Phương pháp chiết Soxhlet, một kỹ thuật truyền thống được nhà hóa học người Đức Franz von Soxhlet phát minh năm 1879, vẫn là tiêu chuẩn vàng trong lĩnh vực chiết lỏng-rắn, đặc biệt trong việc chiết chất béo từ thực phẩm. Kỹ thuật này được ưa chuộng nhờ tính đơn giản, chi phí hợp lý, hiệu quả chiết cao và dễ sử dụng.
Quá trình chiết Soxhlet diễn ra trong một thiết bị chuyên dụng, bao gồm ba bộ phận chính: bình chứa dung môi, ống chiết và ống sinh hàn (xem Hình 1). Mẫu sau khi được xử lý sơ bộ sẽ được đặt trong một đầu lọc (thimble) rồi đặt vào ống chiết. Khi bình chứa dung môi được đun nóng, dung môi bay hơi, di chuyển lên ống sinh hàn, ngưng tụ thành chất lỏng và nhỏ giọt xuống đầu lọc chứa mẫu. Ống chiết dần được làm đầy bằng dung môi ấm cho đến khi đầy hoàn toàn. Lúc này, toàn bộ dung môi chứa chất béo sẽ được chuyển trở lại bình chứa thông qua ống siphon.
Ưu điểm nổi bật của phương pháp chiết Soxhlet là chất béo sau khi được chiết xuống bình chứa dung môi sẽ không tham gia vào các chu trình tiếp theo. Chỉ có dung môi sạch tiếp tục bay hơi và tham gia vào chu trình mới. Sau nhiều chu trình lặp lại trong khoảng 6 đến 24 giờ, bộ chiết Soxhlet được tháo ra, và dung môi chứa chất chiết (chất béo) được cô cạn để thu lại chất chiết, sẵn sàng cho các phân tích tiếp theo.
Để thực hiện phương pháp chiết Soxhlet, cần chuẩn bị đầy đủ các thiết bị và vật tư sau:
- Bộ chiết Soxhlet: bình chứa dung môi, ống chiết và ống sinh hàn.
- Bếp điện: dùng để gia nhiệt bình chứa dung môi.
- Hệ thống làm lạnh và cung cấp nước cho ống sinh hàn.
- Đầu lọc: chứa mẫu đã qua xử lý sơ bộ.
- Dung môi: dung môi phù hợp để hòa tan chất cần phân tích.
- Cân kỹ thuật: để cân mẫu, bình chứa rỗng và bình chứa sau khi sấy khô.
Phương pháp Randall: Cải Tiến Vượt Bậc Giúp Rút Ngắn Thời Gian Chiết Soxhlet
Gần một thế kỷ sau khi phương pháp Soxhlet ra đời, vào năm 1974, Edward Randall đã giới thiệu một cải tiến quan trọng giúp giảm đáng kể thời gian chiết xuống chỉ còn khoảng 30 phút. Phương pháp Randall bao gồm ba giai đoạn chính: “Đun sôi (Boiling)”, “Rửa (Rinsing)” và “Thu hồi (Recovery)” (xem Hình 2).
- Đun sôi (Boiling): Đầu lọc chứa mẫu được nhúng hoàn toàn vào dung môi đang sôi. Đây là yếu tố then chốt giúp phương pháp Randall nhanh hơn so với phương pháp Soxhlet truyền thống, vì chất cần phân tích hòa tan tốt hơn trong dung môi nóng so với dung môi lạnh hoặc ấm.
- Rửa (Rinsing): Đầu lọc được nâng lên khỏi dung môi đang sôi và quy trình chiết tiếp tục như phương pháp Soxhlet thông thường.
- Thu hồi (Recovery) hay Sấy khô: Bằng cách khóa van hồi lưu dung môi, dung môi ngưng tụ được chuyển hướng ra ngoài và thu hồi để tái sử dụng hoặc xử lý.
Nhiều hệ thống chiết bán tự động và hoàn toàn tự động hiện nay đều dựa trên nguyên lý của phương pháp Randall. Các hệ thống chiết Soxhlet-Randall bán tự động cho phép cài đặt nhiệt độ và các tính năng an toàn. Trong khi đó, các hệ thống tự động hoàn toàn có thể hoạt động mà không cần giám sát, cho phép lập trình nhiệt độ, thu hồi dung môi và tích hợp nhiều tính năng an toàn khác. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã phê duyệt phương pháp chiết Soxhlet tự động để tách chiết các chất hữu cơ cần phân tích từ đất, bùn và chất thải rắn (Phương pháp 3541).
Tiền Xử Lý Mẫu: Bước Quan Trọng Để Tối Ưu Hiệu Quả Chiết
Để đạt được hiệu quả chiết tối ưu, việc tiền xử lý mẫu là vô cùng quan trọng. Các bước tiền xử lý phổ biến bao gồm:
- Sấy khô: Hầu hết các mẫu nên được sấy khô trước khi chiết để tối ưu hóa quá trình tách chất béo. Nước trong mẫu có thể làm giảm hiệu quả chiết của dung môi, dẫn đến lượng chất béo thu hồi được thấp. Đối với các mẫu rất ẩm, có thể trộn mẫu với cát trước khi sấy để ngăn ngừa vón cục và cải thiện dòng chảy của dung môi.
- Thủy phân: Các mẫu đã qua chế biến, nấu chín hoặc ép thường có chất béo liên kết với protein, carbohydrate và/hoặc khoáng chất, làm giảm khả năng hòa tan của chúng. Thủy phân bằng axit, bằng cách đun sôi mẫu với HCl, sẽ phá vỡ các liên kết này, giúp chất béo dễ dàng được chiết bằng dung môi.
- Rửa bằng nước: Các mẫu chứa nhiều thành phần tan trong nước có thể cho hiệu quả chiết kém. Rửa mẫu bằng nước trước khi chiết, sau đó sấy khô kỹ, có thể cải thiện hiệu quả thu hồi bằng cách loại bỏ các thành phần tan trong nước.
Tối Ưu Hóa Quá Trình Tách Chiết: Các Yếu Tố Cần Lưu Ý
Để quá trình chiết Soxhlet diễn ra hiệu quả, cần chú ý đến các yếu tố sau:
- Lựa chọn dung môi: Để chiết chất béo thô, diethyl ether và ether dầu mỏ thường được sử dụng. Tuy nhiên, đặc tính tạo peroxide của diethyl ether khiến nó ít được ưa chuộng trong các phòng thí nghiệm. Ether dầu mỏ (hay ligroin) thực chất là hỗn hợp chứa hydrocarbon béo, với nhiều công thức và điểm sôi khác nhau. Hơn nữa, các thành phần dễ bay hơi trong ether dầu mỏ có thể bị mất trong quá trình tách chiết, làm cho việc tái chế và tái sử dụng dung môi này trở nên khó khăn. Một nghiên cứu so sánh hiệu quả của ether dầu mỏ, hexanes và pentane với diethyl ether trong việc thu hồi chất béo thô cho thấy hexanes cho kết quả tương đương với diethyl ether, với giá trị R2 = 0.9925.
- Thời gian tách chiết: Thời gian của giai đoạn đun sôi và rửa rất quan trọng. Nếu thời gian quá ngắn, quá trình chiết sẽ không thu hồi đủ chất béo từ mẫu. Hầu hết các quy trình được phát triển đều xác định thời gian tách chiết sao cho kết quả gần nhất với phương pháp Soxhlet truyền thống, thông qua việc sử dụng các chất liệu tham chiếu.
- Nhiệt độ tách chiết: Nên cài đặt nhiệt độ của hệ thống tách chiết theo khuyến cáo của nhà sản xuất để đảm bảo tốc độ ngưng tụ và hồi lưu tối ưu.
- Nhiệt độ ống sinh hàn: Nhiệt độ nước trong ống sinh hàn đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập tốc độ ngưng tụ và hồi lưu của dung môi. Nếu nước quá ấm, tốc độ hồi lưu sẽ chậm lại và có thể dẫn đến lượng chất béo thu hồi được thấp. Trong một số trường hợp, ống sinh hàn bị ấm có thể dẫn đến thất thoát dung môi trong giai đoạn đun sôi và rửa.
Máy chiết béo Soxhlet-Randall 06 vị trí bán tự động (RAYPA – Tây Ban Nha) sử dụng phương pháp Randall/Twisselmann giúp rút ngắn thời gian tách chiết xuống còn 30 – 60 phút, cài đặt độc lập nhiệt độ/thời gian cho cả 3 bước đun sôi, rửa và thu hồi, có kiểm soát an toàn chống quá nhiệt và phù hợp với các phương pháp tiêu chuẩn quốc tế AOAC, ISO, AACC.
Tài liệu tham khảo
- Anderson, S. (2004). Soxtec: Its principles and applications. Oil Extraction and Analysis: Critical Issues and Competitive Studies.
- Hewavitharana, G. G., Perera, D. N., Navaratne, S. B., & Wickramasinghe, I. (2020). Extraction methods of fat from food samples and preparation of fatty acid methyl esters for gas chromatography: A review. Arabian J. Chem., 13(8), 6865-6875.
- Majors, R. E. (2006). Modern techniques for the extraction of solid materials: An update. LC GC North America, 24(sep), 73-81.
- Raynie, D. E. (2019). Looking at the Past to Understand the Future: Soxhlet Extraction.