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


Lời cảm ơn

Mục đích của đồ án chuyên ngành công nghệ thực phm là
"củng cố các kiến thức cơ bản về phương pháp luận và công nghệ học
trong lĩnh vực chế biến thực phm". 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.

 án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt

Trang 2

MỤC LỤC
Lời mở đầu 6


1.3. Công ngh trích ly bng CO
2
siêu ti hn (supercritical CO
2
- SCO
2
) 17

1.3.1. Tính cht vt lý và hoá hc ca CO
2
17

1.3.2. Gin  pha ca CO
2
20

1.3.3. La chn dung môi CO
2
siêu ti hn trong chit tách 20

Chương 2: Quá trình trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn 22

2.1. Quá trình trích ly bng lưu cht siêu ti hn 22

2.2. Trích ly hp cht t cht rn bng lưu cht siêu ti hn 25

2.2.1. Nguyên tc 25

2.2.2. Các thông s công ngh 27


Trang 3

3.1.2.2. Phân loi 44

3.1.3. Tính cht vt lý và hóa hc 45

3.1.3.1. Tính cht vt lý 45

3.1.3.2. Tính cht hóa hc 46

3.1.3.3. Các yu t nh hưng n  bn màu ca Carotenoids 46

3.2. Mt s carotenoids tiêu biu t thc vt 47

3.2.1. β-Carotene 47

3.2.2. Lycopene 49

3.2.3. Lutein 50

3.3. Các yu t nh hưng 51

3.3.1. Quy trình chuNn b mu 54

3.3.1.1. Kích thưc 54

3.3.1.2.  Nm 54

3.3.2. Các thông s trích ly 55


2
10

Hình 1. 4: Sơ  trng thái ca h lng-khí 11

Hình 1. 5: S bin thiên t trng rút gn ca mt cht trong vùng lân cn ti hn. 12

Hình 1. 6: T trng và hng s in môi ca CO
2
theo áp sut  50
o
C. 13

Hình 1. 7: T trng và  hoà tan ca ca SC-CO
2
theo áp sut và nhit . 14

Hình 1. 8:  nht ca CO
2
 các nhit  khác nhau trong vùng siêu ti hn. 15

Hình 1. 9: Nhit dung riêng ca CO
2
theo áp sut  320
o
K. 16

Hình 1. 10: H s dn nhit ca CO
2
theo nhit  và t trng. 16

cht siêu ti hn. 36

Hình 2. 10: Bơm gm nhiu piston chìm áp lc cao. 38

Hình 2. 11: Thit b trao i nhit ng lng ng 39

Hình 2. 12: Các khp ni chu áp lc cao 40

Hình 3. 1: Cu trúc chung ca carotenoids……………………………………………………….42

Hình 3. 2: Cu trúc mt s carotenoids ph bin. 43

Hình 3. 3: H thng ánh s carbon ca carotenoids theo IUPAC . 44

Hình 3. 4: Nhng kí t Hi Lp dùng  mô t nhóm kt thúc, vòng no, vòng không no . 44

 án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt

Trang 5

Hình 3. 5: Công thc cu to β-carotene 47

Hình 3. 6: Công thc cu to Lycopene 49

Hình 3. 7: Công thc cu to Lutein 50

Hình 3. 8: Lưng nưc trích ly  các  Nm khác nhau t nguyên liu 54

Hình 3. 9: Nng  Lycopene (mg/L) trong lưu cht CO
2


Bng 3. 4: Các tính cht vt lý ca carotenoids 50

Bng 3. 5: ng dng trích ly các hp cht có hot tính sinh hc t rau qu bng SC-CO
2
52

 án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt

Trang 7

Lời mở đầu
Khoa hc kĩ thut phi không ngng phát trin  áp ng nhu cu ngày càng cao ca con
ngưi. Vic tìm ra nhng phương pháp x lý mi, nhng sn phNm mi cũng như nhng ngun
nguyên liu mi ã tr thành nhng vn  mang tính chin lưc hin nay ca ngành công ngh
thc phNm.
Công ngh trích ly bng lưu cht siêu ti hn  sn xut dưc cht và hương liu t
ngun thiên nhiên là mt kĩ thut ang ưc phát trin cnh tranh vi các k thut truyn thng
do ưu th vưt tri, to các sn phNm có  tinh khit cao, gim thiu ô nhim môi trưng và
không  li dư lưng hoá cht có hi cho sc khe con ngưi, ây là nhng tiêu chí quan trng
trong sn xut các ch phNm hóa dưc, m phNm và thc phNm.
So vi các lưu cht siêu ti hn khác, CO
2
siêu ti hn thưng ưc la chn làm dung
môi trong các quá trình trích ly vì nó có nhiu ưu im như không gây cháy, không c và giá
thành thp.
Nhim v ca  án “Trích ly carotenoids t thc vt bng lưu cht siêu ti hn” là tìm hiu
v trích ly dùng CO
2
siêu ti hn, gi là k thut Supercritical Fluid Extraction (SCFE), phân tích

tinh sch
• Do CO
2
là loi dung môi có tính trơ v mt hoá hc nên các phn ng ph ít xy ra, t ó
dch trích cũng ít tp cht hơn
•  tinh sch ca sn phNm cao hơn so vi các phương pháp trích ly truyn thng
• Chi phí năng lưng cho quá trình trích ly ít hơn so vi các quy trình khác
• Kh năng t ng hoá cao, có th iu khin t ng  quy mô công nghip.
1.1.2.2. hược điểm
Do thit b cn hot ng  nhit  và áp sut ti hn ca dung môi cn s dng nên cn
m bo tính an toàn lao ng cao. ng thi chi phí u tư cho thit b cũng rt tn kém.
 án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt

Trang 9

1.2. Cơ sở khoa học
1.2.1. Định nghĩa về lưu chất ở trạng thái siêu tới hạn
Trng thái siêu ti hn là trng thái ca mt cht, hp cht hay hn hp mà nhit  và áp
sut tn ti ca nó trên nhit  ti hn (T
c
), áp sut ti hn (P
c
) và dưi áp sut chuyn sang th
rn ca cht ó.

Hình 1. 1: Gin  áp sut- th tích-nhit  (PVT- pressure- volume- temperature)

Hình 1. 2: Gin  áp sut- nhit 
 án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt


im ti hn ca mt cht ưc xác nh bi nhit  và áp sut, ti ó trng thái pha lng và
pha khí không th phân bit.
Khi mt cht b nén và gia nhit n mt áp sut và nhit  cao hơn im ti hn thì cht ó
chuyn sang mt trng khác ưc gi là trng thái siêu ti hn. Nhit , áp sut và th tích mol
ca mt cht  im ti hn ưc gi là nhit  ti hn (T
c
), áp sut ti hn (P
c
) và th tích mol
ti hn (V
c
) tương ng. Các tham s trên ưc gi là hng s ti hn. Mi cht có mt hng s
ti hn nht nh (bng 2.2).
1.2.3.2. Tỷ trọng
T trng ca lưu cht siêu ti hn s thay i khi nhit  và áp sut tương ng ca môi
trưng thay i. Trong mi trưng hp, s gia tăng nhit  dn n s gim t trng. T trng
ca lưu cht bin i nhanh  vùng nhit  và áp sut gn im ti hn. T trng rút gn (ρ
r
=
ρ/ρ
c
) ca hp cht tinh khit  áp sut rút gn (P
r
= P/P
c
) là 1,0 có th thay i t giá tr khong
0,1 (t trng ging cht khí) n khong 2,0 (t trng ging cht lng) khi ta tin hành hiu chnh
nhit  rút gn (T
r
= T/T

qq
E
q
.
.
4
.
21
επ
=
Hng s in môi tĩnh là mt thông s hiu qu  ánh giá c tính dung môi ca cht lng
có cc như ethanol, methanol và nưc. Hng s in môi cũng là thông s ph thuc vào t trng
và có th thay i bng cách hiu chnh nhit  và áp sut ca h. Hng s in môi ca cht
lng siêu ti hn là mt thông s quan trng  ưc lưng s tăng cưng liên kt ni phân t
thông qua tương tác lưng cc – lưng cc. Ví d:  nhit  40
o
C, giá tr hng s in môi ca
CO
2
tăng khi áp sut tăng t 70 – 200.10
5
Pa và t trng thái ging cht lng khi áp sut ca h
dao ng quanh giá tr 200.10
5
Pa. Như vy, áp sut càng cao thì liên kt ni phân t càng ưc
cng c, tính cht không phân cc ca CO
2
càng ưc tăng cưng. iu này gii thích nguyên
nhân  áp sut càng cao thì kh năng tan ca các cht không phân cc và các hp cht khó bay
hơi trong dung môi CO
Hình 1. 8: Độ nhớt của CO
2
ở các nhiệt độ khác nhau trong vùng siêu tới hạn

Kh năng khuch tán
Kh năng khuch tán cũng là mt thông s quan trng ánh giá hiu qu trích ly ca lưu cht
siêu ti hn. Kh năng khuch tán ca mt cht  trng thái siêu ti hn cao hơn so vi cht ó 
trng thái lng, vì vy mà kh năng truyn khi ca lưu cht siêu ti hn cũng cao hơn.
Kh năng khuch tán ca lưu cht siêu ti hn tăng khi nhit  tăng và gim khi áp sut
tăng.
1.2.3.5. hiệt dung riêng và sự dẫn nhiệt
Các thông s v nhit dung riêng và s dn nhit ưc dùng  mô t cách truyn nhit trong
h. Trong vùng ti hn, nhit dung ng áp rt ln và t n giá tr cc i ri gim dn v giá
tr n nh (hình 1.9). Tuy nhiên, nhit dung ng tích ch thay i rt ít trong vùng ti hn.
 án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt

Trang 16 Hình 1. 9: hiệt dung riêng của CO
2
theo áp suất ở 320
o
K

Hình 1. 10: Hệ số dẫn nhiệt của CO
2
theo nhiệt độ và tỷ trọng

Rozzi and R.K. Singh , 2002; Yoshaki Fukushima, 1999).

1.3. Công nghệ trích ly bằng CO
2
siêu tới hạn ( supercritical CO
2
SC-CO
2
)
1.3.1. Tính chất vật lý và hoá học của CO
2Carbon dioxide là mt hp cht hoá hc không phân cc, hình thành t mt nguyên t carbon
ni ôi vi hai nguyên t oxy, có công thc hoá hc là CO
2
.

 án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt

Trang 18 Hình 1. 11: Cấu trúc phân tử của CO
2

CO
2
tn ti  trng thái khí trong iu kin thưng, không màu, không mùi, không duy trì s
cháy, tn ti trong không khí vi nng  xp x 0,03%, ít c vi con ngưi và ng vt.


 án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt

Trang 19

Kh năng hoà tan trong nưc ca CO
2
là mt tính cht quan trng. Ti iu kin thưng (14,7
psi, 15
o
C), mt th tích CO
2
có th hoà tan hoàn toàn trong mt th tích nưc. Tuy nhiên,  duy
trì s hoà tan này ta cn phi duy trì áp sut, nu không CO
2
s gii phóng khi nưc dưi dng
các bt nh. Kh năng hoà tan ca CO
2
ph thuc vào áp sut, nhit  và pH dung dch, c th
là hàm lưng CO
2
hoà tan trong nưc s tăng khi tăng áp sut, gim nhit  và tăng pH. Trong
ó, áp sut nh hưng rt ln n kh năng hoà tan ca CO
2
: áp sut càng cao thì lưng CO
2
hoà
tan càng nhiu.
Quá trình hoà tan CO
2

HCO
3
-
↔ H
+
+ CO
3
2-
pKa = 10,62

Acid carbonic có th b phân hu to thành CO
2
và nưc

Ngoài ra, CO
2
là mt hp cht không phân cc, do ó mà nó d dàng tan vào các dung môi
không phân cc như cht béo. ây là mt trong nhng c tính quan trng ca CO
2
khi ng dng
trng thái dense phase ca nó  thanh trùng hay tit trùng thc phNm vì CO
2
s hoà tan vào phn
k nưc  gia màng lipid kép ca t bào vi sinh vt và gây bin tính màng.
 án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt

Trang 20

1.3.2. Giản đồ pha của CO
2

+ T trng xp x t trng cht lng
+ Có th iu chnh kh năng hoà tan các cht khác bng cách thay i nhit  và áp sut
 áp ng các yêu cu công ngh chit tách các hp cht thiên nhiên, SC-CO
2
là dung
môi ưc la chn ưu tiên vì các thun li sau:
•

CO
2
d kim, r tin vì là sn phNm ph ca nhiu ngành công nghip hoá cht khác.
•

Là cht trơ v mt hoá hc, có phn ng kt hp vi các cht cn tách chit. Khi  trng
thái siêu ti hn, CO
2
không t kích n, không bt la và không duy trì s cháy.
 án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt

Trang 21

•

CO
2
không c i vi cơ th, không ăn mòn thit b.
•

im ti hn ca CO
2

Trong thp k va qua, công ngh s dng cht lng siêu ti hn ã có nhiu tin b, ch
yu do s gia tăng áng k trong các hot ng nghiên cu và phát trin tp trung vào nhng xu
hưng mi trong thc phNm, dưc phNm, và trích ly thành phn hóa hc. Trong ngành công
nghip thc phNm, các xu hưng mi bao gm s ưu tiên gia tăng sn phNm t nhiên hơn là t
tng hp liên quan n mc  dinh dưng và c tính ca các thành phn thc phNm. Mt khác,
ngưi tiêu dùng ang gi vai trò ch ng hơn trong vic duy trì sc khe, do ó thúc Ny phát
trin mt th h mi ca sn phNm trên th trưng thc phNm phòng bnh. Nhng xu hưng này
ã làm cho công ngh trích ly bng lưu cht siêu ti hn dn thay th phương pháp trích chit
dung môi truyn thng.
Mc tiêu ca chương này là ánh giá tng th quá trình trích ly bng lưu cht siêu ti hn,
mô t quá trình và tho lun v nh hưng ca các thông s công ngh. Ngoài ra,
chương này còn cung cp tng quan v các thành phn chính ca mt thit b lưu cht siêu ti
hn khi khai thác trong nhà máy cũng như các bưc liên quan n quá trình thương mi hóa.
Mt quá trình trích ly bng cht lng siêu ti hn bao gm hai bưc: trích ly ca các thành
phn hòa tan trong dung môi siêu ti hn và phân riêng các cht chit xut t
dung môi. Quá trình trích ly có th ưc áp dng cho mt h rn, lng, hoc nht. Da
vào mc tiêu khai thác, hai trưng hp khác nhau có th ưc xem xét:
1) Phân riêng vt liu cn tách. Trong trưng hp này, i tưng là sn phNm thc phNm
cui cùng khi các hp cht không mong mun ưc loi b, ví d quá trình dealcoholization t
 ung có cn, loi b các hương v l, hoc kh caffein t cà phê.
2) Trích chit t nguyên liu cn tách. Các hp cht chit xut t ngun nguyên liu là
sn phNm cui cùng. Ví d, tinh du hoc cht chng oxy hóa.
Vic tách các hp cht hòa tan bng các lưu cht siêu ti hn có th ưc thc
ra bng cách thay i các tính cht nhit ng lc hc ca dung môi siêu ti hn hoc bng mt
tác nhân bên ngoài (hình 2.1). Trong trưng hp u tiên, kh năng hoà tan ưc thay i bng
cách iu khin áp sut vn hành hoc nhit . Trong trưng hp th hai, quá trình tách có th
 án môn hc công ngh thc phNm GVHD: ThS. Tôn N Minh Nguyt

Trang 23


 phc hi các hp cht nng hơn (ví d, dealcoholization ca cider [3]).
Mt phương pháp khác  trích ly chn lc hoc tách các hp cht c th t
hn hp là tun t gim áp sut (depressurization). Trong trưng hp này, c hai thành phn pha
(nh và nng) ưc ng thi trích xut bng cách s dng cht lng mt  cao (high-density
fluid). Sau ó, các dung môi siêu ti hn và các cht chit xut i qua nhiu bưc
depressurization  phânly. Trong giai on depressurization u tiên, phn nng hơn ưc thu
thp; các phn d bay hơi hoc nh hơn ưc thu hi trong giai on cui. Hai bưc
depressurization thưng ưc s dng, mc dù trong mt s trưng hp c th, ba bưc tách ã
ưc s dng. Phương pháp này thưng ưc s dng trong khai thác các loi gia v, trong ó
hòa tan nha du và các phn phân on thit yu ca du trong mt dung môi siêu ti hn vi áp
sut và nhit  khác nhau áng k. Nói chung, quá trình khai thác din ra  áp sut cao
(40-60 MPa), do ó, c hai phn phân on ưc hòa tan trong dung môi siêu ti hn. Các
phn phân on nha du ưc phân tách u tiên khi gim áp lc (15 n 20 MPa). Theo
iu kin hot ng, các hp cht thơm vn còn trong pha lưu cht siêu ti hn. Sau khi
tách phn u tiên, áp lc tip tc gim và các loi tinh du thu ưc  phân on th hai. ây là
loi quá trình ã ưc áp dng thành công trong nhiu sn phNm. Trong mt s trưng hp, c
hai phn phân on là cn thit (ví d, nha du và tinh du, màu sc và cht cay).

Trích đoạn Các thơng số cơng nghệ Trích ly hợp chất từ chất lỏng bằng lưu chất siêu tới hạn Thơng số cơng nghệ Thiết bị trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn Đồng dung mơi (cosolvent)

---