Luận văn thạc sĩ Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu quá trình trích ly -Carotene và Lycopene từ bột gấc bằng dung môi CO2 siêu tối hạn

Trích ly bằng dung môi CO2 siêu tới hạn hiện nay được xem là phương pháp hiện đại với hiệu suất trích ly cao, giữ được hoạt tính sinh học của các chất.. 27 Bảng 1.10: Ảnh hưởng của đồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

2

 3

4 5 6

NGUYỄN LÊ KIỀU HƯƠNG 7

8 9 10

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRÍCH LY β-CAROTENE

17 18 19

LUẬN VĂN THẠC SĨ 20

21 22

Tp Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2012

23

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lê Thị Kim Phụng

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Lê Kiều Hương MSSV: 10110178 Ngày, tháng, năm sinh: 18/04/1987 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm & Đồ uống Mã số: 605402

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu quá trình trích ly β-carotene và lycopene từ gấc

bằng dung môi CO2 siêu tới hạn II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly β-carotene và lycopene 2 Tìm điều kiện tối ưu quy trình trích ly để hiệu suất thu hồi β-carotene và

lycopene trong chế phẩm cao nhất 3 Ứng dụng trên quy mô công nghiệp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2011 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 16/08/2012 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lê Thị Kim Phụng

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 02 năm 2012

TRƯỞNG KHOA: ………

(Họ tên và chữ ký)

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Trong những năm tháng học tập tại trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã được rất nhiều thầy cô hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức vô giá, tôi xin gửi lời tri ân tới tập thể các thầy cô của trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các thầy cô của bộ môn Công nghệ thực phẩm

Sau cùng, tôi xin cảm ơn các anh, chị và các bạn trong ban quản lý phòng thí nghiệm Quá trình và thiết bị đã giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp tại trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 08 năm 2012 NGUYỄN LÊ KIỀU HƯƠNG

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Gấc là nguồn nguyên liệu chứa hàm lượng lớn các carotenoid, đặc biệt là carotene và lycopene - hai hợp chất có giá trị sinh học cao và rất tốt đối với sức khỏe con người Trích ly bằng dung môi CO2 siêu tới hạn hiện nay được xem là phương pháp hiện đại với hiệu suất trích ly cao, giữ được hoạt tính sinh học của các chất Do đó trong nghiên cứu này, β-carotene và lycopene trong bột gấc được trích ly bằng dung môi CO2 siêu tới hạn

β-Ban đầu, ảnh hưởng của đồng dung môi đến hiệu suất trích ly β-carotene, lycopene, tổng β-carotene và lycopene được khảo sát Các thông số được cố định ở nhiệt độ 60oC, áp suất 300 bar, lưu lượng dòng CO2 20 g/phút, trích ly trong thời gian 3 giờ và khảo sát ở các điều kiện: không bổ sung đồng dung môi và bổ sung 5% đồng dung môi (ethanol) Kết quả thu được cho thấy rằng khi bổ sung đồng dung môi cho hiệu suất trích ly cao hơn

Thí nghiệm tiếp theo tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến lượng dầu thu được Các thông số được cố định ở nhiệt độ 60oC, áp suất 300 bar, lưu lượng dòng CO2 15 g/phút, bổ sung 5% ethanol làm đồng dung môi và khảo sát ở các thời gian khác nhau là: 2,0 giờ, 2,5 giờ, 3,0 giờ, 3,5 giờ và 4,0 giờ Kết quả cho thấy rằng thời gian trích ly phù hợp là 3,0 giờ

Sau đó, các thông số của quá trình trích ly được tối ưu để đạt hiệu suất thu hồi β- carotene, lycopene, tổng β-carotene và lycopene đạt cực đại Kết quả cho thấy rằng hiệu suất tối đa của β-carotene là 69,18%, lycopene là 20,55%, tổng β-carotene và lycopene là 23,83% Và cùng tối ưu ở điều kiện nhiệt độ 60oC, áp suất 300 bar, lưu lượng dòng CO2 là 20 g/phút

Cuối cùng, các thông số tối ưu trong nghiên cứu được ứng dụng trên quy mô công nghiệp Kết quả thực nghiệm cho thấy không có sự khác biệt lớn so với số liệu tính trên lý thuyết Do đó, có thể ứng dụng phương trình quy hoạch thực nghiệm để tính toán sơ bộ hiệu suất thu hồi β-carotene và lycopene trên quy mô công nghiệp

iii

ABSTRACT

Gac fruit is a material contained high carotenoid content, especially carotene and lycopene that have highly biological value and are good for health Supercritical CO2 extraction is a modern method has high extraction yield and biological activity of extracted compounds is reserved In this work, lycopene and β-carotene in gac powder were extracted using supercritical CO2 at various extraction conditions

In the first experiment, the effect of cosolvent on extraction yield of carotene, lycopene and total of β-carotene and lycopene was investigated Fixed parameters were as follow: temperature of 60oC, pressure of 300 bar, CO2 flow rateof 20 g/min, extraction time of 3 hour and the changed parameters were as follow: non-cosolvent and added 5% cosolvent (ethanol) The results showed that addition of cosolvent increased extraction yield of β-carotene and lycopene

β-The next experiment, the effect of extraction time on extracted oil weight was investigated Fixed parameters were as follow: temperature of 60oC, pressure of 300 bar, CO2 flow rate of 15 g/min, addition of 5% ethanol and the extraction time was changed as follow: 2,0 hour, 2,5 hour, 3,0 hour, 3,5 hour and 4,0 hour The results showed that the suitable time for extraction was 3,0 hour

After parameters of extraction operation were optimised to obtain the highest extraction yield of β-carotene, lycopene and total of β-carotene and lycopene The results showed that highest yield were 69,18% of β-carotene, 20,55% of lycopene, 23,83% of total of β-carotene and lycopene And the optimised conditions were as follow: temperature of 60oC, pressure of 300 bar, CO2 flow rateof 20 g/min

Finally, the optimal parameters of this study were applied on industrial scale The results showed that there were a little difference between theory and practice Therefore, the regression equation could be applied to calculate extraction yield of β-carotene and lycopene on industrial scale

1.2.1.3Tác dụng của β–carotene tới sức khỏe 4

1.2.1.4Ứng dụng của β-carotene trong công nghệ thực phẩm 5

1.2.2 Lycopene 5

1.2.2.1Nguồn nguyên liệu giàu lycopene 5

1.2.2.2Tính chất hóa học lycopene [26] 6

1.2.2.3Tác dụng của lycopene tới sức khỏe 7

1.2.2.4Ứng dụng của lycopene trong công nghệ thực phẩm 8

1.3 Tổng quan về các phương pháp trích ly β-carotene và lycopene 8

1.3.1 Phương pháp trích ly bằng soxhlet 8

1.3.2 Phương pháp ngâm dầm (phương pháp tẩm trích) 10

1.3.3 Phương pháp trích ly liên tục bằng dung môi 10

v

1.3.4 Phương pháp trích ly có sự hỗ trợ của vi sóng 11

1.3.5 Phương pháp sử dụng sóng siêu âm 12

1.3.6 Phương pháp trích ly bằng dung môi siêu tới hạn 14

1.4 Trích ly bằng CO2 siêu tới hạn 18

1.4.1 Tổng quan về CO2 siêu tới hạn [33] 18

1.4.2 CO2 siêu t 20

-1.4.3 Một số nghiên c u trích ly β-carotene, lycopene từ các loại rau quả bằng CO2 siêu tới hạn 29

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.1 Nguyên liệu và hoá chất 32

2.4.3 Phân tích phương sai 42

2.4.4 Tối ưu hóa theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm 42

2.5 Phương pháp phân tích 47

2.5.1 Phân tích hàm ẩm 47

2.5.2 Định lượng lipid tổng theo phương pháp Soxhlet 47

2.1.3 Xác định hàm lượng protein tổng số bằng phương pháp Kjeldahl (AOAC 960.52) 48

2.1.4 Xác định hàm lượng tro tổng (TCVN 5611-91) 48

2.1.5 Xác định hàm lượng β-carotene và lycopene bằng HPLC 48

3.3 Ảnh hưởng của thời gian trích ly đến khối lượng dầu thu được 54

3.4 Tối ưu hóa các điều kiện của quá trình trích ly β–carotene và lycopene 55

3.4.1 Tối ưu hóa các điều kiện để hiệu suất thu hồi β-carotene cao nhất 57

3.4.2 Tối ưu hóa các điều kiện để hiệu suất thu hồi lycopene cao nhất 61

3.4.3 Tối ưu hóa các điều kiện để hiệu suất thu hồi tổng β–carotene và lycopene cao nhất 66

3.5 Ứng dụng phương trình quy hoạch thực nghiệm xác định điều kiện vận hành trên quy mô công nghiệp 68

3.5.1 Xác định điều kiện vận hành trên quy mô công nghiệp 68

3.5.2 Tính hiệu suất trích ly ở điều kiện tối ưu trên quy mô công nghiệp 69

3.5.2.1Phương trình quy hoạch thực nghiệm dạng thực 69

3.5.2.2Hiệu suấ- điều kiện tối ưu trên quy mô công nghiệp 71

3.5.3 Kết quả hiệu suấ β-carotene, lycopene trên quy mô công nghiệp 723.5.4 So sánh với hiệu suất thu hồi β-carotene, lycopene, tổng β-carotene và lycopene trên lý thuyết và thực tế ở quy mô công nghiệp 72

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

4.1 Kết luận 74

4.2 Đề xuất và kiến nghị 74

PHỤ LỤC 84

vii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Quả gấc 1

Hình 1.2: Cấu tạo phân tử β-carotene 4

Hình 1.3: Hàm lượng lycopene trong một số loại rau quả 6

Hình 1.4: Công thức cấu tạo của lycopene 6

Hình 1.5: Sơ đồ thiết bị soxhlet 9

Hình 1.6: Biểu đồ mô tả vùng tới hạn 14

Hình 1.7: Tỷ trọng của CO2 siêu tới hạn phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất 18

Hình 1.8: Độ nhớt của CO2 siêu tới hạn theo nhiệt độ và áp suất 19

Hình 1.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly β-carotene ở áp suất 40,5 MPa, tốc độ dòng CO2 33×10-8 m3/s 20

Hình 1.10: Hàm lượng lycopene với các điều kiện nhiệt độ khác nhau ở áp suất 4000psi 22

Hình 1.11: Ảnh hưởng của áp suất đến hiệu suất trích ly β-carotene ở nhiệt độ 333K, tốc độ dòng CO2 33×10-8 m3/s 23

Hình 1.12: Sự hòa tan của lycopene ở các nhiệt độ ( ) 50oC () 60oC () 70oC ( ) 24

Hình 1.14: Hiệu suất ứng với lượng tiêu thụ CO2 ở nhiệt độ 343K, ở các áp suất khác nhau 25

Hình 1.15: Ảnh hưởng của tốc độ dòng CO2 đến hiệu suất trích ly β-carotene ở nhiệt độ 333 K, áp suất 40,5 MPa (qv là tốc độ dòng) 26

Hình 1.16: Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu đến hiệu suất trích ly β-carotene ở nhiệt độ 333 K, áp suất 40,5 MPa, tốc độ dòng CO2 33×10-8 m3/s (Rp là đường kính mẫu) 29

viii

Hình 2.1: Thiết bị trích ly siêu tới hạn Thar SFC 34

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình máy trích ly siêu tới hạn Thar-SFC 35

Hình 2.3: Máy sắc ký lỏng hiệu cao năng 36

Hình 2.4: Thiết bị cô quay chân không 37

Hình 2.5: Sơ đồ nghiên cứu 38

Hình 2.6: Quy trình thu nhận chế phẩm β-carotene và lycopene 39

Hình 3.1: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của đồng dung môi đến hiệu suất thu hồi carotene ở nhiệt độ 60oC, áp suất 300 bar, lưu lượng CO2 20 g/phút 50

β-Hình 3.2: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của đồng dung môi đến hiệu suất thu hồi lycopene ở nhiệt độ 60oC, áp suất 300 bar, lưu lượng CO2 20 g/phút 51

Hình 3.3: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của đồng dung môi đến hiệu suất thu hồi tổng β-carotene và lycopene ở nhiệt độ 60oC, áp suất 300 bar, lưu lượng CO2

ix

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Thành phần dinh dưỡng của thịt gấc 2

Bảng 1.2: Hàm lượng β-carotene trong 100 g thực phẩm ăn được 3

Bảng 1.3: Nhiệt độ và áp suất tới hạn của một số hợp chất 15

Bảng 1.4: So sánh tính chất vật lý của khí, lỏng và lỏng siêu tới hạn 16

Bảng 1.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất của carotenoid khi trích ly bằng CO2 siêu tới hạn 21

Bảng 1.6: Hàm lượng lycopene và β-carotene thu được sau trích ly bằng CO2 siêu tới hạn ở áp suất 4000 psi và bằng soxhlet 22

Bảng 1.7: Ảnh hưởng của áp suất lên hiệu suất của carotenoid khi trích ly bằng CO2siêu tới hạn 23

Bảng 1.8: Ảnh hưởng của thời gian trích lên hiệu suất của carotenoid khi trích ly bằng CO2 siêu tới hạn 25

Bảng 1.9: Ảnh hưởng của tốc độ dòng lên hiệu suất của carotenoid khi trích ly bằng CO2 siêu tới hạn 27

Bảng 1.10: Ảnh hưởng của đồng dung môi lên hiệu suất trích ly của lycopene khi trích ly bằng CO2 siêu tới hạn 27

Bảng 1.11: Ảnh hưởng của đồng dung môi lên hiệu suất trích ly của β-carotene khi trích ly bằng CO2 siêu tới hạn 28

Bảng 1.12: Các nghiên cứu trích ly β-carotene và lycopene từ nhiều loại trái cây khác nhau 30

Bảng 2.1: Các loại hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 33

Bảng 2.2: Điều kiện thí nghiệm được chọn 43

Bảng 3.1: Thành phần hóa học trong nguyên liệu bột gấc 48

x

Bảng 3.2: Giá trị tâm và bước nhảy của các yếu tố thí nghiệm 55

Bảng 3.3: Ma trận hoạch định với biến ảo 56

Bảng 3.4: Kết quả các giá trị trong phương trình hồi quy thu hồi β-carotene 57

Bảng 3.5: Kết quả các giá trị trong phương trình hồi quy thu hồi lycopene 61

Bảng 3.6: Kết quả các giá trị trong phương trình hồi quy thu hồi tổng β-carotene và lycopene 66

xi

MỞ ĐẦU

Gấc được biết đến là loại quả có hàm lượng carotenoid rất cao, đặc biệt là carotene và lycopene, cao hơn nhiều so với các loại rau quả khác β-carotene và lycopene là các hợp chất có giá trị sinh học cao, rất tốt đối với sức khỏe con người Hiện nay trên thế giới, các nghiên cứu chỉ mới ở bước đầu khảo sát thành phần carotenoid trong gấc và ảnh hưởng của điều kiện bảo quản đến hàm lượng các chất biến dưỡng

β-Cho đến nay, chưa có công trình nghiên cứu nào tập trung xây dựng quy trình tối ưu cho việc thu hồi β-carotene, lycopene từ gấc nhằm phục vụ cho mục đích sản xuất và thương mại Các sản phẩm từ gấc hiện nay chỉ giới hạn ở các sản phẩm thô từ việc ép dầu gấc hoặc bột gấc Tiềm năng cũng như giá trị cuả quả gấc - một loại thực phẩm đặc trưng của nước ta chưa được sử dụng và khai thác đúng mức

Do đó cần có những nghiên cứu nhằm sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu gấc của 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

Chính vì vậy, mục tiêu của đề tài này là: Nghiên cứu quy trình trích ly β-carotene, lycopene từ bột gấc dùng dung môi CO2 siêu tới hạn, từ đó tìm điều kiện tối ưu để hiệu suất thu hồi β-carotene, lycopene, tổng β-carotene và lycopene cao nhất

Ứng dụng quy trình trích ly β-carotene và lycopen từ bột gấc bằng dung môi CO2 siêu tới hạn vào sản xuất công nghiệp

Để thực hiện mục tiêu đề ra, chúng tôi sử dụng các phương pháp sau: So sánh sự khác biệt bằng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) với mức ý nghĩa α = 0,05 trên phần mềm Statgaphic 5.1 Sử dụng phần mềm modde 5.0 để tìm phương trình thực nghiệm và điều kiện tối ưu dựa vào kết quả thí nghiệm thu được

xii Nội dung của nghiên cứu là:

Kiểm tra thành phần dinh dưỡng trong nguyên liệu bột gấc Khảo sát ảnh hưởng của đồng dung môi đến hiệu suất trích ly β-carotene và lycopene theo các phương pháp: trích ly có đồng dung môi, trích ly không dùng đồng dung môi

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình trích ly β-carotene và lycopene từ gấc bằng dung môi CO2 siêu tới hạn

Xây dựng phương trình hồi quy đánh giá ảnh hưởng của các thông số: nhiệt độ, áp suất và lưu lượng dòng CO2 đến hiệu suất trích ly β-carotene và lycopene Từ đó tối ưu hóa quy trình trích ly để hiệu suất thu hồi β-carotene và lycopene trong chế phẩm cao nhất

Chuyển phương trình hồi quy về dạng thực, tìm các thông số vận hành ở quy mô công nghiệp

Thực nghiệm trên quy mô công nghiệp, so sánh với hiệu suất được tính bằng lý thuyết

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về Gấc

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng gấc là loại quả có tác dụng chống oxy hóa cao hơn cà chua và cà rốt nhiều lần, tăng khả năng miễn dịch và sức đề kháng cho cơ thể, loại bỏ phần nào tác hại của môi trường như tia bức xạ, thuốc trừ sâu

Hình 1.1: Quả gấc

2 Trong quả gấc có chứa hàm lượng cao các hợp chất carotenoid, đặc biệt là β-

carotene và lycopene, là các vi chất thiên nhiên rất cần thiết cho cơ thể con người

1.2.1.1 Nguồn nguyên liệu giàu β – carotene

β-carotene chất có màu vàng cam, hơi pha đỏ, là một trong hơn 600 loại carotenoid tồn tại trong tự nhiên Nó có nhiều trong thực vật mà không hề xuất hiện trong động vật cũng như các thực phẩm có nguồn gốc động vật [3]

4

Hình 1.2: Cấu tạo phân tử β-carotene

Khối lượng phân tử: 536,87g/mole Tên khoa học: (all E)-3,7,12,16-tetramethyl-1,18-bis (2,6,6-trimethyl cyclohex-1-enyl) octadeca-1,3,5,7,9,11,13,15,17- nonaen

Tính chất: + Bột kết tinh màu nâu đỏ + Nhiệt độ nóng chảy: 180 - 183oC + Độ tan: tan trong hexan, cloroform, benzen, ete petrol, hầu như không tan

trong nước và rượu, tan ít trong dầu thực vật + Cho phổ hấp thụ UV-VIS, hấp thụ cực đại (trong cloroform) ở bước sóng

497 và 466 nm + Dễ bị biến đổi khi tiếp xúc với ánh sáng và nhiệt độ

1.2.1.3 Tác dụng của β–carotene tới sức khỏe

Về mặt tự nhiên, chức năng chính của β-carotene có liên quan đến các quá trình quang hóa trong thực vật và tạo nên các sắc tố màu cam, màu đỏ của các loài thực vật như cà chua, cà rốt

Về mặt sinh học, carotene là tiền chất quan trọng nhất của vitamin A carotene được sử dụng như vitamin A, nhưng không gây tích lũy độc Cơ thể người tích lũy β-carotene ở gan và khi cần enzyme carotenase có trong gan và thành ruột sẽ phân ly β-carotene thành 2 phân tử vitamin A [15]

β-5 β-carotene là chất chống oxy hóa mạnh mẽ, ngăn chặn tế bào khỏi các bệnh gây ra bởi gốc tự do như bệnh tim mạch và ung thư β-carotene là một trong số các carotenoid có khả năng làm tăng chức năng của hệ thống miễn dịch

β-carotene có khả năng kích thích sự lưu thông giữa các tế bào Các nhà nghiên cứu ngày nay cho rằng sự lưu thông giữa các tế bào xảy ra chậm có thể làm chúng phát triển bất bình thường, một trong những nguyên nhân gây bệnh ung thư

Tuy nhiên, cơ thể người không có chức năng sản sinh ra β-carotene, do đó chúng ta phải hấp thụ chúng từ các nguồn thực phẩm hằng ngày

1.2.1.4 Ứng dụng của β-carotene trong công nghệ thực phẩm

Trên thị trường hiện nay, các chất tạo màu tổng hợp có nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe, do đó nhu cầu về các loại màu thực phẩm tự nhiên, mà nổi bật là carotenoid là rất lớn Bởi vậy, β-carotene ngày càng được chú trọng nghiên cứu để ứng dụng làm chất tạo màu tự nhiên trong thực phẩm (như bơ thực vật…)

1.2.2.1 Nguồn nguyên liệu giàu lycopene

Lycopene là một carotenoid màu đỏ tươi, rất cần thiết cho cơ thể người Lycopene được tìm thấy trong các loại rau quả có màu đỏ như cà chua, cà rốt, ớt đỏ… Đặc biệt trong gấc lycopene chiếm hàm lượng rất lớn Hàm lượng lycopene trong một số loại rau quả được thể hiện ở hình 1.3

6

Hình 1.3: Hàm lƣợng lycopene trong một số loại rau quả [70]

1.2.2.2 Tính chất hóa học lycopene [26]

Công thức phân tử: (C40H56) Trọng lƣợng phân tử: 536,85 g/mol

Hình 1.4: Công thức cấu tạo của lycopene

7 Tên khoa học: (6E, 8E, 10E, 12E, 14E, 16E, 18E, 20E, 22E, 24E, 26E)-2,6,10,14,19,23,27,31-octamethyldotriaconta-2,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24, 26,30- tridecaen

Tính chất: [40] + Tinh thể hình kim màu đỏ tía, không mùi + Nhiệt độ nóng chảy: 172-175oC

+ Lycopene tương đối ổn định ở nhiệt độ cao + Độ tan: tan trong cloroform, hexan, benzen, cacbon disulfid, acetone,

petroleum ether và dầu Hầu như không tan trong nước, methanol, etanol + Tính ổn định: nhạy cảm với ánh sáng, oxy, nhiệt độ cao, acid, chất xúc

tác, các ion kim loại + Hấp thụ cực đại (trong ete petrol) tại các bước sóng là 361, 446, 472,

1.2.2.3 Tác dụng của lycopene tới sức khỏe

Tác dụng chống oxy hóa + Lycopene là chất chống oxy hóa mạnh nhất trong các họ carotenoid, ngăn

ngừa sự hủy hoại oxy hóa của thể nhiễm sắc nên góp phần điều trị bệnh mạch vành tim và ung thư Lycopene có khả năng bắt giữ oxy đơn bội (gấp 2 lần so với β-carotene, gấp 10 lần so với α-tocopherol) và làm giảm tác dụng gây đột biến theo thử nghiệm của Ames [58]

Tác dụng chống tăng sinh và tạo điều kiện cho sự biệt hóa tế bào [58] + Lycopene ức chế sự tăng sinh của nhiều dòng tế bào ung thư (ung thư

tuyến tiền liệt, vú, buồng trứng, cổ tử cung, nội mạc tử cung, thực quản, dạ dày, đại tràng) Lycopene dùng riêng kích thích được sự biệt hóa tế bào, giúp ngăn ngừa và sửa chữa các tế bào bị hủy hoại

8 + Lycopene ức chế sự oxy hóa của ADN, là vật liệu di truyền, mà ADN

nếu bị oxy hóa sẽ có thể dẫn đến một số dạng ung thư do làm thay đổi cấu trúc và chức năng của thể nhiễm sắc Với nồng độ thấp, lycopene kết hợp với vitamin D3 có tác dụng hiệp đồng trong ức chế tăng sinh tế bào, đẩy mạnh sự biệt hóa tế bào

+ Đánh giá sự liên quan giữa hàm lượng các carotenoid (bao gồm lycopene), selen và retinol với ung thư, chỉ thấy có lycopene làm giảm được nguy cơ ung thư vú Nồng độ lycopene nghịch biến với nguy cơ ung thư buồng trứng, chủ yếu ở phụ nữ sau mãn kinh

Lycopene chữa rối loạn lipid máu và bệnh tim mạch [58] + Uống lycopene 60 mg/ngày trong 3 tháng liền làm giảm đáng kể nồng

độ cholesterol toàn phần, giảm 14% LDL-cholesterol trong máu Những bệnh nhân có nồng độ lycopene trong mô mỡ cao giảm nguy cơ bệnh tim 33% so với bệnh nhân có nồng độ lycopene trong máu thấp

1.2.2.4 Ứng dụng của lycopene trong công nghệ thực phẩm

+ Lycopene được dùng như chất màu tự nhiên trong thực phẩm + Lycopene thường được sử dụng trong các thực phẩm chức năng

1.3 Tổng quan về các phương pháp trích ly β-carotene và lycopene

1.3.1.1 Nguyên tắc trích ly

Mẫu được gói trong giấy lọc, đặt vào vật chứa xốp và được trích ly liên tục bằng dung môi ngưng tụ

9

Hình 1.5: Sơ đồ thiết bị soxhlet

 Thời điểm kết thúc quá trình trích ly Muốn biết quá trình trích ly đã cạn kiệt chưa, tháo phần ống ngưng hơi, dùng pipet hút lấy vài giọt dung dịch trong bình chứa mẫu, nhỏ lên mặt kính hoặc giấy lọc và để dung môi bay hơi hết Nếu không thấy để lại vết thì đã trích ly kiệt, nếu thấy vết thì phải trích ly thêm một thời gian nữa

1.3.1.2 Ưu nhược điểm

 Ưu điểm + Chỉ sử dụng lượng dung môi ít mà vẫn có thể trích ly kiệt được hoạt

chất + Sự ly trích tự động, liên tục  Nhược điểm

+ Không trích ly được lượng lớn mẫu nên chỉ thích hợp cho các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

nước ra nước

vào

10 + Trong suốt quá trình trích ly, mẫu luôn có nhiệt độ bằng nhiệt độ sôi của

dung môi nên những hợp chất kém bền nhiệt như carotenoid có thể bị phân giải

1.3.2 Phương pháp ngâm dầm (phương pháp tẩm trích)

1.3.2.1 Nguyên tắc trích ly

Phương pháp ngâm dầm được thực hiện ở nhiệt độ phòng bằng cách trộn hỗn hợp nguyên liệu với dung môi phù hợp (tỉ lệ nguyên liệu: dung môi là 1:5 hoặc 1:10), cho vào bình chứa, đóng nắp lại, để hỗn hợp trong vài ngày, thỉnh thoảng lắc hoặc khuấy trộn Quá trình được lặp lại một hoặc hai lần bằng cách thay dung môi mới, dịch trích được cho vào lọ riêng bảo quản Bã sau cùng của quá trình trình ly được lấy ra bằng máy ép cơ học hoặc máy ly tâm Động lực của phương pháp trích ly ngâm dầm là sự chênh lệch nồng độ bên trong nguyên liệu và môi trường dung môi và bởi quá trình khuấy, lắc liên tục

1.3.2.2 Ưu nhược điểm

 Ưu điểm + Nguyên liệu tiếp xúc trực tiếp với dung môi nên dễ dàng cho việc khảo

sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất trích ly + Thiết bị đơn giản, dễ sử dụng

+ Thích hợp cho cả trích ly thử nghiệm và ở quy mô lớn  Nhược điểm

+ Thời gian dài có thể kéo dài từ vài ngày đến vài tuần

1.3.3 Phương pháp trích ly liên tục bằng dung môi

1.3.3.1 Nguyên tắc trích ly

Dòng nguyên liệu được vận chuyển trong một ống dẫn ngược chiều với dòng dung môi hoặc có thể dội nhiều đợt dung môi hoặc dịch trích loãng lên nguyên liệu

11

1.3.3.2 Ưu nhược điểm

 Ưu điểm + Nồng độ chất cần trích cao + Tỉ lệ sử dụng dung môi và nguyên liệu giảm

 Nhược điểm + Hệ số sử dụng thiết bị thấp (45%), có thể dễ cháy nổ hơn khi dung môi

tiếp xúc với không khí trong thiết bị + Hệ thống tuần hoàn dung môi phức tạp, phải dùng bơm nhiều

hệ với tần số theo công thức l = c/f

1.3.4.1 Nguyên tắc trích ly

Dưới tác dụng của vi sóng, nước trong các tế bào thực vật bị nóng lên, áp suất bên trong tăng đột ngột làm các mô bị vỡ ra Các chất thoát ra bên ngoài và được lôi cuốn theo hơi nước sang hệ thống ngưng tụ (phương pháp chưng cất hơi nước) hoặc hòa tan vào dung môi hữu cơ đang bao phủ bên ngoài nguyên liệu (phương pháp tẩm trích)

1.3.5 Phương pháp sử dụng sóng siêu âm

1.3.5.1 Khái niệm sóng siêu âm

Sóng siêu âm là sóng âm có tần số lớn hơn 20 kHz [30] Giới hạn trên của tần số sóng siêu âm thường là 5 MHz đối với chất khí và 500 MHz đối với chất lỏng hay chất rắn [38]

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 [43]

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) [56]

 Thiết bị siêu âm

Thiết bị siêu âm hiện nay gồm: bể siêu âm và thanh siêu âm

13 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 [77]

1.3.5.2 Cơ chế sóng siêu âm hỗ trợ quá trình trích ly

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 [13]

+ 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 [13]

1.3.5.3 Ưu nhược điểm

 Ưu điểm + Thiết bị đơn giản, dễ thực hiện + Thời gian trích ly ngắn

 Nhược điểm + Chủ yếu dùng với những trích ly thử nghiệm ở quy mô nhỏ

Vật chất ở trạng thái này mang nhiều đặc tính của cả chất khí và chất lỏng, nghĩa là dung môi đó mang tính trung gian giữa khí và lỏng

Hình 1.6: Biểu đồ mô tả vùng tới hạn

1.6 cho biết khi nào hợp chất ở trạng thái rắn, lỏng hoặc khí Điểm ba là nơi ba trạng thái giao nhau Các đường cong là nơi hai trạng thái cùng hiện diện Quan sát dọc theo “đường cong khí - lỏng”, hướng lên cao, sẽ gặp một điểm, nơi đó nồng độ của khí và lỏng bằng nhau, điểm này được gọi là điểm siêu tới hạn Vật chất có nhiệt độ và áp suất cao hơn điểm tới hạn gọi là chất lỏng siêu tới hạn Giá trị áp suất và nhiệt độ tại điểm tới hạn được gọi lần lượt là: áp suất tới hạn Pc và nhiệt

Áp suất

Chất lỏng siêu tới

hạn

Chất khí Chất rắn

Chất lỏng

Nhiệt độ Tc

15 độ tới hạn Tc, hai giá trị này đặc trưng của từng loại hợp chất Ở nhiệt độ và áp suất tới hạn, vật chất lỏng và hơi không thể phân biệt được

Một vài hợp chất thích hợp có thể sử dụng trong phương pháp trích ly siêu tới hạn được trình bày trong bảng 1.3

Bảng 1.3: Nhiệt độ và áp suất tới hạn của một số hợp chất

Dung môi

Khối lượng phân tử

Nhiệt độ tới hạn

Áp suất tới hạn

Khối lượng riêng tới hạn

16 Có sự khác biệt quan trọng về việc chọn lọc các dung môi là ở nhiệt độ tới hạn cao hay thấp Các dung môi có nhiệt độ tới hạn cao như nước, n-hexane khi sử dụng phải tiến hành ở 500 – 700K, chỉ áp dung được cho các nguyên liệu có phân tử lượng cao tuy nhiên ở nhiệt độ đó các chất dễ bị phân huỷ Do đó dựa trên nhiệt độ và áp suất ta có thể chọn lọc để trích ly các thành phần của thực vật như tinh dầu, alkaloid, lipid, oleoresin, carotenoid Một lợi thế chính của dung môi có nhiệt độ tới hạn thấp nữa là chúng có thể dễ dàng tách ra sản phẩm cuối cùng

 Tính chất vật lý của chất lỏng siêu tới hạn

Tính chất vật lý của chất lỏng siêu tới hạn so với trạng thái khí và lỏng được trình bày trong bảng 1.4

Bảng 1.4: So sánh tính chất vật lý của khí, lỏng và lỏng siêu tới hạn

Khối luợng riêng (kg/m3

Độ nhớt động lực (mPa.s) 0,01 – 0,3 0,01 – 0,03 0,2 – 3 Độ nhớt động học (m2

Hệ số dẫn nhiệt (W/mK) 0,01 – 0,025 Cực đại 0,1 – 0,2 Hệ số khuyếch tán D (m2

17 Khả năng hòa tan của cấu tử trong dung môi được xác định theo công thức sau:

C = ρk × exp (a/T + b) Với C: nồng độ cấu tử

T: nhiệt độ ρ: tỷ trọng của lưu chất a, b, k: hằng số thực nghiệm Công thức trên cho thấy khả năng hòa tan của chất lỏng siêu tới hạn có mối quan hệ chặt chẽ với tỷ trọng của nó và nhờ yếu tố này chất lỏng siêu tới hạn được xem là loại chất lỏng hoàn hảo thích hợp để sử dụng trong kỹ thuật trích ly các hợp chất thiên nhiên

Mặt khác từ công thức ta cũng thấy rằng khi nhiệt độ là hằng số thì tăng tỷ trọng của dung môi sẽ làm tăng độ hòa tan của cấu tử

Khi áp suất là hằng số và áp suất gần bằng áp suất tới hạn thì tăng nhiệt độ làm giảm độ hòa tan (ρ giảm), nhưng khi áp suất lớn hơn áp suất tới hạn nhiều thì tăng nhiệt độ làm tăng độ hòa tan của cấu tử cần trích

Yếu tố ảnh hưởng đến độ hòa tan của cấu tử cần trích ly là áp suất hơi của chất tan và tương tác giữa các phân tử

1.3.6.2 Ưu nhược điểm

 Ưu điểm So với các kỹ thuật cổ điển như trích ly lỏng – rắn với dung môi hoặc trích ly bằng lôi cuốn hơi nước thì phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn như:

+ Sử dụng ít dung môi + Ít làm hư hại chất cần trích ly + Thân thiện với môi trường

18 + Tốc độ truyền khối cao, dịch ra nhanh, thời gian trích ly ngắn + Khả năng trích ly cao, ít xảy ra phản ứng phụ, do đó sản phẩm có độ

tinh sạch cao, ít tạp chất + Điều khiển hoàn toàn tự động  Nhược điểm

+ Chi phí đầu tư thiết bị cao + Áp suất hoạt động cao

1.4.1.2 Tính chất của CO2 siêu tới hạn

CO2 được xếp vào nhóm dung môi có nhiệt độ và áp suất tới hạn thấp CO2siêu tới hạn là dung môi không phân cực, có tính axit

Tỷ trọng của CO2 siêu tới hạn phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất, do đó có thể điều chỉnh tỷ trọng trong vùng siêu tới hạn bằng cách hiệu chỉnh nhiệt độ và áp suất Trong mọi trường hợp sự gia tăng nhiệt độ dẫn đến sự giảm tỷ trọng Tỷ trọng CO2siêu tới hạn biến đổi nhanh ở vùng nhiệt độ và áp suất gần điểm tới hạn

19 Độ nhớt là đặc tính quan trọng mô tả sự chuyển động của dung môi siêu tới hạn trong hệ thống trích ly Độ nhớt của CO2 siêu tới hạn giảm khi nhiệt độ tăng trong khoảng áp suất nhất định Độ nhớt của CO2 siêu tới hạn thay đổi theo nhiệt độ và áp suất được thể hiện ở hình 1.8

1.4.1.3 Ưu nhược điểm của CO2 siêu tới hạn

CO2 siêu tới hạn được sử dụng trong hơn 90% quá trình trích ly Vì nó có các ưu điểm sau:

+ Có nhiệt độ tới hạn thấp: nhiệt độ tới hạn là 31,1oC với áp suất tới hạn là 73,8 bar, ít ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của sản phẩm

+ Giá rẻ, an toàn: nguồn CO2 có thể lấy từ các sản phẩm phụ trong công nghiệp, từ quá trình lên men, trong công nghiệp dầu mỏ CO2 được hóa lỏng và vận chuyển trong các thùng cao áp

+ Độ chọn lọc cao do có thể điều khiển các thông số vận hành + Không độc, không màu, không mùi, không có phản ứng quang hóa

Chất lỏng

20 + Thân thiện với môi trường: CO2 có mọi nơi trong tự nhiên, trong nước

uống và sự trao đổi chất của con người + Vô trùng và ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật nên có thể bảo quản + Các điều kiện nhiệt độ và áp suất có tác động mạnh đến khả năng hòa tan

nên có thể điều khiển dễ dàng + Dễ dàng thu hồi: 95% CO2 được thu hồi Tuy nhiên, CO2 siêu tới hạn có nhược điểm là tính không phân cực

1.4.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Doker và cộng sự (2004) trích ly β-carotene từ bã quả mơ dùng CO2 siêu tới hạn đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly ở áp suất 30,4 MPa Kết quả thể hiện ở hình 1.9cho thấy tăng nhiệt độ làm tăng hiệu suất trích ly [28]

Hình 1.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly β-carotene ở áp suất

40,5 MPa, tốc độ dòng CO2 33×10-8 m3/s [28]

21 Kết quả tương tự khi Machmudah và cộng sự (2007) trích ly carotenoid từ

C đến 80o

C (hình 1.10), trong khi hàm lượng β-carotene không đổi khi nhiệt độ tăng từ 60o

C đến 80o

C [18]

22 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lycopene, β-carotene trong nghiên cứu trên được thể hiện ở bảng 1.6 [18]

tới hạn từ cà chua chín ở áp suất 4000psi và bằng soxhlet [18]

23 tăng áp suất làm tăng tỷ trọng của dung môi, điều này làm sự tương tác giữa dung môi và các cấu tử cần trích ly tăng, kết quả là tăng độ hòa tan của các cấu tử này trong dung môi [12] [61] [69]

Baysal và cộng sự (2000) nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên hiệu suất thu hồi ly lycopene và β-carotene từ phế phẩm cà chua, kết quả ở bảng dưới cho thấy khi áp suất tăng thì hiệu suất thu hồi hai cấu từ này tăng [12]

Bảng 1.7: Ảnh hưởng của áp suất lên hiệu suất thu hồi carotenoid khi trích ly bằng

m, tốc độ dòng 3,3×10-8 m3/s Kết quả được thể hiện ở hình 1.11 cũng cho thấy khi áp suất tăng thì hiệu suất trích ly tăng [28]

24 Shi và cộng sự (2008) khảo sát ảnh hưởng của áp suất đến sự hòa tan của lycopene trong CO2 siêu tới hạn Kết quả thể hiện ở hình 1.12 cho thấy rằng ở nhiệt độ từ 50 đến 70o

C sự hòa tan của lycopene tăng khi tăng áp suất, tuy nhiên ở 80o

C sự hòa tan lycopene giảm đáng kể khi tăng áp suất [61]

Sau khi tổng hợp các nghiên cứu về trích ly lycopene từ cà chua và các sản phẩm của cà chua, Konar và cộng sự (2012) thấy rằng hiệu suất thu hồi lycopene cao nhất ở áp suất từ 300 đến 400 bar Đặc biệt ở áp suất 400 bar, theo các nghiên cứu ở các sản phẩm cà chua khác nhau thì điều kiện tối ưu có thể ở nhiệt độ từ 40 đến 100o

C [39]

Tùy thuộc vào loại nguyên liệu, thiết bị và điều kiện trích ly mà thời gian trích ly sẽ khác nhau Konar và cộng sự (2012) sau khi tổng hợp các nghiên cứu về trích ly lycopene từ cà chua và các sản phẩm của cà chua thấy rằng hiệu suất thu hồi lycopene cao nhất ở khoảng thời gian từ 0,5 giờ đến 8 giờ tùy vào thiết bị và tốc độ dòng CO2

80oC [61]

25 Theo Baysal và cộng sự (2000) khi trích ly lycopene và β-carotene từ phế phẩm cà chua đã khảo sát ảnh hưởng của thời gian trích đến hiệu suất thu hồi lycopene và β-carotene ở điều kiện áp suất tối ưu là 300 bar, và nhiệt độ tối ưu của lycopene là 55oC, β-carotene là 65oC Kết quả thể hiện ở bảng 1.8 cho thấy rằng

điều kiện trích ly thích hợp nhất là 2 giờ [12]

Bảng 1.8: Ảnh hưởng của thời gian trích lên hiệu suất của carotenoid khi trích ly

Hình 1.13: Hiệu suất ứng với lượng tiêu thụ CO2 ở nhiệt độ 343 K, ở các áp suất