Nghiên cứu quá trình tinh chế curcumin từ dịch chiết củ nghệ vàng

Do vậy nhiệm vụ đặt ra của luận văn là nghiên cứu lý thuyết để thiết lập mô hình động học quá trình kết tinh và nghiên cứu thực nghiệm quá trình tinh chế Curcumin từ Nghệ vàng có nguồn g

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

BẢN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2011

Trang 2

Tác giả luận văn: Lê Hoài Nga Khóa: KTHH 2009

Người hướng dẫn: TS Phùng Lan Hương

Nội dung tóm tắt:

Curcumin là hoạt chất chính của nghệ vàng, được phát hiện đầu tiên vào năm

1842, đã được công nhận có độ tinh khiết cao, không chứa tác nhân độc hại Bên cạnh các tác dụng trong chữa trị các bệnh ngoài da, tiêu hóa và tim mạch, Curcumin còn được biết đến là chất huỷ diệt ung thư vào loại mạnh nhất và là chất có triển vọng được

sử dụng trong điều trị HIV-AIDS giá rẻ Ngày nay, Curcumin được sử dụng rộng rãi trong công nghệ dược phẩm và sản xuất sản phẩm chức năng

Quy trình sản xuất Curcumin bao gồm ba quá trình chính: Trích ly, Cô đặc và Tinh chế Trong đó, quá trình Trích ly quyết định năng suất, quá trình Tinh chế quyết định thời gian toàn bộ quy trình sản xuất cũng như chất lượng sản phẩm

Bắt đầu với dự án VLIR-HUT AP07/Prj03/Nr04 (2007), nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu thành công quá trình Trích ly Tuy nhiên, để đạt được mục đích cuối cùng

là sản xuất sản phẩm có độ tinh khiết cao thì cần thiết phải nghiên cứu quá trình Tinh chế Curcumin trong dung dịch Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu quá trình này

Luận văn đặc biệt tập trung nghiên cứu công đoạn kết tinh trong quá trình tinh chế, là một công đoạn đặc biệt quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm và là cơ

sở cho mục đích chuyển quy mô Do vậy nhiệm vụ đặt ra của luận văn là nghiên cứu lý thuyết để thiết lập mô hình động học quá trình kết tinh và nghiên cứu thực nghiệm quá trình tinh chế Curcumin từ Nghệ vàng có nguồn gốc từ vùng Vôi Chũ - Bắc Giang để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung môi trong dung dịch kết tinh đến thời gian kết tinh và hiệu suất sản phẩm cũng như kiểm chứng độ chính xác của mô hình

Luận văn đã thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:

• Nghiên cứu quy trình sản xuất và tinh chế Curcumin từ nghệ vàng, lựa chọn phương pháp kết tinh và kết tinh lại để tiến hành tinh chế Curcumin nhằm thu sản phẩm có độ tinh khiết cao;

Trang 3

- Khảo sát động học quá trình kết tinh Curcumin trong dung dịch với dung môi Etanol có nồng độ khác nhau;

- Xác định tham số của mô hình động học quá trình kết tinh Curcumin trong dung dịch;

- Kiểm chứng sự đúng đắn của mô hình

- Nghiên cứu lý thuyết quá trình kết tinh trong dung dịch, bao gồm: các giai đoạn của quá trình kết tinh, cơ chế và tốc độ của từng giai đoạn;

- Nghiên cứu thiết lập mô hình động học quá trình kết tinh Curcumin trong dung dịch: giả thiết, phương pháp thiết lập mô hình và giải mô hình từ thực nghiệm;

- Nghiên cứu thực nghiệm quá trình kết tinh Curcumin trong dung dịch để kiểm chứng mô hình

Tinh chế Curcumin là quá trình tiêu tốn nhiều thời gian Muốn giảm thời gian toàn bộ quy trình sản xuất cũng như đảm bảo thuận tiện trong chuyển quy mô, cần lựa chọn phương pháp Tinh chế thích hợp Luận văn đã lựa chọn phương pháp kết tinh và kết tinh lại để tiến hành tinh chế

Luận văn đã nghiên cứu ảnh hưởng của hệ dung môi Etanol – Nước đến nồng độ bão hòa của dung dịch và thời gian tiến hành kết tinh

Luận văn cũng thiết lập được mô hình động học giai đoạn kết tinh, xác định tham số của mô hình trong trường hợp kết tinh Curcumin với dung môi Etanol – Nước

ở các tỷ lệ khác nhau, kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình

Mô hình động học này có ý nghĩa to lớn trong các nghiên cứu chuyển quy mô sau này

Hà Nội, ngày 12 tháng 5 năm 2011

Người hướng dẫn

TS Phùng Lan Hương

Trang 4

Học viên: Lê Hoài Nga 1

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9

MỞ ĐẦU…… 11

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 13

1.1 TỔNG QUAN VỀ NGHỆ VÀ CURCUMIN 13

1.1.1 Vài nét chung về nghệ 13

1.1.2 Hoạt chất Curcumin 16

1.2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT VÀ TINH CHẾ CURCUMIN TỪ CỦ NGHỆ VÀNG 19

1.2.1 Quá trình trích ly 20

1.2.2 Quá trình cô đặc 23

1.2.3 Quá trình tinh chế 24

1.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ CURCUMIN 31

1.3.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích quang phổ đo quang 31

1.3.2 Phương pháp đường chuẩn trong phân tích đo quang 36

1.3.3 Phương pháp phân tích đo quang xác định nồng độ Curcumin 36

CHƯƠNG 2 - NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

2.1 NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH KẾT TINH CURCUMIN TRONG DUNG DỊCH 38

2.1.1 Giả thiết 38

2.1.2 Phương pháp thiết lập mô hình 38

Trang 5

2.2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH KẾT TINH ĐỂ KIỂM

CHỨNG MÔ HÌNH 39

2.2.1 Phương pháp xác định nồng độ Curcumin trong dung dịch 39

2.2.2 Tiến hành thực nghiệm xác định tham số của mô hình 42

CHƯƠNG 3 - THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 47

3.1 HOÁ CHẤT VÀ THIẾT BỊ 47

3.1.1 Hoá chất 47

3.1.2 Thiết bị 47

3.1.3 Dụng cụ 51

3.2 THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH KẾT TINH CURCUMIN TRONG DUNG DỊCH 51

3.2.1 Xây dựng mô hình 51

3.2.2 Phương pháp xác định tham số của mô hình từ thực nghiệm 54

3.3 KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH BẰNG THỰC NGHIỆM 57

3.3.1 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Curcumin bằng phương pháp đo quang 57

3.3.2 Khảo sát động học quá trình kết tinh Curcumin trong dung dịch với dung môi có nồng độ khác nhau 61

3.3.3 Xác định tham số của mô hình động học quá trình kết tinh Curcumin trong dung dịch 68

KẾT LUẬN… 82

KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC…… 88

Trang 6

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sỹ Khoa học này là công trình nghiên cứu thực

sự của cá nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Phùng Lan Hương

Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được công

bố trong bất cứ công trình nào khác

Hà N ội, ngày 12/5/2011

Tác giả

Lê Hoài Nga

Trang 7

về cơ sở vật chất và trang thiết bị cho tôi tiến hành thực nghiệm

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô, đồng nghiệp trong Bộ môn Quá trình – Thiết bị Công nghệ Hóa & Thực phẩm, bạn bè và gia đình đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện về thời gian để giúp đỡ tôi hoàn thành Luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Phùng Lan Hương đã tận tình hướng dẫn tôi trong toàn bộ thời gian làm Luận văn, và cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến ThS NCS Nghiêm Xuân Sơn, dù công tác xa nhưng luôn đóng góp những ý kiến chuyên môn quý báu để tôi có thể hoàn thiện Luận văn của mình

Hà N ội, ngày 12/5/2011

Tác giả

Lê Hoài Nga

Trang 8

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

A 0 - Diện tích bề mặt hạt tinh thể tại thời điểm ban đầu, cm2;

A t - Diện tích bề mặt hạt tinh thể tại thời điểm t, cm2;

A Σ - Tổng diện tích bề mặt tinh thể trong quá trình kết tinh, cm2;

C - Nồng độ chất tan trong dung dịch quá bão hòa, g/ml;

C 0 - Nồng độ chất tan trong dung dịch đầu, g/ml;

C * - Nồng độ chất tan trong dung dịch bão hòa, g/ml;

f s - Hệ số hình dạng;

G - Tốc độ lớn lên của tinh thể theo chiều dài, cm/ph;

K A - Hằng số liên quan đến tốc độ lớn lên của tinh thể, cm/ph;

K m - Tỷ lệ giữa khối lượng mầm tinh thể và thể tích dung dịch

K 1 - Hằng số phụ thuộc bản chất tinh thể, khối lượng mầm tinh

K 2 - Hằng số phụ thuộc bản chất tinh thể và khối lượng mầm

L 0 - Chiều dài đặc trưng của tinh thể tại thời điểm ban đầu, cm;

L t - Chiều dài đặc trưng của tinh thể tại thời điểm t, cm;

m - Lượng tinh thể kết tinh được tại thời điểm t, g;

m 0 - Khối lượng mầm tinh thể đưa vào dung dịch đầu, g;

Trang 9

n - Bậc động học của giai đoạn kết tinh;

N - Số lượng mầm tinh thể trong dung dịch đầu, hạt;

Trang 10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Bảng tính tan của Curcumin trong một số dung môi 17 Bảng 2 Hiệu quả các phương pháp trích ly Curcumin từ nghệ 21 Bảng 3 Lựa chọn hệ dung môi Etanol - Nước sử dụng trong phân tích 40 Bảng 4 Nồng độ mẫu Curcumin trong xây dựng đường chuẩn theo phương pháp đo

quang ph ổ UV-Vis 40 Bảng 5 Các thông số xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Curcumin trong dung

d ịch theo phương pháp đo quang 59 Bảng 6 Thực nghiệm xác định đường chuẩn của phương pháp đo quang định lượng

Curcumin trong dung d ịch 60 Bảng 7 Thông số ban đầu của thí nghiệm kết tinh Curcumin trong dung dịch 62 Bảng 8 Giả thiết bậc động học n = 1 của quá trình kết tinh Curcumin trong dung môi

Etanol 75 % th ể tích 69 Bảng 9 Giả thiết bậc động học n = 1 của quá trình kết tinh Curcumin trong dung môi

Etanol 94 % th ể tích 79 Bảng 13 Sai số đường chuẩn của phương pháp phân tích đo quang xác định nồng độ

Curcumin trong dung dung d ịch 88 Bảng 14 Kết quả thực nghiệm kiểm chứng độ chính xác của đường chuẩn trong

ph ương pháp đo quang xác định nồng độ Curcumin trong dung dịch 89 Bảng 15 Kết tinh Curcumin trong dung môi Etanol 75 % thể tích 90

Trang 11

Bảng 16 Kết tinh Curcumin trong dung môi Etanol 80 % thể tích 91

Bảng 20 So sánh thực nghiệm và mô hình thí nghiệm kết tinh Curcumin trong dung môi Etanol 75 % th ể tích 95

Trang 12

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 Chi nghệ 13

Hình 2 Hình ảnh cây và củ nghệ vàng 14

Hình 3 Công thức cấu tạo của Curcumin 16

Hình 4 Quy trình tách chiết Curcumin từ nghệ 19

Hình 5 Sự thay đổi nồng độ chất kết tinh theo thời gian 27

Hình 6 Sơ đồ các mức năng lượng 33

Hình 7 Sơ đồ nguyên lý hấp thụ ánh sáng của dung dịch 34

Hình 8 Sơ đồ khối thiết bị quang phổ hấp thụ điện tử 34

Hình 9 Phương pháp đường chuẩn trong phân tích đo quang 36

Hình 10 Đồ thị đường chuẩn theo lý thuyết 41

Hình 11 Lý thuyết về sai số của đường chuẩn 41

Hình 12 Cân phân tích 48

Hình 13 Thiết bị siêu âm 48

Hình 14 Hệ thống cất quay chân không 49

Hình 15 Thiết bị ổn nhiệt 49

Hình 16 Hệ thống thiết bị khuấy từ 50

Hình 17 Hệ thống máy phân tích đo quang 50

Hình 18 Phổ UV-Vis của dung dịch Curcumin chuẩn dùng để xác định bước sóng phát hi ện 58

Hình 19 Lựa chọn hệ dung môi sử dụng trong phương pháp phân tích đo quang xác định nồng độ Curcumin trong dung dung dịch 58

Hình 20 Sai số của đường chuẩn trong phương pháp phân tích đo quang xác định n ồng độ Curcumin trong dung dịch 59

Hình 21 Phổ UV của dung dịch Curcumin chuẩn dùng để xây dựng đường chuẩn 60

Trang 13

Hình 22 Đồ thị đường chuẩn trong phương pháp đo quang xác định nồng độ

Curcumin trong dung d ịch 61

Hình 23 Sự thay đổi nồng độ Curcumin theo thời gian trong dung dịch kết tinh (dung môi Etanol 75 % th ể tích) 63

Hình 28 Sự thay đổi nồng độ Curcumin của dung dịch bão hòa trong quá trình kết tinh theo n ồng độ dung môi Etanol 66

Hình 29 Sự thay đổi thời gian bão hòa của dung dịch kết tinh theo nồng độ dung môi Etanol (C 0 ≈ 18 mg/ml) 67

Hình 30 Sự thay đổi thời gian bão hòa của dung dịch kết tinh theo nồng độ dung môi Etanol (C 0 ≈ 21 mg/ml) 67

Hình 31 Kết quả so sánh thực nghiệm và mô hình của thí nghiệm TN1 70

Trang 14

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ và xã hội, nhu cầu chăm sóc sức khoẻ của con người ngày càng được chú trọng Do đó, từ các nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên, các nhà khoa học đã tiến hành tìm kiếm và nghiên cứu các loài thực vật có hoạt tính sinh học cao phục vụ cho y dược Một trong số các các loài thảo dược thu hút nhiều sự chú ý là nghệ vàng (Curcuma longa Linn)

Curcumin là hoạt chất chính của nghệ vàng, được phát hiện đầu tiên vào năm

1842, đã được công nhận có độ tinh khiết cao, không chứa tác nhân độc hại Bên cạnh các tác dụng trong chữa trị các bệnh ngoài da, tiêu hóa và tim mạch, Curcumin còn được biết đến là chất huỷ diệt ung thư vào loại mạnh nhất và là chất có triển vọng được

sử dụng trong điều trị HIV-AIDS giá rẻ Ngày nay, Curcumin được sử dụng rộng rãi trong công nghệ dược phẩm và sản xuất sản phẩm chức năng

Curcumin được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu để tìm ra công nghệ tách chiết và tinh chế Nhiều thành tựu trên thế giới đã công bố tác dụng nổi bật của Curcumin cũng như các phương pháp chiết xuất và tinh chế một cách hiệu quả, sản phẩm có chứa Curcumin đã được bán rất nhiều nhưng với giá thành khá cao

Ở Việt Nam, sản xuất thuốc chưa phát triển và vẫn thường xuyên phải nhập từ nước ngoài Hơn nữa ở nước ta tỷ lệ người mắc ung thư ngày càng tăng, nhưng do chi phí điều trị tốn kém và thời gian điều trị kéo dài nên không phải bệnh nhân nào cũng có

đủ điều kiện để chữa trị Trước tình hình đó, các nhà khoa học Việt Nam đã nghiên cứu tách chiết các hợp chất thiên nhiên để ứng dụng trong chữa trị, trong đó đã nghiên cứu tách chiết Curcumin từ cây nghệ vàng – loài cây mọc phổ biến ở nước ta

Quy trình sản xuất Curcumin bao gồm 3 quá trình chính: Trích ly, Cô đặc và Tinh chế Trong đó, quá trình Trích ly quyết định đến năng suất sản phẩm, quá trình Tinh chế đóng vai trò quyết định đến thời gian toàn bộ quy trình sản xuất cũng như chất lượng sản phẩm

Trang 15

Bắt đầu với dự án VLIR-HUT AP07/Prj03/Nr04 (2007), nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu thành công quá trình Trích ly, đưa ra được phương pháp trích ly thích hợp (phương pháp trích ly có sự trợ giúp của sóng siêu âm), xây dựng và kiểm chứng mô hình toán học cho phép khảo sát lượng sản phẩm thu được theo thời gian và đề xuất phương pháp nghiên cứu chuyển quy mô dựa trên mô hình

Luận văn này nghiên cứu hai quá trình còn lại trong quy trình sản xuất Curcumin, trong đó đặc biệt tập trung nghiên cứu công đoạn kết tinh trong quá trình tinh chế, là một công đoạn đặc biệt quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm và

là cơ sở cho mục đích chuyển quy mô Do vậy nhiệm vụ đặt ra của luận văn là nghiên cứu lý thuyết để thiết lập mô hình động học quá trình kết tinh và nghiên cứu thực nghiệm quá trình tinh chế Curcumin từ Nghệ vàng có nguồn gốc từ vùng Vôi Chũ - Bắc Giang để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung môi trong dung dịch kết tinh đến thời gian kết tinh và hiệu suất sản phẩm cũng như kiểm chứng độ chính xác của mô hình

Trang 16

Hình 1 Chi nghệ

Trước đây, người ta dựa vào đặc điểm hình thái thực vật để phân biệt các loài nghệ Ngày nay, ngoài đặc điểm thực vật, có thể dựa vào thành phần hóa học để giúp phân biệt các loài nghệ

Ở Việt Nam có khoảng 18 loài nghệ Nhiều loài nghệ trong số này đã được nghiên cứu Một số loài tuy có tên trong sách phân loại nhưng hiện không tìm thấy, ngược lại một số loài nghệ khác được tìm thấy nhưng chưa được định danh

Giới : Plantae

Bộ : Gingiberales

Phân họ: Gingiberoideae Tông : Gingibereae Chi : Curcuma L

Trang 17

Học viên: Lê Hoài Nga

Một số loài ngh

Curcuma longa Linn

Curcuma aromatica Salisb

: Lê Hoài Nga

loài nghệ phổ biến ở Việt Nam và được dân gian dùng làm thu

à cây thảo sống lâu năm, cao khoảng 1m, thân r

ối, trên đó sinh ra nhiều rễ trụ, rễ to Rễ c

3 cm, mặt ngoài màu nâu vàng nhạt, nhăn nheo có nh

òn lại vết tích của nhánh và rễ phụ Cắt ngang cngoài màu vàng nhạt hơn và trụ ở giữa màu màu vàng s

ắc, đặc biệt có vị cay Lá hình trái xoan thon nh

i 45 cm, rộng tới 18 cm, lá mọc so le, có b

n Quả hình cầu có 3 ô

t Nam, nghệ vàng được trồng và phát triển tốt ở

ăn nheo có những đường

t ngang củ nghệ thấy rõ hai

a màu màu vàng sẫm hơn chiếm 2/3 cay Lá hình trái xoan thon nhọn ở hai đầu, hai

le, có bẹ Hoa màu vàng xếp

ở nhiều nơi, đặc biệt ở

÷ 5%;

Trang 18

- Tinh dầu có mùi thơm chiếm 4 ÷ 6% (ở nghệ tươi là 2,24%), thành phần gồm 25% carbur terpenic, zingiberen và 65% ceton sesquiterpenic, các chất turmeron, arturmeron;

- Tinh bột, canxi oxalat, chất béo…

Trong thực phẩm [24]

- Bột nghệ được dùng làm gia vị như bột cari;

- Màu vàng của nghệ là chất màu thiên nhiên được Dược điển công nhận với mã

số E.100 để nhuộm màu dược phẩm thay thế dần những chất màu tổng hợp như tartrazine E.102

Trong mỹ phẩm [16, 24]

Nghệ vàng giúp vết thương mau liền sẹo, sẹo không bị thâm Ngoài ra, kết hợp nghệ và dầu vừng cũng được dùng điều trị nhanh khi mới bị bỏng nhẹ, giúp giảm phù

nề, xung huyết quanh vết bỏng, giúp vết bỏng không lan rộng, chóng khô và liền sẹo

Trên thị trường hiện nay nghệ thường được sử dụng kết hợp với vitamin A, E trong việc sản xuất các loại mỹ phẩm làm đẹp da và tóc dành cho phụ nữ

Trong y dược [2]

Từ xa xưa, nghệ đã được dân gian biết đến với tác dụng tích cực trong việc bồi

bổ và chữa bệnh Theo y học cổ truyển, nghệ có vị đắng, cay, mùi thơm hắc, tính ấm,

có tác dụng hành khí, phá ứ huyết, lương huyết, thông kinh lạc, có tác dụng hàn gắn vết thương

Trong lâm sàng, nghệ thường được dùng để chữa đau dạ dày, viêm mật vàng da, huyết ứ, đầy bụng, tức ngực khó thở, cánh tay tê đau, phụ nữ bế kinh hoặc kinh không đều, sau khi đẻ huyết không ra được gây đau bụng

Trang 19

1.1.2 Hoạt chất Curcumin

Curcumin có công thức phân tử là C21H20O6

Trong tự nhiên Curcumin tồn tại dưới ba dạng (I, II, III)

Hình 3 Công thức cấu tạo của Curcumin

Curcumin I: 1, 7-Bis-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-hepta-1, 6-dien-3, 5-dione; với X ≡ Y ≡ OCH3;

Curcumin II: 1-(4-hydroxyphenyl)-7-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-hepta-1, dien-3, 5-dione; với X ≡ OCH3, Y ≡ H;

6-Curcumin III: 1, 7-Bis(4-hydroxyphenyl)-hepta-1, 6-dien-3, 5-dione; với X ≡ Y

≡ H

Curcumin là một hợp chất diphenyl nối với một heptadien dixeton mạch thẳng,

có tính axit nhẹ, pKa thấp nhất là 7,9 Công thức cấu tạo của Curcumin cho thấy nó có thể tham gia một số phản ứng đặc trưng của olefin, cacbonyl, phenol

Curcumin chiếm từ 3 ÷ 5% trong nghệ khô Là tinh thể màu nâu đỏ ánh kim, phân huỷ ở nhiệt độ trên 60oC, nóng chảy ở 183,20C Curcumin không tan trong nước, tan trong dung môi phân cực thấp như: Metanol, Etanol, Axetonnitril, Clorofoc Dung dịch có huỳnh quang màu xanh lục, tan trong axit có màu đỏ tươi, tan trong kiềm màu

đỏ máu rồi dần chuyển sang tím, tan trong chất béo

Tính tan của Curcumin trong một số dung môi được thể hiện ở Bảng 1 [3, 24]

HOX

OHYCH=CH-C-CH2-C-CH=CH

Trang 20

Bảng 1 Bảng tính tan của Curcumin trong một số dung môi

Curcumin có hiệu quả lớn trong việc điều trị ung thư nhiếp hộ tuyến: Kết quả thử nghiệm cho thấy Curcumin vừa giảm biểu hiện MMP-2 và MMP-9, vừa kìm hãm

khả năng lan truyền MMP-2 và MMP-9 trong ống nghiệm (in vitro) Curcumin giảm

thể tích u bướu, giảm hoạt động MMP-2 và MMP-9 trong u bướu Những vòng nhỏ ung thư di căn trong thử nghiệm sống cũng giảm thiểu trong trường hợp dùng Curcumin so với trường hợp không dùng Curcumin Curcumin có khả năng phòng ngừa ung thư tiến triển, ít nhất trong giai đoạn đầu ung thư nhiếp hộ tuyến di căn

Trang 21

Đã thử nghiệm hoạt tính vi sinh vật kiểm định, kết quả cho thấy hầu hết các phức của Curcumin với kim loại đều có hoạt tính kháng khuẩn mạnh hơn hoặc bằng Curcumin nguyên chất Curcumin-Sn có hoạt tính kháng khuẩn trên 7 chủng vi khuẩn: E.coli, P.aeruginosa, B.subtillis, S.aureus, F.oxysporum, C.albicans, S.cerevisiae Curcumin-Zn có hoạt tính kháng khuẩn trên 6 chủng vi khuẩn: E.coli, P.aeruginosa, B.subtillis, S.aureus, C.albicans, S.cerevisiae Curcumin-Mg cũng có hoạt tính kháng khuẩn trên 6 chủng vi khuẩn: E.coli, P.aeruginos, F.oxysporum, C.albicans, S.cerevisiae Curcumin-Cu có hoạt tính kháng khuẩn trên 4 chủng vi khuẩn, bằng hoạt tính kháng khuẩn của Curcumin: E.coli, P.aeruginos, S.aureus, C.albicans, S.cerevisiae Chỉ riêng phức Curcumin-Ca có hoạt tính kháng khuẩn thấp nhất, trên 2 chủng vi khuẩn: P.aeruginosa, C.albicans

Đã thử nghiệm hoạt tính gây độc tố tế bào, tất cả các phức Curcumin-kim loại tổng hợp được đều có hoạt tính kháng mạnh hai dòng tế bào ung thư gan người Hep-2

và tế bào ung thư màng tim người RD

Ứng dụng của Curcumin trong điều trị HIV-AIDS [15, 19, 20, 30]

Trong “Thông tin mới điều trị AIDS”, tác giả John S.Jame đã ghi nhận rằng tại Trinidad có 40% dân số người gốc Ấn, kế thừa thói quen của người Ấn Độ, trong ăn uống hằng ngày có dùng cà ri Bên cạnh đó, có 40% dân số người gốc Phi rất ít dùng cà

ri Nghiên cứu đối chứng với AIDS tại Trinidad cho thấy tỉ lệ người gốc Phi mắc AIDS cao hơn gấp 10 lần so với người gốc Ấn có ăn cà ri Đó là do Curcumin có khả năng

"chặt đứt" một trong các mắt xích của quá trình nhiễm HIV

Ngoài ra, Curcumin còn có rất nhiều ứng dụng hiệu quả khác:

- Curcumin là chất chống oxy hoá [2, 12, 13], mạnh gấp 300 lần Vitamin E, có khả năng kháng nấm, kháng khuẩn rất cao [21], được sử dụng như một corticoid

trong điều trị bệnh mà không sợ gây loãng xương, không gây loét dạ dày;

- Curcumin hỗ trợ bệnh nhân tim mạch [2, 28];

Trang 22

- Curcumin bảo vệ gan, mật và dạ dày, giúp điều trị viêm gan B, C [2, 12, 13], làm tăng hồng cầu, hạ mỡ máu [20];

- Curcumin giúp bảo vệ tế bào thần kinh, được sử dụng trong điều trị bệnh Alzheimer [21];

- Curcumin được sử dụng trong sản xuất mỹ phẩm, xóa bỏ trứng cá, giúp chóng mọc tóc và giảm rụng tóc [20];

- Các hợp chất phức Curcumin – kim loại làm màu thực phẩm an toàn [7, 16, 24]

1.2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT VÀ TINH CHẾ CURCUMIN TỪ NGHỆ VÀNG

Theo [3, 32], quy trình sản xuất Curcumin bao gồm 3 quá trình chính: Trích ly,

Tinh thể ướt

Củ nghệ vàng

Trang 23

Quá trình trích ly được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều nghành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp hóa chất và thực phẩm với mục đích:

- Tách các cấu tử quý;

- Thu được dung dịch có nồng độ đậm đặc (đối với trích ly lỏng - lỏng);

- Cũng giống như chưng luyện, trích ly là một phương pháp chủ yếu để phân tách một hỗn hợp đồng nhất thành các cấu tử thành phần

Trong nghệ vàng, Curcumin là hoạt chất có nhiều ứng dụng quan trọng trong y, dược, mỹ phẩm và thực phẩm chức năng Do đó, các nhà khoa học đã tìm nhiều phương pháp trích ly để tách hợp chất này khỏi nghệ Tuy nhiên, do hàm lượng thấp nên việc tìm ra phương pháp trích ly hiệu quả là rất quan trọng

Có nhiều phương pháp trích ly Curcumin từ nghệ như:

- Trích ly pha rắn ở trạng thái tĩnh, trích ly Soxhlet (PP1) [3, 32];

- Trích ly thông thường có khuấy trộn và gia nhiệt (PP2) [3];

- Trích ly với sự trợ giúp của sóng siêu âm (PP3) [5, 31];

- Trích ly bằng CO2 siêu tới hạn (PP4) [31]

Đánh giá hiệu quả các phương pháp có bảng sau:

Trang 24

Bảng 2 Hiệu quả các phương pháp trích ly Curcumin từ nghệ

Kết quả khảo sát tại một số cơ sở sản xuất trong nước cũng cho thấy quá trình trích ly Curcumin theo các PP1, PP2 phải kéo dài nhiều giờ, lượng Curcumin trích ly được nhỏ hơn 1% với dung môi etanol và nhỏ hơn 2% với dung môi metanol

Đã có một số hướng nghiên cứu như:

- Tăng nhiệt độ trích ly, rút ngắn thời gian, tuy nhiên lượng Curcumin bị phân huỷ mạnh;

- Tiến hành trích ly nhiều bậc có thể thu triệt để lượng Curcumin, tăng hiệu suất trích ly nhưng cũng tăng thời gian và hàm lượng tạp chất (đặc biệt là tinh dầu) lên nhiều lần;

- Tiến hành trích ly Curcumin với các dung môi khác nhau như natri butyl mono glycol sunfat, natri salicylat … cho phép trích ly Curcumin khá triệt để với độ chọn lọc cao Tuy nhiên quá trình trích ly vẫn mất nhiều thời gian, các loại dung môi trên không phổ biến, chi phí cao và có tính độc không thật sự phù hợp với quá trình trích ly các chất phục vụ công nghiệp dược và thực phẩm;

- Tiến hành trích ly Curcumin với sự trợ giúp của sóng siêu âm bởi phương pháp này có nhiều ưu điểm [5, 6, 34]:

Trang 25

+ Sử dụng trích ly siêu âm không những không làm giảm hiệu suất trích ly so với phương pháp trích ly có khuấy trộn và gia nhiệt, mà còn giảm hơn 90 % thời gian trích ly;

+ Sử dụng trích ly siêu âm không cần tiến hành gia nhiệt, dẫn tới giảm được đáng kể chi phí cũng như làm giảm được lượng Curcumin phân hủy do nhiệt độ;

+ Sử dụng trích ly siêu âm cho độ chọn lọc cao của sản phẩm ngay cả với dung môi rẻ tiền và phổ biến là Etanol công nghiệp

Như vậy, nhóm nghiên cứu quyết định lựa chọn phương pháp trích ly với sự trợ giúp của sóng siêu âm bởi các ưu điểm đã kể trên

Để trích ly Curcumin từ bột nghệ, có thể sử dụng các dung môi như Metanol, Etanol, Axeton, Metyl etyl keton, Isopropanol, Axit axetic, Etyl axetat, Diclo metan, hoặc hỗn hợp của các hợp chất trên [3, 21, 24, 32] Dựa trên tính chất hóa lý của Curcumin và điều kiện ở Việt Nam, lựa chọn dung môi trích ly Curcumin từ củ nghệ vàng là Etanol công nghiệp (≈ 95 % thể tích) [3, 9] với những ưu điểm:

- Curcumin tan hoàn toàn trong Etanol;

- Etanol có nồng độ ≥ 20 % có khả năng bảo quản, ngăn cản vi khuẩn, nấm mốc phát triển;

- Nhiệt độ sôi thấp nên khi cô đặc dịch trích, hoạt chất ít bị phân hủy

Mặt khác, như đã nêu ở trên, sử dụng trích ly siêu âm cho độ chọn lọc cao của sản phẩm ngay cả với dung môi rẻ tiền và phổ biến là Etanol công nghiệp

Như vậy, từ các kết quả tham khảo và nghiên cứu thực nghiệm của nhóm, quyết định lựa chọn trích ly Curcumin có sự trợ giúp của sóng siêu âm, sử dụng dung môi Etanol công nghiệp (≈ 95 % thể tích)

Trang 26

1.2.2 Quá trình cô đặc

1.2.2.1 Khái niệm cô đặc [11]

Cô đặc là quá trình truyền nhiệt làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi, với mục đích:

- Làm tăng nồng độ chất tan;

- Tách chất rắn hoà tan ở dạng tinh thể (kết tinh);

- Thu dung môi ở dạng nguyên chất

Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc (nồi), hay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục Hơi bay ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ

Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ

bị phân huỷ vì nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch (gọi là hiệu số nhiệt độ hữu ích), dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phân huỷ ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đung nóng khác

Cô đặc nhằm mục đích thu hồi dung môi, tăng nồng độ Curcumin trong dung dịch và tạo điều kiện để thực hiện các quá trình sau (quá trình tinh chế)

Tuy nhiên, cô đặc có nhược điểm là đồng thời với quá trình tăng nồng độ Curcumin là quá trình phân huỷ Curcumin dưới điều kiện nhiệt độ cao [6] Do đó cần tiến hành cô đặc Curcumin trong môi trường chân không hoặc theo các phương pháp đặc biệt nhằm làm giảm lượng Curcumin phân hủy bởi nhiệt độ

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành cô đặc dịch trích Curcumin theo hai phương pháp: Cô đặc trong môi trường chân không và Cô đặc trong môi trường Nitơ [10]

Trang 27

Cô đặc trong môi trường nitơ có ưu điểm:

- Giảm áp suất hơi riêng phần của dung môi, dẫn đến làm tăng hiệu số nhiệt độ hữu ích, tức là tăng động lực của quá trình cô đặc;

- Nitơ được phun đều trong nồi cô đặc có tác dụng khuấy trộn, do đó làm giảm quá nhiệt cục bộ và tăng hệ số cấp nhiệt phía dung dịch;

- Nitơ là khí trơ nên khi được sục vào, nitơ sẽ chiếm thể tích của oxy, ngăn quá trình oxy hoá Curcumin xảy ra;

- Quá trình tuần hoàn nitơ tốn ít năng lượng hơn năng lượng để tạo độ chân không trong cô đặc chân không, do đó tính kinh tế cao hơn

Tuy nhiên, trong điều kiện thực tế Việt Nam, giá thành nitơ tinh khiết khá đắt,

do đó nitơ sử dụng thường bị lẫn nhiều oxy và tạp chất, dẫn đến dịch đặc sau khi cô đặc thường bị lẫn nhiều tạp, đặc biệt tinh dầu

Cô đặc trong môi trường chân không tuy có nhược điểm là tiêu tốn năng lượng

để tạo độ chân không, nhưng có ưu điểm là lượng tạp chất không lớn, do đó thuận lợi cho quá trình Tinh chế sau đó

Như vậy, lựa chọn cô đặc trong môi trường chân không, ở nhiệt độ 60 0C

1.2.3 Quá trình tinh chế

Tinh chế Curcumin là quá trình có ý nghĩa quyết định đến chất lượng sản phẩm Hiện nay, trên thế giới, để Tinh chế Curcumin, các tác giả đã lựa chọn một số phương pháp khác nhau

Tinh chế Curcumin có thể tiến hành trong thiết bị sắc ký HSCCC (High-Speed

CounterCurrent Chromatography) [27] sử dụng hệ dung môi N-hexan : Cloroform : Metanol - Nước theo tỷ lệ thể tích 5 : 10 : 7,5 : 2,5 Tuy nhiên, phương pháp này không thuận lợi cho các nghiên cứu chuyển quy mô sau này

Tinh chế Curcumin có thể tiến hành thông qua Kết tinh và Kết tinh lại [21, 22] Quá trình kết tinh Curcumin được khống chế ở nhiệt độ thấp Tinh thể Curcumin (độ

Trang 28

tinh khiết ≥ 70 % khối lượng) được hòa tan bởi dung môi / hệ dung môi Metanol, Etanol, Axeton, Metyl etyl keton, Isopropanol, Axit axetic, Nước, Etyl axetat, Diclo metan… Dung dịch tạo thành được tiến hành kết tinh lại ở nhiệt độ thấp Phương pháp tinh chế này cho phép sản phẩm Curcumin đạt ≥ 99 % khối lượng, mặt khác dễ dàng được sử dụng ở quy mô pilot và quy mô công nghiệp

Như vậy, lựa chọn Kết tinh và Kết tinh lại ở nhiệt độ thấp để tiến hành tinh chế Curcumin, sử dụng hệ dung môi trong kết tinh là Etanol - Nước

Tuy nhiên phương pháp tinh chế đã lựa chọn có nhược điểm lớn là tiêu tốn nhiều thời gian, dẫn đến quá trình Tinh chế trở thành quá trình quyết định tới thời gian toàn bộ quy trình Như vậy, tiến hành mô hình hóa quá trình Kết tinh Curcumin sẽ cho phép khảo sát được lượng Curcumin kết tinh được theo thời gian, có ý nghĩa to lớn trong các nghiên cứu chuyển quy mô sau này

1.2.3.2 Khái niệm kết tinh [1, 4]

Kết tinh là quá trình tách chất rắn hoà tan trong dung dịch dưới dạng tinh thể Tinh thể là vật rắn đồng nhất có các hình dạng khác nhau, giới hạn bởi các mặt phẳng Tinh thể gồm cả các phân tử nước gọi là tinh thể ngậm nước (tinh thể hydrat) Tuỳ theo điều kiện thực hiện quá trình mà tinh thể có thể ngậm số phân tử nước khác nhau

Trong công nghiệp hoá chất và thực phẩm, quá trình kết tinh được ứng dụng rộng rãi để nhận được các chất dưới dạng sạch

Để kết tinh, người ta phải làm thay đổi nhiệt độ hoặc là phải tách một phần dung môi Có thể kết tinh trong dung dịch nước hay trong dung dịch các chất hữu cơ (như rượu, este, các hydrocacbon…)

Trong điều kiện sản xuất, quá trình kết tinh bao gồm các giai đoạn sau: kết tinh, tách tinh thể ra khỏi dung dịch còn lại (gọi là dung dịch cặn, hay nước cái), kết tinh lại (trường hợp cần thiết), rửa và sấy khô tinh thể

Trang 29

1.2.3.3 Phương pháp kết tinh [1, 4]

Để tách một phần dung môi có thể cho bay hơi dung môi Dung môi cho bay hơi trong thiết bị cô đặc [4, 10] Sau khi đạt tới quá bão hoà ở mức độ cần thiết thì thực hiện quá trình kết tinh Phương pháp này gọi là kết tinh đẳng nhiệt Phương pháp kết tinh cho bay hơi bằng cô đặc có nhược điểm là các tinh thể sẽ bị dính lên bề mặt truyền nhiệt và đồng thời sẽ làm tăng nồng độ tạp chất có trong dung dịch Để hạn chế lượng chất rắn đọng trên bề mặt truyền nhiệt phải tăng vận tốc tuần hoàn dung dịch hoặc khuấy trộn

Để tách dung dịch (nước cái) khỏi tinh thể thực hiện ở thiết bị khác ở bên ngoài

- thiết bị lọc, ly tâm… Dung dịch cái còn lại và nước rửa nếu chứa lượng tạp chất nhỏ thì có thể cho quay lại để tiếp tục cô đặc

Để quá bão hoà dung dịch cần phải làm lạnh Có thể làm lạnh dung dịch bằng nước lạnh hoặc bằng nước muối Phương pháp kết tinh này có thể làm việc liên tục hoặc gián đoạn Kết tinh gián đoạn bằng cách cho dung dịch vào đầy thiết bị, sau khi kết tinh xong nước cái và tinh thể được tháo ra ngoài

Kết tinh liên tục được thực hiện trong nhiều thiết bị nối với nhau, dung dịch đi

từ thiết bị này qua thiết bị khác và sản phẩm lấy ra liên tục

Đây là phương pháp kết tinh chân không Một phần dung môi được bay hơi nhờ vào nhiệt vật lý của dung dịch Hơi bay ra theo đường bơm chân không Nhiệt độ của dung dịch ở trạng thái bão hào sẽ giảm đến nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất chân không trong thiết bị Dung dịch đạt quá bão hoà và kết tinh Dung môi bay hơi không chỉ do nhiệt độ vật lý của dung dịch mà còn do sự toả nhiệt khi kết tinh Kết tinh tiến hành đồng thời bay hơi do hút chân không và làm lạnh sẽ tăng cường quá trình và xảy

Trang 30

ra trong toàn bộ thể tích dung dịch, do đó các tinh thể sẽ hạn chế dính vào bề mặt thiết

bị và thời gian rửa thiết bị sẽ được rút ngắn

1.2.3.4 Các giai đoạn của quá trình kết tinh

Quá trình kết tinh là quá trình phức tạp gồm nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn lại được xác định bởi nhiều yếu tố Do vậy, động học quá trình kết tinh là hàm nhiều biến

và phức tạp Người ta thường nghiên cứu riêng từng giai đoạn của nó

Trong trường hợp tổng quát, sự biến động nồng độ chất kết tinh trong dung dịch theo thời gian được biểu diễn trên hình sau:

Đoạn ab ứng với giai đoạn tạo mầm;

Đoạn bc ứng với giai đoạn kết tinh (còn gọi là giai đoạn phát triển mầm);

Đoạn cd ứng với giai đoạn kết tinh lại

Giới hạn giữa các giai đoạn này ở mức độ nhất định chỉ là quy ước

a Giai đoạn tạo mầm [1, 4, 14, 26]

Kết tinh không tự nhiên xảy ra nếu dung dịch chỉ đơn thuần ở điều kiện quá bão hoà hoặc quá lạnh Để kết tinh xảy ra thì trong dung dịch cần tồn tại một lượng các hạt

Trang 31

rắn có kích thước rất nhỏ hoặc các hạt mầm Chúng đóng vai trò trung tâm của quá trình kết tinh Giai đoạn tạo mầm có thể xảy ra tự nhiên hay cưỡng bức Tuy nhiên, việc xác định giai đoạn này xảy ra do bản thân dung dịch hay dưới các tác động bên ngoài là rất khó

Mầm tinh thể còn gọi là tâm kết tinh được từ hình thành khi dung dịch ở trạng thái quá bão hoà do dung dịch được làm lạnh hoặc cho bốc hơi một phần dung môi Theo quan điểm hiện đại, mầm được tạo ra do sự liên kết của các ion (phân tử) khi va chạm với nhau của chất hoà tan trong dung dịch Mầm tinh thể khi đạt tới trạng thái cân bằng với dung dịch thì kết tinh sẽ dừng lại

Bằng thực nghiệm, Young (1911) và Berkeley (1912) đã chỉ ra rằng quá trình tạo mầm có thể xảy ra dưới tác động của khuấy trộn cơ học, va chạm và ở áp suất cao trong dung dịch Các tác động đột ngột bên ngoài như điện trường, từ trường, phóng điện, tia cực tím, tia X, tia γ, sóng âm và sóng siêu âm cũng có ảnh hưởng đến quá trình tạo mầm (Khamskii, 1969) nhưng không có ứng dụng rõ rệt khi thực hiện quy mô công nghiệp Sự xuất hiện của tạp chất trong hệ cũng ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tạo mầm Ví dụ, sự xuất hiện của một lượng nhỏ hạt rắn như gelatin gây tác động xấu, ngược lại các chất hoạt động bề mặt lại có ảnh hưởng tốt đến quá trình tạo mầm trong dung dịch Các ion lạ, đặc biệt là Cr3+ và Fe3+, cũng có tác động tương tự đối với dung dịch muối vô cơ Các tác giả đã đưa ra các ý kiến khác nhau để giải thích hành vi của tạp rắn Denk và Chua (1972) cho rằng tạp chất đóng vai trò các trung tâm hoạt động sẽ sinh ra gradient nồng độ, nồng độ tạp chất gần bề mặt tinh thể sẽ thấp hơn trong dung dịch, và khi sự chênh lệch này đủ lớn thì các mầm tinh thể sẽ được hình thành Sarig và Mullin (1980) lại cho rằng các tạp chất sẽ hấp phụ lên các chỗ khuyết trên bề mặt tinh thể và kích thích quá trình tạo mầm Kubota, Ito và Shimizu (1986) giải thích rằng các ion trong dung dịch đóng vai trò mầm tự do gây ảnh hưởng đến quá trình tạo mầm

Giai đoạn tạo mầm được đặc trưng bởi độ dài “thời kỳ cảm ứng” t ind Thời kỳ cảm ứng được định nghĩa là khoảng thời gian bắt đầu từ khi hình thành dung dịch quá

Trang 32

bão hoà đến khi xuất hiện các tinh thể Độ quá bão hoà, trạng thái khuấy trộn, sự xuất hiện của tạp chất, độ nhớt… có tác động đến độ dài thời kỳ cảm ứng

Sự xuất hiện của các tạp chất không tan trong dung dịch làm giảm độ dài thời kỳ cảm ứng, các tạp chất tan trong dung dịch có thể làm tăng hoặc giảm Đó là bởi độ hoà tan hoặc thành phần dung dịch đã bị thay đổi (do sự hấp phụ vật lý hay hấp phụ hoá học lên các mầm hoặc phản ứng hoá học, tạo phức trong dung dịch …) Để quá trình tạo mầm được dễ dàng, độ dài thời kỳ cảm ứng giảm xuống, người ta cho vào dung dịch một ít tinh thể của chất hoà tan hoặc tinh thể chất khác nhưng cùng cấu trúc tinh thể giống chất tan trong dung dịch Chất cho thêm vào đó gọi là chất “trợ mầm” Ngoải

ra, để tăng cường quá trình tạo mầm còn có thể thay đổi nhiệt độ và cường độ khuấy hoặc tăng cường tác động cơ học bên ngoài (rung, lắc, va đập…)

b Giai đoạn kết tinh [1, 4, 14, 26]

Tinh thể phát triển về kích thước và đạt tới giá trị tới hạn của mầm Tinh thể có năng lượng bề mặt lớn nên nó hút các chất hoà tan trong dung dịch Sự lớn lên của tinh thể đồng thời theo tất cả các mặt của nó, nhưng vận tốc lớn lên của các mặt tinh thể có khác nhau

Theo thuyết khuếch tán thì chất hoà tan bắt đầu khuếch tán từ trong lòng dung dịch qua lớp biên, chuyển động dòng nằm sát bề mặt tinh thể và sau đó dính vào tinh thể Chiều dày lớp chuyển động dòng gần bề mặt tinh thể phụ thuộc vào cường độ khuấy dung dịch Nếu dung dịch không khuấy trộn thì bề dày lớp biên δ từ 20 ÷ 150

µm Khi khuấy trộn mạnh δ → 0

Giai đoạn này xảy ra chủ yếu sự lớn lên của những mầm tinh thể đã được tạo thành

• Cơ chế và tốc độ lớn lên của tinh thể

Kích thước thực tế của tinh thể phụ thuộc vào cách thức xác định và thường được biểu diễn thông qua “kích thước tương đương” Có hai loại kích thước tương đương:

Trang 33

- Đường kính tương đương (d): Thường sử dụng đại lượng này với các tinh thể có

dạng cầu;

- Chiều dài đặc trưng (L): Thường được xác định thông qua phương pháp sàng

Tinh thể có nhiều hình dạng khác nhau: dạng hạt, cụm hay hình kim… Để thuận

tiện cho tính toán, người ta sử dụng “hệ số hình dạng (f s)” Đại lượng này cho phép xác định bề mặt tinh thể (A) thông qua các kích thước tương đương kể trên (ví dụ L):

2

Với tinh thể hình cầu: L = d, f s = π Với các trường hợp khác, f s> π

Sự lớn lên của tinh thể được xác định ít nhất bởi hai quá trình: khuếch tán hạt đến bề mặt tinh thể và đưa chúng vào cấu trúc mạng lưới tinh thể Quá trình thứ hai lại gồm nhiều bước: bề mặt tinh thể hấp phụ các hạt, di chuyển các hạt dọc theo bề mặt tinh thể và đặt chúng vào mạng lưới tinh thể

Tốc độ lớn lên của tinh thể (G) được biểu diễn:

=dL G

• Phương trình tốc độ kết tinh dạng tổng quát

Mullin [26] đưa ra phương trình tốc độ kết tinh dạng tổng quát như sau:

m - Lượng chất tan còn lại trong dung dịch tại thời điểm t, g;

C - Nồng độ chất tan trong dung dịch quá bão hoà, g/ml;

Trang 34

C * - Nồng độ chất tan trong dung dịch bão hoà, g/ml;

K G - Hằng số giai đoạn kết tinh, mln/(gn-1cm2ph);

n - Bậc động học của giai đoạn kết tinh

Bậc của giai đoạn kết tinh n phụ thuộc vào bản chất chất tan, nhiệt độ kết tinh,

tốc độ khuấy và tạp chất trong dung dịch Tốc độ kết tinh được xác định thông qua ảnh hưởng của nhiều yếu tố Tổng các mối quan hệ này rất phức tạp, vì thế không thể nói trước được rằng quá trình kết tinh sẽ ứng với phương trình động học bậc mấy Như vậy, quan niệm sự kết tinh là một phản ứng đặc biệt, mặc dù chỉ là hình thức, nhưng đã được dùng rộng rãi trong việc giải thích các dữ kiện thực nghiệm vì nó đơn giản và tiện lợi đối với việc mô tả quá trình kết tinh

c Giai đoạn kết tinh lại [14, 26]

Trong giai đoạn này, tốc độ kết tinh giảm mạnh, chủ yếu xảy ra quá trình kết tinh lại Khi đó tinh thể nằm trong dung dịch bão hoà hoặc quá bão hoà, hai quá trình kết tinh và hoà tan đồng thời xảy ra làm thay đổi cấu trúc và kích thước hạt tinh thể Trong dung dịch quá bão hoà, quá trình kết tinh lại được đặc trưng bằng động học cân bằng giữa pha lỏng và pha rắn

1.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ CURCUMIN

1.3.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích quang phổ đo quang [8]

Phương pháp phân tích đo quang (phương pháp phân tích phổ điện tử) là phương pháp phân tích công cụ dựa vào hiệu ứng xảy ra khi tương tác bức xạ điện từ lên phân tử vật chất Trong đó, hiệu ứng xảy ra là hiệu ứng hấp thụ bức xạ điện từ ở dải sóng UV-VIS; và chất nghiên cứu thường ở dạng dung dịch trong dung môi nào đó

Đặc điểm của phương pháp phân tích đo quang:

- Phương pháp tiến hành nhanh, thuận lợi;

- Phương pháp có độ nhạy cao (có thể xác định đến 10-7 ÷ 10-8 mol/l);

Trang 35

- Phương pháp có độ chính xác cao tuỳ thuộc hàm lượng xác định (Sai số ε = 0,2 ÷ 10%)

1.3.1.2 Sự tạo thành phổ hấp thụ điện tử

Khi các nguyên tử kết hợp với nhau để tạo thành phân tử; nếu không kể chuyển động tịnh tiến của phân tử thì, theo xấp xỉ Born – Oppenheymer, năng lượng toàn phần của phân tử có thể biểu diễn:

E= E +Eν +E

Trong đó:

E - Năng lượng toàn phần của phân tử;

E e - Năng lượng điện tử;

E v - Năng lượng chuyển động dao động của các nhân nguyên tử;

E j - Năng lượng chuyển động quay của toàn phân tử

Năng lượng điện tử là phân năng lượng quan trọng nhất: E e >> E v >> E j

Xét các điện tử trong phân tử: Theo lý thuyết liên kết hoá học, khi các nguyên tử tạo thành phân tử, các điện tử ở lớp vỏ bên trong thực tế không tham dự tạo liên kết Các điện tử ở lớp ngoài có thể tham gia tạo liên kết hoá học hoặc không Các điện tử tham gia tạo liên kết hoá học gọi là điện tử hoá trị, các điện tử không tham gia tạo liên kết gọi là các điện tử không chia Các điện tử hoá trị khi tham gia tạo liên kết hoá học

sẽ tạo thành các loại orbital phân tử: orbital liên kết và orbital phản liên kết Về mặt năng lượng, khi các điện tử tham gia tạo liên kết hoá học để tạo thành các orbital, phân

tử sẽ có năng lượng khác nhau tuỳ thuộc loại orbital chúng tạo thành Hình 6 trình bày

sơ đồ các mức năng lượng của các orbital phân tử

Trang 36

Trong phân tử có thể có 5 loại orbital phân tử có năng lượng khác nhau là σ, σ*,

π, π* và orbital n Khi tạo thành phân tử các điện tử tham gia tạo liên kết sẽ có thể ở các

mức năng luợng khác nhau tuỳ thuộc các orbital mà chúng tạo thành Đó là điều kiện cho sự tạo thành phổ điện tử

Trong điều kiện thường, các phân tử ở mức năng lượng thấp ứng với các điện tử

ở mức năng lượng thấp nhất Khi phân tử nhận năng lượng, chúng có thể chuyển lên các mức năng lượng cao ứng với các điện tử ở mức năng lượng cao hơn nào đó và chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích Người ta gọi đó là bước chuyển năng lượng điện tử Chính bước chuyển năng lượng điện tử khi phân tử hấp thụ năng lượng của bức xạ điện từ đã gây nên hiệu ứng phổ điện tử hấp thụ

quang phổ UV-Vis

Miền phổ hấp thụ điện tử thuộc miền phổ từ tử ngoại xa đến hồng ngoại gần, nhưng thông thường trong phương pháp phân tích đo quang, người ta hay dùng miền phổ tử ngoại gần đến miền hồng ngoại gần Việc hấp thụ cũng tuân theo định luật Bouguer – Lambert – Beer:

Hình 6 Sơ đồ các mức năng lượng

và các bước chuyển năng lượng trong phổ điện tử

Trang 37

L - Độ dày lớp vật chất mà ánh sáng truyền qua, cm;

Trong phân tích đo quang, với dung dịch xác định thì ε là xác định, người ta

luôn có thể chọn l xác định nên định luật hấp thụ ánh sáng có thể viết lại dưới dạng:

với K = εl

Đây là điều kiện để có thể áp dụng định luật hấp thụ ánh sáng vào phân tích,

nghĩa là có thể dùng phương pháp đo mật độ quang A để xác định nồng độ C của chất nghiên cứu trong dung dịch phân tích theo phương pháp đồ thị chuẩn (hệ toạ độ A – C)

hoặc phương pháp tính toán và phương pháp thêm

1.3.1.4 Thiết bị quang phổ hấp thụ điện tử

Bất kỳ một máy quang phổ nào đều có các bộ phận chính biểu diễn bằng sơ đồ khối cho dưới đây:

Ánh sáng từ nguồn sáng liên tục khi qua bộ tán sắc sẽ cho ở khe ra của bộ tán sắc một chùm ánh sáng gần đơn sắc Chùm ánh sáng đơn sắc khi chiếu vào mẫu nghiên

Hình 8 Sơ đồ khối thiết bị quang phổ hấp thụ điện tử Hình 7 Sơ đồ nguyên lý hấp thụ ánh sáng của dung dịch

Trang 38

cứu sẽ bị hấp thụ chọn lọc và sau khi qua mẫu nghiên cứu, cường độ chùm tia sáng sẽ giảm Bộ thu tín hiệu sẽ làm nhiệm vụ phân tích, đối chiếu và đưa ra số liệu về độ hấp thụ ánh sáng của mẫu nghiên cứu

Chức năng: Tách chùm tia đa sắc thành các tia đơn sắc

Bộ tán sắc có thể là các lăng kính thạch anh hoặc các cách tử nhiễu xạ Máy dùng cách tử nhiễu xạ có ưu điểm là có độ tán sắc không thay đổi trong suốt miền phổ Máy có bộ tán sắc là lăng kính thường có độ tán sắc giảm dần khi độ dài sóng tăng từ miền tử ngoại đến hồng ngoại

Mẫu nghiên cứu ở dạng dung dịch phải có khả năng hấp thụ ánh sáng UV – VIS (tức là dung dịch có màu, vì màu của dung dịch là màu phụ của ánh sáng bị hấp thụ)

Mẫu nghiên cứu thường được chứa trong các cuvet có dạng riêng

Trong các bộ thu tín hiệu, người ta hay dùng tế bào quang điện hoặc nhân quang điện tử Ánh sáng sau khi qua mẫu nghiên cứu sẽ chiếu vào tế bào quang điện (hay nhân quang điện) và gây ra dòng quang điện, dòng quang điện này tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu vào Dòng quang điện khi qua bộ khuếch đại dòng một chiều sẽ khuyếch đại lên đến mức có thể đo được bằng các máy ghi như các microampe, các điện thế kế tự ghi Các thông tin sẽ hiển thị trên màn hình PC

Trang 39

1.3.2 Phương pháp đường chuẩn trong phân tích đo quang [8]

Lựa chọn phương pháp đường chuẩn để xác định nồng độ Curcumin trong dung dịch Nội dung phương pháp như sau:

- Pha một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ thay đổi: C, C 1 , C 2 … C n (trong đó,

- Dung dịch phân tích C X: Pha dung dịch phân tích như đối với dung dịch

chuẩn Đo mật độ quang của dung dịch này được A X Từ đồ thị A = kC xác

định được CX

1.3.3 Phương pháp phân tích đo quang xác định nồng độ Curcumin

Curcumin là hợp chất không no, công thức phân tử có vòng thơm, chứa các liên kết π Vì vậy, phân tử Curcumin có thể hấp thụ ánh sáng vùng UV gần và vùng VIS tạo thành các bước chuyển n → π *, π → π * , n → σ * Dựa vào hiệu ứng này, các tác giả đã sử dụng phương pháp phân tích đo quang để phân tích định lượng, xác định nồng độ Curcumin [3]

Trang 40

Tóm lại:

Từ tổng quan về nghệ, Curcumin và quy trình sản xuất, tinh chế Curcumin

từ nghệ vàng, Luận văn thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu quá trình Tinh chế Curcumin từ dịch chiết củ nghệ vàng Với phương pháp Tinh chế đã chọn (bao gồm quá trình Kết tinh và Kết tinh lại), các chương tiếp theo của Luận văn sẽ đưa ra các nghiên cứu nhằm mô hình hóa quá trình kết tinh Curcumin trong dung dịch, đặc biệt tập trung nghiên cứu giai đoạn thứ hai của quá trình Kết tinh là giai đoạn phát triển mầm (còn gọi là giai đoạn kết tinh) bởi sự phức tạp của giai đoạn này

Mục đích nghiên cứu:

Nghiên cứu mô hình động học của quá trình kết tinh Curcumin trong dung dịch và kiểm chứng mô hình bằng thực nghiệm

Định dạng
Số trang	102
Dung lượng	2,23 MB