Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Trích ly Capsaicin từ ớt (Capsicum annuum L.) sử dụng lưu chất CO2 siêu tới hạn

- Khảo sát ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ, lưu lượng dung môi lên hiệu quả trích ly capsaicin.. Kết quả cho thấy, trích ly siêu tới hạn có dung môi hỗ trợ là phương pháp có nhiều ưu điể

TỔNG QUAN

Giới thiệu chung

1.1.1 Mô tả thực vật – Phân bố sinh thái: Ớt là loại cây phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới, được sử dụng rộng rãi làm chất tạo hương vị trong thực phẩm, chất tạo màu,… Tên khoa học của ớt là Capsaicum annuum

L., thuộc họ cà Solanaceae Nhiều bằng chứng khảo cổ cho thấy ớt đã xuất hiện ở khu vực Nam Mỹ 6000 năm trước Năm loại ớt đáng chú ý nhất là C annuum ở Mexico hay miền bắc Trung Mỹ, C frutescens ở vùng biển Caribe, C baccatum ở Bolivia, C chinense ở phía nam Amazon và C pubescens ở miền nam Andes [1] Ớt là cây thân thảo mọc hàng năm ở các nước ôn đới, sống lâu năm và thân dưới hóa gỗ ở những nước nhiệt đới Cây có rất nhiều cành, nhẵn Lá mọc so le, hình thuôn dài, đầu nhọn, phía cuống cũng thuôn hẹp, có cuống, phiến lá dài 2 – 4 cm, rộng 1,5 – 2 cm Hoa mọc đơn độc ở kẽ lá Quả ớt có nhiều tên gọi khác nhau như lạt tiêu, lạt tử, ngưu giác tiêu, hải tiêu,… Quả ớt mọc rũ xuống đất hay chỉ lên trời, hình dáng thay đổi khác nhau, khi thì tròn, khi thì dài, màu vàng hay đỏ Độ cay của mỗi loại ớt cũng khác nhau Cây ớt phát triển tốt ở đất thịt nhẹ, đất pha cát dễ thoát nước Hạt ớt nảy mầm ở 25 – 50 o C, dưới 10 o C hạt không mọc được Thời kỳ cây ra hoa cần nhiệt độ khoảng 15 – 20 o C và nhiều ánh sáng Cây ớt có khả năng chịu hạn cao nhưng không chịu được úng Nếu độ ẩm lớn hơn 80% bộ rễ sẽ kém phát triển khiến cây còi cọc

Do có hương vị đặc trưng nên ớt được sử dụng làm gia vị trong bữa ăn hàng ngày

Bên cạnh đó, ớt còn là một vị thuốc quý trong y học cổ truyền có thể chữa được nhiều bệnh rất hữu hiệu Ớt là vị thuốc giúp tiêu hóa tốt, giúp ăn ngon chóng tiêu Ớt còn được dùng ngoài như một vị thuốc gây đỏ, kích thích tại chỗ với những trường hợp đau nhức do phong thấp, đau khớp, đau lưng [2]

4 Trong y học hiện đại, ớt cũng có nhiều lợi ích cho sức khỏe con người Ớt giúp ngăn ngừa bệnh tim do chứa một số hoạt chất giúp máu lưu thông tốt, tránh được tình trạng đông vón tiểu cầu dễ gây tai biến tim mạch Ớt còn có tác dụng ngăn ngừa tình trạng huyết áp tăng cao Trong quả ớt còn chứa nhiều loại vitamin như vitamin C, B1, B2, acid citric, acid malic, -carotene

Hình 1.1: Cây ớt Ở Việt Nam, ớt là một loại cây gia vị có giá trị kinh tế cao, được trồng chủ yếu ở các tỉnh miền Trung và Nam bộ như Quỳnh Phụ (Thái Bình) với diện tích 1200 ha, Đại Lộc

(Quảng Nam), Phù Mỹ (Bình Định), Phù Cát (Bình Định), Bố Trạch (Quảng Bình), Châu Đốc (An Giang) Gần đây, một số tỉnh vùng đồng bằng sông Hồng đã bắt đầu trồng ớt với diện tích lớn nhằm cung cấp nguồn nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất mặt hàng thực phẩm Các sản phẩm này được đưa ra thị trường tiêu thụ hoặc xuất khẩu mang lại lợi nhuận cao

Hình 1.2: Một số gia vị từ ớt

Trong ớt có những chất chủ yếu sau đây [2]:

- Capsicain (C 18 H 27 NO 3 ) là một ankaloid chiếm khoảng 0,05 – 2%, phần lớn tập trung ở biểu bì và giá noãn Capsicain nóng chảy có 65 o C, khi nhiệt độ cao nó bốc hơi kích ứng mạnh gây hắt hơi

- Capsaicin là chất gây đỏ, nóng, trạng thái dầu lỏng xuất hiện khi quả chín

Capsaicin chiếm tỉ lệ khoảng 0,01% ở những ớt thường và chiếm đến 0,1% ở loại ớt paprika

- Vitamin C chiếm tỉ lệ khoảng 0,8 – 1% trong ớt Việt Nam Một số loại ớt ở châu Phi, Hungari hàm lượng vitamin C có thể lên đến 1,17%, 2,66% và 4,98%

- Ngoài ra trong ớt còn có chất khác như capsanthin, vitamin B1, B2, acid citric, acid malic

Capsaicinoid là một họ các hợp chất thiên nhiên được trích ly từ ớt, được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm tiêu dùng, chế phẩm dược liệu và dược phẩm Tùy theo mỗi loại ớt mà hàm lượng capsaicinoid dao động khoảng 0,003 – 1% tổng khối lượng [3]

Trong đó, capsaicin chiếm khoảng 69%, dihydrocapsaicin chiếm khoảng 22%, nordihydrocapsaicin chiếm khoảng 7%, homocapsaicin khoảng 1% và homodihydrocapsaicin khoảng 1% [4] Các hợp chất thuộc capsaicinoid chỉ khác nhau về nhóm R liên kết với nhóm cacbonyl trên cấu trúc khung chính ở hình 1.3

Hình 1.3: Cấu trúc khung capsaicinoid [3]

Bảng 1.1: Cấu trúc mạch R liên kết với khung capsaicinoid [3]

Tên Danh pháp Ký hiệu Cấu trúc

Nordihydrocapsaicin 7-methyl-N- vanillyl-octamide n-DHC

Trans-9-methyl- N-vanillyl-7- Homodihydrocap saicin decamide h-C

Capsaicin là chất rắn màu trắng, không mùi, nóng chảy ở 62 – 65 o C, vị cay nồng, tan trong cồn và chất béo, khối lượng phân tử 305,4 đvC Cấu trúc capsaicin gồm một vòng benzene và một mạch dài cacbon kỵ nước với một nhóm amide phân cực [5]

Capsaicinoid, đặc biệt là capsaicin đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm [6], [7] Capsaicin được sử dụng điều trị hen suyển, ho, đau họng, giảm đau răng, viêm thấp khớp [8] Capsaicin còn là chất kháng oxi hóa, thúc đẩy quá trình chuyển hóa năng lượng , ngăn chặn sự tích tụ chất béo và là chất chống viêm [3]

Hình 1.4: Cấu trúc phân tử capsaicin

Một số ứng dụng capsaicin [9]:

+ Thực phẩm: Do có mùi và hương vị đặc trưng nên capsaicin được dùng làm gia vị thực phẩm Ở một số nước, việc dùng ớt được xem như một bản sắc văn hóa Ớt tác động lên tuyến nước bọt kích thích khả năng thèm ăn của con người Ngoài ra, ớt còn chứa một số chất dinh dưỡng như pro-vitamins A, E, B1 (thiamine), B2 (riboflavin), và B3 (niacin)

+ Tác dụng sinh lý và dược lý: Bên cạnh ứng dụng trong thực phẩm, ớt còn có tác dụng dược lý và dùng làm dược liệu Một số giống ớt khác nhau có khả năng gây kích ứng được sử dụng làm thuốc chữa một số căn bệnh ở Mexico và một phần đông Phi Các chế phẩm khác đã được dùng chữa thông thường như cảm lạnh, sốt, rối loạn tiêu hóa, đau dạ dày,… Ngoài ra, capsaicinoid còn có nhiều tác động sinh học đến sức khỏe con người

Capsaicin là một chất chống oxi hóa, chống gây đột biến và là chất chống viêm Chúng được sử dụng làm chất giảm đau, kích thích tim mạch và hệ hô hấp, chất kháng khuẩn

Ngoài ra capsaicin còn được dùng làm thuốc trừ sâu trong nông nghiệp

Hình 1.5: Một số ứng dụng capsaicin trong dược phẩm

8 Ớt có chứa capsaicin với hàm lượng cao, do đó nó là nguồn nguyên liệu được sử dụng rộng rãi để chiết xuất capsaicin [10] Cùng với các ưu điểm nêu trên, nhiều nghiên cứu được thực hiện so sánh, đánh giá hàm lượng capsaicinoid cũng như capsaicin trong nhiều loại ớt khác nhau Bên cạnh đó, một số loại dung môi và phương pháp trích ly được thực hiện với mục đích thu hồi lượng capsaicin này ứng dụng trong thực phẩm và dược phẩm.

Công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

Năm 2005, PGS.TS Phan Thị Sửu cùng cộng sự [11] nghiên cứu đưa ra ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến quá trình trích ly nhựa dầu ớt Nhóm nghiên cứu khảo sát lựa chọn dung môi (hoặc hệ dung môi) thích hợp gồm: Ete petrol, acetone, n-hexane, methanol, ethyl axetate, etylic 95%, etylic 95% + nước (tỉ lệ 2:1), acetone + nước (tỉ lệ 2:1), metanol + nước (tỉ lệ 2:1), metanol + etyl axetat (tỉ lệ 1:1) Kết quả cho thấy ethanol và methanol cho hiệu suất trích ly cao nhất, được thể thiện ở bảng 1.2

Bảng 1.2: Ảnh hưởng của dung môi đến hiệu suất thu hồi nhựa dầu ớt

Lượng nhựa dầu thu được (g)

Hiệu suất trích ly nhựa dầu ớt (%)

Theo chất khô Theo lượng ND trong NL

Ete petrol 2,43 2,59 38,08 acetone 2,62 2,79 41,03 n-hexane 2,31 2,46 36,17 methanol 3,39 3,60 52,94 ethyl acetate 2,57 2,73 40,15 etylic 95% 3,33 3,54 52,06 etylic 95% + nước (2:1) 3,02 3,21 47,21 acetone + nước (2:1) 2,54 2,70 39,71 methanol + nước (2:1) 3,11 3,31 48,68 metanol + ethyl acetate (1:1) 3,06 3,26 47,84

9 Sau đó, nhóm nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu/dung môi đến hiệu suất thu nhận dầu ớt Lượng dầu ớt trích được tăng lên khi tăng lượng dung môi sử dụng Tác giả khảo sát khoảng tỉ lệ từ 1/8 đến 1/14 Kết quả ở bảng 1.3 cho thấy tỉ lệ nguyên liệu/dung môi vượt qua 1/11 lượng dầu ớt thay đổi không đáng kể

Bảng 1.3: Ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu/dung môi đến hiệu suất thu hồi dầu ớt

Tỉ lệ Nguyên liệu/dung môi

Lượng nhựa dầu thu được (g)

Hiệu suất trích ly nhựa dầu ớt (%)

Theo chất khô Theo lượng ND trong NL

Nhóm nghiên cứu tiến hành trích ly dầu ớt bằng nhiều phương pháp khác nhau: trích ly tĩnh, trích ly động (có khuấy trộn), trích ly bằng thiết bị siêu âm và trích ly Soxhlet

Phương pháp trích ly động (có khuấy trộn dung môi) cho hiệu suất thu hồi dầu cao (6,21 g) với thời gian trích ly ngắn, thiết bị đơn giản nên nhóm nghiên cứu đề xuất đây là phương pháp thích hợp với sản xuất quy mô lớn Ngoài ra, nhiệt độ cũng là một trong các yếu tố ảnh hưởng đến lượng dầu ớt thu được Hiệu quả trích ly dầu ớt tăng khi tăng nhiệt độ Hiệu suất thu hồi dầu cao nhất ở 80 o C (6,23g), kết quả được thể hiện ở bảng 1.4 và 1.5

Bảng 1.4: Ảnh hưởng của phương pháp trích ly đến hiệu suất trích ly nhựa dầu ớt

Lượng nhựa dầu thu được (g)

Hiệu suất trích ly nhựa dầu ớt (%)

Theo chất khô Theo lượng

Bảng 1.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly dầu ớt

Lượng nhựa dầu thu được (g)

Hiệu suất trích ly nhựa dầu ớt (%)

Theo chất khô Theo lượng ND trong NL

Thành phần hóa học và hàm lượng capsaicinoid tổng được Wesołowska và cộng sự [12] nghiên cứu xác định trên 2 loại ớt “Adorno” và “Etna” (Capsicum annuum L.) ở Ba

11 Lan năm 2009 Capsaicinoid được trích từ ớt sấy khô với dung môi acetone và hexane, sau đó phân tích bằng GC-MS Capsaicin và dihydrocapsaicin chiếm hàm lượng cao nhất trong họ capsaicinoid ở cả hai loại ớt “Adorno” và “Etna”

Bảng 1.6: Thành phần hóa học trong ớt Capsicum annuum L trích ly bằng acetone

STT Tên Ớt “Adorno” (%) Ớt “Etna” (%)

Hàm lượng capsaicin khác nhau tùy theo mỗi loại ớt khác nhau Nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm so sánh, đánh giá hàm lượng capsaicin trong mỗi loại ớt Năm 2010, Nwokem và cộng sự [13] trích ly năm loại ớt khác nhau ở Nigeria, hàm lượng capsaicin được xác định bằng phương pháp phân tích sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) Kết quả cho thấy loại ớt vàng “Nsukka” (Capsicum chinense) chứa capsaicin nhiều nhất (9,177 ±

13 0,268 mg/g), và loại ớt “Zaria tatashe” (Capsicum annuum) chứa hàm lượng capsaicin thấp nhất (1,189 ± 0,073 mg/g)

Bảng 1.7: Hàm lượng capsaicin trong năm loại ớt ở Nigeria

Giá trị trung bình (mg/g nguyên liệu tươi)

Năm 2012, Ida Musfiroh và cộng sự [14] đánh giá hàm lượng capsaicin trong 12 loại ớt khác nhau ở Indonesia Capsaicin được định lượng theo phương pháp phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) Ba mẫu ớt phân tích không có peak capsaicin là paprika vàng, paprika xanh và paprika đỏ Loại ớt này không có mùi vị đặc trưng như những giống ớt khác, chúng được sử dụng làm chất tạo màu trong thực phẩm

Hình 1.6: Thành phần capsaicin từ các loại ớt khác nhau ở Indonesia

14 Một số phương pháp được sử dụng để đánh giá hàm lượng một số hợp chất capsaicinoid thu hồi từ ớt như: phương pháp trích ly Soxhlet, trích ly bằng ngâm dung môi, trích ly có hỗ trợ siêu âm, vi sóng, trích ly bằng dung môi siêu tới hạn Kỹ thuật trích ly siêu tới hạn với nhiều ưu điểm nổi bật đã được nhiều nhà nghiên khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và đánh giá khả năng thu hồi các hợp chất capsaicinoid từ ớt

Năm 2013, Enkelejda Goci và cộng sự [8] so sánh một số phương pháp trích ly capsaicin - ngâm khuấy, trích ly Soxhlet, siêu âm, phương pháp Collin – nhằm xác định phương pháp và dung môi thích hợp Hàm lượng capsaicin trích được khoảng 0,009 – 0,052% Ethanol, methanol là dung môi trích hiệu quả cao nhất

Bảng 1.8: Hàm lượng capsaicin trích theo phương pháp, dung môi khác nhau

* Hàm lượng capsaicin g/100ml dịch trích

Xiaofeng Xu và cộng sự [6] xác định điều kiện tối ưu trích ly capsaicinoid từ ớt bằng phương pháp Soxhlet Nhóm tác giả khảo sát bốn yếu tố ảnh hưởng quá trình trích ly bao gồm số vòng lặp, nhiệt độ, thể tích dung môi và khối lượng mẫu Tác giả khảo sát một số dung môi trích ly khác nhau, kết quả cho thấy methanol trích capsaicinoid với hàm lượng cao nhất (0,1122g) nhưng n-hexane lại có độ chọn lọc tốt nhất (12,5243%)

Bảng 1.9: Ảnh hưởng của dung môi đến quá trình trích ly capsaicinoid

Dung môi Khối lượng capsaicinoid

Số chu kỳ cũng ảnh hưởng đến quá trình trích ly capsaicinoid, khi số chu kỳ tăng khối lượng capsaicinoid tăng nhưng sau 10 chu kỳ lượng capsaicinoid tăng không đáng kể Do đó, tác giả chọn 10 – 16 chu kỳ tối ưu quá trình trích

Cuối cùng, tác giả đưa ra quy trình trích ly tối ưu ở điều kiện: 20 vòng lặp, nhiệt độ trích ly 140 o C, thể tích dung môi 160 ml, khối lượng mẫu 20g, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi 1:8 g/ml Với điều kiện này, hàm lượng capsaicinoid thu được là 0,009626 (g/g)

Hình 1.7: Ảnh hưởng của số chu kỳ đến quá trình trích ly capsaicinoid

1.2.2.2 Trích ly có hỗ trợ sóng siêu âm (UAE):

Năm 2012, Xiang-Yuan Deng cùng cộng sự [7] tối ưu hóa trích ly capsaicinoid bằng phương pháp trích ly có hỗ trợ siêu âm với các yếu tố: tỉ lệ lỏng/rắn từ 6 – 10 ml/g, nhiệt độ 25 – 35 o C, thời gian trích 10 – 30 phút Acetone trích được hàm lượng capsaicinoid cao nhất (3,89 mg/g)

Hàm lượng capsaicinoid thu được cao nhất 3,92 mg/g với điều kiện: dung môi trích ly acetone, trích ở 25 o C trong 40 phút với tỉ lệ dung môi/nguyên liệu 10ml/g

Hình 1.8: Ảnh hưởng của dung môi đến trích ly capsaicinoid từ ớt

1.2.2.3 Trích ly sử dụng chất lỏng cao áp (PLE):

Năm 2006, Gerardo và cộng sự [3] trích ly capsaicinoid bằng chất lỏng cao áp và định lượng các hợp chất này bằng phương pháp sắc ký lỏng ghép khối phổ (HPLC-MS)

Nhóm tác giả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly, tăng nhiệt độ hiệu quả thu hồi các hợp chất capsaicinoid tăng lên và cao nhất ở 200 o C

Hình 1.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi capsaicinoid

Tác giả trích ly capsaicinoid với ethanol, methanol và nước Kết quả cho thấy lượng capsaicinoid thu được giảm dần theo từng loại dung môi: methanol > ethanol > nước

Hình 1.10: Ảnh hưởng của dung môi đến lượng capsaicinoid

Sau đó, tác giả khảo sát ảnh hưởng của hỗn hợp dung môi nước/ethanol và nước/methanol Cuối cùng, trích ly capsaicinoid bằng chất lỏng cao áp với dung môi methanol ở 200 o C

1.2.2.4 Trích ly có hỗ trợ vi sóng (MAE):

Cơ sở lý thuyết

1.3.1 Trích ly bằng chất lỏng cao áp [25]:

Trích ly sử dụng chất lỏng cao áp là kỹ thuật trích ly rắn lỏng được sử dụng thay thế một số phương pháp như Soxhlet, ngâm Phương pháp này sử dụng dung môi ở áp suất và nhiệt độ cao, có thời gian trích ly ngắn, giảm lượng dung môi sử dụng với hiệu suất cao

Nhiệt độ cao làm tăng động học quá trình trích ly đồng thời áp suất cao giữ dung môi ở trạng thái lỏng giúp quá trình trích ly an toàn và nhanh hơn Ngoài ra, độ nhớt dung môi giảm, độ khuếch tán tăng ở nhiệt độ cao cùng với áp suất cao giúp dung môi dễ dàng tiếp xúc với nguyên liệu hòa tan các chất

Hình 1.17: Sơ đồ hệ thống trích ly bằng chất lỏng ở áp suất cao

27 Mẫu rắn được cho vào bình trích có chứa dung môi được gia nhiệt 50 – 200 o C Quá trình gia nhiệt làm dung môi giãn nở tăng áp suất trích ly 500 – 300 psi Áp suất trong hệ thống được ổn định bằng van đóng mở tự động Quá trình trích ly trong khoảng 5 – 10 phút, sau đó sẽ bơm dung môi mới vào rửa sạch mẫu và đường ống Tất cả dung môi sử dụng trong quá trình được làm sạch bằng khí nén (thường sử dụng là khí nitơ) và giữ lại tái sử dụng

1.3.2 Trích ly có hỗ trợ vi sóng : 1.3.2.1 Lý thuyết về vi sóng [25-27]:

Vi sóng là sóng điện trường không ion hóa có tần số nằm trong khoảng 0,3 – 300 GHz và nằm giữa sóng tia X và hồng ngoại trong phổ điện từ Do mang bản chất điện từ nên vi sóng hình thành hai vùng điện trường và từ trường nằm vuông góc với nhau Trong nền khoa học hiện đại vi sóng được sử dụng trong hai mục đích chính: truyền thông và vector năng lượng

Nguyên tắc của sự gia nhiệt sử dụng vi sóng dựa trên sự tương tác của nguyên liệu phân cực và dung môi và liên quan đến hai hiện tượng: sự dẫn truyền ion và sự quay lưỡng cực, trong đó hầu hết các trường hợp diễn ra đồng thời với nhau Sự dẫn truyền ion liên quan đến sự di chuyển của ion dưới ảnh hưởng của sự thay đổi điện trường Sự cản trở hình thành do ma sát của môi trường với sự di chuyển của ion sinh ra, dẫn đến là gia nhiệt cả dung dịch Sự quay lưỡng cực nghĩa là sự hình thành liên kết lại trong sự thay đổi nhanh chóng của điện trường của các phân tử mang moment lưỡng cực (kể cả dung môi và mẫu rắn) – sự đổi hướng của các phân tử lưỡng cực theo chiều quay điện trường Sự dao động này sinh ra các va chạm giữa các phân tử với nhau và do đó giải phóng năng lượng nhiệt vào môi trường Do sự gia nhiệt chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi tần số 2450 MHz nên điện trường đổi chiều 4.10 9 lần/giây Mỗi lần, phân tử dung môi cố gắng liên kết lại chính nó trong vùng điện trường để giữ chúng trong cùng một pha, nhưng sóng điện từ thay đổi rất nhanh dẫn đến chúng không thể liên kết lại với nhau và chúng bắt đầu dao động sinh ra năng lượng nhiệt thông qua lực ma sát Theo cơ chế trên thì chỉ những vật liệu hay dung môi mang điện với lưỡng cực cố định mới được gia nhiệt bởi sóng vi sóng Hiệu quả thu nhận nhiệt của các dung môi phụ thuộc vào hệ số hấp thu (tanδ), dùng

28 để đo khả năng dung môi hấp thu năng lượng vi sóng và dùng nó để gia nhiệt cho môi trường xung quanh phân tử Hệ số hấp thu này được tính theo công thức: tanδ=ε’’/ε’; trong đó, ε’’ là điện môi bị mất đi, để chỉ hiệu quả chuyển năng lượng vi sóng thành nhiệt, ε’ là hằng số điện môi dùng để đo khả năng hấp thu năng lượng vi sóng Bảng 2.11 trình bày hằng số điện môi và hệ số hấp thu của một số dung môi thường được dùng trong MAE

Hình 1.18: a) truyền nhiệt bằng đối lưu; b) truyền nhiệt bằng vi sóng

Bảng 1.15: Hằng số điện môi và giá trị moment lưỡng cực một số dung môi khác nhau

Dung môi Hằng số điện môi

29 Lò vi sóng thương mại là thiết bị đầu tiên được sử dụng trong kỹ thuật MAE Tuy nhiên, việc ứng dụng này cho các hợp chất hữu cơ dễ bốc cháy (như dung môi) đặt ra hàng loạt nguy cơ Do đó, ứng dụng năng lượng vi sóng vào trích ly dùng hai kỹ thuật thông dụng: trích ly với hệ mở (trong áp suất không khí) và trích ly với hệ đóng (điều khiển được áp suất, nhiệt độ)

Hình 1.19: Hệ thống trích ly có hỗ trợ vi song: a) hệ kín, b) hệ hở

Cấu tạo cơ bản của thiết bị:

Cả hai kiểu thiết bị đều bao gồm bốn bộ phận chính:

- Nguồn sinh vi sóng: đèn magnetron hay nam châm điện, nguồn phát sóng điện cao tần, sinh ra năng lượng vi sóng

- Ống dẫn sóng: được sử dụng để hướng dẫn vi sóng từ nguồn đến khoang vi sóng

- Buồng chứa mẫu: nơi chứa mẫu

- Bộ định hướng: cho phép vi sóng di chuyển theo đúng hướng

Tuy nhiên, buồng chứa mẫu trong trường hợp hệ nhiều chế độ có thể là khoang kín bên trong vi sóng phân tán ngẫu nhiên Việc phân phối năng lượng vi sóng bên trong các khoang có thể nhận được bằng cách dùng chùm tia phản xạ hoặc bàn xoay để việc gia nhiệt mẫu được tiến hành độc lập với vị trí đặt Tuy nhiên trong các hệ mở, các vessel trích ly được giữ đúng hướng trong ống dẫn vi sóng và được xem như là buồng chứa mẫu

Bảng 1.16: So sánh ưu nhược điểm hệ vi sóng kín và hở

Hệ vi sóng kín Hệ vi sóng hở Ưu điểm

- Nhiệt độ cao, giảm thời gian xử lý mẫu

- Không mất các chất dễ bay hơi

- Lượng dung môi sử dụng ít

- Không có chất độc hại thải ra môi trường

- An toàn hơn hệ vi sóng kín

- Có thể thêm tác chất trong quá trình trích ly

- Dễ dàng xử lý lượng dung môi

- Có thể áp dụng với các chất bền nhiệt

- Áp suất cao, dễ cháy nổ

- Nhiệt độ trích không thể quá cao do vật liệu làm vessel

- Chỉ thêm chất hoặc dung môi từ bước ban đầu

- Không thể trích đồng thời nhiều mẫu

- Thời gian dài hơn so với hệ vi sóng kín

Hầu hết nguyên liệu khô được sử dụng để trích ly nhưng trong tế bào vẫn còn chứa một lượng ẩm nhỏ sẽ bị gia nhiệt dưới tác dụng của vi sóng Lượng ẩm khi gia nhiệt bên trong tế bào thực vật chịu sự tác động của vi sóng, hơi và áp suất lớn sinh ra trên thành tế bào làm cho tế bào phình to lên Áp suất tác động lên thành tế bào từ bên trong, làm giãn nở và làm vỡ tế bào, giúp cho sự ngấm tách dễ dàng của các thành phần hoạt tính từ tế bào bị vỡ ra dung môi xung quanh do đó làm tăng hiệu suất trích ly Thậm chí hiện tượng này có thể được tăng cường nếu nền thực vật được ngâm trong dung môi có hệ số hấp thu lớn Nhiệt độ cao đạt được bởi sóng vi sóng có thể thủy phân liên kết hydro trong cellulose, liên kết này giữ các chất bên trong thành tế bào và chất có thể khuyếch tán vào dung môi trong 1 đến 2 phút Áp suất cao đạt được bên trong thành tế bào giúp nâng cao hiệu quả quá trình dehydrate hóa cellulose và làm giảm lực cơ học của chúng, giúp dung môi dễ dàng xâm nhập vào bên trong tế bào

1.3.3 Trích ly có hỗ trợ sóng siêu âm [28-31]:

1.3.3.1 Khái niệm sóng siêu âm:

Sóng siêu âm là sóng âm có tần số lớn hơn 20kHz

Giới hạn trên của tần số sóng siêu âm thường là 5MHz đối với chất khí và 500MHz đối với chất lỏng hay chất rắn

Sóng siêu âm có những đặc tính của sóng âm như: phản xạ, nhiễu xạ, giao thoa và có thể truyền qua chất khí, lỏng, rắn

Sóng siêu âm được chia thành ba khoảng tần số là: sóng siêu âm năng lượng tần số thấp (16 – 100 kHz), sóng siêu âm tần số cao (100 kHz – 1 MHz), sóng siêu âm chẩn đoán (1 – 10 MHz)

Thiết bị siêu âm gồm bể siêu âm và thanh siêu âm

Thanh siêu âm có những thuận lợi hơn bể siêu âm như: có sự đồng nhất cao hơn trong việc phân bố năng lượng, công suất siêu âm không bị giảm theo thời gian siêu âm nên ít lãng phí năng lượng cung cấp cho hoạt động của thanh siêu âm và do mức độ tập trung năng lượng cao nên năng lượng giải phóng ra từ thanh siêu âm cao hơn bể siêu âm

Sóng siêu âm hỗ trợ tốt cho quá trình trích ly có thể được giải thích dựa trên các hiệu ứng khi sóng siêu âm truyền qua một hệ chất lỏng, đó là hiện tượng sủi bong bóng và hiện tượng vỡ bong bóng Chúng gây ra các hiệu ứng vật lý và hóa học có tác động tích cực đến hiệu quả của quá trình trích ly

Nhìn chung, cơ chế của sóng siêu âm giúp làm tăng khả năng trích ly so với quy trình trích ly truyền thống là dựa trên những nguyên nhân sau:

- Sóng siêu âm tạo ra một áp lực lớn xuyên qua dung môi và tác động đến tế bào vật liệu: làm bẻ gãy thành tế bào hoặc tạo các rãnh nứt hoặc các lỗ hổng ở bề mặt tế bào giúp quá trình phóng thích các cấu tử chất tan vào môi trường trích ly được dễ dàng và nhanh chóng

- Tăng khả năng truyền khối tới bề mặt phân cách, gia tăng tốc độ khuếch tán nội phân tử và ngoại phân tử đồng thời giúp dịch chuyển các chất cần trích ly ra ngoài môi trường trích ly

1.3.4 Trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn:

1.3.4.1 Lưu chất siêu tới hạn [32]:

Quy hoạch thực nghiệm

1.4.1 Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm:

1.4.1.1 Khái niệm quy hoạch thực nghiệm:

Quy hoạch thực nghiệm (QHTN) là cơ sở phương pháp luận của phương pháp nghiên cứu hiện đại Đây là phương pháp nghiên cứu khi ta không có đầy đủ thông tin về đối tượng và phải dùng thực nghiệm để xây dựng mô hình Cơ sở toán học của lý thuyết QHTN là toán học thống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi quy

Theo nghĩa rộng, QHTN là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến thuật làm thực nghiệm từ giai đoạn đầu tiên đến giai đoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu đối tượng (từ nhận thông tin mô phỏng đến việc tạo ra mô hình toán, xác định điều kiện tối ưu) trong điều kiện đã hoặc chưa biết đầy đủ về cơ chế của đối tượng Đối tượng nghiên cứu của QHTN trong các ngành kỹ thuật là một quá trình, một cơ cấu hoặc một hiện tượng nào đó có những tính chất cần nghiên cứu Người nghiên cứu có thể chưa hiểu biết đầy đủ về đối tượng, nhưng đã có một số thông tin thí nghiệm dù chỉ là sự liệt kê sơ lượt những thông tin biến đổi, ảnh hưởng đến tính chất đối tượng

Tín hiệu đầu vào thường gặp trong QHTN được chia thành ba nhóm:

- Các biến kiểm tra được và điều khiển được (thường là các biến thay đổi theo thời gian một cách đơn điệu) Ký hiệu dạng vector: X  x x 1, 2, ,x n 

- Các biến kiểm tra được nhưng không điều khiển được (thường là các biến ngẫu nhiên có tính hệ thống nào đó) Ký hiệu dạng vector: Z  z z 1, 2, ,z n 

- Các biến không kiểm tra được và không điều khiển được (cũng là các biến ngẫu nhiên nhưng là biến nhiễu, các chỉ tiêu đầu ra để đánh giá đối tượng nghiễn cứu thuộc nhóm này) Ký hiệu dạng vector:   1, 2, , n , Y  y y 1, 2, ,y n 

1.4.1.2 Quy hoạch thực nghiệm đa mục tiêu:

Hình 1.24: Mô hình quy hoạch đa mục tiêu

Trong thực tế thường xuất hiện bài toán: trong một hệ thống cần nghiên cứu mối quan hệ của m biến ra y 1 , y 2 , …, y m đối với k biến vào x 1 , x 2 , …, x k và sau khi nhận được các mô hình biểu diễn các quan hệ đó, cần tìm một phương án trong miền rang buộc cho trước sao cho đạt được cực trị của m mục tiêu

Bài toán cực trị trên có thể phát triển như sau:

Hãy tìm điểm  x x 1 * , * 2 , , x * k  sao cho:

( 1.2) Đó là bài toán quy hoạch đa mục tiêu

42 Trong thực tế khó có một điểm  x x 1 * , 2 * , , x * k làm cực đại m mục tiêu cùng một lúc như vậy Do đó, điểm  x x 1 * , * 2 , , x * k thường được gọi là điểm lý tưởng Thay vào việc tìm điểm lý tưởng, người ta tìm điểm tối ưu theo một nghĩa nào đó Như vậy, quy hoạch thực nghiệm đa mục tiêu sẽ chia thành hai giai đoạn:

- Giai đoạn 1: xây dựng mô hình gồm m phương trình hồi quy Để làm điều này, ta vẫn tiến hành N thí nghiệm nhưng tại mỗi thí nghiệm ta không chỉ đo giá trị của một biến ra mà là của m biến ra y 1 , y 2 , …, ym để nhận được bảng sau

Bảng 1.22: Bảng quy hoạch thực nghiệm

N y N1 y N2 … y Nm Đối với mỗi biến y1, y 2 , …, ym cách xây dựng mô hình và kiểm định được trình bày ở phần sau

- Giai đoạn 2: Tìm điểm tối ưu chung cho m mô hình Đến đây, xảy ra hai trường hợp:

+ Nếu thỏa mãn với độ chính xác của mô hình thì chỉ việc sử dụng các phương pháp quy hoạch đa mục tiêu tìm cực trị

+ Nếu không thỏa mãn với độ chính xác của mô hình thì phải tiếp tục bằng quy hoạch thực nghiệm

1.4.1.3 Xây dựng mô hình kiểm định:

Hình 1.25: Mô hình kiểm định

Giả sử cần nghiên cứu một đại lượng y trong một hệ thống nào đó Thông thường trong hệ thống ấy, một mặt y phụ thuộc vào các yếu tố độc lập x 1 , x 2 , …, x k có thể điều khiển được Mặt khác, y còn bị tác động ngẫu nhiên - thường xuyên và không điều khiển được ξ Các biến x 1 , x 2 , …, xk gọi là các biến vào hay các nhân tố; biến ngẫu nhiên ξ gọi là nhiễu; y gọi là cái ra Vấn đề là phải tìm ra quan hệ giữa y và (x 1 , x 2 , …, x k ) Thông thường đã có trước ít nhiều một số thông tin tiên nghiệm về hệ thống đang xét, bởi vậy, ta thường giả thuyết mối quan hệ giữa y và (x1, x 2 , …, xk) có dạng:

Trong đó, dạng của hàm f đã biết, nhưng m tham số 𝜃 1 , 2 …,𝜃 𝑚 chưa biết

Nếu còn giả thiết thêm Mξ = 0, Dξ = σ 2 , nghĩa là ξ ~ (0, σ 2 ) và ký hiệu ỹ = My, từ (2.3) có:

Hàm số 𝑦 được gọi là hàm số phản hồi của y Phương trình (3.4) gọi là phương trình hồi quy lý thuyết của y theo x 1 , x 2 , …, xk Để tìm mối quan hệ “thật” giữa y và x 1 , x 2 , …, x k , làm N thí nghiệm, lập bảng 3.3

Bảng 1.23: Bảng quy hoạch thí nghiệm

N X N1 X N2 … X Nk Y N Điểm X i = (x 1 , x 2 ,…,xk)∈ R k , (i = 1, 2, …, N) gọi là một điểm thí nghiệm R k gọi là không gian nhân tố Đối với mỗi bài toán cụ thể, các điểm thí nghiệm chỉ có thể chạy trên một miền xác định H ∈ R k , gọi là miền quy hoạch Bài toán đặt ra: trên cơ sở các số liệu thu được, hãy tìm hàm số:

( , , , k ) y f x x x ( 1.5) biểu diễn gần đúng tốt nhất hàm 𝑦 và tìm được một ước lượng tốt nhất cho σ 2

Hàm số 𝑦 coi là mô hình thống kê của hệ thực mà ta đang nghiên cứu Phương trình (2.5) được gọi là phương trình hồi quy thực nghiệm

Xét mô hình như đã giả thuyết: y= θ0 + θ1x1 + θ2x2 +…+ θkxk + ξ ξ~𝒩(0, σ 2 ), ỹ = θ0 + θ1x1 + θ2x2 +…+ θkxk Đã tìm được y b 0 b x 1 1   b x k k Đã biết được b j là ước lượng trúng của 𝜃 j Đã biết được y i là ước lượng trúng của y i Cần kiểm tra lại các giả thuyết:

45 - y có tuyến tính hay không? Và những biến nào trực tiếp ảnh hưởng đến y (tức θj nào ≠ 0)

Thường coi Mξ = 0 là chấp nhận được Nếu Mξ ≠ 0 thì tịnh tiến lại tọa độ để được bằng 0 Đặt ξ 0 = ξ - a ⇒Mξ 0 = M(ξ - a) = a – a = 0

Cách làm này không ảnh hưởng đến kết quả đánh giá

Kiểm tra Dξ = σ 2 nhưng σ 2 chưa biết

Giả thiết H 0 : Dξ = C Đối thiết H1: Dξ ≠ σ 2 Tại mỗi thí nghiệm thứ I (i = 1, …, N), lặp lại n lần đo được giá trị của

: , , , y i i i in y y y Coi đó là một mẫu và tính được:

Các s i 2 đều là ước lượng trúng của D ξ = ξ Vậy nếu H 0 đúng thì N số s i 2 phải bằng nhau Tiến hành kiểm định sự bằng nhau của N phương sai để kiểm định H0:

G ~ Cochran Chọn mức α, tra bậc tử bằng n – 1, bậc mẫu bằng N, được G 0 Tính G Nếu G < G α ⇒ công nhận H 0 đúng

46 Dùng phương sai tái sinh s ts 1 N i 1 s 1 i n 

Nếu G ≥ G α ⟹ bác bỏ H0 Kiểm định sự phù hợp của y vừa tìm được

Xem số biến số có bằng k không?

Giả sử y tuyến tính, k = ?, những biến nào ảnh hưởng trực tiếp đến y? ỹ =θ 0 +θ 1 x 1 +θ 2 x 2 +⋯+θ k x k θ j nào bằng 0?

Chọn thống kê bj j j j bj bj b b t s s

Nếu ξ ~(a, σ 2 ) thì các thống kê: t x a N

Tuân theo phân phối Student với bậc tự do m = N – 1 t bj tuân theo phân Student bậc của s ts 2 : m   N r X ( )    N k 1 Chọn mức ý nghĩa α tra đựợc tα,m.

Tính t j dựa vào mẫu Lưu ý s bj 2  s C ts 2 {  1 } jj - Nếu t bj  t  , m ⟹ công nhận H0 ⟹θj = 0 chứng tỏ x j không ảnh hưởng đến y

- Nếu t bj  t  , m ⟹ bác bỏ H 0 ⟹θ j ≠ 0 (công nhận H 1 )

47 Nếu có θ j = 0 thì các hệ số còn lại phải tính toán lại, vì các hệ số tương quan lẫn nhau

Sự phù hợp của y Đã dùng thí nghiệm lặp để tính 1 1 1

   là ước lượng của σ 2 không phụ thuộc dạng của y Mặt khác, 2 2

  cũng là ước lượng của σ 2 nhưng phụ thuộc dạng của y

Nếu y phù hợp với mô hình nghiên cứu thì hai phương sFai bằng nhau

Giả thuyết H 0 : s ts 2  s du 2 Đối thiết H1: s ts 2  s du 2

 s  ~ Fisher với bậc tử N – k – 1, bậc mẫu N(n – 1)

Chọn α, tra bảng tìm F α Tính F dựa vào mẫu

- Nếu F˂F α ⟹công nhận H 0 ⟹ phù hợp

- Nếu F≥F α ⟹bác bỏ H 0 ⟹ không phù hợp, phải giả thiết lại mô hình Có thể mô hình không phải là tuyến tính mà là bậc 2, 3

Trong trường hợp không có điều kiện tiến hành lặp thí nghiệm thì có thể so sánh phương sai dư s du 2 với phương sai s 2 y

 s , bậc tử N – 1, bậc mẫu N – k – 1 Nếu F càng nhỏ hơn Fα thì phương sai tái sinh càng chính xác

1.4.1.4 Phương pháp bề mặt đáp ứng biểu diễn bằng đa thức bậc hai

Phương trình hồi quy bậc hai:

Mô tả tương thích miền tối ưu Nhưng dùng phương trình bậc hai (3.6) rất khó phân tích Để thuận tiện cho việc nghiên cứu bề mặt đáp ứng lân cận điểm tối ưu, cần chuyển phương trình về dạng “chính tắc mẫu mực”

Y: giá trị của thông số tối ưu hóa 𝑌𝑠: giá trị của thông số tối ưu hóa ở gốc hệ trục mới X 1 , …, X k : các biến chuẩn, là những hàm tuyến tính của các yếu tố x 1 , x 2 ,…, x k

B 11 , B 22 , B kk : những hệ số trong phương trình hồi quy dạng chính tắc

Việc đưa các phương trình bậc hai về dạng chính tắc và phân tích các phương trình đó có thể tóm tắt thành hai bước như sau:

Bước 1: Tịnh tiến hệ trục tọa độ có gốc về một điểm đặc biệt trên mặt đáp ứng Tọa độ tâm S là nghiệm của hệ phương trình (2.7):

  ( 1.7) Đây là hệ k phương trình tuyến tính Nếu định thức của hệ (2.7) bằng 0 thì bề mặt đáp ứng không có tâm, trong trường hợp này hoặc không chuyển gốc hệ trục tọa độ hoặc chuyển về điểm mà thông số tối ưu hóa nằm trên biên miền xác định của các yếu tố

Nếu mặt có tâm thì định thức của hệ khác 0, ta tịnh tiến hệ trục tọa độ sao cho gốc trùng với tâm Khi giải hệ phương trình 2.7, số hạng chứa hiệu ứng tuyến tính sẽ biến mất

49 và các số hạng tự do thay đổi Các hệ số ở các hiệu ứng bậc hai và tương tác đôi bất biến đối với phép tịnh tiến Sau khi tịnh tiến, phương trình hồi quy có dạng:

Y s : giá trị thông số tối ưu hóa ở gốc hệ trục mới

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu

Sau khi chuẩn bị nguyên liệu, tiến hành trích ly xác định hàm lượng dầu và capsaicin tối đa có trong nguyên liệu bằng phương pháp trích ly với sự hỗ trợ sóng siêu âm, dung môi sử dụng là methanol Dịch trích được cô quay chân không thu hồi dung môi xác định được hàm lượng dầu trong nguyên liệu Dầu ớt thu được chia làm phần xác định hàm lượng capsaicinoid tổng bằng phương pháp quang phổ hấp thu UV-VIS và xác định hàm lượng capsaicin bằng phương pháp phân tích HPLC

Sau đó, tiến hành khảo sát các phương pháp trích ly Soxhlet, ngâm khuấy với dung môi, trích ly với sự hỗ trợ vi sóng, siêu âm, trích ly siêu tới hạn với dung môi ethanol

Ngâm Siêu âm Siêu tới hạn

Dung môi Không ethanol Có ethanol

Lưu lượng Áp suất Nhiệt độ

53 Qua đó đánh giá, so sánh hiệu suất trích ly, độ chọn lọc capsaicin theo các phương pháp trích ly khác nhau

Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng quá trình trích ly với sự hỗ trợ vi sóng như công suất trích ly (40, 220 và 440W), tỉ lệ dung môi/nguyên liệu (10 – 25 ml/g) và dung môi trích ly (methanol, ethanol)

Với phương pháp trích ly sử dụng CO 2 siêu tới hạn, khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ đồng dung môi (ethanol) đến hiệu suất trích ly dầu và capsaicin Khoảng tỉ lệ được khảo sát 0 – 20% lưu lượng dòng, cố định tỉ lệ đồng dung môi thích hợp tiến khảo sát các yếu tố áp suất, nhiệt độ, lưu lượng dòng dung môi đến quá trình trích ly Cố định hai yếu tố và thay đổi yếu tố còn lại đánh giá ảnh hưởng của từng yếu tố với khoảng khảo sát áp suất (116 – 284 bar), nhiệt độ (36 – 84 o C) và lưu lượng dòng dung môi (7 – 23 g/phút) Sau đó tiến hành quy hoạch thực nghiệm đưa ra phương trình hồi quy đánh giá tác động đồng thời của các yếu tố đến quá trình trích ly capsaicin từ ớt bằng phương pháp siêu tới hạn.

Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị sử dụng

2.2.1 Nguyên liệu thí nghiệm: Ớt tươi

Thời gian 24 giờ Bỏ cuống

Hình 2.1: Quy trình chuẩn bị nguyên liệu trích ly

54 Nguyên liệu thí nghiệm là ớt nhận từ Công ty cổ phần y dược phẩm Vimedimex

Chọn quả ớt tươi, màu đỏ, nguyên vẹn không dập nát Sấy ớt ở 60 o C với thời gian 3 ngày

(8 giờ/ngày) đến khi độ ẩm 20 ml/g thì hàm lượng capsaicin giảm theo chiều tăng công suất Điều này cũng tương tự khi dùng ethanol làm dung môi trích ly nhưng khi L/R > 20 ml/g thì hàm lượng capsaicin tăng rồi giảm theo chiều tăng công suất

Hiệu suất trích ly capsaicin (%)

Công suất (W) Tỉ lệ L/R = 10 ml/g

Hiệu suất trích ly capsaicin (%)

Công suất (W) Tỉ lệ L/R = 15 ml/g

Hiệu suất trích ly capsaicin (%)

Công suất (W) Tỉ lệ L/R = 20 ml/g

Hiệu suất trích ly capsaicin (%)

Công suất (W) Tỉ lệ L/R = 25 ml/g

78 Điều này là do việc tăng công suất là nguyên nhân của sự đổi chiều liên tục của từ trường, dẫn đến quay cực của các phần tử phân cực, tăng ma sát giữa chúng, dẫn đến tăng nhiệt độ trong dung dịch, đồng thời cũng tăng áp suất bên trong thành tế bào khiến cho tế bào bị vỡ Từ đó dung môi dễ dàng xâm nhập vào bên trong tế bào hòa tan các chất nên hiệu quả trích ly tăng lên Nhưng khi công suất quá cao, nhiệt độ trong dung dịch sẽ tăng cao, điều này là nguyên nhân phân hủy các hợp chất không bền nhiệt nói chung và capsaicin nói riêng (nhiệt độ nóng chảy của capsaicin là 65 o C)

3.6.2 Ảnh hưởng tỉ lệ L/R (dung môi/nguyên liệu):

Kết quả khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ L/R (dung môi/nguyên liệu) khi tăng từ 10, 15, 20, 25 ml/g được trình bày ở bảng 3.8, 3.9 và 3.10

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tỉ lệ L/R đến hiệu suất trích ly ở công suất 40W

10 ml/g 15 ml/g 20 ml/g 25 ml/g 10 ml/g 15 ml/g 20 ml/g 25 ml/g

10 ml/g 15 ml/g 20 ml/g 25 ml/g 10 ml/g 15 ml/g 20 ml/g 25 ml/g

Hình 3.8: Ảnh hưởng của tỉ lệ L/R đến hiệu suất trích ly dầu và capsaicin khi dùng dung môi methanol ở công suất 40W.

Hình 3.9: Ảnh hưởng của tỉ lệ L/R đến hiệu suất trích ly dầu và capsaicin khi dùng dung môi ethanol ở công suất 40W

Bảng 3.9: Ảnh hưởng của tỉ lệ L/R đến hiệu suất trích ly ở công suất 220W

H iệu suất t rí ch ly dầu ( % )

H iệu suất t rí ch ly capsai ci n (% )

H iệu suất t rí ch ly dầu ( % )

H iệu suất t rí ch ly capsai ci n (% )

10 ml/g 15 ml/g 20 ml/g 25 ml/g 10 ml/g 15 ml/g 20 ml/g 25 ml/g

10 ml/g 15 ml/g 20 ml/g 25 ml/g 10 ml/g 15 ml/g 20 ml/g 25 ml/g

Hình 3.10: Ảnh hưởng của tỉ lệ L/R đến hiệu suất trích ly dầu và capsaicin khi dùng dung môi methanol ở công suất 220W

Hình 3.11: Ảnh hưởng của tỉ lệ L/R đến hiệu suất trích ly dầu và capsaicin khi dùng dung môi ethanol ở công suất 220W

Bảng 3.10: Ảnh hưởng của tỉ lệ L/R đến hiệu suất trích ly ở công suất 440W

10 ml/g 15 ml/g 20 ml/g 25 ml/g 10 ml/g 15 ml/g 20 ml/g 25 ml/g

H iệu suất t rí ch ly dầu ( % )

H iệu suất t rí ch ly capsai ci n (% )

H iệu suất t rí ch ly dầu ( % )

H iệu suất t rí ch ly capsai ci n (% )

10 ml/g 15 ml/g 20 ml/g 25 ml/g 10 ml/g 15 ml/g 20 ml/g 25 ml/g

Hình 3.12: Ảnh hưởng của tỉ lệ L/R đến hiệu hiệu suất trích ly dầu và capsaicin khi dùng dung môi methanol ở công suất 440W

Hiệu suất trích ly dầu (%)

Hiệu suất trích ly capsaicin (%)

Hình 3.13: Ảnh hưởng của tỉ lệ L/R đến hiệu suất trích ly dầu và capsaicin khi dùng dung môi ethanol ở công suất 440W

Hiệu suất trích ly dầu cao nhất đạt 98,81% khi dùng methanol làm dung môi trích ly với điều kiện 220W, tỉ lệ L/R 25 ml/g Hiệu suất trích ly capsaicin cao nhất 84,87% với dung môi trích ly ethanol ở điều kiện 220W và tỉ lệ L/R 25 ml/g Ở công suất 40W, thời gian trích ly lớn, sau 30 phút trích ly lượng dầu và capsaicin tăng không đáng kể Khi tăng công suất thời gian trích ly ngắn hơn, sau 12 phút lượng dầu và capsaicin không thay đổi nhiều

Từ đồ thị các hình 3.8 đến 3.13 cho thấy ở mức công suất thấp hơn (40W và 220W) hàm lượng dầu và capsaicin tăng khi tăng tỉ lệ L/R Ngược lại ở mức công suất cao hơn (440W), lượng dầu tăng không nhiều nhưng lượng capsaicin lại giảm khi tỉ lệ L/R tăng

Hàm lượng dầu và capsaicin tăng nhanh với tỉ lệ L/R lớn (20 mg/l và 25 mg/l) ở mức công suất 40W và 220W thể hiện ở hình 3.8 đến 3.11 Điều này có thể do lượng dung môi quá ít không đủ thấm ướt nguyên liệu hòa tan các chất trong quá trình trích ly Hiệu quả trích ly capsaicin giảm ở công suất 440W (hình 3.12 và 3.13) Vì công suất lớn, nhiệt độ dung môi quá cao phân hủy các chất không bền nhiệt trong đó có capsaicin (nóng chảy ở 65 o C), từ đó lượng capsaicin thu được giảm đi

Hiệu suất trích ly dầu (%)

Hiệu suất trích ly capsaicin (%)

84 Từ kết quả khảo sát cho thấy quá trình trích ly dầu và capsaicin từ ớt thực hiện ở công suất thấp (40W và 220W) với tỉ lệ dung môi/nguyên liệu 20 – 25 mg/l đạt hiệu quả cao hơn, có thể được sử dụng trong các nghiên cứu sau này.

Trích ly bằng CO 2 siêu tới hạn

3.7.1 Ảnh hưởng của đồng dung môi: Ảnh hưởng của đồng dung môi đến hiệu quả trích ly siêu tới hạn được đánh giá bằng cách bổ sung lượng ethanol với tỉ lệ khác nhau 0 – 20% (m/m) Hiệu quả trích ly theo thời gian với những tỉ lệ ethanol khác nhau được cho ở bảng 3.11 Ảnh hưởng của ethanol đến hiệu quả trích ly và độ chọn lọc capsaicin được thể hiện ở hình 3.14 và 3.15

Bảng 3.11: Ảnh hưởng của tỉ lệ ethanol đến hiệu suất trích ly dầu và capsaicin

0% EtOH 5% EtOH 10% EtOH 15% EtOH 20% EtOH

Từ hình 3.14 có thể thấy khi thêm ethanol hiệu quả trích ly dầu và capsaicin tăng đáng kể Khi thêm ethanol làm thay đổi độ phân cực của SC-CO2, mà capsaicin là chất phân cực yếu nên khả năng tan trong CO 2 siêu tới hạn tăng lên, do đó hàm lượng capsaicin tăng lên Lượng ethanol thêm vào với tỉ lệ 10% tổng lưu lượng dòng giúp quá trình trích được lượng capsaicin cao nhất Nhưng nếu tiếp tục tăng tỉ lệ ethanol lên hơn 10% lượng dầu và capsaicin thu được thay đổi không nhiều

Hình 3.14: Ảnh hưởng của đồng dung môi đến hiệu suất trích ly dầu và capsaicin

Ngoài ra, khi tăng tỉ lệ ethanol thì độ chọn lọc capsaicin giảm, kết quả được thể hiện ở hình 3.15 Ethanol làm tăng hiệu quả trích ly ở một giới hạn tỉ lệ nhất định, độ chọn lọc capsaicin giảm dần khi tăng tỉ lệ ethanol Ngoài việc tăng khả năng hòa tan capsaicin, ethanol thêm vào cũng tăng khả năng hòa tan một số cấu tử không mong muốn của CO2

Hiệu suất trích ly dầu (%)

Hiệu suất trích ly capsaicin (%)

86 siêu tới hạn Do đó độ chọn lọc capsaicin giảm đi Vì vậy, trong nghiên cứu này sử dụng ethanol làm đồng dung môi với tỉ lệ 10%

Hình 3.15: Ảnh hưởng của đồng dung môi đến độ chọn lọc capsaicin

3.7.2 Ảnh hưởng của áp suất:

Tiến hành trích ly capsaicin bằng CO 2 siêu tới hạn ở 3 giá trị áp suất khác nhau: 116 bar, 200 bar và 284 bar Lượng dầu được lấy theo thời gian, các thí nghiệm được thực hiện ở 60 o C với lưu lượng dòng dung môi 15 g/phút, tỉ lệ dung môi hỗ trợ 10% lưu lượng dòng

Ta nhận thấy tăng dần áp suất hiệu suất trích ly dầu được tăng đáng kể Ở áp suất thấp, sau thời gian 180 phút hiệu suất thu hồi dầu chỉ đạt được 18,99% nhưng ở áp suất cao hiệu suất đạt 33,33% ở 200 bar và 33,66% ở 284 bar Đồng thời hiệu suất trích ly capsaicin cao nhất đạt 74,59% ở 200 bar Kết quả này tương tự như Gnayfeed và cộng sự

[18] Hàm lượng dầu và capsaicin thu được thay đổi không nhiều khi tăng áp suất từ 200 bar đến 284 bar được thể hiện ở bảng 3.12 và ảnh hưởng của áp suất đến lượng dầu, capsaicin thu được thể hiện ở hình 3.16

Bảng 3.12: Ảnh hưởng của áp suất đến lượng dầu và capsaicin thu được Thời gian (phút)

Hàm lượng capsaicin tăng lên do sự thay đổi về độ nhớt, khối lượng riêng và độ hòa tan của dung môi Sự biến đổi của vật chất và khả năng solvat hóa là hai yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của CO 2 siêu tới hạn Mà sự biến đổi vật chất là hàm số nhiệt độ, khả năng solvat hóa phụ thuộc vào khối lượng riêng của dung môi Do đó, khi thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ sẽ làm thay đổi khối lượng riêng của dung môi từ đó thay đổi hiệu quả quá trình trích ly Ở nhiệt độ xác định, khối lượng riêng tăng lên khi áp suất tăng, giá trị khối lượng riêng của dung môi tương ứng với áp suất 116 bar, 200 bar và 284 bar là 0,4273 g/cm 3 , 0,7009 g/cm 3 và 0,8090 g/cm 3 Khả năng hòa tan của chất cũng tăng lên theo áp suất

Ngoài ra, áp suất tăng còn làm tăng hệ số truyền khối thúc đẩy quá trình trích ly hiệu quả cao hơn Vì vậy hiệu quả trích ly tăng lên khi tăng áp suất Nhưng khi tăng áp suất lên cao hơn 200 bar hàm lượng capsaicin tăng lên không đáng kể Nghiên cứu của Gupta và Shim [37] cho thấy độ tan của capsaicn trong dung môi siêu tới hạn tăng nhanh khi tăng áp suất từ 100 bar đến 200 bar (độ tan capsaicin tăng từ 84 – 249 mol/mol), nhưng khi tăng áp suất lớn hơn 200 bar độ tan capsaicin tăng không nhiều (độ tan capsaicin khi tăng áp suất 200 – 309 bar là 249 – 261 mol/mol) Vì vậy, khi tăng áp suất lớn hơn 200 bar hàm lượng capsaicin tăng không đáng kể

Hình 3.16: Ảnh hưởng của áp suất đến hiệu quả trích ly dầu và capsaicin

3.7.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Trích ly capsaicin từ ớt bằng CO 2 siêu tới hạn được khảo sát ở ba mức nhiệt độ 36 o C, 60 o C và 84 o C Các thí nghiệm được thực hiện ở 200 bar với lưu lượng dòng không đổi 15 g/phút, dung môi hỗ trợ 10% lưu lượng dòng Hàm lượng dầu và capsaicin thu được thể hiện ở bảng 3.13

Hiệu suất trích ly dầu (%)

Hiệu suất trích ly capsaicin (mg/g)

Bảng 3.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến lượng dầu và capsaicin

Hiệu suất trích ly capsaicin đạt 68,69%, 74,59% và 75,63% tương ứng với 36 o C, 60 o C và 84 o C Bên cạnh đó, hiệu suất trích dầu cũng tăng lên tương ứng với nhiệt độ là

31,71%, 33,33% và 33,83% Đồ thị hình 3.17 cho thấy khi tăng nhiệt độ 36 o C đến 84 o C hàm lượng dầu và capsaicin tăng không đáng kể Khi nhiệt độ tăng, khối lượng riêng của dung môi siêu tới hạn giảm, khả năng hòa tan các chất giảm Nhưng khả năng solvat hóa của dung môi tăng theo nhiệt độ dẫn đến các chất di chuyển vào dung môi tăng lên Vì vậy, hàm lượng capsaicin và dầu trích được thay đổi không đáng kể

Hình 3.17: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng dầu và capsaicin

3.7.4 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng: Ảnh hưởng của lưu lượng dòng dung môi đến hiệu quả trích ly được thể hiện ở bảng 3.14 Quá trình trích ly được thực hiện ở 200 bar và 60 o C, ba mức lưu lượng dòng khảo sát là 7 g/phút, 15 g/phút và 23 g/phút, tỉ lệ dung môi hỗ trợ 10% Hiệu suất trích ly capsaicin tương ứng với các giá trị lưu lượng dòng là 64,38%, 74,59% và 75,73%

Hiệu suất trích ly dầu (%)

Hiệu suất trích ly capsaicin (%)

Bảng 3.14: Ảnh hưởng của lưu lượng dòng đến hiệu quả trích ly dầu và capsaicin

Hiệu quả trích ly tăng đáng kể khi lưu lượng dòng tăng, khi tăng lưu lượng dòng CO 2 từ 7 g/phút đến 15 g/phút hiệu quả trích ly tăng lên rõ ràng Nhưng nếu tiếp tục tăng lên 23 g/phút ta thấy lượng dầu và capsaicin thu được thay đổi không đáng kể Kết quả này được thể hiện ở hình 3.18

Khi tăng lưu lượng dòng CO 2 siêu tới hạn sẽ tạo sự chênh lệch nồng độ giữa bề mặt chất rắn và dung môi, từ đó tăng khả năng khuếch tán của cấu tử trên bề mặt nguyên liệu vào dung môi Nhưng nếu giảm lưu lượng dòng, khả năng khuếch tán của cấu tử trên bề mặt nguyên liệu vào dung môi giảm Lúc này khả năng khuếch tán của cấu tử từ bên trong đến bề mặt nguyên liệu sẽ quyết định đến hiệu quả trích ly

Như vậy, lưu lượng dòng CO 2 siêu tới hạn ảnh hưởng đến quá trình trích ly hoặc quá trình cân bằng của cấu tử trong pha dung môi và bên ngoài hạt nguyên liệu Do vậy tăng lưu lượng dòng sẽ tăng hiệu quả trích ly Nhưng nếu tăng lưu lượng dòng đến một giá trị nào đó hệ số truyền khối trong pha dung môi không đáng kể, khi đó sự gia tăng lưu lượng dòng dung môi sẽ ít ảnh hưởng đến quá trình trích ly

Hình 3.18: Ảnh hưởng của lưu lượng dòng đến hiệu quả trích ly dầu và capsaicin

Kết quả thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố áp suất (150 – 250 bar), nhiệt độ (45 – 75 o C) và lưu lượng dòng dung môi (10 – 20 g/phút) với tỉ lệ đồng dung môi hỗ trợ (ethanol) cố định ở 10% được thể hiện ở bảng 3.15

Hiệu suất trích ly dầu (%)

Hiệu suất trích ly capsaicin (%)

Bảng 3.15: Kết quả thí nghiệm

N Biến thực Biến mã hóa Thông số tối ưu

Bảng 3.16: Tổng hợp các giá trị quan sát

Hàm đáp ứng Giá trị lớn nhất

Giá trị nhỏ nhất Trung bình Độ lệch chuẩn

Hiệu suất trích ly dầu ớt (%) 25,16 1,59

Hiệu suất trích ly capsaicin (%) 63,96 3,88

Kết quả tính toán thống kê giá trị các hệ số của hàm đáp ứng hàm lượng dầu và hàm lượng capsaicin thể hiện ở bảng 3.17

Bảng 3.17: Kết quả phân tích biến

Prob > F Hàm lượng dầu 519,50 57,72 0,9670 22,76 0,0002 Có ý nghĩa Hàm lượng capsaicin 267,38 89,13 0,5778 5,93 0,0089 Có ý nghĩa