Sử dụng sóng siêu âm trích ly polysaccharide
LỜI MỞ ĐẦU
Hơn một nửa dân số trên thế giới trồng và sử dụng cây thương thực như là
nguồn lượng thực chủ đạo như: cây lúa, cây lúa mì, đại mạch….Những thông tin khoa
học gần đây đã nghiên cứu và phát hiện lạo giống cây lương thực này là chìa khóa trong
việc phát triển thực phẩm (Mutisya và cộng sự 2009). Polysaccharide và lignin được
xem là những thành phần chính có trong cây lương thực được xem là những thành phần
chính và quan trọng trong việc cải thiện sức khỏe (Yang và cộng sự 2008a) như: đẩy
mạnh sự trao đổi chất, xoa dịu thần kinh, loại bỏ chứng mất ngủ…(Yang và cộng sự
2008b; 2009). Polysaccharide trích ly từ nguồn động vật và thực vật được biết như là
nguồn phụ gia tự nhiên cho nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là thực phẩm và dược
phẩm (Forabosco và cộng sự 2006). Polysaccharide giữ vai trò quan trọng trong sinh
trưởng và phát triển của thế bào và được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây do
có những được tính sinh học (Schepetkin và Quinn 2006).
Rất ít báo cáo khoa học thực phẩm về trích ly polysaccharide có trong cây lương
thực, một trong những lý do là thiếu công nghệ và phương pháp, phương pháp trích ly
truyền thống bằng hơi nước, bằng dung môi…thường không mang lại hiệu quả cao, tốn
chi phí năng lượng do trích ly ở nhiệt độ cao, thời gian dài hiệu suất thấp (Li và cộng sự
2007). Do những hạn chế đó, có một nhu cầu cho một phương pháp tốt hơn mà hiệu
quả để phá vỡ các liên kết trong một thời gian ngắn và thu được nhiều
polysaccharide. Năng lượng siêu âm đã cho thấy một xu hướng triển vọng để đạt được
mục tiêu này
Sóng siêu âm là ứng dụng của các sóng âm thanh tần số và cường độ cao
(khoảng 20-100 kHz) để truyền qua chất lỏng hoặc khí. Tác động chủ yếu của sóng siêu
âm là truyền và tương tác làm thay đổi tính chất vật lý và hóa học của vật liệu do tác
dụng xâm thực .Xâm thực gây ra cục bộ ở nhiệt độ cao và áp lực cao, kết quả tạo ra
nhiều gốc tự do, chẳng hạn như OH
-
, H
+
, và H

chỉ có loại liên kết (1α - 4) glucozid cấu tạo nên amylose nên phân tử amylose có
cấu trúc mạch thẳng.
Hình 1: Mạch amylose
Nhóm 7
Trang 2
Sử dụng sóng siêu âm trích ly polysaccharide
Amylose được tạo ra từ 5000 - 1000 phân tử α.D.glucose (có khi chỉ khoảng 250 -
300 phân tử). Chuỗi phân tử glucose xoắn lại với nhau theo hình xoắn lò xo. Sự
hình thành dạng xoắn do hình thành các liên kết hyđro giữa các glucose tạo ra. Mỗi
vòng xoắn có 6 đơn vị glucose và được duy trì bởi liên kết hyđro với các vòng xoắn kề
bên.Khoảng không gian giữa các xoắn có kích thước phù hợp cho một số phân tử khác
liên kết vào, ví dụ như iod. Khi phân tử iod liên kết vào vòng xoắn sẽ làm cho các phân
tử glucose thay đổi vị trí chút ít và tạo nên phức màu xanh đặc trưng. Dạng xoắn của
amylose chỉ tạo thành trong dung dịch ở nhiệt độ thường. Khi ở nhiệt độ cao chuỗi
xoắn sẽ bị duỗi thẳng ra và không có khả năng liên kết với các phân tử khác.
* Amylopectin: Amylopectin có cấu tạo phức tạp hơn. Tham gia cấu tạo amylopectin có
khoảng 500.000 đến 1 triệu phân tử α-D-glucose liên kết với nhau. Trong amylopectin
có 2 loại liên kết:
- Liên kết α (1 - 4) glucozid tạo mạch thẳng.
- Liên kết α (1- 6) glucozid tạo mạch nhánh.
Hình 2: Mạch amylopectin
Cứ khoảng 24 - 30 đơn vị glucose trên mạch sẽ có một liên kết α (1 - 6) glucozid để tạo
mạch nhánh. Trên mạch nhánh cấp 1 lại hình thành mạch nhánh cấp 2, cứ như vậy phân
Nhóm 7
Trang 3
Sử dụng sóng siêu âm trích ly polysaccharide
tử amylopectin phân nhánh nhiều cấp rất phức tạp.Trong tinh bột tỷ lệ amylopectin
chiếm khoảng 80%, còn amylose chiếm 20%. Tỷ lệ này thay đổi ở các nhóm sinh vật
khác nhau.Tinh bột là nguyên liệu dự trữ trong thực vật. Đây là dạng dự trữ thích hợp
nhất vì tinh bột không có khả năng thấm qua màng tế bào nên không thể thất thoát ra

phương cùng với phương truyền của sóng.
Hinh 4: Phân loại các loại sóng theo tần số
Nhóm 7
Trang 5
Sử dụng sóng siêu âm trích ly polysaccharide
1.2.2. Bản chất của sóng âm
Các môi trường chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi như là những môi
trường liên tục gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thường, mỗi
phần tử có một vị trí cân bằng bền. Nếu tác động một lực lên một phần tử A nào đó bên
trong môi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cân bằng bền. Do tương tác tạo nên bởi các
mối liên kết với các phần tử bên cạnh, một mặt phần tử A bị kéo về vị trí cân bằng, một
mặt nó cũng chịu tác dụng bởi lực tác động nên phần tử A sẽ di chuyển qua – lại quanh
vị trí cân bằng, có nghĩa là phần tử A thực hiện chuyển động dưới dạng dao động. Hiện
tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường. Dạng dao động cơ,
có tính chất lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi
hay sóng cơ, nói một cách khác, sóng là một hiện tượng vật lý trong đó năng lượng
được dẫn truyền dưới dạng dao động của các phần tử vật chất của môi trường truyền
sóng.
Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với
sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường
truyền âm.
Vd 1: Tác động một lực làm rung lên âm thoa, gây ra cho các phân tử trong không
khí bị nén lại hay dãn ra tùy theo hướng chuyển động của âm thoa, phân tử đầu tiên bị
tác động sẽ ảnh hưởng đến phân tử kế tiếp . . . và cứ thế mà có sự lan truyền sóng ra
mọi hướng (và cũng nhờ thế mà tai người ở bất kỳ vị trí nào xung quanh âm thoa đều
nghe được âm vang của âm thoa). Hiện tượng này tương tự như khi ta thả một viên sỏi
vào giữa lòng hồ đang lặng sóng, viên sỏi sẽ tạo ra những gợn sóng có hình dạng các
vòng tròn đồng tâm lan tỏa ra xung quanh mà tâm của chúng là vị trí mà viên sỏi rơi
xuống hồ nước.
Vd 2: Đánh vào mặt trống; tác động dòng điện làm rung màng loa; đạn bay trong

Sóng siêu âm ứng dụng trong siêu âm chẩn đoán thuộc loại sóng dọc.
Phân loại theo tần số: sóng âm được chia theo dải tần số thành 3 vùng chính.
• Sóng âm tần số cực thấp, hay còn gọi là sóng hạ âm (Infrasound): f < 16 Hz. Ví
dụ: sóng địa chấn.
• Sóng âm tần số nghe thấy được (Audible sound): f= 16 Hz – 20 kHz
• Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz
Các nguồn sóng siêu âm có trong tự nhiên: Dơi, một vài loài cá biển phát sóng siêu âm
để định hướng … Nói chung các sóng này nằm trong vùng tần số 20 – 100 kHz. Sóng
siêu âm ứng dụng trong y học có tần số từ 700 KHz đến 50 MHz trong đó siêu âm chẩn
đoán sử dụng các tần số từ 2 MHz đến 50 MHz.
1.2.5. Phạm vi ứng dụng
Siêu âm là một lĩnh vực đang được nghiên cứu và có tiềm năng phát triển trong
ngành công nghệ thực phẩm. Sóng siêu âm có tần số từ 20kHz đến trên 25MHz thường
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Có 2 lĩnh vực được ứng dụng chính trong
công nghiệp thực phẩm:
– Tần số cao và năng lượng thấp: siêu âm chuẩn đoán, trong khoảng tần số MHz.
Phần này được sử dụng như một kỹ thuật phân tích đảm bảo chất lượng, qui
trình điều khiển và kiểm tra không làm phá huỷ cấu trúc, điều này được ứng
dụng trong xác định tính chất thực phẩm, đo tốc độ dòng chảy, kiểm tra bao gói
thực phẩm…( Floros & Liang, 1994; McClements,1995; Mason, Paniwnyk &
Lorimer, 1996; Mason1998).
Nhóm 7
Trang 8
Sử dụng sóng siêu âm trích ly polysaccharide
– Tần số thấp và siêu âm năng lượng cao: Phần này được ứng dụng rộng rãi như
một quy trình hỗ trợ trong hàng loạt các lĩnh vực như: kết tinh, sấy, bài khí, trích
ly, lọc, đồng hoá, làm mềm thịt, quá trình oxi hoá, quá trình tiệt trùng … (Floros
& Liang, 1994;Gennano et al.,1999; Mason,1998; Mason et al.,1996;
McClements,1995).
Bảng 1 : Mội vài ứng dụng của sóng siêu âm trong công nghệ thực phẩm

Quá trình siêu âm kết hợp với áp suất (manosonication-MS) được thực hiện bởi
một số tác giả như Sala và cộng sự (1995), Manas và cộng sự (2000) trên các đối tượng
vi sinh vật gây bệnh cũng cho thấy những kết quả rất khả quan. Các nghiên cứu này cho
thấy tại nhiệt độ thường quá trình xử lý siêu âm không hiệu quả với L. monocytogenes
(với thời gian chết nhiệt là D = 4.3 phút). Bằng phương pháp siêu âm kết hợp với áp
suất (MS), giá trị D của vi khuẩn này giảm xuống còn 1.5 phút. Khi gia nhiệt đến 50
o
C,
hiệu quả của quá trình xử lý không đáng kể nhưng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu quả xử lý
lại tốt hơn rất nhiều.
Một điểm đáng lưu ý đối với kỹ thuật siêu âm so với kỹ thuật thanh trùng nhiệt
truyền thống là ở phương pháp nhiệt, khả năng và cơ chế đề kháng của vi khuẩn là yếu
tố quan trọng cần được quan tâm trong quá trình xử lý. Nhưng với kỹ thuật MTS và
MS, khả năng đề kháng nhiệt của vi khuẩn hầu như không có. Do đó, kỹ thuật này
mang lại nhiều triển vọng hơn bởi hiệu quả xử lý của nó không phụ thuộc vào điều kiện
xử lý và khả năng chống chịu nhiệt của vi khuẩn trong thực phẩm so với quá trình nhiệt.
Bên cạnh đó, nghiên cứu của Pagan và cộng sự (1999) cho thấy rằng sự tổn thương của
tế bào bởi nhiệt độ là thuận nghịch nhưng tổn thương gây ra bởi quá trình xử lý MTS là
bất thuận nghịch.
Khuấy trộn, đồng hóa và nhũ hóa
Phương pháp sử dụng sóng siêu âm cường độ cao là một phương pháp hiệu quả
trong việc khuấy trộn các phần tử nhỏ, tăng khả năng truyền khối. Cơ chế và phương
pháp tác động của sóng siêu âm được Penn và cộng sự (1959) giải thích rằng sóng siêu
âm và sự hỗ trợ của máy khuấy nhỏ sẽ tạo bọt gần bề mặt của chất rắn có thể giảm lớp
biên truyền khối và do đó làm tăng sự truyền khối.
Cơ chế quá trình tạo nhũ tương: Khi tác dụng sóng siêu âm vào chất lỏng, sự tạo ra
lỗ trống xuất hiện khi áp suất của sóng đạt đến một giá trị xác định tối thiểu nào đó, giá
trị này được gọi là ngưỡng tạo lỗ trống. Trong hệ thống dầu/nước, quá trình nhũ hóa
xảy ra khi đạt đến mức ngưỡng này. Sóng siêu âm có thể cung cấp một năng lượng đủ
cho việc hình thành bề mặt mới, vì thế nó có thể làm cho quá trình nhũ hóa xảy ra ngay

các hạt có một kích cỡ nhất định đi qua. Nhưng các phương pháp lọc truyền thống
Nhóm 7
Trang 11
Sử dụng sóng siêu âm trích ly polysaccharide
thường gặp phải hiện tượng fouling gây tắt màng lọc kết quả phải thay thường xuyên
và vệ sinh liên tục.
Có 2 đặc trưng của tác dụng của sóng siêu âm mà qua đó ta có thể cải thiện kỹ
thuật lọc:
- Sóng siêu âm sẽ làm kết tụ các hạt mịn (lọc nhanh hơn),
- Sóng siêu âm sẽ cung cấp một động năng (gây chuyển động rung) cho hệ thống
để giữ các hệ huyền phù và vì vậy cho phép ta tách ra chất hòa tan.
Ảnh hưởng tác động của các tác dụng này được dùng để xử lý trong lọc chân
không của công nghiệp pha trộn như bùn than đá mà không cần tốn nhiều thời gian và
việc xử lý khó khăn. Ứng dụng của sóng siêu âm trong quá trình lọc (hay còn gọi là lọc
“acousti”) hàm lượng ẩm trong hỗn hợp có thể giảm nhanh chóng từ 50% xuống còn
25%, ngược lại cách làm truyền thống chỉ có thể làm giảm xuống còn 40%. Ngoài ra,
quá trình siêu âm cũng góp phần làm giảm độ nhớt dịch lọc giúp làm tăng lưu lượng
dòng permeat.
Đối với quá trình phân riêng bằng membrane, xử lý sóng siêu âm tập trung vào
việc làm sạch bề mặt màng membrane và giảm hiện tượng fouling. Tắc nghẽn màng
membrane được biểu hiện bằng việc giảm đáng kể lưu lượng dòng permeate do sự bít
kín và sự hấp phụ của các đại phân tử bị giữ lại trên bề mặt membrane. Bên cạnh các kỹ
thuật làm sạch membrane bằng phương pháp thủy lực, cơ khí và hóa học, làm sạch bằng
sóng siêu âm giải quyết rất tốt vấn đề nghẽn màng và phục hồi đáng kể lưu lượng dòng
permeate trong quá trình xử lý membrane. Một số tác giả đã thử nghiệm sóng siêu âm
trong việc khắc phục tình trạng tắt nghẽn màng và thu được một số kết quả khả quan.
Việc sử dụng tia nước không đều kết hợp dòng chảy rung động (tạo bởi siêu âm) đã
giúp vượt qua sự giảm tốc độ dòng permeat của membrane (Kobayashi và cộng sự,
2003). Trong những quá trình này, sóng siêu âm gây ra những chỗ gãy tại liên kết chặt
chẽ giữa cặn bẩn và membrane trong thời gian xử lý ngắn. Ngoài ra, để giảm hiện

Siêu âm năng lượng cao được áp dụng trong quá trình trích ly đường từ củ cải
đường (Chendke và Fogler, 1975). Siêu âm hỗ trợ cho quá trình trích ly còn được ứng
dụng trong sản xuất các hợp chất dược như helicid, berberine hydrochloride, và
Nhóm 7
Trang 13
Sử dụng sóng siêu âm trích ly polysaccharide
berberine từ những loại cây Trung Quốc (Zhao et al.,1991). Helicid, thường được trích
ly bằng phương pháp trích ly ngược dòng trong ethanol, nhưng khi sử dụng sóng siêu
âm thì lượng helicid thu nhận cao hơn 50% trong khoảng thời gian chỉ bằng một nửa
phương pháp cổ điển ở nhiệt độ thường.
Kết tinh
Sóng siêu âm là nguồn năng lượng được cho là có khả năng điều khiển được các
hạt nhân ở mức bão hòa thấp hơn so với cách làm thông thường. Sóng siêu âm có thể
làm các phản ứng diễn ra nhanh hơn và đồng đều hơn, sản phẩm kết tinh được cải tiến
hơn, giảm thiểu sự kết tụ và có thể kiểm soát được quá trình kết tinh. Sản phẩm tạo ra
bởi kết tinh dùng sóng siêu âm đạt được kết quả cao hơn so với cách làm thông thường.
PHẦN 2: CƠ SỞ KHOA HỌC
Nhóm 7
Trang 14
Sử dụng sóng siêu âm trích ly polysaccharide
2.1. Trích ly:
Trích ly là dùng những dung môi hữu cơ hòa tan các chất khác, sau khi hòa tan, ta
được hỗn hợp gồm dung môi và chất cần tách, đem hỗn hợp này tách dung môi ta sẽ thu
được chất cần thiết. Cơ sở lý thuyết của quá trình trích ly là dựa vào sự khác nhau về
hằng số điện môi của dung môi và chất cần trích ly. Những chất có hằng số điện môi
gần nhau sẽ dễ hòa tan vào nhau. Phương pháp này có thể tiến hành ở nhiệt độ thường
(khi trích ly) và có thể lấy được những thành phần quí như sáp, nhựa thơm trong
nguyên liệu mà phương pháp chưng cất không thể tách được. Vì thế, chất lượng của tinh
dầu sản xuất bằng phương pháp này khá cao.
Bản chất của quá trình trích ly là quá trình khuếch tán nên người ta thường dựa vào

0
C đưa vào trích ly. Ête dầu hỏa dễ phần có nhiệt độ sôi từ 45
0
C cháy nổ, độc,
do đó trong sản xuất cần thực hiện nghiêm túc các qui tắc về an toàn lao động và phòng
chữa cháy.
2.2. Sóng siêu âm:
Sóng siêu âm sử dụng trong trích ly có ba tác động sinh học sau:
2.2.1. Rung
Chuyển động sóng siêu âm tạo ra là rất nhanh, tác động lên các mô, giống như
massage nhẹ. Tất cả các tác động khác của sóng (nhiệt và tạo bong bóng) đều dựa trên
tác động rung này. .
Nhóm 7
Trang 16
Sử dụng sóng siêu âm trích ly polysaccharide
Hình 6: Thiết bị tạo siêu âm (sừng siêu âm), thanh titan được ngâm vào trong dung
dịch phản ứng để truyền động thông qua sự rung.
2.2.2. Nhiệt
Chuyển động do sóng siêu âm là nguyên nhân chính tạo ra tác dụng nhiệt. Siêu âm
có thể tạo nhiệt độ cao như nhiệt độ của bề mặt mặt trời và áp suất lớn như áp suất dưới
lòng đại dương. Trong một vài trường hợp sóng siêu âm có thể làm tăng tốc độ phản
ứng lên gần một triệu lần.
2.2.3. Sự tạo và vỡ bọt (cavitation)
Lịch sử của ngành âm hóa học phát triển sau những năm 1800. 1984, trên con tàu
chiến cao tốc, Sir John I. Thornycroft và Sydney W. Barnaby đã phát hiện con tàu lắc
dữ dội và chân vịt tàu bị ăn mòn nhanh chóng. Họ tìm hiểu và thấy có những bóng khí
lớn hình thành trên chân vịt của tàu khi tàu đang chạy, sự hình thành và vỡ của những
bóng khí, bằng cách tăng kích thước của chân vịt và giảm vận tốc quay của chân vịt họ
Nhóm 7
Trang 17