Tài liệu Nghiên cứu chiết tách chất màu từ lá cây huyết dụ việt nam với sự trợ giúp của sóng siêu âm và ứng dụng làm chất chỉ thị ph sinh thái

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- HOÀNG THỊ THANH LUYẾN NGHIÊN CỨU CHIẾT TÁCH CHẤT MÀU TỪ LÁ CÂY HUYẾT DỤ VIỆT NAM VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT CHỈ THỊ pH SINH THÁI LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU DỆT MAY Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- HOÀNG THỊ THANH LUYẾN NGHIÊN CỨU CHIẾT TÁCH CHẤT MÀU TỪ LÁ CÂY HUYẾT DỤ VIỆT NAM VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT CHỈ THỊ pH SINH THÁI LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU DỆT MAY NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN NGỌC THẮNG Hà Nội – Năm 2017 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân cùng với nhóm sinh viên nghiên cứu khoa học (SVNCKH) được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Ngọc Thắng. Trong đó phần kết quả nghiên cứu chiết tách chất màu từ lá cây huyết dụ Việt Nam (từ mục 3.1. đến mục 3.4) đã được nhóm SVNCKH báo cáo trong hội nghị SVNCKH 2017. Các phần còn lại của luận văn do tác giả tự nghiên cứu và trình bày là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào. Tác giả xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình trước pháp luật về những nội dung, hình ảnh cũng như kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn. Hà Nội, ngày 29 tháng 8 năm 2017 Người thực hiện Hoàng Thị Thanh Luyến HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 1 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy, cô trong Viện Dệt may - Da giày và Thời trang cùng các thầy, cô trong Bộ môn Vật liệu và Công nghệ Hóa dệt của trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Ngọc Thắng, người đã trực tiếp hướng dẫn, thầy đã dành rất nhiều thời gian, tâm huyết và luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi nghiên cứu, giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô công tác tại Trung tâm thí nghiệm Vật liệu Dệt may - Da giầy, Trung tâm khoa học và công nghệ cao su trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Công ty TNHH Dệt và Nhuộm Hưng Yên đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu và thí nghiệm để có số liệu chính xác cho luận văn. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn nhóm SVNCKH năm 2017 gồm các em: Trần Thị Thanh, Ngô Thị Kim Dung, Nguyễn Thị Hà, Trịnh Thanh Tùng đã đồng hành cùng tôi trong nghiên cứu. Tuy đã rất nỗ lực cố gắng, không ngừng học hỏi trau dồi kiến thức, tích cực nghiên cứu thu thập tài liệu, tổng hợp các kiến thức nhưng do bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự quan tâm và đóng góp ý kiến của thầy, cô và tất cả bạn bè, đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Hoàng Thị Thanh Luyến HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 2 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 2 MỤC LỤC ...................................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................. 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................. 8 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................... 9 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 10 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................................ 10 2. Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................................... 11 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 11 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................... 12 4.1. Nghiên cứu lý thuyết ................................................................................................. 12 4.2. Nghiên cứu thực nghiệm ........................................................................................... 12 4.2.1. Chiết tách anthocynin bằng dung môi ethanol .............................................. 12 4.2.2. Nhuộm màu cho vải lụa tơ tằm ...................................................................... 12 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..................................................................... 13 6. Bố cục luận văn............................................................................................................... 13 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ....................................................................................... 15 1.1. Chất màu anthocyanin từ lá huyết dụ ....................................................................... 15 1.1.1. Giới thiệu về cây huyết dụ ..................................................................................... 15 1.1.2. Anthocyanin và ứng dụng ...................................................................................... 15 1.1.3. Cấu trúc của anthocyanin ....................................................................................... 17 1.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến màu của anthocyanin................................................... 19 1.1.4.1. Ảnh hưởng của cấu trúc hóa học ................................................................ 19 1.1.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ .............................................................................. 20 1.1.4.3. Ảnh hưởng của pH ...................................................................................... 20 1.1.4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ .............................................................................. 21 1.2. Chiết tách chất màu anthocynin ................................................................................ 21 1.2.1. Phương pháp chiết tách chất màu anthocyanin ...................................................... 21 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết tách anthocyanin ................................. 22 1.2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ .............................................................................. 23 1.2.2.2. Ảnh hưởng của thời gian............................................................................. 23 1.2.2.3. Ảnh hưởng của dung tỷ ............................................................................... 23 1.3. Vải lụa tơ tằm .............................................................................................................. 24 1.3.1. Cấu tạo và thành phần của tơ tằm .......................................................................... 24 1.3.2. Tính chất của tơ tằm .............................................................................................. 25 HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 3 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang 1.3.3. Thuốc nhuộm cho tơ tằm ....................................................................................... 25 1.4. Phƣơng pháp nhuộm màu cho vải lụa tơ tằm .......................................................... 25 1.4.1. Giới thiệu phương pháp nhuộm ............................................................................. 25 1.4.2. Phương pháp nhuộm tận trích ................................................................................ 26 1.4.3. Phương pháp tăng độ bền màu khi nhuộm cho vải lụa bằng chất màu tự nhiên ... 27 1.5. Các công trình nghiên cứu về cây huyết dụ .............................................................. 27 1.5.1. Các công trình nghiên cứu về cây huyết dụ trong nước ........................................ 27 1.5.2. Các công trình nghiên cứu trên thế giới về chiết tách chất màu từ lá cây huyết dụ ......................................................................................................................................... 28 CHƢƠNG 2. NỘI DUNG, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 32 2.1. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................... 32 2.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 32 2.3. Đối tƣợng nghiên cứu .................................................................................................. 33 2.3.1. Vật liệu ................................................................................................................... 33 2.3.2. Hóa chất ................................................................................................................. 33 2.3.3. Dụng cụ và thiết bị ................................................................................................. 33 2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................ 35 2.4.1. Phương pháp chiết tách chất màu .......................................................................... 35 2.4.2. Phương pháp đánh giá định tính chất màu ............................................................. 36 2.4.3. Lập kế hoạch thực nghiệm ..................................................................................... 36 2.5. Phƣơng pháp nhuộm màu cho vật liệu nền .............................................................. 37 2.5.1. Phương pháp nhuộm màu cho màng xơ xenlulo ................................................... 37 2.5.2. Phương pháp nhuộm màu cho vải lụa tơ tằm ........................................................ 38 2.6. Phƣơng pháp khảo sát khả năng chỉ thị màu của anthocyanin theo pH ............... 40 2.6.1. Phương pháp khảo sát khả năng chỉ thị màu của dung dịch chất màu ở môi trường pH khác nhau ................................................................................................................... 40 2.6.2. Phương pháp khảo sát khả năng chỉ thị màu của vật liệu nhuộm màu anthocyanin theo các môi trường pH khác nhau .................................................................................. 41 2.7. Phƣơng pháp đo màu .................................................................................................. 42 2.7.1. Lý thuyết đo màu quang phổ ................................................................................. 42 2.7.2. Phương pháp tiến hành .......................................................................................... 43 2.8. Phƣơng pháp đo quang phổ hồng ngoại (FTIR) để đánh giá hiệu quả xử lý axit succinic trên bề mặt vải ..................................................................................................... 43 2.8.1. Lý thuyết đo quang phổ hồng ngoại FTIR ............................................................. 43 2.8.2. Phương pháp đo quang phổ hồng ngoại FTIR ....................................................... 44 2.8.3. Số sóng đặc trưng .................................................................................................. 45 2.9. Phƣơng pháp đánh giá độ bền màu của vải lụa với quá trình giặt (ISO 105 – C01) .............................................................................................................................................. 46 HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 4 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 47 3.1. Kết quả độ hấp phụ anthocyanin chiết tách đƣợc ................................................... 47 3.2. Phƣơng trình hồi quy .................................................................................................. 48 3.3. Tối ƣu hóa quá trình chiết tách.................................................................................. 50 3.4. Khả năng chỉ thị màu của anthocyanin ở dạng dung dịch và khi đƣa lên màng xơ xenlulo theo pH ................................................................................................................... 50 3.5. Kết quả đo màu và khả năng lên màu K/S của vải lụa sau nhuộm ........................ 52 3.5.1. Kết quả đo màu ...................................................................................................... 53 3.5.2. Khả năng lên màu K/S ........................................................................................... 55 3.6. Kết quả phổ hồng ngoại FTIR ................................................................................... 57 3.7. Đánh giá độ bền màu với quá trình giặt ................................................................... 58 3.8. Khả năng chỉ thị màu của anthocyanin trên vải lụa đã xử lý axit succinic ........... 60 3.9. Khả năng thay đổi màu thuận nghịch của chất màu anthocyanin trên vải đã xử lý axit succinic ......................................................................................................................... 61 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 63 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO...................................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 65 HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 5 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cây huyết dụ. ................................................................................................. 15 Hình 1.2. Anthocyanin trong một số loại thực vật. ....................................................... 16 Hình 1.3. Cấu trúc cơ bản của anthocyanidin của anthocyanin. ................................... 17 Hình 1.4. Sự thay đổi màu sắc phụ thuộc vào cấu trúc của anthocyanin [14]. ............. 19 Hình 1.5. (a) Cấu tạo của tơ tằm, (b) Công thức cấu tạo của fibroin tơ tằm. ................ 24 Hình 1.6. Cấu tạo của hợp chất steroidal saponin. ........................................................ 29 Hình 1.7. Cấu tạo phân tử của các hợp chất (a) Betaxanthin ( b) Betanin. ................... 30 Hình 2.1. Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm. ................................. 34 Hình 2.2. Sơ đồ quy trình chiết tách chất màu anthocyanin từ lá cây huyết dụ. ........... 35 Hình 2.3. Quy trình nhuộm màu anthocyanin cho vật liệu xenlulo. ............................. 37 Hình 2.4. Sơ đồ quy trình nhuộm xenlulo. .................................................................... 38 Hình 2.5. Các phương án nhuộm màu cho vải lụa. ....................................................... 39 Hình 2.6. Sơ đồ quy trình nhuộm cho vải lụa. .............................................................. 40 Hình 2.7. Quy trình khảo sát sự thay đổi màu của dung dịch anthocyanin theo pH. .... 41 Hình 2.8. Quy trình khảo sát sự thay đổi màu của vật liệu nhuộm màu anthocyanin theo pH. ......................................................................................................................... 41 Hình 2.9. Không gian màu CIELab. .............................................................................. 42 Hình 2.10. Máy đo màu Ci7800. ................................................................................... 43 Hình 2.11. Cấu tạo của giao thoa kế Michelson. ........................................................... 44 Hình 2.12. Máy đo quang phổ Thermo Nicolet 6700. .................................................. 44 Hình 3.1. Phổ UV - Vis của chất màu anthocyanin chiết tách từ lá cây huyết dụ. ....... 48 Hình 3.2. Độ kỳ vọng và điều kiện tối ưu cho hàm lượng anthocyanin cực đại. .......... 51 Hình 3.3. So sánh sự thay đổi màu theo pH giữa giấy pH, dung dịch chất màu và màng xơ xenlulo gắn chất màu. ............................................................................................... 51 Hình 3.4. Phổ hấp thụ anthocyanin trong các môi trường pH từ 1 ÷ 13. ...................... 52 Hình 3.5. Chất màu anthocyanin nhuộm trên vải lụa tơ tằm bị biến đổi ở nhiệt độ 160C, thời gian 2 phút: ................................................................................................ 52 Hình 3.6. Đường K/S của vải lụa tơ tằm không xử lý axit succinic.............................. 55 Hình 3.7. Đường K/S của vải lụa có xử lý axit succinic. .............................................. 56 Hình 3.8. Phổ FTIR của các mẫu (a) Vải lụa, (b) Vải lụa đã xử lý axit succinic, (c) Vải lụa đã xử lý axit succinic được nhuộm chất màu anthocyanin, (d) Chất màu anthocyanin. ................................................................................................................... 57 Hình 3.9. Cấp độ bền giặt của các mẫu vải lụa không xử lý axit succinic nhuộm theo HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 6 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang tiêu chuẩn ISO 105-C01. ............................................................................................... 58 Hình3.10. Cấp độ bền giặt của các mẫu vải lụa có xử lý axit succinic nhuộm theo tiêu chuẩn ISO 105-C01. ...................................................................................................... 59 Hình 3.11. So sánh sự thay đổi màu giữa vải lụa nhuộm chất màu với dung dịch chất màu và màng xơ xenlulo gắn chất màu. ........................................................................ 60 Hình 3.12. Khả năng thay đổi màu thuận nghịch của vải đã xử lý axit succinic được nhuộm chất màu sau 4 lần thử. ...................................................................................... 61 HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 7 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các nhóm thế khác nhau trong cấu tạo của anthocyanin .............................. 18 Bảng 1.2. Màu của anthocyanin thay đổi theo pH [21] ................................................. 20 ảng 2.1. ảng thông số vải lụa tơ tằm nghiên cứu...................................................... 33 Bảng 2.2. Bảng hóa chất thí nghiệm.............................................................................. 33 Bảng 2.3. Bảng mã hóa và khoảng biến thiên của các yếu tố thực nghiệm .................. 36 ảng 2.4. ảng mã hóa các điều kiện nhuộm vải lụa tơ tằm bằng chất màu anthocyanin chiết tách từ lá cây huyết dụ ..................................................................... 39 ảng 2.5. Phổ FTIR đặc trưng của anthocyanin ........................................................... 45 ảng 2.6. Phổ FTIR đặc trưng của axit succinic ........................................................... 45 ảng 2.7. Phổ FTIR đặc trưng của lụa tơ tằm ............................................................... 46 ảng 3.1. ảng ma trận mã hóa theo mô hình Box - Behnken và kết quả thực nghiệm của hàm mục tiêu ........................................................................................................... 47 ảng 3.2. Kết quả phân tích hồi quy theo mô hình đa thức bậc hai cho hàm lượng anthocyanin .................................................................................................................... 49 ảng 3.3. ảng giá trị ước lượng các hệ số hồi quy của hàm hồi quy là hàm lượng anthocyanin .................................................................................................................... 50 Bảng 3.4. Giá trị L, a, b, C, h của các mẫu vải lụa tơ tằm dệt thoi không xử lý và có xử lý axit succinic được nhuộm màu .................................................................................. 53 HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 8 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT BBD Mô hình Box-Benken (Box - Behnken Design) C Nhiệt độ DX10 Phần mền quy hoạch thực nghiệm (Design Expert 10) FTIR Phương pháp đo phổ hồng ngoại G Vải được nhuộm chất màu sau đó giặt HD Huyết dụ KG Vải được nhuộm chất màu, không giặt RSM Phương pháp bề mặt đáp ứng (Respose surface methodolodgy) S0 Vải lụa tơ tằm sau nấu tẩy Sx Vải lụa tơ tằm được xử lý bằng axit succinic SVNCKH Sinh viên nghiên cứu khoa học T Thời gian TNHH Trách nhiệm hữu hạn λmax ước sóng hấp thụ cực đại HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 9 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Từ xa xưa ông cha ta đã biết sử dụng các chất màu tự nhiên để làm màu nhuộm trong nhiều lĩnh vực: Ẩm thực, hội họa, thủ công, mỹ nghệ, mỹ phẩm… đặc biệt là sử dụng để nhuộm màu cho vải vóc. Các chất màu tự nhiên có nguồn gốc từ: Thực vật, động vật, khoáng vật. Cuối thế kỷ 19, chất màu tổng hợp ra đời và chiếm ưu thế nhờ các ưu điểm như: Có thể chủ động sản xuất với số lượng lớn, màu tươi, bền, đa dạng màu sắc, giá thành rẻ. Tuy nhiên trong khoảng 2 thập kỷ trở lại đây, các nhà khoa học, y học đã nhận định không có một loại chất màu tổng hợp nào là an toàn tuyệt đối cho sức khỏe con người. Vì vậy, việc ứng dụng các chất màu tự nhiên để tạo màu trong các lĩnh vực dược phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm, may mặc đang là xu hướng được ưa chuộng vì tính an toàn, không gây dị ứng, có khả năng phân hủy sinh học, không độc hại và không gây ung thư. Việt Nam có sự phong phú về các loài thực vật, đây là nguồn cung cấp tài nguyên sinh học quý giá cùng với sự đa dạng của các hợp chất màu tự nhiên. Trong số các hợp chất tự nhiên đó có anthocyanin – loại hợp chất màu tự nhiên tan trong nước trong giới thực vật, có nhiều trong: Nho, cà chua, dâu tây, bắp cải tím, việt quất, củ cải tím, cây oải hương, cây huyết dụ… Ngoài tác dụng là chất màu thiên nhiên được sử dụng khá an toàn trong thực phẩm, tạo ra nhiều màu sắc hấp dẫn cho mỗi sản phẩm, anthocyanin còn là hợp chất có nhiều đặc tính sinh học quý: Khả năng chống oxy hóa cao được sử dụng để chống lão hóa hoặc chống oxy hóa các sản phẩm thực phẩm, hạn chế sự suy giảm sức đề kháng, có tác dụng làm bền thành mạch, chống viêm, hạn chế sự phát triển của tế bào ung thư, tác dụng chống các tia phóng xạ. Anthocyanin thay đổi màu sắc trong các môi trường pH khác nhau [1]. Đây là một đặc tính quý báu được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Ở Việt Nam, cây huyết dụ mọc ở hầu hết các địa phương. Trong đông y, cây huyết dụ là một cây dược liệu quý chữa được nhiều loại bệnh như: Ho ra máu, rong kinh, xích bạch đới, sốt xuất huyết… Hơn nữa, cây huyết dụ còn có ý nghĩa phong thủy, đem lại may mắn và có màu sắc bắt mắt nên được trồng ở rất nhiều nơi [2]. HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 10 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang Trong những năm gần đây cây huyết dụ được nghiên cứu sâu và phát hiện thêm nhiều ứng dụng mới trong cuộc sống. Trên thế giới đã có các nghiên cứu về việc chiết tách, ứng dụng chất màu chiết được từ lá cây huyết dụ làm pin năng lượng mặt trời (dye – sensitized solar cells) [3,4,5], chất chỉ thị axit – bazơ [6]. Chất màu chiết tách được từ lá cây huyết dụ có chứa anthocyanin, một chất có thể biến đổi màu sắc theo pH [1]. Trẻ em là đối tượng có làn da nhạy cảm chính vì vậy nếu trên quần áo trẻ mặc còn tồn dư chất tẩy rửa làm cho pH trên vải cao dẫn đến gây ngứa, dị ứng trẻ. Đây là vấn đề lo lắng của các bậc phụ huynh. Do vậy, vấn đề đặt ra là cần tìm kiếm được một vật liệu cảm biến thân thiện, an toàn để sử dụng làm vật liệu chỉ thị pH sinh thái, cảnh báo pH cao sau giặt trên quần áo trẻ em. Chính vì vậy, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu chiết tách chất màu từ lá cây huyết dụ Việt Nam với sự trợ giúp của sóng siêu âm và ứng dụng làm chất chỉ thị pH sinh thái”. Trong luận văn tác giả đã nhuộm chất màu anthocyanin chiết tách được từ lá cây huyết dụ cho vải lụa tơ tằm đã biến tính bề mặt bằng axit succinic với mong muốn ứng dụng vải đã nhuộm làm vật liệu chỉ thị pH sinh thái xác định tồn dư chất tẩy rửa trên quần áo cho trẻ em. Đề tài sẽ cung cấp thông tin chi tiết về quy trình triết tách chất màu anthocyanin từ lá cây huyết dụ Việt Nam bằng sóng siêu âm. Quy trình nhuộm màu cho vải lụa tơ tằm bằng chất màu chiết tách được và khả năng thay đổi màu sắc của vải lụa tơ tằm đã nhuộm màu theo môi trường pH. Từ đó định hướng ứng dụng vào thực tiễn trong cuộc sống. 2. Mục tiêu nghiên cứu Chiết tách được chất màu anthocyanin có trong lá cây huyết dụ bằng dung môi hữu cơ với sự trợ giúp của sóng siêu âm. Sử dụng chất màu chiết tách được để nhuộm màu cho vải lụa tơ tằm có biến tính và không biến tính bằng axit succinic. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu: Lá cây huyết dụ tại khuôn viên trường Đại học Bách khoa Hà Nội, vải lụa tơ tằm dệt thoi sản xuất tại Việt Nam. HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 11 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang * Phạm vi nghiên cứu: Quy trình chiết tách, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chiết tách, tìm điều kiện chiết tách tối ưu. Quy trình nhuộm màu cho vải lụa tơ tằm, đánh giá khả năng nhuộm màu, kiểm tra độ bền giặt của vải lụa tơ tằm không xử lý và có xử lý bề mặt bằng axit succinic. Từ đó tìm ra quy trình nhuộm màu tối ưu cho vải lụa tơ tằm bằng chất màu anthocyanin chiết tách từ lá cây huyết dụ. Đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu nhuộm làm chất chỉ thị pH sinh thái. Các thí nghiệm được tiến hành tại Trung tâm thí nghiệm Vật liệu và Công nghệ Hóa dệt, Phòng thí nghiệm Vật liệu Dệt của trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu 4.1. Nghiên cứu lý thuyết Thu thập tài liệu, nghiên cứu lý thuyết tổng quan về hợp chất màu anthocyanin, điều kiện chiết tách, tổng quan về vải lụa tơ tằm, lý thuyết phương pháp nhuộm màu cho vải lụa tơ tằm. 4.2. Nghiên cứu thực nghiệm 4.2.1. Chiết tách anthocyanin bằng dung môi ethanol - Xử lý mẫu: Rửa sạch lá, để ráo nước và nghiền nhỏ. - Chiết tách chất màu anthocyanin bằng dùng môi ethanol với sự trợ giúp của sóng siêu âm. - Lên kế hoạch thực nghiệm, xử lý và phân tích kết quả bằng phần mềm Design Expert 10. - Đánh giá chất lượng và định tính chất màu anthocyanin sau chiết. - Nghiên cứu sự thay đổi màu của anthocyanin trong các dung dịch pH khác nhau. 4.2.2. Nhuộm màu cho vải lụa tơ tằm - Nhuộm màu cho vải lụa tơ tằm bằng phương pháp tận trích. - Quy trình nhuộm với ba phương án nhuộm ở các điều kiện nhiệt độ, thời gian khác nhau từ đó tìm điều kiện nhuộm tối ưu cho vải lụa tơ tằm bằng chất màu tự nhiên anthocyanin chiết tách từ lá cây huyết dụ. Phương án thứ nhất: Nhuộm vải lụa tơ tằm HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 12 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang không xử lý axit succinic (vải mộc chỉ qua nấu tẩy). Phương án thứ hai: Xử lý vải lụa tơ tằm bằng axit succinic điều kiện nhiệt độ 160C, thời gian 2 phút, sau đó nhuộm vải đã xử lý axit succinic. Phương án thứ ba: Nhuộm vải lụa tơ tằm không xử lý axit succinic, lấy vải sau nhuộm mang đi xử lý axit succinic ở điều kiện nhiệt độ 160C trong 2 phút. - Đánh giá hiệu quả nhuộm vải lụa tơ tằm thông qua chứng minh lý thuyết (đo quang phổ hồng ngoại FTIR) và chứng minh thực nghiệm (độ bền giặt) giữa các phương án. Từ đó tìm được điều kiện tối ưu cho quy trình nhuộm vải lụa tơ tằm bằng chất màu tự nhiên anthocyanin chiết tách từ lá cây huyết dụ. - Quan sát sự thay đổi màu của anthocyanin khi nhuộm lên vải lụa tơ tằm trong các dung dịch pH khác nhau từ đó đánh giá khả năng ứng dụng làm vật liệu chỉ thị pH sinh thái. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Qua thực nghiệm, cung cấp thông tin khoa học về quy trình chiết tách anthocyanin từ lá cây huyết dụ với sự hỗ trợ của sóng siêu âm, đồng thời xác định điều kiện tối ưu trong khoảng nghiên cứu để thu được hàm lượng anthocyanin cao nhất cũng như đưa ra sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, nồng độ ethanol và thời gian đến quá trình chiết tách. Làm rõ khả năng thay đổi màu sắc của anthocyanin trong các môi trường pH khác nhau. Cung cấp thông tin và quy trình nhuộm màu cho vật liệu nền từ chất màu anthocyanin chiết tách từ cây huyết dụ tại các điều kiện khác nhau. Cuối cùng là đánh giá K/S và độ bền giặt của vải sau nhuộm. Từ đó có thể định hướng ứng dụng vải lụa tơ tằm đã nhuộm làm vật liệu cảm biến chỉ thị pH sinh thái xác định tồn dư chất giặt tẩy trên quần áo của trẻ em. 6. Bố cục luận văn Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các hình vẽ và đồ thị HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 13 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang Danh mục các bảng biểu Danh mục các ký hiệu, các từ viết tắt Chương 1. Tổng quan Chương 2. Nội dung, đối tượng và phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả và thảo luận Kết luận Hướng nghiên cứu tiếp theo Tài liệu tham khảo HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 14 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Chất màu anthocyanin từ lá huyết dụ 1.1.1. Giới thiệu về cây huyết dụ Cây huyết dụ có tên khoa học là Cordyline fruticosa [2]. Ở Việt Nam cây huyết dụ được gọi bằng nhiều tên khác nhau như: Cây phật dụ, cây thiết thụ, chổng đeng (Tày), co trướng lậu (Thái), quyền diên ái (Dao)… thuộc họ loa kèn, bao gồm hơn 480 loài. Cây có nguồn gốc từ vùng nhiệt đới. Cây huyết dụ là cây bụi, cây cảnh lá. Cây thường được trồng ngoài trời [7]. Cây thuộc thảo, thân to bằng ngón tay, sống dai, cao độ 1 ÷ 2m. Toàn thân mang nhiều vết sẹo của lá đã rụng, chỉ có lá ở ngọn. Lá cây huyết dụ mọc thành lùm trên đỉnh, lá hình mác rộng, dài 20 ÷ 35cm, có màu xanh hoặc màu đỏ tía, phần đuôi lá bao lấy thân. Hoa mọc nhiều trên đỉnh nách lá, hoa nhỏ, có màu đỏ nhạt đến màu tím, ít khi có màu vàng, thường nở hoa từ tháng 11 đến tháng 3 Hình 1.1. Cây huyết dụ. năm sau. Quả mọng hình cầu, màu đỏ, có 1 ÷ 2 hạt. Cây huyết dụ có tốc độ sinh trưởng nhanh, ưa thích khí hậu nóng ẩm và nơi có đầy đủ ánh nắng. Đây là loại cây thường được trồng trong chậu cảnh làm cây nội thất hoặc được trồng trong các bồn hoa làm cây sân vườn. Có 2 loại huyết dụ: một loại có cả hai mặt lá đều có màu đỏ hồng, một loại có một mặt lá màu xanh và một mặt màu đỏ như hình 1.1 [8,9]. Một hàng rào cây huyết dụ xung quanh nhà được tin rằng sẽ chống lại tà ma và mang lại may mắn. Lá huyết dụ được sử dụng cho trang phục, đồ trang trí, quần áo, dép, bao bì và nấu ăn [2]. 1.1.2. Anthocyanin và ứng dụng Anthocyanin là hợp chất màu hữu cơ tự nhiên tan tốt trong nước. Chúng thuộc HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 15 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang nhóm flavonoid có màu đỏ, đỏ tía, tím và xanh đậm xuất hiện trong trái cây, rau củ, hoa quả và thảo mộc. Trong những loại thực vật này anthocyanin được tìm thấy tồn tại chủ yếu ở các lớp tế bào nằm bên ngoài như biểu bì, trong không bào hoặc các túi gọi là anthocyanoplast. Các hợp chất anthocyanin tồn tại trong hầu hết các thực vật bậc cao, xuất hiện rộng rãi trong khoảng ít nhất 27 họ, 73 loài. Ngoài việc cho màu sắc đẹp, anthocyanin còn có những hoạt tính sinh học rất tốt với sức khỏe con người. Chính vì vậy, anthocyanin được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống con người như: Mỹ phẩm, thực phẩm, y học, sản phẩm dệt may [1,10]. Những loại thực vật chứa anthocyanin (hình 1.2): Thảo mộc: Lá cây huyết dụ, cây oải hương, rau quế tím… Các loại rau củ: Cà tím, bắp cải tím, củ cải tím, hành tím, cà chua, khoai lang tím, khoai tây tím… Các loại trái cây: Nho, mận, dâu tây, mâm xôi, việt quất, sim, sung… Trong các loại hạt: Đậu đỏ, đậu đen, gạo nếp cẩm, ngô tím… Hình 1.2. Anthocyanin trong một số loại thực vật. Vai trò của anthocyanin: Trong thực vật: Anthocyanin được ứng dụng trong việc sản xuất hạt hoặc củ giống có màu (lúa, các loại đậu…). Dựa vào màu sắc, có thể đánh giá được chất lượng của nông sản phục vụ cho thu hoạch hoặc chế biến. Bên cạnh đó, màu sắc hấp dẫn của nông sản cũng có ý nghĩa trong việc thụ phấn hoặc phát tán hạt giống thông qua động HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 16 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang vật hoặc côn trùng. Trong công nghiêp thực phẩm: Màu sắc có một ý nghĩa quan trọng trong sản xuất các sản phẩm thực phẩm và đồ uống. Thông qua việc chiết xuất nguồn anthocyanin từ tự nhiên, con người sử dụng để thay thế các loại màu tổng hợp. Trong dinh dưỡng và y học: Anthocyanin không độc hại và không gây đột biến gene nên được sử dụng rộng rãi trong khẩu phần ăn của con người như là thành phần thực phẩm chức năng. Anthocyanin cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc phòng và hỗ trợ điều trị các bệnh về mắt, có tác dụng làm bền thành mạch, chống viêm, hạn chế sự phát triển của các tế bào ung thư, tác dụng chống các tia phóng xạ, bệnh tim phổi, chống lão hóa và bệnh xơ cứng động mạch [11]. 1.1.3. Cấu trúc của anthocyanin Anthocyanin là hợp chất gồm có gốc aglycon có màu (được gọi là anthocyanidin hay anthocyanidol) kết hợp với các glucoside có gốc đường glucose, galactose… Anthocyanin hòa tan trong nước còn anthocyanidin thì không tan trong nước. Anthocyanin tham gia vào việc tạo nên đa sắc màu cho hoa quả. Đồng thời cùng với chất tạo màu khác như clorophin, carotenoid để tạo cho hoa quả có cường độ màu khác nhau tùy thuộc vào hàm lượng và số đồng phân của chúng [1]. Hình 1.3. Cấu trúc cơ bản của anthocyanidin của anthocyanin. Cấu trúc cơ bản của anthocyanidin được thể hiện trên hình 1.3. Cấu trúc của anthocyanin bao gồm một nhóm Chromane (C9H10O) có chứa một vòng 6 C là vòng A và một vòng 3 C là vòng C. Nhóm Chromane được đính thêm một vòng thơm thứ hai là vòng B tại vị trí số 2. Các anthocyanidin khác nhau thì khác nhau về số lượng và vị trí của các nhóm hydroxyl (-OH) hoặc dimetyl ete (C2H6O) gắn vào vị trí 3, 5, 6, 7, 3', 4' hoặc 5’. Mặc dù thực tế đã tìm được 31 loại anthocyanidin khác nhau đã được xác định (bao gồm cả 3 proanthocyanidin, proanthocyanidin và sphagnorubin), nhưng HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 17 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Dệt may – Da giày và Thời trang 90% của anthocyanin có trong tự nhiên chỉ dựa vào sáu cấu trúc (30% trên cyanidin 2, 22% trong delphinidin 3, 18% trong pelargonidin 1 và 20% trong peonidin 4, petunidin 5 và malvidin 6) [12]. Các nhóm thế - gốc R khác nhau trong cấu tạo hóa học của anthocyanin tạo ra các hợp chất với tên gọi khác nhau được trình bày trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Các nhóm thế khác nhau trong cấu tạo của anthocyanin Anthocyanin tinh khiết ở dạng tinh thể hoặc vô định hình là hợp chất khá phân cực nên tan tốt trong dung môi phân cực. Màu sắc của anthocyanin luôn thay đổi phụ thuộc vào pH, các chất màu có mặt và nhiều yếu tố khác, tuy nhiên màu sắc của anthocyanin thay đổi mạnh nhất phụ thuộc vào pH môi trường. Thông thường khi pH < 7 các anthocyanin có màu đỏ, khi pH > 7 thì có màu xanh. Ở pH = 1 các anthocyanin thường ở dạng muối oxonium màu cam đến đỏ, ở pH = 4 ÷ 5 chúng có thể chuyển về dạng bazơ cacbinol hay bazơ chalcon không màu, ở pH = 7 ÷ 8 lại về dạng bazơ quinoidal anhydro màu xanh. Anthocyanin có bước sóng hấp thụ trong miền nhìn thấy, khả năng hấp thụ cực đại tại bước sóng 510 ÷ 540nm. Độ hấp thụ là yếu tố liên quan mật thiết đến màu sắc của các anthocyanin chúng phụ thuộc vào pH của dung dịch, nồng độ anthocyanin: Thường pH thuộc vùng axit mạnh có độ hấp thụ lớn, nồng độ anthocyanin càng lớn độ hấp thụ càng mạnh [1]. HOÀNG THỊ THANH LUYẾN 18 LUẬN VĂN THẠC SỸ