Nghiên cứu khả năng sử dụng chất màu được chiết tách từ bắp cải tím với sự trợ giúp của sóng siêu âm cho vật liệu cảm biến PH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------

NGUYỄN THỊ LY

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG CHẤT MÀU ĐƢỢC
CHIẾT TÁCH TỪ BẮP CẢI TÍM VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA
SÓNG SIÊU ÂM CHO VẬT LIỆU CẢM BIẾN pH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
VẬT LIỆU DỆT MAY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN NGỌC THẮNG

Hà Nội, 2016

1


MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................2
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................5
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................7
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................9
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................11
1.

Lý do chọn đề tài ..............................................................................................11

2.

Mục tiêu nghiên cứu .........................................................................................12

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................13

4.

Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................13

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .........................................................14

6.

Bố cục luận văn ................................................................................................15

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................16
1.1. Chất màu anthocyanin ......................................................................................16
1.1.1. Sơ lược về bắp cải tím và chất màu anthocyanin trong bắp cải tím ........ 16
1.1.2. Anthocyanin trong thiên nhiên và ứng dụng ........................................... 17
1.1.3. Cấu trúc của anthocyanin......................................................................... 18
1.1.4. Các yếu tố ảnh hướng đến màu của anthocyanin .................................... 19
1.2. Chiết tách anthocyanin .....................................................................................22
1.3. Vật liệu nền.......................................................................................................25
1.3.1. Vật liệu từ xenlulo ................................................................................... 25
1.3.2. Vật liệu hyđrogel ..................................................................................... 27

1.4. Phương pháp nhuộm cho vật liệu nền ..............................................................30
1.4.1. Giới thiệu các phương pháp nhuộm ........................................................ 30
1.4.2. Phương pháp nhuộm tận trích .................................................................. 31
2


1.5. Tiểu kết phần tổng quan ...................................................................................32
CHƢƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................33
2.1. Mục tiêu nghiên cứu...........................................................................................33
2.2. Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................33
2.3. Đối tượng, hóa chất và thiết bị ...........................................................................33
2.3.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 33
2.3.2. Hóa chất .................................................................................................... 34
2.3.3. Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm ..................................................................... 34
2.4. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................37
2.4.1. Phương pháp chiết tách chất màu ............................................................. 37
2.4.2. Phương pháp đánh giá và định lượng chất màu ....................................... 38
2.4.3. Lập kế hoạch thực nghiệm....................................................................... 39
2.5. Phương pháp nhuộm màu cho các vật liệu nền.................................................40
2.5.1. Nhuộm màu cho xenlophan ...................................................................... 40
2.5.2. Nhuộm màu cho màng xơ xenlulo ........................................................... 42
2.5.3. Nhuộm màu cho vật liệu hyđrogel PCA23-30 ......................................... 43
2.6. Phương pháp khảo sát khả năng chỉ thị màu của anthocyanin theo pH.............44
2.6.1. Phương pháp khảo sát khả năng chỉ thị màu của dung dịch chất màu
anthocyanin chiết trong dung môi (Antho-a) theo pH............................. 44
2.6.2. Phương pháp khảo sát khả năng chỉ thị màu của vật liệu nhuộm màu
anthocyanin theo pH ................................................................................ 45
2.7. Khảo sát khả năng ứng dụng chất màu anthocyanin để nhận biết sự phân hủy
theo thời gian của một số sản phẩm sữa ...........................................................46
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................48

3.1. Đánh giá định lượng chất màu anthocyanin.....................................................48
3.2. Quy hoạch thực nghiệm ...................................................................................49
3.3. Ảnh hưởng của điều kiện chiết tách .................................................................52

3


3.4. Tối ưu hóa quá trình chiết tách ..........................................................................54
3.5. Khả năng chỉ thị màu của dung dịch chất màu anthocyanin theo pH ................56
3.6. Kết quả nhuộm màu vật liệu và khả năng chỉ thị màu của vật liệu nhuộm theo
pH…….............................................................................................................58
3.6.1. Vật liệu xenlophan nhuộm màu ................................................................ 58
3.6.2. Vật liệu xenlulo nhuộm màu .................................................................... 62
3.6.3. Vật liệu hyđrogel PCA23-30 nhuộm màu ................................................ 63
3.7. Ứng dụng vật liệu cảm biến pH để nhận biết sự phân hủy của sữa ...................64
KẾT LUẬN ..............................................................................................................67
HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................69
PHỤ LỤC .................................................................................................................73
Quy trình tổng hợp PCA23-30 ..................................................................................73
Bài báo khoa học

4


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan toàn bộ kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận
văn là do tác giả cùng nhóm sinh viên nghiên cứu khoa học (SVNCKH) được thầy
giáo TS. Nguyễn Ngọc Thắng hướng dẫn. Trong đó, phần kết quả nghiên cứu chiết
tách chất màu anthocyanin từ bắp cải tím (từ mục 3.1 đến mục 3.4) đã được nhóm

SVNCKH báo cáo trong Hội nghị SVNCKH 2016. Các phần còn lại của luận văn là
do tác giả tự nghiên cứu và trình bày, không sao chép từ các luận văn khác. Tác giả
xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật về những nội dung, hình ảnh cũng
như các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn.
Hà Nội, ngày....tháng.....năm 2016
Người thực hiện

Nguyễn Thị Ly

5


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các thầy cô trong Viện
Dệt may - Da giầy và Thời trang cùng toàn thể thầy cô trong Bộ môn Vật liệu và
Công nghệ Hóa dệt, trung tâm thí nghiệm Vật liệu Dệt may - Da giầy của trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên
cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Ngọc Thắng đã luôn tận tình
truyền đạt kiến thức, giúp đỡ tôi vượt qua nhiều khó khăn trong suốt quá trình thực
hiện cũng như hoàn thành nghiên cứu này.
Tôi xin cảm ơn nhóm sinh viên nghiên cứu khoa học Bùi Thị Thanh Xuân,
Phạm Thị Điệp và Phạm Thị Ngọc đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện nghiên
cứu. Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí từ trường Đại học Bách Khoa Hà Nội thông
qua đề tài cấp Trường T2016 - PC - 081.
Tuy đã rất nỗ lực và cố gắng, không ngừng học hỏi trau dồi kiến thức, tích cực
nghiên cứu thu thập tài liệu, tổng hợp các kiến thức nhưng luận văn không tránh
khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự quan tâm và đóng góp nhiệt tình của
thầy cô giáo và tất cả các bạn bè, đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

6


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Hình ảnh cải bắp tím. ................................................................................16
Hình 1.2. Các anthocyanin trong một số nguồn thực vật ..........................................17
Hình 1.3. Cấu trúc cơ bản của aglycon của anthocyanin ..........................................19
Hình 1.4. Sự thay đổi màu sắc phụ thuộc vào cấu trúc của anthocyanin..................20
Hình 1.5. Sự thay đổi màu sắc của anthocyanin theo pH .........................................21
Hình 1.6. Phương trình phản ứng tạo xenlophan ......................................................26
Hình 2.1. Hình ảnh đối tượng nghiên cứu và hóa chất sử dụng................................35
Hình 2.2. Hình ảnh dụng cụ và thiết bị thí nghiệm. ..................................................36
Hình 2.3. Sơ đồ quy trình chiết tách chất màu và nhuộm cho vật liệu. ....................38
Hình 2.4. Sơ đồ quy trình nhuộm Xelo/Antho-a. ......................................................41
Hình 2.5. Sơ đồ quy trình nhuộm Xelo/Antho-Aq....................................................41
Hình 2.6. Sơ đồ quy trình nhuộm Xel/Antho-a. ........................................................42
Hình 2.7. Sơ đồ quy trình nhuộm Xel/Antho-Aq......................................................43
Hình 2.8. Quy trình khảo sát sự thay đổi màu của dung dịch anthocyanin theo pH.
...................................................................................................................................45
Hình 2.9. Quy trình khảo sát sự thay đổi màu của vật liệu nhuộm màu anthocyanin
theo pH. ....................................................................................................45
Hình 2.10. Sơ đồ quy trình khảo sát khả năng nhận biết sự phân hủy của sữa bằng
chất màu anthocyanin. .............................................................................46
Hình 3.1. Phổ UV-Vis của chất màu anthocyanin chiết từ bắp cải tím. ...................48

NGUYỄN THỊ LY

7

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

Hình 3.2. Ảnh hưởng đến hàm lượng anthocyanin của tương tác giữa nhiệt độ và
thời gian ở nồng độ 45%..........................................................................52
Hình 3.3. Ảnh hưởng đến hàm lượng anthocyanin của tương tác giữa nhiệt độ và
nồng độ etanol ở thời gian 25 phút. .........................................................53
Hình 3.4. Phổ hấp thụ của anthocyanin khi thay đổi nồng độ và khi thay đổi nhiệt 54
Hình 3.5. Độ kỳ vọng và điều kiện tối ưu cho hàm lượng anthocyanin cực đại. .....55
Hình 3.6. Phổ hấp thụ anthocyanin trong các môi trường pH từ 1-13 ......................57
Hình 3.7. Ảnh chụp của Xelo/Antho-a tại các điều kiện nhuộm khác nhau. ............58
Hình 3.8. Quang phổ hấp thụ của vật Xelo/Antho-a khi cố định nhiệt độ và thay đổi
thời gian nhuộm. ......................................................................................59
Hình 3.9. Quang phổ hấp thụ của vật liệu Xelo/Antho-a khi cố định thời gian và
thay đổi nhiệt độ nhuộm. .........................................................................60
Hình 3.10. Mẫu xenlophan trước và sau khi nhuộm. ................................................61
Hình 3.11. Mẫu màng xơ xenlulo trước và sau khi nhuộm. .....................................62
Hình 3.12. Vật liệu hyđrogel PCA23-30 trước và sau khi nhuộm. ...........................63
Hình PL1. Sơ đồ tổng hợp màng hyđrogel PCA23-30. ............................................73

NGUYỄN THỊ LY

8

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Màu của chất tương đương với bước sóng hấp thụ cực đại......................22
Bảng 2.1. Hóa chất thí nghiệm ..................................................................................34
Bảng 3.1. Bảng ma trận mã hóa theo mô hình hợp tâm BBD và kết quả thực nghiệm
của hai hàm mục tiêu. ..............................................................................49
Bảng 3.2. Kết quả phân tích hồi quy theo mô hình đa thức bậc hai cho hàm lượng
anthocyanin ..............................................................................................50
Bảng 3.3. Bảng giá trị ước lượng các hệ số hồi quy của hàm mục tiêu là hàm lượng
anthocyanin ..............................................................................................51
Bảng 3.4. Sự thay đổi màu của dung dịch chất màu anthocyanin theo pH ..............56
Bảng 3.5. Vật liệu xenlophan nhuộm màu thay đổi màu sắc theo pH ......................61
Bảng 3.6. Màng xơ xenlulo nhuộm màu thay đổi màu sắc theo pH .........................62
Bảng 3.7. Vật liệu hyđrogel PCA23-30 nhuộm màu thay đổi màu sắc theo pH ......63
Bảng 3.8. Khả năng chỉ thị màu của anthocyanin theo pH .......................................64
Bảng 3.9. Bảng nhận biết sự phân hủy của sữa đậu nành bằng vật liệu cảm biến pH
...................................................................................................................................65
Bảng 3.10. Bảng nhận biết sự phân hủy của sữa bò tươi bằng vật liệu cảm biến pH
...................................................................................................................................66

NGUYỄN THỊ LY

9

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

DANH MỤC CÁC KÍ KIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
Antho

Anthocyanin

Antho-a

Anthocyanin chiết trong dung môi

Antho-Aq

Anthocyanin chiết trong nước

BBD

Mô hình Box-Benken (Box-Behnken Design)

DX10

Phần mềm quy hoạch thực nghiệm (Design Expert 10)

Hyđrogel

Hyđrogel PCA23-30

PCA23-30

Hyđrogel của PVA, Chitosan, Poliacrylic axit

RSM

Phương pháp bề mặt đáp ứng (Respose surface methodolodgy)

t

Nhiệt độ

T

Thời gian

Xel

Xenlulo

Xelo

Xenlophan

λmax

Bước sóng hấp thụ cực đại

NGUYỄN THỊ LY

10

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Màu sắc đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta. Các
vật liệu mà màu có thể thay đổi thuận nghịch khi có kích thích từ bên ngoài như:
ánh sáng, nhiệt độ và pH đã thu hút nhiều nhà nghiên cứu trong thời gian gần đây,
đặc biệt trong lĩnh vực cảm biến. Các vật liệu cảm biến pH là những vật liệu có thể
thay đổi màu sắc khi thay đổi pH của môi trường đã được nghiên cứu và ứng dụng
rộng rãi như băng vết thương, làm quần áo bảo hộ, màng lọc... Một số thuốc nhuộm
tổng hợp cũng có khả năng thay đổi từ màu này sang màu khác theo pH môi trường.
Tuy nhiên, các thuốc nhuộm đó có khả năng gây hại cho môi trường, người tiêu
dùng và gây ra các tác dụng tiêu cực khác. Do đó, việc sử dụng chất màu tự nhiên
thân thiện, an toàn với con người và môi trường đang được quan tâm nghiên cứu
rộng rãi [1].
Việc thay thế các thuốc nhuộm tổng hợp bằng các chất màu tự nhiên là một
thách thức rất lớn vì để đảm bảo sự ổn định màu sắc của chất màu với ánh sáng, sự
oxi hóa, nhiệt độ và pH là tương đối khó. Trong số các chất màu tự nhiên,
anthocyanin chiết xuất từ bắp cải tím vừa có 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, lại vừa là hợp chất có nhiều hoạt tính sinh học quý như: khả năng chống oxy
hóa cao nên được sử dụng để chống lão hóa, hoặc chống oxy hóa cho 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 các tế bào ung thư; tác dụng chống các tia
phóng xạ [2-4]. Những đặc tính quí báu của anthocyanin mà các chất màu hóa học,
các chất màu khác hình thành trong quá trình gia công kỹ thuật không có được đã
mở ra một hướng nghiên cứu ứng dụng hợp chất màu anthocyanin lấy từ thiên nhiên
vào trong đời sống hàng ngày, đặc biệt trong công nghệ chế biến thực phẩm. Trong
nước và trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc chiết tách chất màu
NGUYỄN THỊ LY

11

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

anthocyanin nhờ hỗ trợ của sóng siêu âm [5-8] và ứng dụng chất màu này trong
công nghệ thực phẩm như nhuộm màu thực phẩm, làm chất chị thị trong hóa học
phân tích và hóa học thực phẩm, nhuộm màu cho vật liệu dệt… nhưng chưa có công
trình nghiên cứu nào công bố về việc ứng dụng chất màu anthocyain chiết tách từ
bắp cải tím nhuộm màu cho vật liệu nền để tạo ra một vật liệu cảm biến pH. Chính
vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng sử dụng chất màu được
chiết tách từ bắp cải tím với sự trợ giúp của sóng siêu âm cho vật liệu cảm biến
pH” sẽ cung cấp thông tin đầy đủ hơn về quy trình chiết tách chất màu anthocyanin
từ bắp cải tím, quy trình nhuộm màu cho các vật liệu nền và khả năng thay đổi màu

theo pH của vật liệu đã tạo ra. Góp phần khai thác có hiệu quả chất màu này và
đánh giá khả năng nhận biết mức độ lên men hay mức độ phân hủy của một số sản
phẩm trong lĩnh vực thực phẩm để đảm bảo sức khỏe của con người.
2. Mục tiêu nghiên cứu
 Nghiên cứu quá trình chiết tách, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ,
thời gian, dung tỉ đến hiệu suất chiết tách và hàm lượng chất màu
anthocyanin từ bắp cải tím bằng dung môi etanol được axit hóa bởi axit
formic với sự trợ giúp của sóng siêu âm.
 Sử dụng phần mềm Design Expert 10 (DX 10) để tối ưu hóa hiệu suất chiết
theo phương pháp bề mặt đáp ứng (Response surface methodology, RSM).
 Đánh giá khả năng chỉ thị pH thông qua sự thay đổi màu sắc của chất màu
anthocyanin từ bắp cải tím.
 Chế tạo vật liệu cảm biến pH bằng cách nhuộm chất màu anthocyanin lên các
vật liệu nền.
 Sử dụng vật liệu cảm biến pH để nhận biết sự phân hủy của các sản phẩm
sữa.

NGUYỄN THỊ LY

12

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Bắp cải tím, màng xenlophan, màng xơ xenlulo, màng

hyđrogel PCA23-30, sữa đậu nành, sữa bò tươi.
Phạm vi nghiên cứu: Quy trình chiết tách, các yếu tố ảnh hướng đến hiệu suất
chiết tách, đánh giá sự thay đổi màu sắc của chất màu trong các môi trường pH khác
nhau. Quy trình nhuộm màu cho các vật liệu nền, đánh giá khả năng ứng dụng vật
liệu nhuộm màu để nhận biết sự phân hủy một số sản phẩm sữa.
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
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 vật liệu nền xenlophan, màng xơ
xenlulo, vật liệu hyđrogel, lý thuyết phương pháp nhuộm màu vật liệu.
Phương pháp thực nghiệm
 Chiết tách anthocyanin
* Chiết tách bằng dung môi
-

Xử lý mẫu: làm sạch, nghiền nhỏ.

-

Chiết tách chất màu anthocyanin bằng dùng môi etanol được axit hóa
bởi axit formic 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 lượng chất màu anthocyanin sau chiết.

-

Nghiên cứu sự thay đổi màu của anthocyanin tại các điều kiện pH
khác nhau.

NGUYỄN THỊ LY

13

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

* Chiết tách trong môi trường nước (mẫu đối chứng)
-

Xử lý mẫu: làm sạch, nghiền nhỏ.

-

Chiết tách chất màu anthocyanin trong nước.

-

Nghiên cứu sự đổi màu của anthocyanin tại các điều kiện pH khác
nhau.

 Nhuộm màu cho vật liệu nền
-

Nhuộm màu cho vật liệu màng xenlophan bằng chất màu anthocyanin
tại các điều kiện nhuộm khác nhau, sử dụng phương pháp nhuộm tận
trích, tìm điều kiện tối ưu để nhuộm cho các vật liệu màng xơ xenlulo
và màng hyđrogel PCA23-30.

-

Nghiên cứu, đánh giá sự thay đổi màu của anthocyanin trên các vật
liệu nhuộm màu trong các dung dịch pH khác nhau.

 Đánh giá khả năng ứng dụng của các vật liệu nhuộm màu anthocyanin
-

Ứng dụng vật liệu nhuộm màu anthocyanin để nhận biết sự phân hủy
của một số sản phẩm sữa theo thời gian.

-

Đánh giá khả năng nhận biết sự phân hủy sữa của các vật liệu nhuộm
màu anthocyanin.

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 bắp cải tím với sự hỗ trợ của sóng siêu âm, đồng thời xác định được
điều kiện tối ưu trong khoảng nghiên cứu để thu được hàm lương anthocyanin cao
nhất cũng như đưa ra sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, nồng độ etanol và thời
gian đến quá trình chiết tách.
Làm rõ khả năng đổi màu của anthocyanin tại các điều kiện pH khác nhau.
Cung cấp thông tin và quy trình nhuộm màu cho vật liệu xenlophan tại các
điều kiện nhuộm khác nhau và điều kiện nhuộm tối ưu trong khoảng nghiên cứu cho
NGUYỄN THỊ LY

14

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

các vật liêu nền khác. Đánh giá khả năng ứng dụng nhận biết sự phân hủy của sữa
theo thời gian bằng vật liệu nhuộm màu anthocyanin. Mở ra một hướng nghiên cứu
mới trong việc sử dụng chất màu tự nhiên anthocyanin để tạo vật liệu cảm biến, ứng
dụng trong nhận diện sự thay đổi môi trường pH của thực phẩm.
6. Bố cục luận văn
Mục lục
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Danh mục các ký hiệu, các từ viết tắt
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan

Chương 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Kết luận
Hướng nghiên cứu tiếp theo
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

NGUYỄN THỊ LY

15

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Chất màu anthocyanin

1.1.1. Sơ lƣợc về bắp cải tím và chất màu anthocyanin trong bắp cải tím
Bắp cải tím có tên khoa học là
Brassica oleracea var captitala ruba thuộc
họ cải bắp, có nguồn gốc từ phía Tây Bắc
của Châu Âu và đã trở nên quan trọng
khắp Châu Âu vào thế kỷ 16. Từ đó nó
cũng được biết đến và trồng tại nhiều quốc

gia trên thế giới trong đó có Việt Nam.
Khu vực tốt nhất cho bắp cải tím sinh
trưởng và phát triển là vùng có nhiệt độ

Hình 1.1. Hình ảnh cải bắp tím.
0.1

ban ngày dao động từ 15 - 20°C và có nhiệt độ chênh lệch giữa ngày và đêm là 5°C,
nhiệt độ trên 25°C bắp cải tím vẫn có thể phát triển nhưng khả năng cuộn bắp bị hạn
chế. Với điều kiện như vậy ở vùng nhiệt đới và á nhiệt đới chỉ có ở những nơi có độ
cao trên 800m so với mực nước biển mới thích hợp cho bắp cải tím sinh trưởng và
phát triển. Bởi vậy, ở Việt Nam bắp cải tím được trồng chủ yếu ở Đà Lạt. Thành
phần hóa học của bắp cải tím chứa khoảng 88% nước, 1,9% protein, 0,2% lipit, 9%
gluzit và 4% chất xơ. Ngoài ra, trong bắp cải tím còn có các vitamin nhóm B (B1,
B3, B8), vitamin C, vitamin E, vitamin A và beta caroten; giàu khoáng kali rất tốt
cho những người cao huyết áp… Đặc biệt, trong bắp cải tím còn chứa một lượng
chất màu anthocyanin vừa tạo sắc màu tím hấp dẫn cho bắp cải tím cũng là một chất
chống oxy hóa giúp bảo vệ các tế bào não, ngăn ngừa bệnh mất trí nhớ [2-4].
Bắp cải tím thuộc họ rau được công nhận là giàu nguồn chất anthocyanin với
nhiều ứng dụng trong đời sống. Sắc tố chính được chiết xuất từ bắp cải tím đó là
cyanidin 3,5-diglucozit của hệ màu anthocyanin có các đặc tính thích hợp như: dễ
hòa tan trong dung dịch nước, có màu biến thiên theo một khoảng pH rộng như
NGUYỄN THỊ LY

16

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

trong môi trường axit nó có màu đỏ bền và khi môi trường chuyển sang bazơ màu
của nó chuyển sang xanh và ổn định trong thời gian dài [1]. Đây là đặc tính rất khác
so với các anthocyanin của một số nguyên liệu khác (màu thay đổi liên tục tại pH
kiềm) như lá tía tô, quả dâu… Theo nghiên cứu, bắp cải tím có chứa hàm lượng
chất màu anthocyanin tương đối cao, là một nguồn nguyên liệu dồi dào để thu nhận
và sử dụng chất màu tự nhiên này.
1.1.2. Anthocyanin trong thiên nhiên và ứng dụng
Anthocyanin là họ màu phổ biến nhất trong các chất màu tự nhiên, chúng tập
trung trong hoa và quả, ngoài ra cũng có ở lá và rễ của các giống cây hạt kín và
những loài ra hoa. Trong những loại thực vật này, anthocyanin được tìm thấy 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 (Bridle và Timberlake,
1996) và trong vô số giống thực vật sử dụng làm thực phẩm như: quả nho, quả dâu,
bắp cải tím, lá tía tô, rau dền, hoa dâm bụt, đậu đen, cà tím. Các loại anthocyanin
phổ biến nhất là các glycozit của cyanidin, tiếp đó là các pelargonidin, peonidin và
delphinidin, sau đó petunidin và maldivin. Số lượng các 3 - glycozit nhiều gấp 2.5
lần các 3, 5 - glycozit. Loại anthocyanin hay gặp nhất chính là cyanidin - 3 glycozit (C3G) [9].
Độ đậm của màu sắc quả liên
quan đến hàm lượng anthocyanin trong
rau quả, quả càng đậm thì hàm lượng
anthocyanin càng cao và ngược lại.
Giống và loài cây quyết định tỷ lệ các
anthocyanin có trong rau quả đó, đồng
thời anthocyanin trong mỗi loài thực vật
là một hỗn hợp chứ chúng không phải là
Hình 1.2. Các anthocyanin trong

một số nguồn thực vật [10].

một chất thuần nhất [9].
NGUYỄN THỊ LY

17

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

Với sự đa dạng của anthocyanin kèm theo đó là các tính chất, tác dụng quý
báu mà ngày nay chúng càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau
như mĩ phẩm, thực phẩm, y học, sản phẩm dệt… [2-4,11].
Anthocyanin là chất màu thiên nhiên được sử dụng khá phổ biến và an toàn
trong thực phẩm, tạo ra nhiều màu sắc hấp dẫn cho mỗi sản phẩm như: trong công
nghiệp bánh kẹo, sản xuất đồ uống nhẹ, sản xuất đồ uống có cồn, sản xuất kem...
Trong y học anthocyanin cũng được ứng dụng đa dạng: Các dẫn xuất của
anthocyanin có thể dùng để tái tạo võng mạc và giúp tăng thị lực vào ban đêm. Nhờ
khả năng làm giảm tính thấm thành mạch và tế bào mà anthocyanin có thể được sử
dụng trong trường hợp chảy máu hoặc nguy cơ chảy máu bên trong cơ thể; khả
năng chống oxy hóa, tốt cho gan, ngăn ngừa gan nhiềm mỡ và hoại tử mô gan,
chúng còn có tác dụng chống ung thư [2-4].
Ngoài ra khả năng ứng dụng để sử dụng làm chất chỉ thị thông minh, an toàn,
sinh thái, thân thiện với con người và môi trường cũng rất được quan tâm hiện nay.
Những đặc tính quí báu của anthocyanin mà các chất màu hóa học, các chất màu
khác không có được, đã mở ra một hướng nghiên cứu mới, ứng dụng hợp chất màu

anthocyanin lấy từ thiên nhiên vào trong đời sống hằng ngày. Điều đó hoàn toàn
phù hợp với xu hướng hiện nay ở trong nước và các nước trên thế giới là nghiên
cứu, khai thác và sử dụng chất màu từ thiên nhiên bởi vì chúng có tính an toàn cao
cho người sử dụng.
1.1.3. Cấu trúc của anthocyanin
Anthocyanin là những glucozit có gốc đường glucose, galactose... kết hợp với
gốc aglycon có màu (anthocyanidin). Cấu trúc cơ bản gốc aglycon của anthocyanin
(hình 1.3) bao gồm một nhóm mang màu (có một vòng 6 C là A và một vòng chứa
3 C là vòng C) và một nhóm thơm thứ 2 (gồm vòng chứa 6 C ở vị trí thế thứ 2). Vị
trí liên kết của glucozit vào aglycon thông thường nhất là các vị trí 3-OH, 5-OH
hoặc 7-OH [12]. Phân tử anthocyanin gắn đường vào vị trí 3 gọi là monoglycozit, ở
vị trí 3 và 5 gọi là diglycozit. Từ hình ta thấy anthocyanin có chứa nhóm điện tích
NGUYỄN THỊ LY

18

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

dương tự do, nên có thể tạo thành muối trong môi trường axit và môi trường bazơ
[13].

Hình 1.3. Cấu trúc cơ bản của aglycon của anthocyanin [12].
Các gốc aglycon của anthocyanin khác nhau chính là do sự khác nhau của các
nhóm thế R3, R5, R6, R7, R3’, R4’, R5’ các nhóm thế này có thể là -H, -OH, -OCH3.
Do đó khi thay thế các nhóm thế R3, R5, R6, R7, R3’, R4’, R5’ bằng các nhóm

hiđroxyl và methoxyl thì thu được các loại anthocyanin khác nhau được trình bày ở
hình 1.3. Mặc dù thực tế rằng 31 anthocyanidin monomeric khác nhau đã được xác
định (bao gồm cả 3 proanthocyanidin, proanthocyanidin và sphagnorubin), nhưng
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) [14].
1.1.4. Các yếu tố ảnh hƣớng đến màu của anthocyanin
Theo nhiều nghiên cứu khảo sát tính chất màu của anthocyanin cho thấy
chúng chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: cấu trúc, pH, ánh sáng…

NGUYỄN THỊ LY

19

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

1.1.4.1.

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

Ảnh hƣởng của cấu trúc

Khả năng hoạt động và độ bền màu của anthocyanin phụ thuộc vào bản chất,
vị trí liên kết của các nhóm thế (glucozit, nhóm acyl, nhóm hiđroxyl, nhóm
methoxyl) vào khung aglycon. Màu sắc của các anthocyanin khác nhau do số lượng
nhóm hyđroxyl gắn vào phân tử của chúng đặc biệt là sự thay thế ở vòng B (hình
1.3). Khi số nhóm hyđroxyl trong vòng B tăng, bước sóng hấp thụ cực đại ở vùng

thấy được dịch chuyển về phía có bước sóng dài hơn và màu thay đổi từ cam đến
xanh dương. Khi nhóm methoxyl thay thế nhóm hyđroxyl thì ta thu được kết quả
ngược lại [15,16].

Hình 1.4. Sự thay đổi màu sắc phụ thuộc vào cấu trúc của anthocyanin. [12].
Khi mức độ hyđroxyl hóa các aglycon tăng, tính bền của các anthocyanin sẽ
giảm. Tuy nhiên khi tăng sự methoxyl hóa, sẽ thu được kết quả ngược lại. Các
anthocyanin được glycosyl hóa và acyl hóa sẽ cho dạng màu xanh. Sự glycol hóa
những nhóm OH tự do làm tăng tính bền của anthocyanin. Vì vậy, các diglucozit
bền hơn các monogluzit của cùng một anthocyanin [15].
1.4.1.2. Ảnh hƣởng của pH [16-19]
Khi thay đổi giá trị pH thì màu sắc và cấu trúc của anthocyanin cũng thay đổi.
Như ta đã biết, trên gốc aglycon có chứa điện tích dương tự do nên các anthocyanin
có thể kết hợp với các ion H+ hoặc OH- (tùy thuộc vào môi trường) làm cho màu sắc
và cấu trúc của anthocyanin bị biến đổi. Ngoài ra, số nhóm -OH trên gốc aglycon

NGUYỄN THỊ LY

20

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

tăng cũng sẽ làm thay đổi màu sắc của anthocyanin. Sự thay đổi màu sắc theo pH
được biển diễn ở hình 1.5.

Hình 1.5. Sự thay đổi màu sắc của anthocyanin theo pH [12].
Từ hình 1.5 ta thấy, khi pH thấp (pH = 1) thì anthocyanin có màu đỏ và khá
bền. Khi pH tăng lên (pH = 4-5) chuyển về dạng bazơ carbinol nên anthocyanin có
dạng không màu. Khi pH tăng mạnh thì các anthocyanin kém bền và có màu tím
(pH = 6-7) do anthocyanin tồn tại dưới dạng quinoidal anhyđro nên có màu xanh
đậm ở pH = 7-8. Anthocyanin tồn tại dướng dạng chalcon có màu vàng ở pH = 8-9.
1.4.1.3. Màu sắc anthocyanin phục thuộc vào đặc tính quang phổ [20][21]
Ánh sáng nhìn thấy bao gồm các bức xạ có bước sóng từ 400-750nm. Khi cho
ánh sáng trắng chiếu qua lăng kính, nó sẽ bị phân tách thành một số tia màu (đỏ, da
cam, vàng, lục, lam, chàm, tím). Mỗi tia đó ứng với một khoảng bước sóng.
Anthocyanin là một hợp chất có khả năng hấp thụ các tia sáng trong vùng nhìn
thấy. Độ hấp thụ anthocyanin phụ thuộc vào dung môi, pH (độ hấp thụ lớn khi pH ở
NGUYỄN THỊ LY

21

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

vùng axit mạnh) và nồng độ (độ hấp thụ càng mạnh khi nồng độ anthocyanin càng
lớn). Độ hấp thụ là yếu tố liên quan mật thiết, tỉ lệ thuận đến màu sắc của
anthocyanin và chúng cũng thể hiện bản chất của mỗi loại anthoycianin.
Bảng 1.1. Màu của chất tương đương với bước sóng hấp thụ cực đại
Tia hấp thụ
Bƣớc sóng hấp thụ

Màu của chất hấp thụ

cực đại ( λmax, nm)

Màu

400-430

Tím

Vàng lục

430-490

Xanh

Vàng da cam

490-510

Lục xanh

Đỏ

510-530

Lục

Đỏ tía

530-560

Lục vàng

Tím

560-590

Vàng

Xanh

590-610

Da cam

Xanh lục

610-750

Đỏ

Lục

Độ hấp thụ thể hiện bản chất và phản ánh màu sắc của anthocyanin do khả
năng hấp thụ khác nhau của chúng. Điển hình như khi bước sóng hấp thụ cực đại
trong khoảng 510-530 nm thì tia hấp thụ là màu xanh, tia phản xạ là màu đỏ, do đó
mắt ta nhìn thấy màu đỏ. Các aglycon khác nhau có bước sóng hấp thụ cực đại
(λmax) khác nhau như từ 520 nm với pelargonidin đến 560 nm với delphinidin.
1.2.

Chiết tách anthocyanin

1.2.1. Phƣơng pháp chiết tách anthocyanin
Chiết tách là một quá trình làm sạch hoặc để tách một cấu tử riêng hoặc một
loạt các cấu tử ra khỏi mẫu ban đầu. Để chiết tách các hợp chất tự nhiên từ thực vật,
trước tiên phải lựa chọn dung môi thích hợp, cơ sở quá trình chọn lựa này là tính
NGUYỄN THỊ LY

22

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

phân cực của hợp chất chứa trong chúng và của dung môi, cụ thể như sau: Mẫu rắn
hoặc lỏng được chiết bằng dung môi hữu cơ thích hợp. Đối với các mẫu nước, dung
môi chiết phải không tan trong nước. Độ phân cực của dung môi nằm trong một
khoảng rộng từ các ankan như pentan, hexan hoặc xiclohexan đến nitrobenzen, nbutanol cũng như các dung môi chứa clo (đặc biệt là dicloetan, clorofom). Sự lựa
chọn dung môi chiết phụ thuộc vào tính tan của chất phân tích ở trong dung môi đó
và sự dễ dàng tách được chất rắn cần tách ra khỏi mẫu [22].
Các hợp chất hữu cơ có trong thực vật có độ phân cực khác nhau do đó nó tan
trong các dung môi khác nhau. Tính phân cực của mỗi chất phụ thuộc vào mạch
cacbon và nhóm chức có trong hợp chất. Mạch cacbon càng dài thì tính phân cực
càng yếu. Những hợp chất có chứa nhóm chức có hình thành liên kết hyđro thì độ
phân cực càng cao, chẳng hạn:
- Các axit cacboxylic, amin, polysaccarit, muối amin, ancol, glucozit là những

hợp chất phân cực nên tan được trong nước.
- Hyđrocacbon, carotenoit, tecpen, sterol… là những hợp chất không phân cực
nên tan được trong dầu béo và tinh dầu [22].
Như vậy, việc chiết tách hợp chất hữu cơ có trong thực vật không tuân theo
một phương pháp chung nào mà tùy thuộc vào từng chất để lựa chọn dung môi
thích hợp trong quá trình chiết tách.
Do chất màu anthocyanin kém bền với tác động của môi trường như pH, ánh
sáng, nhiệt độ, oxy, ion kim loại… nên có nhiều phương pháp được áp dụng để
chiết tách hợp chất này. Trong đó phương pháp chiết có sử dụng dung môi hữu cơ
như axeton, clorofom và ancol được dùng phổ biến hơn [2-4,9,11,23-26]. Khi chiết
trong ancol, một lượng nhỏ axit khoáng hoặc axit hữu cơ được thêm vào để phá vỡ
thành tế bào thực vật, nơi chứa các hợp chất anthocyanin. Do tính chất kém bền của
chất màu anthocyanin nên các phương pháp chiết hiện đại đều cố gắng làm giảm
thời gian chiết và vẫn duy trì hiệu quả chiết xuất cao [23]. Trước đây phương pháp
chiết tách màu truyền thống bằng cách ngâm ướt cần thời gian dài và đòi hỏi lượng
NGUYỄN THỊ LY

23

LUẬN VĂN THẠC SỸ


Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

dung môi rất lớn. Ngày nay có nhiều phương pháp chiết tách hiện đại phát triển cho
việc chiết tách các hoạt chất sinh học từ thực vật như chiết suất nhờ sóng siêu âm,
chiết tách dung dịch lỏng siêu tới hạn, chiết tách enzym, chiết tách bằng hệ vi phân
tán lỏng - lỏng [27].

So sánh với nhiều công nghệ chiết tách khác nhau như chiết tách bằng vi sóng,
dung dịch lỏng siêu tới hạn thì chiết tách sử dụng hỗ trợ sóng siêu âm là ít tốn kém
và dễ dàng thực hiên hơn. Hiệu quả của phương pháp này trong việc tăng hiệu suất
chiết, giảm thời gian chiết và tác động xấu đến hợp chất cần trích ly đã được chứng
minh bởi sóng siêu âm tạo ra dòng chất lỏng nhỏ, chứa các bọt khí siêu nhỏ, có áp
suất lớn, tác động trực tiếp lên bề mặt vật liệu chiết. Khi các vi bọt khí này nổ sẽ tạo
áp lực lớn, tác động vào các vị trí gần kề, làm vỡ các tế bào thực vật, tạo động lực
cho các hợp chất tự nhiên dễ dàng khuyếch tán ra môi trường chiết [5-7].
Theo khảo sát, trong nước và trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu
để chiết tách chất màu anthocyanin từ bắp cải tím. Tuy nhiên chưa có công trình
nào công bố việc sử dụng sóng siêu âm để chiết tách chất màu này từ bắp cải tím
bằng dung môi etanol được axit hóa bởi axit formic. Do đó tôi thực hiên nghiên cứu
này nhằm góp phần vào việc khai thác hiệu quả chất màu tự nhiên từ nguồn nguyên
liệu có sẵn ở nước ta.
1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình chiết tách anthocyanin
a) Ảnh hƣởng của dung tỷ
Bản chất của quá trình chiết tách là sự khuếch tán mà động lực của quá trình
này là sự chênh lệch nồng độ giữa 2 pha. Do đó dung tỷ là một yếu tố khá quan
trọng ảnh hưởng tới hiệu suất của quá trình chiết tách chất màu anthocyanin. Đối
với dung tỷ lớn thì lượng chất màu chiết tách thu được nhiều hơn và quá trình bão
hòa mất nhiều thời gian hơn. Tương tự với cùng một lượng nguyên liệu đó, nếu
dung tỷ quá thấp thì lượng chất màu thu được ít hơn và quá trình bão hòa xảy ra
nhanh hơn. Hiệu suất quá trình chiết tách chất màu chỉ đạt tối đa tại thời điểm bão
hòa do đó khi dung tỷ vượt quá ngưỡng bão hòa, thì chất màu cũng không trích ly ra
NGUYỄN THỊ LY

24

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Dệt may - Da giầy và Thời trang

được nữa. Vì vậy, việc xác định dung tỷ để quá trình chiết tách đạt hiệu suất chiết
tách tối đa là rất cần thiết.
b) Ảnh hƣởng của nhiệt độ
Nhiệt độ chiết tách có ảnh hưởng đến khả năng chiết tách của anthocyanin.
Khi nhiệt độ tăng sẽ làm giảm độ nhớt đồng thời làm tăng vận tốc khuếch tán. Do
đó, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển các chất hòa tan từ trong nguyên liệu
vào dung môi, tuy nhiên chất màu anthocyanin dễ bị phá hủy bởi nhiệt độ cao vì
vậy nhiệt độ trích ly phù hợp sẽ làm cho hàm lượng anthocyanin đạt giá trị cao.
c) Ảnh hƣởng của thời gian
Quá trình chiết tách cũng phụ thuộc vào thời gian chiết tách. Nếu thời gian
chiết tách quá ngắn không đủ để dung môi hòa tan anthocyanin; ngược lại thời gian
quá dài ảnh hưởng đến độ tinh khiết của sản phẩm cần chiết tách do có thể hòa tan
các chất khác có trong nguyên liệu. Mặt khác, nếu kéo dài thời gian chiết tách có
thể làm giảm hàm lượng anthocyanin trích được do anthocyanin bị phân hủy dưới
tác dụng của các tác nhân khác.
Ngoài ra, hiệu suất chiết tách tăng còn phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa
vật liệu và dung môi. Nếu diện tích tiếp xúc càng lớn thì thời gian chiết tách chất
màu càng nhanh và ngược lại thời gian chiết càng dài nếu diện tích tiếp xúc càng
nhỏ.
1.3.

Vật liệu nền

1.3.1. Vật liệu từ xenlulo
a) Màng xơ xenlulo

Màng xơ xenlulo là màng không dệt của xơ bông, có thành phần chính là
xenlulo. Xenlulo là vật chất cao phân tử được tổng hợp từ thiên nhiên có công thức
cấu tạo [-C6H10O5-] hoặc [-C6H7O2(OH)3-]n. Thành phần xenlulo trong bông là
97%, trong lanh là 80,5%, đay là 71%, gỗ thông là 55%, ngoài ra còn có trong cây
gai, chuối.
NGUYỄN THỊ LY

25

LUẬN VĂN THẠC SỸ