2.4.1 Khái niệm và phân loại
Trích ly là quá trình tách một hoặc một số chất tan trong chất lỏng hoặc trong chất rắn bằng một chất lỏng khác gọi là dung mơi. Theo tác giả Nguyễn Bin (2008) cĩ 2 dạng trích ly là trích ly lỏng – lỏng và trích ly rắn – lỏng, các dạng trích ly được mơ tả và phân loại như sau:
Trích ly lỏng – lỏng là quá trình chiết chuyển các chất cần trích ly từ một chất lỏng (khác dung mơi) vào dung mơi và được thực hiện qua 2 giai đoạn.
- Giai đoạn đầu:Giai đoạn trộn lẫn và phát tán vào nhau để tạo sự tiếp xúc pha tốt cho dung mơi chất chuyển hỗn hợp đầu vào dung mơi. Nếu thời gian tiếp xúc đủ thì quá trình chuyền vật chất sẽ xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng giữa hai pha.
- Giai đoạn sau: Giai đoạn tách pha, hai pha tách ra dễ dàng được hay khơng tùy thuộc vào sự sai biệt khối lượng riêng giữa hai pha. Một là pha trích ly gồm chủ yếu dung mơi và dung chất, pha cịn lại chủ yếu là của hỗn hợp ban đầu. Thường thì các cấu tử trong hỗn hợp và các dung mơi đều ít hịa tan vào nhau vì thế trong hai pha đều cĩ sự hiện diện của ba cấu tử.
Ngồi ra theo tác giả Võ Tấn Thành và Vũ Trường Sơn (2013) thì các phương pháp trích ly lỏng – lỏng được phân loại theo đoạn (dịng) sẽ cĩ những dạng như:
20
- Trích ly theo một đoạn: Quá trình cĩ thể thực hiện liên tục hay gián đoạn. Hỗn hợp ban đầu và các dung mơi được trộn lẫn với nhau, quá trình truyền khối diễn ra giữa hai pha được tiến hành cho đến khi hệ cân bằng sau đĩ để hỗn hợp lắng và tách pha.
- Trích ly liên tục nhiều đoạn nghịch dịng: Nguyên liệu ban đầu và dung mơi đi ngược chiều nhau. Nguyên liệu đi vào đầu này và đi ra đầu kia. Pha trích và pha rafinat đi liên tục, ngược chiều nhau qua mỗi đoạn.
- Trích ly theo nhiều đoạn giao dịng: Quá trình cũng cĩ thể thực hiện liên tục hay gian đoạn. Đây là sự kéo dài của quá trình trích ly một đoạn trong đĩ pha rafinat liên tục đi qua mỗi đoạn để được tiếp xúc với dung mơi mới.
- Trích ly liên tục nghịch dịng cĩ hồn lưu: Quá trình trích ly liên tục nghịch dịng, dịng sản phẩm trích cĩ nồng độ lớn nhất khi đạt cân bằng với dịng nhập liệu. Việc sử dụng dịng hồn lưu của pha trích làm pha trích cĩ nồng độ cao hơn.
Trích ly rắn - lỏng: Đây là quá trình hịa tan chọn lựa hay nhiều cấu tử trong chất rắn bằng cách cho chất rắn tiếp xúc với dung mơi. Quá trình trích ly chất rắn cĩ thể được thực hiện gián đoạn, bán liên tục và liên tục. Cĩ 2 cách là cho chất rắn tiếp xúc với dung mơi và phun chất lỏng qua vật thể rắn. Quá trình này được sử dụng nhiều trong cơng nghệ chế biến thực phẩm như quá trình chiết tách các hợp chất cà phê, trà bằng cách cho tiếp xúc với nước nĩng, quá trình thu hồi dầu thực vật bằng cách cho các hạt cĩ dầu tiếp xúc với dung mơi hữu cơ.
2.4.2 Các phương pháp trích ly, tinh sạch dầu cá và làm giàu acid béo khơng bão hịa đa nối đơi (PUFAs) cĩ trong dầu cá hịa đa nối đơi (PUFAs) cĩ trong dầu cá
2.4.2.1 Trích ly dầu cá
Những tiến bộ cơng nghệ gần đây và sự phát triển của các phương pháp cải tiến sản xuất và phân tách đã tạo ra một cuộc cách mạng trong việc lựa chọn các phân tử sinh học và tạo cơ hội để cĩ được những chất chiết xuất tự nhiên. Các quy trình khai thác dầu mỡ động thực vật cĩ thể được phân loại thành ba loại: vật lý, hĩa học và sinh học.
a) Trích ly vật lý
* Trích ly bằng cách dùng nhiệt
Trích ly bằng cách dùng nhiệt cĩ thể hiểu là sử dụng nhiệt độ cao để phá vỡ màng tế bào của nguyên liệu, dầu từ các mơ dự trữ sẽ chảy ra (Hồng Thị Bích et al., 2017). Nhiệt độ cao sẽ làm đơng tụ protein, phá vỡ các chất béo lắng đọng, giải phĩng dầu và liên kết hĩa lý của nước. Sự đơng tụ của protein cá xảy ra ở khoảng 75oC, Thiết bị gia nhiệt trực tiếp và gián tiếp cũng được sử dụng. Trích ly bằng nhiệt cịn được sử dụng để hỗ trợ việc giải phĩng dầu từ các tế bào gan, đồng thời nĩ làm bất hoạt các enzyme phân giải mỡ gây ra sự thủy phân lipid (phản ứng hỗ trợ quá trình oxy hĩa các acid béo).Trong quá trình gia nhiệt, quá trình oxy hĩa lipid cũng cĩ thể xảy ra, bản chất của những thay
21
đổi phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, thời gian gia nhiệt, độ bất bão hịa của dầu (Quero-jiménez et al., 2020)
* Trích ly bằng phương pháp ép ướt
Việc trích ly dầu cá bằng phương pháp ép ướt là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để sản xuất ở quy mơ cơng nghiệp, về cơ bản được thực hiện qua 4 giai đoạn: nấu cá, ép, gạn và ly tâm. Các điều kiện nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt được sử dụng để đơng tụ protein và giải phĩng dầu sau đĩ cĩ thể làm thay đổi một phần các PUFAs cĩ mặt, do các phản ứng phân hủy như thủy phân và oxy hĩa (Bonilla-méndez and Hoyos-concha, 2018).
b) Trích ly hĩa học
* Trích ly bằng cách sử dụng dung mơi
Một quy trình thơng thường khác là trích ly sử dụng dung mơi, thường được áp dụng cho mục đích phân tích nhưng khơng áp dụng cho sản xuất cơng nghiệp. Quá trình này dựa trên khả năng hịa tan của lipid trong dung mơi hữu cơ và khả năng khơng hịa tan của chúng trong nước, nhờ đĩ, lipid cũng như các thành phần hịa tan của nĩ như protein, carbohydrate và khống chất cĩ thể được tách ra khỏi nước (Bonilla-méndez and Hoyos-concha, 2018). Các dung mơi thường được sử dụng là chloroform, methanol, ethanol, ether dầu hỏa,… (Rubio et al., 2010).
* Trích ly bằng Soxhlet
Đây được xem là phương pháp chiết xuất rắn – lỏng. Các dung mơi khơng phân cực như ethyl acetate và petroleum ether được sử dụng để trích ly lipid. Hiệu suất chiết đối với các lớp hợp chất khác nhau phụ thuộc phần lớn vào các đặc tính của dung mơi hữu cơ (Quero-jiménez et al., 2020).
Ban đầu mẫu được làm khơ, cắt nhỏ và được đặt trong ống xốp. Hệ thống Soxhlet chủ yếu cĩ ba ngăn: bình, buồng chiết và bình ngưng. Mẫu được đặt trong ống đong, khi bình được làm nĩng, dung mơi được bay hơi và chuyển lên bình ngưng, tại đây nĩ được chuyển thành chất lỏng và được thu vào buồng chiết cĩ chứa mẫu. Khi dung mơi đi qua mẫu, nĩ sẽ trích các chất béo và đưa chúng vào bình. Quá trình khai thác này thường kéo dài vài giờ (6 – 24 giờ) Sau khi hồn thành trích ly, dung mơi được bay hơi, và khối lượng lipid cịn lại được đo và sử dụng để phân tích (Hewavitharana et al., 2020).
c) Trích ly sinh học
* Trích ly bằng cách lên men
Quá trình lên men xảy ra tự nhiên trong điều kiện yếm khí do hoạt động của vi sinh vật. Ở phương pháp này thường ứng dụng để thực hiện cơng nghệ ủ chua cá sử dụng xử lý acid (acid hữu cơ, chẳng hạn như formic acid) hoặc lên men với vi khuẩn acid lactic để phá vỡ protein của cá thành các đơn vị hịa tan nhỏ hơn và acid giúp tăng tốc độ hoạt động của chúng đồng thời ngăn ngừa sự hư hỏng của vi khuẩn (Olsen et al.,
22
2014). Rai et al., 2010 đã nghiên cứu vi khuẩn acid lactic hiện diện tự nhiên và các mẫu
cấy bổ sung (Ent. Faecium HAB01 và Ped. Acidilactici K7) để ủ cá, tiếp theo là phương
pháp chiết xuất của Bligh và Dyer để đánh giá thành phần acid béo của dầu thơ thu được. Tuy nhiên, khơng cĩ lợi thế nào được nghiên cứu so với quá trình lên men tự nhiên về sản lượng dầu và thành phần acid béo. Một nghiên cứu khác đã so sánh quy trình ủ chua tự nhiên với ủ chua bằng acid sử dụng acid formic (3%, thể tích/trọng lượng) và lên men với một số chủng vi khuẩn acid lactic (Lb. plantarum, Pd. Acidilactici, Ent. Gallinarum, Lb. brevis, và Streptococcus spp.) được bổ sung chất chống oxy hĩa, chất diệt nấm (kali sorbat) và 15% mật đường để hỗ trợ quá trình lên men. Kết quả cho thấy giá trị peroxide và acid thấp hơn trong tất cả các mẫu lên men LAB được thêm vào, trong khi tỉ lệ PUFAs khơng khác biệt đáng kể (Ozyurt et al. 2019). Ngồi ra, một số LAB tạo ra chất chống oxy hĩa tự nhiên ngăn chặn quá trình oxy hĩa của các acid béo và quá trình lên men làm cho protein dễ tiêu hĩa hơn so với protein từ ủ chua (Vidotti et al., 2002). Nhìn chung, ủ chua cá địi hỏi chi phí đầu tư, năng lượng và lao động thấp nên đây là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để chế biến dầu cá quy mơ cơng nghiệp.
* Trích ly cĩ hỗ trợ của enzyme
Phương pháp này thường ứng dụng để thực hiện cho quá trình trích ly dầu cá cĩ sự hỗ trợ của enzyme được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ thấp bằng cách sử dụng các protease cùng với tỉ lệ nước/cá thích hợp để tối đa hĩa hiệu quả trích ly. Bổ sung các enzyme ngoại sinh làm cho quá trình tiêu hĩa được kiểm sốt và tái tạo tốt hơn. Vì vậy thủy phân bằng enzyme là một cách lý tưởng để thu hồi dầu và protein từ cá và chất thải chế biến thủy sản. Các enzyme và cá được sử dụng trong quá trình này cĩ một điểm chung là chúng phải đảm bảo chất lượng thực phẩm, và nếu các enzyme cĩ nguồn gốc từ vi sinh vật thì chúng khơng phải là mầm bệnh. Trong hầu hết các trường hợp, protease kiềm/trung tính được sử dụng cho quá trình thủy phân vì chúng tạo ra kết quả tốt hơn protease cĩ tính acid. (Ramakrishnan et al., 2013; Hatwar et al., 2011). Xử lý bằng enzyme là một phương pháp đầy hứa hẹn để trích ly đồng thời dầu, chất thủy phân protein và các hoạt chất sinh học từ cá, các sản phẩm phụ của cá và tảo (Araujo et al. 2020).
c) Các phương pháp trích ly theo AOAC (Association of official analytical chemists) * Trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn (Supercritical fluid extraction (SFE))
Trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn (SFE) là một cơng nghệ chiết xuất sử dụng dung mơi đang được quan tâm trong những năm gần đây, do những ưu điểm như sử dụng nhiệt độ vừa phải, mơi trường khơng cĩ oxy và chiết xuất lipid phân cực thấp, tránh được sự chiết tách tạp chất nước (Bonilla-méndez and Hoyos-concha, 2018).
Ngồi ra theo tác giả Bonilla-méndez và Hoyos-concha thì chất lỏng siêu tới hạn cĩ độ nhớt thấp hơn và độ khuếch tán cao hơn so với dung mơi thơng thường, cải thiện sự chuyển khối và giảm thời gian cần thiết cho quá trình trích ly. Nhược điểm lớn nhất
23
của nĩ là chi phí cao khi áp dụng cơng nghệ này ở cấp độ cơng nghiệp. Chất lỏng được sử dụng chủ yếu là CO2, nĩ được sử dụng như một dung mơi trơ và an tồn để khai thác dầu. Ưu điểm chính của nĩ là khơng lưu lại trong sản phẩm, vì ở nhiệt độ và áp suất phịng, nĩ trở về trạng thái khí và bay hơi.
Các thơng số thường được đánh giá là áp suất, nhiệt độ, lưu lượng CO2 và thời gian. Tuy nhiên, ảnh hưởng của độ ẩm, hướng dịng chảy, tỉ lệ dung mơi: nguyên liệu và kích thước hạt cũng đã được nghiên cứu trong dầu cá (Bonilla-méndez and Hoyos- concha, 2018).
* Trích ly cĩ hỗ trợ của vi sĩng
Chiết xuất bằng vi sĩng được coi là tốt hơn so với các phương pháp chiết xuất bằng dung mơi truyền thống vì nĩ cĩ một số lợi thế - tốc độ chiết cao hơn, nhiệt độ thấp hơn, tự động hĩa và sản xuất đồng thời các mẫu khác nhau (Rupasinghe et al., 2011). Tuy nhiên, khai thác bằng lị vi sĩng cĩ hai nhược điểm lớn: nhiệt tạo ra cĩ thể dẫn đến quá trình oxy hĩa acid béo khơng bão hịa và hiệu quả thấp khi sử dụng các dung mơi dễ bay hơi (Wang and Weller, 2006). Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả chiết xuất: kích thước hạt mẫu, dung mơi sử dụng, thời gian, cơng suất và tần số vi sĩng. Phương pháp chiết bằng vi sĩng khơng được sử dụng rộng rãi.
* Trích ly cĩ hỗ trợ của siêu âm
Chiết xuất cĩ hỗ trợ siêu âm (UAE) làm giảm đáng kể thời gian chiết xuất và tăng năng suất chiết xuất của nhiều chất nền tự nhiên, do tạo ra bọt khí trong dung mơi. Các bong bĩng tạo lỗ hỏng trong chất lỏng ở giai đoạn giãn nở. Áp suất âm do chu kỳ giãn nở tạo ra vượt quá độ bền kéo cục bộ của chất lỏng. Khả năng gây ra hiện tượng xâm thực (tạo bọt khí) này phụ thuộc vào đặc tính của sĩng siêu âm, tính chất của dung mơi và điều kiện mơi trường. Sau khi bong bĩng tạo bọt khí được tạo ra, nĩ sẽ xẹp xuống trong chu kỳ nén, đẩy các phân tử chất lỏng lại với nhau và một tia siêu nhỏ tốc độ cao được tạo ra về phía hạt ma trận, thúc đẩy sự trộn lẫn dung mơi với chất nền. Áp suất và nhiệt độ cao liên quan đến quá trình này, cĩ thể lên tới 1000 bar và lên tới 4726,85 °C, là nguyên nhân gây ra sự gia tăng chuyển khối, vì sĩng xung kích phá vỡ thành và màng tế bào. Sau khi phá vỡ tế bào, dung mơi cĩ thể dễ dàng thâm nhập vào hạt rắn, giải phĩng các hợp chất nội bào vào dung mơi dạng khối (Quero-jiménez et al., 2020).
2.4.2.2 Tinh sạch dầu cá bằng phương pháp trung hịa
Khi dầu cá được trích ly, chúng địi hỏi một quá trình tinh chế để đạt được các đặc tính chất lượng cĩ thể chấp nhận được cho người và động vật tiêu thụ, vì chúng chứa các tạp chất khơng hịa tan, phospholipid, acid béo tự do, độ ẩm, các sản phẩm oxy hĩa chính, khống chất, chất màu và thậm chí cả chất ơ nhiễm hữu cơ khĩ phân hủy. Các tạp chất trong dầu làm giảm chất lượng của dầu và phải được loại bỏ trong khi vẫn duy trì các hợp chất mong muốn nhất, chẳng hạn như Omega-3 và các PUFA khác, do đĩ, quá trình tinh chế phải được thiết kế sao cho đạt được mục tiêu này, giảm thiểu thất thốt
24
dầu và tối đa hĩa sự sẵn cĩ của các thành phần cĩ lợi (Bonilla-méndez and Hoyos- concha, 2018).
Các chất béo tồn tại chủ yếu ở dạng ester, tuy nhiên để tách chất béo ra thành các acid béo tự do thì cần sử dụng phương pháp trung hịa. Trung hịa chất béo trong mơi trường kiềm hay cịn gọi là phản ứng xà phịng hĩa. Đây là một phương pháp đơn giản, dễ tiến hành và hiệu suất phản ứng rất cao. Chất béo được đun hồn lưu với một base lỗng như KOH hoặc NaOH. Phản ứng tạo ra sản phẩm xà phịng, để tách được acid béo tự do cần cho xà phịng tác dụng với acid đậm đặc như H2SO4 (Trần Mỹ Quan et al., 2003) (hình 2.6).
Hình 2.6: Sự di chuyển của của chất béo trong quá trình xà phịng
(Nguồn: Trần Mỹ Quan et al., 2003)
Tác dụng của kiềm khơng phải chỉ hạn chế ở mức độ trung hịa mà chính những xà phịng sinh ra lại cĩ năng lực hấp phụ nên chúng cịn cĩ thể kéo theo các tạp chất như protein, chất nhựa, các chất màu và thậm chí cả những tạp chất cơ học vào trong kết tủa. Trên thực tế, dầu mỡ trung hịa xong khơng những giảm được chỉ số acid mà cịn loại trừ được một số tạp chất khác (Trần Thanh Trúc, 2005).
Theo Trần Thanh Trúc (2005), tùy thuộc vào chỉ số acid của dầu mà bổ sung lượng kiềm cho phù hợp (bảng 2.8). Trong khi tinh luyện bằng kiềm, điều kiện kỹ thuật cĩ tính chất quyết định chủ yếu là nồng độ của dung dịch kiềm, lượng kiềm dư so với tính tốn lý thuyết, nhiệt độ khi tinh luyện. Ngồi ra cịn phụ thuộc vào điều kiện khuấy trộn và thời gian.
Bảng 2.8: Qui định nồng độ dung dịch kiềm tương ứng với nhiệt độ và chỉ số acid của dầu mỡ Loại nồng độ Nồng độ NaOH (g/l) Nhiệt độ tinh luyện tương ứng (oC) Phạm vi chỉ số acid của dầu mỡ (mg KOH) Nồng độ lỗng Nồng độ vừa Nồng độ cao 35 – 45 85 – 105 120 – 200