1.6.1. Khái niệm chiết tách:
Chiết tách 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. Do các nguyên liệu tự nhiên không chứa duy nhất một chất hóa chất mang màu nên việc chiết tách rất phức tạp.
1.6.2. Cơ chế quá trình chiết tách
Quá trình chiết tách bằng dung môi được biết đến như là một quá trình bao gồm 4 cơ chế vật lý của các quá trình sau đây:
- Sự tương tác của dung môi trong quá trình trao đổi chất trên bề mặt vật liệu chiết tách.
24
- Quá trình truyền dung môi bên trong sản phẩm được thực hiện ở thể lỏng bởi những quá trình khác nhau như: sự mao dẫn, khuếch tán phân tử và gradient của nồng độ dung môi là động lực cho quá trình này.
- Quá trình truyền chất tan vào dung môi xảy ra ở bên trong sản phẩm, nó được thực hiện bằng quá trình khuếch tán bên trong vật liệu, gradient của nồng độ chất tan là động lực của quá trình này.
- Quá trình vận chuyển chất tan từ bề mặt vật liệu ra ngoài môi trường dung môi, quá trình này được thực hiện bằng quá trình khuếch tán đối lưu.
1.6.3. Nguyên tắc chiết tách
Phương pháp chiết tách là bao gồm việc chọn dung môi, dụng cụ chiết và cách chiết. Mỗi phương pháp chiết tách thích hợp chỉ có thể được hoạch định một khi đã biết rõ thành phần của các chất cần trích li trong cây ra. Mỗi loại hợp chất có độ hòa tan khác nhau trong từng loại dung môi. Vì vậy, không có một phương pháp chiết tách chung áp dụng cho tất cả các hợp chất thiên nhiên. Phương pháp chiết tách cổ điển là dùng một dãy dung môi từ không phân cực đến phân cực mạnh để trích ly, phân đoạn các hợp chất ra khỏi hợp chất thiên nhiên. 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.
1.6.4. Các phương pháp chiết tách
Việc chiết tách là một bước quan trọng để tạo ra dịch chiết tinh khiết, chuẩn bị cho các công đoạn nhuộm sau đó. Do các nguyên liệu chứa chất màu tự nhiên không chỉ có một chất hóa học duy nhất trong thành phần mà còn chứa rất nhiều chất không thể nhuộm được, vì thế chiết tách chất màu tự nhiên là một quá trình phức tạp. Sau đây là một số phương pháp thường được áp dụng để chiết tách chất màu tự nhiên.
a. Chiết tách trong nước:
Chiết tách trong nước là phương pháp truyền thống dùng để tách chất màu ra khỏi nguyên liệu mang màu. Trong phương pháp này, nguyên liệu mang màu trước tiên sẽ bị nghiền thành các mảnh nhỏ hoặc thành bột và sàng lọc lại để tăng hiệu quả chiết tách. Sau đó, chúng được ngâm trong nước và đựng trong các bình bằng đất, gỗ hoặc kim loại (tốt hơn là đồng hoặc thép không gỉ) trong một thời gian, thường là để qua đêm để làm cho các liên kết giữa các phân tử trở nên lỏng lẻo. Sau đó đun sôi, lọc và thu được dịch
25
nhuộm. Quá trình đun sôi và lọc được lặp đi lặp lại nhiều lần để có thể thu được càng nhiều chất màu càng tốt. Khi quá trình chiết tách được thực hiện với số lượng lớn để sản xuất ra bột màu sạch, người ta dùng các bình bằng thép không gỉ và thời gian ngâm có thể giảm bằng cách đun nóng dung dịch. Việc lọc nhỏ giọt có thể đảm bảo loại bỏ các cặn mịn và cũng đảm bảo tính tan của thuốc nhuộm tự nhiên. Do hầu hết các công đoạn nhuộm đều được thực hiện trong môi trường nước, dịch chiết bằng phương pháp này có thể dễ dàng được gắn lên vật liệu dệt.
Nhược điểm của phương pháp này là thời gian chiết dài, cần lượng nước lớn, sử dung nhiệt độ cao, hiệu suất chiết tách thấp do chỉ những thành phần có thể tan trong nước mới được chiết trong khi đa số vật liệu đều ít tan trong nước.
b. Chiết tách trong acid hoặc kiềm:
Do một số chất màu là một dạng của glycoside, chúng có thể được chiết tách trong môi trường kiềm hoặc acid loãng. Sự có mặt của kiềm và acid tạo điều kiện để thủy phân glycoside, giúp cho việc chiết tách tốt hơn và hiệu suất chiết cao hơn. Nước chứa acid thường được dùng trong việc tách chiết chất màu gốc flavonoid nhằm ngăn quá trình (O) - khử. Chiết tách trong môi trường kiềm rất thích hợp cho các chất màu thuộc nhóm phenolic vì chúng có thể tan trong kiềm, điều đó có thể cải thiện hiệu suất chiết. Chất màu có thể bị kết tủa sau đó nếu thêm vào acid.
Nhược điểm của phương pháp này là một số vật liệu mang màu có thể bị phá hủy trong môi trường kiềm và thực tế là một số chất màu tự nhiên rất nhạy với pH. Chất màu tự nhiên là hỗn hợp của nhiều hợp chất hóa học, do đó khi thay đổi pH trong quá trình chiết tách bằng cách thêm kiềm hoặc acid có thể dẫn đến việc tách luôn các thành phần mang màu khác, do đó tạo ra ánh màu khác nhau.
c. Lên men:
Phương pháp chiết tách này sử dụng enzyme được tạo ra khi có mặt vi sinh vật. Ví dụ điển hình là quá trình chiết tách Indigo (các họ chàm). Lá và nhánh chàm tươi sau khi thu hoạch được ngâm trong nước ấm (khoảng 32°C). Quá trình ủ được thực hiện và hợp chất chứa glucoside có trong lá bị phá vỡ thành glucose và indoxyl bằng enzyme có trong lá. Quá trình lên men hoàn tất sau 10 -15 giờ và chất lỏng màu vàng có được chứa
26
indoxyl, indoxyl bị (O) trong không khí thành indigotin có màu xanh tan trong nước. Phương pháp lên men này cũng tương tự như phương pháp chiết tách trong nước ngoại trừ việc không sử dụng nhiệt độ cao.
Nhược điểm của phương pháp này là thời gian chiết tách lâu, cần phải thực hiện ngay sau khi thu hoạch và có mùi hôi do sự hoạt động của vi sinh vật.
d. Chiết tách trong dung môi:
Tùy vào nguồn gốc, các chất mang màu tự nhiên có thể được chiết tách bằng các môi hữu cơ như aceton, chloroform, ethanol, methanol hoặc hỗn hợp các dung môi như hỗn hợp ethanol/methanol, nước/cồn,... Phương pháp chiết tách trong hỗn hợp nước/ cồn có thể dùng để chiết chất màu tan hoặc không tan trong nước. Hiệu suất chiết tách của phương pháp này cao hơn phương pháp chiết trong nước khi so sánh về lượng hóa chất và chất màu được tách ra. Acid hoặc kiềm có thể được thêm vào dung môi alcohol để tạo điểu kiện thủy phân các glucoside và tách chất màu. Quá trình chiết tách được thực hiện ở nhiệt độ thường.
Nhược điểm của quá trình là sự có mặt của chất độc hại trong dung môi. Bảng 1.3: Đặc điểm của một số phương pháp chiết tách thông thường
Phương pháp
chiết tách Cách thực hiện Ưu điểm Nhược điểm
Chiết tách trong nước
Nghiền nhỏ thành bột mịn Ngâm chúng trong nước trong 1 thời gian
Đun sôi, lọc để thu được dịch nhuộm
Đơn giản Dễ gắn màu lên vật liệu dệt
Thời gian chiết tách lâu
Lượng nước lớn Hiệu suất chiết tách thấp
Chiết tách trong acid hoặc kiềm
Ngâm vật liệu trong dung dịch kiềm hoặc acid
Cải thiện hiệu suất chiết
Dễ phá hủy vật liệu dệt
27
Lên men
Sau khi thu hoạch vật liệu thì ngâm trong nước ấm. Ủ chúng trong thời gian dài
Dễ gắn màu lên vật liệu dệt
Không cần phải đun sôi
Thời gian chiết tách lâu
Thực hiện ngay sau khi thu hoạch Có mùi hôi
Chiết tách trong dung
môi
Tùy vào nguồn gốc mà có thể cho vào các dung môi hữu cơ như: aceton,
chloroform, ethanol,.. hoặc hỗn hợp dung môi như: nước/ cồn, ethanol/ methanol,…
Dễ chiết tách với chất màu tan hay không tan trong nước Hiệu suất cao
Có chất độc hại trong dung môi
1.6.5. Các kỹ thuật chiết tách hiện đại
Ngoài các phương pháp chiết tách truyền thống, ngày nay người ta dùng các phương pháp chiết tách hiện đại hơn bằng cách sử dụng công cụ máy móc như:
a. Chiết nhờ siêu âm (Ultrasound – assisted extraction)
Nguyên liệu được trộn với dung môi thích hợp rồi chiết bằng siêu âm. Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng siêu âm có khả năng phá vỡ màng tế bào dễ dàng hơn. Ngoài ra, siêu âm còn có tác dụng khuấy trộn mạnh dung môi, do đó gia tăng sự tiếp xúc của dung môi với chất cần chiết và cải thiện đáng kể hiệu suất chiết [26].
b. Chiết siêu tới hạn (SFE: Supercritical Fluid Extraction)
Đây là phương pháp chiết được quan tâm nhiều nhất hiện nay trong lĩnh vực chiết các hợp chất có hoạt tính sinh học từ nguyên liệu tự nhiên nhằm ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm và thực phẩm. Phương pháp này cho phép tự động hóa quá trình chiết và hạn chế việc sử dụng các dung môi hữu cơ độc hại. Dung môi chiết là chất lỏng ở trạng thái siêu tới hạn. Ở trạng thái này, chất lỏng có những tính chất đặc biệt như có tính chịu nén cao, khuếch tán nhanh, độ nhớt và sức căng bề mặt thấp. Do đó, nó có khả
28
năng khuếch tán mạnh vào nền nguyên liệu tốt hơn nhiều so với các dung môi thông thường, vì thế làm tăng hiệu suất chiết lên nhiều lần. Trong phương pháp này, thường dùng CO2 trạng thái siêu tới hạn làm dung môi chiết (đôi khi trộn với vài % dung môi phân cực nào đó như etanol, metanol, 2-propanol để làm tăng khả năng hòa tan carotenol của CO2) do đó cho phép chiết nhanh, chọn lọc, không làm oxy hóa carotenoid và an toàn trong vận hành [27].
c. Chiết dung môi tăng tốc (ASE: Accelerated Solvent Extraction) hay chiết dưới áp suất cao (PFE: Pressurized Fluid Extraction)
Đây cũng là một phương pháp chiết mới, cho phép chiết rất nhanh, tự động hóa, hiệu quả và tiết kiệm dung môi. Nguyên tắc của nó tương tự như phương pháp chiết Soxhlet cổ điển, ngoại trừ việc quá trình chiết được thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao (nhưng vẫn dưới điểm tới hạn của dung môi sử dụng). Trong phương pháp ASE, nguyên liệu cần chiết được xay nhỏ, làm khô (thường là đong khô), rồi nhồi vào một ống chiết (extraction cell). Ống chiết này được đặt trong lò duy trì ở nhiệt độ thích hợp (có thể điều chỉnh từ 40 – 200ºC). Dung môi được bơm vào ống chiết và ở áp suất 10 – 20 MPa trong vài phút (static time), sau đó dịch chiết được đẩy vào một bình hứng bằng một thể tích dung môi mới (cycles). Cuối cùng, toàn bộ dịch chiết được đẩy ra bằng một dòng khí trơ (N2) [28].
1.6.6. Lựa chọn phương án chiết tách
Có nhiều cách chiết khác nhau áp dụng cho nhiều loại nguyên liệu, mỗi cách có ưu nhược điểm riêng. Qua quá trình tìm hiểu tài liệu tôi đã tham khảo được phương pháp phù hợp với phòng thí nghiệm và hoàn cảnh là: Phương pháp chiết tách trong dung môi. Dựa vào kết quả khảo sát điều kiện chiết tách tối ưu từ các bài báo, tôi sử dụng dung môi etanol nồng độ 990 và chiết trong thời gian 60 phút, nhiệt độ 400C với tỷ lệ rắn lỏng là 1:20.
29
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1. Phương án thí nghiệm
Qua quá trình nghiên cứu và tìm hiểu thông tin trên các bài báo, tôi sẽ tiến hành khảo sát phương pháp chiết tách ở cùng một điều kiện chiết: trong 40°C, thời gian 60 phút, với tỷ lệ 1:20 trong dung môi etanol 99°.
Sau khi lựa chọn được phương pháp chiết tách tối ưu nhất tôi sẽ tiến hành các phương án thí nghiệm sau bao gồm:
- Phương án 1: Khảo sát ảnh hưởng của dung tỷ nhuộm đến cường độ màu: thay đổi dung tỷ nhuộm với các tỷ lệ khác nhau (1:25, 1:30, 1:35, 1:40), không sử dụng chất cầm màu.
- Phương án 2: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ nhuộm đến cường độ màu: thay đổi nồng độ dung dịch nhuộm với các nồng độ khác nhau (100%, 75%, 50%, 25%), không sử dụng chất cầm màu.
- Phương án 3: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nhuộm đến cường độ màu: thay đổi nhiệt độ nhuộm với các nhiệt độ khác nhau (600C, 700C, 800C, 900C), không sử dụng chất cầm màu.
- Phương án 4: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nhuộm đến cường độ màu: thay đổi thời gian nhuộm khác nhau (30 phút, 45 phút, 60 phút và 75 phút), không sử dụng chất cầm màu.
- Phương án 5: Khảo sát ảnh hưởng của pH đến cường độ màu: thay đổi pH của dung dịch nhuộm (pH ≈ 4, pH ≈ 6, pH ≈ 8), không sử dụng chất cầm màu. - Phương án 6: Khảo sát ảnh hưởng của chất cầm màu đến cường độ màu: khảo
sát với các chất cầm màu khác nhau như KAl(SO4)2.12H2O, CuSO4.5H2O, FeSO4.7H2O và Tanin.
Để thuận lợi cho việc quản lý các mẫu nhuộm và tránh bị nhầm lẫn trong quá trình thí nghiệm, cần phải quy ước về cách ký hiệu mẫu nhuộm như sau:
Tên mẫu thí nghiệm: AB. x. y Trong đó:
30 B – Môi trường chiết (E: Etanol) x – Thứ tự phương án thí nghiệm
Với: 1 – Khảo sát dung tỷ 2 – Khảo sát nồng độ 3 – Khảo sát nhiệt độ 4 – Khảo sát thời gian 5 – Khảo sát chất cầm màu
6 – Khảo sát nồng độ chất cầm màu
y – Thứ tự các mẫu ở trong mỗi phương án (1, 2, 3,…)
Ví dụ: SE.1.1 – Mẫu nhuộm tơ tằm bằng dịch chiết trong dung dịch etanol ở phương án 1 với dung tỷ 1:25.
2.4. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị sử dụng
2.4.1. Nguyên liệu
- Hạt điều màu: Nguyên liệu hạt điều màu khô được mua ở cửa hàng Bách Hóa Xanh, thuộc thương hiệu Việt San. Hạt điều màu thường là các hạt khô, già, có màu đỏ sẫm và có hình oval.
- Vải tơ tằm: sử dụng vải tơ tằm mộc của công ty dệt lụa tơ tằm Toàn Thịnh.
2.4.2. Hóa chất
Hóa chất được sử dụng chủ yếu trong suốt quá trình thí nghiệm là dung môi để chiết tách dung dịch nhuộm và các chất cầm màu ở dạng muối kim loại có độ tinh khiết cao như:
Bảng 2. 1: Vải sử dụng cho thí nghiệm
Chất liệu Kiểu dệt Mật độ ngang Mật độ dọc Khối lượng riêng
31 Bảng 2. 2: Hóa chất sử dụng cho đề tài
Hóa chất Độ tinh khiết Xuất xứ
Etenol ≥ 99.5% Việt Nam KAl(SO4)2.12H2O ≥ 99.5% Trung Quốc
CuSO4.5H2O ≥ 99.0% Trung Quốc FeSO4.7H2O 99 ~ 101% Trung Quốc Tanin Acid ≥ 99.0% Trung Quốc
Nước cất 1 lần Việt Nam
2.4.3. Thiết bị thí nghiệm
Bảng 2.3: Các thiết bị sử dụng trong thí nghiệm
Tên thiết bị Đặc tính kỹ thuật Số lượng Nguồn gốc
Máy nhuộm thí nghiệm 12 ống nhuộm 1 Mesdan, Ý Máy gia nhiệt và khuấy từ Nhiệt độ tối đa 3700C 1 VELP, EU
Cốc đong 600 và 1000 ml 2 Đức
Ống đong định mức 10 và 100 ml 1 Đức
Đũa khuấy 2 Trung Quốc
Nhiệt kế 2000C 1 Trung Quốc
Cân điện tử 420 ± 0.001 g 1 Mỹ
32
Giấy lọc Nhiều Trung Quốc
Máy đo cường độ màu 1 Mỹ
Hình 2.2: Cân điện tử Hình 2.1: Máy khuấy gia nhiệt
33
Hình 2.4: Máy sấy
34
2.5. Quy trình chiết tách dung dịch nhuộm
Nguyên liệu sau khi mua cần loại bỏ các hạt lép và rác. Sau đó đem phơi sấy khô. Bảo quản hạt điều sạch trong hộp, bọc kín tránh ánh sáng. Hạt điều màu sau khi được chuẩn bị sẽ được đánh giá ngoại quan về màu, mùi và độ ẩm. Tiếp theo, tiến hành chiết với dung môi ethanol 990 theo tỉ lệ rắn - lỏng 1:20, khuấy hỗn hợp trên máy khuấy từ gia nhiệt ở 400C trong 60 phút. Sau đó lọc lấy dịch chiết và thu được hỗn hợp màu đỏ cam. Thí nghiệm chiết tách được tiến hành theo sơ đồ trong hình 2.7.
35 Hạt điều màu
Xử lý nguyên liệu (Phơi khô và nghiền nhỏ)
Chiết trong dung môi etanol 990 (400C trong 60 phút) Lọc sạch tạp chất (Lọc 2 lần) Dịch chiết từ hạt điều màu
Hình 2.7: Sơ đồ quy trình chiết tách
36
Chiết tách trong dung môi etanol: Cân 5g hạt cà ri, hòa tan trong 100 ml dung