Nghiên cứu chiết dầu cám gạo bằng phương pháp dùng dung môi siêu CO2 tới hạn

Header Page of 116 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA Y DƯỢC NGUYỄN NGỌC TÙNG NGHIÊN CỨU CHIẾT DẦU CÁM GẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÙNG DUNG MÔI CO2 SIÊU TỚI HẠN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH DƯỢC Hà Nội – 2017 Footer Page of 116 Header Page of 116 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA Y DƯỢC NGUYỄN NGỌC TÙNG NGHIÊN CỨU CHIẾT XUẤT DẦU CÁM GẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÙNG DUNG MÔI CO2 SIÊU TỚI HẠN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH DƯỢC KHÓA : QH.2012.Y NGƯỜI HƯỚNG DẪN : Ths ĐÀO ANH HOÀNG Ths NGUYỄN VĂN KHANH Hà Nội – 2017 Footer Page of 116 Header Page of 116 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thạc sĩ Đào Anh Hoàng (Khoa Bào chế - Chế biến, Viện Dược liệu) Thạc sĩ Nguyễn Văn Khanh (Bộ môn Bào Chế Công nghệ dược phẩm, Khoa Y Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội), người hướng dẫn khoa học, giúp đỡ trình thực khóa luận Tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Thanh Hải, Chủ nhiệm Bộ môn bào chếvà Công nghệ dược phẩm (Khoa Y Dược, Đại học quốc gia Hà Nội) tạo điều kiện, cung cấp sở vật chất, trang thiết bị cho thực đề tài Tôi xin thành cảm ơn Dược sĩ Nguyễn Thị Huyền (Bộ môn bào chế Công nghệ Dược phẩm Khoa Y Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội), tạo điều kiện hướng dẫn sử dụng máy chiết xuất SFE500 Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu phòng ban liên quan tạo điều kiện thuận lợi cho hoàn thành khóa học, thầy cô trang bị kiến thức mới, hữu ích thời gian học tập Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè người thân động viên, tin tưởng Hà Nội, ngày 28 tháng năm 2017 Sinh viên NGUYỄN NGỌC TÙNG Footer Page of 116 Header Page of 116 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Footer Page of 116 Ký hiệu Chú giải C1 Cám xát C2 Cám xoa C2m Cám mịn TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam SCO2 CO2 siêu tới hạn Header Page of 116 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Điểm tới hạn số dung môi thông dụng Bảng 1.2 Hàm lượng số chất dầu cám gạo 12 Bảng 2.1 Hóa chất nghiên cứu 17 Bảng 3.1 Độ hấp thụ quang γ-oryzanol chuẩn nồng độ khác 22 Bảng 3.2.Kết đánh giá sơ cám nguyên liệu 23 Bảng 3.3 Kết khảo sát hàm lượng acid béo tự cám trước sau xử lý nhiệt 24 Bảng 3.4.Hiệu suất dầu cám gạo chiết hàm lượng γ–oryzanol thay đổi thời gian chiết 25 Bảng 3.5.Hiệu suất dầu cám gạo chiết hàm lượng γ–oryzanol thay đổi Áp suất chiết 26 Bảng 3.5.Hiệu suất dầu cám gạo chiết hàm lượng γ–oryzanol thay đổi nhiệt độ chiết 28 Bảng 3.7:Hiệu suất dầu cám gạo chiết hàm lượng γ–oryzanol thay đổi tốc độ dòng CO2 áp suất 400 bar nhiệt độ 60ºC Footer Page of 116 29 Header Page of 116 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Đồ thị biểu diễn trạng thái chất vùng siêu tới hạn Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ chiết CO2 Hình 1.3 Chu trình trạng thái CO2 trình chiết Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc hạt thóc 11 Hình 1.5 Công thức cấu tạo cấu tử γ-oryzanol 13 Hình 3.1 Phổ hấp thụ γ-oryzanol chuẩn dung môi heptan 21 Hình 3.2 Đường chuẩn phụ thuộc độ hấp thụ quang nồng độ γoryzanol 22 Hình 3.3 Biểu đồ biểu diễn thay đổi hàm lượng acid béo tự theo thời gian 24 Hình 3.4 Hiệu suất dầu cám gạo chiết hàm lượng γ–oryzanol thay đổi thời gian chiết 25 Hình 3.5 Hiệu suất dầu cám gạo chiết hàm lượng γ–oryzanol thay đổi áp suất chiết 27 Hình 3.6 Hiệu suất dầu cám gạo chiết hàm lượng γ–oryzanol thay nhiệt độ chiết 28 Hình 3.7 Hiệu suất dầu cám gạo chiết hàm lượng γ–oryzanol thay đổi tốc độ dòng CO2 áp suất 400 bar nhiệt độ 60ºC Footer Page of 116 30 Header Page of 116 MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ Chương 1.TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ chiết tách phương pháp CO2 trạng thái siêu tới hạn (SCO2) 1.1.1 Sơ lược phương pháp chiết sử dụng dung môi trạng thái siêu tới hạn 1.1.2 Phương pháp chiết CO2 siêu tới hạn 1.1.3 Ưu điểm dung môi CO2 siêu tới hạn 1.1.4 Ứng dụng phương pháp SCO2 giới 10 1.2 Thành phần hóa học cám gạo dầu cám gạo 11 1.3 Công dụng cám gạo dầu cám gạo 13 1.3.1 Công dụng cám gạo 13 1.3.2 Công dụng dầu cám gạo 14 1.3.3 Tác dụng dược lý γ- oryzanol 14 1.4 Các nghiên cứuchiết xuất dầu cám gạo CO2 siêu tới hạn 15 Chương 2.Đối tượng phương pháp nghiên cứu 17 2.1.Đối tượng nghiên cứu 17 2.1.1Đối tượng nghiên cứu 17 2.1.2 Hóa chất nghiên cứu 17 2.1.3 Thiết bị, dụng cụ nghiên cứu 17 2.2 Nội dung nghiên cứu 18 2.3 Phương pháp nghiên cứu 18 2.3.1 Xây dựng phương pháp định lượng γ-oryzanol dầu cám gạo 18 2.3.2 Khảo sát điều kiện chiết xuất 19 2.3.3 Xác định số acid, độ acid 19 2.3.4 Hiệu suất dầu cám gạo 20 Chương Kết thảo luận 21 Footer Page of 116 Header Page of 116 3.1 Kết thí nghiệm 21 3.1.1 Xây dựng phương pháp định lương γ-oryzanol 21 3.1.2 Xử lý ổn định chất lượng cám gạo 23 3.2.2 Khảo sát điều kiện chiết xuất 24 3.2 Thảo luận 30 Chương 4.Kết Luận……………………………………………………………… 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO Footer Page of 116 Header Page of 116 ĐẶT VẤN ĐỀ Gạo lương thực chủ yếu 50% dân số toàn cầu, chiếm 20% tổng lượng lương thực tiêu thụ hàng năm Sản lượng lúa gạo giới đạt 700 - 800 triệu tấn.Việt Nam nước có nông nghiệp lâu đời, lúa trở thành lương thực chủ yếu có ý nghĩa quan trọng đời sống kinh tế nông nghiệp Việt Nam nước sản xuất lúa gạo đứng thứ giới, xuất lúa gạo lớn thứ 2, tổng sản lượng lúa gạo đạt 40 - 50 triệu tấn/năm Quá trình sản xuất gạo tạo cám gạo, chiếm 10% khối lượng hạt thóc, coi phụ phẩm nông nghiệp, dùng làm thức ăn chăn nuôi xuất dạng nguyên liệu thô Tuy nhiên, cám gạo có chứa nhiều chất dinh dưỡng protein, lipid, chất xơ, vitamin nhiều chất có hoạt tính sinh học cao γ-oryzanol, acid ferulic, tocotrienol, tocopherols, phystosterols, acid phytic, inositol, acid gamma amino butyric[4, 14, 17].Trong đó, γoryzanol chất dầu cám gạo chứng minh có số tác dụng giảm cholesterol, hạ lipid máu, hạ glucose máu bệnh nhân tiểu đường type 2, tăng cường chức dày, gan, ức chế tế bào ung thư đại tràng, dày, chống lão hóa, chống oxy hóa, giữ ẩm, làm trắng, bảo vệ da Các nước có công nghệ cao (Mỹ, Nhật) sản xuất lúa gạo lớn (Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Indonesia,…) phát triển công nghệ chiết xuất sản phẩm từ cám gạo như: dầu cám gạo tinh chế, γ-oryzanol làm nguyên liệu cho mỹ phẩm, thực phẩm chức sản phẩm chăm sóc da từ cám gạo để gia tăng giá trị hạt lúa gạo [4,28,39] Hiện giới, công nghệ chiết sử dụng dung môi CO2 siêu tới hạn để sản xuất dược chất hương liệu có nguồn gốc từ thiên nhiên, kĩ thuật phát triển cạnh tranh với kỹ thuật truyền thống có ưu vượt trội, tạo sản phẩm có độ tinh khiết cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trườngvà không để lại dư lượng hóa chất có hại cho sức khỏe người Đây tiêu chí quan trọng việc sản xuất chế phẩm hóa dược, mỹ phẩm thực phẩm [33,34,27] Để góp phần nâng cao giá trị lúa gạo, tạo sở cho sản xuất chế phẩm có tác dụng hóa mỹ phẩm, thực phẩm, chúng tôithực đề tài "Nghiên cứu chiết dầu cám gạo phương pháp dùng dung môi siêu CO2 tới hạn" với mục tiêu: - Khảo sát số điều kiện chiết dầu cám gạo sử dụng dung môi CO2 siêu tới hạn Footer Page of 116 Header Page 10 of 116 - Đánh giá hàm lượng γ-oryzanolcủa dầu cám gạo chiết Footer Page 10 of 116 Header Page 31 of 116 - Cám xát (C1) phần cám thu lần xát thứ nhất, cám có màu vàng đậm, bao gồm có vỏ trấu, phần gạo, lớp cám - Cám xoa (C2) phần cám thu đánh bóng hạt gạo sau xát lần thứ nhất, cám có màu trắng ngà, bao gồm có phần gạo, mầm hạt gạo, lớp cám bên - Trong trình nghiên cứu, chủ nhiệm đề tài tiến hành rây C2 qua cỡ rây 180µm, thu cám mịn (C2m) Kết khảo sát loại cám C1, C2 trình bày bảng Bảng 3.2 Kết đánh giá sơ cám nguyên liệu Tên mẫu Độ ẩm (%) (x ± SD) C1 Tỷ lệ khối cám (kl/kl) 60% 11,92±0,30 Hàm lượng dầu (%) (x ± SD) 16,23±0,85 C2 40% 10,25 ±0,32 9,15±0,59 Bộ trắng ngà, lẫn nhiều đầu gạo vun, mùi thơm 16,67 ±0,60 Bột mịn, trắng ngà, mùi thơm C2m Đặc điểm Màu vàng nâu, lẫn nhiều vỏ trấu, mùi thơm C2m : mẫu thu rây C2 qua rây 180 µm, khối lượng chiếm khoảng 30% mẫu C2 Kết cho thấy, phần cám xát có hàm lượng dầu cao Tuy nhiên, nghiên cứu đến phần cám mịn rây từ cám xoa (chủ yếu loại bỏ phần gạo vụn) hàm lượng dầu thu tương đương với cám xát Do đó, đề tài lựa chọn mẫu C2m để xử lý ổn định chất lượng Cám gạo sấy nhiệt độ 140oC 10 phút, sau sấy 900C đến khô thời gian 60 phút Hàm lượng acid béo tự định lượng thời điểm sau xay xát, sau sấy 0, 1, 2, 4, 6, tháng Kết thu sau: 25 Footer Page 31 of 116 Header Page 32 of 116 Bảng 3.3 Kết khảo sát hàm lượng acid béo tự cám trước sau xử lý nhiệt Thời điểm Sau tháng tháng xay xát tháng tháng tháng Hàm lượng acid béo tự 1,20 1,25 1,85 2,30 3,6 5,25 (%) Hình 3.3 Biểu đồ biểu diễn thay đổi hàm lượng acid béo tự theo thời gian Kết thay đổi hàm lượng acid béo tự cám gạo cho thấy phương pháp sấy tầng sôi ổn định chất lượng dầu cám gạo, làm bất hoạt tác dụng enzym lipase Cám gạo sau xử lý nhiệt bảo quản thời gian dài mà không bị phân hủy, có mùi ôi khét 3.1.3 Khảo sát điều kiện chiết xuất  Khảo sát khoảng thời gian chiết xuất Tiến hành chiết dầu cám gạo với thông số quy trình sau: - Khối lượng cám: 50g cám C2m - Nhiệt độ: 40ºC - Áp suất: 350 bar - Tốc độ dòng CO2: 25g/phút - Thời gian chiết: 30, 60, 120, 180 phút 26 Footer Page 32 of 116 Header Page 33 of 116 Hàm lượng γ–oryzanol tính công thức ghi mục 2.3.1 Hiệu suất dầu cám gạo tính theo công thức mô tả mục 2.3.4 Kết thu bảng 3.4 hình 3.4 Bảng 3.4 Hiệu suất chiết dầu cám gạo hàm lượng γ–oryzanol thay đổi thời gian chiết Hiệu suất chiết dầu Hàm lượng γ–oryzanol cám gạo thu (%) (%) 30 phút 6,82 0,27 60 phút 11,08 0,28 120 phút 14,48 0,27 180 phút 14,52 0,27 Thời gian (phút) Hình 3.4 Hiệu suất chiết dầu cám gạo hàm lượng γ–oryzanol thay đổi thời gian chiết Nhận xét: Khi tăng thời gian chiết hiệu suất dầu cám gạo tăng lên hàm lượng γ–oryzanol dầu cám không thay đổi (khoảng 0,27 – 0,28%) Tốc độ chiết dầu cám gạo giảm dần theo thời gian, lượng dầu chiết thời điểm 120 phút 180 phút tương đương 14,48% 14,52% Kết cho thấy sau 120 phút chiết xuất lượng dầu cám chiết kiệt Nguyên nhân sau lượng dầu cám đi, làm giảm tốc độ chiết dầu cám 27 Footer Page 33 of 116 Header Page 34 of 116 Kết luận: Như thời gian chiết ảnh hưởng tới hiệu suất chiết xuất, không ảnh hưởng tới hàm lượng γ–oryzanol dầu cám gạo Sau 120 phút dầu cám chiết gần hoàn toàn, thời gian chiết 120 phút sử dụng nghiên cứu  Khảo sát ảnh hưởng áp suất chiết Tiến hành chiết dầu cám gạo với thông số quy trình sau: - Khối lượng cám: 50g cám C2m - Nhiệt độ: 40ºC, - Áp suất: 350, 400, 450 bar - Tốc độ dòng CO2: 25g/phút - Thời gian chiết: 120 phút Hàm lượng γ–oryzanol tính công thức ghi mục 2.3.1 Hiệu suất dầu cám gạo tính theo công thức mô tả mục 2.3.4 Kết thu bảng 3.5 hình 3.5 Bảng 3.5: Hiệu suất chiết dầu cám gạo hàm lượng γ–oryzanol thay đổi áp suất chiết Áp suất (bar) Nhiệt độ (ºC) Hiệu suất chiết dầu cám gạo(%) Hàm lượng γ– oryzanol(%) 350 40 14,88 0,27 400 40 15,50 0,31 450 40 15,06 0,28 Hình 3.5 Hiệu suất chiết dầu cám gạo hàm lượng γ–oryzanol thay đổi áp suất chiết 28 Footer Page 34 of 116 Header Page 35 of 116 Nhận xét: Kết cho thấy thay đổi áp suất chiết, hiệu suất dầu cám gạo thu thay đổi không đáng kể (hiệu suất dầu cám gạo 350, 400, 450 bar 14,88%; 15,50%; 15,06%) Tuy nhiên có khác biệt chất lượng dầu cám (hàm lượng γ– oryzanol), áp suất 400 bar thu hàm lượng γ–oryzanol cao (0,31%) Khi giữ nhiệt độ 40oC, tăng dần áp suất chiết tỷ trọng CO2 tăng, tăng độ hòa tan dầu Tuy nhiên chiết áp suất cao (350 bar – 450 bar), ảnh hưởng áp suất chiết tới độ hòa tan dầu dung môi CO2 ít, khối lượng dầu cám thu áp suất thay đổi không nhiều Kết luận: Ở điều kiện chiết: áp suất 400 bar, nhiệt độ, 40ºC cho hiệu suất hàm lượng hàm lượng γ–oryzanol dầu cao áp suất chiết 400 bar lựa chọn sử dụng nghiên cứu  Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ chiết Tiến hành chiết dầu cám gạo với thông số quy trình sau: - Khối lượng cám:50g cám C2m - Nhiệt độ: 40ºC,60ºC,80ºC - Áp suất: 400 bar - Tốc độ dòng CO2:25g/phút - Thời gian chiết: 120 phút Hàm lượng γ–oryzanol tính công thức ghi mục 2.3.1 Hiệu suất dầu cám gạo tính theo công thức mô tả mục 2.3.4 Kết thu bảng 3.6 hình 3.6 Bảng 3.6 Hiệu suất chiết dầu cám gạo hàm lượng γ–oryzanol thay đổi nhiệt độ chiết Áp suất (bar) Nhiệt độ (ºC) Hiệu suất chiết dầu cám gạo (%) Hàm lượng γ– oryzanol(%) 400 40 15,5 0,31 400 60 16,27 0,50 400 80 10,52 0,44 29 Footer Page 35 of 116 Header Page 36 of 116 Hình 3.6 Hiệu suất chiết dầu cám gạo hàm lượng γ–oryzanol thay đổi nhiệt độ chiết Nhận xét: Từ kết thấy thay đổi nhiệt độ chiết, hiệu suất dầu cám gạo thu nhiệt độ 60ºC cao (16,27%), thấp nhiệt độ 80ºC (10,52%) Về chất lượng dầu cám (hàm lượng γ–oryzanol), nhiệt độ 60ºC thu hàm lượng γ–oryzanol cao so với nhiệt độ lại (0,5% so với 0,31% 0,44%) Khi giữ áp suất chiết cao 400 bar, tăng nhiệt độ từ 60ºC lên 80ºC tỷ trọng CO2 giảm, độ tan dầu, tốc độ khếch tán CO2 vào dầu cám giảm dẫn tới giảm hiệu suất chiết Như vậy, qua khảo sát điều kiện nhiệt độ áp suất cho thấy độ hiệu suất chiết, hàm lượng γ–oryzanol phụ thuộc vào khả hòa tan dầu dung môi CO2 siêu tới hạn Khả hòa tan chất dung môi CO2 siêu tới hạn có ảnh hưởng tỷ trọng CO2 áp suất dầu điều kiện áp suất, nhiệt độ khác [26] Kết luận: Điều kiện chiết xuất áp suất 400 bar, nhiệt độ 60ºC sử dụng nghiên cứu  Khảo sát ảnh hưởng tốc độ dòng CO2 Tiến hành chiết dầu cám gạo với thông số quy trình sau: - Khối lượng cám: 50g cám C2m - Nhiệt độ: 60ºC 30 Footer Page 36 of 116 Header Page 37 of 116 - Áp suất: 400 bar - Tốc độ dòng CO2: 20, 25, 30 g/phút - Thời gian chiết: 120 phút Hàm lượng γ–oryzanol tính công thức ghi mục 2.3.1 Hiệu suất dầu cám gạo tính theo công thức mô tả mục 2.3.4 Kết thu bảng 3.7 hình 3.7 Bảng 3.7 Hiệu suất chiết dầu cám gạo hàm lượng γ–oryzanol thay đổitốc độ dòng CO2 áp suất 400 bar nhiệt độ 60ºC Tốc độ dòng CO2 Hiệu suất chiết dầu Hàm lượng γ–oryzanol (g/phút) cám gạo (%) (%) 20 14,84 0,50 25 16,27 0,50 30 16,67 0,52 Hình 3.7 Hiệu suất chiết dầu cám gạo hàm lượng γ–oryzanol thay đổi tốc độ dòng CO2 áp suất 400 bar nhiệt độ 60ºC Nhận xét: Từ kết thấy tăng tốc độ dòng CO2 hiệu suất chiết dầu cám gạo tăng lên không nhiều, tốc độ dòng chiết CO2 30g/phút cho hiệu suất cao (16,67 %) Về chất lượng dầu cám (hàm lượng γ–oryzanol), tốc độ dòng 30 g/phút cao tốc độ dòng 20g/phút tốc độ dòng 25g/phút (0,52% so với 0,50%) Tuy nhiên khác biệt hiệu suất dầu cám gạo hàm lượng γ–oryzanol ba tốc độ dòng khác không đáng kể 31 Footer Page 37 of 116 Header Page 38 of 116 Nguyên nhân tăng tốc độ dòng CO2 tăng tỷ lệ số phân tử CO2 đơn vị khối lượng cám gạo, làm tăng tương tác phân tử CO2 cám, làm tăng hòa tan, làm tăng khả hòa tan dầu cám Mặt khác tăng tốc độ dòng CO2 làm tăng chuyển khối, làm tăng lượng dầu hòa tan [26] Vì vậy, trình chiết, để tiết kiệm CO2, lựa chọn tốc độ dòng CO2 20g/phút Kết luận: Từ khảo sát rút điều kiện chiết hiệu chiết giờ, áp suất 400 bar, nhiệt độ 60ºC,tốc độ dòng CO2: 20g/phút 3.2 Thảo luận  Phương pháp xử lý ổn định hàm lượng acid béo tự cám Lipid cám gạo bị phân hủy enzym lipase sau bị bóc tách khỏi hạt gạo, làm tăng hàm lượng acid béo tự cám gạo, làm cám gạo có mùi ôi, khó chịu Theo nghiên cứu, 24 đầu không xử lý, lượng acid béo tự cám gạo tăng lên 7-8%, cám gạo giá trị Bằng phương pháp xử lý nhiệt theo phương pháp sấy tầng sôi, cám gạo ổn định chất lượng, sau tháng bảo quản điều kiện thường, hàm lượng acid béo tự khoảng 5% Kết cho thấy, xử lý ổn định chất lượng cám gạo phương pháp sấy tầng sôi đem lại hiệu tốt, phương pháp có khả triển khai công nghiệp  Hàm lượng acid béo tự cám gạo Hàm lượng acid béo tự cám gạo cao, dẫn đến độ acid dầu cám chiết cao, làm giảm lượng dầu cám gạo thu sau tinh chế (Tiêu chuẩn dầu thực vật có độ acid