1.4. Thu nhận các hoạt chất sinh học từ nấm Đầu khỉ
1.4.2. Chiết xuất bằng sóng siêu âm
Định nghĩa sóng siêu âm: 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, tức là trên 16 kHz [15].
Phân loại sóng siêu âm: Dựa vào tần số, cường độ sóng siêu âm việc sử dụng siêu âm đƣợc chia thành hai nhóm [15]:
- Năng lượng thấp (công suất thấp, cường độ thấp, tần số cao) tần số cao hơn 100 kHz ở mức cường độ dưới 1 W/cm2. Siêu âm cường độ thấp sử dụng mức công suất quá nhỏ do sóng siêu âm gây ra không làm thay đổi bản chất, thuộc tính của nguyên liệu sóng đi qua. Đƣợc ứng dụng trong kỹ thuật phân tích (thành phần, cấu trúc, trạng thái vật lý) thực phẩm cho kết quả nhanh chóng, chính xác, không phá hủy cấu trúc sản phẩm.
HV: Nguyễn Thị Lan Anh_CB130691 19 - Năng lượng cao (công suất cao, cường độ cao, tần số thấp từ 18 đến 100 kHz) ở mức cường độ cao trên 1 W/cm2, thường từ 10 – 1000 W/cm2. Ảnh hưởng vật lý, cơ học, hóa học của sóng siêu âm trong vùng này có khả năng làm thay đổi tính chất nguyên liệu (phá vỡ cấu trúc, tăng cường hoặc ức chế một số phản ứng hóa học nhất định). Các sóng âm thanh cường độ cao có thể gây ra áp lực cao bên trong các loại thực phẩm dạng lỏng, hình thành các bọt khí, tạo ra các dòng bọt khí cực nhỏ (microbubbles) chuyển động nhanh rồi nổ vỡ dữ dội.
Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là nghiên cứu chế biến thực phẩm để tạo nhũ tương, phá vỡ các tế bào, sự chiết xuất, đồng hóa, lọc, kết tinh, rã đông, và lạnh đông, trong khi một số nhóm nghiên cứu trên thế giới đang nghiên cứu khả năng vô hoạt hệ vi sinh vật và enzyme trong thực phẩm.
Nguyên lý tác động của sóng siêu âm:
Cơ chế xâm thực khí của sóng siêu âm: Khi sóng siêu âm 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, những vùng này áp lực thay đổi và hình thành bọt khí nhỏ. Trong chu trình dao động sóng, diện tích bề mặt bọt khí tăng lên theo thời gian, làm tăng sự khuếch tán khí. Sóng siêu âm rung động những bọt khí này, tạo nên hiện tƣợng ―sốc sóng”. Bọt khí ổn định trong chu trình sóng có thể lôi kéo những bọt khí khác vào trong trường sóng, kết hợp lại với nhau và tạo thành dòng nhiệt nhỏ [15][42]. Các bọt khí tạm thời có kích thước thay đổi rất nhanh, chỉ qua vài chu trình chúng bị vỡ ra, hình thành nên những điểm có nhiệt độ và áp suất cao đạt đƣợc trong bọt khí nổ [37].
Hiện tƣợng 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, hỗ trợ trích ly các chất tan [15].
HV: Nguyễn Thị Lan Anh_CB130691 20 Hình 1.7. Quá trình hình thành, phát triển và nổ vỡ của bọt khí
Hiện tượng vi xoáy: Sóng siêu âm cường độ cao truyền vào trong 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 hỗ loạn cực độ do tạo thành những vi xoáy.
Hiện tượng này làm tăng cường sự truyền khối đối lưu và thúc đẩy xảy ra sự khuếch tán ở một vài trường hợp mà sự khuấy trộn thông thường không đạt được [42].
Hiệu quả chiết xuất các hợp chất hòa tan khi sử dụng sóng siêu âm cường độ cao tăng lên nhờ sự tạo thành các bọt khí trong dung môi khi sóng truyền qua.
Dưới tác dụng của sóng, các bọt khí bị kéo nén, sự tăng áp suất, tăng nhiệt làm chúng hấp thụ năng lƣợng tới mức cực đại sẽ nổ tung dữ dội, tạo nên hiện tƣợng
―sốc sóng‖. Khi sự nổ vỡ của các bọt khí ở gần bề mặt pha rắn, xảy ra mất đối xứng sinh ra các tia dung môi có tốc độ cao bắn vào thành tế bào, do đó làm tăng sự xâm nhập của dung môi vào tế bào và làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa pha rắn và lỏng. Điều này làm tăng sự chuyển khối và phá vỡ cấu trúc tế bào. Sự nổ vỡ của các bọt khí làm tăng sự thoát của các chất nội bào vào dung môi. Năng lƣợng âm thanh được chuyển thành năng lượng cơ học dưới dạng sóng xung có áp lực khoảng vài nghìn at (50MPa). Năng lƣợng này làm tan rã tế bào khi động năng của nó lớn hơn độ bền của màng tế bào. Ngoài ra, gradient vận tốc rất lớn làm gia tăng quá trình phá vỡ và cắt đứt tế bào [15][42].
Những tác dụng chính của siêu âm trong quá trình chiết xuất [36]:
- Tăng mạnh tính thẩm thấu của dung môi chiết xuất.
HV: Nguyễn Thị Lan Anh_CB130691 21 - Làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai pha bằng cách phân tán chúng thành
những hạt nhỏ.
- Tăng cường sự xáo trộn của hỗn hợp (thay cho kỹ thuật khuấy trộn).
- Có tác dụng làm nóng cục bộ nên tăng tính hòa tan của dung môi.
- Tăng tốc độ của các phản ứng hóa học;
- Làm sạch và khử khí trong chất lỏng;
- Khử hoạt động của các vi sinh vật và men;
- Tăng tốc độ các quá trình chiết xuất;
Hiệu ứng nổ bọt khí trong lòng chất lỏng do siêu âm có khả năng tạo ra các tác động lý hóa: Khử khí, đồng nhất hóa, phân tán, kết tụ từng phần, oxy hóa, nhũ tương hóa, trùng hợp/khử trùng hợp các chất cao phân tử... Đa số các tác động này đều hỗ trợ rất tốt cho quá trình chiết xuất. Nhiều nước (Đức, Anh, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật, Nga, ...) đã ứng dụng hiệu ứng nổ bóng khí trong nông nghiệp để chiết xuất các hợp chất tự nhiên nhƣ: chiết xuất lá, rễ cây sâm, cây cỏ thảo, nhiều loại cây dƣợc liệu quý với quy mô công nghiệp làm giảm thời gian chiết xuất 2 đến 3 lần, chỉ sử dụng 50 - 70% lƣợng dung môi, hiệu suất chiết tách tăng lên 30 - 50% so với phương pháp chiết xuất truyền thống [39].
Hình 1.8. Một số hệ thống thiết bị chiết xuất bằng sóng siêu âm
Một nghiên cứu so sánh khả năng thu nhận Polysaccharide từ ba loại nấm bằng chiết xuất có hỗ trợ sóng siêu âm (UAE) (dung môi chiết: nước, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi là 1/30, cường độ sóng siêu âm: 21,7 w/cm2, tần số 20 KHz tại 50ºC trong 60 phút) và chiết xuất nước nóng thông thường (HWE) (dung môi chết: nước, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi là 1/30, tại 100ºC trong 120 phút) đã đƣợc báo cáo. Kết quả đƣợc trình bày trong bảng 1.3 [14].
.
HV: Nguyễn Thị Lan Anh_CB130691 22 Bảng 1.4. Sản lượng và tốc độ chiết xuất Polysaccharide từ ba loại nấm bằng
UAE và HWE. (tất cả được tính theo %, w/w của nấm nguyên liệu)
Kết quả cho thấy phương pháp UAE cho sản lượng Polysaccharide cao hơn nhiều so với chiết HWE, rút ngắn thời gian chiết gấp 3 lần, tốc độ chiết nhanh và triệt để hơn.