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 TƢƠNG 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

NGƢỜI HƢỚNG 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 TƢƠNG 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

CHƢƠNG 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- 250

+ 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 lƣợng (%) khối lƣợng 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

CH3

N

CH3

O

H3C

N

N

O

N

CH3

N

CH3

O

Cafein Theobromin Theanin

O

N

NH2

COOH

11

bằng nguyên tử 14C (đồng vị 12C) đã chỉ ra rằng glucozơ là một trong những

tiền chất của polyphenol và axit amin (ngoại trừ theanin) có trong thành phần

của lá chè [6], [12].

* Các nhóm hợp chất khác

Enzym: Trong búp chè có hầu hết các loại enzym nhưng chủ yếu gồm 2

nhóm: nhóm enzym thủy phân gồm amilaza, glucozidaza, proteaza…; nhóm

enzym oxi hóa khử gồm catalaza, polyphenol oxidaza và peroxidaza…Trong

số các enzym có trong lá chè, enzym polyphenol oxidaza có vai trò quan trọng

trong quá trình oxi hóa nhóm catechin của chè [6], [12].

Protein và axit amin: Hàm lượng protein phân bố không đều ở các thành

phần của búp chè và thay đổi theo giống cũng như điều kiện canh tác và các

yếu tố khác. Protein chiếm hàm lượng khoảng 15% khối lượng chất khô.

Ngày nay người ta tìm thấy trong chè 17 axit amin. Các axit amin cùng với

đường và tanin tạo thành ankaloit. Ankaloit chính là hợp chất tạo nên vị thơm

rất đặc biệt của chè [6].

Chất béo và các axit béo tự do: Các hợp chất lipit, photpholipit và các

axit béo chiếm khoảng 5-6 % khối lượng khô, hàm lượng này biến đổi khá

nhiều tuỳ theo từng giống chè. Các axit béo tự do tìm thấy trong lá chè như

linolenic, linoleic, oleic và panmitic…[6].

Carotenoit: Người ta đã tìm thấy β-caroten, lutein, violaxanthin và

neoxanthin trong lá chè.

Axit hữu cơ: Các axit như citric, tactaric, malic, oxalic, fumaric, cafeic,

quinic, gallic, sucxinic, chlorogenic, neo-chlorogenic, p-coumarylquinic,

ellagic… đã được nhận diện trong lá chè tươi [12].

12

Kim loại: Các chất vô cơ chiếm khoảng 5-6% khối lượng khô, trong đó

chất chiếm hàm lượng nhiều nhất là nhôm, mangan, magie…. Hàm lượng các

chất vô cơ trong lá chè cũng biến đổi nhiều tuỳ theo thổ nhưỡng vùng đất.

Một điều đáng lưu ý là một phần các kim loại, đặc biệt là nhôm, tìm thấy

trong chè dưới dạng phức chelat với các catechin [12].

Các chất dễ bay hơi (tinh dầu chè): Thành phần tinh dầu chè chiếm tỉ lệ

rất thấp trong tổng khối lượng của lá chè (<0.01%). Các thành phần đã được

nhận diện trong tinh dầu chè bao gồm linalol, delta-cardinene, geraniol,

nerolidol, anpha-terpinol, cis-jasmone, indol, betaionon, 1-octanal, indol-3-

cacbinol, beta-caryophyllen [12], [24].

1.1.3. Nhóm hợp chất polyphenol trong chè

1.1.3.1. Giới thiệu về polyphenol

Polyphenol là thành phần chính có trong chè và một số loại thực vật

khác, việc sử dụng polyphenol như một loại hóa chất dùng để chống lại sâu

bọ, côn trùng, chim và các loại động vật. Chè xanh không có các enzym oxi

hoá các polyphenol, nên trong quá trình chế biến (sấy, và lấy hương) không làm

thay đổi các polyphenol trong chè.

Nhóm các hợp chất polyphenol là thành phần được quan tâm nhiều nhất

trong lá chè. Các hợp chất polyphenol của lá chè rất khác với các hợp chất

polyphenol được tìm thấy trong các loài thực vật khác. Trong đó thành phần

chủ yếu là các catechin chiếm hơn 25-30% trọng lượng mẫu khô bao gồm (C,

EC, EGCG, EGC, ECG…) [12], [98].

Ngoài ra trong thành phần polyphenol của chè còn có một số chất khác

với tỉ lệ thấp như các flavonol (quecetin, kaempferol, rutin…), các dẫn xuất

glucozơ như myricetin-3-glucozơ, kaempferol-3-glucozơ, myricetin-3-

rhamnoglucozơ, quercetin-3-rhamnoglucozơ, kaempferol-rhamnodiglucozơ...

13

các leucoanthocyanin, các hợp chất polyflavonoit như theaflavin (theaflavin￾3-gallat, theaflavin-3‟-gallat, theaflavin-3,3‟-digallat), thearubigin

(procyanidin, procyanidin gallat). Các dạng hợp chất như theaflavin,

thearubigin chiếm tỉ lệ rất thấp trong búp chè và lá chè non nhưng tăng dần tỉ

lệ trong các lá chè già hơn [6], [12].

1.1.3.2. Tính chất lý hoá của catechin

Nhóm hợp chất catechin trong chè đã được quan tâm nghiên cứu từ rất lâu,

các dữ liệu về tính chất hóa học, phổ IR, NMR, MS, kết quả phân tích bằng các

phương pháp khác đã được công bố. Catechin của chè thuộc họ flavonoit, nhóm

flavan-3-ol, phân tử có 15 cacbon bao gồm hai vòng 6 cacbon A và B được nối

bởi 3 đơn vị cacbon ở vị trí 2, 3, 4, hình thành một dị vòng C chứa một nguyên tử

oxi (hình 1.3). Cấu trúc của catechin có chứa hai cacbon bất đối ở vị trí 2 và 3,

không chứa nối đôi ở vị trí 2,3 và nhóm 4- oxo [12] [28].

Hình 1.3. Khung cơ bản của hợp chất catechin [12]

Trong thành phần của chè có 6 loại hợp chất catechin chính và một số

lượng nhỏ các dẫn xuất catechin (hình 1.4). Các catechin được chia thành 2

nhóm: nhóm catechin tự do bao gồm C, GC, EC, EGC (vị trí cacbon số 3 có

chứa nhóm thế hydroxyl) và nhóm đã bị este hóa hay nhóm galloyl catechin:

ECG, EGCG (nhóm hydroxyl ở vị trí cacbon số 3 được thay bằng một nhóm

gallat).