Luận án Tiến sĩ Hóa học Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng vật liệu nanocomposit giữa hydroxyapatit và một số polyme tự nhiên

Header Page 1 of 146.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN HÓA HỌC


NGUYỄN THỊ LAN HƢƠNG

NGHI£N CøU TæNG HîP Vµ §ÆC TR¦NG
VËT LIÖU NanoCOMPOSIT GI÷A HYDROXYAPATIT
Vµ MéT Sè POLYME Tù NHI£N
Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 62.44.01.13

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Đào Quốc Hƣơng
2. PGS. TS. Phan Thị Ngọc Bích

HÀ NỘI – 2015

Footer Page 1 of 146.


Header Page 2 of 146.

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS. Đào Quốc Hương và PGS.TS. Phan Thị Ngọc Bích. Hầu hết các
số liệu, kết quả trong luận án là nội dung từ các bài báo đã và sắp được xuất bản của
tôi và các thành viên của tập thể khoa học. Các số liệu, kết quả nghiên cứu được
trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Hà Nội, tháng 12 năm 2015
Tác giả

Nguyễn Thị Lan Hƣơng

Footer Page 2 of 146.


Header Page 3 of 146.

LỜI CẢM ƠN
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn tới hai người
Thầy của tôi là PGS.TS. Đào Quốc Hương và PGS.TS. Phan Thị Ngọc Bích, những
người Thầy đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho
tôi hoàn thành bản luận án. Các Thầy đã tận tình chỉ bảo tôi cả về lĩnh vực khoa học
cũng như trong cuộc sống. Sự tận tâm dạy bảo của các Thầy đã giúp tôi ngày càng
vững bước hơn trên con đường nghiên cứu khoa học mà mình đã lựa chọn.
Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của
các cán bộ nghiên cứu thuộc Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam. Nhân dịp này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cô chú, anh chị
em thuộc Phòng Vô cơ, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam, những người đã luôn giúp đỡ, khích lệ, động viên và dành những tình cảm tốt
đẹp cho tôi trong suốt thời gian làm luận án.

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo Viện Hóa học, Phòng Quản lý
Tổng hợp đã luôn quan tâm tới tiến độ công việc và tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tôi học tập, nghiên cứu và làm việc.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Sư phạm Hóa – Sinh - Kỹ
thuật Nông nghiệp, Ban Giám hiệu Trường Đại học Đồng Tháp đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho tôi về thời gian trong quá trình học tập nghiên cứu.
Tôi xin cảm ơn Chương trình Khoa học và Công nghệ trọng điểm cấp Nhà
nước “Nghiên cứu, ứng dụng và phát triển công nghệ sau thu hoạch” (KC.07/11-15)
của Bộ Khoa học và Công nghệ đã hỗ trợ kinh phí thực hiện nghiên cứu này.
Nhân dịp này, tôi muốn dành những tình cảm sâu sắc nhất, trân trọng nhất và
xin kính tặng thành quả nhỏ bé mà tôi đạt được tới những người thân trong gia đình:
Ba Mẹ - những người đã hết lòng nuôi dạy tôi khôn lớn, luôn động viên hỗ trợ tôi
về mọi mặt, các anh chị em đã chia sẻ những khó khăn, thông cảm và giúp đỡ tôi.
Cuối cùng tôi xin dành những tình cảm đặc biệt tới gia đình nhỏ thân yêu của
tôi, đó là chồng và con gái tôi, những người đã luôn sẻ chia, giúp đỡ, cho tôi nghị
lực và tinh thần để hoàn thành luận án, là nguồn động viên giúp tôi vượt qua mọi
khó khăn và thử thách trong cuộc sống.
Tác giả

Nguyễn Thị Lan Hƣơng

Footer Page 3 of 146.


Header Page 4 of 146.

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN .........................................................................................4

1.1. Hydroxyapatit (HA - Ca10(PO4)6(OH)2) ...........................................................4
1.1.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng và phương pháp điều chế .........................4
1.1.2. Tính chất .......................................................................................................7
1.2. Polyme tự nhiên ..................................................................................................8
1.2.1. Tinh bột (TB) .................................................................................................9
1.2.2. Maltodextrin (MD) ......................................................................................14
1.2.3. Alginat (Alg) ...............................................................................................16
1.3. Vật liệu composit HA/polyme .........................................................................20
1.3.1. Sự tạo thành vật liệu composit HA/polyme.................................................20
1.3.2. Các phương pháp tổng hợp composit HA/polyme ......................................24
1.3.3. Đặc trưng của vật liệu composit HA/polyme ..............................................30
1.3.4. Ứng dụng của composit HA/polyme ...........................................................34
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......38
2.1. Hóa chất và các nguyên liệu đầu.....................................................................38
2.2. Tổng hợp HA ở vùng nhiệt độ thấp ................................................................42
2.3. Nghiên cứu tổng hợp các composit HA/polyme ............................................43
2.3.1. Composit HA/tinh bột (HA/TB) ..................................................................43
2.3.2. Composit HA/tinh bột sắn (HA/TBS) ..........................................................45
2.3.3. Composit HA/maltodextrin (HA/MD) với các DE khác nhau ....................45
2.3.4. Composit HA/alginat (HA/alg) và HA/oligoalginat (HA/olig) ...................46
2.4. Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng ............................................................46
2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................46
2.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) .......................................................47
2.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ...................................................47
2.4.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .........................................48
2.4.5. Phương pháp phân tích nhiệt (TGA-DTA) .................................................48
2.4.6. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) ....................................49

Footer Page 4 of 146.

Header Page 5 of 146.

Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................50
3.1. Tổng hợp HA bằng phƣơng pháp kết tủa ở vùng nhiệt độ thấp .................50
3.1.1. Đặc trưng XRD ...........................................................................................50
3.1.2. Đặc trưng SEM ...........................................................................................51
3.1.3. Đặc trưng FT-IR .........................................................................................53
3.1.4. Đặc trưng nhiệt ...........................................................................................54
3.2. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/tinh bột (HA/TB) ..................................55
3.2.1. Phương pháp trộn HA bột ..........................................................................55
3.2.2. Phương pháp trộn HA huyền phù ...............................................................59
3.2.3. Phương pháp kết tủa trực tiếp ....................................................................71
3.2.4. So sánh hai phương pháp tổng hợp vật liệu composit HA/tinh bột (HA/TB) ....88
3.3. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/tinh bột sắn (HA/TBS) .........................90
3.3.1. Đặc trưng XRD ...........................................................................................90
3.3.2. Đặc trưng SEM và TEM .............................................................................91
3.3.3. Đặc trưng FT-IR .........................................................................................93
3.3.4. Đặc trưng nhiệt ...........................................................................................94
3.4. Nghiên cứu tổng hợp các composit HA/maltodextrin (HA/MD) với DE
khác nhau .................................................................................................................95
3.4.1. Nghiên cứu tổng hợp các composit HA/MD với DE 12, 16, 20 và 25........95
3.4.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần đến các đặc trưng của composit HA/MD
với DE 12...............................................................................................................99
3.4.3. So sánh các composit HA/MD với DE khác nhau ....................................105
3.5. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/alginat (HA/alg) và HA/oligoalginat
(HA/olig) .................................................................................................................106
3.5.1. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/alginat (HA/alg) ...............................106
3.5.2. Đặc trưng các oligome của alginat ..........................................................113
3.5.3. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/olig ...................................................117

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 122
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

Footer Page 5 of 146.


Header Page 6 of 146.

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Viết tắt
CaP: Canxi photphat
DE:

Đương lượng đường khử - Destrose Equivalent

DP:

Độ polyme hóa - Degree of Polymerization

DTA: Phân tích nhiệt vi sai - Differential Thermal Analysis
FT-IR: Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier - Fourier Transform Infrared Spectroscopy
GPC: Sắc ký thẩm thấu gel - Gel Permeation Chromatography
HA:

Hydroxyapatit - Ca10(PO4)6(OH)2

PDI: Độ phân tán khối lượng phân tử - Polydispersity Index
SEM: Hiển vi điện tử quét - Scanning Electron Microscopy

TEM: Hiển vi điện tử truyền qua - Transmission Electron Microscopy
TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng -Thermal Gravimetric Analysis
XRD: Nhiễu xạ tia X - X-Ray Diffraction
2. Kí hiệu
alg: alginat
D:

Kích thước tinh thể trung bình của HA tính theo công thức Scherrer

G:

-L-guluronic

M:

-D-mannuronic

MD: Maltodextrin
Mw: Khối lượng phân tử trung bình
olig: oligoalginat
PVA: Poly(vinyl alcohol)
PAA: Polyacrylic axit
PCL: Poly (-caprolacton)
TB: Tinh bột
TBS: Tinh bột sắn
XC: Độ tinh thể của HA

Footer Page 6 of 146.

Header Page 7 of 146.

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.

Trang
Tính chất của amylozơ, amylopectin ..................................................11

Bảng 2.1.

Các hóa chất và nguyên liệu đầu sử dụng trong luận án .....................38

Bảng 2.2.

Đương lượng đường khử (DE) của các polysaccarit...........................40

Bảng 3.1.

Kích thước tinh thể trung bình và độ tinh thể của HA tổng hợp ở
vùng nhiệt độ thấp ...............................................................................51

Bảng 3.2.

Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA ở mẫu HA và HT ........56

Bảng 3.3.

Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong các mẫu
composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp trộn huyền phù ...........60

Bảng 3.4.

Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong composit
HA/TB tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau .........................................65

Bảng 3.5.

Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong mẫu HN và HE ..66

Bảng 3.6.

Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong composit
HA/TB có và không có tác động của sóng siêu âm ............................68

Bảng 3.7.

Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong composit
HA/TB được sấy nhiệt và đông khô ....................................................69

Bảng 3.8.

Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong các mẫu
composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp kết tủa trực tiếp ..........72

Bảng 3.9.

Số sóng của các nhóm chức trong HA, TB và các composit
HA/TB .................................................................................................76

Bảng 3.10.

Kích thước trung bình và độ tinh thể của các mẫu composit tổng
hợp ở các nhiệt độ khác nhau ..............................................................79

Bảng 3.11.

Kích thước trung bình và độ tinh thể của các mẫu composit với tốc
độ cấp axit khác nhau ..........................................................................82

Bảng 3.12.

Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA của các mẫu
composit HA/TB có và không có sóng siêu âm ..................................85

Bảng 3.13.

Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong mẫu HD1 và HD2 ...87

Bảng 3.14.

Kích thước và độ tinh thể của HA tổng hợp theo các phương pháp
khác nhau .............................................................................................88

Footer Page 7 of 146.


Header Page 8 of 146.

Bảng 3.15.

Kích thước và độ tinh thể của HA trong các mẫu composit
HA/TBS ...............................................................................................91

Bảng 3.16.

Kích thước và độ tinh thể của các composit HM12, HM16, HM20
và HM25 ..............................................................................................96

Bảng 3.17.

Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong các composit
HA/MD ..............................................................................................100

Bảng 3.18.

Số sóng đặc trưng của các nhóm chức trong HA, MD và các
composit HA/MD ..............................................................................101

Bảng 3.19.

Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong các composit
HA/alg ...............................................................................................108

Bảng 3.20.

Footer Page 8 of 146.

Kết quả phân tích phổ 1H-NMR của alginat .....................................116

Header Page 9 of 146.

DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1.

Các dạng hình thái học của tinh thể HA ...............................................7

Hình 1.2.

Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA ................................................8

Hình 1.3.

Cấu trúc phân tử amylozơ (a), amylopectin (b) ..................................10

Hình 1.4.

Ảnh hiển vi quang học của hạt tinh bột ngô ở các nhiệt độ khác
nhau trong quá trình hồ hóa [88] .......................................................13

Hình 1.5.

Đặc trưng cấu trúc của alginat: a) Các monome của alginat; b)
Cấu trúc chuỗi, cấu dạng ghế; c) Các kiểu phân bố các khối trong
mạch alginat ........................................................................................16

Hình 1.6.

Mô hình liên kết giữa ion Ca2+ và alginat a) Mô hình tạo hạt gel

canxi alginat; b) Liên kết của block G với ion canxi ..........................18

Hình 1.7.

Sự tạo mầm của HA trên chất nền polyme. (a) Các nhóm chức trên
phân tử polyme là các vị trí tạo mầm cho tinh thể HA, (b) Sự tạo
mầm và phát triển tinh thể HA trên các polyme được gắn đế trên
đế Au ....................................................................................................22

Hình 1.8.

Cấu trúc hóa học của (a) mô hình “hộp trứng” của canxi alginat,
(b) mô hình “hộp trứng” với các ion tiền chất cho sự tạo mầm HA
và (c) cấu trúc “hộp trứng” khoáng hóa và (d) sợi nano composit
HA/alginat tổng hợp trực tiếp ...............................................................23

Hình 1.9.

Sơ đồ mô tả các hạt HA bị “mắc kẹt” vật lí trong chất nền
collagen (a). Theo ảnh SEM, HA kết tập trong chất nền collagen
tổng hợp bằng phương pháp trộn (b) ..................................................25

Hình 1.10.

Sơ đồ thí nghiệm (a) và cơ chế (b) của quá trình EPD điều chế lớp
phủ composit GO-HY-HA trên chất nền Ti .........................................27

Hình 1.11.

Sơ đồ chế tạo màng sợi composit HA/gelatin theo phương pháp

điện xoay tròn .....................................................................................28

Hình 1.12.

Sự chuyển pha từ brushit sang HA theo thời gian ..............................31

Hình 1.13.

Giản đồ DT-TGA của các vật liệu composit HA/chitosan với hàm
lượng khác nhau ..................................................................................32

Hình 1.14.

Các dạng hình thái học của composit: hạt micro (a), nano (b),
khung xốp (c), sợi (d), giàn khung (e), màng đa lớp (f) ......................33

Footer Page 9 of 146.


Header Page 10 of 146.

Hình 2.1.

Quy trình điều chế oligome từ alginat [118, 119] ..............................40

Hình 2.2.

Phương pháp tổng hợp HA từ Ca(OH)2 và H3PO4 ............................42

Hình 2.3.

Sơ đồ phương pháp thực nghiệm tổng hợp composit HA/TB theo
phương pháp trộn huyền phù ..............................................................43

Hình 2.4.

Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp composit HA/TB theo
phương pháp kết tủa trực tiếp .............................................................44

Hình 3.1.

Giản đồ XRD của các mẫu HA tổng hợp ở -15, -10 và 0oC................50

Hình 3.2.

Ảnh SEM của các mẫu HA tổng hợp ở vùng nhiệt độ thấp .................52

Hình 3.3.

Phổ FT-IR của mẫu HA tổng hợp ở 0oC ................................................53

Hình 3.4.

Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu HA tổng hợp ở 0oC ........................54

Hình 3.5.

Giản đồ XRD của HA, tinh bột (TB) và composit HA/TB (HT) ..........55

Hình 3.6.

Ảnh SEM của các mẫu TB1, TB2, HA và HT ......................................56

Hình 3.7.

Phổ FT-IR của HA, TB và composit HA/TB (HT) ...............................57

Hình 3.8.

Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu TB ..................................................58

Hình 3.9.

Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu HT ..................................................58

Hình 3.10.

Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/TB tổng hợp theo phương
pháp trộn huyền phù .............................................................................60

Hình 3.11.

Phổ FT-IR của HA, tinh bột và các composit tổng hợp bằng
phương pháp trộn huyền phù ..............................................................61

Hình 3.12.

Ảnh SEM của các composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp
trộn huyền phù .....................................................................................62

Hình 3.13.

Ảnh TEM của các composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp trộn
huyền phù .............................................................................................63

Hình 3.14.

Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu HT50 ..............................................64

Hình 3.15.

Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/TB tổng hợp ở các nhiệt
độ khác nhau .......................................................................................64

Hình 3.16.

Ảnh SEM của các composit HA/TB tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau ....65

Hình 3.17.

Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/TB tổng hợp ở dung môi
nước và etanol .....................................................................................66

Hình 3.18.

Ảnh SEM của các composit HA/TB tổng hợp ở dung môi nước
và etanol ..............................................................................................67

Hình 3.19.

Footer Page 10 of 146.

Giản đồ XRD của các mẫu HF và HF2 ..............................................67


Header Page 11 of 146.

Hình 3.20.

Ảnh SEM của các mẫu composit HF1 và HF2 ...................................68

Hình 3.21.

Giản đồ XRD của mẫu sấy nhiệt (HC1) và đông khô (HC2) ..............69

Hình 3.22.

Ảnh SEM của mẫu sấy nhiệt (HC1) và đông khô (HC2).....................70

Hình 3.23.

Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/TB tổng hợp theo phương
pháp kết tủa trực tiếp ..........................................................................71

Hình 3.24.

Ảnh SEM của các mẫu composit HA/TB với tỉ lệ thành phần
khác nhau ..................................................................................... 73

Hình 3.25.

Ảnh TEM của các mẫu composit HA/TB với tỉ lệ thành phần
khác nhau ............................................................................................74

Hình 3.26.

Phổ FT-IR của các composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp
kết tủa trực tiếp....................................................................................75

Hình 3.27.

Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu HT-5 ...............................................77

Hình 3.28.

Giản đồ XRD của các mẫu composit tổng hợp ở các nhiệt độ
khác nhau ............................................................................................78

Hình 3.29.

Ảnh SEM của các composit tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau ........79

Hình 3.30.

Giản đồ XRD của các mẫu composit với tốc độ cấp axit khác nhau ..81

Hình 3.31.

Ảnh SEM của các mẫu composit HA/TB với tốc độ cấp axit
khác nhau ............................................................................................82

Hình 3.32.

Giản đồ XRD của các mẫu HA/TB tổng hợp ở các dung môi
khác nhau ............................................................................................83

Hình 3.33.

Ảnh SEM của các composit tổng hợp ở các dung môi khác nhau .....84

Hình 3.34.

Giản đồ XRD của composit HP1 và HP2 ...........................................85

Hình 3.35.

Ảnh SEM của mẫu HP1 và HP2..........................................................86

Hình 3.36.

Giản đồ XRD của mẫu HD1 và HD2 ..................................................86

Hình 3.37.

Ảnh SEM của mẫu HD1 và HD2 .........................................................87

Hình 3.38.

Mô hình liên kết hydro giữa HA và tinh bột........................................89

Hình 3.39.

Sơ đồ sự hình thành HA trên chất nền tinh bột theo phương pháp
kết tủa trực tiếp....................................................................................89

Hình 3.40.

Giản đồ XRD của các composit HA/TBS ............................................90

Hình 3.41.

Ảnh SEM của các composit HA/TBS ...................................................91

Hình 3.42.

Ảnh TEM của các composit HA/TBS ..................................................92

Hình 3.43.

Phổ FT-IR của TBS (a), HA (b) và composit HS50 (c) .......................93

Footer Page 11 of 146.


Header Page 12 of 146.

Hình 3.44.

Giản đồ DTA-TGA của mẫu composit HS50 ......................................94

Hình 3.45.

Giản đồ XRD của các composit HA/MD với DE khác nhau ...............95

Hình 3.46.

Ảnh SEM của các composit HM12, HM16, HM20 và HM25 .............97

Hình 3.47.

Ảnh TEM của MD và các composit HA/MD với DE khác nhau .........98

Hình 3.48.

Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/MD .....................................99

Hình 3.49.

Phổ FT-IR của các mẫu composit HA/MD với tỉ lệ thành phần
khác nhau ..........................................................................................101

Hình 3.50.

Ảnh SEM của các mẫu composit HA/MD với tỉ lệ thành phần
khác nhau ................................................................................ 102

Hình 3.51.

Ảnh TEM của các composit HA/MD .................................................103

Hình 3.52.

Giản đồ DTA-TGA của mẫu HM-55 .................................................104

Hình 3.53.

Giản đồ XRD của các composit HA/alg ............................................107

Hình 3.54.

Ảnh SEM của các composit HA/alg ..................................................109

Hình 3.55.

Ảnh TEM của mẫu HG5 và mẫu HG1 ..............................................110

Hình 3.56.

Phổ FT-IR của alg và các composit HA/alg .....................................111

Hình 3.57.

Giản đồ phân tích nhiệt của alginat ..................................................112

Hình 3.58.

Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu composit HG5 ..............................112

Hình 3.59.

Giản đồ XRD của alginat và các oligoalginat ..................................114

Hình 3.60.

Phổ FT-IR của alginat và các oligoalginat .......................................114

Hình 3.61.

Cấu trúc chuỗi mạch alginat .............................................................115

Hình 3.62.

Phổ 1H-NMR của mẫu alginat ..........................................................115

Hình 3.63.

Phổ 1H-NMR của oligoalginat A2 .....................................................116

Hình 3.64.

Phổ 1H-NMR của oligoalginat A2 .....................................................117

Hình 3.65.

Giản đồ XRD của các mẫu HA/olig ..................................................118

Hình 3.66.

Phổ FT-IR của các mẫu HA/oligoalginat .........................................118

Hình 3.67.

Ảnh SEM của các mẫu HA/oligoalginat ...........................................119

Hình 3.68.

Ảnh TEM của các mẫu HA/oligoalginat ...........................................120

Footer Page 12 of 146.


Header Page 13 of 146.

MỞ ĐẦU

Hydroxyapatit (HA) là thành phần chính trong chất khoáng sinh học của
xương, răng và các mô cứng của động vật có xương sống. Chất khoáng sinh học
chiếm 65-70% khối lượng của xương, nước chiếm khoảng 5-8% và phần còn lại là
pha hữu cơ, mà chủ yếu là collagen. Collagen đóng vai trò là chất nền cho sự lắng
đọng và tăng trưởng của pha tinh thể HA.
Trong nhiều thập kỷ qua, việc nghiên cứu tổng hợp HA đã được các nhà
khoa học vật liệu quan tâm do tính tương thích sinh học cao, gần gũi với các
polyme sinh học và có khả năng tạo xương tốt. Hiện nay, HA là vật liệu được lựa
chọn cho các ứng dụng y sinh khác nhau, ví dụ: thay thế cho xương và các khuyết
tật nha chu, cấy ghép tai giữa, hệ thống kỹ thuật mô, tác nhân truyền dẫn thuốc, điều
trị bệnh loãng xương, vật liệu nha khoa và lớp phủ hoạt tính sinh học lên miếng cấy
ghép xương bằng kim loại...
Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, vật liệu HA kích thước nanomet có tính
tương thích, tái hấp thu và hoạt tính sinh học cao hơn nhiều so với vật liệu có
kích thước micromet. Ở kích thước siêu mịn, các hạt nano HA có hoạt tính bề

mặt cao do đó nhanh chóng giải phóng các ion canxi tương tự như apatit sinh
học. Vì vậy, trong những năm gần đây, gốm sinh học và composit sinh học chứa
HA kích thước nanomet rất được quan tâm nghiên cứu.
Một xu hướng mới hiện nay là chế tạo các nanocomposit mô phỏng sinh học,
vật liệu lai vô cơ-hữu cơ với chất điền vào là HA và chất nền là các polyme. Trong
các vật liệu nanocomposit HA/polyme, polyme đóng vai trò là chất nền cung cấp
các vị trí tạo mầm, điều chỉnh sự phát triển và hình thái học của tinh thể nano HA.
Sự hình thành liên kết hóa học giữa HA và polyme, như liên kết hydro, lực Van der
Waals, hoặc phức chất cacboxyl-Ca-cacboxyl,… cho phép phân tán đồng đều HA
trong pha hữu cơ.
Các polyme tổng hợp như poly(L-lactic), poly(vinyl alcohol), poly(caprolacton)… đã được sử dụng. Tuy nhiên, polyme tự nhiên thường được ưa
chuộng hơn do chúng tương thích, không độc, gần gũi với hệ sinh học. Chúng có
1
Footer Page 13 of 146.


Header Page 14 of 146.

thể là các protein như: collagen, gelatin,… hoặc các polysaccarit như: chitosan, tinh
bột, alginat, dextran, chondroitin sunfat và các dẫn xuất.
Ở nước ta, từ năm 2005, đã có những công bố bước đầu nghiên cứu tổng hợp
HA đơn chất dạng bột, xốp, màng định hướng ứng dụng trong dược học và y sinh
học. Riêng vật liệu composit HA/polyme mới chỉ có một số ít nghiên cứu chế tạo
composit chứa HA với chitosan, collagen, PLA...
Mặt khác, là một nước nhiệt đới, chúng ta có nguồn tinh bột từ ngũ cốc và
alginat từ rong biển rất phong phú. Để tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có trong
nước và góp phần tạo ra một loại vật liệu có nhiều ưu điểm và khả năng ứng dụng
trong dược học và y sinh học, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp và đặc
trưng vật liệu nanocomposit giữa hydroxyapatit và một số polyme tự nhiên”.
 Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu tổng hợp được các composit chứa HA với một số polysaccarit từ
ngũ cốc và rong biển Việt Nam:
-

HA/tinh bột, HA/tinh bột sắn;

-

HA/maltodextrin với các DE khác nhau;

-

HA/alginat và HA/oligoalginat.

Xác định các đặc trưng và đưa ra được mối liên hệ giữa đặc trưng của
composit HA/polyme và các thông số cấu trúc của polyme.
 Nội dung của luận án
Để hoàn thành các mục tiêu đề ra, luận án bao gồm các nội dung nghiên cứu sau:
1. Tổng hợp HA ở vùng nhiệt độ thấp (-15, -10, 0oC), nhằm làm giảm kích
thước, độ tinh thể của HA và để so sánh với pha HA trong các vật liệu composit
HA/polyme.
2. Nghiên cứu chế tạo composit HA/tinh bột bằng hai phương pháp: phương
pháp trộn và phương pháp kết tủa trực tiếp. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc
trưng của sản phẩm như tỉ lệ thành phần, nhiệt độ, dung môi, tốc độ cấp axit, sóng
siêu âm, kỹ thuật làm khô. Từ đó, lựa chọn phương pháp và điều kiện thích hợp để
tổng hợp các composit tiếp theo.
3. Tổng hợp các composit HA/tinh bột sắn, HA/maltodextrin với DE khác
2
Footer Page 14 of 146.

Header Page 15 of 146.

nhau bằng phương pháp đã lựa chọn. Khảo sát ảnh hưởng của giá trị DE đến đặc
trưng của các composit.
4. Điều chế oligome của alginat, tổng hợp và khảo sát các đặc trưng của
composit HA/alginat, HA/oligoalginat.

3
Footer Page 15 of 146.


Header Page 16 of 146.

Chƣơng 1
TỔNG QUAN

1.1. Hydroxyapatit (HA - Ca10(PO4)6(OH)2)
1.1.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng và phương pháp điều chế
Các muối canxi photphat (CaP) là thành phần khoáng trong xương và răng
của động vật có xương sống [1-4]. Xương và các mô cứng khác có thể được xem là
vật liệu composit tự nhiên gồm chất khoáng sinh học gắn trong chất nền polyme,
các chất hữu cơ khác và nước [1, 3]. Pha khoáng sinh học là một hoặc nhiều loại
muối CaP, chiếm 65-70% khối lượng của xương, nước chiếm khoảng 5-8% và phần
còn lại là pha hữu cơ, mà chủ yếu là collagen [1-3, 5]. Collagen đóng vai trò là chất
nền cho sự lắng đọng và tăng trưởng của các chất khoáng [1, 3, 6, 7]. Trong số các
muối CaP, hydroxyapatit (HA) với công thức Ca10(PO4)6(OH)2 là thành phần chủ
yếu của pha khoáng sinh học [2, 3]. Trong nhiều thập kỷ qua, việc nghiên cứu tổng
hợp HA đã được các nhà khoa học vật liệu quan tâm do tính tương thích sinh học
tuyệt vời [8, 9], gần gũi với các polyme sinh học [10, 11] và có khả năng dẫn xương

tốt [12, 13]. HA đã được chứng minh là có thể thúc đẩy sự phát triển của xương mới
thông qua cơ chế dẫn xương mà không gây ra độc tính cục bộ hoặc toàn thân, viêm
hoặc dị ứng [12, 14-16]. Khi cấy ghép vật liệu gốm chứa HA vào cơ thể, một lớp
mô mới được hình thành trên bề mặt của nó và góp phần vào sự liên kết của các mô
cấy vào xương, dẫn đến định hình vượt trội mô cấy đến các mô xung quanh [14-17].
Hơn nữa, một số nghiên cứu cho thấy HA hoặc các muối CaP có thể được khai thác
như một hợp chất mô hình để nghiên cứu quá trình khoáng hóa sinh học trong cơ
thể con người [6, 7, 18-22]. Các nghiên cứu gần đây cũng đã chỉ ra rằng, các hạt
HA ức chế sự phát triển của nhiều loại tế bào ung thư [23, 24]. Hiện nay, HA là vật
liệu được lựa chọn cho các ứng dụng y sinh học khác nhau, ví dụ: thay thế cho
xương và các khuyết tật nha chu [25, 26], ổ răng [27], cấy ghép tai giữa [28], hệ
thống kỹ thuật mô [29], tác nhân truyền dẫn thuốc [30], điều trị bệnh loãng xương
[31], vật liệu nha khoa và lớp phủ hoạt tính sinh học lên miếng cấy ghép xương
bằng kim loại [32]. Ngoài lĩnh vực dược học và y sinh học, HA và các muối CaP
ngày càng được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác. Ví dụ: chất xúc tác
4
Footer Page 16 of 146.


Header Page 17 of 146.

cho các phản ứng cộng hợp kiểu Michael và oxy hóa metan [33, 34], nguyên liệu
phát laser [35], vật liệu huỳnh quang [36], dây dẫn ion và cảm biến khí [37]. HA
tổng hợp cũng có thể được sử dụng trong phương pháp sắc ký cột để tách phân đoạn
đơn giản và nhanh chóng các protein và axit nucleic [38, 39]. Hơn nữa, HA còn là
vật liệu có giá trị cho quá trình xử lý nước và hấp phụ kim loại nặng trong đất [40].
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, vật liệu HA kích thước nanomet có tính tương
thích, tái hấp thu sinh học và hoạt tính sinh học cao hơn nhiều so với vật liệu có
kích thước micro [41, 42]. Bởi vì ở kích thước siêu mịn, các hạt nano HA có hoạt
tính bề mặt cao, do đó nhanh chóng giải phóng các ion canxi tương tự như apatit

sinh học. Ngoài ra, phản ứng khử khoáng ở men răng và xương có thể bị ức chế khi
kích thước hạt đạt đến mức nanomet, vì thế ngăn ngừa bệnh sâu răng và loãng
xương [43]. Một số nghiên cứu cũng cho thấy, nano HA có khả năng giảm đáng kể
tế bào chết do tự hủy hoại nên cải thiện sự tăng sinh tế bào và hoạt tính tế bào liên
quan đến sự phát triển xương [44]. Vì vậy, trong những năm gần đây, gốm sinh học
và composit sinh học chứa HA kích thước nanomet được xem là các vật liệu hứa
hẹn nhất cho một loạt các ứng dụng y sinh học [46-48].
Để phản ánh sự quan tâm ngày càng tăng trong việc nghiên cứu chế tạo vật
liệu HA, M. Sadat-Shojai đã tìm kiếm các nghiên cứu trong cơ sở dữ liệu Scopus,
kết quả cho thấy số lượng các ấn phẩm về các dạng vật liệu chứa HA tăng lên gấp
ba lần từ năm 1999 đến 2011 [49]. Tuy vậy, việc điều chế HA với các đặc trưng xác
định vẫn là một thách thức thú vị. Cụ thể là tìm ra một phương pháp mới có thể
kiểm soát chính xác cấu trúc tinh thể, thành phần hóa học, độ tinh thể hóa, sự phân
bố kích thước, trạng thái kết tập vẫn là động lực chính cho các nhà nghiên cứu vật
liệu chứa HA hiện nay trên thế giới [17, 48].
Đã có rất nhiều phương pháp tổng hợp HA được phát triển. Nhìn chung, có
thể phân loại thành năm nhóm phương pháp: phương pháp khô bao gồm phản ứng
pha rắn và hóa cơ; phương pháp ướt gồm kết tủa, sol-gel, nhũ tương, siêu âm, thủy
nhiệt; quá trình nhiệt độ cao gồm phân hủy và thiêu kết; tổng hợp từ các nguồn gen
sinh học và nhóm thứ năm kết hợp nhiều phương pháp.
Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, có thể lựa chọn phương pháp điều chế
phù hợp. Để tổng hợp HA dạng bột, các phương pháp ướt thường được sử dụng, bởi
5
Footer Page 17 of 146.


Header Page 18 of 146.

ưu điểm của nó là có thể điều chỉnh được kích thước của hạt theo mong muốn.
Trong đó, phương pháp kết tủa hóa học được sử dụng nhiều nhất, chiếm đến 25%

trong tổng số các nghiên cứu từ năm 1999 đến 2011 [49]. Có nhiều quy trình khác
nhau để kết tủa HA từ các ion Ca2+ và PO43-, có thể phân ra thành hai cách chính:
Thứ nhất là kết tủa từ các muối chứa ion Ca2+ và PO43- dễ tan trong nước, các
muối hay được dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4… Phản ứng diễn
ra theo phương trình (1.1) được coi là phương pháp cơ bản để tổng hợp HA [50]:
10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH  Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O (1.1)

Thứ hai là kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ ít tan hoặc không tan trong
nước. Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)2, CaO, CaCO3… với axit H3PO4 tạo thành HA
trong môi trường kiềm [51]. Ví dụ:
10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O

(1.2)

Ở nước ta, việc nghiên cứu tổng hợp các hợp chất vô cơ có khả năng ứng
dụng làm vật liệu sinh học nói chung và vật liệu HA nói riêng còn nhiều hạn chế.
Năm 2005, lần đầu tiên nhóm nghiên cứu của Đỗ Ngọc Liên tại Viện Công nghệ Xạ
hiếm đã triển khai đề tài chế thử gốm HA theo công nghệ của Italia và đã bước đầu
thử nghiệm thành công trên động vật [52]. Khoa Hoá học, Đại học Bách khoa Hà
Nội đã nghiên cứu và công bố kết quả sơ bộ về phương pháp tổng hợp bột và màng
gốm HA [53]. Từ năm 2005 đến nay, Viện Hoá Học - Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam đã công bố các kết quả nghiên cứu chế tạo HA bột kích thước
nanomet bằng phương pháp hoá học từ Ca(OH)2 và Ca(NO3)2 [54, 55]. Các nghiên
cứu đã được ứng dụng vào sản xuất bột HA làm nguyên liệu cho một số thực phẩm
chức năng bổ sung canxi như Fecafovit, Caotot, Growbust, Viên dưỡng khớp…Vũ
Duy Hiển [56] đã nghiên cứu chế tạo HA xốp bằng phương pháp nén ép - thiêu kết
HA bột với các chất tạo xốp chitosan, xenlulo, đường sacaro và phương pháp phản
ứng pha rắn giữa Ca(OH)2 và Ca3(PO4)2. Việc chế tạo gốm HA từ khung xốp tự
nhiên của san hô, mai mực, vỏ sò… bằng phản ứng thuỷ nhiệt ở áp suất cao cũng đã
được thực hiện.

Riêng về vật liệu composit HA/polyme, một số nghiên cứu chế tạo đã được
công bố trong những năm gần đây. Bằng phương pháp đồng kết tủa từng bước, Lê
Anh Tuấn và các cộng sự đã tổng hợp được các composit HA/collagen với tỉ lệ
6
Footer Page 18 of 146.


Header Page 19 of 146.

thành phần khác nhau và khảo sát các đặc trưng của chúng [57]. Đinh Thị Mai
Thanh và các cộng sự [58] đã nghiên cứu chế tạo nanocomposit HA/PLA dạng xốp
ứng dụng làm vật liệu cấy ghép xương trong phẫu thuật chỉnh hình. Bằng phương
pháp trộn nóng chảy kết hợp với sử dụng chất tương hợp polyetylen oxit (PEO) và
chất tạo xốp NaCl đã chế tạo được nanocomposit có tính chất cơ lý tương tự như
xương. Các thử nghiệm in vitro của nanocomposit HA/PLA trong dung dịch giả
dịch thể người (Simulated Body Fluids-SBF) đã được thực hiện. Nguyễn Kim Ngà
và cộng sự [59] cũng đã thực hiện chế tạo vật liệu composit HA/PLA theo phương
pháp mô phỏng sinh học. Kích thước và sự phân bố lỗ xốp của vật liệu khung xốp
tương tự như cấu trúc xương tự nhiên, đồng thời sự kết dính và tăng sinh tế bào là
khá tốt.
1.1.2. Tính chất
HA tinh thể có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều
kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp [60]. HA có nhiệt độ nóng
chảy 1760oC và nhiệt độ sôi 2850oC, độ tan trong nước 0,7 g/l, khối lượng mol phân
tử 1004,60 g, khối lượng riêng là 3,156 g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5.
Hình thái học của tinh thể HA có rất nhiều dạng: từ hình cầu, hình sợi, hình
que đến hình phiến, tùy thuộc vào phương pháp điều chế (Hình 1.1).

Hình 1.1. Các dạng hình thái học của tinh thể HA [50]
Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- được

sắp xếp như Hình 1.2. Ô mạng ở hệ tinh thể lục phương, thuộc nhóm không gian
P63/m với các hằng số mạng a = 0,9423 nm và c = 0,6875 nm, α = β = 900 và γ =
7
Footer Page 19 of 146.


Header Page 20 of 146.

1200 [61]. Đây là cấu trúc thường gặp của HA tổng hợp, HA trong thành phần của
xương và ngà răng [62, 63].

Hình 1.2. Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA
HA không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành các muối
canxi và nước:
Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl  3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O

(1.3)

HA tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800oC
đến 1200oC tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng:
Ca10(PO4)6(OH)2  Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0  x  1)

(1.4)

Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, HA bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2 (β – TCP)
và Ca4P2O9 hoặc CaO:
Ca10(PO4)6(OH)2  2β – Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O

(1.5)

Ca10(PO4)6(OH)2  3β – Ca3(PO4)2 + CaO + H2O

(1.6)

1.2. Polyme tự nhiên
Polyme là những hợp chất cao phân tử, cấu tạo từ các đơn vị mắt xích cơ sở
lặp đi lặp lại nhiều lần. Xuất phát từ nguồn gốc, có thể phân chia các hợp chất
polyme thành: polyme tự nhiên và polyme tổng hợp. Polyme tự nhiên hay polyme
sinh học có ba nhóm chính là protein, axit nucleic và polysaccarit. Chúng là những
đại phân tử sinh học quan trọng nhất trong khoa học sự sống. Ngày nay, polyme tự
nhiên được ứng dụng nhiều trong dược phẩm và y sinh học do chúng sẵn có, rẻ,
không độc, một số còn có khả năng phân hủy sinh học và tương thích sinh học [64,
65].
Polysaccarit là nhóm polyme sinh học phong phú nhất trong tự nhiên, được
cấu tạo bởi nhiều đơn vị monosaccarit nối với nhau bởi liên kết glicozit. Trong phân
tử, polysaccarit có nhiều nhóm ưa nước có thể liên kết với các mô tạo nên sự kết

8
Footer Page 20 of 146.


Header Page 21 of 146.

dính sinh học. Có nhiều cách khác nhau để phân loại polysaccarit như dựa vào cấu
trúc, thành phần hóa học, độ tan, nguồn gốc và ứng dụng. Nếu dựa vào thành phần
hóa học, polysaccarit có thể chia làm 2 loại, polysaccarit đồng thể hay homoglycan, được tạo nên từ một loại monosaccarit, ví dụ như xenlulozơ, tinh bột,
glycogen chỉ chứa glucozơ. Polysaccarit dị thể hay heteroglycan chứa nhiều hơn
một loại monosaccarit như alginat, carrageenan, heparin. Phân loại theo cấu trúc,
polysaccarit gồm mạch thẳng (như amylozơ, xenlulozơ, pectin, alginat), mạch
nhánh ngắn (guar gum, xanthan gum) và mạch nhiều nhánh (như amylopectin, gum

arabic). Dựa vào nguồn gốc, có thể phân loại polysaccarit từ cây (như tinh bột,
xenlulozơ), từ rong (như alginat, carrageenan, fucoidan), từ vi khuẩn (như dextran,
xanthan) và một số polysaccarit có nguồn gốc từ động vật như heparin, chondroitin
sunfat và hyaluronan [66, 67].
Trong nhiều thập kỷ gần đây, các phương pháp biến tính khác nhau, như
thủy phân một phần, oxy hóa khử, ete hóa, este hóa và tạo liên kết ngang đã thu
được các dẫn xuất polysaccarit có tính chất mong muốn. Do đó, việc sử dụng các
polysaccarit và dẫn xuất của chúng ngày càng gia tăng, đặc biệt là trong các ứng
dụng mới như công nghệ mô, dược phẩm, vật liệu y sinh, thực phẩm dinh dưỡng,
nhiên liệu sinh học, dẫn truyền thuốc, chữa trị vết thương, ngăn ngừa ung thư, chẩn
đoán và điều trị bệnh do vi khuẩn và virus [68, 69].
Luận án này sử dụng các polysaccarit có nguồn gốc từ ngũ cốc (tinh bột sắn,
tinh bột, maltodextrin có giá trị DE thay đổi) và rong biển (alginat và các
oligoalginat) đều là những nguyên liệu sẵn có ở nước ta.
1.2.1. Tinh bột (TB)
Tinh bột là polysaccarit chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây. Tinh bột
được tổng hợp nhờ quá trình quang hợp của cây và nguồn năng lượng dự trữ tiềm
tàng. Hàm lượng tinh bột có trong các loại cây là khác nhau và có thể thay đổi theo
thời tiết, mùa vụ, thổ nhưỡng… Trong tự nhiên, tinh bột là hợp chất hữu cơ rất phổ
biến và dồi dào, chỉ đứng sau xenlulozơ [70, 71]. Tinh bột có vai trò dinh dưỡng
đặc biệt lớn vì trong quá trình tiêu hóa, chúng bị thủy phân thành đường glucozơ là
chất tạo nên nguồn năng lượng chính từ thực phẩm cho con người [72, 73]. Tinh bột
cũng giữ vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp do những tính chất lý

9
Footer Page 21 of 146.


Header Page 22 of 146.

hóa của chúng [74, 75].
1.2.1.1. Cấu trúc phân tử
Tinh bột gồm các đơn vị glucozơ được nối nhau bởi các liên kết αglicozit, có công thức phân tử là (C6H10O5)n với n trong khoảng từ 50 đến hơn
một triệu [74]. Tinh bột gồm hai thành phần chính là amylozơ và amylopectin.
Tỷ lệ amylozơ và amylopectin ảnh hưởng nhiều tới tính chất của tinh bột. Nhìn
chung trong tinh bột sắn, hàm lượng amylozơ và amylopectin thông thường
tương ứng là 20 và 80%, tỷ lệ này thay đổi tùy theo nguồn gốc loại thực vật và
điều kiện canh tác, sinh trưởng. Trong tinh bột nếp (gạo nếp, ngô nếp),
amylopectin chiếm gần như 100%, còn trong tinh bột đậu xanh, dong riềng, hàm
lượng amylozơ chiếm trên 50% [75, 76].
Amylozơ là polysaccarit mạch thẳng gồm các đơn vị glucozơ liên kết với
nhau bởi liên kết -1,4-glicozit (Hình 1.3a). Phân tử amylozơ có một đầu khử và
một đầu không khử. Chuỗi phân tử amylozơ xoắn lại với nhau theo dạng xoắn lò
xo. Dạng lò xo là do sự hình thành các liên kết hydro giữa các glucozơ. Mỗi
vòng xoắn có 6 đơn vị glucozơ và được duy trì bởi liên kết hydro với các vòng
xoắn kề bên. Khoảng không gian giữa các vòng xoắn có kích thước phù hợp để
liên kết với một số phân tử khác, ví dụ như iot. Khi phân tử iot liên kết với vòng
xoắn sẽ làm cho các phân tử glucozơ thay đổi và tạo nên phức màu xanh thẫm
đặc trưng. Ái lực của amylozơ với iot phụ thuộc tuyến tính với chiều dài của
mạch polyme. Dạng xoắn của amylozơ chỉ tạo thành trong dung dịch ở nhiệt độ
thường. Ở nhiệt độ cao, chuỗi xoắn sẽ bị duỗi thẳng ra và không có khả năng liên
kết với các phân tử khác [77, 78].

Hình 1.3. Cấu trúc phân tử amylozơ (a), amylopectin (b)
10
Footer Page 22 of 146.


Header Page 23 of 146.

Amylopectin là polysaccarit mạch nhánh. Ngoài mạch chính có liên kết 1,4-glicozit, còn có mạch nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết -1,6-glicozit
(Hình 1.3b). Amylopectin có cấu tạo phức tạp hơn, cứ khoảng 20 - 30 đơn vị
glucozơ trên mạch sẽ có một liên kết α-1,6-glicozit để tạo mạch nhánh. Trên mạch
nhánh cấp 1 lại hình thành mạch nhánh cấp 2, cứ như vậy phân tử amylopectin phân
nhánh nhiều cấp [79].
Người ta có thể phân biệt được amylozơ và amylopectin dựa trên sự khác
nhau về khối lượng phân tử cũng như về khả năng gắn kết đặc hiệu với dung dịch
iot. Amylopectin có phân tử lượng trong khoảng 107 đến 108, trong khi phân tử
lượng của amylozơ chỉ khoảng từ 105 đến 106. Ở nhiệt độ 20oC, khả năng gắn của
amylopectin với iot chỉ khoảng 0,2% khối lượng, còn của amylozơ là 20% khối
lượng [80]. Bảng 1.1 nêu tóm tắt các tính chất của amylozơ và amylopectin.
Một điểm để phân biệt amylozơ và amylopectin là khả năng liên kết với các
chất khác nhau. Nhiều nghiên cứu cho thấy, amylozơ (đặc biệt từ ngũ cốc) có thể
kết hợp với một lượng tương đối lớn lipit. Khác với amylozơ, amylopectin, đặc biệt
từ các loại củ, có các liên kết cộng hóa trị với photphat [81].
Bảng 1.1. Tính chất của amylozơ, amylopectin
Tính chất

Amylozơ

Amylopectin

Cấu trúc chung

Chủ yếu mạch thẳng

Mạch nhánh

Màu với iot

Xanh

Tím

max của phức chất với iot

650 nm

540 nm

Ái lực với iot

19-20%

<1%

Chiều dài mạch trung bình (đơn vị
glicozit)

100 - 10 000

20 – 30

Độ polyme hóa (đơn vị glicozit)

100 - 10 000

10 000 - 100 000

Chuyển thành maltozơ bởi -amylaza

70%

55%

1.2.1.2. Tính chất
Tinh bột là chất rắn, màu trắng, không tan trong nước lạnh, tan được trong
nước nóng. Trong nước nóng, các hạt hấp thụ nước phồng lên, dần dần vỡ ra tạo
thành dung dịch nhớt. Để nguội, thu được dung dịch đồng nhất gọi là hồ tinh bột.
11
Footer Page 23 of 146.


Header Page 24 of 146.

Sự tạo hồ là quá trình bất thuận nghịch, tức là từ hồ không trở lại dạng bột được.
Dung dịch hồ tinh bột cũng có tính quang hoạt, hiệu suất quay cực D = +201 
210o [82].
Tinh bột không tác dụng với thuốc thử Fehling và Tollens, vì phân tử tinh
bột chứa một số lượng lớn các mắt xích D-glucozơ, nhưng chỉ có rất ít mắt xích
cuối mạch còn nhóm OH hemiaxetal.
Tinh bột tác dụng với dung dịch iot cho màu xanh tím. Màu của dung dịch
này là màu của hợp chất bọc do phân tử amylozơ ở dạng xoắn bọc các phân tử
iot nằm ở phía trong vòng xoắn. Khi đun nóng, màu xanh tím biến mất, do liên
kết hydro giữa các vòng xoắn bị phân cắt, mạch phân tử amylozơ tạm thời duỗi
ra, nên các phân tử iot tách ra khỏi phân tử amylozơ. Khi để nguội, màu xanh lại
xuất hiện trở lại.
Tinh bột không tác dụng với dung dịch Cu(OH)2 để tạo ra dung dịch màu
xanh như các hợp chất chứa nhiều nhóm OH khác. Trong mỗi mắt xích
monosaccharide, D-glucozơ chỉ còn 3 nhóm OH tự do. Người ta cũng đã điều chế

được

triaxetylamylozơ

C6H7O2(OCOCH3)3n

hoặc

trimetylamylozơ

C6H7O2(OCOCH3)3n [83-85].
Tinh bột có thể bị thủy phân trong dung dịch axit hoặc enzym cho dextrin,
rồi maltozơ và cuối cùng là D-glucozơ:
(C6H10O5)n + nH2O

H+ hoặc enzym

Tinh bột

(C6H10O5)m

C12H22O11

C6H12O6

Dextrin

Maltozơ

D-Glucozơ

1.2.1.3. Sự hồ hóa tinh bột
Sự hồ hóa là một tính chất quan trọng và độc đáo của tinh bột liên quan tới
việc phá vỡ cấu trúc hạt làm cho phân tử tinh bột hòa tan trong nước. Hạt tinh bột
có cấu trúc bán tinh thể, lớp tinh thể xen kẽ lớp vô định hình. Chính cấu trúc bao
gói chặt chẽ như thế làm cho tinh bột không hòa tan trong nước ở nhiệt độ thường.
Khi tinh bột được đun nóng trong nước, các hạt hấp thụ nước, trương nở và kết quả
là mất tính lưỡng chiết và làm tăng độ nhớt của dung dịch. Kéo dài thời gian xử lý
nhiệt có thể gây nổ vỡ hạt tinh bột, thủy phân từng phần và hòa tan các phần tử cấu
thành tinh bột, kèm theo sự giảm độ nhớt của dung dịch. Nhiệt độ hồ hóa không
12
Footer Page 24 of 146.


Header Page 25 of 146.

phải là một điểm mà là một khoảng, nhiệt độ thấp nhất là nhiệt độ mà tại đó các hạt
tinh bột bắt đầu mất tính lưỡng chiết, còn nhiệt độ cao nhất là nhiệt độ tại đó còn
khoảng 10% hạt tinh bột chưa mất đi tính lưỡng chiết [86, 87].
Theo nghiên cứu của Wajira S. Ratnayake và David S. Jackson, trong suốt
quá trình đun nóng, hạt tinh bột ngô vẫn giữ nguyên vẹn cho đến 50oC [88]. Theo
quan sát của Jing-ming và Sen-lin, các hạt đánh mất tính toàn vẹn của chúng và
hình thành một mạng lưới phân tử tại 64oC [89]. Trong khi đó, Wajira S. Ratnayake
và David S. Jackson cho thấy, các hạt bị phá vỡ hoàn toàn và tạo thành một dung
dịch hồ hóa ở trên 70oC. Sự khác biệt này có thể là do sự khác nhau về nồng độ và
nguồn gốc thực vật. Ảnh hiển vi quang học cho thấy, các hạt tinh bột lớn trương nở
đầu tiên và bắt đầu phá vỡ vào khoảng 55-60oC, các hạt nhỏ bắt đầu tan rã sau 65oC,
hầu như tất cả các hạt bị phá vỡ không thể hồi phục tại hoặc trước 80oC (Hình 1.4).

Hình 1.4. Ảnh hiển vi quang học của hạt tinh bột ngô ở các nhiệt độ khác nhau

trong quá trình hồ hóa [88]
Những sự thay đổi diễn ra suốt quá trình hồ hóa được cho là do vai trò của
nước, sự ổn định tinh thể trong hạt, sự khác nhau giữa vùng tinh thể và vùng vô định
hình và sự hóa dẻo liên quan đến sự tăng nhiệt độ nóng chảy. Tùy thuộc vào điều kiện
hồ hóa như nhiệt độ, nguồn gốc tinh bột, kích thước hạt và pH môi trường mà nhiệt độ
phá vỡ và trương nở hạt có thể biến đổi trong một khoảng khá rộng [84, 90].

13
Footer Page 25 of 146.