Nghiên cứu phương pháp chiết tách phẩm màu annatto từ hạt điều nhuộm bằng dung môi hữu cơ

 Tính chất của carotenoit  Không tan trong nước, tan trong chất béo và một số dung môi hữu cơ.. Nó là một carotenoit dạng tinh thể màu vàng cam, không tan trong nước, tan tr

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HÓA

- -

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CHIẾT TÁCH PHẨM MÀU ANNATTO TỪ HẠT ĐIỀU NHUỘM

BẰNG DUNG MÔI HỮU CƠ

Sinh viên: Lê Thị Ánh Giáo viên hướng dẫn: GS TS Đào Hùng Cường

Đà Nẵng, 05/2012

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHSP Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

KHOA HÓA - -

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lê Thị Ánh

Lớp : 08SHH

1 Tên đề tài: Nghiên cứu phương pháp chiết tách phẩm màu annatto từ hạt điều nhuộm bằng dung môi hữu cơ

2 Nguyên liệu, dụng cụ, thiết bị

- Nguyên liệu: hạt điều nhuộm già

- Dụng cụ- thiết bị:

Bộ dụng cụ chiết soxhlet, tủ sấy, lò nung, cốc thuỷ tinh, bình tam giác có nút, giá sắt, bếp cách thuỷ, cốc sứ, các loại pipet, bình định mức, bình hút ẩm, giấy lọc, đũa thủy tinh…

Máy đo quang UV-Vis (phòng thí nghiệm khoa Hoá, trường ĐHSP – Đại học Đà Nẵng), máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS100 Perkin Elmer (Trung tâm kỹ thuật đo lường chất lượng II, số 2, Ngô Quyền, Đà Nẵng)

3 Nội dung nghiên cứu

- Xác định độ ẩm toàn phần, hàm lượng tro của mẫu điều nhuộm

- Xác định hàm lượng một số kim loại của mẫu hạt điều nhuộm

- Chiết tách phẩm màu annatto bằng các dung môi (etanol, etyl axetat) và khảo sát bước sóng, mật độ quang hấp thụ cực đại để nghiên cứu khảo sát các điều kiện chiết tối ưu

- Kiểm tra định tính, định lượng và đánh giá chất lượng phẩm màu annatto

4 Giáo viên hướng dẫn: GS TS Đào Hùng Cường

5 Ngày giao đề tài: 07/2011

6 Ngày hoàn thành: 25/05/2012

Chủ nhiệm khoa Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày 25/05/2012

Kết quả điểm đánh giá:

Ngày tháng năm 2012

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Đào Hùng Cường đã

tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo giảng dạy ở các bộ môn, các thầy

cô công tác tại phòng thí nghiệm khoa Hóa, Trường Đại học Sư Phạm, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng đã tạo điều kiện về mọi mặt cho em trong thời gian nghiên cứu đề tài

Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ đang công tác tại phòng thí nghiệm phân tích số 02, Ngô Quyền đã tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp đúng thời hạn

Em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho em trong quá trình học tập và nghiên cứu

Bước đầu làm quen với nghiên cứu khoa học, luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những góp ý, bổ sung của thầy cô và các bạn để luận văn này hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy cô và các bạn sức khỏe, hạnh phúc và thành công trong cuộc sống

Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 25 tháng 05 năm 2012

Lê Thị Ánh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AAS : Quang phổ hấp thụ phân tử

CTPT : Công thức phân tử

CODEX : Ủy ban Tiêu chuẩn Thực phẩm Quốc tế

D : Mật độ quang

M : Mẫu

R/L : Tỉ lệ nguyên liệu rắn/ dung môi lỏng

UV-Vis : Phổ tử ngoại khả kiến

JECFA : Ủy ban chuyên gia Quốc tế về phụ gia thực phẩm do Tổ chức

Nông lương Liên hiệp quốc và Tổ chức Y tế thế giới phối hợp điều hành

QCVN : Quy chuẩn Việt Nam

BYT : Bộ Y Tế

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Số hiệu

bảng/hình vẽ Tên bảng/hình vẽ Trang

Hình 1.2 Hoa và quả điều nhuộm 5

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của Clorophyl A và B 9 Hình 1.5 Công thức cấu tạo của một số carotenoit 11 Hình 1.6 Công thức cấu tạo của Flavonoit 13

Hình 1.8 Công thức cấu tạo của Bixin và Norbixin 16 Hình 1.9 Ứng dụng của annatto trong thực phẩm 18 Hình 1.10 Annatto nhuộm các loại vải 19 Hình 1.11 Sơ đồ máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS 27 Bảng 1.1 Sự hấp thụ màu của các dung dịch màu 30 Hình 1.12 Sự phụ thuộc của D vào nồng độ chất phân tích 32 Hình 1.13 Sơ đồ máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 33 Hình 2.1 Hạt điều nhuộm khô 37 Hình 2.2 Bộ dụng cụ soxhlet 41 Hình 2.3 Dịch chiết trong etyl axetat (1), dịch chiết trong cồn (2) 42 Bảng 3.1 Kết quả khảo sát độ ẩm 45 Bảng 3.2 Kết quả khảo sát hàm lượng tro 45 Bảng 3.3 Hàm lượng một số kim loại trong hạt điều nhuộm 46 Hình 3.1 Phổ UV – Vis của dịch chiết với độ cồn khác nhau 47 Bảng 3.4 Sự phụ thuộc của D vào độ cồn 47 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của độ cồn đến hàm lượng phẩm màu 48 Hình 3.2 Phổ UV - Vis của dịch chiết trong cồn với thời gian chiết

khác nhau 49 Bảng 3.6 Sự phụ thuộc của D vào thời gian chiết 49 Bảng 3.7 Ảnh hưởng của thời gian chiết đến hàm lượng phẩm màu 50

Hình 3.3 Phổ UV - Vis của dịch chiết trong cồn với các tỷ lệ R/L

khác nhau

51

Bảng 3.8 Sự phụ thuộc của D vào tỷ lệ R/L 51 Bảng 3.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ R/L đến hàm lượng phẩm màu 52

Hình 3.4 Phổ UV-Vis của dịch chiết trong etyl axetat với thời gian

Bảng 3.10 Sự phụ thuộc của D vào thời gian chiết 53 Bảng 3.11 Ảnh hưởng của thời gian đến hàm lượng phẩm màu 54

Hình 3.5 Phổ UV - Vis của dịch chiết trong etyl axetat với các tỷ

Bảng 3.12 Sự phụ thuộc của D vào tỷ lệ R/L 55

Bảng 3.13 Ảnh hưởng của tỷ lệ R/L đến hàm lượng phẩm màu 56 Hình 3.6 Kiểm tra độ tan của cao annatto trong dung dịch kiềm 57 Hình 3.7 Kiểm tra độ tan của cao annatto trong etanol 57 Hình 3.8 Phổ hấp thụ UV –Vis của cao màu annatto trong KOH 58

Hình 3.9 Phổ hấp thụ UV –Vis của mẫu cao màu annatto chiết

Hình 3.10 Phổ hấp thụ UV –Vis của mẫu cao màu annatto chiết

Hình 3.11 Cao màu chiết trong dung dịch cồn và dung môi etyl

Bảng 3.14 Hàm lượng một số kim loại nặng trong cao annatto 61

LỜI MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Xã hội ngày càng phát triển, đời sống con người ngày càng được nâng cao Khi đời sống được nâng cao, con người không chỉ quan tâm đến những vấn đề ăn, mặc, mà còn quan tâm đến tính thẫm mỹ Đặc biệt, trong bữa ăn hằng ngày, cách bày trí với màu sắc đẹp cũng góp phần kích thích vị giác Chính vì thế, ngày càng có nhiều phẩm màu được sử dụng trong chế biến thực phẩm

Phẩm màu là chất phụ gia thực phẩm được thêm vào thực phẩm để thay thế các màu sắc bị mất trong quá trình sản xuất hay làm cho thực phẩm trông hấp dẫn hơn[33] Phẩm màu được sử dụng rất phổ biến trong nhuộm màu thực phẩm là phẩm màu tổng hợp bởi đặc tính rẻ, màu sắc đẹp và phong phú, độ bền màu cao… Tuy nhiên, người tiêu dùng luôn bị ám ảnh về tính độc hại của những phẩm màu tổng hợp trong rất nhiều loại thực phẩm hiện nay Theo nghiên cứu, các chất màu tổng hợp có thể gây ung thư và có tác dụng không tốt cho cơ thể con người; còn chất màu tự nhiên thường không gây độc hại do được chiết xuất từ các thành phần thiên nhiên[30] Do đó, việc tìm ra một loại phẩm màu tự nhiên vừa đẹp, vừa có lợi cho sức khỏe, lại có độ bền màu cao đáp ứng được những yêu cầu của người sử dụng đang là xu hướng được các nhà hóa học thực phẩm quan tâm Ở Việt Nam, dạng phẩm màu này vẫn chưa được khai thác hiệu quả

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học, con người đã biết cách chiết xuất

ra nhiều phẩm màu có nguồn gốc từ thiên nhiên có lợi cho sức khỏe con người và ứng dụng chúng vào trong đời sống thông qua nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, dệt may…Trong đó, việc ứng dụng các thành tựu khoa học vào ngành công nghiệp thực phẩm đóng vai trò quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người

Trên thế giới, phẩm màu thiên nhiên được ứng dụng rất rộng rãi Một trong những loại phẩm màu được sử dụng phổ biến là chất màu annatto được lấy từ hạt cây điều nhuộm Phẩm màu annatto chiết từ hạt điều nhuộm là loại phẩm màu tự nhiên được CODEX đưa vào danh mục sử dụng an toàn trong thực phẩm, dược phẩm, đem lại tính hấp dẫn và nâng cao giá trị cho sản phẩm[32] Hằng năm, trên

thế giới sản xuất trên 10.000 tấn phẩm màu annatto, đặc biệt là Ấn Độ Loại phẩm màu này có hoạt tính sinh học cao, do đó giá trị sử dụng của nó ngày càng được nâng cao

Ở Việt Nam, cây điều nhuộm được trồng khá phổ biến, tập trung chủ yếu ở Nam Bộ và Tây Nguyên để làm cảnh, lấy lá tươi làm thuốc, lấy hạt để tạo màu cho thực phẩm và xuất khẩu[10] Tuy nhiên, việc sản xuất loại phẩm màu từ hạt điều nhuộm ở nước ta hiện nay hầu như chưa thực hiện Vì vậy, việc nghiên cứu các phương pháp chiết tách chất màu annatto từ hạt điều nhuộm có ý nghĩa rất lớn nhằm đưa chất màu tự nhiên annatto vào ứng dụng rộng rãi, góp phần tích cực vào công cuộc phát triển cây công nghiệp nước ta

Vì những lí do trên, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp chiết tách

phẩm màu annatto từ hạt điều nhuộm bằng dung môi hữu cơ”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến qui trình chiết tách phẩm màu

annatto từ hạt điều nhuộm

- Kiểm tra, đánh giá chất lượng phẩm màu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: hạt điều nhuộm

- Phạm vi nghiên cứu: Quá trình thực nghiệm được tiến hành ở phòng thí nghiệm Hóa học, trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp chiết soxhlet

- Phương pháp phân tích trọng lượng

- Phương pháp đo quang UV–Vis, phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

5 Nội dung nghiên cứu

5.1 Nghiên cứu lý thuyết

- Cây điều nhuộm: Mô tả, đặc điểm sinh thái

- Phẩm màu, phẩm màu annatto: Nguồn gốc, thành phần hóa học, ứng dụng

- Các phương pháp chiết tách: Chưng cất, chiết soxhlet, kết tinh

- Phương pháp phân tích trọng lượng

- Phương pháp đo quang UV – Vis, phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

5.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Thu gom và xử lý mẫu hạt điều nhuộm khô

- Xác định độ ẩm toàn phần, hàm lượng tro của mẫu điều nhuộm

- Xác định hàm lượng một số kim loại trong hạt điều nhuộm

- Chiết tách phẩm màu annatto bằng các dung môi (etanol, etyl axetat) và khảo sát bước sóng, mật độ quang hấp thụ cực đại để khảo sát các điều kiện chiết tối ưu

- Kiểm tra định tính, định lượng và đánh giá chất lượng phẩm màu annatto

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Cung cấp thông tin khoa học về các quy trình tách chiết phẩm màu annatto từ hạt điều nhuộm

- Ứng dụng kết quả nghiên cứu để mở rộng quy trình chiết tách annatto trên pilot nhằm hoàn thiện quy trình công nghệ, từ đó ứng dụng sản xuất phẩm màu annatto trong công nghiệp

7 Bố cục luận văn

Luận văn gồm 65 trang trong đó có 15 bảng và 27 hình Phần mở đầu 3 trang, kết luận và kiến nghị 1 trang, tài liệu tham khảo 3 trang Nội dung của luận văn chia làm 3 chương:

Chương 1- Tổng quan (32 trang )

Chương 2- Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu (7 trang)

Chương 3- Kết quả và bàn luận (17 trang)

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về cây điều nhuộm

1.1.1 Thực vật học về cây điều nhuộm [2], [8], [9], [13], [14], [31]

Cây điều nhuộm còn được gọi là cây điều màu, sâm phụng, chầm phù, môi son, cây cà ri

Tên khoa học: Bixa orellana L

Các tên khoa học cũ đã từng gọi: Bixa acuminata, B Americana, B odorata,

B platycarpa, B purpurea, B tinctoria, B upatensis, B urucurana, Orellena americana, O orellana

Tên Anh: Annatto, anatto, lip stick tree, annatto tree

Tên khác: Achiote, Annotta, Aploppas, Arnotta, Arnotto, Orellana, Orlean, Orleana

Họ Điều nhuộm (danh pháp khoa học: Bixaceae), là một họ thực vật hai lá

mầm Mặc dù chỉ là một họ nhỏ, nhưng họ này lại có sự đa dạng về kích thước các loài cây, bao gồm cả các cây thân gỗ, cây thân thảo và cây bụi Về mặt sinh sản, các loài này là lưỡng tính, và tất cả đều có 5 cánh hoa Tất cả các loài trong họ Bixaceae đều sinh ra nhựa mủ màu đỏ, da cam hay vàng

Miêu tả

Cây gỗ nhỏ, thường cao khoảng 3 - 6m, mọc dạng bụi Vỏ màu xám tro

Cành non có lông tơ màu xám sẫm, sau nhẵn bóng, có những lỗ bì thưa, không rõ

Lá đơn mọc cách, phiến lá dài 15 - 24cm, rộng 10 - 17cm, hình tim hoặc tim trứng, đầu nhọn dần gốc hình tim, mép nguyên, mặt trên màu lục, nhẵn, mặt có những tuyến nhỏ màu đỏ Gân chân vịt có 5 gân gốc Cuống lá mảnh, tròn dài 5-9cm đầu

hơi phình to, hơi có lông tơ màu gỉ sắt Lá kèm sớm rụng, gốc khi rụng để lại vết

trên cành

Hoa lưỡng tính, có màu tím hay trắng, tương đối lớn (đường kính 4 - 5cm) họp thành chùy ở đầu cành, có lông tơ Cánh đài 5 (có khi 4), xếp lợp, sớm rụng Cành tràng 5, xếp lợp Nhị nhiều, xếp xoắn thành nhiều vòng, chỉ nhị mảnh không có lông, bao phấn dính gốc, mở bằng khe ở đỉnh Quả mọc chùm, hình tim, đường kính 2 - 4cm, có màu đỏ tươi hoặc xanh đến nâu khô khi chín, trên mặt có gai mềm, dài 1,5cm, mở bằng hai van, mỗi mảnh mang chứa nhiều hạt Hạt hơi có dạng lập phương trên một cuống ngắn, xung quanh tẽ nở thành áo hạt ngắn màu đỏ Khi chín, quả khô và cứng thành dạng quả nang màu nâu Quả không ăn được nhưng được thu hoạch để lấy hạt, trong đó có chứa chất bixin, thành phần chính của annatto Nó là nguồn cung cấp chính cho một loại chất màu tự nhiên, gọi là annatto có màu vàng

đỏ, sản xuất từ quả Chất màu lấy được từ hạt điều nhuộm có màu đỏ và vàng

Cây, hoa và quả điều nhuộm được thể hiện ở hình 1.1 và hình 1.2

Hình 1.1 Cây điều nhuộm Hình 1.2 Hoa và quả điều nhuộm

Phân bố

Điều nhuộm là một loài cây bụi có nguồn gốc từ khu vực nhiệt đới của châu

Mỹ Nó được trồng tại khu vực này và tại khu vực Đông Nam Á do người Tây Ban Nha đưa tới đây trong thế kỷ 17 Cây điều nhuộm độ tuổi có thể lên tới 50 năm, là cây ưa nắng nên phân bố nhiều ở những vùng có khí hậu nhiệt đới

Ở Việt Nam, cây điều nhuộm được trồng chủ yếu ở Nam bộ và Tây Nguyên

Thời gian thu hoạch

Cây này bắt đầu thu hoạch hạt giống từ 2 năm nếu trồng rừng đã được chăm sóc đúng cách, nhưng thu hái quanh năm khi cây được 4 năm

Thời gian thu hoạch quả điều nhuộm để chiết tách bixin với hàm lượng cao nhất là vào khoảng tháng 1, 2 và tháng 8, 9 hằng năm (khoảng 4 tháng sau khi cây điều nhuộm cho quả non)

1.1.2 Thành phần hóa học của hạt điều nhuộm [2], [7], [10], [14], [31]

Quả chứa nhiều vitamin A

(khoảng 3,2 g cho mỗi 100g quả), đặc

biệt trong phần cơm hạt có chứa 40% -

Ngoài bixin và norbixin, annatto còn chứa bixein, bixaghanene, bixol, crocetin, acid ellagic, ishwarane, isobixin, salicylic acid, phenylalanine, threonine, acid tomentosic, và tryptophan

1.1.3 Hoạt tính sinh học [21], [25], [31],[32]

Hạt có tác dụng thu liễm thoái nhiệt Hoa có tác dụng bổ huyết trừ lỵ, lá cũng có tác dụng hạ nhiệt

Ở châu Mỹ, người ta dùng cơm quả và hạt làm thuốc tẩy giun Các bộ phận của cây có thể sử dụng để làm thuốc chống say nắng, viêm amiđan, bỏng, hủi, viêm màng phổi, ngừng thở, các rối loạn trực tràng và đau đầu trong y học cổ truyền của

Hình 1.3 Hạt điều nhuộm

một số quốc gia trong khu vực Nam Mỹ Ở nhiều nước nhiệt đới, người ta thường dùng nó chữa lỵ

Ở các nước Đông Dương, Inđônêxia, Trung Quốc, chất màu của điều nhuộm dùng làm thuốc săn da và xổ nhẹ Ở Campuchia, lá được xem như có tính chất hạ nhiệt, thường dùng chữa sốt phát ban, sốt rét và các chứng sốt khác Nhựa từ quả cũng được sử dụng để điều trị bệnh đái tháo đường típ II hay chống nhiễm nấm Người ta dùng lá tươi đã sao khô sắc uống, 20-30g mỗi ngày; hoặc dùng lá tươi nấu nước tắm Theo nghiên cứu lâm sàng bixin còn có tác dụng chống lại các tia cực tím, có tính chất chống oxy hóa và có tác dụng bảo vệ gan

Điều nhuộm còn được dùng làm chất nhuộm màu thực phẩm (mã châu Âu E160b) Nước chiết hạt là chất màu da cam dùng để nhuộm màu thức ăn, lụa, bông

1.2 Sơ lược về phẩm màu [4], [5], [22], [28], [29], [30]

1.2.1 Khái niệm về phẩm màu

Phẩm màu là tên gọi chung chỉ những hợp chất hữu cơ có màu, chúng có khả năng nhuộm màu cho các vật liệu khác như vải, giấy, nhựa, da…và thực phẩm

Tùy theo nguồn gốc, cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng của chúng mà người ta chia phẩm màu thành các nhóm, họ, loại lớp khác nhau

1.2.2 Phân loại

Dựa vào nguồn gốc thu nhận, phẩm màu được chia làm hai loại:

1.2.2.1 Phẩm màu tổng hợp [28]

Phẩm màu tổng hợp là các phẩm màu được tạo ra bằng các phản ứng tổng hợp hoá học

Ví dụ: Amaranth (đỏ), Brilliant blue (xanh), Sunset yellow (vàng cam), Tartazine (vàng chanh) Các phẩm màu tổng hợp thường đạt độ bền màu cao, với một lượng nhỏ đã cho màu đạt với yêu cầu đặt ra, đa dạng về màu sắc, có thể phối màu để tạo ra màu thích hợp với thị hiếu người tiêu dùng Tuy nhiên, phần lớn các chất mầu tổng hợp đều có thể gây ung thư và có tác động không tốt đối với con người nên khi sử dung phải tuân theo sự chỉ dẫn trong tài liệu kỹ thuật Điều này đã được các nhà khoa học chứng minh từ năm 1979

1.2.2.2 Phẩm màu thiên nhiên [4], [5], [8], [9], [22], [23]

 Khái niệm [4], [5]

Phẩm màu tự nhiên là các phẩm màu được chiết suất ra hoặc được chế biến từ các nguyên liệu hữu cơ (thực vật, động vật) sẵn có trong tự nhiên, những chất vốn có và tồn tại trong các thành phần của nguyên liệu, mỗi loại nguyên liệu khác nhau thì sẽ có màu sắc khác nhau mang đặc thù của chính nó

Ví dụ: Caroten tự nhiên được chiết suất từ các loại quả có màu vàng, curcumin được chiết suất từ củ nghệ, màu caramen được chế biến từ đường Nhóm phẩm màu có nguồn gốc tự nhiên có nhược điểm là độ bền kém, sử dụng với lượng lớn nên giá thành sản phẩm cao

 Phân loại [4], [9], [17], [23], [29]

Chất màu tự nhiên thường chia ra 3 nhóm chính:

 Clorophyl (màu xanh) còn gọi là diệp lục tố hay chất màu xanh lá cây

 Carotenoid (màu da cam, vàng, đôi khi có màu đỏ), chất này có trong lục lạp

 Flavanoit (có màu đỏ, xanh, vàng…), chất này có trong các không bào

 Clorophyl

 Khái niệm

Clorophyl là chất màu xanh lá cây của thực vật hay còn gọi là hạt diệp lục Clorophyl phân tán ở trong chất nguyên sinh gọi là hạt diệp lục hay lục lạp Hàm lượng clorophyl trong cây xanh chiếm 1% chất khô Công thức cấu tạo của clorophyl thể hiện trên hình 1.4

 Vai trò:

Clorophyl có vai trò cực kì quan trọng trong quá trình quang hợp - quá trình chủ yếu tạo ra các chất hữu cơ và tạo ra nguồn oxy duy nhất trên quả đất Clorophyl không những cho màu xanh mà còn có khả năng che mờ các chất màu khác

 Phân loại: Clorophyl có 2 loại

 Clorophyl A có công thức là: C55 H72 O4N4Mg

 Clorophyl B có công thức là: C55H70O6N4Mg

Tỷ lệ clorofil A và clorofil B trong thực vật khoảng 3:1

 Tính chất của clorophyl

 Lý tính

- Là một chất kết tinh

- Không tan trong nước, tan trong rượu, ete, benzen (các dung dịch đều có màu xanh)

 Hoá tính

Mg N N

N N

O COOCH3

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của Clorophyl A và B

- Dưới tác dụng của nhiệt độ, axit của dịch bào thì màu xanh bị mất đi vì Mg bị axit lấy mất và clorophyl biến thành pheophytin màu sẫm oliu Vì vậy, những sản phẩm thực phẩm chua như lá me bị mất màu xanh và có màu oliu ngay trong quá trình chần

Clorophyl + 2HX → MgX2 + Pheophytin (màu sẫm oliu)

- Khi tác dụng với kiềm nhẹ (cacbonat kiềm và kiềm thổ) thì chúng sẽ trung hoà axit và muối axit của dịch bào tạo nên môi trường kiềm làm clorophyl bị xà phòng hoá cho sản phẩm có màu xanh đậm, đó là các muối phức tạp có Mg gọi là clorophylin hay clorophylit: (C32H30ON4Mg)(COOH)2, (C32H28O2N4Mg)(COOH)2

- Dưới tác dụng của Fe, Sn, Al, Cu, thì nguyên tử Mg trong clorophyl sẽ bị thay thế và cho màu khác như:

+ Với Fe: cho màu nâu

+ Với Sn, Al: cho màu xám

+ Với Cu: cho màu xanh sáng bền

 Những biến đổi của clorophyl trong quá trình chế biến thực phẩm:

Các loại rau quả có màu xanh, trong quá trình đun nấu thường màu xanh tự nhiên của chúng dễ bị biến đổi Nguyên nhân của hiện tượng này là:

 Do sự tác động tương hỗ giữa clorophyl với các axit chứa trong dung dịch của tế bào của rau quả

 Thời gian đun nóng càng lâu thì clorophyl chuyển thành pheophytin càng nhiều

 Các loại rau quả có hàm lượng axit càng cao thì càng dễ bị biến đổi mạnh và nhanh khi đun nấu

 Cách bảo vệ màu clorophyl trong sản xuất thực phẩm, đặc biệt là đồ hộp rau quả:

 Làm giảm hàm lượng axit tự do (tức là tăng pH trong nguyên liệu)

 Gia nhiệt nhanh trong một lượng nước sôi lớn 3-4 lít nước/1kg thực phẩm (để làm giảm lượng axit, axit sẽ bay hơi cùng với nước)

 Gia nhiệt rau xanh trong nước cứng; cacbonat kiềm sẽ trung hoà một phần axit dịch bào

 Cho vào đồ hộp rau quả một ít chất đệm kiềm như đinatri glutamat (để tăng pH)

 Nhuộm màu xanh cho rau quả hộp bằng clorophyl

 Carotenoit [17], [22], [30]

 Khái niệm

Carotenoit là những chất màu vàng hay đỏ có nguồn gốc thực vật hay động vật Chúng tạo nên màu của cà rốt, cà chua, lòng đỏ trứng, lá vàng mùa thu Đến nay, các nhà khoa học đã biết tới hơn 600 loại carotenoit khác nhau Công thức cấu tạo của một số carotenoit được thể hiện ở hình 1.5

Từ công thức phân tử C40, carotenoit có cấu trúc tetratecpen và thường chứa các đôi liên hợp, số lượng các nối đôi đã quyết định màu của carotenoit Nhóm này gồm khoảng 65 - 70 các chất màu thực vật, tiêu biểu carotenoit, xanthophyl, capxanthin…

 Tính chất của carotenoit

 Không tan trong nước, tan trong chất béo và một số dung môi hữu cơ

 Rất nhạy (không bền với axit và chất oxy hoá)

 Bền vững đối với kiềm





Hình 1.5 Công thức cấu tạo của một số carotenoit

 Tất cả các carotenoit tự nhiên đều có thể xem như dẫn xuất của lycopen:

 Lycopen: màu đỏ, có nhiều trong cà chua

 Caroten: màu da cam, có nhiều trong cà rốt, mơ

 Xanthophyl: màu vàng lòng đỏ trứng gà (C40H56O), có nhiều trong lá xanh, đồng thời nó cũng có trong cà chua cùng với lycopen

 Capxanthin: C40H58O3, là dẫn xuất của caroten, nhưng có màu nhạt hơn các carotenoid khác 10 lần Chiếm 7/8 tổng số chất màu của ớt

 Criptoxanthin: Là một dẫn xuất monohidroxy của α-caroten, chất màu chính của cam, quýt (C40H56O)

 Astacxanthin: là dẫn xuất của caroten có màu vàng đỏ, có ở các loài giáp xác, trong thành phần của mai tôm cua Trong quá trình gia nhiệt, protein bị biến tính, astacxanthin bị tách ra dưới dạng sắc tố màu vàng đỏ

 Những biến đổi của carotenoit trong quá trình gia công chế biến thực phẩm

So với clorophyl, carotenoit bền vững hơn nhiều đối với tác động của nhiệt độ và môi trường chế biến Carotenoit lại không tan trong nước nên hầu như không bị tổn thất khi ngâm rửa rau quả Vì vậy, trong điều kiện chế biến bình thường, màu của các sản phẩm tạo nên bởi các carotenoit không bị biến đổi

Tuy nhiên, do các carotenoit tan được trong chất béo nên khi xào rán, những loại rau quả có chứa nhiều carotenoit như cà rốt, cà chua, ớt… thì một phần carotenoit trong thực phẩm sẽ hòa tan trong chất béo và làm cho chất béo có màu vàng da cam Đối với một số món ăn, việc carotenoit hoà tan trong chất béo có ý nghĩa rất to lớn, vừa làm tăng màu sắc hấp dẫn của món ăn vừa giúp cơ thể dễ háp thu carotenoit hơn

Trong quá trình chế biến nhiệt các loại tôm, cua… thành phần protein của chất xianin có ở vỏ tôm cua bị biến tính Do đó, astacxanthin được tách ra dưới dạng sắc tố màu vàng đỏ Khi luộc cua, rang tôm tép… đều thấy hiện tượng của sản phẩm này xuất hiện màu đỏ

 Cách bảo vệ màu vàng carotenoit

 Carotenoit rất bền với nhiệt độ cao và các biến đổi phản ứng của môi trường

 Vì carotenoit không hoà tan trong nước nên chúng không bị mất đi khi rửa, chần và các quá trình tương tự khác

 Vì carotenoit tan trong dầu mỡ nên khi rán hay đóng hộp các loại rau quả chứa nhiều carotenoit như cà rốt, ớt đỏ, cà chua…carotenoit sẽ chuyển vào dầu rán

 Flavonoit [17]

 Khái niệm

Flavonoit là những dẫn xuất của cromman và crommon, thuộc nhóm phenylpropan vì chúng có chứa khung cacbon từ C6 – C3 – C6 Khi cromman và crommon bị ngưng tụ với một vòng phenol được dẫn xuất có tên flavan Flavonoit

có trong các không bào, có màu đỏ, xanh và vàng

O

O

B

Hình 1.6 Công thức cấu tạo của Flavonoit

Trong tự nhiên có hơn 5000 chất flavonoit, tuỳ vào số lượng và tỷ lệ flavonoit trong rau quả, hoa và các bộ phận khác của thực vật khác nhau làm cho chúng cho nhiều màu sắc khác nhau Dựa vào cấu trúc hóa học, các flavonoit được phân thành nhiều nhóm như flavon, isoflavones…tiêu biểu nhất là nhóm antoxian

Chất antoxian màu đỏ có nhiều trong thực vật như các loại rau quả có màu từ

đỏ đến tím như: quả nho, quả dâu, bắp cải tím, lá tía tô, đậu đen, quả cà tím, gạo nếp than, gạo đỏ…

 Tính chất của antoxian

 Antoxian là mono hay diglucozit do gốc đường glucoza, galactoza hoặc ramnoza kết hợp với gốc aglucon có màu gọi là antoxianidin Khi thủy phân antoxian thì thu được đường và antoxianidin (antoxianidol)

 Antoxian và antoxianidol là những chất tạo nên màu sắc cho hoa quả, antoxian tan trong nước còn antoxianidol thì không

 Một số tính chất của antoxian

- Hòa tan trong nước và trong dung dịch bão hòa Khi kết hợp với đường thì làm cho phân tử này càng hòa tan hơn

- Màu sắc thì luôn luôn thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ, độ pH, các ion kim loại và nhiều yếu tố khác

+ Khi tăng số lượng OH trong vòng benzen thì màu xanh càng đậm

+ Khi metyl hóa nhóm OH ở trong vòng benzen càng cao thì màu càng đỏ + Màu sắc của antoxian còn phụ thuộc rất mạnh vào pH của môi trường:

Khi pH > 7 các antoxian cho màu xanh

Khi pH < 7 các antoxian cho màu đỏ

+ Màu sắc của antoxian có thể bị thay đổi do hấp thụ ở trên polysacarit

+ Các antoxian dễ bị phá huỷ và mất màu khi đun nóng lâu

+ Các màu sắc của hoa có được là do tổ hợp của các andoxianidin và các este metylic của chúng với axit và bazơ

 Ứng dụng của chất màu tự nhiên [2], [8], [13]

Trong thực tế, người ta có thể dùng các chất màu tự nhiên hoặc tổng hợp để tạo màu cho các sản phẩm thực phẩm, để làm tăng giá trị cảm quan cho chúng, các chất màu đỏ, màu vàng thường được sử dụng nhiều hơn

Carotenoit là nhóm chất màu tự nhiên được sử dụng nhiều nhất

Tartrazin có màu vàng chanh tạo màu cho mứt và kẹo, kem đá, đồ uống có

ga Riboflavin màu vàng tạo màu cho súp, sản phẩm mứt kẹo Sunset yellow màu

da cam tạo màu cho đồ uống, mứt, quả, cá hồi biển, cua β- carotene da cam tạo màu cho mỡ, đồ uống, mứt kẹo, sữa chua…

Màu xanh lá cây chỉ lấy từ thực vật chủ yếu là màu xanh của nhóm clorophyl được chiết từ lá dứa, lá tre, mây, lá khúc, bồ ngót Thường dùng để nhuộm màu các loại bánh

Màu nâu thông dụng nhất là màu caramel (còn gọi là nước màu, hoặc nước hàng – khi đun đường cháy), thường dùng trong gia đình để kho, nấu, làm bánh

hoặc tạo màu cho các sản phẩm nước ngọt có ga như cola, xá xị (trong công nghiệp nước giải khát) Ngoài ra, màu nâu còn được lấy từ cà phê, ca cao…

Màu vàng cam đỏ chủ yếu được tạo thành nhờ nhóm carotenoit tan trong dầu

và nhóm flavonit tan trong nước của các nguyên liệu có nguồn gốc thực vật Ngoài

ra còn có thể dùng betalain cartamin được chiết suất từ quả dành dành, củ nghệ, hạt điều, củ dền… dùng để nhuộm màu bánh, xôi và một số món nấu trong gia đình

1.3 Giới thiệu về phẩm màu annatto

1.3.1 Phẩm màu annatto [14], [26], [32]

Annatto là chất màu tự nhiên chiết từ hạt điều nhuộm không gây độc hại, không ảnh hưởng đến sức khoẻ con người nên đã được CODEX đưa vào danh mục các loại phẩm màu tự nhiên được sử dụng an toàn cho thực phẩm và dược phẩm Phẩm màu annatto thường được sử dụng ở dạng chiết trong dầu và dạng bột tan trong nước Hình ảnh về phẩm màu annatto thể hiện trên hình 1.7

Hình 1.7 Phẩm màu annatto

Annatto bị biến đổi khi tiếp xúc với ánh sáng ở nhiệt độ cao, trong thời gian kéo dài Trong môi trường pH thấp, norbixin bị kết tủa, nó có thể liên kết với protein, tinh bột và thành phần khác để tạo sự đồng đều màu trong sản phẩm Annatto rất bền trong môi trường kiềm và rất nhạy cảm đối với sự oxi hóa

1.3.2 Tính chất hóa học của phẩm màu annatto [2], [6], [32]

Chất nhuộm màu chủ yếu trong phần cơm hạt điều nhuộm là norbixin và bixin Hạt màu điều nhuộm chứa khoảng 4,5% - 5% các sắc tố, trong đó bao gồm bixin 70-80%, tùy theo độ chín của hạt mà tỷ lệ bixin và norbixin thay đổi

Bixin có CTPT C25H30O4, khối lượng phân tử là 394,5g/mol Nó là một carotenoit dạng tinh thể màu vàng cam, không tan trong nước, tan trong dung dịch

kiềm, các dung môi hữu cơ như etyl axetat, axeton và tan trong dầu mỡ nóng

Bixin cấu trúc hóa học không ổn định, khi bị cô lập và chuyển đổi thành dạng trans- bixin (β-bixin), đồng phân hình học

Norbixin có CTPT C24H28O4, khối lượng phân tử là 380,5g/mol Nó là một axit dicacboxylic dạng tinh thể màu vàng, tan được trong nước, tan trong dung dịch kiềm, dễ bị kết tủa trong môi trường pH thấp

Công thứccấu tạo của bixin và norbixin thể hiện trên hình 1.8

Hình 1.8 Công thức cấu tạo của Bixin và Norbixin

Bixin hòa tan trong chất béo nhưng không hòa tan trong nước

Khi tiếp xúc với kiềm, methyl ester sẽ bị thủy phân để sản xuất axit

dicarboxylic norbixin, một dẫn xuất tan trong nước Phương trình phản ứng:

HO

O X

Ngoài ra, phẩm màu annatto có thể sử dụng làm thuốc chữa bệnh cao huyết áp, các bệnh về tiêu hóa, chữa bao tử, chống oxi hóa bảo vệ gan, thuốc chống say nắng, viêm amiđan, bỏng, hủi, viêm màng phổi, ngừng thở, các rối loạn trực tràng và đau đầu trong y học cổ truyền của một số quốc gia trong khu vực Nam Mỹ

1.3.3.2 Phẩm màu trong thực phẩm

Trong thực phẩm, màu giữ một vai trò rất quan trọng, giúp cho sản phẩm bắt mắt hơn, tạo ảnh hưởng tốt về chất lượng của sản phẩm Hiện nay, chất màu dùng trong thực phẩm chủ yếu gồm ba loại: chất màu tự nhiên, chất màu tổng hợp, màu được tạo ra qua chế biến thực phẩm Phần lớn chất màu tổng hợp được sử dụng nhiều trong thực phẩm do rẻ tiền, dễ sử dụng và bền màu Theo nghiên cứu, các chất màu tổng hợp có thể gây ung thư và có tác dụng không tốt cho cơ thể con

người, còn chất màu tự nhiên thường không gây độc hại do được chiết xuất từ các thành phần thiên nhiên

Chất màu annatto được sử dụng rất nhiều trong thực phẩm Nó thường được thêm vào thực phẩm để nhuộm màu cho các sản phẩm như: bánh, mứt, kẹo, nước giải khát, kem bơ, các sản phẩm chế biến từ thịt, cá…

Annatto : gồm bixin và norbixin

Phẩm màu bixin tan trong dầu: dùng cho các sản phẩm của chất béo và sữa, phô mai, bơ, margarin, lạp xưởng, mì tôm, kem, đồ tráng miệng, thực phẩm nướng

và bánh snack

Phẩm màu norbixin tan trong nước: dùng cho bánh kẹo, phô mai, cá xông khói, kem và sản phẩm của sữa, đồ tráng miệng, sản phẩm của ngũ cốc và bánh mì

(phần ruột bánh), tạo màu cho đồ uống

Một số ứng dụng của phẩm màu điều nhuộm trong thực phẩm được thể hiện

ở hình 1.9

Hình 1.9 Ứng dụng của annatto trong thực phẩm

1.3.3.3 Thuốc nhuộm màu tự nhiên

Tại Đông Nam Á, người ta thu hái hạt để làm chất nhuộm màu, chính vì thế mà loài này có tên gọi điều nhuộm Hạt điều nhuộm đã được thổ dân châu Mỹ sử dụng từ rất lâu để làm thuốc màu vẽ lên cơ thể, đặc biệt là môi, vì thế mà đôi khi nó còn được gọi tại khu vực này như là "cây son môi"

Annatto là nguồn sáng tự nhiên cho chất liệu silk Màu cam của annatto là màu được ưa chuộng trên chất liệu silk Mặc dù thuốc nhuộm tự nhiên không thể tồn tại lâu dài với thời gian nhưng người ta đã phát triển quy trình làm cho chất

nhuộm có thể bền hơn trên vật liệu tơ sợi Thuốc nhuộm không thấm vào vải tơ sợi nhiều, do đó thường sử dụng các chất cắm màu như: kali nhôm sunfat K2-

SO4.Al2(SO4)3, đồng sunfat CuSO4…để kéo dài tuổi thọ của thuốc nhuộm trên tơ sợi

Thuốc nhuộm annatto có độ ái lực tương đối cao đối với cả sợi nilông và polieste Màu sắc trên sợi nilông và polieste có độ bền tương đối trong khi giặt

Hình 1.10 Annatto nhuộm các loại vải

Ngoài ra, annatto còn được sử dụng trong các sản phẩm chăm sóc sắc đẹp, nó được thêm vào để tạo màu nắng trong dầu gội, kem, mỹ phẩm…

dựng Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM

- Lại Quốc Thuần, Khảo sát độ bền và phương pháp bền hóa hợp chất Carotenoid từ điều nhuộm (Bixa Orellana L), Luận văn thạc sĩ ngành công nghệ

hóa học Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, năm 2009

- Đào Hùng Cường, Phan Thảo Thơ, Nghiên cứu thành phần và phản ứng chuyển hóa hợp chất hóa học của hạt điều nhuộm miền Trung, Tây Nguyên, Đề tài

cấp Nhà nước, năm 2008

- Đào Hùng Cường, Phan Thảo Thơ, Nghiên cứu chiết tách bixin từ hạt điều nhuộm bằng dung môi hữu cơ, Trường Đại học sư phạm Đà Nẵng, năm 2007

- Đào Hùng Cường, Phan Thảo Thơ, Nghiên cứu chiết tách phẩm màu hạt điều nhuộm bằng dung dịch kiềm, Trường Đại học sư phạm Đà Nẵng, năm 2008

- Đào Hùng Cường, Nghiên cứu chiết tách phẩm màu điều nhuộm bằng dầu meizan, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 4(27), năm 2008

- Đào Hùng Cường, Nghiên cứu chiết tách nobixin theo độ chín của hạt điều nhuộm, Tạp chí Hoá học và Ứng dụng, Hội Hoá học Việt nam, số 5 (65), năm 2007

- Đào Hùng Cường, Phan Thảo Thơ, Nghiên cứu chiết tách bixin từ hạt điều nhuộm bằng dung môi thực phẩm, Tạp chí Hoá học và Ứng dụng, Hội Hoá học Việt

nam, số 11(95), năm 2009

- Hoàng Thị Lĩnh, Vũ Mạnh Hải, Nghiên cứu khả năng nhuộm vải của chất màu tự nhiên từ hạt điều nhuộm, Tạp chí hóa học, số đặc biệt Hội thảo NC và phát

triển các sản phẩm tự nhiên, Hà Nội 11/2008

- Lê Thị Anh Đào, Đinh Ngọc Đức, Phan Thị Sửu, Tách chiết chất màu đỏ cho thực phẩm từ hạt điều nhuộm (Bixa orellana.L) Việt Nam, Tuyển tập các công

trình Hội nghị Khoa học và Công nghệ Hoá hữu cơ toàn quốc lần thứ hai,

năm 2001

- Nghiên cứu tách chiết crocin từ quả dành dành Gardenia Jasminoides Ellis, Rubiacea, chất màu vàng curcumin từ củ nghệ Curcuma Longa L., màu đỏ Longa bixin và norbixin từ hạt điều nhuộm Bixa Orellana L., Bixaceae, màu đỏ anthocyanin từ nếp than và cây Bụp giấm Hirbicus Sabdariffa L., họ Malvaceae, màu xanh Chlorophyl từ phân tằm, Đề tài NCKH bộ môn Hóa Hữu cơ, ĐH Bách Khoa Tp.HCM, năm 2005

- Hoàn thiện công nghệ chiết tách chất màu tự nhiên từ hạt Dành dành, hạt Điều nhuộm và Bụt dấm, Đề mục thuộc Đề tài cấp Nhà nước, Bộ môn hương liệu và

phụ gia thực phẩm, Viện công nghiệp thực phẩm Hà Nội

 Trên thế giới có một số công trình sau:

- G F SilvaI; Felix M C GamarraII; A L OliveiraIII; F A CabralII ,

Extraction of bixin from annatto seeds using supercritical carbon dioxide,

IDepartment of Chemical Engineering, Federal University of Sergipe, CEP:

49100-000, Sergipe - SE, Brazil, IIDepartment of Food Engineering, State University of Campinas, IIIDepartment of Food Engineering, School of Animal Science and Food Engineering, University of São Paulo, Av Duque de Caxias Norte 225, CEP: 13635-900, Pirassununga, SP – Brazil

- Scotter, M J., Thorpe, S A., Reynolds, S L., Wilson, L A & Strutt, P R,

Characterisation of the principal colouring components of Annatto using high performance liquid chromatography with photodiode -array detection, Food Addit Contam., 1994

- Scotter, M J., Wilson, L A., Appleton, G P & Castle, L, Analysis of Annatto

(Bixa orellana) food colouring formulations 1, J Agric Food Chem., 1998

- Preston, H.D and Rickard, M.D., Extraction and chemistry of annatto,

Food Chemistry 5, 1980

1.4 Phương pháp chiết tách phẩm màu [3], [8], [12], [18], [19]

1.4.1 Phương pháp chiết [3], [12]

Chiết là dùng dung môi thích hợp có khả năng hoà tan chất đang cần tách và tinh chế để tách chất đó ra khỏi môi trường rắn hoặc lỏng khác Thường người ta dùng một dung môi có nhiệt độ sôi thấp và ít tan trong nước (vì các chất hữu cơ cần tinh chế thường ít tan trong nước), chất đó sẽ chuyển phần lớn lên dung môi và ta có thể dùng phễu chiết để tách riêng dung dịch thu được ra khỏi nước

Bằng cách lặp đi lặp lại việc chiết một số lần, ta có thể tách hoàn toàn chất cần tinh chế vào dung môi đã chọn, sau đó cất loại dung môi và lấy chất tinh khiết ở nhiệt độ và áp suất thích hợp

Người ta cũng thường chiết một chất từ hỗn hợp rắn bằng một dung môi hoặc hỗn hợp dung môi với một dụng cụ chuyên dùng đặc biệt gọi là bình chiết Soxhlet Dung môi được đun nóng, cho bay hơi liên tục chảy vào bình chứa hỗn hợp cần chiết tách (thường gói trong giấy lọc), nó sẽ hoà tan chất rắn cần tinh chế và nhờ một ống xiphông, dung dịch chảy xuống bình cầu bên dưới, dung môi nguyên chất lại liên tục được cất lên Phương pháp này tiết kiệm được dung môi và hiệu quả tương đối cao

+ Chiết đơn giản, một lần

Ta đun nóng hợp chất với dung môi trong bình cầu có sinh hàn hồi lưu, lọc nóng hoặc để lắng cho trong rồi chắt Khi thao tác với những lượng chất nhỏ, ta

dùng ống nghiệm có lắp sinh hàn ngón tay hoặc lắp ống sinh hàn không khí

+ Chiết đơn giản, nhiều lần

Nói chung, muốn làm cho quá trình chiết được lặp đi lặp lại nhiều lần thao tác đã được mô tả ở trên Trong trường hợp đó ta nên dùng những bộ công cụ công tác tự động Những bộ công cụ như vậy bao gồm một bình cầu, một thiết bị chiết và một ống sinh hàn hồi lưu Dung môi ở trong bình cầu được làm bốc hơi từng phần, dung môi được ngưng tụ nhỏ vào chất được chiết đựng trong một cái túi bằng giấy lọc và sau đó lại chảy vào bình Trong quá trình đó cấu tử cần được tách được làm giàu thêm trong dung môi

Các thiết bị chiết:

 Bộ dụng cụ Thilepape

Công dụng của ống Thilepape dựa trên nguyên tắc của máy chiết có dòng chảy liên tục, có nghĩa là dung môi được ngưng tụ ở ống sinh hàn, rồi thường xuyên nhỏ xuống hợp chất khi còn nóng, dung dịch chiết nhỏ liên tục xuống bình cầu Sau khi quá trình chiết kết thúc, ta đóng khóa lại và có cất dung môi thừa lên ống và lấy dung môi đó từ ống nhánh bên cạnh Ngoài ra, với những phụ kiện khác, ta có thể dùng ống Thilepape cho những mục tiêu khác nữa, như chiết chất lỏng với dung môi nặng hoặc nhẹ để xác định lượng nước được cất loại trong hỗn hợp đẳng phí

 Dụng cụ chiết Soxhlet

Dụng cụ chiết Soxhlet chỉ khác ống Thilepape ở chỗ nó có thêm một ống xi-phông đặt ở bên cạnh, chỉ để dung dịch chiết chảy vào bình khi nào mức chất lỏng trong ống chiết đạt được khuỷu trên của ống xi-phông Chất được chiết cần có tỷ khối lớn hơn là dung môi

Nguyên tắc:

Chiết Soxhlet là một kiểu chiết liên tục đặc biệt thực hiện nhờ một trang thiết bị riêng của nó Kiểu chiết này cũng như kiểu chiết lỏng- lỏng nên về bản chất của

sự chiết vẫn là định luật phân bố chất trong hai pha không trộn lẫn vào nhau Song ở đây pha mẫu là ở trạng thái lỏng, bột hoặc dạng mảnh Còn dung môi chiết (chất hữu cơ) là dạng lỏng

Ví dụ: Chiết lấy dầu mentol từ lá bạc hà bằng dung môi hữu cơ n-hexan hay benzen Chiết các thuốc trừ sâu hoặc bảo vệ thực vật trong mẫu rau quả, mẫu đất bằng n-hexan Vì thế đây là kiểu chiết của hệ chiết có thể là cả đồng thể và dị thể, mà chất phân tích nằm trong mẫu rắn, bột, lá, sợi…

Các trang thiết bị và ví dụ:

Trang thiết bị của kỹ thuật chiết soxhlet là hai loại:

1 Hệ soxhlet thường và đơn giản

2 Hệ soxhlet tự động (Auto-soxhlet)

Cách chiết theo hệ (1) là đơn giản vận hành bằng tay, còn cách (2) là vận hành một cách tự động Kỹ thuật này chủ yếu sử dụng để chiết tách chất hữu cơ nằm trong pha rắn hay bột hay mảnh nhỏ, hay các vật liệu khô (lá cây), vì thế nên nó là hệ chiết dị thể

Kỹ thuật chiết này có ưu điểm là chiết triệt để, song các điều kiện chiết phải nghiêm ngặt thì mới có kết quả tốt Vì thế, hệ thống vận hành chiết từ động cho kết quả tốt hơn nhưng phải có hệ thống trang bị hoàn chỉnh Nó thích hợp chiết các chất hữu cơ từ các đối tượng mẫu khác nhau Chất phân tích có trong mẫu rắn, bột, vật mẫu xốp khô (lá cây)… kỹ thuật này được ứng dụng chủ yếu để tách các hợp chất hữu cơ từ các mẫu cây lá, rau quả hoặc mẫu đất như ví dụ trên

1.4.2 Chưng cất để loại dung môi [14]

Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách một hỗn hợp lỏng ra thành các cấu

tử trong hỗn hợp ở cùng một nhiệt độ, vì thế ta sẽ thu được hóa chất tinh khiết hơn

Phương pháp này dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí, lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau)

Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Muốn có quá trình chưng cất đạt hiệu quả cao ta phải tìm hiểu tính chất của hỗn hợp lỏng sẽ đem chưng cất Hỗn hợp lỏng rất đa dạng, ở đây

ta đề cập đến các hỗn hợp lỏng hai thành phần vì chúng là những đối tượng của quá trình chưng cất gặp rất nhiều trong thực tế

Quá trình phân riêng các thành phần của hỗn hợp lỏng có nhiều thành phần cũng tương tự như hỗn hợp lỏng có hai thành phần Đối với trường hợp 2 cấu tử ta có : Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé, còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Các phương pháp chưng cất thường gặp:

- Chưng cất đơn: dùng để tách các hỗn hợp gồm có các cấu tử có độ bay hơi khác nhau Phương pháp này thường dung để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

- Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp : dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước

- Chưng cất chân không : dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu

tử Ví dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao

Trong các phương pháp trên, chưng cất đơn là phương pháp thường được sử dụng nhiều trong phòng thí nghiệm để đuổi dung môi Trong nhiều phương pháp chiết, người ta thu được một dung dịch của hợp chất mong muốn trong một dung môi có điểm sôi thấp hơn mà sau khi chưng cất loại bỏ dung môi thu được hợp chất cần tổng hợp Trong những trường hợp đó bao giờ cũng nên đun trên bếp cách thủy

vì phần lớn các dung môi dễ cháy, mặt khác để các hợp chất hữu cơ không phải chịu nhiệt một cách không cần thiết Cuối quá trình chưng cất loại dung môi, điểm sôi của dung dịch tăng mạnh đến nỗi dung môi có nhiệt độ sôi thấp như ancol, benzene và các ete cũng không thể tách hoàn toàn khỏi chất rắn có nhiệt độ sôi cao

hơn trên bếp cách thủy Vì thế ta phải điều chỉnh nhiệt độ lên cao hơn so với điểm sôi của dung môi hoặc chưng cất chân không nhẹ làm cho áp suất càng giảm đi theo mức độ dung môi trong dung dịch càng nghèo hơn Tuy nhiên, đối với những chất mẫn cảm ở nhiệt độ cao thì ta nên chưng cất chân không ngay từ ban đầu Nếu phải chưng cất một khối lượng tương đối lớn dung môi có nhiệt độ sôi thấp trong chân không, dùng một sinh hàn hiệu lực và làm lạnh bình hứng thêm bằng nước đá hoặc bằng hỗn hợp nước đá-muối ăn Nếu cũng phải cất cặn còn lại sau khi cất loại dung

mô, ta nên chuyển cặn đó sang một cốc nhỏ hơn và tráng sạch bình cũ bằng một ít dung môi

1.4.3 Phương pháp kết tinh [3], [8], [12]

Phương pháp quan trọng nhất để tinh chế các chất rắn là kết tinh lại Hòa tan đến mức bảo hòa các sản phẩm thô trong dung môi thích hợp ở nhiệt độ cao, lọc nóng dung dịch khỏi các thành phần chưa hòa tan rồi để nguội, sau đó hợp chất sẽ kết tinh ra, nói chung ở dạng tinh khiết hơn

Lựa chọn dung môi

Hỗn hợp phản ứng là hỗn hợp lỏng – lỏng, rắn – lỏng cộng với dung môi hay tập hợp một số dung môi Chúng có độ hòa tan khác nhau, nồng độ các chất khác

nhau và có tác dụng tương hỗ (thấm lấn), khuếch tán vào nhau

Dung môi đáp ứng những yêu cầu sau đây:

- Phải có tính hòa tan chọn lọc, tức là hòa tan tốt các chất cần tách mà không được hòa tan hoặc hòa tan rất ít các chất khác Đây là tính chất cơ bản không thể thiếu được

- Không có tác dụng hóa học với các cấu tử của dung dịch

- Nếu trích ly lỏng, yêu cầu khối lượng riêng (p) của dung môi khác xa với (p) dung dịch Tất nhiên cũng có loại thiết bị trích ly dung dịch có (p) rất gần nhau

- Không phá hủy thiết bị

- Không bị biến đổi thành phần khi bảo quản

- Không độc khi thao tác, không tạo hỗn hợp nổ với không khí và khó cháy

- Rẻ tiền, dễ kiếm

- Dung môi phải được tách ra sau quá quá trình trích ly bằng phương pháp đun nóng, chưng cất hoặc sấy Sau khi tách không để lại mùi vị lạ, làm bẩn sản phẩm

Dĩ nhiên dung môi không được phép làm thay đổi chất hòa tan về mặt hóa học Các hỗn hợp dung môi như: nước – ancol, nước – đioxan, clorofom-ete dầu hỏa cũng có thể rất thích hợp, phải xác định thành phần thích hợp nhất cho những hỗn hợp như vậy trong những thí nghiệm sơ bộ

Tiến hành kết tinh lại

Trước hết, đun nóng chất trong một lượng dung môi không đủ để hòa tan hết lượng chất tan đó Vì đường cong biểu diễn độ hòa tan tăng vọt ở gần điểm sôi của dung môi nên khi kết tinh lại bao giờ cũng nên đun đến sôi Qua ống sinh hàn thận trọng cho thêm dung môi cho đến khi chất đã hòa tan hoàn toàn trong khi dung dịch đang sôi Nếu phải sử dụng dung môi dễ cháy trong khi tiến hành thao tác trên cần tắt hết tất cả ngọn lửa xung quanh Các đá bọt sẽ mất hết tác dụng, nếu dung dịch bị làm lạnh xuống dưới điểm sôi Nếu trong khi thí nghiệm sơ bộ đã xác định rằng sẽ có một số tạp chất không tan thì không nên cho quá nhiều dung môi để có một dung dịch trong suốt

Đun sôi lại một chút và lọc nóng ngay sau đó Đóng kín bình và để nguội để bình vào tủ lạnh hoặc làm lạnh bằng nước đá hoặc hỗn hợp sinh hàn

Các hợp chất hữu cơ rất hay có xu hướng tạo ra dung dịch quá bão hòa Nhiều khi có thể kết thúc tình trạng quá bão hòa đó bằng cách cho vào dung dịch một tinh thể mầm của hợp chất đó hoặc một hợp chất đồng hình Lấy đũa thủy tinh cọ vào thành bình cũng tạo ra mầm tinh thể và quá trình kết tinh phụ thuộc vào các mầm đó

Nhiều khi tốc độ kết tinh rất nhỏ nên thường quá trình kết tinh của một dung dịch đã nguội sau nhiều giờ mới kết thúc Trong trường hợp cá biệt, sau nhiều tuần hoặc hàng tháng sau vẫn còn có tinh thể kết tinh ra Vì thế ta không bao giờ đổ nước cốt đi quá sớm

Lưu ý: Các tạp chất đồng thể nhiều khi kìm hãm quá trình mầm và quá trình kết tinh Đặc biệt là mỡ bôi nút nhám bị cuốn theo và được hòa tan có thể trì hoãn quá trình kết tinh Vì vậy ta chỉ nên bôi mỡ tiết kiệm vào các cổ nhám hay trong những quá trình kết tinh đặc biệt và gay go, ta hoàn toàn không bôi mỡ

1.4 Phương pháp đo quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS [12], [15], [20], [24]

1.4.1 Giới thiệu phương pháp

Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS được viết tắt từ Atomic Absorption Spectrophotometric) là một kỹ thuật phân tích tương đối mới đã và đang được phát triển mạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật ở các nước phát triển Đối tượng của phương pháp phân tích theo phổ hấp thụ nguyên tử là lượng nhỏ các kim loại và một số á kim trong rất nhiều đối tượng mẫu: quặng, đất, nước khoáng, các mẫu sinh học, y học, các sản phẩm nông nghiệp, thực phẩm, nước uống, phân bón, vật liệu Với trang bị và kỹ thuật hiện nay người ta có thể định lượng được hầu hết các kim loại và một số á kim đến giới hạn nồng độ cỡ ppb với sai số không lớn hơn 15%

1.4.2 Nguyên tắc phép đo

Các nguyên tử ở trạng thái bình thường thì chúng không hấp thụ hay bức xạ năng lượng nhưng khi chúng ở trạng thái tự do dưới dạng những đám hơi nguyên tử thì chúng hấp thụ và bức xạ năng lượng Mỗi nguyên tử chỉ hấp thu những bức xạ nhất định tương ứng với những bức xạ mà chúng có thể phát ra trong quá trình phát xạ của chúng Khi nguyên tử nhận năng lượng chúng chuyển lên mức năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thích Quá trình đó gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ của nguyên tử đó Phổ sinh

ra trong quá trình này gọi là phổ hấp thụ nguyên tử

Phương pháp phân tích dựa trên cơ sở đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố được gọi là phép đo phổ hấp thụ nguyên tử

Hình 1.11 Sơ đồ máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS

Đầu dò (PMT)

Hệ thống xử lý tín hiệu

Bộ đơn sắc Hệ thống

quang học

Nguồn sáng

đơn sắc

( Hệ thống nguyên tử hóa

1.4.3 Quy trình phép đo AAS

Để thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử cần thực hiện các quá trình sau đây:

- Quá trình nguyên tử hóa mẫu

Mục đích của quá trình này là tạo ra được đám hơi các nguyên tử tự do từ mẫu phân tích với hiệu suất cao và ổn định Ta có thể nguyên tử hóa mẫu phân tích bằng ngọn lửa và bằng kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa Đây là giai đoạn quan trọng nhất và có ảnh hưởng đến kết quả của phép đo AAS Để thu được kết quả phân tích chính xác, phải nghiên cứu và chọn được các điều kiện tối ưu cho quá trình nguyên tử hóa mẫu sao cho phù hợp với từng nguyên tố phân tích trong mỗi loại mẫu cụ thể, đó là:

+ Thành phần và tốc độ của hỗn hợp khí đốt ra tạo ngọn lửa

+ Tốc độ dẫn dung dịch mẫu

+ Chiều cao của đèn nguyên tử hóa

+ Bề dày của môi trường hấp thụ

+ Độ nhớt của dung dịch mẫu Dung dịch phân tích và dung dịch dùng để lập đường chuẩn phải được chuẩn bị trong cùng một điều kiện để có cùng thành phần hóa học, vật lý, đặc biệt là thành phần nền của mẫu, độ axit, loại axit dùng làm môi trường

- Nguồn phát bức xạ đơn sắc

Muốn thực hiện phép đo phôt hấp thụ nguyên tử, cần phải có nguồn phát tia bức xạ đơn sắc của nguyên tố cần phân tích để chiếu qua đám hơi nguyên tử tự do Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc phải thõa mãn các yêu cầu sau:

+ Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc tạo ra phải là các tia phát xạ nhạy của nguyên tố phân tích Chùm tia phát xạ phải có cường độ (Io) ổn định, lặp lại trong nhiều lần đo khác trong cùng điều kiện và phải điều chỉnh được để có cường độ cần thiết cho mỗi phép đo

+ Nguồn phát bức xạ phải tạo ra được chumg tia phát xạ thuần khiết, chỉ bao gồm một số vạch nhạy của nguyên tố phân tích Phổ nền của nó phải không đáng

kể

+ Nguồn phát tia bức xạ phải tọa ra được chùm tia sáng có cường độ cao, nhưng phải bền theo thời gian và không bị các yếu tố vật lý khác gây nhiễu, không bị ảnh hưởng bởi các dao động của điều kiện làm việc Ngoài ra không quá đắt và và không quá phức tạp khi sử dụng

- Quá trình ghi đo

Gồm hệ thống phân ly ánh sáng sau khi bị hấp thụ, detector, bộ khuếch đại và ghi đo

Nhờ một hệ thống máy quang phổ, người ta thu, phân ly và chọn vạch hấp thụ một nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ của nó Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ của vạch phổ Trong một giới hạn nhất định của nồng độ, giá trị cường độ này là phụ thuộc tuyến tính vòa nồng độ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích Cường độ của các vạch phổ hấp thụ sau khi được detector ghi nhận và khuếch đại sẽ được đưa sang hệ thống chỉ thị, ở đây nó được khuếch đại tiếp và được xử lý để có được cường độ thực của vạch phổ hấp thụ

1.5 Phương pháp đo quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis [11], [16], [20]

1.5.1 Giới thiệu phương pháp

Phương pháp đo quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis là phương pháp phân tích dựa trên sự so sánh độ hấp thụ bức xạ đơn sắc (mật độ quang) của dung dịch nghiên cứu với độ hấp thụ bức xạ đơn sắc (mật độ quang) của dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ xác định Phương pháp này chủ yếu dùng để xác định lượng nhỏ các chất, tốn ít thời gian so với phương pháp khác Ngoài ra, nó còn có thể dùng để phân tích định tính vì mỗi dung dịch màu chỉ hấp thụ những tia sáng có bước sóng nhất định (λmax)

1.5.2 Cơ sơ lý thuyết của phương pháp

Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu

Dung dịch có màu là do bản thân dung dịch đã hấp thụ một phần quang phổ (một vung phổ) của ánh sáng trắng, phần còn lại ló ra cho ta màu của dung dịch, đó là màu phụ của phần ánh sáng trắng đã bị hấp thụ Ví dụ: dung dịch Fe(SCN)3 ta nhìn thấy màu đỏ là do khi ánh sáng chiếu vào dung dịch, dung dịch này hấp thụ

mạnh bức xạ đơn sắc màu xanh, màu xanh lá cây, vùng quang phổ còn lại ló ra cho

ta màu đỏ Sự hấp thụ của dung dịch theo màu được trình bày trong bảng sau

Bảng 1.1 Sự hấp thụ màu của các dung dịch màu

Tia sáng đơn sắc bị hấp thụ Màu của dung dịch

400nm-450nm: vùng tím Lục ánh vàng

450nm-480nm: vùng chàm Vàng

480nm-490nm: vùng chàm lục Da cam

490nm-510nm: vùng lục chàm Đỏ

510nm-560nm: vùng lục Đỏ tía

560nm-575nm: vùng lục ánh vàng Tím

575nm-590nm: vùng vàng Chàm

590nm-640nm: vùng da cam Chàm lục

640nm-720nm: vùng đỏ Lục chàm

720nm-800nm: vùng đỏ tía Lục

Sự hấp thụ bức xạ đơn sắc của dung dịch còn phụ thuộc vào nồng độ của chất hấp thụ

Định luật cơ bản về sự hấp thụ ánh sáng

Định luật cơ bản của phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử là định luật Lambert- Beer:

Khi bức xạ đơn sắc đi qua dung dịch chứa chất hấp thụ thì cường độ bức xạ ló ra khỏi dung dịch giảm càng mạnh nếu càng nhiều phân tử hấp thụ năng lượng bức xạ Sự giảm cường độ phụ thuộc vào nồng độ chất hấp thụ và độ dài đoạn đường mà bức xạ đơn sắc đi qua

Định luật Lambert – Beer có thể biểu diễn bởi phương trình sau:

D = lg

I

I0 = ε.C.l

Trong đó:

I0: Cường độ ánh sáng tới

Il : Cường độ ánh sáng sau khi đi qua dung dịch

C: Nồng độ dung dịch (mol/l)

l: Bề dày lớp dung dịch (cm)

ε: Hệ số tắt phân tử, ε phụ thuộc vào bản chất của dung dịch màu, bước sóng của bức xạ đi qua và nhiệt độ (ε ≤ 105)

D: Mật độ quang (hay độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch)

Đối với dung dịch nhất định chứa trong một loại cuvet nhất định thì ε, l là cố định Do vậy D = K.C cho biết sự phụ thuộc tuyến tính giữa mật độ quang và nồng độ của dung dịch, đây chính là cơ sở của phương pháp phân tích định lượng

1.5.3 Các điều kiện tối ưu cho một phép đo quang

Sự chính xác của định luật Lambert- Beer phụ thuộc vào các điều kiện sau:

 Ánh sáng đơn sắc

Do tính chất đặc trưng của các chất màu chỉ hấp thụ những bức xạ đơn sắc có bước sóng thích hợp nên định luật Lambert- Beer chỉ đúng khi dùng ánh sáng đơn sắc để nghiên cứu Các máy đo quang cần có thiết bị để cung cấp được dải sóng tập trung quang một bước sóng xác định để cho bức xạ tạo ra là đơn sắc

 Phổ hấp thụ

Phổ hấp thụ là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc giữa mật độ quang và bước sóng λ Mỗi dung dịch màu đều hấp thụ ánh sáng ở những bước sóng khác nhau Tuy nhiên trong số đó có một giá trị λ mà sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu là cực đại, ta gọi đó là λmax Ứng với giá trị bước sóng λmax là độ hấp thụ quang cực đại Dmax Với mỗi dung dịch nghiên cứu ta phải xác định bước sóng λmax trước khi tiến hành phân tích định lượng

 Ảnh hưởng của nồng độ

Thực nghiệm đã chứng minh rằng mật độ quang D và nồng độ dung dịch C chỉ tuyến tính trong một khoảng giá trị nồng độ nhất định gọi là khoảng tuyến tính của định luật Lambert- Beer (hình 1.12)