Lưu chất siêu tới hạn và ứng dụng CO2 siêu tới hạn trích ly hương liệu, tinh chất trong công nghệ chế biến thực phẩm

Phần 1: Lời nói đầu:

Xem chi tiết thiết bị

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 CO2 được sử dụng phổ biến hơn cả bởi ngoài đặc tính chung CO2 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 CO2 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 tách 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 Nam được Viện hàn lâm khoa học Nga giúp đỡ đã nhập thiết bị chiết CO2 lỏng của Nga vào năm 2009. Khí CO2 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 CO2 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 CO2 trong một tầm nhìn mới – CO2 – 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 CO2 để tách và phân tích cặn dư của thuốc trừ sâu và PCB (Biphenyl polyclo hóa) trong mẫu thực phẩm, nước và đất. CO2 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 CO2 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 CO2 siêu tới hạn cho hiệu suất cao hơn. Đây là phương pháp mới hiện nay trên thế giới, và cũng cần nói thêm là không chỉ có CO2 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 dụ . Bất 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 CO2 được đưa lên nhiệt độ, áp suất cao hơn nhiệt độ, áp suất tới hạn của nó (Tc= 310C, Pc = 73,8 bar), CO2 sẽ chuyển sang trạng thái siêu tới hạn. Tại trạng thái này CO2 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 hòa 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 CO2 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 SCO2 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 nhanh nên rút ngắn thời gian trích ly. Hơn nữa CO2 có một số đặc điểm nổi bật và hơn hẳn các loại dung môi khác:
 - CO2 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 kết hợp với các chất cần tách chiết. 
- Không bắt lửa, không duy trì sự cháy. 
- Không làm ô nhiễm môi trường. 
- Có khả năng hòa tan tốt các chất tan hữu cơ ở thể rắn cũng như lỏng, đồng thời cũng hòa tan lẫn cả các chất thơm dễ bay hơi. Có sự chọn lọc khi hòa tan, không hòa 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. CO2 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 SCO2 trong trích ly hương liệu, tinh chất trong công nghệ chế biến thực phẩm. 
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 SCO2 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 SCO2 để chiết tách cafein ra khỏi cà phê và chè, và đã được áp dụng lần 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 SCO2 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 SCO2 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 CO2 – khí gây lên hiệu ứng nhà kính theo lời kêu gọi giảm khí thải CO2 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 CO2 cũng không thể bị oxy hóa – là dung môi lý tưởng để thực hiện quá trình oxy hóa (1994 Weatherly). 
*Một số ứng dụng khác: Phương pháp SCO2 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 SCO2 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 hóa, 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 SCO2 đang được nghiên cứu để chiết tách các hoạt chất chữa bệnh hoặc tăng cường sức khỏe 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.

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