Phương pháp chiết Soxhlet là gì?

Phương pháp chiết Soxhlet là một kỹ thuật truyền thống dùng để chiết chất béo trong thực phẩm được Franz von Soxhlet phát minh vào năm 1879. Cho đến hiện tại, phương pháp chiết Soxhlet đã trở thành “tiêu chuẩn vàng (gold standard)” trong kỹ thuật chiết lỏng – rắn, và phương pháp này vẫn sẽ tiếp tục được sử dụng vì tính đơn giản, chi phí tương đối thấp, hiệu quả chiết cao và dễ sử dụng.

Quá trình chiết Soxhlet được thực hiện bên trong một bộ chiết gọi là “bộ chiết Soxhlet”, mỗi bộ gồm 3 bộ phận (Hình 1): bình chứa dung môi (solvent flask), ống chiết (extraction chamber) và ống sinh hàn (condenser). Sau khi tiền xử lý, mẫu sẽ được đặt vào trong một đầu lọc (thimble), đầu lọc này sẽ được đặt vào trong ống chiết. Khi đun nóng bình chứa, dung môi sẽ bay hơi lên trên về phía ống sinh hàn, tại đây dung môi sẽ chuyển sang trạng thái lỏng và rơi xuống mẫu nằm trong đầu lọc. Ống chiết chứa mẫu sẽ dần dần được làm đầy bằng dung môi còn ấm, cho đến khi đầy thì toàn bộ dung môi chứa chất béo sẽ được chuyển về lại bình chứa thông qua ống siphon.

Khi chất béo xuống bình chứa dung môi, chúng sẽ nằm đó và không tham gia vào các chu kỳ phía sau. Chỉ có dung môi sạch tiếp tục bay hơi và tham gia vào chu kỳ tiếp theo, đây là lợi thế chính của phương pháp chiết Soxhlet.  Sau nhiều chu trình trong nhiều giờ liền (6 ~ 24 giờ), bộ chiết Soxhlet sẽ được tháo ra và phần dung môi chứa chất chiết (chất béo) sẽ được cô cạn, giữ lại phần chất chiết để phân tích.

Cần có tất cả những thứ sau để có thể thực hiện phương pháp chiết Soxhlet:

1) Bộ chiết Soxhlet: bình chứa dung môi, ống chiết và ống sinh hàn

2) Bếp điện để gia nhiệt bình chứa dung môi

3) Hệ thống làm lạnh và cung cấp nước cho ống sinh hàn

4) Đầu lọc để chứa mẫu đã tiền xử lý

5) Dung môi phù hợp để hòa tan chất cần phân tích

6) Cân kỹ thuật để cân mẫu, bình chứa rỗng và bình chứa sau bước sấy khô.

Phương pháp Randall – Giải pháp giúp giảm thời gian chiết Soxhlet

Gần 100 năm sau khi phương pháp chiết Soxhlet ra đời, vào năm 1974, Edward Randall đã thực hiện một cải tiến lớn trong kỹ thuật Soxhlet giúp rút ngắn thời gian chiết chỉ còn 30 phút. Có 3 bước chính trong phương pháp Randall: “Đun sôi (Boiling)”, “Rửa (Rinsing)” và “Thu hồi (Recovery)” (Hình 2).

1) Đun sôi: Đầu lọc (chứa mẫu đã tiền xử lý) được hạ xuống và nhấn chìm hoàn toàn trong dung môi đang sôi. Chính điều này đã làm phương pháp Randall nhanh hơn phương pháp chiết Soxhlet truyền thống bởi vì các chất cần phân tích tan trong dung môi nóng tốt hơn là trong dung môi lạnh hay ấm.

2) Rửa: Đầu lọc được nâng lên khỏi dung môi đang sôi và trở về chu kỳ chiết Soxhlet thông thường.

3) Thu hồi (hoặc sấy khô): Bằng cách đóng van quay trở lại của dung môi, dung môi đã ngưng tụ sẽ được chuyển hướng đi ra ngoài và được thu hồi để tái sử dụng hoặc đổ bỏ.

Nhiều hệ thống bán tự động và hoàn toàn tự động đều hoạt động dựa trên phương pháp Randall. Hệ thống chiết Soxhlet-Randall bán tự động có thể lên chương trình nhiệt độ và các tính năng an toàn; còn hệ thống tự động hoàn toàn có thể chạy mà không cần giám sát, lên chương trình nhiệt độ, thu hồi dung môi và nhiều tính năng an toàn. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã phê duyệt chiết Soxhlet tự động cho tách chiết các chất hữu cơ cần phân tích từ đất, bùn và chất thải rắn (Phương pháp 3541).

Tiền xử lý mẫu (pretreatment)

+ Sấy khô: Hầu hết mẫu nên được sấy khô trước để tối ưu việc chiết béo. Nước trong mẫu có thể làm giảm hiệu quả tách chiết của dung môi, dẫn đến thu hồi được ít chất béo. Đối với các mẫu rất ẩm, có thể trộn mẫu với cát trước khi sấy. Điều này ngăn mẫu không bị vón cục trong quá trình sấy khô và cải thiện dòng dung môi để tối ưu việc tách chiết.

+ Thủy phân: Mẫu đã qua chế biến, nấu chín, hoặc ép thường có chất béo bị gắn kết với protein, carbohydrate, và/hoặc khoáng chất, khiến chúng mất khả năng hòa tan. Thủy phân bằng acid, trong đó mẫu được đun sôi với HCl, sẽ phá hủy những gắn kết này, giúp chất béo có thể chiết được bằng dung môi.

+ Rửa bằng nước: Mẫu có chứa nhiều thành phần tan trong nước có thể sẽ có hiệu quả chiết bằng dung môi kém. Việc rửa bằng nước trước khi chiết, tiếp theo sau đó là một bước sấy khô kỹ có thể giúp cải thiện hiệu quả thu hồi do nước đã loại bỏ những thành phần tan trong nước của mẫu.

Tối ưu quá trình tách chiết

+ Lựa chọn dung môi: Để chiết chất béo thô, diethyl ether và ether dầu mỏ là thường được sử dụng nhất. Nhưng đặc tính tạo peroxide của diethyl ether khiến nó không được lựa chọn nhiều trong các phòng thí nghiệm. Ether dầu mỏ hay ligroin lại không phải là ether nguyên chất mà là hỗn hợp chứa hydrocarbon béo, chúng có nhiều công thức cũng như điểm sôi khác nhau. Hơn nữa, các thành phần dễ bay hơi trong ether dầu mỏ có thể sẽ bị mất đi trong quá trình tách chiết, và điều này khiến những dung môi này không nên được tái chế và tái sử dụng. Một thí nghiệm đã được thực hiện để so sánh hiệu quả của 3 loại dung môi: ether dầu mỏ, hexanes, và pentane, với diethyl ether trong thu hồi chất béo thô. Kết quả chỉ ra lượng thu hồi từ hexanes tương đương diethyl ether với giá trị R² = 0.9925.

+ Thời gian tách chiết: Thời gian bước đun sôi và bước rửa rất quan trọng. Nếu thời gian này quá ngắn, quá trình chiết sẽ không thu hồi đầy đủ chất béo trong mẫu. Hầu hết các quy trình được phát triển sẽ xác định một thời gian tách chiết sao cho kết quả gần nhất với phương pháp Soxhlet truyền thống thông qua 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. Điều này giúp đảm bảo tốc độ ngưng tụ và hồi lưu.

+ Nhiệt độ ống sinh hàn: Nhiệt độ nước trong ống sinh hàn đóng vai trò quan trọng trong 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 thu hồi được ít chất béo. 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.

Sản phẩm của GeneSmart

Máy chiết béo Soxhlet-Randall 06 vị trí bán tự động (RAYPA – Tây Ban Nha) sử dụng phương pháp Randall/Twisselman giúp rút ngắn thời gian tách chiết 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 các phương pháp tiêu chuẩn quốc tế AOAC, ISO, AACC.

Tài liệu tham khảo

1) Anderson, S. (2004). Soxtec: Its principles and applications. Oil Extraction and Analysis: Critical Issues and Competitive Studies.

2) 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.

3) Majors, R. E. (2006). Modern techniques for the extraction of solid materials: An update. LC GC North America, 24(sep), 73-81.

4) Raynie, D. E. (2019). Looking at the Past to Understand the Future: Soxhlet Extraction.