Chế tạo và khảo sát một số tính chất đặc trưng của vi sợi xenluloxơ và vi sợi xenlulozơ phtalat

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

TRẦN MỸ XUÂN

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC
TRƢNG CỦA VI SỢI XENLULOZƠ VÀ VI SỢI
XENLULOZƠ PHTALAT

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGHỆ AN – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

TRẦN MỸ XUÂN

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT
ĐẶC TRƢNG CỦA VI SỢI XENLULOZƠ VÀ VI SỢI
XENLULOZƠ PHTALAT

Chuyên ngành: Hóa học hữu cơ
Mã số: 60.44.01.14

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:
TS. LÊ ĐỨC GIANG

NGHỆ AN - 2014


LỜI CẢM ƠN
Với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn
đến:
- TS. Lê Đức Giang đã giao đề tài, dành nhiều thời gian, tâm huyết hướng
dẫn, chỉ bảo tơi trong q trình thực tập và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này.
- PGS.TS. Hoàng Văn Lựu, PGS.TS. Lê Văn Hạc đã đọc bản thảo, bổ
sung và đóng góp vào luận văn rất nhiều ý kiến quý báu.
- ThS. Cao Xuân Cường đã nhiệt tình giúp đỡ và hướng dẫn tơi trong
thời gian làm thí nghiệm và nghiên cứu các nội dung liên quan đến đề tài.
- Ban chủ nhiệm khoa Hoá học, các thầy cơ bộ mơn Hố hữu cơ, khoa
Hóa học đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong q trình học tập và nghiên
cứu.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn chồng tôi, những người thân trong
gia đình và bạn bè đồng nghiệp, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi học
tập và động viên tơi trong suốt q trình làm luận văn.
Vinh, tháng 9 năm 2014
Ngƣời viết đề tài

Trần Mỹ Xuân


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. 1
Danh mục các ký hiệu và viết tắt .................................................................................... 4
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ...................................................................................... 5
Danh mục các bảng ....................................................................................................... 6
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1

1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 1
2. Nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................................................ 2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................... 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN......................................................................................... 3
1.1. Tổng quan về sợi thực vật .................................................................................... 3
1.1.1. Định nghĩa và phân loại sợi thực vật .......................................................... 3
1.1.2. Thành phần hóa học và cấu tạo của sợi thực vật ........................................ 5
1.2. Tổng quan về vi sợi xenlulozơ ........................................................................... 18
1.2.1. Khái niệm vi sợi xenlulozơ ........................................................................ 18
1.2.2. Ứng dụng của vi sợi................................................................................... 18
1.3. Phƣơng pháp nấu bột giấy ................................................................................. 19
1.4. Giới thiệu về cây lùng ........................................................................................ 22
1.4.1. Hình thái .................................................................................................... 23
1.4.2. Phân bố ..................................................................................................... 23
1.4.3. Đặc điểm sinh học .................................................................................... 24
1.4.4. Công dụng ................................................................................................. 24
CHƢƠNG 2.................................................................................................................. 25
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ........................................ 25
2.1. Nguyên vật liệu ................................................................................................. 25
2.2.Xử lí sợi .............................................................................................................. 25


2.2.1. Phương pháp nấu bột giấy ........................................................................ 25
2.2.2. Phương pháp cơ học .................................................................................. 27
2.3. Phƣơng pháp điều chế vi sợi xenlulozơ phtalat ................................................. 27
2.4. Phương pháp xác định thành phần hóa học ................................................. 27
2.4.1 Xác định hàm lượng lignin khơng tan trong axit ....................................... 28
2.4.2. Xác định hàm lượng xenlulozơ bằng phương pháp Klursher – Hofft ....... 29
2.4.3. Xác định hàm lượng các chất tan trong axeton ........................................ 30

2.5. Phƣơng pháp khảo sát tính chất đặc trƣng của vi sợi xenlulozơ phtalat ........... 32
2.5.1. Phương pháp xác định cấu trúc hóa học................................................... 32
2.5.2. Phương pháp phân tích nhiệt .................................................................... 32
2.5.3. Phương pháp khảo sát hình thái học ......................................................... 33
2.5.4. Phương pháp chuẩn độ.............................................................................. 33
CHƢƠNG 3 .................................................................................................................. 34
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 34
3.1. Khảo sát thành phần hóa học của bột giấy ........................................................ 34
3.2. Khảo sát cấu trúc bằng phổ hồng ngoại ............................................................ 35
3.3. Khảo sát hình thái học ....................................................................................... 38
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 44


Danh mục các ký hiệu và viết tắt
Ký hiệu

Diễn giải

DrTGA

giản đồ vi phân của TGA (Derivative thermogravimetry):

DS

Độ thế (Degree of subtitution)

DSC

Nhiệt lƣợng vi sai quét (Differential Scanning Calorimeter)

DTA

phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis):

IR

Hồng ngoại (Infrared spectroscopy)

MFC

Vi sợi xenlulo (Microfibrillated cellulose)

SEM

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)

TGA

Phân tích trọng lƣợng theo nhiệt độ (Thermogravimetry
analysis)


Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Hình 1.1:

Cấu trúc của sợi thực vật

Hình 1.2:

Cấu tạo hóa học của phân tử xenluloza thể hiện theo phƣơng
pháp phối cảnh Haworth

Hình 1.3:

Cấu trúc hóa học của xenlulozơ

Hình 1.4:

Liên kết hydro giữa các phân tử xenlulozơ

Hình 1.5:

Các monosacarit tạo thành mạch đại phân tử polysacarit

Hình 1.6:

Đơn vị cấu tạo cơ bản của lignin

Hình 2.1:

Quy trình nấu bột giấy bằng phƣơng pháp sunfat

Hình 3.1:

Phổ hồng ngoại của vi sợi xenlulozơ

Hình 3.2:

Phổ hồng ngoại của vi sợi xenlulozơ phtalat

Hình 3.3:

Ảnh SEM của sợi xử lý kiềm (hình a, hình c) và của sợi xử lý
nấu bột giấy (hình b, hình d)

Hình 3.4:

Ảnh SEM của vi sợi xenlulozơ phtalat

Hình 3.5:

Giản đồ TGA của vi sợi xenlulozơ

Hình 3.6:

Giản đồ TGA của xenlulozơ phthalat


Danh mục các bảng
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của bột giấy


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, môi trƣờng sinh thái đang bị ô nhiễm nghiêm trọng trên phạm vi
tồn cầu. Vấn đề ơ nhiễm mơi trƣờng đã, đang và sẽ là vấn đề hết sức cấp bách,
đƣợc quan tâm hàng đầu của tồn nhân loại.

Vì vậy yếu tố bảo vệ môi trƣờng luôn đƣợc xem xét trƣớc tiên trong các
hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con ngƣời.
Trong những năm gần đây, các nƣớc trên thế giới đang chú ý đến nguồn
nguyên liệu sinh học vì khả năng tái tạo của nó. Trong số các nguyên liệu sinh
học đó thì nghiên cứu về sợi tự nhiên ngày càng phát triển mạnh mẽ.
Tre là một loại cây nhiệt đới và là nguồn tài nguyên có thể tái tạo mạnh
mẽ đƣợc trồng và sử dụng rất nhiều ở Châu Á, đặc biệt là các nƣớc Đông Nam
Á. Ở Việt Nam có một loại cây đặc chủng thuộc họ tre là cây lùng, riêng huyện
Quỳ Châu của Nghệ An đã có hơn 12000 ha cây lùng. Lùng thƣờng đƣợc sử
dụng chủ yếu để đan lát, làm hàng mỹ nghệ. Vì thế lƣợng phoi lùng phế thải
hàng năm là rất lớn.
Vi sợi xenlulozơ là một vật liệu sinh học với các ƣu điểm là dễ phân hủy,
có khả năng tái tạo, giá thành thấp, và đặc tính cơ học tốt hơn vi sợi tổng hợp. Vi
sợi xenlulozơ đƣợc sử dụng nhƣ chất gia cƣờng cho các vật liệu polime
compozit. Tuy nhiên, do tính phân cực nên khả năng hịa tan của vi sợi xenlulozơ
trong các dung môi không phân cực và khả năng tƣơng hợp với các polime nền
kị nƣớc là rất thấp. Đã có một số cơng trình nghiên cứu phản ứng este hóa của
xenlulozơ với các anhiđrit axetic, anhiđrit sucxinic, anhiđrit maleic, anhiđrit
phtalic,... nhƣng hầu nhƣ chƣa có cơng trình nào nghiên cứu phản ứng của của vi
sợi xenlulozơ với anhiđrit phtalic và khảo sát tính chất của vi sợi xenlulozơ


2

phtalat. Do đó, chúng tơi chọn đề tài: “Chế tạo và khảo sát tính chất đặc trưng
của vi sợi xenlulozơ và vi sợi xenlulozơ phtalat”
2. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo vi sợi xenlulozơ từ phoi phế thải cây Lùng bằng phƣơng pháp
nấu bột giấy, khảo sát sự thay đổi hàm lƣợng một số thành phần trong sợi Lùng;
- Chế tạo và vi sợi xenlulozơ phtalat bằng phản ứng của vi sợi xenlulozơ

với anhiđrit phtalic;
- Khảo sát cấu trúc hóa học của vi sợi xenlulozơ và vi sợi xenlulozơ
phtalat bằng phổ hồng ngoại;
- Nghiên cứu hình thái học và khảo sát độ bền nhiệt của vi sợi xenlulozơ
và vi sợi xenlulozơ phtalat.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu: Vi sợi xenlulozơ và vi sợi xenlulozơ phtalat từ
phoi phế thải của cây Lùng.
- Phạm vi nghiên cứu: quy trình chế tạo vi sợi xenlulozơ và vi sợi
xenlulozơ phtalat từ phoi phế thải cây Lùng; cấu trúc hóa học, hình thái học và
một số tính chất của vi sợi và vi sợi xenlulozơ phtalat.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Cấu trúc hóa học của vi sợi và vi sợi xenlulozơ phtalat đƣợc khảo sát
bằng phổ hồng ngoại ;
- Cấu trúc hình thái học của vi sợi và vi sợi xenlulozơ phtalat đƣợc khảo
sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM);
- Độ bền nhiệt của vi sợi và vi sợi xenlulozơ phtalat đƣợc khảo sát bằng
phƣơng pháp phân tích nhiệt theo sự thay đổi khối lƣợng.


3

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về sợi thực vật
1.1.1. Định nghĩa và phân loại sợi thực vật
Sợi thực vật nói chung và sợi Lùng nói riêng bao gồm hai thành phần:
tinh thể và vơ định hình. Trong đó phần tinh thể bao gồm các vi sợi, chúng
đƣợc tạo nên bởi các phân tử xenlulozơ. Các vi sợi đƣợc kết hợp với nhau bởi
một phần vơ định hình bao gồm hemixenlulozơ và lignin. Độ bền của sợi thực
vật sẽ tăng khi hàm lƣợng phần tinh thể lớn. Bề mặt sợi đƣợc tạo nên bởi hỗn

tạp của các polyme không đồng nhất về trạng thái pha bao gồm xenlulozơ,
hemixenlulozơ và lignin. Nhóm chức –OH của xenlulozơ và nhóm –COOH,
- OH của hemixenlulozơ tạo nên tính ƣa nƣớc cho bề mặt sợi. Khi cho sợi tiếp
xúc với nƣớc thì góc thấm ƣớt và năng lƣợng bề mặt của sợi giảm. Điều này
đƣợc giải thích do sự xâm nhập của nƣớc vào sợi và làm trƣơng sợi.

Hình 1.4. Cấu trúc của sợi thực vật

Hình 1.1. Cấu trúc của sợi thực vật


4

Tất cả các sợi thực vật là vật liệu đơn bào. Ngoại trừ sợi lấy từ hạt, hầu
hết các sợi thực vật đều tồn tại ở dạng bó của các sợi cơ bản. Sợi đƣợc xác định
là một đơn vị vật chất đặc trƣng bởi độ mềm dẻo, tinh xảo và có tỷ lệ của chiều
dài trên đƣờng kính cao, còn sợi cơ bản đƣợc xác định là một đơn vị của tế bào
thực vật [1].
Tùy theo cấu trúc hình thái, sợi thực vật đƣợc chia làm 3 nhóm:
+) Sợi vỏ lấy từ thân cây.
+) Sợi lá lấy từ lá cây.
+) Sợi dính vào hạt.
Những sợi lấy từ thân cây, lá và quả thƣờng ở dạng bó nên gọi là bó sợi,
trong lúc đó lấy từ hạt là những tế bào đơn nên gọi thẳng là sợi.
Các quá trình đƣợc sử dụng để tách các bó sợi từ vỏ hay lá cây là khá đơn
giản. Đối với sợi lấy từ hạt (ví dụ xơ bơng) thƣờng tách khỏi hạt bằng cách rung
hay lắc cho đến khi sợi khơng cịn bám vào hạt. Kỹ thuật bóc vỏ và ngâm cho
mềm thƣờng đƣợc áp dụng để tách các bó sợi từ vỏ và lá của cây cho sợi. Kích
thƣớc của bó sợi phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật của quá trình. Một loại
máy bóc vỏ đƣợc sử dụng để tƣớc các bó sợi từ thân hay lá. Theo phƣơng án

khác nhau, lá đƣợc cào và đập vỡ bằng một hệ thống trục quay với các lƣỡi dao
cùn sao cho chỉ còn sợi ở lại. Sợi tách ra nhƣ vậy đƣợc rửa sạch trƣớc khi sấy
dƣới ánh sáng mặt trời hay dùng khơng khí nóng. Tiến hành chải sợi khơ và
phân loại thành các mức chất lƣợng khác nhau. Hạt hoặc vỏ đã tách khỏi hạt (ví
dụ trấu) đƣa đi xử lý hóa học hay sinh học để nhận đƣợc các bó sợi. Đồng thời
ở đây có hai phƣơng án làm mềm: phơi ngoài trời và ngâm nƣớc. Phơi ngoài
trời nhằm mục đích làm cho thân cây mục rữa. Trong quá trình đó phải bảo đảm
sợi vỏ tách ra khỏi phần ruột mà không giảm chất lƣợng đáng kể. Phƣơng án


5

phơi ngoài trời khá phổ biến ở châu âu mặc dù phụ thuộc rất nhiều vào địa lý,
sợi nhận đƣợc thô hơn và chất lƣợng thấp hơn so với phƣơng án ngâm nƣớc.
Ngâm nƣớc bằng cách cho thân cây vào bồn đựng nƣớc hay dìm dƣới sơng có
nƣớc chảy chậm – phƣơng án này đòi hỏi một lƣợng nƣớc lớn để rửa sạch nên
đắt nhƣng sợi có chất lƣợng cao hơn.
1.1.2. Thành phần hóa học và cấu tạo của sợi thực vật
Thành phần hóa học của sợi thực vật nói chung bao gồm: xenlulozơ,
hemixenlulozơ, lignin, pectin, sáp và các hợp chất hịa tan trong nƣớc. Xenlulozơ
là thành phần chính của sợi thực vật rồi đến hemixenlulozơ, lignin và pectin.
Sợi đơn của tất cả sợi thực vật cấu tạo từ một số tế bào. Những tế bào đó
tạo thành từ các sợi tế vi (microfibril) có cấu trúc tinh thể của xenlulozơ, chúng
liên kết với nhau nhờ lignin và hemixenlulozơ vô định hình để tạo thành lớp
hồn chỉnh bố trí theo hình xoắn ốc [1].
1.1.2.1. Xenlulozơ
Xenlulozơ là hợp chất cao phân tử, cấu tạo từ nhiều mắt xích anhyđro-βD-glucopyranoza (gọi ngắn gọn là D-glucoza).
Các đơn vị mắt xích của xenlulozơ chứa ba nhóm hyđroxi tự do (khơng ở
dạng liên kết), một nhóm hydroxi ancol bậc 1, hai nhóm hidroxi ancol bậc 2. Các
nhóm hydroxi ở mỗi đơn vị mắt xích liên kết với nguyên tử cacbon ở vị trí 2,3 và

6. Các đơn vị mắt xích D-glucoza trong xenlulozơ có dạng vịng 6 cạnh
(pyranoza). Các mắt xích đƣợc nối với nhau nhờ liên kết glucozit. Liên kết giữa
các mắt xích là

-glycozit. Đơn vị mắt xích của glucozơ có dạng

-anome.


6

Hình 1.2. Cấu tạo hóa học của phân tử xenluloza thể hiện theo phương
pháp phối cảnh Haworth
Đơn vị mắt xích của xenlulozơ là anhyđro-β-D-glucopyranoza. Về phƣơng
diện cấu tạo mạch, cứ sau hai đơn vị mắt xích, cấu tạo mạch lại đƣợc lặp lại. Do
đó ta có thể coi xenlulozơ là polyme điều hịa khơng gian.

Hình 1.2.1. Phân tử xenluloza đƣợc biểu diễn trên cơ sở
Coi xenlobioza là đơn vị cấu trúc mạch
Các đơn vị mắt xích của xenlulozơ có cấu dạng hình ghế. Ứng với sự định
hƣớng khác nhau của nhóm thế, có thể tồn tại hai cấu trúc dạng ghế khác nhau.
Ở các cấu trúc dạng ghế khác nhau, các nhóm hydroxyl có hoạt tính khác nhau.
Nói chung, ở điều kiện thƣờng, các mắt xích có cấu dạng ghế 4C1

Hình 1.3: Cấu trúc hóa học của xenlulozơ


7

Xenlulozơ là polyme tƣơng đối cứng, các đại phân tử có mức độ bất đối

xứng cao do cấu trúc mạch vịng của mắt xích, do nhóm –OH có cực cao và liên
kết mạnh giữa các phân tử của chúng. Liên kết giữa các phân tử xenlulozơ đƣợc
thực hiện bằng các lực vật lý với năng lƣợng liên kết nhỏ (thí dụ, lực Van der
Waals) và bằng liên kết hiđro. Trong xenlulozơ khơ hầu nhƣ tất cả các nhóm –
OH đều tham gia tạo thành liên kết hiđro [1].

Hình 1.4: Liên kết hiđro giữa các phân tử xenlulozơ
Cấu trúc cơ bản của xenlulozơ trong tự nhiên có chiều dài khoảng
100

250 nm, với tiết diện ngang hình chữ nhật có cạnh khoảng 3nm và 7

10

nm. Với đại phân tử xenlulozơ có kích thƣớc khoảng 5000 nm, các mạch
xenlulozơ có thể trải qua nhiều vùng tinh thể và vơ định hình hoặc tồn tại ở dạng
gấp nếp trong phạm vi một tinh thể. Các tinh thể cùng với các vùng vơ định hình


8

tập hợp thành tổ chức lớn hơn gọi là vi xơ. Các vi xơ tập hợp thành tổ chức lớn
hơn gọi là xơ. Các bó mạch có dạng sợi tập hợp lại thành lớp [25].
1.1.2.2. Hemixenlulozơ
Hemixenlulozơ là hỗn hợp của một số loại polysaccarit phi xenlulozơ.Khi
thủy phân, chủ yếu tạo ra một số đồng phân lập thể thuộc pentozơ và một số
đồng phân lập thể thuộc hexozơ. Các đơn vị mắt xích của các polysaccarit
hemixenlulozơ thƣờng là vịng anhydro của các saccarit nhƣ D-glucozơ, Dmannozơ, D-galactozơ (thuộc hexozơ), D-xylozơ, L-arabinozơ (thuộc pentozơ).
Hemixenlulozơ gồm các polysaccarit mà phân tử có thể là homopolyme
hoặc copolyme. Hemixenlulozơ dạng homopolyme, tức là mạch phân tử chỉ tạo

thành từ một loại đơn vị mắt xích, tồn tại rất ít trong thực vật. Dạng
hemixenlulozơ thƣờng gặp hơn cả là copolyme, hay polysaccarit hỗn tạp, mạch
phân tử bao gồm các loại đơn vị mắt xích khác nhau.
Ngồi anhiđro của các saccarit thuộc hexoza và pentoza đã kể ở trên, trong
thành phần của một số polysaccarit hemixenlulozơ còn có các đơn vị axit Dglucuronic, axit 4-O-metyl-D-glucuronic và D-galacturonic. Thêm nữa, một số
polysaccarit hemixenlulozơ cịn liên kết với nhóm axetyl, làm cho thành phần
của hemixenlulozơ trở nên phức tạp hơn [9].

O

HO

H

С
H С OH
HO С H O
H С OH
CH 2

С H
H С OH
HO С H
H С OH
CH 2OH
D-xyloza

H
H
hc

β-D-xylopiranoza

HO

O
H
OH H

OH
H

H

OH


9

O
С H
H С OH
HO С H
HO С H
CH 2OH

HO H
С
H С OH
O HO С H

С H
CH 2OH

HO
HO
H
H

С H
С H
С H
С OH
C OH
CH 2OH

HO

H
HO
HO
H

С H
С OH
С H
С H
C OH
CH 2OH

D-galactoza

HOCH 2 OH H
H

H

OH

HO
HO
H
H

H

С
С H
С H O
С OH
C
CH 2OH

hc

CH 2OH
O OH
H
H
OH OH
HO

H
H H

β-D-mannopiranoza

D-mannoza

O

hc

OH

α-L-abinofuranoza

L-arabinoza

O

O

H

HO
H
HO
HO
H

H

С
С OH
С H O
С H
C
CH 2OH

HO
hc

β-D-galactopiranoza

H

CH 2OH
O OH
H
OH H
H
H OH


10

O
H
HO
H
H

С H
С OH
С H
С OH
C OH
COOH

H OH
С
COOH
H С OH
O H
H
H
HO С H O hc
OH H
H С OH
HO
OH
H C
H OH
COOH

Axit D-glucoronic

O
H
HO
HO
H

С H
С OH
С H
С H
C OH
COOH

Axit D-galacturonic

O
H
H
HO
HO

С H
С OH
С OH
С H
C H
CH 3
L-ramnoza

;

COOH
O H
H
H

OH H
H3CO
OH
H OH

Axit α-D-glucoronic Axit 4-O-metyl-α-D-glucoronic

H OH
С
H С OH
HO С H O
HO С H
H C
COOH

hc

COOH
O H
HO
H
OH H
H
OH
H OH

Axit α-D-galacturonic

HO H
С

H С OH
H С OH
O
HO С H
C H
CH 3

H
HO
hc

α-L-ramnopiranoza

H

O
CH 3
H H

OH
H

OH OH


11

O
HO
H

H
HO

С H
С H
С OH
С OH
C H
CH 3
L-fucoza

HO H
С
HO С H
H С OH
O
H С OH
C H
CH 3

H
H
hc

HO

O
CH 3
H OH

OH
H

OH H

α-L-fucopiranoza

Hình 1.5: Các monosacarit tạo thành mạch đại phân tử polysacarit
Hemixenlulozơ khác với xenlulozơ ở ba điểm. Thứ nhất, chúng chứa một
vài đơn vị đƣờng, trong lúc đó xenlulozơ chỉ chứa các đơn vị 1,4-β-Dglucopyrano. Thứ hai, chúng thể hiện độ phân nhánh cao của mạch phân tử,
trong lúc đó xenlulozơ là một polyme mạch thẳng thuần túy. Thứ ba, độ trùng
hợp của xenlulozơ từ mƣời đến một trăm lần cao hơn so với hemixenlulozơ.
Khác với xenlulozơ, thành phần của hemixenlulozơ không đồng nhất giữa các
loại cây cho sợi [1]. Hemixenlulozơ, cũng nhƣ các polysacarit tan trong nƣớc,
khơng hịa tan trong các dung môi hữu cơ mà ngƣời ta thƣờng sử dụng để tách
các chất cần chiết xuất, song khác với các polysacarit này, các hemixenlulozơ
không tan trong nƣớc. Khác với xenlulozơ, hemixenlulozơ lại hòa tan trong các
dung dịch kiềm và dễ chịu tác dụng của các dung dịch axít vơ cơ loãng, tức dễ bị
thủy phân.
Độ trùng hợp của hemixenlulozơ vào khoảng 100-200 với chênh lệch dao
động từ 30 đến 300 và hơn nữa, có nghĩa là chuỗi mạch của hemixenlulozơ ngắn
hơn của xenlulozơ rất nhiều. Hemixenlulozơ không đồng nhất về phân tử lƣợng.
Độ đa tán của chúng lớn hơn so với của xenlulozơ. Sự đa dạng về tính chất của
các polysacarit gây rất nhiều khó khăn trong việc phân loại chúng. Polysacarit


12

của hemixenlulozơ cịn đƣợc phân loại thành nhóm axit (chứa các mạch axit
uronic) và trung tính.

Về thành phần hóa học, hemixenlulozơ phức tạp hơn nhiều so với
xenlulozơ. Xenlulozơ là homopolyme, chỉ tạo thành từ một loại đơn vị mắt xích
β-D-glucoza. Trong khi đó, các polysaccarit đã nghiên cứu ở trên đều đƣợc tạo
thành từ hai hoặc nhiều loại đơn vị mắt xích. Các đơn vị mắt xích là đồng phân
lập thể thuộc hexoza hoặc pentoza cũng nhƣ dẫn xuất uronic của hexoza. Thành
phần của copolyme hay tỷ lệ giữa các loại đơn vị mắt xích phụ thuộc vào lồi
cây.
Cấu tạo đơn vị mắt xích và liên kết giữa chúng trong mạch phân tử
polysaccarit của hemixenlulozơ cũng phức tạp hơn nhiều so với xenlulozơ.
Ở xenlulozơ, đơn vị mắt xích chỉ có cấu tạo vịng pyranoza, dạng β, trong
khi đó, ở hemixenlulozơ, đơn vị mắt xích có thể ở dạng vịng pyranoza và
furanoza, anome α hoặc β.
So với xenlulozơ, liên kết giữa các đơn vị mắt xích trong hemixenlulozơ
cũng phức tạp hơn. Ở xenlulozơ, các đơn vị nối với nhau nhờ liên kết glycozit 14. Trong khi đó, ở hemixenlulozơ, liên kết giữa các đơn vị mắt xích có thể là
glycozit 1-6, 1-4, 1-3 và 1-2.
Do có nhiều loại liên kết và cấu tạo mạch phức tạp, các polysaccarit của
hemixenlulozơ có độ bền khác nhau đối với phản ứng phân hủy mạch, đồng thời
cũng có độ bền khác với xenlulozơ.
Về hình dạng mạch, xenlulozơ là polyme mạch thẳng. Ngƣợc lại,
hemixenlulozơ có cả mạch thẳng và mạch phân nhánh. Một số ít polysaccarit có
độ phân nhánh cao.


13

Về trạng thái pha hoặc trạng thái tập hợp phân tử, do cấu tạo phân tử phức
tạp và không đồng nhất, hemixenlulozơ phần lớn tồn tại ở trạng thái vô định
hình, chỉ một phần nhỏ ở vùng tinh thể. Do đó, đối với hemixenlulozơ, các tác
nhân hóa lý và hóa học dễ tiếp cận hơn so với xenlulozơ. Hơn nữa
hemixenlulozơ thƣờng có độ trùng hợp nhỏ (100-200). Trong khi đó, độ trùng

hợp của xenlulozơ đạt tới bốn hoặc năm chữ số, nên khả năng hòa tan của
hemixenlulozơ cao hơn so với xenlulozơ. Chẳng hạn, hemixenlulozơ hòa tan
đƣợc trong dung dịch NaOH 16-18%, trong khi đó, xenlulozơ tự nhiên khơng
hịa tan đƣợc trong dung dịch này. Chỉ có phần xenlulozơ mạch ngắn, sản phẩm
của quá trình phân hủy dƣới tác động của q trình nấu, tẩy là hịa tan đƣợc
trong dung dịch trên. Tất nhiên, khả năng hòa tan của hemixenlulozơ tốt hơn
xenlulozơ còn do các đặc điểm về cấu tạo và cấu trúc của hemixenlulozơ:
hemixenlulozơ chứa nhóm uronic, phân tử tồn tại ở vùng vơ định hình.
Giữa hemixenlulozơ và xenlulozơ có nét tƣơng đồng, đó là khả năng tham
gia phản ứng biến đổi tƣơng tự polyme, tức là các quá trình hóa học chỉ dựa trên
cơ sở biến đổi nhóm chức hiđroxyl.
Tuy vậy, do mạch phân tử quá ngắn, lại dễ bị phân hủy đứt mạch trong
quá trình nấu, tẩy nên hemixenlulozơ ít đƣợc sử dụng dƣới dạng dẫn xuất cao
phân tử nhƣ đối với xenlulozơ [9].
1.1.2.3. Lignin
Lignin là hợp chất cao phân tử có đặc tính thơm,bộ khung của đơn vị mắt
xích là phenyl propan.


14

Hình 1.6. Đơn vị cấu tạo cơ bản của lignin [9].
Lignin không tồn tại trong thực vật bậc thấp nhƣ rong, tảo, nấm,...Thành
phần hóa học của lignin thay đổi tùy theo loài thực vật. Lignin của thực vật đƣợc
chia làm ba loại:
1. Lignin gỗ lá kim
2. Lignin gỗ lá rộng.
3. Lignin cây thân thảo và cây hàng năm.
Lignin gỗ lá kim gồm các đơn vị mắt xích guaiacylpropan (I) (4-hiđroxi-3metoxy phenylpropan).
Lignin gỗ lá rộng, ngồi guaiacylpropan, cịn chứa các đơn vị mắt xích

3,5-dimetoxy-4-hiđroxi phenylpropan (II).
Lignin các lồi thân thảo, ngồi các đơn vị mắt xích trên, cịn có 4-hiđroxi
phenylpropan (III).
Lignin họ tre và họ cọ có thể xếp vào nhóm III.
Các nhóm chức có ảnh hƣởng nhiều nhất đến tính chất của lignin là nhóm
hiđroxyl phenol, hiđroxyl ancol benzylic và nhóm cacbonyl. Hàm lƣợng của các


15

nhóm chức thay đổi tùy theo lồi thực vật và tùy thuộc vị trí của lignin ở lớp liên
kết, lớp sơ cấp hay thứ cấp của tế bào thực vật [9].
Trong tế bào thực vật, lignin tham gia liên kết hidro với xenlulozơ và
hemixenlulozơ với năng lƣợng liên kết lớn.Bên cạnh liên kết hidro, giữa các hợp
chất cao phân tử của thành tế bào cịn có tƣơng tác Van der waals, tƣơng tác này
cũng góp phần cản trở q trình hịa tan của lignin dƣới tác dụng của dung mơi
hoặc khi nấu xenlulozơ.
Lignin không tan trong các dung môi thông thƣờng ở điều kiện thƣờng, do
giữa lignin và các polisaccarit của thực vật tồn tại liên kết hóa học.
Để phân chia các đại phân tử lignin thành các phần nhỏ hơn, hòa tan đƣợc
vào dung dịch, cần phải dùng các hóa chất có tác dụng mạnh. Ngay cả trong các
trƣờng hợp đó, ta cũng khơng thể tách hồn tồn lignin khỏi sợi thực vật.

1.1.2.4. Pectin
Pectin là một polysaccharide phi xenlulozơ tồn tại phổ biến trong thực vật,
là thành phần tham gia xây dựng cấu trúc tế bào thực vật. Ở thực vật pectin tồn
tại chủ yếu ở 2 dạng là pectin hịa tan và protopectin khơng hịa tan. Dƣới tác
dụng của acid, enzyme protopectinaza hoặc khi gia nhiệt thì protopectin chuyển
thành pectin. Phân tử của chúng bao gồm các đơn vị mắt xích axit α-Dgalacturomic. Các đơn vị này nối với nhau nhờ liên kết glucozit 1-4. Phân tử khối
từ 20.000 - 200.000 đvC.

Mỗi đơn vị mắt xích chứa một nhóm cacboxyl ở vị trí C6. Các nhóm axit
này tồn tại ở trạng thái tự do hoặc dƣới dạng liên kết este (metyl este). Trong
pectin tự nhiên thƣờng ở khoảng ¾ số nhóm axit bị metyl hóa.


16

Ở thực vật pectin tồn tại chủ yếu ở 2 dạng là pectin hịa tan và protopectin
khơng hịa tan. Dƣới tác dụng của acid, enzyme protopectinaza hoặc khi gia nhiệt
thì protopectin chuyển thành pectin.
Pectin thƣơng mại đƣợc phân chia thành hai loại với mức độ thế DS khác
nhau. Loại pectin mức độ este hóa thấp có DS < 0,5, loại pectin với mức độ thế
cao có DS > 0,5. Tùy theo mục đích sử dụng, ta có thể lựa chọn loại pectin với
mức độ este hóa thích hợp.
Ở pectin tự nhiên, các nhóm hiđroxyl ở C2 và C3 của mỗi đơn vị mắt xích
có thể bị este hóa một phần bởi axit axetic hoặc axit photphoric.
Một phần nhóm axit khơng este hóa tham gia tạo liên kết ngang với ion
canxi và magie.
Dƣới tác dụng của xúc tác axit hoặc xúc tác sinh học pectinlaza, pectin bị
thủy phân thành axit D-galacturonic. Trong đó, metyl este cũng bị phân hủy.
Pectin dạng polyme, trong đó nhóm cacboxyl hồn tồn tự do, gọi là axit pectinic.

Trong tự nhiên, pectin không tồn tại độc lập mà thƣờng đi kèm với
polysaccarit khác, khi thủy phân tạo ra L-arabinoza và D-galactoza. Pectin cùng
với các polysaccarit này gọi là các chất pectin. Tỷ lệ giữa các đơn vị
monosaccarit và dẫn xuất thay đổi trong khoảng rộng. Các chất pectin thuộc
nhóm polyuronit vì có nhóm monome uronic.
Các nhà khoa học cho rằng, trong thực vật, các thành phần trong các chất
pectin khơng chỉ tƣơng tác hóa lý mà cịn có liên kết hóa học. Có tác giả cho
rằng, các chất pectin có mạch chính là polyme tạo thành từ các đơn vị mắt xích

17

D-galacturonic, với các nhánh gồm các đơn vị mắt xích D-galacotopyranoza và
L-arabinofuranoza, liên kết 1-2 và 1-3.
Khối lƣợng phân tử pectin dao động trong khoảng 3000 – 280000, tùy
thuộc nguồn gốc thực vật.
Dung dịch pectin có độ nhớt cao và có khả năng gelatin hóa. Khả năng
này xuất hiện ở pectin có khối lƣợng phân tử cao hơn 20000.
Độ hịa tan của pectin trong nƣớc phụ thuộc vào mức độ este hóa nhóm
cacboxyl. Mức độ este hóa càng cao, độ hịa tan càng cao, nhƣng khả năng
gelatin hóa lại càng giảm.
Ở các loài thực vật khác nhau, các chất pectin có thể tồn tại ở quả, lá hay ở
thân gỗ hoặc vỏ cây.
Pectin có ở lớp liên kết các tế bào. Trong thời kỳ sinh trƣởng, pectin ở lớp
này liên tục biến đổi. Có lẽ pectin đảm bảo độ bền và độ dẻo của phần cây non.
Sau đó, chất pectin chuyển hóa và hàm lƣợng của chúng giảm đi.
Chất pectin trƣơng mạnh trong nƣớc. Nƣớc đƣợc giữ bởi các chất pectin
rất khó bay hơi. Do đó, thực vật có nhiều pectin có thể chịu đƣợc điều kiện khí
hậu khắc nhiệt. Có lẽ pectin cũng đóng vai trị trao đổi nƣớc trong thời kỳ sinh
trƣởng của cây.
Tuy vậy, về cấu tạo hóa học, các chất pectin rất gần với hemixenlulozơ.
Với các đặc tính riêng, pectin đƣợc ứng dụng trong nhiều nghành cơng
nghiệp và đời sống nhƣ sau:
+) Ứng dụng chính của pectin là nhƣ một chất tạo keo, làm dày và ổn định
trong thực phẩm.
+) Trong y học, pectin làm tăng độ nhớt, khối lƣợng phân để nó đƣợc sử
dụng để chống táo bón và tiêu chảy. Pectin cũng đƣợc sử dụng trong viên ngậm