1.4.1. Các khái niệm cơ bản về quá trình chiết
Chiết là quá trình chuyển chất cần chiết rút trong nguyên liệu vào dung môi và được thực hiện bằng khuếch tán phân tử và khuếch tán đối lưu.
a) Khuếch tán phân tử: là sự chuyển vật chất cần chiết rút từ pha này sang pha khác do sự chuyển động nhiệt hỗn loạn trong môi trường tĩnh.
Khuếch tán phân tử theo định luật Fick I:
dx dC DS dt dm trong đó : dt dm
: tốc độ hòa tan chất cần chiết
S : diện tích tiếp xúc giữa chất cấn chiết và dung môi
dx dC
: gradient nồng độ
D: hệ số khuếch tán phân tử, phụ thuộc vào nhiệt độ (T), độ nhớt của dung môi () và bán kính phân tử chất cần chiết (r) theo công thức Einstein:
r kT D 6 (k: hằng số Boltzmann)
Như vậy, tốc độ khuếch tán phân tử càng mạnh khi chênh lệch nồng độ chất cần chiết giữa 2 pha tiếp xúc nhau, diện tích bề mặt tiếp xúc giữ nguyên liệu và dung môi càng lớn, nhiệt độ càng cao và kích thước phân tử chất cần chiết càng nhỏ.
b) Khuếch tán đối lưu: là sự vận chuyển vật chất từ môi trường này sang môi trường khác trong dòng chuyển động của chất lỏng ở chế độ chảy xoáy. Khuếch tán đối lưu là hình thái di chuyến vật chất trong dung dịch ở phạm vi nhỏ.
Khuếch tán đối lưu theo định luật Sucarep: BSdC dt
dm
. .
trong đó: dm, dt, dC và S có ý nghĩa giống như công thức khuếch tán phân tử ở trên; B: hằng số tốc độ khuếch tán đối lưu.
Trong khuếch tán phân tử sự di chuyển vật chất nhờ vào động năng của chuyển động nhiệt phân tử. Trong khuếch tán đối lưu di chuyển vật chất nhờ vào năng lượng bên ngoài dẫn tới. Khuếch tán phân tử và khuếch tán đối lưu được gọi là khuếch tán nồng độ vì động lực của quá trình khuếch tán đều là do chênh lệch nồng độ.
1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chiết
Trong quá trình chiết, để đạt được vận tốc chiết và hiệu suất chiết cao, cần cần lưu ý các yếu tố sau:
a) Chênh lệch nồng độ chất cần chiết ở trong nguyên liệu và dung môi phải lớn
- 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
b) 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.
c)Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ chiết
- 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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
d)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.
1.4.3. Các phương pháp chiết
Dựa vào cách tiến hành, có thể chia thành các phương pháp chiết sau:
1.4.3.1. Chiết gián đoạn:
Theo phương pháp này ta ngâm nguyên liệu vào dung môi. Sau một thời gian nhất định, khi giữa dung môi và nguyên liệu đạt nồng độ chất cần thiết ở mức độ cân bằng, tiến hành đổ dung môi cũ ra, thay dung môi mới vào. Cứ như thế cho đến khi chiết hết chất cần chiết. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện. Nhược điểm là tốn công, tốn thời gian cũng như tốn dung môi chiết nên không kinh tế, không phù hợp với quy mô sản xuất lớn.
1.4.3.2. Chiết bán liên tục
Nguyên lý của phương pháp này là dùng nhiều thiết bị chiết gián đoạn bố trí thành một hệ thống liên hợp tuần hoàn nhằm mục đích giảm thời gian chiết, ít tốn công hơn, tiết kiệm được nhiều dung môi hơn. Đối với phương pháp này quá trình chiết thực hiện theo nguyên tắc dung môi đi từ nơi có nồng độ chất chiết cao đến nồng độ chất chiết thấp.
1.4.3.3. Chiết liên tục
Nguyên lý là ngâm dung môi trong dòng chuyển động cùng chiều hay ngược chiều của dung môi. Ưu điểm của phương pháp này là cho hiệu quả kinh tế cao, thích hợp cho sản xuất công suất lớn, áp dụng cho quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, nhược điểm là thiết bị khá phức tạp, chi phí đầu tư lớn.
1.4.4. Vài kỹ thuật chiết hiện đại dùng để chiết xuất chất màu tự nhiên
1.4.4.1. Chiết nhờ 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.
1.4.4.2. Chiết 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 hạn1. 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
1
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.
1.4.4.3. Chiết dung môi tăng tốc(ASE: Accelerated Solvent Extraction) hay
chiết dưới áp suất cao (PFE : Pressurized Fluid Extraction):
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 – 2000C). 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)
1.5. Tình hình nghiên cứu, khai thác và sử dụng anthocyanin tự nhiên
1.5.1. Tình hình trên thế giới:
Trên thế giới chất màu anthocyanin thường được thu nhận từ dịch chiết của quả nho, vỏ nho, bắp cải đỏ, củ cải đỏ.,… Hỗn hợp anthocyanin sử dụng rộng rãi nhất trong thực phẩm là anthocyanin từ vỏ nho (E163 (i)) và anthocyanin chiết xuất từ quả nho đen (E163 (iii)). Hiện nay, bắp cải đỏ (Brassica oleracea L.) cũng được xem là nguồn anthocyanin tự nhiên có giá trị do có khả năng trồng với diện tích lớn, có thể thu hoạch quanh năm, tạo ra màu hồng sáng ở pH thấp và màu hồng/tím hoa cà ở pH trung tính, không có mùi lạ, bền với nhiệt và ánh sáng hơn so với các anthocyanin chiết từ các nguồn tự nhiên khác như vỏ nho, quả nho đen,… .
Trong thực tế anthocyanin chủ yếu được chiết xuất dưới dạng thô để sử dụng trong thực phẩm do việc tinh chế anthocyanin khá khó khăn. Sản phẩm anthocyanin thương mại có thể ở dưới dạng dịch chiết cô đặc hay ở dạng bột khô (bằng cách trộn dịch chiết anthocyanin cô đặc với chất mang thích hợp rồi sấy phun).
Hình 1.12. Một số dạng sản phẩm anthocyanin thương mại
1.5.2. Tình hình trong nước: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ở nước ta, điều kiện khí hậu không thuận lợi lắm cho việc phát triển các vùng nguyên liệu truyền thống để sản xuất chất màu anthocyanin như các nước vùng ôn đới. Gần đây, chúng ta cũng đã di thực và thương mại hóa một số loài thực vật giàu anthocyanin như nho đỏ, nho đen, bắp cải tím,… Tuy nhiên, với sản lượng còn hạn chế, các nguyên liệu này chủ yếu chỉ dùng làm thực phẩm tươi hay đồ uống (rượu vang, nước ép quả nho,…).
Trong khi đó, kết quả nghiên cứu [3]cho thấy cây Cẩm ở Việt Nam (Peristrophe roxburghiana) có hàm lượng chất màu anthocyanin khá cao (khoảng 12,72% trong lá). Các anthocyanin này chứa hai loại khung chính là perlagonidin và pyranopeonidin và bao gồm:
- Các anthocyanin tan trong nước và tan trong metanol: afzelechin (4-8) pelargonidyl glucozid, pelargonidin-3-O-gentiobiose, pelargonidin-3-O-sambabiose
Pelargonidin-3-O-gentiobiose Pelargonidin-3-O-sambabiose
a) Các anthocyanin tan trong nước và metanol
4’-sucxinoyl-3-rhamnozyl-(4H, 5H) pyranocyanidin 4’-maloyl-3-rhamnozyl-(4H, 5H) pyranocyanidin 4’-oxaloyl-3-rhamnozyl-(4H, 5H) pyranopeonidin 4’-sinpoyl-3-glucozyl- (4H, 5H) pyranopeonidin
b) Các anthocyanin tan trong nước và không tan trong metanol
Hình 1.13. Cấu trúc phân tử của các anthocyanin chiết xuất từ lá Cẩm
Các anthocyanin chiết từ cây Cẩm tạo nên màu đỏ tím - tím rất đẹp (trong môi trường trung tính), dễ tan trong nước nên thuận tiện cho việc sử dụng làm chất màu thực phẩm. Do vậy, cây Cẩm đã được sử dụng lâu đời trong dân gian để tạo màu tím rất đẹp cho thực phẩm (xôi lá Cẩm, bánh,…). Ngoài ra, cây Cẩm khá dễ trồng, sinh trưởng và phát triển tốt ở nhiều địa phương trong nước lại không đòi hỏi kỹ thuật canh tác phức tạp và chi phí đầu tư. Có thể nói, cây Cẩm là một trong các nguồn anthocyanin tự nhiên đầy triển vọng, cần được khai thác sử dụng ở nước ta. Tuy nhiên, việc nghiên cứu sản xuất chất màu anthocyanin từ lá Cẩm chưa được quan tâm nhiều. Gần đây, Viện Hóa học đã nghiên cứu đưa ra quy trình công nghệ chiết tách chất màu anthocyanin từ lá Cẩm bằng dung môi nước. Ưu điểm của quy trình này là đơn giản, dễ thực hiện đối với các cơ sở sản xuất nhỏ. Tuy nhiên, hạn chế của quy trình này là sự khó khăn trong việc cô đặc dịch chiết chất màu do sử dụng dung môi là nước. Cũng như chưa nghiên cứu đầy đủ sự biến đổi màu sắc và độ bền của chất màu lá Cẩm trong các điều kiện bảo quản khác nhau.
Vì vậy, việc khảo sát khả năng sử dụng dung môi chiết có nhiệt độ sôi thấp hơn để chiết anthocyanin từ lá Cẩm cũng như nghiên cứu sâu hơn về độ bền của chất màu trong các điều kiện bảo quản khác nhau là điều rất cần thiết để có thể đi đến sản xuất công nghiệp và ứng dụng chất màu này trong thực tế.
Đề tài này sẽ nghiên cứu và so sánh hiệu quả chiết chất màu anthocyanin từ lá Cẩm trồng ở Việt Nam bằng phương pháp ngâm chiết và phương pháp siêu âm sử dụng các dung môi nước và etanol. Từ đó, chọn lựa quy trình thích hợp cho việc chiết anthocyanin từ nguồn nguyên liệu này.
Ngoài ra, đề tài còn khảo sát độ bền màu của dịch chiết anthocyanin thu được trong một số điều kiện bảo quản khác nhau và đề xuất phương pháp thích hợp cho việc ứng dụng và bảo quản các loại thực phẩm bổ sung chất màu này.
Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2. 1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2.1.1. Nguyên liệu 2.1.1. Nguyên liệu
Nguyên liệu sử dụng trong đề tài này là cây Cẩm Tím (Peristrophe roxburghiana). Trồng tại huyện Ninh Hòa (tỉnh Khánh Hòa). Nguyên liệu được mua thành nhiều đợt, mỗi đợt khoảng 0,500 kg.
Theo tài liệu, hàm lượng chất màu tím trong lá Cẩm vào khoảng 12,72% trọng lượng lá, gấp 14,45 lần so với hàm lượng chất màu có trong từ thân cây Cẩm (0,88%) [3]. Do vậy, trong đề tài này chúng tôi chỉ sử dụng phần lá của cây Cẩm làm nguyên liệu chiết anthocyanin.
2.1.2. Hóa chất - Thiết bị
2.1.2.1. Hóa chất
Etanol 96o Nước cất 1 lần
2.1.2.2.Thiết bị
Cân kỹ thuật 1 g (Việt Nam)
Cân phân tích 1 mg (Shimadzu, Nhật) Cân phân tích 0,1 mg (Satorius, Nhật) Bếp điện
Tủ sấy 10C (Memmer , Đức)
Bể siêu âm Elmasonic S300H (Elma, Đức) Thiết bị cô quay RV 10 Control (IKA, Đức) Quang kế UV-Vis Genesys 20 (Thermo, USA) Quang phổ kế CARY 50 (Varian, Australia)
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.1. Phương pháp xử lý và bảo quản nguyên liệu
Cây Cẩm tươi sau khi thu mua được đem ngay về phòng thí nghiệm, rửa sạch, để ráo, trộn đều. Nguyên liệu có thể dùng để nghiên cứu ngay hay cho vào các hộp
nhựa cứng (để khỏi bị dập nát) và bảo quản trong ngăn mát tủ lạnh để dùng dần (Thời gian bảo quản khoảng 1-2 ngày để tránh ảnh hưởng đến chất lượng chất màu).
2.2.2. Xác định thành phần khối lượng của nguyên liệu nghiên cứu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyên liệu cây Cẩm sau khi rửa sạch và để ráo được chia thành 3 phần: phần lá tươi, phần lá úa và phần cành. Sau đó, cân các phần này và xác định thành phần khối lượng của nguyên liệu như sau:
% Lá tươi = .100% 0 1 m mL ; % Lá úa = .100% 0 2 m mL ; % Cành = .100% 0 m mC Trong đó:
mL1: khối lượng phần lá tươi mL2: khối lượng phần lá úa vàng mC: khối lượng phần cành
m0 : khối lượng nguyên liệu ban đầu ( m0 = mL1 + mL2 + mC)
Hình 2.1. Thí nghiệm xác định thành phần khối lượng của nguyên liệu
Rửa sạch, để ráo Cây Cẩm nguyên liệu
Lá tươi Lá úa Cành
Thành phần khối lượng Cân
2.2.3. Quy trình dự kiến chiết xuất chất màu anthocyanin từ lá Cẩm
Quy trình dự kiến sản xuất chất màu anthocyanin từ lá Cẩm và các yếu tố cần khảo sát được trình bày trong sơ đồ 2.2.
Hình 2.2. Quy trình dự kiến sản xuất chất màu anthocyanin từ lá Cẩm và các yếu tố cần khảo sát