Lipid là các hợp chất có hoạt tính sinh học. Chúng liên kết với các phân tử carbohydrate và protein để hình thành nên glycolipid và lipoprotein. Ngoài ra, các phân tử khác như các phân tử dung môi cũng có thể liên kết với lipid. Lợi dụng tính chất này, ta có thể dùng các loại dung môi để tách lipid ra khỏi liên kết với màng tế bào, lipoprotein, cũng như là glycolipid [48].
Trích ly lipid từ sinh khối vi tảo là một bước quan trọng trong quá trình sản xuất biodiesel. Có nhiều phương pháp trích ly bằng nhiều dung môi hữu cơ khác nhau có thể được sử dụng để trích ly lipid. Việc lựa chọn phương pháp cụ thể để trích ly tùy thuộc vào các yếu tố như loại sinh khối, hàm lượng lipid trong sinh khối, và lượng sinh khối cần trích ly. Trong tế bào vi tảo, lipid tồn tại ở dạng các giọt nhỏ với kích thước trong khoảng 30 nm [47]. Vì thế, người ta cho rằng có hai cơ chế cơ bản để tách chiết lipid [40], đó là:
- Khuếch tán lipid qua thành tế bào do sinh khối có thể tồn tại ở dạng huyền phù và các loại dung môi có thể hòa tan một cách chọn lọc lipid.
- Phá vỡ thành tế bào làm cho các chất trong tế bào thoát ra ngoài và hòa tan vào dung môi.
Tùy theo từng phương pháp cụ thể mà lipid có thể thoát ra ngoài theo hai cơ chế trên với mức độ khác nhau. Có thể nhận thấy rằng cơ chế khuếch tán có hiệu quả kém hơn, điển hình là thời gian trích ly dài và hiệu suất thu được cũng thấp.
Chương 2: Tổng quan tài liệu
23
Điều này là do quá trình khuếch tán của phân tử lipid qua thành tế bào diễn ra rất chậm. Mặc khác, cơ chế giải phóng lipid bằng cách phá vỡ tế bào diễn ra rất nhanh bởi vì các giọt lipid có thể hòa tan ngay vào pha lỏng [40].
Có nhiều yếu tố tác động lên quá trình trích ly bằng các loại dung môi. Sau đây là một vài yếu tố điển:
2.4.2.1. Ảnh hƣởng của dung môi:
Trong nhiều trường hợp, bản chất của dung môi hữu cơ gây ảnh hưởng đáng kể lên quá trình chiết. Qua một số nghiên cứu, các nhà khoa học đã thấy được ảnh hưởng của bản chất dung môi lên quá trình chiết. Điều này được giải thích dựa trên độ tan và thể tích phân tử của dung môi. Do đó, thông qua sự ảnh hưởng này, ta có thể chọn loại dung môi để tăng độ chọn lọc khi chiết. Đặc biệt, việc dùng các hỗn hợp dung môi có thể tạo ra hiệu quả trích ly cao do dung môi này có các tính chất tổ hợp mà các dung môi riêng lẻ không có được [1].
Trong thực tiễn, các dung môi được sử dụng phải có nhiệt độ sôi không quá thấp so với nhiệt độ môi trường vì sự tốc độ bay hơi nhanh gây khó khăn cho việc giữ thể tích pha cố định. Vì thế, các dung môi thường được chọn có nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ phòng (bảng 2.3) [1].
Hơn nữa, cần phải lưu ý đến sự phân hủy của dung môi khi làm việc gây ra các hiệu ứng phụ ảnh hưởng xấu đến quá trình trích ly. Ví dụ như các ete đơn giản có xu hướng tích lũy peroxide, còn chloroform khi tồn tại trong môi trường kiềm thì tạo ra acid formic [1].
Bảng 2.3. Các tính chất của một số dung môi thường dùng nhất [1] Dung môi Hằng số điện
môi Moment lưỡng cực, D Nhiệt độ sôi, 0 C Trọng lượng riêng n-hexane 1.9 0.0 69 0.66 Tetraclorua carbon 2.2 0.0 77 1.58 Chloroform 4.9 1.2 61 1.49 Toluen 2.4 0.4 111 0.87 Nước 80 1.85 100 1.00 Methanol 33 1.69 64.7 0.79
2.4.2.2. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc pha
Việc nghiên cứu động học của quá trình chiết có ý nghĩa rất lớn trong lý thuyết cũng như trong thực tiễn ứng dụng. Trong đó, yếu tố thời gian tiếp xúc pha giữa cơ chất với dung môi có ảnh hưởng rất lớn. Điều này là do trong các hệ
Chương 2: Tổng quan tài liệu
24
chiết thì cân bằng pha không được thiết lập ngay mà phải có đủ thời gian để dung môi hòa tan cơ chất, thiết lập trạng thái cân bằng [1].
Thời gian cần thiết để thiết lập cân bằng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là đặc tính của dung môi. Tùy từng loại dung môi, chất cần chiết và điều kiện cụ thể mà thời gian để hệ thiết lập cân bằng có thể là vài giờ, thậm chí có khi còn lên đến vài ngày [1].
Một nghiên cứu về động học của quá trình chiết lipid bằng phương pháp Folch kết hợp với xử lý sóng siêu âm, sử dụng tổ hợp dung môi chloroform:methanol (2:1 v/v) với thể tích gấp 20 lần thể tích mẫu trích ly được thực hiện bởi Converti và các cộng sự [16]. Kết quả cho thấy rằng 80% lipid được hòa tan vào hỗn hợp chloroform/methanol trong 90 phút đầu của quá trình trích ly trong cả hai trường hợp sử dụng sinh khối khô và sinh khối ướt. Tuy nhiên, thời gian cần thiết để quá trình trích ly thiết lập cân bằng là 6 giờ (hình 2.11).
Hình 2.11. Động học quá trinh trích ly lipid từ N. oculata sử dụng phương pháp Folch kết hợp với sử dụng sóng siêu âm. () Sinh khối ướt; () Sinh khối khô [16]
2.4.2.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ
Việc đánh giá một cách chính xác ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá chiết vẫn chưa được xác định rõ ràng. Tuy nhiên, các khảo sát về ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất chiết các hợp chất khác nhau cho thấy rằng với sự gia tăng nhiệt độ thì hiệu suất của quá trình kém dần. Điều này được lý giải là ở nhiệt độ cao hơn, các quá trình phân hủy diễn ra nhanh hơn làm cho cơ chất thoát ra ít hơn [1].
Chương 2: Tổng quan tài liệu
25
2.4.2.4. Ảnh hƣởng của phƣơng pháp trích ly
Việc lựa chọn phương pháp cụ thể để trích ly tùy thuộc vào các yếu tố như loại sinh khối, hàm lượng lipid trong sinh khối, và lượng sinh khối cần trích ly. Các phương pháp này có thể chỉ đơn thuần sử dụng dung môi để khuếch tán lipid ra, hoặc là kết hợp với các phương pháp phá vỡ tế bào để tăng hiệu suất của quá trình. Một số phương pháp điển hình sử dụng dung môi hữu cơ để trích ly lipid: - Phương pháp Soxhlet sử dụng dung môi n-hexane: dựa vào tính hòa tan của
lipid trong dung môi hữu cơ để khuếch tán lipid ra khỏi nguyên liệu khô. Do đó, phương pháp này không gây ra sự phá vỡ tế bào [36].
- Phương pháp Bligh và Dyer: huyền phù tế bào được trộn với hỗn hợp chloroform và methanol. Sự trích ly bao gồm hai quá trình diễn ra đồng thời, đó là quá trình khuếch tán lipid ra khỏi tế bào và quá trình phân tách hỗn hợp các chất sau khi trích ly bằng cách cho thêm nước vào hỗn hợp [8]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Phương pháp trích ly kết hợp với sóng siêu âm phá vỡ tế bào: sử dụng sóng siêu âm để phá vỡ tế bào. Cơ chế của quá trình phá vỡ là do có sự xuất hiện của các bóng khí nhỏ trong pha lỏng. Do cơ chất cần trích ly – lipid có tính chất kỵ nước nên phương pháp này cần sử dụng dung môi hữu cơ để trích ly. Sự trích ly bao gồm cả hai quá trình là phá vỡ tế bào và khuếch tán lipid theo dung môi [40].
- Phương pháp trích ly kết hợp với vi sóng: năng lượng vi sóng ảnh hưởng chủ yếu đến các phân tử trong sinh khối vì chúng có hằng số điện môi cao, và hầu như không ảnh hưởng đến các phân tử dung môi không phân cực bởi vì chúng có hằng số điện môi thấp. Vi sóng làm cho các phân tử trong sinh khối bị ion hóa và chuyển động hỗn độn. Chính điều này làm cho dung môi dễ dàng thấm vào và hòa tan lipid [35].
Ranjan và các cộng sự (2010) đã có một nghiên cứu trích ly lipid thô từ sinh khối vi tảo Scenedesmus sp. bằng nhiều phương pháp khác nhau [40]. Kết quả quan sát các tế bào vi tảo trước và sau khi trích ly được thể hiện ở hình 2.12. Tùy theo từng phương pháp và dung môi mà sinh khối vi tảo có những dấu hiệu đặc trưng như sau:
- Sinh khối sau khi trích ly bằng phương pháp Soxhlet (hình 2.12b) không có dấu hiệu của sự phá vỡ tế bào. Tuy nhiên, kích thước tế bào bị giảm đi so với kích thước ban đầu (hình 2.12a), tế bào vi tảo bị teo tóp sau khi trích ly.
Chương 2: Tổng quan tài liệu
26
(a) (b)
(c) (d)
(e)
Hình 2.12. Cấu trúc tế bào vi tảo trước và sau khi trích ly với các phương pháp khác nhau [40]
Chú thích: (a) sinh khối vi tảo lúc đầu; (b) sinh khối sau khi trích ly bằng phương pháp Soxhlet; (c) sinh khối sau khi trích ly bằng phương pháp Bligh & Dyer; (d) sinh khối sau khi trích ly bằng n-hexane kết hợp sóng siêu âm; (e) sinh khối sau khi trích ly bằng phương pháp Bligh & Dyer kết hợp sóng siêu âm.
- Sinh khối sau khi trích ly bằng phương pháp Bligh & Dyer cho thấy tế bào có dấu hiệu bị phá vỡ và các mảnh tế bào bị teo tóp hẳn đi (hình 2.12c). Nguyên nhân của quá trình phá vỡ là do methanol có khả năng hòa tan màng tế bào. - Sinh khối sau xử lý với sóng siêu âm (hình 2.12d cho trường hợp sử dụng
dung môi n-hexane và hình 2.12e cho trường hợp sử dụng hỗn hợp dung môi chloroform-methanol): cho thấy cả hai trường hợp sinh khối bị phá vỡ thành nhiều mảnh nhỏ rất mịn, teo tóp.