm nghìn. Tinh bột được tổng hợp nhờ quá trình quang hợp c a cây và được dự
trữ trong cấu trúc c a chúng dưới dạng năng lượng tiềm tàng. Hàm lượng tinh bột
có trong các loại cây là khác nhau và có thể thay đổi theo thời tiết, mùa vụ, thổ
nhưỡng...[5].
Bảng 1.1. Hàm lượng tinh bột ở một số loại cây
Loại cây Tinh bột, % trọng lượng khô
Khoai tây 66-84
Sắn 93-97
Lúa mì 70-80
Lúa 75-80
Lúa mạch 70-75
Ngô 60-75
Đậu đỗ 60-66
Trong tự nhiên tinh bột là hợp chất hữu cơ rất phổ biến và dồi dào, chỉ đứng
sau xenlulozơ [3, 5]. Trong thực vật, tinh bột thường có mặt dưới dạng không hoà
tan trong nước nên có thể tích tụ một lượng nước lớn trong tế bào mà vẫn không
ảnh hưởng đến áp suất thẩm thấu. Do đó, có thể thu được một lượng lớn tinh bột
từ nhiều nguồn phong phú trong tự nhiên. Tinh bột đại diện cho 60-
90% tổng sản lượng các loại lương thực như ngô, khoai tây, lúa mì, c mì, sắn dây,
gạo, đậu, ở một số quả như chuối, táo, rau..[5-9]. Có nhiều loại tinh bột trong đó
tinh bột sắn là một trong những loại tinh bột được quan tâm rất nhiều ở Châu Á,
Châu Phi và Mỹ La Tinh [7,8].
* Tình hình sản xuất và tiêu thụ tinh bột sắn trên thế giới và Việt Nam
4
Trong ba ngày từ 28 đến 30/6, tại th đô angkok (Thái Lan) đã diễn ra hội
nghị sắn toàn cầu năm 2011, quy tụ trên 1.000 đại biểu quốc tế tham dự. Sở dĩ sự
kiện này được chú ý bởi nước ch nhà Thái Lan hiện vẫn là quốc gia sản xuất và
xuất khẩu hàng đầu thế giới về sản phẩm liên quan đến sắn. Theo các chuyên gia
trong nước, kể từ khi ngành công nghiệp chế biến trong nước phát triển, Thái Lan
đã giảm được khoảng 120 triệu USD hàng năm để nhập khẩu bột mỳ do đã có tinh
bột sắn thay thế. Và điều quan trọng là tạo ra công ăn việc làm cho trên nửa triệu
nông hộ quy mô nhỏ, trong khi giá thành các sản phẩm làm ra rẻ hơn nhiều so với
nhập khẩu. Thái Lan chiếm trên 85% lượng xuất khẩu sắn toàn cầu, kế đến là
Indonesia và Việt Nam. Thị trường xuất khẩu sắn ch yếu c a Thái Lan là Trung
Quốc, Đài Loan, Nhật Bản và cộng đồng châu Âu với tỷ trọng xuất khẩu sắn khoảng
40% bột và tinh bột sắn, 25% là sắn lát và sắn viên [ ].
Ở Việt Nam, sắn được canh tác phổ biến ở hầu hết các tỉnh c a các vùng sinh
thái nông nghiệp. Diện tích, năng suất và sản lượng sắn Việt Nam qua các năm và
phân theo các vùng sinh thái. Diện tích sắn nhiều nhất ở vùng ắc Trung bộ và
Duyên hải miền Trung (168,80 ngàn ha). Tây Nguyên là vùng sản xuất sắn lớn thứ
hai c a cả nước, tập trung ch yếu ở bốn tỉnh Kon Tum, Gia Lai, Đăk Lăk và Đăk
Nông. Năm 2008, diện tích sắn c a Tây Nguyên đạt 150.100 ha [9].
Nhận thấy rõ hiệu quả kinh tế do cây sắn đem lại, nhiều nhà máy chế biến
sắn ở trong nước cũng được xây dựng. Trên phạm vi cả nước, có khoảng 60 nhà
máy chế biến tinh bột sắn có quy mô công nghiệp với tổng công suất chế biến mỗi
năm hơn nửa triệu tấn tinh bột sắn, tương ứng với nhu cầu sử dụng gần 2,5 triệu
tấn c sắn tươi, bằng 30% sản lượng cả nước, tăng gấp đôi số nhà máy và gấp 3 về
công suất so với 5 năm trước đây.
Từ đầu năm đến nay, sắn là một trong ít các mặt hàng có khối lượng xuất
khẩu cũng như kim ngạch xuất khẩu tăng mạnh. Theo số lượng thống kê sơ bộ c a
Trung tâm thông tin công nghiệp và thương mại (Bộ Công Thương), trong 7 tháng
đầu năm 200 , cả nước đã xuất khẩu được 2,66 triệu tấn sắn và tinh bột sắn, đạt kim
5
ngạch 408 triệu USD, tăng 4,4 lần về sản lượng và tăng 2,8 lần về kim ngạch so
với cùng kỳ 2008.
1.2. Cấu trúc của tinh bột
Tinh bột tồn tại dưới dạng hạt có kích thước trong khoảng từ 2-120nm, hạt
tinh bột có dạng hình tròn, hình bầu dục hay đa giác. Cấu tạo và kích thước các hạt
phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng và quá trình sinh trưởng c a cây. Hạt tinh
bột c a các loại cây khác nhau thì có kích thước và hình dạng khác nhau. Cùng một
loại tinh bột, hình dáng và kích thước c a tất cả các hạt cũng không hoàn toàn giống
nhau [5].
Bảng 1. . Kích thước hạt amylo ơ của một số loại tinh bột
ại tinh bột ích thước hạt n Hình dáng
Lúa mạch 5 - 50 Tròn dài
Ngô 5 - 25 Đa giác
Lúa mì 3 - 35 Tròn
Khoai tây 4 - 40 Bầu dục
Khoai lang 5 - 50 Bầu dục
Lúa 2 - 10 Đa giác
Sắn 3 - 30 Tròn
Tinh bột gồm hai thành phần chính là amylozơ (Am) và amylopectin (Ap).
Amylozơ là polysaccarit mạch thẳng gồm các đơn vị glucozơ liên kết với nhau bởi
liên kết α-1,4-glicozit (hình 1.1).
Phân tử amylozơ có một đầu khử và một đầu không khử. Hàm lượng amilozơ
hình thức phân tán dạng keo trong nước nóng trong khi amylopectin là hoàn toàn
không hòa tan. Khi được phân tán trong dung dịch hoặc ở trạng thái thoái biến,
amylozơ thường có cấu trúc hình mạch giãn, khi thêm tác nhân kết t a vào, amylozơ
mới chuyển thành dạng xoắn ốc.
6
C H 2O H C H 2O H C H 2O H
H O H H O H H O H
OH H OH H OH H
O O O
O
H OH H OH H OH
Hình 1.1. Cấu trúc phân tử amylo ơ
Amylopectin là polysaccarit mạch nhánh, ngoài mạch chính có liên kết
α1,4-glycozit còn có mạch nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α-
1,6glycozit (hình 1.2).
C H 2O H
H O H
OH H
O
H OH CH 2 C H 2O H
C H 2O H
O H H O H H O H
H
OH H OH H OH H
O O O
O
H OH H OH H OH
Hình 1. . Cấu trúc phân tử amylopectin
Chúng hoàn toàn không hòa tan trong nước. Bằng phương pháp tán xạ ánh
sáng người ta đã xác định được phân tử lượng c a amylopectin vào khoảng 8,10 7
[14, 16]. Amylopectin có thể chứa tới hơn một triệu đơn vị glucozơ nhưng chiều
dài c a chuỗi mạch nhánh tuyến tính lại chỉ có khoảng 25- 0 đơn vị glucozơ [5]. Ở
dạng nguyên bản, amilopectin có cấu trúc bán tinh thể gồm dạng tinh thể biến đổi
và dạng bản mỏng vô định hình. Thể hiện một mô hình c a cấu trúc này. Ở dạng
bản tinh thể, các nhánh amilopectin tuyến tính hình thành các mạch xoắn kép bố
trí song song với nhau trong khi các bản mỏng vô định hình tái nhóm các điểm
phân nhánh c a phân tử lại với nhau. Ở giữa các tinh thể amilopectin cũng tìm thấy
các phân tử amilozơ ở dạng bản mỏng vô định hình. Thông thường, tinh thể và bản
7
mỏng vô định hình có độ dày tương ứng 6nm và 4nm. Trong qúa trình tổng hợp
sinh học tinh bột, cấu trúc bán tinh thể c a amilozơ và amilopectin được xếp chặt
vào bên trong các hạt tinh bột.
Tỷ lệ amylozơ và amylopectin trong tinh bột có thể ảnh hưởng tới tính chất
tinh bột trong quá trình gia công và tính chất c a sản phẩm cuối [17]. Nhìn chung,
tỷ lệ amiloza và amilopectin thông thường trong tinh bột sắn tương ứng là 20 và
80% mặc dù tỷ lệ này có thể thay đổi tùy theo nguồn gốc tinh bột điều kiện canh
tác và sinh trưởng. Trong tinh bột nếp (gạo nếp, ngô nếp), gần như 100% là
amylopectin, trong tinh bột đậu xanh, dong riềng, hàm lượng amylozơ chiếm trên
50% [16].
1.3. Một số tính chất của tinh bột
1.3.1. Tính chất vật lý
* Tính chất hấp thụ
Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên khi tương tác với các chất hấp thụ thì bề
mặt bên trong và bên ngoài c a tinh bột đều tham dự. Vì vậy trong quá trình bảo
quản, sấy và chế biến thuỷ nhiệt cần phải hết sức quan tâm tới vấn đề này.
Các ion liên kết với tinh bột thường ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ c a tinh
bột. Khi nghiên cứu khả năng hấp thụ các chất điện li hữu cơ có ion lớn như xanh
metylen (tích điện dương) c a tinh bột, người ta nhận thấy rằng tinh bột hấp thụ
xanh metylen rất tốt. Đường đẳng nhiệt hấp thụ c a các loại tinh bột không giống
nhau. Đường đẳng nhiệt hấp thụ c a các loại tinh bột phụ thuộc cấu tạo bên trong c
a hạt và khả năng trương nở c a chúng [18].
* Độ hoà tan của tinh bột
Trong thời gian thực hiện công trình nghiên cứu tôi đã nhận được nhiều sự
giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo chân tình của Thầy Cô, bạn bè, đồng nghiệp
và các Cơ quan.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Văn
Khôi đã cho những kiến thức vô cùng quí báu đồng thời giúp đỡ tận tình cùng
các Anh Chị, bạn bè, đồng nghiệp Phòng Vật liệu polyme luôn động viên, giúp đỡ
tôi thực hiện thành công luận án tiến sỹ này.
Tôi xin cảm ơn chân thành Lãnh đạo, phòng quản lý tổng hợp, các bạn
đồng nghiệp Viện Hóa học - Viện KH&CN Việt Nam đã hết lòng ủng hộ giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này.
Xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp tại Viện Hóa học, các đơn vị phối hợp
nghiên cứu: Công ty dược phẩm Hà Thành, Viện Hóa Công nghiệp Việt Nam, Viện
kiểm nghiệm thuốc Trung ương, Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng tạo mọi
điều kiện thuận lợi cũng như động viên, chia sẻ để tôi hoàn thành những phần việc
trong luận án.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô, Giáo sư, Phó giáo sư,
Tiến sĩ đã đóng góp những ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thiện luận án này.
DANH MỤC CÁC HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AA : Axit acrylic
AM : Acrylamit
AN : Acrylonitrin
AMS-1 : Tinh bột biến tính bằng axit acrylic (Acrylic acid modified
tapioca starch)
AMS-2 : Tinh bột biến tính bằng axit acrylamit (Acrylamit acid
modified tapioca starch)
Am : Amylozơ
Ap : Amylopectin
AUL : Độ hấp thụ dưới tải trọng (Absobency under load)
BMA : n-butylmetacrylat
CMS : Cacboxymetyl tinh bột
DMSO : Dimetyl sulfoxyt
DSC : Nhiệt vi sai quét (Differential Scanning Calorimetry)
DTA : Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis)
DMF : Dimetyl formamit
DS : Độ thế (Degree of subtitution)
EPI : Epiclohydrin
EMA : Etyl metacrylat
FDA : Cơ quan thực phẩm và thuốc Hoa kỳ (Food and Drug
Administration)
KPS : Kali persunfat
KT : Keo tụ
MBA : N,N'-metylenbisacrylamit
MCA : Monoclo axetic axit
MAM : Metacrylamit
MAN : Metacrylonitrin
MA : Metyl acrylat
MAA : Axit metacrylic
PA : Copolyme
RE : Hiệu suất phản ứng
SEM : Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscopy)
STMP : Matri trimetaphotphat
SMCA : Natri monocloaxetat
TGA : Phân tích nhiệt trọng lượng (Themal Gravimetric Analysis)
TSTP : Trinatri trimetaphotphat
TB : Tinh bột
TB-G : Tinh bột ghép
XRD : Nhiễu xạ tia X
%GY : Hiệu suất ghép (Graft yield)
%GE : Hiệu quả ghép ( Graft efficiency)
%TC : Chuyển hóa tổng số (Total conversion)
%KT : Phần trăm keo tụ
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Hàm lượng tinh bột ở một số loại cây ................................................. 3
Bảng 1.2. Kích thước hạt amylozơ c a một số loại tinh bột ............................... 5
Bảng 1.3. Các thành phần tá dược cho thuốc viên ............................................ 39
Bảng 3.1. Ảnh hưởng c a thời gian phản ứng đến quá trình photphat
hoá ..................................................................................................... 75
Bảng 3.2. Ảnh hưởng c a nhiệt độ tới quá trình photphat hoá ......................... 76
Bảng 3.3. Ảnh hưởng c a pH đến quá trình photphat hoá ................................ 77
Bảng 3.4. Ảnh hưởng c a tỷ lệ mol photphat/glucozơ đến quá trình
photphat hoá ...................................................................................... 78
Bảng 3.5. Ảnh hưởng c a độ thế tới độ bền lạnh đông - tan giá ....................... 83
Bảng 3.6. Ảnh hưởng c a tỷ lệ axit/tinh bột đến quá trình thuỷ phân .............. 92
Bảng 3.7. Ảnh hưởng c a nhiệt độ phản ứng tới tốc độ thuỷ phân ................... 93
Bảng 3.8. Ảnh hưởng c a tỷ lệ H2O/ tinh bột tới tốc độ thuỷ phân .................. 94
Bảng 3.9. Ảnh hưởng c a tác nhân trung hoà đến độ nhớt và hàm lượng
tro c a tinh bột biến tính ................................................................... 95
Bảng 3.10. Ảnh hưởng số lần rửa đến sự thay đổi pH ........................................ 96
Bảng 3.11. Ảnh hưởng lượng nưc rửa đến sự thay đổi pH ................................. 96
Bảng 3.12. Nhiệt độ hồ hoá (T0, Tp và Te) c a tinh bột tự nhiên và biến
tính ...................................................................................................
101 Bảng 3.13. Tính chất c a tinh bột biến tính bằng axit .......................................
104
Bảng 3.14. Một số tính chất c a viên nén thử nghiệm ...................................... 104
Bảng 3.15. Sự phụ thuộc c a trọng lượng phân tử trung bình vào thời gian phản
ứng ở các nhiệt độ khác nhau ......................................... 107
Bảng 3.16. Ảnh hưởng c a nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất thu hồi sản
phẩm, hàm lượng các nhóm chức cacbonyl, cacboxyl ................... 108
Bảng 3.17. Sự phụ thuộc c a trọng lượng phân tử trung bình vào thời
gian phản ứng với hàm lượng clo hoạt động khác nhau ................. 110
Bảng 3.18. Ảnh hưởng c a hàm lượng clo hoạt động đến hiệu suất thu hồi sản
phẩm, hàm lượng các nhóm chức cacbonyl, cacboxyl ....... 111
Bảng 3.19. Ảnh hưởng c a pH tới TLPT, hiệu suất thu hồi và hàm lượng
các nhóm chức cacboxyl, cacbonyl .................................................
112
Bảng 3.20. Ảnh hưởng c a nồng độ tinh bột đến quá trình oxy hoá ................. 113
Bảng 3.21. Nhiệt độ hồ hoá (T0, Tp và Te) c a tinh bột tự nhiên và biến
tính ...................................................................................................
117
Bảng 3.22. Phân tích nhiệt trọng lượng c a tinh bột và tinh bột oxy hoá ......... 119
Bảng 3.23. Ảnh hưởng c a các vật liệu hồ hóa lên các tính chất c a sợi ......... 121
Bảng 3.24. Ảnh hưởng c a thời gian polyme hoá lên TC, GY, GE khi ghép acrylic
lên tinh bột .................................................................. 123
Bảng 3.25. Ảnh hưởng c a nhiệt độ lên TC%, GY%, GE% khi ghép axit acrylic
lên tinh bột ........................................................................... 124
Bảng 3.26. Ảnh hưởng c a nồng độ axit acrylic lên hiệu suất ghép và hiệu
quả ghép. ..........................................................................................
125
Bảng 3.27. Ảnh hưởng c a nồng độ chất khởi đầu lên khả năng ghép .............
126 Bảng 3.28. Ảnh hưởng c a tỷ lệ lỏng/rắn tới hiệu suất ghép
........................... 126 ảng .2 . Ảnh hưởng c a hàm lượng copolyme đến quá
trình keo tụ. ........... 139 ảng . 0. Ảnh hưởng c a pH đến quá trình keo tụ
......................................... 140 ảng . 1. Ảnh hưởng c a nồng độ chất điện ly tới
quá trình keo tụ ............... 140 ảng . 2. Hiệu quả keo tụ c a copolyme với
copolyme ghép ........................ 141
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Cấu trúc phân tử amylozơ ................................................................... 6
Hình 1.1.
Hình 1.2. Cấu trúc phân tử amylopectin ............................................................. 6
Hình 1. . Cơ chế thuỷ phân tinh bột bằng axit ................................................. 32
Hình .1. Ảnh hưởng c a tỷ lệ mol photphat/ glucozơ tới hàm lượng
tro....................................................................................................... 79
Hình .2. Ảnh hưởng c a tỷ lệ mol photphat/ glucozơ tới độ tan c a
tinh bột. ..............................................................................................
80
Hình . . Ảnh hưởng c a độ thế đến khả năng trương c a tinh bột ................. 80
Hình .4. Ảnh hưởng c a tỷ lệ mol photphat/glucozơ đến độ nhớt c a
tinh bột. ..............................................................................................
82
Hình .5. Ảnh hưởng c a độ thế đến độ trong c a dung dịch hồ tinh bột ........ 84
Hình .6. Ảnh SEM c a tinh bột chưa biến tính ............................................. 85
Hình .7. Ảnh SEM c a TB photphat monoeste (tỷ lệ
mol
photphat/glucozơ 2,5:1).......................................................................
85
Hình .8. Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng c a tinh bột chưa biến
tính .....................................................................................................
87
Hình . . Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng c a tinh bột photphat
hoá (tỷ lệ mol photphat/glucozơ 2,5:1) ............................................. 87
Hình .10. Ảnh hưởng c a loại axit và thời gian đến độ nhớt tinh bột sắn biến tính
.............................................................................................. 89
Hình .11. Ảnh hưởng c a loại axit và thời gian đến hàm lượng tro c a tinh bột sắn
biến tính ......................................................................... 91
Hình .12. Ảnh hưởng c a loại axit và thời gian đến độ tan c a tinh bột sắn
biến tính .............................................................................................. 92
Hình .1 . Ảnh hưởng c a nhiệt độ sấy đến độ nhớt sản phẩm ......................... 97
Hình .14. Ảnh hưởng c a thời gian sấy đến độ nhớt sản phẩm ........................ 98
Hình .15. Ảnh kính hiển vi điện tử quét c a tinh bột sắn tự nhiên (a) và
biến tính với tỷ lệ khối lượng axit/tinh bột lần lượt là: 0,02
(b); 0,04 (c); 0,06 (d); 0,08 (e) và 0,10 (f). ....................................... 99
Hình .16. Giản đồ phân tích nhiệt c a TB sắn tự nhiên (1) và T biến
tính với tỷ lệ axit/tinh bột lần lượt là: 0,04 (2); 0,06 (3); 0,08
(4) và 0,10 (5). .................................................................................
100
Hình .17. Giản đồ nhiễu xạ tia X c a tinh bột sắn tự nhiên (1) và biến
tính với tỷ lệ axit/tinh bột lần lượt là: 0,02 (2); 0,06 ( ) và
0,10 (4). ...........................................................................................
102
Hình .18. Sự phân bố kích thước hạt c a TB sắn tự nhiên (A) và biến
tính với tỷ lệ axit/tinh bột lần lượt là: 0,02 ( ); 0,06 (C) và
0,10 (D). ..........................................................................................
103
Hình .1 . Sự thay đổi lượng clo tiêu thụ theo thời gian phản ứng ở các nhiệt độ
khác nhau........................................................................... 106
Hình .20. Ảnh hưởng c a hàm lượng clo hoạt động tới lượng clo tiêu
thụ ....................................................................................................
108
Hình .21. Ảnh hưởng c a pH tới lượng clo tiêu thụ ....................................... 111
Hình .22. Ảnh SEM c a tinh bột sắn (a,b) và tinh bột oxy hoá với hàm lượng clo
hoạt động 1% (c,d), 2% (e,f) và 4% (g,h) ....................... 115
Hình .2 . Giản đồ nhiễu xạ tia X c a tinh bột sắn (1) và tinh bột oxy
hoá với tỷ lệ clo hoạt động so với tinh bột là 1% (2), 2% ( )
và 4% (4) .........................................................................................
115
Hình .24. Giản đồ DSC c a tinh bột và tinh bột oxy hoá ............................... 116
Hình .25. Giản đồ phân tích nhiệt c a tinh bột sắn (T ) và tinh bột oxy
hoá với tỷ lệ clo hoạt động so với tinh bột là 1% (T 1), 2%
(T 2) và 4% (T 4) ......................................................................... 118
Hình .26. Phân bố kích thước hạt c a tinh bột sắn (T ) và tinh bột oxy
hoá với tỷ lệ clo hoạt động so với tinh bột là 1% (T 1), 2%
(T 2) và 4% (T 4) ......................................................................... 120
Hình .27. Ảnh hưởng c a thời gian phản ứng tới quá trình trùng hợp ghép
................................................................................................. 127
Hình .28. Ảnh hưởng c a nhiệt độ phản ứng tới quá trình trùng hợp ghép
................................................................................................. 128
Hình .2 . Ảnh hưởng c a nồng độ monome AM tới quá trình trùng hợp
ghép ................................................................................................. 129
Hình . 0. Ảnh hưởng c a nồng độ KPS tới quá trình trùng hợp ghép ........... 130
Hình . 1. Ảnh hưởng c a tỷ lệ pha lỏng/tinh bột tới quá trình trùng hợp
ghép ................................................................................................. 131
Hình . 2. Phổ hồng ngoại c a tinh bột ghép PAA .......................................... 132
Hình . . Phổ hồng ngoại c a tinh bột ghép PAM ......................................... 132
Hình . 4. Đường cong TGA c a tinh bột và tinh bột ghép ............................. 134
Hình . 5. Giản đồ phân tích nhiệt vi sai (DTA) c a tinh bột và các
copolyme ghép .................................................................................
136 Hình . 6. Ảnh SEM c a tinh bột và copolyme ghép ......................................
137
Hình . 7. Giản đồ nhiễu xạ tia X c a các copolyme ghép .............................. 138
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................
i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................
ii
DANH MỤC CÁC K HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .......................................... iii
DANH MỤC CÁC ẢNG ..................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................ vii
MỤC LỤC ..............................................................................................................
x
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ..................................................................................
3
1.1. Giới thiệu chung về tinh bột ............................................................. 3
1.2. Cấu trúc c a tinh bột ........................................................................ 5
1.3. Một số tính chất c a tinh bột ............................................................ 7
1. .1. Tính chất vật lý .......................................................................... 7
1. .2. Tính chất hóa học
...................................................................... 9 1.4. Một số phương pháp
biến tính tinh bột .......................................... 11 1.4.1. Một số phương
pháp biến tính bằng phương pháp vật
lý ............................................................................................. 11
1.4.1.1. Biến tính bằng hồ hóa sơ bộ ............................................. 11
1.4.1.2. Xử lý nhiệt ẩm .................................................................. 12
1.4.1. . Phân huỷ cơ học ................................................................ 12
1.4.2. Phương pháp biến tính bằng enzym ....................................... 13
1.4.3. Biến tính tinh bột bằng một số tác nhân hóa học..................... 14
1.4. .1. Ete hóa tinh bột ................................................................. 14
1.4.3.2. Tạo liên kết ngang .............................................................
15
1.4. . . Cation hóa ......................................................................... 18
1.4. .4. Este hoá tinh bột ............................................................... 20
1.4.3.5. Biến tính tinh bột bằng axit............................................... 31
1.4. .6. Oxy hoá tinh bột ............................................................... 40
1.4.3.7. Biến tính tinh bột bằng axit acrylic và crylamit ...............
48
1.5. Tình hình nghiên cứu biến tính tinh bột trong nước .......................
58
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................... 61
2.1. Nguyên liệu, hoá chất .................................................................... 61
2.2. Dụng cụ, thiết bị và phương pháp nghiên cứu ............................... 62
2. . Phương pháp tiến hành
................................................................... 67
2.3.1. Tiến hành phốt phát hóa .......................................................... 67
2.3.2. Tiến hành biến tính bằng axit ................................................ 69
2.3.3. Tiến hành oxi hóa tinh bột bằng hypoclorit ............................. 70
2.3.4. Tiến hành trùng hợp ghép: ....................................................... 72
2. .5. Các hằng số ghép .................................................................... 73
CHƯƠNG . KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 75
3.1. Phốt phát hóa tinh bột bằng natri hydrophotphat ........................... 75
3.1.1. Ảnh hưởng c a thời gian phản ứng ......................................... 75
3.1.2. Ảnh hưởng c a nhiệt độ ........................................................... 76
3.1.3. Ảnh hưởng c a pH ................................................................... 77
3.1.4. Ảnh hưởng c a tỷ lệ mol photphat/glucozơ ............................ 77
3.1.5. Ảnh hưởng c a độ thế tới các tính chất c a tinh bột
photphat monoeste .................................................................. 78
.1.6. Đặc trưng lý hoá c a tinh bột photphat monoeste ................... 85
3.1.6.1. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) ............................... 85
.1.6.2. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) ................................... 86
3.2. Th y phân tinh bột bằng axit .......................................................... 88
3.2.1. Ảnh hưởng c a loại axit ........................................................... 88
3.2.2. Ảnh hưởng c a tỷ lệ axit/tinh bột ............................................ 92
3.2.3. Ảnh hưởng c a nhiệt độ phản ứng ........................................... 93
3.2.4. Ảnh hưởng c a tỉ lệ nước/tinh bột ........................................... 94
3.2.5. Ảnh hưởng c a tác nhân trung hoà .......................................... 95
3.2.6. Nghiên cứu quá trình tinh chế sản phẩm đạt tiêu
chuẩn dược dụng ..................................................................... 96
3.2.7. Ảnh hưởng c a nhiệt độ và thời gian sấy lên độ nhớt c a sản phẩm
........................................................................... 97
3.2.8. Cấu trúc và tính chất nhiệt c a tinh bột biến tính bằng
axit .......................................................................................... 98
.2.8.1. Hình thái học ..................................................................... 98
3.2.8.2. Giản đồ phân tích nhiệt ................................................... 100
3.2.8.3. Nhiễu xạ tia X ................................................................. 101
3.2.8.4. Phân bố kích thước hạt ................................................... 102
3.2.9. Thử nghiệm chế tạo viên nén ................................................. 103
. . Oxy hoá tinh bột bằng natri hypoclorit ......................................... 106
3.3.1. Ảnh hưởng c a nhiệt độ và thời gian phản ứng .................... 106
3.3.2. Ảnh hưởng c a hàm lượng clo hoạt động ........................... 108
3.3.3. Ảnh hưởng c a pH ................................................................. 111
3.3.4. Ảnh hưởng c a nồng độ tinh bột ......................................... 113
3.3.5. Một số đặc trưng lý hoá c a tinh bột oxy hoá ..................... 113
. .5.1. Hình thái học bề mặt ....................................................... 113
3.3.5.2. Nhiễu xạ tia X ................................................................. 115
. .5. . Phân tích nhiệt vi sai quét (DSC) ................................... 116
. .5.4. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) ................................. 117
3.3.5.4. Phân bố kích thước hạt ................................................... 119
. .6. Hồ sợi ..................................................................................... 120
3.4. Biến tính bằng axit acrylic và acrylamit ....................................... 122
3.4.1. Biến tính bằng axit acrylic .................................................... 122
3.4.1.1. Ảnh hưởng c a thời gian ................................................ 122
3.4.1.2. Ảnh hưởng c a nhiệt độ .................................................. 123
3.4.1.3. Ảnh hưởng c a tỷ lệ tinh bột: monome .......................... 124
3.4.1.4. Ảnh hưởng c a chất khởi đầu ......................................... 125
3.4.2. Biến tính bằng acrylamit ........................................................ 127
3.4.2.1. Ảnh hưởng c a thời gian phản ứng ................................ 127
3.4.2.2. Ảnh hưởng c a nhiệt độ phản ứng .................................. 128
3.4.2.3. Ảnh hưởng c a nồng độ monome AM ........................... 129
3.4.2.4. Ảnh hưởng c a nồng độ chất khơi mào KPS ................. 129
3.4.2.5. Ảnh hưởng c a tỷ lệ pha lỏng/tinh bột ........................... 130
.4.2.6. Các đặc trưng hoá lý ....................................................... 131
3.4.2.7. Xử lý nước thải bằng T ghép theo phương pháp
keo tụ .............................................................................. 138
KẾT LUẬN CHUNG .........................................................................................
142
CÁC CÔNG T ÌNH Đ CÔNG ................................................................ 144
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................
145
1
MỞ ĐẦU
Tinh bột là polysaccarit được tìm thấy trong các loại, hạt, c , quả c a các loại
cây trồng. Nó là nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo và gần như vô tận. Tinh
bột cùng với protein và chất béo là một thành phần quan trọng bậc nhất trong chế
độ dinh dưỡng c a loài người cũng như nhiều loài động vật khác.
Ngoài ra, tinh bột còn là một trong những nguyên liệu, rẻ tiền, được ứng
dụng rộng rãi cho nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp giấy, thực phẩm,
dệt…[1] bởi những tính chất đặc trưng ưu việt c a nó [2]. Tuy vậy, tinh bột tự
nhiên vẫn còn hạn chế nhiều tính chất nên chưa đáp ứng được những mục đích sử
dụng khác nhau trong nhiều lĩnh vực như không tan trong nước lạnh, mất độ nhớt
và giảm khả năng làm đặc sau khi nấu. Ngoài ra, sự thoái hóa xảy ra sau khi mất
sự sắp xếp cấu trúc trên tinh bột hồ hóa, mà kết quả là sự tách nước trong hệ thống
thực phẩm chứa nhiều tinh bột…. [ ]. Do vậy, việc biến tính tinh bột được quan
tâm rất lớn nhằm cải thiện tính chất c a nó đáp ứng nhu cầu sử dụng. Có rất nhiều
phương pháp biến tính tinh bột khác nhau được chia thành nhiều lĩnh vực như: vật
lý, hóa học, enzym. Việt Nam là một nước nông nghiệp, tinh bột rất dồi dào, trong
đó tinh bột sắn rất được quan tâm phát triển. Tuy vậy, ch yếu sử dụng ở dạng
nguyên liệu thô chưa biến tính, giá thành rẻ. Do vậy, cần phải biến
tính để đáp ứng các nhu cầu kỹ thuật và mục đích sử dụng khác nhau.
Xuất phát từ thực tế này, đề tài “Nghiên cứu biến tính tinh bột bằng một
số tác nhân hóa học và ứng dụng” nhằm biến đổi cấu trúc, tính chất vật lý, kỹ
thuật để mở rộng khả năng ứng dụng c a tinh bột sắn, thông qua đó nâng cao giá trị
cho vật liệu này.
Với nội dung nghiên cứu bao gồm:
2
- Biến tính tinh bột bằng phương pháp phốt phát hóa và thử nghiệm trong
thực phẩm. Trong đó nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, nồng độ,
thời gian, pH, hàm lượng tinh bột...
- Biến tính tinh bột sắn bằng axit, nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng
và thử nghiệm làm tá dược.
- Oxy hóa tinh bột sắn bằng natri hypoclorit, nghiên cứu một số yếu tố
ảnh hưởng như nhiệt độ, nồng độ, thời gian, pH, hàm lượng tinh bột… ứng dụng thử
nghiệm hồ vải.
- Biến tính bằng phương pháp ghép axit acrylic và acrylamit lên tinh bột
và thử nghiệm trong xử lý nước.
* Đóng góp của luận án:
Lần đầu tiên ở Việt Nam đã tổng hợp được tinh bột phốt phát hóa làm cơ sở
xây dựng quy mô pilot chế tạo vật liệu sạch sử dụng trong thực phẩm.
Đã chế tạo ra tinh bột có trọng lượng phân tử thích hợp bằng phương pháp th
y phân ở quy mô pilot có chất lượng đáp ứng yêu cầu dược điển. Sản phẩm đã được
sử dụng làm tá dược có chất lượng tốt.
Đã oxi hóa tinh bột bằng natri hypoclorit (sản phẩm phụ c a nhà máy hóa chất
Việt trì) tạo ra sản phẩm trung gian chế tạo AMS và hồ sợi.
Đã ghép tinh bột sắn bằng các monome ưa nước là phương pháp mới đang
được quan tâm hiện nay, tạo ra sản phẩm mới sử dụng cho quá trình keo tụ xử lý
nước cho kết quả tốt và có khả năng phân h y sinh học.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về tinh bột
3
Tinh bột là loại polysaccarit thực vật tồn tại trong tự nhiên có khối lượng
phân tử cao, gồm các đơn vị glucozơ được nối với nhau bởi các liên kết αglycozit.
Công thức phân tử c a tinh bột là (C6H10O5)n trong đó n trong khoảng từ 50 đến vài
trăm nghìn. Tinh bột được tổng hợp nhờ quá trình quang hợp c a cây và được dự
trữ trong cấu trúc c a chúng dưới dạng năng lượng tiềm tàng. Hàm lượng tinh bột
có trong các loại cây là khác nhau và có thể thay đổi theo thời tiết, mùa vụ, thổ
nhưỡng...[5].
Bảng 1.1. Hàm lượng tinh bột ở một số loại cây
Loại cây Tinh bột, % trọng lượng khô
Khoai tây 66-84
Sắn 93-97
Lúa mì 70-80
Lúa 75-80
Lúa mạch 70-75
Ngô 60-75
Đậu đỗ 60-66
Trong tự nhiên tinh bột là hợp chất hữu cơ rất phổ biến và dồi dào, chỉ đứng
sau xenlulozơ [3, 5]. Trong thực vật, tinh bột thường có mặt dưới dạng không hoà
tan trong nước nên có thể tích tụ một lượng nước lớn trong tế bào mà vẫn không
ảnh hưởng đến áp suất thẩm thấu. Do đó, có thể thu được một lượng lớn tinh bột
từ nhiều nguồn phong phú trong tự nhiên. Tinh bột đại diện cho 60-
90% tổng sản lượng các loại lương thực như ngô, khoai tây, lúa mì, c mì, sắn dây,
gạo, đậu, ở một số quả như chuối, táo, rau..[5-9]. Có nhiều loại tinh bột trong đó
tinh bột sắn là một trong những loại tinh bột được quan tâm rất nhiều ở Châu Á,
Châu Phi và Mỹ La Tinh [7,8].
* Tình hình sản xuất và tiêu thụ tinh bột sắn trên thế giới và Việt Nam
4
Trong ba ngày từ 28 đến 30/6, tại th đô angkok (Thái Lan) đã diễn ra hội
nghị sắn toàn cầu năm 2011, quy tụ trên 1.000 đại biểu quốc tế tham dự. Sở dĩ sự
kiện này được chú ý bởi nước ch nhà Thái Lan hiện vẫn là quốc gia sản xuất và
xuất khẩu hàng đầu thế giới về sản phẩm liên quan đến sắn. Theo các chuyên gia
trong nước, kể từ khi ngành công nghiệp chế biến trong nước phát triển, Thái Lan
đã giảm được khoảng 120 triệu USD hàng năm để nhập khẩu bột mỳ do đã có tinh
bột sắn thay thế. Và điều quan trọng là tạo ra công ăn việc làm cho trên nửa triệu
nông hộ quy mô nhỏ, trong khi giá thành các sản phẩm làm ra rẻ hơn nhiều so với
nhập khẩu. Thái Lan chiếm trên 85% lượng xuất khẩu sắn toàn cầu, kế đến là
Indonesia và Việt Nam. Thị trường xuất khẩu sắn ch yếu c a Thái Lan là Trung
Quốc, Đài Loan, Nhật Bản và cộng đồng châu Âu với tỷ trọng xuất khẩu sắn khoảng
40% bột và tinh bột sắn, 25% là sắn lát và sắn viên [ ].
Ở Việt Nam, sắn được canh tác phổ biến ở hầu hết các tỉnh c a các vùng sinh
thái nông nghiệp. Diện tích, năng suất và sản lượng sắn Việt Nam qua các năm và
phân theo các vùng sinh thái. Diện tích sắn nhiều nhất ở vùng ắc Trung bộ và
Duyên hải miền Trung (168,80 ngàn ha). Tây Nguyên là vùng sản xuất sắn lớn thứ
hai c a cả nước, tập trung ch yếu ở bốn tỉnh Kon Tum, Gia Lai, Đăk Lăk và Đăk
Nông. Năm 2008, diện tích sắn c a Tây Nguyên đạt 150.100 ha [9].
Nhận thấy rõ hiệu quả kinh tế do cây sắn đem lại, nhiều nhà máy chế biến
sắn ở trong nước cũng được xây dựng. Trên phạm vi cả nước, có khoảng 60 nhà
máy chế biến tinh bột sắn có quy mô công nghiệp với tổng công suất chế biến mỗi
năm hơn nửa triệu tấn tinh bột sắn, tương ứng với nhu cầu sử dụng gần 2,5 triệu
tấn c sắn tươi, bằng 30% sản lượng cả nước, tăng gấp đôi số nhà máy và gấp 3 về
công suất so với 5 năm trước đây.
Từ đầu năm đến nay, sắn là một trong ít các mặt hàng có khối lượng xuất
khẩu cũng như kim ngạch xuất khẩu tăng mạnh. Theo số lượng thống kê sơ bộ c a
Trung tâm thông tin công nghiệp và thương mại (Bộ Công Thương), trong 7 tháng
đầu năm 200 , cả nước đã xuất khẩu được 2,66 triệu tấn sắn và tinh bột sắn, đạt kim
5
ngạch 408 triệu USD, tăng 4,4 lần về sản lượng và tăng 2,8 lần về kim ngạch so
với cùng kỳ 2008.
1.2. Cấu trúc của tinh bột
Tinh bột tồn tại dưới dạng hạt có kích thước trong khoảng từ 2-120nm, hạt
tinh bột có dạng hình tròn, hình bầu dục hay đa giác. Cấu tạo và kích thước các hạt
phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng và quá trình sinh trưởng c a cây. Hạt tinh
bột c a các loại cây khác nhau thì có kích thước và hình dạng khác nhau. Cùng một
loại tinh bột, hình dáng và kích thước c a tất cả các hạt cũng không hoàn toàn giống
nhau [5].
Bảng 1. . Kích thước hạt amylo ơ của một số loại tinh bột
ại tinh bột ích thước hạt n Hình dáng
Lúa mạch 5 - 50 Tròn dài
Ngô 5 - 25 Đa giác
Lúa mì 3 - 35 Tròn
Khoai tây 4 - 40 Bầu dục
Khoai lang 5 - 50 Bầu dục
Lúa 2 - 10 Đa giác
Sắn 3 - 30 Tròn
Tinh bột gồm hai thành phần chính là amylozơ (Am) và amylopectin (Ap).
Amylozơ là polysaccarit mạch thẳng gồm các đơn vị glucozơ liên kết với nhau bởi
liên kết α-1,4-glicozit (hình 1.1).
Phân tử amylozơ có một đầu khử và một đầu không khử. Hàm lượng amilozơ
hình thức phân tán dạng keo trong nước nóng trong khi amylopectin là hoàn toàn
không hòa tan. Khi được phân tán trong dung dịch hoặc ở trạng thái thoái biến,
amylozơ thường có cấu trúc hình mạch giãn, khi thêm tác nhân kết t a vào, amylozơ
mới chuyển thành dạng xoắn ốc.
6
C H 2O H C H 2O H C H 2O H
H O H H O H H O H
OH H OH H OH H
O O O
O
H OH H OH H OH
Hình 1.1. Cấu trúc phân tử amylo ơ
Amylopectin là polysaccarit mạch nhánh, ngoài mạch chính có liên kết
α1,4-glycozit còn có mạch nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α-
1,6glycozit (hình 1.2).
C H 2O H
H O H
OH H
O
H OH CH 2 C H 2O H
C H 2O H
O H H O H H O H
H
OH H OH H OH H
O O O
O
H OH H OH H OH
Hình 1. . Cấu trúc phân tử amylopectin
Chúng hoàn toàn không hòa tan trong nước. Bằng phương pháp tán xạ ánh
sáng người ta đã xác định được phân tử lượng c a amylopectin vào khoảng 8,10 7
[14, 16]. Amylopectin có thể chứa tới hơn một triệu đơn vị glucozơ nhưng chiều
dài c a chuỗi mạch nhánh tuyến tính lại chỉ có khoảng 25- 0 đơn vị glucozơ [5]. Ở
dạng nguyên bản, amilopectin có cấu trúc bán tinh thể gồm dạng tinh thể biến đổi
và dạng bản mỏng vô định hình. Thể hiện một mô hình c a cấu trúc này. Ở dạng
bản tinh thể, các nhánh amilopectin tuyến tính hình thành các mạch xoắn kép bố
trí song song với nhau trong khi các bản mỏng vô định hình tái nhóm các điểm
phân nhánh c a phân tử lại với nhau. Ở giữa các tinh thể amilopectin cũng tìm thấy
các phân tử amilozơ ở dạng bản mỏng vô định hình. Thông thường, tinh thể và bản
7
mỏng vô định hình có độ dày tương ứng 6nm và 4nm. Trong qúa trình tổng hợp
sinh học tinh bột, cấu trúc bán tinh thể c a amilozơ và amilopectin được xếp chặt
vào bên trong các hạt tinh bột.
Tỷ lệ amylozơ và amylopectin trong tinh bột có thể ảnh hưởng tới tính chất
tinh bột trong quá trình gia công và tính chất c a sản phẩm cuối [17]. Nhìn chung,
tỷ lệ amiloza và amilopectin thông thường trong tinh bột sắn tương ứng là 20 và
80% mặc dù tỷ lệ này có thể thay đổi tùy theo nguồn gốc tinh bột điều kiện canh
tác và sinh trưởng. Trong tinh bột nếp (gạo nếp, ngô nếp), gần như 100% là
amylopectin, trong tinh bột đậu xanh, dong riềng, hàm lượng amylozơ chiếm trên
50% [16].
1.3. Một số tính chất của tinh bột
1.3.1. Tính chất vật lý
* Tính chất hấp thụ
Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên khi tương tác với các chất hấp thụ thì bề
mặt bên trong và bên ngoài c a tinh bột đều tham dự. Vì vậy trong quá trình bảo
quản, sấy và chế biến thuỷ nhiệt cần phải hết sức quan tâm tới vấn đề này.
Các ion liên kết với tinh bột thường ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ c a tinh
bột. Khi nghiên cứu khả năng hấp thụ các chất điện li hữu cơ có ion lớn như xanh
metylen (tích điện dương) c a tinh bột, người ta nhận thấy rằng tinh bột hấp thụ
xanh metylen rất tốt. Đường đẳng nhiệt hấp thụ c a các loại tinh bột không giống
nhau. Đường đẳng nhiệt hấp thụ c a các loại tinh bột phụ thuộc cấu tạo bên trong c
a hạt và khả năng trương nở c a chúng [18].
* Độ hoà tan của tinh bột