TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
Giới thiệu chung về chất hoạt động bề mặt
Chất hoạt động bề mặt là hợp chất hữu cơ giúp giảm sức căng bề mặt của chất lỏng, bao gồm hai phần chính: đầu ưa nước và đuôi kị nước Đầu ưa nước, hay còn gọi là hidrophin, chứa các nhóm chức như -COOH, -OH, nitro, amin, amit, cũng như các nhóm chứa lưu huỳnh và photpho Trong khi đó, đuôi kị nước, được gọi là lipophin hoặc hiđrophop, có thể là parafin, isoparafin, benzen, ankylbenzen, naphtalen hoặc vòng ngưng tụ hidrocacbon có mạch nhánh.
Khi các phân tử chất hoạt động bề mặt tiếp xúc với pha khí-nước và dầu-nước, đầu ưa nước sẽ hướng về pha nước, trong khi đuôi kị nước sẽ hướng về pha khí và pha dầu Sự kết hợp của cả nhóm ưa nước và nhóm kị nước giúp chất hoạt động bề mặt hòa tan hiệu quả trong cả nước và dung môi hữu cơ.
Hình 1.1 Cấu tạo phân tử chất hoạt động bề mặt
Tính chất
Trong dung dịch, ở nồng độ thấp, các phân tử chất hoạt động bề mặt tồn tại riêng lẻ Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt đạt đến một mức nhất định, gọi là nồng độ micen tới hạn (CMC), các phân tử này sẽ liên kết với nhau để hình thành các micen Sự hình thành micen cho phép chất hoạt động bề mặt có khả năng co cụm các phân tử trong dung dịch.
Các mixen có hình dạng cầu, hình trụ hoặc màng, trong đó các phân tử chất hoạt động bề mặt liên kết với nhau qua đầu hydrocacbon, trong khi nhóm phân cực được hướng ra bên ngoài.
3 dung dịch nước Ở các nồng độ cao hơn, các mixen có kích thước tăng lên và các gốc hydrocacbon song song với nhau hình thành các mixen tấm
Mixen có thể hình thành không chỉ trong dung dịch nước mà còn trong dung dịch xà phòng Trong trường hợp này, các phân tử xà phòng sẽ sắp xếp sao cho các nhóm phân cực hướng vào bên trong mixen, trong khi phần kỵ nước sẽ quay ra ngoài (Nguyễn Đình Triệu, 2005)
1.2.2 Các tính chất cơ bản
Tính thấm ướt: tạo điều kiện để vật cần giặt rửa, các vết bẩn tiếp xúc với nước một cách dễ dàng
Khả năng tạo bọt: Bọt được hình thành do sự phân tán khí trong môi trường lỏng Hiện tượng này làm cho bề mặt dung dịch tăng lên
Khả năng hòa tan của một chất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm bản chất và vị trí của nhóm ưa nước, chiều dài của mạch hydrocacbon, nhiệt độ và tính chất của ion kim loại.
Nước có sức căng bề mặt lớn, nhưng khi hòa tan chất hoạt động bề mặt, sức căng này sẽ giảm Sự hình thành lớp hấp thụ định hướng trên bề mặt nước, với nhóm ưa nước hướng vào nước và nhóm kị nước hướng ra ngoài, là nguyên nhân chính giúp giảm sức căng bề mặt Nhờ vào lớp hấp thụ này, bề mặt nước – không khí được thay thế bằng các pha kị nước, làm giảm đáng kể sức căng bề mặt của nước.
Khả năng nhũ hóa là yếu tố quan trọng để tạo ra hệ nhũ tương bền vững, vì nhũ tương vốn là hệ phân tán không bền Để cải thiện độ bền của nhũ tương, cần bổ sung chất nhũ hóa, thường là các chất hoạt động bề mặt Những chất này giúp giảm sức căng bề mặt, từ đó ổn định hệ nhũ tương hiệu quả hơn.
4 của hai hướng dầu – nước, sau đó làm cho hệ nhũ tương dễ dàng ổn định (Nguyễn Đình Triệu, 2005)
Chất hoạt động bề mặt có thể được phân loại theo nhiều cách sử dụng khác nhau, nhưng một trong những phương pháp phổ biến là dựa trên sự phân ly của chúng trong nước Theo cách phân loại này, có bốn loại chất hoạt động bề mặt chính: chất hoạt động bề mặt anion, chất hoạt động bề mặt cation, chất hoạt động bề mặt không ion và chất hoạt động bề mặt lưỡng tính (Nguyễn Đình Triệu, 2005) Chất hoạt động bề mặt anion là một trong những loại quan trọng trong nhóm này.
Chất hoạt động bề mặt là những hợp chất khi hòa tan trong nước sẽ phân ly thành anion, có cấu trúc mạch hydrocacbon dài chiếm phần lớn kích thước phân tử, trong khi ion thứ hai không có tính chất hoạt động bề mặt.
Chất hoạt động bề mặt anion là loại có khả năng hoạt động bề mặt mạnh nhất, đóng vai trò chủ yếu trong quá trình tẩy rửa nhờ vào khả năng lấy dầu cao và tạo bọt lớn Tuy nhiên, bọt của chúng không bền và có thể bị giảm hiệu quả tẩy rửa khi tiếp xúc với nước cứng hoặc nước cứng tạm thời Với tính đa dạng và lịch sử sử dụng lâu dài, CHĐBM anion vẫn là lựa chọn phổ biến trong ngành tẩy rửa.
Chất hoạt động bề mặt anion chia làm hai loại chính:
Chất hoạt động bề mặt anion có nguồn gốc thiên nhiên được sản xuất từ quá trình xà phòng hóa các este axit béo với glycerin, bao gồm các nguyên liệu như dầu cọ, dầu dừa, dầu đậu nành, dầu lạc, dầu cao su, và các loại mỡ động vật như mỡ heo, mỡ cừu, mỡ bò, mỡ hải cẩu và mỡ cá voi.
Chất hoạt động bề mặt anion có nguồn gốc từ dầu mỏ được tạo ra thông qua quá trình ankyl hóa và sunfo hóa các dẫn xuất ankyl, aryl, cũng như ankylbenzen sunfonic Bên cạnh đó, còn có chất hoạt động bề mặt cation.
Chất hoạt động bề mặt là các hợp chất khi hòa tan trong nước sẽ phân ly thành cation, trong đó mạch hydrocacbon dài chiếm phần lớn kích thước của phân tử Ion thứ hai trong cấu trúc này không có tính hoạt động bề mặt và có khả năng hoạt động bề mặt thấp.
Chất hoạt động bề mặt cation chứa nhóm ưa nước là ion dương, thường là các dẫn xuất của muối amin bậc bốn của clo Những chất này được biết đến với tính chất êm dịu, phù hợp cho nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp và chăm sóc cá nhân.
Chất hoạt động bề mặt cation có đặc điểm là không tạo bọt nhiều, tẩy dầu ít và tạo nhũ tốt, nhưng khả năng phân giải sinh học còn hạn chế Trong tương lai, thị trường sẽ xuất hiện các cation nhóm chức este dễ phân giải hơn, giúp bảo vệ môi trường và giảm nguy cơ dị ứng khi sử dụng Đặc biệt, chất hoạt động bề mặt cation chủ yếu được sử dụng để triệt tiêu tĩnh điện trên tóc và vải sợi, do đó lượng sử dụng rất ít Ngoài ra, còn có chất hoạt động bề mặt không ion.
Chất hoạt động bề mặt không ion khi hòa tan trong nước không phân ly thành ion, có khả năng hoạt động bề mặt không cao, nhẹ nhàng với da, và ít lấy dầu Chúng giúp bền bọt, tạo nhũ tốt và có khả năng phân giải sinh học, đồng thời ít bị ảnh hưởng bởi nước cứng và pH môi trường Tuy nhiên, chúng có khả năng tạo phức với một số ion kim loại nặng trong nước.
Ứng dụng
Chất hoạt động bề mặt được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp và xây dựng Một số ứng dụng điển hình của chúng được trình bày trong Bảng 1.2 (T M Schmitt, 2001).
Bảng 1.1 Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt
Sản phẩm chăm sóc cá nhân Tẩy rửa, nhũ hóa, bôi trơn, chống tĩnh điện
Ngành công nghiệp và xây dựng sử dụng các sản phẩm tẩy rửa, tạo bọt, nhũ hóa và phụ gia chống tĩnh điện để nâng cao hiệu quả làm sạch và bảo vệ bề mặt Trong lĩnh vực luyện thép và chế tạo máy, các giải pháp tẩy rửa, nhũ hóa và bôi trơn đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất và độ bền của thiết bị, đồng thời cải thiện chất lượng màng mỏng trong quá trình sản xuất.
Nông nghiệp Nhũ hóa, thấm ƣớt, phun mù
Chế biến và phụ gia thực phẩm bao gồm các chức năng như nhũ hóa, bền hóa, tẩy rửa, thấm ướt và tạo bọt Trong lĩnh vực dược phẩm và sinh học, các ứng dụng quan trọng bao gồm thấm ướt, khử bọt, chống khuẩn và tạo màng sinh học.
Dầu mỏ Nhũ hóa, tẩy rửa, thu hồi dầu trầm tích
Sơn và cao su Nhũ hóa, ổn định và phân tán pigment
Dệt, nhuộm, da Tẩy giặt, thấm ướt, nhũ hóa
TỔNG QUAN VỀ ALGINATE
Nguồn gốc
Alginate là một polysaccharide tự nhiên được sản xuất bởi tảo nâu và vi khuẩn, lần đầu tiên được chiết xuất vào năm 1881 bởi Stanford từ tảo nâu (Phaeophyceae) dưới dạng muối canxi, magie và natri của axit alginic Sự hiện diện của alginate không chỉ cung cấp độ bền cơ học mà còn mang lại tính linh hoạt cho rong biển trong môi trường nước, giúp chúng thích nghi hiệu quả với các tác động của dòng chảy.
To date, commercial alginate is extracted from various species of brown algae The most commonly used algae for alginate production include Ascophyllum nodosum, Laminaria digitata, Laminaria hyperborea, Laminaria saccharina, Laminaria japonica, Durvillaea potatorum, Durvillaea antarctica, Macrocystis pyrifera, Ecklonia maxima, and Lessonia nigrescens.
Nghiên cứu của Gorin và Spencer (1966), Linker và Jones (1966), cùng với Govan và cộng sự (1981) cho thấy một số vi khuẩn như Azotobacter và Pseudomonas có khả năng sản xuất alginate với cấu trúc vật lý và hóa học vượt trội hơn alginate từ rong biển Những tiến bộ gần đây trong quá trình tổng hợp alginate từ vi khuẩn đã mở ra cơ hội tạo ra alginate với các tính năng phù hợp cho ứng dụng trong y sinh.
Cấu trúc của alginate
Alginate là anionic polysaccharide, là một co-polymer mạch thẳng được tạo thành từ liên kết (14) glycosidic của β-D-mannuronic acid (M) và α-L-guluronic acid (G) (Hình 2.1) (CongQ và cộng sự, 2014)
Theo công thức cổ điển của Haworth, hai monomer mannuronic acid và guluronic acid chỉ khác nhau ở vị trí của nhóm carboxyl trên và dưới mặt phẳng vòng pyranose Theo quan niệm hiện đại, cấu trúc của hai gốc uronic này có dạng ghế với cấu hình khác nhau: mannuronic acid có cấu hình 4 C1, trong khi guluronic acid có cấu hình 1 C4 Sự khác biệt trong mạch cấu trúc này dẫn đến những tính chất hóa học và sinh học khác nhau giữa hai uronic (Atkins và cộng sự, 1973; Hang A và cộng sự, 1967).
Hình 2.1 Liên kết (14) glycosidic giữa các uronic
Hình 2.2 Cấu trúc 2 gốc uronic trong phân tử alginate
Các chuỗi polyguluronic acid có dạng nếp gấp, còn polymannuronic acid có dạng phẳng Khoảng cách giữa 2 uronic trong chuỗi polyguluronic acid là là 8,7
A ° ; polymannuronic acid là 10,35 A ° ; và khoảng cách giữa hai uronic trong chuỗi luân phiên polyguluronic acid và polymannuronic acid là 9,5 A ° (Atkins và vộng sự, 1973)
Hình 2.3 Độ dài trung bình giữa các uronic trong các block của alginate
Trong phân tử alginate, tỷ lệ, trình tự và sự phân bố của hai monomer có sự biến đổi đáng kể tùy thuộc vào nguồn gốc của alginate Sự sắp xếp ngẫu nhiên của hai monomer M và G là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của alginate.
Mạch alginate có ba dạng cấu trúc chính: block homopolymerric guluronic, bao gồm các gốc acid guluronic nối tiếp (GGGG); block homopolymerric mannuronic, với các gốc acid mannuronic nối tiếp (MMMM); và block heteropolymerric ngẫu nhiên, trong đó hai gốc acid guluronic và mannuronic luân phiên nối tiếp (MGMGMGMG).
Hình 2.4 Sự sắp xếp các block polysaccharide trong phân tử alginate
Tính chất lý học, hóa học và sinh học của alginate phụ thuộc vào khối lượng phân tử, độ nhớt, tỷ lệ M/G và trình tự sắp xếp các uronic trong polymer Tỷ lệ M/G là thông số quan trọng, ảnh hưởng đến tính chất hóa học và lý học của alginate, đồng thời có vai trò quyết định trong nghiên cứu khả năng tạo gel.
Một số loại muối Alginate
Alginate được sản xuất từ tảo nâu Phaeophyceae, trong tảo các acid chủ yếu ở dạng muối hỗn hợp (Na, K, Mg, Ca)
Hình 2.5 Công thức cấu tạo Canxi Alginate
Chất bột trắng này không có mùi và vị, không hòa tan trong nước và ether, nhưng tan chậm trong dung dịch natri polyphosphate, natri carbonate, cùng với các hợp chất chứa ion canxi.
Canxi alginate, một polysaccharide tự nhiên chiết xuất từ rong biển, thường được ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, hàn, sơn và keo dẻo ướt Nó cũng có tiềm năng lớn trong việc làm chất phụ gia cho công nghiệp thực phẩm chức năng (Lê Thị Hồng Hạnh, 2015)
Hình 2.6 Công thức cấu tạo của Natri alginate
Natri alginate là một bột hạt màu trắng hoặc vàng nhạt, không có vị, có khả năng tạo gel khi hòa tan trong nước Chất này được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm như một chất tăng độ nhớt và chất chuyển thể sữa Đồng thời, natri alginate cũng không tan trong ether, ethanol và chloroform.
Natri alginate là một tác nhân tạo gel hiệu quả mà không cần sử dụng nhiệt, thường kết hợp với canxi clorua để bọc trứng cá muối và nâng cao cảm quan cho các loại thức uống Ngoài ra, natri alginate còn được ứng dụng trong y học nhờ khả năng hạ lipid máu và huyết áp (Lê Thị Hồng Hạnh, 2015).
Hình 2.7 Công thức cấu tạo của Kali alginate
Kali alginate là một bột màu trắng, không mùi và không vị, hòa tan trong nước tạo thành dung dịch sệt dính, không hòa tan trong rượu và các dung môi hữu cơ khác Chất này chủ yếu được sử dụng trong ngành dược phẩm và thực phẩm nhờ vào khả năng hạ mỡ trong máu, giảm đường huyết và cholesterol Ngoài ra, kali alginate còn là vật liệu quan trọng trong nha khoa, giúp làm khuôn răng và tạo mặt nạ trong ngành mỹ phẩm Với trọng lượng phân tử thấp, kali alginate dễ dàng được cơ thể hấp thu, trao đổi với ion natri trong ruột và thải bỏ mà không gây hại, vì vậy nó đang được nghiên cứu và ứng dụng làm nguyên liệu cho màng bọc thuốc.
Hình 2.8 Công thức cấu tạo của amon alginate
Amon alginate là muối amoni của acid alginic, tồn tại dưới dạng hạt hoặc bột màu trắng Chất này hòa tan chậm trong nước, tạo ra dung dịch sệt dính và không hòa tan trong ethanol, ether Amon alginate cũng kết tủa với canxi clorua và ammonium sulfat, và được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm.
12 phẩm như chất ổn định, chất làm đặc, chất tạo keo, chất chuyển thể sữa (Lê Thị Hồng Hạnh, 2015)
Propylen glycon alginate (PGA): C5H7O4COOC3H6OH)n
Hình 2.9 Công thức cấu tạo của Propylene glycol alginate
Propylene glycol alginate (PGA) is an ester of alginic acid, where some carboxyl groups are esterified with propylene glycol, while others are neutralized with an appropriate alkaline solution, and some remain free When dissolved in water, PGA forms a viscous solution and can dissolve up to 60% in ethanol, depending on the degree of esterification Additionally, PGA can precipitate with sulfuric acid and lead acetate.
Hoạt tính sinh học của alginate
2.4.1 Hoạt tính chống đông máu
Alginate không có hoạt tính chống đông máu, nhưng các dẫn xuất alginate sulfate lại có cấu trúc và tính chất tương tự như heparin, một chất chống đông máu tự nhiên Sự khác biệt về thành phần, tỷ lệ M/G, và trình tự acid hex-uronic của alginate phụ thuộc vào loài rong, mùa vụ thu hoạch, độ trưởng thành, và phần của rong được sử dụng, dẫn đến sự khác nhau trong hoạt tính chống đông máu Alginate sulfate, với hàm lượng lưu huỳnh khoảng 10% (w/w), được sử dụng như một chất kết dính đặc hiệu và có khả năng điều khiển việc tạo ra các chất chống đông thông qua sự kết hợp với protein.
Ung thư là nguyên nhân chính gây tử vong ở các nước phát triển và đứng thứ hai ở các nước đang phát triển Hóa trị đã trở thành phương pháp điều trị phổ biến, nhưng thường gây ra nhiều tác dụng phụ nghiêm trọng Để giảm thiểu độc tính của các liệu pháp hóa trị hiện có, nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu các sản phẩm tự nhiên có khả năng chống khối u.
Alginate oligosaccharides (AOS) là một hợp chất hứa hẹn cho các ứng dụng y sinh nhờ vào tính không gây dị ứng, không độc hại và khả năng phân hủy sinh học của nó AOS có tác dụng chống khối u thông qua nhiều cơ chế, bao gồm ức chế sự tăng sinh và di chuyển của tế bào khối u, điều chỉnh các phản ứng miễn dịch và cải thiện khả năng chống oxy hóa cũng như chống viêm.
2.4.3 Hoạt tính hạ huyết áp Đã có nhiều bằng chứng cho thấy alginate có tác dụng hạ huyết áp Có hai cơ chế mà các hợp chất này làm giảm áp lực máu được đề xuất: ức chế sự hấp thụ muối trong ruột, và tác dụng giãn mạch Quan điểm cổ điển cho rằng alginate mạch dài là nhớt và không hòa tan trong nước, do đó không thể được hấp thụ trong ruột và tiêu hóa Các tính chất hóa học của alginate làm chậm hoặc ức chế sự hấp thu cholesterol và natri trong ruột, acid cacboxylic trong phân tử đường alginate có thể liên kết với các cation Na + , K + và Ca 2+ Các ion trao đổi giữa H + và Na + , K + hoặc Ca 2+ có thể làm giảm hấp thu Na + ở ruột, do đó làm giảm huyết áp cao (Xing và cộng sự, 2020)
TÍNH CHẤT CỦA ALGINATE
Độ tan
Acid alginic là một acid yếu, không tan trong dung môi hữu cơ và nước, nhưng có khả năng hấp thụ nước gấp 10 - 20 lần trọng lượng của nó và trương nở mạnh Khi hòa tan trong kiềm hóa trị I như Na+ và K+, acid alginic tạo ra dung dịch muối kiềm alginate có độ nhớt cao Các muối amoni, muối của amin phân tử lượng thấp và muối của các hợp chất amin bậc bốn của acid alginic có khả năng tan trong nước Ngược lại, các muối của kim loại hóa trị II như Ca2+ và Ba2+ không tan trong nước (trừ muối của Mg2+) và tạo gel với màu sắc khác nhau tùy thuộc vào từng loại kim loại.
Khi acid mạnh tác động lên muối kiềm alginate, acid alginic sẽ được tách ra và kết tủa trên bề mặt dung dịch Tính chất này đóng vai trò quan trọng trong quy trình chiết xuất alginate.
Độ nhớt
Khi alginate được hòa tan trong nước, chúng hấp thụ nước và hình thành dung dịch nhớt Độ nhớt của dung dịch này tỷ lệ thuận với chiều dài của phân tử alginate, và cách sắp xếp của các phân tử cũng có tác động đáng kể đến độ nhớt.
Bảng 3.1 Độ nhớt của alginate, mPa.S (Broorkrield, 20rpm, 200C)
Thấp Trung bình Cao Rất cao
Sự thay đổi độ nhớt của alginate ở các nồng độ khác nhau cho thấy rằng trong một số trường hợp, độ nhớt có thể tăng lên ngay cả khi nồng độ ở mức thấp.
Alginate có sự hiện diện của các muối như calcium carbonate, calcium sulfat và calcium tartrate, giúp ion calcium tạo cầu nối giữa các phần tử, từ đó tăng trọng lượng phân tử và độ nhớt của dung dịch Độ nhớt của alginate phụ thuộc vào nhiệt độ, với bột alginate dễ bị giảm nếu không được bảo quản ở nhiệt độ thấp Khi lưu trữ ở 10 – 20°C, alginate có độ nhớt khoảng 50 mPa.s trong 3 năm mà không thay đổi nhiều Ngược lại, alginate có độ nhớt cao (khoảng 400 mPa.s) khi bảo quản ở 25°C sẽ giảm 10% sau 1 năm và giảm 45% ở 30°C Nhiệt độ tăng làm alginate dễ bị cắt mạch, dẫn đến giảm độ nhớt, nhưng nếu hạ nhiệt độ xuống mức đông lạnh và sau đó rã băng, độ nhớt của dung dịch alginate sẽ không bị ảnh hưởng.
Độ ổn định
Alginate, giống như các polysaccharide tự nhiên khác, không bền với nhiệt và ion kim loại Độ ổn định của alginate được sắp xếp theo thứ tự từ cao đến thấp là sodium alginate, ammonium alginate và acid alginic Đồng thời, alginate có độ nhớt cao cũng kém ổn định hơn so với alginate có độ nhớt trung bình hoặc thấp.
Dung dịch alginate công nghiệp có khả năng bị phân hủy bởi vi sinh vật trong không khí Ở pH từ 5,5 đến 10 và nhiệt độ phòng, dung dịch alginate duy trì tính ổn định trong thời gian dài, nhưng sẽ chuyển sang dạng gel khi pH giảm xuống dưới 5,5 Sự hiện diện của một lượng nhỏ ion calcium có thể nâng cao độ ổn định của dung dịch này.
Sự gel hóa
Alginate có khả năng tạo gel hiệu quả, với gel alginate là loại gel không thuận nghịch, giữ nguyên tính chất ban đầu của sản phẩm Gel có thể hình thành ở bất kỳ nhiệt độ nào dưới 100°C và không bị chảy khi đun nóng Quá trình tạo gel alginate phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như dạng alginate, sự kết hợp với ion calcium và phương pháp chuẩn bị Sự hình thành gel liên quan đến liên kết giữa alginate và ion trung tâm, cũng như sự tương tác ngược lại.
Hình 3.1 Cấu trúc dạng “Box- egg”
Khi thêm ion Ca 2+ hoặc acid vào dung dịch sodium alginate, cấu trúc “eggbox” được hình thành, tạo ra gel, màng hoặc sợi nhờ các tương tác tĩnh điện thông qua cầu calcium ở nhiệt độ phòng và pH từ 4 đến 10 Nồng độ calcium ảnh hưởng đến tính chất của gel: gel có thể thuận nghịch với nồng độ Ca 2+ thấp và không thuận nghịch, ít đàn hồi với nồng độ Ca 2+ cao Các tương tác tĩnh điện qua cầu canxi đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo gel này.
Sự hóa dẻo
Sự hóa dẻo của màng có thể được cải thiện bằng cách thêm các tác nhân làm dẻo, giúp tăng độ bền và giảm khả năng rách của màng Quá trình này liên quan đến sự co lại của các phân tử bên trong giữa các chuỗi polymer trong cấu trúc màng Để đạt hiệu quả tối ưu, chất dẻo cần phải tương thích với polymer sử dụng và có cùng hoạt tính Ngoài ra, chất dẻo cũng cần được giữ lại lâu trong hỗn hợp.
Tính chất của màng Alginate
Các alginate có khả năng tạo ra màng bền, đàn hồi và chịu dầu, không bị dính bệt Màng polysaccharide này có tác dụng ngăn cản oxy và lipid thẩm thấu, từ đó ức chế hiện tượng oxy hóa chất béo và các thành phần khác trong thực phẩm Hơn nữa, màng còn giúp giảm thoát ẩm bằng cách làm cho lượng ẩm trong màng bốc hơi trước, giữ cho độ ẩm bên trong thực phẩm không bị mất đi.
Màng alginate được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghệ thực phẩm nhằm
Màng phủ alginate giúp kéo dài thời gian sử dụng và bảo quản chất lượng sản phẩm thực phẩm Chức năng của màng phủ này không chỉ ngăn chặn sự mất ẩm và di chuyển chất tan, mà còn hạn chế phản ứng oxy hóa, ngăn ngừa sự nhiễm vi sinh vật và bảo vệ hương vị của thực phẩm.
Màng ngăn cản sự thấm khí, giúp chống lại quá trình oxy hóa các thành phần thực phẩm, từ đó ngăn chặn hiện tượng hóa nâu Hiệu quả của màng này phụ thuộc vào bản chất của nó cũng như điều kiện môi trường xung quanh.
Alginate có khả năng kết hợp với các thành phần khác để tạo ra màng hợp thành, từ đó cải thiện các đặc tính của sản phẩm.
Tính tương hợp sinh học
Alginate có tính tương hợp sinh học đã được nghiên cứu nhiều, nhưng vẫn còn tranh cãi về ảnh hưởng của các thành phần trong alginate Hầu hết các tác động này liên quan đến mức độ tinh khiết khác nhau của alginate Alginate từ nguồn tự nhiên có thể chứa nhiều tạp chất như kim loại nặng, nội độc tố, protein và hợp chất polyphenolic Tuy nhiên, alginate được tinh chế qua quy trình chiết xuất nhiều bước có thể đạt độ tinh khiết cao, đảm bảo không gây độc khi cấy ghép vào cơ thể (Lee và cộng sự, 2012; Orive và cộng sự, 2002).
Sodium Alginate có khả năng hòa tan cao trong nước, không độc hại, phân hủy sinh học và tương hợp sinh học tốt, cùng với đặc tính tạo gel độc đáo Nhờ những ưu điểm này, Sodium Alginate được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh, bao gồm truyền tải thuốc và protein, chữa lành vết thương, nuôi cấy tế bào và tái tạo mô như mạch máu và xương.
Giá trị HLB
Hydrophillic-lipophillic balance (HLB) được gọi là chỉ số cân bằng ưa nước – ưa dầu, thang đo giá trị HLB nằm trong khoảng từ 1 – 20
Alginate là chất hoạt động bề mặt anion polysaccharide, có giá trị HLB rơi vào khoảng 8 - 16 (Ng và Rogers, 2019)
ỨNG DỤNG CỦA ALGINATE TRONG LĨNH VỰC
Alginate trong phân phối thuốc
Quá trình phân phối thuốc cần đảm bảo được các yếu tố như đưa thuốc đến đúng vị trí, vào đúng thời điểm và đúng nồng độ
Thị trường thuốc protein đang phát triển nhanh chóng nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp Alginate là một phương tiện vận chuyển hiệu quả cho thuốc protein, giúp giảm thiểu sự biến tính của protein và bảo vệ thuốc khỏi sự phân hủy Gel alginate có đặc tính xốp và ưa nước, cho phép tốc độ giải phóng protein nhanh chóng khi cần thiết.
Công nghệ nano đã cho phép nghiên cứu và phát triển nano-alginate trong việc chế tạo thuốc kháng viêm và thuốc nhả chậm Sản phẩm này giúp duy trì nồng độ thuốc ổn định lâu dài, hạn chế sự gia tăng nhanh chóng hoặc thải hồi sớm như các loại thuốc truyền thống, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị.
Ứng dụng trong điều trị bệnh dạ dày
Bệnh loét dạ dày xảy ra khi acid tiêu hóa và pepsin tấn công mạnh mẽ hơn khả năng bảo vệ của niêm mạc dạ dày và tá tràng Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng này là sự mất cân bằng giữa hoạt động của acid và sức đề kháng của niêm mạc.
Mục tiêu điều trị bệnh là giảm cơn đau và ngăn ngừa loét bằng cách giảm tác động của acid, loại bỏ H pylori, và tăng cường sức đề kháng cho niêm mạc.
Hợp chất chứa alginate có tác dụng điều trị thông qua các ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp Các polysaccharide này có khả năng chữa lành các vết loét bằng cách loại bỏ mô hoại tử và vi sinh vật, đồng thời hấp thụ các tác nhân hóa học gây bệnh Gel chống acid tác động trực tiếp lên mô tạo hạt, kích thích và thúc đẩy quá trình epithelization Ngoài ra, tác động gián tiếp của alginate giúp giảm nồng độ chất độc trong máu thông qua việc thẩm thấu các chất trao đổi vào ruột, từ đó giảm bớt gánh nặng cho hệ thống giải độc và hỗ trợ quá trình phục hồi.
Natri alginate đã được chứng minh qua các thử nghiệm trên động vật là có khả năng kích thích sự bài tiết của tuyến tụy và lá lách Acid alginic cùng với các muối của nó cho thấy hiệu quả trong việc điều trị bệnh loét dạ dày và tá tràng, trong khi canxi alginate có tác dụng ngăn chặn sự hình thành vết loét mới và làm giảm diện tích viêm loét cũ.
Ứng dụng alginate trong điều chế thuốc kháng sinh
Các alginate oligosaccharide đã trở thành chất chỉ thị sinh học quan trọng trong sản xuất enzyme và kháng sinh gần đây Việc bổ sung oligomannuronate và oligoguluronate vào quá trình sản xuất penicillin G đã cho thấy hiệu suất tăng lên lần lượt 47% và 49%.
Ứng dụng trong điều chế thuốc đối với bệnh gan
Nguyên nhân phổ biến nhất gây viêm gan là do virus, bao gồm phế cầu, liên cầu khuẩn, xoắn khuẩn và các vi sinh vật khác Nguyên nhân thứ hai thường gặp là viêm gan do nhiễm độc và tổn thương thoái hóa, thường là hệ quả của tác động từ các hóa chất độc hại Trong số các chất độc hại này, có thể kể đến các loại thuốc như thuốc chống lao và thuốc kháng sinh.
Viêm gan cấp tính có thể tiến triển thành mãn tính, thường liên quan đến cơ chế tự miễn dịch, và có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như sulfonamide, thuốc an thần, thuốc gây ngủ, thuốc chống viêm, cũng như các chất độc công nghiệp như benzene, toluene, chloroform, nitrokraski và kim loại nặng, bên cạnh các chất độc thông thường, nấm độc và thực vật.
Một trong những phương pháp điều trị bệnh gan là chống lại sự nhiễm độc, đặc biệt thông qua giải độc qua đường ruột Nhiều chế phẩm đã được sử dụng, bao gồm than hoạt tính, chất sợi carbon, cellulozơ, lignin, pectin và alginate Tuy nhiên, than hoạt tính và chất sợi carbon chỉ nên dùng với liều tối đa 50g/ngày, vì liều cao hơn có thể gây tác dụng phụ như nôn mửa Do đó, cần tìm kiếm những chế phẩm hiệu quả hơn để điều trị bệnh gan.
Nghiên cứu trên chuột mắc bệnh gan do tetraxlorua carbon cho thấy alginate có tác dụng bảo vệ gan hiệu quả Tetraxlorua carbon là mô hình thí nghiệm lý tưởng để đánh giá hoạt tính bảo vệ gan của các hợp chất, vì nó gây tổn thương tế bào gan tương tự như nhiều bệnh lý khác như viêm gan siêu virus và viêm gan độc hại Trong thí nghiệm, chế phẩm canxi alginate được đưa vào dạ dày chuột hàng ngày trong 3 tuần với liều lượng từ 10 - 250mg/kg trọng lượng Kết quả cho thấy alginate làm giảm các dấu hiệu tổn thương gan, và liều 250mg/kg mang lại sự cải thiện đáng kể các chỉ số đánh giá sức khỏe gan.
Nghiên cứu cho thấy alginate trong ruột già được vi khuẩn lên men, tạo ra oligosaccharide và acid béo mạch ngắn Sản phẩm này được hấp thụ vào máu, trong đó oligosaccharide có khả năng liên kết và hỗ trợ loại bỏ nhanh chóng các cấu trúc phân tử đơn giản, bao gồm cả hợp chất độc hại qua thận.
Mặc dù cơ chế hoạt động của alginate vẫn chưa được xác định rõ ràng, nhưng nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng alginate có tác dụng tích cực trong điều trị tổn thương gan Alginate cũng có khả năng được ứng dụng trong sản xuất dược phẩm và thực phẩm bổ sung nhằm bảo vệ gan.
4.5 Ứng dụng điều chế alginate có khối lượng phân tử thấp có hoạt tính chống đông máu dùng làm thực phẩm chức năng Đông máu là một quá trình máu chuyển từ thể lỏng thành thể đặc do chuyển fibrinogen thành fibrin không hòa tan và các sợi fibrin bị trùng hợp này tạo thành mạng lưới giam giữ các thành phần của máu gây nên sự đông máu
Alginate tự nhiên không có khả năng chống đông máu, nhưng các dẫn xuất sulfate của alginate, tức là alginate được sulfate hóa, lại sở hữu những đặc tính và cấu trúc tương tự như heparin - chất chống đông máu được sản xuất trong tế bào gan.
Hoạt tính chống đông máu của alginate khối lượng phân tử thấp được sulfate hóa phụ thuộc vào khối lượng phân tử trung bình và nồng độ Nghiên cứu toàn cầu cho thấy alginate sulfate chủ yếu kéo dài thời gian đông máu nội sinh và chung, trong khi tác động kéo dài thời gian đông máu ngoại sinh là hạn chế.
Ứng dụng làm băng gạc
Băng alginate là một phương pháp hiện đại để chăm sóc vết thương, khác với cách băng bó truyền thống như gạc Nó tạo ra môi trường ẩm, kích thích quá trình lành vết thương bằng cách hấp thụ dịch tiết và cung cấp nước, giúp giảm thiểu nguy cơ nhiễm trùng Việc sử dụng băng alginate không chỉ bảo vệ vết thương khỏi tác động bên ngoài mà còn hỗ trợ quá trình hồi phục hiệu quả hơn.
Ứng dụng làm chất nền trong kỹ thuật tái tạo mô xương, sụn
Mặc dù đã có những tiến bộ gần đây trong điều trị chấn thương xương, quá trình lành vết thương vẫn còn gặp nhiều hạn chế Gel alginate đã được chứng minh có tiềm năng trong việc tái tạo xương nhờ vào khả năng cung cấp các yếu tố tạo xương, tế bào tạo xương, hoặc sự kết hợp của cả hai.
Gel alginate nổi bật trong việc tái tạo xương và sụn nhờ vào khả năng xâm lấn tối thiểu, khả năng lấp đầy các khuyết tật với hình dạng bất thường, và dễ dàng điều chỉnh hóa học với các phối tử kết dính Hơn nữa, gel này cho phép giải phóng có kiểm soát các yếu tố cảm ứng mô, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hồi phục.
Các vật liệu 22 không đạt đủ độ bền cơ học, nhưng có thể cải thiện đặc tính này bằng cách kết hợp với các cấu tử khác như hydroxyapatit và canxi photphat (Lee và Mooney, 2012).
Gần đây, vật liệu composite sinh học dựa trên canxi hydroapatit (HA) đã được phát triển, trong đó sự kết hợp giữa HA và alginate làm tăng khả năng gắn kết tế bào và cung cấp khung xương lý tưởng cho kỹ thuật mô Nhiều nghiên cứu đã chế tạo composite HA với alginate làm chất độn xương thông qua các kỹ thuật như tách pha, phun giọt và phân tán trong polyme.
Composite HA với alginate hình thành là kết quả sự phân tán trực tiếp hạt
HA được kết hợp vào chuỗi polyme alginate, tạo thành một khung đỡ hiệu quả cho sự phát triển của xương và mô Composite HA với alginate có cơ tính tốt, được phát triển thông qua việc kết hợp bột HA với alginate liên kết ngang ion với canxi Đặc biệt, các đặc tính cơ học của composite này có thể được cải thiện khi hàm lượng alginate tăng lên (Đào Thị Thanh Tâm, 2018)