MỤC LỤC
MỤC LỤC................................................................................................................. 1
LỜI MỞ ĐẦU...........................................................................................................4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.....................................................................................7
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM...............................................................................33
KIẾN NGHỊ............................................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................50


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Công thức cấu tạo của chitin 8
Hình 1.2. Công thức cấu tạo của chitosan 9
Hình 1.3. Quá trình deacetyl hoá chitin thành chitosan 11
Hình 1.4. Phức chiosan với kim loại 11
Hình 1.5. Phản ứng N-acyl hóa 12
Hình 1.6. Phản ứng alkyl hóa 12
Hình 1.7. Một số ứng dụng của chitosan 13
Hình 1.9. Cấu tạo của tinh bột 17
Hình 1.10. Cấu trúc amylose 19
Hình 1.11. Amylose và amylopectin 19
Hình 1.12. Phản ứng thủy phân của tinh bột 20
Hình 1.13. Sơ đồ phân tử thể hiện các nhóm hydroxyl 21
Hình 2.1. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể 39


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Đặc điểm của một số loại tinh bột [9] 15
Hình 1.1. (1) tinh bột sắn 1500X (2) tinh bột sắn 3500X 16
Bảng 1.2. Nhiệt độ hồ hóa của một số loại tinh bột 23

LỜI MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay vấn đề an toàn thực phẩm đang rất được quan tâm. Vì lý do lợi
nhuận và tiện lợi rất nhiều loại hóa chất độc hại nhằm bảo quản rau quả tươi
lâu đã được sử dụng. Hóa chất được sử dụng phun lên trái cây để bảo quản
trái cây tươi lâu hầu hết đều nằm ngoài danh mục và với hàm lượng không thể
kiểm soát được. Không chỉ làm giảm chất lượng của trái cây mà những chất
này còn gây ra những bệnh nguy hiểm cho người tiêu dùng. Hiện nay, ngoài
việc sử dụng hóa chất cách bảo quản phổ biến nhất là bảo quản lạnh. Nhưng
theo các chuyên gia dinh dưỡng, cách bảo quản này không tiết kiệm năng
lượng lại đòi hỏi chi phí cao. Trước thực trạng đó, các nhà khoa học đã và
đang ngiên cứu tìm ra các giải pháp bảo quản thực phẩm một cách an toàn
bằng cách sử dụng các loại màng có tính kháng khuẩn.
Có rất nhiều loại màng polymer sinh học được nghiên cứu thành công.
Chúng được làm từ các vật liệu khác nhau như protein, dẫn xuất pectin,
polysaccarit (tinh bột, xenlulozo), chitosan… Một số màng polysaccarit và
protein chắn khí tốt nhưng chắn ẩm kém. Màng chitosan có tính kháng khuẩn
tốt tuy nhiên chi phí vẫn tương đối cao. Vì vậy chúng ta cần lựa chọn loại
màng nào tối ưu nhất (rẻ tiền, dễ kiếm, không ôi nhiễm môi trường…).
Chitossan là một hợp chất sinh học có tính ưu việt rất phù hợp cho việc
bảo quản rau quả, ngoài khả năng kháng vi sinh vật, chitossan còn có khả
năng hạn chế quá trình hô hấp hiếu khí tự nhiên của rau quả vì thế trái cây sẽ
được bảo quản lâu hơn và trạng thái tự nhiên biến đổi ít hơn- điều này đã
được nhiều đề tài chứng minh bằng thực nghiệm. Chitosan tích điện dương
nên có khả năng liên kết hóa học với những chất mang tích điện âm như chất
béo, lipid, cholesterol, protein và các đại phân tử khác. Mặc dù, chitosan có
tính chống thấm nước, tính dẻo và tính cơ học khá cao nhưng các đặc tính này
sẽ được cải thiện nhiều hơn nữa khi liên kết với các loại vật liệu tạo màng
khác. Hoaglan và Parris (1996) đã tổng hợp thành công màng chitosan-pectin,

Hosokawa et al. (1990) đã chứng minh khả năng phân hủy sinh học tăng lên
nhiều khi kết hợp chitosan và cellulose [24].
Bên cạnh đó tinh bột là một nguồn nguyên liệu đồi dào, rẻ tiền, an toàn.
Tinh bột cũng được sử dụng rất nhiều để tổng hợp vật liệu phân hủy sinh học
thay thế cho nhựa polymer do chi phí thấp và khả năng tái sinh. Tuy nhiên,
4


vật liệu đi từ tinh bột chưa được ứng dụng nhiều bởi khả năng hòa tan trong
nước kém, dòn. Để khắc phục điều này, Jagannath et al. (2003) đã tổng hợp
tinh bột – protein nhằm tăng khả năng tan trong nước, tăng độ bền kéo, độ
bền nhiệt.
Việc kết hợp giữa chitosan và tinh bột là một hướng đi mới trong việc
tổng hợp màng kháng khuẩn. Nghiên cứu để chế tạo nên một loại vật liệu
polymer mới sử dụng chitosan làm pha gia cường và pha nền là các hạt tinh
bột đang được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm. Sự kết hợp giữa chitosan
và tinh bột theo những tỉ lệ thích hợp cho ta một loại vật liệu mới gọi là vật
liệu composide có khả năng phân hủy sinh học. So với chitosan và tinh bột
ban đầu thì chitosan-tinh bột là một loại vật liệu được cải thiện đáng kể về độ
dai, độ bền, tính chống thấm nước…và khả năng kháng khuẩn so với các loại
vật liệu ban đầu.
Để tăng hoạt tính kháng khuẩn của các loại màng polyme, nhiều phụ gia đã
được thêm vào như các benzoate, sorbate, hay nano bạc... Công nghệ nano
bạc đang được quan tâm nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kĩ
thuât, y tế, thực phẩm, mỹ phẩm... bởi tính kháng khuẩn rất cao và không gây
độc hại khi sử dụng.
Với mong muốn tăng hoạt tính kháng khuẩn của màng chitosan - tinh bột,
bước đầu chúng em bổ sung thêm dung dịch nano Bạc vào nguyên liệu tổng
hợp màng để khảo sát tính kháng khuẩn của màng tổng hợp được.
Xuất phát từ thực tiễn đó, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài: “

Nghiên cứu tổng hợp màng composite phân hủy sinh học chitosan và tinh
bột sử dụng để kháng khuẩn xâm nhập”
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tổng hợp vật liệu màng nanocomposite bạc kháng khuẩn từ chitosan và
tinh bột; khảo sát tính kháng khuẩn và tính chất cơ lí của vật liệu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Vỏ tôm
- Tinh bột sắn

5


4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp thực nghiệm: phương pháp tổng hợp vật liệu; phương pháp
định tính, định lượng chitosan; phương pháp trắc quang ; phương pháp thử
các tính chất cơ lý của màng tinh bột sắn – chitosan; phương pháp thử hoạt
tính kháng khuẩn.
Phương pháp xác định cấu trúc của vật liệu tổng hợp: phương pháp nhiễu
xạ tia X; phương pháp phổ hồng ngoại; phương pháp hiển vi điện tử quét.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
-

-

Ý nghĩa khoa học: Các điều kiện tổng hợp vật liệu nanocomposite từ
nguồn nguyên liệu có sẵn ở Việt Nam (chitosan, tinh bột), số liệu về
khả năng kháng khuẩn.
Ý nghĩa thực tiễn: mẫu vật liệu mới có khả năng kháng khuẩn, phân
hủy sinh học, dùng để bảo quản thực phẩm.


6. Cấu trúc báo cáo
Báo cáo chia thành các chương sau:
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Thực nghiệm
Chương 3. Kết quả và thảo luận

6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1. Tổng quan về chitin - chitosan
1.1. Giới thiệu về chitin - chitosan
Chitin – chitosan là một polysacharide tồn tại trong tự nhiên với sản lượng
rất lớn (đứng thứ 2 sau cenllulose). Trong tự nhiên chitin tồn tại ở động vật và
thực vật và là thành phần chính trong bộ xương ngoài của động vật giáp xác
như tôm, cua hay mực [30].
Ở động vật, chitin là thành phần quan trọng của các vỏ một số động vật
không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn. Ở động
vật bậc cao monomer của chitin là một thành phẩn chủ yếu trong mô, da nó
giúp cho sự tái tạo và gắn liền các vết thương ở da. Trong thực vật chitin có ở
thành tế bào nấm họ zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo…
[4].
Chitin – chitosan có khối lượng phân tử lớn. Cấu trúc của chitin là tổ hợp
các monosaccharide liên kết với nhau bằng các liên kết glycozit và hình thành
các sợi có tổ chức. Hơn nữa, chitin rất hiếm khi tồn tại ở trạng thái tự do và
hầu như luôn luôn nối với các hợp chất như protein, CaCO 3 và các hợp chất
hữu cơ khác [26].
Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin
chiếm khá cao từ 14 – 35 % so với khối lượng khô [6].
Về mặt lịch sử chitin được Braconnot phát hiện đầu tiên vào năm 1821 trong

cặn dịch chiết từ một loại nấm. Ông đặt tên cho chất này là “Fungine” để ghi
nhớ nguồn gốc của nó. Năm 1823, Odier phân lập được một chất từ bọ cánh
cứng mà ông gọi là chitin hay “chiton”, tiếng hy lạp có nghĩa là vỏ giáp,
nhưng ông không phát hiện ra sự có mặt của nitơ trong đó. Cuối cùng, cả
Odier và Braconot điều đi đến kết luận chitin có công thức giống cellulose
[12].

7


1.2. Cấu trúc hóa học của chitin và chitosan
1.2.1. Chitin
Chitin (C8H13O5N) là một polymer của N-acetylglucosamin, dẫn xuất của
glucose, trong đó nhóm (-OH) ở nguyên tử C 2 được thay thế bằng nhóm
acetamido (-NHCOCH3). Như vậy, chitin là poli (N-acetyl-2-amino-2-deoxiβ-D-glucopyranose) liên kết với nhau bằng liên kết β-(C-1-4) glycoside, trong
đó các mắt xích của chitin cũng được đánh số như glucose [26], [38].
Công thức cấu tạo của chitin:

Hình 1.1. Công thức cấu tạo của chitin
Tên gọi: Poly (1-4)-2-acetamido-2-deoxy-β-D-glucose hay poly(1-4)-2acetamido-2-deoxy-β-D-glucopyranose.
Công thức phân tử: [C8H13O5N]n
Phân tử lượng: Mchitin = (203,09)n
1.2.2. Chitosan và dẫn xuất
Chitosan là một polysaccharide mạch thẳng cấu tạo từ các mắt xích Dglucosamine liên kết tại vị trí β-(1-4) là sản phẩm deacetyl hóa của chitin.
Chitosan là dẫn xuất deacetyl hóa của chitin trong đó nhóm (-NH 2) thay thế
nhóm (-NHCOCH3) ở vị trí C2 [26], [37].
Công thức cấu tạo của chitosan

8



Hình 1.2. Công thức cấu tạo của chitosan
Tên gọi khoa học: Poly(1-4)-2-amino-2-deoxy-β-D-glucose hay poly(1-4)2-amino-2-deoxy-β-D-glucopyranose
Công thức phân tử: [C6H11O4N]n
-

Phân tử lượng: Mchitosan = (161,07)n

Cấu trúc của chitin và chitosan cho thấy chitin chỉ có một loại nhóm chức
hoạt động đó là nhóm (–OH) (H ở nhóm hydroxyl bậc 1 linh động hơn H ở
nhóm hydroxyl bậc 2 trong vòng 6 cạnh), nhóm NHCOCH 3 có hoạt tính thấp
còn chitosan có 2 nhóm chức hoạt động là (–OH) và (-NH2), do đó chitosan
dễ dàng tham gia phản ứng hóa học hơn chitin. Trong thực tế các mạch chitin
- chitosan đan xen nhau, vì vậy chúng tạo ra nhiều sản phẩm đồng thời và việc
tách và phân tích chúng rất phức tạp.
1.3. Tính chất vật lý của chitin – chitosan
Chitin - chitosan là chất rắn màu trắng ngà hoặc vàng nhạt, tồn tại dạng bột
hoặc dạng vảy, không mùi không vị, nhiệt độ nóng chảy 309 - 3110C.
1.3.1. Tính tan
Chitosan có cấu trúc phân tử bền vững, là một base nên dễ dàng tác dụng
với các dung dịch acid để tạo thành muối hình thành chất điện ly cao phân tử,
mà tính tan của các phân tử này hình thành phụ thuộc vào bản chất của các
ion có trong nó.
Chitin có cấu trúc bền vững không tan trong nước, acid loãng, kiềm loãng,
không tan trong cồn và các dung môi hữu cơ thông thường. Chitin tan trong
một số acid vô cơ đặc như HCl, H2SO4, sự hòa tan này dẫn đến sự thay đổi
phân tử lượng, độ acetyl hóa và năng suất quay cực của chitin.
1.3.2. Độ deacetyl hóa
Quá trình deacetyl hóa bao gồm quá trình loại nhóm acetyl khỏi chuỗi
phân tử chitin và hình thành phân tử chitosan với nhóm amin hoạt động hóa

học cao. Độ deacetyl hóa là một tính chất quan trọng của chitosan bởi vì nó
ảnh hưởng đến tính chất lý hóa và khả năng ứng dụng của chitosan sau này.
Độ deacetyl hóa của chitosan vào khoảng 56 – 99 % (nhìn chung là 80%) phụ
thuộc vào loại giáp xác và phương pháp deacetyl hóa. Chitin có độ deacetyl
hóa khoảng 75% trở lên thường được gọi là chitosan.
9


Có rất nhiều phương pháp để xác định độ deacetyl hóa của chitosan như sử
dụng thuốc thử ninhydrin, chuẩn độ theo điện thế, quang phổ hồng ngoại,
chuẩn độ bằng HI, chuẩn độ acid - base [36].
1.3.3. Phân tử lượng
Chitosan là một polymer sinh học có phân tử lượng cao. Tùy theo nguồn
nguyên liệu và phương pháp chế biến, phân tử lượng của chitin thường lớn
hơn 1 triệu Dalton trong khi các sản phẩm chitosan thương mại có khối lượng
khoảng 100.000 – 1.200.000 Dalton.
Độ nhớt là một nhân tố quan trọng để xác định phân tử lượng của chitosan.
Chitosan phân tử lượng cao thường làm cho dung dịch có độ nhớt cao. Độ
nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ và khối lượng phân tử của chitosan [17].
Phân tử lượng của chitosan được xác định thông qua độ nhớt đặc trưng. Độ
nhớt đặc trưng có đơn vị là 100ml/g.
Mối quan hệ giữa độ nhớt đặc trưng và phân tử lượng của polymer được biểu
thị bằng phương trình Mark – Houwink [15t].
[η] = KMνα
Trong đó: K và α là các hệ số đặc trưng và phân tử lượng của polymer, dung
môi cho trước ở nhiệt độ xác định.
1.4. Tính chất hóa học của chitin - chitosan
Phân tử chitin - chitosan có các nhóm chức -OH, -NHCOCH 3 trong các mắt
xích N-acetyl-D-glucosamin và nhóm –OH, nhóm -NH2 trong các mắt xích
D-glucosamin; điều này có nghĩa chúng vừa là ancol vừa là amin, vừa là

amid. Phản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế
O-, dẫn xuất thế N- hoặc dẫn xuất thế O-, N.
Mặt khác, chitin - chitosan là polimer mà các monomer được nối với nhau
bởi các liên kết β-(1-4)-glycoside, các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các
chất hoá học như: acid, base, tác nhân oxy hóa và các enzym thuỷ phân. Do
đó chitin - chitosan có những tính chất sau [2], [ 3], [12]
1.4.1. Thủy phân trong môi trường acid và môi trường kiềm
Sự thủy phân trong môi trường kiềm là phản ứng deacetyl hóa chitin thành
chitosan

10


CH2OH

CH2OH
Deacetylation

O

OH

O

OH
H

NHCOCH3

Chitosan


O

OH
H

H
H

NH2

NH2

H

H

O

H

H
H

H

CH2OH

O


OH

H

NaOH

CH2OH

H

H

O

H

NHCOCH3

CH2OH
Hydrosis

O

H

HO

OH
HCl


H

HO
H

NH2HCl

Glucosamine

Hình 1.3. Quá trình deacetyl hoá chitin thành chitosan
1.4.2. Phản ứng tạo phức với ion kim loại
Chitosan tạo phức với ion kim loại chuyển tiếp nên chitosan được ứng dụng
trong xử lý môi trường.
Trong phân tử chitin - chitosan và một số dẫn xuất của chitin có các nhóm chức
mà trong đó các nguyên tử oxy và nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa sử
dụng, do đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng và
các kim loại chuyển tiếp như: Hg2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+... Tuỳ nhóm chức
trên mạch polymer mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau. Ví dụ, phức
Ni(II) với chitin có cấu trúc bát diện với số phối trí bằng 6, còn phức Ni(II) với
chitosan có cấu trúc tứ diện với số phối trí bằng 4.

Hình 1.4. Phức chiosan với kim loại
a) Cấu trúc của phức chitosan với Ni2+ b) Cấu trúc của phức chitosan với Cu2+

11


1.4.3. Phản ứng N-acyl hóa
Đây là phản ứng giữa anhydride acid với chitosan để điều chế N-acyl chitosan
O


O

CH2OH

O
O

HO

+

NH2

C

O

O

- H2O

C

CH2OH

O
O

HO


N

O

C

C

O

O

Hình 1.5. Phản ứng N-acyl hóa
1.4.4. Phản ứng alkyl hóa
Phản ứng này dùng để điều chế các dẫn xuất của N-alkyl chitosan
R1
R1R2NH

+

O

R1
+
N

C

C


R2

N

CH

R2

Hình 1.6. Phản ứng alkyl hóa
1.5. Ứng dụng của chitosan [36]
1.5.1. Trong y dược
Từ chitosan vỏ cua, vỏ tôm có thể sản xuất glucosamin, một dược chất quý
dùng để chữa khớp. Chúng thường được dùng làm các tác nhân hạ
cholesterol, vật liệu vá vết thương, vật liệu chữa bỏng, vật liệu y sinh học và
dược phẩm, chất chống đông máu, chống ung thư và làm kính áp tròng.
1.5.2. Trong công nghiệp
Chitosan được dùng trong nhiếp ảnh, trong ngành giấy và trong xử lý dệt
nhuộm và in.
1.5.3. Trong nông nghiệp
Chitosan được dùng làm phân bón kích thích sinh trưởng cây trồng, bảo
quản rau quả, hạt giống mang lại hiệu quả cao, dùng như một thành phần

12


chính trong thuốc trừ nấm bệnh (đạo ôn, khô vằn…), làm thuốc kích thích
sinh trưởng cây trồng cho lúa, cây công nghiệp, cây trồng, cây ăn quả.
1.5.4. Trong công nghệ thực phẩm
Dùng làm sản phẩm bảo quản hoa quả tươi và thực phẩm chức năng cho con

người.
1.5.5. Ứng dụng trong mỹ phẩm
Dùng làm sản phẩm chăm sóc da, chăm sóc tóc.
1.5.6. Ứng dụng trong xử lý môi trường
Dùng đề xử lý kim loại nặng trong nước thải, xử lý nước thải dệt nhuộm
(trừ nước thải chứa thuốc nhuộm base).

Hình 1.7. Một số ứng dụng của chitosan
2. Giới thiệu tinh bột
Tinh bột là polysaccarit chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây. Một
lượng tinh bột đáng kể có trong các loại quả như chuối và nhiều loại rau trong
đó xảy ra sự biến đổi thuận nghịch từ tinh bột thành đường glucose phụ thuộc
vào quá trình chín và chuyển hóa sau thu hoạch. Tinh bột có vai trò dinh
13


dưỡng đặc biệt lớn vì trong quá trình tiêu hóa chúng bị thủy phân thành
đường glucose là chất tạo nên nguồn calo chính của thực phẩm cho con
người. Tinh bột giữ vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm do những
tính chất lý hóa của chúng. Tinh bột thường được dùng làm chất tạo độ nhớt
sánh cho thực phẩm dạng lỏng, là tác nhân làm bền cho thực phẩm dạng keo,
là các yếu tố kết dính và làm đặc tạo độ cứng và độ đàn hồi cho nhiều thực
phẩm. Hiện nay, tinh bột còn có những ứng dụng to lớn trong công nghiệp đặc
biệt là công nghiệp ứng dụng tinh bột để xử lý nước thải, tạo màng bao bọc kị
nước trong sản xuất thuốc nổ nhũ tương, thành phần kết dính trong công nghệ
sơn [19]. Các tính chất “sẵn có” của tinh bột có thể thay đổi nếu chúng bị biến
tính (hóa học hoặc sinh học) để thu được những tính chất mới hoặc hoàn toàn
mới lạ.
2.1. Hình dạng, đặc điểm, kích thước hạt tinh bột [20], [28]
Tinh bột là polysaccarit chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây. Tinh

bột cũng có nhiều ở các loại củ như khoai tây, sắn, củ mài. Một lượng đáng kể
tinh bột cũng có trong các loại quả như chuối và nhiều loại rau. Tinh bột có
nhiều trong các loại lương thực do đó các loại lương thực được coi là nguồn
nguyên liệu chủ yếu để sản xuất tinh bột. Hình dạng và thành phần hóa học
của tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt, …
Tinh bột không phải là một chất riêng biệt, nó bao gồm hai thành phần
amylose và amylopectin. Hai chất này khác nhau về nhiều tính chất lí học và
hóa học. Dựa vào sự khác nhau đó có thể phân chia được hai thành phần trên
để điều chế dạng tinh khiết. Các phương pháp để tách và xác định hàm lượng
amylose và amylopectin là:
-

Chiết rút amylose bằng nước nóng

-

Kết tủa amylose bằng rượu

-

Hấp thụ chọn lọc amylose trên xenlulozơ

Tinh bột là loại polysaccarit khối lượng phân tử cao gồm các đơn vị
glucose được nối nhau bởi các liên kết α-glycoside, có công thức phân tử là
(C6H10O5)n, ở đây n có thể từ vài trăm đến hơn 1 triệu. Tinh bột giữ vai trò
quan trọng và được ứng dụng rộng rãi là do những tính chất hóa lí của chúng.
Tinh bột thường dùng làm chất tạo độ sánh cho các thực phẩm dạng lỏng hoặc
là tác nhân làm bền keo hoặc nhũ tương, như các yếu tố kết dính và làm đặc

14



tạo độ cứng, độ đàn hồi cho nhiều loại thực phẩm. Ngoài ra tinh bột còn có
nhiều ứng dụng trong ngành dược phẩm, công nghiệp dệt và hóa dầu, …[29].
Trong thực vật, tinh bột thường có mặt dưới dạng không hòa tan trong nước.
Do đó có thể tích tụ một lượng lớn ở trong tế bào mà vẫn không bị ảnh hưởng
đến áp suất thẩm thấu. Các cacbonhydrat đầu tiên được tạo ra ở diệp lục do
quang hợp, nhanh chóng được chuyển thành tinh bột. Tinh bột ở mức độ này
được gọi là tinh bột đồng hóa, rất linh động, có thể được sử dụng ngay trong
quá trình trao đổi chất hoặc có thể được chuyển hóa thành tinh bột dự trữ ở
trong hạt, quả, củ, rễ, thân và bẹ lá.
Có thể chia tinh bột thành ba hệ thống
-

Hệ thống tinh bột của các hạt cốc;

-

Hệ thống tinh bột của các hạt họ đậu;

-

Hệ thống tinh bột của các củ.
Bảng 1.1. Đặc điểm của một số loại tinh bột [9]
Hàm lượng
Nhiệt độ
amylase
hồ hóa( 0C)
(%)


Nguồn

Kích thước
Hình dáng
hạt (nm)

Hạt ngô

10-30

Đa giác
tròn

Lúa mì

5-50

Tròn

5-50

Tròn dài

46-62

Đại mạch

5-40

Bầu dục


68-90

Yến mạch

5-12

Đa giác

1

55-85

Lúa

2-10

Đa giác

13-35

70-80

Đậu đỗ

30-50

Tròn

46-54


60-71

Kiều mạch

5-15

Tròn dẹp

Chuối

5-60

Tròn

17

56-69

Khoai tây

1-120

Bầu dục

23

52-64

Lúa

đen

mạch

15

hoặc

25

67-75

20

56-80


Khoai lang

5-50

Bầu dục

Sắn

5-35

Tròn

Dong riềng


10-130

Bầu dục

20

38-41

Hạt tinh bột của tất cả hệ thống nêu trên hoặc có dạng hình tròn, hình bầu
dục, hay hình đa giác. Hạt tinh bột khoai tây lớn nhất và bé nhất là hạt tinh
bột thóc.
Kích thước các hạt khác nhau dẫn đến những tính chất cơ lí khác nhau như
nhiệt độ hồ hóa, khả năng hấp thụ xanh metylen…Có thể dùng phương pháp
lắng để phân chia một hệ thống tinh bột ra các đoạn có kích thước đồng đều
để nghiên cứu [29].
Tinh bột sắn có dạng hình cầu, hình trứng hoặc hình mũ, có một số hạt
trũng, điều này có thể nhận thấy từ kết quả chụp hiển vi điện tử quét [8], [9].

(2)

(1)

Hình 1.1. (1) tinh bột sắn 1500X (2) tinh bột sắn 3500X
(1)

Kích thước hạt tinh bột qua phương pháp nhiễu xạ laze:
Kính hiển vi điện tử quét có thể xác định kích thước trung bình của hạt
tinh bột nhưng chỉ những hạt nằm trong vùng quan sát của kính, nên số liệu
không đặc trưng cho toàn khối hạt. Những phương pháp khác như phương

pháp lắng, hoặc rây, sàng để phân chia hệ thống tinh bột ra các đoạn có kích
thước đồng đều rồi nghiên cứu thì mất thời gian, không chính xác (hạt to lẫn
hạt nhỏ).

16


Để khắc phục điều này, ta có thể sử dụng phương pháp nhiễu xạ X-ray. Nó
có thể phân tích và xử lý số liệu đo được một cách nhanh chóng và chính xác
[5].
2.2. Thành phần hóa học của tinh bột [9], [8], [27]
Tinh bột không phải một hợp chất đồng thể mà gồm hai polysaccarit khác
nhau: amylose và amylopectin. Tỉ lệ amylose/amylopectin xấp xỉ 1/4.
Trong tinh bột nếp (gạo nếp hoặc ngô nếp) gần như 100% là amylopectin.
Trong tinh bột đậu xanh, dong riềng hàm lượng amylose chiếm trên 50%.

Hình 1.9. Cấu tạo của tinh bột
2.3. Thành phần cấu trúc của amylose [8], [9]
Trong vi hạt, tinh bột tồn tại dưới dạng hạt có kích thước trong khoảng từ
0,02 – 0,12 nm. Hạt tinh bột của tất cả các hệ có dạng hạt hình tròn, hình bầu
dục hay hình đa diện. Cấu tạo và kích thước của hạt tinh bột phụ thuộc vào
giống cây, điều kiện trồng trọt cũng như quá trình sinh trưởng của cây.
Cấu tạo bên trong của vi hạt tinh bột khá phức tạp. Vi hạt tinh bột có cấu
tạo lớp, trong mỗi lớp đều có lẫn lộn các amylose dạng tinh thể và
amylopectin xắp xếp theo phương hướng tâm.
Nhờ phương pháp hiển vi điện tử quét và nhiễu xạ tia X thấy rằng trong
hạt tinh bột “nguyên thủy” các chuỗi polysaccarit của amyloza và
amylopectin tạo thành xoắn ốc với ba gốc glucose một vòng.
Trong tinh bột của các hạt ngũ cốc, các phân tử có chiều dài từ 0,35 – 0,7
µm; trong khi đó chiều dày của một lớn hạt tinh bột là 0,1 µm. Hơn nữa, các

phân tử lại sắp xếp theo hướng tâm nên các mạch glucoside của các
polysaccarit phải ở dạng gấp khúc nhiều lần.

17


Các mạch polysaccarit sắp xếp hướng tâm tạo ra độ tinh thể: các mạch
bên của một phân tử amylopectin này nằm xen kẽ giữa các mạch bên của
phân tử kia.
Ngoài cách sắp xếp bên trong như vậy, mỗi hạt tinh bột còn có vỏ bọc
phía ngoài. Đa số các nhà nghiên cứu [29] cho rằng vỏ hạt tinh bột khác với
tinh bột bên trong, chứa ít ẩm hơn và bền đối với các tác động bên ngoài.
Trong hạt tinh bột có lỗ xốp nhưng không đều. Vỏ hạt tinh bột cũng có lỗ nhỏ
do đó các chất hòa tan có thể xâm nhập vào bên trong bằng con đường khuếch
tán.
Hầu hết các loại tinh bột đều chứa hai loại polyme khác nhau về khối
lượng phân tử và cấu trúc hóa học:
* Amylose là loại mạch thẳng, chuỗi mạch dài từ 500 – 2000 đơn vị glucose,
liên kết nhau bởi liên kết α – 1,4 glicozit. Amylose “nguyên thủy” có mức độ
trùng hợp không phải hàng trăm mà là hàng ngàn. Có hai loại amylose:
Amylose có mức độ trùng hợp tương đối thấp (khoảng 2000)
thường không có cấu trúc bất thường và bị phân ly hoàn toàn bởi β –
amylose.
Amylose có mức độ trùng hợp lớn hơn, có cấu trúc án ngữ đối
với β – amylose nên chỉ bị phân hủy 60%.
Trong hạt tinh bột hoặc trong dung dịch hoặc ở trạng thái thoái hóa,
amylose thường có cấu hình mạch giãn. Khi thêm tác nhân kết tủa vào,
amylose mới chuyển thành dạng xoắn ốc, mỗi vòng xoắn ốc gồm 6 đơn vị
glucose. Đường kính của xoắn ốc là 12,97A0. Các nhóm hydroxyl của các gốc
glucose được bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong là các nhóm C – H.


18


Hình 1.10. Cấu trúc amylose
2.4. Thành phần cấu trúc của amylopectin [9]
Phân tử amylopectin có thể chứa tới 100000 đơn vị glucose. Có thể nhận
thấy phân tử amylose và amilopectit ở hình 1.11.

Hình 1.11. Amylose và amylopectin
Amylopectin là polme mạch nhánh, ngoài mạch chính có liên kết α – 1,4
glicozit còn có nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α – 1,6 glicozit.
Mối liên kết nhánh này làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài của
chuỗi mạch nhánh này khoảng 25 – 30 đơn vị glucose. Sự khác biệt giữa
amylose và amylopectin không phải luôn luôn rõ nét. Bởi lẽ, ở các phân tử

19


amylose cũng thường có một phần nhỏ phân nhánh do đó cũng có những tính
chất giống như amylopectin.
Cấu tạo của amylopectin lớn và dị thể hơn amylose nhiều. Trong tinh bột tỉ lệ
amylose/amylopectin khoảng 1/4. Tỉ lệ này có thể thay đổi phụ thuộc thời tiết,
mùa vụ và cách chăm bón.
2.5. Các phản ứng tiêu biểu của tinh bột [8], [9]
2.5.1. Phản ứng thủy phân
Một tính chất quan trọng của tinh bột là quá trình thủy phân liên kết giữa
các đơn vị glucose bằng axit hoặc bằng enzim. Axit có thể thủy phân tinh bột
ở dạng hạt ban đầu hoặc ở dạng hồ hóa, còn enzim chỉ thủy phân hiệu quả ở
dạng hồ hóa.

Một số enzim thường dùng là α – amilazơ, β – amilazơ… Axit và enzim
giống nhau là đều thủy phân các phân tử tinh bột bằng cách thủy phân liên kết
α – D (1,4) glicozit. Đặc trưng của phản ứng là sự giảm nhanh độ nhớt và sinh
ra đường.

.
Hình 1.12. Phản ứng thủy phân của tinh bột
Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể bị oxi hóa tạo thành andehyt,
xeton và tạo thành các nhóm cacboxyl. Quá trình oxi hóa thay đổi tùy thuộc
vào tác nhân oxi hóa và điều kiện tiến hành phản ứng. Quá trình oxi hóa tinh
bột trong môi trường kiềm bằng hypoclorit là một trong những phản ứng hay
dùng, tạo ra nhóm cacboxyl trên tinh bột và một số lượng nhóm cacbonyl.
Quá trình này còn làm giảm chiều dài mạch tinh bột và tăng khả năng hòa tan
trong nước, đặc biệt trong môi trường loãng.
20


Hình 1.13. Sơ đồ phân tử thể hiện các nhóm hydroxyl
Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể tiến hành ete hóa, este hóa. Một
số monomer vinyl đã được dùng để keo lên tinh bột. Quá trình ghép được
thực hiện khi các gốc tự do tấn công lên tinh bột và tạo ra các gốc tự do trên
tinh bột ở các nhóm hydroxyl. Những nhóm hydroxyl trong tinh bột có khả
năng phản ứng với andehyt trong môi trường axit. Khi đó xảy ra phản ứng
ngưng tụ tạo liên kết ngang giữa các phân tử tinh bột gần nhau. Sản phẩm tạo
thành không có khả năng tan trong nước.
2.5.2. Phản ứng tạo phức [8], [9]
Phản ứng rất đặc trưng của tinh bột là phản ứng với iot. Khi tương tác với
iot, amylose sẽ cho phức màu xanh đặc trưng. Vì vậy, iot có thể coi là thuốc
thử đặc trưng để xách định hàm lượng amylose trong tinh bột bằng phương
pháp trắc quang. Để phản ứng được thì các phân tử amylose phải có dạng

xoắn ốc để hình thành đường xoắn ốc đơn của amylose bao quanh phân tử iot.
Các dextrin có ít hơn 6 gốc glucose không cho phản ứng với iot vì không cho
phản ứng với iot vì không tạo được một vòng xoắn ốc hoàn chỉnh. Axit và
một số muối như KI, Na…tăng cường tốc độ phản ứng.
Amylose với cấu hình xoắn ốc hấp thụ được 20% khối lượng iot, tương ứng
với một vòng xoắn một phân tử iot. Amylopectin tương tác với iot cho màu
nâu tím. Về bản chất phản ứng màu với iot là hình thành nên hợp chất hấp
thụ.
Ngoài khả năng tạo phức với iot, amylose còn có khả năng tạo phức với
nhiều chất hữu cơ có cực cũng như không cực như: các rượu no, các rượu
thơm, phenol, các xeton phân tử lượng thấp.
2.5.3. Tính hấp thụ của tinh bột
Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên khi tương tác với các chất bị hấp thụ thì
bề mặt trong và ngoài của tinh bột đều tham dự. Vì vậy trong quá trình bảo
quản, sấy và chế biến cần phải hết sức quan tâm tính chất này. Các ion liên kết
21


với tinh bột thường ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của tinh bột. Khả năng
hấp thụ của các loại tinh bột phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của hạt và khả
năng trương nở của chúng.
2.5.4. Khả năng hấp thụ nước và khả năng hòa tan của tinh bột
Xác định khả năng hấp thụ nước và khả năng hòa tan của tinh bột cho phép
điều chỉnh được tỉ lệ dung dịch tinh bột và nhiệt độ cần thiết trong quá trình
công nghiệp, còn có ý nghĩa trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến thủy
nhiệt. Rất nhiều tính chất chức năng của tinh bột phụ thuộc vào tương tác của
tinh bột và nước (tính chất thủy nhiệt, sự hồ hóa, sự tạo gel, tạo màng). Ngoài
ra, nó cũng là cơ sở để lựa chọn tinh bột biến tính thích hợp cho từng ứng
dụng cụ thể. Ví dụ: để sản xuất các sản phẩm nước uống, …[20].
2.6. Những tính chất vật lí của huyền phù tinh bột trong nước [8], [11]

2.6.1. Độ hòa tan của tinh bột
Amylose mới tách từ tinh bột có độ tan cao hơn song không bền nên nhanh
chóng bị thoái hóa trở nên không hòa tan trong nước. Amylopectin khó tan
trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ tan trong nước nóng.
Tinh bột bị kết tủa trong cồn, vì vậy cồn là một tác nhân tốt để tăng hiệu quả
thu hồi tinh bột.
2.6.2. Sự trương nở
Khi ngâm tinh bột vào nước thì thể tích hạt tăng do sự hấp thụ nước, làm
cho hạt tinh bột trương phồng lên. Hiện tượng này gọi là hiện tượng trương
nở của hạt tinh bột. Độ tăng kích thước trung bình của một số loại tinh bột khi
ngâm vào nước như sau: tinh bột ngô: 9,1%; tinh bột khoai tây: 12,7%; tinh
bột sắn: 28,4%.
2.6.3. Tính chất hồ hóa của tinh bột
Nhiệt độ để phá vỡ hạt chuyển tinh bột từ trạng thái đầu có mức độ oxi hóa
khác nhau thành dung dịch keo gọi là nhiệt độ hồ hóa. Phần lớn tinh bột bị hồ
hóa khi nấu và trạng thái trương nở được sử dụng nhiều hơn ở trạng thái tự
nhiên. Các biến đổi hóa lí khi hồ hóa như sau: hạt tinh bột trương lên, tăng độ
trong suốt và độ nhớt, các phân tử mạch thẳng và nhỏ thì hòa tan và sau đó tự
liên hợp với nhau để tạo thành gel. Nhiệt độ hồ hóa không phải là một điểm
mà là một khoảng nhiệt độ nhất định. Tùy điều kiện hồ hóa như nhiệt độ,

22


nguồn gốc tinh bột, kích thước hạt và pH mà nhiệt độ phá vỡ và trương nở
của tinh bột biến đổi trên một khoảng rộng lớn.
Bảng 1.2. Nhiệt độ hồ hóa của một số loại tinh bột
Tinh bột tự nhiên

Nhiệt độ hồ hóa (oC)


Ngô

62 – 73

Ngô nếp

62 – 72

Lúa miến

68 – 75

Lúa miến nếp

67 – 74

Gạo

68 – 74

Lúa mỳ

59 – 62

Sắn

52 – 59

Khoai tây


59 – 70

2.7. Độ nhớt của hồ tinh bột
Một trong những tính chất quan trọng của tinh bột có ảnh ưởng đến tính
chất và kết cấu của nhiều sản phẩm đó là độ nhớt và độ dẻo. Phân tử tinh bột
có nhiều nhóm hydroxyl có khả năng liên kết được với nhau làm cho phân tử
tinh bột tập hợp lại, giữ nhiều nước hơn khiến cho dung dịch có độ đặc, độ
dính, độ dẻo và độ nhớt cao hơn. Yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhớt của
dung dịch tinh bột là đường kính biểu kiến của các phân tử hoặc của các hạt
phân tán, đặc tính bên trong của tinh bột như kích thước, thể tích, cấu trúc và
sự bất đối xứng của phân tử. Nồng độ tinh bột, pH, nhiệt độ, tác nhân oxi hóa,
các thuốc thử phá hủy liên kết hydro đều làm cho tương tác của các phân tử
tinh bột thay đổi do đó làm thay đổi độ nhớt của dung dịch tinh bột.
2.8. Khả năng tạo gel và sự thoái hóa gel
Tinh bột sau khi hồ hóa và để nguội, các phân tử sẽ tương tác nhau và sắp
xếp lại tạo một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng 3
chiều. Để tạo được gel thì dung dịch tinh bột phải có nồng độ đậm đặc vừa
phải, phải được hồ hóa để chuyển tinh bột thành trạng thái hòa tan và sau đó
được để nguội ở trạng thái yên tĩnh. Trong gel tinh bột chỉ có các liên kết
hydro tham gia, có thể nối trực tiếp các mạch polyglucode hoặc gián tiếp qua
phân tử nước.
23


Khi gel tinh bột để nguội một thời gian dài sẽ co lại và lượng dịch thể sẽ
thoát ra, gọi là sự thoái hóa. Quá trình này sẽ càng tăng mạnh nếu gel để ở
lạnh đông rồi sau đó cho tan giá.
3. Giới thiệu về nano – bạc
3.1. Phương pháp điều chế

Có hai phương pháp để tạo vật liệu nano, phương pháp từ dưới lên và
phương pháp từ trên xuống. Phương pháp từ dưới lên là tạo hạt nano từ các
ion hoặc các nguyên tử kết hợp lại với nhau. Phương pháp từ trên xuống là
phương pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu. Đối với hạt nano kim
loại như hạt nano vàng, bạc, bạch kim,… thì phương pháp thường được áp
dụng là phương pháp từ dưới lên. Nguyên tắc là khử các ion kim loại như Ag
+, Au+ để tạo thành các nguyên tử Ag và Au. Các nguyên tử sẽ liên kết với
nhau tạo ra hạt nano. Các phương pháp từ trên xuống ít được dùng hơn nhưng
thời gian gần đây đã có những bước tiến trong việc nghiên cứu theo phương
pháp này.
Phương pháp ăn mòn laser
Đây là phương pháp từ trên xuống [4]. Vật liệu ban đầu là một tấm bạc
được đặt trong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm
Laser xung có bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng
lượng mỗi xung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm.
Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10
nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt
CnH2n+1SO4Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ 0,001 đến 0,1 M.
Phương pháp khử hóa học
Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại
thành kim loại. Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng
nên còn gọi là phương pháp hóa ướt. Đây là phương pháp từ dưới lên. Dung
dịch ban đầu có chứa các muối của các kim loại như HAuCl4, H2PtCl6,
AgNO3. Tác nhân khử ion kim loại Ag+, Au+ thành Ag0, Au0 ở đây là các
chất hóa học như Citric acid, vitamin C, Sodium Borohydride NaBH4,
Ethanol (cồn), Ethylene Glycol [5] (phương pháp sử dụng các nhóm rượu đa
chức như thế này còn có một cái tên khác là phương pháp polyol). Để các hạt
phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụng
phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và
24



đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt. Phương
pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chất khử. Phương pháp
bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương pháp này có thể làm
cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng. Các hạt
nano Ag, Au, Pt, Pd, Rh với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo
từ phương pháp này.
Phương pháp khử vật lí
Phương khử vật lí dùng các tác nhân vật lí như điện tử [6], sóng điện từ
năng lượng cao như tia gamma [7], tia tử ngoại [8], tia laser [9] khử ion kim
loại thành kim loại. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều quá trình
biến đổi của dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa
học có tác dụng khử ion thành kim loại. Ví dụ, người ta dùng chùm laser xung
có bước sóng 500 nm, độ dài xung 6ns, tần số 10 Hz, công suất 12-14 mJ [9]
chiếu vào dung dịch có chứa AgNO3 như là nguồn ion kim loại và Sodium
Dodecyl Sulfate (SDS) như là chất hoạt hóa bề mặt để thu được hạt nano bạc.
Phương pháp khử hóa lí
Đây là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lí. Nguyên lí là dùng
phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano. Phương pháp
điện phân thông thường chỉ có thể tạo được màng mỏng kim loại. Trước khi
xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ
tạo các hạt nano bàm lên điện cực âm. Lúc này người ta tác dụng một xung
siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện
cực và đi vào dung dịch [10].
Phương pháp khử sinh học
Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại [11]. Người ta cấy vi khuẩn
MKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để thu được hạt nano bạc.
Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường và có thể tạo hạt với số
lượng lớn.


3.2. TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO KIM LOẠI

25