1.4.1 Bản chất
Bản chất của quá trình trích ly (quá trình chiết) là sự rút chất hòa tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng một chất hòa tan khác (gọi là dung môi) nhờ quá trình khuếch tán giữa các chất có nồng độ khác nhau [4].
Trích ly chất hòa tan trong chất lỏng được gọi là trích ly lỏng, còn trích ly chất hòa tan trong chất rắn là trích ly chất rắn.
1.4.2 Phạm vi sử dụng của quá trình
Trong công nghệ thực phẩm nhằm mục đích sau:
- Khai thác là mục đích chủ yếu. Phổ biến là trích ly các nguyên liệu dạng rắn như: hạt dầu, các nguyên liệu tinh dầu như lá, rễ, cây, hoa hoặc quả; trích ly các loại củ như củ cải đường, trích ly mía. Cũng với mục đích này có thể phối hợp với quá trình khác để nâng cao hiệu suất thu sản phẩm. Ví dụ như phối hợp với quá trình ép trong sản xuất mía đường [4].
- Trích ly còn nhằm mục đích chuẩn bị cho các quá trình tiếp theo ví dụ như ngâm các loại hạt (các loại đậu, ngô, thóc..) trước khi chế biến; ngâm các loại củ (sắn, khoai…) làm yếu các liên kết trong vật liệu, đồng thời trích ly một số phân tử vào dung môi ngâm (ví dụ: hòa tan HCN khi ngâm củ sắn) [4].
- Với mục đích thu nhận sản phẩm như tách penicillin từ dung dịch lên men, sản xuất nước chấm bằng phương pháp ủ ẩm trích ly, hoặc trích ly trong quá trình
sản xuất cà phê hòa tan, trích ly khi ngâm quả, ngâm tẩm các loại thuốc bổ và thuốc chữa bệnh…[4].
1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết
- Thực chất quá trình trích ly là quá trình khuếch tán. Vì vậy sự chênh lệch nồng độ giữa hai pha (gradient nồng độ) chính là động lực của quá trình. Khi chênh lệch nồng độ lớn, lượng chất trích ly tăng; thời gian trích ly giảm ta thực hiện bằng cách tăng tỷ lệ dung môi so với nguyên liệu.
- Với các loại nguyên liệu rắn cần tăng diện tích tiếp xúc giữa chúng và dung môi. Điều này thực hiện bằng cách nghiền nhỏ, thái nhỏ, băm nhỏ vật liệu. Nó còn làm phá vỡ cấu trúc tế bào, thúc đẩy quá trình tiếp xúc triệt để giữa dung môi và vạt liệu. Tuy nhiên kích thước và hình dạng của vật liệu khi làm nhỏ cũng có giới hạn vì nếu chúng quá mịn sẽ bị lắng đọng lên lớp nguyên liệu, làm tắc các ống mao dẫn hoặc bị dòng dung môi cuốn vào mixen (hỗn hợp) làm cho dung dịch có nhiều cặn gây phức tạp cho quá trình xử lý tiếp theo [4].
- Tính chất của vật liệu cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất trích ly. Vật liệu là hỗn hợp lỏng – lỏng hoặc hỗn hợp rắn - lỏng cộng với một dung môi hoặc tập hợp một số loại dung môi. Chúng có độ hòa tan khác nhau, nồng độ các chất khác nhau và có tác dụng tương hỗ, khuếch tán vào nhau. Như khi trích ly dầu nếu độ ẩm nguyên liệu giảm, tốc độ trích tăng lên, vì độ ẩm tác dụng với protein và các chất háo nước khác ngăn cản sự dịch chuyển của dung môi thấm sâu vào trong nguyên liệu, làm chậm quá trình khuếch tán [4].
- Nhiệt độ có tác dụng tăng tốc độ khuếch tán và giảm độ nhớt, phần tử chất hòa tan chuyển động dễ dàng khi khuếch tán giữa các phần tử dung môi.Tuy nhiên nhiệt độ là một yếu tố có giới hạn. Vì khi nhiệt độ quá cao có thể xảy ra các phản ứng khác không cần thiết, gây khó khăn cho quá trình công nghệ [4].
- Yếu tố thời gian cũng ảnh hưởng đến quá trình trich ly. Khi thời gian tăng lên, lượng chất khuếch tán tăng, nhưng thời gian phải có giới hạn. vì khi đã đạt được mức độ trích li cao nhất, nếu kéo dài thời gian sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế.
1.4.4 Tổng quan về dung môi chiết
* Dung môi
Dung môi là pha có nồng độ thấp. Dung môi là để chiết các hợp chất ra khỏi nguyên liệu và thay đổi tùy theo bản chất của mỗi loại nguyên liệu. Cơ sở để lựa chọn một dung môi chiết là tính phân cựa của hợp chất chứa trong nguyên liệu và của dung môi.
+ Dung môi phân cực và không phân cực [6]
Quá trình hình thành một là tùy thuộc vào đặc tính của chất tan và dung môi. Để hình thành một dung dịch trước hết phải có sự phá vỡ các dây nối liên kết trong hợp chất tan và trong dung môi để hình thành dây nối liên kết mới giữa chất tan và dung môi.
Để hiểu về tính phân cực của dung môi, ta có thể so sánh giữa hai chất ete và nước - Hằng số điện môi của nước ở 200C là 80,4 trong khi của ete là 4,34
- Nguyên tử hydro của phân tử nước có khả năng liên kết với một nguyên tử mang điện âm của một hợp chất khác, hình thành dây nối liên kết hydro trong dung dịch nước, trong khi ete etilic không có sự liên kết này.
Dây nối hydro hình thành ảnh hưởng đến tính hòa tan của hợp chất đối với dung môi. - Nước có tác dụng vừa như một acid vừa như một bazo, còn ete chỉ là bazo rất yếu và không hoạt động như một acid.
- Do những đặc tính trên, nước được xem là một dung môi phân cực mạnh, còn ete là một loại dung môi không phân cực. Các dung môi phân cực mạnh ngoài nước ra còn có các ancola bậc thấp như: methanol, ethanol, propanola, butanola…Các dung môi không phân cực ngoài ete còn có các hydro cacbua như ete dầu, benzene, toluene, hexan, heptan…Các chất nằm giữa hai nhóm này gọi là các chất phân cực yếu hoặc vừa như ethyl acetate, clorofoc, acetone, diethyl clorua.
+ Khi lựa chọn dung môi cần đáp ứng được các yêu cầu sau đây [4]
- Phải có tính hòa tan chọn lọc, tức là hòa tan tốt các chất cần tách mà không được hòa tan hoặc hòa tan rất ít các chất khác. Đây là tính chất rất cơ bản không thể thiếu được khi lựa chọn dung môi.
- Nếu trích li lỏng yêu cầu khối lượng riêng của dung môi khác xa với khối lượng riêng của dung dịch. Tuy nhiên cũng có loại thiết bị trích li dung dịch có khối lượng riêng rất gần nhau.
- Không phá hủy thiết bị, dụng cụ.
- Không bị biến đổi thành phần khi bảo quản.
- Không độc khi thao tác, không tạo hỗn hợp nổ với không khí và khó cháy. - Rẻ tiền, dễ kiếm.
- Dung môi phải được tách ra sau quá trình trích ly bằng phương pháp đun nóng, chưng cất hoặc sấy. Sau khi tách không để lại mùi vị lạ và không gây độc cho sản phẩm. Trong công nghệ thực phẩm dung môi trích li phổ biến là nước (như trích ly củ cải đường, trích ly mía sau khi đã băm nhỏ, trích li cà phê, ngâm nước để tinh chế các loại tinh bột…). Vấn đề quan trọng cần giải quyết là chất lượng nước thực phẩm. Bên cạnh đó dung môi trích ly có thể là dung dịch đường trong quá trình ngâm các loại quả, tẩm các loại hương…; có khi dung môi là một số dung dịch hóa chất có nồng độ rất loãng như: dung dịch CuSO41%, dung dịch nước vôi loãng.
* Các chất tan trong nước và dung môi phân cực [6]
Các chất điện ly như các muối vô cơ đều tan trong dung môi phân cực. Chất phân cực: Các hợp chất hữu cơ nói chung không ion hóa nhưng nếu chúng có chứa các nhóm hoặc nguyên tử mang điện âm có thể hình thành dãy nối hydro với phân tử nước thì chúng sẽ tan được trong nước. Những nhóm có khả năng tạo dãy nối hydro như: -OH, CO, NO, NH2 và các halogen gọi là nhóm phân cực. Càng có nhiều nhóm phân cực thì phân tử ấy càng dễ hòa tan trong nước. Nhưng nếu mạch hydro cacbon của phân tử càng dài thì độ hòa tan càng giảm.
Thực nghiệm cho thấy, một nhóm phân cực trong phân tử có khả năng hình thành liên kết hydro với phân tử H2O sẽ làm cho phân tử ấy tan được trong nước nếu số cacbon của mạch không quá 5 hoặc 6 nếu phân tử có thêm mạch nhánh. Nếu phân tử có nhiều nhóm phân cực (2 nhóm trở lên) thì tỷ lệ này giảm xuống. Một nhóm phân cực cho 3 hoặc 4 cacbon trong mạch thì phân tử ấy tan được trong nước.
* Chất tan trong ete và dung môi không phân cực [6]
Các hợp chất hữu cơ không chứa nhóm phân cực gọi là các chất không phân cực. Nói chung chất không phân cực đều tan trong ete và dung môi không phân cực. Đồng thời chúng không tan trong nước và các dung môi phân cực khác. Các chất mà phân tử chỉ có một nhóm phân cực yếu cũng có thể tan trong ete. Hầu hết các chất hữu cơ tan trong nước đều không tan trong ete. Nếu chất vừa tan trong nước, vừa tan trong ete thì các chất đó phải là chất không ion hóa, có số cacbon không quá 5, có một nhóm phân cực tạo dây nối hydro nhưng không phải là nhóm phân cực mạnh.
Dựa vào tính phân cực của dung môi và của các nhóm hợp chất ta có thể đoán sự có mặt của các chất trong mỗi phân đoạn chiết. Trong phân đoạn chiết ete và ete dầu sẽ có các hydro cacbua béo hoặc thơm, các thành phần của tinh dầu như monotecpen, các chất không phân cực như chất béo, carotene, các sterol, các chất màu thực vật và chlorophyl. Trong dịch chiết clorofoc sẽ có mặt sesquitecpen, ditecpen, cumarin, qui non, các aglycon do glucozit thủy phân tạo ra, một số ancaloid bazo yếu. Trong dịch chiết cồn sẽ có mặt glucozit, ancaloid, flavonoid, các hợp chất phenol khác, nhựa, acid hữu cơ, tannin. Trong dịch chiết nước sẽ có các glucozit, tannin, các đường, các hợp chất carbohydrate phân tử như pectin, nhầy, gôm, các protein thực vật và muối vô cơ.
1.4.5 Tìm hiểu một số loại dung môi chiết trong đề tài. 1.4.5.1 Nước 1.4.5.1 Nước
Phân tử nước được cấu tạo từ một phân tử Oxy và hai phân tử Hydro, mà đôi electron trong môi trường liên kết này bị kéo lệch về phía Oxy nên phân tử nước có tính phân cực, do đó nước dễ liên kết với các phân tử, nguyên tử hoặc chất khác. Mặt khác các phân tử nước liên kết với nhau bằng các liên kết Hydro (liên kết kém bền) nên các phân tử, các nguyên tử hoặc các chất khác dễ bẻ gãy liên kết đó để tạo nên chất mới [19].
Nước sử dụng là nước được cung cấp từ nhà máy nước của thành phố. Nước đạt các tiêu chuẩn cho phép của nước dùng trong sinh hoạt và chế biến thực phẩm của Việt Nam theo tiêu chuẩn của Bộ y tế.
1.4.4.2 Ethanol
Ethanol, hay còn gọi là ethyl alcohol, công thức phân tử CH3CH2OH là một trong những hợp chất hữu cơ có nhiều ứng dụng nhất như: Dung môi, chất sát trùng, thức uống, chất chống đông, nhiên liệu, chất ức chế và đặc biệt là chất trung gian để sản xuất những chất hữu cơ khác. Ethyl alcohol ở điều kiện thường là một chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, trong suốt, không màu. Ethanol giảm thể tích khi pha với H2O và tăng thể tích khi pha với gasoline. Một thể tích Ethanol pha với một thể tích H2O thành 1,92 thể tích hỗn hợp. Lý tính và hóa tính của ethyl alcohol phụ thuộc vào nhóm hydroxyl. Nhóm này tạo sự phân cực của phân tử và tạo liên kết Hydrogen lien phân tử. Trong trạng lỏng, liên kết hydrogen được tạo ra bởi những lực hút giữa nguyên tử hydrogen của phân tử ethanol này với nguyên tử oxygen của một phân tử ethanol khác tạo thành những dimmer liên kết này cũng xảy ra tương tự nhưng cường độ mạnh hơn giữa ethanol và H2O. Do tạo thành những liên kết theo khối nhiều hơn hai phân tử, sự liên kết của ethyl alcohol chỉ tồn tại ở thể lỏng, trong thể hơi nó ở trạng thái monomer. Ethyl alcohol công nghiệp có thể được sản xuất bằng cách tong hợp từ Ethylene, lên men đường, tinh bột và cellulose [19].
Ethanol được sử dụng là cồn tuyệt đối. Cồn được đóng trong bao bì nhựa, đảm bảo các yêu cầu như:
- Hàm lượng ethanol tính theo thể tích(%): 99,5 - Tỷ trọng biểu kiến: 791
- Định tính chất không bay hơi: < 0,005 - Hàm lượng kim loại nặng (mg/l): < 1 - Định tính clorid: Đạt
- Định tính giới hạn acid- kiềm: Đạt
- Hàm lượng benzene (mg/l): Không phát hiện. - Hàm lượng aldehyd (mg/l): 1,9
1.4.5.3 Acetone
Acetone (CH3COCH3) là ketone đơn giản và quan trọng nhất. Nó là một chất lỏng không màu, dễ cháy, có mùi cay và thơm nhẹ, tan vô hạn trong nước vàn hầu hết trong các dung môi hữu cơ. Acetone là một dung môi xuất sắc được dùng trong nhiều lĩnh vực như: keo dán, sáp nhựa, chất béo, thuốc nhuộm và cellulosic. Nó được dùng làm chất mang cho acetylene trong sản xuất sơn, nhựa và cũng được dùng như là một vật liệu thô cho quá trình tổng hợp nhiều sản phẩm như: ketene, methyl methacrylate bisphenol, diacetone alcôhl, isophorone…Acetone cũng được ứng dụng nhiều trong quá trính chiết các chất hữu cơ khác và trong sản xuất chất không bụi. Nó là một dung môi rửa trong sản xuất sợi thủy tinh, là một dung môi để lau chùi trong công nghiệp điện tử, dung môi tẩy nhờn cho len và lụa. Ngoài ra acetone còn có khả năng kết hợp với nhiều chất trung gian khác làm tăng tính khả dụng của nó và các chất khác. Hàng năm một lượng lớn acetone được sử dụng trong những ứng dụng nhỏ như sản xuất những chất chức năng như chất chống oxy hóa, thuốc diệt cỏ, những ketone cao hơn, nhưng tụ với formaldehyde và những chất vitamine trung gian [19].
Acetone được sử dụng là loại tinh khiết, được đựng trong lọ thủy tinh có nắp vặn kín và được bảo quản ở điều kiện thích hợp. Nó đảm bảo các yêu cầu như:
- Độ tinh khiết: >99,5%. - Điểm sôi: 560C. - Hàm lượng nước: ≤ 0,3%. - Hàm lượng Aldehyd: ≤ 0,002%. - Hàm lượng Methanol: ≤ 0,05% - Hàm lượng Buthanol: ≤ 0,05% - Acidity (H+): ≤ 0,050 mmol/100g. - Alkalinity (OH-): ≤ 0,05 mmol/100g.
1.4.6 Phương pháp chiết xuất
Phương pháp chiết xuất là bao gồm cả việc chọn dung môi, dụng cụ chiết và cách chiết. Một phương pháp chiết xuất thích hợp chỉ có thể được hoạch định khi
biết rõ thành phần của các chất cần chiết trong nguyên liệu ra. Mỗi loại hợp chất có độ hòa tan khác nhau trong từng loại dung môi. Vì vậy không thể có phương pháp chiết xuất chung áp dụng cho tất cả các nguyên liệu.
* Phương pháp thực hiện quá trình chiết.
Các công đoạn chủ yếu của quá trình trích li là: Cho hỗn hợp cần trích li tiếp xúc với dung môi rồi tách các pha sau đó tách và thu hồi dung môi và tiến hành phân tích riêng. - Có thể thực hiện quá trình chiết bằng phương pháp ngâm hoặc hoặc phương pháp tưới dung môi lên vật liệu.
- Có thể thực hiện quá trình trích li gián đoạn hoặc liên tục; trích li một hoặc nhiều bậc, dung môi có thể chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều.
- Có thể chiết ở nhiệt độ thường hoặc chiết nóng. Hai cách chiết ở nhiệt độ thường là ngấm kiệt và ngâm phân đoạn. Phương pháp ngấm kiệt cho kết quả tốt hơn vì chiết được nhiều hoạt chất và ít tốn dung môi, nhất là khi áp dụng cách chiết ngấm kiệt ngược dòng. Khi chiết nóng, nếu dung môi là các chất bay hơi thì áp dụng cách chiết liên tục hoặc chiết hồi lưu. Nếu dung môi là nước thì sắc hoặc hãm phân đoạn.
CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu là loài rong Mơ (Sargassum cristaefolium) được nuôi trồng ở vùng biển Nha Trang – Khánh Hòa. Rong khi thu nhận
đã được rửa qua nước biển và làm khô đến độ ẩm bảo quản.
2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.1 Các phương pháp phân tích hóa học và vật lý