Nghiên cứu Trích ly Cellulose Vi Tinh Thể (MCC) từ Gốc Măng Tây – Đại học Bách Khoa TP.HCM

Cellulose vi tinh thể (MCC): phụ gia đa năng trong dược phẩm, thực phẩm, mỹ phẩm. Tìm hiểu cấu trúc, tính chất và ứng dụng chính của nó.

• Tác giả: Sinh viên: Bùi Thị Thanh Hằng
• Người hướng dẫn: PGS – TS. Phan Ngọc Hòa
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Trích ly Cellulose Vi Tinh Thể (MCC) từ Gốc Măng Tây
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Cellulose Vi Tinh Thể MCC Định Nghĩa và Đặc Điểm

Cellulose vi tinh thể (MCC) là một chất polysaccharide được trích ly từ các nguồn tự nhiên thông qua các quy trình xử lý hóa học tiên tiến. MCC được coi là một trong những vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và hóa chất. Trích ly MCC từ gốc măng tây là một phương pháp tận dụng hiệu quả các phụ phẩm nông nghiệp, giảm thiểu lãng phí và tạo ra giá trị gia tăng cao. Các đặc tính vật lý-hóa học của MCC bao gồm độ tinh khiết cao, cấu trúc vi tinh thể đặc biệt, khả năng hấp thụ nước tuyệt vời và tính chất thixotropic. Những thuộc tính này khiến MCC trở thành lựa chọn tối ưu cho nhiều ứng dụng công nghiệp.

1.1. Định Nghĩa Cellulose Vi Tinh Thể

Cellulose vi tinh thể được định nghĩa là sản phẩm hóa học có cấu trúc vi tinh thể, được tạo thành từ việc xử lý cellulose nguyên chất bằng axit vô cơ. Quá trình này làm suy yếu liên kết amorphous trong cấu trúc cellulose, để lại những vùng tinh thể bền vững. MCC có khối lượng phân tử dao động từ 50,000 đến 180,000 Dalton, độ độc lập từ 20% đến 30%, và kích thước hạt thường nằm trong khoảng 100-1000 nanometer.

1.2. Ứng Dụng Chính của MCC trong Công Nghiệp

Cellulose vi tinh thể được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm như chất tăng đặc, chất ổn định hóa trong sốt, kem, sữa chua và các sản phẩm nước sốt. Trong công nghiệp dược phẩm, MCC làm chất độn, chất kết dính trong các viên nén và capsule. Ngoài ra, trích ly MCC từ gốc măng tây mở ra các ứng dụng mới trong công nghiệp giấy, cosmetic, và vật liệu composite sinh học.

II. Quy Trình Trích Ly MCC từ Gốc Măng Tây

Quy trình trích ly cellulose vi tinh thể từ gốc măng tây bao gồm nhiều bước xử lý phức tạp nhằm làm sạch, tinh khiết hóa và điều chế sản phẩm cuối cùng. Gốc măng tây chứa hàm lượng cellulose cao, làm cho nó trở thành nguyên liệu phù hợp cho việc trích ly MCC. Quá trình bắt đầu bằng việc chuẩn bị nguyên liệu thô, tiếp theo là các bước xử lý hóa học sử dụng dung dịch NaOH và H₂O₂ để loại bỏ hemicellulose, lignin và các tạp chất khác. Điều kiện tối ưu như nồng độ hóa chất, tỷ lệ chất rắn-chất lỏng, nhiệt độ và thời gian phản ứng đều ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.1. Bước Chuẩn Bị Nguyên Liệu và Xử Lý Ban Đầu

Gốc măng tây được thu hoạch, rửa sạch, sấy khô ở nhiệt độ 60-80°C, sau đó xay thành bột mịn. Bước chuẩn bị này rất quan trọng để trích ly MCC hiệu quả vì nó tăng diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu và các dung dịch hóa học. Kích thước hạt bột ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng và hiệu suất trích ly. Bột được phân tích thành phần hóa học bước đầu, bao gồm xác định hàm lượng cellulose, hemicellulose, lignin và tro.

2.2. Xử Lý Hóa Học và Tối Ưu Hóa Điều Kiện

Quá trình trích ly cellulose sử dụng dung dịch NaOH để loại bỏ hemicellulose và lignin, sau đó dùng H₂O₂ để tẩy trắng. Điều kiện tối ưu bao gồm nồng độ NaOH từ 8-12%, tỷ lệ H₂O₂ phù hợp, nhiệt độ 80-100°C, và thời gian phản ứng 120-180 phút. Bước tinh sạch tiếp theo sử dụng axit loãng để điều chế MCC từ cellulose tinh khiết bằng cách cắt đứt các chuỗi amorphous.

III. Đánh Giá Tính Chất và Chủng Lượng của Sản Phẩm MCC

Việc đánh giá các tính chất chức năng của MCC trích ly từ gốc măng tây là bước quan trọng để xác định chất lượng sản phẩm và khả năng ứng dụng. Các chỉ tiêu chính bao gồm độ tinh khiết, cấu trúc vi tinh thể, khả năng hấp thụ nước, độ nhớt, diện tích bề mặt và đặc tính hóa học. Cellulose vi tinh thể từ gốc măng tây thường đạt độ tinh khiết từ 85-95%, cho thấy hiệu quả cao của quy trình xử lý. Phân tích cấu trúc bằng X-ray diffraction (XRD) cho phép xác định chỉ số crystallinity, thường nằm trong khoảng 60-75%. Khả năng hấp thụ nước của MCC từ gốc măng tây đạt 200-300%, cao hơn so với một số nguồn khác, làm nó phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu khả năng giữ ẩm tốt.

3.1. Phân Tích Cấu Trúc và Tính Chất Vật Lý

MCC từ gốc măng tây được phân tích bằng các kỹ thuật hiện đại như SEM, XRD, FTIR để xác định cấu trúc vi tinh thể và các nhóm chức năng. Kính hiển vi quét điện tử (SEM) cho thấy cấu trúc bề mặt hạt, kích thước trung bình và độ phân bố. Chỉ số crystallinity được xác định qua XRD phản ánh tỷ lệ vùng tinh thể so với vùng amorphous. FTIR xác nhận các nhóm chức năng hydroxyl, hợp tương thích với cấu trúc cellulose tiêu chuẩn.

3.2. Đánh Giá Tính Chất Hóa Học và Chức Năng

Tính chất chức năng của MCC được đánh giá thông qua các bài kiểm tra như độ hấp thụ nước (WAC), độ giữ dầu (OAC), độ tan trong các dung môi khác nhau, và ổn định nhiệt. Cellulose vi tinh thể từ gốc măng tây cho thấy WAC cao (200-300%), phù hợp cho ứng dụng trong sản phẩm thực phẩm đòi hỏi tính ổn định cao. Độ giữ dầu dao động từ 150-200%, cho phép ứng dụng trong các sản phẩm dầu mỡ. Ổn định nhiệt được kiểm tra qua phân tích TGA, cho thấy độ phân hủy bắt đầu từ 200-250°C.

IV. Ứng Dụng và Triển Vọng Phát Triển của MCC từ Gốc Măng Tây

Cellulose vi tinh thể từ gốc măng tây mở ra những triển vọng rộng lớn về ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Trong ngành thực phẩm, MCC từ gốc măng tây được sử dụng làm chất tăng đặc, ổn định hóa trong các sản phẩm lactic như sữa chua, pho mát, và kem. Trong công nghiệp dược phẩm, nó được áp dụng làm chất excipient trong các viên nén và capsule. Ngành công nghiệp giấy cũng tìm thấy ứng dụng của trích ly MCC để cải thiện chất lượng giấy. Ngoài ra, cellulose vi tinh thể được khám phá trong việc tạo các vật liệu composite sinh học có tính bền vững cao. Nghiên cứu thêm về tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí sản xuất, và mở rộng các ứng dụng mới sẽ giúp MCC từ gốc măng tây trở thành một sản phẩm công nghiệp quan trọng.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Thực Phẩm và Dược Phẩm

MCC từ gốc măng tây được ứng dụng trong các sản phẩm thực phẩm chức năng nhờ khả năng hấp thụ nước và giữ ẩm tuyệt vời. Trong sốt, nước sốp, sữa chua, cellulose vi tinh thể hoạt động như chất ổn định, giúp duy trì độ nhờn đặc và ngăn ngừa tách nước. Trong công nghiệp dược phẩm, MCC được sử dụng làm chất độn và chất kết dính trong các viên nén, viên tròn và capsule. Tính chất bền vững, an toàn cho sức khỏe, và khả năng phân hủy sinh học làm MCC từ gốc măng tây là lựa chọn ưu tiên.

4.2. Triển Vọng Phát Triển Bền Vững và Công Nghiệp 4.0

Triển vọng phát triển của trích ly MCC từ gốc măng tây nằm ở khía cạnh tính bền vững và kinh tế xanh. Sử dụng gốc măng tây, một phụ phẩm nông nghiệp có sẵn, giảm thiểu lãng phí và tối ưu hóa tài nguyên thiên nhiên. Các nghiên cứu tương lai tập trung vào tối ưu hóa quy trình sử dụng công nghệ sinh học, giảm sử dụng hóa chất độc hại, và phát triển các phương pháp trích ly xanh. Ứng dụng trong vật liệu composite sinh học, packaging bền vững, và công nghiệp nanocellulose sẽ mở rộng thị trường cho cellulose vi tinh thể từ gốc măng tây.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan 7 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thanh Hằng – Hồng Thắm gốc nguyên liệu [15]. Trong đó, nguồn phụ phẩm nông nghiệp đang được các nhà sản xuất đánh giá cao về mặt kinh tế và môi trường. Thông thường nguồn phụ phẩm này chiếm khối lượng lớn trong sản xuất và sẽ được thải bỏ, chính vì vậy ta có thể tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào này để sản xuất MCC, một sản phẩm đem lại giá trị kinh tế cao hơn. Đồng thời cũng giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường từ nguồn phụ phẩm này.

Một số nghiên cứu về MCC từ phụ phẩm nông nghiệp và ứng dụng trong sản phẩm thực phẩm 1. Nghiên cứu điều chế MCC từ cành olive Theo Kian và cộng sự (2020) đã đánh giá cành olive là một nguồn nguyên liệu tiềm năng trong sản xuất cellulose vi tinh thể. Đầu tiên, cành olive được đem đi tiền xử lý về dạng bột. Tiếp theo tiến hành phản ứng thu nhận cellulose thô với các điều kiện phản ứng như sau: nồng độ dung dịch NaClO 10% (w/v), nhiệt độ 80oC, thời gian phản ứng 1 giờ, tỉ lệ bột nguyên liệu và NaClO là 1/60 g/mL, pH của dung dịch phản ứng là 4 (dùng acid acetic để chỉnh pH).

Dung dịch được đem đi lọc và rửa phần rắn bằng nước cất. Đem phần rắn sấy ở 60oC trong 24 giờ để loại nước rồi tiến hành phản ứng kiềm với điều kiện phản ứng như sau: nồng độ dung dịch NaOH 8% (w/v), nhiệt độ phòng, thời gian phản ứng 30 phút, tỉ lệ bột và NaOH là 1/50 g/mL. Phần rắn thu được sau quá trình lọc cũng được đem đi sấy 60oC trong 24 giờ. Cuối cùng quá trình vi tinh thể hóa được thực hiện bằng cách dùng tác nhân HCl 2.5M ở điều kiện nhiệt độ 80oC, thời gian phản ứng 30 phút, tỉ lệ bột và HCl là 1/30 g/mL.

Mẫu MCC thu được sau quá trình lọc được đem đi sấy ở nhiệt độ 70 – 80oC trong 5 giờ đến khối lượng không đổi. Mẫu cellulose sau quá trình phản ứng với NaClO (OL – BLF), mẫu sau phản ứng với kiềm (OL – PUF), và mẫu cellulose vi tinh thể (MCC) được đem đi đánh giá hình thái cấu trúc bằng phân tích SEM và EDX, đánh giá các nhóm chức hóa học bằng phân tích FTIR, đánh giá độ kết tinh bằng phân tích XRD và độ bền nhiệt bằng phân tích TGA. Ảnh hiển vi SEM của OL-MCC ở độ phóng đại 100× (A) và 3000× (B) Chương 1: Tổng quan 8 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thanh Hằng – Hồng Thắm Kết quả SEM cho thấy mẫu OL – BLF chứa các phân tử xơ dài với bề mặt tương đối thô ráp chỉ ra rằng các tạp chất đã được loại bỏ ở giai đoạn này. Đối với mẫu OL – PUF, từng sợi xơ đã được giải phóng nhờ vào sự loại bỏ hoàn toàn hemicellulose và lignin.

Cuối cùng, với bước xử lý bằng acid, sợi xơ trở nên ngắn hơn về kích thước micro. Điều này là do vùng vô định hình của cellulose dễ bị tổn thương và chúng bị xâm nhập bởi các ion hydronium, và sau đó trải qua quá trình phân mảnh thủy phân để tạo thành các tinh thể cellulose có kích thước nhỏ hơn. Kết quả EDX cho thấy cả 2 mẫu OL – PUF và OL –MCC có thành phần các nguyên tố hóa học tương tự nhau. Điều này là do hemicellulose và ligin đã được loại bỏ ở 2 mẫu này.

Tuy nhiên, ở mẫu OL – BLF, các tạp chất như silica và phosphorus vẫn còn hiện diện sau quá trình phản ứng với NaClO với hàm lượng lần lượt là 4. Hàm lượng hai hợp chất này trở nên thấp hơn 1% sau khi mẫu được xử lý với kiềm và acid HCl. Với kết quả mẫu OL – MCC có độ tinh khiết cao như vậy, sẽ giúp loại bỏ các khuyết điểm trong việc ứng dụng MCC vào làm vật liệu composite. Phân tích nguyên tố và kích thước của OL – BLF, OL – PUF, OL – MCC [16] Phân tích nguyên tố Phân tích kích thước tinh thể Mẫu C (%)a O (%)b Si (%)c P (%)d SWMD (%)e VWMD (%)f OL – BLF 47.06 Ghi chú: a Cacbon b Oxy c Silica d Phốt pho e Đường kính trung bình theo trọng số diện tích f Đường kính trung bình theo trọng số thể tích Kết quả phân tích FTIR, mũi tại bước sóng 1420cm-1 đặc trưng cho vùng tinh thể của cellulose.

Mũi này thể hiện sự dao động của liên kết CH2 khi uốn cong. Sự thay đổi mũi này ngụ ý về sự tái tổ chức và tái định hướng lại trật tự tinh thể cellulose. Cường độ mũi này tăng dần từ mẫu OL – BLF đến mẫu OL – MCC. Mũi đặc trưng cho hemicellulose tại 1742cm-1 và lignin tại 1543cm-1 đều xuất hiện ở mẫu OL – BLF và biến mất ở mẫu OL – Chương 1: Tổng quan 9 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thanh Hằng – Hồng Thắm PUF, OL – MCC.

Phổ FTIR của OL-BLF, OL-PUF và OL-MCC Hình 1. Phổ FTIR của OL-BLF, OL-PUF và OL-MCC Tất cả các mẫu đều có các mũi phản xạ chính ở khoảng 2𝜃 = 14. OL – PUF thể hiện các mũi rõ ràng hơn so với OL – BLF do quá trình thủy phân trước đã giúp giải phóng các sợi cellulose kết tinh. Mũi nhiễu xạ ở khoảng 22.6° trở nên sắc nét hơn và hẹp hơn từ OL – PUF đến OL – MCC, điều này dẫn đến việc tạo ra các tinh thể cellulose Chương 1: Tổng quan 10 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thanh Hằng – Hồng Thắm có thứ tự cao là kết quả của việc cải thiện liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử.

Trong khi đó, các mũi kép có thể quan sát được ở 22.6° đối với OL – MCC được cho là do sự hiện diện của cả hai dạng đa hình của cellulose I và cellulose II. Kết quả phân tích XRD cho kết quả độ kết tinh như sau: Bảng 1. Kết quả phân tích độ kết tinh của OL – BLF, OL – PUF và OL – MCC [16] Mẫu Độ kết tinh (%) OL – BLF 31. Kết quả phân tích TGA của OL-BLF, OL-PUF và OL-MCC Kết quả phân tích TGA, sự thay đổi về khối lượng đều xuất hiện ở cả 3 mẫu khi ở nhiệt độ từ 60 – 110oC do sự bay hơi nước và các hợp nhất dễ bị phân hủy.

Trên 200oC, OL – PUF cho kết quả nhiệt độ phân hủy ban đầu cao hơn so với OL – BLF. Đó là do hàm lượng cellulose lớn hơn trong OL – PUF có thể chống lại sự phân hủy nhiệt ban đầu. Giữa OL – PUF và OL – MCC, người ta nhận thấy rằng OL – MCC có nhiệt độ phân hủy ban đầu tăng lên một chút, điều này do cấu trúc của OL – MCC có phần tinh thể nhiều hơn OL – PUF. Tóm lại, mẫu OL – MCC có độ bền nhiệt cao hơn hai mẫu còn lại [16].

Nghiên cứu điều chế MCC từ vỏ bưởi Liu và cộng sự (2017) đã tiến hành xử lý bột vỏ bưởi với dung dịch NaOH 4% (w/w) Chương 1: Tổng quan 11 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thanh Hằng – Hồng Thắm có chứa 0.9% (v/v) H2O2 ở 80oC trong 4 giờ. Dung dịch sau phản ứng được lọc và rửa bằng nước cất cho đến khi đạt pH trung tính. Phần rắn thu được là cellulose (PP – CC). PP – CC được thực hiện quá trình tinh sạch bằng hỗn hợp dung dịch acid acetic 80% và nitric acid 68% (tỉ lệ 10:1 v/v) ở 100oC trong 15 phút để loại bỏ hemicellulose và lignin ra khỏi cellulose.

Mẫu được sấy thăng hoa trong 48 giờ để thu nhận cellulose thô (PP – C). PP – MCC được điều chế bằng cách thủy phân với dung dịch HCl. 1g PP – C được trộn cùng với 20mL dung dịch HCl 6% (w/w) ở 90oC trong 100 phút. Cuối cùng dung dịch được lọc và rửa với nước cất đến khi đạt pH trung tính.

Mẫu được đem đi sấy thăng hoa để thu nhận PP – MCC. Một số phương pháp phân tích đã được sử dụng để xác định các đặc điểm cấu trúc, trạng thái tinh thể, tính chất hình thái, tính chất nhiệt và khả năng liên kết nước/ dầu của cellulose tinh khiết và cellulose vi tinh thể. Các phân tích FTIR và SEM đã chứng minh rằng hầu hết hemicellulose và lignin trong vỏ bưởi đã được loại bỏ thành công bằng phương pháp xử lý với hydro peroxide/ kiềm và thủy phân bằng acid. Phổ XRD của PP-C, PP-MCC, C-MCC Bảng 1.

Kết quả phân tích độ kết tinh của PP – C, PP – MCC, C – MCC [17] Mẫu Độ kết tinh (%) PP – C 35.11 Chương 1: Tổng quan 12 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thanh Hằng – Hồng Thắm Phân tích XRD cho thấy cả cellulose tinh khiết (PP – C) và cellulose vi tinh thể (PP – MCC) đều chỉ có cấu trúc đa hình cellulose I và chỉ số tinh thể của cellulose vi tinh thể. Cấu trúc của PP – MCC không có sự thay đổi đáng kể sau quá trình vi tinh thể hóa, hầu hết các vùng tinh thể đều được giữ lại. Độ kết tinh của PP – MCC tăng lên cho thấy quá trình thủy phân bằng acid đã loại bỏ phần lớn lignin, vùng vô định hình, hemicellulose và làm gián đoạn liên kết lignin – hemicellulose – cellulose. Tuy nhiên, độ kết tinh của PP – MCC vẫn còn khá thấp so với mẫu cellulose vi tinh thể thương mại (C – MCC).

Sự khác biệt này có thể là do nguồn nguyên liệu và phương pháp điều chế khác nhau. Nhiệt độ suy biến của cellulose tinh khiết và cellulose vi tinh thể lần lượt rơi vào khoảng 257°C và 280°C. Điều này cho thấy quá trình thủy phân bằng acid HCl đã làm tăng đáng kể độ bền nhiệt của MCC. Khả năng liên kết nước/ dầu của cellulose vi tinh thể từ vỏ bưởi (PP – MCC) cũng cho kết quả cao hơn đáng kể so với cellulose vi tinh thể thương mại (C – MCC).

Sự khác nhau về khả năng giữ nước của cellulose có thể là do sự khác biệt về độ kết tinh và bề mặt của MCC bởi vì khả năng giữ nước liên quan đến hàm lượng xơ tan. Cụ thể, PP – MCC có hàm lượng xơ tan cao hơn C –MCC (độ kết tinh của PP – MCC thấp hơn so với C – MCC). Sự khác nhau về khả năng giữ dầu có thể là do nguồn nguyên liệu khác nhau và phương pháp điều chế khác nhau. Liên kết giữ dầu có liên quan đến hàm lượng nhóm acyl trong cellulose.

Cellulose với khả năng giữ dầu tốt được sử dụng cho các sản phẩm thực phẩm giàu béo và ổn định hệ nhũ tương. Từ kết quả nghiên cứu này, các tác giả nhận định rằng PP – MCC sẽ là nguồn phụ gia đầy tiềm năng giúp cải thiện chất lượng cho sản phẩm xúc xích dạng nhũ tương [17].