ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
KHOA Y DƯỢC
NGUYỄN NGỌC TÙNG

NGHIÊN CỨU CHIẾT DẦU CÁM GẠO BẰNG
PHƯƠNG PHÁP DÙNG DUNG MÔI CO2 SIÊU
TỚI HẠN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH DƯỢC

Hà Nội – 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA Y DƯỢC
NGUYỄN NGỌC TÙNG

NGHIÊN CỨU CHIẾT XUẤT DẦU CÁM GẠO
BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÙNG DUNG MÔI CO2
SIÊU TỚI HẠN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH DƯỢC

KHÓA

: QH.2012.Y

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : Ths. ĐÀO ANH HOÀNG
Ths. NGUYỄN VĂN KHANH


C1

Cám xát

C2

Cám xoa

C2m

Cám mịn

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

SCO2

CO2 siêu tới hạn


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Điểm tới hạn của một số dung môi thông dụng........................................

5

Bảng 1.2. Hàm lượng một số chất trong dầu cám gạo..............................................

12


đổi tốc độ dòng CO2 ở áp suất 400 bar và nhiệt độ 60ºC.........................................

29


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Đồ thị biểu diễn trạng thái của các chất ở vùng siêu tới hạn.......................

4

Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ chiết CO2.........................................................................

8

Hình 1.3. Chu trình trạng thái CO2 trong quá trình chiết............................................

9

Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc hạt thóc.................................................................................

11

Hình 1.5. Công thức cấu tạo của các cấu tử γ-oryzanol............................................... 13
Hình 3.1. Phổ hấp thụ của γ-oryzanol chuẩn trong dung môi heptan..........................

21

Hình 3.2. Đường chuẩn sự phụ thuộc giữa độ hấp thụ quang và nồng độ γoryzanol.......................................................................................................................

22

Chương 1.TỔNG QUAN........................................................................................

3

1.1. Công nghệ chiết tách bằng phương pháp CO2 ở trạng thái siêu tới hạn
(SCO2)......................................................................................................................

3

1.1.1. Sơ lược về phương pháp chiết sử dụng dung môi ở trạng thái siêu tới
hạn.............................................................................................................................

3

1.1.2. Phương pháp chiết CO2 siêu tới hạn...............................................................

8

1.1.3. Ưu điểm của dung môi CO2 siêu tới hạn........................................................

9

1.1.4. Ứng dụng của phương pháp SCO2 trên thế giới.............................................

10

1.2. Thành phần hóa học của cám gạo và dầu cám gạo............................................

11


18

2.3. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................

18

2.3.1. Xây dựng phương pháp định lượng γ-oryzanol trong dầu cám gạo................ 18
2.3.2. Khảo sát các điều kiện chiết xuất....................................................................

19

2.3.3. Xác định chỉ số acid, độ acid..........................................................................

19

2.3.4 Hiệu suất dầu cám gạo.....................................................................................

20

Chương 3. Kết quả và thảo luận............................................................................

21

1


3.1 Kết quả thí nghiệm..............................................................................................

21


Việt Nam là nước sản xuất lúa gạo đứng thứ 4 thế giới, xuất khẩu lúa gạo lớn thứ 2,
tổng sản lượng lúa gạo đạt 40 - 50 triệu tấn/năm. Quá trình sản xuất gạo tạo ra cám
gạo, chiếm 10% khối lượng hạt thóc, được coi là phụ phẩm nông nghiệp, được dùng
làm thức ăn chăn nuôi hoặc xuất khẩu dưới dạng nguyên liệu thô. Tuy nhiên, cám gạo
có chứa nhiều chất dinh dưỡng như protein, lipid, chất xơ, vitamin và nhiều chất có
hoạt tính sinh học cao như γ-oryzanol, acid ferulic, tocotrienol, tocopherols,
phystosterols, acid phytic, inositol, acid gamma amino butyric[4, 14, 17].Trong đó, γoryzanol và các chất trong dầu cám gạo được chứng minh có một số tác dụng như
giảm cholesterol, hạ lipid máu, hạ glucose máu ở bệnh nhân tiểu đường type 2, tăng
cường chức năng dạ dày, gan, ức chế tế bào ung thư đại tràng, dạ dày, chống lão hóa,
chống oxy hóa, giữ ẩm, làm trắng, bảo vệ da. Các nước có công nghệ cao (Mỹ, Nhật)
và sản xuất lúa gạo lớn (Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Indonesia,…) đều phát triển
công nghệ chiết xuất các sản phẩm từ cám gạo như: dầu cám gạo tinh chế, γ-oryzanol
làm nguyên liệu cho mỹ phẩm, thực phẩm chức năng nhất là các sản phẩm chăm sóc
da từ cám gạo để gia tăng giá trị của hạt lúa gạo [4,28,39].
Hiện nay trên thế giới, công nghệ chiết sử dụng dung môi CO2 siêu tới hạn để
sản xuất dược chất và hương liệu có nguồn gốc từ thiên nhiên, là một kĩ thuật đang
được phát triển cạnh tranh với các kỹ thuật truyền thống do có ưu thế vượt trội, tạo các
sản phẩm có độ tinh khiết cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trườngvà không để lại dư
lượng hóa chất có hại cho sức khỏe con người. Đây là những tiêu chí quan trọng trong
việc sản xuất các chế phẩm hóa dược, mỹ phẩm và thực phẩm [33,34,27].
Để góp phần nâng cao giá trị của lúa gạo, tạo cơ sở cho sản xuất các chế phẩm
có tác dụng trong hóa mỹ phẩm, thực phẩm, chúng tôithực hiện đề tài "Nghiên cứu
chiết dầu cám gạo bằng phương pháp dùng dung môi siêu CO2 tới hạn" với mục tiêu:
-

Khảo sát một số điều kiện chiết dầu cám gạo sử dụng dung môi CO2 siêu tới
hạn.
3



tăng nhiệt độ lên thì chất lỏng cũng không hóa hơi trở lại mà tồn tại ở một dạng đặc
biệt gọi là trạng thái siêu tới hạn. Vật chất ở trạng thái này có tính trung gian,mang
nhiều đặc tính của cả chất khí và chất lỏng [22].
Chất ở trạng thái siêu tới hạn có tỉ trọng tương đương tỉ trọng ở pha lỏng,nhưng sự
linh động của các phân tử lại rất lớn,sức căng bề mặt nhỏ,hệ số khuếch tán cao giống
như khi chất ở trạng thái khí. Hình 1.1 biểu thị vùng trại thái siêu tới hạn của một chất
trong biểu đồ cân bằng pha rắn, lỏng và khí của chất đó theo sự biến thiên của áp suất
và nhiệt độ.

5


Hình 1.1. Đồ thị biểu diễn trạng thái của các chất ở vùng siêu tới hạn [5].
Giá trị PC phụ thuộc nhiều vào phân tử lượng các chất, ví dụ với các chất có
phân tử lượng nhỏ như các hydrocacbon có số cacbon từ 1 đến 3 thì giá trị P c của
chúng không cao mà chỉ xấp xỉ vào khoảng 45 bar [30]. Giá trị Tc chỉ tăng ít theophân
tử lượng nhưng lại phụ thuộc nhiều vào độ phân cực của chất. Độ phân cực của phân
tử càng lớn thì giá trị của Tc cũng càng lớn. Điều này được giải thích là do ở các chất
phân cực, tồn tại một lực cảm ứng giữa các cực của phân tử,do đó năng lượng để phá
vỡ trật tự giữa các phân tử khi chất ở pha lỏng sẽ lớn hơn nhiều so với các chất không
phân cực.
Nếu giữa phân tử có liên kết hydro thì giá trị Tc sẽ tăng lên rất lớn.Các thông số
vật lý của một số dung môi ở điểm tới hạn được trình bày trong bảng 1.1.

6


Bảng 1.1. Điểm tới hạn của một số dung môi thông dụng
Chất


30,9

73,8

0,468

Ethan

32,3

48,8

0,203

Propan

96,7

42,4

0,217

Aceton

235,0

47,0

0,278


và nhiệt độ trong bình chiết và bình tách. Pc và Tc là áp suất và nhiệt độ tới hạn của
dung môi. Có thể tiến hành chiết và tách theo 4 quá trình sau:
-

Quá trình I: Ptách< Pc< Pchiết và Ttách< Tc< Tchiết

Quá trình chiết xuất được thực hiện ở điều kiện siêu tới hạn và trạng thái
khí/lỏng đạt được trong bình tách do giảm áp suất và hạ nhiệt độ. Chất chiết thu
được dưới dạng dung dịch trong pha lỏng của dung môi.
7


-

Quá trình II: Ptách< Pc< Pchiết và Tc< Ttách = Tchiết

Quá trình chiết được thực hiện ở trạng thái siêu tới hạn. Quá trình tách xảy ra
khi dung môi chiết chuyển từ pha siêu tới hạn sang pha khí khi áp suất được
giảm đẳng nhiệt.
-

Quá trình III: Pc< Ptách < Pchiết và Tc< Ttách = Tchiết

Quá trình chiết được thực hiện trong vùng siêu tới hạn.Quá trình tách xảy ra khi
áp suất được giảm đẳng nhiệt nhưng vẫn trong vùng siêu tới hạn. Tỉ trọng dung
môi trongbình tách giảm dần và do đó khả năng hòa tan cũng giảm theo, kết
quả là các chất chiết được tách ra.
-

Quá trình IV : Pc< Ptách = Pchiết và Tc < Ttách < Tchiết

là phân cực và ngược lại, cản trở quá trình chiết nếu hoạt chất không phân cực. Mặt
khác, hơi ẩm làm trương nở các tế bào dược liệu, giúp dung môi và chất tan dễ thấm
qua. Tuy nhiên, hàm ẩm dược liệu quá cao thường không có lợi vì cản trở sự chuyển
khối. Thực tế hàm ẩm dược liệu từ 3-10 % thường không ảnh hưởng đáng kể khi chiết
dầu ăn từ các loại hạt.
- Tương tự hàm ẩm,một số thành phần khác của dược liệu cũng có thể đóng vai
trò như một đồng dung môi, ví dụ dầu hoặc chất béo, ngước lại so với nước, chất béo
có thể thúc đẩy quá trình chiết nếu hoạt chất là không phân cực và cản trở quá trình
chiết nếu hoạt chất phân cực.
- Tương tác của hoạt chất với bã dược liệu (hấp phụ và hấp thụ). Nếu dược liệu
hấp phụ mạnh hoạt chất, cần chiết ở điều kiện nhiệt độ, áp suất vừa phải. Ngược lại,
cần tăng nhiệt độ, áp suất và kéo dài thời gian chiết nếu dược liệu hấp thụ mạnh hoạt
chất.
- Khả năng solvat hóa của dung môi siêu tới hạn tỉ lệ với tỉ trọng. Tỉ trọng của
dung môi thay đổi theo áp suất và nhiệt độ. Do vậy, áp suất và nhiệt độ cần được kiểm
soát nghiêm ngặt trong quá trình chiết.
- Tỉ lệ dung môi/dược liệu phụ thuộc nhiều yếu tố: hàm lượng và phân bố chất
tan trong dược liệu, độ tan trong dung môi siêu tới hạn, cấu trúc dược liệu. Tỉ lệ dung
môi thấp sẽ giảm được chi phí sản xuất và tăng năng suất chiết. Nói chung, với các sản
phẩm có giá trị, tỉ lệ dung môi có thể cao hơn.
- Lưu lượng dung môi cao dẫn đến tăng năng suất chiết, nhưng đồng thời làm
tăng chi phí sản xuất. Lưu lượng dung môi và thời gian dung môi lưu lại trong bình
chiết phải được tối ưu. Tăng thời gian lưu sẽ kéo dài thời gian chiết. Ngược lại, thời
gian lưu ngắn sẽ làm giảm thời gian tiếp xúc giữa dung môi và chất tan, dẫn đến nồng
độ chất tan trong dịch chiết thấp hơn nhiều nồng độ bão hòa ở các điều kiện chiết cụ
thể đã chọn. Dòng chảy dung moi với tốc dộ 1-5ml/giây thường được áp dụng trong đa
số các quy trình chiết.

9


Kết thúc quá trình chiết, dịch chiết được dẫn vào bình phân tách.Tại đây quá
trình tách dịch chiết ra khỏi CO2.Trạng thái từ 4 trở về trạng thái 5 là quá trình giảm
áp.Khi dịch chiết vào bình phân tách để tạo các phân đoạn khác nhau thì có thể chọn
các giá trị áp suất P và nhiệt độ thích hợp.
Với hệ thiết bị được sử dụng trong đề tài, do lưu lượng nhỏ nên hệ thiết bị không
thu hồi CO2. Trong sản xuất công nghiệp, khí CO2 tách ra được sử dụng tuần hoàn trở
lại.

Hình 1.3. Sơ đồ công nghệ chiết CO2
1.1.3. Ưu điểm của dung môi CO2 siêu tới hạn
 Tính chất hoá lý của CO2 siêu tới hạn
CO2 ở trạng thái siêu tới hạn có các đặc tính nổi bật như:
11


-

Sức căng bề mặt thấp

-

Độ linh động cao

-

Độ nhớt thấp

-

Tỉ trọng xấp xỉ tỉ trọng của chất lỏng

cũng hoà tan cả các chất thơm dễ bay hơi. Có sự chọn lọc khi hoà tan, không
hoà tan các kim loại nặng và dễ điều chỉnh các thông số trạng thái để có thể tạo
ra các tính chất lựa chọn khác nhau của dung môi.

-

Khí CO2 hoá hơi không để lại cặn độc hại [34].

 Các chất có khả năng tan tốt trong CO2 siêu tới hạn
-

Các aldehyd, ceton, este, alcohol, và các halogen-cacbon có phân tử lượng nhỏ
và trung bình.

-

Các hydrocacbon mạch thẳng, không phân cực, phân tử lượng thấp và có mạch
cacbon dưới 20, các hydrocacbon thơm có phân tử lượng nhỏ.

1.1.4. Ứng dụng của phương pháp CO2 siêu tới hạn trên thế giới.
Hiện nay công nghệ chiết bằng SCO2 đã và đang được áp dụng phổ biến để
chiết tách các hoạt chất sử dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm,
mỹ phẩm, các hoạt chất thiên nhiên…Một số nước đã ứng dụng công nghệ này ở quy
mô công nghiệp với một số sản phẩm nhất định, trong đó Đức là nước đầu tiên có nhà
máy công nghiệp tách loại cafein ra khỏi nhân cà phê áp dụng công nghệ S-CO2 do
hãng HAG.A.G xây dựng vào năm 1979 [22].
Phương pháp SCO2 cũng được áp dụng để chiết các hoạt chất từ hoa huplon để
dùng trong công nghệ bia và dược phẩm với sản lượng lớn (ở Đức sản lượng chiết hoa
huplon bằng công nghệ SCO2 là 10.000 tấn/ năm), sản xuất sản phẩm thực phẩm có
12

Trong cám gạo có protein (11 – 17 %), chất béo (12 – 29%), carbonhydrat (1055%), chất xơ (6-31%), vitamin nhóm B (B1, B2, B3, B5, B6), vitamin E, vitamin K,
cholin, acid folic và chất khoáng (Fe, K, P, Mn, Se, Mg, Zn) [30]. Cám gạo chứa hơn
100 chất có hoạt tính sinh học như γ-oryzanol, acid ferulic, tocotrienol, tocopherol,
octacosanol, squalen, acid gamma amino butyric, acid phytic [17].
Dầu cám gạo chứa 95,6% Lipid có khả năng phân huỷ được, bao gồm
glycolipid và phospholipid; 4,2% lipid không tan được, bao gồm tocopherols,
tocotrienols, Gamma-oryzanol (-erytanols), sterol và carotenoid [30]. Các lipid phân
hủy đươc chủ yếu là triglycerid. Tuy nhiên, những chất béo trung tính được hydro hóa
một cách dễ dàng bởi lipase để tạo thành các acid béo tự do.Hàm lượng của chúng
được nêu trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Hàm lượng một số chất trong dầu cám gạo
Thành phần

Hàm lượng (%kl/kl)

Acid béo chưa no
Acid oleic

38,4

Acid linoleic

34,4

Acid linolenic

2,2

Acid béo bão hòa
Acid palmatic

và các chất có hoạt tính sinh học nhưng cám gạo có độ ổn định thấp, các thành phần
trong cám gạo bị phân hủy ngay sau quá trình xay xát do tác động của enzym lipase,
proteaza.Trong vòng 24 giờ đầu, cám gạo đã bị biến đổi rất lớn về chất lượng nếu
không được ổn định hóa [5,20]. Đây là lý do vì sao cám gạo ở nước ta vẫn được coi là
phụ phẩm, dùng làm thức ăn gia súc, không có giá trị cao.

Hình 1.5. Công thức cấu tạo của các cấu tử γ-oryzanol
1.3. Công dụng của cám gạo và dầu cám gạo
1.3.1. Công dụng của cám gạo
Cám gạo được dùng để bổ sung vitamin B, đặc biệt là B1 và bổ sung acid folic
cho khẩu phần ăn của phụ nữ có thai, giúp cho sự phát triển hệ thần kinh của thai nhi.
Lượng chất béo trong cám gạo rất cao, thường dùng chiết xuất dầu cám. Ngoài ra, cám
gạo có lượng lớn protein, chất xơ, tốt cho sức khỏe con người. Nhiều nghiên cứu trên
thế giới đã chứng minh sử dụng cám gạo có lợi cho sức khỏe như: chống lão hóa, ổn
15


định huyết áp, tăng sức đề kháng, cân bằng đường huyết, điều chỉnh hệ thống nội tiết
tố cho phụ nữ tiền mãn kinh, hạn chế được sự phát triển của tế bào ung thư[35, 18, 19,
23].
Cám gạo còn được coi là một bí quyết sắc đẹp của người phụ nữ Nhật Bản.
Cám gạo được sử dụng trong các chế phẩm sữa rửa mặt giữ ẩm cho da, kem dưỡng da
có tác dụng chống oxy hóa, chống lão hóa, hấp thụ UV, giữ ẩm [28].
1.3.2. Công dụng của dầu cám gạo
Tỷ lệ giữa 03 thành phần acid béo no - acid béo không no đơn - acid béo không
no đa trong dầu cám gạo gần với tỷ lệ 10:15:10 - tỷ lệ được Hiệp hội tim mạch Hoa Kỳ
khuyên nên dùng cho bệnh nhân có vấn đề liên quan đến các bệnh tim mạch để phòng
xơ vữa động mạch, tăng huyết áp, cholesterol máu cao [8, 9, 15, 16].
Sử dụng dầu cám gạo như thực phẩm bổ sung giúp mang lại nhiều lợi ích cho
sức khỏe trong trường hợp bị tiểu đường bởi cơ chế làm giảm quá trình stress, oxy hóa

in vivo [28].
 Tác dụng chống dị ứng
γ- oryzanol gắn kết với IgE làm ngăn cản phản ứng quá mẫn xảy ra [28].
 Tác dụng trên da
- Ức chế enzym tyrosinase ngăn cản hình thành melanin
- Tác động lên tuyến nhờn làm cải thiện tình trạng khô da trong trường hợp viêm
da cơ địa, da khô [4,10,28].
-Tác dụng giữ ấm da, ngăn cản tia UV.
 Tác dụng chống ung thư
- Hoạt hóa đại thực bào, tế bào NK, ức chế sự phát triển của tế bào ung thư trên
chuột thí nghiệm gây ưng thư đại tràng.
- Ức chế sự phát triển dòng tế bào ung thư bàng quang DU145 và PC3 [2].
1.4. Một số nghiên cứu chiết xuất dầu cám gạo bằng CO2 siêu tới hạn
CO2 ở trạng thái siêu tới hạn là chất lỏng có khả năng hòa tan và thấm thấu cao,
do đó tốc độ chiết, hiệu suất chiết cao hơn các quá trình thông thường.Khi thay đổi
điều kiện áp suất, CO2 chuyển sang trạng thái khí, bay hơi, thu được hoạt chất. Sử
dụng CO2 siêu tới hạn để chiết xuất có tính chọn lọc, thu được sản phẩm có độ tinh
khiết cao [40].
Chen và các đồng sự (2008) đã tiến hành khảo sát sử dụng dung môi CO2 siêu
tới hạn để chiết cám gạo và tối thiểu hóa lượng acid béo tự do có trong dầu cám
gạo.Chiết SCO2 ở điều kiện áp suất 300 bar và nhiệt độ 313K từ 1,03 kg cám gạo cho
thấy tổng lượng dầu đạt 15,7% với hàm lượng acid béo tự do là 3,75 %,tiêu tốn 20,5
kg CO2 trong vòng 8 giờ. Khi chiết ở nhiệt độ từ 343 K-363 K, lượng CO2 tiêu tốn dao
động từ 900 –2700 g cho hiệu quả loại bỏ chất béo tự do [11].
17


Một số nghiên cứu trước đây đã so sánh việc chiết xuất dầu cám gạo sử dụng
dung môi SCO2 và n-hexan. Nghiên cứu của Kuk và Dowd [25] thu được lượng dầu
tối đa 20,4 % khi sử dụng SCO2 ở áp suất 62 MPa, nhiệt độ 100 ºC và lượng dầu

Tên hóa chất

STT
1

Nguồn gốc

Tiêu chuẩn

Nhật Bản

NSX

γ-oryzanol chuẩn (CAS : 11042-641, Lot 5ZZYL)

2

Acid oxalic

Trung Quốc

NSX

3

n-heptan

Trung Quốc

NSX


NSX

2.1.3. Thiết bị, dụng cụ nghiên cứu
 Thiết bị
-

Cân phân tích AY 129, Shimadzu (Nhật Bản)

-

Tủ sấy Binder (Đức)

-

Cân phân tích AY 129, Shimadzu (Nhật Bản)

-

Thiết bị chiết CO2 siêu tới hạn SFE500 hãng Waters (Mỹ)

-

Máy quang phố Shimazhu UV-2600 (Nhật Bản)
19