Lưu chất siêu tới hạn - SCO2 trong công nghệ trích ly dùng trong thực phẩm pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH
KHOA: CNTP & ĐỒ UỐNG






BÀI TIỂU LUẬN:


LƯU CHẤT SIÊU TỚI HẠN – SCO
2
TRONG CÔNG NGHỆ TRÍCH
LY DÙNG TRONG THỰC PHẨM














Phần 1: Lời nói đầu:
Khoa học công nghệ không ngừng phát triển, luôn luôn có những thay

đổi, phát minh mới nhằm mục đích phục vụ đời sống của con người tốt hơn.
Việc tìm ra những phương pháp xử lý mới, những sản phẩm mới, nguồn nguyên
liệu mới là một trong những vấn đề mang tính chiến lược hiện nay trong ngành
công nghệ thực phẩm. Ngày càng có những phương pháp tiên tiến trong việc chế
biến và bảo quản thực phẩm.
Công nghệ trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn được sử dụng trong sản
xuất hương liệu, tinh chất từ nguồn nguyên liệu thiên nhiên đã và đang được
nghiên cứu, phát triển và ứng dụng, cạnh tranh cao so với phương pháp truyền
thống do ưu thế vượt trội về sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao, không độc
hại, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, không hóa chất độc hại, không ảnh hưởng
tới sức khỏe con người,…
Lưu chất siêu tới hạn là trạng thái vật lý của một chất nào đó ở điều kiện
nhiệt độ và áp suất cao hơn nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn.
Trong các lưu chất siêu tới hạn thì CO
2
được sử dụng phổ biến hơn cả bởi
ngoài đặc tính chung CO
2
còn là một chất dễ kiếm, rẻ tiền, một loại khí trơ
không cháy,…
Với phương pháp này, các hoạt chất được bảo tồn trọn vẹn, tính chọn lọc cao và
không gây độc hại cho người sản xuất và người sử dụng. Người ta tạo ra các tính
năng dung môi đa dạng phù hợp với các điều kiện chiết xuất khác nhau thông
qua việc điều chỉnh và lựa chọn nhiệt độ và áp suất phù hợp với các khí trơ sử
dụng làm dung môi để chiết. Với phương pháp chiết này, nhiều chất tự nhiên bao
gồm cả các hệ enzyme chuyển hoá trong cây được tách chiết thành công, điều
này có thể là rất khó khăn hay không thể thực hiện với các phương pháp khác.
Phương pháp chiết xuất sử dụng dung môi CO
2
lỏng siêu tới hạn là một trong

các phương pháp thuộc hướng đi này. Phương pháp này do Mỹ nghiên cứu đầu
tiên, tiếp theo là Nga. Hiện tại Trung Quốc và Ấn Độ đang tích cực chạy đua
ứng dụng phương pháp này vì những ưu điểm siêu việt của nó. Người ta đã có
những thành công trong việc tác chiết các hợp chất quý kháng virus HIV, HPV,
HBV, kháng các chủng tế bào ung thư khác nhau từ nguồn dược liệu bằng
phương pháp này. Việt Nam hiện nay bắt đầu tiếp cận với phương pháp ưu việt
này và sẽ hứa hẹn cho nhiều bước tiến mới về công nghệ tách chiết các dược
chất quý từ nguồn dược liệu phong phú của đất nước phục vụ chăm sóc sức khoẻ
nhân dân, tạo ra sức cạnh tranh mới cho các sản phẩm thuốc trong nước khi hội
nhập. Viện khoa học và công nghệ Việt Namđược Viện hàn lâm khoa học Nga
giúp đỡ đã nhập thiết bị chiết CO2 lỏng của Nga vào năm 2009.
Khí CO
2
từ trước đến nay vốn mang tiếng xấu vì nó là khí gây hiệu ứng
nhà kính làm trái đất nóng lên. Nhưng trong tương lai CO
2
rất có thể là một chất
vô cùng hữu ích bởi sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và bộ óc thiên tài của con
người.
Hiện nay có rất nhiều nhà nghiên cứu ứng dụng của CO
2
trong một tầm nhìn mới
– CO
2
– chất lỏng siêu tới tới hạn để tách chiết (trích ly) các hợp chất mong
muốn từ thực vật hay những hợp chất công nghiệp khác.
Trong các phòng thí nghiệm đã từ lâu người ta sử dụng CO
2
để tách và
phân tích cặn dư của thuốc trừ sâu và PCB (Biphenyl polyclo hóa) trong mẫu

thực phẩm, nước và đất. CO
2
cũng được sử dụng từ lâu trong công nghiệp chế
biến thực phẩm, ví dụ để làm sạch các chất gia vị và hạt men bia; và để tách chất
cafein khỏi hạt cà phê.
Ở trang thái siêu tới hạn CO
2
ở dạng trung gian giữa thể khí và thể lỏng. Nó có
tỷ trọng như chất lỏng, và nhờ đặc tính này có thể dùng để hòa tan các chất hữu
cơ. Nó được dùng để thay thế các dung môi clo hóa để chiết các hợp chất hữu
cơ.
Từ xưa con người đã có nhu cầu ly trích tinh dầu ra khỏi hợp chất thiên
nhiên, ví dụ thông dụng nhất là lấy tinh dầu hoa hồng ra khỏi cánh hoa hồng và
pha vào cồn để làm dầu thơm. Càng phát triển thì con người càng có nhiều cách
khác nhau để lấy tinh dầu, và mục đích cũng khác nhau, từ làm dầu thơm đến
dược phẩm, thực phẩm, phụ gia Một số cách lấy tinh dầu là ép, ly trích bằng
nước, bằng dung môi hưu cơ, lôi cuốn hơi nước, sử dụng lò vi sóng, siêu âm và
mới đây nhất theo mình biết là trích hợp chất Taxol điều trị ung thư vú và tử
cung ở phụ nữ có trong vỏ cây thông đỏ Taxus brevifolia bằng CO
2
siêu tới hạn
cho hiệu suất cao hơn. Đây là phương pháp mới hiện nay trên thế giớ, và cũng
cần nói thêm là không chỉ có CO
2
siêu tới hạn mà bất kì chất nào cũng có thể đạt
trạng thái siêu tới hạn, dựa vào giản đồ pha, nhưng chỉ có một số chất thông
dụng vì điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp, phù hợp, có khả năng thực hiện được,
trong đó nước là một ví dụBất kỳ dung môi nào cũng có thể ở trạng thái siêu tới
hạn nếu tồn tại ở nhiệt độ và áp suất trên giá trị tới hạn. Đối với mỗi chất thông
thường, dưới mỗi một điều kiện nhất định chúng sẽ tồn tại ở một trạng thái nào

đó trong 3 trạng thái rắn, lỏng và khí. Nếu nén chất khí tới một áp suất đủ cao,
chất khí sẽ hóa lỏng. Tuy nhiên. Có một giá trị mà ở đó, nếu nâng dần nhiệt độ
lên thì chất lỏng cũng không thể trở về trạng thái khí, mà rơi vào một vùng trạng
thái đặc biệt gọi là trạng thái siêu tới hạn. Vật chất ở trạng thái này mang nhiều
đặc tính của cả chất khí và chất lỏng, nghĩa là dung môi đó mang tính chất trung
gian giữa khí và lỏng.
Phần 2: Giới thiệu phương pháp dùng lưu chất siêu tới hạn sử
dụng trong trích ly.
Khi CO
2
được đưa lên nhiệt độ, áp suất cao hơn nhiệt độ, áp suất tới hạn
của nó (Tc= 310C, Pc = 73,8 bar), CO
2
sẽ chuyển sang trạng thái siêu tới hạn.
Tại trạng thái này CO
2
mang hai đặc tính: Đặc tính phân tách của quá trình trích
ly và đặc tính phân tách của quá trình chưng cất.
Nó có khả năng hào tan rất tốt các đối tượng cần tách ra khỏi mẫu ở cả 3 dạng
rắn, lỏng, khí. Sau quá trình chiết, để thu hồi sản phẩm chỉ cần giảm áp suất thấp
hơn áp suất tới hạn thì CO
2
chuyển sang dạng khí ra ngoài còn sản phẩm được
thoát ra ở bình hứng.
Ở mỗi điều kiện nhiệt độ, áp suất khác nhau sẽ tương ứng với mỗi đối tượng cần
chiết tách khác nhau.
So sánh phương pháp SCO
2
với các phương pháp truyền thống.
*. Ưu điểm: Sản phẩm tách được:

- Sản phẩm có chất lượng cao: đối với tinh dầu thì có màu, mùi tự nhiên,
không lẫn nhiều thành phần không mong muốn, các hợp chất tự nhiên thì
tách các chất có hoạt tính cao.
- Không còn lượng dung môi dư.
- Tách các hoạt chất với hàm lượng cao.
- Không gây ô nhiễm môi trường.
- Là một phương pháp có công nghệ cao và an toàn với các sản phẩm tự
nhiên.
- Tốc độ truyền khối nhang nên rút ngắn thời gian trích ly.
Hơn nữa CO
2
có một số đặc điểm nổi bật và hơn hẳn các loại dung môi khác:
- CO
2
là một chất dễ kiếm, rẻ tiền vì nó là sản phẩm phụ của nhiều ngành
công nghệ hóa chất khác – một chất mà con người muốn đào thải.
- Là một chất trơ, có ít phản ứng kế hợp với các chất cần tách chiết.
- Không bắt lửa, không duy trì sự cháy.
- Không làm ô nhiễm môi trường.
- Có khả năng hoà tan tốt các chất tan hữu cơ ở thể rắn cũng như lỏng,
đồng thời cũng hoà tan lẫn 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.
- Không ăn mòn thiết bị, bay hơi không để lại cặn độc hại.
CO
2
ở trạng thái siêu tới hạn có đặc tính nổi bật như:
- 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.
Nhược điểm:
Tuy có rất nhiều ưu điểm như trên nhưng công nghệ này chưa được áp
dụng rộng rãi, đa số mới chỉ dừng lại ở phòng thí nghiệm bởi nhược điểm lớn
nhất của phương pháp này là thiết bị cần hoạt động ở nhiệt độ và áp suất tới hạn
của dung môi nên cần phải đảm bảo thiết bị có tính an toàn cao, chi phí đầu tư
lớn, áp dụng nghiêm ngặt những điều kiện về an toàn lao động.

Phần 3: Ứng dụng của phương pháp lưu chất siêu tới hạn SCO
2

trong trích ly hương liệu, tinh chất trong công nghệ chế biến
thực phẩm.
Hiện nay công nghệ chiết bằng SCO
2
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 SCO
2
do hãng HAG.A.G xây dựng vào năm 1979.
* Ứng dụng trong công nghệ tách cafein trong cà phê và chè
Ngành công nghệ nước giải khát hiện nay đang rất phát triển và thị hiếu của
người tiêu dùng cũng ngày một nâng cao. Điều này đòi hỏi các nhà sản xuất
phải luôn tìm kiếm các công nghệ mới để có thể đáp ứng được chất lượng và thị
hiếu người tiêu dùng. Trong công nghệ nước uống cà phê và chè thì việc loại

cafein, một chất kích thích thần kinh không có lợi cho sức khoẻ và gây vị chát
đang là điểm quan tâm hiện nay của các nhà công nghệ.
Giải pháp hữu hiệu là sử dụng công nghệ SCO
2
để chiết tách cafein ra
khỏi cà phê và chè, và đã được áp dụng làn đầu tiên ở Châu âu, sau đó là Bắc
Mỹ. Với công nghệ này hàm lượng cafein có thể giảm xuống chỉ còn < 0.1%
trong sản phẩm.
*Ứng dụng trong công nghệ trích lý taxol từ vỏ cây thông đỏ:
Đầu những năm 1960, viện Ung thư Quốc gia Mỹ đã tách ra được một
hợp chất có hoạt tính từ cây Thông đỏ gọi là taxol. Đây là một chất ức chế tế bào
ung thư ở người.
Đã có rất nhiều nghiên cứu để tách hợp chất này, và phương pháp hiệu
quả nhất cho đến nay chính là dùng lưu chất SCO
2
để trích ly.
*Ứng dụng trong công nghệ trích ly dầu cọ:
Một trong những nước có thị phần sản xuất và xuất khẩu dầu cọ lớn nhất
thế giới làm Malaysia ( >50% về sản xuất, 62% về xuất khẩu – số liệu thống kê
năm 2009). Phương pháp SCO
2
đã được chứng minh trong phòng thí nghiệm với
hiệu quả tinh chất dầu cọ được trích ly vượt trội so với những phương pháp
truyền thống là sử dụng các dung môi hữu cơ khác. Ngoài ra sử dụng phương
pháp này còn loại thải được lượng lớn khí thải CO
2
– khí gây lên hiệu ứng nhà
kính theo lời kêu gọi giảm khí thải CO
2
theo nghị định Tokyo. Hơn thế nữa, màu

sắc của sản phẩm trích ly được nhẹ hơn, ức chế được hoạt động vi khuẩn, sản
phẩm tinh khiết và thời gian thu nhanh hơn, khí CO
2
cũng không thể bị oxy hóa
– là dung môi lý tưởng để thực hiện quá trình oxy hóa (1994 Weatherly).
Bảng minh họa sơ đồ khai thác dầu hạt cọ bằng phương pháp SCO
2

Temperature
(oC)
PressureCO2
(MPa)


Capacity
(ml)
Volume of
CO
2

consumed
(ml)

Volume of
CO
2

Released to
the
atmosphere

(ml)
40
27.6
103
64.8
38.2

34.5
103
67.2
35.8

41.4
103
68.4
34.6

48.3
103
75.3
27.7
50
27.6
103
60.6
42.4

34.5
103
62.4

40.6

41.4
103
66.9
36.1

48.3
103
73.8
29.2
60
27.6
103
59.1
43.9

34.5
103
60.6
42.4

41.4
103
65.7
37.3

48.3
103
68.4

34.6
70
27.6
103
70.2
32.8

34.5
103
63.6
39.4

41.4
103
68.1
34.9

48.3
103
65.7
37.3
*Một số ứng dụng khác:
Phương pháp SCO
2
cũng được áp dụng để chiết các hoạt chất từ hoa huplon để
dùng trong công nghiệp 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 hàm lượng chất béo thấp và sản phẩm không cholesterol hoặc các
sản phẩm chức năng khác.
- Đối với nghành mỹ phẩm và công nghệ sinh học, phương pháp SCO

2
dùng để
chiết tách các tinh dầu, nhất là các tinh dầu quý hiếm như: tinh dầu lavande,
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
- Còn trong nghành dược phẩm, công nghệ dùng SCO
2
đang được nghiên cứu
để chiết tách các hoạt chất chữa bệnh hoặc tăng cường sức khoẻ từ các nguồn
nguyên liệu thảo mộc.
- Không những áp dụng phương pháp này trong các nghành công nghiệp sản
xuất các sản phẩm có nguồn gốc tự nhiên, hiện nay trên thế giới còn nghiên cứu
phương pháp này đối với các ngành công nghiệp khác. Tại Bỉ, người ta đang
nghiên cứu để đưa công nghệ SCO2 vào việc tách các nguyên tố hiếm và các
nguyên tố phóng xạ trong nghành công nghiệp xạ hiếm. Do đó ta có thể thấy
việc sử dụng phương pháp dùng SCO2 sẽ mở ra một phương pháp kỹ thuật mới
mà tiềm năng của nó có tác động lớn đến nhiều nghành công nghiệp quan trọng
trên thế giới.