Ngày nay, người tiêu dùng có xu hướng lựa chọn các loại thực phẩm không chỉ chứa phân tử sinh học cần thiết cho hoạt động trao đổi chất trong cơ thể mà còn có tác dụng tích cực lâu dài. Bằng chứng khoa học chỉ ra rằng các hợp chất có hoạt tính sinh học trong thực vật có liên quan chặt chẽ đến sức khỏe con người và phòng chống bệnh tật. Phần lớn các hoạt chất này có trong tế bào và cần được giải phóng vào dung môi chiết xuất trong quá trình chiết xuất. Các phương pháp chiết xuất thông thường bao gồm chiết xuất soxhlet, chiết xuất bằng dung môi, chiết xuất chưng cất hơi nước, chiết xuất áp suất thủy tĩnh cao, điện trường xung và một số phương pháp khác. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống này có nhược điểm là tốc độ trích ly thấp, tiêu tốn dung môi lớn, tiêu tốn nhiều năng lượng và thời gian chiết kéo dài.
Chiết xuất xanh (green extraction) là xu hướng tất yếu trong nghiên cứu các sản phẩm từ thiên nhiên, khái niệm chiết xuất xanh đã được nhiều nhà nghiên cứu đề xuất, có nghĩa là giảm dung môi, năng lượng, chất thải và ô nhiễm môi trường trong khi thu được thêm sản lượng. Do đó, việc khám phá sâu các phương pháp khai thác an toàn, xanh và tiết kiệm chi phí, đặc biệt là trong việc phát triển công nghệ mới để đáp ứng yêu cầu về chi phí năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính, là điều tối quan trọng. Do đó, một số công nghệ chiết xuất mới đã được phát triển, chẳng hạn như chiết xuất vi sóng (ME), chiết xuất lỏng siêu tới hạn (SFE) và chiết xuất có hỗ trợ siêu âm (UAE), cùng nhiều công nghệ khác.
Trong đó, có sự quan tâm đặc biệt đến siêu âm do tác động của nó đối với quá trình chiết xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học, chẳng hạn như năng suất sản phẩm cao, thời gian xử lý ngắn và chi phí thấp. Chiết xuất với sự hỗ trợ siêu âm (UAE) sử dụng năng lượng siêu âm và dung môi để chiết xuất các hợp chất từ thực vật. Siêu âm là sóng cơ học có tần số (> 20 kHz) cao hơn dải tần tai người nghe được (20 Hz đến 20 kHz). Những sóng này bao gồm một loạt các chu kỳ nén và phản xạ lan truyền qua môi trường rắn, lỏng hoặc khí gây ra sự dịch chuyển và đánh bật các phân tử khỏi vị trí ban đầu của chúng. Ở sóng âm cường độ cao, áp suất âm trong quá trình phản xạ vượt quá lực hấp dẫn liên kết các phân tử lại với nhau, kéo chúng ra xa nhau và tạo ra bọt khí. Những bong bóng này phát triển thông qua quá trình hợp nhất và sau đó tan vỡ trong giai đoạn nén tạo ra nhiệt độ và áp suất cao cục bộ. Điều này giúp đẩy nhanh các phản ứng sinh hóa trong vùng lân cận xung quanh.
    |
 |
| Hình 1: Nguyên tắc của UAE. 1) Mẫu chiết xuất được đặt trong dụng cụ thủy tinh. 2) Dung môi chiết xuất được bổ sung vào bình. 3) Cực siêu âm được đặt bên trong tiếp xúc với dung dịch phân tích và dung môi. 4) Sự lan truyền và bùng nổ của các khoang siêu âm dẫn đến nhiệt độ và áp suất cao cục bộ và quá trình chiết xuất được tăng cường. 5) Mẫu sẵn sàng cho quá trình tinh sạch |
Tạo bọt âm thanh (acoustic cavitation) là cơ chế chính liên quan đến quá trình chiết xuất có sự hỗ trợ của siêu âm. Bọt bong bóng và sóng âm thanh có thể gây ra một hoặc sự kết hợp của các hiện tượng như phân mảnh, xói mòn cục bộ, hình thành lỗ rỗng, lực cắt, tăng khả năng hấp thụ và chỉ số trương nở trong hệ tế bào thực vật. Các bong bóng tạo lỗ rỗng tạo ra sóng xung kích và sự va chạm giữa các hạt được tăng tốc gây ra sự phân mảnh trong cấu trúc tế bào. Sự phân mảnh nhanh chóng dẫn đến sự hòa tan của thành phần hoạt tính sinh học trong dung môi do giảm kích thước hạt, tăng diện tích bề mặt và tốc độ truyền khối cao trong lớp biểu mô tế bào. Siêu âm dẫn đến tổn thương cục bộ cho các mô thực vật được gọi là xói mòn. Sự xói mòn này cũng có thể là do sự bùng nổ của các bong bóng tạo bọt trên bề mặt mô thực vật. Phần bị bào mòn tạo điều kiện cho dung môi tiếp xúc, tăng hiệu suất chiết. Sự hình thành lỗ hổng, một hiện tượng được gọi là 'sonoporation', trong màng tế bào dẫn đến việc giải phóng các hợp chất hoạt tính sinh học có trong tế bào. Thêm vào đó, sự hình thành và sụp đổ của bọt khí tạo ra lực cắt và sự nhiễu loạn trong chất lỏng dẫn đến phá vỡ thành tế bào góp phần giải phóng hợp chất có hoạt tính sinh học. Siêu âm làm tăng khả năng hấp thụ nước của bã nhờ đó tăng cường khả năng tiếp cận của nước dưới dạng dung môi đối với các hợp chất hoạt tính sinh học được chiết xuất cùng với khả năng khuếch tán tăng lên của chính các hợp chất hoạt tính sinh học. Siêu âm cũng làm tăng chỉ số trương nở của ma trận mô thực vật giúp giải hấp và khuếch tán các chất hòa tan dẫn đến tăng chiết xuất. Sự gia tăng sản lượng khai thác của UAE không thể do một cơ chế duy nhất mà do tác động tổng hợp của tất cả các cơ chế.
Như vậy, UAE là công nghệ chiết xuất xanh đầy hứa hẹn trong tương lai thay thế các phương pháp chiết xuất truyền thống
Lược dịch và tổng hợp từ những tài liệu tham khảo sau:
1. Kumar, K., Srivastav, S. and Sharanagat, V.S., 2021. Ultrasound assisted extraction (UAE) of bioactive compounds from fruit and vegetable processing by-products: A review. Ultrasonics Sonochemistry, 70, p.105325.
2. Wen, C., Zhang, J., Zhang, H., Dzah, C.S., Zandile, M., Duan, Y., Ma, H. and Luo, X., 2018. Advances in ultrasound assisted extraction of bioactive compounds from cash crops–A review. Ultrasonics sonochemistry, 48, pp.538-549.
3. Snow, N.H., 2020. Basic Multidimensional Gas Chromatography. Academic Press.
ThS. Lê Mỹ Hạnh, Bộ môn Thực phẩm Dinh dưỡng