1.3.1.1 Nguyên lý của phương pháp chiết xuất sử dụng CO2 siêu tới hạn
Nguyên lý chiết xuất sử dụng CO2 SCF có thể được giải thích bằng biểu đồ pha (hình 1.6) [13], [31], [40], [47], [75].
Nhiệt độ (oC) 31,1oC Áp
Suaát
(atm) Hình 1.6 Giản đồ
pha của CO2 siêu tới hạn [12]
74 atm
Tại “điểm ba” của CO2 (áp suất bằng 5,11 atm và nhiệt độ bằng 216,8 oK), cả 3 pha rắn, lỏng, khí cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng.
Theo sự tăng nhiệt độ và áp suất, giá trị tỉ trọng của 2 pha lỏng và khí tiến đến cuối cùng bằng nhau, sự phân biệt giữa 2 pha biến mất, đường sôi kết thúc tại điểm tới hạn. Áp suất tới hạn của CO2 là 73,8 atm và nhiệt độ là 31,1 oC.
Vượt quá điểm tới hạn CO2 tồn tại ở trạng thái siêu tới hạn, nó có đặc điểm của cả chất lỏng và chất khí. Ở trạng thái này, CO2 có khả năng khuếch tán và độ nhớt của một chất khí, trong khi tỉ trọng của nó vẫn tương đương với tỉ trọng của một chất lỏng, đây là đặc tính lý tưởng để tạo ra một dung môi ưu việt có thể thích hợp để chiết xuất các hoạt chất [13], [39], [41], [76], [77], [79].
Phương pháp CO2 SCF được dùng nhiều trong công nghệ dược phẩm [64].
1.3.1.2 Qui trỡnh chieỏt xuaỏt tinh daàu Dửụng cam cuực
Sơ đồ qui trình chiết tinh dầu Dương cam cúc bằng CO2 siêu tới hạn.
Sơ đồ 1.1Qui trình chiết tách bằng dung môi siêu tới hạn [12]
Nguyeõn lyự chieỏt xuaỏt tinh daàu Dửụng cam cuực
Bột hoa DCC được chuyển vào bình chiết chịu áp, áp suất bình chiết tăng dần. Khí CO2 cũng được bơm vào bình chiết bằng thiết bị chuyên dụng. Điều chỉnh các thông số nhiệt độ (từ 30-40 oC), áp suất lần lượt là (100, 120, 160, 230 bar), tốc độ dòng lần lượt là (1,67x10-5 kg/s, 3,33x10-5 kg/s), thời gian thực hiện 10 giờ.
Sau thời gian qui định, CO2 lỏng thẩm thấu vào nguyên liệu và chiết xuất hoạt chất. Van giới hạn được mở chuyển CO2 lỏng cùng hoạt chất được chiết vào bình thu. Hoạt chất thu được là hỗn hợp tinh dầu và sáp. Sử dụng tách phân đoạn để tách tinh dầu ra khỏi sáp. CO2 được thu hồi [80].
Scalia, S. và cộng sự (Ý) [85] đã so sánh thành phần và hàm lượng của các chất chính trong tinh dầu DCC với hai phương pháp chiết xuất tinh dầu là cất kéo hơi nước và CO2 SCF. Kết quả được thể hiện qua bảng 1.4.
Bảng 1.4 So sánh tinh dầu Dương cam cúc cất kéo hơi nước và CO2 siêu tới hạn bằng GC/MS [48], [85]
Hàm lượng tinh dầu (%)
Chất chiết CO2 SCF Cất kéo hơi nước
β-farnesen 9,6 12,8 Germacrene-D 1,0 2,6
Bisabolol oxid B 4,6 7,8
α–bisabolol 2,3 3,6 Matricin (chamazulen) 7,3 0,5
Bisabolol oxid A 28,5 36,6
Dicycloether 25,9 2,7
Sáp 4,8 -
Chất không xác định - 9,6
Các thành phần trong tinh dầu chiết xuất bằng 2 phương pháp cơ bản là giống nhau chỉ khác nhau về tỷ lệ các thành phần.
1.3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến qui trình chiết tinh dầu Dương cam cúc Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ
Trong thực tế dung môi CO2 siêu tới hạn dùng để chiết tách thường trong khoảng nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tới hạn 1-2 lần, áp suất lớn hơn áp suất tới hạn khoảng 3,5 lần. Vậy có thể điều chỉnh áp suất và nhiệt độ để thay đổi tỉ trọng nhằm thay đổi khả năng hòa tan của dung môi siêu tới hạn.
Khả năng nén cao của CO2 siêu tới hạn làm cho việc thay đổi tỉ trọng dễ dàng, điều này giúp cho việc tách chiết có lựa chọn một hay nhiều thành phần ra khỏi dược liệu [12], [57], [62], [75], [83].
Ảnh hưởng của thời gian chiết xuất
Việc bảo đảm sự tiếp xúc tối đa của nguyên liệu chiết xuất và dung môi là rất quan trọng trong quá trình chiết xuất với dung môi siêu tới hạn.
Povh, P. N. và cộng sự [80] đã xác định thành phần và hàm lượng các chất trong tinh dầu chiết được bằng sắc ký khí tại 100 bar, 30 oC và 1,67x10-5 kg/s theo thời gian 30 phút hàm lượng α–bisabolol là 10%, 300 phút là 10,62%, 600 phút lên tới 20,89%.
Ảnh hưởng của tốc độ dòng dung môi
Tốc độ chảy của dung môi siêu tới hạn thấm vào tế bào dược liệu có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất chiết. Tốc độ dòng phù hợp, dung môi vừa thấm sâu vào tế bào nguyên liệu, giúp tăng hiệu suất chiết, vừa tiết kiệm thời gian [76].
Ảnh hưởng của chất hỗ trợ
Chất hỗ trợ cho thêm vào dung môi chiết xuất với một số mục đích như gia tăng tính thẩm thấu của dung môi vào dược liệu hay làm thay đổi tính tan của hoạt chất trong dung môi vì thay đổi tính phân cực của dung môi [85].
Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu
Nói chung, việc giảm kích thước nguyên liệu trong qui trình chiết với dung môi siêu tới hạn có thể làm tăng diện tích tiếp xúc giữa dược liệu và dung môi, tuy nhiên cũng không loại trừ khi kích thước quá nhỏ sẽ gây ra hiện tượng vón cục làm giảm hiệu suất chiết [80].
1.3.2 Chiết xuất flavonoid bằng CO2 siêu tới hạn
1.3.2.1 So sánh chiết xuất flavonoid bằng CO2 siêu tới hạn với một số phương pháp khác
Scalia S. và cộng sự (Ý) [85] đã nghiên cứu và so sánh việc chiết xuất các flavonoid từ DCC bằng dung môi siêu tới hạn với các phương pháp chiết xuất truyền thống như phương pháp ngâm, chiết Soxhlet, kết quả cho thấy, hàm lượng flavonoid (apigenin) thu được bằng phương pháp CO2 SCF ở điều kiện áp suất
200 atm, nhiệt độ 40 oC trong 30 phút là 71,4% so với phương pháp chiết bằng Soxhlet thực hiện trong 6 giờ và gấp 124,6% so với phương pháp ngâm thực hiện trong 3 ngày. Các số liệu này được xác định bằng phương pháp SKLHNC.
1.3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến qui trình chiết flavonoid
Nhiều thông số ảnh hưởng lên quá trình chiết flavonoid TP khi dùng phương pháp CO2 SCF (xem mục 1.3.1.3), nhưng yếu tố dung môi hỗ trợ là ảnh hưởng quan trọng nhất.
Ảnh hưởng của các dung môi hỗ trợ
Khả năng hòa tan trong dung môi siêu tới hạn tăng lên khi thêm một lượng nhỏ chất hỗ trợ (1-5% mol). Vai trò của chất này làm tăng độ phân cực của dung môi và độ tương tác mà không thay đổi tỉ trọng và khả năng nén của dung môi siêu tới hạn ban đầu [62].
S. Scalia và cộng sự (Ý) [85] cũng đã chiết xuất apigenin-7-glucosid với CO2 SCF cho thấy không có hiệu quả cao khi chiết xuất bằng CO2 tinh khiết.
Hiệu suất được cải thiện rõ rệt khi bổ sung methanol 5% vào bình chiết vì tăng độ hoà tan của apigenin và apigenin-7-glucosid. Thử nghiệm được tiến hành ở 200 atm, 45 oC, 5% methanol trong CO2 SCF. Kết quả hàm lượng apigenin-7- glucosid tăng từ 1,1% (không có methanol) tăng lên 19,5%. Qui trình có thể thay đổi bằng ethanol, propylen glycol.
Ảnh hưởng của nước
Nước chứa trong mẫu dược liệu thường có ảnh hưởng đến quá trình chiết.
Theo một nghiên cứu, lượng nước mặc dù chỉ hòa tan với tỷ lệ ≈ 0,3% trong CO2
SCF nhưng có khả năng làm tăng tính phân cực của dung môi và làm tăng hiệu suất chiết những hoạt chất tan tốt trong dung môi tương đối phân cực [66].