Ngày nay, phương pháp ly trích đã được áp dụng rộng rãi vì mang lại hiệu quả
%, ít hơn nhiều so với phương pháp ép (hàm lượng dầu trong bã ly trích khoảng từ 1-6 %). Trong thực tế sản xuất, người ta thường kết hợp cả hai phương pháp ép và ly trích. Ngoài ra, phương pháp ly trích có thể khai thác được những loại dầu có hàm lượng bé trong nguyên liệu và có thể khai thác dầu với năng suất lớn. Tuy nhiên, do dung môi còn khá đắt tiền, các vùng nguyên liệu nằm rải rác không tập trung nên phương pháp này chưa được ứng dụng rộng rãi trong nước ta.
I.4.3.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp ly trích
Quá trình ly trích được dựa trên tính hòa tan tốt của dầu trong dung môi hữu cơ
không phân cực (xăng, n-hexan, dicloroetan…). Độ hòa tan vào nhau của hai chất lỏng phụ thuộc vào hằng sốđiện môi, hai chất lỏng có hằng số điện môi càng gần nhau thì khả năng hòa tan vào nhau càng lớn. Dầu có hằng số điện môi từ 2-3 , các dung môi hữu cơ có hằng sốđiện môi khoảng 2-10, do đó có thể dùng các dung môi hữu cơđể ly trích dầu chứa trong nguyên liệu.
Hình I.3. Sự ly trích dầu trong tảo dưới kính phóng đại.
Chuyển dần phân bố bên trong cũng như mặt ngoài các cấu trúc vật thể rắn của nguyên liệu vào pha lỏng dung môi, là một quá trình chuyển khối xảy ra trong lớp chuyển
động, do sự chênh lệch nồng độ đầu trong nguyên liệu và dòng chảy bên ngoài. Vì vậy, bản chất của quá trình ly trích là một quá trình ngâm chiết hòa tan, làm chuyển dầu từ
trong nguyên liệu vào dung môi, thực hiện bằng khuếch tán phân tử và khuếch tán đối lưu, sau đó tiếp tục thẩm thấu qua vách tế bào.
I.4.3.3. Những nhân tốảnh hưởng đến vận tốc và độ kiệt dầu khi ly trích
Mức độ phá vỡ cấu trúc tế bào nguyên liệu: là yếu tố cơ bản thúc đẩy quá trình ly trích nhanh chóng và hoàn toàn, tạo điều kiện cho nguyên liệu tiếp xúc triệt để với
Kích thước và hình dáng nguyên liệu ảnh hưởng nhiều đến vận tốc chuyển động của dung môi qua lớp nguyên liệu, từ đó xúc tiến nhanh hoặc làm chậm quá trình ly trích. Nếu nguyên liệu có kích thước và hình dạng thích hợp, sẽ có được vận tốc chuyển động tốt nhất của dung môi vào trong các khe vách cũng như các hệ mao quản của nguyên liệu.
Nhiệt độ của dung môi: bản chất của quá trình ly trích là quá trình khuếch tán, vì vậy khi tăng nhiệt độ, quá trình khuếch tán sẽ được tăng cường do độ nhớt của dầu trong nguyên liệu giảm làm tăng vận tốc chuyển động của dầu vào dung môi. Tuy nhiên, sự tăng nhiệt độ cũng phải có giới hạn nhất định, nếu nhiệt độ quá cao sẽ gây tổn thất nhiều dung môi và gây biến tính dầu. Khi đun dung môi đến nhiệt độ sôi sẽ tạo ra một lượng lớn các bọt khí có khả năng phá vỡ thành tế bào chứa dầu và do đó, vận tốc khuếch tán phân tử cũng tăng lên.
Độ ẩm của nguyên liệu: khi tăng lượng ẩm sẽ làm chậm quá trình khuếch tán và làm tăng sự kết dính các hạt bột ly trích do ẩm trong nguyên liệu sẽ tương tác với protein và các chất ưa nước khác, ngăn cản sự thấm sâu của dung môi vào bên trong nguyên liệu, làm chậm quá trình khuếch tán phân tử và đối lưu.
Vận tốc chuyển động của dung môi trong lớp nguyên liệu gây ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán phân tử và đối lưu. Tăng vận tốc chuyển động của dung môi sẽ làm tăng mức chênh lệch nồng độ của mixen trong lớp nguyên liệu. Từđó, rút ngắn được thời gian ly trích, tăng năng suất thiết bị.
Tỉ lệ giữa dung môi và nguyên liệu ảnh hưởng đến vận tốc ly trích, lượng nguyên liệu càng nhiều càng cần nhiều dung môi. Tuy nhiên, lượng dung môi lại ảnh hưởng khá lớn đến kích thước thiết bị.
I.4.3.4. Dung môi dùng để ly trích
Dung môi lý tưởng cho việc chiết tách dầu phải có khả năng hòa tan cao với dầu, hòa tan thấp hay không hòa tan protein, amino acid, carbohydrate. Dễ bay hơi, không có cặn bẩn, điểm sôi thấp, không gây cháy, không độc ở dạng lỏng cũng như dạng hơi. Dung môi dễ dàng khuếch tán sâu vào các phần tử của nguyên liệu, không hút ẩm, không quá đắt tiền. Các dung môi thông dụng thường dùng là n-hexan, eter dầu hỏa…
Hình I.4. Cấu tạo thiết bị chiết soxhlet.
Dụng cụ: gồm một bình cầu A đặt trên bếp đun có thể chỉnh nhiệt độ. Một bộ
phận chứa mẫu bột nguyên liệu gồm 3 ống: ống D có đường kính lớn được đặt ở giữa
để chứa bột nguyên liệu. Ống B có đường kính trung bình để dẫn dung môi từ bình A bay lên đi vào ống D chứa bột nguyên liệu. Ống E có đường kính nhỏ là ống thông nhau để dẫn dung môi từống D trả ngược trở lại bình cầu A, trên cao nhất là bộ phận ngưng tụ hơi dung môi bay lên.
Cách thức thực hiện: nguyên liệu đã được sấy khô và ở dạng mịn, được cho vào túi vải để thuận tiện cho việc lấy nguyên liệu ra khỏi ống D. Lượng bột trong ống D không được cao vượt quá mức cong của ống thông nhau E.
Rót dung môi đã lựa chọn vào bình cầu, kiểm tra hệ thống kín, mở nước chảy hoàn lưu trong bộ phận ngưng tụ hơi dung môi. Cắm bếp điện và điều chỉnh nhiệt độ
sao cho trong bình cầu sôi nhẹ. Dung môi tinh khiết khi đun nóng tới nhiệt độ đạt được
điểm sôi sẽ bốc hơi lên cao, hơi dung môi theo ống B lên cao đến bộ phận ngưng tụ, hơi dung môi được làm lạnh, ngưng tụ thành thể lỏng, rớt xuống túi vải chứa nguyên liệu. Dung môi ngấm vào nguyên liệu và chiết những chất hữu cơ nào có thể hòa tan vào dung môi. Theo quá trình đun nóng, lượng dung môi rơi vào túi vải càng nhiều, mức dung môi dâng lên cao trong ống D, và đồng thời cũng dâng cao trong ống E (ống
thông nhau). Đến mức cao nhất trong ống E, dung môi sẽ hút về bình cầu A, lực hút này sẽ rút hết lượng dung môi đang chứa trong ống D.
Bếp vẫn tiếp tục đun và một quy trình mới vận chuyển dung môi như ban đầu. Các hợp chất được hút xuống bình cầu và nằm tại đó, chỉ có dung môi tinh khiết là bốc hơi bay lên để tiếp tục quá trình chiết. Phải điều chỉnh nhiệt độđể tốc độ tuần hoàn của dung môi từ 6 - 8 lần trong một giờ. Tiếp tục cho đến khi chiết kiệt các chất trong bột nguyên liệu.
Quá trình chiết dầu kết thúc khi giọt dung môi (n-hexan hoặc eter dầu hỏa) từống hồi lưu chảy xuống không làm loang giấy lọc sau khi đã bay hết dung môi. Cất thu hồi dung môi có trong bình cầu thu được cao chiết.
I.4.3.6. Phương pháp ngấm kiệt
Phương pháp ngấm kiệt được sử dụng phổ biến vì không đòi hỏi thiết bị tốn kém, phức tạp. So với phương pháp ngâm dầm thì phương pháp này đòi hỏi thiết bị phức tạp hơn nhưng hiệu quả lại cao hơn và ít mất công hơn. Vì đây là quá trình chiết liên tục, dung môi trong bình ngấm kiệt đã bão hòa mẫu chất sẽ được thay thế liên tục bằng dung môi tinh khiết.
I.4.3.7. Phương pháp chiết ngâm dầm
Kỹ thuật này không đòi hỏi thiết bị phức tạp vì thế có thể thao tác với lượng lớn nguyên liệu. Ngâm nguyên liệu trong một bình chứa bằng thủy tinh hoặc bằng thép không rỉ, có nắp đậy. Sau đó rót dung môi tinh khiết vào bình cho đến xấp xỉ bề mặt của lớp nguyên liệu. Giữ yên ở nhiệt độ phòng trong một đêm hoặc một ngày, để cho dung môi xuyên thấm vào cấu trúc tế bào thực vật và hòa tan các hợp chất tự nhiên. Sau đó, dung dịch chiết sẽđược lọc ngang qua một tờ giấy lọc, thu hồi dung môi sẽ có
được cao chiết. Tiếp theo rót dung môi mới vào bình chứa nguyên liệu và tiếp tục quá trình chiết thêm một số lần nữa cho đến khi chiết kiệt lượng chất cần lấy.
Dung môi sau khi được thu hồi, được làm khan nước bằng các chất làm khan và
được tiếp tục sử dụng để chiết các lần sau.
I.5. VAI TRÒ CỦA SIÊU ÂM TRONG LY TRÍCH[16]
Siêu âm là âm thanh có tần số nằm ngoài ngưỡng nghe của con người (16 Hz–18 kHz). Về mặt thực hành, siêu âm được chia làm hai vùng:
- Vùng có tần số cao (5–10 MHz), ứng dụng trong y học để chuẩn đoán bệnh. - Vùng có tần số thấp hơn (20–100 kHz), ứng dụng trong các ngành khác (kích hoạt phản ứng hóa học, hàn chất dẻo, tẩy rửa, cắt gọt…) dựa trên khả năng cung cấp năng lượng của siêu âm.
Siêu âm cung cấp năng lượng thông qua hiện tượng tạo và vỡ “bọt” (khoảng cách liên phân tử). Trong môi trường chất lỏng, bọt có thể hình thành trong nửa chu kỳ đầu và vỡ trong nữa chu kỳ sau, giải phóng một năng lượng rất lớn. Năng lượng này có thể
sử dụng tẩy rửa chất bẩn ngay trong những vị trí không thể tẩy rửa bằng phương pháp thông thường, khoan cắt những chi tiết tinh vi, hoạt hóa nhiều loại phản ứng hóa học, làm chảy và hòa tan lẫn vào nhau trong việc chế tạo những sản phẩm bằng nhựa nhiệt dẻo…
I.5.2. Hiện tượng tạo bọt và vỡ bọt
Trong lĩnh vực hợp chất thiên nhiên, siêu âm chủ yếu sử dụng để hỗ trợ cho phương pháp tẩm trích giúp thu ngắn thời gian ly trích. Trong một số trường hợp, phương pháp siêu âm cho hiệu suất cao hơn phương pháp khuấy từ. Trong trường hợp tinh dầu qua sự ly trích bằng siêu âm được thực hiện ở nhiệt độ phòng nên sản phẩm luôn có mùi thơm tự nhiên.
Các thiết bị siêu âm hiện nay chủ yếu bao gồm hai dạng: - Bồn siêu âm.
- Thanh siêu âm.
Siêu âm có thể tạo ra nhiệt độ cao như nhiệt độ của bề mặt mặt trời và áp suất lớn như áp suất dưới lòng đại dương. Siêu âm được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như trong gia đình, y khoa, công nghiệp, hóa chất…Trong một vài trường hợp, sóng siêu âm có thể làm tăng độ phản ứng hóa học lên gần một triệu lần.
I.6. TỔNG QUAN VỀ CHLOROPHYLL, CÁC DẪN XUẤT CỦA CHLOROPHYLL VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ CHÚNG[20, 21, 23] CHLOROPHYLL VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ CHÚNG[20, 21, 23]
I.6.1. Chlorophyll và các dẫn xuất của chlorophyll
vật và chlorophyll luôn luôn hiện diện trong hạt có dầu. Khi hiện diện với nồng độ đủ
lớn, chlorophyll có màu phổ biến là màu hơi lục trong dầu thô. Chlorophyll bị phân hủy nhiệt tạo thành sắc tố pheophytin, sắc tố này làm cho dầu có màu tối.
Pheophytin là dẫn xuất chlorophyll chính hiện diện trong dầu thô và dầu đã được loại gum (phospholipid). Những loại hợp chất chlorophyll hòa tan trong dầu khi dầu
được chiết ra, có màu xanh cường độ bằng với nồng độ chlorophyll trong hạt.
Chlorophyll và những dẫn xuất của chlorophyll trong tảo chiếm hàm lượng khá cao và hiện tại nó là một trong những trở ngại lớn nhất về chất lượng cho công nghiệp dầu tảo.
Chlorophyll và dẫn xuất của nó là chất bắt sáng điển hình, những sản phẩm thoái biến của chlorophyll là những chất bắt sáng hơn bản thân chlorophyll nên chlorophyll và các dẫn xuất góp phần làm cho dầu bị trở vị và đẩy mạnh sự oxi hóa của dầu, vì vậy làm giảm độổn định của dầu tồn trữ.
Hình I.6. Sự thoái biến của chlorophyll và các dẫn xuất của chlorophyll.
I.6.2. Các phương pháp loại bỏ chlorophyll và các dẫn xuất của chlorophyll I.6.2.1. Phương pháp hóa lý I.6.2.1. Phương pháp hóa lý
Dùng chất hấp phụ như bentonite (MC 20), silicagel, đất tẩy trắng (fulmont F180)…để hấp phụ chlorophyll và các hợp chất khác hòa lẫn vào dầu.
I.6.2.2. Phương pháp hóa học
Dùng các loại acid vô cơ để kết tủa các hợp chất chlorophyll trong dầu. Các acid vô cơ phổ biến là acid sulphuric, acid phosphoric, acid nitric và acid hydrochloric.
Dùng acid phosphoric: xử lý với acid phosphoric dưới điều kiện chân không thì sẽ
kết tủa một lượng lớn chlorophyll. Tại 1400C, 2400 mg/l acid phosphoric kết tủa 98 % chlorophyll trong dầu canola sau 15 phút khuấy từ. Mức chlorophyll giảm từ 23.8 mg/l xuống ít hơn 0.5 mg/l. Mức chlorophyll còn giảm xuống lớn hơn 0.05 mg/l nếu tinh chế với kiềm và tẩy trắng[20].
Dùng acid sulphuric: mức chlorophyll giảm từ 23.8 mg/l xuống ít hơn 0.5 mg/l
đạt được với 5000 mg/l acid sulphuric ở nhiệt độ phòng[20].
I.6.2.3. Phương pháp sinh học
Dùng chlorophyllase thủy phân chlorophyll và pheophytin thành chlorophyllide và pheophorbide, cộng với isoprenoid alcohol phytol. Chlorophyllide và pheophorbide tan được trong nước và được loại bỏ ra khỏi dầu.
Các loại acid vô cơ như acid phosphoric, acid sulphuric biến đổi chlorophyll thành pheophorbide không tan được trong dầu và được tách ra khỏi dầu.
Phản ứng giữa chlorophyll và acid vô cơ bắt đầu trong điều kiện khan nước, nhóm carbonyl nhận thêm 1 proton, sau đó loại nhóm carboxylic. Phản ứng này cắt mạch bên acid béo phân cực, làm rời khỏi cấu trúc porphyrin của chlorophyll một acid carboxylic, acid carboxylic này không tan trong dầu.
R2 CH H C CH3 CH CH2 O C R1 O H R2 CH H C CH3 CH CH2 O C R1 O H R2 CH C CH3 CH CH2 HO C O R1 R1: Cấu trúc porphyrin của chlorophyll; R2: C15H31
I.6.4. Các phương pháp phân tích chlorophyll I.6.4.1. Phương pháp chuẩn độ
Chlorophyll có thể được xác định bằng chuẩn độ liên kết magnesium (Mg) với ethylenedinitriletetraacetic acid (EDTA - C10H16N2O8). Phương pháp này không phân biệt được giữa chlorophyll A và chlorophyll B, không thuận tiện và nhanh như phương pháp quang phổ. Phương pháp chuẩn độ chỉ phù hợp với những loại mẫu không có sự
thoái biến pheophytin hiện diện.
Nhiều phương pháp quang phổ khác nhau đã phát triển được chia làm 2 nhóm chính:
Nhóm thứ nhất bao gồm những phương pháp cho phép xác định chlorophyll bằng cách đo độ hấp thu tại bước sóng hấp thu cực đại của hai loại chlorophyll A và B, vì vậy không áp dụng trong hệ thống có pheophytin hiện diện.
Nhóm thứ hai có liên quan chính đến việc xác định mức độ chuyển đổi của chlorophyll thành pheophytin. Nhóm này định lượng được bốn thành phần chlorophyll A, chlorophyll B, pheophytin A, pheophytin B trong mẫu dầu.
Phương pháp của H. Niewiadomski, I. Bratkowska và E. Mossakowska dùng để định lượng bốn thành phần chlorophyll A, chlorophyll B, pheophytin A, pheophytin B. Bước sóng phân tích của chlorophyll A, chlorophyll B, pheophytin A, pheophytin B là:
- Chlorophyll A hấp thu ở bước sóng 664 nm. - Chlorophyll B hấp thu ở bước sóng 646 nm. - Pheophytin A hấp thu ở bước sóng 668 nm. - Pheophytin B hấp thu ở bước sóng 656 nm.
Bảng I.11. Hệ số hấp thu riêng trung bình ε (ml × mg-1 × cm-1) của chlorophyll A, chlorophyll B, pheophytin A, pheophytin B trong dung môi n-hexan tại các bước sóng phân tích. Bước sóng 646 nm 656 nm 664 nm 668 nm Chlorophyll A 0.019 0.052 0.083 0.073 Chlorophyll B 0.052 0.039 0.028 0.022 Pheophytin A 0.010 0.025 0.052 0.060 Hệ số hấp thu riêng trung bình ε (ml × mg-1 × cm-1) Pheophytin B 0.021 0.036 0.030 0.026
Nồng độ chlorophyll và các dẫn xuất của chlorophyll được xác định theo hệ
phương trình của H.Niewiadomski, I. Bratkoska và E. Mossakowska (1965), sử dụng hệ số hấp thu được trình bày ở bảng I.11.
A646 = 0.019 × x1 + 0.052 × x2 + 0.010 × x3 + 0.021 × x4 A656 = 0.052 × x1 + 0.039 × x2 + 0.025 × x3 + 0.036 × x4 A664 = 0.083 × x1 + 0.028 × x2 + 0.052 × x3 + 0.030 × x4 A668 = 0.073 × x1 + 0.022 × x2 + 0.060 × x3 + 0.026 × x4