CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU Lignin là một hợp chất cao phân tử đặc biệt có trong thực vật, thường tập trung ở những mô hóa gỗ, có vai trò kết dính tế bào, làm tăng độ bền cơ học, chống thấm nước qua vách tế bào mô xylem, ngăn cản sự xâm nhập của vi sinh vật gây bệnh. Trong thực vật bậc cao, lignin là chất hóa học kết nối giữa cellulose và hemicellulose làm cho cây cứng cáp cũng như tăng sức đề kháng đối với phân huỷ sinh học của carbohydrates và môi trường khắc nghiệt (Brown, 1961; Kirk & Farrell, 1987; Argylopoulos & Menachem, 1997; Higuchi, 1998, 2006 trích dẫn bởi Thevenot et al. Phức hợp lignin carbohydrate (Fr. VI và Fr.
VII) có hoạt tính kháng khuẩn, chống lại các vi sinh vật: Staphylococcus aureus SH10, Escherichia coli GN2411, Pseudomonas aeruginosa H7, Klebsiella pneumoniae ST101, Candida albicans YA2 (Harada et al., 1988; Oh-HARA et al., 1990 trích dẫn bởi Harada' et al. Khi tiêm Fr. VI vào tĩnh mạch của bệnh nhân nhiễm HIV sẽ giúp nó chống lại hoạt động của HIV trong một thời gian nhất định (Shimizu et al. Ngoài ra, phức hợp lignin carbohydrate (Frs.
VI và VII) còn có khả năng gây ức chế sự hình thành mảng bám do virus cúm trong ống nghiệm, cũng như các RNA polymerase, một enzyme nhân rộng của virus cúm (Nagata et al. Nhờ khả năng ngăn cản một số vi sinh vật gây bệnh nên lignin đã được dùng để trị bệnh đầu vàng do virus gây ra ở tôm biển. Mặc dù có tác dụng trị bệnh nhưng nếu sử dụng lignin với nồng độ quá ngưỡng có thể làm chết sinh vật hoặc những ảnh hưởng khác ở nồng độ thấp hơn ngưỡng gây chết (Pillaia et al. Vì vậy, khi sử dụng lignin để điều trị bệnh cho các loài thủy sinh vật cần phải biết được khoảng nồng độ an toàn cho thủy sinh vật.
Một số loài cá như cá Lóc (Channa striata), cá Rô Đồng (Anabas testudineus) và cá Sặc Rằn (Trichogaster pectoralis) có cơ quan hô hấp khí trời, thường sống khỏe trong môi trường thiếu oxy, giàu chất hữu cơ và đặc biệt là có nhiều xác thực vật phân hủy. Đây cũng là nơi có thể chứa hàm lượng lignin cao. Do đó, đề tài “Nghiên cứu tác động của lignin lên sinh trưởng cá Lóc (C. striata), cá Rô Đồng (A.
testudineus), cá Sặc Rằn (T. pectoralis)” được thực hiện nhằm làm cơ sở cho nghiên cứu sử dụng Lignin để ngừa bệnh trong nuôi trồng thủy sản nói chung và một số loài cá đồng nói riêng. 1 Mục tiêu Xác định được nồng độ gây độc cấp tính của Lignin đối với cá Rô Đồng, cá Lóc và cá Sặc Rằn nhằm làm cơ sở cho thử nghiệm ảnh hưởng nồng độ dưới ngưỡng gây chết đến sức khỏe của từng loài cá và nghiên cứu sử dụng Lignin để ngừa bệnh trong nuôi các loài cá này. Để đạt được mục tiêu trên, các nội dung đã được thực hiện bao gồm: Xác định nồng độ gây chết 50% cá Lóc, Rô Đồng và Sặc Rằn trong 96 giờ.
Xác định ảnh hưởng của Lignin ở nồng độ dưới ngưỡng LC50-96 giờ đến sinh lý và sinh trưởng của cá Lóc, Rô Đồng và Sặc Rằn. 2 CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 Sơ lược về Lignin 2.1 Nguồn gốc và cấu tạo của Lignin Lignin là một hợp chất cao phân tử đặc biệt có trong thực vật, thường tập trung ở những mô hóa gỗ, là chất kết dính tế bào, làm tăng độ bền cơ học, chống thấm nước qua vách tế bào mô xylem, ngăn cản sự xâm nhập của vi sinh vật gây bệnh. Trong thực vật bậc cao, lignin là chất hóa học kết nối giữa cellulose và hemicellulose làm cho cây cứng cáp cũng như tăng sức đề kháng đối với phân huỷ sinh học của carbohydrates và môi trường khắc nghiệt (Brown, 1961; Kirk & Farrell, 1987; Argylopoulos & Menachem, 1997; Higuchi, 1998, 2006 trích dẫn bởi Thevenot et al. Lignins được hình thành thông qua khớp nối của các quy trình oxy hóa phenol và là một sản phẩm tự nhiên rất lớn có trong thực vật (Davin et al., 1997 trích từ Sakagami et al.
Lignin phân tử được hình thành do sự trùng hợp của ba monolignols: E - p-coumaryl, E - p-coniferyl và E-sinapyl rượu (Lewis & Yamamoto, 1990). Một số polysaccharides trong thành tế bào thực vật liên kết với lignin để hình thành carbohydrate phức hợp lignin (Fr. VI và Fr. VII), và lignin carbohydrate phức hợp từ cây bách hói, bạch dương và rơm lúa có trọng lượng phân tử rất lớn (từ 1,5-8,5 x 105 và 1,5-10,0 x 103 (Azuma & Tetsuo, 1988).
Công thức tổng quát của lignin: C18H30O15 Hình 2.1 Mô hình kết cấu của lignin (Nguồn: http://www.nl) 3 Khác với cellulose và hemicellulose, lignin được hình thành từ dẫn xuất của phenyl, propan, một chất thơm có mạch nhánh. Nói cách chi tiết hơn, lignin là sản phẩm ngưng tụ của 3 thành phần chủ yếu rượu trans-p-cumaryl, trans-coniferyl, trans- cynapyl theo tỉ lệ khác nhau tùy loài thực vật, lignin của cây gỗ thực vật mềm gồm có 80% coniferyl, 14% cumaryl và 6% cynapyl, lignin của cây gỗ cứng gồm lượng bằng nhau của conyferyl và cynafyl còn cumaryl chiếm tỷ lệ rất nhỏ (Tô Thanh Phong, 2007). Lignin là một trong các polysaccharide của thành tế bào của thực vật, là một polymer vòng thơm. Lignin là nhựa nhiệt dẻo, mềm dưới tác dụng của nhiệt độ và bị hòa tan trong một số tác chất hóa học.
Trong gỗ bản thân lignin có màu trắng. Lignin tồn tại trong những phần của tâm sợi ở trạng thái vô định hình, trọng lượng phân tử và khả năng hòa tan thay đổi. Lignin là một đại phân tử, có khối lượng phân tử lớn hơn 10. Lignin có cấu trúc nhiều vòng thơm, có đặc tính không ưa nước nên rất khó phân huỷ (Trần Đình Toại & Trần Thị Hồng, 2007).
Lignin có cấu trúc phức tạp, là một polyphenol có mạng không gian mở. Thành phần thay đổi theo từng loại gỗ, tuổi cây hoặc vị trí của nó trong cấu trúc gỗ. Cấu trúc đơn vị cơ bản của lignin là phenyl propan, một vài cấu trúc cơ bản khác như: Guaiacyl propan, Syringyl propan và parahydroxylphenyl propan. Tỷ trọng của lignin là 1,3 và chỉ số khúc xạ là 1,6, màu của lignin thay đổi từ sáng đến nâu thẫm, phụ thuộc phương pháp ly trích (Tô Thanh Phong, 2007).
Trong các môi trường tự nhiên lignin là một trong số những phân tử được nghiên cứu nhiều nhất và được coi là thành phần quan trọng đối với chu trình carbon trong đất, đặc biệt là carbon lưu trữ. Các quá trình làm suy thoái lignin liên quan đến bản chất của thảm thực vật và sử dụng đất nhưng đồng thời nó cũng liên quan đến khí hậu và đặc điểm của đất. Sự tích tụ và ổn định của lignin trong đất do sự tương tác với các khoáng chất, đất sét (Thevenot et al. Lignins được tổng hợp từ L -Phenylalanine và cinnamic axit thông qua trao đổi chất nhiều cách khác nhau để tạo thành tiền chất lignin như cinapyl và rượu coniferyl (Thevenot et al.2 Tính chất của Lignin Lignin đuợc cấu thành từ các hợp chất phenylpropan truớc hết là các coniferylancol, sinapalancol và cumaravicol.
Các hợp chất phenylpropan này gắn với nhau bằng liên kết este và liên kết C - C. Vì vậy, Lignin rất khó phân hủy hoặc phân hủy rất chậm. Trong phân tử lignin có nhóm chức đáng lưu ý như -OH của phenol, nhóm -OH bậc 1 và bậc 2, nhóm -OCH3 (metoxy), và nhóm carbonyl và khả năng enol hóa cho sản phẩm có 1 liên kết đôi và một nhóm –OH nên lignin là hợp chất có hoạt tính cao. Hầu hết các nhóm chức khác nhau trong lignin có phản ứng khác nhau.
Nhóm -OH phenol 4 có đặc tính acid yếu làm cho lignin hòa tan trong kiềm. Nhóm -OH trong lignin có thể acetyl hóa hoặc alkyl hóa. Do đó, khi xử lý kiềm, lignin hòa tan trong kiềm, do phản ứng giữa nhóm -OH phenol với kiềm. Trong khi xử lý sulfat vai trò của lignin là tạo thành dạng thio - lignin hòa tan trong kiềm.
Bên cạnh đó lignin rất dễ bị oxy hóa trong điều kiện bình thường, cho sản phẩm là acid thơm như acid benzoic, protocacheuic. Lignin bị ôxy hóa nhanh sẽ cho các sản phẩm acid như acetic, oxalic, succinic. Trong điều kiện trung hoà, xử lý tẩy bột, lignin tạo thành sản phẩm hòa tan trong nước hoặc kiềm. Trong tẩy NaClO, nhóm -OH của phenol phản ứng với tác nhân tẩy tạo thành sản phẩm tan (Tô Thanh Phong, 2007).
Kết quả khảo sát dưới kính hiển vi điện tử cho thấy số lượng liên kết hóa học giữa lignin và carbohydrates tương đối thấp; bản chất loại liên kết này rất phức tạp, đến nay người ta chấp nhận rằng lignin có liên kết hóa học với hemicellulose dù có phần nhỏ với cellulose (Tô Thanh Phong, 2007).3 Ứng dụng của Lignin Các chất hoạt động bề mặt có nguồn gốc lignin tự nhiên có vai trò rất quan trọng không những trong gia công các dạng thông thường mà cả trong kỹ thuật gia công hiện đại vì nó có những đặc tính ưu việt như sau (Đoàn Văn Hoằng, 2006): - Tính đa năng: có thể là chất thấm ướt, phân tán, chống đông, chất tạo chelat cho phân bón qua lá. - Có thể sử dụng để gia công nhiều dạng sản phẩm khác nhau. - Rất "an toàn" cho môi trường vì có độ độc thấp đối với người và không gây cháy lá, không chứa đioxin, có khả năng phân hủy sinh học. - Nguồn cung ứng dồi dào và giá thành hợp lý.
Vì vậy các chất hoạt động bề mặt từ lignin tự nhiên đã và sẽ được ứng dụng rất nhiều trong tương lai. Do vậy việc biến tính lignin với phenol, cardanol (sản phẩm decarboxylic của dầu vỏ hạt điều), melamine để làm keo đã được nhiên cứu. Lignin có thể đóng rắn nhờ quá trình nhiệt, nhưng nó không bền trong môi trường ẩm và kiềm cao. Nhờ vậy mà Lignin được xem, như một thứ “xi măng” cứng, chống thấm, giúp cho cây cối có cấu tạo vững chắc.
Đối với các loại cây bình thường, khi chế biến giấy, người ta tách chất lignin ra, chỉ chừa lại những sợi xenluloza mềm dẻo để làm giấy. Khi chế tạo giấy, nếu dư lượng lignin không loại bỏ hết thì sẽ làm cho giấy có màu nâu. Qui trình sản xuất bột giấy bằng phương pháp nghiền cơ học tuy có hiệu quả thu hồi xenluloza cao nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng và không loại bỏ hết lignin, khiến chất lượng giấy không cao. Các loại giấy này chủ yếu được áp dụng để in báo, khăn giấy, giấy gói hoặc các loại giấy chất lượng thấp khác.
Hiện nay trong sản xuất giấy thì qui trình Fraft được áp dụng phổ biến nhất. Tuy hiệu suất thu hồi 5 xenluloza ở qui trình hóa học không cao bằng qui trình nghiền cơ học, nhưng qui trình này cho phép loại bỏ lignin khá triệt để, nên sản phẩm giấy có độ bền tương đối cao.
