Khóa luận Nghiên cứu chiết dầu cám gạo bằng phương pháp dùng dung môi CO2 siêu tới hạn

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 Hà Nội – 2017 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thạc sĩ Đào Anh Hoàng (Khoa Bào chế - Chế biến, Viện Dược liệu) và Thạc sĩ Nguyễn Văn Khanh (Bộ môn Bào Chế và Công nghệ dược phẩm, Khoa Y Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội), người hướng dẫn khoa học, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Thanh Hải, Chủ nhiệm Bộ môn bào chếvà Công nghệ dược phẩm (Khoa Y Dược, Đại học quốc gia Hà Nội) đã tạo điều kiện, cung cấp cơ sở vật chất, trang thiết bị cho tôi thực hiện đề tài. Tôi xin thành cảm ơn Dược sĩ Nguyễn Thị Huyền (Bộ môn bào chế và Công nghệ Dược phẩm Khoa Y Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội), đã tạo điều kiện và hướng dẫn sử dụng máy chiết xuất SFE500. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu và các phòng ban liên quan đã tạo điều kiện thuận lợi cho các hoàn thành khóa học, các thầy cô đã trang bị những kiến thức mới, hữu ích trong thời gian học tập. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè và những người thân đã luôn động viên, tin tưởng tôi. Hà Nội, ngày 28 tháng 5 năm 2017 Sinh viên NGUYỄN NGỌC TÙNG DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Chú giải 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 Bảng 2.1. Hóa chất nghiên cứu................................................................................. 17 Bảng 3.1. Độ hấp thụ quang của γ-oryzanol chuẩn tại các nồng độ khác nhau........ 22 Bảng 3.2.Kết quả đánh giá sơ bộ cám nguyên liệu................................................... 23 Bảng 3.3. Kết quả khảo sát hàm lượng acid béo tự do trong cám trước và sau khi xử lý nhiệt................................................................................................................. 24 Bảng 3.4.Hiệu suất dầu cám gạo chiết được và hàm lượng γ–oryzanol khi thay đổi thời gian chiết...................................................................................................... 25 Bảng 3.5.Hiệu suất dầu cám gạo chiết được và hàm lượng γ–oryzanol khi thay đổi Áp suất chiết........................................................................................................ 26 Bảng 3.5.Hiệu suất dầu cám gạo chiết được và hàm lượng γ–oryzanol khi thay đổi nhiệt độ chiết....................................................................................................... 28 Bảng 3.7:Hiệu suất dầu cám gạo chiết được và hàm lượng γ–oryzanol khi thay 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 γ- oryzanol....................................................................................................................... 22 Hình 3.3. Biểu đồ biểu diễn sự thay đổi hàm lượng acid béo tự do theo thời gian............................................................................................................................... 24 Hình 3.4. Hiệu suất dầu cám gạo chiết được và hàm lượng γ–oryzanol khi thay đổi thời gian chiết............................................................................................................... 25 Hình 3.5. Hiệu suất dầu cám gạo chiết được và hàm lượng γ–oryzanol khi thay đổi áp suất chiết................................................................................................................. 27 Hình 3.6. Hiệu suất dầu cám gạo chiết được và hàm lượng γ–oryzanol khi thay nhiệt độ chiết................................................................................................................ 28 Hình 3.7. Hiệu suất dầu cám gạo chiết được và hàm lượng γ–oryzanol khi thay đổi tốc độ dòng CO2 ở áp suất 400 bar và nhiệt độ 60ºC.................................................. 30 1 MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ.......................................................................................................... 1 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 1.3. Công dụng của cám gạo và dầu cám gạo........................................................... 13 1.3.1. Công dụng của cám gạo.................................................................................. 13 1.3.2. Công dụng của dầu cám gạo........................................................................... 14 1.3.3. Tác dụng dược lý của γ- oryzanol................................................................... 14 1.4. Các nghiên cứuchiết xuất dầu cám gạo bằng CO2 siêu tới hạn......................... 15 Chương 2.Đối tượng và phương pháp nghiên cứu............................................... 17 2.1.Đối tượng nghiên cứu.......................................................................................... 17 2.1.1Đối tượng nghiên cứu........................................................................................ 17 2.1.2 Hóa chất nghiên cứu......................................................................................... 17 2.1.3. Thiết bị, dụng cụ nghiên cứu........................................................................... 17 2.2. Nội dung nghiên cứu.......................................................................................... 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 2 3.1 Kết quả thí nghiệm.............................................................................................. 21 3.1.1 Xây dựng phương pháp định lương γ-oryzanol............................................... 21 3.1.2 Xử lý ổn định chất lượng cám gạo................................................................... 23 3.2.2. Khảo sát các điều kiện chiết xuất.................................................................... 24 3.2. Thảo luận............................................................................................................ 30 Chương 4.Kết Luận 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 3 ĐẶT VẤN ĐỀ Gạo là lương thực chủ yếu của hơn 50% dân số toàn cầu, chiếm 20% tổng lượng lương thực tiêu thụ hàng năm. Sản lượng lúa gạo trên thế giới đạt 700 - 800 triệu tấn.Việt Nam là một nước có nền nông nghiệp lâu đời, cây lúa đã trở thành cây lương thực chủ yếu có ý nghĩa quan trọng trong đời sống và nền kinh tế nông nghiệp. 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, γ- oryzanol 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. 4 - Đánh giá được hàm lượng γ-oryzanolcủa dầu cám gạo chiết được. 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Công nghệ chiết tách bằng phương pháp CO2 ở trạng thái siêu tới hạn (SCO2) 1.1.1.Sơ lược về phương pháp chiết sử dụng dung môi ở trạng thái siêu tới hạn Những đặc tính của khí nén CO2 đã được quan tâm cách đây hơn 130 năm. Năm 1861, Gore là người phát hiện ra CO2 lỏng có thể hoà tan camphor và naphthalen một cách dễ dàng và cho màu rất đẹp nhưng lại khó hoà tan các chất béo. Tuy nhiên, từ năm 1875-1876 Andrew lại là người nghiên cứu về trạng thái siêu tới hạn của CO2, tức là CO2 chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí nhưng vẫn chưa đạt ở dạng khí hoàn toàn mà ở điểm giữa của hai trạng thái lỏng- khí. Một thời gian sau, Buchner (1906) cũng công bố về một số hợp chất hữu cơ khó bay hơi nhưng lại có khả năng hoà tan trong SCO2 cao hơn nhiều trong CO2 lỏng. Năm 1920 – 1960 hàng loạt các công trình nghiên cứu về dung môi ở trạng thái siêu tới hạn ra đời. Đó là các dung môi như: ethanol, methanol, diethyl ether.. và các chất tan dùng để nghiên cứu: các chất thơm, tinh dầu, các dẫn xuất halogen, các triglyceryd và các hoạt chất hữu cơ khác. Mặc dù vậy CO2 vẫn được lựa chọn dùng trong phương pháp này vì nó có các tính chất mà dung môi khác không có. Cho đến thập kỷ 80, công nghệ SCO2 mới thật sự phổ biến và được nghiên cứu một cách sâu rộng hơn [33].  Nguyên lý của phương pháp chiết sử dụng dung môi ở trạng thái siêu tới hạn Đối với mỗi chất đang ở trạng thái khí,khi bị nén đẳng nhiệt tới một áp suất đủ cao,chất khí sẽ hóa lỏng và ngược lại. Tuy nhiên có một giá trị áp suất mà tại đó nếu 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. 6 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 Pc 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. 7 Bảng 1.1. Điểm tới hạn của một số dung môi thông dụng Chất Nhiệt độ tới hạn (độ C) Áp suất tới hạn (bar) Tỷ trọng riêng tới hạn(g/cm3) Methan -82,6 46,0 0,162 Ethylen 9,3 50,3 0.218 Carbon dioxyd 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 Methanol 239,5 80,9 0,272 Nước 374,2 220,0 0,322 Nói chung các dung môi siêu tới hạn có khả năng hòa tan tốt các chất ở cả 3 dạng rắn, lỏng, khí. Dung môi siêu tới hạn tác động lên cả các chất dễ bay hơi và cả các chấtkhông bay hơi của mẫu. Các nghiên cứu ban đầu trong lĩnh vực trong lĩnh vực áp dụng dung môi ở trạng thái siêu tới hạn để chiết suất đã quan sát thấy hiệu quả kết hợp của quá trình chưng cất lôi cuốn và quá trình chiết ngược dòng lỏng-rắn [2].  Cơ chế tách chiết bằng dung môi siêu tới hạn - Quy trình chiết bằng dung môi siêu tới hạn gồm 2 giai đoạn: Chiết các thành phần tan trong dung môi và tách các chất chiết từ dung môi. Quá trình tách các chất tan từ dung môi siêu tới hạn có thể được thực hiện bằng cách thay đổi tính nhiệt động học của dung môi. Khả năng hòa tan của dung môi thay đổi theo áp suất và nhiệt độ. Phương pháp thông dụng là giảm áp suất bằng quá trình giãn nở đẳng nhiệt, dẫn đến giảm tỉ trọng và khả năng hòa tan của dung môi [2]. - Các điều kiện tách chiết phụ thuộc vào độ tan của hoạt chất trong dung môi siêu tới hạn ở áp suất và nhiệt độ khác nhau. Gọi Pchiết ,Tchiếtvà Ptách ,Ttách lần lượt là áp suất 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. 8 - 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 Quá trình chiết và tách đều được thực hiện trong vùng siêu tới hạn. Nhiệt độ được giảm đẳng áp dẫn đến làm giảm độ tan và chất chiết được tách ra.  Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết bằng dung môi siêu tới hạn Chiết xuất bằng dung môi siêu tới hạn là quá trình phức tạp với nhiều yếu tố ảnh hưởng. Nhưng về cơ bản quá trình gồm 3 yếu tố: độ tan, khả năng khuếch tán và cấu trúc dược liệu.Trước hết hoạt chất phải tan được trong dung môi siêu tới hạn để có thể được chiết ra khỏi dược liệu. Có thể tăng độ tan của hoạt chất bằng cách sử dụng thêm đồng dung môi. Thứ hai, chất tan phải có khả năng khuếch tán nhanh từ trong cốt dược liệu ra bề mặt phía ngoài để hòa tan. Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của chất tan,hình dạng và kích thước tiểu phân dược liệu. Một số yếu tốc quan trọng ảnh hưởng đến quá trình chiết cần xem xét khi xây dựng một quy trình chiết bằng dung môi siêu tới hạn bao gồm [13, 2]: - Độ tan của hoạt chất trong dung môi siêu tới hạn cần được xác định trước khi chiết. Cũng cần xác định ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt độ và áp suất đến độ tan của hoạt chất trong trạng thái tới hạn của dung môi. CO2 tinh khiết hòa tan tốt các chất không hoặc ít phân cực.Để chiết các hoạt chất phân cực vừa cần dùng thêm một lượng nhỏ dung môi thứ 2 (đồng dung môi). Ảnh hưởng của đồng dung môi đến độ tan hoạt chất cũng cần được khảo sát. - Đồng dung môi ngoài vai trò làm tăng độ tan của hoạt chất còn có thể làm thay đổi tính trương nở của dược liệu, cải thiện tốc độ khyếch tán hoạt chất, giảm tương tác giữa bã dược liệu với hoạt chất. Ngoài ra đồng dung môi, ví dụ methanol, có 9 thể hạn chế được ảnh hưởng của nước ẩm trong dược liệu, bằng cách tăng độ tan của nước vào dung môi. - Hàm ẩm của dược liệu đóng vai trò như một đồng dung môi và cần được xác định trong từng trường hợp cụ thể. Nước có thể thúc đẩy quá trình chiết nếu hoạt chất 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/d