Nghiên cứu Tổng hợp và Tính chất Phụ gia Tạo đặc Kháng khuẩn trên Cơ sở Dẫn xuất Cellulose từ Phụ phẩm Nông nghiệp

• Tác giả: Nguyễn Hải Linh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trường Giang
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu Tổng hợp và Tính chất Phụ gia Tạo đặc Kháng khuẩn trên Cơ sở Dẫn xuất Cellulose từ Phụ phẩm Nông nghiệp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về Carboxymethyl Cellulose (CMC)
• 1.2. Khái niệm về Carboxymethyl Cellulose (CMC)
• 1.3. Tính chất của Carboxymethyl Cellulose (CMC)
• 1.3.1. Tính chất vật lý
• 1.3.2. Tính chất hóa học
• 1.4. Đặc trưng của dung dịch CMC
• 1.4.1. Tính lưu biến
• 1.4.1.1. Ứng suất-biến dạng dòng chảy
• 1.4.1.2. Pseudoplastic và viscoelastic
• 1.4.1.3. Thixotropy
• 1.4.2. Độ nhớt
• 1.5. Mức độ thay thế (DS)
• 1.6. Phản ứng tổng hợp CMC
• 1.6.1. Cơ chế phản ứng tổng hợp CMC
• 1.7. Lý do chọn đề tài
• 1.8. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất và nguyên liệu
• 2.2. Quy trình tổng hợp
• 2.2.1. Quy trình thu hồi cellulose từ lá dứa
• 2.2.2. Quy trình tổng hợp carboxymethyl cellulose
• 2.2.3. Quy trình tổng hợp CMC kháng khuẩn
• 2.3. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Các phương pháp nghiên cứu xác định tính chất vật liệu
• 2.3.2. Các phương pháp xác định cấu trúc vật liệu
• 2.3.3. Đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu quy trình tách cellulose từ lá dứa
• 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiền xử bằng dung dịch NaOH
• 3.3. Khảo sát ảnh hưởng công đoạn tẩy trắng lá dứa
• 3.4. Nghiên cứu quy trình tổng hợp CMC từ cellulose lá dứa
• 3.5. Nghiên cứu lựa chọn dung môi cho phản ứng carboxymethyl hóa cellulose
• 3.6. Ảnh hưởng của trạng thái cellulose đến phản ứng tổng hợp CMC
• 3.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng NaOH/cellulose đến phản ứng tổng hợp CMC
• 3.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng MCA/cellulose đến phản ứng tổng hợp CMC
• 3.9. Nghiên cứu khả năng tạo đặc của sản phẩm CMC
• 3.10. Nghiên cứu tổng hợp CMC kháng khuẩn
• 3.11. Nghiên cứu điều kiện tổng hợp CMC kháng khuẩn
• 3.12. Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của ZnCMC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• SẢN PHẨM KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

I. Tổng Quan về Nghiên Cứu Phụ Gia Tạo Đặc Kháng Khuẩn CMC

Ngành công nghiệp phụ gia tạo đặc đang phát triển mạnh mẽ, đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp toàn cầu. Carboxymethyl cellulose (CMC), một dẫn xuất của cellulose, là một phụ gia quan trọng được sản xuất hàng năm với số lượng lớn. CMC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành như thực phẩm, dược phẩm, hóa mỹ phẩm, chất tẩy rửa, sơn, keo dính, gốm sứ và khai khoáng nhờ khả năng tạo đặc, ổn định nhũ tương và huyền phù, kết dính. Thị trường carboxymethyl cellulose toàn cầu được định giá 1.566,9 triệu đô la vào năm 2020 và dự kiến đạt 2.439,4 triệu đô la vào năm 2030 (tăng trưởng kép hàng năm 4,0%). Tuy nhiên, CMC cũng có hạn chế như khả năng tạo đặc, hòa tan chưa tối ưu và dễ bị nấm mốc tấn công. Do đó, việc tạo ra phụ gia tạo đặc kháng khuẩn giá thành thấp hơn từ phụ phẩm nông nghiệp giàu cellulose đang được quan tâm. Nghiên cứu này tập trung vào tổng hợp CMC từ phụ phẩm lá dứa và đánh giá khả năng tạo đặc và kháng khuẩn của sản phẩm.

1.1. Khái Niệm và Cấu Trúc Carboxymethyl Cellulose CMC

Carboxymethyl cellulose (CMC) là một polymer dẫn xuất anion, tan trong nước của cellulose với các nhóm carboxylmethyl (-CH2COOH). CMC tồn tại phổ biến dưới dạng muối của Natri carboxymethyl cellulose (NaCMC), còn được gọi là sodium cellulose glycolat, NaCMC, cellulose gum. Cấu trúc của CMC là những chuỗi dài, mạch thẳng, với các nhóm carboxylmethyl (-CH2COOH) thay thế một số nguyên tử hydro của nhóm hydroxyl trên mạch cellulose, giúp chúng thể hiện các hoạt tính hóa học đặc trưng.

1.2. Tính Chất Vật Lý và Hóa Học của CMC

CMC có màu trắng ngà, ở dạng sợi hoặc bột mịn, không mùi, không độc, hút ẩm và có khả năng phân hủy sinh học. Nó tan được cả trong nước nóng và nước lạnh, tạo dung dịch keo, nhưng không tan trong một số dung môi hữu cơ. Độ hòa tan của CMC phụ thuộc vào pH, độ thế (DS) và khối lượng phân tử. Các tính chất hóa học của CMC phụ thuộc vào số lượng các nhóm carboxylmethyl thế vào vị trí các nhóm hydroxyl (OH) trên mạch polyme (độ thế - DS) và chiều dài mạch cellulose. Khối lượng phân tử cũng ảnh hưởng đến độ tan, tính ổn định, tính chất cơ học và độ hút ẩm.

II. Vấn Đề Giải Pháp Phụ Gia CMC Từ Phụ Phẩm Nông Nghiệp

Nguồn nguyên liệu sản xuất CMC hiện nay chủ yếu đến từ gỗ, bông với quy trình tách cellulose phức tạp, gây ra thách thức về xử lý chất thải và giá thành sản phẩm cao. Thêm vào đó, CMC là nguồn thức ăn cho nhiều loại vi sinh vật, dẫn đến nấm mốc ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Việc tạo ra phụ gia tạo đặc kháng khuẩn, giá thành thấp từ phụ phẩm nông nghiệp giàu cellulose là giải pháp tiềm năng. Việt Nam, với lợi thế là quốc gia nông nghiệp, thải ra lượng lớn phụ phẩm giàu cellulose, có tiềm năng phát triển công nghiệp sản xuất phụ gia CMC. Đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu tổng hợp và tính chất phụ gia tạo đặc, kháng khuẩn trên cơ sở dẫn xuất cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.

2.1. Tình Hình Sản Xuất và Ứng Dụng CMC Hiện Nay

Carboxymethyl Cellulose (CMC) được sản xuất rộng rãi và ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như thực phẩm, dược phẩm, hóa mỹ phẩm, chất tẩy rửa, sơn, keo dính, gốm sứ, khai khoáng. CMC đóng vai trò quan trọng với các chức năng như khả năng tạo đặc, khả năng ổn định nhũ tương, khả năng ổn định huyền phù, khả năng kết dính. Sản phẩm phụ gia CMC thương mại hiện nay rất phong phú thường ở dạng tinh khiết, bán tinh khiết và kỹ thuật.

2.2. Thách Thức và Hạn Chế Của CMC Truyền Thống

Bên cạnh tiềm năng thị trường rộng mở CMC còn có những mặt hạn chế về khả năng tạo đặc, khả năng hòa tan. Đặc biệt hơn CMC là dẫn xuất của cellulose – nguồn thức ăn của nhiều loại vi sinh vật; dẫn đến hiện tượng nấm, mốc gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng sản phẩm mà chúng làm phụ gia. Ngoài ra, nguồn nguyên liệu sản xuất CMC hiện nay chủ yếu đến từ gỗ, bông với các quy trình tách cellulose phức tạp, đây là thách thức trong quá trình sản xuất và xử lí chất thải, do vậy giá thành sản phẩm cao.

2.3. Tiềm Năng Sử Dụng Phụ Phẩm Nông Nghiệp Làm Nguyên Liệu

Sản xuất CMC kháng khuẩn từ các nguồn phụ phẩm nông nghiệp giàu cellulose đang là giải pháp có nhiều tiềm năng để giải quyết những vấn đề trên. Việc tìm nguồn phụ phẩm có khả năng tách cellulose dễ dàng mà đáp ứng được yêu cầu về khối lượng dồi dào, liên tục để sản xuất quy mô công nghiệp đang thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Việt Nam với lợi thế là một quốc gia nông nghiệp, hàng năm thải ra lượng khổng lồ phụ phẩm giàu cellulose, có nhiều tiềm năng phát triển công nghiệp sản xuất phụ gia CMC.

III. Cách Tổng Hợp CMC Kháng Khuẩn từ Lá Dứa Hiệu Quả Nhất

Nghiên cứu này tập trung vào xây dựng quy trình tổng hợp CMC từ phụ phẩm lá dứa, đánh giá khả năng tạo đặc và kháng khuẩn của sản phẩm CMC. Quy trình tổng hợp CMC bao gồm hai bước chính: kiềm hóa cellulose và ether hóa bằng acid monocloacetic. Mục đích của kiềm hóa là phá vỡ cấu trúc tinh thể của cellulose, tạo điều kiện cho phản ứng ghép các nhóm carboxylmethyl. NaOH còn hòa tan hemicellulose và lignin. Hỗn hợp lỏng gồm nước và cồn (isopropanol hoặc ethanol) hòa tan NaOH và phân tán nó đồng đều với các nhóm hydroxyl của cellulose, tạo thành alkali cellulose.

3.1. Quy Trình Chiết Xuất Cellulose Từ Lá Dứa

Quá trình chiết xuất cellulose từ lá dứa là bước quan trọng để đảm bảo nguồn nguyên liệu cellulose chất lượng cao cho quá trình tổng hợp CMC. Quy trình này bao gồm các giai đoạn tiền xử lý bằng kiềm, tẩy trắng và tinh chế để loại bỏ các tạp chất như lignin, hemicellulose và các thành phần khác. Việc tối ưu hóa các điều kiện chiết xuất, như nồng độ kiềm, thời gian và nhiệt độ, sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chất lượng của cellulose thu được.

3.2. Phương Pháp Tổng Hợp Carboxymethyl Cellulose CMC

Sau khi thu được cellulose từ lá dứa, bước tiếp theo là tổng hợp CMC thông qua phản ứng ether hóa. Phản ứng này thường bao gồm việc xử lý cellulose với NaOH để tạo thành alkali cellulose, sau đó phản ứng với monochloroacetic acid (MCA) để gắn các nhóm carboxymethyl vào mạch cellulose. Các yếu tố như tỷ lệ NaOH/cellulose, MCA/cellulose, dung môi và nhiệt độ phản ứng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và độ thế (DS) của CMC.

3.3. Cách Thức Tạo Đặc Tính Kháng Khuẩn Cho CMC

Để tạo đặc tính kháng khuẩn cho CMC, có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, như gắn các ion kim loại (ví dụ: kẽm, bạc), các hợp chất tự nhiên có hoạt tính kháng khuẩn hoặc các polyme kháng khuẩn khác. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và yêu cầu về tính an toàn sinh học của sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu này tập trung vào việc gắn kẽm (Zn) vào CMC để tạo CMC kháng khuẩn (ZnCMC).

IV. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Yếu Tố Đến Tính Chất CMC Tạo Đặc Kháng Khuẩn

Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình tổng hợp CMC và tính chất của sản phẩm. Các yếu tố quan trọng bao gồm: trạng thái cellulose (kích thước hạt, độ kết tinh), tỷ lệ NaOH/cellulose, tỷ lệ MCA/cellulose, dung môi phản ứng và các điều kiện phản ứng khác. Nghiên cứu cũng khảo sát khả năng tạo đặc của sản phẩm CMC ở các môi trường pH và nồng độ khác nhau, cũng như trong sự hiện diện của các ion kim loại. Cuối cùng, nghiên cứu đánh giá khả năng kháng khuẩn của ZnCMC đối với các loại vi khuẩn khác nhau.

4.1. Ảnh Hưởng Trạng Thái Cellulose Tới Khả Năng Tổng Hợp CMC

Trạng thái của cellulose, bao gồm kích thước hạt và độ kết tinh, có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng phản ứng trong quá trình tổng hợp CMC. Cellulose với kích thước hạt nhỏ hơn và độ kết tinh thấp hơn thường dễ dàng phản ứng hơn, dẫn đến hiệu suất tổng hợp CMC cao hơn. Việc xử lý cellulose trước khi phản ứng, như nghiền hoặc xử lý bằng hóa chất, có thể cải thiện khả năng phản ứng và tính chất của CMC.

4.2. Tối Ưu Tỷ Lệ NaOH và MCA Trong Quá Trình Tổng Hợp

Tỷ lệ giữa NaOH và MCA (monochloroacetic acid) so với cellulose là các yếu tố quan trọng trong quá trình tổng hợp CMC. Tỷ lệ NaOH ảnh hưởng đến mức độ kiềm hóa của cellulose, trong khi tỷ lệ MCA ảnh hưởng đến số lượng nhóm carboxymethyl được gắn vào mạch cellulose (độ thế - DS). Việc tối ưu hóa tỷ lệ này sẽ giúp đạt được hiệu suất tổng hợp CMC cao và tính chất mong muốn.

4.3. Ảnh Hưởng Dung Môi Đến Tính Chất Tạo Đặc và Kháng Khuẩn

Dung môi sử dụng trong quá trình tổng hợp CMC có thể ảnh hưởng đến tính chất tạo đặc và kháng khuẩn của sản phẩm. Dung môi có khả năng hòa tan tốt các chất phản ứng và sản phẩm thường được ưu tiên sử dụng. Nghiên cứu này đã khảo sát một số dung môi khác nhau và đánh giá ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất phản ứng và tính chất của CMC.

V. Ứng Dụng CMC Tạo Đặc Kháng Khuẩn Kết Quả và Thảo Luận Chi Tiết

Nghiên cứu đã thu được sản phẩm CMC kháng khuẩn (ZnCMC) từ lá dứa và đánh giá các tính chất. Kết quả cho thấy ZnCMC có khả năng tạo đặc tốt và kháng khuẩn đối với một số loại vi khuẩn. Hiệu quả kháng khuẩn của ZnCMC phụ thuộc vào nồng độ Zn và loại vi khuẩn. ZnCMC có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, y tế và bao bì.

5.1. Khả Năng Tạo Đặc Của CMC Tổng Hợp từ Lá Dứa

Khả năng tạo đặc của CMC được đánh giá bằng cách đo độ nhớt của dung dịch CMC ở các nồng độ và pH khác nhau. Kết quả cho thấy CMC từ lá dứa có khả năng tạo đặc tương đương với CMC thương mại. Độ nhớt của dung dịch CMC tăng lên khi nồng độ CMC tăng và pH gần trung tính.

5.2. Hoạt Tính Kháng Khuẩn Của ZnCMC Đối Với Vi Khuẩn

Hoạt tính kháng khuẩn của ZnCMC được đánh giá bằng phương pháp khuếch tán trên đĩa thạch và phương pháp pha loãng. Kết quả cho thấy ZnCMC có khả năng ức chế sự phát triển của một số loại vi khuẩn, như E. coli và S. aureus. Hiệu quả kháng khuẩn của ZnCMC tăng lên khi nồng độ Zn tăng.

5.3. Ứng Dụng Tiềm Năng Của CMC Kháng Khuẩn Trong Thực Tế

CMC kháng khuẩn (ZnCMC) có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, như thực phẩm (làm chất bảo quản, chất tạo đặc), y tế (làm băng gạc, thuốc mỡ kháng khuẩn) và bao bì (tạo bao bì kháng khuẩn). Việc sử dụng ZnCMC có thể giúp kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm, ngăn ngừa nhiễm trùng vết thương và giảm thiểu sự lây lan của vi khuẩn.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển CMC Phụ Gia Tạo Đặc Tương Lai

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng sử dụng phụ phẩm lá dứa để sản xuất CMC kháng khuẩn. Sản phẩm CMC thu được có khả năng tạo đặc và kháng khuẩn. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp, đánh giá tính chất và ứng dụng của CMC từ lá dứa trong thực tế. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu quả kháng khuẩn, giảm chi phí sản xuất và mở rộng ứng dụng của CMC trong các lĩnh vực khác.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Quan Trọng

Nghiên cứu đã thành công trong việc xây dựng quy trình tổng hợp CMC kháng khuẩn (ZnCMC) từ phụ phẩm lá dứa. CMC thu được có khả năng tạo đặc và kháng khuẩn đối với một số loại vi khuẩn. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và tính chất của CMC đã được xác định và tối ưu hóa.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Để Hoàn Thiện Quy Trình

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chiết xuất cellulose từ lá dứa, cải thiện hiệu quả gắn Zn vào CMC, đánh giá tính an toàn sinh học của ZnCMC và mở rộng ứng dụng của ZnCMC trong các lĩnh vực khác. Nghiên cứu cũng có thể tập trung vào việc sử dụng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp khác để sản xuất CMC kháng khuẩn.

Tổng quan nghiên cứu

Carboxymethyl cellulose (CMC) là một polymer dẫn xuất anion của cellulose, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như thực phẩm, dược phẩm, hóa mỹ phẩm, sơn và chất phủ. Thị trường toàn cầu của CMC được định giá khoảng 1.566,9 triệu đô la vào năm 2020 và dự kiến tăng lên 2.439,4 triệu đô la vào năm 2030 với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm 4,0%. Tuy nhiên, nguồn nguyên liệu sản xuất CMC hiện nay chủ yếu từ gỗ và bông với quy trình tách cellulose phức tạp, chi phí cao và tiềm ẩn vấn đề môi trường. Đồng thời, CMC dễ bị vi sinh vật tấn công gây giảm chất lượng sản phẩm do là nguồn thức ăn của nhiều loại vi sinh vật.

Việt Nam là quốc gia nông nghiệp với lượng phụ phẩm nông nghiệp giàu cellulose thải ra hàng triệu tấn mỗi năm, trong đó lá dứa là nguồn nguyên liệu tiềm năng với sản lượng lớn và phân bố quanh năm. Việc tận dụng phụ phẩm này để tổng hợp CMC kháng khuẩn không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn góp phần xử lý ô nhiễm môi trường. Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng quy trình tổng hợp CMC từ phụ phẩm lá dứa, đánh giá khả năng tạo đặc và tính kháng khuẩn của sản phẩm, nhằm phát triển phụ gia tạo đặc kháng khuẩn có giá thành thấp, ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy trình tách cellulose từ lá dứa, tổng hợp CMC và CMC kháng khuẩn, đánh giá tính chất vật liệu và khả năng kháng khuẩn trên hai chủng vi khuẩn gram dương và gram âm. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, góp phần phát triển công nghiệp phụ gia tạo đặc kháng khuẩn từ nguồn nguyên liệu tái tạo, thân thiện môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc và tính chất của Carboxymethyl Cellulose (CMC): CMC là polymer mạch thẳng với các nhóm carboxylmethyl (-CH2COOH) thay thế một phần nhóm hydroxyl trên mạch cellulose. Độ thế (DS) và khối lượng phân tử (Mw) là các thông số quan trọng ảnh hưởng đến tính chất vật lý, hóa học và khả năng tạo đặc của CMC.

• Tính lưu biến và độ nhớt của dung dịch CMC: CMC thể hiện tính chất lưu biến phức tạp như pseudoplastic, viscoelastic và thixotropy, phụ thuộc vào nồng độ, pH, nhiệt độ và sự có mặt của các ion. Độ nhớt là chỉ số quan trọng đánh giá khả năng ứng dụng của CMC trong các ngành công nghiệp.

• Cơ chế tổng hợp CMC: Quá trình tổng hợp gồm hai bước chính là kiềm hóa cellulose bằng NaOH và ether hóa với acid monocloacetic (MCA). Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và DS bao gồm dung môi, trạng thái cellulose, tỷ lệ NaOH và MCA, nhiệt độ và thời gian phản ứng.

• Cơ chế kháng khuẩn của CMC kháng khuẩn: Cơ chế dựa trên tương tác tĩnh điện giữa các nhóm chức tích điện dương trên polyme và màng tế bào vi khuẩn mang điện tích âm, dẫn đến phá hủy màng tế bào. Ngoài ra, các ion kim loại như Zn2+ có khả năng ức chế quá trình phân chia tế bào vi khuẩn.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là lá dứa tươi thu hoạch từ Nông trường Dứa Suối Hai, Ba Vì, Hà Nội. Các hóa chất sử dụng gồm NaOH, H2O2, HNO3, MCA, ZnSO4, ethanol, isopropanol, v.v.

• Quy trình tách cellulose: Lá dứa được xử lý kiềm bằng dung dịch NaOH 0,5M ở nhiệt độ phòng trong 2 ngày, tẩy trắng bằng H2O2 5% pkl với tỷ lệ thể tích dung dịch/khối lượng bã 5/1 ở nhiệt độ phòng trong 2 ngày, sau đó thủy phân bằng HNO3 0,5M ở 90°C trong 2 giờ. Hiệu suất thu hồi cellulose đạt khoảng 51,56%.

• Tổng hợp CMC: Phản ứng carboxymethyl hóa cellulose được thực hiện trong dung môi isopropanol hoặc ethanol có bổ sung NaOH và MCA với tỷ lệ khối lượng MCA/cellulose điều chỉnh để tối ưu DS và hiệu suất thu hồi CMC.

• Tổng hợp CMC kháng khuẩn: Hai quy trình được áp dụng gồm trộn CMC với dung dịch ZnSO4 và ghép ion Zn2+ lên mạch CMC thông qua phản ứng trao đổi ion trong dung môi ethanol có bổ sung HCl.

• Phân tích tính chất vật liệu: Độ thế DS được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 11921-8:2017; khối lượng phân tử được đo bằng phương pháp độ nhớt sử dụng nhớt kế Ubbelohde; cấu trúc vật liệu được phân tích bằng phổ FTIR, kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX).

• Đánh giá khả năng kháng khuẩn: Thử nghiệm trên vi khuẩn gram dương Staphylococcus aureus và gram âm Escherichia coli theo tiêu chuẩn TCVN 9064:2012, đánh giá hiệu suất kháng khuẩn của dung dịch CMC và màng hydrogel chế tạo từ CMC.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2023 tại phòng thí nghiệm Hóa sinh và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Quy trình tách cellulose từ lá dứa: Thời gian kiềm hóa 2 ngày với NaOH 0,5M ở nhiệt độ phòng là tối ưu, giảm khối lượng bã từ 958g xuống 895g trên 1kg nguyên liệu. Tỷ lệ thể tích dung dịch/khối lượng bã (L/R) 5/1 và nồng độ H2O2 5% pkl cho hiệu quả tẩy trắng tốt, thu được cellulose trắng tinh với hiệu suất 51,56%, tương đương với các công bố quốc tế.

2. Ảnh hưởng của dung môi đến tổng hợp CMC: Dung môi ethanol (độ phân cực 1,69 D) cho hiệu suất thu CMC và độ thế DS cao hơn so với isopropanol (độ phân cực 1,66 D). Hiệu suất thu CMC trong ethanol đạt khoảng 90%, DS đạt trên 0,9, khối lượng phân tử cũng cao hơn đáng kể.

3. Ảnh hưởng của tỷ lệ NaOH/cellulose và MCA/cellulose: Tăng tỷ lệ NaOH và MCA giúp tăng DS và hiệu suất thu CMC, tuy nhiên cần cân bằng để tránh phản ứng phụ làm giảm chất lượng sản phẩm. DS của CMC tổng hợp đạt giá trị từ 0,9 đến 1,0, phù hợp với yêu cầu ứng dụng làm phụ gia tạo đặc.

4. Khả năng tạo đặc của CMC: Độ nhớt dung dịch CMC tăng theo DS, khối lượng phân tử và nồng độ dung dịch. Độ nhớt ổn định nhất ở pH 7-9, giảm khi pH dưới 4 hoặc trên 10. Sự có mặt của các cation 2+ và 3+ làm tăng độ nhớt do tạo phức với nhóm -COO-. Độ nhớt của dung dịch CMC 1% đo được trong khoảng 800-3100 cP, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp.

5. Khả năng kháng khuẩn của Zn-CMC: Dung dịch Zn-CMC và màng hydrogel chế tạo từ Zn-CMC thể hiện hiệu suất kháng khuẩn cao trên cả vi khuẩn gram dương S. aureus và gram âm E. coli, với hiệu suất kháng khuẩn đạt trên 80% so với mẫu đối chứng. Cơ chế kháng khuẩn dựa trên sự tương tác giữa ion Zn2+ và màng tế bào vi khuẩn, làm tổn thương cấu trúc màng và ức chế phân chia tế bào.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tách cellulose từ lá dứa ở điều kiện nhiệt độ phòng và thời gian 2 ngày là khả thi, giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí so với các quy trình tách ở nhiệt độ cao. Hiệu suất thu hồi cellulose đạt khoảng 51,56% phù hợp với các nghiên cứu trước đây, đồng thời cấu trúc cellulose thu được có độ kết tinh cao (86,67%), đảm bảo chất lượng nguyên liệu cho tổng hợp CMC.

Việc lựa chọn dung môi ethanol cho phản ứng carboxymethyl hóa giúp tăng hiệu suất và DS của CMC do khả năng phá vỡ liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl trên cellulose, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng. So với isopropanol, ethanol có độ phân cực cao hơn một chút, giúp tăng khả năng trương nở và tiếp xúc của NaOH với cellulose.

Độ nhớt và tính lưu biến của dung dịch CMC được điều chỉnh hiệu quả bởi các yếu tố như DS, khối lượng phân tử, pH và sự có mặt của cation. Đặc tính pseudoplastic và thixotropy của CMC phù hợp với các ứng dụng trong thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm, đồng thời khả năng tạo gel và ổn định huyền phù được cải thiện khi có ion kim loại.

Khả năng kháng khuẩn của Zn-CMC được chứng minh rõ ràng qua thử nghiệm trên hai chủng vi khuẩn phổ biến, phù hợp với mục tiêu phát triển phụ gia tạo đặc kháng khuẩn. So với các nghiên cứu khác sử dụng nano ZnO hoặc các dẫn xuất CMC khác, Zn-CMC tổng hợp từ lá dứa có hiệu quả kháng khuẩn cao, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo, thân thiện môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hiệu suất thu hồi cellulose và CMC theo thời gian và điều kiện phản ứng, biểu đồ độ nhớt dung dịch CMC theo pH và nồng độ, cũng như bảng so sánh hiệu suất kháng khuẩn của các mẫu dung dịch và màng hydrogel.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tách cellulose: Áp dụng quy trình tiền xử lý kiềm và tẩy trắng ở nhiệt độ phòng trong 2 ngày để giảm chi phí năng lượng, đồng thời duy trì hiệu suất thu hồi cellulose trên 50%. Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất CMC quy mô công nghiệp, thời gian áp dụng: 6-12 tháng.

2. Sử dụng dung môi ethanol trong tổng hợp CMC: Ưu tiên sử dụng ethanol làm dung môi phản ứng để tăng hiệu suất và độ thế DS của CMC, nâng cao chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và nhà sản xuất CMC, thời gian áp dụng: 3-6 tháng.

3. Phát triển phụ gia tạo đặc kháng khuẩn Zn-CMC: Đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng Zn-CMC trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, sơn và mỹ phẩm nhằm tăng cường tính năng kháng khuẩn và ổn định sản phẩm. Chủ thể thực hiện: các công ty sản xuất phụ gia và vật liệu, thời gian áp dụng: 12-18 tháng.

4. Xây dựng chuỗi cung ứng nguyên liệu phụ phẩm nông nghiệp: Tổ chức thu gom, bảo quản và chế biến phụ phẩm lá dứa quy mô lớn, ổn định nguồn nguyên liệu cho sản xuất CMC. Chủ thể thực hiện: các hợp tác xã nông nghiệp, doanh nghiệp chế biến, thời gian áp dụng: 12 tháng trở lên.

5. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ tách cellulose và tổng hợp CMC kháng khuẩn cho cán bộ kỹ thuật và nhà quản lý nhằm nâng cao năng lực sản xuất và kiểm soát chất lượng. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu, thời gian áp dụng: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hóa học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về quy trình tách cellulose, tổng hợp CMC và CMC kháng khuẩn từ nguồn nguyên liệu tái tạo, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất phụ gia tạo đặc và vật liệu kháng khuẩn: Tham khảo để áp dụng quy trình sản xuất CMC từ phụ phẩm nông nghiệp, giảm chi phí nguyên liệu, nâng cao chất lượng sản phẩm và phát triển dòng sản phẩm kháng khuẩn.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp, môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách thúc đẩy tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển công nghiệp xanh.

4. Các tổ chức hợp tác xã nông nghiệp và nhà cung cấp nguyên liệu: Nắm bắt tiềm năng giá trị của phụ phẩm lá dứa, tổ chức thu gom và cung cấp nguyên liệu ổn định cho ngành công nghiệp chế biến cellulose và CMC.

Câu hỏi thường gặp

1. CMC là gì và tại sao lại quan trọng trong công nghiệp?
   CMC là polymer dẫn xuất của cellulose có khả năng tạo đặc, ổn định nhũ tương và huyền phù, được ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm và sơn. Nó giúp cải thiện tính chất sản phẩm và kéo dài thời hạn sử dụng.

2. Tại sao chọn lá dứa làm nguyên liệu tách cellulose?
   Lá dứa có hàm lượng cellulose cao, dễ tách và có sản lượng lớn, phân bố quanh năm tại Việt Nam. Việc sử dụng lá dứa giúp tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.

3. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp CMC?
   Hiệu suất phụ thuộc vào dung môi, trạng thái cellulose, tỷ lệ NaOH và MCA, nhiệt độ và thời gian phản ứng. Dung môi ethanol và tỷ lệ NaOH/cellulose hợp lý giúp tăng DS và hiệu suất thu CMC.

4. CMC kháng khuẩn hoạt động như thế nào?
   CMC kháng khuẩn chứa các nhóm chức tích điện dương hoặc ion kim loại như Zn2+ tương tác với màng tế bào vi khuẩn mang điện tích âm, làm tổn thương màng và ức chế sự phát triển vi khuẩn.

5. Ứng dụng thực tế của Zn-CMC là gì?
   Zn-CMC có thể được sử dụng làm phụ gia tạo đặc kháng khuẩn trong thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm và sơn, giúp tăng cường tính năng kháng khuẩn, ổn định sản phẩm và kéo dài thời gian bảo quản.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình tách cellulose từ lá dứa với hiệu suất khoảng 51,56% ở điều kiện nhiệt độ phòng và thời gian 2 ngày, tiết kiệm năng lượng và chi phí.
• Tổng hợp CMC từ cellulose lá dứa sử dụng dung môi ethanol đạt độ thế DS trên 0,9 và hiệu suất thu hồi cao, phù hợp làm phụ gia tạo đặc.
• Đặc tính lưu biến và độ nhớt của dung dịch CMC được điều chỉnh hiệu quả bởi DS, khối lượng phân tử, pH và sự có mặt của cation, đáp ứng yêu cầu ứng dụng công nghiệp.
• Zn-CMC tổng hợp thể hiện khả năng kháng khuẩn vượt trội trên vi khuẩn gram dương và gram âm, mở rộng ứng dụng trong các ngành công nghiệp cần phụ gia kháng khuẩn.
• Đề xuất áp dụng quy trình và phát triển chuỗi cung ứng nguyên liệu phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất CMC kháng khuẩn quy mô công nghiệp, góp phần phát triển kinh tế xanh và bền vững.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời xây dựng các dự án hợp tác phát triển sản phẩm CMC kháng khuẩn từ phụ phẩm nông nghiệp.