Dùng sóng siêu âm trích ly Isoflavone

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
O
Tiểu luận môn học Các kỹ thuật hiện đại trong CNTP
Tên đề tài:
Sử dụng sóng siêu âm trích ly
isoflavone


GVHD: PGS TS. LÊ VĂN VIỆT MẪN
HVTH: MAI THỊ HẢI ANH
NGUYỄN THỊ NGÂN
NGUYỄN NGỌC TÚ ANH
NGUYỄN THỊ NGUYÊN THẢO
Sử dụng Sóng siêu âm trích ly Isoflavone
MỞ ĐẦU
Isoflavons là một phytoestrogen có nhiều tiềm năng trong phòng và chữa
bệnh. Có nhiều phương pháp trích ly isoflavones, từ truyền thống đến hiện đại. Sử
dụng sóng siêu âm trong trích ly isoflavons là một kỹ thuật hiện đại góp phần khắc
phục một số nhược điểm của phương pháp truyền thống như giảm lượng dung môi,
giảm thời gian chiết, an toàn và hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn so với
phương pháp truyền thống.
Tuy nhiên trích ly bằng sóng siêu âm có nhiều vấn đề cần quan tâm
nghiên cứu để tăng hiệu quả trích ly, đó là các thông số tối ưu ảnh
hưởng đến quy trình như dung môi, tỷ lệ dung môi - mẫu, trạng thái
mẫu, nhiệt độ, thời gian ly trích, nguồn năng lượng sóng siêu âm để đạt
hiệu quả cao nhất.
Trang 2
Sử dụng Sóng siêu âm trích ly Isoflavone
1.2. GIỚI THIỆU CHUNG

2.1 Sóng siêu âm
2.1.1 Khái niệm
Siêu âm là sóng cơ học hình thành do sự lan truyền dao động của các phần tử
trong không gian có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe của con người
(16-20kHz). Ngoài ra, sóng siêu âm có bản chất là sóng dọc hay sóng nén, nghĩa là
trong trường siêu âm các phần tử dao động theo phương cùng với phương truyền của
sóng.
Các thông số của quá trình siêu âm:
- Tần số (Frequency, Hz): là số dao động phần tử thực hiện được trong
1 giây, (Hz).
- Biên độ (Amplitude): biểu thị mức độ thay đổi áp suất (so với áp suất
cân bằng của môi trường) trong quá trình dao động.
- Cường độ (Intensity, W/m
2
): là năng lượng mà sóng siêu âm truyền
trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc
với phương truyền âm. Công thức tính I = P/S; trong đó P là công
suất của nguồn âm (W), S là diện tích miền truyền âm (m
2
).
- Mức cường độ âm (Sound pressure level, B): là đại lượng được tính
bởi công thức: L = lg(I/I
o
). Trong đó I là cường độ âm tại điểm cần
tính, I
o
là cường độ âm chuẩn (âm ứng với tần số f = 1000 Hz) có giá
trị là: 10
-12
W/m

2
.
Hình 2.1: Các khoảng tần số của sóng siêu âm
Con người có thể nghe được sóng âm có tần số từ 16 Hz đến 18 kHz. Sóng
siêu âm là tên gọi của những sóng có tần số cao hơn 18 kHz. Giới hạn trên của tần số
sóng siêu âm thường là 5 MHz đối với chất khí và 500 MHz đối với chất lỏng hay
chất rắn. Trong phạm vi ứng dụng, sóng siêu âm được chia ra thành sóng siêu âm tần
Trang 3
Sử dụng Sóng siêu âm trích ly Isoflavone
số thấp, năng lượng cao (20kHz-100kHz) và sóng siêu âm tần số cao, biên độ nhỏ
(2MHz-10MHz) (Kuldiloke J., 2002).
Sử dụng sóng siêu âm năng lượng cao trong công nghệ thực phẩm ngày càng
được khảo sát tỉ mỉ. Phần lớn các nghiên cứu đều áp dụng tần số sóng trong khoảng
từ 20 kHz đến 40 kHz (Povey M.I.W. and Mason T.J, 1998).
2.1.2 Thiết bị phát sóng siêu âm
Thiết bị phát sóng siêu âm cũng phải gồm có 3 phần tối cần thiết sau:
- Bộ phận chuyển phần lớn điện năng thành dòng điện xoay chiều tần số cao
để vận hành bộ phận biến đổi .
- Bộ phận biến đổi chuyển dòng điện xoay chiều tần số cao thành những dao
động. Phần lớn thiết bị phát sóng siêu âm ngày nay sử dụng kỹ thuật áp điện. Hình
dạng và kích thước của bộ phận này phụ thuộc vào tần số làm việc, bộ phận 20 kHz
có chiều dài gấp đôi bộ phận 40 kHz. Năng lượng qua bộ biến đổi sẽ chuyển ngược
lại thành bình phương tần số dao động, vì vậy thiết bị năng lượng cao tần số thấp
được chú trọng. Bộ phận biến đổi nối với hệ thống truyền sóng thông qua một thiết bị
phụ (Povey M.I.W. and Mason T.J, 1998).
- Hệ thống truyền sóng sẽ truyền những dao động vào trong lòng chất lỏng.
Trong thiết bị phát sóng siêu âm dạng bể, bộ phận biến đổi được gắn ở đáy bể và
truyền trực tiếp dao động vào chất lỏng trong bồn. Tuy nhiên, đối với thiết bị năng
Trang 4
Hình 2.2. Phạm vi tần số sóng siêu âm

Sóng âm nghe thấy
Sóng siêu âm năng lượng cao
Phạm vi sóng mở rộng
Sóng siêu âm biên độ nhỏ
16 Hz – 18 kHz
20 kHz – 100 kHz
20 kHz – 2 MHz
5 MHz – 10 MHz
Sử dụng Sóng siêu âm trích ly Isoflavone
lượng cao (thiết bị dạng thanh/que) dao động được khuyếch đại và truyền vào môi
trường lỏng nhờ thiết bị trung gian gắn với bộ phận biến đổi. Theo thời gian, đầu của
bộ phận trung gian này có thể bị mòn và bị giảm chiều dài cần thiết vì vậy người ta
phải lắp đầu có thể tháo gỡ được (Povey M.I.W. and Mason T.J, 1998).
2.1.3 Nguyên lý tác động của sóng siêu âm
2.1.3.1 . Hiện tượng xâm khí thực
Khi sóng siêu âm được truyền vào môi trường chất lỏng, các chu trình kéo và
nén liên tiếp được tạo thành. Trong điều kiện bình thường, các phân tử chất lỏng ở rất
gần nhau nhờ liên kết hóa học. Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử
ở gần nhau hơn và trong chu trình kéo chúng bị tách ra xa. Áp lực âm trong chu trình
kéo đủ mạnh để thắng các lực liên kết giữa các phân tử và tạo thành những bọt khí
nhỏ. Bọt khí trở thành hạt nhân của hiện tượng xâm thực khí, bao gồm bọt khí ổn
định và bọt khí tạm thời (Kuldiloke J., 2002).
Bọt khí ổn định là nguồn gốc của những bong bóng khí nhỏ, kích thước của
chúng dao động nhẹ trong các chu trình kéo và nén. Sau hàng ngàn chu trình, chúng
tăng thêm về kích thước. Trong suốt quá trình dao động, bọt khí ổn định có thể
chuyển thành bọt khí tạm thời. Sóng siêu âm làm rung động những bọt khí này, tạo
nên hiện tượng “ sốc sóng “ và hình thành dòng nhiệt bên trong chất lỏng. Bọt khí ổn
định có thể lôi kéo những bọt khí khác vào trong trường sóng, kết hợp lại với nhau và
tạo thành dòng nhiệt nhỏ (Kuldiloke J., 2002).
Trang 5

Hình 2.3. Thiết bị phát sóng siêu âm dạng thanh
Sử dụng Sóng siêu âm trích ly Isoflavone
Các bọt khí tạm thời có kích cỡ thay đổi rất nhanh chóng, chỉ qua vài chu trình
chúng bị vỡ ra. Trong suốt chu trình kéo/nén, bọt khí kéo giãn và kết hợp lại cho đến
khi đạt được cân bằng hơi nước ở bên trong và bên ngoài bọt khí. Diện tích bề mặt
bọt khí trong chu trình kéo lớn hơn trong chu trình nén, vì vậy sự khuyếch tán khí trong chu
trình kéo lớn hơn và kích cỡ bọt khí cũng tăng lên trong mỗi chu trình. Các bọt khí
lớn dần đến một kích cỡ nhất định mà tại đó năng lượng của sóng siêu âm không đủ
để duy trì pha khí khiến các bọt khí nổ tung dữ dội. Khi đó các phân tử va chạm với
nhau mãnh liệt tạo nên hiện tượng “ sốc sóng “ trong lòng chất lỏng, kết quả là hình
thành những điểm có nhiệt độ và áp suất rất cao (5000
0
C và 5x10
4
kPa) với vận tốc rất
nhanh 10
6 o
C/s (Kuldiloke J., 2002).
Hiện tượng xâm thực khí mở đầu cho rất nhiều phản ứng do có sự hình thành
các ion tự do trong dung dịch; thúc đẩy các phản ứng hóa học nhờ có sự trộn lẫn các
chất phản ứng với nhau; tăng cường phản ứng polymer hoá và depolymer hóa bằng
cách phân tán tạm thời các phần tử hay bẻ gãy hoàn toàn các liên kết hóa học trong
chuỗi polymer; tăng hiệu suất đồng hoá; hỗ trợ trích ly các chất tan như enzyme từ tế
bào động vật, thực vật, nấm men hay vi khuẩn; tách virus ra khỏi tế bào bị nhiễm;
loại bỏ các phần tử nhạy cảm bao gồm cả vi sinh vật (Kuldiloke J., 2002).
Trang 6
Hình 2.4. Quá trình hình thành, phát triển và vỡ của bọt khí
Sử dụng Sóng siêu âm trích ly Isoflavone
2.1.3.2 Hiện tượng vi xoáy
Sóng siêu âm cường độ cao truyền vào trong lòng chất lỏng sẽ gây nên sự kích

thích mãnh liệt. Tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha lỏng/rắn hay khí/rắn, sóng siêu âm
gây nên sự hỗn loạn cực độ do tạo thành những vi xoáy. Hiện tượng này làm giảm
ranh giới giữa các pha, tăng cường sự truyền khối đối lưu và thúc đẩy xảy ra sự khuyếch
tán ở một vài trường hợp mà khuấy trộn thông thường không đạt được (Kuldiloke J., 2002).
2.1.4 Các hiệu ứng vật lý và hóa học khi chiếu siêu âm lên hệ chất lỏng
2.1.4.1 Hiện tượng sủi bóng (cavitation): Sóng siêu âm được tạo ra
bằng các dao động cơ học ở tần số cao hơn 15kHz. Khi truyền
trong môi trường lỏng, các phần tử trong trường siêu âm trải qua
các chu trình nén (compression) và duỗi (rarefaction) và những
dao động này sẽ lan truyền cho các phần tử kế cận. Khi năng
lượng đủ lớn, tại chu trình duỗi, tương tác giữa các phân tử sẽ
vượt quá lực hấp dẫn nội tại và các lỗ hổng nhỏ trong lòng chất
lỏng được hình thành. Hiện tượng trên còn được gọi là hiện
tượng sủi bóng. Những bóng sủi này sẽ lớn dần lên bởi quá trình
khuếch tán một lượng nhỏ các cấu tử khí (hoặc hơi) từ pha lỏng
trong suốt pha dãn nở và không được hấp thụ hoàn toàn trở lại
trong quá trình nén.
2.1.4.2 Hiện tượng vỡ bóng
Khi chúng đạt đến một thể tích mà chúng không còn có thể hấp thu được năng
lượng, chúng vỡ ra một cách đột ngột và nhanh chóng. Trong suốt quá trình vỡ, nhiệt
độ và áp suất sẽ tăng lên rất cao (khoảng 4000K và 1000atm). Thể tích chất lỏng bị
gia nhiệt là rất nhỏ và nhiệt nhanh chóng bị tiêu tan, mặc dù nhiệt độ tại vùng này thì
rất cao trong vài µs. Mặt khác, nhiệt độ và áp suất cao tạo ra khi nổ bong bóng sẽ dẫn
tới sự tạo thành các gốc tự do như là H
•
và OH
•
.
 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hình thành và vỡ bóng
Một số thông số như là tần số và biên độ của sóng siêu âm, nhiệt độ và độ

nhớt của môi trường ảnh hưởng đến mức độ tạo bong bóng khí.
Sự hình thành các lỗ hổng hay bóng khí có thể bị giới hạn ở tần số cao hơn 2,5
Trang 7
Sử dụng Sóng siêu âm trích ly Isoflavone
MHz. Kích thước bong bóng khí thu được ở tần số thấp hơn 2,5 MHz là tối đa và do
đó những bong bóng khí này sẽ tạo ra năng lượng lớn khi vỡ.
Siêu âm với biên độ cao hơn sẽ hình thành hiện tượng sủi bong bóng với
cường độ mạnh hơn. Bong bóng được hình thành nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn do
tăng áp suất hơi và giảm sức căng. Tuy nhiên sức căng hơi cao hơn sẽ làm yếu đi
cường độ nổ bong bóng.
Độ nhớt của chất lỏng cũng ảnh hưởng đến hiện tượng sủi bong bóng. Trong
môi trường có độ nhớt cao, sự lan truyền của các phần tử trong trường siêu âm bị cản
trở và do đó làm giảm mức độ sủi bong bóng. Trong trường hợp này, siêu âm có tần
số thấp hơn và năng lượng cao hơn có khả năng xuyên thấu vào thực phẩm tốt hơn là
siêu âm có tần số cao hơn.
2.1.5 Ứng dụng của sóng siêu âm
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:
- Siêu âm tần số cao và năng lượng thấp: còn được gọi là siêu âm chuẩn đoán, trong
khoảng tần số 20 – 60 MHz [51]. Phần này được sử dụng như một kỹ thuật phân tích, không
làm phá hủy cấu trúc của mẫu, điều này được ứng dụng để xác định tính chất thực phẩm, đo
tốc độ dòng chảy, kiểm tra bao gói thực phẩm ....(Floros, J. D., 1994).
- Tần số thấp và siêu âm năng lượng cao (2 MHz – 10 MHz): được ứng dụng rộng
rãi như một quá 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, J. D., 1994).
2.2 Giới thiệu về Isoflavone
2.2.1 Cấu tạo
Trang 8

Sử dụng Sóng siêu âm trích ly Isoflavone
Hình 2.5: Cấu tạo isoflavone
Bảng 2.1. Danh sách các isoflavone
TÊN R
1
R
2
R
3
Daidzein H H H
Glycitein H OCH
3
H
Genistein OH H H
Daidzin H H Glucisyl
Glycitin H OCH
3
Glucosyl
Genistin OH H Glucosyl
Acetyl hoặc Malonyl daidzin H H
Glucosyl-COCH
3
hoặc
Glucosyl-COCH
2
COOH
Acetyl hoặc Malonyl glycitin H OCH
3
Glucosyl-COCH
3

hoặc
Glucosyl-COCH
2
COOH
Acetyl hoặc Malonyl genistin OH H
Glucosyl-COCH
3
hoặc
Glucosyl-COCH
2
COOH
2.2.2 Nguồn gốc và tính chất
Isoflavone là các chất hữu cơ thuộc nhóm polyphenol có liên quan với
flavonoid (isoflavone và flavonoid khác nhau ở vị trí gắn của vòng benzen). Sự khác
biệt trong cấu tạo phân tử giữa isoflavone và flavones ở vị trí gắn nhóm phenyl vào
gốc chromone (vị trí 3 ở isoflavone và vị trí 2 ở flavones)
Isoflavone có nguồn gốc từ thảo mộc, có nhiều trong đậu nành. Những hợp
chất có thành phần tương tự như isoflavon vẫn được tìm thấy trong một số loài thực
vật như: cỏ 3 lá, cỏ linh lăng, cây dong…nhưng chúng không ăn được. Cho đến nay,
đậu nành là loại thực phẩm duy nhất có chứa chất isoflavone. Đó là lý do tại sao đậu
nành đã thu hút được sự chú ý, tập trung nghiên cứu từ các nhà khoa học.
Cơ chế hoạt động và chức năng isoflavone như những hoocmon nữ và mang
tính lành giúp cơ thể chống lại chứng loãng xương, bệnh tim mạch, và 1 số loại ung
thư. Thường xuyên sử dụng isoflavone làm giảm tỷ lệ các bệnh tiền mãn kinh và các
triệu chứng mãn kinh khác.
Trang 9
R
3
O
Sử dụng Sóng siêu âm trích ly Isoflavone

Theo đánh giá của Branca và Lorenzetti đề nghị sử dụng 50 - 110mg
isoflavone mỗi ngày từ 6 - 12 tháng cải thiện chất lượng xương.
3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY ISOFLAVON
3.1Phương pháp cổ điển
Các kỹ thuật truyền thống sử dụng soxhlet, Shaking, stirring là những kỹ thuật
phổ biến được sử dụng để ly trích isoflavon.
Các yếu tố ảnh hưởng:
Dung môi: Theo nghiên cứu của Eldridge (1982) sử dụng dung môi MeOH và
EtOH và etylacetate và MeCN với đậu nành tách béo để trích ly isoflavones. Theo
đánh giá này 80% MeOH sẽ cho hiệu quả trích ly isflovones là cao nhất và hầu hết là
được tái sinh được isoflavon.
Thời gian ly trích hiệu quả là 4h, tỉ lệ dung môi: mẫu thì nó sẽ khác nhau từ
14:1 - 45:1 một khi điều kiện ly trích được thiết lập phương pháp này được sử dụng
để xác định hàm lương isflavones từ bột đậu nành, protein concentrates và isolate.
Một nghiên cứu đi tiên phong bởi Murphy (1981) đã so sánh những dung môi
khác nhau như MeOH, ACE, MeCN và chloroform-MeOH kết quả đã chỉ ra rằng với
dung môi tinh khiết thì nó sẽ làm tăng hiệu quả trích ly tổng hàm lượng isoflavones
chủ yếu (Gi, Ge, Di và De) và theo nghiên cứu này thì MeCN cùng với nước hoặc
acid thì cho hiệu quả trích ly cao hơn những dung môi còn lại.
Theo Murphy thì 80% methanol và 83% acid acetonitrile trở thành dung môi
được sử dụng phổ biến trong việc ly trích isoflavones.
Phương pháp này được phát triển bởi Murphy và nó phụ thuộc vào lượng mẫu
thể tích dung môi lượng nước thêm vào và kỹ thuật khuầy đảo .
Theo Song et al cùng cộng sự (1998) đã đánh giá lại phương pháp của Murphy
và báo cáo rằng việc sử dụng nước thêm vào acid HCl và MeCN làm tăng khả năng
phục hồi isoflavones đối với hầu hết thực phẩm từ đậu nành thì 7ml nước thì cho hiệu
quả lớn nhất trong việc trích ly sử dụng một tỉ lệ dung môi và mẫu cao hơn 6ml/g
những điều tra này trên mầm đậu nành (có hàm lượng isoflavones cao trên 10mg/g ).
Trang 10
Sử dụng Sóng siêu âm trích ly Isoflavone

Theo Achouri (2005) nghiên cứu ly trích isoflavon từ đậu nành tách béo
(DSM) và protein đậu nành isolate (PSI) kết luận rằng :
DSM: 80%MeCN thì làm tăng hiệu quả ly trích malonyl isoflavon và
aglycones, 80% MeOH có hiệu quả hơn trong việc ly trích glucoside.
SPI:80% EtOH cho hiệu quả trích ly aglycon cao nhất.
EtOH: hiệu quả ly trích cao, ít độc, thân thiện với môi trường, giá thành rẻ
Số lần trích ly: càng tăng thì hiệu quả càng cao. Ví dụ với mẫu DSM tăng từ
65% đấn 74% sau 5 lần ly trích , SPI: 107 đến 147%
Nhiệt độ: theo Barnes và cộng sự (1994) sử dụng ly trích ispoflavon ở 60
0
C,
khi tăng nhiệt độ lên 80
0
C tăng tốc độ ly trích.
Coward cùng cộng sự (1998) đã đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ lên việc ly
trích isoflavones từ thức ăn từ đậu nành. Isoflavones β-glucoside conjugates được ly
trích bởi dung môi là 80% MeOH tại các khoảng nhiệt độ phòng, 4
0
C và ở 80
0
C, thời
gian từ 2- 72 giờ bằng việc đảo trôn hoặc lắc rung.
4
0
C: cho nồng độ malonyl glucosides cao nhất và nồng độ β-glucoside
conjugates thấp nhất
80
0
C: có sự chuyển hóa từ malonyl glucosides conjugate thành β-glucoside
conjugates, tuy nhiên tổng lượng isoflavons trích ly được vẫn không thay đổi.

3.2 Phương pháp hiện đại
3.2.1 Kỹ thuật trích ly bằng sóng siêu âm (Ultrasound-assisted extraction UAF) sẽ
được trình bày chi tiết ở mục 3.
3.2.2 Kỹ thuật trích ly bằng vi sóng
Là những nguồn sóng có chiều dài bước sóng từ 1mm đến 1m, hoặc từ tần số
300 MHz đến 300GHz ly trích bằng sóng siêu âm dựa vào nguồn năng lượng hấp thụ
bởi các phân tử hóa học có cực.
Hiệu quả của phương pháp sử dụng vi sóng phụ thuộc vào các yếu tố:
• Tính chất dung môi
Trang 11
Sử dụng Sóng siêu âm trích ly Isoflavone
• Vật liệu mẫu
• Thành phần được ly trích
Kỹ thuật này được sử dụng gần đây trong một vài trường hợp như trích ly
isoflavon từ đậu nành hay các loại đậu, sắn dây. Hiệu quả ly trích isoflavon từ đậu
nành bằng vi sóng được trình bày trong bảng 2.2
Bảng 2.2. Kỹ thuật trích ly isoflavones từ đậu nành bằng vi sóng
Theo Rostangno et al và công sự, trích ly isoflavon từ đậu nành phụ thuộc các
yếu tố:
• Loại dung môi
• Nhiệt độ
• Thể tích dung môi
• Chuẩn bị mẫu
• Thời gian ly trích
a. Dung môi: tinh khiết, MeOH, EtOH, và nước
Trang 12