10398_Nghiên cứu chiết dầu cám gạo bằng phương pháp dùng dung môi CO2 siêu tới hạn (DH)

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/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. 10 - Kích thước và hình dạng tiểu phân dược liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ khuếch tán. Thông thường tăng diện tích bề mặt sẽ làm tăng tốc độ chiết. Kích thước tiểu phân cần được xác định cho phù hợp với từng loại dược liệu. Nếu dược liệu là các loại hạt, kích thước tiểu phân thích hợp thường trong khoảng 0,2-0,6 mm. 1.1.2. Phương pháp chiết CO2 siêu tới hạn Dung môi siêu tới hạn được sử dụng phổ biến nhất là CO2. Khi CO2 được đưa lên nhiệt độ, áp suất cao hơn nhiệt độ, áp suất tới hạn của nó (trên TC = 31ºC, PC = 73,8 bar), CO2 sẽ chuyển sang trạng thái siêu tới hạn [26]. CO2 siêu tới hạn có khả năng hoà tan rất tốt các đối tượng cần tách ra khỏi mẫu ở cả 3 dạng rắn, lỏng, khí.  Nguyên lý hoạt động và sự biến đổi trạng thái của CO2 trong quá trình chiết Hình 1.2. Chu trình trạng thái CO2 trong quá trình chiết Khí CO2 lúc ban đầu trong bình chứa ở trạng thái 1, thường là áp suất trong khoảng 45 – 55 bar, nhiệt độ 12 – 200ºC. Khi được hạ nhiệt độ ở điều kiện đẳng áp từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, CO2 lỏng tới nhiệt độ 0 - 10ºC và tỷ trọng tăng dần lên, ở điều kiện này CO2 lỏng có thể pha trộn với cácđồng dung môi dễ dàng. Quan trọng hơn, khi CO2 ở thể lỏng và có tỷ trọng cao, thì dễ sử dụng bơm cao áp để nén lên áp suất cao và điều chỉnh lưu lượng vào bình chiết thuận lợi. 11 Qua bộ phận làm lạnh, CO2 lỏng được bơm cao áp nén qua van điều chỉnh lưu lượng vào bộ phận trao đổi nhiệt để điều chỉnh tỷ trọng và độ nhớt phù hợp với yêu cầu công nghệ, CO2 đạt tới trạng thái 3 bên trong bình chiết. CO2 lỏng từ trạng thái 3 được giữ ở điều kiện đẳng áp và tăng nhiệt độ dần dần để chuyển CO2 lỏng sang trạng thái siêu tới hạn 4 trong bình chiết. Quá trình chiết nguyên liệu thực vật bằng CO2 siêu tới hạn có thể thực hiện liên tục hoặc gián đoạn tùy theo yêu cầu công nghệ. Van bảo hiểm an toàn áp suất cho hệ thống chiết được lắp trên đường dẫn CO2 vào bình chiết. 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: 12 - Sức căng bề mặt thấp - Độ linh động cao - Độ nhớt thấp - Tỉ trọng xấp xỉ tỉ trọng của chất lỏng - Khả năng hòa tan dễ điều chỉnh bằng nhiệt độ và áp suất [34].  Ưu điểm so với các dung môi khác - CO2 là một chất dễ kiếm, rẻ tiền vì nó là sản phẩm phụ của nhiều ngành công nghệ hoá chất khác. - Là một chất trơ, ít có phản ứng kết hợp với các chất cần tách chiết. - Không bắt lửa, không duy trì sự cháy. - Không làm ô nhiễm môi trường. - CO2 không độc với cơ thể, không ăn mòn thiết bị. - Có khả năng hoà tan tốt các chất hữu cơ ở thể rắn cũng như lỏng, đồng thời 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 13 hàm lượng chất béo thấp và sản phẩm không cholesterol hoặc các sản phẩm chức năng khác [22]. Đối với nghành mỹ phẩm và công nghệ sinh học, phương pháp SCO2 dùng để chiết tách các tinh dầu, nhất là các tinh dầu quý như: tinh dầu lavender, hoàng đàn, hương lau, nhài, bưởi để phục vụ cho công nghiệp sản xuất nước hoa, đặc biệt là các loại nước hoa cao cấp và trong thực phẩm. Tinh dầu được chiết bằng phương pháp này có đặc trưng tự nhiên nhất, độ tinh khiết rất cao. Tách các hoạt chất hữu ích từ nghệ, chè, gừng để làm chất chống oxy hoá, kem dưỡng da, ví dụ như chiết polyphenol từ chè xanh để làm chất chống nhăn da, chống oxy hoá, giữ ẩm cho da và polyphenol có trong kem đánh răng có tác dụng diệt khuẩn, hoặc chiết hoạt chất từ cây lô hội làm kem làm trắng da [34]. Trong ngành dược phẩm, công nghệ dùng SCO2 đang được nghiên cứu để chiết tách các hoạt chất chữa bệnh hoặc tăng cường sức khoẻ từ các nguồn nguyên liệu thảo mộc. Ví dụ các hợp chất triterpenoid mà đặc trưng nhất là faradiol có tác dụng chống viêm được chiết từ hoa cây cúc vàng (Calendula officialis) [26].Chiết bằng CO2 siêu tới hạn cho hàm lượng faradiol monoeste trong sản phẩm chiết cao gấp hàng trăm lần so với sản phẩm chiết bằng cồn, cho thấy sự ưu việt của công nghệ SCO2 trong việc chiết tách sản phẩm này [26]. 1.2.Thành phần hóa học của cám gạo và dầu cám gạo Cám gạo là phụ phẩm chính thu được từ hạt thóc sau khi xay xát và chiếm khoảng 10% khối lượng hạt thóc. Cám gạo bao gồm lớp vỏ nội nhũ, mầm, phôi của hạt và một phần từ tấm. Cám gạo có màu vàng sáng và mùi thơm đặc trưng. Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc hạt thóc 14 Trong cám gạo có protein (11 – 17 %), chất béo (12 – 29%), carbonhydrat (10- 55%), 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 21,5 Acid stearic 2,9 Thành phần không xà phòng hóa Tocopherols 81,3 x10-3 γ-oryzanol 1,6 Squalen 320 x10-3 γ-oryzanol có công thức phân tử là: C40H55O4, trọng lượng phân tử 602,89 g/mol, nhiệt độ nóng chảy: 135 – 137ºC, là hỗn hợp este của acid trans-ferulic với các phytosterols và triterpen alcol, gồm các chất chính: 24-methylen cycloartanyl ferulat, cycloartenyl ferulat, campesteryl ferulat, sitosteryl ferulat, Δ7-campestenyl ferulat, campestanyl ferulat, sitostanyl ferulat, Δ7-stigmastenyl ferulat, stigamsteryl ferulat, Δ7-sitostenyl ferulat [17]. Hàm lượng γ-oryzanol trong gạo nguyên cám từ 3,5 – 21mg/100g tùy thuộc vào các giống lúa khác nhau. Mặc dù cám gạo giàu dinh dưỡng 15 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 16 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 dẫn tới quá trình tái sinh các tế bào tụy, thận, tim, gan trở lên bình thường [24, 28]. Dầu cám gạo cũng làm giảm tình trạng rối loạn lipid máu, làm giảm sự tăng đáp ứng với nồng độ insulin cao trong trường hợp đái tháo đường [8]. Dầu cám chứa các thành phần hoạt tính sinh học cao như γ- oryzanol, squalen, tocotrienol, tocopherol nên có tác dụng chống oxy hóa mạnh, chống lão hóa, ngăn ngừa sự phát triển của tế bào ưng thư da, ung thư đại tràng, ung thư tụy [21]. Ngoài ra, dầu cám còn được sử dụng trong các sản phẩm chăm sóc da như giữ ẩm, làm mềm da, chống lão hóa, làm trắng da [4, 28]. 1.3.3. Tác dụng dược lý của γ- oryzanol  Tác dụng trên thần kinh trung ương - Cải thiện các triệu trứng của phụ nữ tiền mãn kinh, cải thiện trí nhớ người già, rối loạn thần kinh vận động. - Làm giảm viêm loét dạ dày do stress gây ra trên chuột thí nghiệm. - Làm giảm nồng độ TSH do ức chế trực tiếp lên vùng dưới đồi hoặc tuyến yên [28, 35].  Tác dụng chống oxy hóa - Chống oxy hóa gấp 10 lần tocotrienol và tocopherol. - Ức chế quá trình superoxy hóa bảo vệ tế bào gan, ngăn ngừa tổn thương tế bào gan do ethanol. Tác dụng lên chuyển hóa lipid và cholesterol [4, 9, 28]. 17 -Làm giảm hấp thu cholesterol ở đường tiêu hóa, tăng đào thải cholesterol qua đường tiêu hóa bằng cách tăng tạo thành muối mật. - Làm giảm nồng độ LDL, V-LDL và tăng nồng độ HDL. Do đó, γ- oryzanol có tác dụng là giảm lipid máu và cholesterol máu [21].  Tác dụng chống viêm - Ức chế sự hoạt động của NF-kB, ức chế biểu hiện gen của TNFα, COX-2, IL1β dẫn đến tác dụng chống viêm. - Ức chế enzym DNA polymeraza ở động vật có vú dẫn đến tác dụng chống viêm 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]. 18 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 20,5% khi chiết xuất bằng hexan ở 69ºC và 0,101 MPa. Trong một nghiên cứu khác, lượng dầu thu được khi sử dụng SCO2 (ở áp suất 30 MPa và nhiệt độ 35ºC) và n-hexan lần lượt là 17,98% và 20,21% [32]. Trong nghiên cứu này, việc chiết xuất SCO2 cám gạo sử dụng ethanol làm đồng dung môi cũng được khảo sát. Karin Tomita đã khảo sát việc chiết dầu cám gạo để đạt được hàm lượng γ - oryzanol tối đa ở các tốc độ dòng CO2 khác nhau (1-9 ml/phút), nhiệt độ (40-80ºC) và áp suất (20-40 MPa). Nghiên cứu cũng chỉ ra sự ảnh hưởng của nhiệt độ của áp suất đến việc thu hồi γ–oryzanol [26]. Wang và các cộng sự đã tiến hành chiết 35g cám gạo bằng dung môi CO2 siêu tới hạn, sau khi tiêu tốn 2750 g CO2 lượng dịch chiết thu được lên đến 18,1 % trên tổng khối lượng mẫu. Nồng độ của γ -oryzanol và các triglyceryd trong dầu chiết bằng CO2 siêu tới hạn cao hơn so với chiết bằng dung môi n-hexan. Nghiên cứu của Wang cũng cho thấy rằng áp suất có thể được sử dụng hiệu quả hơn nhiệt độ để nâng cao hàm lượng γ-oryzanol trong dầu. Áp suất và nhiệt độ tối ưu để cho hàm lượng γ- oryzanol cao nhất là 300 bar và 313 K [12]. 19 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu  Mẫu cám gạo của giống lúa T161 trồng tại Nhân Hòa, Mỹ Hào, Hưng Yên thu tại cơ sở xay xát ở địa phương.  Cám gạo trong quy trình xay xát được chia làm 2 phần: cám xát(C1) và cám xoa(C2) (cám xát là cám thu được trong giai đoạn xay xát gạo lật, cám xoa là cám thu được trong giai đoạn đánh bóng gạo). Do đó, mẫu cám thu tại cơ sở xay xát cũng được chia làm 2 loại.  Đem mẫu C2 rây qua rây 180 micromet được mẫu cám C2m, đây là mẫu cám chính sử dụng trong quá trình khảo sát chiết bằng dung môi CO2 siêu tới hạn. 2.1.2.Hóa chất nghiên cứu Bảng 2.1. Hóa chất nghiên cứu STT Tên hóa chất Nguồn gốc Tiêu chuẩn 1 γ-oryzanol chuẩn (CAS : 11042-64- 1, Lot 5ZZYL) Nhật Bản NSX 2 Acid oxalic Trung Quốc NSX 3 n-heptan Trung Quốc NSX 4 Ethanol Trung Quốc NSX 5 Diethyl ether Trung Quốc NSX 6 Kali hydroxyd Trung Quốc NSX 7 Phenolphtalein Trung Quốc 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)