Luận văn thạc sĩ Công nghệ hóa học: Nghiên cứu quá trình sản xuất Beta-Carotene và Lycopene từ gấc

Tuy nhiên, ở Việt Nam cũng như trên thế giới, Quả Gấc chưa được chú trọng nghiên cứu để đề xuất ra một quy trình trích ly tối ưu β-carotene và lycopene từ Gấc, kể cả sử dụng dung môi hữu

ĐẦU

ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, nhu cầu về carotenoid mà đặc biệt là β-carotene và lycopene trên thế giới tăng rất nhanh bởi các tác dụng tích cực của chúng trong việc chống oxy hóa, phòng ngừa và chữa trị các chứng bệnh tim mạch, ung thư ở người Quả GẤC ở Việt Nam được công nhận là một nguồn tự nhiên giàu β-carotene và lycopene nhất được biết đến cho đến nay Việc ứng dụng kỹ thuật chất lỏng siêu tới hạn cho quá trình sản xuất carotenoid từ Gấc nhằm sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu chất lượng cao chỉ có ở nước ta, nâng cao giá trị của sản xuất nông nghiệp, tạo nên những sản phẩm sạch và an toàn đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước và quốc tế

Trong dầu gấc chứa một lượng β-carotene cao hơn 70 lần so với lượng có trong quả cà chua – loại thực phẩm được cho rằng chứa nhiều các hợp chất carotenoid [14] Carotenoid là những chất có màu vàng, cam và hơi pha đỏ Nó có nhiều trong thực vật mà không hề xuất hiện trong động vật cũng như các thực phẩm có nguồn gốc động vật β-carotene là một terpene, là một trong hơn 600 loại carotenoid tồn tại trong tự nhiên β-carotene còn là tiền chất của vitamin A nên nó là nguồn cung cấp vitamin A tự nhiên, dồi dào cho cơ thể Vitamin A đóng vai trò cho khả năng của thị giác và sự phát triển của trẻ em nên β-carotene cũng có tác dụng tăng cường thị lực, tốt cho trẻ em và người cao tuổi, có tác dụng tăng cường hệ miễn dịch giúp người bệnh mau hồi sức β-carotene có khả năng chống oxy hóa, loại bỏ những nguyên tử oxy tự do dư thừa điện tử trong da Những nguyên tử này được hình thành khi da bị phá huỷ bởi tia cực tím, làm da bị lão hoá và gây ra bệnh ung thư β-carotene triệt tiêu những tác hại này bằng cách loại bỏ các gốc điện tử tự do, làm vô hiệu hóa các chất gây ung thư, chậm tiến trình lão hóa da…

Bên cạnh đó, dầu gấc còn chứa lycopene và curcumin là các thành phần chống oxy hóa và ức chế tế bào ung thư rất hiệu quả Lycopene có tác dụng ức chế các loại bướu lành cũng như ác tính, được dùng trong chữa trị các loại ung thư tuyến vú, dạ dày, tuyến tiền liệt và hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trong dược phẩm và mỹ phẩm Curcumin được sử dụng trong điều trị chống viêm khớp, thoái hóa, Alzheimer đồng thời cũng có khả năng ngăn ngừa một số loại ung thư Nguồn carotene thương mại hiện nay chủ yếu được chiết xuất từ các loại cà rốt và cà chua, do gấc là loại thực phẩm chỉ phân bố tại Việt Nam Để trích ly carotenoid từ quả Gấc thì có những phương pháp trích ly truyền thống như ngâm dầm hoặc Soxhlet nhưng các phương pháp này có nhược điểm: thời gian trích ly kéo dài, dùng dung môi độc hại, độ chọn lọc không cao… Với những ưu điểm vượt bậc của phương pháp trích ly siêu tới hạn: thời gian trích ly ngắn, dung môi thân thiện với môi trường, việc phân tách dung môi ra khỏi sản phẩm dễ dàng, loại bỏ không còn dung môi trong sản phẩm trích ly… rất thích hợp cho việc chiết xuất các hợp chất carotenoid từ Gấc

Với những ưu điểm nổi bật của phương pháp trích ly bằng CO2 siêu tới hạn và những công dụng quan trọng của β-carotene và lycopene có trong quả Gấc thì đề tài này được nghiên cứu để đưa ra một quy trình sản xuất β-carotene và lycopene tối ưu bằng phương pháp trích ly hiện đại.

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Vật liệu nghiên cứu: màng hạt Gấc (danh pháp khoa học: Momordica cochinchinensis, đồng nghĩa Muricia cochinchinensis, Muricia mixta)

- Thiết bị trích ly siêu tới hạn Thar - SFC

- Quá trình trích ly bằng CO 2 siêu tới hạn

- Phương pháp thực nghiệm tìm điều kiện tối ưu.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố trích ly lên hiệu suất và độ chọn lọc của β-carotene và lycopene

- Tối ưu hóa quá trình trích ly β-carotene và lycopene.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Thực nghiệm so sánh hiệu quả trích ly β-carotene và lycopene dưới các điều kiện trích ly khác nhau

- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm giúp xác định ảnh hưởng của các yếu tố (nhiệt độ, áp suất, thời gian) và sự tương tác giữa chúng lên hiệu quả trích ly β-carotene và lycopene bằng dung môi siêu tới hạn.

Ý NGHĨA THỰC TIỄN

- Việc thu hồi β-carotene, lycopene và vitamin E từ Gấc là một nhu cầu thực sự bức thiết Với nhu cầu carotenoid ngày càng cao trong khi nguồn cung cấp ngày càng hạn chế và vẫn phụ thuộc vào việc nhập khẩu Với giá trị thị trường carotenoid năm 2007 đạt 766 triệu USD và dự kiến đạt 915 triệu USD vào năm 2015 (FOD025C, 2008), có thể thấy rằng tiềm năng của ngành công nghiệp sản xuất carotenoid trong đó đặc trưng là beta - carotene và lycopene là rất lớn

- Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đưa ra một quy trình tối ưu cho việc thu hồi và sản xuất carotenoid, nâng cao giá trị của sản phẩm nông nghiệp, giảm thiểu những tác động của quá trình sản xuất đến môi trường, mang lại lợi ích kinh tế rất lớn.

QUAN TÀI LIỆU

TỔNG QUAN VỀ GẤC VÀ CÁC THÀNH PHẦN HỢP CHẤT

- Tên khoa học: Momordica cochinchinensis (Lour.) Spreng

- Tên Việt: Dây Gấc - Bộ: Cucurbitales - Họ: Cucurbitaceae - Chi: Momordica - Loài: Momordica cochinchinensis - Các tên cũ: Muricia cochinchinensis (Lour.), Momordica macrophylla (Gage), Momordica mixta (Roxburgh)

- Tên Anh: Spiny bitter - cucumber, Chinese bitter - cucumber, Chinese - cucumber

- Tên Pháp: Margose à piquants - Tên Khmer: Makkao

- Tên Trung Quốc: Mộc miết 2.1.1.2 Đặc điểm thực vật:

Gấc là loài cây thân thảo dây leo thuộc chi Mướp đắng Đây là một loại cây đơn tính khác gốc, tức là có cây cái và cây đực riêng biệt

Cây gấc leo khỏe, chiều dài có thể mọc đến 15 mét Thân dây có tiết diện góc Lá gấc nhẵn, thùy hình chân vịt phân ra từ 3 đến 5 dẻ, dài 8-18 cm

Hoa có hai loại: hoa cái và hoa đực Cả hai có cánh hoa sắc vàng nhạt

Quả hình tròn, màu lá cây, khi chín chuyển sang màu đỏ cam, đường kính 15–

20 cm Vỏ gấc có gai rậm Bổ ra mỗi quả thường có sáu múi Thịt gấc màu đỏ cam

Hạt gấc màu nâu thẫm, hình dẹp, có khía

Hình 2.1: Dây gấc Hình 2.2: Trái gấc

Hình 2.3: Trái gấc chín 2.1.1.3 Phân bố và thời vụ: a - Phân bố:

Chúng được tìm thấy trên khắp khu vực từ miền Nam Trung Quốc đến Đông Bắc nước Úc và phân bố ở độ cao 0-1500 m Ở nước ta, Gấc mọc hoang và được trồng khắp nơi Gấc là một loài cây có sức chống chịu tốt, rất phù hợp với đất đỏ bazan, feralit, … mà những loại đất này phân bố và trải rộng ở trung du miền núi phía Bắc (Bắc Giang), Tây Nguyên ( Đắc Lắc), miền Đông Nam bộ (Tây Ninh)

Khác với các tỉnh phía Bắc, do không có mùa đông lạnh nên cây gấc ở Nam bộ xanh tốt và có trái quanh năm mặc dù chất lượng không cao như trái gấc xứ Bắc

Dọc theo sông Tiền trồng gấc rất tốt b - Thời vụ:

Mùa hoa gấc từ tháng 4 đến tháng 5 Mùa quả từ tháng 6 đến tháng 2 năm sau

Mỗi năm gấc chỉ thu hoạch được một mùa Do vụ thu hoạch tương đối ngắn (vào khoảng tháng 12 hay tháng 1), nên gấc ít phổ biến hơn các loại quả khác

Gấc là loại cây đơn tính, thụ phấn chủ yếu nhờ gió, sâu bọ, ong bướm để tăng năng suất tiến hành thụ phấn nhân tạo bằng cách dùng bông ướt lấy phấn trên đầu nhị của hoa đực bôi đều lên nhụy của hoa cái vào thời điểm hoa đực và hoa cái đã nở đều Có 3 cách trồng: trồng bằng hạt, trồng bằng thân và để gốc tái sinh

- Trồng bằng hạt: Chọn hạt già không sâu bệnh, gieo trực tiếp ở các hố đã chuẩn bị sẵn phân hữu cơ hoai Mỗi hố cách nhau 4 - 5 m, giữ ẩm cho hạt mau nẩy mầm Một hố để lại chừng 2 - 3 cây/hốc

- Trồng bằng hom thân: Có thể nhân giống vô tính cây gấc bằng cách giâm hom thân Chọn những đoạn cành bánh tẻ (tức không quá già hoặc quá non) ở những cây gấc cho năng suất và chất lượng cao để làm hom trồng Cắt cành ra từng đoạn từ 40 - 50 cm, giâm ngay vào hốc đã chuẩn bị sẵn (nên xử lý nhún đầu hom vào nước vôi, các dung dịch thuốc trừ nấm bệnh như Benlate C hoặc Rovral 2 - 4 phần ngàn, ngâm 5 - 10 phút để chống thối cành) Đặt gốc dây hom sâu 5 - 7 cm, lấp đất và chừa ngọn 2 - 3 đốt, rồi che mát bớt nắng, tưới nước giữ ẩm Khi mầm gấc nhú lên thành dây thì làm giàn cho gấc leo

- Để gốc tái sinh: Cuối mùa khô, trước khi có mưa chuyển mùa, nên cắt gốc gấc chỉ để lại khoảng 10 - 15 cm, dọn vệ sinh giàn cũ, xới xáo quanh gốc, bón thêm phân các loại Khi tưới nước đủ ẩm hoặc có mưa xuống thì từ các mắt ở gốc gấc sẽ nẩy mầm và phát triển thành cây cho năm sau

Thu hoạch lúc quả đã chín đỏ, có thể dùng ngay hay để vào chỗ mát dùng dần

Dầu gấc có chứa nhiều β-carotene, lycopene, zeaxanthin và β-cryptoxanthin

Gấc đặc biệt giàu lycopene, có thể đạt đến 380 microg/g thịt trái Theo tỷ lệ khối lượng, nó chứa nhiều lycopene gấp 70 lần cà chua Người ta cũng phát hiện thấy nó chứa β-carotene nhiều gấp 10 lần cà rốt hoặc khoai lang Ngoài ra, các carotenoid có mặt trong gấc liên kết với các axít béo mạch dài, tạo ra kết quả là nó có tính hoạt hóa sinh học cao hơn Một nghiên cứu gần đây cho thấy gấc chứa các loại protein có thể ngăn cản sự phát triển của các tế bào ung thư [14]

Trong dầu gấc có chứa β-carotene, lycopene, alpha-Tocopherol (vitamin E thiên nhiên), 33,4% acid Palmitic, 7,9% acid stearic, đặc biệt 44% acid Oleic và 14,7% acid Linoleic

Acid Oleic và acid Linoleic là hai acid béo rất cần thiết cho cơ thể

Ngoài các vitamin thiết yếu, gấc còn chứa nhiều vi lượng như sắt, đồng, kẽm, kali, coban Đặc biệt, màu đỏ cam của gấc rất bền với nhiệt, có thể dùng làm màu thực phẩm, đồng thời giàu tiền chất vitamin A (β-carotene).

Trong nhân hạt gấc có 55,3% chất lipid, 16,6% chất protit, 1,8% tanin, 2,8% cellulose, 6% nước, 2,9% chất vô cơ, 2,9% đường, 11,7% chất khoáng… Ngoài ra còn có một lượng nhỏ các men phosephatase, peroxydase, invectase

2.1.1.5 Một số ứng dụng của gấc:

Gấc vừa là cây thực phẩm, vừa là cây thuốc nên có giá trị rất lớn về nhiều mặt

- Thực phẩm: Nếu dùng bột gấc (xào trong dầu) thay thế 1 phần hay hoàn toàn cho bột cà-ri (trích từ cây Điều Nhuộm) sẽ giúp tăng vitamin A thêm được nhiều hơn cho thực phẩm Hay trích lấy màu làm màu thực phẩm: nhuộm màu xôi gấc

- Hóa mỹ phẩm: dầu có tác dụng làm da tóc mịn màng, làm giảm sự nhạy cảm của da với tia cực tím, chống xạm da làm mau lành vết thương, loét Lycopene là chất chống oxi hóa sinh học, có tác dụng bảo vệ da, giúp da hồng hào và mịn màng Dầu gấc hoàn toàn có thể thay thế được Sudan trong ngành công nghiệp hóa mỹ phẩm và thực phẩm, khắc phục được những hiểm họa từ hóa chất độc hại gây ra

- Y học: Lycopene có trong gấc có khả năng phòng chống, hạn chế sự phát triển của tế bào ung thư Không chỉ vậy, gấc còn chứa nhiều các chất khác như vitamin E, carotene…làm vô hiệu hóa 75% các chất gây ung thư, đặc biệt là ung thư vú, ung thư tuyến tiền liệt… Dầu gấc có tác dụng làm giảm LDL Cholesterol, làm bền thành mạch, chống xơ vữa động mạch, từ đó chống tai biến Curcumin và β-carotene trong dầu gấc giúp tăng sức đề kháng

CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT TRUYỀN THỐNG

Phương pháp chiết xuất bao gồm việc chọn dung môi, dụng cụ chiết và cách chiết

Một phương pháp chiết xuất thích hợp chỉ có thể được hoạch định khi đã biết rõ thành phần hóa học của cây Mỗi loại hợp chất có độ hòa tan khác nhau trong từng loại dung môi Vì vậy không thể có một phương pháp chiết xuất chung cho tất cả các loại hợp chất trong cây

Lựa chọn phương pháp trích ly phù hợp đóng vai trò thiết yếu trong việc bảo toàn toàn vẹn các hợp chất trích ly thô Các phương pháp trích ly tối ưu sẽ giúp ngăn chặn sự phân hủy, phản ứng phụ và chuyển vị của các hợp chất quan tâm.

Trong quá trình chiết sẽ xảy ra 3 quá trình:

Ba quá trình này thực hiện liên tục cho đến khi quá trình chiết kết thúc

Nguyên liệu phải được xay nhỏ đến mức thích hợp để dung môi có điều kiện tiếp xúc trực tiếp với thành tế bào một cách dễ dàng, thúc đẩy quá trình chiết xuất nhanh chóng và nâng cao hiệu xuất chiết

2.2.1 Chiết bằng phương pháp ngấm kiệt (Percolation):

Phương pháp ngấm kiệt là một trong những phương pháp trích ly được sử dụng phổ biến nhất vì không đòi hỏi nhiều thao tác cũng như thời gian

Dụng cụ gồm một bình ngấm kiệt, hình trụ đứng, bằng thủy tinh, ở dưới đáy bình có van khóa để điều khiển tốc độ dung môi chảy ra Khi đã ngâm mẫu cây trong dung môi sau một thời gian nhất định, dung dịch chảy ra được hứng trong một erlen bên dưới, ở trên có một bình lóng chứa dung môi chảy vào bình ngấm kiệt này Đây là quá trình chiết liên tục, dung môi sau khi đã bảo hòa hoạt chất sẽ được liên tục thay thế bằng dung môi mới Tuy vậy người ta không thực hiện liên tục mà mẫu cây được ngâm trong dung môi khoảng 1-2 ngày, cho dung môi bão hòa chảy ra rồi mới cho dung môi mới vào tiếp tục thực hiện quá trình trích ly Để khảo sát sự chiết xuất hoàn toàn chưa, người ta thường theo dõi bằng cách lấy dịch trích ly thử với các thuốc thử đặc trưng của hoạt chất cần trích

2.2.2 Chiết bằng phương pháp ngâm (Maceration):

Phương pháp ngâm không hiệu quả gì hơn phương pháp ngấm kiệt, chỉ là ngâm bột cây trong bình chứa bằng thủy tinh hoặc thép không rỉ có nắp đậy Rót dung môi phủ lớp bột cây, để yên ở nhiệt độ phòng, dung môi sẽ ngấm dần vào nguyên liệu và hòa tan các chất tự nhiên Có thể gia tăng hiệu quả chiết xuất bằng cách khuấy bột cây hoặc dùng máy lắc nhẹ

Sau 24 giờ, dung môi trong bình được rót ra và đổ dung môi mới vào

2.2.3 Chiết bằng phương pháp ngấm kiệt ngược dòng: Đây là sự kết hợp giữa phương pháp ngấm kiệt và phương pháp ngâm dầm

Bột cây được ngâm trong dung môi ở các bình khác nhau (A, B, C) Dung dịch chiết đầu tiên (A1) từ bình A được lấy ra và tiếp tục dùng làm dung môi cho bình B, quá trình này lặp lại tương tự với bình C Phương pháp này giúp tiết kiệm dung môi và tăng hiệu suất chiết xuất Không giống phương pháp ngấm kiệt nhỏ giọt, dung dịch chiết trong phương pháp này được trực tiếp chảy ra sau thời gian ngâm nhất định.

Hình 2.9: Quá trình trích ngấm kiệt ngược dòng 2.2.4 Chiết bằng Soxhlet:

Bộ dụng cụ Soxhlet được bán sẵn với nhiều loại kích cỡ Phương pháp có ưu điểm là chỉ sử dụng một lượng ít dung môi mà vẫn có thể chiết kiệt được hoạt chất

Sự ly trích tự động, liên tục nên nhanh chóng

Muốn biết quá trình chiết đã cạn kiệt chưa, tháo phần ống ngưng hơi, dùng pipet hút lấy vài giọt dung dịch trong bình chứa mẫu cây, nhỏ lên mặt kính hoặc giấy lọc, để dung môi bay hơi hết để lại vết cắn trên bề mặt kính Nếu không thấy vết thì đã chiết kiệt, nếu thấy vết thì phải chiết thêm một thời gian nữa

Nhược điểm của phương pháp này là không chiết được một lượng lớn mẫu cây, nên chỉ thích hợp cho các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Một nhược điểm lớn nữa là trong suốt quá trình chiết, mẫu cây luôn có nhiệt độ bằng nhiệt độ sôi của dung môi nên những hợp chất kém bền nhiệt như carotenoid có thể bị thủy giải, phân giải hoặc tạo các hợp chất artefact

Hình 2.10: Mô hình bình trích Soxhlet 2.2.5 Chiết bằng cách đun hoàn lưu:

Bột cây và dung môi hữu cơ được chứa trong một bình cầu có gắn ống sinh hàn Đun hoàn lưu trên bếp cách thủy ở nhiệt độ sôi của dung môi Sau một thời gian cần thiết, dung dịch chiết được lấy ra và lọc qua giấy lọc Dung môi mới được đưa vào và chiết thêm 3-4 lần nữa cho đến khi kiệt

Hiếm khi người ta đun bột cây với dung môi là nước, dù đây là phương pháp trong dân gian vẫn hay dùng để sắc thuốc để uống và một số chất cũng tan được trong nước, nhưng vì nước có nhiệt độ sôi cao và áp suất hơi nhỏ nên rất khó cô cạn Để chiết xuất những hoạt chất tan nhiều trong nước, người ta hay dùng hỗn hợp Methanol-nước hoặc Ethanol-nước

2.2.6 Chiết bằng phương pháp lôi cuốn hơi nước: Đây là phương pháp đặc biệt dùng để ly trích tinh dầu và những hợp chất dễ bay hơi có trong cây Dụng cụ gồm một bình cầu lớn để cung cấp hơi nước, hơi nước sẽ được dẫn sục vào bình có chứa mẫu cây, hơi nước xuyên thấm qua mẫu cây và lôi theo những cấu tử dễ bay hơi; hơi nước tiếp tục bay hơi và được ngưng tụ bởi một ống sinh hàn, ta thu được hỗn hợp nước - tinh dầu Dùng ether dầu hỏa hay ether ethyl để ly trích tinh dầu ra khỏi hỗn hợp trên hoặc để yên một thời gian trong bình lóng sẽ có sự tách giữa 2 pha tinh dầu – nước.

TRÍCH LY SIÊU TỚI HẠN

Chiết xuất siêu tới hạn là quá trình tách biệt một chất hoặc thành phần từ một nguồn nguyên liệu, với công nghệ này, dung môi được áp dụng ở trạng thái đặc biệt gọi là trạng thái siêu tới hạn.

2.3.1 Lý thuyết siêu tới hạn:

2.3.1.1 Trạng thái siêu tới hạn:

Dung môi được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp hóa học, dược phẩm, thực phẩm… Trong xu hướng tìm kiếm các dung môi thân thiện với môi trường, dung môi siêu tới hạn ngày càng được quan tâm nhiều hơn Chất lỏng hay dung môi siêu tới hạn được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình trích ly, phản ứng hóa học, làm sạch và nhiều ứng dụng khác nhờ những tính chất đặc biệt của nó

Các trạng thái vật lý khác nhau của một cấu tử tinh khiết được mô tả trong giản đồ không gian ba chiều áp suất – thể tích – nhiệt độ (PVT) như hình 2.11 Các trạng thái rắn, lỏng, khí tương ứng với các giá trị đặc biệt của nhiệt độ và áp suất

Theo quy tắc pha, hai pha (rắn – lỏng, rắn – hơi, lỏng - hơi) của một chất tinh khiết chỉ có một độ tự do Vì vậy, áp suất cân bằng trong mỗi trường hợp là một hàm của nhiệt độ Hình chiếu PT của các đường cân bằng rắn – lỏng, rắn - hơi, lỏng – hơi được mô tả bên trái của hình 2.11

Hình 2.11: Giản đồ PVT của một cấu tử tinh khiết và hình chiếu lên mặt phẳng PT Đường cân bằng lỏng - hơi bắt đầu từ điểm ba (TP) và kết thúc tại điểm tới hạn (CP) Bản chất của điểm tới hạn có thể được hiểu theo những thay đổi tính chất của chất lỏng dọc theo đường cong áp suất hơi Khi tăng nhiệt độ, khối lượng riêng pha lỏng giảm, khối lượng riêng pha hơi tăng do áp suất hơi tăng Cuối cùng, chúng hội tụ tại điểm tới hạn và khi trên nhiệt độ tới hạn thì không còn phân biệt giữa pha lỏng và pha hơi Khi cả nhiệt độ và áp suất trên giá trị tới hạn, đó gọi là vùng siêu tới hạn

2.3.1.2 Đặc điểm của dung môi siêu tới hạn: Đặc điểm tới hạn của một số dung môi được trình bày trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Đặc điểm của một số chất ở trạng thái tới hạn [24]

Chất lỏng siêu tới hạn sở hữu đặc tính trung gian giữa trạng thái khí và lỏng của chúng Đây là chất có thể tích như chất khí, đồng thời có mật độ và khả năng hòa tan như chất lỏng Do đó, chất lỏng siêu tới hạn có nhiều ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như chiết xuất, phản ứng hóa học và truyền tải nhiệt.

Bảng 2.3: So sánh tính chất vật lý của khí, lỏng và lỏng siêu tới hạn [24]

Khối lượng riêng và độ nhớt của chất lỏng siêu tới hạn thấp hơn so với trạng thái lỏng Tuy nhiên, độ khuếch tán của chất lỏng siêu tới hạn cao hơn so với chất lỏng Hệ số dẫn nhiệt tương đối cao trong chất lỏng siêu tới hạn và rất lớn khi ở gần điểm tới hạn Sức căng bề mặt bằng không trong vùng tới hạn Nói chung, tính chất vật lý trong vùng siêu tới hạn nâng cao khả năng truyền nhiệt và truyền khối của các

Nhiệt độ tới hạn (K) Áp suất tới hạn (bar)

Thể tích riêng VC/cm 3 mol -1

Ammoniac 406 114 118,0 chất Với những đặc tính nổi bật trên, dung môi siêu tới hạn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và CO 2 siêu tới hạn là một trong những dung môi như vậy

Trong tất các chất khí và lỏng được nghiên cứu, CO 2 được ứng dụng rộng rãi nhất trong trích ly siêu tới hạn bởi giá trị tới hạn thấp (T c = 304,15K; P c = 73,83 bar), không độc hại, không bắt lửa, dễ tìm và giá thành thấp CO2 siêu tới hạn còn thích hợp trích ly các thành phần không phân cực như hydrocacbon, trong khi moment lưỡng cực của nó có thể hòa tan một số thành phần phân cực trung bình như rượu, ester, aldehyde và ketone Một số đặc điểm của CO2 được liệt kê trong bảng 2.4, 2.5 và giản đồ pha của CO 2 ở hình 2.12

Bảng 2.4: Một số đặc điểm của CO 2 [25]

Công thức hóa học CO 2 (cấu trúc phân tử O=C=O)

Khối lượng phân tử MCO2 = 44,011 kg/kmol

Thể tích ở điều kiện chuẩn Vmn = 22,263 m 3 /kmol

Hằng số khí R CO 2= 0,1889 kJ/(kg.K)

Khối lượng riêng khí ở 273,15K và 1,013bar ρn = 1,977 kg/m 3

Nhiệt độ tới hạn Tc = 304,15K Áp suất tới hạn P c s,83 bar

Khồi lượng riêng tới hạn ρ c = 466 kg/m 3 Nhiệt độ thăng hoa Ts = 194,25 K; Ps = 0,981 bar Điểm ba T T = 216,55 K; P T = 5,18 bar

Hình 2.12: Giản đồ pha của CO 2

Bảng 2.5: Khối lượng riêng CO 2 ở các giá trị nhiệt độ và áp suất khác nhau (kg/m 3 ) [25]

2.3.2 Trích ly bằng dung môi siêu tới hạn:

Một quá trình trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn bao gồm giai đoạn: hòa tan thành phần chất trích vào dung môi siêu tới hạn và tách dung môi ra khỏi chất trích

Quá trình này có thể áp dụng cho một chất rắn, lỏng, hay nguyên liệu có độ nhớt

Thứ nhất, giai đoạn phân tách nguyên liệu Ví dụ như loại cồn trong các thức uống có cồn, loại mùi, hay quá trình tách caffeine ra khỏi cà phê

Quá trình tiếp theo là tách dung môi ra khỏi chất trích Các thành phần có giá trị trong nguyên liệu, tạo thành sản phẩm cuối cùng, chẳng hạn như tinh dầu hoặc chất chống oxy hóa, sẽ được thu hồi ở giai đoạn này.

Sự phân tách các thành phần chất trích từ chất lỏng siêu tới hạn có thể được thực hiện bằng cách hiệu chỉnh đặc điểm nhiệt động lực học của dung môi siêu tới hạn hoặc bằng tác nhân bên trong như hình 2.13

Hình 2.13: Sơ đồ tách chất bằng cách điều chỉnh đặc điểm nhiệt động lực học

(nhóm I) và dùng tác nhân tách ly (nhóm II) [24]

Trong trường hợp đầu, hỗn hợp sau khi trích ly được điều khiển bằng cách hiệu chỉnh nhiệt độ và áp suất hoạt động Trường hợp tiếp theo, quá trình phân tách được thực hiện bằng chất hấp phụ hoặc hấp thụ Phương pháp giảm áp suất hoạt động được sử dụng phổ biến hơn bằng cách cho giãn nở đẳng enthalpy Nếu quá trình phân tách xảy ra bằng cách điều chỉnh nhiệt độ, có hai trường hợp có thể xảy ra, phụ thuộc vào độ tan của thành phần trích ly Nếu độ tan tỷ lệ với nhiệt độ ở một áp suất không đổi thì việc giảm nhiệt độ sẽ làm giảm độ tan và quá trình tách chất tan xảy ra trong dung môi siêu tới hạn Ngược lại, nếu chất tan tỷ lệ nghịch với nhiệt độ ở áp suất không đổi, thì tăng nhiệt độ cũng sẽ tách chất tan ra khỏi dung môi siêu tới hạn Nếu việc phân tách thực hiện bằng một tác nhân hỗ trợ, chất hấp phụ chẳng hạn, thì sự thay đổi áp suất không ảnh hưởng Phương pháp này có chi phí thấp tuy nhiên việc lấy chất trích ra khỏi chất hấp phụ không dễ và gây tổn thất chất trích Để khắc phục hiện tượng này, người ta thường thay chất hấp phụ bằng một chất hấp thụ Chất trích hòa tan trong dung môi siêu tới hạn sẽ được hấp thụ vào một chất lỏng Quá trình phân tách chất tan bằng hấp phụ hay hấp thụ được ứng dụng tách caffeine từ cà phê

Chất lỏng siêu tới hạn có khả năng điều chỉnh độ chọn lọc bằng cách thay đổi áp suất và nhiệt độ, ảnh hưởng đến khối lượng riêng Nhờ tính linh hoạt này, chất lỏng siêu tới hạn được ứng dụng rộng rãi trong trích ly có chọn lọc và phân tách các thành phần cụ thể trong hỗn hợp.

LIỆU - THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT

Nguyên liệu: màng hạt gấc được cung cấp bởi công ty DOMESCO – Đồng Tháp là dạng màng đã được sấy khô, nghiền nhỏ, rây qua lưới 0,5 và 5 mm và được bảo quản trong túi nhôm, tránh ánh sáng và bảo quản lạnh

Bảng 3.1: Các loại hóa chất sử dụng trong nghiên cứu

Hóa chất Nguồn gốc Độ tinh khiết (%) Mục đích sử dụng

(Pháp) 99,9 Dùng làm đồng dung môi trong trích ly bằng CO2 siêu tới hạn

Dùng đề trích ly β-carotene, lycopene bằng phương pháp ngâm dầm, Soxhlet

Dùng tráng bình đựng mẫu trong máy trích ly để thu triệt để lượng mẫu được trích ra, định mức, pha loãng dung dịch sau trích ly

(Đức) 100 Dùng trong pha động của phân tích

5 Tetrahydro furan (THF) Mỹ 99,8 Dùng trong pha động của phân kích

Bổ sung vào dịch sau trích ly để hạn chế sự biến đổi của β-carotene, lycopene

7 CO 2 Việt Nam 95 Dùng làm dung môi siêu tới hạn để trích ly β-carotene và lycopene.

THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

Hình 3.1 Thiết bị trích ly siêu tới hạn THAR SFC - Hãng sản xuất: Thar – Mỹ

- Hệ thống trích ly siêu tới hạn tự động sử dụng cho nghiên cứu cũng như sản xuất dưới dạng Pilot

- Áp suất làm việc: 50 đến dưới 350 bar

- Phạm vi nhiệt độ: môi trường đến dưới 90 o C

- Tốc độ dòng CO 2 : dưới 25 g/phút

- Loại dung môi: CO 2 và các dung môi hữu cơ

Thiết bị trích ly THAR SFC 100, xuất xứ Hoa Kỳ, được sử dụng trong thí nghiệm này, bao gồm các bộ phận chính:

1 Bình hình trụ chứa dung môi CO 2

2 Bình chứa dung môi hỗ trợ 3 Bình trích ly

4 Bộ điều chỉnh áp suất tự động

5 Bộ phận thu hồi sản phẩm

6 Bộ trộn dung môi 7 Thiết bị trao đổi nhiệt 8 Thiết bị làm lạnh 9 Bơm CO 2

10 Bơm dung môi hỗ trợ 11 Màn hình điều khiển

Hình 3.2 Sơ đồ thiết bị trích ly siêu tới hạn Quá trình trích trong thiết bị trích ly siêu tới hạn là một quá trình trong đó dung môi từ bình chứa qua nhiều bộ phận khác nhau để đạt đến điều kiện hoạt động đã chọn nhằm trích các thành phần từ nguyên liệu Đầu tiên, CO 2 lỏng từ bình chứa được làm lạnh bằng dung môi ethylene glycol (C 2 H 6 O 2 ) từ bộ phận làm lạnh để duy trì trạng thái lỏng trước khi vào bơm cao áp Bơm này cũng được làm lạnh để đảm bảo nén CO 2 đến áp suất làm việc đã được cài đặt Bên cạnh, dung môi hỗ trợ cũng được bơm vào dung môi chính thông qua bộ trộn bằng một bơm cao áp khác Sau đó, hỗn hợp dung môi được gia nhiệt đến nhiệt độ trích cũng được cài đặt trên màn hình điều khiển trước khi đi vào bình trích ly đã nạp nguyên liệu Bình trích ly là một bình bằng thép không gỉ chịu áp suất cao Nguyên liệu được bố trí giữa hai lớp hạt thủy tinh phía dưới đáy và trên đỉnh bình, hai lớp này có độ cao xác định nhằm đảm bảo tính chính xác của thí nghiệm và phân tán dòng dung môi tốt hơn Áp suất trong bình trích ly được điều khiển bởi bộ phận giảm áp suất tự động có tác dụng giữ áp suất luôn không đổi trong suốt quá trình Sau khi đi qua bộ phận giảm áp suất, dung môi chuyển sang trạng thái khí thoát ra ngoài và mẫu được thu hồi ở bình thu mẫu

3.2.2 Thiết bị cô quay chân không:

Hình 3.3 Thiết bị cô quay chân không Buchi R-210 Thiết bị cô quay chân không sử dụng trong thí nghiệm này là thiết bị Buchi R- 210 (Đức) có kích thước (dài x cao x rộng) 550 x 575 x 415 mm, khối lượng 16 – 18 kg (không tính thiết bị làm lạnh) Số vòng quay của máy từ 50 đến 28 vòng trên phút cho phép cô quay bình chứa mẫu có thể tích 50 đến 4000 ml

Hình 3.4 Cấu tạo thiết bị cô quay chân không

1, 2, 3, 4, 5, 6 - Bộ phận ngưng tụ 11 - Đệm chân không

7 - Rãnh nước ngưng tụ 12 - Vòng ren

8 - Ống nhập liệu/xả chân không 13 - Kẹp nối bình ngưng tụ với thiết bị 9, 10 - Cổ nối bình chứa mẫu 14 - Kẹp nối bình bốc hơi vói thiết bị

Thiết bị cô quay chân không là thiết bị loại bỏ dung môi khỏi mẫu trước khi phân tích HPLC Nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng áp suất giảm dẫn đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp cũng giảm Điều này giúp giảm tác động nhiệt lên các đặc tính sinh học của mẫu chiết xuất Khi hỗn hợp đạt nhiệt độ sôi, dung môi bay hơi được ngưng tụ lại nhờ nước làm mát và chứa trong bình chứa dung môi Trong khi đó, chất cần chiết xuất được giữ lại trong bình cô quay.

3.2.3 Thiết bị phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC):

Hình 3.5 Thiết bị phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao Máy HPLC được chạy dưới các chế độ sau:

- Thể tích mẫu tiêm là 5 μl

- Lưu lượng dòng rửa giải là: 1 ml/phút

- Đầu dò: hấp thu ở bước sóng 450 nm và 472 nm

Máy HPLC dùng để phát hiện và đo nồng độ β-carotene và lycopene trong dung dịch trích ly bằng các peak thu được

Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) là kỹ thuật phân tích vượt trội so với các phương pháp sắc ký truyền thống, mang lại độ chính xác, hiệu quả và độ nhạy cao HPLC cho phép phân tích chất có thời gian lưu ngắn hơn đáng kể.

Hệ thống sắc ký lỏng Hp Agilent 1200 series bao gồm các module sau:

1 Hệ thống pha đảo 2 Bơm cao áp 3 Thiết bị bơm mẫu 4 Lọc

5 Cột tách 6 Đầu dò được nối với màn hình điều khiển Trong đú, Cột: cột pha đảo C18 cú đường kớnh lỗ lọc 10 àm, đường kớnh trong 4,6mm, đường kính ngoài 150mm C18 là cột silica, được đính lớp carbon C 18 H 37 tạo pha tĩnh không phân cực

Hình 3.7 Cột dùng cho HPLC Đầu dò: DAD (Diode Array Detector) cho phép nhận được các tín hiệu chính xác qua việc xác định thời gian dừng

Chương trình sử dụng: Chemstation.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Dựa vào một số nghiên cứu về quá trình trích ly β-carotene và lycopene trong các loại trái cây, rau quả bằng dung môi CO 2 siêu tới hạn và điều kiện cho phép của thiết bị, chúng tôi chọn khoảng khảo sát của các thông số như sau: nhiệt độ 40, 60, 80 o C, áp suất 200, 250, 300 bar, lưu lượng dòng CO2 10, 15, 20g/phút trong thời gian 3 giờ.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành phân tích thành phần hóa học trong nguyên liệu bột gấc, sau đó khảo sát ảnh hưởng của đồng dung môi và thời gian trích ly thích hợp Từ đó cố định các thông số, đồng dung môi, thời gian và tiến hành tối ưu hóa hiệu suất thu hồi β-carotene, lycopene, tổng β-carotene và lycopene theo nhiệt độ, áp suất và lưu lượng dòng CO 2

Tiếp theo, các thông số tối ưu trong nghiên cứu này được ứng dụng để tìm điều kiện sản xuất trên quy mô công nghiệp

Phân tích thành phần hóa học trong nguyên liệu bột Gấc

Khảo sát ảnh hưởng của đồng dung môi đến hiệu suất trích ly β-carotene và lycopene

Thiết lập phương trình hồi quy thực nghiệm mô tả mối quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng CO2 và hiệu suất chiết tách β-carotene, lycopene Từ đó, xác định điều kiện tối ưu để tối đa hóa hiệu suất chiết tách các hợp chất này.

Thực nghiệm trên quy mô công nghiệp, so sánh với hiệu suất phòng thí nghiệm

3.3.3 Quy trình trích ly β-carotene, lycopene:

Hình 3.8 Quy trình thu nhận chế phẩm β-carotene và lycopene

 Giải thích quy trình: a - Trích ly theo phương pháp ngâm:

- Mục tiêu: trích kiệt để biết hàm lượng β-carotene và lycopene có trong bột gấc

+ Chuẩn bị 3 bình cầu đáy phẳng được quấn giấy bạc, mỗi bình chứa 50 ml n-hexane

+ Cân 3 mẫu bột gấc, mỗi mẫu 20 g

+ Ngâm bột gấc trong bình cầu chứa n-hexane

+ Bịt kín 3 bình bằng nút cao su

+ Sau mỗi 24 giờ, thay 50 ml n-hexane mới vào bình cầu, dịch sau trích ly được bảo quản trong tủ lạnh

+ Đến khi dịch trích ly trong suốt thì dừng lại

+ Dung dịch sau trích ly được cô quay chân không ở nhiệt độ 40 – 45 o C nhằm loại bỏ n-hexane thu sản phẩm dạng dầu

Trích ly bằng ngâm lâu Trích ly bằng dung môi siêu tới hạn

Chế phẩm Loại dung môi

+ Tinh dầu sau cô quay được định mức 25 ml bằng chlorofom có thêm BHT để hạn chế sự biến đổi của β-carotene và lycopene

+ Pha loãng dung dịch này 5 lần rồi lọc bằng màng lọc 0,45 mm

+ Phân tích mẫu thu được bằng phương pháp HPLC xác định hàm lượng β-carotene và lycopene có trong bột gấc

Hình 3.9 Mẫu trích ly theo phương pháp ngâm lâu b - Trích ly bằng dung môi siêu tới hạn:

- Sử dụng 20 g mẫu bột gấc/1 lần chạy

- Mục tiêu: khảo sát ảnh hưởng của đồng dung môi lên hiệu suất trích ly β-carotene và lycopene Thực hiện các thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm với các thông số: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng CO 2 Từ đó tối ưu hóa điều kiện trích ly để hiệu suất thu hồi β-carotene, lycopene cao nhất

Khảo sát ảnh hưởng của dung môi:

- Tiến hành khảo sát ở điều kiện: không sử dụng đồng dung môi và sử dụng 5% ethanol trong 3 giờ

- Chuẩn bị thí nghiệm: cân 2 mẫu bột gấc, mỗi mẫu 20 g và được ngâm trong 5ml dung môi n-hexane 1 ngày

 Mẫu 1: trích ly β-carotene sử dụng dung môi CO2 siêu tới hạn không sử dụng dung môi hỗ trợ

+ Cho 20 g bột gấc vào bình phản ứng, có thêm lớp bi thủy tinh nhằm phân bố đều dòng dung môi

+ Cài đặt điều kiện trích ly cho máy: Áp suất: p = 300 bar

Lưu lượng dòng CO2: Q = 20 g/phút

Thời gian trích ly: t = 3 giờ

+ Sau khi quá trình trích ly kết thúc, rửa bình chứa sản phẩm bằng dung môi chlorofom, rồi lấy sản phẩm vào becher được gói giấy bạc

+ Cô quay chân không dịch trích thu được sản phẩm dạng tinh dầu

+ Định mức 25 ml tinh dầu thu được bằng dung môi chlorofom có thêm BHT

+ Pha loãng dung dịch 5 lần, lọc dung dịch qua màng lọc 0,45 mm + Phân tích mẫu bằng phương pháp HPLC

 Mẫu 2: trích ly β-carotene sử dụng dung môi CO2 siêu tới hạn sử dụng 5%

Ethanol làm dung môi hỗ trợ

+ Cho 20 g bột gấc vào bình phản ứng, có thêm lớp bi thủy tinh nhằm phân bố đều dòng dung môi

+ Cài đặt điều kiện trích ly cho máy: Áp suất: p = 300 bar

Lưu lượng dòng CO 2 : Q = 20 g/phút

Thời gian trích ly: t = 3 giờ

Dung môi hỗ trợ: 5% ethanol

+ Sau khi quá trình trích ly kết thúc, rửa bình chứa sản phẩm bằng dung môi chlorofom, rồi lấy sản phẩm vào becher được gói giấy bạc

+ Cô quay chân không dịch trích thu được sản phẩm dạng tinh dầu

+ Định mức 25 ml tinh dầu thu được bằng dung môi chlorofom có thêm BHT

+ Pha loãng dung dịch 5 lần, lọc dung dịch qua màng lọc 0,45 mm

+ Phân tích mẫu bằng phương pháp HPLC

Thực nghiệm các thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm:

- Tiến hành khảo sát ở điều kiện: sử dụng 5% ethanol trong 3 giờ

 Lưu lượng dòng CO 2 : 10, 15, 20 g/phút

- Chuẩn bị thí nghiệm: cân mẫu bột gấc, mỗi mẫu 20 g và được ngâm trong dung môi n-hexane 1 ngày

- Tiến hành thí nghiệm: tương tự giống thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của đồng dung môi, đem các mẫu trích được đi phân tích HPLC

3.3.4 Quy hoạch thí nghiệm 3.3.4.1 Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm [4]

 Khái niệm quy hoạch thực nghiệm

Quy hoạch thực nghiệm (QHTN) là cơ sở phương pháp luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện đại Đó 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 nền tảng 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 hiểu 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 tiên nghiệm dù chỉ là sự liệt kê sơ lược 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)

- Các biến kiểm tra được nhưng không điề khiển được (thường là các biến ngẫu nhiên, có tính hệ thống nào đó)

Ký hiệu dạng vector: Z = [z1,z2,…,zn]

Các biến ngẫu nhiên không thể kiểm soát và không điều khiển được thường được gọi là biến nhiễu Những biến này gây nhiễu cho kết quả nghiên cứu và làm khó đo lường mối quan hệ thực sự giữa các biến độc lập và phụ thuộc Ngoài ra, ngay cả chỉ tiêu đầu ra sử dụng để đánh giá đối tượng nghiên cứu cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các biến nhiễu này, khiến việc giải thích kết quả trở nên phức tạp hơn.

3.3.4.2 Quy hoạch thực nghiệm đa mục tiêu

Bài toán quy hoạch đa mục tiêu thường xuất hiện trong thực tế khi cần nghiên cứu mối quan hệ của nhiều biến đầu vào đối với nhiều biến đầu ra Sau khi tìm được các mô hình biểu thị mối quan hệ này, mục tiêu là tìm kiếm một phương án trong miền ràng buộc cho trước để đạt được giá trị cực trị của nhiều mục tiêu đồng thời.

Bài toán cực trị nêu trên có thể phát biểu như sau:

… y m = f 3 (x 1 , x 2 , …, x k ) Hãy tìm điểm ∗ , ∗ , … , ∗ sao cho Đó là bài toán quy hoạch đa mục tiêu

Trong thực tế khó có một điểm ∗ , ∗ , … , ∗ làm cực đại m - mục tiêu cùng một lúc như vậy Do đó, điểm ∗ , ∗ , … , ∗ 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 ,…, y m để nhận được bảng sau

Bảng 3.2: Bảng quy hoạch thí nghiệm Đối với mỗi biến y 1 , y 2 , …, y m , 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 các mô hình thì chỉ việc sử dụng các phương pháp quy hoạch đa mục tiêu để tìm cực trị

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

3.3.4.3 Thực nghiệm yếu tố toàn phần

Những thực nghiệm mà mọi tổ hợp của các yếu tố đều được thực hiện để nghiên cứu gọi là thực nghiệm yếu tố toàn phần (TYT)

Nếu có k yếu tố và mỗi yếu tố có n mức thì số thí nghiệm phải thực hiện là: N

= n k Nếu các thí nghiệm chỉ thực hiện ở hai mức thì N = 2 k Hai mức thường là hai giá trị biên của mỗi yếu tố đưuọc khảo sát

Nếu các điểm chọn làm thí nghiệm có một tâm đối xứng ta có phương án cấu trúc có tâm (hính chữ nhật, hình vuông, hình hộp đứng…)

Xét yếu tố được ký hiệu Zj, ta có:

Trong đó: là mức cao (mức trên)

Là mức thấp (mức dưới) Là mức cơ sở Điểm có tọa độ ( , , … , ) được gọi là tâm phương án

∆ = ; j = 1:k à khoảng biến thiên của yếu tố Zj tính từ mức cơ sở Để việc tịnh toán đươc thực hiện thuận lợi, người ta chuyển từ hệ trục tự nhiên Z1, …, Zk sang hệ trục không thứ nguyên (hệ mã hóa) Việc mã hóa thực hiện được dễ dàng nhờ chọn tâm của miền dược nghiên cứu làm gốc hệ trục tọa độ

Trong hệ trục không thứ nguyên ta có mức trên là 1, mức dưới là -1 Tọa độ của tâm phương án bằn không, trùng với gốc hệ trục tọa độ

3.3.4.4 Thiết lập thí nghiệm và phương pháp tính toán [5]

Trong nghiên cứu này, phương pháp quy hoạch thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của 3 yếu tố nhiệt độ (Z 1 ), áp suất (Z 2 ), lượng dung môi (Z 3 ) cũng như tác động qua lại giữa chúng lên hiệu suất trích ly β-carotene (y1) và lycopene (y2)

Các thí nghiệm chỉ thực hiện ở 2 mức với 3 yếu tố nên số thí nghiệm:

N = 2 3 = 8 Các biến độc lập: Z1: nhiệt độ ( o C)

Z 2 : áp suất (bar) Z 3 : lưu lượng dung môi (g/ph) Phương án tiến hành thí nghiệm được viết dưới dạng bảng:

Các yếu tố theo tỷ lệ xích tự nhiên Các yếu tố trong hệ mã hóa

Sau đó tiến hành 3 thí nghiệm tại tâm phương án: (60 o C; 250 bar; 15 g/ph)

Chọn phương án quy hoạch trực giao cấp 1, thực nghiệm yếu tố toàn phần 2 mức, 3 yếu tố ảnh hưởng

 Phương trình hồi quy có dạng:

Y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123 x1x2x3 (3.1) trong đó: b 0 : Hệ số hồi quy b 1 , b 2 , b 3 : Hệ số tuyến tính b12, b23, b13: Hệ số tương tác đôi b 123 : Hệ số tương tác ba

Mỗi hệ số b đặc trưng cho ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình trích

Các hệ số b1 ,b2 ,b3 ,…, b123 được tính theo số liệu thực nghiệm ta được mô hình toán học cho hàm mục tiêu hiệu suất thu hồi β-carotene và lycopene

 Công thức tính hệ số b:

Với: i  j  k = (1, 2, 3 … k) u = (1, 2, 3 … k) K là số yếu tố ảnh hưởng N là số thí nghiệm

 Các hệ số b được kiểm định theo tiêu chuẩn Student (t) Để kiểm tra ý nghĩa của các hệ số b trong phương trình hồi qui cần tính:

- Phương sai tái hiện Chọn phương án thí nghiệm tại tâm, phương sai tái hiện được xác định:

Trong đó: là giá trị đo được ở lần lặp thứ i

(3.4) là giá trị trung bình của m lần đo m: số lần lặp

- Sai số chuẩn của hệ số b j : √ (3.5)

Với N là số thí nghiệm ứng với mỗi phương án

- Tính ý nghĩa của hệ số b được kiểm định theo tiêu chuẩn Student (t) được xác định như sau: Với b j là hệ số thứ j trong phương trình hồi quy (3.1)

- tp(f) là chuẩn student tra bảng ứng với xác suất tin cậy p và bậc tự do f, với f = n 0 – 1

+ Nếu tj > tp(f) thì hệ số bj có nghĩa

+ Nếu t j < t p (f) thì hệ số b j bị loại khỏi phương trình

 Sự tương thích của phương trình hồi quy so với thực nghiệm được kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher

- Tính F tn theo công thức: Trong đó: S tt là phương sai tương thích

Sth là phương sai tái hiện

- Phương sai tương thích được xác định: = ∑( )

Trong đó: Ytn: là giá trị hiệu suất thực nghiệm

Y pt : giá trị hiệu suất tính theo phương trình

N : số thí nghiệm trong phương án

L : số hệ số b có nghĩa

- Phương sai tái hiện được xác định theo công thức (3.4)

- Fb tra bảng Fb(P, f1,f2) + P là mức ý nghĩa đã chọn đã chọn

+ f1 là bậc tự do của phương sai tương thích f 1 = N – L (N là số thí nghiệm, L là số hệ số b có nghĩa) + f 2 là bậc tự do của phương sai tái hiện f 2 = m – 1 (m là số thí nghiệm tại tâm) - Tiêu chuẩn kiểm định (so sánh F tn và F b )

+ Nếu Ftn < Fb thì phương trình hồi quy vừa lập phù hợp với thực nghiệm và được dùng để đi tìm kiếm tối ưu

+ Nếu F tn > F b thì phương trình hồi quy vừa lập không phù hợp với thực nghiệm và chọn mô tả toán học (phương trình hồi quy) ở mức cao hơn

3.3.5 Phương pháp tính toán 3.3.5.1 Tính toán kết quả phân tích HPLC

Hàm lượng β-carotene (hay lycopene) trích được từ nguyên liệu: ct 1000

+ mct (mg): hàm lượng β-carotene (hay lycopene) trích được

+ C (ppm): nồng độ β-carotene (hay lycopene) trong mẫu đo bằng HPLC

+ f: hệ số pha loãng dung dịch

+ V (ml): thể tích mẫu phân tích

Hiệu suất trích ly được tính bằng tỉ số giữa hàm lượng β-carotene (hay lycopene) trong sản phẩm trích được bằng phương pháp sử dụng CO 2 siêu tới hạn với lượng tổng β-carotene (hay lycopene) trong bột gấc (được trích kiệt bằng phương pháp ngâm dầm), theo công thức sau: ct 100% t

+ H (%): hiệu suất trích ly β-carotene (hay lycopene)

+ m ct (mg/g): hàm lượng β-carotene (hay lycopene) trích bằng phương pháp sử dụng CO 2 siêu tới hạn, được tính bằng mg β-carotene/g bột gấc (hay mg lycopene/g bột gấc)

+ M t (mg/g): hàm lượng β-carotene (hay lycopene) có trong bột gấc (trích ly bằng phương pháp ngâm dầm), được tính bằng mg β-carotene/g bột gấc (hay mg lycopene/g bột gấc)

3.3.5.3 Độ chọn lọc Độ chọn lọc của phương pháp là tỉ số giữa hàm lượng β-carotene (hay lycopene) trong sản phẩm trích được bằng phương pháp nào đó với hàm lượng tinh dầu thu được cũng bằng phương pháp đã sử dụng Trong báo cáo này, ta xét độ chọn lọc của phương pháp trích ly dùng CO 2 siêu tới hạn Độ chọn lọc được tính theo công thức sau: ct 100% td

+ D (%): độ chọn lọc của phương pháp

+ m ct (mg): hàm lượng β-carotene (hay lycopene) trích được sử dụng CO 2 siêu tới hạn

+ mtd (g): lượng tinh dầu trích được sau cô quay, sử dụng CO2 siêu tới hạn

3.3.5.4 Xác định độ ẩm của nguyên liệu

Theo tiêu chuẩn dược điển Việt Nam III, độ ẩm của nguyên liệu được xác định bằng phương pháp sấy trong tủ sấy ở áp suất thường

QUẢ VÀ BÀN LUẬN

THÀNH PHẦN HÓA HỌC TRONG BỘT GẤC

Sau khi thí nghiệm, kết quả xác định độ ẩm của nguyên liệu được cho ở bảng 4.1

Bảng 4.1: Kết quả xác định độ ẩm Mẫu a (g) b (g) Độ ẩm X (%)

Trung bình: 3,84 Độ ẩm nguyên liệu là 3,84 % thấp hơn độ ẩm quy định cho dược liệu khô có nguồn gốc tự nhiên

Tiến hành khảo sát phương pháp trích ly ngâm dầm, ta thu được hàm lượng β–carotene và lycopene trong bột gấc được quy lại theo hàm lượng chất khô lần lượt là 0,86 và 12,68 mg/g chất khô.

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỒNG DUNG MÔI ĐẾN HIỆU SUẤT TRÍCH LY

4.2.1 Bàn luận kết quả thí nghiệm thu được Đồng dung môi được sử dụng để tăng tính chọn lọc của quá trình trích ly bằng dung môi siêu tới hạn Đồng dung môi hầu hết là các chất lỏng có độ hòa tan cao hơn so với dung môi siêu tới hạn, được sử dụng để làm tăng khả năng hòa tan của dung môi siêu tới hạn, thêm vào đó được sử dụng để điều chỉnh tỷ trọng của dung môi trích ly Các đồng dung môi thường sử dụng là hexan, benzene, iso-propanol, methanol, ethanol, acetone và nước Trong đó, ethanol là đồng dung môi được sử dụng phổ biến nhất trong thực phẩm bởi vì nó không độc và được xác nhận là an toàn trong thực phẩm [8]

Theo như các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của đồng dung môi lên hiệu suất trích ly β-carotene và lycopene trước đây, các thông số được cố định ở nhiệt độ

80 0 C, áp suất 300 bar, lưu lượng dòng CO 2 20 g/phút, trích ly trong thời gian 3 giờ và tiến hành ở các điều kiện sau:

- Trích ly không bổ sung đồng dung môi ethanol

- Trích ly bổ sung 5% ethanol

Sau các thí nghiệm khảo sát, ta thu được bảng 4.2

Bảng 4.2: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của đồng dung môi đến hiệu suất trích ly

Mẫu Hàm lượng, mg/g Hiệu suất, % β-carotene Lycopene β-carotene Lycopene Trích ly siêu tới hạn không sử dụng đồng dung môi 0,759599 2,036751 87,99 16,07

Trích ly siêu tới hạn có sử dụng đồng dung môi 0,807621 4,076534 93,56 32,16

Hình 4.1: Biểu đồ so sánh hiệu suất trích ly trong thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của đồng dung môi

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng đồng dung môi làm tăng hiệu suất thu hồi lycopene và β-carotene so với quá trình không có đồng dung môi.

Không đồng dung môiDùng đồng dung môi

Kết quả này tương tự với nghiên cứu của Baysal và các cộng sự (2000) [33] khi nghiên cứu trích ly β-carotene và lycopene từ bã cà chua bằng dung môi CO 2 siêu tới hạn Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng 5% ethanol làm đồng dung môi Kết quả là hiệu suất thu hồi lycopene tăng từ 25% lên 55% khi sử dụng đồng dung môi, trong khi đó hiệu suất thu hồi β-carotene chỉ tăng từ 45% lên 50%

Do đó, phương pháp trích ly dùng đồng dung môi được chọn trong các thí nghiệm tiếp theo để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố và tiến hành tối ưu hiệu suất thu hồi β-carotene và lycopene

- Nguyên nhân: khi sử dụng đồng dung môi cho hiệu suất thu hồi β-carotene và lycopene cao hơn là do tương tác giữa đồng dung môi với β-carotene và lycopene thông qua liên kết hydro, tương tác acid – bazơ và tương tác lưỡng cực

Bên cạnh đó, đồng dung môi làm giảm áp suất và lượng dung môi cần thiết trong quá trình trích ly bằng dung môi siêu tới hạn Đồng dung môi ảnh hưởng đến quá trình trích ly theo nhiều cách khác nhau: bằng cách tăng độ bay hơi của chất tan, tăng tỷ trọng của dung môi siêu tới hạn, tăng độ phân tán của các cấu tử Đồng dung môi giúp tăng độ hòa tan của các cấu tử không bay hơi bằng các thay đổi điểm tới hạn của pha dung môi Một nguyên nhân khác là đồng dung môi có độ phân cực cao hơn so với CO 2 siêu tới hạn và hình thành lên một phức hợp nhận điện tử chẳng hạn liên kết hydro với các chất hòa tan phân cực, do đó làm tăng độ hòa tan và tính chọn lọc so với chỉ sử dụng dung môi siêu tới hạn [41]

4.2.2 Sắc ký đồ khảo sát ảnh hưởng của đồng dung môi

 Không dùng đồng dung môi

TỐI ƯU HÓA CÁC ĐIỀU KIỆN CỦA QUÁ TRÌNH TRÍCH LY β –CAROTENE VÀ LYCOPENE

Sau khi tiến hành các thí nghiệm theo các điều kiện khác nhau, ta có bảng kết quả sau:

Bảng 4.3: Kết quả hàm lượng β-carotene và lycopene thu được ở các điều kiện trích ly khác nhau

Lượng dầu gấc (g) dầu gấc/ nguyên liệu (%)

Hiệu suất thu hồi dầu gấc

(%) β-carotene Lycopene Hàm lượng (mg/g dầu)

 Nhận xét và bàn luận:

Theo bảng 4.3 cho thấy độ chọn lọc của β-carotene và lycopene tăng khi nhiệt độ tăng ở giá trị áp suất thấp nhưng với áp suất cao, việc tăng nhiệt độ lại làm giảm độ chọn lọc Hầu hết các trường hợp, độ chọn lọc cao khi nhiệt độ trích ly cao và áp suất thấp hoặc cao với áp suất cao và nhiệt độ thấp Với tốc độ dòng dung môi càng lớn thì độ chọn lọc càng cao

Nguyên nhân của kết quả này là do trong quá trình trích ly bằng dung môi siêu tới hạn thì độ tan của các chất phụ thuộc nhiều vào sự cân bằng giữa tỷ trọng lưu chất và áp suất hơi chất, và hai yếu tố này được điều khiển bằng nhiệt độ và áp suất của lưu chất Mặc khác, khi tăng nhiệt độ thì tỷ trọng của lưu chất giảm, nhưng áp suất hơi lại tăng Thêm vào đó, độ tan của các chất có thể tăng hoặc không thay đổi nhiều hoặc giảm theo sự tăng nhiệt độ ở áp suất không đổi, điều này phụ thuộc vào tỷ trọng lưu chất và áp suất hơi rất nhiều

Theo bảng 4.3 cho thấy hiệu suất thu hồi của β-carotene và lycopene chịu ảnh hưởng chủ yếu của áp suất và tốc độ dòng dung môi

Các thí nghiệm được tiến hành theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 1 có tâm 3 yếu tố, với hàm mục tiêu là hiệu suất trích ly β-carotene, lycopene

Phương trình hồi quy có dạng như sau:

Các thí nghiệm được thực hiện với thông số như sau:

- Nhiệt độ: X 1 thuộc [40; 80] và tâm X 01 = 60 o C

- Áp suất: X2 thuộc [200; 300] và tâm X02 = 250 bar

- Lưu lượng dòng CO 2 : X 3 thuộc [10; 20] và tâm X 03 = 15 g/phút

- Hiệu suất trích ly β-carotene: Y1 (%) = à ượ í đượ à ượ ó ộ ấ

- Hiệu suất trích ly lycopene: Y 2 (%) = à ượ í đượ à ượ ó ộ ấ

Bảng 4.4: Giá trị tâm và bước nhảy của các yếu tố thí nghiệm

Yếu tố Nhiệt độ ( o C) Áp suất (bar) Lưu lượng dòng CO2 (g/phút)

Bước nhảy 20 50 5 Để tìm phương trình hồi quy, 11 thí nghiệm được tiến hành gồm 3 thí nghiệm ở tâm và 8 thí nghiệm ở các giá trị biên

Sau khi tiến hành thí nghiệm kết quả thu được như sau:

Bảng 4.5: Ma trận hoạch định với biến mã hóa

4.3.1 Sắc ký đồ phân tích HPLC của các thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm Mẫu 1 - trích ly ở điều kiện: nhiệt độ 40 o C, áp suất 200 bar, lưu lượng dòng CO2 10g/phút

Mẫu 2 - trích ly ở điều kiện: nhiệt độ 60 o C, áp suất 200 bar, lưu lượng dòng CO 2 10g/phút

Mẫu 3 - trích ly ở điều kiện: nhiệt độ 40 o C, áp suất 300 bar, lưu lượng dòng CO2 10g/phút

Mẫu 4 - trích ly ở điều kiện: nhiệt độ 60 o C, áp suất 300 bar, lưu lượng dòng CO 2 10g/phút

Mẫu 5 - trích ly ở điều kiện: nhiệt độ 40 o C, áp suất 200 bar, lưu lượng dòng CO 2 20g/phút

Mẫu 6 - trích ly ở điều kiện: nhiệt độ 60 o C, áp suất 200 bar, lưu lượng dòng CO 2 20g/phút

Mẫu 7 - trích ly ở điều kiện: nhiệt độ 40 o C, áp suất 300 bar, lưu lượng dòng CO 2 20g/phút

Mẫu 8 - trích ly ở điều kiện: nhiệt độ 60 o C, áp suất 300 bar, lưu lượng dòng CO 2 20g/phút

Mẫu 9 - trích ly ở điều kiện: nhiệt độ 50 o C, áp suất 150 bar, lưu lượng dòng CO 2 15g/phút

Mẫu 10 - trích ly ở điều kiện: nhiệt độ 50 o C, áp suất 150 bar, lưu lượng dòng CO 2 15g/phút

Mẫu 11 - trích ly ở điều kiện: nhiệt độ 50 o C, áp suất 150 bar, lưu lượng dòng CO 2 15g/phút

4.3.2 Tối ưu hóa các điều kiện để hiệu suất trích ly β-carotene cao nhất

 Xây dựng phương trình hồi quy Sau khi giải bài toán quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp tính toán đã trình bày ở trên, kết quả thu được như bảng sau:

Hệ số Giá trị Tiêu chuẩn

Kiểm định ý nghĩa với t j > t 0,05 (2)=4,3 b0 81,75125 608.1084 Nhận b 1 -1,21125 4.018735 Loại b2 4,05875 30.22067 Nhận b 3 8,63125 64.26663 Nhận b12 3,39625 25.28782 Nhận b 13 -0,52625 3.91835 Loại b23 -1,42625 1.61958 Loại b 123 -1,03375 3.69710 Loại

Từ đó ta có phương trình hồi quy của hiệu suất thu hồi β-carotene:

Y 1 = 81,75 + 4,06X 2 + 8,63X 3 + 3,4X 1 X 2 Sự tương thích của Phương trình hồi quy với thực nghiệm được kiểm định theo tiêu chuẩn Fisher:

+ Theo công thức (3.6) tính được F tn = 17,2642 + Tra bảng F b (P,f 1 ,f 2 ) với P = 0,05, f 1 = 4, f 2 = 2 ta được F b = 19,3 Ta thấy Ftn < Fb thể hiện PTHQ tìm được tương thích với thực nghiệm

Nhiệt độ trong khoảng khảo sát không ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi β-carotene Áp suất và lưu lượng dòng CO2 ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi, trong đó lưu lượng dòng CO2 có ảnh hưởng lớn hơn Đây là kết quả tương đồng với các nghiên cứu trước đây về chiết xuất β-carotene bằng CO2 siêu tới hạn.

Hình 4.2: Ảnh hưởng của áp suất và lưu lượng dòng CO 2 lên hiệu suất thu hồi β–carotene tại các nhiệt độ: a) t= 40 o C b) t` o C c) t o C

Theo hình 4.2 ta thấy khi tăng áp suất và lưu lượng dòng CO 2 thì hiệu suất thu hồi β–carotene tăng, và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ trích ly

Nguyên nhân là do ở điều kiện nhiệt độ không đổi, khi tăng áp suất thì tỷ trọng của dung môi CO 2 tăng và ở tỷ trọng cao hơn thì sự tương tác phân tử giữa CO 2 và β-carotene được tăng cao, kết quả là β-carotene hòa tan nhiều hơn [40] Đồng thời, khi tăng tốc độ dòng CO2 thì độ dày của lớp màng bao phủ xung quanh phân tử rắn giảm và làm giảm sự cản trở quá trình truyền vật chất xung quanh phân tử rắn, vì vậy hiệu suất trích ly tăng [40] Áp suất Lưu lượng CO2 Áp suất Áp suấtLưu lượng CO2

 Tối ưu hoá hiệu suất thu hồi β-carotene Sau khi tối ưu hóa hàm 3 biến bằng phần mềm DX7 thì hiệu suất thu hồi β-carotene cao nhất trong khoảng khảo sát đạt được như sau:

Như vậy, hiệu suất thu hồi β-carotene đạt cao nhất trong khoảng khảo sát là 94,676% tại những giá trị sau:

 Lưu lượng dòng CO2: 20 g/phút

4.3.3 Tối ưu hóa các điều kiện để hiệu suất trích ly lycotene cao nhất

 Xây dựng phương trình hồi quy Sau khi giải bài toán quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp tính toán đã trình bày ở trên, kết quả thu được như bảng sau:

Hệ số Giá trị Tiêu chuẩn

Kiểm định ý nghĩa với t j > t 0,05 (2)=4,3 b 0 21,0625 196,1428 Nhận b1 -0,13375 1,242954 Loại b 2 2,81625 26,17174 Nhận b3 3,98875 37,06792 Nhận b 12 1,52625 14,18361 Nhận b13 1,11375 10,35021 Nhận b 23 1,60375 14,90383 Nhận b123 0,13875 -1,28941 Loại

Từ đó ta có phương trình hồi quy của hiệu suất thu hồi lycopene:

Y 2 = 21,06 + 2,81X 2 + 3,99X 3 + 1,53X 1 X 2 + 1,11X 1 X 3 + 1,6X 2 X 3 Sự tương thích của Phương trình hồi quy với thực nghiệm được kiểm định theo tiêu chuẩn Fisher:

+ Theo công thức (3.6) tính được Ftn= 1,6697 + Tra bảng F b (P,f 1 ,f 2 ) với P = 0,05, f 1 = 6, f 2 = 2 ta được F b = 19 Ta thấy F tn < F b thể hiện PTHQ tìm được tương thích với thực nghiệm

Trong phương trình hồi quy, ta thấy cả 3 yếu tố nhiệt độ, áp suất và lưu lượng dòng CO 2 đều ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất thu hồi lycopene a) b) c)

Hình 4.3: Ảnh hưởng của áp suất và lưu lượng dòng CO 2 lên hiệu suất thu hồi lycopene tại các nhiệt độ: b) t= 40 o C b) t` o C c) t o C

Các hình trên cho thấy khi nhiệt độ và áp suất tăng thì hiệu suất thu hồi lycopene tăng Nguyên nhân khi tăng áp suất làm tăng tỷ trọng của CO 2 siêu tới hạn nên làm tăng hiệu suất trích ly

Thông thường ở điều kiện đẳng áp, khi tăng nhiệt độ thì tỷ trọng của CO2 siêu tới hạn giảm, do đó làm giảm độ hoà tan của lycopene Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ cũng làm tăng độ bay hơi của chất tan, kết quả là làm tăng độ hoà tan của Lưu lượng CO2 Áp suất Áp suất Áp suấtLưu lượng CO2 lycopene Và ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly lên độ bay hơn lớn hơn so với ảnh hưởng của nhiệt độ lên tỷ trọng của CO 2 siêu tới hạn [40] Ngoài ra, ở áp suất thấp, tỷ trọng của CO2 siêu tới hạn giảm khi nhiệt độ tăng nhưng với áp suất cao thì tỷ trọng của CO 2 siêu tới hạn giảm ít hơn Điều này giải thích tại sao khi tăng nhiệt độ thì khả năng hòa tan của lycopene tăng, vì vậy khả năng trích ly lycopene tăng [33]

Ngoài ra, nhiệt độ tăng góp phần phân hủy thành tế bào và làm tăng hiệu suất trích ly Trong khi đó, nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi lycopene nhiều hơn so với hiệu suất thu hồi β-carotene.

Hiệu suất thu hồi lycopene cũng tăng khi tăng lưu lượng dòng CO2 Nguyên nhân như đã giải thích ở phần hiệu suất thu hồi β-carotene, khi tăng tốc độ dòng sẽ làm giảm sự cản trở của quá trình truyền chất, do đó cũng làm tăng hiệu suất thu hồi lycopene

Kusumoto và cộng sự (2007) trích ly lycopene từ vỏ cà chua bằng CO 2 siêu tới hạn cũng cho thấy rằng khi tăng hàm lượng CO2 sử dụng trên 1 gam mẫu làm tăng hiệu suất trích ly lycopene [35]

ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH TRÊN QUY MÔ CÔNG NGHIỆP

4.4.1 Xác định điều kiện vận hành trên quy mô công nghiệp Từ điều kiện tối ưu trong khoảng khảo sát ở quy mô phòng thí nghiệm, các thông số phù hợp cho sản xuất thực tế trên quy mô công nghiệp được chọn như sau:

Nhiệt độ khảo sát 60 o C, thời gian 5 giờ, không sử dụng đồng dung môi ethanol

Theo nghiên cứu, áp suất tăng trong khoảng khảo sát từ 200 bar đến 300 bar làm tăng hiệu suất trích ly β-carotene và lycopene Thiết bị ở quy mô công nghiệp của công ty Domesco có áp suất tối đa là 250 bar, do đó chúng tôi chọn điều kiện áp suất 250 bar để sản xuất

4.4.2 Kết quả hiệu suất thu hồi β-carotene, lycopene trên quy mô công nghiệp

Thực nghiệm ở quy mô công nghiệp với điều kiện:

+ Thời gian: 5 giờ + Không dùng đồng dung môi ethanol + Áp suất: 250 bar

+ Nhiệt độ: 60 o C + Lưu lượng dung môi sử dụng theo tỉ lệ thể tích với quy mô PTN Các thí nghiệm ở quy mô công nghiệp được tiến hành theo điều kiện trên, mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần, lấy giá trị trung bình Kết quả thu được hiệu suất thu hồi β-carotene là 63,15%, lycopene là 17,86%

Sau 5 giờ trích ly, kết quả thu được là 1060g dầu, chiếm khoảng 0,15g/g nguyên liệu so với thực nghiệm trên PTN là 0,22 g/g nguyên liệu Hàm lượng β-carotene của sản phẩm đạt 1800àg/g, cao hơn tiờu chuẩn quy định của DĐVN IV (>1000àg/g) Do cỏc nguyờn nhõn như điều kiện ỏp suất, nhiệt độ trớch ly thấp hơn; không sử dụng đồng dung môi ethanol, khả năng khuếch tán trong bình có dung tích lớn ít đồng đều hơn dẫn đến kết quả cho thấy khả năng trích ly của quy mô công nghiệp không cao như quy mô PTN Bên cạnh đó, hiệu suất thu hồi dầu thấp hơn là do lượng dầu thất thoát dính trên đường ống nhiều trong quá trình thu mẫu trên quy mô lớn Thông thường đối với quy mô công nghiệp, thời gian trích ly cần được kéo dài hơn so với quy mô PTN Mặc dù kết quả đạt được hiệu suất không cao như thực nghiệm trên PTN nhưng dầu gấc được trích ly thực nghiệm trên quy mô công nghiệp đạt chất lượng cao hơn tiêu chuẩn và có độ tinh sạch cao Điều nay sẽ mở ra một hướng đi mới cho việc áp dụng kỹ thuật trích ly siêu tới hạn trong chiết xuất β-carotene và lycopene để ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm, thực phẩm và mỹ phẩm.

LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬN

Sau khi phân tích kết quả thu được của các thí nghiệm khảo sát yếu tố ảnh hưởng, tối ưu quá trình trích ly β-carotene và lycopene trong bột gấc bằng dung môi CO 2 siêu tới hạn và kiểm tra kết quả lý thuyết trên quy mô sản xuất công nghiệp, có các thể kết luận như sau:

- Sử dụng đồng dung môi làm tăng hiệu suất trích ly β-carotene, lycopene

- Thời gian thích hợp để trích ly là 3 giờ

- Nhiệt độ, áp suất và lưu lượng dòng CO2 trong khảo sát tăng đều làm tăng hiệu suất trích ly β-carotene và lycopene Tuy nhiên, hiệu suất thu hồi β-carotene ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ trích từ 40-80 o C

- Điều kiện tối ưu trong khoảng khảo sát để trích ly β-carotene, lycopene, tổng β-carotene và lycopene: nhiệt độ 80 o C, áp suất 300 bar, lưu lượng dòng CO 2 20g/phút (tương ứng với 20g nguyên liệu), thời gian 3 giờ và dùng 5% ethanol làm đồng dung môi Hiệu suất tối đa trong khoảng khảo sát của β-carotene là 94,67%, lycopene là 31,98%

Thực nghiệm thử nghiệm trên quy mô công nghiệp đã chứng minh dầu gấc thu được đạt tiêu chuẩn DĐVN IV mà không cần trải qua quá trình tinh chế nào Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng công nghệ chiết xuất bằng chất siêu tới hạn (SFE) trong quy trình trích ly carotenoid cũng như nhiều hợp chất tự nhiên có giá trị khác từ bột gấc.

ĐỀ XUẤT VÀ KIẾN NGHỊ

Do thời gian nghiên cứu và trang thiết bị thí nghiệm còn hạn chế, nên đề tài

Nghiên cứu "Nghiên cứu quá trình sản xuất β-carotene và lycopene từ Gấc" tập trung vào tối ưu hóa điều kiện chiết xuất β-carotene và lycopene trong phạm vi thiết bị cho phép Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ dừng lại ở giai đoạn chiết xuất, chưa tiến hành các bước tiếp theo trong quy trình sản xuất.

Do đó, chúng tôi có một số đề xuất cho những nghiên cứu sau cần phát triển như:

 Nghiên cứu ảnh hưởng của đồng dung môi đến hiệu suất trích ly với việc dùng các đồng dung môi khác ngoài việc dùng ethanol

 Nghiên cứu xử lý bột gấc sau khi trích bằng CO 2 siêu tới hạn, để thu được triệt để lượng lycopene còn lại

 Nghiên cứu và tối ưu quá trình sấy nguyên liệu nhằm bảo đảm hàm lượng carotenoid trong bột gấc cao nhất.