Đồ án trích ly chất màu hạt dành dành bằng hai pha nước - ĐH SPKT TP.HCM

Nghiên cứu đồ án trích ly chất màu từ hạt dành dành tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM bằng phương pháp trích ly hai pha nước. Phân tích quy trình và

• Tác giả: Đường Tiểu Phụng
• Người hướng dẫn: TS. Võ Thị Ngà
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Trích ly chất màu từ hạt dành dành (Gardenia jasminoides Ellis) bằng phương pháp trích ly hai pha nước
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về trích ly chất màu hạt dành dành bằng ATPE

Trích ly chất màu từ hạt dành dành (Gardenia jasminoides Ellis) bằng phương pháp trích ly hai pha nước (ATPE) là kỹ thuật tách chiết tiên tiến ứng dụng hệ thống dung môi thân thiện môi trường. Crocin là sắc tố chính trong hạt dành dành, có giá trị thương mại cao trong ngành dược phẩm và thực phẩm. Phương pháp ATPE sử dụng hệ thống gồm polymer (PEG) và muối vô cơ (citrate/phosphate) tạo thành hai pha phân tách rõ rệt. Ưu điểm nổi bật của ATPE bao gồm chi phí thấp, tốc độ cân bằng pha nhanh, khả năng thu hồi sản phẩm cao và tương thích sinh học. Nghiên cứu này khảo sát điều kiện tối ưu cho quá trình trích ly crocin bằng ATPE, bao gồm lựa chọn hệ dung môi, tỷ lệ thành phần và điều kiện vận hành.

1.1. Đặc điểm sinh học hạt dành dành

Hạt dành dành (Gardenia jasminoides Ellis) thuộc họ Cà phê (Rubiaceae), phân bố chủ yếu ở Đông Á. Thành phần chính của hạt là crocin (thuộc nhóm carotenoid) chiếm 2-5% khối lượng khô, có hoạt tính sinh học mạnh. Ngoài crocin, hạt chứa geniposide, gardenoside và các hợp chất iridoid. Crocin có cấu trúc glycoside của crocetin, tan trong nước và dung môi hữu cơ phân cực. Đặc điểm sinh học quan trọng bao gồm khả năng chống oxy hóa, chống ung thư và bảo vệ gan. Hạt dành dành được sử dụng truyền thống trong y học cổ truyền châu Á để điều trị viêm, sốt và các bệnh về gan mật.

1.2. Vai trò của ATPE trong chiết tách sinh học

ATPE là phương pháp chiết tách sinh học hiệu quả do sử dụng dung môi an toàn (nước chiếm >80% khối lượng). Hệ thống ATPE thường gồm PEG (polyethylene glycol) và muối vô cơ (NaH2PO4/Na2HPO4) tạo thành hai pha phân tách ở nồng độ xác định. Phương pháp này loại bỏ nhu cầu sử dụng dung môi hữu cơ độc hại, giảm chi phí xử lý chất thải. ATPE ứng dụng rộng rãi trong tách chiết enzyme, protein, nucleic acid và sắc tố thực vật. Ưu điểm vượt trội bao gồm khả năng thu hồi cao (>90%), độ tinh khiết sản phẩm đạt 85-95%, và thời gian chiết tách ngắn (30-60 phút).

II. Phân tích các thách thức trong trích ly crocin bằng phương pháp truyền thống

Phương pháp trích ly crocin truyền thống sử dụng dung môi hữu cơ (ethanol, methanol) gặp nhiều hạn chế về hiệu suất chiết tách thấp (40-60%) và độ tinh khiết sản phẩm không cao (70-80%). Nguyên nhân chính bao gồm sự phân hủy crocin dưới tác dụng của nhiệt độ cao và ánh sáng, cũng như sự hiện diện của tạp chất khó tách loại. Quá trình chiết tách truyền thống đòi hỏi thời gian dài (4-8 giờ) và sử dụng lượng dung môi lớn, gây ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, hiệu suất thu hồi thấp dẫn đến chi phí sản xuất cao, không đáp ứng nhu cầu công nghiệp. Việc tối ưu hóa điều kiện chiết tách bằng phương pháp truyền thống gặp nhiều khó khăn do phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ dung môi/mẫu và pH môi trường.

2.1. Hiệu suất chiết tách thấp của phương pháp truyền thống

Phương pháp chiết tách truyền thống sử dụng dung môi hữu cơ đạt hiệu suất chiết tách crocin chỉ 40-60% do crocin dễ bị phân hủy nhiệt. Quá trình chiết tách diễn ra ở nhiệt độ 60-80°C trong 4-8 giờ, gây mất mát đáng kể hoạt chất. Ngoài ra, sự hiện diện của tạp chất (dầu, protein, polysaccharide) trong dịch chiết làm giảm độ tinh khiết xuống 70-80%. Tỷ lệ dung môi/mẫu cao (10:1 đến 20:1) dẫn đến chi phí sản xuất tăng và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.

2.2. Tác động môi trường của dung môi hữu cơ

Dung môi hữu cơ (ethanol, methanol) sử dụng trong phương pháp truyền thống gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do khả năng bay hơi cao. Việc xử lý chất thải chứa dung môi hữu cơ tốn kém (chi phí xử lý 5-10 USD/lít) và tiêu tốn nhiều năng lượng. Ngoài ra, dư lượng dung môi trong sản phẩm cuối cùng có thể gây hại cho sức khỏe người tiêu dùng. Phương pháp truyền thống không đáp ứng các tiêu chuẩn xanh trong sản xuất công nghiệp hiện đại, gây khó khăn trong việc xin cấp phép sản xuất.

III. Giải pháp trích ly crocin bằng phương pháp ATPE tối ưu

Phương pháp ATPE khắc phục hạn chế của phương pháp truyền thống bằng cách sử dụng hệ thống dung môi thân thiện môi trường gồm PEG 6000 (20-25%) và muối citrate (15-20%). Quá trình trích ly diễn ra ở nhiệt độ phòng (25-30°C) trong 30-60 phút, đạt hiệu suất chiết tách 85-92% và độ tinh khiết 90-95%. Điều kiện tối ưu được xác định thông qua khảo sát tỷ lệ PEG/muối, pH dung dịch (5.5-6.5) và tốc độ khuấy (200-300 rpm). Phương pháp ATPE cho phép thu hồi sản phẩm bằng cách tách pha và cô đặc dưới áp suất thấp, giảm chi phí sản xuất xuống 30-40% so với phương pháp truyền thống.

3.1. Lựa chọn hệ dung môi ATPE phù hợp

Hệ dung môi ATPE gồm PEG 6000 (20%) và Na2HPO4 (12%) tạo thành hai pha phân tách rõ rệt ở nồng độ xác định. PEG 6000 được lựa chọn do có khối lượng phân tử phù hợp, không gây độc hại và dễ thu hồi. Na2HPO4 (12%) cung cấp độ pH ổn định (6.0-6.5) bảo vệ crocin khỏi phân hủy. Tỷ lệ PEG/muối 20:12 cho hiệu suất chiết tách tối ưu 88-92%. Hệ dung môi này thân thiện môi trường, chi phí thấp (5-8 USD/kg) và dễ dàng tái sử dụng.

3.2. Tối ưu hóa điều kiện vận hành

Điều kiện vận hành tối ưu gồm nhiệt độ 25°C, thời gian 45 phút, tốc độ khuấy 250 rpm và tỷ lệ dung môi/mẫu 5:1. pH dung dịch được điều chỉnh về 6.0 bằng dung dịch đệm citrate-phosphate. Quá trình trích ly diễn ra trong điều kiện kín, tránh ánh sáng trực tiếp để bảo vệ crocin khỏi phân hủy quang hóa. Sau trích ly, pha giàu polymer chứa crocin được tách ra, cô đặc dưới áp suất thấp (40°C, 0.1 bar) để thu hồi sản phẩm.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của ATPE trong sản xuất

Phương pháp ATPE chứng minh hiệu quả vượt trội so với phương pháp truyền thống trong trích ly crocin từ hạt dành dành, đạt hiệu suất chiết tách 85-92% và độ tinh khiết 90-95%. ATPE loại bỏ nhu cầu sử dụng dung môi hữu cơ độc hại, giảm chi phí sản xuất 30-40% và thời gian chiết tách xuống còn 30-60 phút. Kết quả nghiên cứu cung cấp quy trình tối ưu có thể ứng dụng trong sản xuất quy mô công nghiệp. Crocin chiết tách bằng ATPE đáp ứng tiêu chuẩn dược phẩm (độ tinh khiết >95%) và có thể sử dụng trong sản xuất thực phẩm chức năng, mỹ phẩm và dược phẩm.

4.1. Hiệu quả kinh tế và môi trường của ATPE

ATPE giảm chi phí sản xuất xuống 30-40% so với phương pháp truyền thống do sử dụng dung môi thân thiện môi trường (chi phí dung môi 5-8 USD/kg). Quá trình xử lý chất thải đơn giản, chỉ cần cô đặc dung môi để tái sử dụng. ATPE tiết kiệm 70% năng lượng so với phương pháp truyền thống nhờ điều kiện vận hành nhẹ nhàng (nhiệt độ phòng). Hiệu quả kinh tế kết hợp với thân thiện môi trường giúp ATPE trở thành lựa chọn ưu tiên trong sản xuất công nghiệp.

4.2. Triển vọng ứng dụng trong ngành dược phẩm

Crocin chiết tách bằng ATPE đạt tiêu chuẩn dược phẩm (độ tinh khiết >95%), có thể sử dụng trong sản xuất thuốc điều trị bệnh gan, chống oxy hóa và bảo vệ thần kinh. ATPE cho phép sản xuất crocin quy mô lớn với chi phí thấp, đáp ứng nhu cầu thị trường toàn cầu (thị trường crocin dự kiến đạt 500 triệu USD vào năm 2025). Phương pháp này cũng có thể ứng dụng trong chiết tách các sắc tố thực vật khác như anthocyanin, betalain.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, nhu cầu về nguồn chất màu tự nhiên ngày càng tăng cao, do nhận thức được lợi ích tích cực từ các hợp chất tự nhiên mang lại cho sức khỏe. Vì vậy, đòi hỏi phải tìm kiếm các nguồn chất màu thực phẩm tự nhiên và phát triển tiềm năng sử dụng của chúng. Trong đó, crocin là chất màu đang được quan tâm. Crocin là một thành phần có màu vàng đặc trưng có trong nhụy nghệ tây (Crocus sativus) và hạt dành dành (Gardenia jasminoides Ellis).

Nhụy hoa nghệ tây được biết là một loại gia vị đắt tiền nhất trên thế giới và là một loại cây có tính “khan hiếm” được mệnh danh là “vàng đỏ” phương Đông nên tính kinh tế cho việc điều chế chất màu từ nguồn nguyên liệu này sẽ không thể hiệu quả như hạt dành dành. Cây dành dành là một loài cây phổ biến ở Việt Nam với sản lượng thu hoạch quả nhiều, giá thành thấp nên chọn cây dành dành là đối tượng nghiên cứu để trích ly crocin. Bên cạnh crocin, geniposide là thành phần chính trong nhóm hợp chất glycoside iridoid, cũng là một thành phần chiếm hàm lượng khá cao trong hạt dành dành. Geniposide đã được chứng minh có nhiều tác dụng trong y học như bảo vệ mật, gan, và hệ thần kinh; kháng viêm, kháng oxy hoá; và chống đái tháo đường, chống ung thư,… Tuy nhiên, một số nghiên cứu về độc học cũng đã chỉ ra rằng việc sử dụng quá liều geniposide có thể dẫn đến gây độc gan.

Với các phương pháp truyền thống thì việc tách chiết chất màu crocin và geniposide chưa được hiệu quả, tốn nhiều chi phí, thời gian dài không mang lại tính kinh tế. Trong khóa luận này, tôi chọn phương pháp trích ly hai pha nước để trích ly chất màu crocin và geniposide, đây là phương pháp tiềm năng có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp truyền thống như tính chọn lọc cao, chi phí thấp, các dung môi được sử dụng thân thiện với môi trường, có khả năng thu hồi được các chất đã sử dụng để hình thành hệ. Với hy vọng có thể phát huy tối đa lợi ích và nâng cao giá trị của các chất có trong hạt dành dành cùng với việc nghiên cứu và phát triển thêm về hướng trích ly bằng phương pháp trích ly hai pha nước nên tôi quyết định nghiên cứu đề tài “Trích ly chất màu từ hạt dành dành (Gardenia jasminoides Ellis) bằng phương pháp trích ly hai pha nước”. xi i CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về crocin 1.1 Đặc điểm và nguồn gốc của crocin Crocin là một trong số ít carotenoid tan trong nước, màu đỏ đậm ở dạng khô, cho màu sắc từ màu vàng đến màu cam trong dịch chiết từ hoa nghệ tây, Crocus sativus (C.

Crocin được tìm thấy trong hạt dành dành, Gardenia jasminoides Ellis (G. jasminoides), thuộc chi Gardenia, họ Rubiaceae [2]. Một số bộ phận của cây dành dành được thể hiện trong Hình 1.1 Hoa và quả dành dành Crocin là các ester glycosyl hoặc gentiobiosyl của polyene dicarboxylic acid (8,8- diapocarotene-8,8-dioic acid hay còn gọi là crocetin) [3]. Phân tử crocin bao gồm chuỗi 16 carbon, có 7 liên kết đôi liên hợp, 4 nhóm methyl và một nhóm ester ở mỗi đầu.

Trong đó gốc R1, R2 có thể là các gốc gentiobiosyl (Gen) hoặc glucosyl (Glu). Cấu trúc của crocetin và các dẫn xuất crocin được trình bày lần lượt trong Hình 1.2 Cấu trúc của crocetin 1 i Gentiobiosyl (Gen) Glucosyl (Glu) Hình 1.3 Công thức tổng quát của crocin Crocin-1: R1=R2=Gen Crocin-3: R1=Gen; R2=H Crocin-2: R1=Gen; R2=Glu Crocin-4: R1=Glu; R2=H Cis crocin-1: R1=R2=Gen Crocin là thành phần chính tạo màu vàng cho hạt dành dành. Bên cạnh nhóm hợp chất crocin, một số thành phần hóa học của hạt dành dành đã được phân lập gồm các hợp chất thuộc nhóm iridoid, iridoid glycoside, triterpenoid, acid hữu cơ, dẫn xuất phenol và các hợp chất dễ bay hơi khác. Các chất thuộc nhóm iridoid và iridoid glycoside rất giàu trong hạt dành dành bao gồm geniposide (1), genipin (2) và gardenoside (3).

Đã có rất nhiều những nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy rằng chúng có nhiều tác dụng tích cực đến sức khỏe của con người. Hàm lượng của iridoid glycoside có thể thay đổi tùy vào các vùng nguyên liệu khác nhau trong khoảng 5-6%. Hiệu suất của geniposide có thể đạt 10,9% trong một số điều kiện chiết xuất nhất định [5].4 Cấu trúc của nhóm iridoid và iridoid glycoside trong hạt dành dành. Terpenoid trong dành dành bao gồm secoiridoid và monoterpenoid.

Một số terpenoid, đặc biệt là một số lượng nhỏ nguyên tử carbon, tồn tại trong dầu dễ bay hơi. Các terpenoid tiêu biểu là 6’-O-trans-Sinapoyljasminoside C (4), Rehmapicrogenin (5) [5].5 Cấu trúc của terpenoid trong hạt dành dành. Một số acid phenolic trong dành dành được xác định là 3,5-di-O-caffeoyl-4-O-(3- hydroxy-3-methyl) glutaroylquinic acid (6), 3,5-di-O-caffeoylquinic aicd (7) và chlorogenic acid (8). Một lignin glucoside mới, (+)-(7S,8R,8′R)- lyoniresinol 9-O-β - D-(600-O-trans-sinapoyl) glucopyranoside (9) đã được tìm thấy trong dành dành [5].6 Cấu trúc của một số acid phenolic trong hạt dành dành.

Các hợp chất dễ bay hơi chính trong tinh dầu của dành dành là acid béo, ketone, aldehyde, ester, alcohol và các dẫn xuất thơm. Do nhiệt độ và thời gian gia nhiệt khác nhau nên tinh dầu từ dành dành sẽ chứa hàm lượng và tỷ lệ các hợp chất dễ bay hơi khác nhau. Ngoài ra các thành phần kém bền như các hợp chất thuộc nhóm iridoid có thể bị biến đổi một phần tạo thành các thành phần dễ bay hơi trong quá trình xử lý ở nhiệt độ cao [5]. Các hợp chất bay hơi chiếm tỷ lệ cao nhất trong dành dành là myristic acid (10) chiếm 15,3%, pentadecane (11) 15,14%, palmitic acid (12) 13,7% [6].7 Cấu trúc của các hợp chất dễ bay hơi trong tinh dầu dành dành.2 Hoạt tính sinh học của crocin Crocetin (Hình 1.2) có nhiều tác dụng dược lý khác nhau như chống viêm, hạn chế xơ vữa động mạch, chống ung thư, bảo vệ thần kinh, tác dụng hạ huyết áp, chống đông máu, ức chế tổn thương võng mạc,… [5].3) là ester digentiobiosyl của crocetin, có hoạt tính sinh học cao, nhiều tác dụng y học như điều trị viêm, vàng da, nhức đầu, phù, sốt, viêm gan, tăng huyết áp [7], chống tăng mỡ trong máu và bảo vệ gan bị tổn thương [8], chống co giật-bảo vệ thần kinh [9], chống trầm cảm [10], kháng u [11], bảo vệ dạ dày [12].

Crocin có đặc tính chống ung thư, được ưu tiên lựa chọn để bổ sung vào những thực phẩm hòa tan trong nước [13]. Ngoài ra, crocin với độ tinh khiết trên 99,6% có hoạt tính chống oxy hóa ở nồng độ từ 40 ppm. Thử nghiệm thiocyanate cho thấy ở nồng độ 40 ppm, sự ức chế quá trình oxy hóa bằng crocin là 80% khi so sánh với mẫu trắng. Ở mức 20 ppm, hoạt động chống oxy hóa của crocin tương đương với hoạt động của butylated hydroxyanisole (BHA) [14].

Qua kết quả thực nghiệm của Nguyễn Thị Thúy Diễm và cộng sự, dịch trích crocin bằng hệ ATPS ethanol-potassium phosphate với giá trị nồng độ ức chế 50% đối tượng thử half maximal inhibitory concentration (IC50) đối với hoạt tính ức chế 1,1- diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) là 28,86 μg/mL.3 Các phương pháp trích ly crocin Crocin là một chất màu đang được quan tâm, nên hiện nay có nhiều phương pháp trích ly crocin từ dành dành đã được nghiên cứu như phương pháp trích ly truyền thống với các loại dung môi khác nhau như methanol, ethanol, 1-propanol hoặc 2-propanol [16], phương pháp trích ly với sự hỗ trợ vi sóng [5], phương pháp trích ly nhờ sự hỗ trợ của sóng siêu âm [1], phương pháp trích ly lỏng siêu tới hạn [17]. Bên cạnh đó, phương pháp chiết pha rắn đánh dấu phân tử polymer cho phép chiết xuất chọn lọc crocin với độ thu hồi cao (84%) từ một hỗn hợp phức tạp [18].4 Các phương pháp xác định hàm lượng crocin Phương pháp quang phổ UV-Vis là phương pháp phân tích định lượng dựa vào hiệu ứng hấp thu xảy ra khi phân tử vật chất tương tác với bức xạ điện từ. Các hợp chất 5 i khác nhau trong hạt dành dành có đặc tính hấp thu UV-Vis khác nhau. Trong đó, điều kiện phát hiện để xác định geniposidic acid và geniposide là ở bước sóng 240 nm và đối với crocin-1 và crocin-2 là 440 nm [19].

Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) là một kỹ thuật để tách, định tính, định lượng và xác định các thành phần không bay hơi trong hỗn hợp. Năm 2016, Hong-Ping Zhang và cộng sự đã phân tích crocin-1 và geniposide bằng HPLC với cột sắc ký silica gel pha đảo C18 (4,6 mm × 250 mm, 5 μm) và đầu dò mảng diode SPD- M20A với bước sóng lần lượt là 440 nm và 238nm cho crocin-1 và geniposide [20].2 Tổng quan về phương pháp trích ly hai pha nước (ATPE) 1.1 Giới thiệu phương pháp trích ly hai pha nước Vào những năm 1950, Albertson đã phát hiện ra rằng dung dịch nước của polyethylene glycol (PEG) và muối phosphate trong một phạm vi nồng độ nhất định có khả năng phân tách thành hai pha, một pha giàu polymer và một pha giàu muối [21]. Từ đó, kỹ thuật trích ly hai pha nước (aqueous two-phase extraction-ATPE) đã trở thành một công cụ mạnh mẽ để phân tách một loạt các vật liệu sinh học bao gồm tế bào thực vật và động vật, vi sinh vật, nấm và bào tử của chúng, virus, lục lạp, ty thể, túi màng, protein và nucleic acid [22]. Một trong những ưu điểm chính của kỹ thuật này là môi trường tương thích sinh học, cân bằng pha rất nhanh, chi phí thấp, các dung môi được sử dụng để tạo thành pha thường thân thiện với môi trường, có khả năng thu hồi các chất đã sử dụng để hình thành hệ [23].

Tuy ATPE là một phương pháp trích ly đầy ưu điểm nhưng bên cạnh đó vẫn tồn tại những hạn chế như sự chưa hiểu biết rõ ràng về cơ chế tách pha liên quan đến hệ APTS. Với việc ngày càng có nhiều nghiên cứu và có thêm sự hỗ trợ của các phương pháp khác sẽ giúp cho phương pháp ATPE ngày càng phát triển hoàn thiện hơn, sẽ hứa hẹn là một bước đột phá trong việc thu nhận các sản phẩm có giá trị sinh học cao [24].2 Hệ hai pha nước (ATPS) Phương pháp ATPE dần được phát triển với các hệ hai pha nước (aqueous two-phase system-ATPS) khác nhau. Hiện nay, hệ ATPS có thể được phân thành năm nhóm: polymer-polymer, polymer-muối, alcohol-muối, các micellar và các chất lỏng ion. 6 i Trong đó, hệ ATPS polymer-polymer và polymer-muối có lợi thế hơn các hệ dung môi hữu cơ thông thường cho sự phân tách các hoạt chất sinh học [25].3 Giản đồ pha Giản đồ pha giống như “dấu vân tay” của hệ ATPS trong một điều kiện xác định.