Luận văn thạc sĩ công nghệ thực phẩm ứng dụng phương pháp trích ly bằng co2 siêu tới hạn để trích ly betacarotene và lycopene từ bột gấc

Luận văn thạc sĩ công nghệ thực phẩm nghiên cứu ứng dụng CO2 siêu tới hạn trích ly betacarotene và lycopene từ bột gấc, hiệu quả cao.

• Tác giả: Dương Thị Phương Thảo
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thị Kim Phụng
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm và Đồ uống
• Đề tài: Ứng Dụng CO2 Siêu Tới Hạn Trích Ly Betacarotene Và Lycopene Từ Bột Gấc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• CHƯƠNG MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về gấc
• 1.1.1. Tên gọi, đặc điểm và phân bố
• 1.1.2. Thành phần dinh dưỡng
• 1.2. Tổng quan về dầu gấc thương mại
• 1.2.1. Các sản phẩm dầu gấc trên thị trường
• 1.2.2. Quy trình sản xuất dầu gấc thương mại
• 1.3. Tổng quan về b - carotene và lycopene
• 1.3.1. Công thức hóa học và tính chất của b - carotene
• 1.3.2. Nguồn nguyên liệu
• 1.3.3. Tác dụng của b - carotene
• 1.3.4. Công thức hóa học và tính chất của lycopene
• 1.3.5. Nguồn nguyên liệu
• 1.3.6. Tác dụng của lycopene
• 1.4. Tổng quan về các phương pháp trích ly b - carotene và lycopene
• 1.4.1. Cơ sở khoa học của quá trình trích ly
• 1.4.2. Các phương pháp trích ly
• 1.4.2.1. Phương pháp tẩm trích
• 1.4.2.2. Phương pháp Soxhlet
• 1.4.2.3. Phương pháp trích ly có sự hỗ trợ của vi sóng
• 1.4.2.4. Phương pháp trích ly sử dụng sóng siêu âm
• 1.4.2.5. Phương pháp trích ly sử dụng dung môi siêu tới hạn
• 1.5. Trích ly bằng CO2 siêu tới hạn
• 1.5.1. Tính chất của CO2 siêu tới hạn
• 1.6. Một số nghiên cứu trích ly b - carotene và lycopene bằng dung môi CO2 siêu tới hạn
• 1.6.1. Nghiên cứu trích ly từ một số loại rau quả
• 1.6.2. Nghiên cứu về quả gấc
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu, thiết bị và hóa chất
• 2.1.1. Thiết bị trích ly siêu tới hạn
• 2.1.2. Thiết bị cô quay chân không
• 2.1.3. Máy phân tích sắc ký lỏng hiệu cao năng (HPLC)
• 2.1.4. Máy đo quang phổ UV-VIS
• 2.2. Cơ sở khoa học
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Phân tích hàm lượng lycopene và b - carotene trong bột gấc nguyên liệu
• 2.3.2. Quy trình trích ly
• 2.3.3. Khảo sát độ bền màu của các mẫu dầu gấc thu được trong các điều kiện trích ly nêu ở bảng 2
• 2.4. Phương pháp phân tích
• 2.4.1. Xác định hàm lượng lipid tổng theo phương pháp ngâm dầm
• 2.4.2. Xác định hàm lượng b - carotene và lycopene bằng HPLC
• 2.4.3. Xác định hàm lượng carotenoids trong dầu gấc tổng bằng phương pháp đo quang phổ UV-VIS
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Thành phần b - carotene và lycopene của bột gấc
• 3.2. Hàm lượng dầu gấc thu được ở các điều kiện trích ly
• 3.3. Hiệu suất dầu gấc thu được ở các điều kiện trích ly
• 3.4. Hàm lượng b - carotene thu được ở các điều kiện trích ly
• 3.5. Hiệu suất b - carotene thu được ở các điều kiện trích ly
• 3.6. Hàm lượng lycopene thu được ở các điều kiện trích ly
• 3.7. Hiệu suất lycopene thu được ở các điều kiện trích ly
• 3.8. Độ bền màu của các mẫu dầu gấc ở các điều kiện trích ly khác nhau
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. CO2 siêu tới hạn

CO2 siêu tới hạn là một phương pháp trích ly hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thực phẩm và dược phẩm. Phương pháp này sử dụng CO2 ở trạng thái siêu tới hạn, nơi nó có tính chất của cả chất lỏng và chất khí, giúp tăng hiệu quả trích ly các hợp chất từ nguyên liệu tự nhiên. Trong luận văn này, CO2 siêu tới hạn được sử dụng để trích ly betacarotene và lycopene từ bột gấc, một nguồn nguyên liệu giàu dinh dưỡng. Phương pháp này không chỉ đảm bảo hiệu suất trích ly cao mà còn an toàn, thân thiện với môi trường.

1.1. Tính chất của CO2 siêu tới hạn

CO2 siêu tới hạn có khả năng khuếch tán cao, độ nhớt thấp và khả năng hòa tan tốt các hợp chất hữu cơ. Điều này làm cho nó trở thành dung môi lý tưởng để trích ly các chất chống oxy hóa như betacarotene và lycopene. Trong nghiên cứu, CO2 được sử dụng ở áp suất 300 bar và nhiệt độ 70°C, điều kiện tối ưu để đạt hiệu suất trích ly cao nhất.

1.2. Ứng dụng trong trích ly tự nhiên

Phương pháp CO2 siêu tới hạn được ứng dụng để trích ly các hợp chất tự nhiên từ bột gấc, một nguồn giàu betacarotene và lycopene. Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc bổ sung dầu thực vật vào bột gấc trước khi trích ly giúp tăng hiệu suất thu hồi các hợp chất này. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình trích ly tự nhiên.

II. Trích ly betacarotene và lycopene

Trích ly betacarotene và lycopene từ bột gấc là mục tiêu chính của luận văn. Hai hợp chất này có vai trò quan trọng trong dinh dưỡng thực phẩm và sức khỏe con người. Betacarotene là tiền chất của vitamin A, trong khi lycopene là chất chống oxy hóa mạnh, giúp ngăn ngừa các bệnh mãn tính. Phương pháp CO2 siêu tới hạn được sử dụng để trích ly hai hợp chất này từ bột gấc, đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

2.1. Hiệu suất trích ly

Nghiên cứu so sánh hiệu suất trích ly betacarotene và lycopene trong các điều kiện khác nhau. Kết quả cho thấy, việc bổ sung dầu thực vật vào bột gấc trước khi trích ly giúp tăng hiệu suất thu hồi các hợp chất này. Đặc biệt, khi không sử dụng đồng dung môi, hàm lượng betacarotene và lycopene thu được cao hơn so với các mẫu khác.

2.2. Độ bền màu của sản phẩm

Độ bền màu của các mẫu dầu trích ly được khảo sát theo thời gian. Kết quả cho thấy, các mẫu có bổ sung dầu thực vật và sử dụng đồng dung môi có độ bền màu ổn định hơn. Điều này khẳng định tính ứng dụng của phương pháp CO2 siêu tới hạn trong sản xuất thực phẩm chức năng và dược phẩm.

III. Bột gấc và ứng dụng

Bột gấc là nguồn nguyên liệu chính trong nghiên cứu, chứa hàm lượng cao betacarotene và lycopene. Đây là hai hợp chất có giá trị dinh dưỡng và sức khỏe cao, được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thực phẩm và dược phẩm. Luận văn tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình trích ly từ bột gấc, nhằm thu được sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu thị trường.

3.1. Thành phần dinh dưỡng

Bột gấc chứa hàm lượng cao betacarotene và lycopene, cùng các acid béo không no có lợi cho sức khỏe. Nghiên cứu phân tích thành phần dinh dưỡng của bột gấc, làm cơ sở cho việc tối ưu hóa quy trình trích ly. Kết quả cho thấy, bột gấc là nguồn nguyên liệu giàu dinh dưỡng, có tiềm năng lớn trong công nghiệp thực phẩm.

3.2. Ứng dụng trong thực phẩm chức năng

Các sản phẩm trích ly từ bột gấc được ứng dụng trong sản xuất thực phẩm chức năng, nhờ hàm lượng cao betacarotene và lycopene. Nghiên cứu đề xuất các hướng phát triển mới, nhằm tận dụng tối đa giá trị dinh dưỡng của bột gấc, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

IV. Luận văn thạc sĩ công nghệ thực phẩm

Luận văn thạc sĩ công nghệ thực phẩm tập trung vào việc ứng dụng CO2 siêu tới hạn để trích ly betacarotene và lycopene từ bột gấc. Nghiên cứu đóng góp vào việc phát triển các phương pháp trích ly hiện đại, an toàn và hiệu quả, phục vụ cho ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm.

4.1. Giá trị thực tiễn

Luận văn đưa ra các kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, giúp tối ưu hóa quy trình trích ly betacarotene và lycopene từ bột gấc. Các sản phẩm thu được có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

4.2. Hướng phát triển

Nghiên cứu đề xuất các hướng phát triển mới, nhằm tận dụng tối đa giá trị dinh dưỡng của bột gấc. Các phương pháp trích ly hiện đại như CO2 siêu tới hạn sẽ tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng, góp phần phát triển ngành công nghệ thực phẩm tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quả gấc (Momordica cochinchinensis) từ lâu đã được ghi nhận là nguồn tài nguyên thực vật quý giá tại Việt Nam nhờ sở hữu hàm lượng carotenoid vượt trội so với các loại rau quả thông thường. Cụ thể, trong 100g màng gấc tươi chứa tới khoảng 45.780 µg đến 52.520 µg beta-carotene, cùng hàm lượng lycopene dao động mạnh từ 348 mg/kg đến 1.902 mg/kg. Lượng lycopene này cao gấp khoảng 10 đến 70 lần so với cà chua chín. Ngoài ra, thịt gấc còn chứa hơn 70% tổng lượng acid béo là acid béo không bão hòa, trong đó acid béo không bão hòa đa chiếm tới 50%, tạo điều kiện dung giải tự nhiên lý tưởng cho các hợp chất màu sinh học.

Mặc dù giàu hoạt tính sinh học quý giá, các phương pháp trích ly truyền thống như ép nhiệt hoặc ngâm dung môi hữu cơ thường làm phân hủy cấu trúc beta-carotene và lycopene do tính kém bền nhiệt, dễ bị oxy hóa, đồng thời để lại dư lượng dung môi độc hại khó xử lý. Trước thách thức đó, nghiên cứu này được triển khai nhằm mục tiêu xác lập quy trình trích ly hiện đại sử dụng dung môi carbon dioxide siêu tới hạn (SC-CO2), kết hợp bổ sung dầu thực vật và đồng dung môi ethanol để thu nhận tối đa lượng beta-carotene và lycopene tinh khiết.

Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Hóa học và Dầu khí thuộc Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Các thông số vận hành chủ chốt được cố định ở mức áp suất 300 bar, nhiệt độ 70 độ C trong thời gian 4 giờ liên tục. Luận văn không chỉ giải quyết bài toán gia tăng hiệu suất thu hồi hoạt chất tự nhiên đạt trên 80% mà còn mở ra định hướng công nghệ xanh không phát thải dung môi, cung cấp nguồn nguyên liệu tiêu chuẩn cao cho ngành công nghiệp thực phẩm chức năng và dược phẩm sinh học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của hai trụ cột lý thuyết chuyên sâu trong hóa lý và công nghệ thực phẩm:

• Lý thuyết trạng thái dung môi siêu tới hạn: Khi chất nguyên chất vượt qua điểm tới hạn với nhiệt độ tới hạn Tc và áp suất tới hạn Pc, pha lỏng và pha khí hòa làm một. Đối với khí carbon dioxide, giá trị tới hạn đạt ở 31,1 độ C và 73,8 bar. Ở trạng thái này, carbon dioxide sở hữu tỷ trọng tương đương chất lỏng để hòa tan chất tan, nhưng độ nhớt thấp và hệ số khuếch tán cao tương đương chất khí, giúp thâm nhập sâu vào cấu trúc vi mô của nguyên liệu xốp.
• Lý thuyết hòa tan và truyền khối của hợp chất màu không phân cực: Beta-carotene và lycopene là các hydrocarbon carotenoid có công thức phân tử C40H56 và khối lượng phân tử khoảng 536,9 g/mol. Cấu trúc gồm hệ thống 11 đến 13 liên kết đôi liên hợp khiến chúng hoàn toàn kỵ nước, hòa tan chọn lọc trong các dung môi không phân cực hoặc chất béo.

Khung phân tích tập trung vào 4 khái niệm then chốt: độ hòa tan cân bằng pha của carotenoid trong dòng carbon dioxide siêu tới hạn, hiện tượng trương nở mạng tế bào thực vật khi ngâm dầu, cơ chế đồng phân hóa từ dạng trans sang dạng cis dưới tác động của nhiệt độ - áp suất, và động học suy giảm độ hấp thụ quang phổ biểu thị độ bền oxy hóa của mẫu dầu trích ly.

Phương pháp nghiên cứu

• Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Toàn bộ thí nghiệm sử dụng màng gấc sấy khô đạt độ ẩm dưới 10%, được cung cấp đồng nhất từ đối tác dược liệu uy tín. Màng gấc được nghiền mịn và phân loại cơ học qua rây inox kích thước mắt lưới 0,5 mm. Kích thước hạt nhỏ dưới 0,5 mm giúp tối đa hóa diện tích tiếp xúc pha rắn - lỏng. Mỗi mẻ trích ly sử dụng chính xác 20g bột gấc khô.
• Thiết kế bố trí thí nghiệm: Nghiên cứu khảo sát 8 nghiệm thức gồm mẫu đối chứng không bổ sung dầu và các mẫu phối trộn 28% khối lượng dầu thực vật (khoảng 5,5g gồm dầu đậu nành, dầu mè hoặc dầu olive), kết hợp khảo sát có và không có 5% đồng dung môi ethanol. Quá trình ngâm ủ kéo dài 24 giờ trước khi nạp vào buồng trích nhằm đảm bảo dầu thẩm thấu làm mềm tế bào.
• Quy trình phân tích và lý do lựa chọn:
  • Hệ thống sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC: Sử dụng cột pha đảo Eclipse XDB-C18 (kích thước 4,6 x 150 mm), pha động Methanol : Tetrahydrofuran theo tỷ lệ thể tích 70:30, tốc độ dòng 1 ml/phút, bước sóng phát hiện 450 nm và 472 nm. Phương pháp này được lựa chọn vì tính chính xác tuyệt đối trong việc phân tách, định tính và định lượng riêng rẽ từng pic beta-carotene và lycopene mà không gây phân hủy mẫu.
  • Đo quang phổ UV-Vis: Sử dụng máy đo quang phổ tại bước sóng 472 nm để theo dõi carotenoid tổng và đánh giá độ suy giảm màu quang phổ qua 3 mốc thời gian: ngay sau pha loãng, sau 2 ngày và sau 14 ngày lưu trữ ở nhiệt độ phòng. Phương pháp này cho phép đánh giá động học suy biến quang hóa nhanh chóng và trực quan.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm trên hệ thống Thar SFC-100 đã mang lại những kết quả định lượng rõ ràng:

• Gia tăng khối lượng dầu trích ly nhờ dầu thực vật: Việc bổ sung 28% dầu thực vật vào 20g bột gấc giúp tăng lượng dầu thu nhận sau trích ly lên hơn 30% so với mẫu bột gấc thuần túy. Dầu nành và dầu mè thể hiện khả năng đồng trích ly lipid nội tại trong màng gấc rất hiệu quả dưới áp suất 300 bar.
• Hiệu ứng tăng hàm lượng carotenoid khi không dùng đồng dung môi: Trong chế độ không sử dụng ethanol, các mẫu có ngâm 28% dầu thực vật cho hàm lượng beta-carotene và lycopene cao hơn rõ rệt so với mẫu không ngâm dầu. Dầu olive và dầu mè giúp bảo vệ cấu trúc liên kết đôi của lycopene khỏi hiện tượng bẻ gãy nhiệt độ tại 70 độ C.
• Sự đảo chiều hiệu suất khi bổ sung 5% ethanol: Khi đưa 5% ethanol vào dòng dung môi CO2 siêu tới hạn, mẫu không bổ sung dầu lại ghi nhận hàm lượng hoạt chất lycopene và beta-carotene thu được cao hơn các mẫu có ngâm dầu. Ethanol làm tăng cực tính cục bộ của carbon dioxide, tạo hiệu ứng solvat hóa mạnh trực tiếp lên bề mặt bột gấc khô khi không bị lớp màng chất béo bao bọc cản trở.
• Cải thiện vượt bậc độ bền màu sau 14 ngày: Các mẫu trích ly có sự hiện diện của dầu thực vật (đặc biệt là dầu mè và dầu olive) và sử dụng đồng dung môi ethanol duy trì độ hấp thụ quang phổ UV-Vis ổn định hơn hẳn. Mức độ suy giảm màu sau 2 tuần bảo quản ở điều kiện ánh sáng tự nhiên chỉ ở mức dưới 12%, trong khi mẫu dầu gấc thông thường suy giảm hơn 35%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế trích ly có thể được lý giải thông qua tương tác liên phân tử và hiện tượng truyền khối. Khi ngâm 28% dầu thực vật trong 24 giờ, các triglyceride thâm nhập vào ma trận xơ màng gấc, hòa tan sơ bộ các phân tử lycopene và beta-carotene vốn bám chặt trong màng tế bào chromoplast. Khi dòng carbon dioxide siêu tới hạn quét qua ở 300 bar, tỷ trọng dung môi đạt mức cao, dễ dàng cuốn theo hỗn hợp dầu gấc - dầu thực vật ra bình tách.

Số liệu thực nghiệm có thể được mô hình hóa trực quan qua hai dạng biểu đồ chuẩn:

• Biểu đồ cột nhóm: So sánh trực tiếp hiệu suất thu hồi lycopene và beta-carotene giữa 8 mẫu thí nghiệm, làm nổi bật sự vượt trội của mẫu ngâm dầu mè trong điều kiện không đồng dung môi và mẫu thuần gấc trong điều kiện có 5% ethanol.
• Biểu đồ đường biến thiên độ hấp thu quang phổ theo thời gian: Trục hoành biểu diễn 3 mốc (0 ngày, 2 ngày, 14 ngày), trục tung biểu thị độ hấp thụ quang học ở bước sóng 472 nm. Đồ thị cho thấy độ dốc thoái hóa của mẫu có dầu mè phẳng hơn hẳn, minh chứng cho vai trò của các chất chống oxy hóa tự nhiên như sesamol và sesaminol trong dầu mè đã tạo màng chắn bảo vệ lycopene khỏi sự tấn công của oxy hòa tan.

So với các nghiên cứu trích ly bằng dung môi n-hexan truyền thống vốn chỉ đạt độ tinh sạch trung bình và để lại mùi dung môi, kỹ thuật trích ly carbon dioxide siêu tới hạn tại 300 bar và 70 độ C tạo ra dịch trích màu đỏ đậm tự nhiên, không lẫn cặn cơ học và sẵn sàng sử dụng trực tiếp cho thực phẩm cao cấp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, luận văn đề xuất 4 giải pháp công nghệ mang tính khả thi cao nhằm hoàn thiện và nhân rộng quy trình:

• Tối ưu hóa đa biến các thông số vận hành nhiệt độ và áp suất: Doanh nghiệp và nhóm nghiên cứu tiếp theo cần thiết lập mô hình bề mặt đáp ứng RSM để khảo sát dải áp suất từ 300 đến 350 bar và nhiệt độ từ 70 đến 80 độ C. Mục tiêu là nâng hiệu suất thu hồi lycopene đạt trên 85% trong thời gian trích ly rút ngắn xuống còn 150 - 180 phút thay vì 240 phút.
• Chuẩn hóa tỷ lệ bổ sung chất mang dầu thực vật sinh học: Đơn vị sản xuất nên áp dụng tỷ lệ phối trộn dầu mè hoặc dầu nành ở mức 20% đến 28% tính trên khối lượng nguyên liệu khô. Việc này giúp giảm độ nhớt dòng trích, hạn chế hiện tượng nghẽn van giảm áp và tối ưu hóa chi phí nguyên liệu phụ trợ trong quy mô pilot 50 kg/mẻ.
• Ứng dụng công nghệ bao gói chống quang hóa và bảo quản kín: Các cơ sở chế biến dầu gấc cần đóng chai thành phẩm trong thủy tinh màu hổ phách hoặc màng nhôm chắn sáng 100%, bảo quản ở nhiệt độ mát 20 đến 25 độ C. Giải pháp này đảm bảo duy trì độ bền màu và hoạt tính sinh học của lycopene đạt trên 90% sau thời hạn 6 tháng lưu hành.
• Xây dựng hệ thống tuần hoàn khép kín khí carbon dioxide: Đơn vị thiết kế dây chuyền cần tích hợp module thu hồi và nén tuần hoàn carbon dioxide tự động, hướng tới tỷ lệ tái sử dụng đạt trên 95% lượng khí tiêu thụ. Giải pháp này giúp cắt giảm 40% chi phí vận hành nguyên liệu dung môi và bảo đảm tiêu chuẩn sinh thái xanh cho toàn bộ quy trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn này mang giá trị học thuật và thực tiễn phong phú, phù hợp cho 4 nhóm độc giả chính:

• Kỹ sư R&D ngành công nghệ thực phẩm và đồ uống: Cung cấp thông số công nghệ chính xác về áp suất 300 bar, nhiệt độ 70 độ C và tốc độ dòng 20 g/phút để ứng dụng thiết kế các dòng sản phẩm đồ uống bổ dưỡng, dầu ăn vi chất giàu tiền vitamin A.
• Doanh nghiệp sản xuất dược phẩm và thực phẩm chức năng: Hỗ trợ chuyển giao công nghệ chiết xuất lycopene tinh khiết dạng viên nang mềm chống lão hóa và ngăn ngừa bệnh lý tim mạch, loại bỏ triệt để nguy cơ nhiễm độc dung môi hóa học.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Hóa học - Thực phẩm: Nguồn tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC, đo phổ UV-Vis cũng như phương pháp luận nghiên cứu quá trình truyền khối trạng thái siêu tới hạn.
• Các nhà quản lý sản xuất và vận hành nhà máy chiết xuất sinh học: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể về phối trộn chất trợ ly, chống phân hủy nhiệt và ổn định độ bền màu cho các hợp chất carotenoid tự nhiên nhạy cảm.

Câu hỏi thường gặp

• Phương pháp CO2 siêu tới hạn có ưu thế gì vượt trội so với phương pháp trích ly Soxhlet dùng dung môi hữu cơ? CO2 siêu tới hạn vận hành ở nhiệt độ thấp 31,1 đến 70 độ C trong môi trường yếm khí hoàn toàn, giúp ngăn chặn triệt để phản ứng oxy hóa và đồng phân hóa làm mất hoạt tính của lycopene. Đồng thời, CO2 chuyển thành thể khí ngay khi xả áp, thu được dầu gấc sạch 100% không còn vết dung môi hữu cơ độc hại như hexan hay chloroform.
• Tại sao việc ngâm bột gấc với 28% dầu thực vật lại làm tăng hiệu suất trích ly? Bột gấc được ngâm trong 24 giờ cho phép các phân tử triglyceride thẩm thấu làm trương nở thành tế bào thực vật, hòa tan sơ bộ mạng lưới carotenoid kỵ nước. Dầu thực vật đóng vai trò là chất mang tự nhiên giúp dòng CO2 siêu tới hạn cuốn các chất màu ra ngoài dễ dàng hơn.
• Tại sao khi dùng 5% đồng dung môi ethanol, mẫu không ngâm dầu lại cho kết quả cao hơn mẫu có dầu? Ethanol là dung môi phân cực mạnh, làm tăng đáng kể mật độ và khả năng solvat hóa của CO2. Khi không có lớp màng dầu bao bọc, hỗn hợp CO2 - ethanol tiếp xúc trực tiếp và phá vỡ liên kết giữa lycopene với protein trong tế bào màng gấc nhanh hơn.
• Độ bền màu của các mẫu dầu gấc được đánh giá qua chỉ số nào trong 14 ngày? Độ bền màu được định lượng qua độ hấp thụ quang phổ UV-Vis tại bước sóng 472 nm qua các mốc thời gian 0 ngày, 2 ngày và 14 ngày. Các mẫu có bổ sung dầu thực vật và ethanol có sự suy giảm độ hấp thụ dưới 12%, chứng minh khả năng chống oxy hóa tự nhiên rất tốt.
• Hệ thống máy Thar SFC-100 được thiết lập thông số cụ thể ra sao trong nghiên cứu này? Hệ thống được vận hành tự động với bình chứa mẫu 20g bột gấc, tốc độ dòng CO2 duy trì liên tục ở mức 20 g/phút, áp suất buồng trích đạt 300 bar và nhiệt độ giữ ổn định ở mức 70 độ C trong suốt 4 giờ vận hành.

Kết luận

• Khẳng định thành công tính khả thi vượt trội của phương pháp trích ly carbon dioxide siêu tới hạn trong việc thu nhận lycopene và beta-carotene từ màng gấc khô.
• Xác lập quy trình tiền xử lý bổ sung 28% dầu thực vật (dầu đậu nành, dầu mè, dầu olive) kết hợp ngâm ủ 24 giờ giúp gia tăng mạnh lượng dầu trích ly và bảo toàn hoạt chất sinh học.
• Làm rõ tác động tương hỗ giữa đồng dung môi ethanol 5% và trạng thái ngâm dầu, cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc lựa chọn điều kiện công nghệ phù hợp.
• Chứng minh dầu mè và dầu olive có khả năng bảo vệ màu sắc và chống phân hủy quang hóa cho carotenoid tổng trong suốt 14 ngày thử nghiệm.
• Định hướng hoàn thiện tối ưu hóa trên quy mô pilot công nghiệp 50 - 100 kg/mẻ trong vòng 12 đến 24 tháng tới.

Các đơn vị nghiên cứu, doanh nghiệp chế biến dược liệu và thực phẩm chức năng quan tâm đến công nghệ trích ly xanh không dung môi hãy kết nối và ứng dụng ngay quy trình này để nâng cao giá trị thương mại cho nông sản gấc Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Bảng 1.4: Hàm lượng b - carotene trong 100g thực phẩm ăn được [1] Số thứ Hàm lượng Số thứ Hàm lượng Tên gọi Tên gọi tự (g) tự (g) 1 Gấc 52520 9 Dưa gang 1750 2 Ớt vàng 5790 10 Quýt 1625 3 Tía tô 5520 11 Khoai lang 1470 4 Rau dền 5300 12 Rau ngót 6650 5 Cà rốt 5040 13 Hồng 1900 6 Cần tây 5000 14 Lá lốt 4050 7 Dưa hấu 4200 15 Rau mồng tơi 1920 8 Đu đủ 2100 16 Cải xanh 1855 Hình 1.4: Hàm lượng b - carotene trong một số thực phẩm [54] 9 Chương 1: Tổng quan 1. Tác dụng của b - carotene b - carotene là tiền chất của vitamin A. Tuy nhiên, khi bị thừa thãi vitamin A sẽ bị cơ thể đào thải, còn b - carotene được trữ trong gan đến lúc cần thiết. b - carotene tham gia và ảnh hưởng đến một số quá trình sinh lý trong cơ thể như làm tăng cường hệ miễn dịch, ngăn ngừa một số bệnh ung thư [4] b - carotene đưa vào cơ thể một phần sẽ được chuyển thành retinol trong niêm mạc ruột, phần khác sẽ được vận chuyển vào máu kết hợp với các lipoprotein.

b - carotene được tích lũy dưới các mô mỡ khi dư thừa. Những người hút thuốc, uống rượu và bị nhiễm HIV thì nồng độ b - carotene trong máu rất thấp. Nếu thiếu b - carotene thì sẽ bị các chứng vàng da, xơ gan…[63] b - carotene không được phân loại là một vitamin cần thiết. Vì vậy, khi thiếu b - carotene thì chưa xác định được biểu hiện lâm sàng rõ ràng.

Công thức hóa học và tính chất của lycopene  Công thức phân tử: C40H56 [62]  Công thức cấu tạo: [32] Hình 1.5: Công thức cấu tạo của phân tử lycopene  Khối lượng phân tử: 536,9 g/mole  Tên khoa học: (all-E)-2, 6, 10, 14, 19, 23, 27, 31-octamethyl-2, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 30-dotriacontatridecaene [32] 10 Chương 1: Tổng quan  Tính chất:  Dạng tinh thể màu đỏ đến đỏ tía, nóng chảy ở nhiệt độ 172 – 1750C. [23]  Phổ hấp thụ UV-VIS từ 300 – 700 nm [62], hấp thụ cực đại (trong ether dầu hỏa) ở các bước sóng 446, 472, và 505. [23]  Lycopene không tan trong nước, hầu như không tan ethanol và methanol, tan tốt trong chloroform và tetrahydrofuran, ít tan trong ether, hexane và dầu thực vật. [59]  Lycopene không bền với ánh sáng, nhiệt độ và oxy.

Khi tiếp xúc với ánh sáng và nhiệt độ cao lycopene sẽ chuyển từ dạng –trans sang dạng –cis, do đó làm cho tính chất vật lý và hóa học cũng thay đổi. Nguồn nguyên liệu [29] Lycopene được tìm thấy trong thực vật, vi khuẩn, nấm và tảo. Lycopene có nhiều trong các loại rau củ quả có màu cam hoặc đỏ như cà chua, cà rốt, dưa hấu, ớt đỏ, bưởi đỏ… và đặc biệt là gấc.5: Hàm lượng lycopene trong các loại rau quả Số thứ Hàm lượng Số Hàm lượng Tên gọi Tên gọi tự (mg/kg) thứ tự (mg/kg) 1 Măng tây 0,3 6 Bưởi 14,19 2 Quả nhót 150 – 540 7 Ổi 52,04 3 Cà rốt 0,02 8 Bắp cải tím 0,2 4 Cà chua 25,73 9 Củ cải đỏ 61,0 5 Gấc 348 – 1902 10 Dưa hấu 45,32 11 Chương 1: Tổng quan Hình 1.6: Hàm lượng lycopene trong một số loại quả [38] 1. Tác dụng của lycopene Ở thực vật, lycopene có vai trò bảo vệ, chống lại sự oxy hóa trong quá trình quang hợp và trong quá trình chín của quả.

Trong cơ thể người, lycopene có khả năng bắt giữ các oxy đơn bội và các gốc peroxy, ngăn ngừa và sửa chữa các tế bào bị lỗi, ức chế sự oxy hóa của các DNA. [29] Lycopene có tác dụng chống ung thư và xơ vữa động mạch. Cơ chế tác động của lycopene bảo vệ được các phân tử sinh học của tế bào, như lipid, lipoprotein, protein, DNA …, làm cho chúng không bị tổn thương bởi sự tấn công của các gốc tự do. [29] Lycopene ức chế sự oxy hóa của DNA, nguyên nhân dẫn đến một số dạng ung thư do làm thay đổi cấu trúc và chức năng của DNA.

[29] Một số nghiên cứu đã cho thấy, lycopene có khả năng làm chậm quá trình phát triển của ung thư tuyến tiền liệt, ruột kết và thực quản. [4] 12 Chương 1: Tổng quan 1. Tổng quan về các phương pháp trích ly b - carotene và lycopene 1. Cơ sở khoa học của quá trình trích ly Trích ly là quá trình hòa tan có chọn lọc một hay nhiều cấu tử có trong nguyên liệu bằng cách cho nguyên liệu tiếp xúc trực tiếp với dung môi.

Động lực học của quá trình trích ly là sự chênh lệch nồng độ của cấu tử ở trong nguyên liệu và ở trong dung môi. Các phương pháp trích ly 1. Phương pháp tẩm trích  Nguyên lý [67] Đây là phương pháp trích ly cổ điển nhất. Nguyên liệu được ngâm vào dung môi trong bình chứa với tỷ lệ thích hợp.

Hỗn hợp nguyên liệu được trộn đều trong quá trình trích ly, sau vài ngày dịch trích được thu nhận, bã trích được ly tâm để tận thu, sau đó bã trích được ngâm tiếp trong dung môi, tiến trình được lặp lại nhiều lần. Bã trích sau cùng được đem đi chưng cất, hoặc lọc ép, hoặc ly tâm để thu dịch trích còn lưu lại trong bã.  Ưu nhược điểm  Ưu điểm  Thích hợp cho các cấu tử không bền với nhiệt độ cao.  Thiết bị đơn giản, dễ sử dụng.

 Có thể ứng dụng ở quy mô phòng thí nghiệm hay quy mô công nghiệp.  Nhược điểm  Thời gian trích kéo dài, vì vậy có thể ảnh hưởng đến chất lượng của chất chiết đối với những chất nhạy cảm với ánh sáng, oxy. 13 Chương 1: Tổng quan 1. Phương pháp Soxhlet  Nguyên lý [8] Mô hình máy Soxhlet được xây dựng đầu tiên vào năm 1879, thường được sử dụng để trích ly các mẫu rắn, mẫu trích sẽ được cho vào túi đựng mẫu và dung môi được tuần hoàn liên tục qua mẫu trích nhờ bộ phận gia nhiệt và ngưng tụ.7: Mô hình thiết bị trích ly Soxhlet  Ưu nhược điểm  Ưu điểm  Đây là một quá trình trích ly liên tục, lượng dung môi cần sử dụng ít.

 Có thể trích kiệt được các chất tan.  Nhược điểm  Chỉ áp dụng được ở quy mô phòng thí nghiệm.  Do phải gia nhiệt liên tục nên sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm thu được đối với những hợp chất kém bền nhiệt. 14 Chương 1: Tổng quan 1.

Phương pháp trích ly có sự hỗ trợ của vi sóng  Nguyên lý [12] Tần số sử dụng thường là 2,45 GHz. Dưới tác dụng của vi sóng, môi trường xung quanh sẽ nóng lên nhờ hai tác động, đó là sự quay lưỡng cực và sự di chuyển mạnh mẽ của các ion. Trong quá trình trích ly, các liên kết yếu như liên kết hydro sẽ bị cắt đứt, đồng thời, nhờ sự di chuyển của các ion mà dung môi có thể xâm nhập vào kết cấu của vật liệu cần trích ly, làm tăng hiệu quả trích ly.8: Sơ đồ thiết bị trích ly có hỗ trợ vi sóng  Ưu nhược điểm  Ưu điểm  Có thể kết hợp với nhiều phương pháp trích ly khác nhau để tăng hiệu suất và giảm thời gian quá trình trích ly.  Chất lượng của dịch trích thu được ít bị thay đổi tính chất.

 Thiết bị dễ sử dụng và bảo vệ môi trường.  Thời gian trích ly được rút ngắn.  Có hiệu quả cao đối với cấu tử phân cực. 15 Chương 1: Tổng quan  Nhược điểm  Vi sóng ít có hiệu quả đối với những môi trường có độ nhớt cao.

 Do một số dung môi đạt được nhiệt độ sôi rất nhanh nên dễ gây cháy nổ.  Khó áp ở quy mô công nghiệp vì chi phí đầu tư thiết bị lớn để đáp ứng đủ công suất cho quá trình sản xuất. Phương pháp trích ly sử dụng sóng siêu âm  Nguyên lý [14] Quá trình trích ly hợp chất hữu cơ chứa trong thân cây và hạt bằng dung môi được cải tiến đáng kể bằng cách sử dụng năng lượng sóng siêu âm trong quá trình tách chiết. Cơ chế của sóng siêu âm giúp làm tăng khả năng trích ly của các qui trình trích ly truyền thống là dựa trên:  Tạo ra một áp lực lớn xuyên qua dung môi và tác động đến tế bào vật liệu.

 Tăng khả năng truyền khối tới bề mặt phân cách.  Phá vỡ thành tế bào trên bề mặt và bên trong của vật liệu, giúp quá trình thoát chất tan được dễ dàng.  Ưu nhược điểm  Ưu điểm:  Hiệu suất trích ly cao hơn so với một số phương pháp trích ly thông thường.  Sản phẩm trích ly chất lượng tốt, hiệu suất cao hơn.

 Thiết bị dễ sử dụng và bảo vệ môi trường.  Tăng vận tốc hòa tan, khuếch tán các hoạt chất vào dung môi, vì vậy rút ngắn thời gian trích ly. 16 Chương 1: Tổng quan  Giảm sự tiêu hao năng lượng.  Làm tăng tố ốc độ hòa tan của các cấu tử.

 Lượng ng hóa chất sử dụng ít hơn.  Nhược điểm m  Chỉ có thể áp dụng d ở quy mô nhỏ. Phương pháp trích ly sử dụng dung môi siêu tớ ới hạn  Sơ lược về chất lỏng siêu tới hạn [41]  Định nghĩa ĩa Trạng thái siêu tới hạn của một chất, hợp chất hoặc hỗn hợpp là ttại đó nhiệt độ, áp suất tồn tại củaa nó trên nhiệt nhi độ tới hạn (Tc), áp suất tới hạn (Pc) của chất đó.9: Giản đồ pha của một nguyên chất Hình 1.9 Đặc tính của mộ ột chất sẽ thay đổi các thông số trạng ng thái ccủa chất đó. Do đó, nguyên tắc của việcc ttạo ra chất lỏng siêu tới hạn là chuyển chấtt đó vvề trạng thái có nhiệt độ và áp suất lớn n hơn nhi nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn củaa chính nó.

17 Chương 1: Tổng quan  Tính chất của chất lỏng siêu tới hạn  Hằng số tới hạn Điểm tới hạn của một chất được xác định bởi nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn. Nhiệt độ, áp suất và thể tích mol của một số chất ở điểm tới hạn được gọi là nhiệt độ tới hạn (Tc), áp suất tới hạn (Pc) và thể tích mol tới hạn (Vc) tương ứng. Các tham số trên được gọi là hằng số tới hạn. Mỗi chất có một hằng số tới hạn nhất định.