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, cấu trúc của nó bao gồm một đầu ưa nước và một đuôi kị nước Đầu ưa nước, hay còn gọi là hidrophin, chứa các nhóm chức như oxi, nitơ và lưu huỳnh, trong khi đuôi kị nước, hay lipophin, có thể là parafin, benzen hoặc các hợp chất hydrocarbon khác.
Khi các phân tử chất hoạt động bề mặt tiếp xúc với pha khí-nước và dầu-nước, chúng có cấu trúc với đầu ưa nước hướng về pha nước, trong khi đuôi kị nước hướng về pha khí và pha dầu Sự kết hợp giữa nhóm ưa nước và nhóm kị nước giúp chất hoạt động bề mặt hòa tan tốt 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 Tuy nhiên, khi nồng độ tăng đến một mức nhất định, gọi là nồng độ micelle tới hạn (CMC), các phân tử này bắt đầu liên kết với nhau để hình thành các mixen Sự hình thành mixen cho phép chất hoạt động bề mặt có khả năng co cụm các phân tử khác trong dung dịch, tạo ra hiệu ứng quan trọng trong nhiều ứng dụng.
Mixen là các cấu trúc hình cầu, hình trụ hoặc màng, được hình thành khi các phân tử chất hoạt động bề mặt liên kết với nhau thông qua đầu hydrocacbon, trong khi nhóm phân cực hướng ra ngoài vào dung dịch nước Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt tăng cao, kích thước của mixen cũng tăng lên, dẫn đến sự hình thành các mixen tấm với các gốc hydrocacbon song song.
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 nằm ở phía trong của mixen, trong khi phần kỵ nước hướng ra ngoài.
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, cũng như bản chất của ion kim loại Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ hòa tan của các chất trong dung môi.
Nước có sức căng bề mặt lớn, nhưng khi hòa tan chất hoạt động bề mặt, sức căng này sẽ giảm Điều này xảy ra do sự hình thành lớp hấp thụ định hướng trên bề mặt, trong đó nhóm ưa nước hướng vào nước và nhóm kị nước hướng ra ngoài Nhờ lớp hấp thụ này, bề mặt nước – không khí được thay thế bằng các pha kị nước, dẫn đến việc giảm 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 đạt được sự ổn định này, cần bổ sung chất nhũ hóa, thường là các chất hoạt động bề mặt, giúp giảm sức căng bề mặt giữa dầu và nước, từ đó làm cho hệ nhũ tương dễ dàng được ổn định.
Chất hoạt động bề mặt được phân loại theo nhiều cách sử dụng khác nhau, nhưng một trong những cách phân loại phổ biến nhất là dựa trên sự phân ly của chúng trong nước 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 này khi hòa tan trong nước sẽ phân ly thành anion, có cấu trúc mạch hidrocacbon 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 quan trọng trong quá trình tẩy rửa Chúng có khả năng lấy dầu cao và tạo bọt lớn, nhưng bọt này lại kém bền Ngoài ra, chất này có thể bị thụ động hóa hoặc mất khả năng tẩy rửa khi tiếp xúc với nước cứng và nước cứng tạm thời CHĐBM anion rất đa dạng và đã được sử dụng từ lâu 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 phản ứng xà phòng hóa các este axit béo với glyxerin Các nguồn nguyên liệu phổ biến bao gồm dầu cọ, dầu dừa, dầu nành, dầu lạc, dầu cao su, cùng với mỡ từ các loài động vật như heo, cừu, bò, hải cẩu và 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, và ankylbenzen sunfonic Ngoài ra, chất hoạt động bề mặt cation cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
Chất hoạt động bề mặt là những hợp chất khi hòa tan trong nước sẽ phân ly thành cation, trong đó phần lớn kích thước phân tử là mạch hydrocacbon dài Ion thứ hai không có tính hoạt động bề mặt và có khả năng hoạt động bề mặt thấp.
Chất hoạt động bề mặt cation có nhóm ưa nước là ion dương, thường là các dẫn xuất của muối amin bậc bốn của clo Chúng nhẹ nhàng với da, ít tẩy dầu, không dùng để tạo bọt, nhưng có khả năng tạo nhũ tốt và phân giải sinh học kém Trong tương lai, thị trường sẽ xuất hiện các cation dạng nhóm chức este dễ phân giải sinh học hơn, giúp bảo vệ môi trường và giảm nguy cơ gây dị ứng Các chất hoạt động bề mặt cation chủ yếu được sử dụng để triệt tiêu tĩnh điện cho tóc và vải sợi, do đó lượng sử dụng rất ít.
Chất hoạt động bề mặt không ion khi hòa tan trong nước không phân ly thành ion, có khả năng hoạt động bề mặt thấp nhưng êm dịu với da Chúng lấy dầu ít, làm bền bọt và tạo nhũ tốt, đồng thời có khả năng phân giải sinh học Ngoài ra, chúng ít bị ảnh hưởng bởi nước cứng và pH môi trường, tuy nhiên có khả năng tạo phức với một số ion kim loại nặng trong nước.
Hiện nay, quá trình etoxy hóa ancol béo với oxit etylen là phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp chất hoạt động bề mặt không ion Ngoài ra, có thể tổng hợp ancol bằng cách cho olefin-1 phản ứng với H2SO4 và sau đó thủy phân để thu được ancol bậc 2 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính cũng là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực này.
Ứng dụng
Chất hoạt động bề mặt được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp và xây dựng Các ứng dụng phổ biến 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
Trong ngành công nghiệp và xây dựng, việc sử dụng các sản phẩm tẩy rửa, tạo bọt và nhũ hóa là rất quan trọng Đặc biệt, phụ gia chống tĩnh điện đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thiết bị Trong lĩnh vực luyện thép và chế tạo máy, các ứng dụng tẩy rửa, nhũ hóa và bôi trơn giúp nâng cao hiệu suất làm việc và kéo dài tuổi thọ của máy móc, đồng thời tạo ra màng mỏng bảo vệ hiệu quả.
Nông nghiệp Nhũ hóa, thấm ƣớt, phun mù
Chế biến thực phẩm và dược phẩm sử dụng các phụ gia như nhũ hóa, bền hóa, tẩy rửa, thấm ướt, tạo bọt, khử bọt và chống khuẩn để cải thiện chất lượng sản phẩm Những thành phần này không chỉ giúp tăng cường độ ổn định và độ an toàn của thực phẩm mà còn hỗ trợ trong việc tạo màng sinh học hiệu quả trong ngành 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 polysaccharide tự nhiên được sản xuất bởi tảo nâu và vi khuẩn.Năm 1881, Stanford đã chiết xuất được alginate lần đầu tiên ở tảo nâu
Rong biển Phaeophyceae chứa muối canxi, magie và natri của acid alginic, tạo nên độ bền cơ học và tính linh hoạt cho chúng trong môi trường nước Sự hiện diện của alginate giúp rong biển thích nghi tốt với các tác động của dòng chảy.
Cho đến nay, alginate thương mại được trích ly từ nhiều loại tảo nâu khác nhau. Các loại tảo phổ biến dùng để sản xuất alginate là Ascophyllum nodosum,
Laminaria digitata, Laminariahyperborea, Laminaria saccharina, Laminaria japonica, Durivillaea potatorum, Durvillaea antarctic, Macrocystis pyrifera, Ecklonia maxima, Lessonia nigrescens …(Smidsrod O, 1990)
Nghiên cứu của Gorin và Spencer (1966), Linker và Jones (1966), cùng Govan và cộng sự (1981) cho thấy rằng 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, mannuronic acid và guluronic acid chỉ khác nhau ở vị trí của nhóm carboxyl trên và dưới mặt phẳng vòng pyranose Tuy nhiên, theo quan niệm hiện đại, hai gốc uronic này có cấu trúc 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 cấu trúc này dẫn đến việc hai uronic thể hiện các tính chất hóa học và sinh học khác nhau.
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 thay đổi đa dạng tùy thuộc vào nguồn gốc của alginate Sự sắp xếp ngẫu nhiên của hai monomer M và G ảnh hưởng đến tính chất và ứng dụng của alginate trong nhiều lĩnh vực.
Mạch alginate có ba dạng cấu trúc chính: block homopolymerric guluronic, bao gồm các gốc acid guluronic nối tiếp nhau (GGGG); block homopolymerric mannuronic, với các gốc acid mannuronic nối tiếp nhau (MMMM); và block heteropolymerric ngẫu nhiên, trong đó hai gốc acid guluronic và acid mannuronic luân phiên nối tiếp nhau (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 yếu tố 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 màu trắng này không có mùi và vị, không tan trong nước và ether, nhưng tan chậm trong dung dịch natri polyphosphate, natri carbonate và các hợp chất có ion canxi.
Canxi alginate, một polysaccharide tự nhiên được chiết xuất từ rong biển, thường được ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, hàn, sơn và keo dẻo ướt Chất này có khả năng hoạt động hiệu quả như một phụ gia trong sản xuất thực phẩm chức năng (Lê Thị Hồng Hạnh, 2015)
Hình 2.6 Công thức cấu tạo của Natri alginate
Natri alginate là một loại bột hạt màu trắng hoặc vàng nhạt, không có vị Khi hòa tan trong nước, nó tạo thành gel và được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm như một chất tăng độ nhớt và chất chuyển thể sữa Chất này không tan trong ether, ethanol và chloroform.
Natri alginate là một tác nhân tạo gel hiệu quả mà không cần sử dụng nhiệt, với sự hiện diện của các hợp chất canxi bên trong gel Nó thường được kết hợp với canxi clorua để bọc trứng cá muối, từ đó nâng cao cảm quan cho các loại thức uống.
Trong y học, nó có tác dụng hạ lipid máu, 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, không vị, hòa tan trong nước tạo thành dung dịch sệt dính và không hòa tan trong rượu cũng như các dung môi hữu cơ khác Chất này chủ yếu được sử dụng trong ngành dược phẩm và thực phẩm, với tác dụng hạ mỡ trong máu, giảm đường huyết và cholesterol Ngoài ra, kali alginate còn là nguyên liệu quan trọng trong nha khoa để làm khuôn răng và trong ngành mỹ phẩm để tạo mặt nạ Với trọng lượng phân tử thấp, kali alginate dễ dàng hấp thu và trao đổi ion natri trong ruột, đồng thời dễ thải bỏ khỏi cơ thể mà không gây hại, do đó đang được nghiên cứu và ứng dụng trong việc sản xuất 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 Nó hòa tan chậm trong nước, tạo ra dung dịch sệt dính, không tan trong ethanol và ether, đồng thời kết tủa với canxi clorua và ammonium sulfat Amon alginate được sử dụng trong ngành thực phẩm như một chất ổn định, chất làm đặc, chất tạo keo và chất chuyển thể sữa.
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 tự nhiên không có tính chất chống đông máu, nhưng các dẫn xuất alginate sulfate lại có cấu trúc và tính chất tương tự như heparin, một loại chất chống đông máu do gan sản sinh Sự khác biệt về thành phần, tỷ lệ M/G, và trình tự acid hex-uronic của alginate phụ thuộc vào loài rong, thời điểm thu hoạch, độ trưởng thành, và bộ phận của rong được chiết xuất, dẫn đến hoạt tính chống đông máu khác nhau Alginate sulfate, với khoảng 10% hàm lượng lưu huỳnh (w/w), được sử dụng như một chất kết dính đặc hiệu và có khả năng điều khiển sự tạo ra các chất chống đông khi kết hợp với protein.
Ung thư là nguyên nhân hàng đầu gây tử vong ở các nước phát triển và đứng thứ hai ở các nước đang phát triển Hóa trị, mặc dù phổ biến, thường gây ra tác dụng phụ nghiêm trọng Để giảm độc tính của hóa trị liệu, các nhà khoa học đang nghiên cứu các sản phẩm tự nhiên chống khối u từ đại dương Alginate oligosaccharides (AOS) là một lựa chọn tiềm năng cho y sinh, vì nó không gây dị ứng, không độc hại và có khả năng phân hủy sinh học 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 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 các amin phân tử lượng thấp, và muối của hợp chất amin bậc bốn của acid alginic có thể tan trong nước Tuy nhiên, các muối của kim loại hóa trị II như Ca2+ và Ba2+ không tan trong nước (trừ muối của Mg2+) và tạo thành 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 hình thành 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 tỉ lệ thuận với chiều dài của phân tử alginate, đồng thời cách sắp xếp của các phân tử cũng có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhớt.
Bảng 3.1 Độ nhớt của alginate, mPa.S (Broorkrield, 20rpm, 200C)
Thấp Trung bình Cao Rất cao
Độ nhớt của alginate thay đổi tùy thuộc vào nồng độ và sự hiện diện của các muối như calcium carbonate, calcium sulfat, và calcium tartrate, với ion calcium tạo cầu nối giữa các phân tử, làm tăng trọng lượng phân tử và độ nhớt Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến độ nhớt; alginate được bảo quản ở 10 – 20°C có độ nhớt khoảng 50 mPa.s trong 3 năm mà không thay đổi nhiều Tuy nhiên, alginate có độ nhớt cao (khoảng 400 mPa.s) giảm 10% sau 1 năm ở 25°C và 45% ở 30°C do hiện tượng cắt mạch khi nhiệt độ tăng Việc hạ nhiệt độ xuống mức đông lạnh và sau đó rã băng giúp duy trì độ nhớt của dung dịch alginate.
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: sodium alginate, ammonium alginate và acid alginic Ngoài ra, 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 các vi sinh vật trong không khí Nó duy trì sự ổn định ở pH từ 5,5 đến 10 trong điều kiện nhiệt độ phòng trong thời gian dài, nhưng sẽ chuyển thành dạng gel khi pH giảm xuống dưới 5,5 Thêm vào đó, một lượng nhỏ ion calcium có thể cải thiện độ ổn định của dung dịch alginate.
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 này có thể được hình thành ở bất kỳ nhiệt độ nào dưới 100°C và không chảy ra khi đun nóng Quá trình tạo gel alginate phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm dạng alginate, sự kết hợp với ion calcium và cách chuẩn bị màn Sự tạo gel chủ yếu dựa vào liên kết giữa alginate và ion trung tâm.
Hình 3.1 Cấu trúc dạng “Box- egg”
Khi thêm ion Ca 2+ hoặc acid vào dung dịch sodium alginate, cấu trúc “eggbox” sẽ hình thành, tạo ra gel, màng hoặc sợi nhờ vào các tương tác tĩnh điện qua cầu canxi, đặc biệt ở nhiệt độ phòng và pH từ 4 đến 10 Mức độ gel tạo ra phụ thuộc vào nồng độ calcium: nếu nồng độ Ca 2+ thấp, gel sẽ thuận nghịch, trong khi nồng độ cao sẽ tạo ra gel không thuận nghịch và ít đàn hồi Các tương tác tĩnh điện qua cầu canxi đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành 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 cường 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 và có cùng hoạt tính Ngoài ra, chất dẻo cũng cần được giữ lại trong hỗn hợp trong thời gian dài.
Tính chất của màng Alginate
Alginate có khả năng tạo ra màng rất tốt, với đặc tính đàn hồi, bền bỉ, chịu dầu và không dính Màng polysaccharide này có khả năng ngăn chặn oxy và lipid thấm qua, giúp ức chế hiện tượng oxy hóa chất béo và các thành phần khác trong thực phẩm Ngoài ra, màng còn giúp giảm thoát ẩm, nhờ vào việc lượng ẩm trong màng sẽ bốc hơi trước ẩm trong thực phẩm, khiến màng khô và co lại, giữ cho lượng ẩm bên trong không bị mất đi.
Màng alginate được sử dụng phổ biến trong công nghệ thực phẩm để kéo dài thời gian sử dụng và bảo quản chất lượng sản phẩm Màng phủ ăn được alginate giúp giảm thiểu tác động tiêu cực từ quá trình chế biến Nó không chỉ kéo dài thời gian bảo quản mà còn ngăn ngừa sự mất ẩm, di chuyển chất tan, phản ứng oxy hóa và sự nhiễm vi sinh vật, đồng thời 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 tính chất của nó cũng như môi trường xung quanh.
Alginate có khả năng kết hợp với các thành phần khác để tạo ra màng hợp phần, từ đó cải thiện các đặc tính của sản phẩm (Lê Thị Hồng Hạnh, 2015)
Tính tương hợp sinh học
Tính tương hợp sinh học của alginate đã được nghiên cứu rộng rãi, nhưng vẫn còn nhiều tranh cãi về tác động của thành phần alginate Đa số các tác động này liên quan đến mức độ tinh khiết khác nhau của alginate, với alginate từ nguồn tự nhiên có thể chứa tạp chất như kim loại nặng, nội độc tố, protein và hợp chất polyphenolic Alginate được tinh chế qua quy trình chiết xuất nhiều bước đạt độ tinh khiết cao, đảm bảo không gây độc khi cấy ghép vào cơ thể.
Sodium Alginate là một hợp chất có độ hòa tan cao trong nước, không độc hại, phân hủy sinh học và tương hợp sinh học tốt, cùng với khả năng tạo gel đặc biệt Nhờ những đặc điểm này, Sodium Alginate được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh, bao gồm truyền tải thuốc và protein, hỗ trợ chữa lành vết thương, nuôi cấy tế bào và tái tạo mô như tái tạo 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 tăng trưởng nhanh chóng nhờ vào công nghệ DNA tái tổ hợp, với nhiều loại thuốc protein hiện có sẵn Alginate là một chất lý tưởng để vận chuyển thuốc protein, vì nó giúp giảm sự biến tính của protein và bảo vệ thuốc khỏi phân hủy cho đến khi được giải phóng Gel alginate có tốc độ giải phóng protein nhanh nhờ vào tính chất xốp và ưa nước của nó.
Công nghệ nano đã được áp dụng trong nghiên cứu và phát triển nano-alginate, giúp chế tạo thuốc kháng viêm và thuốc nhả chậm Nhờ vào khả năng duy trì nồng độ thuốc lâu dài, phương pháp này hạn chế tình trạng tăng nhanh hoặc thải hồi sớm so với 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 thường xảy ra khi các acid tiêu hóa và pepsin vượt trội hơn khả năng bảo vệ của niêm mạc dạ dày và tá tràng, dẫn đến tổn thương.
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 ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp Polysaccharide này có khả năng chữa lành 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, alginate còn giúp giảm nồng độ chất độc trong máu thông qua việc thẩm thấu các chất trao đổi vào ruột, từ đó giảm tải 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 tích cực trong việc điều trị bệnh loét dạ dày và tá tràng, trong đó canxi alginate không chỉ ngăn chặn sự hình thành vết loét mới mà còn giúp thu hẹp 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 quy trình sản xuất penicillin G đã giúp tăng hiệu suất sản phẩm này lên tới 47% và 49%, tương ứng.
Ứng dụng trong điều chế thuốc đối với bệnh gan
Viêm gan thường do virus như phế cầu, liên cầu khuẩn, và xoắn khuẩn gây ra, trong khi nguyên nhân thứ hai phổ biến là do nhiễm độc và tổn thương thoái hóa từ các hóa chất độc hại Những chất này bao gồm thuốc như thuốc chống lao, kháng sinh, sulfonamide, thuốc an thần, thuốc gây ngủ, và thuốc chống viêm, cũng như các chất độc công nghiệp như benzene, toluene, chloroform, nitrokraski, và kim loại nặng Ngoài ra, các chất độc thông thường, nấm độc và thực vật cũng góp phần gây bệnh Viêm gan cấp tính có thể tiến triển thành mãn tính, thường liên quan đến cơ chế tự miễn dịch.
Một trong những phương pháp điều trị bệnh gan là chống nhiễm độc, đặc biệt thông qua giải độc 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 an toàn khi sử dụng với liều tối đa 50g/ngày; nếu vượt quá liều lượng này, chúng có thể gây ra tác dụng phụ như nôn mửa Do đó, cần tìm kiếm các chế phẩm hiệu quả hơn cho việc 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 nhiều hợp chất, bao gồm thuốc và thực phẩm chức năng, vì nó gây tổn thương tế bào gan tương tự như các bệnh lý 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 đến 250mg/kg trọng lượng Kết quả cho thấy alginate giúp giảm bớt các dấu hiệu tổn thương gan, và liều 250mg/kg mang lại sự cải thiện đáng kể trong các chỉ số đánh giá.
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 thúc đẩy quá trình loại bỏ các cấu trúc phân tử đơn giản, bao gồm cả hợp chất độc hại qua thận.
Mặc dù cơ chế hoạt động của alginate chưa được xác định rõ ràng, nhưng các nghiên cứu đã chỉ ra rằng alginate có tác dụng tích cực trong điều trị tổn thương gan Ngoài ra, alginate còn 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 không có khả năng chống đông máu, tuy nhiên, các dẫn xuất alginate sulfate, tức là alginate được sulfate hóa, lại sở hữu những đặc tính và cấu trúc tương tự như heparin - một chất chống đông máu tự nhiên được sản xuất trong gan.
Hoạt tính chống đông máu của alginate sulfate khối lượng phân tử thấp phụ thuộc vào khối lượng phân tử trung bình và nồng độ của nó Nghiên cứu cho thấy alginate sulfate chủ yếu kéo dài thời gian đông máu nội sinh và thời gian đông máu chung, trong khi tác động đến thời gian đông máu ngoại sinh là hạn chế.
Ứng dụng làm băng gạc
Băng bó vết thương truyền thống, như gạc, giúp bảo vệ vết thương khô và tránh tác động bên ngoài Tuy nhiên, băng alginate hiện đại tạo ra môi trường ẩm, kích thích quá trình lành vết thương Băng alginate không chỉ hấp thụ dịch tiết từ vết thương mà còn cung cấp nước, giữ ẩm và giảm nguy cơ nhiễm trùng (Lee và Mooney, 2012)
Ứng dụng làm chất nền trong kỹ thuật tái tạo mô xương, sụn
Mặc dù đã có những tiến bộ trong điều trị chấn thương xương, nhưng quá trình lành vết thương vẫn gặp nhiều hạn chế Gel alginate đã được phát hiện có khả năng tái tạo xương hiệu quả nhờ cung cấp các yếu tố tạo xương, tế bào tạo xương, hoặc kết hợp 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 bất thường và dễ dàng điều chỉnh hóa học với các phối tử kết dính Nó cũng cho phép giải phóng có kiểm soát các yếu tố cảm ứng mô Mặc dù gel alginate có độ bền cơ học hạn chế, nhưng điều này có thể được cải thiện thông qua sự kết hợp với các thành phần như hydroxyapatit và canxi photphat.
Gần đây, vật liệu composite sinh học dựa trên canxi hydroapatit (HA) đã được phát triển, với sự kết hợp của HA và alginate giúp tăng cường sự 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 là sản phẩm từ việc phân tán hạt HA vào chuỗi polyme alginate, đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ sự phát triển của xương và mô Việc kết hợp bột HA với alginate thông qua liên kết ngang ion với canxi đã tạo ra composite HA với alginate có cơ tính tốt Đặc biệt, các đặc tính cơ học của composite này có thể được cải thiện khi hàm lượng alginate tăng lên.
