Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ chiết tách phẩm màu annatto quy mô 10kg mẻ bằng dung dịch KOH

Các loại phẩm màu tự nhiên, ngoài thành phần về màu sắc, bản thân chúng cũng có các thành phần có hoạt tính sinh học rất tốt cho cơ thể như vitamin, axit hữu cơ, glycozit, protein...Một

NGUYỄN ĐẮC ĐẠT

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHIẾT TÁCH PHẨM MÀU ANNATTO QUY MÔ 10KG/MẺ BẰNG DUNG DỊCH KOH

Chuyên ngành: Hóa hữu cơ

Mã số : 60 44 27

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Đà Nẵng – Năm 2013

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS ĐÀO HÙNG CƯỜNG

Phản biện 1: PGS Lê Thị Liên Thanh

Phản biện 2: TS Nguyễn Bá Trung

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ khoa học họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 31 tháng

05 năm 2013

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin- Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Việt Nam là nước thuộc vùng nhiệt đới gió mùa ẩm nên hệ thực vật phát triển rất đa dạng, phong phú Trong đó rất nhiều loại có những giá trị lớn về kinh tế, y học, công nghiệp,… đặc biệt là các cây có chứa tinh dầu, chứa chất màu

Từ xa xưa, người ta đã biết dùng nhiều loại cây có trong tự nhiên để chữa các bệnh hiểm nghèo, để nhuộm màu trong thực phẩm vừa làm đẹp món ăn, vừa làm tăng giá trị dinh dưỡng…

Ngày nay vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm trở nên cấp thiết

vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe người tiêu dùng Việc dùng phụ gia thực phẩm còn tùy tiện, quản lý chưa chặt chẽ, không đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng Việc thay thế các phẩm màu công nghiệp bằng các phẩm màu có sẵn

từ tự nhiên không những tạo màu sắc hấp dẫn mà còn làm tăng giá trị dinh dưỡng cho thực phẩm Đặc biệt, chúng rất thân thiện và có lợi cho sức khỏe người tiêu dùng Các loại phẩm màu tự nhiên, ngoài thành phần về màu sắc, bản thân chúng cũng có các thành phần có hoạt tính sinh học rất tốt cho cơ thể như vitamin, axit hữu cơ, glycozit, protein Một số phẩm màu tự nhiên thường gặp, như màu vàng của củ nghệ, màu xanh của dứa, lá dong, màu tím lá cẩm Đặc biệt là màu đỏ, màu vàng – đỏ của chất lấy từ hạt cây điều nhuộm, gọi là phẩm màu annatto, với hai thành phần chính là bixin và norbixin

Hạt điều nhuộm có các chất màu đỏ được dùng làm chất tạo màu cho thực phẩm đặc biệt là bơ và phomat với tên thương mại là annatto

Phẩm màu annatto có thể dùng để tạo màu bánh ngọt, kẹo sữa, bánh mì, pha màu cho thức uống với hàm lượng 1-10 ppm

Ngoài ra nó còn được dùng như vị thuốc dân gian chữa vết bỏng, cầm máu, chống viêm nhiễm (viêm phổi, viêm ruột), táo bón Cây điều nhuộm là loại cây phát triển tương đối nhanh, dễ trồng và mau cho thu hoạch Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về hạt điều nhuộm Các nghiên cứu tập trung vào quá trình chiết tách, xác định thành phần các hoạt chất chính trong tinh dầu điều , trong phần cơm của hạt điều cũng như phát hiện ra những hoạt tính sinh học quý báu của chúng Viện Hóa học Việt Nam đã và đang xây dựng mô hình cộng đồng nhằm góp phần bảo tồn và phát triển nguồn gen các loại cây nhuộm màu thực phẩm, trong đó có cây điều nhuộm Ở trong nước, các nghiên cứu về cây hạt điều còn hạn chế và chỉ dừng lại ở bước nghiên cứu quá trình chiết tách qui mô phòng thí nghiệm Việc đưa ra quy trình chiết tách phẩm màu annatto ổn định, đơn giản, có hiệu suất cao sẽ có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng rộng rãi ở qui mô lớn hơn, góp phần vào việc phát triển cây

công nghiệp ở nước ta Vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu xây

dựng quy trình công nghệ chiết tách phẩm màu annatto quy mô 10kg/mẻ bằng dung dịch KOH ”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Khảo sát điều kiện chiết tách, xác định thành phần màu tự nhiên annatto từ hạt điều nhuộm bằng phương pháp KOH

Xây dựng quy trình, mô hình công nghệ tách chiết phẩm màu annatto bằng dung dịch KOH với qui mô 10 kg/mẻ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Hạt cây điều nhuộm

Phạm vi nghiên cứu: Quy trình tách chiết, các yếu tố ảnh

hưởng, xác định thành phần, hàm lượng chất tạo màu trong chất màu annatto của hạt điều nhuộm, xác định cấu trúc của cấu tử màu chính Toàn bộ quá trình thực hiện đề tài được tiến hành ở phòng thí nghiệm hóa học, trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lí thuyết

Thu thập, tổng hợp, phân tích các tài liệu, tư liệu trong và ngoài nước về đặc điểm hình thái thực vật, thành phần hoá học, ứng dụng của cây điều nói chung và ứng dụng của chất màu annatto nói riêng

Tổng hợp, nghiên cứu tài liệu về phương pháp chiết tách và công nghệ chiết tách các hợp chất thiên nhiên

Nghiên cứu thực nghiệm

Thu gom, phân loại và xử lý mẫu hạt điều nhuộm khô

Xác định độ ẩm toàn phần Xác định hàm lượng tro và hàm lượng kim loại

Các phương pháp phổ xác định thành phần : phương pháp phổ hồng ngoại (IR), phương pháp hấp thụ nguyên tử (AAS)

Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – Vis khảo sát bước sóng hấp thụ, dựa vào độ hấp thụ để nghiên cứu khảo sát các điều kiện chiết

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học

Cung cấp kết quả nghiên cứu về quy trình tách chiết chất màu annatto tách từ hạt điều nhuộm, bao gồm xác định các chỉ số vật lý,

xác định các điều kiện tối ưu của quy trình chiết tách phẩm màu annatto

Ý nghĩa thực tiễn

Từ các kết quả nghiên cứu phòng thí nghiệm, xây dựng mô hình dây chuyền công nghệ chiết tách annatto có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất phẩm màu annatto từ hạt điều nhuộm

6 Bố cục của luận văn

Luận văn bao gồm 77 trang, 10 bảng, 36 hình, 41 tài liệu tham khảo và 6 phụ lục Với:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 Kết quả và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ CÂY ĐIỀU NHUỘM

1.1.1 Giới thiệu chung về cây điều

Tên thường gọi: cây điều nhuộm (hình 1.1), cây điều màu, cây

cà – ri

Tên khoa học: Bixa Orellana L lấy theo tên nhà thám hiểm

người Tây Ban Nha Francisco De Orellana đã tìm ra loại cây này ở châu Mỹ và từ bixa phiên âm từ tiếng Tây Ban Nha bixin

1.1.2 Đặc điểm thực vật học

Cây điều nhuộm thuộc bộ Cẩm quỳ, họ điều nhuộm là họ thực vật hai lá mầm Cây điều nhuộm là loài cây phổ biến nhất và có nhiều ứng dụng nhất trong họ điều

Ở Việt Nam, nó phân bố ở Tây Nguyên, Đông Nam bộ

Hình 1.1 Cây điều nhuộm

1.1.3 Nguồn gốc cây điều

1.1.4 Thời gian thu hoạch

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP DÙNG TRONG PHÂN TÍCH VÀ CHIẾT TÁCH CHẤT MÀU

1.3.1 Một số phương pháp chiết tách

a Chiết với với dung môi dầu

b Chiết với dung dịch kiềm loãng

c Chiết bằng các dung môi hữu cơ

1.4.2 Phân loại chất màu annatto

1.4.3 Thành phần chính của chất màu annatto

a Bixin

Bixin có công thức phân tử (CTPT): C25H30O4, M = 394,25 đvC, điểm nóng chảy: 198 0C, điểm phân hủy ở 217 0C, hấp thụ ở bước sóng 430,470 nm

Bixin có tên gọi quốc tế là 2,4,6,8,10,12,14,16,18-nonadisyre) monomemethyleste

(4,8,13,17-tetramethylicos-Bixin tồn tại ở hai dạng chính là cis-binxin và trans-bixin

Hình 1.12 Công thức cấu tạo của cis-binxin

Hình 1.13 Công thức cấu tạo của trans-binxin

b Norbixin

Norbixin có CTPT : C24H28O4 , M = 380,46 đvC, hấp thụ ở bước sóng 453 nm, 480 nm và 428 nm Norbixin gồm 2 dạng chính

O

CH3

c Phản ứng của binxin và norbixin với dung dịch kiềm và dung dịch axit

Hình 1.16 Phản ứng của bixin với dung dịch kiềm và HCl

1.4.4 Tiêu chuẩn về hàm lượng sử dụng

1.4.5 Ứng dụng của phẩm màu hạt điều trong thực tế

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

O X

HO HCl

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

2.1.1 Nguyên liệu

a Thu mua nguyên liệu

Hạt điều khô, mua ở chợ Cồn – Hải Châu – Đà Nẵng Thời gian mua là tháng 8 năm 2012 Hạt điều nhuộm thu mua là loại già, khô có màu đỏ sẫm

Hình 2.1 Mẫu hạt điều thu mua

d Xác định độ ẩm hàm lượng tro

e Xác định nồng độ KOH tối ưu

f Xác định nhiệt độ tối ưu

g Xác định tỷ lệ R/L tối ưu

h Xác định thời gian chiết

k Xác định sự ảnh hưởng của pH đến khối lượng kết tủa

2.2.2 Phương pháp đo quang phổ hấp thụ nguyên tử UV – Vis

2.3.1 Lập phương trình hồi quy thực nghiệm

2.3.2 Tính toán các hệ số hồi quy và kiểm tra sự tương thích của phương trình hồi quy tìm được với thực nghiệm

a Tính các hệ số b của phương trình hồi quy

b Kiểm tra sự tương thích của các hệ số b trong phương trình hồi quy

c Tính phương sai dư

d Kiểm tra sự tương hợp của mô hình

2.4 THIẾT LẬP MÔ HÌNH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ CHIẾT TÁCH PHẨM MÀU ANNATTO QUI MÔ 10KG/MẺ

Hình 2.4 Sơ đồ chiết tách phẩm màu từ hạt điều nhuộm

Nguyên liệu hạt điều thô

lệ R/L, thời gian chiết, nhiệt độ

Dịch chiết bằng dung dịch KOH

Làm bay hơi dung môi,

2.4.1 Lựa chọn các thông số tối ưu để thu nhận hàm lượng chất kết tủa cao

2.5.2 Kiểm tra định lượng

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ VẬT LÝ CỦA HẠT ĐIỀU NHUỘM

3.1.1 Độ ẩm của hạt điều

Độ ẩm trung bình của mẫu hạt điều là 8,930 % Giá trị độ ẩm này là tương đối thấp, thuận lợi cho quá trình bảo quản cũng như đối với quá trình sản xuất chất màu

3.1.3 Hàm lượng các kim loại

Kết quả đo hàm lượng kim loại bằng phương pháp đo AAS tại trung tâm khí tượng thuỷ văn quốc gia khu vực miền Trung được cho bởi bảng 3.10 dưới đây

Bảng 3.10 Hàm lượng kim loại nặng trong hạt điều nhuộm

Kim loại Pb2+ Hg2+ Cu2+

Hàm lượng(mg/kg hạt điều nhuộm) 0,276 0,097 4,126

TCVN (mg/kg) <2,000 <1,000 <30,000 Căn cứ vào tiểu chuẩn Việt Nam (TCVN) cho an toàn vệ sinh thực phẩm về hàm lượng kim loại nặng tối đa cho phép trong rau quả sấy khô là 3mg/kg rau quả đối với chì (Pb); 30mg/kg rau quả đối với đồng (Cu) thì hàm lượng kim loại nặng có trong hạt điều nhuộm là thấp hơn nhiều so với lượng tối đa cho phép Như vậy, có thế sử dụng an toàn chất màu annatto của hạt điều trong lĩnh vực thực phẩm, đồ uống

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ DUNG DUNG DỊCH, THỜI GIAN, NHIỆT ĐỘ, TỶ LỆ R/L, ĐỘ pH ĐẾN HÀM LƯỢNG CHẤT KẾT TỦA CÓ MÀU

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ KOH đến

hàm lượng chất kết tủa có màu

1 0,1 10, 028 1,514 3,146 16,274

2 0,3 10, 046 1,522 3,385 18,579

3 0,5 10, 031 1,518 3,621 20,965

4 0,7 10, 018 1,536 3,492 19,524

5 0,9 10, 035 1,515 3,524 20,021

Qua bảng 3.4 ta thấy tại nồng độ dung dịch KOH 0,5M thì hàm lượng chất kết tủa có màu đạt cao nhất cho thấy tại nồng độ 0,5M thì phản ứng chuyển hoá thành muối norbixin gần như hoàn toàn Ở nồng độ cao hơn, hàm lượng chất kết tủa có tăng chậm do sự

có thêm ion kali trong sản phẩm Vậy chọn nồng độ tối ưu là 0,5M

3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian chiết

Ảnh hưởng của thời gian chiết được thể hiện ở bảng 3.5

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của thời gian chiết đến hàm lượng chất kết tủa

thêm lượng chất kết tủa Trên thực tế có thể tác động bằng yếu tố khuấy trộn để quá trình cọ sát và chiết tách chất màu ở vỏ hạt điều xảy ra nhanh hơn Như vậy, thời gian tối ưu của quá trình chiết tách

là 4h

3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ chiết được thể hiện ở bảng 3.6

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ chiết đến

hàm lượng chất kết tủa có màu

Qua đồ thị ta thấy mẫu số 3 ứng với nhiệt độ chưng ninh 70 0C cho hàm lượng chất kết tủa có màu cao nhất Việc tăng nhiệt độ có thể làm cho các cấu tử trong mẫu kết tủa bị phân huỷ, thay đổi cấu trúc, khiến hàm lượng kết tủa không những không tăng mà còn giảm nhẹ

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ R/L đến hàm lượng chất kết tủa có

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của độ pH đến hàm lượng chất kết tủa có màu

STT pH m0 (gam) m1 (gam) m2(gam)

Hàm lượng chất màu (%)

có môi trường axit nên khoảng pH = 6,5 – 7 là phù hợp cho sản phẩm màu annatto thương phẩm Mặt khác, nếu độ pH thấp quá sẽ gây khó khăn cho việc chế tạo thiết bị vừa phải làm việc trong môi trường kiềm vừa trong môi trường axit

3.3 ẢNH HƯỞNG ĐỒNG THỜI CỦA TỶ LỆ R/L, THỜI GIAN

VÀ NHIỆT ĐỘ CHIẾT TÁCH ĐẾN HÀM LƯỢNG CHẤT KẾT TỦA CÓ MÀU

Giá trị của các thí nghiệm tiến hành theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm được cho bởi bảng 3.9

Bảng 3.9 Các giá trị thực nghiệm của mô hình kế hoạch hoá

3.3.3 Kiểm tra sự tương hợp của mô hình

3.4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG PHẨM MÀU ANNATTO 3.4.1 Độ tan

Kiểm tra độ tan: Tan tốt trong dung dịch kiềm (hình 3.5), tan trong nước

Hình 3.5 Kiểm tra độ tan của chất màu annatto

trong dung dịch kiềm KOH

3.4.3 Kết quả đánh giá cảm quan và độ độc tính

Cảm quan: Bột màu annatto có màu đỏ nâu (hình 3.7) Khi để lâu có chiếu sáng thì có ánh tím Màu sắc như vậy là phù hợp với yêu cầu cảm quan

3.4.4 Định lượng tổng chất màu

Tiến hành theo quy trình trong chuyên luận định lượng tổng chất màu bằng phương pháp quang phổ trong JECFA monograph 1 – Vol.4 – quy trình 1 với các điều liện :

Dung môi: dung dịch KOH 0,5%

Đo độ hấp thụ quang tại λmax ~ 483 nm

Độ hấp thu riêng A1%1cm = 2,870

Kết quả đo UV – Vis tại λmax của mẫu chất màu annatto ở bước sóng 483 nm là 0,348

Áp dụng công thức tính tổng phẩm màu: % chất kết tủa có màu

= 100(A/A1% )(F/W)

Mẫu chất màu annatto tiến hành đo có hệ số pha loãng F=1 Kết quả tính toán:

Vậy chất màu annatto điều chế theo quy trình chiết tách trong dung dịch KOH đã lựa chọn đáp ứng được về điều kiện hàm lượng tổng các chất màu không thấp hơn 35% (tính theo norbixin)

3.4.5 Kết quả đo phổ hồng ngoại IR

Kết quả đo phổ hồng ngoại IR tại trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 2 thuộc Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng, số 02 – Ngô Quyền, TP Đà Nẵng được thể hiện ở hình 3.9

Từ kết quả, ta thấy có các pic đặc trưng của bixin như sau: 3304,35 cm-1 đặc trưng cho liên kết cầu hidro của nhóm OH trong axit tự do

2923,57 cm-1 đặc trưng cho giao động hoá trị của nhóm CH3 1682,30 cm-1 đặc trưng cho giao động hoá trị của nhóm C=O của este

1562,99 cm-1 đặc trưng cho giao động hoá trị của nhóm C=C liên hợp với C=O

1421,54 cm-1 đặc trưng cho giao động hoá trị của nhóm CH3 –

C = C liên hợp

1328,49 cm-1 đặc trưng cho giao động hoá trị của nhóm C – O – CH của este

1328,49 cm-1 đặc trưng cho giao động hoá trị của nhóm C – O – CH3 của este

Từ kết quả đo phổ IR của mẫu bột hạt điều, so sánh với các tài liệu đã công bố, chúng tôi nhận thấy trong mẫu điều bột, có sự có mặt của bixin, phù hợp với kết quả của những nghiên cứu trước

Hình 3.9 Kết quả đo phổ hồng ngoại IR

Từ kết quả đo phổ IR của mẫu bột hạt điều, so sánh với các tài liệu đã công bố, chúng tôi nhận thấy trong mẫu điều bột, có sự có mặt của bixin, phù hợp với kết quả của những nghiên cứu trước