Phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học trong công nghiệp chế biến

[In trang]

Nghiên cứu tạo Nanocrystal Cellulose từ bã sắn

Thứ ba, 17/03/2020 - 15:10

Sản xuất tinh bột sắn cung cấp nguyên liệu cơ bản cho công nghệ thực phẩm, công nghệ sinh học và các ngành liên quan. Tuy nhiên, sản xuất tinh bột sắn cũng là nguồn gây ô nhiễm môi trường lớn do chất thải rắn và nước thải, trong đó bã sắn được thải với tỉ lệ ước tính 280 tấn bã ướt/300 tấn củ, tương đương 3 tấn bã /tấn tinh bột.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Bã sắn còn chứa một lượng tinh bột dư lớn, 50-70%, 20-30% cellulose và 6 - 8% lignin, hiện đang được sử dụng làm phân bón hoặc thức ăn gia súc với giá trị thấp do hàm lượng protein thấp [6],[7],[12]. Theo một cách nhìn khác, bã sắn lại thực sự có thể coi là một nguyên liệu chứa tinh bột và cellulose sạch do chứa ít lignin và hemicellulose, hấp dẫn cho sản xuất các sản phẩm có giá trị gia tăng cao. Tinh bột dư trong bã sắn có thể được thu hồi (dưới dạng tinh bột hoặc glucose) [3],[11]; cellulose được sử dụng cho phát triển vật liệu cellulose cho các ứng dụng khác nhau [12]. Thu hồi sản phẩm từ bã sắn còn đạt hiệu quả kép: cho phép nâng cao giá trị cho sản xuất, tăng tính cạnh tranh của sản xuất tinh bột sắn, tận dụng hiệu quả tài nguyên và cùng lúc, giảm nguồn chất thải gây ô nhiễm một trường.

Nanocellulose (NC) là một ‘siêu vật liệu" mới hấp dẫn các nhà nghiên cứu và công nghiệp trong những năm gần đây. Có hai dạng NC được quan tâm phát triển đó là: Nanocellulose tinh thể (cellulose nanocrystals - CNC hay nanocrystalline cellulose - NCC) và nanocellulose dạng sợi (Nanofibrillated cellulose - NFC). NC có kích thước nanomet, đường kính 5-70 nm, chiều dài 50-500 nm (NCC) hoặc tới micromet (NFC) [1],[2]. Đặc trưng và tính chất của NC phụ thuộc vào nguyên liệu và công nghệ tạo ra chúng [5].

Trong những năm gần đây, NC trở thành vật liệu được nghiên cứu và mong muốn nhất trên phạm vi toàn cầu do đặc tính hấp dẫn của chúng: bề mặt riêng lớn, tính hấp phụ nước cao, tính chất màng tốt (không thấm nước và oxy)-có thể so sánh với plastic, nhẹ, tính bền cơ học tốt- có thể so sánh với thép, thủy tinh. Sản xuất và thương mại hóa NC toàn cầu tăng trưởng ngoạn mục. BCC Research nhận định rằng nhờ tính chất hâp dẫn, giá thành giảm ấn tượng, các báo cáo khẳng định không có độc tính, NC dường như được ứng dụng không giới hạn trong các lĩnh vực khác nhau. Thị trường toàn cầu NC năm 2014 là 46.8 triệu USD, dự đoán tăng lên 277.7 triệu USD năm 2019, với tốc độ tăng trưởng/ năm (CAGR) tính trong năm năm cuối đạt tới 42.8%. NFC đạt 28.2 triệu USD năm 2014, sẽ tăng lên 158.3 triệu USD năm 2019, CAGR đạt 41.2%. Tương tự, NCC đạt 18.0 triệu USD năm 2014 và dự đoán tăng tới 116.6 triệu USD năm 2019, đạt CAGR 45.3%. API dự đoán rằng lộ trình phát triển và tăng trưởng của NC có thể so sánh như plastic từ nguyên liệu dầu mỏ trước đây vào những năm đầu thế kỷ 20 [13].

NC có thể được sản xuất bằng con đường hóa học (xử lý axit, tẩy trắng...), vật lý (đồng hóa áp suất cao, nghiền, microwave...) kết hợp với xử lý bằng enzym [1],[2].

Với mục tiêu phát triển giá trị gia tăng cho công nghiệp sắn, trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu của chúng tôi tập trung phát triển công nghệ tạo nanocrystal cellulose, đồng thời thu hồi sản phẩm từ tinh bột dư trong bã sắn. Các đặc trưng của NC cũng được đánh giá và so sánh với sản phẩm NC thương mại.

II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Vật liệu nghiên cứu

- Bã sắn: Bã sắn được thu nhận từ nhà máy chế biến sắn Văn Yên xã Đông Cuông, huyện Văn Yên, tỉnh Yên Bái. Bã sắn tươi có hàm ẩm 70-90%, được bảo quản -20^oC cho tới khi sử dụng.

- Chế phẩm enzym: Các chế phẩm enzym dùng trong nghiên cứu, bao gồm: Stargen^TM002: DuPont (Palo Alto, Mỹ), NS22192: Cellulase, Novozymes (Đan Mạch), Pectinex Ultra SP-L: pectinase, Novozymes (Đan Mạch).

- Hóa chất: Các hóa chất sử dụng chủ yếu bao gồm: + Kit D - Glucose GOPOD - format, Megazyme, Mỹ, dung dịch glucose 1mg/ml, Sigma, Total starch kit of Megazyme (USA) và các hóa chất khác của Trung Quốc. NC thương mại (Main University, USA) từ bột giấy được sử dụng để so sánh.

2.2. Thiết kế thí nghiệm

- Xử lý enzym, tách tinh bột từ bã sắn: Bã sắn được xử lý với 13.5 CMCU/g và 7 PGU/g ở 45⁰C, pH 4.8 trong 4h. Lọc tách và thu hồi tinh bột, rửa bã ba lần với nước, thu hồi bã sắn.

- Tẩy trắng bã sau tách tinh bột: Bã sắn sau tách tinh bột được khử lignin và tẩy trắng với NaOH 20% ở 85⁰C trong 2h. Bã sắn sau đó được rửa với nước cho tới pH 5. Quá trình tẩy trắng được thực hiện ở tỉ lệ rắn/lỏng 1/5, nhiệt độ 80⁰C trong 2h với 20% w/w NaClO₂, lặp lại với 10 % w/w NaClO₂. Ly tâm thu bột cellulose sau tẩy trắng, rửa với nước tới pH 7.

- Tạo NCC:

Thủy phân bán phần cellulose bã sắn với axit sulfuric: Bã sắn sau tảy trắng được thủy phân với H₂SO₄ 2-52% ở 50⁰C trong 30 phút, 150 rpm. Kết thúc quá trình, bổ sung 10 lần nước để dừng phản ứng. Ly tâm tách cellulose ở 10,000 rpm, 20 phút. Xác định hàm lượng glucose dịch thủy phân, đánh giá lượng cellulose mất mát.

Đồng hóa áp suất cao (HPH): dung dịch cellulose sau thủy phân 1% được phân tách sợi khi cho qua thiết bị đồng hóa áp suất cao APV-2000 (SPX, USA), tuần hoàn 10 vòng, giữ áp suất 1000 bar, nhiệt độ dưới 95⁰C. Thu hồi huyền phù cellulose, bảo quản ở 4⁰C cho các phân tích tiếp sau.

Lấy mẫu qua từng công đoạn, phân tích kích thước vi sợi bằng FE- SEM JEOL JSM - 7600F (Mỹ) và phần mềm NIS-Elements BR. Để xác định hiệu suất, gel nanocellulose được lắc đều, lấy 10 mẫu mỗi mẫu 2 ml, ly tâm 10.000 vòng/ phút trong 10 phút, gạn nước, sấy cặn và xác định khối lượng. Hiệu suất nanocellulose (%) được tính theo công thức:

Hiệu suất thu NC (%) = [(B/2).V.100%]/A

Trong đó: V-Tổng thể tích gel nanocellulose thu được sau nghiền (ml); B-Khối lượng trung bình của nanocellulose thu được từ 2 ml gel nanocellulose sau sấy (g); A-Khối lượng bột cellulose sau tẩy trắng (g).

2.3. Phương pháp phân tích

Xác định hàm lượng glucose: hàm lượng glucose được xác định bằng D-Glucose Assay Kit GOD-POD (Megazyme, USA) theo hướng dẫn của nhà sản xuất. Thêm 5|jl mẫu vào 150 |jl GOD-POD reagent, ddeerr phản ứng trong tối ở 30oC trong 30 phút. Thực hiện phản ứng kiểm chứng và với dung dịch glucose chuẩn với 15|jl nước cất và 15|jl dung dịch 1.0 g/L of glucose. Đo độ hấp thụ ánh sáng của hỗn hợp phản ứng ở 510nm (Synergy HT Multi-Mode Microplate Reader, Biotek, USA).

Thành phần bã sắn:

Hàm lượng tinh bột bã sắn được xác định sử dụng Total starch kit of Megazyme (USA). Bã sắn được nghiền, cho qua rây 0.5 mm. Thủy phân tinh bột trong mẫu sử dụng amylase (a-amylase, glucoamylase) của bộ kít, xác định hàm lượng glucose giải phóng bằng D-Glucose Assay Kit GOD-POD Format (Megazyme, USA) [10].

Cellulose, hemicellulose và lignin được phân tích theo quy trình của NREL (Sluiter, et al., 2011). Để xác định glucan, thủy phân bã với axit sulfuric, thành phần đường được xác định bằng HPLC (Agilent 1200 series, Germany), Aminex HPX-87P column (Biorad, USA) với tốc độ dòng 0.6 mL/min; 800C.

Phân tích kích thước NC

Quan sát hình dạng sợi cellulose với Nikon Eclipse TE2000. Kích thước sợi cellulose được phân tích nhờ NIS- Element Br, Nhật Bản trong khoảng 10-1000|jm.

Chụp ảnh FE-SEM: Hình dạng NC được quan sát bằng FE-SEM, JEOL JSM-7600F microscope (JEOL USA, Inc), 2-15 kV, khoảng cách 4.4 mm. 50 |JL dung dịch NC (0.01 % w/w) được đưa lên phiến mẫu bằng đồng (5mmx5mm), làm khô trong không khí trong 24h, phủ lớp palladium 6 nm. Chụp ảnh và phân tích kích thước NC sử dụng phần mềm NIS- Element Br, Nhật Bản.

Chỉ số kết tinh cellulose (CrI): Chỉ số kết tinh của cellulose (CrI) được phân tích nhờ X-ray diffraction (XRD. Máy đo nhiễu xạ X-pert pro đặt ở 35 kV, 45 mA; bức xạ là Cu K a (= 1,54 Ẳ). Mẫu được đo trong phạm vi góc 20 = 5 - 40°, ở 40kV và 30mA, tốc độ 2°/phút (Segal, et al., 1959). Độ kết tinh được tính như sau:

CrI (%) = (I200 - Iam)*100/I200 (%)

Trong đó: I200: Cường độ bức xạ của cả vùng tinh thể và vùng vô định hình (ở vị trí mà cường độ bức xạ đạt tối đa xung quanh vị trí 20 = 22°; Iam: Cường độ bức xạ của vùng vô định hình (ở vị trí mà cường độ đạt bức xạ đạt tối thiểu xung quanh vị trí 20 = 18,0°).

Bảng 1: Thành phần bã sắn thay đổi trong quá trình xử lý bã sắn

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Thành phần bã sắn

Theo kết quả phân tích, tinh bột dư trong bã sắn có thể dao động theo công nghệ sản xuất tinh bột, nhưng đều ở hàm lượng rất cao 54,0 ± 8,0% bã (trọng lượng khô), vì thế trước khi sử dụng cellulose, cần tách tinh bột dưới dạng tinh bột hoặc dịch glucose cho các ứng dụng phù hợp. Hàm lượng cellulose trong bã sắn là 26 ±2,7%, đặc biệt là hàm lượng lignin nhỏ 6,0 ± 1,5%. Trong bã sắn có hàm lượng pectin chiếm tới 7,0 ± 2,1% và tro 2,0± 0,14%. Các thành phần khác chiếm 5%. Nếu tinh bột được tách ra, đây sẽ là một vật liệu lignicellulose có hàm lượng lignin thấp, có thể sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất nanocellulose, thu hồi giá trị cao hơn so với việc sử dụng hiện nay là làm thức ăn hoặc phân bón.

3.2. Tẩy trắng bã sắn

Thành phần bã sắn sau tẩy trắng được trình bày trong Bảng 2. Có tới 84,7% lignin bị loại bỏ trong quá trình, hàm lượng lignin còn lại 1,7 ± 0,2%. Bã sau tẩy trắng giàu cellulose (85,9 ± 1.4%) (bột cellulose), đạt độ trắng 83,78 ± 0.53% và được sử dụng cho tạo NC.

3.3. Tạo Nanocrystal cellulose (NCC)

NCC được tạo ra thu tách vùng kết tinh, loại bỏ vùng vô định hình trong cấu trúc mạch cellulose. Khi ấy, H₂SO₄ được sử dụng nhằm phân cắt vùng vô định hình cellulose trong khoảng thời gian kiểm soát [1],[2],[4].

Các thử nghiệm cho thấy sử dụng axit H₂SO₄ 50% ở điều kiện thí nghiệm có tác động rõ ràng tới cắt ngắn mạch cellulose (Hình 1). Chiều dài và đường kính trung bình ban đầu sợi cellulose là 269.32 |jm và 37.38 |jm. Xử lý với axit sulfuric hầu như không tác động tới đường kính, chỉ cắt ngắn mạch cellulose. Ở nồng độ axit 50 - 52 %, sợi cellulose bị cắt mạch đáng kể (chiều dài 37.5 -95,8 |jm). Huyền phù cellulose được đồng hóa trong APV-20001000 bar, 100 passes. Kết quả chụp SEM cho thấy mẫu xử lý trước đó với axit 50-52% tạo được cellulose ở kich thước nanomet.

Trong quá trình xử lý, lượng glucose tạo ra nhỏ, không đáng kể, cellulose được bảo toàn gần như 100%. Kéo dài thời gian xử lý axit, gây tổn thất cellulose đáng kể. Huyền phù cellulose thu được được chuyển sang xử lý cơ học, chụp SEM và đo kích thước, đánh giá tác động của xử lý axit tới mạch cellulose.

Hình 1: Kích thước sợi cellulose trong xử lý với axit sulfuric 0-52%

3.5. Một số đặc tính của NCC nghiên cứu

Kích thước:

NCC tạo ra có kích thước đường kính đạt kích thước nanomet (Hình 3). So sánh với các nghiên cứu đã công bố, NCC từ bã sắn có kích thước nằm trong khoảng 50 - 450nm chiều dài và 15 - 50nm đường kính tương tự như kích thước NCC được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu khác nhau (Bảng 2). Trong nghiên cứu này, NCC từ bã sắn được tạo ra với xử lý axit ở nồng độ axit thấp hơn nhưng ở nhiệt độ cao hơn so với các công bố của Wulandari và cs. [14].

Hình 2: Hình ảnh SEM của NC nghiên cứu (trái) và NC thương mại (phải)

Độ kết tinh của NCC

Phổ X-ray của NCC được đưa ra trên hình 3. Chỉ số kết tinh CrI của NCC từ bã sắn được xác định là 73,85%, thấp hơn so với CrI của NCC thương mại (79,22%), và trong phạm vi của các NCC công bố (73 - 78%). CrI phụ thuộc nguyên liệu và phương pháp sản xuất [8], [14]. NCC từ bã sắn chứa chủ yếu cellulose type I, khác với phổ của NCC thương mại, đi từ bột giấy.

Phổ FT-IR của NCC

Phổ FT-IR được sử dụng kiểm tra hiệu quả tách lignin hoặc tạp chất khác có trong mẫu NCC thông qua phân tích sự có mặt các nhóm chức. Phổ FTIR của NCC nghiên cứu (hình 4) không thấy sự có mặt các pic 1252 cm-1, 1511 cm-1, và 1738 cm-1, tương ứng với các nhóm C-O của gốc aryl trong lignin, C=C của vòng thơm trong lignin và nhóm C=O của gốc cacboxyl của hemicellulose và lignin, cho thấy sự tách triệt để lignin. Các phổ hấp thụ tại pic vùng 3382 cm-1 và vùng 2901 cm-1 tương ứng với các dao động của các nhóm O-H và C-H. Độ hấp thụ tại pic vùng 1638 cm-1 tương ứng với dao động của liên kết O-H trong phân tử nước. Pic cho dao động liên kết C-H và C-O trong vòng polysaccharit của cellulose nằm trong vùng 1400-1300 cm-1. Dao động liên kết C-O- C trong mạch vòng pyranose chỉ ra tại 1059 cm-1. Như vậy, NCC thể hiện phổ cellulose và không chứa các tạp chất khác.

Hình 3. Phổ kích thước của NCC từ bã sắn

Bảng 2. So sánh kích thước của NCC từ các nguồn nguyên liệu khác nhau

Hình 4: Phổ X-ray của NCC từ bã sắn và NCC thương mại

Cấu trúc bề mặt NCC (BET)

Sử dụng kỹ thuật BET phân tích cấu trúc bề mặt NCC cho thấy cấu trúc bề mặt của NCC nghiên cứu cho thấy chúng là vật liệu vi mao quản (micropore) với các mao quản kích thước <2 nm (phụ lục 2) chiếm tỉ trọng lớn. Diện tích bề mặt riêng NCC 0.4000 m2/g, tương đương cấu trúc của NCC thương mại (Main, Mỹ) (kết quả đo trong khoảng áp suất P/P0 0-0,3). Do hạn chế về thiết bị đo nên chúng tôi chưa phân tích được diện tích bề mặt riêng của các mao quản nhỏ hơn 2 nm. Các kết quả cũng cho thấy khả năng ứng dụng NCC trong phát triển hệ xúc tác hoặc vật liệu hấp phụ.

Bảng 3. Kết quả phân tích thành phần và độ an toàn vi sinh vật của NCC

Hình 6. Phổ giải phóng của Doxorubicin từ NCC-Dox NPs

Độ an toàn thực phẩm của NCC

Sản phẩm NCC được phân tích, đạt yêu cầu an toàn cho ứng dụng trong CNTP và dược phẩm (Bảng 3).

NCC được thử nghiệm trong tạo hệ NCC-Dox NPs nạp thuốc Doxorubicin hydroclorid, kết quả cho thấy phần lớn Doxorubicin đã được giải phóng từ từ khỏi NCC-Dox NPs trong vòng 24 giờ đầu (lên tới hơn 80%) (Hình 5).

Như vậy chúng tôi đã thành công tạo ra NCC đạt yêu cầu đặc tính và chất lượng cho ứng dụng trong thực phẩm, dược phẩm. NCC bước đầu thử nghiệm ứng dụng trong dược phẩm với kết quả khả quan.

KẾT LUẬN

Nanocrystal cellulose được tạo thành công từ bã sắn có các đặc tính phù hợp và đạt yêu cầu cho ứng dụng trong dược phẩm và thực phẩm. Hướng đi này hứa hẹn mang lại giá trị gia tăng lớn cho sản xuất sắn và tinh bột sắn hiện nay cũng như cho tạo mới các sản phẩm có giá trị gia tăng cao từ nguồn phụ phẩm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Bai W, Holbery J, Li K (2009) A technique for production of nanocrystalline cellulose with a narrow size distribution. Cellulose 16: (3) 455-465.

2. Brinchi L, Cotana F, Fortunati E, Kenny JM (2013) Production of nanocrystalline cellulose from lignocellulosic biomass: Technology and applications. Carbohydrate Polymers 94: (1) 154-169.

3. Chotineeranat S, Pradistsuwana C, Siritheerasas P, Tantratian S (2004) Reducing sugar production from cassava pulp using enzymes and ultra¬filtration I: Enzymatic hydrolation. J. Sci. Res. Chula. Univ. 29: (2) 119-128.

4. Flauzino Neto WP, Silvério HA, Dantas NO, Pasquini D (2013) Extraction and characterization of cellulose nanocrystals from agro-industrial residue - Soy hulls. Industrial Crops and Products 42: 480-488.

5. Khalil HA, Davoudpour Y, Islam MN, Mustapha A, Sudesh K, Dungani R, Jawaid M (2014) Production and modification of nanofibrillated cellulose using various mechanical processes: a review. Carbohydrate polymers 99: 649-665.

6. Okudoh V, Trois C, Workneh Ts, Schmidt S (2014) The potential of cassava biomass and applicable technologies for sustainable biogas production in South Africa: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 39: 1035-1052

7. Pandey A, Soccol CR, Nigam P, Soccol VT, Vandenberghe LPS, Mohan R (2000) Biotechnological potential of agro-industrial residues. II: CB. Bioresource Technology 74: (1) 81-87.

8. Purwanti E, Wulandari WT, Rochliadi A, Bundjali B, Arcana IM (2015) Preparation of nanocrystalline cellulose from corncob used as reinforcement in separator for lithium ion battery. ed), 365-369.

9. Segal L, Creely JJ, Martin AE, Conrad CM (1959) An Empirical Method for Estimating the Degree of Crystallinity of Native Cellulose Using the X-Ray Diffractometer. Textile Research Journal 29: (10) 786-794.

10. Sluiter A, Hames B, Ruiz R, Scarlata C, Sluiter J, Templeton D, Crocker D (2011) Determination os structural carbohydrates and lignin in biomass. eds. Technical Report NREL/TP-510-42618. National Renewable Energy Laboratory.

11. Souto LRF, Caliari M, Soares Juior MS, Florida FA, Garcia MC (2017) Utilization of residue from cassava starch processing for production of fermentable sugar by enzymatic hydrolysis. Food Science and Technology 37: 19-24.

12. Sriroth K, Piyachomkwan K, Wanlapatit S, Oates CG (2000) Cassava Starch Technology: The Thai Experience. Starch - Starke 52: (12) 439-449.

13. The global market for nanocellulose to 2017-2027, Future Markets Inc .

14. Wulandari WT, Rochliadi A, Arcana IM (2016) Nanocellulose prepared by acid hydrolysis of isolated cellulose from sugarcane bagasse. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 107: (1) 012045.

Tô Kim Anh, Phạm Tuấn Anh và Cộng sự

Đại học Bách Khoa Hà Nội