CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về cacbohydrat Quá trình quang hợp trong tự nhiên hằng năm chuyển hơn 200 tỷ tấn cacbon dưới dạng khí cacbondioxit thành cacbonhydrat[25]. Cacbohydrat là thành phần quan trọng của các cơ thể sinh vật. Cacbohydrat chiếm tới 80% khối lượng khô của cây cỏ và khoảng 2% khối lượng khô của cơ thể động vật.
Trong thế giới thực vật thì cacbohydrat là những chất hữu cơ tạp chức phổ biến nhất, tồn tại chủ yếu dưới dạng xenlulozơ có trong thành phần mô nâng đỡ để tạo dáng cho cây vững trắc, tồn tại và phát triển, cây cối còn sản xuất ra tinh bột để làm thức ăn dự trữ với một lượng lớn trong các loại hạt, củ, quả… Thực tế, chỉ khoảng 3-4% các sinh chất được con người sử dụng làm thực phẩm và các mục đích khác, còn lại phần lớn nguồn sinh chất này chưa được khai thác một cách triệt để. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về cacbohydrat đã có bước phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực sinh học và hóa sinh học. Các nghiên cứu đã chỉ ra khả năng chuyển hoá đa dạng từ các hợp chất cacbohydrat thành các sản phẩm hóa chất có tính ứng dụng cao trong đời sống, trên nhiều lĩnh vực như: công nghệ hóa chất, công nghệ sinh học, nông nghiệp, chăn nuôi, dược liệu, hay nhiên liệu mới…Trong thế kỉ 21, đứng trước sự khủng hoảng nguyên liệu hóa thạch mà hai nguồn nguyên liệu phổ biến là dầu mỏ và than ngày càng suy giảm về trữ lượng thì việc tìm ra các nguồn nguyên liệu mới đang thu hút sự quan tâm và đầu tư của nhiều ngành khoa học trên thế giới. Cacbohydrat được xem là nguồn nguyên liệu lý tưởng cho ngành công nghiệp mới với các ưu điểm nổi bật như: trữ lượng lớn, rẻ, thân thiện với môi trường, có khả năng thay thế dần nguồn nguyên liệu hóa thạch đang cạn kiệt.
Do vậy, các ngành khoa học nói chung và ngành hóa học nói riêng vừa có tiềm năng to lớn về khám phá nguyên liệu mới, nhưng cũng vừa đứng trước thử thách là tìm kiếm phương pháp nâng cao hiệu suất, 4 độ chọn lọc các quá trình chuyển hoá hữu ích từ các hợp chất cacbohydrat nhằm hoàn thiện khả năng áp dụng nguồn nguyên liệu này trong công nghệ và cuộc sống. D - glucozơ và sản phẩm oxi hóa D-glucozơ Một trong những hợp chất cacbohydrat phổ biến và quan trọng là glucozơ. Trong tự nhiên, glucozơ tồn tại rất phong phú trong các loại tinh bột như tinh bột sắn, ngô, gạo… và các loại hoa quả, đặc biệt trong quả nho. Ở Việt Nam trữ lượng tinh bột là rất lớn và là nguồn thức ăn không thể thiếu cho con người và gia súc vì thế việc khai thác nguồn nguyên liệu này cho các ngành công nghiệp chế biến là rất thuận lợi.
Hơn nữa, tinh bột cũng là một nguồn nguyên liệu chiến lược cho nhiều ngành công nghệ của Việt Nam trong thời đại mới như sản xuất phụ gia cho dung dịch khoan, phụ gia cho vật liệu xây dựng và đặc biệt là nguyên liệu trong chế biến dược phẩm. Hiện nay, công nghệ sản xuất glucozơ từ tinh bột sắn đã được xây dựng ở Việt Nam bằng cách thủy phân tinh bột trong axit HCl loãng, trong nồi hấp ở áp suất 2 atm. Hình 1: Cấu tạo phân tử D-glucozơ Cấu trúc dạng thẳng của D-glucozơ có chứa 1 nhóm -CHO và 5 nhóm - OH, trong công thức fischer nhóm –OH ở vị trí C 5 ở bên phải hình thành các dạng đồng phân của D-glucozơ: 5 Hình 2: Các đồng phân của D- glucozơ Trong dung môi nước tồn tại cân bằng của D-glucozơ dạng thẳng và dạng vòng 6 cạnh với 5 nguyên tử C và 1 nguyên tử O, có 2 đồng phân loại này là α-D-glucozơ và β-D-glucozơ : Hình 3: Cân bằng giữa dạng mạch thẳng và mạch vòng 6 cạnh của D- glucozơ Các đồng phân α-D-glucozơ và β-D-glucozơ tạo thành do sự xắp xếp vị trí không gian của nhóm –OH ở vị trí C 1. Độ quay cực riêng của α-D- glucozơ là [α] = +1120, của β-D-glucozơ là [α] = +19 0, thông thường tỉ lệ hai đồng phân này trong dung môi nước là: 36% α-D-glucozơ và 64% β-D- glucozơ[51].
6 D-glucozơ không chỉ là nguồn thực phẩm quan trọng mà nó còn là một nguồn chất rất quan trọng trong công nghệ vì sự chuyển hóa nó có thể tạo ra các sản phẩm thứ cấp vô cùng quan trọng có ứng dụng thiết thực trên các lĩnh vực của đời sống như: công nghệ hóa học, thực phẩm, dược phẩm… Axit D-gluconic là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử là C6H12O7, công thức cấu tạo là: Hình 4: Cấu tạo phân tử D-gluconic Axit gluconic là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử C 6H12O7, công thức cấu tạo HOCH2(CHOH)4COOH, và tên danh pháp IUPAC là (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-pentahyđroxyhexanoic acid. Trong dung dịch nước ở pH gần trung tính, axit cacboxylic này tạo ra các ion gluconat và các muối của axit gluconic gọi chung là các gluconat. Cấu trúc hoá học của axit gluconic bao gồm một chuỗi sáu cacbon với năm nhóm hyđroxi và kết thúc bằng một nhóm chức của axit cacboxylic (-COOH). Trong dung dịch nước, axit gluconic tồn tại trong cân bằng động với este vòng glucono δ-lacton (C6H10O6)[9].
Axit gluconic là axit không bay hơi, không độc, là một axit yếu, sự phân ly của nó trong nước được đặc trưng bằng giá trị pKa = 3,70. Do đó sự phân ly của các gluconat trong nước được dự đoán là hoàn toàn. Glucono δ- lacton thuỷ phân chậm trong dung dịch nước đến khi đạt cân bằng với axit gluconic. Ở nồng độ ban đầu là 10% glucono δ-lacton thì trạng thái cân bằng gluconat/lacton là 80/20.
7 Axit gluconic và các dẫn xuất của nó là các chất có mặt trong tự nhiên. Axit gluconic có mặt tự nhiên trong các loại quả, mật ong, trà kombucha (nấm hồng trà) và rượu vang[13]. Trong một số phụ gia thực phẩm, nó là chất điều chỉnh độ chua, Nó cũng được sử dụng để tẩy một số thiết bị dùng trong thực phẩm và dược phẩm do có khả năng hoà tan các khoáng chất, đặc biệt là trong dung dịch có tính kiềm. Trong cơ thể động vật có vú, cả axit D-gluconic và 1,5-lacton của nó đều là các chất trung gian quan trọng trong quá trình chuyển hóa cacbonhydrat.
Glucono δ-lacton, este nội vòng của axit gluconic, được tạo thành bằng cách loại nước axit gluconic. Bảng 1 đưa ra một số thông số vật lý, hoá học quan trọng của axit gluconic và glucono δ-lacton[18]. Bảng 1: Các thông số vật lý, hoá học của axit gluconic và glucono δ-lacton Khối Hệ số phân Trạng Độ tan lượng chia Hợp chất thái t0nc t0s trong pKa riêng octanol/nước vật lý nước (ở 200C) (Log P) Axit màu 417.70 gluconic trắng C g/cm³ ở 25°C Glucono màu 398.70 δ-lacton trắng C g/cm3 ở 25°C Trong công nghiệp thì axit gluconic thường được sản xuất công nghiệp qua quá trình oxi hoá glucozơ. Trong quá trình này, sản phẩm tạo thành trực tiếp là axit gluconic hoặc chuyển hoá thành glucono δ-lacton sau đó, thuỷ phân tạo ra axit.
Còn glucono δ-lacton được sản xuất bằng quá trình lên men yếm khí để chuyển hoá nguồn cacbonhydrat thành axit gluconic. Sau quá trình lên men, axit gluconic được tách khỏi glucono δ-lacton bằng cách kết 8 tinh. Lượng glucono δ-lacton được sản xuất theo cách này hàng năm trên thế giới là 10000-20000 tấn. Bảng 2: Một số ứng dụng của axit gluconic và glucono δ-lacton và các muối Hợp chất Ứng dụng Trong lĩnh vực dược phẩm, axit gluconic là tiền chất quan trọng để tổng hợp vitamin C, các dẫn xuất của axit gluconic là thành phần chính của nhiều loại dược phẩm.
Axit gluconic Trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm: Hạn chế sự đông tụ của sữa bò trong công nghiệp chế biến sữa, chất tẩy rửa trong can chứa bằng nhôm. Phụ gia trong chế biến bánh nướng, chất làm chua chậm Glucono trong chế biến sản phẩm thịt, chất làm đông protein trong sữa δ-lacton đậu nành, sữa chua, phomat, sản xuất bánh mỳ… Trong lĩnh vực dược phẩm: là chất cân bằng điện giải cho người, thành phần của thuốc cao huyết áp. Natri gluconat Trong công nghiệp: là chất tẩy rửa, tác nhân chống gỉ kim loại, chống sự phân huỷ của sắt trong ngành dệt kim, công nghiệp giấy. Thành phần của thuốc chữa bệnh thiếu máu, bổ xung sắt cho Sắt gluconat người.
Ngoài ra, đây còn là thành phần của phân bón cho cây cảnh. Kẽm gluconat Là thành phần của thuốc cảm thông thường, chữa các vết thương sâu, và các bệnh liên quan đến thiếu kẽm cho người. Các muối gluconat là sản phẩm chuyển hoá của quá trình oxi hoá glucozơ. Trong các mô, khoảng 20% glucozơ có thể đuợc chuyển hoá theo cách này.
Đánh giá tương đối lượng gluconat được tạo ra trong cơ thể con 9 người hàng ngày được thực hiện bằng cách thừa nhận xấp xỉ 10% glucozơ được dùng trong cơ thể là để chuyển hoá theo đường photpho gluconat. Vì vậy một người nhận được 2800 kcal 1 ngày từ một bữa ăn trung bình, có thể oxi hoá khoảng 275g glucozơ. Xấp xỉ 25 đến 30g glucozơ bị oxi hoá theo đường photpho gluconat để tạo thành một lượng tương đuơng gluconat[13]. Do dó lượng gluconat tạo ra hàng ngày từ các nguồn nội sinh là khoảng 450 mg/kg với một người nặng 60 kg.
Một phần quan trọng (60-85%) gluconat ở ngoài ruột được bài tiết không đổi trong nước tiểu[51]. Bảng 3 đưa ra một số thông số vật lý, hoá học của các muối gluconat[18]. Bảng 3: Một số thông số vật lý của các muối gluconat Hợp Trạng Nhiệt độ Nhiệt Khối lượng Độ tan pKa chất thái nóng chảy độ sôi riêng (ở 200C) trong vật lý nước Natri Màu 205-209 °C 613.70 gluconat trắng (phân huỷ ở 25°C ≥ 210°C) Canxi Màu 120°C 731.70 gluconat trắng ở 25°C kali Màu 174-176°C 613. Ứng dụng của canxi gluconat C H O Ca Hình 5: Cấu tạo phân tử Canxi gluconat 10 Canxi gluconat tồn tại ở dạng monohyđrat Ca(C 6H11O7)2.
Tên IUPAC: Calcium di-(2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanoate monohydrate. Dạng bột hoặc hạt nhỏ màu trắng không mùi, không vị, tan trong nước nóng, không tan trong etanol, axit axetic và các dung môi hữu cơ. Canxi gluconat chứa xấp xỉ 9% canxi trong công thức, nên dễ dàng được các động vật và thực vật hấp thụ. Sản lượng canxi gluconat tiêu thụ hàng năm trên thế giới là: 4000-6000 tấn[33] được sản xuất chủ yếu bằng các quá trình Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum, sử dụng tác nhân tạo muối là canxi cacbonat.
Canxi là một trong những nguyên tố không thể thiếu được đối với cơ thể, giảm canxi huyết gây ra các triệu chứng: co giật, chậm lớn và chậm phát triển trí não, biến dạng xương, thường gặp nhất là còi xương ở trẻ em và nhuyễn xương ở người lớn.