ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MƠI TRƯỜNG

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU CHẾ MICROCRYSTALLINE CELLULOSE TỪ SỢI
CHUỐI VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU

NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG
CHUN NGÀNH: CNMT KHƠNG KHÍ VÀ CHẤT THẢI RẮN

SVTH: HỒ DIỆU LY
GVHD: TS. TRƯƠNG THỊ CẨM TRANG
KHÓA HỌC: 2016- 2020

TP. Hồ Chí Minh - 2020


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MƠI TRƯỜNG

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU CHẾ MICROCRYSTALLINE CELLULOSE TỪ SỢI
CHUỐI VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU

Ngành: Công nghệ kỹ thuật môi trường
Chuyên ngành: Cơng nghệ mơi trường khơng khí và chất thải rắn

Sinh viên thực hiện: HỒ DIỆU LY
Giáo viên hướng dẫn: TRƯƠNG THỊ CẨM TRANG
Khóa học: 2016- 2020

TP. Hồ Chí Minh – 2020


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Khoa Môi trường Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ
và tạo điều kiện cho em được làm việc trong phịng thí nghiệm của Khoa. Em xin
cảm ơn những kiến thức mà các thầy cô trong Khoa đã giảng dạy trong suốt thời gian
qua để em có được nền tảng kiến thức bổ ích và cần thiết để em có thể thực hiện tốt
nhất đề tài.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Tiến Sĩ Trương Thị Cẩm Trang đã tận
tình chỉ dẫn và giúp đỡ em hồn thành luận văn. Cơ đã nhiệt tình chỉ dạy và hướng
dẫn em từng bước hồn thành các bước thí nghiệm, nêu và hoàn thành các vấn đề đã
đặt ra một cách chỉnh chu và đạt kết quả tốt nhất. Một lần nữa em xin gữi đến cô lời
cảm ơn và tri ân chân thành nhất.
Em cũng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến q thầy cơ phụ trách phịng thí nghiệm
đã giúp đỡ và hỗ trợ em nhiệt tình khi có vấn đề hay sự cố về thiết bị, hóa chất trong
suốt thời gian làm thí nghiệm.

Trân trọng cảm ơn gia đình và bạn bè đã ln quan tâm, giúp đỡ và động viên
trong suốt quá trình em thực hiện đề tài.
Do hạn chế về thời gian, điều kiện cũng như trình độ hiểu biết nên đề tài nghiên
cứu khơng tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp của các
thầy các cơ để nghiên cứu được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 8 năm 2020
Sinh viên thực hiện
Hồ Diệu Ly

i


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, sử dụng thân cây chuối để thực hiện quá trình điều chế
Microcrystalline Cellulose (MCC) và khảo sát một số tính chất của vật liệu. Q trình
phân lập cellulose, 𝛼-cellulose, MCC được thực hiện thông qua ba giai đoạn là xử lý
kiềm, tẩy trắng và xử lý acid. Quá trình xử lý kiềm được khảo sát bằng cách thay đổi
nồng độ NaOH lần lượt là 5%, 8%, 10% tương ứng với các điều kiện thời gian phản
ứng khác nhau: 4 giờ, 8 giờ, 14 giờ ở nhiệt độ thường và trong điều kiện gia nhiệt.
Cellulose tinh khiết thu được sau quá trình tẩy trắng đã được loại bỏ các tạp chất hữu
cơ, lignin, sáp,… Sau đó tiến hành khảo sát quá trình thủy phân cellulose tạo thành
Microcrystalline Cellulose bằng acid ở các điều kiện thủy phân khác nhau: nồng độ
acid thủy phân lần lượt là 1%; 3%; 5%; 7% trong thời gian thủy phân là 2 giờ và nhiệt

độ 80℃. Ngoài ra các khảo sát nhằm xác định cấu trúc của vật liệu được thực hiện là
chụp FTIR, chụp SEM nhằm xác định cấu trúc bề mặt vật liệu cũng như xem xét sự
hiện diện của các nhóm chức hữu cơ trong mẫu. MCC sau khi tổng hợp thành công
được sử dụng để làm chất độn gia cố cho màng nhựa sinh học từ tinh bột sắn bằng
phương pháp đúc dung dịch.
Kết quả nghiên cứu cho thấy đã chế tạo thành công vật liệu MCC từ sợi chuối
với hiệu suất điều chế MCC đạt 34.22%, tìm ra được điều kiện tối ưu của quá trình
tổng hợp MCC ứng với nồng độ NaOH là 8% trong 8 giờ, nồng độ acid là 3M . Bước
đầu chế tạo được màng nhựa sinh học từ Tinh bột/Cellulose kết hợp Glyxerin làm
chất hóa dẻo cho kết quả khả quan trong việc ứng dụng trong bioplastic.

ii


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

ABSTRACT
In this study, banana Pseudostem Fibre was used to make Microcrystalline
Cellulose (MCC) preparation and investigated some properties of the material. The
process of isolating cellulose, α-cellulose, MCC is done through three phases:
alkaline treatment, bleaching, acid treatment. The alkaline treatment process was
investigated by changing the alkaline concentration of 5%, 8%, 10% respectively
with different reaction times: 4 hours, 8 hours and 14 hours. Purified cellulose
obtained after bleaching process has been removed organic impurities, lignin, wax ...
After that, investigating the hydrolysis of cellulose to form Microcrystalline Cellulose
by acid in different hydrolysis conditions: 1%; 3%; 5%; 7%, hydrolysis time is 2
hours.. In addition, the survey to determine the structure of the material was
conducted as FTIR scan, SEM scan to determine the surface structure of the material

as well as to consider the presence of organic functional groups in the sample. After
successful synthesis MCC is used as a filler to reinforce the biofilm from tapioca
starch by solution casting.
The results show that MCC material has been successfully fabricated from
banana fibers with MCC modulation efficiency of 34.22%, finding the optimal
conditions for the synthesis of MCC corresponding to the NaOH concentration is 8%
in 8 hour, the acid concentration is 3M. Initially fabricating a bioplastic film from
Starch / Cellulose combined with Glyxerin as a plasticizer.
Keywords: Microcrystalline Cellulose, cellulose, glyxerol

iii


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ I
TÓM TẮT .................................................................................................................II
ABSTRACT ............................................................................................................ III
MỤC LỤC ............................................................................................................... IV
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................... VII
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ VIII
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... IX
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI...............................................................................1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ......................................................................................2
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...............................................................3
4. NƠI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI........................................................................................3

5. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .................................... 4
1.1 TỔNG QUAN VỀ CÂY CHUỐI VÀ SỢI TỪ CÂY CHUỐI (SỢI CHUỐI) ....................4
1.1.1 Nguồn gốc, đặc điểm và sự phân bố cây chuối ở Việt Nam .....................4
1.1.2 Tính chất vật lý và thành phần hóa học của sợi chuối.............................6
1.2 TỔNG QUAN VỀ CELLULOSE, CELLULOSE TINH THỂ VÀ MCC .....................11
1.2.1 Tổng quan về Cellulose ............................................................................11
1.2.2 Tổng quan về Cellulose tinh thể ..............................................................13
1.2.3 Tổng quan về Microcrystalline Cellulose (MCC) ...................................15
1.3 TỔNG QUAN VỀ POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC ..............................................19
1.3.1 Khái niệm polyme phân hủy sinh học .....................................................19
1.3.2 Cơ chế phân hủy sinh học........................................................................19
1.3.3 Tác nhân gây phân hủy sinh học ............................................................20
1.4 CÁC NGUYÊN LIỆU TỔNG HỢP BIOPLASTIC TỪ TINH BỘT/ MCC .................21
1.4.1 Tinh bột .....................................................................................................21
iv


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

1.4.2 MCC từ sợi chuối .....................................................................................24
1.4.3 Chất hóa dẻo dùng để tổng hợp vật liệu Tinh bột - MCC ......................26
CHƯƠNG II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................... 27
2.1 NGUYÊN LIỆU, HĨA CHẤT VÀ THIẾT BỊ ..........................................................27
2.1.1 Ngun liệu và hóa chất ...........................................................................27
2.1.2 Dụng cụ và thiết bị ...................................................................................27
2.2 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP MCC TỪ SỢI CHUỐI .............................................27
2.2.1 Phương pháp chiết Microcrystalline Cellulose từ sợi chuối ..................27

2.2.2 Quy trình chung chiết Microcrystalline Cellulose (MCC) từ sợi chuối 29
2.2.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế MCC ...............30
2.3 PHƯƠNG PHÁP TẠO VẬT LIỆU BIOPLASTIC TỪ TINH BỘT VÀ MCC SỢI CHUỐI
...............................................................................................................................32
2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU MCC .33
2.4.1 Quang phổ hồng ngoại (FTIR) ................................................................33
2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ..............................................................34
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 35
3.1 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MCC TỪ SỢI CHUỐI................................................35
3.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phản ứng với NaOH...................35
3.1.2 Ảnh hưởng của nồng độ HCl phản ứng .................................................38
3.1.3 Quá trình tổng hợp MCC từ sợi chuối ....................................................40
3.2 MÀNG BIOPOLYMER TB/MCC KẾT HỢP GLYXERIN LÀM CHẤT HÓA DẺO ..43
3.3 ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC MCC VÀ MÀNG NHỰA SINH HỌC TỪ TB/MCC .......45
3.3.1 Phổ hồng ngoại của MCC từ sợi chuối ...................................................45
3.3.2 Phổ hồng ngoại của màng TB/MCC .......................................................47
3.3.3 Xác định hình thái cấu trúc bề mặt của MCC bằng chụp ảnh SEM.....48
3.3.4 Xác định hình thái cấu trúc bề mặt của màng bằng chụp ảnh SEM ....49
3.4 TÍNH TỐN HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA MCC VÀ MÀNG NHỰA TB/MCC .........49
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ I
v


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

PHỤ LỤC ................................................................................................................ IV
PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ KHẢO SÁT PHẢN ỨNG VỚI HCL TẠO MCC ..... IV

PHỤ LỤC 2: HÌNH ẢNH LIÊN QUAN ĐẾN QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ MCC
.................................................................................................................................. IV

vi


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ASTM: American Standard Testing Method
CNC: Cellulose nanocristalline
FAO: Food and Agriculture Organization of the United Nations
MCC: Microcrystalline Cellulose
MCC TH: Microcrystalline Cellulose tổng hợp
MCC TM: Microcrystalline Cellulose thương mại
PVOH: Polyvinyl alcohol
PE: PolyEthylene
PP: PolyPropylene
TB: Tinh bột
UNSW: University of New South Wales

vii


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1 Tính chất vật lý của sợi chuối ..................................................................... 7
Bảng 1. 2 Thành phần hóa học của sợi chuối ............................................................. 7
Bảng 1. 3 Tóm tắt kích thước các loại hạt cellulose I và cellulose II ....................... 17
Bảng 1. 4 Tính chất của MCC ................................................................................... 18
Bảng 1. 5 Nhiệt độ hồ hóa của một vài tinh bột tiêu biểu ......................................... 23
Bảng 2. 1 Ký hiệu mẫu khảo sát ảnh hưởng nồng độ và thời gian xử lý kiềm ......... 31
Bảng 2. 2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acid đến quá trình tổng hợp ................ 31
Bảng 3. 1 Bảng so sánh kết quả khảo sát điều kiện phản ứng kiềm ......................... 38
Bảng 3. 2 Ảnh hưởng nồng độ axit đến hiệu suất và màu sắc sản phẩm MCC ........ 38
Bảng 3. 3 Độ bền kéo và độ giãn dài của màng TB/ MCC ....................................... 43
Bảng 3. 4 Tính tốn chi phí chiết MCC từ sợi chuối ................................................ 50
Bảng 3. 5 Tính tốn chi phí Tạo màng TB/MCC từ sợi chuối.................................. 51

viii


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Sợi chuối ....................................................................................................ix
Hình 1. 2 Cấu trúc của hemicellulose ......................................................................... 8
Hình 1. 3 Cấu trúc của lignin ...................................................................................... 9
Hình 1. 4 Cấu trúc của cenlulose estes...................................................................... 11
Hình 1. 5 Cấu trúc cellulose...................................................................................... 11
Hình 1. 6 Sơ đồ đơn vị cấu trúc của cellulose........................................................... 13
Hình 1. 7 Sơ đồ các đơn vị tế bào của cellulose Iα ................................................... 14

Hình 1. 8 MCC thương mại ...................................................................................... 16
Hình 1. 9 Ảnh SEM của MCC ( R. J. Moon et al, 2011) .......................................... 17
Hình 1. 10 Cơ chế phân hủy sinh học của polyme.................................................... 21
Hình 1. 11 Cơng thức cấu tạo của amyloza…………………………………………24
Hình 1. 12 Cơng thức cấu tạo của amylopectin……………………………………..24
Hình 1. 13 Một số chất hóa dẻo dùng cho tổng hợp vật liệu PVA/TB ..................... 26
Hình 2. 1 Quy trình chung chiết MCC từ sợi chuối .................................................. 29
Hình 2. 2 Sơ đồ thực nghiệm tổng hợp chế tạo màng Tinh bột - MCC .................... 33
Hình 3. 1 Sợi chuối sau khi phản ứng NaOH ở điều kiện phản ứng khác nhau ....... 35
Hình 3. 2 Phổ FTIR của MCC được xử lý bằng NaOH_M3; M2; M5 .........................
Hình 3. 3 Mẫu MCC khảo sát nồng độ và thời gian phản ứng với NaOH ............... 37
Hình 3. 4 Cellulose từ sợi chuối (a); MCC từ sợi chuối (b) ..................................... 40
Hình 3. 5 Quá trình chiết MCC từ sợi chuối ............................................................. 41
Hình 3. 6 Sơ đồ quy trình chiết MCC từ xơ chuối .................................................... 42
Hình 3. 7 Màng TB/MCC từ sợi chuối (a); Màng TB/MCC thương mại (b) .......... 43
Hình 3. 8 FtiR Sợi chuối - Cellulose - Microcrystalline Cellulose ........................... 45
Hình 3. 9 FtiR của màng TB/MCC ........................................................................... 47
Hình 3. 10 Hình thái cấu trúc bề mặt của MCC ........................................................ 48
Hình 3. 11 SEM của màng sinh học TB/MCC 5% .................................................. 49
Hình PL 2. 1 Khảo sát điều kiện phản ứng với NaOH ..............................................iv
Hình PL 2. 2 Sợi chuối được rửa trung tính sau phản ứng kiềm ................................ v

ix


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

Hình PL 2. 3 Đun hồi lưu lần 1…………..…………..………..……….…………….v

Hình PL 2. 4 Đun hồi lưu lần 2……..………….………….………........……………v
Hình PL 2. 5 Đun hồi lưu lần 3…………………………..…………..….…………...vi
Hình PL 2. 6 Cellulose sau rửa trung tính……………………..…….…...…………vi
Hình PL 2. 7 MCC………………………..……………………...………………….vi

x


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, ơ nhiễm mơi trường là một trong những nguyên nhân chính đã và
đang gây ra sự biến đổi khí hậu tồn cầu, trong đó dư lượng nơng nghiệp là một trong
những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Đặc biệt là nguồn sinh khối
lignocellulose, bao gồm gỗ hay các loại thực vật phi gỗ chứa xơ, sợi trong các hoạt
động nông nghiệp đã tạo ra một nguồn thải to lớn, tuy nhiên chính những nguồn thải
này lại là những nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất ra các sản phẩm có giá trị.
Trên thế giới và trong nước đã có rất nhiều những nghiên cứu khác nhau để tái tạo lại
nguồn năng lượng vô tận này như nghiên cứu sử dụng rơm rạ, thân ngô, vỏ ngô, vỏ
sắn … để chế tạo vật liệu compozit, chất hấp phụ, nhiên liệu sinh học,… Và một
nguồn sinh khối quan trọng không kém cần phải kể đến đó là sợi chuối. Mặc dù được
đánh giá là một nguồn nguyên liệu sinh khối tiềm năng khơng kém gì rơm rạ hay các
phế phẩm từ cây ngô nhưng hiện nay nguồn nguyên liệu từ xơ chuối vẫn chưa được
sử dụng một cách có hiệu quả. Theo Đại học New South Wales (UNSW) của Úc,
trồng chuối là hình thức canh tác nơng nghiệp đặc biệt gây lãng phí, với chỉ 20% sinh
khối cây thực tế được sử dụng.Thân giả chiếm phần lớn phần còn lại và tuy nó có thể
ủ thành phân hoặc được sử dụng trong sản xuất sợi nhưng thực tế nó chỉ đơn giản là

biến thành rác, hoặc sử dụng làm thức ăn cho gia súc với nguồn dinh dưỡng khơng
cao. Đã có một số phương pháp tái sử dụng sợi chuối để chế tạo ra vật liệu dạng sợi
dệt, làm giấy và gỗ ép, chất đốt sinh hoạt, phân bón, đồ thủ cơng mỹ nghệ, quần áo,
bao bì thực phẩm,… tuy nhiên, giá trị sản phẩm tạo ra không cao, và hầu như sẽ lại
biến thành rác sau một thời gian sử dụng, phần còn lại bị vứt bỏ và phương thức xử
lý chủ yếu là đốt, gây lãng phí và gây ra khơng ít vấn đề mơi trường, từ đó ảnh hưởng
đến sức khỏe cộng đồng.
Trên thực tế, đã có một vài nghiên cứu nhằm tái sinh lại nguồn sinh khối này
với nhiều mục đích khác nhau như chế tạo biobased hấp phụ từ thân cây chuối (Snehal
R. Patil, 2017), tách chiết pectin từ vỏ chuối (Phaviphu Khamsucharit, 2017), tách
1


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

chiết tinh bột từ vỏ chuối (Pingyi Zhang, 2005), tạo bioethanol từ thân chuối (Tôn Nữ
Minh Nguyệt và cộng sự, 2017)… Tuy nhiên tính ứng dụng của những sản phẩm này
vào thực tế vẫn còn hạn chế do hàm lượng sản phẩm tạo ra không cao, lượng nguyên
liệu không dồi dào, và thực tế cho thấy một lượng lớn sinh khối nhất định là cellulose
từ thân giả cây chuối vẫn chưa được nghiên cứu một cách toàn diện và tái sinh hiệu
quả. Có thể thấy tại Việt Nam, nguồn dư lượng từ thân chuối hầu như không được
tận dụng lại mà chỉ sử dụng làm thức ăn cho vật nuôi và ủ phân là chủ yếu. Có thể
tìm thấy cây chuối ở gần như là khắp mọi nơi tại Việt Nam, do đó đây có thể được
coi là nguồn nguyên liệu dồi dào để có thể phát triển thành một loại vật liệu mới mang
tính ứng dụng cao và có khả năng khai thác kinh tế. Riêng đối với lĩnh vực bioplastic,
các nhà khoa học đã ứng dụng thành công các chất độn từ cellulose vi tinh thể nhằm
tăng tính năng cơ lý của vật liệu polymer đặc biệt là các polymer có nguồn gốc từ
tinh bột. Tuy nhiên, việc sử dụng tinh bột làm vật liệu màng cho thấy một số hạn chế

do rào cản cơ học, nhiệt và khí kém đặc tính và khả năng chống nước yếu hạn chế
ứng dụng của nó đặc biệt là khi có nước và độ ẩm (Yang et al, 2009). Thêm chất độn
như cellulose vào màng biopolymer để tạo nền gia cố là một cách đầy hứa hẹn để cải
thiện các thuộc tính này (Angles & Dufresne, 2000). Polysaccharide cấu tạo của tinh
bột và cellulose có cấu tạo hóa học giống nhau điều này làm cho nó có thể hình thành
liên kết hydro giữa cả hai thành phần (Kumar & Singh, 2008).
Vì vậy, nghiên cứu này nhằm định hướng tận dụng toàn bộ sinh khối từ thân
giả cây chuối, tạo ra nguồn vật liệu mới từ cellulose trong thân chuối là
Microcrystalline Cellulose có khả năng ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu composite,
từ đó tăng phạm vi ứng dụng, tăng giá trị sản xuất nông nghiệp, tạo thêm cơ sở để
phát triển công nghệ chế tạo sản phẩm đồng thời giải quyết bài toán bảo vệ mơi trường
từ dư lượng thải trong q trình trồng chuối là cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn to lớn.

2. Mục tiêu nghiên cứu
❖ Tận dụng lại nguồn phế phẩm nông nghiệp cụ thể là sợi chuối để tạo ra cellulose
vi tinh thể (MCC).

2


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Đối tượng nghiên cứu: Microcrystalline Cellulose (MCC) từ sợi chuối,

-


Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu theo quy mơ phịng thí nghiệm

4. Nơi thực hiện đề tài
Phịng thí nghiệm Khoa Mơi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại
học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.

5. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
❖ Nội dung nghiên cứu
-

Nghiên cứu chiết xuất Microcrystalline Cellulose từ sợi chuối.

-

Tổng hợp Nhựa sinh học từ Tinh bột/ MCC kết hợp glyxerol làm chất hóa dẻo.

❖ Phương pháp nghiên cứu
-

Phương pháp thu thập thông tin và tổng hợp tài liệu

-

Phương pháp chiết tách MCC

-

Phương pháp hóa lý nghiên cứu cấu trúc của vật liệu


-

Phương pháp xử lý số liệu

3


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan về cây chuối và sợi từ cây chuối (sợi chuối)
1.1.1 Nguồn gốc, đặc điểm và sự phân bố cây chuối ở Việt Nam
Chuối (Musa paradise) là tên gọi của các loài cây thuộc chi Musa, họ
Musaceae, bộ Zingiberales, có nguồn gốc từ vùng nhiệt đới ở Đông Nam Á và Úc.
Ngày nay, chuối được trồng khắp vùng nhiệt đới chủ yếu để lấy trái, và ở mức độ ít
hơn là thân dùng để trang trí và tận dụng trồng rau, lá chuối có thể sử dụng để gói
thực phẩm. Quả của những cây chuối có nhiều hột lớn và cứng, nhưng hầu hết loại
chuối được buôn bán để ăn là thiếu hột vì đã được thuần hóa lâu đời nên có bộ nhiễm
sắc thể đa bội (thường là tam bội).
Đặc điểm thực vật học của cây chuối:
-

Rễ: Chuối có rễ chùm, có hệ thống rễ con phân bố gần phủ kín bề mặt, hình
thành và phát triển ở phần thân ngầm.Rễ chùm được hcia làm hai loại là rễ
ngang và rễ thẳng. Rễ ngang mọc xung quanh củ chuối và phân bố ở lớp đất
mặt. Bề ngang rộng 2-3 cm, đường kính khoảng 5-10 mm, sinh trưởng khỏe
mạnh và có chức năng hút nước, hút dinh dưỡng, nước và khoáng. Rễ thẳng:
mọc phía dưới củ chuối, giúp cây đứng vững.


-

Thân: Là thân thật hay còn gọi là củ chuối, chuối là cây thân thảo lớn nhất,
thân có hình trịn dẹp có thể rộng đến 30cm. Củ chuối là cơ quan chủ yếu dự
trữ chất dinh dưỡng giúp cây phát triển tốt. Xung quanh củ chuối có nhiều
mầm ngủ, để sau này phát triển thành cây con.

-

Thân giả: Thân mọc lên từ củ chuối, chiều dài khoảng 6-7m, có hình trụ, do
nhiều bẹ lá lồng vào nhau tạo thành.

-

Lá chuối: Lá chuối mọc ra theo hình xoắn, chiều dài có thể lên đến 2.7m và
rộng 60 cm.

-

Hoa chuối: Hoa thuộc loài lưỡng tính, trên chùm có ba loại hoa là hoa cái, hoa
trung tính và hoa đực. a) Hoa cái: có đế hoa rất phát triển, chiếm 2/3 chiều dài
hoa. Giúp hình thành quả. b)Hoa trung tính: Có đế hoa kém phát triển, chiều
4


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly


dài bằng ½ chiều dài hóa, nhị đực khá phát triển, mọc với số lượng ít, mọc
giữa chùm hoa cái và hoa đực, khơng hình thành quả. c)Hoa đực: có nhị đực
rất phát triển, dài hơn cả đầu nhụy, đế hoa kém phát triển và có chiều dài bằng
1/3 chiều dài hoa, khơng hình thành quả, mọc tập trung ở ngọn.
-

Bắp chuối

-

Quả chuối: ra thành nải treo, mỗi tầng có khoảng 20 quả, mỗi buồng có khoảng
20 nải

-

Chồi mầm: được hình thành từ phần trên của củ chuối

Ở Việt Nam chuối là loại trái cây có diện tích và sản lượng cao chiếm 19% tổng
diện tích cây ăn trái của Việt Nam hàng năm, theo Tổ chức Lương thực và Nông
nghiệp Liên Hiệp quốc (FAO), Việt Nam có diện tích và sản lượng trồng chuối là
144,7 nghìn ha vào năm 2018, tuy nhiên diện tích trồng chuối lại khơng tập trung mà
phân bố rộng khắp các vùng. Do đặc điểm là loại cây ngắn ngày, nhiều cơng dụng và
ít tốn diện tích nên chuối được trồng ở rất nhiều nơi trong các vườn cây ăn trái và hộ
gia đình là chủ yếu. Một số tỉnh miền Trung và miền Nam có diện tích trồng chuối
khá lớn như Thanh Hóa, Nghệ An, Khánh Hịa, Đồng Nai, Sóc Trăng, Cà Mau có
diện tích từ 3.000 ha đến gần 8.000 ha. Trong khi đó các tỉnh miền Bắc có diện tích
trồng chuối lớn nhất như: Hải Phòng, Nam Định, Phú Thọ…chưa đạt đến 3.000 ha.
Các loài và giống chuối trồng phổ biến ở Việt Nam
➢ Nhóm chuối hoang dại: Chuối hột rừng Musa balbisiana (nhị bội)
➢ Nhóm chuối ăn có quả khơng hạt

1-Nhóm chuối tiêu (Miền Bắc), chuối già (Miền Nam) (Cavendish): tiêu (già)
lùn, tiêu nhỏ, tiêu cao
2-Nhóm chuối tây (chối sứ, chuối xiêm)
3-Nhóm Chuối bom
4-Nhóm Chuối ngự: Bao gồm chuối ngự tiến, chuối ngự mắn.
5-Nhóm Chuối ngốp: Bao gồm giống ngốp cao, ngốp thấp
6-Nhóm chuối hột: Bao gồm chuối hột rừng và chuối hột trồng.
7-Nhóm chuối làm cây cảnh: Có rất nhiều lồi từ đơn bội đến đa bội. Loài phổ
biến nhất là chuối trăn nải
5


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

Tuy nhiên khi trồng chuối, con người mới chỉ sử dụng có 12% sinh khối là quả.
Sau mỗi vụ thu hoạch thân chuối thường sẽ bị đón bỏ, một lượng nhỏ số đó được
dùng vào sản xuất hàng dệt, ủ phân hoặc được người dân sử dụng để làm thức ăn cho
gia súc, gia cầm. Tuy nhiên giá trị về mặt dinh dưỡng khơng cao, thân chuối chỉ có
tác dụng tạo cảm giác no lâu cho vật nuôi nên thường phải bổ sung thêm các thức ăn
dinh dưỡng khác cho vật nuôi. Do đó thành phần thân giả của cây là một nguồn khai
thác nguyên liệu cellulose tiềm năng cho việc nghiên cứu phát triển vật liệu gia cố
cho màng polymer phân hủy sinh học.

1.1.2 Tính chất vật lý và thành phần hóa học của sợi chuối
➢ Tính chất vật lý của sợi chuối
Trong mỗi lớp vỏ của thân cây chuối có ba lớp riêng biệt: (1) Lớp ngồi gồm
biểu bì chứa các bó sợi phân bố trong thể mơ mềm; (2) Lớp giữa gồm các mô mạch
sợi chứa nhiều nước; (3) Lớp trong gồm các mơ mềm. Sợi chuối có dạng bó, gồm các

hình đa giác của sợi tơ cơ bản (có hoặc khơng có các góc được làm trịn) hoặc hình
bầu dục. Dọc theo chiều dài bó sợi có một lớp silicdioxit.

Hình 1. 1 Sợi chuối

6


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

Bảng 1. 1 Tính chất vật lý của sợi chuối (Handbook of Fiber Chemistry)
Khối lượng riêng

1.2- 1.1 ( g/cc )

Độ xốp

17-21 (%)

Độ hút ẩm

9.5%

(điều kiện 65%,700F)

➢ Tính chất hóa học của sợi chuối

Bảng 1. 2 Thành phần hóa học của sợi chuối ( R Bhatnagar et al, 2015)

Cellulose (%)

60-65

Hemi cellulose (%)

6-19

Lignin (%)

5-10

Pectin (%)

3-5

Chất béo (%)

3-6

Tro (%)

1-3

Nhìn chung, thành phần hóa học chủ yếu của chuối là cellulose chiếm tỷ lệ khá
cao, là tiền chất để tổng hợp MCC và ứng dụng cho các mục đích khác nhau đặc biệt
là ứng dụng gia cố cho vật liệu bioplastic. Thành phần tế bào của sợi chuối bao
gồm các polymer tự nhiên: cellulose, hemicellulose, lignin, pectin,... và các thành
phần vô cơ khác. Trong vách tế bào, các chuỗi cellulose song song tạo thành
cellulose microfibrils liên kết với hemiaellulose và ma trận lignin. Có các vùng vơ

định hình và tinh thể xen kẻ trong microfibrils, các vùng tinh thể được gọi là tinh thể
cellulose và chúng được hình thành bởi các chuỗi cellulose do tương tác Van der
Waals và liên kết hydro. Phần vơ định hình bao gồm hemixenlulo và lignin, nhóm
chức -OH của cellulose và nhóm -COOH, -OH của hemicellulose làm cho bề mặt
sợi có tính ưa nước dẫn đến góc thấm ướt và năng lượng bề mặt của sợi giảm khi
cho tiếp xúc với nước.
7


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

Hemicellulose tồn tại song song với cellulose trong tế bào thực vật. Trong khi
cellulose là tinh thể, mạnh và có khả năng chống lại sự thủy phân thì hemicellulose
lại có cấu trúc ngẫu nhiên, vơ định hình và có độ bền kém. Vi sợi cellulose được
một lớp hemicellulose bao quanh giúp liên kết với các vi sợi khác. Hemicellulose
giúp ổn định cấu trúc vách trong suốt quá trình sinh tổng hợp vách tế bào do được
chức hóa nên khó có thể phân hủy thành đường đơn. Hệ composite polysaccharide
gồm hemicellulose và cellulose được bọc kín trong nền lignin. Về mặt cấu tạo,
hemicellulose

là một polysaccharide

bao

gồm

xylan,


glucuronoxylan,

arabinoxylan, glucomannan. Hemicellulose có cấu trúc mạch phân nhánh, vơ định
hình, chuỗi mạch ngắn (500-3000 đơn vị) kém bền nên do đó dễ dàng thủy phân
trong mơi trường acid hay bazơ loãng. Hemicellulose gồm ba thành phần: (i) thành
phần thứ nhất kém bền có thể tách ra dưới tác dụng của hóa chất dạng lỗng, (ii)
thành phần thứ hai liên kết khá chặt với lignin nên thường dùng phản ứng hòa tan
mạnh tách ra cùng lignin, (iii) thành phần thứ ba là cellulosan là: hexose, pentose
liên kết rất chặt chẽ với cellulose.

Hình 1. 2 : Cấu trúc của hemicellulose

8


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

Lignin là hợp chất cao phân tử vơ định hình có đặc tính thơm, có thể xem lignin
như một nhựa nhiệt dẻo, chúng bị mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ. Thành phần
lignin trong thực vật thay đổi tùy theo loài và số năm tuổi của cây. Các nhóm
chức ảnh hưởng lớn nhất đến tính chất của lignin là nhóm hydroxyl
phenol, nhóm hydroxyl rượu benzylic và nhóm carbonyl (Adapted from Rouchi,
2000). Vai trò của lignin trong cây là kháng sâu bệnh hại, kháng vi khuẩn, chịu
đựng thời tiết khắc nghiệt, truyền nước trên thân cây. Loại bỏ lignin là một trong
những bước xử lý để tẩy trắng và tách lấy thành phần cellulose trong sợi. Lignin
có cấu trúc phức tạp, là một polyphenol có mạng khơng gian mở. Trong lignin
có hơn hai phần ba số đơn vị phenylpropan nối với nhau qua liên kết ete, phần còn
lại là liên kết C-C giữa các đơn vị mắc xích và liên kết este:


Hình 1. 3 Cấu trúc của lignin
Pectin tồn tại dưới dạng tan được trong nước như canxi, magiê, muối sắt của axit
pectic. Những dạng khác của “pectin” là polyuronides mạch ngắn, dẫn xuất từ axit
galacturonic. Trong suốt quá trình ngâm sinh học, các hợp chất này sẽ chuyển hóa
9


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

thành axit acetic và axit butyric. Axit pectic cũng có thể được loại bỏ khi đun sôi
trong dung dịch kiềm 0,1 N, đun sôi trong dung dịch axit hydrochloric 12%. Pectin
bị phân hủy khi đun sôi trong dung dịch ammonium axalate hoặc citrate và bị
kết tủa với ion canxi.
Chất chiết tồn tại chủ yếu là chất béo nằm ở bề mặt xơ và dễ dàng loại bỏ và tách
ra trong quá trình xử lý.
Hàm lượng các chất vô cơ trong thực vật thường quy về hàm lượng tro, được đo
xấp xỉ bằng lượng muối khống và các chất vơ cơ khác trong sợi sau khi nung ở nhiệt
độ 575±25℃. Các chất vô cơ thường gặp là: Oxit silic chiếm 90 -97 %, oxit kali
chiếm 1.8- 2.8 %, ngồi ra cịn có có thành phần khác như: CaO, PbO, Fe2O3,
Al2O3,…

10


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly


1.2 Tổng quan về cellulose, cellulose tinh thể và MCC
1.2.1 Tổng quan về Cellulose

Hình 1. 2 Cấu trúc của cenlulose estes

Hình 1. 3 Cấu trúc cellulose
Cellulose là thành phần chính của vách tế bào, chiếm 20-30% trọng lượng
khô của vách, gồm một chuỗi tuyến tính các phân tử glucose vịng. Cơng thức phân
tử chung là (C 6H10O 5 ) n ; với n từ 10 000 đến 15 000 đơn vị (trong đó n phụ thuộc
vào cellulose của nguồn nguyên liệu). Các đơn vị liên kết với nhau thơng qua oxy
hóa trị, liên kết C1 của một vòng glucose và C4 của vòng liền kề, được gọi là liên kết
𝛽-1,4 glucoside (Sj𝑜̈ str𝑜̈ m E, 1993). Các vi sợi có tính kết tinh cao và tạo nên
khung cấu trúc chính cho vách tế bào. Cellulose là hợp chất cao phân tử mạch
thẳng được cấu tạo nên từ các mắt xích β-D-Glucose. Phân tử β-D- Glucose chứa 3
nhóm hydroxyl giúp cellulose dễ dàng tạo liên kết hydro liên phân tử và nội phân
tử. Cellulose khơng bị hịa tan trong nước, khơng bị thủy phân bởi kiềm hay acid
lỗng do có cấu trúc tinh thể với độ kết tinh cao (> 60%). Vì vậy người ta có thể
11


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

sử dụng kiềm hay acid loãng cho việc tiền xử lý cellulose để loại bỏ những thành
phần khơng cần thiết.
Trong q trình sinh tổng hợp, tương tác Van der Waals và liên phân tử liên
kết hydro giữa các nhóm hydroxyl và oxygens của các phân tử liền kề thúc đẩy xếp
chồng song song của nhiều chuỗi cellulose hình thành các sợi cơ bản tổng hợp hơn

nữa thành các vi sợi lớn hơn (đường kính 5 -50nm và một số cấu trúc micro). Liên
kết hydro trong mạng và liên chuỗi mạng làm cho cellulose trở thành một polymer
tương đối ổn định và tạo thành các sợi trục có độ cứng cao. Những sợi này là sợi gia
cố chính cho cây, thực vật, một số sinh vật biển, tảo và vi khuẩn (một số vi khuẩn tiết
ra các sợi fibrin tạo ra cấu trúc mạng bên ngồi). Trong các sợi này có các vùng chuỗi
cellulose được sắp xếp theo thứ tự cao về cấu trúc (vùng tinh thể) và có các khu vực
bị rối loạn (giống như vơ định hình).Vùng tinh thể, đó là những vùng kết tinh trong
các vi sợi cellulose đã được xử lý, tạo thành tinh thể Nano Cellulose (CNC).
Sự tương tác giữa nước và cellulose đóng vai trị quan trọng trong hóa học,
vật lý và kỹ thuật của vật liệu và gia cơng cellulose. Cellulose có tính hút ẩm cao là
do tương tác của các nhóm -OH trong phân tử với nước nhưng lại bị cản trở
không tan trong nước do cấu trúc siêu phân tử trật tự cao của cellulose. Sự tương
tác cellulose - nước có thể được hiểu là sự cạnh tranh tạo nối hydro giữa các nhóm
-OH của cellulose và sự tạo thành nối hydro giữa một nhóm -OH của mạch cellulose
và một phân tử nước.

12


GVHD TS. Trương Thị Cẩm Trang

SVTH: Hồ Diệu Ly

(a) Các đơn vị lặp lại chuỗi cellulose, hiển thị tính định
hướng của liên kết 1,4 và xâm nhập hydro liên kết (đường
gạch chấm), (b) Cellulose microfibril được lý tưởng hóa gồm
cellulose và vùng vơ định hình, (c) các tinh thể nano
xenluloza sau khi thủy phân axit hòa tan các vùng rối loạn
Hình 1. 4 Sơ đồ đơn vị cấu trúc của cellulose


1.2.2 Tổng quan về Cellulose tinh thể
Có sáu dạng đa hình của cellulose tinh thể gồm (I, II, III1, III11, IV1 và IV11) .
Cellulose I: là cellulose tự nhiên hay là dạng được tìm thấy trong tự nhiên.
Cellulose tinh thể I không phải là dạng cellulose ổn định nhất. Cellulose I có hai dạng
đa hình, cấu trúc ba trục (Iα) và một cấu trúc đơn hình (Iβ), Iα là một pha siêu ổn định
với một ô đơn vị ba trục chứa một chuỗi và Iβ, tỷ lệ của chúng tùy thuộc vào nguồn
cellulose (VanderHart và Atalla, 1984; Sugiyama et al., 1991a). Chúng có cùng hình
dạng của khung xương ngun tử, nhưng khác nhau về kiểu liên kết hydro. Các Iα
13