Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu quá trình tương tác oxi hóa của polyphenol chiết xuất từ chè xanh đến polyanilin và khả năng ứng dụng chống ăn mòn
1 TẬP ĐOÀN HOÁ CHẤT VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM MAI THANH NGA NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC OXI HÓA CỦA POLYPHENOL CHIẾT XUẤT TỪ CHÈ XANH ĐẾN POLYANILIN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHỐNG ĂN MÒN Chuyên ngành: HOÁ HỮU CƠ Mã số: 62 44 01 14 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. LÊ XUÂN QUẾ 2. GS.TSKH. MAI TUYÊN HÀ NỘI - 2013 2 TẬP ĐOÀN HOÁ CHẤT VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM MAI THANH NGA NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC OXI HÓA CỦA POLYPHENOL CHIẾT XUẤT TỪ CHÈ XANH ĐẾN POLYANILIN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHỐNG ĂN MÒN LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC HÀ NỘI - 2013 3 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của đề tài Do có tính chất kháng oxi hóa mạnh, polyphenol tự nhiên tách từ chè xanh được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm… Đã có nhiều công trình nghiên cứu về thành phần hóa học và tác dụng chống oxi hóa của hợp chất polyphenol chiết xuất từ chè xanh. Các kết quả nghiên cứu cho thấy polyphenol có khả năng chống lại quá trình oxi hóa [32], thể hiện tác dụng kìm hãm đối với sự phát triển của khối u và làm chậm giai đoạn phát sinh ung thư ở các mô động vật gây u thực nghiệm [77]. Hơn nữa polyphenol còn có khả năng chống lại quá trình oxi hóa của lipit lớn hơn so với các chất chống oxi hóa khác như vitamin C và vitamin E [32]. Các polyphenol trong chè là chất quét gốc tự do hiệu quả vượt trội hơn so với các polyphenol chiết xuất từ các loại cây khác như nho, đay [72]. Có thể nói polyphenol chè xanh có rất nhiều tác dụng sinh học quý giá. Ngoài ra hợp chất này còn được sử dụng như một chất ức chế ăn mòn thép CT3 trong axit có hiệu quả [28], [114]. Bên cạnh đó màng polyanilin (PANi) có thể thụ động hóa kim loại, tự vá lại vết xước màng sơn bảo vệ và là lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn thông minh [28], [35]. Với hoạt tính của polyphenol chè xanh, sự tương tác với PANi có thể tạo ra vật liệu có tính chất mới, bảo vệ tốt hơn. Đây là nội dung nghiên cứu kết hợp đặc điểm của hai chất khác nhau nhằm hướng tới một ứng dụng có hiệu quả hơn. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu quá trình tương tác oxi hóa của polyphenol chiết xuất từ chè xanh đến polyanilin và khả năng ứng dụng chống ăn mòn”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là khảo sát quá trình tương tác oxi hóa của các hợp chất polyphenol và cafein phân lập được từ phụ phẩm chè xanh, 4 với điện cực nền polyanilin trong quá trình tổng hơp bằng phương pháp phân cực điện hóa. 3. Nhiệm vụ của luận án Chiết, tinh chế các catechin, cafein từ polyphenol chè xanh Thái Nguyên và chế tạo màng polyme dẫn polyanilin. Nghiên cứu tương tác oxi hóa của một số chất phân lập được từ polyphenol chè xanh với polyme dẫn điện polyanilin. 4. Những đóng góp cơ bản của luận án Công bố công nghệ mới phân tách catechin chè xanh với hiệu suất cao và thời gian ngắn bằng phương pháp sắc ký lỏng cao áp điều chế bán công nghiệp sử dụng cột sắc ký phối hợp Diaion HP20 và Sephadex LH20. Đã sử dụng phương pháp vi phân nâng cao độ nhạy trong quá trình xử lý số liệu thực nghiệm xác định chính xác các thông động học trên phổ phân cực tuần hoàn, góp phần đánh giá chính xác hơn bản chất của quá trình tương tác của các chất với polyanilin ngay ở gia đoạn khơi mào polyme hóa. Khảo sát và đánh giá được cơ chế và tác động của epigallocatechingallat đến quá trình tổng hợp màng polyanilin trên điện cực thép không gỉ. Xác định được động học của các quá trình khơi mào, phát triển mạch và tắt mạch của polyme hóa anilin, xác định được một số tính chất của lớp phủ polyanilin có và không có tương tác epigallocatechingallat. Đánh giá được cơ chế và động học tương tác của epigalocatechin và epicatechin đến quá trình oxi hóa khử polyanilin. Đánh giá được mức độ tương tác của cafein, đến quá trình oxi hóa khử polyanilin và bước đầu đề xuất cơ chế tương tác giữa cafein và màng polyanilin. 5 - Xác định được khả năng ứng dụng nâng cao thời gian bảo vệ chống ăn mòn của tương tác giữa các chất epigallocatechingallat, epigallocatechin, cafein với polyanilin, màng phủ polyanilin có tác động của epigallocatechingallat, epigallocatechin và cafein đều có thời gian bảo vệ lâu hơn so với màng polyanilin thuần không có tác động của các hợp chất trên. 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Polyphenol chè xanh 1.1.1. Cây chè 1.1.1.1. Tên khoa học Theo PGS. TS Lê Ngọc Công –Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên thì cây chè có tên khoa học là Camellia sinensis (L.) O.Kuntze Cây chè thuộc ngành Hạt kín Angiospermatophyta, lớp Ngọc lan (hai lá mầm) Magnoliopsida, phân lớp Sổ Dilleniidae, bộ chè Theales, họ chè Theaceae, chi chè Camellia (Thea). Năm 1753 Carl Von. Linnaeus nhà thực vật học nổi tiếng người Thụy Điển đã xác định tên khoa học cây chè là Thea sinensis, được chia thành hai loại: Thea bokea (chè đen) và Thea viritis (chè xanh) [13],[26]. 1.1.1.2. Đặc điểm sinh thái học Cây chè có nguồn gốc ở Vân Nam (Trung Quốc) sau đó được trồng phổ biến ở Việt Nam, Nhật Bản, Ấn Độ và nhiều nước châu Á khác [24], [30]. Ở nước ta, chè được trồng chủ yếu ở các tỉnh Phú Thọ, Tuyên Quang, Thái Nguyên, Quảng Nam, Lâm Đồng, Đắc Lắc, … với tổng diện tích 125.000 ha, sản lượng hàng năm khoảng 577.000 tấn [30], [96]. Nước ta sản xuất 15 loại chè thương phẩm khác nhau, trong đó 60% lượng chè xuất khẩu là chè đen [24], [30], [116]. Cây chè sống thích hợp ở vùng khí hậu gió mùa, nhiệt đới ẩm ướt như vùng đông nam châu Á . Cây chè sinh trưởng và phát triển tốt trong điều kiện: + Nhiệt độ trung bình: 15- 25 0 + Lượng mưa trung bình: 1500 – 2000 mm. + Độ ẩm tương đối của không khí: 80 – 85 %. 7 + Đất chua: pH = 4.5-6. + Tầng đất dày 1m, nhiều mùn, giàu dinh dưỡng N, P, K kết cấu đất tơi xốp, dốc thoải vừa thoáng vừa giữ được nước, thuộc loại đất thịt. * Thân và cành: Cây chè sinh trưởng chỉ có một thân chính. Cành chè do mầm sinh dưỡng phát triển thành, trên cành chia ra nhiều đốt, chiều dài biến đổi từ 1-10 cm. Đốt chè càng dài là biểu hiện của giống chè có năng suất cao. Tùy theo chiều cao, độ to nhỏ của thân và cành người ta chia thành 3 loại: Cây bụi, cây gỗ nhỏ và cây gỗ vừa [6],[24]. * Lá: Lá chè mọc cách trên cành, mỗi đốt có một lá, hình dạng và kích thước thay đổi phụ thuộc vào giống chè. Chiều dài lá khoảng từ 4-15cm, chiều rộng 2-5cm. Khi còn non mặt dưới lá có các sợi lông tơ màu trắng, các lá già có màu lục sẫm. Lá chè có gân rất rõ, rìa lá có răng cưa. Lá chè có màu xanh đến vàng, thay đổi tùy theo giống, thời gian trồng, chế độ dinh dưỡng và mùa vụ. Lá có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau: hình thuôn, mũi mác, ô van Chồi mọc ra từ nách lá, có hai loại chồi: Chồi dinh dưỡng về sau mọc lá gồm có tôm (phần lá non trên đỉnh chưa xòe) và 2 hoặc 3 lá non. Lá chè già (chè xanh) được tính từ lá thứ 4 trở đi (gồm các lá bánh tẻ và lá già). Chồi về sau mọc ra nụ, hoa và quả [6], [24]. * Hoa, quả, hạt: Hoa chè hình thành trên cây 2-3 tuổi, màu trắng. Hoa chè lưỡng tính. Quả hình tròn, tam giác hoặc vuông tùy theo số lượng hạt bên trong. Vỏ quả màu xanh khi chín chuyển sang màu nâu và bị nứt ra. Hạt chè màu nâu hoặc màu đen, hình cầu, bán cầu hay tam giác [6], [24]. * Rễ: Hệ thống rễ gồm rễ cọc ( rễ trụ), rễ dẫn ( rễ nhánh, rễ bên) và rễ hút. Rễ nhánh dài trên 1mm có màu nâu hay nâu đỏ. Rễ hút hay còn gọi là rễ hấp thụ có chiều dài dưới 1m, có màu vàng ngà [6], [13], [24]. 8 Chè là cây lâu năm, có chu kỳ sống rất dài có thể đạt 60-100 năm hoặc lâu hơn. Tuổi thọ tối đa của một cây chè thương mại vào khoảng 50-65 năm tùy thuộc điều kiện môi trường và phương pháp trồng trọt. Chè cho năng suất cao vào mùa mưa từ tháng 5-11, sau 10-15 ngày thì thu hoạch một lần. hiện nay chè được sử dụng trong cộng nghiệp chế biến chủ yếu là chè búp (1 tôm và 2-3 lá non). Hình 1.1: Hình ảnh cây chè 1.1.2. Thành phần hóa học của lá chè 1.1.2.1. Phân loại nhóm hợp chất trong chè Chè là một loại thức uống truyền thống đã có lịch sử hàng ngàn năm. Quá trình nghiên cứu về chè trên thế giới đã được thực hiện từ rất lâu. Cũng như các loại thực vật bậc cao khác, trong chè xanh có nhiều loại hợp chất tự nhiên, được chia thành hai nhóm lớn [13]: - Nhóm chất trao đổi bậc 1: Là những chất tham gia vào quá trình trao đổi chất và quá trình sinh trưởng của cây, như hydratcacbon, lipit và axit amin…là thành phần không thể thiếu trong quá trình sinh trưởng của thực vật. - Nhóm chất trao đổi bậc 2: Là những chất không phải để nuôi sống và phát triển cây cỏ, có thể có mặt ở loại cây này nhưng hoàn toàn không có ở cây khác, là những hợp chất có hoạt tính sinh học cao. 9 Đối với cây chè, lá chè là bộ phận có giá trị nhất, nên cũng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Có thể nói hiện nay thành phần hóa học của lá chè đã được nghiên cứu tương đối đầy đủ. Bảng 1.1. Thành phần hóa học chủ yếu của lá chè [12],[13] Thành phần Hàm lượng (%) khối lượng chất khô Catechin (-)- Epigallocatechingallate (-)- Epicatechingallate (-)- Epigallocatechin (-)- Epicatechin (+)- Catechin (+)- Gallocatechin Flavonol và flavonol glucozơ Axit polyphenolic and depside Diệp lục và các chất màu khác Cafein Amino axit Monosaccarit Polysacccarit Xenlulozơ và hemi xenlulozơ Pectin Lignin Protein Lipit Các hợp chất dễ bay hơi 25 - 30 8-12 3-6 3-6 1-3 1 -2 3 -4 3 -4 2 -3 0.5 - 0.6 3 -4 4-5 4-5 14-22 4-7 5-6 5-6 14-17 3-5 0,01 - 0,02 1.1.2.2. Một số nhóm hợp chất trong chè * Ankaloit: Việc nghiên cứu ankaloit trong chè được bắt đầu vào năm 1827 (Bradfield, 1946), hợp chất trong nhóm ankaloit được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất là cafein nó chiếm khoảng 2-5 % về trọng lượng mẫu khô, lá chè tươi chứa nhiều cafein có thể là một nhân tố quan trọng tạo nên chất lượng 10 của chè xanh (Bhatia, 1964) [12], [13], [29]. Hàm lượng này ít biến đổi trong quá trình phát triển của lá chè. Điều đáng chú ý là hàm lượng cafein trong lá chè cao hơn hàm lượng cafein tương ứng trong hạt cà phê (chiếm khoảng 1,5% trọng lượng khô). Ngoài cafein, trong lá chè còn có các dẫn xuất khác của metylxanthin như theobromin, theanin với hàm lượng thấp hơn (<0.1%). Hình 1.2. Cấu trúc của một số ankaloit có trong thành phần lá chè * Vitamin Lá chè tươi có nhiều loại vitamin như nhóm vitamin tan trong dầu bao gồm: vitamin A, vitamin D, vitamin E, vitamin F… và nhóm vitamin tan trong nước: vitamin B, vitamin PP, vitamin C…. Trong đó vitamin C chiếm hàm lượng cao nhất, có thể đạt đến 280mg/100g (Bảng 1.2). Bảng 1.2. Hàm lượng vitamin C trong lá chè [12] Bộ phận Búp chè Lá thứ 1 Lá thứ 2 Lá thứ 3 Lá già mg/kg chất khô 7,03 9,99 10,44 7,88 4,83 * Cacbonhydrat Nhóm cacbonhydrat có mặt trong lá chè bao gồm hợp chất xenlulozơ, hemi-xenlulozơ và đường tự do. Các gốc đường tự do có mặt trong lá chè bao gồm glucozơ, fructozơ Các polysaccarit bao gồm có galactozơ, arabinozơ, axit galacturonic, ribozơ Các đường tự do là nguồn nguyên liệu chính để tổng hợp catechin trong lá chè. Những nghiên cứu sử dụng glucozơ đánh dấu H N N O N CH 3 N CH 3 O H 3 C N N O N CH 3 N CH 3 O Cafein Theobromin Theanin O N NH 2 COOH [...]... lipit nhận thấy polyphenol có khả năng chống lại quá trình oxi hóa của lipit lớn hơn so với các chất chống oxi hóa khác như vitamin C và vitamin E [102], [106] 1.1.5.2 Các nghiên cứu trên thế giới Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến chè xanh và tác dụng của chè xanh đến đối với con người, trong đó các hợp chất polyphenol (flavonoit, tannin, catechin,.v.v ) chiết tách từ chè xanh được đặc... nghiên cứu đã chứng minh được tác dụng kìm hãm của polyphenol 27 chè lên sự phát triển của tế bào ung thư và sự di căn của nó Tác dụng này chủ yếu do hiệu quả chống oxi hóa của polyphenol trong chè, các polyphenol đã được coi là các chất chống oxi hóa ở mức độ cao dựa vào khả năng loại bỏ các gốc tự do và các gốc oxi hóa hoạt động Tuy nhiên các nghiên cứu cho thấy rằng các polyphenol có hoạt tính chống. .. voltammetry) và phương pháp sắc kí lỏng cao áp (HPLC) cho thấy khả năng chống oxi hóa của các catechin lớn hơn của các chất oxi hóa khác hàng chục lần, và xác định được số electron trao đổi trong quá trình oxi hóa của các hợp chất đó [10], [38], [60],[66] Ngoài ra polyme hóa polyphenol chè xanh còn được nghiên cứu định hướng ứng dụng y học [78] Ngoài ra đã có rất nhiều tác giả nghiên cứu khả năng ức chế ăn mòn. .. xạ…[32], [45] Tác dụng ngăn chặn và chữa bệnh ung thư của chè và các hợp chất catechin được nghiên cứu mạnh mẽ nhất Khi nghiên cứu in vivo, nhiều nghiên cứu cho thấy chè và các chất trích ly từ chè như EGCG, EGC, ECG… của chè có khả năng tương tác, ngăn chặn và hạn chế quá trình khơi mào, hình thành và phát triển của tế bào ung thư Trong gia đoạn khơi mào, các hợp chất catechin trung hoà các tác nhân bị... phẩm chè xanh tương đương với chè nguyên liệu ban đầu 1.1.3.5 Tác dụng chống oxi hóa của nhóm catechin * Quá trình oxi hóa và nguyên nhân gây bệnh do mất cân bằng oxi hóa Theo các nghiên cứu đã được công bố [70], [79], [97], [100], [108], một số bệnh như ung thư, tim mạch, lão hóa …có liên hệ rất gần với các quy luật về quá trình oxi hóa trong tế bào sống Các quá trình oxi hóa, diễn ra dưới tác dụng của. .. Ứng dụng của chè xanh 1.1.4.1 Ứng dụng dược lý Chè được sử dụng là một phương thuốc trong y học Phương đông từ rất lâu Tuy nhiên các hiểu biết về cơ chế tác động của chè mới được bắt đầu nghiên cứu mạnh mẽ ở thế kỷ 20 Trước đây cho rằng các tác dụng của chè là do tác động của cafein và vitamin C Bắt đầu từ khoảng thập niên 70 của thế kỉ 20, việc nghiên cứu chi tiết về chè đã chỉ ra rằng những tác dụng. .. khả năng quét gốc tự do sinh ra trong quá trình peroxit lipit thì ECG > EGCG > EC > EGC; khả năng quét gốc tự do OH giảm theo trật tự ECG > EC > EGCG > EGC [53], [77], [117] Các kết quả nói trên đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu về tác dụng cụ thể của các hợp chất catechin lên các bệnh ở người và khả năng sử dụng trong quá trình ngăn ngừa và chữa trị bệnh Nhờ khả năng ngăn chặn có hiệu quả các quá trình. .. tách và một số tính chất của catechin - polyphenol chè xanh [1], [7], [10], [11],[68],[106] Phân lập và thử hoạt tính sinh học của các chất Năm 2007, nhóm tác giả do Trần Văn Sung chủ trì đã phân lập và xác định cấu trúc của EGCG Các nghiên cứu về hoạt tính sinh học của chè chủ yếu tập trung vào thử khả năng chống oxi hóa của chè xanh như Mai Tuyên và cộng sự đã khảo sát trên mô hình thực nghiệm oxi hóa. .. chống oxi hóa của polyphenol bằng phương pháp điện hóa chưa được áp dụng nhiều, vài năm gần đây có một số tác giả đã sử dụng phương pháp này để tiến hành khảo sát khả năng chống oxi hóa của các hợp chất hữu cơ như vitamin C, E, P, các polyphenol ít được nghiên cứu, đặc biệt trên đối tượng là chè Nhóm tác giả của trường đại học tổng hợp Kobe (Nhật Bản) đã nghiên cứu khả năng oxi hóa của các chất chuẩn... hầu hết các công trình, các giáo trình đã công bố và biên soạn chủ yếu tập trung vào nghiên cứu điều kiện chăm sóc và chọn giống chè, các quy trình chế biến nhằm nâng cao năng suất, chất lượng của chè Có rất ít các công trình nghiên cứu nhằm khai thác và sử dụng các hợp chất có hoạt tính sinh học, đặc biệt là những nghiên cứu về hóa học và tác dụng sinh học của polyphenol khai thác từ chè Việt Nam phục . Nghiên cứu quá trình tương tác oxi hóa của polyphenol chiết xuất từ chè xanh đến polyanilin và khả năng ứng dụng chống ăn mòn . 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là khảo. VIỆT NAM MAI THANH NGA NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC OXI HÓA CỦA POLYPHENOL CHIẾT XUẤT TỪ CHÈ XANH ĐẾN POLYANILIN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHỐNG ĂN MÒN LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC. nghiên cứu về thành phần hóa học và tác dụng chống oxi hóa của hợp chất polyphenol chiết xuất từ chè xanh. Các kết quả nghiên cứu cho thấy polyphenol có khả năng chống lại quá trình oxi hóa [32],