2.6. Câc kỹ thuật chiết tâch hiện đại
2.6. L Chiet bằng phương phâp siíu đm
Đơi với phương phâp năy, câc hợp chất hữu cơ vă vô cơ bị phđn tâch ra khỏi trạng thâi ban đầu dưới tâc dụng của sóng siíu đm. Bản chất của q trình lă do sóng siíu đm có khả năng lăm tăng nhanh q trình vận chun sinh khối vă tăng tốc độ thđm nhập của dung môi văo trong tế băo sinh vật. Cơ chế của kỹ thuật năy bao gồm 2 hiện tượng vật lý sau: 1) sự phđn rê xảy ra dọc theo măng tế băo; 2) Phđn rê câc thănh phần bín trong tế băo.
Hiệu suất chiết tâch cùa phương phâp năy phụ thuộc văo câc yếu tố như độ đm, nhiệt độ, âp suất, tần số, độ nghiền nhỏ của mẫu vă dung môi. Đe tăng hiệu suất cùa phương phâp chiết, kỹ thuật chiết năy được phối hợp cùng với nhiều phương phâp khâc.
Phương phâp chiết siíu đm có ưu điểm lă tiết kiệm được thời gian chiết tâch. năng lượng, cũng như lượng dung môi cần dùng. Q trình chuyền hóa năng lượng giúp tăng nhanh q trình chun hóa năng lượng, giảm biến dơi nhiệt lượng vă nhiệt độ tâch chiết, tăng khả năng chiết chọn lọc, hiệu suất vă giảm câc bước phâi xử lý.
Chiết siíu đm lă phương phâp đạt được hiệu quả cao trong việc chiết tâch câc họp chất có hoạt tính từ sinh vật. Ví dụ chiết tâch 4 dẫn xuất isoflavone có tín lan lượt lă daidzin, genistin, glycitin vă malonyl genistin từ đậu nănh khi so sânh với phương phâp chiết khuấy trộn về thời gian vă dung môi chiết khâc nhau. Ket quả cho thay rằng chiết siíu đm lăm tăng hiệu suất dựa trín dung mơi sử dụng. Khi chiết câc họp chất phenolic như rutin, naringin, naringenin, quercetin, acid ellagic vă kaempferol từ dđu tđy sứ dụng chí dộ siíu đm lặp 0,8 giđy cứ mỗi 30 giđy một. Từ lâ tươi vă thđn của cđy Đỗ trọng {Eucommia ulmodies Oliv) đê thu acid clorogenic với hiệu suất cao bang câch sử dụng siíu đm ở điều kiện: 70 °C, methanol, tỉ lệ dung môi:mẫu = 20:1; vă thời gian chiết 30 phút so với phương phâp chiết thơng thường. Chiết siíu đm đe chiết tâch câc hợp chất có hoạt tính sinh học có tín rutin vă quercetin từ cđy bụi phât sâng (Euonynnis alatus. (Thunb.) Siebold cho thấy rằng sử dụng siíu đm cho hiệu suất cao hơn thơng thường. Chiết siíu đm sử dụng chất lỏng ion có một tiềm năng to lớn đí chiít 3 alkaloid (vindoline, catharanthine vă vinblastine) từ cđy
Catharanthus roseus. Chiít siíu đm sử dụng chat long ion có một tiềm
năng to lớn dí chiít 3 alkaloid (vindoline, catharanthine vă vinblastine) từ cđy Catharanthus roseus. Câc anthocyanin vă câc phenolic cũng được chiết từ quả nho sử dụng chiết siíu đm. Câc acid phenolcarboxylic, acid carsonic vă acid rosmarinic được chiết tù' cđy Rosmarinus officinalis cũng sử dụng kỹ thuật chiết siíu đm với dung dịch ion cho kết quả thu được tốt hơn phương phâp truyền thống.
2.6.2. Chiết bằng enzyme (EAE)
Một số họp chất trong sinh vật phđn bố trong tế băo chất, một số khâc lại nam trong mạng lưới polysaccharide-lignin thơng qua câc liín kết hydro vă liín kết kị nước, chúng rất khó đí tâch ra nếu sử dụng câc dung mơi theo phương phâp chiết tâch thông thường. Phương phâp chiết tâch băng
như cellulase, a-amylase vă pectinase trong quâ trình tâch chiết sẽ lăm tăng hiệu quả do chúng có khả năng phâ vỡ măng tế băo vả thủy phđn cấu trúc của câc polysaccharide, lipid.
Phương phâp chiết enzyme gồm 2 kỹ thuật chính: 1) Chiết long sử dụng enzyme (EAAE); 2) Ĩp lạnh sử dụng enzyme (EACP).
Thông thường, kỹ thuật enzyme long được dùng chủ yếu cho chiết dầu từ hạt. Trong kỹ thuật EACP, enzyme được dùng đế thủy phđn măng tế băo của hạt vì trong hệ năy khơng tồn tại liín kết polysaccharide-protein, trong khi EAAE lại có.
Q trình tâch chiết bằng phương phâp năy phụ thuộc nhiều văo câc u tơ như thănh phần cấu tử enzyme vă nồng độ, kích thước mẫu, tỉ lệ răn: lỏng, thời gian thủy phđn vă độ ẩm của mẫu... EACP lă một phương phâp được sử dụng để tâch chiết câc hoạt chất từ dầu hạt nhờ đặc tính của nó lă ít độc vă khơng dễ chây. Sử dụng tâch chiết dầu dùng enzyme cho kít quả hăm lượng acid bĩo tự do vă câc phosphorus cao hơn so với phương phâp chiết hexane thông thường. Phương phâp EAE được cho lă một kỹ thuật thđn thiện với mơi trường trong tâch chiết chất có hoạt tính vă dđu bới vì nó sử dụng nước thay cho câc dung mơi hữu cơ.
Thực tí đê thử nghiệm sử dụng phương phâp EAE trong tâch chiết câc hợp chđt chơng oxy hóa từ bê nho trong q trình sản xuất rượu vă đê tìm thđy mơi tương quan giữa hiệu suất tổng phenol thu được với tỉ lệ măng tế băo mẫu bị phâ hủy bởi enzyme, nồng độ của câc phenolic từ bê cđy Rìbes
nigrum tăng khi sử dụng câc lại enzyme khâc nhau. Khi tâch chiết hăm
lượng tông phenolic từ vở 5 loăi cam quýt khâc nhau (Yen Ben lemon, Meyer lemon, grapefruit, quýt vă cam) bằng kỹ thuật EAAE sử dụng nhiều loại enzyme khâc nhau vă đê thu nhận được rất nhiều celluzyme MX. Một phât hiện khâc lă hăm lượng câc chat phenolic chống oxy hóa tăng đâng kí khi tăng nồng độ sử dụng enzyme. Hỗn họp enzyme pectinolytic vă cellulolytic đê sử dụng vói tỉ lệ 2:1 đế tâch chiết câc hoạt chat (acid phenolic, câc nonanthocyanin flavonoid vă câc anthocyanin) từ bê nho vă kết quả thu được cao hơn so với sử dụng kỹ thuật chiết dùng sulfide. Việc chiết câc phenolic chống oxi hóa từ bê thải quả mđm xơi tăng lín nhị' ứng dụng enzyme trong kỹ thuật chiết nước-cồn so vói phương phâp chiết khơng dùng enzyme đê chiết câc họp chất phenolic từ bê nho sử dụng câb
loại enzyme khâc nhau: celluclast, peclinex vă novoferm trong kỹ thuật EAE vă thấy rằng novoferm đạt hiệu quả tốt nhất thu được phenolic.
2.6.5. Chiết sử dụng vi sóng
Chiết lị vi sóng (MAE) được sử dụng như lă một phương phâp tiíu chuẩn để gom câc chất tan được văo trong một hỗn hợp lỏng từ một lượng lớn mẫu sử dụng năng lượng vi sóng. Vi sóng lă năng lượng điện trường có tần số trong khoảng 300MHz - 300GHz. Vi sóng được tạo ra từ hai trường dao động vng góc giữa lă điện trường vă từ trường.
Nguyín tắc gia nhiệt trong phương phâp năy dựa văo câc tương tâc trực tiếp trín câc cực của mẫu. Năng lượng điện trường được chuyển thănh nhiệt năng theo hai cơ chế sau: sự dẫn điện ion vă sự quay lưỡng cực. Đôi với cơ chế dẫn điện ion, nhiệt năng được tạo ra do sự cản trở của mơi trường với dịng di chuyển của câc ion. Mặt khâc, câc ion cũng thường xuyín di chuyển do sự thay đối về điện trường thường xuyín. Việc di chuyển liín tục năy lăm câc phđn tử va chạm với nhau vă tạo ra nhiệt. Cơ chế của phương phâp năy bao gồm 3 bước cơ bản như sau: i) tâch câc chđt tan được ra khỏi mẫu sử dụng nhiệt vă âp suất, ii) khuếch tân dung mỏi văo mẫu, iii) giải phóng câc chất tan được văo dung mơi.
Phương phâp MAE có một số ưu diím như gia nhiệt nhanh, giảm khoảng câch gia nhiệt, giảm bớt thiết bị vă tăng hiệu suất sản phđm. Kỹ thuật năy giúp chiết tâch nhanh hơn so với phương phâp thông thường. MAE được xem lă kỹ thuật thđn thiện với mỏi trường do nó sử dụng nước hoặc cồn thay cho dung môi hữu cơ.
Đối với chiết tâch câc polyphenol vă cafeine từ lâ chỉ tươi, chạy MAE trong 4 phút cho hiệu suất sản phẩm cao hơn so với câc phương phâp khâc ở điều kiện nhiệt độ phòng vă tiến hănh trong 20 giờ. Câc ginsenoside chiết từ rễ cđy sđm thu được xử lý MAE trong 15 phút cũng cho hiệu quả cao hơn chiết truyền thong trong 10 giờ. Chiết MAE đối với câc hợp chất flavoligin vă silybỉnin từ Silybum marianum đê cho thấy ưu diím so với câc kỹ thuật khâc như Soxhlet vă ngđm chiết. Chiết một số hợp chất có hoạt tính (E- vă Z- guggolsterone, cinnamaldehyde vă tanin) từ nhiíu cđy khâc nhau dưới diều kiện tối ưu vă thấy rằng sử dụng MAE cho hiệu quả nhanh vă dễ dăng hơn so với phương phâp truyền thống. Sử dụng MAE đí
Quốc vă đê được tối ưu hóa câc yếu tố: nồng độ dung môi. thời gian chiết vă năng lượng của vi sóng.
2.6.4. Chiết sử dụng xung điện trường (PEF)
Kỹ thuật'xung điện trường (PEF) đê được sử dụng một câch hiệu quả để tăng cường câc quâ trình như nĩn, ĩp, chiết, khuếch tân trong nhiều thập kỉ qua.
Nguyín lý của phương phâp năy lă phâ hủy cấu trúc măng tế băo đí tăng hiệu suất chiết tâch. Khi xử lý tế băo trong điện trường, một xung điện chạy xun qua măng của tế băo đó. Dựa trín độ lưỡng cực của câc phđn tử măng tế băo, xung điện đó lăm chia tâch phđn tử ra theo điện tích của chúng. Sau khi vượt qua giâ trị giới hạn lă IV của măng tế băo, lực đấy bat đầu xuất hiện giữa câc phđn tử mang điện tích vă hình thănh nín câc lỗ hổng trín một số vùng ở măng tế băo từ đó lăm tăng tính thấm. Thơng thường, một mạch đơn giản với câc xung phđn rê theo cấp số nhđn được sử dụng trong chiết tâch, cấu tạo của nó lă một buồng có hai điện cực, ngun liệu thực vật được đặt văo buồng năy. Tùy theo câch thiít lập chí độ mă có thể sử dụng kỹ thuật năy liín tục hoặc giân đoạn. Hiệu quả của phương phâp năy tương quan chặt chẽ tới câc thông số của quâ trình bao gồm: độ mạnh từ trường, năng lượng đầu văo, số lượng xung diện, nhiệt độ phản ứng vă đặc tính của ngun liệu mđu. Phương phâp PEF có thí lăm tăng tốc độ chuyến khối bằng câch phâ hủy cấu trúc măng tế băo của nguyín liệu qua đó lăm tăng hiệu suất vă giảm thịi gian tâch chiết.
Kỹ thuật năy được âp dụng nhằm tăng cường khả năng giải phóng câc chất nội băo trong tế băo sinh vật. Sử dụng phương phâp năy ở điện trường trung bình (E-500 vă 1000 v/cm; trong 10-4 - 10"2 giđy) cho thấy nó phâ hủy măng tế băo mă chỉ lăm tăng nhiệt độ khơng đâng kí. Qua đó, phương phâp năy có thể hạn chế đến tối thiểu sự phđn hủy của câc họp chất nhạy nhiệt. PEF còn được sử dụng để xử lý bước đầư nguyín liệư trước khi tiến hănh chiết tâch theo phương phâp truyền thống.
ứng dụng PEF (tại IkV/cm với độ tiíu thụ năng lượng thấp 7kJ/kg) trong quâ trình chiết lỏng rắn của betanin từ củ cải đường cho thấy hiệu suất cao rồ rệt hơn so với việc lăm đông rồi đem ĩp truyền thông. Hiệu suất thu phytosterol từ ngô tăng 32,4% vă isỏlavonoid (genistein vă daidzein) từ đậu nănh tăng 20 - 21% khi âp dụng PEF văo quâ trình xử lý bước đầu. Tâch chiết câc hợp chất có hoạt tính như anthocyanin từ sản
phẩm phụ của nho bằng rất nhiều phương phâp khâc nhau vă nhận xĩt rằng việc chiết câc anthocyanin monoglucoside bang PEF đạt hiệu quả cao nhất. Việc ứng dụng kỹ thuật PEF lín nho trước khi đem ngđm có thế lăm giảm thời gian ngđm chiết vă tăng hoạt tính củạ chúng (hăm lượng anthocyanin vă tong polyphenolic) trong q trình sản xuất rượu. Tính thấm của bí mặt Merlot khi sử dụng xung điện trường lăm tăng khả năng chiết tâch polyphenol vă anthocyanin.
2.6.5. Chiết lỏng siíu tới hạn (SFE)
Sử dụng chất lỏng siíu tới hạn để tâch chiết được đề xuất bởi Hannay vă Hogarth (1879), tuy nhiín người có cơng lớn lă Zosel văo năm 1969 đê cơng bố quy trinh tâch loại caffeine khỏi că phí. Từ đó tới năy, phương phâp năy đê có được nhiều sự quan tđm của câc nhă khoa học vă ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khâc nhau như dược học, phđn tích polyme, phđn tích thực phẩm, mơi trường. Hiện nay, rất nhiều ngănh công nghiệp đê ứng dụng công nghệ năy trong sản xuất, đặc biệt công nghiệp sản xuất că phí.
Hình 2.4. Chiết lỏng siíu tới hạn (SFE).
Bất kì ngun tố trâi đất năo đều nằm trong 3 trạng thâi sau: rắn, lỏng, khí. Trạng thâi siíu tới hạn lă một trạng thâi đặc biệt khi một chất đạt tới nhiệt độ vă âp suất vượt ngoăi ngưỡng tới hạn của nó. Theo định nghĩa, điểm tới hạn lă trạng thâi khi nhiệt độ (Tc) vă âp suất (Pc) vượt khỏi ngưỡng mă khí có thế hóa lóng. Trong trạng thâi siíu tới hạn, câc đặc tính riíng của khí vă lỏng biến mất, nghĩa lă họp chất đó khơng thí hóa long bằng câch điều chỉnh âp suất hay nhiệt độ. Trạng thâi tới hạn long sở hữu
thế tâch chiết câc hợp chất trong thời gian ngắn với hiệu suất cao. Hệ thống chiết siíu tới hạn lỏng bao gồm câc chi tiết sau: một bình chứa pha động, thông thường lă CƠ2, một mây bơm đí nĩn khí, một lị chứa nhiều cột chiết, một thiết .bị đe duy trì âp suất cao trong hệ thống vă bình bẫy.
Carbon dioxide lă hợp chất lý tưởng dùng cho SFE. Nhiệt độ tới hạn của CO2 (31 °C) gần với nhiệt độ phòng vă âp suất tối thiều thấp (74 bars) cho phĩp ta tiến hănh ở âp suất trung bình, thơng thường từ 100 tới 450 bar. Nhược diím duy nhất của CO2 lă khả năng phđn cực kĩm của nó, điều năy khiín nó lă họp chất lí tưởng đí dùng với lipid, chất bĩo vă câc hợp chđt khơng phđn cực, tuy nhiín lại khơng thích họp đối với hầu hết câc hoạt chất trong dược học vă thuốc. Đe chiết câc họp chất phđn cực, một số dung môi khâc đê được sử dụng như Freon-22 (Chlorodifluoromethene) vă nitrogen oxide, tuy nhiín khả năng sử dụng chúng khâ hạn chế. Nước cũng được sử dụng để chiết câc hoạt chất phđn cực nhưng do nhiệt độ tới hạn của nó cao (374 °C) khiến nó khơng thích họp để xử lý câc họp chất không bề nhiệt. Mặt hạn chế về kĩm phđn cực của CO2 đê được giải quyết băng câch thím văo câc chất bố sung. Thông thường, một lượng nhỏ chất bô sung ở đđy dùng để lăm tăng khả năng phđn cực của carbon dioxide. Ví dụ: 0,5 mL dichloromethane (CH2CI2) có thể đẩy nhanh q trình chiết tâch khi thông thường cần tới 4 tiếng thúy phđn. Methanol lă họp chất thường được sử dụng nhất để thay đổi độ phđn cực của carbon dioxide. Một văi nghiín cứu ghi nhận rằng ethanol cũng có tâc dụng tương tự methanol, l ính chất của mẫu, chất thu được vă kinh nghiệm từ những thí nghiệm trước đđy lă câc yếư tố cần xĩt đến khi chọn chất bổ sung. Việc chiết thănh công câc hoạt chất phụ thuộc văo việc thiết lập thông số của SFE vă quan trọng nhất lă câc thơng số năy chính xâc. Độ chính xâc của câc thơng số lă rất cần thiết cho kỹ thuật năy. Câc yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suđt của phương phâp như lă nhiệt độ, âp suất, kích thước, độ ẩm, thời gian chiết, tốc dộ chảy CO2 vă tỷ lệ dung môi.
Ưu điếm của phương phâp siíu tới hạn long trong tâch chiết hoạt chất bao gơm câc diím sau: 1. Trạng thâi siíu tới hạn long có hệ số khuếch tân cao vă độ nhớt, sức căng bề mặt thấp hơn so với dung môi lỏng, điều năy cho phĩp thđm nhập sđu hơn văo mẫu cũng như tốc độ chuyến khối cao hơn. thời gian chiết được giảm đi khi so sânh với câc phương phâp khâc; 2. Sự hôi lưu chảy ngược của chất lỏng siíu tới hạn trong mẫu giúp việc
tâch chiết đạt hiệu quả tối đa; 3. Tính chọn lọc của chất lỏng siíu tới hạn cao hơn dung mơi lỏng thường do khả năng solvat của chúng có thí điíu chỉnh bởi nhiệt độ vă âp suất; 4. Việc phđn tích chất tan ra khỏi dung mơi có thế thực hiện dễ dăng thông qua sự hạ âp của chat long siíu tới hạn; 5. SFE được thực hiện ở nhiệt độ phịng, do đó nó lă phương phâp lý tưởng cho nhưng hợp chất không bền nhiệt; 6. Trong kỹ thuật SFE, một lượng nhở mẫu cũng có thế chiết được; 7. SFE tiíu tốn ít dung môi vă lă phương phâp thđn thiện với môi trường; 8. Có thể kết hợp SFE với phương phâp sắc ký, điều năy rất hiệu quả khi lăm với câc hợp chất dễ bay hơi; 9. Có thể tâi sử dụng chất lỏng siíu tới hạn do đó hạn chế lượng chất thải; 10. Quy mơ âp dụng SFE có thể từ văi milligram mẫu cho tới hăng tấn trong