Phần 2 Tổng quan tài liệu
2.3 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 khơng gian có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe của con người, tức là trên 16 kHz (Jayasooriya et al., 2004) .
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 ngun liệu. Ngày nay siêu âm tần số thấp được ứng dụng, vơ hoạt enzyme, tăng hiệu quả q trình chiết xuất cũng như tăng tốc độ các phản ứng hóa học...(Knorr et al., 2004; McClements, 1995; Roberts, 1993; Zheng et al., 2006). 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 q trình sủi bọt diễn ra nhẹ nhàng, khơng 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 (Fellows, 2000;
Jayasooriya et al., 2004; Knorr et al., 2004; McClements, 1995). Siêu âm chẩn
đốn (5-10MHz): Khơng có hiện tượng sủi bong bóng và là dòng âm thanh để đo hệ số tốc độ và hấp thụ của sóng trong mơi 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 (Sala et al., 1995; Mañas et al., 2000; Pagán et al., 1999), khuấy trộn, đồng
hóa và nhũ hóa (Mason et al., 1996), phá bọt, quá trình lọc (Kobayashi et al.,
2003), quá trình sấy, chiết xuất và kết tinh (Chendke et al., 1975).
Nguyên lý tác động của sóng siêu âm:
Cơ chế xâm thực khí của sóng siêu âm: Khi sóng siêu âm truyền vào mơi
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 q 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 lơi kéo những bọt khí khác vào trong trường sóng, kết hợp lại với nhau và tạo thành dòng nhiệt nhỏ (Kuldiloke, 2002). 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 (Sala et al., 1995). 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... (Mas et al., 2000).
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 q 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.
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 (Chaplin et al., 1990). Ngày nay các thiết bị siêu âm công suất lớn ứng dụng chiết xuất trong sản xuất các chế phẩm sinh học (Balachndran et al., 2006; Bisio et al., 1985; Daren et al., 2010). 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%. 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% (Balachndran et al., 2006). Chiết xuất chè xanh ở nhiệt độ phịng 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% (Sulman et al., 2000).
Chai Junhong et al. (2010), chiết xuất polysaccharides từ nấm Đầu khỉ
bằng cơng 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% (Chai et al., 2010). XiaoPing Chen et al. (2010) 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% (Chen et al., 2010). Nghiên cứu khác của Sheng-Quan et al.
1/11,6 cho hiệu suất chiết tăng 115,56% so với chiết bằng nước nóng (Huang et al., 2010). Ding-long et al. chiết xuất polysaccharide từ Linh chi bằng siêu âm ở
nhiệt độ 550C, thời gian 20 phút cho hàm lượng polysaccharide đạt 14,25%, còn
phương pháp chiết xuất thẩm thấu là 5,44% trong 180 phút, trộn thông thường là 7,35%, cho thấy chiết xuất bằng siêu âm có lợi thế tiết kiệm thời gian, năng lượng, hiệu quả chiết xuất cao (Yang et al., 2012). Nghiên cứu của Wenbo Zhang
et al. (2011) và nghiên cứu của NIAN Bao-yi et al. 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… (Zhang et al., 2011). Bin-jie and Zhao-
zhong sử dụng phương pháp siêu âm trong chiết xuất polysaccaride 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 polysaccharide), thời gian chiết ngắn hơn phương pháp chiết bằng nước nóng truyền thống là 4-5 lần. Nguyễn Đức Tiến và cs. (2018) nghiên cứu về một số ảnh hưởng dung môi, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi, nhiệt độ và thời gian chiết xuất sử dụng sóng siêu âm đến
khả năng chiết xuất AGIs từ đỗ đen (Vigna cylindrica Skeels) lên men của
Aspergillus oryzae T6. Kết quả cho thấy quá trình chiết xuất AGIs từ đỗ đen lên
men của Aspergillus oryzae T6 đạt hiệu quả tốt nhất khi sử dụng dung môi
ethanol 50% với tỷ lệ trọng lượng nguyên liệu /thể tích dung mơi là 1/6 (w/v) ở
nhiệt độ 600 C trong thời gian chiết xuất sử dụng sóng siêu âm ở tần số 20 kHz là
10 phút (hoạt tính kìm hãm α- glucosidase IC50 đạt 230 µg/mL) cho khả năng chiết xuất AGIs tăng cao hơn 1,26 lần so với chiết xuất khơng sử dụng sóng siêu âm trong 120 phút, cho thấy tiềm năng ứng dụng sóng siêu âm trong chiết xuất
hoạt chất AGIs từ đỗ đen lên men của A.oryzae T6 hữu hiệu hơn phương pháp
chiết xuất thông thường không sử dụng sóng siêu âm là rút ngắn thời gian chiết và thu nhận hoạt chất AGIs cao. Nguyễn Đức Tiến và Phạm Anh Tuấn (2016) nghiên cứu chiết xuất fucoidan từ rong mơ, đã nghiên cứu sự kết hợp giữa chiết xuất fucoidan từ rong mơ bằng dung mơi và sóng siêu âm tần số 20 kHz được sử dụng để tối ưu các thông số đã cho thấy chiết xuất bằng nước khử ion, cường độ
siêu âm 58w/cm2 với thời gian siêu âm 3 phút ở nhiệt độ 40 ± 20C cho khả năng
chiết xuất thu được hàm lượng fucoidan cao (tăng cao hơn 3,77 lần so với chiết xuất không siêu âm trong 60 phút). Cho thấy tiềm năng ứng dụng sóng siêu âm trong chiết xuất fucoidan từ rong mơ cho sản xuất các sản phẩm bảo vệ sức khoẻ (kháng đông tụ máu, kháng ung thư, kháng viêm, kháng virút, chống oxi hóa…
với tiềm năng ứng dụng lớn trong các lĩnh vực mỹ phẩm, thực phẩm chức năng và dược phẩm) mang lại hiệu quả hơn so với phương pháp chiết xuất thông thường khơng sử dụng sóng siêu âm: rút ngắn thời gian chiết xuất, hàm lượng fucoidan thu được cao hơn. Nguyễn Đức Tiến và Phạm Anh Tuấn (2018) nghiên cứu trích ly β-D-Glucan từ nấm H. erinaceus cho chế biến thực phẩm bảo vệ sức khoẻ (cho chữa bệnh về dạ dày, loét tá tràng, hỗ trợ chữa ung thư dạ dày, ung thư thực quản, ung thư đại trực tràng, giúp chống mệt mỏi, chống q trình oxy hóa, chống lão hóa và tăng cường miễn dịch…), đã sử dụng sóng siêu âm cho trích ly
β-D-Glucan từ nấm H. erinaceus, đã nghiên cứu sự kết hợp giữa trích ly bằng
dung mơi là nước nóng với sử dụng sóng siêu âm tần số 20kHz được sử dụng để tối ưu các thơng số đã cho thấy trích ly bằng nước khử ion, cường độ siêu âm 8
W/cm2 với thời gian siêu âm 8 phút ở nhiệt độ 65 ± 2 0C cho khả năng trích ly
thu hàm lượng β-D-Glucan cao (tăng cao hơn 1,58 lần so với trích ly khơng siêu âm trong 180 phút). Cho thấy tiềm năng ứng dụng sóng siêu âm trong trích ly β- D-Glucan từ Hericium erinaceus mang lại hiệu quả hơn so với phương pháp trích ly thông thường không sử dụng sóng siêu âm: rút ngắn thời gian trích ly, hàm lượng β-D-Glucan thu được cao hơn. Nguyễn Đức Tiến và cs. (2018) xác định
được điều kiện thích hợp cho trích ly fucoxanthin từ S. mcclurei là trích ly bằng
ethanol 80%, tỷ lệ dung môi: nguyên liệu là 5 (w: w), ở cường độ siêu âm
8w/cm2, tần số 20 kHz, thời gian siêu âm là 3 phút ở 45±2 0 C cho khả năng trích
ly fucoxanthin và hoạt tính chống ơ xy hóa của dịch trích ly đạt hiệu quả cao, khả năng trích ly fucoxanthin cao hơn 53% so với trích ly khơng siêu âm trong 1 giờ.
Có thể thấy tiềm năng ứng dụng sóng siêu âm trong trích ly fucoxanthin từ S.
mcclurei hữu hiệu hơn phương pháp trích ly thơng thường khơng sử dụng sóng
siêu âm về chất lượng và thời gian. Chế phẩm fucoxanthin tạo ra được ứng dụng cho bào chế viên thực phẩm bảo vệ sức khỏe “fucoGlucan100” giúp hỗ trợ điều trị viêm loét dạ dày, tá tràng và đại tràng. Cho thấy tiềm năng sử sóng siêu âm khai thác fucoxanthin từ rong mơ ở Việt Nam để sử dụng trong dược phẩm, thực phẩm để ngăn ngừa và điều trị các bệnh mãn tính, fucoxanthin giúp hỗ trợ chống béo phì, giảm mỡ vùng bụng, tác động hiệu ứng chống viêm và chống oxy hóa trong cơ thể, chống bệnh đái tháo đường, ngăn ngừa bệnh đau dạ dày, ung thư ruột kết, ung thư tá tràng, bệnh bạch cầu, gan và tuyến tiền liệt, làm đẹp da, giữ ẩm cho da, trị mụn trứng cá.... Nguyễn Đức Tiến và cs. (2015) xác định được một số thơng số thích hợp cho q trình chiết tách Diterpenoid và β-glucan từ nấm
Hericium erinaceus là chiết Diterpenoid bằng EtOH 80%; tỷ lệ DM/NL là 6/1;
cường độ sóng siêu âm 8 w/cm2; thời gian chiết siêu âm 4 phút; nhiệt độ 50ºC;
Chiết xuất β-glucan bằng nước cất, tỷ lệ DM/NL là 5/1, cường độ sóng siêu
âm 8 w/cm2, thời gian chiết siêu âm 5 phút, nhiệt độ 55ºC. Chế phẩm
Diterpenoid thu được cho sản lượng đạt 8,28% so với nguyên liệu: chứa 14,65% Diterpenoid, độ ẩm 21,26%. Chế phẩm β-glucan đạt sản lượng 13,24% so với nguyên liệu: chứa 71,13% β-glucan, độ ẩm 16,61%. Kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng sóng siêu âm cho chiết xuất trong triển khai sản xuất chế phẩm Diterpenoid và β-glucan từ nấm Hericium erinaceus ở Việt Nam ứng dụng trong thực phẩm bảo vệ sức khoẻ, dược phẩm giúp duy trì tăng trưởng tế bào thần kinh, chống khối u, chống HIV, tăng cường miễn dịch, tác dụng hạ đường huyết và khả năng kháng khuẩn... .
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.