CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
b) Nhược điểm
1.4 ĐẠI CƯƠNG VỀ SÓNG SIÊU ÂM
1.4.1. Khái niệm 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 (16 kHz – 20 kHz).
Ngồi 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 pháp với phương truyền của sóng.
Các thơng số của q trình siêu âm:
+ Tần số (Frequency, Hz): Là số dao động phần tử thực hiện được trong 1 giây, (Hz). + Biên độ (Amplitude): Biểu thị mức độ thay đổi áp suất (so với áp suất cân bằng của mơi trường) trong q trình dao động.
+ Cường độ (Intensity, W/m2): Là năng lượng mà sóng siêu âm truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vng góc với phương truyền âm. Cơng thức tính I = P/S. Trong đó, P là cơng suất của nguồn âm (W), S là diện tích miền truyền âm (m2).
+ Mức cường độ âm (Sound pressure level, B): Là đại lượng tính bởi cơng thức: L = 1 g (I/Io). Trong đó, I là cường độ âm tại điểm cần tính, Io là cường độ âm chuẩn (âm ứng với tần số f = 1000 Hz) có giá trị là: 10-12 W/m2 (Lê Văn Hồng, 2014).
Hình 1.10. Các khoảng tần số của sóng siêu âm 1.4.2. Nguyên tắc tác động của sóng siêu âm 1.4.2. Nguyên tắc tác động của sóng siêu âm
1.4.2.1. Hiện tượng xâm khí thực
Khi sóng siêu âm được truyền vào mơi trường chất lỏng, các chu tình 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 đó 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 kiết giữa các phân tử và tại thành nứng bọt khí nhỏ. Bọt khí trở thành hạt nhân của hiện tượng xâm thực khí, bao gồm bọt khí ổn định và bọt khí tạm thời.
Bọt khí ổn định là nguồn gốc của những bong bóng khí nhỏ, kích thước của chúng dao động nhẹ trong các chu trình kéo và nén. Sau hàng ngàn chu trình, chúng tăng thêm về kích thước. Trong suốt q trình dao động, bọt khí ổn định có thể chuyển thành bọt khí tạm thời. Sóng siêu âm làm rung động những bọt khí này, tạo nên hiện tượng “sốc sóng” và hình thành dịng nhiệt bên trong chất lỏng. Bọt khí ổn định có thể lơi kéo những bọt khí khác vào trong trường sóng, kết hợp lại với nhau và tạo thành dịng nhiệt nhỏ.
Các bọt khí tạm thời có kích cỡ thay đổi rất nhanh chóng, chỉ qua vài chu trình chúng bị vỡ ra. Trong suốt chu trình kéo/nén, bọt khí kéo giãn và kết hợp lại cho đến khi đạt được cân bằng hơi nước ở bên trong và bên ngồi 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 mỗi chu trình. Các bọt khí lớn dần đến một kích cỡ nhất định mà tại đó năng lượng của sóng siêu âm khơng đủ để duy trì pha khí khiến các bọt khí nổ tung dữ dội. Khi đó các phân tử va chạm với nhau mãnh liệt tạo nên hiện tượng “sốc sóng” trong lịng chất lỏng, kết quả là hình thành những điểm có nhiệt độ và áp suất rất cao (5000 oC và 5x104 kPa) với vận tốc rất nhanh 106 oC/s.
Hình 1.11. Quá trình hình thành, phát triển và vỡ của bọt khí
+ 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 các phản ứng hóa học nhờ có sự trộn lẫn các chất phản ứng với nhau. + Tăng cường phản ứng polymer hố và depolymer hóa bằng cách phân tán tạm thời các phần tử hay bẻ gãy hồn tồn các liên kết hóa học trong chuỗi polymer.
+ Tăng hiệu suất đồng hố.
+ Hỗ trợ trích ly 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, loại bỏ các phần tử nhạy cảm bao gồm cả vi sinh vật (Kuldiloke J., 2002).
1.4.2.2. Hiện tượng vy xốy
Sóng siêu âm cường độ cao truyền vào trong lịng 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 (Kuldiloke J., 2002).
1.4.3. Cơ sở khoa học của sóng siêu âm truyền trong chất lỏng 1.4.3.1. Hiện tượng “Cavitation” 1.4.3.1. Hiện tượng “Cavitation”
Sóng siêu âm được tạo ra bằng các dao động cơ học ở tần số cao hơn 15kHz. Khi truyền trong môi trường lỏng, các phần tử trong trường siêu âm trải qua các chu trình nén (compression) và duỗi (rarefaction) và những dao động này sẽ lan truyền cho các phần tử kế cận. Khi năng lượng đủ lớn, tại chu trình duỗi, tương tác giữa các phân tử sẽ vượt quá lực hấp dẫn nội tại và các lỗ hổng nhỏ trong lịng chất lỏng được hình thành. Hiện tượng trên cịn được gọi là hiện tượng sủi bóng. Những bóng sủi này sẽ lớn dần lên bởi quá trình khuếch tán một lượng nhỏ các cấu tử khí (hoặc hơi) từ pha lỏng trong suốt pha dãn nở và khơng được hấp thụ hồn tồn trở lại trong quá trình nén.
Hình 1.12. Hiện tượng “Cavitation” 1.4.3.2. Hiện tượng vỡ bóng
Khi chúng đạt đến một thể tích mà chúng khơng cịn có thể hấp thu được năng lượng, chúng vỡ ra một cách đột ngột và nhanh chóng. Trong suốt quá trình vỡ, nhiệt độ và áp suất sẽ tăng lên rất cao (khoảng 4000 K và 1000 atm). Thể tích chất lỏng bị gia nhiệt là rất nhỏ
và nhiệt nhanh chóng bị tiêu tan, mặc dù nhiệt độ tại vùng này thì rất cao trong vài µ/s. Mặt khác, nhiệt độ và áp suất cao tạo ra khi nổ bong bóng sẽ dẫn tới sự tạo thành các gốc tự do như là H• và OH•.
1.4.4. Một số ứng dụng của sóng siêu âm
Siêu âm là một lĩnh vực đang được nghiên cứu và có tiềm năng phát triển trong ngành công nghệ thực phẩm. Sóng siêu âm có tần số từ 20 kHz đến trên 25 MHz thường được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Có 2 lĩnh vực được ứng dụng chính trong cơng nghiệp thực phẩm:
+ Siêu âm tần số cao và năng lượng thấp: Còn được gọi là siêu âm chuẩn đoán, trong khoảng tần số 20 MHz - 60 MHz. Phần này được sử dụng như một kỹ thuật phân tích, khơng làm phá hủy cấu trúc của mẫu, điều này được ứng dụng để xác định tính chất thực phẩm, đo tốc độ dịng chảy, kiểm tra bao gói thực phẩm.
+ Tần số thấp và siêu âm năng lượng cao (2 MHz - 10 MHz): Được ứng dụng rộng rãi như một quá trình hỗ trợ trong hàng loạt các lĩnh vực (kết tinh, sấy, bài khí, trích ly, lọc, đồng hố, làm mềm thịt, q trình oxy hố, q trình tiệt trùng).
1.6 PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ GHÉP KHỐI PHỔ GC-MS (Gas Chromatography - Mass Spectrometry) Chromatography - Mass Spectrometry)
1.6.1. Khái niệm
Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS: Gas Chromatography Mass Spectometry) là một trong những phương pháp sắc ký hiện đại nhất hiện nay với độ nhạy và độ đặc hiệu cao và được sử dụng trong các nghiên cứu và phân tích kết hợp. Thiết bị GC-MS được cấu tạo thành 2 phần: Phần sắc ký khí (GC) dùng để phân tích hỗn hợp các chất và tìm ra chất cần phân tích, phần khối phổ (MS) mô tả các hợp phần riêng lẻ bằng cách mô tả số khối. Bằng sự kết hợp 2 kỹ thuật này (GC-MS: Gas Chromatography Mass Spectometry các nhà hoá học có thể đánh giá, phân tích định tính và định lượng và có cách giải quyết đối với một số hóa chất. Ngày nay, người ta ứng dụng kỹ thuật GC-MS rất nhiều và sử dụng rộng rãi trong các nghành như y học, môi trường, nông sản, kiểm nghiệm thực phẩm.
1.6.2. Cấu tạo
Sắc ký khí (GC): Phân tách hỗn hợp hóa chất thành một mạch theo từng chất tinh khiết.
Khối phổ (MS): Xác định định tính và định lượng.
Cửa tiêm mẫu (injection port): 1 microliter dung môi chứa hỗn hợp các chất sẽ được tiêm vào hệ thống tại cửa này. Mẫu sau đó được dẫn qua hệ thống bởi khí trơ, thường là helium. Nhiệt độ ở cửa tiêm mẫu được nâng lên 300 oC để mẫu trở thành dạng khí.
Vỏ ngồi (oven): Phần vỏ của hệ thống GC chính là một lị nung đặc biệt. Nhiệt độ của lò này dao động từ 40 oC cho tới 320 oC.
Cột (column): Bên trong hệ thống GC là một cuộn ống nhỏ hình trụ có chiều dài 30 mét với mặt trong được tráng bằng một loại polymer đặc biệt. Các chất trong hỗn hợp được phân tách bằng cách chạy dọc theo cột này.
Sau khi đi qua cột sắc kí khí, các hóa chất tiếp tục đi vào pha khối phổ. Ở đây chúng bị ion hóa. Sau khi khối phổ, chúng sẽ tới bộ phận lọc.
Dựa trên khối lượng, bộ lọc lựa chọn chỉ cho phép các hạt có khối lượng nằm trong một giới hạn nhất định đi qua.
Thiết bị cảm biến có nhiệm vụ đếm số lượng các hạt có cùng khối lượng. Thơng tin này sau đó được chuyển đến máy tínhvà xuất ra kết quả gọi là khối phổ.
Khối phổ là một biểu đồ phản ánh số lượng các ion với các khối lượng khác nhau đã đi qua bộ lọc.
Máy tính: Bộ phận chịu trách nhiệm tính tốn các tín hiện do bộ cảm biến cung cấp và đưa ra kết quả khối phổ.
1.6.3. Công dụng
Phân tách: GC-MS có thể phân tách các hỗn hợp hóa chất phức tạp trong khơng khí hay trong nước. Ở đây, tốc độ được quyết định bởi tính bay hơi. Chất nào có tính bay hơi cao sẽ di chuyển nhanh hơn chất có tính bay hơi thấp.
Định lượng: GC-MS có thể định lượng một chất bằng cách so sánh với mẫu chuẩn, là chất biết trước và đã được định lượng chuẩn bằng GC-MS.
Nhận dạng: Nếu trong mẫu có một chất lạ xuất hiện, khối phổ có thể nhận dạng cấu trúc hóa học độc nhất của nó. Cấu trúc của chất này sau đó được so sánh với một thư viện cấu trúc của các chất đã biết. Nếu khơng tìm được chất tương ứng trong thư viện, ta thu được một dữ liệu mới và đóng góp vào thư viện cấu trúc sau khi tiến hành thêm các biện pháp để xác định được chính xác loại hợp chất mới này.
1.7 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ TINH DẦU HOA SỨ 1.7.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 1.7.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Năm 2009, nhóm tác giả gồm Potechaman Pitpiangchan, Uraiwan Dilokkunanant, Udomlak Sukkatta, Putthita Punjee, Prapasson Rukthaworn, Srunya Vajrodaya và Vichai Haruethaitanasan thuộc Kasetsart University, Bangkok 10900, Thailand đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Comparative Study Of Scented Compound Extraction From Plumeria obtusa L.”. Sau đó, đưa ra kết luận: Các đặc tính và hợp chất hóa học của tinh dầu hoa sứ
chiết xuất hexane được coi là phương pháp thích hợp trong chiết xuất trong nước hoa hoặc nguyên liệu mỹ phẩm vì phương pháp này rẻ hơn và thuận tiện hơn so với phương pháp chưng cất và nó mang lại tỷ lệ cao hơn so với phương pháp chưng cất. Tinh dầu được chiết từ chưng cất hơi nước là phù hợp cho liệu pháp mùi hương trong sử dụng như dầu massage. Năm 2017, nhóm tác giả gồm Pramod Narwariya, Jahangir Nabi, Lalit and Preeti thuộc Centre for Herbal Drug Technology Delhi Pharmaceutical Sciences and Research University đã có một báo cáo khoa học “Comprehensive Overview Of Plumeria obtusa”
trên “World Journal Of Pharmaceutical Research” và đưa ra kết luận rằng: Trong thời gian gần đây, nhu cầu của các sản phẩm thảo dược đã phát triển mạnh nhờ chất lượng vốn có của chúng và có hồ sơ tác dụng phụ khơng đáng kể. Đánh giá tài liệu cho thấy hoa sứ được đánh giá cao như một nguồn phong phú các thành phần hóa học quan trọng về mặt trị liệu như kaneroside, acid ursolic, benzyl salicylate và benzyl benzoate. Các chất chiết xuất khác nhau thu được từ các bộ phận khác nhau của cây đã cho thấy có nhiều hoạt động sinh học như kháng khuẩn, chống oxy hóa, chống loét, chống ung thư và hoạt động diệt côn trùng trong các mơ hình in vitro và in vivo khác nhau. Vì tình hình trên tồn thế giới hiện đang thay đổi theo hướng sử dụng các loại thuốc thảo dược không độc hại, nên việc phát triển các loại thuốc hiện đại từ các loài Plumeria cần được nhấn mạnh. Các thử nghiệm lâm sàng nên được hướng đến hỗ trợ sử dụng dược lý của nó. Hơn nữa, cần nhiều nghiên cứu hơn về hoạt động sinh học của nó.
1.7.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Năm 2012, trên Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ, nhóm tác giả gồm Lê Ngọc Thạch, Nguyễn Thị Thảo Trân và Võ Thị Kim Thu đến từ Đại học Khoa học, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã có bài nghiên cứu về thành phần hóa học có trong tinh dầu hoa sứ.
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Nguyên liệu chính được sử dụng để tiến hành tách chiết tinh dầu trong nghiên cứu là hoa sứ được thu hái tại Phường Long Hịa, Quận Bình Thủy, Thành phố Cần Thơ.
Hình 2.1. Hoa sứ 2.2 ĐỊA ĐIỂM, THỜI GIAN NGHIÊN CỨU 2.2 ĐỊA ĐIỂM, THỜI GIAN NGHIÊN CỨU
Địa điểm: Được tiến hành tại Phịng thực hành Hóa hữa cơ và Phịng thực hành Hóa phân tích, kiểm nghiệm, trường Đại học Tây Đô.
Thời gian: Từ tháng 01/2019 đến 07/2019. 2.3 THIẾT BỊ, DỤNG CỤ, HÓA CHẤT
2.3.1. Thiết bị
Bộ chưng cất lôi cuốn hơi nước Clevenger Máy sắc ký khí ghép khối phổ GC/MS: HP 6890 Hệ thống siêu âm
Tủ sấy
Tủ sấy chân không Cân đồng hồ Cân phân tích Bếp điện
Hình 2.2. Bộ dụng cụ chưng cất tinh dầu
2.3.2. Dụng cụ
Bình cầu 2000 mL Pipet
Bình tỷ trọng 5 mL Nhiệt kế
Bình lắng gạn 50 mL Phễu chiết
Bình định mức 25 mL, 50 mL Đũa thủy tinh
Bình nón 50 mL Giấy lọc
Cốc có mỏ 50 mL, 100 mL, 500mL Lọ chứa tinh dầu 2.3.3. Hoá chất Diethyl ether Dung dịch Phenolphtalein Dung dịch KOH 0,1N Na2SO4 khan CuSO4 Etanol Nước cất
2.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tinh dầu được trích ly bằng phương pháp chưng cất lơi cuốn hơi nước có hỗ trợ siêu âm.
Xác định thành phần hóa học, hàm lượng tinh dầu bằng phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ GC-MS.
Đo tỷ trọng được xác định bằng phương pháp đo bình tỷ trọng. 2.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.5.1. Trích ly tinh dầu bằng phương pháp chưng cất lơi cuốn hơi nước có hỗ trợ siêu âm siêu âm
2.5.1.1. Thu và xử lý mẫu
Hoa sứ được thu hái tại Quận Bình Thủy, Thành phố Cần Thơ.
Hoa được lấy vào lúc buổi sáng sớm, trời khô ráo và được bảo quản trong túi nhựa màu sẫm và được tách tinh dầu sau 12 giờ kể từ khi lấy mẫu.
Chọn những cụm hoa tươi, khơng dập, nở to, sau đó tách riêng từng hoa và rửa sạch, cắt nhỏ với các kích thước khác nhau.
Hoa sứ được bảo quản tươi cho đến khi tiến hành thí nghiệm chưng cất lơi cuốn hơi nước có hỗ trợ siêu âm để trích ly tinh dầu.
Hình 2.6. Xử lý mẫu hoa sứ 2.5.1.2. Chưng cất và làm tinh khiết 2.5.1.2. Chưng cất và làm tinh khiết
Cân khoảng 500 g hoa sứ cho vào bình cầu 2000 mL, thêm nước cất xấp xấp mặt nguyên liệu.
Đánh siêu âm trong khoảng 30 phút.
Lắp bình cầu vào hệ thống chưng cất hơi nước và tiến hành đun. Khi sôi, hơi nước sẽ lôi cuốn tinh dầu đi lên và ngưng tụ vào ống gạn.
Khảo sát ba yếu tố thời gian, nhiệt độ, kích thước nguyên liệu ảnh hưởng đến thể tích tinh dầu thu được.
Sau quá trình chưng cất tiến hành làm sạch tinh dầu.
Để cho việc tách tinh dầu ra dễ dàng, phân lớp rõ ràng của lớp nước và tinh dầu. Cho