Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ với đề tài "Tổng hợp một số dung môi sâu trên cơ sở 2-alkylbenzimidazole, choline chloride và ứng dụng tách chiết Omega-3,6,9 trong mỡ cá basa ở Đồng bằng Sông Cửu Long" được thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ, thuộc chuyên ngành Hóa học (hướng Hóa hữu cơ - Công nghệ tách chiết và Hóa học xanh).
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Nghề nuôi và chế biến cá da trơn (chủ yếu là cá tra và cá basa) tại khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long phát triển với quy mô lớn, sản lượng thu hoạch đạt trên 1,1 - 1,2 triệu tấn/năm và kim ngạch xuất khẩu đạt từ 1,6 đến hơn 2,2 tỷ USD. Tuy nhiên, ngành công nghiệp chế biến hiện nay chủ yếu khai thác phần thịt phile (chiếm 35–37% khối lượng cá) để xuất khẩu và một lượng mỡ nguyên sinh cho thị trường nội địa. Lượng phụ phẩm còn lại (gồm đầu, xương, da, mỡ phụ phẩm, nội tạng) chiếm tỷ lệ rất lớn (khoảng 58–61% khối lượng cá) chủ yếu chỉ được sử dụng làm thức ăn gia súc, sản xuất phân bón hoặc làm biodiesel, thậm chí bị thương lái thu gom với giá không ổn định. Việc không tận dụng triệt để nguồn phụ phẩm giàu lipid này vừa gây lãng phí nguồn dinh dưỡng có giá trị cao, vừa tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường.
Về mặt công nghệ tách chiết, các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam sử dụng phương pháp thủy giải lipid trong môi trường kiềm kết hợp kết tủa urea hoặc kết tinh phân đoạn ở nhiệt độ thấp chỉ mới dừng lại ở mức độ thăm dò, cho hàm lượng omega chưa cao (khoảng 22,8% – 24,5%) và chưa có công trình nào nghiên cứu tách riêng các hợp chất Omega-3,6,9 khỏi hỗn hợp acid béo của mỡ cá basa và cá tra bằng hệ dung môi sâu (Deep Eutectic Solvents - DES). Các phương pháp truyền thống trên thế giới như tạo phức urea trực tiếp đòi hỏi phải sử dụng acid vô cơ đậm đặc ($H_2SO_4$, $HCl$) để phá phức và dùng dung môi hữu cơ độc hại ($n$-hexane) để chiết lại, dễ gây biến tính và phân hủy các acid béo chưa bão hòa. Do đó, việc nghiên cứu tổng hợp các hệ dung môi sâu xanh, chi phí thấp nhằm làm giàu và tách chiết Omega-3,6,9 từ mỡ phụ phẩm cá basa là vấn đề cấp thiết cả về mặt khoa học lẫn thực tiễn sản xuất.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định hai mục tiêu chính:
- Tổng hợp các hệ dung môi sâu trên cơ sở choline chloride với các hợp chất amide/thioamide (urea, methylurea, thiourea, methylthiourea) và hệ 2-alkylbenzimidazole/ethylene glycol, đồng thời xác định cấu trúc cũng như tính chất hóa lý của chúng.
- Sử dụng các dung môi sâu đã tổng hợp được để làm giàu và tách Omega-3,6,9 từ mỡ phế thải theo quy trình của nhà máy chế biến cá basa xuất khẩu tại Đồng bằng Sông Cửu Long.
Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát thành phần, hàm lượng acid béo trong mỡ cá basa bằng dung môi truyền thống và xây dựng quy trình tách acid béo ra khỏi phụ phẩm của quá trình chế biến phile cá basa.
- Nghiên cứu tổng hợp các dung môi sâu (DES) trên cơ sở:
- Choline chloride với urea và các đồng đẳng (methylurea, thiourea, methylthiourea), xác định tính chất của chúng.
- 2-Alkylbenzimidazole (2-pentylbenzimidazole, 2-heptylbenzimidazole, 2-octylbenzimidazole, 2-nonylbenzimidazole) và tạo hệ dung môi sâu ethylene glycol/2-alkylbenzimidazole.
- Sử dụng các dung môi sâu đã tổng hợp để tách và làm giàu Omega-3,6,9 từ nguyên liệu; so sánh hiệu quả quá trình làm giàu và tách Omega-3,6,9 giữa các hệ dung môi.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Nguyên liệu cá basa (Pangasius bocourti) và cá tra (Pangasiidae) tươi; các hợp chất acid béo bão hòa và chưa bão hòa (đặc biệt là nhóm Omega-3, Omega-6, Omega-9); các hợp chất tổng hợp dung môi sâu gồm choline chloride, urea, methylurea, thiourea, methylthiourea, ethylene glycol, $o$-phenylenediamine và các acid carboxylic mạch thẳng ($C_6, C_8, C_9, C_{10}$).
- Phạm vi không gian: Mẫu cá được thu thập từ nhà máy chế biến thủy sản xuất khẩu của Công ty Cổ phần Tô Châu (Số 1553 Quốc lộ 30, khóm 4, phường 11, thành phố Cao Lãnh, tỉnh Đồng Tháp). Các phép đo phổ và phân tích hóa lý được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG TP.HCM và Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng.
- Phạm vi thời gian và số liệu: Dữ liệu thống kê sản lượng và diện tích nuôi cá tại ĐBSCL được khảo sát giai đoạn 2015–2019; các thực nghiệm tổng hợp và phân tích tách chiết được thực hiện trong khuôn khổ chương trình đào tạo nghiên cứu sinh.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Lịch sử phát triển chất lỏng ion (ILs) và dung môi sâu (DES)
Khái niệm về chất lỏng ion bắt đầu từ công bố năm 1888 của S. Weiner về ethanolammonium nitrate (điểm nóng chảy 52–55 °C), tiếp theo là công trình năm 1914 của Paul Walden tổng hợp ethylammonium nitrate $[(C_2H_5)NH_3^+NO_3^-]$ nóng chảy ở 12 °C. Chất lỏng ion gồm hai nhóm chính: chất lỏng ion có proton (PILs) và không có proton (APILs). Mặc dù có các ưu điểm như độ bay hơi không đáng kể, độ bền nhiệt cao và khả năng hòa tan tốt, ILs truyền thống vẫn tồn tại nhược điểm lớn: giá thành cao, khó tổng hợp và độc tính sinh học nhất định.
Để khắc phục các hạn chế này, Abbott và cộng sự (từ năm 2001–2003) đã phát triển thế hệ chất lỏng ion mới gọi là dung môi sâu (Deep Eutectic Solvents - DES), tạo thành từ hỗn hợp giữa muối amonium bậc bốn (như choline chloride) và các chất cho liên kết hydro (HBD như amide, polyol, carboxylic acid). Theo thống kê của C. Andrew và cộng sự (2017) từ Web of Science, có tới 1.374 công trình nghiên cứu về DES giai đoạn 2003–2017. Các dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES) được mở rộng từ các hợp chất chuyển hóa sơ cấp (amino acid, acid hữu cơ, đường, choline) tuân thủ 12 nguyên tắc Hóa học Xanh của Anastas và Warner (1998).
Các phương pháp tách chiết Omega-3,6,9 hiện có
- Phương pháp sắc ký: Sử dụng HPLC phân lập acid béo chưa bão hòa từ dầu cá; Adlof và Emken ứng dụng sắc ký nhựa tráng bạc; Dudley và Anderson dùng sắc ký lớp mỏng tráng bạc nitrat ($AgNO_3$) để phân tách các acid béo theo số lượng liên kết đôi.
- Phương pháp chưng cất và enzyme: Chưng cất phân đoạn chân không ở nhiệt độ thấp và áp suất giảm kết hợp thủy phân bằng enzyme nhằm tránh oxy hóa các liên kết đôi.
- Phương pháp chiết bằng chất lỏng siêu tới hạn: Mishra và cộng sự, Sahena và cộng sự đã sử dụng $CO_2$ siêu tới hạn ($31,1\ ^\circ\text{C}$; $72,9\ \text{atm}$) để tách phân đoạn acid béo từ cá thu mà không để lại dư lượng dung môi.
- Phương pháp kết tinh nhiệt độ thấp và tạo phức urea: Chunzhi Zhang và cộng sự, Udaya và cộng sự, Ni Wayan Suriani và cộng sự đã sử dụng urea trong ethanol hoặc methanol để tạo phức bao với các acid béo bão hòa, để lại các PUFA trong pha lỏng. Tuy nhiên, các quy trình này bắt buộc phải acid hóa bằng $H_2SO_4$ hoặc $HCl$ đậm đặc và chiết lại bằng $n$-hexane, gây nguy cơ biến đổi hóa học đối với các acid béo chưa bão hòa đa.
+-------------------------------------------------------------------------+
| CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TÁCH CHIẾT OMEGA |
+-------------------------------------------------------------------------+
| 1. Sắc ký (HPLC, Ag-TLC) -> Độ tinh khiết cao, chi phí rất lớn |
| 2. Chưng cất chân không / Enzyme -> Tránh nhiệt độ cao, tốc độ chậm |
| 3. Chất lỏng siêu tới hạn (CO2) -> Dung môi sạch, thiết bị áp suất cao|
| 4. Phức urea truyền thống -> Cần acid vô cơ đặc & n-hexane độc |
| 5. Dung môi sâu DES (Luận án) -> Dung môi xanh, an toàn, không acid |
+-------------------------------------------------------------------------+
Nghiên cứu tại Việt Nam và vị trí của luận án
Tại Việt Nam, các nghiên cứu của các tác giả trong nước trước đây đã thử nghiệm:
- Thủy phân và kết tủa urea thu nhận acid béo chưa bão hòa.
- Kết tinh phân đoạn ở nhiệt độ thấp thu hàm lượng Omega-3 đạt 22,8% – 24,05%.
- Thủy giải lipid trong môi trường kiềm và kết tủa urea thu hỗn hợp acid béo có hàm lượng omega đạt 24,5%.
- Chiết bằng dung môi truyền thống kết hợp phản ứng transester hóa xác định thành phần mỡ cá basa.
- Nghiên cứu của Nguyễn Huỳnh Đình Thuấn (Viện Công nghệ Sinh học Thực phẩm - ĐH Công nghiệp TP.HCM) chỉ ra rằng acid béo chưa no trong mỡ cá tra, basa chiếm khoảng 80%.
Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết: Các nghiên cứu trong nước trước đó mới dừng lại ở mức độ thăm dò, hiệu suất thu hồi omega còn thấp và vẫn phụ thuộc vào dung môi độc hại. Luận án đặt vị trí tiên quyết là thiết lập hệ dung môi sâu mới (DES trên cơ sở choline chloride/urea và đồng đẳng, cũng như hệ ethylene glycol/2-alkylbenzimidazole) để tách chiết và làm giàu Omega-3,6,9 trực tiếp từ methyl ester của mỡ phụ phẩm cá basa, loại bỏ hoàn toàn giai đoạn acid hóa bằng acid vô cơ mạnh và dung môi hữu cơ bay hơi độc hại.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết
- Cơ chế tạo dung môi sâu (DES): Quá trình hình thành DES dựa trên tương tác liên kết hydro liên phân tử mạnh giữa chất nhận liên kết hydro (muối amonium bậc bốn như choline chloride) hoặc chất mang khung dị vòng (2-alkylbenzimidazole) với các tác nhân cho liên kết hydro (urea, thiourea, methylurea, ethylene glycol). Lực hút tĩnh điện và mạng lưới liên kết hydro làm suy yếu cấu trúc mạng tinh thể của các chất ban đầu, khiến điểm nóng chảy của hỗn hợp eutectic giảm mạnh xuống dưới nhiệt độ nóng chảy của từng cấu tử riêng biệt và thấp hơn nhiệt độ sôi của nước.
- Hóa học chất béo và danh pháp Omega: Chất béo trong cá tồn tại dạng triglycerides. Acid béo được phân loại thành acid béo bão hòa (SFA: Myristic $C_{14:0}$, Palmitic $C_{16:0}$, Stearic $C_{18:0}$, Arachidic $C_{20:0}$), acid béo chưa bão hòa đơn (MUFA: Palmitoleic $C_{16:1}$, Oleic acid $C_{18:1}$), và acid béo chưa bão hòa đa (PUFA: Linoleic acid LA $C_{18:2\ (n-6)}$, $\alpha$-Linolenic acid ALA $C_{18:3\ (n-3)}$, $\gamma$-Linolenic acid GLA $C_{18:3\ (n-6)}$, Eicosapentaenoic acid EPA $C_{20:5\ (n-3)}$, Docosahexaenoic acid DHA $C_{22:6\ (n-3)}$). Danh pháp omega ($\omega$ hoặc $n$) quy ước vị trí liên kết đôi đầu tiên tính từ nhóm methyl tận cùng.
Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích
Luận án là công trình nghiên cứu thực nghiệm định lượng kết hợp các phương pháp phân tích cấu trúc và thành phần hóa lý:
| Nhóm phương pháp |
Kỹ thuật / Thiết bị cụ thể |
Mục đích thực hiện |
| Xử lý mẫu & Chiết xuất |
Bộ chiết chất béo hồi lưu, dung môi $n$-hexane và methanol |
Tách triệt để lipid từ mỡ nguyên sinh, phile và phụ phẩm |
| Chuyển hóa hóa học |
Ester hóa bằng methanol ($H_2SO_4$ xúc tác, tỷ lệ 50g cao/100g cồn/1g acid, $60\ ^\circ\text{C}$, 3 giờ) |
Chuyển triglycerides và acid béo tự do thành methyl ester |
| Tổng hợp hóa học |
Bình phản ứng Autoclave, áp suất khí trơ Argon ($6\text{--}8\ \text{atm}$), xúc tác $SnCl_2$ (10% wt), $180\ ^\circ\text{C}$, 10 giờ |
Tổng hợp 4 dẫn xuất 2-alkylbenzimidazole ($C_5, C_7, C_8, C_9$) |
| Phân tích thành phần |
Sắc ký khí đầu dò ion hóa ngọn lửa GC-FID (Agilent 6890N, cột mao quản HP-INOWAX $30\text{ m} \times 0,25\ \mu\text{m}$) |
Định danh và định lượng thành phần acid béo và các dạng omega |
| Phân tích cấu trúc |
Phổ hồng ngoại FTIR (PerkinElmer Frontier, $4000\text{--}400\ \text{cm}^{-1}$, ép viên KBr); Phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR (Bruker AC 500: $^1\text{H}$-NMR và $^{13}\text{C}$-NMR) |
Xác định sự hình thành liên kết hydro và cấu trúc phân tử của DES |
| Phân tích nhiệt |
Nhiệt trọng trường TGA (TA Instruments Q200, tốc độ nâng nhiệt $10\ ^\circ\text{C}/\text{phút}$, môi trường khí $N_2$, đo đến $800\ ^\circ\text{C}$) |
Đánh giá độ bền nhiệt và khoảng nhiệt độ phân hủy của hệ DES |
| Tính chất cơ lý |
Máy đo pH/ORP & EC Hanna HI5521-02; Chuẩn độ Karl Fischer Metrohm 831; Đo độ nhớt Brookfield DV III ULTRA |
Xác định pH, độ dẫn điện, độ nhớt và hàm lượng nước của DES |
Nguồn vật liệu và dữ liệu
- Nguyên liệu sinh học: Cá basa và cá tra tươi từ nhà máy chế biến của Công ty Cổ phần Tô Châu tại Cao Lãnh, Đồng Tháp.
- Hóa chất: $o$-Phenylenediamine (Merck PA), Choline chloride (Acros 99%), Urea (Acros PA), Thiourea (VN 99%), Methylurea (TQ 99%), Methylthiourea (TQ 99%), Hexanoic acid ($C_6$), Octanoic acid ($C_8$), Nonanoic acid ($C_9$), Decanoic acid ($C_{10}$) (TQ 99%), $SnCl_2$ (TQ 99%), $AlCl_3$ (Merck PA), Methanol (Acros PA), $n$-Hexane PA. Silicagel và $AlCl_3$ được sấy khô loại ẩm trong bình cô quay dưới khí $N_2$ ở $100\ ^\circ\text{C}$ trước khi sử dụng.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về chất lỏng ion, dung môi sâu và nguyên liệu cá da trơn tại Việt Nam:
- Trình bày lịch sử hình thành chất lỏng ion từ năm 1888 đến sự ra đời của DES do Abbott khởi xướng năm 2001–2003; phân tích 12 nguyên tắc Hóa học Xanh của Anastas và Warner áp dụng cho dung môi không bay hơi, có khả năng phân hủy và tương thích sinh học.
- Trình bày số liệu thống kê sản lượng thu hoạch cá tra, basa vùng ĐBSCL giai đoạn 2015–2019 (năm 2015: 1.123 ngàn tấn; 2016: 1.183 ngàn tấn; 2017: 1.252 ngàn tấn; 2018: 1.297,5 ngàn tấn; 2019: 1.166 ngàn tấn) và kim ngạch xuất khẩu tương ứng từ 1,6 đến 2,26 tỷ USD; trong đó Đồng Tháp và An Giang là hai địa phương trọng điểm (sản lượng Đồng Tháp đạt từ 375 đến 466 ngàn tấn/năm).
- Phân tích cấu trúc phân tử và tác dụng dược lý của Omega-3 (DHA 22:6, EPA 20:5, ALA 18:3), Omega-6 (LA 18:2, GLA 18:3, DGLA 20:3, AA 20:4) và Omega-9 (Oleic acid 18:1) đối với hệ tim mạch, não bộ, thị giác và da.
- Tổng kết các phương pháp tách chiết omega hiện hành và chỉ rõ hạn chế của phương pháp tạo tủa urea truyền thống do sử dụng lượng lớn dung môi hữu cơ bay hơi và acid mạnh.
Chương 2: Phương pháp thực nghiệm
Chương 2 mô tả chi tiết quy trình xử lý mẫu, tổng hợp hóa học, các hệ thiết bị và kỹ thuật phân tích:
1. Quy trình xử lý nguyên liệu và chiết tách lipid
- Khảo sát quy trình xẻ thịt công nghiệp đối với cá tra (2.200 g) và cá basa (1.750 g): tách thành 3 phần gồm mỡ nguyên sinh, thịt phile và phụ phẩm (đầu, da, xương, ruột).
- Thử nghiệm phương pháp chiết nối tiếp hai dung môi $n$-hexane và methanol từ 86,11 g mỡ cá basa:
- Chiết $n$-hexane trước thu 57,63 g cao; chiết tiếp methanol thu 17,71 g cao (tổng cao thu được 75,34 g, chiếm 87,49% mỡ nguyên liệu, hiệu suất chiết đạt 96,82%).
- Chiết methanol trước thu 27,584 g cao; chiết tiếp $n$-hexane thu 47,757 g cao (tổng cao thu được 75,34 g, hiệu suất chiết đạt 95,66%).
- Kết luận: Nếu chỉ chiết bằng $n$-hexane đơn lẻ chỉ thu được 66,9% lipid; nếu chỉ dùng methanol chỉ thu được 32,03%. Quy trình chiết nối tiếp $n$-hexane/methanol được lựa chọn để thu hồi triệt để lipid.
2. Quy trình methyl hóa
Cao lipid (50 g) được ester hóa với methanol (100 g) có xúc tác $H_2SO_4$ đậm đặc (1 g) ở nhiệt độ $60\ ^\circ\text{C}$ trong 3 giờ, cô quay loại bớt methanol dư ở $35\ ^\circ\text{C}$, rửa bằng nước cất và làm khan bằng $Na_2SO_4$ tạo hỗn hợp methyl ester.
3. Quy trình tổng hợp các hệ dung môi sâu (DES)
- Hệ Choline chloride/urea và đồng đẳng: Phối trộn choline chloride với urea, methylurea, thiourea, methylthiourea theo các tỷ lệ khối lượng 1:2, 1:1, 2:1 ở nhiệt độ $60\text{--}70\ ^\circ\text{C}$. Khảo sát cho thấy tỷ lệ 1:2 bị kết tinh ở nhiệt độ phòng, trong khi tỷ lệ 1:1 và 2:1 duy trì trạng thái lỏng đồng nhất; tỷ lệ mol 1:1 được chọn làm chuẩn cho các nghiên cứu tiếp theo.
- Hệ Methanol/urea: Xác định điểm bão hòa của urea trong methanol đạt tỷ lệ mol 2,5:1 (tương ứng nồng độ 0,468 g/ml). Bốn mẫu dung môi sâu trước điểm bão hòa được điều chế với nồng độ urea lần lượt là: Mẫu 1 (0,143 g/ml), Mẫu 2 (0,20 g/ml), Mẫu 3 (0,23 g/ml), Mẫu 4 (0,26 g/ml).
- Tổng hợp 2-Alkylbenzimidazole: Phản ứng giữa $o$-phenylenediamine với các acid carboxylic ($C_6, C_8, C_9, C_{10}$) theo tỷ lệ mol 1:1, xúc tác $SnCl_2$ (10% wt), dung môi dioxan (10 ml), thực hiện trong autoclave dưới áp suất khí Argon $6\text{--}8\ \text{atm}$, nhiệt độ $180\ ^\circ\text{C}$, tốc độ khuấy 600 vòng/phút trong 10 giờ. Sản phẩm được tinh chế qua cột sắc ký silicagel ($30\text{ mm} \times 100\text{ mm}$) và kết tinh lại:
| Dẫn xuất tổng hợp |
Công thức |
Trạng thái sản phẩm |
Hiệu suất thô (%) |
Hiệu suất tinh chế (%) |
| 2-Pentylbenzimidazole |
$C_{12}H_{16}N_2$ |
Tinh thể bột màu trắng xám |
98,86 |
94,13 |
| 2-Heptylbenzimidazole |
$C_{14}H_{20}N_2$ |
Tinh thể màu trắng trong suốt |
95,64 |
91,25 |
| 2-Octylbenzimidazole |
$C_{15}H_{22}N_2$ |
Tinh thể màu nâu |
92,27 |
89,22 |
| 2-Nonylbenzimidazole |
$C_{16}H_{24}N_2$ |
Dạng bột màu trắng |
89,76 |
86,79 |
- Hệ Ethylene glycol/2-alkylbenzimidazole: 2-Alkylbenzimidazole được hòa tan trong ethylene glycol; tỷ lệ tối ưu được xác định là 10 g ethylene glycol : 1,5 g 2-alkylbenzimidazole (đảm bảo tạo liên kết hydro bền vững, hiệu quả tách chiết cao và độ hao hụt alkylbenzimidazole khi thu hồi dưới 10%).
4. Kỹ thuật tách chiết và làm giàu Omega-3,6,9
Hỗn hợp gồm 20 g methyl ester nguyên liệu, 15 g DES và 200 ml methanol được khuấy ở $45\ ^\circ\text{C}$ trong 1 giờ để tạo dung dịch đồng nhất, sau đó làm lạnh ở $4\ ^\circ\text{C}$ trong 8 giờ để phân tách thành 2 pha:
- Pha lỏng (lớp trên): Chứa methyl ester của các acid béo chưa bão hòa (Omega-3,6,9) hòa tan trong methanol. Tiến hành cô quay chân không loại methanol, làm khan bằng $Na_2SO_4$ và phân tích GC-FID.
- Pha rắn (lớp dưới): Chứa phức tinh thể DES và methyl ester của các acid béo bão hòa. Tiến hành thêm 200 ml nước cất, đun sôi để hòa tan DES, tách lớp methyl ester bên trên để làm biodiesel, phần dung dịch nước chứa DES được cô quay loại nước và làm lạnh ở $4\ ^\circ\text{C}$ để kết tinh thu hồi DES.
Chương 3: Kết quả và thảo luận
1. Khảo sát phân bố khối lượng và hàm lượng lipid trong cá tra và cá basa
Kết quả xẻ thịt thực nghiệm 3 lần từ 2.200 g cá tra và 1.750 g cá basa:
| Thành phần phân tách |
Khối lượng cá tra (g) |
Tỷ lệ cá tra (%) |
Khối lượng cá basa (g) |
Tỷ lệ cá basa (%) |
| Mỡ nguyên sinh |
50,00 |
2,30 |
106,00 |
6,06 |
| Thịt (phile) |
816,00 |
37,10 |
615,00 |
35,14 |
| Phụ phẩm (đầu, da, xương, ruột) |
1334,00 |
60,60 |
1029,00 |
58,80 |
| Tổng cộng |
2200,00 |
100,00 |
1750,00 |
100,00 |
Kết quả chiết xuất cao acid béo từ các bộ phận:
- Mỡ nguyên sinh: 106,01 g mỡ basa thu 86,11 g cao lipid (chiếm 81,23%; thất thoát 0,78%); 50 g mỡ tra thu 43,95 g cao lipid (chiếm 87,90%; thất thoát 1,54%).
- Thịt phile: 615 g thịt basa thu 121,98 g cao lipid (19,83%; thất thoát 1,30%); 816 g thịt tra thu 162,16 g cao lipid (19,87%; thất thoát 0,49%).
- Mỡ phụ phẩm: Từ 1.029 g phụ phẩm basa thu được 86,11 g mỡ nổi (chiếm 8,37% phụ phẩm), chiết được 75,34 g cao lipid (chiếm 87,49% lượng mỡ; thất thoát 3,18%). Từ 1.334 g phụ phẩm tra thu được 163 g mỡ nổi (chiếm 12,22% phụ phẩm), chiết được 153,69 g cao lipid (chiếm 94,29% lượng mỡ; thất thoát 0,04%).
2. Phân tích định danh thành phần Omega-3,6,9 bằng GC-FID
Kết quả phân tích GC-FID dịch chiết từ các bộ phận:
| Phân đoạn khảo sát |
Chỉ tiêu phân tích |
Cá tra (g) |
Tỷ lệ trong cao (%) |
Cá basa (g) |
Tỷ lệ trong cao (%) |
| Mỡ nguyên sinh |
Acid béo dạng Omega-3,6,9 |
18,88 |
37,77 |
44,16 |
41,62 |
|
Acid béo khác |
15,80 |
35,95 |
21,69 |
25,19 |
|
Tổng triglycerides |
1,43 |
3,25 |
5,31 |
6,17 |
|
Thành phần chưa xác định |
7,83 |
17,82 |
14,95 |
17,36 |
| Thịt phile |
Acid béo dạng Omega-3,6,9 |
15,96 |
1,96 (trên thịt) |
24,31 |
3,95 (trên thịt) |
|
Acid béo khác |
13,08 |
1,60 |
14,53 |
2,36 |
|
Tổng triglycerides |
1,09 |
0,13 |
1,64 |
0,27 |
|
Thành phần chưa xác định |
132,03 |
16,18 |
81,50 |
13,25 |
| Mỡ từ phụ phẩm |
Acid béo dạng Omega-3,6,9 |
77,98 |
47,84 |
38,56 |
44,78 |
|
Acid béo khác |
59,28 |
38,57 |
34,19 |
45,38 |
|
Tổng triglycerides |
5,06 |
3,29 |
1,78 |
2,36 |
|
Thành phần chưa xác định |
11,38 |
7,40 |
0,81 |
1,08 |
| Tổng thể con cá |
Tổng Omega-3,6,9 tích lũy |
112,82 |
5,13 (trên cá) |
107,03 |
6,12 (trên cá) |
Đặc biệt, trong mỡ nguyên sinh của cá basa, tỷ lệ nhóm Omega-3 và Omega-6 chiếm tới 92,26% tổng lượng omega. Đối với phụ phẩm, cứ chế biến 1 tấn cá xuất khẩu thì lượng acid béo dạng omega bị loại bỏ ra phần phế thải là khoảng 3,75 kg.
Thành phần định lượng chi tiết từng acid béo omega trong mỡ phụ phẩm:
| Nhóm Omega |
Dạng acid béo |
Ký hiệu hóa học |
Cá tra (g) |
Cá basa (g) |
| Omega-3 |
$\alpha$-Linolenic acid (ALA) |
$18:3\ (n-3)$ |
0,63 |
0,72 |
|
Eicosatrienoic acid (ETE) |
$20:3\ (n-3)$ |
0,67 |
1,27 |
|
Eicosapentaenoic acid (EPA) |
$20:5\ (n-3)$ |
0,57 |
1,72 |
|
Docosahexaenoic acid (DHA) |
$22:6\ (n-3)$ |
0,88 |
1,72 |
| Omega-6 |
Linoleic acid (LA) |
$18:2\ (n-6)$ |
10,67 |
3,06 |
|
$\gamma$-Linolenic acid (GLA) |
$18:3\ (n-6)$ |
1,39 |
2,71 |
|
Eicosadienoic acid |
$20:2\ (n-6)$ |
1,65 |
0,00 |
|
Dihomo $\gamma$-linolenic acid (DGLA) |
$20:3\ (n-6)$ |
2,88 |
0,34 |
|
Arachidonic acid (AA) |
$20:4\ (n-6)$ |
1,10 |
0,25 |
|
Docosadienoic acid |
$22:2\ (n-6)$ |
0,83 |
0,00 |
| Omega-9 |
Oleic acid |
$18:1\ (n-9)$ |
54,96 |
25,97 |
|
Elaidic acid |
$18:1\ (n-9)$ |
0,00 |
0,20 |
|
Gondoic acid |
$20:1\ (n-9)$ |
1,76 |
0,58 |
| Tổng cộng |
Tổng khối lượng Omega |
|
77,98 |
38,56 |
3. Thành phần hóa học của Methyl Ester nguyên liệu (Mỡ phụ phẩm cá basa)
Sau phản ứng ester hóa cao lipid mỡ phụ phẩm cá basa với methanol ($65\ ^\circ\text{C}$, 3 giờ), thành phần methyl ester chuẩn hóa cho 20 g mẫu thử nghiệm được xác định như sau:
| STT |
Nhóm thành phần |
Hàm lượng (%) |
Khối lượng trong 20g (g) |
Các cấu tử chính định danh qua GC-FID |
| 1 |
Acid béo bão hòa |
35,58 |
7,11 |
Palmitic ($C_{16:0}$: 26,55%), Stearic ($C_{18:0}$: 6,78%), Myristic ($C_{14:0}$: 1,96%), Arachidic ($C_{20:0}$: 0,29%) |
| 2 |
Acid béo chưa bão hòa |
3,35 |
0,67 |
Palmitoleic acid ($C_{16:1}$: 3,35%) |
| 3 |
Omega-3 |
1,84 |
0,37 |
DHA & Nervonic ($C_{22:6}/C_{24:1}$: 0,63%), ALA ($C_{18:3}$: 0,46%), EPA ($C_{20:5}$: 0,42%), Eicosatrienoic ($C_{20:3}$: 0,15%) |
| 4 |
Omega-6 |
14,48 |
2,90 |
Linoleic acid LA ($C_{18:2}$: 12,41%), GLA ($C_{18:3}$: 1,05%), Eicosadienoic ($C_{20:2}$: 0,55%), AA ($C_{20:4}$: 0,48%), Eicosatrienoic ($C_{20:3}$: 0,18%) |
| 5 |
Omega-9 |
40,63 |
8,13 |
Oleic acid ($C_{18:1}$: 40,21%), Eicosenoic acid ($C_{20:1}$: 0,42%) |
| 6 |
Không xác định & thất thoát |
4,12 |
0,82 |
- |
| Tổng |
|
100,00 |
20,00 |
Tổng nhóm Omega-3,6,9 chiếm 56,97% (~57%) |
4. Cấu trúc phổ và đặc tính nhiệt của các hệ DES Choline Chloride
- Phổ FTIR:
- Choline chloride/urea (Ch/U): Phổ urea ban đầu có mũi hấp thu $NH_2$ tại $3352$ và $3442\ \text{cm}^{-1}$, dao động $C=O$ (amide) tại $1667\ \text{cm}^{-1}$, dao động $C-N$ tại $1457\ \text{cm}^{-1}$. Choline chloride có vân dao động $O-H$ tại $3376\ \text{cm}^{-1}$, $H-C_{sp3}$ tại $3019, 2956, 2907\ \text{cm}^{-1}$, $C-O$ tại $1087, 1347, 1478\ \text{cm}^{-1}$, $C-N$ tại $1643, 1206\ \text{cm}^{-1}$. Trong hệ DES Ch/U, mũi đôi $NH_2$ chuyển thành mũi đơn do nguyên tử H của nhóm $-NH_2$ tạo liên kết hydro với anion $Cl^-$; đồng thời vân hấp thu của nhóm $-OH$ trong choline chloride dịch chuyển từ $3376\ \text{cm}^{-1}$ về vùng tần số thấp hơn tại $3347\ \text{cm}^{-1}$.
- Choline chloride/methylurea (Ch/MU): Vân hấp thu $-OH$ của choline chloride dịch chuyển từ $3376\ \text{cm}^{-1}$ về $3362\ \text{cm}^{-1}$.
- Choline chloride/thiourea (Ch/Thi): Vân hấp thu $-OH$ dịch chuyển từ $3376\ \text{cm}^{-1}$ về $3361\ \text{cm}^{-1}$, đồng thời tín hiệu tại $2686\text{--}2694\ \text{cm}^{-1}$ (của liên kết $S-H$ do cộng hưởng thioamide) bị suy giảm cường độ mạnh.
- Phân tích nhiệt vi sai TGA:
- Hệ Ch/U: Dưới $200\ ^\circ\text{C}$ sụt giảm khoảng 20% khối lượng do bay hơi nước hấp phụ và dung môi; từ $200\text{--}600\ ^\circ\text{C}$ mất 80% khối lượng tương ứng với sự phân hủy của choline chloride và urea. Hệ bền nhiệt dưới $200\ ^\circ\text{C}$.
- Hệ Ch/MU: Dưới $200\ ^\circ\text{C}$ sụt giảm khoảng 10% khối lượng; từ $200\text{--}303\ ^\circ\text{C}$ sụt giảm 89% khối lượng. Hệ bền nhiệt dưới $200\ ^\circ\text{C}$.
- Hệ Ch/Thi: Dưới $200\ ^\circ\text{C}$ sụt giảm 12,3% khối lượng; từ $228\text{--}333\ ^\circ\text{C}$ sụt giảm 82% khối lượng. Hệ bền nhiệt dưới $214\ ^\circ\text{C}$.
5. Kết quả làm giàu và tách Omega-3,6,9 bằng hệ DES Choline Chloride/Urea
Thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của lượng DES (Choline chloride/urea tỷ lệ 1:1) từ 5 g đến 30 g tác dụng với 20 g methyl ester nguyên liệu trong 200 ml methanol:
| Lượng DES Ch/U (g) |
Khối lượng pha lỏng (g) |
Khối lượng pha rắn (g) |
Hiệu suất tách pha (%) |
| 5 |
2,40 |
17,60 |
12,00 |
| 10 |
2,87 |
17,13 |
14,35 |
| 15 |
3,30 |
16,70 |
16,50 |
| 20 |
3,60 |
16,40 |
18,00 |
| 25 |
3,82 |
16,18 |
19,10 |
| 30 |
3,90 |
16,10 |
19,50 |
Kết quả phân tích GC-FID pha lỏng cho thấy: Khi sử dụng 15 g DES Ch/U (tương ứng hiệu suất tách pha 16,50%), tổng hàm lượng Omega-3,6,9 thu được trong sản phẩm pha lỏng đạt tới 91%. Tỷ lệ này được xác lập làm điều kiện tối ưu để áp dụng cho các hệ DES đồng đẳng tiếp theo.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận
- Cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm định lượng chi tiết về hàm lượng và thành phần các acid béo (đặc biệt là 12 dạng acid béo thuộc nhóm Omega-3, 6, 9) phân bố trong từng bộ phận (mỡ nguyên sinh, phile, mỡ phụ phẩm) của cá basa (Pangasius bocourti) và cá tra (Pangasiidae) tại Đồng bằng Sông Cửu Long.
- Tổng hợp thành công và chứng minh cấu trúc của các hệ dung môi sâu mới dựa trên liên kết hydro: hệ Choline chloride với urea và các đồng đẳng (methylurea, thiourea, methylthiourea); hệ Ethylene glycol với 4 dẫn xuất 2-alkylbenzimidazole ($C_5, C_7, C_8, C_9$).
- Xác lập bản chất tương tác liên kết hydro (sự dịch chuyển tần số dao động nhóm $-OH$, biến đổi mũi $NH_2$ và suy giảm tín hiệu liên kết $S-H$ trên phổ FTIR) và xác định khoảng bền nhiệt của các hệ DES qua phân tích TGA (bền nhiệt dưới $200\text{--}214\ ^\circ\text{C}$).
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp công nghệ
- Xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ xanh hai bước: Chiết nối tiếp $n$-hexane/methanol thu hồi triệt để lipid từ mỡ phụ phẩm cá basa (hiệu suất 96,82%), kết hợp phản ứng methyl hóa và làm giàu Omega-3,6,9 bằng dung môi sâu DES (Choline chloride/urea tỷ lệ 1:1) đạt độ tinh khiết omega 91% trong pha lỏng.
- Khắc phục triệt để nhược điểm của phương pháp tạo phức urea truyền thống: không cần sử dụng acid vô cơ mạnh ($H_2SO_4, HCl$), không cần dùng dung môi độc hại để chiết hồi lưu, quy trình phân tách pha ở điều kiện nhiệt độ êm dịu ($45\ ^\circ\text{C}$ gia nhiệt và kết tinh $4\ ^\circ\text{C}$), hạn chế tối đa sự phân hủy và biến tính của các acid béo không bão hòa đa.
- Đề xuất quy trình thu hồi và tái sử dụng DES đơn giản bằng phương pháp xả tủa nhiệt với nước và kết tinh lại ở $4\ ^\circ\text{C}$, giúp hạ giá thành xử lý, nâng cao giá trị kinh tế của chuỗi chế biến cá basa xuất khẩu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường chất thải thủy sản.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu
- Các thực nghiệm tổng hợp dung môi sâu và quy trình tách chiết làm giàu Omega-3,6,9 mới được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm (bình phản ứng thể tích 200–500 ml với lượng mẫu 20 g methyl ester).
- Luận án mới tập trung nghiên cứu chi tiết quy trình tách làm giàu trên đối tượng mỡ phụ phẩm của cá basa, chưa triển khai thực nghiệm sâu hệ DES đối với mỡ phụ phẩm cá tra ở các điều kiện biến thiên khác nhau.
- Các khảo sát thu hồi DES và alkylbenzimidazole mới dừng lại ở việc đánh giá hiệu suất thu hồi ban đầu (hao hụt dưới 10%), chưa có số liệu kiểm tra độ suy giảm hoạt tính sau nhiều chu kỳ tái sử dụng liên tục.
Hạn chế và hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo
- Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình phân tách riêng rẽ từng cấu tử đơn lẻ có giá trị cao trong nhóm omega (đặc biệt là tách riêng EPA $C_{20:5}$ và DHA $C_{22:6}$) từ pha lỏng đã được làm giàu.
- Khảo sát độ bền hóa học, độ tinh khiết và số chu kỳ tái sinh tối đa của các hệ dung môi sâu (DES) trong quy trình hoạt động liên tục.
- Mở rộng quy mô thực nghiệm lên mức pilot (bán công nghiệp) tại các nhà máy chế biến thủy sản ở Đồng Tháp và An Giang nhằm đánh giá các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật toàn diện.
Giá trị tham khảo
Đối tượng thụ hưởng
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa học các hợp chất thiên nhiên, Công nghệ Hóa học, Công nghệ Thực phẩm và Kỹ thuật Môi trường; có thể sử dụng tài liệu làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về tổng hợp DES và hóa học lipid động vật.
- Kỹ sư công nghệ và nhà nghiên cứu R&D: Tại các viện nghiên cứu, doanh nghiệp sản xuất dược phẩm, thực phẩm chức năng và thức ăn bổ sung dinh dưỡng từ nguồn nguyên liệu sinh khối biển/thủy sản.
- Các nhà quản lý và doanh nghiệp chế biến thủy sản xuất khẩu: Tại khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long, phục vụ xây dựng chiến lược kinh tế tuần hoàn, tận thu phụ phẩm cá da trơn để tăng doanh thu và giải quyết bài toán môi trường.
Các nội dung có giá trị tham khảo cao trong luận án
- Cơ sở dữ liệu định lượng chi tiết về thành phần các acid béo và omega trong các bộ phận của cá basa và cá tra.
- Quy trình tổng hợp các dẫn xuất 2-alkylbenzimidazole có xúc tác $SnCl_2$ trong thiết bị autoclave áp suất cao.
- Phương pháp luận và kỹ thuật phân tích FTIR, NMR, TGA, GC-FID phục vụ nghiên cứu các hệ chất lỏng ion thế hệ mới và hợp chất tự nhiên.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao luận án lựa chọn mỡ phụ phẩm từ chế biến cá basa làm nguyên liệu chính thay vì mỡ cá tra hay mỡ nguyên sinh?
Mặc dù cá tra có hàm lượng mỡ thu hồi từ phụ phẩm cao hơn (12,22% so với 8,37% của cá basa), nhưng cá basa có tỷ lệ tích lũy omega trên tổng trọng lượng toàn con cao hơn (6,12% so với 5,13% ở cá tra). Trong mỡ nguyên sinh của cá basa, tỷ lệ Omega-3 và Omega-6 chiếm tới 92,26% tổng lượng omega. Hơn nữa, lượng phụ phẩm cá basa chiếm tới 58,8% tổng khối lượng sau xẻ thịt và hàm lượng Omega-3,6,9 trong dịch chiết mỡ phụ phẩm đạt 44,78%. Việc tận dụng mỡ phụ phẩm cá basa giải quyết trực tiếp nguồn thải công nghiệp khối lượng lớn tại các nhà máy xuất khẩu ở ĐBSCL.
2. Sự khác biệt cơ bản giữa phương pháp sử dụng hệ dung môi sâu (DES) của luận án với phương pháp tạo phức urea truyền thống là gì?
Phương pháp tạo phức urea truyền thống trộn trực tiếp urea với ester acid béo trong cồn, sau đó bắt buộc phải sử dụng acid vô cơ mạnh ($H_2SO_4$ 6M hoặc $HCl$ đậm đặc) để phá phức và dùng dung môi hữu cơ bay hơi ($n$-hexane) để chiết lại, gây nguy cơ oxy hóa, biến tính nối đôi của omega và độc hại cho môi trường. Ngược lại, phương pháp của luận án tạo sẵn hệ DES liên kết hydro (như Choline chloride/urea 1:1 hoặc Ethylene glycol/2-alkylbenzimidazole), phản ứng ở $45\ ^\circ\text{C}$ và kết tinh phân tách ở $4\ ^\circ\text{C}$, không dùng acid vô cơ mạnh, tách pha lỏng chứa 91% omega trực tiếp và thu hồi DES bằng nước nóng đơn giản.
3. Các hệ dung môi sâu Choline chloride/urea và đồng đẳng có đặc tính phổ và độ bền nhiệt như thế nào?
Phổ FTIR ghi nhận sự dịch chuyển tần số hấp thu của nhóm $-OH$ trong Choline chloride từ $3376\ \text{cm}^{-1}$ về vùng tần số thấp hơn: $3347\ \text{cm}^{-1}$ (với urea), $3362\ \text{cm}^{-1}$ (với methylurea), và $3361\ \text{cm}^{-1}$ (với thiourea). Mũi đôi $NH_2$ của urea chuyển thành mũi đơn do liên kết hydro với anion $Cl^-$. Phân tích TGA cho thấy các hệ DES này có độ bền nhiệt cao: hệ Ch/U và Ch/MU bền nhiệt dưới $200\ ^\circ\text{C}$, hệ Ch/Thi bền nhiệt dưới $214\ ^\circ\text{C}$.
4. Thành phần các nhóm acid béo trong methyl ester nguyên liệu từ mỡ phụ phẩm cá basa được xác định cụ thể ra sao?
Qua phân tích GC-FID, methyl ester nguyên liệu gồm: 35,58% acid béo bão hòa (Palmitic 26,55%, Stearic 6,78%, Myristic 1,96%, Arachidic 0,29%); 3,35% acid béo chưa bão hòa (Palmitoleic 3,35%); 1,84% Omega-3 (DHA & Nervonic 0,63%, ALA 0,46%, EPA 0,42%, Eicosatrienoic 0,15%); 14,48% Omega-6 (Linoleic acid LA 12,41%, GLA 1,05%, Eicosadienoic 0,55%, AA 0,48%, Eicosatrienoic 0,18%); 40,63% Omega-9 (Oleic acid 40,21%, Eicosenoic 0,42%); và 4,12% thành phần không xác định. Tổng hàm lượng Omega-3,6,9 đạt 56,97%.
5. Dẫn xuất 2-alkylbenzimidazole được tổng hợp trong điều kiện nào và hiệu suất thu được là bao nhiêu?
Phản ứng tổng hợp giữa $o$-phenylenediamine với các acid carboxylic tương ứng ($C_6, C_8, C_9, C_{10}$) theo tỷ lệ mol 1:1, có mặt 10% khối lượng xúc tác $SnCl_2$ trong 10 ml dung môi dioxan, tiến hành trong thiết bị autoclave dưới áp suất khí trơ Argon $6\text{--}8\ \text{atm}$, nhiệt độ $180\ ^\circ\text{C}$, khuấy 600 vòng/phút trong 10 giờ. Sau khi tinh chế qua cột sắc ký silicagel và kết tinh lại, hiệu suất làm sạch thu được lần lượt là: 2-pentylbenzimidazole (94,13%), 2-heptylbenzimidazole (91,25%), 2-octylbenzimidazole (89,22%), và 2-nonylbenzimidazole (86,79%).
Kết luận
Luận án đã giải quyết bài toán công nghệ chiết tách và làm giàu Omega-3,6,9 từ mỡ phụ phẩm cá basa tại Đồng bằng Sông Cửu Long bằng việc tổng hợp và ứng dụng các hệ dung môi sâu thế hệ mới (DES trên cơ sở choline chloride/urea và đồng đẳng, cũng như hệ ethylene glycol/2-alkylbenzimidazole). Công trình đã làm sáng tỏ cấu trúc liên kết hydro và đặc tính bền nhiệt của các hệ DES qua phổ FTIR và giản đồ TGA, đồng thời xây dựng quy trình phân tích định lượng toàn diện thành phần acid béo trong cá tra và cá basa bằng GC-FID. Việc ứng dụng hệ DES choline chloride/urea (1:1) đã nâng cao hàm lượng Omega-3,6,9 trong sản phẩm tách pha lỏng lên 91%, mở ra giải pháp công nghệ xanh, an toàn, không sử dụng acid vô cơ mạnh và dung môi độc hại, góp phần gia tăng giá trị kinh tế cho ngành thủy sản và bảo vệ môi trường.
