1.3.1.1. Phương pháp trích ly ngâm (ngâm chiết)
Phương pháp trích ly ngâm chiết hay còn gọi là đun cách thủy được tiến hành ở nhiệt độ dưới 100oC, ở áp suất 1 atm (hay 101.325 Pa, là phương pháp tương đối đơn giản và dễ lắp đặt, gia nhiệt gián tiếp qua nước, tránh hiện tượng quá nhiệt khi đun nóng, hạn chế được hiện tượng cháy chất cần đun. Bên cạnh đó, sử dụng nhiệt gián tiếp từ nước sẽ góp phần kiểm soát được nhiệt độ và giảm nhiệt nhanh nếu tăng cao hơn so với nhiệt độ khảo sát. Phương pháp này được ứng dụng nhiều trong công nghệ tách chất màu tự nhiên từ thực vật [8].
Ưu điểm: đơn giản, dễ thực hiện, dễ dàng thực hiện được với quy mô lớn.
Nhược điểm: tốn dung môi chiết nên không kinh tế 1.3.1.2. Phương pháp soxhlet
Phương pháp này được thực hiện trên hệ thống soxhlet như hình 1.3: nguyên liệu xay thô được đặt trực tiếp trong ống (4) hoặc tốt nhất là đặt trong một túi vải để dễ lấy bột cây ra khỏi máy. Lưu ý đặt vài viên bi thủy tinh dưới đáy ống (4) để tránh
làm nghẹt lối ra vào của ống thông nhau (6) . Rót dung môi đã lựa chọn vào bình cầu bằng cách tháo hệ thống ở chỗ nút mài số (2) , như vậy dung môi sẽ thấm ướt nguyên liệu rồi xuống bình cầu, ngang qua ngõ ống thông nhau (6). Mở cho nước chảy hoàn lưu trong ống ngưng hơi. Sử dụng bếp điện và điều chỉnh nhiệt sao cho dung môi trong bình cầu sôi nhẹ đều. Dung môi tinh khiết khi được đun nóng sẽ bốc hơi lên cao, theo ống (3) lên cao hơn, rồi theo ống ngưng hơi lên cao hơn nữa, nhưng tại đây hơi dung môi bị ống ngưng hơi làm lạnh, ngưng tụ thành thể lỏng, chảy thẳng xuống ống (4) đang 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 ống (4) càng nhiều, mức dung môi lên cao trong ống (4) và đồng thời cũng dâng cao trong ống (6) , vì đây là ống thông nhau. Đến một mức cao nhất trong ống (6), dung môi sẽ bị hút về bình cầu (1) lực hút này sẽ rút hết lượng dung môi đang chứa trong ống (4). Bếp vẫn tiếp tục đun và một quy trình mới vận chuyển dung môi theo như mô tả lúc đầu. Các hợp chất được hút xuống bình cầu và nằm lại tại đó, chỉ có dung môi tinh khiết là được bốc hơi bay lên để tiếp tục quá trình trích ly. Tiếp tục đến khi chiết kiệt chất trong nguyên liệu. Kiểm tra sự chiết kiệt bằng cách tắt máy để nguội và mở hệ thống chỗ nút mài (8), rút lấy một giọt dung môi và thử trên mặt kính, nếu thấy không còn vết gì trên kính là đã chiết kiệt. Sau khi hoàn tất, lấy dung môi trích ly ra khỏi bình cầu (1) , đuổi dung môi, thu được cao chiết [8].
Hình 1.4: Hệ thống chiết soxhlet Ưu điểm:
- Tiết kiệm dung môi, không phải tốn công lọc và châm dung môi mới
- Không tốn các thao tác lọc và châm dung môi mới như các kỹ thuật khác.
- Chiết kiệt hợp chất trong nguyên Nhược điểm:
- Kích thước của máy Soxhlet làm giới hạn lượng nguyên liệu cần chiết
- Chúng luôn bị đun nóng ở nhiệt độ sôi của dung môi vì vậy không thích hợp chiết các hợp chất kém bền nhiệt.
1.3.2. Một số kỹ thuật hiện đại dùng để chiết chất màu tự nhiên 1.3.2.1. Trích ly siêu âm (Ultrasound-assisted extraction)
Nguyên liệu được trộn với dung môi thích hợp rồi chiết bằng siêu âm. Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng siêu âm có khả năng phá vỡ màng tế bào của nguyên liệu, do đó giúp cho xâm nhập của dung môi vào bên trong tế bào dễ dàng hơn. Ngoài ra, siêu âm còn có tác dụng khuấy trộn mạnh dung môi, do đó gia tăng sự tiếp xúc của dung môi với chất cần chiết và cải thiện đáng kể hiệu suất chiết.
1.3.2.2. Trích ly sử dụng dung môi siêu tới hạn (SFE: Supercritical Fluid Extraction)
Đây là phương pháp chiết được quan tâm nhiều nhất hiện nay trong lĩnh vực chiết các hợp chất có hoạt tính sinh học từ nguyên liệu tự nhiên nhằm ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm và thực phẩm. Phương pháp này cho phép tự động hóa quá trình chiết và hạn chế việc sử dụng các dung môi hữu cơ độc hại. Dung môi chiết là một chất lỏng ở trạng thái siêu tới hạn. Ở trạng thái này, chất lỏng có những tính chất đặc biệt như có tính chịu nén cao, khuếch tán nhanh, độ nhớt và sức căng bề mặt thấp… Do đó, nó có khả năng khuếch tán mạnh vào nền nguyên liệu tốt hơn nhiều so với các dung môi thông thường, vì thế làm tăng hiệu suất chiết lên nhiều lần. Trong phương pháp này, thường dùng CO2 trạng thái siêu tới hạn làm dung môi chiết (đôi khi trộn với vài % dung môi phân cực nào đó như etanol, metanol, 2- propanol để làm tăng khả năng hòa tan carotenoit của CO2) do nó cho phép chiết nhanh, chọn lọc, không làm oxy hóa carotenoit và an toàn trong vận hành.
1.3.2.3. Trích ly dưới áp suất cao (PFE: Pressurized Fluid Extraction) hay chiết dung môi tăng tốc (ASE: Accelerated Solvent)
Đây cũng là một phương pháp chiết mới, cho phép chiết rất nhanh, tự động hóa, hiệu quả và tiết kiệm dung môi. Nguyên tắc của nó tương tự như phương pháp chiết Soxhlet cổ điển, ngoại trừ việc quá trình chiết được thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao (nhưng vẫn dưới điểm tới hạn của dung môi sử dụng). Trong phương pháp ASE, nguyên liệu cần chiết được xay nhỏ, làm khô (thường là đông khô), rồi nhồi vào một ống chiết (extraction cell). Ống chiết này được đặt trong lò duy trì ở nhiệt độ thích
hợp (có thể điều chỉnh từ 40 – 200oC). Dung môi được bơm vào ống chiết và giữ ở áp suất 10 -20 MPa trong vài phút (static time), sau đó dịch chiết được đẩy vào một bình hứng bằng một thể tích dung môi mới (flush volume). Quá trình được lặp lại vài lần (cycles). Cuối cùng, toàn bộ dịch chiết được đẩy ra bằng một dòng khí trơ (N2).
1.3.2.4. Trích ly có hỗ trợ enzyme
Sử dụng tác nhân là enzyme để phá vỡ cấu trúc thành tế bào thực vật như enzyme cellulase, enzyme glucanase và enzyme amylase... ở điều kiện thích hợp các liên kết bị phân cắt thành những đoạn nhỏ hoặc những phân tử glucose nhằm thu được nhiều chất cần chiết tách hơn.
1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết
1.3.3.1. Chênh lệch nồng độ chất cần thiết ở trong nguyên liệu và dung môi
- Muốn vậy, nguyên liệu phải có lực hút nhỏ nhất đối với dung môi để tạo ra nồng độ chất cần chiết trong dung môi phía trong nguyên liệu càng lớn thì quá trình khuếch tán các phân tử chất cần chiết đi ra càng mạnh.
- Tỷ lệ dung môi trên nguyên liệu phải lớn. Tuy nhiên phải ở mức độ hợp lý, nếu tỷ lệ qúa lớn làm cho nồng độ chất cần chiết trong dung môi chiết rút thấp gây khó khăn, cồng kềnh trong sản xuất.
- Có thể lợi dụng nguyên lý ngược dòng hoặc thay đổi dung môi chiết nhiều lần để tạo được sự chênh lệch nồng độ lớn
1.3.3.2. Hình thái, tính chất và cấu tạo của tổ chức nguyên liệu
- Mức độ phá vỡ cấu trúc tế bào càng nhiều thì sự tiếp xúc giữa chất cần chiết và dung môi càng tăng nên rút ngắn thời gian chiết và chiết triệt để hơn.
- Kích thước càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu và dung môi càng tăng, hiệu suất chiết tăng. Tuy nhiên cũng chỉ nên nhỏ tới mức nhất định vì quá nhỏ nguyên liệu dễ bị vón lại các hạt mịn lắng đọng trên các lớp nguyên liệu. Mặt khác, nguyên liệu quá nhỏ sẽ bị cuốn vào dịch chiết gây khó khăn cho quá trình xử lý dịch chiết sau khi chiết.
- Tính chất của nguyên liệu cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất chiết. Khi chiết bằng dung môi hữu cơ, độ ẩm nguyên liệu giảm thì tốc độ chiết tăng lên.
1.3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ
- Thời gian càng dài thì lượng chất khuếch tán tăng, nhưng thời gian phải có giới hạn. Khi đạt được mức độ trích ly cao nhất nếu kéo dài thời gian thì sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế.
- Nhiệt độ có tác dụng tăng tốc độ khuếch tán và giảm độ nhớt, do đó phân tử chất hòa tan chuyển động dễ dàng khi khuếch tán giữa các phân tử dung môi. Tuy nhiên, nhiệt độ tăng có giới hạn, vì nhiệt độ quá cao sẽ có thể phân hủy phân tử cần chiết và gây khó khăn cho quá trình công nghệ.
1.3.3.4. Dung môi chiết
Dung môi chiết cần thỏa mãn các điều kiện sau:
- Hòa tan chất cần chiết ở bất kì tỷ lệ nào.
- Có nhiệt độ sôi thấp để dễ dàng tách dung môi ra khỏi dịch chiết.
- Có thành phần hóa học ổn định, không phản ứng phụ với nguyên liệu.
- Không độc hại, không ảnh hưởng sức khỏe và chất lượng sản phẩm.
- Khó cháy nổ, an toàn cho quá trình sản xuất.
- Không ăn mòn thiết bị.
- Rẻ tiền, dễ kiếm, có khả năng sử dụng trong sản xuất.
Tuy nhiên hiện nay chưa có loại dung môi nào đáp ứng đầy đủ tất cả những điều kiện trên. Do đó, tùy trường hợp chiết cụ thể để chọn dung môi cho phù hợp.
Dựa vào điều kiện phòng thí nghiệm thì phương pháp ngâm chiết là phương pháp phù hợp dùng để tách chiết anthocyanin, đồng thời áp dụng một số kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu suất chiết anthocyanin.