- Chất chống oxy hóa là chất có khả năng ngăn ngừa, chống lại và loại bỏ tác dụng độc hại của các gốc tự do một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.
- Chất chống oxy hóa có thể trực tiếp phản ứng các gốc tự do như gốc alkyl lipid, gốc peroxy lipid, cô lập kim loại chuyển tiếp, v ô hoạt các chất làm tăng độ nhạy quang học cho lipid, ức chế các enzyme xúc tác cho các quá trình sinh ra gốc tự do nhằm ngăn cản sự hình thành gốc tự do.
- Chất chống oxy hóa có thể nhường điện tử cho gốc tự do, để khử các gốc tự do và chuyển chúng thành các chất không còn gốc tự do (dạng bền hơn, trung hòa điện tích).
- Các hợp chất chống oxy hóa có trong rong nâu như tocopherol, carotenoid, polyphenol, polysaccharide.
1.2.1 Tocopherol
- Tocopherol là chất chống oxy hóa tan trong lipid. Tocopherol cạnh tranh với các acid béo không bão hòa và với các gốc peroxy. Các gốc peroxy phản ứng với tocopherol nhanh hơn nhiều so với lipid.
- Tocopherol nhường điện tử cho gốc peroxy và hình thành nên hydroperoxide (ROOH) và gốc tocopheroxy. Gốc tocopheroxy bền hơn gốc peroxy. Vì thế, sự oxy hóa lipid giảm.
- Ngoài ra, tocopherol còn làm giảm sự oxy hóa do ánh sáng theo cơ chế dập tắt 1O2, chuyển oxy hoạt động và dạng ít hoạt động hơn (3O2).
- Tocopherol có 4 dạng đồng phân: a - tocopherol (vitamin E), p - tocopherol, Y - tocopherol, ỗ - tocopherol, trong đó, a - tocopherol là hợp chất thể hiện hoạt tính chống oxy hóa cao nhất.
1.2.2 Carotenoid:
- Carotenoids là nhóm chất màu hoàn tan trong chất béo, là nhóm hợp chất có công thức cấu tạo tương tự nhau và tác dụng bảo vệ cũng tương tự nhau. Gồm có: Carotene, Xanthophylls, Capsanthin, Lycopene, Lutein, Fucoxanthin, Z eaxanthin. Carotenoid nhạy cảm với O2 và ánh sáng. Khi các tác nhân bị loại bỏ, Carotenoid trong thực phẩm rất bền, kể cả ở nhiệt độ cao. Tất cả carotenoid đều rất nhạy đối với acid và chất oxy hóa nhưng lại bền vững trong môi trường kiềm.
- p - carotene có thể làm giảm sự oxi hóa lipid bằng cách lọc ánh sáng, dập tắt oxy đơn bội, vô hoạt chất nhạy ánh sáng và loại bỏ các gốc tự do.
- Các carotenoid vô hoạt các chất nhạy ánh sáng bằng cách hấp thu năng lượng từ chúng. Các carotenoid hoạt hóa này sẽ quay trở lại trạng thái cơ bản bằng cách phóng thích năng lượng của nó vào trong lipid. Do carotenoid có điện thế khử cao (E0 = 1060mV) nên khó có thể nhường điện tử cho alkyl (E0 = 600mV) hoặc gốc peroxy (E0 = 770 - 1440mV), tuy nhiên, có thể nhường điện tử cho gốc hydroxy (E0 = 2310mV) và hình thành gốc carotene. Gốc carotene là một loại gốc bền. Gốc carotene này có thể phản ứng với các gốc khác như peroxy để tạo thành sản phẩm không còn gốc tự do.
Carotenoid + HO^ -> Carotene^ + H2O
Carotene^ + ROO^ -> Car-OOR (carotene-peroxy) > Fucoxanthin:
❖ Cơ chế chống béo phì của fucoxanthin
- Fucoxanthin là chất chuyển hóa chủ yếu trong mô mỡ tích tụ trong bụng. Chống béo phì hiệu quả của fucoxanthin được dựa trên các tác động trực tiếp trên một số phân tử sinh học trong tế bào mỡ. Trong số đó việc tách cặp protein1 (UCP1) là một phân tử sinh học quan trọng.
- Cơ chế như sau: Fucoxathin sẽ tách cặp protein1 (UCP1) làm trung gian tiêu tán năng lượng từ quá trình oxy hóa lipid, có nghĩa là sản sinh ra nhiệt. Sinh nhiệt thích ứng này đóng một vai trò quan trọng trong vai trò cân bằng năng lượng, bằng cách phân năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt để chống lại sự gia tăng WAT trong bụng.[16,,19]
Việc chuyên UCP1 vào trong WAT trở thành một mục tiêu lý tướng cho điều trị cùa béo phi.
WAT
H ình 1.13: UCP1 biểu hiện ở WAT trong bụng.[16] ❖ Tác đông của f fucoxanthin
- Fucoxanthin làm giảm lượng tế bào CD8+T xâm nhập vào mô mỡ và ngăn sự tiết ra MCP-1.
- Fucoxanthin còn làm giảm TLR4 (toll-like receptor4) trong mô mỡ. Vì tế bào mỡ tương tác với tế bào đại thực bào thông qua TLR4. Đây chính là con đường tạo ra các nhân tố gây bệnh.
- Ngoài ra, nó còn tác dụng ức chế sự xâm nhập của đại thực bào vào mô mỡ. ❖ Kết hợp với Omega-3
- Fucoxanthin là thành phần dinh dưỡng quan trọng đại diện cho các chức năng của lipid rong biển màu nâu.
- Omega-3 HUFA cũng là một chất dinh dưỡng quan trọng khác của lipid rong biển màu nâu.
- Các nghiên cứu đã tìm thấy: [18]
+ Hiệu quả của việc chống béo phì và chống bệnh tiểu đường đã được tăng rõ rệt khi kết hợp 2 chất fucoxanthin và Omega-3 HUFA.
+ Ngoài ra, fucoxanthin còn là chất chuyển hóa Omega-3 HUFA (18:03n-3, 18:04n-3, 20:05n-3) thành DHA có nhiều trong rong biển nâu.
- Theo nghiên cứu của Tsukui et al thì việc chuyển hóa Omega-3 HUFA thành DHA trong rong biển nâu tương tương với hàm lượng DHA của các loài cá mòi đáp ứng.[24]
1.2.3 Các hợp chất polyphenol:
- Polyphenol là hợp chất chứa nhiều nhóm chức phenol trong cấu trúc phân tử, chúng có khả năng ngăn chặn các chuỗi phản ứng dây chuyền gây ra bởi các gốc tự do bằng cách phản ứng trực tiếp với gốc tự do đó tạo thành một gốc tự do mới bền hơn, ngăn chặn sự phân hủy hydroperoxide thành các gốc tự do, hoặc cũng có thể tạo phức với các ion kim loại.
- Flavonoid là nhóm hợp chất polyphenol. Chúng được đặc trưng bởi mạch carbon C6- C3-C6. Cấu trúc cơ bản của những hợp chất này bao gồm 2 vòng thơm được liên kết bởi một mạch 3 carbon. Do bản chất là polyphenol, các flavonoid có tính chống oxy mạnh giúp cơ thể chống lại các tổn thương do gốc tự do một cách hữu hiệu. flavonoid gồm: flavonol, isoflavone, flavonone, chalcone.
- Cơ chế chống oxy hóa của flavonoid: trung hòa các gốc tự do (các anion superoxide, gốc peroxy và gốc hydroxyl), triệt tiêu oxy đơn bội, tạo phức với các ion kim loại do đó ngăn chặn sự peroxid hóa lipid, ức chế việc tạo ra gốc tự do bằng cách ức chế một số enzyme như xanthin, oxidase, cyclooxygenase, lipoxygenase...
1.3 Tổng quan về phương pháp trích ly bằng sóng siêu âm1.3.1 Khái niệm trích ly bằng sóng siêu âm 1.3.1 Khái niệm trích ly bằng sóng siêu âm
Trích ly bằng sóng siêu âm là quá trình tách một hoặc một số chất tan trong nguyên liệu bằng dung môi có kết hợp sử dụng sóng siêu âm nhằm nâng cao hiệu suất trích ly.
Cơ chế của sóng siêu âm giúp làm tăng khả năng trích ly so với các phương pháp truyền thống dựa trên:
- Tạo ra 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, giúp quá trình thoát chất tan được dễ dàng.
1.3.2 Cơ sở lý thuyết1.3.2.1 Trích ly 1.3.2.1 Trích ly
Cơ sở lý thuyết của quá trình trích ly là dựa vào sự khác nhau về hằng số điện môi của dung môi và chất cần trích ly. Những chất có hằng số điện môi gần nhau sẽ dễ hoà tan vào nhau.
Bản chất của quá trình trích ly là khuếch tán nên nên người ta thường dựa vào các định luật khuếch tán của FICK để giải thích và tính toán.
Chất lượng của sản phẩm thu được bằng phương pháp trích ly phụ thuộc vào dung môi để trích ly, vì thế dung môi dùng để trích ly cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Nhiệt độ sôi thấp để dễ dàng tách sản phẩm ra khỏi dung môi bằng phương pháp chưng cất, nhưng không được thấp quá vì sẽ gây tổn thất dung môi, dễ gây cháy và khó thu hồi dung môi (khó ngưng tụ).
- Dung môi không tác dụng hoá học với sản phẩm.
- Độ nhớt của dung môi bé để giảm thời gian trích ly (độ nhớt nhỏ khuếch tán nhanh). - Dung môi hoà tan nguyên liệu lớn nhưng không hoà tan tạp chất bé.
- Dung môi không ăn mòn thi ết bị, không gây mùi lạ cho sản phẩm, và đặc biệt là không độc hại.
- Dung môi phải rẻ tiền, dễ mua.
1.3.2.2 Tổng quan về sóng siêu âm• K hái niệm sóng siêu âm • K hái niệm 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 (16-20 kHz), có tần số khoảng 20-100kHz. Ngoài ra, sóng siêu âm có bản chất là sóng dọc hay sóng nén, nghĩa là trong trường siêu âm các phần tử dao động theo phương cùng với phương truyền của sóng.
Các đại lượng đặc trưng của sóng:
- Chu kì T (s): là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn. - Tần số f (Hz): là số chu kì thực hiện được trong 1 giây.
- Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau một khoảng đơn vị thời gian.
- Độ dài bước sóng X (^m); là quãng đường mà sóng truyền được sau một khoảng thời gian bằng 1 chu kì (X=v.T=v/f). Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng X là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy kế nhau.[33]
The Frequency Ranges of the Sound
0 1 0 1 l ò 1 1 0 1 1 0 10 1 0 H um an hearing
C o n v e n tio n a l pow er u ltrasou n d Exten ded range for s o n o c h e m is try D ia g n o s tic ultrasound
16Hz - 18kHz 20kHz - 100kHz 20kHz - 2M H z 5 M H z - 10MHz
Hình 1.14: Phân loại các sóng theo tần số • Nguyên lý tác động của sóng siêu âm
s Hiện tượng xâm khí thực
Tuy nhiên sự chiếu xạ siêu âm trong môi trường lỏng lại sản sinh ra một năng lượng lớn,
do đó gây nên hiện tượng vật lý gọi là cavitation (sự tạo và vỡ bọt), quá trình này phụ thuộc
vào môi trường phản ứng (môi trường đồng thể lỏng rất khác so với môi trường rắn - lỏng).
Siêu âm được chiếu xạ qua môi trường lỏng tạo ra một chu kì dãn nở, nó gây ra áp suất chân không trong môi trường lỏng. Hiện tượng cavitation xảy ra khi áp suất chân không vượt quá so với độ bền kéo của chất lỏng, độ bền này thay đổi tuỳ theo loại và độ tinh khiết của chất lỏng. Thông thường sự tạo - vỡ bọt là một quá trình tạo mầm, bắt nguồn từ những chỗ yếu trong chất lỏng như một lỗ hổng chứa khí phân tán lơ lửng trong hệ hoặc là những vi bọt tồn tại thời gian ngắn trước khi sự tạo - vỡ bọt diễn ra. Hầu hết các chất lỏng đều có đủ những yếu tố này để hình thành cavitation.
Những vi bọt này qua sự chiếu xạ của siêu âm thì sẽ hấp thụ dần năng lượng của sóng vá sẽ phát triển. Sự phát triển của bọt phụ thuộc vào cường độ của sóng. Ở cường độ sóng cao, những bọt này sẽ phát triển nhanh thông qua tương tác quán tính. Nếu chu kì dãn nở của sóng đủ nhanh, bọt khí được bọt khí được giãn ra ở nữa chu kì đầu và nữa chu kì còn lại là nén bọt, nhưng bọt chưa kịp nén thì lại được giãn tiếp, cứ thế bọt lớn dần lên và vỡ. Ở cường độ âm thấp hơn, bọt khí cũng hình thành theo quá trình ch ậm hơn.
Sự nén khí tạo ra nhiệt. Trong chất lỏng chiếu xạ siêu âm, sự nén khí cũng diễn ra khi các bọt khí bị vỡ vào trong dưới áp lực của chất lỏng bên ngoài, sự vỡ này sinh ra một lượng nhiệt tại điểm đó gọi là sự toả nhiệt tại một điểm (hot - spot). Tuy nhiên, trong môi trường xung quanh là lỏng lạnh và sự gia nhiệt nhanh chóng được dập tắt, nên nó tồn tại trong thời gian ngắn. Hot - spot là yếu tố quyết định của âm hoá học trong môi trường đồng thể.
Trong suốt chu trình kéo/nén, bọt khí kéo dãn và kết hợp lại cho đến khi đạt được cân bằng hơi nước giữa bên trong và bên ngoài bọt khí. Diện tích bề mặt bọt khí trong chu trình kéo lớn hơn trong chu trình nén vì vậy sự khuếch tán khí trong chu trình kéo lớn hơn và kích cỡ bọt khí cũng tăng lên trong m ỗi chu trình. Các bọt khí lớn dần đến một kích cỡ nhất định mà tại đó năng lượng của sóng siêu âm không đủ để duy trì pha khí khiến bọt khí nổ tung dữ dội. Khi đó các phân tử va chạm với nhau mãnh liệt tạo nên sự “ sốc sóng” trong lòng chất lỏng, kết quả là hình thành những điểm có nhiệt độ và áp suất rất cao (55000C và 50MPa).
H ình 1.15: Cơ chế cavitation của sóng siêu âm
Trong môi trường lỏng - rắn, sự tạo - vỡ bọt khí xảy ra gần bề mặt phân cách lỏng - rắn thì nó khác so với trong hệ đồng thể. Trong hệ đồng thể thì quá trình vỡ bọt, bọt vẫn ở dạng hình cầu đối xứng. Tuy nhiên ở ranh giới phân cách rắn - lỏng thì sự vỡ bọt ở dạng bất đối xứng và tạo ra một sự phun chất lỏng với tốc độ rất cao.
H ình 1.16: Hình ảnh của một bóng kh í trong môi trường lỏng chiếu
xạ siêu âm vỡ gần bề mặt rắn. S ự có m ặt của bề mặt rắn là nguyên nhân của sự vỡ bất đối xứng, hình thành một vòi chất lỏng bắn vào
bề mặt rắn với tốc độ cao.
Cơ chế tác động năng lượng siêu âm trên hệ thống các chất ở môi trường lỏng chủ yếu là do sự tạo lổ hổng và các lực này có một ảnh hưởng nguy kịch lên hệ thống sinh học. Sự tạo lổ hổng do sóng âm chủ yếu được chia làm 2 loại: loại tạm thời và loại bền vững.
- Dạng bong bóng sủi trong nước chứa đầy khí hay hơi nước, trải qua sự dao động
không đều nhau và cuối cùng nổ tung. Điều này sinh ra nhiệt và áp suất tại chỗ cao sẽ phân huỷ các tế bào sinh học và làm biến tính các enzyme hiện diện. Các bong bóng nổ tung vào trong cũng sinh ra các lực biến dạng cao và các tia lỏng trong dung môi có thể đủ năng lượng
phá huỷ màng tế bào một cách cơ học. Cơ chế tác động kiểu này cũng từng được sử dụng ở quy mô nhỏ trong việc tẩy uế nguồn nước bị nhiễm bào tử vi sinh vật.
- Dạng lổ ổn định liên quan đến những bọt sủi mà dao động theo một dạng đều cho
nhiều chu trình âm thanh. Các bọt sủi cảm ứng các vi dòng có thể gây ra stress trong các chất lỏng xung quanh lên vài loài. Tác dụng này vì vậy mà cung cấp một lượng lớn mà không có sự nổ của các bọt sủi. Dạng tạo lổ trống này quan trọng trên một loạt các ứng dụng của sóng siêu âm trong công nghệ sinh học.
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 giảm ranh giới giữa các pha, 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.[31][32]
1.3.3 C ác biến đổi tro n g q u á trìn h trích ly
Khi truyền sóng siêu âm qua môi trường lỏng, dưới tác dụng của sóng, các bọt khí bị kéo nén, sự tăng áp suất và nhiệt độ làm các bọt khí nổ vỡ, tạo nên hiện tượng “sốc sóng” . Khi sự nổ vỡ của các bọt khí ở gần bề mặt pha rắn, xảy sự mất đối xứng, sinh ra tia dung môi có tốc độ cao vào thành tế bào, do đó làm tăng sự xâm nhập của dung môi vào tế bào và làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa pha rắn và pha lỏng. Điều này làm tăng sự truyền khối và phá vỡ cấu trúc tế
