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 đƣợc thực hiện bằng khuếch tán phân tử và khuếch tán đối lƣu.
Khuếch tán phân tử là quá trình khuếch tán tự nhiên tuân theo định luật Frick. Khuếch tán đối lƣu thực chất là quá trình khuếch tán cƣỡng bức đƣợc thực hiện nhờ sự chuyển động tƣơng đối giữa vật liệu và dung môi. Do hệ số khuếch tán đối lƣu lớn hơn nhiều so với hệ số khuếch tán phân tử nên trong quá trình chiết muốn tăng hiệu quả chiết thì phải tăng cƣờng khuếch tán đối lƣu (ví dụ: tăng cƣờng quá trình khuấy đảo).
1.4.1.1. Khuếch tán phân tử
Khuếch tán phân tử là sự chuyển lẫn nhau giữa các phân tử khác nhau. Sự chênh lệch nồng độ càng lớn thì lực khuếch tán của phân tử chất cần chiết từ vùng nồng độ cao tới vùng nồng độ thấp càng lớn. Bề mặt khuếch tán càng lớn lƣợng vật chất khuếch tán theo hƣớng này trong một đơn vị thời gian càng nhiều. Do đó phƣơng trình khuếch tán cơ
bản nhƣ sau:
Trong đó:
d dm
: Tốc độ hòa tan chất cần chiết.
D : Hệ số khuếch tán. dx dc F D d dm . .
F: Diện tích tiếp xúc với chất cần chiết và dung môi
dx dc
: Gradien nồng độ.
Hệ số khuếch tán D là lƣợng vật chất đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian khi Gradien nồng độ bằng 1. Hệ số khuếch tán thay đổi theo nhiệt độ, độ nhớt của dung môi và độ lớn của phân tử, có thể dùng công thức của Anhxtanh để biểu thị: M r KT D . . 6 Trong đó : K: Hằng số khuếch tán
M: Độ dính của chất môi giới (dung môi) T: Nhiệt độ tuyệt đối
r: Bán kính phân tử khuếch tán
1.4.1.2. Khuếch tán đối lƣu
Khuếch tán đối lƣu là hình thái di chuyển vật chất trong dung dịch ở phạm vi nhỏ. Sự chênh lệch về nồng độ rất quan trọng với khuếch tán đối lƣu và khuếch tán phân tử, nồng độ chênh lệch càng lớn thì hiệu suất chuyển di từ vùng nồng độ cao tới vùng nồng độ thấp càng cao.
Phƣơng trình cơ bản về khuếch tán đối lƣu:
dc F d dm . .
Trong đó : dm, dc, F có ý nghĩa tƣơng tự nhƣ trong công thức khuếch tán phân tử ở trên, là biểu thị hằng số khuếch tán đối lƣu.
1.4.2. Các phƣơng pháp chiết
Dựa vào cách tiến hành, có thể chia thành các phƣơng pháp chiết sau:
1.4.2.1. Chiết gián đoạn
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 nhƣ thế cho đến khi chiết hết chất cần chiết. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là đơn giản, dễ thực hiện. Nhƣợc điểm là tốn công, tốn thời gian cũng nhƣ tốn dung môi chiết nên không kinh tế, không phù hợp với quy mô sản xuất lớn.
1.4.2.2. Chiết bán liên tục
Nguyên lý của phƣơng 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 đƣợc nhiều dung môi hơn. Đối với phƣơng 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 ngƣợc chiều của dung môi. Ƣu điểm của phƣơng 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, nhƣợc điểm là thiết bị khá phức tạp, chi phí đầu tƣ lớn.
1.4.3. Các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình chiết
Sự chênh lệch nồng độ chất cần chiết ở nguyên liệu và dung môi phải lớn
Muốn tạo điều kiện cho sự chênh lệch nồng độ lớn cần tạo những yếu tố sau: Nguyên liệu chiết 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 cao để quá trình khuếch tán các phân tử chất cần chiết đi ra càng mạnh.
Lợi dụng nguyên lý ngƣợc dòng của dung môi và nguyên liệu để nâng cao độ chênh lệch về nồng độ (trong chiết liên tục). Tỷ lệ dung môi nguyên liệu phải lớn. Tuy vậy cũng chỉ lớn ở mức độ nhất định hợp lý vì nếu tỷ lệ lớn quá sẽ làm nồng độ chất cần chiết thấp, gây khó khăn cồng kềnh trong sản xuất.
Hình thái, tính chất và cấu tạo của tổ chức nguyên liệu:
dung môi càng tăng nên rút ngắn thời gian chiết và chiết triệt để hơn.
Kích thƣớc càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu và dung môi càng tăng, hiệu suất chiết tăng. Tuy nhiên cũng không nên nhỏ quá vì nó sẽ gây khókhăn cho quá trình phân ly tiếp theo.
Ảnh hƣởng của thời gian và nhiệt độ chiết
Thời gian càng dài thì lƣợng chất khuếch tán tăng, nhƣng thời gian phải có giới hạn. Khi đạt đƣợc 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 chất màu cần chiết và gây khó khăn cho quá trình công nghệ.
Dung môi chiết
Dung môi chiết cần thỏa mãn các điều kiện sau:
Dung môi hòa tan tốt các chất cần chiết mà không hòa tan các chất khác.
Dung môi phải có thành phần hóa học ổn định không gây ra phản ứng phụ với nguyên liệu.
Dung môi không biến đổi thành phần của sản phẩm khi bảo quản
Dung môi có nhiệt độ sôi thấp để dễ dàng tách dung môi ra khỏi chất cần chiết sau khi chiết. Sau khi tách chiết không để lại mùi vị lạ.
Dung môi không ảnh hƣởng tới sức khỏe con ngƣời, chất lƣợng sản phẩm.
Dung môi khó cháy nổ, an toàn trong sản xuất, không ăn mòn thiết bị chiết.
Dung môi rẻ tiền, dễ kiếm, có khả năng sử dụng trong sản xuất.
Hiện nay chƣa có dung môi nào đáp ứng đƣợc tất cả các điều kiện trên nhƣng tùy theo điều kiện sản xuất mà ta chọn dung môi chiết tốt nhất.
1.4.4. Vài kỹ thuật chiết hiện đại dùng để chiết xuất chất màu tự nhiên [8] 1.4.4.1. Chiết nhờ siêu âm (Ultrasound-assisted extraction) 1.4.4.1. Chiết nhờ siêu âm (Ultrasound-assisted extraction)
Nguyên liệu đƣợc 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 phƣơng pháp chiết đƣợc 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 dƣợc phẩm và thực phẩm. Phƣơng 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 nhƣ 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 thƣờng, vì thế làm tăng hiệu suất chiết lên nhiều lần.
1.4.4.3. Chiết dung môi tăng tốc (ASE: Accelerated Solvent Extraction) Đây là một phƣơng pháp chiết mới, cho phép chiết rất nhanh, tự động hóa, hiệu quả và tiết kiệm dung môi. Nguyên tắc của nó tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp chiết Soxhlet cổ điển, ngoại trừ việc quá trình chiết đƣợc thực hiện ở nhiệt độ, áp suất cao (nhƣng vẫn dƣới điểm tới hạn của dung môi sử dụng). Trong phƣơng pháp ASE, nguyên liệu cần chiết đƣợc xay nhỏ, làm khô (thƣờng là đông khô), rồi nhồi vào một ống chiết (extraction cell). Ống chiết này đƣợc đặt trong lò duy trì ở nhiệt độ thích hợp (có thể điều chỉnh từ 40 – 2000C). Dung môi đƣợc bơm vào ống chiết và giữ ở áp suất 10 -20 MPa trong vài phút (static time), sau đó dịch chiết đƣợc đẩy vào một bình hứng bằng một thể tích dung môi mới (flush volume). Quá trình đƣợc lặp lại vài lần (cycles). Cuối cùng, dịch chiết đƣợc đẩy ra bằng một dòng khí trơ
Chƣơng 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu 2.1.1. Vật liệu nghiên cứu 2.1.1. Vật liệu nghiên cứu
Có nhiều nguyên liệu chứa anthocyanin, nhƣng trong đề tài này em chọn cây rau dền đỏ do chúng đƣợc trồng rất phổ biến, phƣơng pháp trồng đơn giản, có hàm lƣợng anthocyanin khá cao và chất màu anthocyanin có khả năng ứng dụng cao trong lĩnh vực thực phẩm. Rau dền đỏ đƣợc mua ở chợ Vĩnh Hải- thành phố Nha Trang- Khánh Hòa. Chọn lựa loại rau dền có lá đỏ tía cả hai mặt lá, rau còn tƣơi, không bị dập úa.
2.1.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất nghiên cứu 2.1.2.1. Dụng cụ và thiết bị 2.1.2.1. Dụng cụ và thiết bị
Dụng cụ:
- Bình tam giác (100ml), bình định mức (25 ml, 50 ml) - Cốc thuỷ tinh (50 ml, 100 ml)
- Phễu lọc thủy tinh, bình hút ẩm. - Giấy lọc, giấy bạc, , micropipet, pipet.
Thiết bị:
- Cân phân tích ± 0,1 mg (Satorius, Nhật). - Cân kỹ thuật ± 1 g (Việt Nam). - Tủ sấy thƣờng, bếp điện, tủ lạnh trữ mẫu.
- Bể siêu âm Elmasonic S300H (Elma, Đức) với tần số siêu âm 35kHz. - Quang phổ kế UV-VIS Cary 50 (Hache, Đức).
- Thiết bị cô quay RV 10 Control V (IKA, Đức).
2.1.2.2. Hoá Chất - Cồn 960.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu 2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu
Rau dền đỏ tƣơi sau khi thu mua đƣợc đem ngay về phòng thí nghiệm, rửa sạch, để ráo. Nguyên liệu có thể dùng để nghiên cứu ngay hay cho vào các túi nilon và bảo quản trong ngăn mát tủ lạnh để dùng dần. Thời gian bảo quản khoảng 2-5 ngày để tránh ảnh hƣởng đến chất lƣợng chất màu).
2.2.2. Dự kiến quy trình chiết tách anthocyanin từ rau dền đỏ
Quy trình dự kiến chiết tách chất màu anthocyanin từ rau dền đỏ và các yếu tố cần khảo sát đƣợc trình bày trong sơ đồ hình 2.1.
Hình 2.1.Quy trình dự kiến tách chiết chất màu anthocyanin từ rau dền đỏ và các yếu tố cần khảo sát
Giải thích quy trình:
Mục tiêu của bố trí thí nghiệm này là tìm ra chế độ chiết anthocyanin từ rau dền đỏ một cách hiệu quả nhất. Do đó, cần nghiên cứu xác định loại dung môi chiết,
Điều kiện chiết thích hợp - Dung môi?
- Tỷ lệ dung môi/ nguyên liệu?
- Phƣơng pháp chiết? - Nhiệt độ chiết? - Thời gian chiết? - Số lần chiết?
Bảo quản dịch chiết anthocyanin thô cô đặc Xử lý (Bỏ rễ, lá úa, thân cứng, rửa sạch, để
ráo, cắt nhỏ 1-2mm) Chiết
Lọc
Cô đuổi dung môi Rau dền đỏ
tỷ lệ dung môi/nguyên liệu, phƣơng pháp chiết, nhiệt độ chiết, thời gian chiết, số lần chiết thích hợp đảm bảo hàm lƣợng màu anthocyanin thu đƣợc là cao nhất.
Nguyên liệu
Nguyên liệu dùng để chiết anthocyanin trong thí nghiệm này rau dền đỏ tƣơi.
Xử lý
Rau dền đƣợc loại bỏ rễ, lá úa, thân cứng, rửa sạch, để ráo, cắt nhỏ 1-2 mm.
Chiết
Sau khi cân với một khối lƣợng thích hợp, anthocyanin của rau dền đƣợc chiết bằng dung môi và phƣơng pháp chiết thích hợp đã xác định (tỷ lệ dung môi/nguyên liệu, nhiệt độ, thời gian chiết, số lần chiết) sao cho đạt hàm lƣợng anthocyanin chiết cao và hợp lý nhất.
Lọc
Dịch sau khi chiết xong đƣợc lọc qua giấy lọc để loại bỏ bã chiết và các hợp chất không tan để thu dịch chiết.
Cô đuổi dung môi
Dịch chiết sau đó đƣợc đem cô đuổi dung môi bằng thiết bị cô quay chân không dƣới áp suất thấp (nhiệt độ không quá 700C) để tránh sự phân hủy anthocyanin trong điều kiện nhiệt độ và ánh sáng. Thực hiện cô đuổi nhằm mục đích thu đƣợc dịch sản phẩm thô chứa anthocyannin cô đặc đồng thời thu hồi dung môi tái sử dụng.
Bảo quản dịch chiết anthocyanin cô đặc
Dịch chiết anthocyanin cô đặc đƣợc bảo quản trong lọ thủy tinh có nắp đậy kín và bảo quản trong điều kiện thích hợp.
2.2.3. Xác định điều kiện chiết anthocyanin từ rau dền
Để xây dựng đƣợc quy trình chiết bột màu anthocyanin đạt hiệu quả cao, cần nghiên cứu sự phụ thuộc của hàm lƣợng chất màu anthocyanin chiết đƣợc vào các yếu tố: Tỷ lệ Etanol/H2O; tỷ lệ dung môi/nguyên liệu; phƣơng pháp chiết;
nhiệt độ chiết; thời gian chiết và số lần chiết, trong đó các thông số trên thay đổi nhƣ sau:
- Tỷ lệ Etanol/H2O: Thay đổi từ 0 100% (v/v); bƣớc nhảy: 20% (v/v). - Tỷ lệ dung môi/nguyên liệu: 5/1 (v/w); bƣớc nhảy: 5/1 (v/w). - Phƣơng pháp chiết: Phƣơng pháp ngâm chiết; phƣơng pháp siêu âm. - Nhiệt độ chiết: Nhiệt độ phòng (280C); 40; 60; 80; 1000C.
- Thời gian chiết: 10 60 (phút); bƣớc nhảy: 10 phút. - Số lần chiết: 1 4 (lần).
Việc xác định thông số thích hợp đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp thực nghiệm yếu tố từng phần cổ điển (thay đổi 1 yếu tố trong khi cố định các yếu tố còn lại).
2.2.3.1. Bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ Etanol/H2O thích hợp
Mục đích của thí nghiệm là tìm ra loại dung môi tối ƣu để có thể chiết rút đƣợc lƣợng anthocyanin là cao nhât, tiết kiệm chi phí sản xuất và tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình tiếp theo để tăng hàm lƣợng màu chiết tách. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ Etanol/H2O đƣợc trình bày ở hình 2.2.
Hình 2.2. Bố trí thí nghiệm chọn tỷ lệ etanol/H2O thích hợp
b) Thuyết minh sơ đồ
Để xác định loại dung môi chiết thích hợp cho quá trình tách chiết anthocyanin từ rau dền đỏ, tiến hành thí nghiệm với 6 tỷ lệ dung môi Etanol/H2O khác nhau. Cân chính xác khoảng 1 g nguyên liệu (đã xử lý, trộn đều) cho vào các bình nón 100 ml. Thêm dung môi chiết vào, trong đó cố định tỷ lệ dung môi/nguyên liệu là 10/1 (v/w), còn tỷ lệ Etanol/H2O thay đổi lần lƣợt là 0%; 20%; 40%; 60%; 80% và 100% (v/v). Bịt kín các bình nón bằng giấy bạc và túi PE rồi tiến hành chiết bằng cách siêu âm trong 20 phút ở nhiệt độ 400C, chiết 1 lần. Sau đó, lọc lấy dịch chiết rồi đem định mức bằng nƣớc cất đến một thể tích chính xác (D ml) rồi
0% 20% 40% 60% 80% 100% Chiết với Etanol/H2O (tỷ lệ dung môi/nguyên liệu = 10/1) (v/w)
Chọn tỷ lệ Etanol/H2O thích hợp Đo độ hấp thụ, tính hàm lƣợng anthocyanin Lọc Rau dền đỏ Bã Xử lý
đo độ hấp thụ của các dung dịch ở 538 nm. Xác định và so sánh hàm lƣợng chất màu anthocyanin từ đó chọn dung môi chiết thích hợp.
2.2.3.2. Bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ dung môi/nguyên liệu
Tỷ lệ dung môi/nguyên liệu là thông số ảnh hƣởng lớn đến lƣợng thu hồi chất màu. Nếu tỷ lệ này nhỏ quá sẽ không chiết đƣợc chất màu triệt để từ nguyên liệu. Ngƣợc lại, nếu tỷ lệ trên quá lớn sẽ làm loãng chất màu trong dung dịch chiết, ảnh hƣởng đến quá trình tách dung môi và thu nhận chất màu. Vì vậy thí nghiệm đƣợc bố trí để xác định tỷ lệ dung môi/nguyên liệu thích hợp cho quá trình chiết. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ dung môi/nguyên liệu đƣợc thể hiện hình 2.3.