1.4.1. Nguyên lý
Bản chất của quá trình trích ly (quá trình chiết) là sự rút chất hòa tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng một chất hòa tan khác (gọi là dung môi) nhờ quá trình khuếch tán giữa các chất có nồng độ khác nhau.
Trích ly (chiết) là phương pháp dùng một dung môi (đơn hay hỗn hợp) để tách lấy một chất hay một nhóm các chất từ hỗn hợp cần nghiên cứu. Trường hợp thường gặp nhất là sự chiết hoạt chất từ dung dịch nước vào dung môi hữu cơ. Khi trộn lẫn hai pha nước và dung môi hữu cơ với nhau, dung môi có tỉ trọng nhỏ hơn sẽ ở lớp trên như: ete, benzene, các hydrocacbua,… dung môi có tỉ trọng lớn hơn sẽ ở lớp dưới như: chloroform, tetracloriccacbon, dicloetan,… Pha này có thể khuếch tán một ít sang pha
kia nhưng về cơ bản một pha vẫn là nước và pha kia vẫn là dung môi hữu cơ. Khi lắc hai pha lại với nhau, thể tích hai pha khi lắc không bằng đúng như thể tích trước khi lắc. Tuy nhiên để cho đơn giản, giả thiết rằng thể tích của pha là không đổi khi lắc. Trích ly nhằm mục đích điều chế hay phân tích.
Trích ly chất hòa tan trong chất lỏng gọi là trích ly lỏng, trích ly chất hòa tan trong chất rắn là trích ly chất rắn.
Phương pháp tách chiết là bao gồm cả việc chọn dung môi, dụng cụ chiết và cách chiết. Một phương pháp tách chiết thích hợp chỉ có thể được hoạch định một khi đã biết rõ thành phần của các chất cần trích ly. Mỗi loại hợp chất có độ hòa tan khác nhau trong từng loại dung môi. Vì vậy không thể có một phương pháp tách chiết chung áp dụng cho tất cả hợp chất thiên nhiên.
Phương pháp cổ điển trích ly một hợp chất thiên nhiên là dùng một dãy dung môi bắt đầu từ không phân cực đến phân cực mạnh để trích ly, phân đoạn các hợp chất ra khỏi hợp chất thiên nhiên. Ví dụ: dãy dung môi: ete dầu, ete, chloroform, cồn và cuối cùng là nước.
Dựa vào tính phân cực của dung môi và của các nhóm hợp chất ta có thể dự đoán sự có mặt của các chất trong mỗi phân đoạn trích ly.
- Trong phân đoạn trích ly ete và ete dầu sẽ có các hydrocacbua béo hoặc thơm, các thành phần của tinh dầu như monotecpen, các chất không phân cực như chất béo, carotene, các sterol, các chất màu thực vật, clorophyl.
- Trong dịch trích ly chloroform sẽ có mặt sesquiterpen, diterpen, cumarin, quinon, các aglycol do glycoside thủy phân tạo ra, một số ancaloid base yếu,…
- Trong dịch trích ly nước sẽ có các glycoside, tannin, các đường, các hợp chất hidrat cacbon phân tử vừa pectin, các protein thực vật và muối vô cơ.
Khi cần trích ly lấy toàn bộ thành phần trong hợp chất thiên nhiên thì dung môi thích hợp nhất là cồn 80%. Cồn, nhất là metanol được xem là dung môi vạn năng. Nó hòa tan được các chất không phân cực đồng thời cũng có khả năng tạo dây nối hydro với các nhóm phân cực khác [3].
Dịch trích ly cồn đem bốc hơi dung môi sẽ được cao toàn phần chứa hầu hết hợp chất thiên nhiên. Khi cần tách phân đoạn các hợp chất trong cao thì sử dụng một dãy dung môi không hòa lẫn với nước và có độ phân cực từ yếu đến mạnh. Ví dụ dãy dung môi: ete dầu, ete, chloroform, etyl acetate, buthanol.
Có hai cách trích ly với điều kiện nhiệt độ khác nhau, đó là: trích ly ở nhiệt độ thường và trích ly nóng. Mỗi cách trích ly có dung môi và thiết bị riêng.
- Hai cách trích ly thông thường ở nhiệt độ thường là ngâm kiệt và ngâm phân đoạn. Phương pháp ngâm kiệt cho kết quả tốt hơn vì trích ly được nhiều hoạt chất và ít tốn dung môi, nhất là khi áp dụng cách trích ly ngâm kiệt ngược dòng.
- Trích ly nóng: nếu dung môi là các chất bay hơi thì áp dụng cách trích ly liên tục và trích ly hồi lưu. Nếu dung môi là nước thì sắc hoặc hãm phân đoạn.
Dụng cụ trích ly liên tục thông thường là bình Soxhlet. Có thể tự lắp lấy dụng cụ trích ly liên tục. Nếu trích ly nóng hồi lưu thì nên trích ly phân đoạn ít nhất là hai lần để trích ly hết hoạt chất.
Tính phân cực của hợp chất thiên nhiên có liên quan đến vấn đề trích ly hợp chất thiên nhiên. Một yếu tố khác cũng có ảnh hưởng đến vấn đề trích ly là các enzyme vốn luôn có mặt trong nguyên liệu. Trong quá trình chế biến, trích ly nếu không khống chế được hoạt tính của men thì các glycoside có thể bị thủy phân một phần hoặc toàn phần làm thay đổi tính phân cực, do đó thay đổi độ hòa tan của hợp chất đối với dung môi.
Dung môi dùng để trích ly các hợp chất khỏi các hợp chất thiên nhiên rất đa dạng và thay đổi tùy theo bản chất của mỗi loại hợp chất thiên nhiên. Cơ sở để lựa chọn một dung môi trích ly là tính phân cực của hợp chất chứa trong hợp chất thiên nhiên và của dung môi.
Có 3 kiểu trích ly: trích ly đơn, trích ly lặp và trích ly ngược dòng . Trích ly đơn (chiết một lần) thường cho hiệu suất thấp.
Trích ly lặp (chiết nhiều lần): nếu hệ số phân bố không đủ lớn để trích một lần thì phải trích thêm nhiều lần. Nghĩa là sau khi chiết một lần, trong dung dịch còn lại một lượng chất tan đáng kể thì thường người ta thêm một lượng dung môi chiết mới và chiết một hay nhiều lần nữa. Hiệu suất cao hơn hiệu suất chiết đơn nhưng tốn dung môi, thời gian và công suất.
Trích ly ngược dòng: phương pháp này dựa trên nguyên tắc cho dung môi trích ly vào dung dịch cần trích ly chạy ngược chiều nhau. Hai pha tiếp xúc chặt chẽ, pha trộn và di chuyển ngược chiều nhau. Đây là một quá trình liên tục. Mục tiêu của sự phân chia ngược dòng là tách hai hay nhiều chất tan ra bằng một loạt sự phân chia giữa hai pha lỏng - lỏng.
1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết
- Thực chất quá trình trích ly là quá trình khuếch tán. Vì vậy sự chênh lệch nồng độ giữa 2 pha (gradient nồng độ) chính là động lực của quá trình. Khi chênh lệch nồng độ lớn, lượng chất trích ly tăng, thời gian trích ly giảm, ta thực hiện bằng cách tăng tỉ lệ dung môi so với nguyên liệu.
- Với các loại nguyên liệu rắn cần tăng diện tích tiếp xúc giữa chúng và dung môi. Điều này thực hiện bằng cách nghiền nhỏ, thái nhỏ, băm nhỏ vật liệu. Nó còn làm phá vỡ cấu trúc tế bào, thúc đẩy quá trình tiếp xúc triệt để giữa dung môi và vật liệu. Tuy nhiên, kích thước và hình dạng của vật liệu khi làm nhỏ cũng có giới hạn vì nếu chúng quá mịn sẽ bị lắng đọng, làm tắc các ống mao dẫn hoặc bị dòng dung môi cuốn vào dòng mixen (hỗn hợp) làm cho dung dịch có nhiều cặn gây khó khăn cho quá trình xử lý tiếp theo.
- Tính chất của vật liệu cũng làm ảnh hưởng lớn tới hiệu suất trích ly. Vật liệu là hỗn hợp lỏng – lỏng hoặc hỗn hợp rắn – lỏng cộng với một dung môi hoặc tập hợp một số loại dung môi. Chúng có độ hòa tan khác nhau, nồng độ các chất khác nhau và có tác dụng tương hỗ, khuếch tán vào nhau. Như khi trích ly dầu nếu độ ẩm nguyên liệu giảm, tốc độ trích tăng lên, vì độ ẩm tác dụng với protein và các chất háo nước khác ngăn cản sự dịch chuyển của dung môi thấm sâu vào nguyên liêu, làm chậm quá trình khuếch tán .
- Nhiệt độ có tác dụng tăng tốc độ khuếch tán và giảm độ nhớt, phần tử chất hòa tan chuyển động dễ dàng khi khuếch tán giữa các phần tử dung môi. Tuy nhiên nhiệt độ là một yếu tố có giới hạn. Khi nhiệt độ quá cao có thể xảy ra các phản ứng khác không cần thiết, gây khó khăn cho quá trình công nghệ.
- Yếu tố thời gian cũng ảnh hưởng tới quá trình trích ly. Khi thời gian tăng lên, lượng chất khuếch tán tăng, nhưng thời gian phải có giới hạn. Vì khi đã đạt được mức độ trích ly cao nhất, nếu kéo dài thời gian sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế.
1.4.3. Tổng quan về dung môi chiết
* Dung môi: là môi trường (thường ở thể lỏng, hoặc thể khí) có tính năng hòa tan các chất rắn, lỏng hay khí khác. Dung môi có thể là các chất phân cực như nước, cồn,... hoặc các chất không phân cực như dầu, dung môi hữu cơ,…. Dung môi có thể có độ nhớt rất khác nhau hoặc có thể có khả năng bay hơi dưới điều kiện bình thường cũng khác nhau. Tùy thuộc vào các ứng dụng cụ thể mà người ta dùng dung môi thích
hợp. Dung môi là để chiết các hợp chất ra khỏi nguyên liệu và thay đổi tùy theo bản chất của mỗi loại nguyên liêu. Cơ sở để lựa chọn một dung môi chiết là tính phân cực của hợp chất chứa trong nguyên liệu và của dung môi.
+ Dung môi phân cực và không phân cực
Quá trình hình thành một dung dịch là phụ thuộc vào đặc tính của chất hòa tan và dung môi. Để hiểu về tính phân cực của dung môi, ta có thể so sánh giữa 2 chất ete và nước.
- Hằng số điện môi của nước ở 200C là 80,4 trong khi của ete là 4,34.
- Nguyên tử hydro của phân tử nước có khả năng liên kết với một nguyên tử mang điện âm của một hợp chất khác, hình thành liên kết hydro trong dung dịch nước, trong khi ete không có sự liên kết này.
- Liên kết hydro hình thành ảnh hưởng đến tính hòa tan của hợp chất đối với dung môi. - Nước có tác dụng vừa như một acid, vừa như một base còn ete chỉ là một base rất yếu và không hoạt động như một acid.
Do những đặc tính trên, nước được xem là một dung môi phân cực mạnh, còn ete là một dung môi không phân cực. Các dung môi phân cực mạnh ngoài nước ra còn có các ancol bậc thấp như: methanol, ethanol, propanol, buthanol,…Các dung môi không phân cực ngoài ete còn có các hydrocacbua như ete dầu, benzen, toluen, hexane, heptan,…Các chất nằm giữa 2 nhóm này gọi là các chất phân cực yếu hoặc vừa như ethylacetat, chloroform, acetone, diethylclorua.
* Các chất tan trong nước và dung môi phân cực
Các chất điện ly như các muối vô cơ đều tan trong dung môi phân cực. Các hợp chất hữu cơ nói chung không ion hóa nhưng nếu chúng có chứa các nhóm hoặc nguyên tử mang điện âm có thể hình thành liên kết hydro với phân tử nước thì chúng sẽ tan được trong nước. Những nhóm có khả năng tạo liên kết hydro như: -OH, -CO, -NO, - NH2, và các halogen gọi là nhóm phân cực. Càng có nhiều nhóm phân cực trong công thức cấu tạo thì phân tử ấy càng dễ hòa tan trong nước. Nhưng nếu mạch hydro cacbon của phân tử càng dài thì độ hòa tan càng giảm.
Thực nghiệm cho thấy, một nhóm phân cực trong phân tử có khả năng hình thành liên kết hydro với phân tử H2O sẽ làm cho phân tử ấy tan được trong nước nếu số cacbon của mạch không quá 5 hoặc 6 nếu phân tử có thêm mạch nhánh. Nếu phân tử có nhiều nhóm phân cực (2 nhóm trở lên) thì tỉ lệ này giảm xuống. Một nhóm phân cực có 3 hoặc 4 cacbon trong mạch thì phân tử ấy tan được trong nước.
* Các chất tan trong ete và dung môi không phân cực
Các hợp chất hữu cơ không chứa nhóm phân cực gọi là các chất không phân cực. Nói chung chất không phân cực đều tan trong ete và dung môi không phân cực. Đồng thời chúng không tan trong nước và các dung môi phân cực khác. Các chất mà phân tử chỉ có một nhóm phân cực yếu cũng có thể tan trong ete. Hầu hết các chất hữu cơ tan trong nước thì đều không tan trong ete. Nếu chất vừa tan trong nước, vừa tan trong ete thì các chất đó phải là chất không ion hóa, có số C không quá 5, có một nhóm phân cực tạo liên kết hydro với nước nhưng không phải là nhóm phân cực mạnh.
1.4.4. Tìm hiểu một số loại dung môi chiết trong đề tài
1.4.4.1. Nước
Phân tử nước được cấu tạo từ một phân tử oxy và hai phân tử hydro, mà đôi electron trong môi trường liên kết này bị kéo lệch về phía oxy nên phân tử nước có tính phân cực, do đó nước dễ liên kết với các nguyên tử, phân tử hoặc chất khác. Mặt khác, các phân tử nước liên kết với nhau bằng các liên kết hydro (liên kết kém bền) nên các phân tử, các nguyên tử hoặc các chất khác dễ bẻ gẫy các liên kết đó để tạo nên chất mới.
Nước sử dụng là nước được cung cấp từ nhà máy nước của thành phố. Nước đạt các tiêu chuẩn cho phép của nước dùng trong sinh hoạt và chế biến thực phẩm của Việt Nam theo tiêu chuẩn của Bộ Y tế.
1.4.4.2. Ethanol
Ethanol hay còn gọi là ethyl alcohol, công thức phân tử: CH3CH2OH, là một trong những chất hữu cơ có nhiều ứng dụng nhất như: dung môi, chất sát trùng, thức uống, chất chống đông, nhiên liệu, chất ức chế và đặc biệt là chất trung gian để sản xuất những chất hữu cơ khác. Ethanol ở điều kiện thường là một chất lỏng, dễ bay hơi, dễ cháy, trong suốt, không màu. Ethanol giảm thể tích khi pha với nước và tăng thể tích khi pha với gasoline. Một thể tích ethanol pha với một thể tích nước thành 1,92 thể tích hỗn hợp. Ethanol được sử dụng là cồn tuyệt đối, cồn được đóng trong bao bì nhựa, đảm bảo các yêu cầu như:
- Tiêu chuẩn an toàn: Theo COA
1.4.4.3. Acetone
Acetone (CH3COCH3) là ketone đơn giản và quan trọng nhất. Nó là một chất lỏng không màu, có mùi cay và thơm nhẹ, tan vô hạn trong nước và hầu hết trong các dung môi hữu cơ. Acetone là một dung môi được dùng trong nhiều lĩnh vực như: keo dán, sáp nhựa, chất béo, thuốc nhuộm và cellulosic. Nó được dùng làm chất mang cho acetylen trong sản xuất sơn, nhựa và cũng được dùng như là một vật liệu thô cho quá trình tổng hợp nhiều sản phẩm như: ketene, methyl methacrylate bisphenol, diacetone alcohol,... Acetone cũng được ứng dụng nhiều trong quá trình chiết các chất hữu cơ khác và trong sản xuất chất không bụi. Nó là một dung môi rửa trong sản xuất sợi thủy tinh, là một dung môi để lau chùi trong công nghiệp điện tử, dung môi tẩy nhờn cho len và lụa. Ngoài ra acetone còn có khả năng kết hợp với nhiều chất trung gian khác làm tăng tính khả dụng của nó và các chất khác. Hàng năm một lượng lớn acetone được sử dụng trong những ứng dụng nhỏ như sản xuất chất chống oxy hóa, thuốc diệt cỏ, những ketone cao hơn, ngưng tụ với formaldehyde,....Acetone được sử dụng là loại tinh khiết, được đựng trong lọ thủy tinh có nắp vặn kín và được bảo quản ở điều kiện thích hợp. Nó đảm bảo các yêu cầu như:
- Tiêu chuẩn an toàn: Theo COA - Tiêu chuẩn kỹ thuật: Purity > 99,5 %
1.4.5.4. Methanol
Methanol, cũng gọi là methyl alcohol, alcohol gỗ, hay rượu mạnh gỗ, là một hợp chất hóa học với công thức phân tử CH3OH (thường viết tắt MeOH). Đây là chất lỏng trong suốt, rượu đơn giản nhất, nhẹ, dễ bay hơi, không màu, dễ cháy với ngọn lửa không phát sáng với một mùi đặc trưng, tan hoàn toàn trong nước.. Ở nhiệt độ phòng, nó là một chất lỏng phân cực, và được sử dụng như một chất chống đông, dung môi, nhiên liệu, và như là một chất làm biến tính cho ethanol. Methanol để trong không khí, tạo thành carbon dioxide và nước: 2 CH3OH + 3 O2 → 2 CO2 + 4 H2O
Do có tính độc hại, methanol được dùng làm phụ gia biến tính cho ethanol trong sản xuất công nghiệp. Methanol thường được gọi là "cồn gỗ" (wood alcohol) bởi vì methanol là một sản phẩm phụ trong quá trình chưng cất khô sản phẩm gỗ.
Methanol là chất rất độc, với lượng nhỏ gây mù, nhiều hơn có thể tử vong dễ dàng. Methanol được sử dụng là loại tinh khiết, đựng trong lọ thủy tinh có nắp vặn kín