Đề tài Ứng dụng kỹ thuật trích ly carote!oids từ thực vật bằng lưu chất siêu tới hạn

Trường Đại học Bách Khoa- Đại học Quốc gia TpHCM Khoa Kỹ Thuật Hóa Học Bộ Môn Công !ghệ Thực Ph%m

 Đồ án chuyên ngành Ứ!G DỤ!G KỸ THUẬT TRÍCH LY CAROTE!OIDS TỪ THỰC VẬT BẰ!G LƯU CHẤT SIÊU TỚI HẠ! SVTH : Trương Vĩnh Lộc MSSV : 60701383 Lớp : HC07TP GVHD : ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt !ăm học 2010-2011 Đồ án môn học công nghệ thực phNm GVHD: ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Trang 1 Lời cảm ơn Mục đích của đồ án chuyên ngành công nghệ thực phm là "củng cố các kiến thức cơ bản về phương pháp luận và công nghệ học trong lĩnh vực chế biến thực phm". Em xin chân thành cảm ơn cô Tôn /ữ Minh /guyệt vì những ngày cô tận tình chỉ dạy những kiến thức quý báu và luôn giải đáp những thắc mắc của em. Thông qua quá trình thực hiện đồ án, em xin cảm ơn các thầy cô của bộ môn đã tạo điều kiện để rèn luyện kĩ năng tự học và tìm hiểu những hiểu biết mới. Với những kiến thức mà các thầy cô đã dạy trong suốt thời gian qua kết hợp với những điều em tham khảo từ sách vở, em tin mình đã đạt được những kiến thức quý báu. Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện có thể không tránh khỏi sai sót, em rất mong nhận được những lời đóng góp và sự chỉ dạy thêm của thầy cô để rút kinh nghiệm về sau. Tp Hồ Chí Minh, tháng 06, năm 2011. Đồ án môn học công nghệ thực phNm GVHD: ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Trang 2 MỤC LỤC Lời mở đầu ..................................................................................................................................... 6 Chương 1: Cơ sở khoa học ............................................................................................................ 8 1.1. Giới thiệu kĩ thuật trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn ....................................................... 8 1.1.1. Lịch sử phát triển ........................................................................................................... 8 1.1.2. Các ưu nhược điểm của phương pháp ........................................................................... 8 1.1.2.1. Ưu điểm .................................................................................................................. 8 1.1.2.2. Nhược điểm............................................................................................................. 8 1.2. Cơ sở khoa học .................................................................................................................. 9 1.2.1. Định nghĩa về lưu chất ở trạng thái siêu tới hạn ............................................................ 9 1.2.2. Nguyên lý tạo thành lưu chất siêu tới hạn ................................................................... 10 1.2.3. Tính chất của lưu chất siêu tới hạn .............................................................................. 11 1.2.3.1. Hằng số tới hạn ..................................................................................................... 11 1.2.3.2. Tỷ trọng ................................................................................................................. 11 1.2.3.3. Hằng số điện môi. ................................................................................................. 12 1.2.3.4. Đặc tính chuyển động ........................................................................................... 14 1.2.3.5. Nhiệt dung riêng và sự dẫn nhiệt .......................................................................... 15 1.3. Công nghệ trích ly bằng CO2 siêu tới hạn (supercritical CO2- SCO2) ............................ 17 1.3.1. Tính chất vật lý và hoá học của CO2 ........................................................................... 17 1.3.2. Giản đồ pha của CO2 .................................................................................................. 20 1.3.3. Lựa chọn dung môi CO2 siêu tới hạn trong chiết tách ................................................. 20 Chương 2: Quá trình trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn ......................................................... 22 2.1. Quá trình trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn ................................................................... 22 2.2. Trích ly hợp chất từ chất rắn bằng lưu chất siêu tới hạn ................................................. 25 2.2.1. Nguyên tắc ............................................................................................................... 25 2.2.2. Các thông số công nghệ ........................................................................................... 27 2.3. Trích ly hợp chất từ chất lỏng bằng lưu chất siêu tới hạn ............................................... 28 2.3.1. Nguyên tắc ............................................................................................................... 28 2.3.2. Thông số công nghệ ................................................................................................. 30 2.4. Thiết bị trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn ..................................................................... 33 2.4.1. Giới thiệu ................................................................................................................. 33 2.4.4. Trao đổi nhiệt ........................................................................................................... 38 2.4.5. Đường ống và van .................................................................................................... 38 2.4.6. Hệ thống kiểm soát .................................................................................................. 40 2.4.7. Kết luận ................................................................................................................... 40 Chương 3: Trích ly Carotenoid từ thực vật .............................................................................. 42 3.1. Giới thiệu Carotenoids ..................................................................................................... 42 3.1.1. Khái niệm chung .......................................................................................................... 42 3.1.2. Phân loại và danh pháp ................................................................................................ 44 3.1.2.1. Danh pháp ............................................................................................................. 44 Đồ án môn học công nghệ thực phNm GVHD: ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Trang 3 3.1.2.2. Phân loại ............................................................................................................... 44 3.1.3. Tính chất vật lý và hóa học .......................................................................................... 45 3.1.3.1. Tính chất vật lý ..................................................................................................... 45 3.1.3.2. Tính chất hóa học .................................................................................................. 46 3.1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền màu của Carotenoids ...................................... 46 3.2. Một số carotenoids tiêu biểu từ thực vật .......................................................................... 47 3.2.1. β-Carotene .................................................................................................................... 47 3.2.2. Lycopene ...................................................................................................................... 49 3.2.3. Lutein ........................................................................................................................... 50 3.3. Các yếu tố ảnh hưởng ...................................................................................................... 51 3.3.1. Quy trình chuNn bị mẫu ............................................................................................... 54 3.3.1.1. Kích thước............................................................................................................. 54 3.3.1.2. Độ Nm .................................................................................................................... 54 3.3.2. Các thông số trích ly .................................................................................................... 55 3.3.2.1. Nhiệt độ và áp suất ................................................................................................ 55 3.3.2.2. Ảnh hưởng của tốc độ dòng .................................................................................. 56 3.3.2.3. Đồng dung môi (cosolvent) .................................................................................. 57 Chương 4: Kết luận ..................................................................................................................... 59 Tài liệu tham khảo ....................................................................................................................... 60 Đồ án môn học công nghệ thực phNm GVHD: ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Trang 4 DA?H MỤC HÌ?H Hình 1. 1: Giản đồ áp suất- thể tích-nhiệt độ (PVT- pressure- volume- temperature) ................... 9 Hình 1. 2: Giản đồ áp suất- nhiệt độ ............................................................................................... 9 Hình 1. 3: Mặt khum phân chia giữa thể lỏng và thể khí của CO2 ................................................ 10 Hình 1. 4: Sơ đồ trạng thái của hệ lỏng-khí ................................................................................... 11 Hình 1. 5: Sự biến thiên tỷ trọng rút gọn của một chất trong vùng lân cận tới hạn. ...................... 12 Hình 1. 6: Tỷ trọng và hằng số điện môi của CO2 theo áp suất ở 50 oC. ........................................ 13 Hình 1. 7: Tỷ trọng và độ hoà tan của của SC-CO2 theo áp suất và nhiệt độ. ............................... 14 Hình 1. 8: Độ nhớt của CO2 ở các nhiệt độ khác nhau trong vùng siêu tới hạn. ........................... 15 Hình 1. 9: Nhiệt dung riêng của CO2 theo áp suất ở 320 oK. ......................................................... 16 Hình 1. 10: Hệ số dẫn nhiệt của CO2 theo nhiệt độ và tỷ trọng. .................................................... 16 Hình 1. 11: Cấu trúc phân tử của CO2 ........................................................................................... 18 Hình 1. 12: Giản đồ nhiệt độ- áp suất của CO2 .............................................................................. 18 Hình 1. 13: Giản đồ pha của CO2 .................................................................................................. 20 Hình 2. 1: Sơ đồ cơ bản của quá trình chiết xuất siêu tới hạn ....................................................... 24 Hình 2. 2: Lưu đồ của một quá trình chiết xuất siêu tới hạn từ chất rắn ....................................... 25 Hình 2. 3: Sơ đồ của nhiều bình trích nối tiếp từ những chất rắn .................................................. 26 Hình 2. 4: Lưu đồ của một quá trình trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn. ...................................... 29 Hình 2. 5: Thiết bị trộn bằng cách sử dụng một khớp nối cơ khí. ................................................. 30 Hình 2. 6: Mô hình cho một quá trình trích ly liên tục để loại dầu thô của lecithin. ..................... 32 Hình 2. 7: Những kiểu đóng nắp của thiết bị. . .............................................................................. 35 Hình 2. 8: Tháp trích ly ngược dòng (10 M) bằng lưu chất siêu tới hạn.. ..................................... 35 Hình 2. 9: Thiết bị sắc ký dọc trục (30 cm ID) theo dõi động học của quá trình trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn. ............................................................................................................................ 36 Hình 2. 10: Bơm gồm nhiều piston chìm áp lực cao. .................................................................... 38 Hình 2. 11: Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống ........................................................................... 39 Hình 2. 12: Các khớp nối chịu áp lực cao ..................................................................................... 40 Hình 3. 1: Cấu trúc chung của carotenoids……………………………………………………….42 Hình 3. 2: Cấu trúc một số carotenoids phổ biến. .......................................................................... 43 Hình 3. 3: Hệ thống đánh số carbon của carotenoids theo IUPAC . ............................................. 44 Hình 3. 4: Những kí tự Hi Lạp dùng đề mô tả nhóm kết thúc, vòng no, vòng không no . ............ 44 Đồ án môn học công nghệ thực phNm GVHD: ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Trang 5 Hình 3. 5: Công thức cấu tạo β-carotene ....................................................................................... 47 Hình 3. 6: Công thức cấu tạo Lycopene ........................................................................................ 49 Hình 3. 7: Công thức cấu tạo Lutein .............................................................................................. 50 Hình 3. 8: Lượng nước trích ly ở các độ Nm khác nhau từ nguyên liệu ........................................ 54 Hình 3. 9: Nồng độ Lycopene (mg/L) trong lưu chất CO2 siêu tới hạn tại 340 bar. ..................... 55 Hình 3. 10: Nồng độ Lycopene chiết xuất từ hạt và vỏ cà chua ở 86°C và áp suất 34,47 MPa .... 56 Hình 3. 11: Tỷ lệ thu hồi tương đối của Lycopene từ vỏ cà chua có bổ sung các đồng dung môi khác nhau ở 110°C. ....................................................................................................................... 57 Hình 3. 12: Hiệu suất trích ly Carotenoids (µg/g nguyên liệu ban đầu, tính trên căn bản khô) thu được từ phương pháp trích ly truyền thống (TSE) và trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn………..58 Đồ án môn học công nghệ thực phNm GVHD: ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Trang 6 DA?H MỤC BẢ?G Bảng 1. 1: Nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn của một số chất thông dụng. ................................. 10 Bảng 1. 2: So sánh đặc tính vật lý của chất lỏng, chất khí và chất lỏng siêu tới hạn. ................... 12 Bảng 1. 3: Hệ số dẫn nhiệt của nước và CO2. ................................................................................ 17 Bảng 1. 4: Một số thông số hoá lý của CO2 ................................................................................... 18 Bảng 3. 1: Phân loại carotenoids . ................................................................................................. 45 Bảng 3. 2: Độ bền với ánh sáng, nhiệt độ, acid của một số chất thuộc carotenoids . .................... 45 Bảng 3. 3: Hàm lượng β- carotene trong 100g thực phNm ăn được ............................................... 48 Bảng 3. 4: Các tính chất vật lý của carotenoids ............................................................................. 50 Bảng 3. 5: Ứng dụng trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học từ rau quả bằng SC-CO2 .......... 52 Đồ án môn học công nghệ thực phNm GVHD: ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Trang 7 Lời mở đầu Khoa học kĩ thuật phải không ngừng phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Việc tìm ra những phương pháp xử lý mới, những sản phNm mới cũng như những nguồn nguyên liệu mới đã trở thành những vấn đề mang tính chiến lược hiện nay của ngành công nghệ thực phNm. Công nghệ trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn để sản xuất dược chất và hương liệu từ nguồn thiên nhiên là một kĩ thuật đang được phát triển cạnh tranh với các kỹ thuật truyền thống do ưu thế vượt trội, tạo các sản phNm có độ tinh khiết cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và không để lại dư lượng hoá chất có hại cho sức khỏe con người, đây là những tiêu chí quan trọng trong sản xuất các chế phNm hóa dược, mỹ phNm và thực phNm. So với các lưu chất siêu tới hạn khác, CO2 siêu tới hạn thường được lựa chọn làm dung môi trong các quá trình trích ly vì nó có nhiều ưu điểm như không gây cháy, không độc và giá thành thấp. Nhiệm vụ của đồ án “Trích ly carotenoids từ thực vật bằng lưu chất siêu tới hạn” là tìm hiểu về trích ly dùng CO2 siêu tới hạn, gọi là kỹ thuật Supercritical Fluid Extraction (SCFE), phân tích các ảnh hưởng của các yếu tố kỹ thuật này lên hiệu suất quá trình cũng như nguyên lý ứng dụng kỹ thuật SCFE vào công nghệ thực phNm. Từ đó đưa ra cái nhìn toàn diện về lĩnh vực trích ly chất màu từ tự nhiên bằng công nghệ mới có thể được ứng dụng cho quy mô công nghiệp đến mức nào. Đồ án môn học công nghệ thực phNm GVHD: ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Trang 8 Chương 1: CƠ SỞ KHOA HỌC 1.1. Giới thiệu kĩ thuật trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn 1.1.1. Lịch sử phát triển Quá trình trích ly bằng dung môi là một phương pháp lâu đời, khoa học về phương pháp trích ly bằng dung môi đã được nghiên cứu và tìm hiểu cặn kẽ trong một thời gian dài và đạt được nhiều tiến bộ khi tìm hiểu về tính chất của dung môi trong quá trình khai thác. Hannay and Hogarth’s (1879) phát hiện sự hoà tan của các hợp chất hoá học trong lưu chất siêu tới hạn. Năm 1960, tại Đức công bố patent về phương pháp trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn. Do những ưu điểm về giảm thiểu ô nhiễm môi trường và không để lại dư lượng hóa chất có hại cho sức khỏe con người nên khái niệm "sản xuất sạch" ( green processing) được quan tâm khi nghiên cứu về lưu chất siêu tới hạn (từ những năm 1990) Hiện nay, nhiều nhà máy sử dụng kỹ thuật trong ly bằng lưu chất siêu tới hạn (tại Mỹ, Đức, Nhật, Anh, Pháp) trong các ứng dụng khác nhau: trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học như alkaloid, phenolic, antioxidant…; trích ly dầu thực vật, tinh dầu, chất màu tự nhiên hoặc tách cholesterol trong thực phNm…. 1.1.2. Các ưu nhược điểm của phương pháp 1.1.2.1. Ưu điểm • Tốc độ truyền khối nhanh nên thời gian trích ly ngắn • Tính chọn lọc cao nên dịch trích ít tạp chất, tiết kiệm chi phí và thời gian cho quá trình tinh sạch • Do CO2 là loại dung môi có tính trơ về mặt hoá học nên các phản ứng phụ ít xảy ra, từ đó dịch trích cũng ít tạp chất hơn • Độ tinh sạch của sản phNm cao hơn so với các phương pháp trích ly truyền thống • Chi phí năng lượng cho quá trình trích ly ít hơn so với các quy trình khác • Khả năng tự động hoá cao, có thể điều khiển tự động ở quy mô công nghiệp. 1.1.2.2. ?hược điểm Do thiết bị cần hoạt động ở nhiệt độ và áp suất tới hạn của dung môi cần sử dụng nên cần đảm bảo tính an toàn lao động cao. Đồng thời chi phí đầu tư cho thiết bị cũng rất tốn kém. Đồ án môn học công nghệ thực phNm GVHD: ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Trang 9 1.2. Cơ sở khoa học 1.2.1. Định nghĩa về lưu chất ở trạng thái siêu tới hạn Trạng thái siêu tới hạn là trạng thái của một chất, hợp chất hay hỗn hợp mà nhiệt độ và áp suất tồn tại của nó trên nhiệt độ tới hạn (Tc), áp suất tới hạn (Pc) và dưới áp suất chuyển sang thể rắn của chất đó. Hình 1. 1: Giản đồ áp suất- thể tích-nhiệt độ (PVT- pressure- volume- temperature) Hình 1. 2: Giản đồ áp suất- nhiệt độ Đồ án môn học công nghệ thực phNm GVHD: ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Trang 10 1.2.2. ?guyên lý tạo thành lưu chất siêu tới hạn Trạng thái của một chất biến đổi khi thay đổi các thông số trạng thái của chất đó. Nguyên tắc tạo trạng thái siêu tới hạn của một chất là hiệu chỉnh nhiệt độ và áp suất của chất đó phải lớn hơn nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn của chính nó. Bảng 1. 1: ?hiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn của một số chất thông dụng. Như vậy, đối với CO2, ta duy trì áp suất trên 7,37 Mpa và nhiệt độ trên 31,1 oC thì có thể tạo ra CO2 ở trạng thái siêu tới hạn. Hình 1. 3: Mặt khum phân chia giữa thể lỏng và thể khí của CO2 biến mất khi đạt đến điểm tới hạn Đồ án môn học công nghệ thực phNm GVHD: ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Trang 11 Hình 1. 4: Sơ đồ trạng thái của hệ lỏng-khí 1.2.3. Tính chất của lưu chất siêu tới hạn 1.2.3.1. Hằng số tới hạn Điểm tới hạn của một chất