TÓM TẮT:

Sử dụng hỗn hợp Methanol/Urea dưới điểm bão hòa đã tạo được một số hệ dung môi sâu có khả năng làm giàu EPA và DHA trong methyl ester của mỡ cá basa phế thải lên 2-3 lần và tách omega-3,6,9 đạt độ sạch 91%. Hàm lượng omega-3 trong dung dịch tách ra đạt 5,5%. Hiệu suất một lần tách đạt 36%. Điều đặc biệt là hệ dung dịch này, sau khi  tách acid béo, không cần phải xử lý mà có thể tái sử dụng.

Từ khóa: Làm giàu; tách; EPA; DHA; Omega-3, 6, 9; DES.

1. Mở đầu

Trong vài năm qua, các dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES) đã được mở rộng đáng kể như là sự thay thế đầy hứa hẹn cho các dung môi hữu cơ truyền thống [1-3]. NADES dựa trên các hợp chất an toàn cho tiêu dùng của con người, mở ra nhiều khả năng cho các ứng dụng của chúng trong lĩnh vực khoa học đời sống. Một trong những ứng dụng của NADES là chiết xuất các hợp chất hoạt tính sinh học từ nguyên liệu thực vật.

Là môi trường chất lỏng chức năng, các loài dung môi eutectic sâu tự nhiên có thể hòa tan các hóa chất tự nhiên hoặc tổng hợp có độ hòa tan trong nước thấp. Hơn nữa, các tính chất đặc biệt của NADES, như khả năng phân hủy sinh học và khả năng tương thích sinh học, cho thấy chúng là ứng cử viên thay thế cho các khái niệm và ứng dụng liên quan đến một số dung môi hữu cơ cũng như chất lỏng ion.

Tuy nhiên, không giống như các dung môi hữu cơ, đơn vị cấu trúc cơ bản của môi trường NADES chủ yếu phụ thuộc vào các tương tác giữa các phân tử và các thành phần của chúng. Điều này làm cho ma trận NADES dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác nhau, chẳng hạn như hàm lượng nước, nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ thành phần các chất bị chiết… Do đó, cần có nhiều công trình nghiên cứu hơn nữa, đặc biệt trong việc chiết tách các hợp chất hữu cơ trong lipid động vật, đặc biệt là tách các hợp chất omega-3,6,9 từ mỡ cá.

Ở Việt Nam cũng đã có một số công trình nghiên cứu về trích ly omega từ mỡ cá, nhưng chỉ dừng ở khảo sát các chỉ số hoặc dùng phương pháp xác định chỉ số iod để đánh giá omega-3[4-5]. Trên thế giới, một số công trình nghiên cứu làm giàu omega-3 và DHA trong dầu cá bằng phương pháp tủa urea trực tiếp với ethylester acid béo của dầu cá có hàm lượng omega-3 và DHA đã rất cao trong nguyên liệu [6-9]. Ngoài ra, các tác giả không cho biết lượng ester có trong phần lỏng là bao nhiêu.

Sử dụng phương pháp chiết nối tiếp hệ dung môi n-hexane và methanol, chúng tôi đã chiết xuất hết trên 95% acid béo thu từ mỡ của phần phụ phẩm trong chế biến cá tra và basa của đồng bằng sông Cửu Long cũng như đã xác định thành phần hóa học của các acid béo này[10-12]. Mục đích của công trình này là nghiên cứu sử dụng hệ dung môi sâu Methanol/Urea để tách các hợp chất omega ra khỏi hỗn hợp acid béo mà không sử dụng urea trực tiếp với acid béo để tránh các phản ứng có thể xẩy ra của phương pháp này.

2. Thực nghiệm

2.1. Hóa chất và nguyên liệu:

Urea, Methanol có độ sạch PA của hãng Acros, quy trình chuẩn bị nguyên liệu theo Sơ đồ 1 [10-12]

Sơ đồ 1:  Quy trình chiết acid béo từ mỡ phế thải cá basa

so do 1

2.2. Phương pháp phân tích và xác định thành phần nguyên liệu và sản phẩm

Methylester nguyên liệu và sản phẩm omega tách ra được tiến hành bằng phương pháp GC/FID (máy sử dụng là GC/FID-Agilent 6890N, đầu dò ngọn lửa FID, cột HP-INOWAX 30m x 0.25mm x 0.25 μm. Vùng nhiệt độ 159 - 245°C; Khí mang nitơ).

2.3. Phương pháp tạo hệ dung môi sâu Methanol/Urea

Khả năng hòa tan tối đa của Urea trong Methanol được xác định bằng thực nghiệm như sau: Cho 100 ml methanol vào bình thủy tinh 2 cổ có gắn sinh hàn ngược, đặt trên máy khuấy từ và tiến hành khuấy. Từ từ cho urea vào cho đến khi urea không tan hết thì dừng lại và xác định lượng urea trước thời điểm đó. Lặp lại thí nghiệm với lượng urea đã xác định và để dung dịch ở nhiệt độ phòng, nếu không có hiện tượng tái kết tinh thì tỷ lệ đó được chọn làm điểm chuẩn. Kết quả cho thấy điểm bão hòa nằm ở tỷ lệ mol là 2, 5:1. Hệ dung môi sâu methanol/urea được tiến hành phối trộn theo tỷ lệ trước điểm bảo hòa như bảng 1.

2.4. Phương pháp tách và làm giàu omega-3,6 , 9 

300 ml DES của mỗi mẫu được cho vào bình cầu thủy tinh dung tích 500 ml có gắn sinh hàn ngược, đặt trên máy khuấy từ (1200 vòng/phút) có gia nhiệt. Bình phản ứng được khuấy liên tục, đun nóng ở nhiệt độ 450C và nhỏ 50 gam methylester vào trong 1 giờ.

Khi hỗn hợp trở nên đồng nhất, được làm mát ở nhiệt độ phòng và sau đó làm lạnh ở 40C trong 8 giờ. Hỗn hợp thu được tạo thành 2 lớp: Lớp trên là chất lỏng; lớp dưới là phần rắn. Phần chất lỏng được tách khỏi phần rắn. Rửa phần rắn bằng methanol lạnh. Kết hợp dung dịch rửa này vào lớp chất lỏng ban đầu, làm bay hơi methanol trong thiết bị bay hơi chân không, làm khan bằng Na2SO4 và tiến hành phân tích các định thành phần hóa học. Phần rắn được gia nhiệt với nước ấm và khuấy cho đến khi các tinh thể tan và tạo thành 2 lớp. Các acid béo ở lớp trên được tách ra, tiếp tục cho bay hơi trong chân không để loại methanol, làm khan bằng Na2SO4 và tiến hành phân tích trên GC-FID. Lớp dưới là methanol và urea được kiểm tra lại tính chất vật lý và tái sử dụng.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Thành phần và hàm lượng các chất trong nguyên liệu

Kết quả phân tích nguyên liệu được thể hiện trong Bảng 2 sau: Mỡ thu từ phụ phẩm chế biến cá basa xuất khẩu có hàm lượng omega-3 thấp chỉ đạt chưa đến 2%. Tổng omega-3,6,9 là 57%.

Bảng 2. Các thành phần trong nguyên liệu (methylester)

bang 2

3.2. Kết quả tách omega-3, 6, 9 từ methylester của acid béo

Các mẫu dung môi sâu dạng Methanol/Urea khác nhau ở hàm lượng urea chứa trong đó. Kết quả tách thành hai phần lỏng và rắn sau khi làm lạnh được thể hiện trong Bảng 3.

bang 3

Kết quả cho thấy nồng độ Urea trong dung dịch DES ở mức 0,2 g/ml cho hiệu quả tạo thành phần lỏng tốt nhất (36%). Khi nồng độ urea tăng lên thì phần lỏng giảm. Trong khi đó, nồng độ urea trong dung dịch thấp hơn 0,2g/ml, hiệu quả tạo thành phần lỏng cũng không cao (23% khi nồng độ urea là 0,143 g/ml). Điều này được giải thích bởi mối liên kết giữa urea và methanol.

Trong hệ DES, urea và methanol liên kết với nhau bằng mối liên kết hydro. Một phân tử urea có 4 nguyên tử hydro liên kết trong với 2 nguyên tử nitơ. Nhóm OH của methanol có xu thế tạo liên kết hydro với các nguyên tử hydro này. Để tạo nên sự cân bằng của liên kết, một phân tử urea sẽ tạo liên kết hydro với 4 nhóm OH của methanol hay nói cách khác, 1 mol urea sẽ tạo cân bằng với 4 mol methanol, tương ứng với 60 gam urea và 128 gam methanol. Ở điểm cân bằng, hàm lượng urea trong methanol đạt 0,468 g/ml.

Nếu cân bằng này bị phá vỡ khi lượng urea tăng lên, sẽ xảy ra hiện tượng urea dư tách ra. Đây chính là ngưỡng bão hòa của urea trong methanol. Trường hợp dư methanol, cân bằng giữa urea có trong dung dịch vẫn được bảo đảm, nên không kết tinh trở lại. Khi có sự hiện diện của acid béo, nhóm OH trong acid béo bị lực liên kết của nhóm C=O cản trở nên không tạo liên kết hydro với nhóm NH2 mà nhóm CH3 của các acid béo sẽ đảm nhiệm, đặc biệt là của các acid béo no. Khi bị làm lạnh, urea và liên kết hydro của nó sẽ nhanh chóng kết tinh tạo thành phần rắn.

Các acid béo có nối đôi có xu hướng tạo liên kết hydro với nhóm OH của methanol và do methanol nhiều nhiệt độ kết tinh thấp hơn nên các acid béo dạng này nằm chủ yếu trong phần lỏng. Khi hàm lượng urea trong dung dịch cao thì đa phần acid béo liên kết với urea nằm trong phần rắn. Ngược lại, khi hàm lượng urea thấp, khả năng phân tán của nó trong dung dịch cao hơn nên dễ dàng tiếp xúc với các acid béo hơn nên  xu hướng liên kết với nó để kết tinh trong phần rắn cao hơn.

Thành phần các acid béo có trong phần lỏng cũng được chứng minh. Hàm lượng các acid béo bão hòa giảm đáng kể so với nguyên liệu (mẫu 2, 3, 4), trong khi ở mẫu 1 chỉ giảm khoảng 50%. Tổng omega-3, 6, 9 cao nhất trong mẫu 4 (khi hàm lượng urea/methanol là 0,25 g/ml, tuy nhiên hiệu suất tách chỉ đạt 26%.

3.3. Kết quả phân tích thành phần hóa học của các hợp chất omega trong nguyên liệu và sản phẩm lỏng

Kết quả phân tích thành phần hóa học của các acid dạng omega sau đây có thể giúp đánh giá hiệu quả của các mẫu dung môi nói trên (Bảng 4).

Bảng 4. Thành phần các acid béo trong phần lỏng

bang 4
- Thành phần quan trọng nhất là EPA và DHA: EPA tăng lên so với nguyên liệu ban đầu ở tất cả các mẫu dung môi, đặc biệt các mẫu 3 và 4; DHA tăng lên ở mẫu 1 và 2 trong khi các mẫu 3 và 4 lại giảm so với nguyên liệu ban đầu. Đặc biệt, DHA đã tăng lên 2,5 lần ở mẫu 1 và 3,3 lần ở mẫu 2.

- γ-Linolenic acid 18:3 (n-6) GLA tăng đột biến ở các mẫu dung môi từ 1% trong nguyên liệu lên 16% trong mẫu 4, trong khi Linoleic acid 18:2 (n-6) LA giảm ở mẫu này; cũng như hiện tượng DHA giảm, chứng tỏ urea đã tác động đến cấu trúc của các thành phần acid béo khi tương tác với dung môi. Từ các kết quả phân tích trên cho thấy, hệ dung môi có nồng độ urea là 0,2g/ml cho hiệu suất tách tốt nhất và hàm lượng các chất như EPA tăng 2 lần, DHA tăng 3,3 lần.

- Omega-3 của các mẫu 2, 3, 4 là tốt và mẫu 2 có hiệu quả tách tốt nhất, có thể áp dụng cho sản xuất trong tương lai. Cơ cấu sản phẩm của omega-3 được thể hiện trong Bảng 6 và đồ thị trên Sơ đồ 2. Hàm lượng DHA trong mẫu 2 chiếm 2,1% gấp 3 lần so với nguyên liệu đầu và cao nhất trong các mẫu đã nghiên cứu. Việc tăng nồng độ urea trong mẫu dung môi chỉ làm tăng acid oleic (omega-9), không phải là chất có giá trị cao, nên chúng tôi cho rằng mẫu có hàm lượng urea bằng 0,2 g/ml  có khả năng ứng dụng trong sản xuất.

bang 5

Sơ đồ 2:  Cơ cấu Omega-3 trong các mẫu

so do 2

4. Kết luận

Sử dụng 4 mẫu dung môi sâu trên cơ sở methanol/urea với nồng độ urea trong dung dịch khác nhau để làm giàu EPA, DHA và tách omega-3, 6, 9 ra khỏi methyl ester của acid béo thu từ mỡ phế phẩm của quá trình chế biến cá basa, chúng tôi rút ra một số kết quả sau:

  1. Khi cho urea trực tiếp tạo phức với methyl ester hoặc ethyl ester của các acid béo sẽ xảy ra hiện tượng urea làm thay đổi cấu trúc của các acid béo này. Trong khi sử dụng urea ở dạng dung môi sâu với nồng độ urea bằng 1/2 điểm bão hòa, có thể tách được omega-3, 6, 9 ra khỏi acid béo với độ sạch tới 91% và hiệu suất 36% cho một lần tách.
  2. Các chất như EPA và DHA đều có hàm lượng cao hơn nguyên liệu ban đầu từ 2 đến 3 lần. Tổng omega-3 chiếm 5,5% trong hỗn hợp omega-3, 6, 9 đã tách ra.
  3. Dung môi sau khi sử dụng, có thể tái sử dụng lại một cách dễ dàng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

  1. Bubalo M.C., Curko N., Tomaševic M., Ganic´ K.K., Redovnikovic I.R., Green extraction of grape skin phenolics by using deep eutectic solvents, Food Chemistry, 200, 159-166, 2016.
  2. Smith E.L., Abbott A.P., Ryder K.S., Deep Eutectic Solvents (DESs) and Their Applications, Chemical Reviews, 114, 21, 2014.
  3. Shahbaz K., Mjalli F.S., Hashim M.A., ALNashef I.M., Using Deep Eutectic Solvents for the Removal of Glycerol from Palm Oil- Based Biodiesel, J. Appl. Sci.,10, 3349, 2010.
  4. Lại Mai Hương, Kết tinh phân đoạn acid béo không no nhiều nối đôi từ dầu cá Trích và cá Basa, Tạp chí Hóa học, 45(5), 559-564, 2007.
  5. Đinh thị Thu Trang. Tách chiết omega-3 từ phụ phẩm chế biến cá. Tap chí Khoa hoc và Công nghệ nhiệt đới, 09, 12, 2015.
  6. Chunzhi Zhang, a, Ming Chen, b, Zhiguo Mao, Guoren Zu, Concentration of DHA and EPA from marine fish oil by urea complexation Advanced, Materials Research, 581-582, 54-57 Online: 2012-10-22 doi:10.4028/www.scientific.net/ © 2012 Trans Tech Publications, Switzerland.
  7. Homayooni, B., Sahari, M. A. and Barzegar, M., Concentrations of omega-3 fatty acids from rainbow sardine fish oil by various methods, International Food Research Journal 21, 743-748, 2014.
  8. Ni Wayan Suriani1, H.J.Lawalata, A.Komansilan., Urea Crystallization on the Concentrate Making of Omega-3 Fatty Acid from Oil of Tuna Fish (Thunnus Sp) Canning Byproduct, International Journal of PharmTech Research, 6, 1981-1990, 2014.
  9. N. Ga´mez-Mezaa, J.A. Noriega-Rodrı´gueza, L.A. Medina-Jua´ reza,J. Ortega-Garcı, J. Monroy-Riverab, F.J. Toro-Va´ zquezc,H.S. Garcı´ab, O. Angulo-Guerrerob, Concentration of eicosapentaenoic acid and docosahexaenoic acid from fish oil by hydrolysis and urea complexation, Food Research International 36, 721–727, 2003.
  10. Lê Thị Thanh Xuân, Nguyễn Minh Thảo, Cù Thành Sơn, Hồ Sơn Lâm, Survey composition and content of omega-3, 6, 9, extracted from catfish at mekong delta vietnam by extraction method with the traditional solvents, Tạp chí Hóa học, Số 5e34, 55, 551-556, 2017.
  11. Lê Thị Thanh Xuân, Nguyễn Thị Hồng Hạnh, Hồ Sơn Lâm, Cù Thành Sơn, Lê Thị Hoa Xuân, Khảo sát thành phần omega-3,6,9 ly trích từ cá tra ở đồng bằng sông Cửu Long Việt Nam, Tạp chí Công Thương, 4, 405-409, 2018.
  12. Lê Thị Thanh Xuân, Tô Kim Thi, Lê Thị Hoa Xuân, Cù Thành Sơn, Hồ Sơn Lâm, Xác định thành phần hàm lượng omega-3,6,9 của cá basa-tra ở đồng bằng sông Cửu Long, Tạp chí Hóa học và ứng dụng, 4, 59-63, 2018.

 

Enrich and separation EPA, DHA, Omega-3,6,9  by solvent- based deep (methanol / urea) from mixed fatty acid methyl ester catfish fat waste
Master. LE THI THANH XUAN
Dong Thap University
Graduate University of Seierce and Technology
Vietnam Academy of Science and Technology
Master. TO KIM THI
Master. NGUYEN THI HONG HANH
Dong Thap University
Master. LE THI HOA XUAN
Dong Thap Commnunity College
PhD. CU THANH SON
Assoc. Ph.D. HO SON LAM
Institute of Applied Materials Science
Vietnam Academy of Science and Technology

ABSTRACT:

Using a methanol / Urea mixture under saturation points has created some deep solvent systems which are capable of enriching EPA and DHA in methyl ester of waste basa fat 2-3 times and separating omega-3, 6, 9 achieved 91% cleanliness. The content of omega3 in separated solution reaches 5,5%. One-time separation efficiency reaches 36%. Especially, this solution, after separating fatty acids, does not need to be treated but can be reused

Keywords: Enrich, Separation, EPA, DHA, Omega-3,6,9, DES.