CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
b) Nhược điểm
1.3.2. Các phương pháp mới trong việc trích ly tinh dầu
1.3.2.1. Công nghệ CO2 siêu tới hạn
Nguyên lý công nghệ CO2 siêu tới hạn: Carbon dioxid (CO2) ở trạng thái siêu tới hạn thường được sử dụng để chiết các chất thơm và chất béo, chủ yếu do giá trị tới hạn thấp (31,04 oC; 73,79 bar), không độc, giá rẻ. Sau quá trình chiết, để thu hồi sản phẩm chỉ cần giảm áp suất thấp hơn áp suất tới hạn thì CO2 chuyển sang dạng khí ra ngồi, cịn sản phẩm được tháo ra ở bình hứng mà khơng để lại dư lượng hóa chất như trong dung mơi cổ điển. Ngoài ra, độ nhớt của CO2 yếu và gần với độ nhớt của chất khí cho phép dòng chảy qua với tốc độ lớn và như vậy tăng hiệu suất tách. Tinh dầu sản xuất bằng phương pháp CO2 siêu tới hạn thường cho chất lượng cao khi so sánh với phương pháp trích ly bằng dung mơi thơng dụng.
Hình 1.8. Chiết xuất bằng phương pháp CO2 siêu tới hạn Ưu điểm của phương pháp: Ưu điểm của phương pháp:
+ Độ hòa tan của CO2 được kiểm soát bởi áp suất và nhiệt độ.
+ CO2 dễ kiếm, rẻ, không độc hại với môi trường và con người, khơng ăn mịn thiết bị, không gây cháy nổ. CO2 được thu hồi dễ dàng sau đoạn trích do tính chất dễ bay hơi của chúng.
+ Những thành phần không bền nhiệt được chiết ra với sự phân hủy thấp. Ngoài ra, điều kiện chiết xuất có thể được kiểm sốt, dễ lựa chọn điều kiện tách.
+ Những thành phần có nhiệt độ sơi cao được chiết ra một cách tương đối ở nhiệt độ thấp bởi CO2.
+ Ít có phản ứng với các chất cần tách. Khơng để lại vết dung mơi có hại trên sản phẩm tách (Minh Nguyệt, 2017).
Jin-Zhe He và cộng sự ứng dụng SCO2 trong chiết xuất flavonoid từ vỏ bưởi (Citrus
grandis (L.) Osbeck). Với điều kiện chiết xuất được tối ưu, sản lượng flavonoid thu được
là cao nhất đạt 2,37 %, đồng thời hoạt tính kháng oxy hố bằng phép thử DPPH (1,1- diphenyl-2-picrylhydrazyl) và ABTS (2,2'-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonic acid) của flavonoid chiết bằng SCO2 cao hơn so với chiết bằng phương pháp truyền thống.
Năm 2007, một nghiên cứu so sánh chiết tinh dầu chồi đinh hương của phương pháp SCO2 với ba phương pháp chiết truyền thống (chưng cất, chưng cất lôi cuốn hơi nước và chiết Soxhlet). Kết quả cho thấy hiệu suất chiết bằng SCO2 đạt 19,6 % so với phương pháp chưng cất (11,5 %) và chưng cất lơi cuống hơi nước (10,1 %). Ngồi ra, thời gian chiết cũng ngắn hơn nhiều, chỉ 2 giờ so với từ 4 giờ - 10 giờ của các phương pháp thơng thường.
Một thí dụ điển hình về hiệu quả kinh tế của công nghệ SCO2 mang lại là ngành công nghiệp dầu cọ của Malaysia. Theo báo cáo tình hình xuất nhập khẩu dầu thế giới, Malaysia là quốc gia sản xuất dầu cọ lớn đứng thứ 2 thế giới, đóng góp khoảng 48 triệu tấn chiếm 30 % tổng sản phẩm từ mỡ và dầu thế giới (dầu đậu chỉ chiếm 23 %). Việc sử dụng công nghệ SCO2 đã mang lại hiệu quả đáng kể về hiệu suất và kinh tế trong ngành sản xuất dầu cọ, dầu hạt cọ và các thành phần thứ cấp như carotenes, tocopherols của nước này. Ngoài việc nâng cao hiệu suất chiết, SCO2 cịn đóng vai trị là một máy khử trùng cho sợi dầu cọ (palm fiber oil), là một loại sản phẩm phụ trong quá trình chiết này.
Gần đây ứng dụng SCO2 trong chiết xuất dược chất và tinh dầu từ dược liệu thiên nhiên ở Việt Nam phát triển mạnh mẽ. Phan Tại Huân và cộng sự sử dụng SCO2 để ly trích tinh dầu gấc. Kết quả cho thấy tinh dầu thu được chứa hàm lượng vi chất (vitamin E, β-
caroten, lycopene) cao hơn gấp nhiều lần so với công nghệ truyền thống (ép gia nhiệt ho c sử dụng dung mơi hữu cơ), hiệu quả trích ly dầu gấc lên đến 91,5 %.
Năm 2014, Viện cơng nghệ hố học đã chế tạo thành công thiết bị phục vụ sản xuất tinh dầu Trầm từ cây Dó dung tích 50 lít sử dụng cơng nghệ SCO2. Cho thấy khả năng ứng dụng công nghệ này ở Việt Nam là rất lớn (Đoàn Thị Ngân, Lê Trần Thảo Nguyên, Hoàng Hồng Hạnh, Bùi Minh Quang, Nguyễn Lê Tuyên, Lê Văn Minh, 2018).
1.3.2.2. Vi sóng
Dưới tác dụng của vi sóng, nước trong các tế bào thực vật bị nóng lên, áp suất bên trong tăng đột ngột làm các mô chứa tinh dầu bị vỡ ra. Tinh dầu thốt ra bên ngồi, lơi cuốn
theo hơi nước sang hệ thống ngưng tụ (phương pháp chưng cất hơi nước) hoặc hòa tan vào dung môi hữu cơ đang bao phủ bên ngồi ngun liệu (phương pháp tẩm trích).
Lưu ý là mức độ chịu ảnh hưởng vi sóng của các loại mô tinh dầu không giống nhau do kiến tạo của các loại mô khác nhau, ngay khi nguyên liệu được làm nhỏ. Kết quả này được phản ánh qua thời gian ly trích.
Trong sự chưng cất hơi nước, việc ly trích tinh dầu có thể thực hiện trong điều kiện có thêm nước hay khơng thêm nước vào nguyên liệu (trường hợp nguyên liệu chứa nhiều nước, đây là đặc điểm của phương pháp chưng cất hơi nước dưới sự hỗ trợ của vi sóng). Ngồi ra, nước có thể thêm một lần hoặc thêm liên tục (trường hợp lượng nước thêm một lần không đủ lôi cuốn hết tinh dầu trong nguyên liệu) cho đến khi sự ly trích chấm dứt.
Ngồi việc nước bị tác dụng nhanh chóng, các cấu phần phân cực (hợp chất có chứa oxigen) hiện diện trong tinh dầu cũng bị ảnh hưởng bởi vi sóng. Ngược lại các cấu phần hidrocarbon ít chịu ảnh hưởng của vi sóng (do chúng có độ phân cực kém) nên sự ly trích chúng tựa như trong sự chưng cất hơi nước bình thường nhưng với vận tốc nhanh hơn rất nhiều vì nước được đun nóng nhanh bởi vi sóng.
Năm 1998, Luque de Castro và cộng sự đã đưa ra kiểu lị vi sóng tiêu điểm hỗ trợ cho sự ly trích bằng Soxhlet (FMASE - Focused Microwave Assisted Soxhlet Extraction) theo hình vẽ trong phần phụ lục. Hệ thống này giúp cho thời gian ly trích hợp chất thiên nhiên sử dụng Soxhlet giảm xuống đáng kể và khả năng bảo vệ những hợp chất dễ bị phân hủy tăng lên (Nguyễn Văn Minh, 2010).
Hình 1.9. Chiết với sự hỗ trợ của vi sóng 1.4 ĐẠI CƯƠNG VỀ SĨNG SIÊU ÂM 1.4 ĐẠI CƯƠNG VỀ SĨNG 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 dòng 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 hoá.
+ 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 xoáy
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 q 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 cơng 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: Cịn được gọi là siêu âm chuẩn đốn, 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 hố 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,