Độ chín Nguyên liệu phải được khảo sát, theo dõi chặt chẽ để xem khi nào là thời điểm thu hoạch tốt nhất độ tuổi, thời thiết, mùa màng, giờ thu hái… để đảm bảo hàm lượng của các hợp chấ
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC
Trang 2MỤC LỤC
1 Khái quát về các hợp chất thiên nhiên 4
1.1 Định nghĩa 4
1.2 Phân loại 4
1.2.1 Dựa vào tính thiết yếu đối động thực vật 4
1.2.1.1 Chất trao đổi sơ cấp 4
1.2.1.2 Chất trao đổi thứ cấp 4
1.2.2 Dựa vào bộ khung carbon, các nhóm chức và theo tính phổ biến của hợp chất 4
2 Điều kiện nguyên liệu để chiết xuất hợp chất thiên nhiên 5
2.1 Độ chín 5
2.2 Độ tươi 5
2.3 Độ sạch 5
3 Yêu cầu chung của các phương pháp chiết xuất 5
4 Các phương pháp chiết xuất 6
4.1 Chưng cất lôi cuốn hơi nước 6
4.1.1 Nguyên tắc chung 6
4.1.2 Chưng cất lôi cuốn hơi nước trực tiếp 6
4.1.3 Chưng cất cách thủy 6
4.1.4 Chưng cất lôi cuốn hơi nước gián tiếp 7
4.1.5 Ưu – nhược điểm 7
4.1.6 Ứng dụng 8
4.1.6.1 Một số kết quả nghiên cứu 8
4.1.6.2 Chưng cất lôi cuốn hơi nước thu tinh dầu của vỏ quả họ Citrus 9
4.2 Trích ly bằng dung môi 11
4.2.1 Giới thiệu 11
4.2.2 Trích ly bằng dung môi dễ bay hơi 11
4.2.2.1 Nguyên tắc 11
4.2.2.2 Yêu cầu của dung môi 11
4.2.2.3 Nhận xét 12
4.2.2.4 Phương pháp chiết bằng Soxhlet 12
4.2.3 Trích ly bằng dung môi không bay hơi 13
4.2.3.1 Nguyên tắc 13
4.2.3.2 Yêu cầu của dung môi 13
Trang 34.2.3.3 Nhận xét 14
4.2.3.4 Phương pháp chiết ngâm dầm 14
4.2.3.5 Phương pháp chiết ngấm kiệt 14
4.2.4 Ứng dụng nghiên cứu chiết tách alkaloid của rễ cây dừa cạn hoa hồng bằng thiết bị soxhlet 15
4.2.4.1 Giới thiệu cây dừa cạn hoa hồng 15
4.2.4.2 Thực nghiệm 16
4.3 Trích ly bằng CO2 siêu tới hạn 18
4.3.1 Nguyên lý 18
4.3.2 Ứng dụng của phương pháp tách chiết siêu tới hạn 19
4.3.2.1 Hệ thống tách chiết siêu tới hạn 19
4.3.2.2 Ứng dụng của quy trình SFE 20
4.3.3 Ưu điểm và khuyết điểm của phương pháp CO2 siêu tới hạn so với các phương pháp truyền thống 20
4.3.3.1 Ưu điểm 20
4.3.3.2 Khuyết điểm 21
4.4 Các phương pháp khác 21
4.4.1 Phương pháp ly trích có hỗ trợ vi sóng 21
4.4.2 Phương pháp sử dụng sóng siêu âm 23
TÀI LIỆU THAM KHẢO 24
Trang 41 Khái quát về các hợp chất thiên nhiên
1.1 Định nghĩa
Hợp chất thiên nhiên là các chất hóa học có nguồn gốc từ thiên nhiên hoặc được con người tách ra từ các loại động vật, thực vật trong tự nhiên có hoạt tính sinh học hoặc có tác dụng dược học dùng để làm thuốc
Ngành hóa học chuyên nghiên cứu để chiết tách và chuyển hóa các hợp chất tự nhiên gọi là ngành hóa học các hợp chất thiên nhiên
1.2 Phân loại
1.2.1 Dựa vào tính thiết yếu đối động thực vật
1.2.1.1 Chất trao đổi sơ cấp
Là những chất thiên nhiên cần thiết cho sự sống
Ví dụ: carbonhydrat, protein, acid nucleic, lipid và dẫn xuất của chúng
Các hợp chất này được sản sinh từ các cơ thể sống, không phụ thuộc vào loài Quá trình trong đó các chất trao đổi sơ cấp được tạo thành được gọi là quá trình trao đổi sơ cấp
1.2.1.2 Chất trao đổi thứ cấp
Là những hợp chất thiên nhiên không hẳn không cần thiết cho sự sống của động thực vật
Ví dụ: terpenoid, steroid, flavonoid, alkaloid…
Các chất trao đổi thứ cấp thường phụ thuộc nhiều vào loài
Chúng là sản phẩm của quá trình trao đổi thứ cấp
1.2.2 Dựa vào bộ khung carbon, các nhóm chức và theo tính phổ biến của hợp chất
Chất béo – lipid
Hydratcarbon – glucid (monosaccharid, oligosaccharid, polysaccharid)
Acid amin – protid
Terpenoid (monoterpen, sesquiterpen, diterpen, triterpen…)
Trang 52 Điều kiện nguyên liệu để chiết xuất hợp chất thiên nhiên
2.1 Độ chín
Nguyên liệu phải được khảo sát, theo dõi chặt chẽ để xem khi nào là thời điểm thu hoạch tốt nhất (độ tuổi, thời thiết, mùa màng, giờ thu hái…) để đảm bảo hàm lượng của các hợp chất trong nguyên liệu là cao nhất
Thông thường, nếu là hoa thì nên thu hoạch lúc hoa sắp nở, nếu là trái thường là lúc trái chín đều, nếu là các cây thân thảo, lấy phần trên mặt đất nên thu hái vào lúc hoa bắt đầu nở Nếu lấy vỏ gỗ thì tùy vào tuổi cây, nếu là rễ, củ nên thu hoạch khi cây trưởng thành Tùy vào loại cây có thể thu hoạch vào nhiều lần Khi thu hoạch cần phải
để lại một lượng lá thích hợp để cây thực hiện việc quang hợp
2.2 Độ tươi
Nguyên liệu bị khô, dập, úng… sẽ ảnh hưởng đến hàm lượng và chất lượng của các hợp chất Nên tránh để dồn đống nguyên liệu dẫn đến sự phát nhiệt bên trong do quá trình hô hấp làm thối rữa nguyên liệu Cần trải mỏng nguyên liệu, phơi héo đến độ héo thích hợp Nếu nguyên liệu là loại khó bảo quản thì địa điểm chiết xuất cần đặt gần nơi thu hoạch
3 Yêu cầu chung của các phương pháp chiết xuất
Đơn giản, thích hợp, thuận tiện và nhanh chóng
Tách tương đối triệt để, khai thác được hết các hợp chất có trong nguyên liệu với chi phí thấp
Quy trình khai thác phải phù hợp nguyên liệu
Hiệu suất phải cao hơn 95%
Đảm bảo độ tinh khiết của thành phẩm
Trang 64 Các phương pháp chiết xuất
4.1 Chưng cất lôi cuốn hơi nước
4.1.1 Nguyên tắc chung
Đây là phương pháp dùng để ly trích những hợp chất thiên nhiên dễ bay hơi
Phương pháp này dựa trên nguyên lý của quá trình chưng cất một hỗn hợp không tan lẫn vào nhau Khi hỗn hợp này được gia nhiệt, hai chất đều bay hơi Nếu áp suất của hơi nước cộng với áp suất của hợp chất thiên nhiên bằng với áp suất môi trường,
thì hỗn hợp sôi và hợp chất thiên nhiên được lấy ra cùng với hơi nước
4.1.2 Chưng cất lôi cuốn hơi nước trực tiếp
Nguyên liê ̣u và nước được cho vào trong cùng một thiết bi ̣ Khi đun sôi, hơi nước bay ra sẽ cuốn theo hơi hợp chất thiên nhiên, ngưng tu ̣ hơi bay ra sẽ thu được hỗn hợp gồm nước và hợp chất thiên nhiên, hai thành phần này không tan vào nhau nên dễ dàng tách ra khỏi nhau
Sự chưng cất này thường không thích hợp với những hợp chất thiên nhiên dễ bị thủy giải Những nguyên liệu xốp và rời rạc rất thích hợp để chưng cất trực tiếp
Phương pháp này đơn giản , thiết bi ̣ rẻ tiền và dễ chế ta ̣o , phù hợp với những cơ sở sản xuất nhỏ, vốn đầu tư ít Tuy nhiên, phương pháp này còn mô ̣t vài nhược điểm như hiê ̣u suất thấp, chất lượng không cao do nguyên liê ̣u tiếp xúc trực tiếp với thiết bi ̣ nên dễ bi ̣ cháy khét, khó điều chỉnh các thông số kỹ thuật như tốc đô ̣ và nhiê ̣t đô ̣ chưng cất, thời gian chưng cất kéo dài, tốn năng lượng
4.1.3 Chưng cất cách thủy
Nguyên liê ̣u và nước được ch o vào trong cùng một thiết bi ̣ , nhưng nguyên liệu không tiếp xúc trực tiếp với nước mà được ngăn cách bằng một lớp vỉ Hơi nước từ phần dưới đi qua lớp vỉ, sau đó đi vào lớp nguyên liệu và kéo theo hơi hợp chất thiên nhiên đi ra thiết bị làm lạnh
Để nguyên liệu được tiếp xúc tối đa với hơi nước thì nguyên liệu phải có kích thước đồng đều
Phương pháp này thích hợp cho những loa ̣i nguyên liê ̣u không chi ̣u được nhiê ̣t đô ̣ cao, phù hợp với những cơ sở sản xuất có quy mô trung bình
So với phương pháp trên, phương pháp này có ưu điểm hơn , nguyên liê ̣u ít bi ̣ cháy khét vì không tiếp xúc trực tiếp với đáy thiết bị Tuy nhiên, chất lượng và việc điều khiển các thông số kỹ thuật chưa được cải thiện đáng kể
Trang 74.1.4 Chưng cất lôi cuốn hơi nước gián tiếp
Hơi nước tạo ra từ nồi hơi, thường có áp suất cao hơn không khí, được đưa thẳng vào bình chưng cất
Chưng cất gián tiếp thường dùng để chưng cất tinh dầu từ các nguyên liệu thực vật, phù hợp với những cơ sở sản xuất lớn
Phương pháp này cùng mô ̣t lúc có thể phu ̣c vu ̣ đươ ̣c cho nhiều thiết bi ̣ chưng cất , điều kiê ̣n làm viê ̣c của công nhân nhe ̣ nhàng hơn , dễ cơ khí hóa và tự đô ̣ng hóa các công đoa ̣n sản xuất , khống chế tốt hơn các thông số công nghê ̣ , rút ngắn được thời gian sản xuất Ngoài ra, phương pháp này đã khắc phu ̣c được tình tra ̣ng nguyên liê ̣u bi ̣ khê, khét và nếu theo yêu cầu của công nghệ thì có thể dùng hơi quá nhiệt , hơi có áp suất cao để chưng cất Tuy nhiên, đối với mô ̣t số tinh dầu trong điều kiê ̣n chưng cất ở nhiê ̣t đô ̣ và áp suất cao sẽ bi ̣ phân hủy làm giảm chất lượng Hơn nữa, các thiết bị sử dụng trong phương pháp này khá phức tạp và đắt tiền
4.1.5 Ưu – nhược điểm
Ưu điểm:
+ Thiết bị gọn nhẹ, dễ chế tạo
+ Quy trình kỹ thuật tương đối đơn giản hơn so với các phương pháp khác + Không sử dụng nhiều vật liệu phụ như các phương pháp trích ly, hấp thụ + Thời gian chưng cất tương đối nhanh
+ Hiệu suất tách khá cao Sản phẩm là tinh dầu thu được có thể được chưng cất phân đoạn ở áp suất thấp để nâng cao hàm lượng các cấu tử cần thiết
+ Trong quá trình chưng cất , có thể phân chia các cấu tử trong hỗn hợp bằng cách ngưng tụ từng phần theo thời gian
Nhược điểm:
+ Nếu sản phẩm là tinh dầu thì chất lượng có thể bị ảnh hưởng khi trong tinh dầu có những cấu phần dễ bị phân hủy và trong nước chưng luôn luôn có một lượng tinh dầu tương đối lớn
+ Không lấy được các loại nhựa và sáp có trong nguyên liệu
+ Những tinh dầu có nhiệt độ sôi cao thường cho hiệu suất rất kém
+ Không áp du ̣ng phương pháp chưng cất vào những nguyên liê ̣u có hàm lươ ̣ng thấp vì thời gian chưng cất sẽ kéo dài, tốn rất nhiều hơi và nước ngưng tu ̣
Trang 84.1.6 Ứng dụng
4.1.6.1 Một số kết quả nghiên cứu
Tách tinh dầu từ rau má
Thời gian chưng cất tối ưu: 3 giờ
Tỉ lệ nguyên liệu/thể tích nước tối ưu: 300g/100ml
Thời gian héo nguyên liệu: 2 giờ
Tách tinh dầu từ củ riềng
Thời gian chưng cất tối ưu: 3 giờ
Tỉ lệ nguyên liệu/thể tích nước tối ưu: 100g/300ml
Thời gian chưng cất tối ưu: 16 giờ
Tỉ lệ nguyên liệu/thể tích nước tối ưu: 250g/400ml
Tách tinh dầu từ quả quất
Thời gian chưng cất tối ưu: 90 phút
Tỷ lệ khối lượng vỏ tươi/thể tích nước tối ưu: 100g/250ml
Trang 94.1.6.2 Chưng cất lôi cuốn hơi nước thu tinh dầu của vỏ quả họ Citrus
Tinh dầu từ họ quả Citrus có hàm lượng lớn và được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực hương liệu, mỹ phẩm và thực phẩm Họ Citrus có tinh dầu chứa trong các túi chứa tinh dầu trong vỏ quả với hàm lượng khá lớn và thường được tách bởi phương pháp cơ học hoặc chưng cất lôi cuốn hơi nước
Sơ đồ quy trình công nghệ:
Trang 10Nước ra
Sinh hàn
Bình cầu Bếp
Nước vào
Bộ tách tinh dầu
Quả họ Citrus (cam, chanh, quýt, bưởi…) rửa sạch, gọt lấy phần vỏ xanh phía ngoài, xay nhuyễn trong máy xay sinh tố (kích thước khoảng 2x2 mm) Lưu ý chỉ tiến hành xay nguyên liệu khi chuẩn bị chưng cất, không xay tất cả một lúc
Cân 100g nguyên liệu cho vào bình cầu cùng với dung môi cất là nước, tỷ lệ nước:nguyên liệu là 3:1, lắp đặt hệ thống như hình vẽ và tiến hành chưng cất
Lượng tinh dầu thu được sau đó tiến hành làm khan với Na2SO4 khan
Tinh dầu cam, chanh, quýt thu được bằng phương pháp này chứa nhiều terpen và sesquiterpen nên dễ bị oxy hóa ở điều kiện thường, do đó sau khoảng 5 tuần bảo quản
đã có mùi khó chịu
Thành phần terpen và sesquiterpen được tách bằng cách cho tinh dầu thu được từ
Trang 11phương pháp chưng lôi cuốn hơi nước hòa tan trong ethanol 960
, tinh dầu sẽ hòa tan hoàn toàn, sau đó thêm nước cất vào để hạ nồng độ ethanol đến 650, các dạng terpen sẽ không hòa tan ở cồn thấp độ nổi lên trên sẽ được lọc bỏ
4.2.2 Trích ly bằng dung môi dễ bay hơi
4.2.2.1 Nguyên tắc
Sử dụng dung môi thích hợp để hòa tan những cấu tử trong nguyên liệu đã được
xử lý thành dạng thích hợp, ở nhiệt độ phòng Dung môi chiết sẽ ngấm qua thành tế bào của nguyên liệu, các hợp chất trong tế bào sẽ hòa tan vào dung môi, sau đó sẽ xuất hiện quá trình thẩm thấu giữa dịch chiết bên trong và dung môi bên ngoài do chênh lệch nồng độ Sau khi trích ly phải thực hiện quá trình tách dung môi ở áp suất thấp để thu được tinh dầu
4.2.2.2 Yêu cầu của dung môi
Có nhiệt độ sôi thấp, nhưng không quá thấp để hạn chế tổn thất dung môi và thuận tiện trong việc ngưng tụ hơi dung môi
Không tương tác hóa học đối với tinh dầu
Có khả năng thu hồi tái sử dụng
Độ nhớt thấp để không làm giảm tốc độ khuếch tán
Có khả năng hòa tan tinh dầu lớn, nhưng ít hòa tan tạp chất, không được hòa tan nước để tránh làm loãng dung môi và hạn chế khả năng hòa tan tinh dầu của dung môi
Trang 12Dung môi phải tinh khiết, không được ăn mòn thiết bị, không gây mùi lạ và ít độc hại với người sử dụng
Khi bay hơi dung môi không để lại cặn
Dung môi phải rẻ tiền và dễ kiếm
4.2.2.3 Nhận xét
Hiện nay chưa có dung môi nào đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu trên, tùy từng trường hợp cụ thể mà có thể chọn được dung môi thích hợp
Trong trích ly bằng dung môi thì tỷ lệ hay dùng là 1: 8 đến 1:12
Chiết động: khuấy mạnh, thời gian chiết ngắn, nhưng nhược điểm là có O2 vào dung dịch nên có thể oxy hóa các hợp chất dễ bị oxy hóa
Chiết tĩnh (ngâm): khuấy nhẹ rồi để yên ngâm, thời gian kéo dài nhưng hạn chế được sự oxy hóa
Chiết động hay dùng cho những hợp chất khó đi qua thành tế bào
4.2.2.4 Phương pháp chiết bằng Soxhlet
Hình 4.2 : Chiết bằng thiết bị Soxhlet
Dụng cụ: gồm một bình cầu A đặt trong bếp đun có thể điều chỉnh nhiệt độ Một
bộ phận chứa mẫu bột cây, gồm 3 ống: ống D có đường kính lớn được đặt ở giữa để chứa bột cây Ống B có đường kính trung bình để dẫn dung môi từ bình A bay lên đi
Trang 13vào ống D chứa bột cây Ống E có đường kính nhỏ là ống thông nhau để dẫn dung môi
từ D trả ngược trở lại bình cầu A Trên cao nhất là ống C ngưng hơi
Thực hiện: bột cây xay khô được đặt trực tiếp trong ống D hoặc trong túi vải để dễ lấy bột cây ra khỏi máy Không được để lượng bột cây trong ống D cao vượt quá hơn mức cong của ống thông nhau E
Rót dung môi đã lựa chọn vào bình cầu Kiểm tra hệ thống kín, mở nước chảy hoàn lưu trong ống ngưng hơi Cắm bếp điện và điều chỉnh nhiệt sao cho dung môi trong bình cầu sôi nhẹ đều Dung môi tinh khiết khi được đun nóng sẽ bốc hơn lên cao, theo ống B lên cao hơn rồi theo ống ngưng hơi để lên cao nữa, nhưng tại đây hơi dung môi bị ống ngưng hơi làm lạnh, ngưng tụ thành thể lỏng, rớt thẳng xuống ống D đang chứa bột cây Dung môi ngấm vào bột cây và chiết những chất hữu cơ nào có thể hòa tan vào dung môi Theo quá trình đun nóng, lượng dung môi rơi vào ống D càng nhiều, mức dung môi dâng lên cao trong ống D và đồng thời cũng dâng cao trong ống
E, đây là ống thông nhau Đến một mức cao nhất trong ống E, dung môi sẽ bị hút về bình cầu A, lực hút này sẽ rút ra hết lượng dung môi đang chứa trong ống D
Bếp vẫn tiếp tục đun và một quy trình mới vận chuyển dung môi như ban đầu Các hợp chất được hút xuống bình cầu và nằm tại đó, chỉ có dung môi tinh khiết là được bốc hơi bay lên để tiếp tục quá trình chiết Tiếp tục đến khi chiết kiệt chất trong bột cây
Sau khi hoàn tất, lấy dung môi chiết ra khỏi bình cầu A, đuổi dung môi thu được cao chiết
4.2.3 Trích ly bằng dung môi không bay hơi
4.2.3.1 Nguyên tắc
Dựa vào tính chất có thể hòa tan trong chất béo động vật và thực vật của tinh dầu, người ta ngâm nguyên liệu vào dầu động vật hay thực vật, tinh dầu sẽ khuếch tán qua màng tế bào hòa tan vào dầu, sau đó tách riêng dầu để thu tinh dầu
Ngâm nguyên liệu trong dầu thực chất là phương pháp trung gian giữa hấp thụ và trích ly
Phương pháp ngâm chủ yếu sử dụng đối với những nguyên liệu dễ hỏng như hoa
4.2.3.2 Yêu cầu của dung môi
Phụ thuộc nhiều vào chất lượng dầu béo, do đó dầu béo phải đáp ứng các yêu cầu sau: