5. Bố cục luận án
1.7. Ứng dụng sóng siêu âm trong chiết xuất
Định nghĩa sóng siêu âm: Siêu âm là sóng cơ học hình thành do sự lan truyền dao
động của các phần tử trong không gian có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe của con người, tức là trên 16 kHz [96].
Phân loại sóng âm: Dựa vào tần số, sóng siêu âm được chia làm 3 loại, Siêu âm tần
số thấp (siêu âm năng lượng cao) (20 – 100 kHz): Khi đó có sự hình thành và vỡ ra của các bong bóng khí có kích thước lớn sẽ làm cho nhiệt độ và áp suất tăng cao. Do đó có khả năng làm thay đổi tính chất hóa lý của nguyên liệu. Ngày nay siêu âm tần số thấp được ứng dụng, vô hoạt enzyme, tăng hiệu quả quá trình chiết xuất cũng như tăng tốc độ các phản ứng hóa học...[108, 122, 143, 168 ]. Siêu âm tần số cao (siêu âm năng lượng thấp) (100kHz-2MHz): Khi tần số cao, kích thước các bong bóng khí khá nhỏ nên quá trình sủi bọt diễn ra nhẹ nhàng, không làm thay đổi tính chất hóa lý của nguyên liệu nên thường dùng trong phân tích, xác định tính chất hóa lý, thành phần cấu trúc và trạng thái vật lý của thực phẩm [67, 95, 108, 122]. Siêu âm chẩn đoán (5-10MHz): Không có hiện tượng sủi bong bóng và là dòng âm thanh để đo hệ số tốc độ và hấp thụ của sóng trong môi trường, dùng trong y học, phân tích hóa học. Phạm vi ứng dụng sóng siêu âm là bảo quản thực phẩm, vô hoạt vi sinh vật [144, 118, 131], khuấy trộn, đồng hóa và nhũ hóa [120], phá bọt, quá trình lọc [110], quá trình sấy, chiết xuất và kết tinh [55].
Nguyên lý tác động của sóng siêu âm:
Cơ chế xâm thực khí của sóng siêu âm: Khi sóng siêu âm truyền vào môi trường chất lỏng, các chu trình kéo và nén liên tiếp được tạo thành. Trong điều kiện bình thường, các phân tử chất lỏng ở rất gần nhau nhờ liên kết hóa học. Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ở gần nhau hơn và trong chu trình kéo chúng bị tách ra xa. Áp lực âm trong chu trình kéo đủ mạnh để thắng các lực liên kết giữa các phân tử và tạo thành những bọt khí nhỏ. Trong quá trình dao động, bọt khí ổn định có thể thành bọt khí tạm thời. Sóng siêu âm rung động những bọt khí này, tạo nên “ sốc sóng “. Bọt khí ổn định có thể lôi kéo những bọt khí khác vào trong trường sóng, kết hợp lại với nhau và tạo thành dòng nhiệt nhỏ [111]. Các bọt khí tạm thời có kích cỡ thay đổi rất nhanh, chỉ qua vài chu trình chúng bị vỡ ra, hình thành những điểm có nhiệt độ và áp suất rất cao (5000K và 50000kPa) đạt được trong bong bóng nổ [145]. Hiện tượng xâm thực khí mở đầu cho rất nhiều phản ứng do có sự hình thành các ion tự do trong dung dịch; thúc đẩy phản ứng hóa học nhờ có sự trộn lẫn các chất phản ứng với nhau; hỗ trợ chiết xuất các chất tan như enzyme từ tế bào động vật, thực vật, nấm men hay vi khuẩn; tách virus ra khỏi tế bào bị nhiễm...[111].
Hình 1.3 Quá trình hình thành, phát triển và vỡ tung của bọt khí
Tác động cơ sở của sóng siêu âm lên một môi trường lỏng liên tục là do tác động của một áp suất âm thanh (Pa) và một áp suất thủy tĩnh sẵn có trong môi trường. Áp suất âm thanh là sóng dạng sin, phụ thuộc vào thời gian (t), tần số (f) và biên độ áp suất lớn nhất của sóng (Pa max) [125], Pa = Pa max x sin(2πft). Biên độ áp suất lớn nhất của sóng (Pa max) tỷ lệ thuận với năng lượng đầu vào của nguồn phát siêu âm (transducer). Ở cường độ (biên độ) thấp, sóng áp suất tạo ra sự chuyển động và trộn lẫn bên trong chất lỏng, được gọi là dòng âm thanh (acoustic streaming). Ở cường độ cao hơn, áp suất cục bộ trong pha giãn nở của chu kỳ rơi xuống dưới áp suất hơi của dung dịch, các bong bóng không chịu được áp suất bên trong và cuối cùng bong bóng nổ tung tạo ra sự cân bằng động giữa áp suất bên trong và bên ngoài chất lỏng [151]. Thông qua hiện tượng này, năng lượng cơ học của sóng siêu âm được biến đổi và truyền qua dung dịch lỏng [151, 114].
Hiện tượng vi xoáy: Sóng siêu âm cường độ cao truyền vào trong lòng chất lỏng sẽ gây nên sự kích thích mãnh liệt. Tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha lỏng / rắn hay khí / rắn, sóng siêu âm gây nên sự hỗn loạn cực độ do tạo thành những vi xoáy. Hiện tượng này làm tăng cường sự truyền khối đối lưu và thúc đẩy xảy ra sự khuyếch tán ở một vài trường hợp mà khuấy trộn thông thường không đạt được [111].
Quá trình sủi bong bóng: Sủi bọt khí ổn định là sự sủi bọt khí từ sóng siêu âm có mức năng lượng thấp tạo ra những bọt khí có kích thước nhỏ và ít thay đổi trong suốt các chu trình nén và giãn nở. Kết quả là kích thước của bọt khí tăng lên sau mỗi chu trình, sau nhiều chu trình nén và giãn nỡ, bọt khí sẽ đạt kích thước giới hạn mà năng lượng âm không còn khả năng giữ pha hơi ở bên trong. Đến chu trình nén tiếp theo, hơi bất chợt ngưng tụ và những bọt khí sẽ vỡ. Trong suốt quá trình siêu âm, sự sủi bọt khí ổn định có thể trở thành sự sủi bọt khí nhất thời hay có thể đồng thời xảy ra [42].
Ứng dụng của sóng siêu âm trong công nghệ thực phẩm: Đối với các thiết bị siêu
âm giống nhau thông qua điều chỉnh cường độ siêu âm hay thời gian siêu âm cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến quá trình xử lí nếu sự thay đổi này được là đáng kể. Nhiệt độ càng cao gây ra các chuyển động nhiệt hỗn loạn cùng với tác động gây rung động của sóng siêu âm càng làm hạt dễ dàng bị phá vỡ hơn. Ivana Ljubić Herceg [92] cho thấy hình thái hạt nguyên liệu chiết xuất sẽ thay đổi tùy thuộc vào thiết bị sử dụng. Sự thay đổi cường độ siêu âm trong trường hợp thay đổi 34, 55 và 73 W/cm2 trong cùng thời gian là 15 phút, theo lý thuyết cường độ siêu âm càng lớn kích thước hạt nguyên liệu càng giảm nhiều hơn, nhưng thực chất dưới tác động của sóng siêu âm bên cạnh việc phá vỡ hạt nguyên liệu nó cũng tác động vào các phân tử nước tạo ra các gốc tự do là H+ và OH-. Các gốc tự do sau đó sẽ thoát ra ngoài và có khuynh hướng kết hợp với các phân tử hòa tan khác. Wenjian Cheng [159] cũng tiến hành thí nghiệm điều chỉnh với các bước thời gian khác nhau và cường độ siêu âm 74W/cm2 cho kết quả trước khi xử lí sóng siêu âm hạt nguyên liệu gần như còn nguyên vẹn, sau 15 phút siêu âm cho thấy tất cả các hạt nguyên liệu biến mất.
Hầu hết các phân tử sinh học đều nằm trong các tế bào, để tách chúng bằng cách phá vỡ thành tế bào cho dung môi hòa chất nội bào và khuếch tán chúng ra môi trường chiết. Hiện nay, nguyên tắc phá vỡ tế bào chủ yếu bằng phương pháp cơ học và thẩm thấu hóa học. Phương pháp cơ học phá vỡ vật lý, giải phóng các chất bên trong tế bào vào môi trường xung quanh. Quá trình phá vỡ tế bào được thực hiện bằng hiệu ứng va chạm của các tế bào dưới tác dụng của áp suất, dẫn đến sự phá vỡ tế bào, giải phóng các phần tử bên trong. Phá vỡ tế bào bằng phương pháp cơ học chi phí năng lượng cao. Phương pháp hóa
học tách các chất bên trong tế bào vi sinh vật bằng cách thẩm thấu hóa màng ngăn bên ngoài tế bào. Sử dụng các dung môi hữu cơ: toluen, ether, benzene, methanol,... tác động để tạo thành các kênh dẫn qua màng tế bào hoặc sử dụng các men như glycanases beta (1- 6) và beta (1-3), protease và mannase. Các protein cơ bản, như protamine hoặc cationic polysaccharide chitosan cũng có thể gây thẩm thấu hóa tế bào. Hạn chế chính của chiết xuất hóa học là tốc độ chiết xuất chậm, giá thành cao và yêu cầu phải loại bỏ các dung môi chiết tách từ sản phẩm cuối cùng. Nhiều nước (Đức, Anh, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật, Nga,...) đã ứng dụng hiệu ứng nổ bóng khí trong nông nghiệp để chiết xuất các hợp chất tự nhiên như: chiết xuất lá, rễ cây sâm, cây cỏ thảo, nhiều loại cây dược liệu quý (flores crataegi, fructus crataegi, herba hyperici) với quy mô công nghiệp làm giảm thời gian chiết xuất 2 đến 3 lần, chỉ sử dụng 50 - 70% lượng dung môi, hiệu suất chiết tách tăng lên 30 - 50% so với phương pháp chiết truyền thống [12, 15, 150].
Bảng 1.4 Các ứng dụng của siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm [134]
Ứng dụng Cơ chế Lợi ích
Chiết xuất Tăng quá trình truyền khối, giải phóng các thành phần có trong tế bào
Làm tăng năng suất và hiệu quả chiết xuất
Nhũ hóa Sự vỡ những bọt khí sẽ giúp cho 2 pha không tan lẫn vào nhau được trộn lẫn vào nhau hiệu quả hơn
Sự hình thành hệ nhũ hiệu quả hơn
Kết tinh Tạo mầm và điểu chỉnh sự hình thành tinh thể
Hình thành những tinh thể nhỏ Lọc Làm nhiễu loạn lớp biên Gia tăng tốc độ dòng chảy, giảm tắc
nghẽn Thay đổi
độ nhớt
Thay đổi cấu trúc thuận nghịch hoặc không thuận nghịch, dẫn đến sự hình thành liên kết ngang hoặc tái cấu trúc lại
Làm gia tăng bản chất của các quá trình, giảm phụ gia
Phá bọt Áp suất âm sẽ làm vỡ những bọt khí Tăng năng suất, làm giảm hoặc loại bỏ những chất hóa học chống tạo bọt
Ép đùn Dao động cơ học, giảm ma sát Tăng năng suất Vô hoạt
enzyme và VSV
Tăng quá trình truyền nhiệt cũng như lực trượt. Sự vỡ những bọt khí sẽ ảnh hưởng lên thành tế bào VSV
Vô hoạt enzyme ở nhiệt độ thấp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm
Lên men Tăng quá trình truyền cơ chất, kích thích các quá trình sống
Tăng sản lượng của chất chuyển hóa, tăng tốc độ quá trình lên men Truyền
nhiệt
Tăng quá trình truyền nhiệt do sự vỡ bọt khí
Tăng tốc quá trình truyền nhiệt, làm lạnh, sấy ở nhiệt độ thấp.
Xử lý siêu âm sẽ làm tăng tốc độ và sản lượng việc lên men, như đẩy mạnh quá trình sản xuất ethanol từ sinh khối [119]. Ngày nay các thiết bị siêu âm công suất lớn ứng dụng chiết xuất trong sản xuất các chế phẩm sinh học [43, 45, 57]. Ấn Độ đã ứng dụng rộng công nghệ siêu âm để chiết xuất các hợp chất tự nhiên như actemisin, chè xanh, thực vật... cho thấy chiết xuất nghệ tây với tỷ lệ chất rắn : dung môi Ethylen dichlorid là 1:5, phương pháp chiết xuất thông thường ở nhiệt độ 600C sau 4 lần chiết xuất x 3 giờ với tổng thời gian chiết 12 giờ cho hiệu suất thu hồi dầu đạt 85-90%, khi đó chiết xuất bằng siêu âm ở nhiệt độ phòng sau 3 lần chiết xuất x 30 phút với thời gian 1 giờ 30 phút cho hiệu suất thu hồi dầu đạt 90 - 95% [44]. Chiết xuất thanh hao, phương pháp chiết xuất thông thường với tỷ lệ chất rắn : dung môi n- hexan là 1:6, sau 9 lần chiết xuất x 5 giờ với tổng thời gian chiết 45 giờ cho hiệu suất thu hồi dầu đạt 85-90%, khi đó chiết bằng siêu âm với tỷ lệ chất rắn : dung môi n- hexan là 1:8, sau 4 lần chiết xuất x 30 phút với thời gian 2 giờ cho hiệu suất thu hồi dầu đạt 90 - 95% [45]. Chiết xuất chè xanh ở nhiệt độ phòng có tỷ lệ chất rắn : dung môi ethyl acetat là 1 : 5, chiết thông thường sau 4 lần chiết xuất x 2 giờ với tổng thời gian chiết 45 giờ cho hiệu suất thu hồi dầu đạt 65-70%, khi đó chiết bằng siêu âm sau 3 lần chiết xuất x 30 phút với 1 giờ 30 phút cho hiệu suất thu hồi dầu đạt 85 - 90% [150].
Chai Junhong và cộng sự, chiết xuất polysaccharides từ nấm Đầu khỉ bằng công nghệ sóng siêu âm, tiến hành 2 lần trong thời gian 45 phút, nhiệt độ 60°C, tỷ lệ nguyên liệu / dung môi lỏng = 1/15, so với chiết xuất truyền thống bằng nước ấm cho thấy chiết xuất sóng siêu âm giảm tới 4/5 thời gian và lượng polysaccharides tăng thêm 40%.[54].
XiaoPing Chen và cộng sự, chiết xuất polysaccharides từ nấm Linh chi bằng sóng siêu âm trong nước ở nhiệt độ 950C trong 3 giờ, điều kiện này hiệu suất chiết xuất Polysaccharides tăng lên 42% đến 75%. [161]. Nghiên cứu khác của Sheng-Quan Huang và cộng sự, xử lý nguyên liệu bằng sóng siêu âm, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi là 1/11,6 cho hiệu suất chiết tăng 115,56% so với chiết bằng nước nóng [148]. YANG Ding-long và cộng sự, chiết xuất polysaccharides từ Linh chi bằng siêu âm ở nhiệt độ 550C, thời gian 20 phút cho hàm lượng polysaccharides đạt 14,25%, còn phương pháp chiết xuất thẩm thấu là 5,44% trong 180 phút, trộn thông thường là 7,35%, cho thấy trích ly bằng siêu âm có lợi thế tiết kiệm thời gian, năng lượng, hiệu quả chiết xuất cao [163]. Nghiên cứu của
Wenbo Zhang và cộng sự và nghiên cứu của NIAN Bao-yi và cộng sự cũng cho thấy chiết xuất Lentinan hỗ trợ bằng sóng siêu âm giúp giảm được chi phí trong sản xuất, nhiệt độ và rút ngắn thời gian chiết xuất… [158, 128]. HU Bin-jie, SHI Zhao-zhong sử dụng phương pháp siêu âm trong chiết xuất polysaccarides từ nấm bờm sư tử ở điều kiện
cơ chất / dung môi nước = 1/15, ở nhiệt độ 500C, 2 giờ chiết xuất, cho hiệu suất chiết xuất trên 40% (so với tổng số polyasaccharides), thời gian chiết ngắn hơn phương pháp chiết bằng nước nóng truyền thống là 4-5 lần [90].
Phân tích kết quả trên cho thấy chiết xuất bằng siêu âm có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp thông thường không sử dụng nhiệt, số lần chiết ít hơn nên tiết kiệm được dung môi, tỷ lệ thu hồi cao hơn. Cơ chế của sóng siêu âm giúp làm tăng khả năng chiết xuất của các qui trình chiết xuất truyền thống, là dựa trên tạo một áp lực lớn xuyên qua dung môi và tác động đến tế bào vật liệu, tăng khả năng truyền khối tới bề mặt phân cách, phá vỡ thành tế bào trên bề mặt và bên trong của vật liệu, thoát chất tan được dễ dàng.