NGHIÊN CỨU CHIẾT TÁCH CHẮT MÀU TỪ NỤ HOA HÒE VÀ ỨNG DỤNG NHUỘM VẢI TƠ TÂM Ở QUẢNG NAM.

3

TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT MÀU SẮC VÀ CHẤT MÀU TỰ NHIÊN

a) Sự hấp thụ ánh sáng

Khi ánh sáng trắng chiếu vào một vật thể, nếu vật thể tán xạ hoàn toàn, mắt sẽ thấy màu trắng Ngược lại, nếu vật thể hấp thu toàn bộ các tia sáng, nó sẽ có màu đen Những vật thể hấp thu một số tia đơn sắc và tán xạ những tia còn lại sẽ hiện ra màu sắc Màu sắc của vật thể là kết quả của sự hấp thu chọn lọc các miền trong phổ ánh sáng trắng Chẳng hạn, nếu một vật thể hấp thu tia đỏ, màu sắc của nó sẽ là màu lục do sự phối hợp của các tia còn lại Nếu vật thể tán xạ tất cả các tia nhìn thấy, nó sẽ có màu trắng.

Một số vật thể không hấp thụ bất kỳ tia nào trong phổ ánh sáng nhìn thấy, nhưng lại hấp thụ tia hồng ngoại hoặc tia tử ngoại Do đó, những vật thể này tán xạ toàn bộ ánh sáng nhìn thấy, khiến chúng có màu trắng.

Theo thuyết điện tử cổ điển, ánh sáng được xem là sóng có năng lượng tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ và không phụ thuộc vào tần số Tuy nhiên, trong nghiên cứu hiệu ứng quang điện, A Einstein đã chỉ ra rằng ánh sáng có những đặc tính giống như một dòng hạt, mà ông gọi là photon Các lượng tử của Planck cũng được coi là các photon của Einstein, đại diện cho phần tử nhỏ nhất của năng lượng bức xạ Năng lượng này phụ thuộc vào tần số và được xác định bởi một công thức cụ thể.

Năng lượng lượng tử (E) được tính bằng erg/mol, với tần số dao động (ν) đo bằng cm -1 và bước sóng ánh sáng (λ) liên quan đến hằng số Planck (h = 6,625.10 -27 erg/s) và vận tốc ánh sáng (c = 3.10 8 m/s) Ánh sáng di chuyển dưới dạng sóng, nhưng các nguyên tử vật chất hấp thu ánh sáng dưới dạng hạt Quá trình hấp thu năng lượng không diễn ra liên tục mà diễn ra theo từng bước nhảy vọt, dẫn đến trạng thái năng lượng gián đoạn hay bị lượng tử hóa Khi một lượng tử ánh sáng với năng lượng hν được hấp thu, nó tạo ra sự chuyển đổi một điện tử của vật thể từ mức năng lượng Es 0 lên mức Es 1.

Es 2 – Es 0 thì điện tử sẽ chuyển lên mức S 2 Trạng thái S 0 có spin tổng cộng là (+1/2) + (– 1/2) = 0 đƣợc gọi là trạng thái singlet S 0 Khi kích thích điện tử chuyển sang trạng thái khác, nhƣng spin vẫn không đổi, spin tổng cộng cũng bằng 0, điện tử ở trạng thái S* 0 Nhƣng nếu khi kích thích điện tử chuyển sang trạng thái khác mà giá trị spin của nó thay đổi, khi đó spin tổng cộng bằng đơn vị (+1/2) + (+1/2)=1 hay (– 1/2) – (– 1/2) =1, trạng thái này đƣợc là triplet T*

Hình 1.1 Các bước thay đổi năng lượng [7]

Trạng thái T* có năng lượng thấp hơn so với trạng thái kích thích S*, và sau một thời gian, điện tử sẽ tự chuyển từ mức kích thích singlet sang mức triplet, thường kèm theo những hiệu ứng màu sắc sặc sỡ Hiện tượng này được gọi là lân quang, phát quang, hay huỳnh quang, và chính quá trình này quyết định sự phát sáng của các chất khác nhau trong bóng tối.

Hình 1.2 Trạng thái chuyển điện tử [7]

Ánh sáng tác động lên các điện tử của phân tử, làm cho chúng chuyển sang trạng thái khác, tạo ra màu sắc của các chất thông qua hiện tượng hấp thụ chọn lọc bức xạ điện từ Màu sắc chỉ xuất hiện khi sự hấp thụ xảy ra trong vùng quang phổ nhìn thấy, từ 400 đến 750 nm Nếu một chất hấp thụ hoàn toàn dải bước sóng này, nó sẽ có màu đen, trong khi chất phản xạ hoàn toàn ánh sáng trong dải sóng này sẽ có màu trắng Khi một chất hấp thụ chọn lọc một dải sóng xác định, nó sẽ hiển thị màu sắc đặc trưng Màu sắc hấp thụ và màu sắc nhìn thấy là hai màu phụ nhau.

Bảng 1.1 Sự liên hệ giữa bước sóng hấp thu và màu sắc của vật hấp thu [7]

Bước sóng của dãy hấp thu (nm)

Màu của ánh sáng hấp thu Màu của chất

480 – 490 Lam – lục nhạt Da cam

595 – 605 Da cam Lam – lục nhạt

605 – 750 Đỏ Lục – lam nhạt b) Cơ chế xuất hiện màu của các hợp chất hữu cơ

Nhờ những tiến bộ trong vật lý và hóa học, chúng ta đã xác định rằng chỉ có các điện tử vòng ngoài (điện tử hóa trị) của chất màu tham gia vào quá trình hấp thụ ánh sáng Khi hấp thụ ánh sáng, hợp chất màu tiếp nhận năng lượng từ photon, khiến các điện tử này chuyển sang trạng thái kích thích Năng lượng này có thể chuyển đổi thành quang năng, hóa năng, nhiệt năng, và hợp chất màu trở về trạng thái ban đầu Sự hấp thụ ánh sáng là kết quả của sự tương tác giữa các điện tử vòng ngoài của nguyên tử và phân tử hợp chất hữu cơ với photon Những hợp chất có liên kết yếu giữa điện tử vòng ngoài và nhân chỉ cần năng lượng từ ánh sáng có bước sóng lớn trong miền nhìn thấy để hấp thụ và tạo màu Hợp chất có điện tử vòng ngoài liên kết yếu càng dễ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài hơn, tạo ra màu sắc sâu hơn Do đó, cấu trúc phân tử của hợp chất màu cần thiết phải cho phép năng lượng từ ánh sáng trong miền nhìn thấy đủ để thay đổi chuyển động của các điện tử vòng ngoài Nguyên nhân khiến các điện tử vòng ngoài liên kết yếu bao gồm sự hiện diện của liên kết đôi dài, sự có mặt của các nguyên tử như oxy, nitơ, lưu huỳnh, ảnh hưởng của các nhóm thế, hiện tượng ion hóa phân tử và cấu trúc phẳng của phân tử.

- Ảnh hưởng của hệ thống liên kết nối đôi cách

Trong hợp chất hữu cơ, có hai loại liên kết chính là liên kết đơn và liên kết đôi Liên kết đơn yêu cầu năng lượng lớn để kích thích điện tử, do đó các hợp chất chỉ chứa liên kết đơn thường không có màu Ngược lại, điện tử trong liên kết đôi dễ bị kích thích hơn nhờ vào sự liên kết yếu với hạt nhân, chỉ cần năng lượng nhỏ để kích hoạt, cho phép chúng hấp thụ ánh sáng có bước sóng lớn hơn và tạo ra màu sắc.

Trong một hợp chất hữu cơ, khi các mối liên kết nối đơn và nối đôi được sắp xếp theo hệ thống "nối đôi cách" hay "nối đôi liên hợp", độ linh động của các điện tử vòng ngoài sẽ tăng lên Sự linh động này phụ thuộc vào một số yếu tố quan trọng.

+ Độ dài của hệ thống;

+ Bản chất các nguyên tử chứa trong hệ thống;

+ Cấu tạo của hợp chất (mạch thẳng hay mạch vòng)

Hợp chất hữu cơ có khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo màu sắc sâu phụ thuộc vào sự tồn tại của các mối liên kết nối đôi trong hệ thống liên hợp Khi hệ thống mối liên kết nối đôi càng dài, điện tử vòng ngoài càng linh động, giúp hấp thụ các tia sáng có bước sóng lớn hơn Để đạt được màu sắc đậm, phân tử cần có nhiều nhóm không no, gọi là “nhóm mang màu” như C=C, C=N, N=N, N=O và vòng benzen, tất cả phải liên hợp với nhau Ngoài ra, các “nhóm trợ màu” như -OH và -NH2, chứa đôi điện tử tự do, cũng cần thiết để tăng cường độ màu và tham gia vào hệ liên hợp, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết với bề mặt vải sợi.

Bảng 1.2 Bảng sự chuyển màu do ảnh hưởng nối đối liên hợp [7]

Công thức cấu tạo Năng lƣợng kích động, kcal/mol

Khả năng hấp thụ, λmax, μm

Bảng 1.2 minh họa tác động của độ dài hệ thống liên kết đôi đến năng lượng kích động và khả năng hấp thụ ánh sáng của một số chất.

Nếu tổng số liên kết đôi trong phân tử hợp chất hữu cơ lớn nhưng không tạo thành một hệ thống liên kết liên tục, độ linh động của các điện tử vòng ngoài sẽ không tăng lên, dẫn đến việc hợp chất không có màu hoặc màu sắc không đậm.

Cao su là một ví dụ tiêu biểu với phân tử chứa hơn một trăm liên kết đôi, nhưng chỉ hấp thụ ánh sáng có bước sóng khoảng 200 nm, do đó nó không có màu.

- Ảnh hưởng của các nguyên tử khác ngoài cacbon

Trong hệ thống nối đôi liên hợp của hợp chất hữu cơ chứa các nguyên tố như O, N, S, các điện tử vòng ngoài dễ dàng chuyển dịch giữa các nguyên tử do sự khác biệt về điện tích hạt nhân và khoảng cách từ nhân đến điện tử Điều này làm cho các hợp chất này có khả năng hấp thụ tia sáng với bước sóng lớn hơn và màu sắc sâu hơn Các nhóm nguyên tử chứa liên kết không bão hòa cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định màu sắc của chất.

Bảng 1.3 Ví dụ sự chuyển màu do ảnh hưởng của các nguyên tử khác ngoài cacbon [16]

SỬ DỤNG CHẤT MÀU TỰ NHIÊN TRONG DIỆT NHUỘM

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trong nhiều thập kỷ qua, nghiên cứu về quá trình trích ly và tách chiết hợp chất màu tự nhiên đã thu hút sự quan tâm lớn, với nhiều công trình xác định từng hợp chất riêng lẻ Một số công bố đã trình bày việc sử dụng mô hình thực nghiệm và tối ưu hóa trong quá trình tách chiết chất màu tự nhiên đơn lẻ Tuy nhiên, ứng dụng trích ly chất màu tự nhiên trong công nghệ nhuộm lại có ý nghĩa khác, khi không chỉ cô lập hợp chất mà còn sử dụng hỗn hợp dịch chiết nhuộm cho các loại vật liệu vải sợi đa dạng.

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về quy trình nhuộm vải bằng chất màu tự nhiên, đặc biệt là chất màu chiết xuất từ thực vật, đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên toàn thế giới Sự đa dạng của hệ thực vật toàn cầu mang lại nhiều gam màu phong phú cho các nghiên cứu trong lĩnh vực này Năm 1994, nhóm nghiên cứu của C Mahidol đã khởi đầu nghiên cứu hoạt tính sinh học của các loại cây tự nhiên tại Thái Lan Đến năm 2012, Supaluk Teppanrin và các cộng sự đã khám phá khả năng nhuộm màu cho vải cotton, tơ tằm và vải tơ tằm bằng dịch chiết từ hạt đậu Marind.

Từ năm 2000 đến 2014, nhiều nghiên cứu về khả năng nhuộm vật liệu dệt bằng dịch chiết từ vỏ măng cụt đã được công bố, chủ yếu tại các trường đại học và viện nghiên cứu ở Thái Lan, Ấn Độ, Mỹ và Úc Các bài báo này tập trung vào quy trình nhuộm cho các loại vật liệu như cotton, tơ tằm và len.

Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra khả năng nhuộm vật liệu dệt bằng dịch chiết từ nụ hoa hòe, chủ yếu được công bố bởi các trường đại học và viện nghiên cứu tại Trung Quốc và Hàn Quốc Các nghiên cứu tập trung vào quy trình nhuộm tơ tằm, phân tích màu sắc và độ bền của vải lụa sau khi nhuộm Kết quả cho thấy vải lụa nhuộm từ dịch chiết này có khả năng bền giặt, bền ma sát và thấm mồ hôi tốt, với thành phần sắc tố chủ yếu là rutin và quercetin Những phát hiện này chứng minh rằng dịch chiết từ nụ hoa hòe là một thuốc nhuộm tự nhiên hiệu quả.

1.2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nhiều trường đại học và viện nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu về công nghệ nhuộm vải bằng chất màu tự nhiên từ thực vật Các nghiên cứu này chủ yếu dựa trên công trình của PGS.TS Hoàng Thị Lĩnh, thuộc khoa Công nghệ Dệt may và Thời trang, Đại học Bách Khoa Hà Nội Bà đã phát triển công nghệ nhuộm vải cotton và lụa tơ tằm bằng nhiều loại nguyên liệu tự nhiên như lá bàng, lá xà cừ, củ nâu, lá trầu không, chàm, lá thiên lý, lá tre, lá găng, ngải cứu, lá bạch đàn, lá chè, lá hồng xiêm, vỏ cây xà cừ, chè, cây lá móng, nghệ, bạch đàn, và sapoche.

PGS.TS Hoàng Thị Lĩnh, một chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực hóa nhuộm, đã bắt đầu nghiên cứu từ năm 1996 với niềm đam mê khoa học Bà đã chủ trì nhiều đề tài và dự án quan trọng về công nghệ nhuộm vật liệu dệt sử dụng chất màu tự nhiên Đặc biệt, đề tài Nghị định thư hợp tác giữa chính phủ Việt Nam và chính phủ Áo là một trong những dự án nổi bật của bà.

Nghiên cứu của PGS.TS Hoàng Thị Lĩnh về việc sử dụng chất màu tự nhiên để nhuộm vải bông và tơ tằm đã thiết lập quy trình công nghệ và ứng dụng tại các cơ sở làng nghề dệt nhuộm Bà đã phân tích thành phần và bản chất của các loại chất màu thiên nhiên, từ đó tối ưu hóa quy trình tách chiết chất màu từ lá chè, lá bàng, lá xà cừ và hạt điều màu Quy trình nhuộm được xây dựng nhằm nâng cao độ bền màu và các tính chất ưu việt như khả năng chống nhàu, hút ẩm và độ thoáng khí Nghiên cứu còn đa dạng hóa màu sắc sản phẩm bằng cách phối ghép nguyên liệu, đồng thời chuyển giao công nghệ cho nông dân để sản xuất hàng thủ công, góp phần xoá đói giảm nghèo và mang lại ý nghĩa an sinh xã hội Dự án cũng đã thành công trong việc hợp tác với doanh nghiệp để mở rộng ứng dụng.

Thay thế chất nhuộm hóa học bằng chất màu tự nhiên là một phương pháp sản xuất sạch và hiệu quả hơn, đã được triển khai và nghiệm thu trong giai đoạn 2012 - 2013 Dự án này nhận được sự tài trợ từ chương trình Đổi mới Sáng tạo Việt Nam - Phần Lan (IPP) và được thực hiện bởi Công ty TNHH Dệt nhuộm.

Trung Thư - Hưng Yên đã thành công trong việc nghiên cứu và áp dụng công nghệ nhuộm vải bằng chất màu tự nhiên, thay thế cho các chất nhuộm hóa học Dự án này không chỉ khẳng định hiệu quả của công nghệ nhuộm thân thiện với môi trường mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Hình 1.11 Sản phẩm được làm từ chất liệu vải dệt nhuộm màu tự nhiên [8]

Năm 2011, nhóm nghiên cứu thuộc khoa Sinh học trường Đại học Đà Lạt đã thực hiện đề tài về các loài cây cho chất nhuộm tự nhiên ở Lâm Đồng, được đánh giá cao về ý nghĩa kinh tế nhưng chỉ dừng lại ở khảo sát ban đầu Các dân tộc thiểu số miền núi phía Bắc vẫn duy trì truyền thống nhuộm vải bằng các chất màu tự nhiên như củ nâu và chàm, trong khi người dân An Giang sử dụng quả mặc nưa để nhuộm vải tơ tằm và vải polymide Công ty lụa Mã Châu tại Quảng Nam cũng dùng nụ hoa hòe để nhuộm màu vàng cho vải tơ tằm Tuy nhiên, công nghệ nhuộm truyền thống gặp khó khăn về thời gian, tính chất thủ công và không đảm bảo độ bền màu của sản phẩm.

1.2.3 Nhuộm tơ tằm bằng chất màu tự nhiên a) Sơ lược về cấu trúc tơ tằm

Tơ tằm, hay còn gọi là lụa, là một trong những loại xơ sợi cổ xưa nhất mà con người biết đến Tơ tằm có cấu trúc mặt cắt ngang không đồng đều, tạo thành từ hai sợi fibroin song song, được bao bọc bởi lớp keo sericin Khi quan sát dưới kính hiển vi, sợi fibroin được cấu thành từ các bó xơ dọc theo trục sợi, với kích thước chiều ngang khoảng 100 nm và chiều dài khoảng 250 nm, giữa các bó xơ có nhiều khoảng trống Các vi xơ trong bó bao gồm 20 đến 30 đại phân tử fibroin, có bề ngang khoảng 10 nm, được sắp xếp thành từng lớp tinh thể.

Hình 1.12 Cấu trúc mặt cắt ngang của tơ tằm [23]

Tơ tằm chủ yếu bao gồm 72 − 81% fibroin, 19 − 28% sericin, 0,8 − 1,0% axit béo và sáp, cùng với 1,0 − 1,4% muối và khoáng chất Fibroin chứa các acid amin như glycine, serisine, alanine, tyrosine, nhưng không có cystine, tạo nên cấu trúc phân tử khác biệt so với keratin trong len Cấu trúc fibroin là dạng mạch thẳng, với các phân tử acid amin xếp song song và liên kết với nhau bằng các nối hydrogen, tạo thành cấu trúc β, không xoắn, do đó có độ đàn hồi thấp và không xốp.

Hình 1.13 Cấu trúc hóa học của fibroin [11]

Tơ tằm có bề mặt bóng mịn, độ bền cao và khả năng hút ẩm tốt, nhưng lại kém chịu bazơ và nhạy cảm với ánh sáng Fibroin trong tơ tằm rất nhạy cảm với chất oxy hóa, có thể bị thay đổi cấu trúc khi tiếp xúc với các chất oxy hóa mạnh H2O2 thường được sử dụng để tẩy trắng tơ tằm vì ít ảnh hưởng đến fibroin, trong khi các dung dịch NaClO và NaClO2 có thể phá hủy fibroin ngay cả ở nhiệt độ thấp Nhuộm tơ tằm bằng chất màu tự nhiên là một phương pháp phổ biến.

Đạt được tính chất đồng đều màu trong quá trình nhuộm vải sợi là rất quan trọng, đặc biệt đối với nhuộm thuốc nhuộm tự nhiên Quy trình nhuộm không chỉ phụ thuộc vào hóa chất và thiết bị mà còn vào khả năng nhuộm của vật liệu nền, cần được kiểm soát nghiêm ngặt để tránh ảnh hưởng xấu đến các giai đoạn nhuộm sau Khả năng phân tán và hấp phụ của thuốc nhuộm liên quan chặt chẽ đến cấu trúc hóa học và tính chất vật lý của sợi, cũng như khả năng dịch chuyển của chúng trong suốt quá trình nhuộm Ngoài ra, việc kiểm soát quy trình nhuộm bằng thuốc nhuộm tự nhiên cũng cần chú ý đến các thông số công nghệ, vì hầu hết thuốc nhuộm tự nhiên yêu cầu chuẩn bị dịch chiết từ thực vật và chất cầm màu vô cơ để đảm bảo độ bền màu ổn định Sử dụng nhiều loại nguyên liệu tự nhiên trong chiết xuất thuốc nhuộm giúp tạo ra màu sắc sâu và đa dạng hơn.

Chất cầm màu vô cơ muối kim loại cần được sử dụng với tỷ lệ chính xác, giảm lượng sử dụng cho màu nhạt nhưng không được vượt quá mức cho phép, vì quá nhiều kim loại có thể gây hại cho sợi, đặc biệt là tơ tằm Mọi công thức nhuộm phải được tính toán theo tỷ lệ nhất định, trong đó thời gian, nhiệt độ và nồng độ là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phản ứng hóa học Nhiệt độ cao yêu cầu thời gian nhuộm ngắn hơn, trong khi nồng độ thuốc nhuộm cao cần thời gian nhuộm dài hơn Đảm bảo chuẩn bị vật liệu dệt phù hợp với thiết bị và điều kiện nhuộm là điều cần thiết để đạt được kết quả tốt.

TỔNG QUAN VỀ NỤ HOA HÒE

1.3.1 Sơ lƣợc về cây hòe

Hoè, hay còn gọi là Styphnolobium japonicum (L.) Schott, thuộc chi Styphnolobium trong tông Sophoreae, họ Đậu (Fabaceae), phân bộ Đậu (Fabales), lớp Ngọc lan (Magnoliopsida) và ngành Ngọc lan (Magnoliophyta).

Hoè, còn gọi là hoè hoa hay Lài Luồng (Tày), được biết đến với nhiều tên gọi khác nhau như Hòe Thực, Hòe Nhụy, và Hòe mễ ở một số quốc gia Đây là một loại cây gỗ lớn, cao từ 5 đến 15 mét, có thân thẳng và chóp lá hình tròn với lá kép lông chim lẻ mọc so le Mỗi lá có từ 9 đến 13 lá chét, lá chét có hình trứng, đỉnh nhọn và kích thước dài từ 3 đến 4 cm, rộng khoảng 1,5 cm.

Hoa có kích thước khoảng 2,5 cm, mọc thành cụm và có hình chuỳ ở đầu cành Tràng hoa có hình bướm, màu trắng ngà, trong khi nụ hoa hình trứng, có cuống ngắn và hơi nhọn, dài từ 3 đến 6 mm và rộng từ 1 đến 2 mm, mang màu vàng xám Đài hoa có hình chuông, màu vàng xám, có chiều dài bằng 1/2 đến 2/3 chiều dài của nụ hoa và được chia thành 5 răng nông ở phía trên.

− 10 mm, đường kính 2 − 4 mm Cánh hoa chưa nở màu vàng

Hình 1.14 Cây hoè và hoa hoè

Quả Hoè có hình dạng loại đậu, không mở, với vỏ dày và thắt nhỏ giữa các hạt, dài từ 5 – 8cm, khi khô có màu nâu đen, chứa 4 – 6 hạt hình bầu dục, hơi dẹp và đen bóng Mùa hoa nở diễn ra từ tháng 6 đến tháng 11 hàng năm Hoè được nhân giống bằng cách giâm cành và thường bắt đầu ra hoa sau 3 – 4 năm trồng, trong khi cây từ 6 – 7 tuổi trở đi sẽ cho hoa nhiều và sản lượng cao.

Loài S japonicum (L.) Schott phân bố rộng rãi ở Việt Nam, Trung Quốc, Nhật Bản và Triều Tiên, được trồng chủ yếu để làm thuốc, làm cảnh và lấy bóng râm Tại Việt Nam, cây Hoè chủ yếu được trồng ở các tỉnh như Thái Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Nam Định và Nghệ An, và trong những năm gần đây, cây còn được trồng ở các tỉnh Tây Nguyên và một số tỉnh miền Trung khác.

1.3.2 Thành phần hoá học các hợp chất có trong nụ hoa hòe

Flavonoid là nhóm hoạt chất chính chiếm số lƣợng nhiều trong thành phần hoá học của cây, rutin chiếm tỉ lệ lớn nhất (6 − 38% rutin trong nụ) [3]

Nụ hoa hoè, đặc biệt là hoè Việt Nam, chứa một lượng lớn rutin, với hàm lượng dao động từ 6% đến 30%, thậm chí có thể lên tới 38% trong nụ Rutin bao gồm phần aglycon là quercetin (hay còn gọi là Quercetol) thuộc nhóm flavonol và phần đường là Rutinose.

Hình 1.15 Một số hợp chất hoá học có trong nụ hoa hòe

In addition to its primary components, Hoa hoè contains various active compounds such as Betulin, Lupan, Sophoradiol, and multiple Sophorins (A, B, and C), along with several alkaloids including Oxymatrine, cytisin, N-methyl cytisin, sophocarmin, and matrin Notably, Betulin is a triterpenoid derivative from the Lupan group, while Sophoradiol is derived from the olean group Furthermore, the yellow pigment found in this plant belongs to the flavonoid family.

Flavonoid là các hợp chất phenol màu thực vật, chủ yếu tạo màu cho rau, quả và hoa, với phần lớn có màu vàng Tuy nhiên, cũng có một số flavonoid mang màu xanh, tím, đỏ hoặc không màu, do chúng có cùng khung sườn hóa học Cấu trúc cơ bản của flavonoid là 1,3-diphenylpropan, với hai vòng benzen A và B nối nhau qua một chuỗi 3 carbon, thường được gọi là C6-C3-C6 Cách đánh số các vòng phụ thuộc vào việc chuỗi C3 có đóng hay không; nếu đóng, số bắt đầu từ dị vòng có nguyên tố oxygen, còn nếu hở, số chính sẽ được đánh trên vòng B.

Hình 1.16 Cách đánh số thứ tự trên cấu trúc của Flavonoid [15]

Flavonoid thường có một hoặc nhiều nhóm –OH ở vị trí 5 và 7 trên nhân A, cũng như ở vị trí 3, 4, 5 trên nhân B, và có thể tồn tại dưới dạng tự do hoặc glycosid Các đường phổ biến bao gồm D-glucose, D-galactose, L-rhamnose, L-arabinose, D-xylose, D-apiose và acid uronic Sắc tố vàng của flavonoid, như chalcone, flavonol và flavon, xuất hiện tự nhiên, mặc dù chalcone và flavonol khá hiếm Flavon và flavonol phân bố rộng rãi, trong khi các glycosid flavonol như rutin, quercitrin và kaempferol rất thường gặp Nhờ có nhiều nhóm –OH phenol, flavonoid có khả năng liên kết với nhau hoặc với các hợp chất khác, và chúng thường dễ kết tinh với màu sắc đặc trưng Flavon có màu vàng nhạt hoặc cam, flavonol có màu vàng đến vàng nhạt, chalcone có màu vàng đến cam đỏ, trong khi isoflavon, flavanon, flavanonol, leucoanthocyanidin và catechin thường không màu Hầu hết sắc tố vàng trong tự nhiên đồng xuất hiện với carotenoid, thu hút côn trùng thụ phấn và bảo vệ thực vật khỏi tia UV Flavonoid được phân loại thành nhiều nhóm dựa trên cấu trúc cơ bản và chu trình sinh tổng hợp.

Hình 1.17 Sơ đồ chuyển hóa các flavonoid

Các hợp chất dị vòng tạo ra sắc tố vàng đậm, nhưng chỉ là một phần nhỏ trong nhóm flavonoid Chúng hình thành qua quá trình oxi hóa chalcone trong việc trích ly và tinh chế sản phẩm Chalcone đóng vai trò trung gian trong tổng hợp màu sắc, và khi có nhóm hydroxyl tự do ở vị trí C6, chúng tự đóng vòng tạo flavonol không màu Flavonol tạo ra màu vàng nhạt hơn so với flavonoid do hấp thu ở bước sóng thấp hơn Hầu hết flavonol có nhóm hydroxyl ở vòng A, thường là vị trí C8 Màu vàng từ flavonoid sẽ nhạt đi dưới tác động của pH, nhiệt độ và các tác nhân oxy hóa.

Rutin có tên IUPAC: 2-(3,4-dihydroxyphenyl)-5,7-dihydroxy-3-{[( 2S,3R,4S,5S,6R)-3,4,5-trihydroxy-6-({[(2R,3R,4R,5R,6S)-3,4,5-trihydroxy-6- methyloxan-2-yl]oxy} methyl) oxan-2-yl] oxy}-4H-chromen-4-one hay có tên khác là : 3, 3’,4’,5,7-pentahydroxyflavon 3-Rutinosid

Rutin là một glucosid được chiết xuất từ nụ hoa cây Hòe (S japonicum L) thuộc họ Đậu (Fabaceae) và nhiều cây khác từ các họ thực vật khác nhau Chất này thuộc nhóm Flavon, với aglycon là Quercetin, một loại flavonol.

Hình 1.18 Cấu trúc hoá học của Rutin và Quercetin

- Bột kết tinh màu vàng hay vàng lục

- Tan trong methanol và trong các dung dịch hydroxyd kiềm, hơi tan trong ethanol, thực tế không tan trong nước lạnh và dichloromethan

- Phổ của rutin có λ max ở 362,5 và 258 nm, ở λ = 362,5 nm thì có E (1%, 1cm)

31

ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU

Nụ hoa hòe, được mua tại chợ Cồn ở Đà Nẵng, chủ yếu có nguồn gốc từ các tỉnh phía Bắc, đặc biệt là làng quê Thái Bình Sau khi thu hoạch, nụ hoa hòe được sấy khô, có màu vàng sẫm, và được loại bỏ các hạt lép, hạt bị cháy cùng với rác Quá trình này cũng bao gồm việc sàng lọc để loại bỏ bột cặn, và nụ hoa hòe được bảo quản trong lọ kín để giữ được chất lượng.

Hình 2.1 Nụ hoa hòe đã xử lí sơ bộ

Vải tơ tằm 100% được sản xuất tại công ty lụa Mã Châu, thị trấn Nam Phước, huyện Duy Xuyên, tỉnh Quảng Nam đã được tẩy hồ trước khi nhuộm

Hình 2.2 Phân xưởng dệt lụa Mã Châu

Hóa chất sử dụng cho nghiên cứu đƣợc trình bày trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng

STT Hóa chất Xuất xứ Độ tinh khiết

9 Bột giặt Omo Việt Nam

2.1.3 Hệ thống thiết bị và dụng cụ

Hệ thống thiết bị và dụng cụ cho nghiên cứu đƣợc trình bày trong Bảng 2.2

Bảng 2.2 Hệ thống thiết bị và dụng cụ sử dụng

 Bộ dụng cụ chƣng ninh

 Máy đo quang UV-Vis

 Bình định mức (25ml, 50ml,1000ml)

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết tách dịch màu từ nụ hoa hòe, bao gồm nhiệt độ chiết tách, thời gian chiết tách, tỉ lệ rắn/lỏng (nguyên liệu/dung môi) và pH của dung môi Việc điều chỉnh các yếu tố này sẽ giúp nâng cao hiệu quả chiết tách và chất lượng dịch màu thu được.

- Phân tích và nhận diện các hợp chất mang màu trong dịch chiết từ nụ hoa hòe bằng phương pháp phân tích hiện đại: UV-VIS, GC-MS

Nghiên cứu tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhuộm vải bằng chất màu chiết tách từ nụ hoa hòe, bao gồm nhiệt độ nhuộm, thời gian nhuộm, số lần nhuộm và chất cầm màu cho vải sau nhuộm, nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng màu sắc.

- Đánh giá độ bền màu với giặt của vải nhuộm bằng dịch chiết từ nụ hoa hòe

Hình 2.3 Quy trình trích ly chất màu từ nụ hoa hòe

Chiết tách bằng phương pháp chưng ninh

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết tách

Nghiên cứu tối ƣu hóa quá trình chiết tách pH của dung môi

Nhiệt độ chiết tách Đánh giá dịch chiết Đo UV-VIS Xác định mật độ quang

Tỉ lệ nguyên liệu/dung môi

Quá trình trích ly chất màu từ nụ hoa hòe trong dung môi nước được thực hiện theo hình 2.3, với các điều kiện tối ưu về nhiệt độ, thời gian và tỉ lệ nguyên liệu so với dung môi.

Dịch chiết nụ hoa hòe được thực hiện bằng phương pháp chiết lỏng-lỏng với các dung môi n-hexan, chloroform và ethyl acetate Các thành phần hữu cơ trong dịch chiết được xác định thông qua phân tích GC-MS, như thể hiện trong Hình 2.4.

Hình 2.4 Quy trình xác định thành phần dịch chiết từ nụ hoa hòe bằng GC-MS

- Xác định thành phần hóa học trong dịch chiết nụ hoa hòe với dung môi ethanol

Quá trình trích ly chất màu từ nụ hoa hòe sử dụng dung môi ethanol được thực hiện theo hình thức mô tả trong Hình 2.5 Sau khi hoàn tất, dịch chiết sẽ được phân tích bằng phương pháp GC-MS để xác định các thành phần hữu cơ có trong mẫu.

Hình 2.5 Quy trình xác định thành phần dịch chiết từ nụ hoa hòe với dung môi ethanol bằng GC-MS

Dịch chiết nước nụ hoa hòe

Chiết với dung môi hữu cơ

Nụ hoa hòe + ethanol Đun trong bếp cách thủy, để nguội

Dịch chiết Đo GC-MS Kết quả

Dịch chiết tối ƣu trích ly từ nụ hoa hòe đƣợc nhuộm trên vải tơ tằm 100% theo sơ đồ Hình 2.6

Hình 2.6 Quy trình nhuộm vải

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.3.1 Phương pháp trích ly chất màu thiên nhiên

Luận văn áp dụng phương pháp trích ly ngâm để chiết xuất chất màu từ nụ hoa hòe, sử dụng kỹ thuật đun cách thủy ở nhiệt độ dưới 100°C và áp suất 1 atm Phương pháp này đơn giản, dễ lắp đặt và cho phép gia nhiệt gián tiếp qua nước, giúp tránh hiện tượng quá nhiệt và cháy chất cần chiết xuất Việc sử dụng nhiệt gián tiếp từ nước cũng hỗ trợ trong việc kiểm soát nhiệt độ hiệu quả hơn.

Dịch chiết tối ƣu từ quá trình chiết tách

Thời gian nhuộm Số lần nhuộm Chất cầm màu

Sản phẩm nhuộm được đánh giá độ bền màu qua khả năng chịu giặt và tác động của ánh sáng tự nhiên, với nhiệt độ giảm nhanh khi tăng cao hơn mức khảo sát Phương pháp này thường được áp dụng trong công nghệ tách chất màu thiên nhiên từ thực vật.

Quá trình chiết tách chất màu từ nụ hoa hòe đƣợc thực hiện trên bộ chƣng ninh tại phòng thí nghiệm trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng

2.3.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis Để xác định sơ bộ thành phần các nhóm chức có thể tồn tại trong dịch chiết, xác định số nối đôi liên hợp, bước sóng cực đại, độ hấp thu quang A, tính độ tận trích của dịch chiết lên vật liệu, thông thường xác định bằng cách kiểm tra quang phổ khả kiến - tử ngoại (UV-Vis) Một số ít nhóm chức có thể xác định nhờ phổ UV-VIS, nhƣng đặc biệt hữu ích là xác định sự có mặt và giải thích bản chất của các hệ liên hợp có vòng thơm Các chất có màu là do trong phân tử của các chất chứa nhiều nhóm nối đôi hay nối ba nhƣ C=C, C=O, C=N, N=N, ,

NO 2 … Do vậy, chúng đƣợc gọi là nhóm mang màu Nếu trong phân tử có nhiều nhóm mang màu liên hợp tạo thành mạch dài thì màu của chất sẽ càng đậm Các chất màu đậm khi đo phổ tử ngoại khả kiến cho λ max nằm ở vùng có bước sóng dài Dựa vào λ max , có thể biết đƣợc loại liên kết: λ max < 150nm: chỉ có loại liên kết σ của hợp chất no λ max > 150 nm: có liên kết đôi λmax quanh vùng 200÷260 nm có thể có benzen và dẫn xuất của benzen λ max >280 nm: hệ liên hợp λ max càng lớn thì hệ liên hợp càng dài Hầu hết các phân tử hữu cơ trong suốt trong một phần của phổ điện tử đƣợc gọi là vùng tử ngoại (Ultraviolet-UV) và vùng khả kiến (visible-VIS) với các bước sóng từ 190÷800 nm Phổ tử ngoại và khả kiến của hợp chất hữu cơ gắn liền với các mức năng lượng electron Nói chung các bước chuyển xảy ra giữa một orbitan liên kết hay cặp electron không chia sẻ và một orbitan không liên kết hay phản liên kết Khi đó bước sóng hấp thụ là số đo khoảng cách của các mức năng lƣợng giữa các orbitan Khoảng cách năng lƣợng lớn nhất đƣợc tìm thấy khi các electron ở liên kết bị kích thích, cho hấp thụ trong vùng 120÷200 nm Có hai định luật thực nghiệm được sử dụng tính cường độ hấp thụ Định luật Lambert phát biểu rằng phần tia tới bị hấp thụ phụ thuộc vào cường độ của nguồn Định luật Beer phát biểu rằng sự hấp thụ tỷ lệ với phân tử hấp thụ Từ các định luật này có phương trình của định luật Beer-Lambert như sau :

I o và I: cường độ của tia tới và tia phản xạ tương ứng

L: chiều dày của dung dịch hấp thụ tính bằng cm

C: nồng độ dung dịch tính bằng mol/L ε: hệ số hấp thu phân tử (L.mol -1 cm -1 ), ε là đại lƣợng có giá trị theo thứ nguyên của C và L

A: độ hấp thụ hay mật độ quang Định luật chỉ đúng trong trường hợp nồng độ chất phân tích tương đối thấp Tại những nồng độ cao (thường lớn hơn 0,01 M) khoảng cách trung bình giữa các phân tử chất tan hấp thụ ánh sáng bị thu hẹp tới mức tác động đến sự phân bố điện tích của các phân tử xung quanh Điều này làm thay đổi khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc, dẫn đến sai lệch mối quan hệ tuyến tính giữa A và nồng độ C của chất hấp thu bức xạ đó Định luật Beer-Lambert đƣợc tuân theo hoàn toàn chỉ khi ánh sáng truyền qua thực sự đơn sắc Tuy nhiên, định luật không thể tuân theo khi một số các phân tử khác đang hấp thụ nằm ở trạng thái cân bằng, khi chất tan và dung môi kết hợp tạo một số dạng phức, khi cân bằng nhiệt tồn tại giữa trạng thái electron cơ bản và trạng thái kích thích ở mức thấp, hay khi các hợp chất huỳnh quang hoặc các hợp chất bị biến đổi nhờ bức xạ có mặt trong dung dịch Độ truyền qua T đƣợc định nghĩa: T= (2.2)

Mối quan hệ giữa mật độ quang A và độ truyền qua T được mô tả bởi công thức A = -logT Kết quả phân tích UV-Vis được thực hiện bằng thiết bị UV-Vis Spectrophotometer tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng.

2.3.3 Phương pháp sắc ký khí khối phổ GC-MS

Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) là một trong những phương pháp sắc ký hiện đại với độ nhạy và độ đặc hiệu cao, được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và phân tích Thiết bị GC-MS bao gồm hai phần chính: phần sắc ký khí (GC) dùng để phân tích hỗn hợp chất và phần khối phổ (MS) giúp mô tả các hợp phần riêng lẻ qua số khối Sự kết hợp của hai kỹ thuật này cho phép các nhà hóa học thực hiện phân tích định tính và định lượng hiệu quả Hiện nay, GC-MS được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y học, môi trường, nông sản và kiểm nghiệm thực phẩm.

Phương pháp GC-MS được áp dụng trong nghiên cứu này để phân tích các hợp chất màu cần xác định có trong dịch chiết từ nụ hoa hòe Kết quả phân tích GC-MS đã được thực hiện tại Trung tâm Kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 2, Đà Nẵng.

39