ứng dụng kỹ thuật trích ly carotenoids từ thực vật bằng lưu chất siêu tới hạn

Trường Đại học Bách Khoa- Đại học Quốc gia TpHCM Khoa Kỹ Thuật Hóa Học Bộ Môn Công ghệ Thực Phm                  Đồ án chuyên ngành ỨG DỤG KỸ THUẬT TRÍCH LY CAROTEOIDS TỪ THỰC VẬT BẰG LƯU CHẤT SIÊU TỚI HẠ SVTH : Trương Vĩnh Lộc MSSV : 60701383 Lớp : HC07TP GVHD : ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt ăm học 2010-2011 Đồ án môn học công nghệ thực phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt Trang 1 Lời cảm ơn Mục đích của đồ án chuyên ngành công nghệ thực phm là "củng cố các kiến thức cơ bản về phương pháp luận và công nghệ học trong lĩnh vực chế biến thực phm". Em xin chân thành cảm ơn cô Tôn ữ Minh guyệt vì những ngày cô tận tình chỉ dạy những kiến thức quý báu và luôn giải đáp những thắc mắc của em. Thông qua quá trình thực hiện đồ án, em xin cảm ơn các thầy cô của bộ môn đã tạo điều kiện để rèn luyện kĩ năng tự học và tìm hiểu những hiểu biết mới. Với những kiến thức mà các thầy cô đã dạy trong suốt thời gian qua kết hợp với những điều em tham khảo từ sách vở, em tin mình đã đạt được những kiến thức quý báu. Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện có thể không tránh khỏi sai sót, em rất mong nhận được những lời đóng góp và sự chỉ dạy thêm của thầy cô để rút kinh nghiệm về sau. Tp Hồ Chí Minh, tháng 06, năm 2011.  án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt Trang 2 MỤC LỤC Lời mở đầu 6 Chương 1: Cơ sở khoa học 8 1.1. Gii thiu kĩ thut trích ly bng lưu cht siêu ti hn 8 1.1.1. Lch s phát trin 8 1.1.2. Các ưu nhưc im ca phương pháp 8 1.1.2.1. Ưu im 8 1.1.2.2. Nhưc im 8 1.2. Cơ s khoa hc 9 1.2.1. nh nghĩa v lưu cht  trng thái siêu ti hn 9 1.2.2. Nguyên lý to thành lưu cht siêu ti hn 10 1.2.3. Tính cht ca lưu cht siêu ti hn 11 1.2.3.1. Hng s ti hn 11 1.2.3.2. T trng 11 1.2.3.3. Hng s in môi. 12 1.2.3.4. c tính chuyn ng 14 1.2.3.5. Nhit dung riêng và s dn nhit 15 1.3. Công ngh trích ly bng CO 2 siêu ti hn (supercritical CO 2 - SCO 2 ) 17 1.3.1. Tính cht vt lý và hoá hc ca CO 2 17 1.3.2. Gin  pha ca CO 2 20 1.3.3. La chn dung môi CO 2 siêu ti hn trong chit tách 20 Chương 2: Quá trình trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn 22 2.1. Quá trình trích ly bng lưu cht siêu ti hn 22 2.2. Trích ly hp cht t cht rn bng lưu cht siêu ti hn 25 2.2.1. Nguyên tc 25 2.2.2. Các thông s công ngh 27 2.3. Trích ly hp cht t cht lng bng lưu cht siêu ti hn 28 2.3.1. Nguyên tc 28 2.3.2. Thông s công ngh 30 2.4. Thit b trích ly bng lưu cht siêu ti hn 33 2.4.1. Gii thiu 33 2.4.4. Trao i nhit 38 2.4.5. ưng ng và van 38 2.4.6. H thng kim soát 40 2.4.7. Kt lun 40 Chương 3: Trích ly Carotenoid từ thực vật 42 3.1. Gii thiu Carotenoids 42 3.1.1. Khái nim chung 42 3.1.2. Phân loi và danh pháp 44 3.1.2.1. Danh pháp 44  án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt Trang 3 3.1.2.2. Phân loi 44 3.1.3. Tính cht vt lý và hóa hc 45 3.1.3.1. Tính cht vt lý 45 3.1.3.2. Tính cht hóa hc 46 3.1.3.3. Các yu t nh hưng n  bn màu ca Carotenoids 46 3.2. Mt s carotenoids tiêu biu t thc vt 47 3.2.1. β-Carotene 47 3.2.2. Lycopene 49 3.2.3. Lutein 50 3.3. Các yu t nh hưng 51 3.3.1. Quy trình chuNn b mu 54 3.3.1.1. Kích thưc 54 3.3.1.2.  Nm 54 3.3.2. Các thông s trích ly 55 3.3.2.1. Nhit  và áp sut 55 3.3.2.2. nh hưng ca tc  dòng 56 3.3.2.3. ng dung môi (cosolvent) 57 Chương 4: Kết luận 59 Tài liệu tham khảo 60  án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt Trang 4 DAH MỤC HÌH Hình 1. 1: Gin  áp sut- th tích-nhit  (PVT- pressure- volume- temperature) 9 Hình 1. 2: Gin  áp sut- nhit  9 Hình 1. 3: Mt khum phân chia gia th lng và th khí ca CO 2 10 Hình 1. 4: Sơ  trng thái ca h lng-khí 11 Hình 1. 5: S bin thiên t trng rút gn ca mt cht trong vùng lân cn ti hn. 12 Hình 1. 6: T trng và hng s in môi ca CO 2 theo áp sut  50 o C. 13 Hình 1. 7: T trng và  hoà tan ca ca SC-CO 2 theo áp sut và nhit . 14 Hình 1. 8:  nht ca CO 2  các nhit  khác nhau trong vùng siêu ti hn. 15 Hình 1. 9: Nhit dung riêng ca CO 2 theo áp sut  320 o K. 16 Hình 1. 10: H s dn nhit ca CO 2 theo nhit  và t trng. 16 Hình 1. 11: Cu trúc phân t ca CO 2 18 Hình 1. 12: Gin  nhit - áp sut ca CO 2 18 Hình 1. 13: Gin  pha ca CO 2 20 Hình 2. 1: Sơ  cơ bn ca quá trình chit xut siêu ti hn 24 Hình 2. 2: Lưu  ca mt quá trình chit xut siêu ti hn t cht rn 25 Hình 2. 3: Sơ  ca nhiu bình trích ni tip t nhng cht rn 26 Hình 2. 4: Lưu  ca mt quá trình trích ly bng lưu cht siêu ti hn. 29 Hình 2. 5: Thit b trn bng cách s dng mt khp ni cơ khí. 30 Hình 2. 6: Mô hình cho mt quá trình trích ly liên tc  loi du thô ca lecithin. 32 Hình 2. 7: Nhng kiu óng np ca thit b. . 35 Hình 2. 8: Tháp trích ly ngưc dòng (10 M) bng lưu cht siêu ti hn 35 Hình 2. 9: Thit b sc ký dc trc (30 cm ID) theo dõi ng hc ca quá trình trích ly bng lưu cht siêu ti hn. 36 Hình 2. 10: Bơm gm nhiu piston chìm áp lc cao. 38 Hình 2. 11: Thit b trao i nhit ng lng ng 39 Hình 2. 12: Các khp ni chu áp lc cao 40 Hình 3. 1: Cu trúc chung ca carotenoids……………………………………………………….42 Hình 3. 2: Cu trúc mt s carotenoids ph bin. 43 Hình 3. 3: H thng ánh s carbon ca carotenoids theo IUPAC . 44 Hình 3. 4: Nhng kí t Hi Lp dùng  mô t nhóm kt thúc, vòng no, vòng không no . 44  án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt Trang 5 Hình 3. 5: Công thc cu to β-carotene 47 Hình 3. 6: Công thc cu to Lycopene 49 Hình 3. 7: Công thc cu to Lutein 50 Hình 3. 8: Lưng nưc trích ly  các  Nm khác nhau t nguyên liu 54 Hình 3. 9: Nng  Lycopene (mg/L) trong lưu cht CO 2 siêu ti hn ti 340 bar. 55 Hình 3. 10: Nng  Lycopene chit xut t ht và v cà chua  86°C và áp sut 34,47 MPa 56 Hình 3. 11: T l thu hi tương i ca Lycopene t v cà chua có b sung các ng dung môi khác nhau  110°C. 57 Hình 3. 12: Hiu sut trích ly Carotenoids (µg/g nguyên liu ban u, tính trên căn bn khô) thu ưc t phương pháp trích ly truyn thng (TSE) và trích ly bng lưu cht siêu ti hn……… 58  án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt Trang 6 DAH MỤC BẢG Bng 1. 1: Nhit  ti hn và áp sut ti hn ca mt s cht thông dng. 10 Bng 1. 2: So sánh c tính vt lý ca cht lng, cht khí và cht lng siêu ti hn. 12 Bng 1. 3: H s dn nhit ca nưc và CO 2 . 17 Bng 1. 4: Mt s thông s hoá lý ca CO 2 18 Bng 3. 1: Phân loi carotenoids . 45 Bng 3. 2:  bn vi ánh sáng, nhit , acid ca mt s cht thuc carotenoids . 45 Bng 3. 3: Hàm lưng β- carotene trong 100g thc phNm ăn ưc 48 Bng 3. 4: Các tính cht vt lý ca carotenoids 50 Bng 3. 5: ng dng trích ly các hp cht có hot tính sinh hc t rau qu bng SC-CO 2 52  án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt Trang 7 Lời mở đầu Khoa hc kĩ thut phi không ngng phát trin  áp ng nhu cu ngày càng cao ca con ngưi. Vic tìm ra nhng phương pháp x lý mi, nhng sn phNm mi cũng như nhng ngun nguyên liu mi ã tr thành nhng vn  mang tính chin lưc hin nay ca ngành công ngh thc phNm. Công ngh trích ly bng lưu cht siêu ti hn  sn xut dưc cht và hương liu t ngun thiên nhiên là mt kĩ thut ang ưc phát trin cnh tranh vi các k thut truyn thng do ưu th vưt tri, to các sn phNm có  tinh khit cao, gim thiu ô nhim môi trưng và không  li dư lưng hoá cht có hi cho sc khe con ngưi, ây là nhng tiêu chí quan trng trong sn xut các ch phNm hóa dưc, m phNm và thc phNm. So vi các lưu cht siêu ti hn khác, CO 2 siêu ti hn thưng ưc la chn làm dung môi trong các quá trình trích ly vì nó có nhiu ưu im như không gây cháy, không c và giá thành thp. Nhim v ca  án “Trích ly carotenoids t thc vt bng lưu cht siêu ti hn” là tìm hiu v trích ly dùng CO 2 siêu ti hn, gi là k thut Supercritical Fluid Extraction (SCFE), phân tích các nh hưng ca các yu t k thut này lên hiu sut quá trình cũng như nguyên lý ng dng k thut SCFE vào công ngh thc phNm. T ó ưa ra cái nhìn toàn din v lĩnh vc trích ly cht màu t t nhiên bng công ngh mi có th ưc ng dng cho quy mô công nghip n mc nào.  án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt Trang 8 Chương 1: CƠ SỞ KHOA HỌC 1.1. Giới thiệu kĩ thuật trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn 1.1.1. Lịch sử phát triển Quá trình trích ly bng dung môi là mt phương pháp lâu i, khoa hc v phương pháp trích ly bng dung môi ã ưc nghiên cu và tìm hiu cn k trong mt thi gian dài và t ưc nhiu tin b khi tìm hiu v tính cht ca dung môi trong quá trình khai thác. Hannay and Hogarth’s (1879) phát hin s hoà tan ca các hp cht hoá hc trong lưu cht siêu ti hn. Năm 1960, ti c công b patent v phương pháp trích ly bng lưu cht siêu ti hn. Do nhng ưu im v gim thiu ô nhim môi trưng và không  li dư lưng hóa cht có hi cho sc khe con ngưi nên khái nim "sn xut sch" ( green processing) ưc quan tâm khi nghiên cu v lưu cht siêu ti hn (t nhng năm 1990) Hin nay, nhiu nhà máy s dng k thut trong ly bng lưu cht siêu ti hn (ti M, c, Nht, Anh, Pháp) trong các ng dng khác nhau: trích ly các hp cht có hot tính sinh hc như alkaloid, phenolic, antioxidant…; trích ly du thc vt, tinh du, cht màu t nhiên hoc tách cholesterol trong thc phNm…. 1.1.2. Các ưu nhược điểm của phương pháp 1.1.2.1. Ưu điểm • Tc  truyn khi nhanh nên thi gian trích ly ngn • Tính chn lc cao nên dch trích ít tp cht, tit kim chi phí và thi gian cho quá trình tinh sch • Do CO 2 là loi dung môi có tính trơ v mt hoá hc nên các phn ng ph ít xy ra, t ó dch trích cũng ít tp cht hơn •  tinh sch ca sn phNm cao hơn so vi các phương pháp trích ly truyn thng • Chi phí năng lưng cho quá trình trích ly ít hơn so vi các quy trình khác • Kh năng t ng hoá cao, có th iu khin t ng  quy mô công nghip. 1.1.2.2. hược điểm Do thit b cn hot ng  nhit  và áp sut ti hn ca dung môi cn s dng nên cn m bo tính an toàn lao ng cao. ng thi chi phí u tư cho thit b cũng rt tn kém.  án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt Trang 9 1.2. Cơ sở khoa học 1.2.1. Định nghĩa về lưu chất ở trạng thái siêu tới hạn Trng thái siêu ti hn là trng thái ca mt cht, hp cht hay hn hp mà nhit  và áp sut tn ti ca nó trên nhit  ti hn (T c ), áp sut ti hn (P c ) và dưi áp sut chuyn sang th rn ca cht ó. Hình 1. 1: Gin  áp sut- th tích-nhit  (PVT- pressure- volume- temperature) Hình 1. 2: Gin  áp sut- nhit  [...]... Minh Nguyệt Hình 2 2: Lưu đồ của một quá trình chiết xuất siêu tới hạn từ chất rắn 1: Buồng trích ly 6: Thùng chứa 2: Van giảm áp 7: Bộ phận giảm nhiệt 3: Bốc hơi 8: Bơm 4: Thiết bị phân riêng 9: Bộ phận gia nhiệt 5: Thiết bị ngưng tụ 2.2 Trích ly hợp chất từ chất rắn bằng lưu chất siêu tới hạn 2.2.1 guyên tắc Hầu hết công nghệ khai thác bằng chất lỏng siêu tới hạn được phát triển và thực hiện trên nguyên... học công nghệ thực phN m GVHD: ThS Tôn Nữ Minh Nguyệt Chương 2: QUÁ TRÌ H TRÍCH LY BẰ G LƯU CHẤT SIÊU TỚI HẠ 2.1 Quá trình trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn Trong thập kỷ vừa qua, công nghệ sử dụng chất lỏng siêu tới hạn đã có nhiều tiến bộ, chủ yếu do sự gia tăng đáng kể trong các hoạt động nghiên cứu và phát triển tập trung vào những xu hướng mới trong thực phN dược phN và trích ly thành phần hóa... nghệ thực phN m GVHD: ThS Tôn Nữ Minh Nguyệt 1.2.2 guyên lý tạo thành lưu chất siêu tới hạn Trạng thái của một chất biến đổi khi thay đổi các thông số trạng thái của chất đó Nguyên tắc tạo trạng thái siêu tới hạn của một chất là hiệu chỉnh nhiệt độ và áp suất của chất đó phải lớn hơn nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn của chính nó Bảng 1 1: hiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn của một số chất thông dụng. .. biệt Khi một chất bị nén và gia nhiệt đến một áp suất và nhiệt độ cao hơn điểm tới hạn thì chất đó chuyển sang một trạng khác được gọi là trạng thái siêu tới hạn Nhiệt độ, áp suất và thể tích mol của một chất ở điểm tới hạn được gọi là nhiệt độ tới hạn (Tc), áp suất tới hạn (Pc) và thể tích mol tới hạn (Vc) tương ứng Các tham số trên được gọi là hằng số tới hạn Mỗi chất có một hằng số tới hạn nhất định... GVHD: ThS Tôn Nữ Minh Nguyệt Hình 2 4: Lưu đồ của một quá trình trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn Ngoài ra, dòng hồi lưu của quá trình cải thiện tính chọn lọc của quá trình trích ly Các chất chiết xuất và dung môi ra khỏi cột từ trên, trong khi các phần vật liệu nặng, hay pha raffinate, được thu nhận từ phía dưới Cột trích ly ngược dòng được làm nóng bằng điện hoặc bằng nước nóng với vỏ áo bên ngoài... học, nguyên liệu chất lỏng chảy nhớt được bơm vào thân thiết bị Bằng cách thêm các dung môi siêu tới hạn, độ nhớt của sản phN giảm, tạo điều kiện cho m quá trình trộn và làm giảm mô men xoắn Các dòng dung môi siêu tới hạn chảy qua nguyên liệu nhớt và chiết xuất các hợp chất hòa tan Lưu chất siêu tới hạn và các chiết xuất rời thiết bị trích ly từ đỉnh Khi trích ly xong, các nguyên liệu sau trích có thể... xuất bằng lưu chất siêu tới hạn từ chất rắn Dung môi được làm mát trước khi bơm, đảm bảo là pha lỏng để tránh các vấn đề xâm thực Các dung môi tăng áp được làm nóng trên nhiệt độ tới hạn của nó, đến nhiệt độ khai thác trước khi vào thiết bị trích ly Các thiết bị trích ly được làm đầy bởi dòng nhập liệu, là điện, nước nóng ở nhiệt độ khai thác Các dung môi siêu tới hạn chảy qua lớp cố định và các hợp chất. .. truyền m khối giữa dung môi và chất tan (ví dụ, trong các loại hạt và đậu) Chẳng hạn độ N là từ 3% đến m 10% nói chung không có tác động đáng kể lên quá trình truyền khối của các hạt lấy dầu 2.3 Trích ly hợp chất từ chất lỏng bằng lưu chất siêu tới hạn 2.3.1 guyên tắc Khi nguyên liệu nhập liệu ở trạng thái lỏng, quá trình trích ly thường được thực hiện trong cột trích ly ngược dòng Phần nguyên liệu... quá trình trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn bao gồm hai bước: trích ly của các thành phần hòa tan trong dung môi siêu tới hạn và phân riêng các chất chiết xuất từ dung môi Quá trình trích ly có thể được áp dụng cho một hệ rắn, lỏng, hoặc nhớt Dựa vào mục tiêu khai thác, hai trường hợp khác nhau có thể được xem xét: 1) Phân riêng vật liệu cần tách Trong trường hợp này, đối tượng là sản phN thực phN... cho công nghệ trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn dần thay thế phương pháp trích chiết dung môi truyền thống Mục tiêu của chương này là đánh giá tổng thể quá trình trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn, mô tả quá trình và thảo luận về ảnh hưởng của các thông số công nghệ Ngoài ra, chương này còn cung cấp tổng quan về các thành phần chính của một thiết bị lưu chất siêu tới hạn khi khai thác trong nhà . 20 Chương 2: Quá trình trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn 22 2.1. Quá trình trích ly bng lưu cht siêu ti hn 22 2.2. Trích ly hp cht t cht rn bng lưu cht siêu ti hn 25 2.2.1 Giới thiệu kĩ thuật trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn 1.1.1. Lịch sử phát triển Quá trình trích ly bng dung môi là mt phương pháp lâu i, khoa hc v phương pháp trích ly bng dung môi. Khoa Kỹ Thuật Hóa Học Bộ Môn Công ghệ Thực Phm                  Đồ án chuyên ngành ỨG DỤG KỸ THUẬT TRÍCH LY CAROTEOIDS TỪ THỰC VẬT BẰG LƯU CHẤT