Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và thiết bị chưng cất và trích ly nhựa dầu hồ tiêu có sử dụng Enzim pdf

Tinh dầu hồ tiêu được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất chất thơm cho mỹ phẩm, thuốc lá, phối chế các loại gia vị thực phẩm và nhiều mục đích công nghiệp khác.. ở nước ta, sản phẩm nhựa d

nghiªn cøu hoµn thiÖn c«ng nghÖ vµ thiÕt bÞ ch−ng cÊt

vµ trÝch ly nhùa dÇu hå tiªu cã sö dông enzim

nghiªn cøu hoµn thiÖn c«ng nghÖ vµ thiÕt bÞ ch−ng cÊt

vµ trÝch ly nhùa dÇu hå tiªu cã sö dông enzim

Mục lục

Trang

Phần Mở đầu 2

1 Sơ lược về sản phẩm nhựa dầu hồ tiêu 2

2 Mục tiêu của đề tài 3

Phần II Tổng quan 4

2.1 Tóm tắt kết quả nghiên cứu của các đề tài cấp Bộ 1998 và 2000 4

2.2 Kỹ thuật khai thác tinh dầu hồ tiêu 5

2.3 Kỹ thuật trích ly nhựa dầu hồ tiêu 7

2.4 Piperin tinh thể và giá trị kinh tế 15

2.5 Kỹ thuật ứng dụng chế phẩm α-amylaza 17

Phần III Phương pháp nghiên cứu 22

3.1 Nguyên liệu 21

3.2 Thiết kế mô hình thiết bị 21

3.3 Xác định hiệu quả của enzim trong quá trình chưng cất tinh dầu hồ tiêu 21

3.4 Xác định chất lượng nhựa dầu hồ tiêu 22

3.5 Xác định hàm lượng tinh bột 23

Phần III Kết quả và thảo luận 24

4.1 Nghiên cứu ứng dụng chế phẩm enzim α-amylaza 24

4.2.Thiết kế dây chuyền thiết bị sản xuất thực nghiệm 31

4.3 Kết quả chưng cất và trích ly nhựa dầu trên thiết bị thực nghiệm 33

kết luận 34 phụ lục

Phần I

Mở đầu

1 Sơ lược về hồ tiêu và sản phẩm nhựa dầu hồ tiêu

Hồ tiêu có tên khoa học Pipenigrum L thuộc họ Trầu không Cây hồ tiêu

được xếp vào loại cây lâu năm, trồng bằng hạt, thân leo trên các nhánh cây khác Sản lượng hồ tiêu của nước ta năm 2002 đạt trên 60.000tấn, xuất khẩu đạt 40.000 tấn chủ yếu là tiêu nguyên hạt Trên thị trường có hai loại sản phẩm, hồ tiêu trắng

và hồ tiêu đen Hồ tiêu trắng (còn gọi là tiêu sọ) được làm từ hồ tiêu đen bằng cách bóc vỏ ngoài khi quả hái xuống còn tươi Cứ 130 kg hạt tiêu đen làm được 100 kg hạt tiêu trắng, vì vậy giá hạt tiêu trắng cao hơn, đôi khi gấp đôi giá hạt tiêu đen

Hạt tiêu đen có cấu trúc cơ học gồm hai phần, lớp vỏ ngoài màu đen và nhăn

được tạo bởi lớp thịt quả khi phơi khô, chứa phần lớn lượng tinh dầu bay hơi của hạt, tạo mùi thơm của hạt tiêu Phần trong là nhân (chính là hạt tiêu trắng hay tiêu sọ), chứa tới 40% tinh bột, một ít dầu không bay hơi và phần chất cay từ 3-6% là piperin, tạo vị cay đặc trưng của hạt tiêu Hạt tiêu được sử dụng chế biến thức ăn hàng ngày và trong công nghiệp chế biến thực phẩm Tinh dầu hồ tiêu được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất chất thơm cho mỹ phẩm, thuốc lá, phối chế các loại gia vị thực phẩm và nhiều mục đích công nghiệp khác Nhựa dầu hồ tiêu là sản phẩm thu

được bằng phương pháp trích ly hạt tiêu xay, chứa lượng tinh dầu thơm và chất cay

đặc trưng Sản phẩm nhựa dầu hồ tiêu từ lâu được nghiên cứu sản xuất và lưu hành trên thị trường thế giới với chất lượng sản phẩm khác nhau, tuỳ thuộc nhà sản xuất

và yêu cầu của khách hàng Nhìn chung, nhựa dầu hồ tiêu thường có tiêu chuẩn như sau:

Hàm lượng tinh dầu bay hơi: 15 – 18 %

Hàm lượng piperin 35 – 45%

Ngoài ra còn có các chất mang như propyleneglycol pha loãng, dextrin tạo dạng bột

để dễ sử dụng Các sản phẩm dạng này được sản xuất nhiều ở ấn độ, Inđônêxia

được chào bán với giá rất khác nhau, nhưng tiêu chuẩn cơ bản vẫn là hàm lượng tinh dầu thơm và hàm lượng piperin

ở nước ta, sản phẩm nhựa dầu hồ tiêu đã được nghiên cứu và xác định được các thông số chất lượng nhựa dầu thu được từ các loại hồ tiêu khác nhau như tiêu Quảng Trị, Phú Quốc, Buôn Ma Thuột, xác định các loại hồ tiêu nước ta có thể sử dụng sản xuất nhựa dầu hồ tiêu

2 Mục tiêu của đề tài

Nhìn chung các kết quả nghiên cứu đã kết luận tương đối đầy đủ các khía cạnh công nghệ trong quy trình sản xuất nhựa dầu hồ tiêu từ nguyên liệu hồ tiêu của nước ta Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là sản phẩm chưa được sản xuất trên quy mô thực nghiệm với mô hình thiết bị đồng bộ để có thể rút ra được những thông số mang tính kinh tế kỹ thuật Nói cách khác, cần thực hiện một mô hình thiết bị trình diễn với công nghệ đã tìm ra Do đó, mục tiêu của đề tài đặt ra là:

ư Nghiên cứu kỹ thuật ứng dụng enzim α-amylaza vào quá trình chưng cất tinh dầu trong thiết bị thực nghiệm Xác định hiệu quả của enzim sử dụng trên thiết

bị và so và so sánh với kết quả trên dụng cụ thí nghiệm

ư Thiết kế mô hình thiết bị chưng cất tinh dầu hồ tiêu thích hợp với quy mô vừa và nhỏ, mức độ cơ giới trung bình

ư Thiết kế chế tạo mô hình thiết bị trích ly hồi lưu sản xuất nhựa hồ tiêu từ bã đã chưng cất tinh dầu

ư Tính toán các thông số kinh tế kỹ thuật cho sản phẩm nhựa dầu hồ tiêu thu được, chi phí nhiên liệu, nguyên vật liệu, công lao động, xây dựng giá thành sản phẩm

ư Xây dựng mô hình công nghệ thiết bị quy mô thực nghiệm và sản xuất trình diễn sản phẩm nhựa dầu hồ tiêu

ư Bước đầu giới thiệu sản phẩm nhựa dầu hồ tiêu cho các cơ sở sản xuất chế biến thực phẩm và chào hàng xuất khẩu

Phần 2 Tổng quan

2.1 Tóm tắt một số kết quả nghiên cứu thuộc đề tài cấp Bộ năm 1998 và 2000

Trong nội dung nghiên cứu đề tài cấp Bộ năm 1998 và 2000, nhóm đề tài thuộc Bộ môn Hương liệu và Gia vị Viện Công nghiệp thực phẩm đã tiến hành nghiên cứu thăm dò về chất lượng hồ tiêu một số tỉnh phía Nam, thu được các kết quả như sau 1) Xác định chất lượng các loại nguyên liệu hồ tiêu nước ta tại các vùng trồng khác nhau đủ tiêu chuẩn kỹ thuật kinh tế để sản xuất nhựa dầu xuất khẩu, tương

đương với các sản phẩm cùng loại trên thị trường thế giới

ư Hàm lượng tinh dầu: 2,6-3,2 %

ư Hàm lượng Piperine trong nguyên liệu: 5-6 %

ư Hàm lượng Piperine trong nhựa: 52-56 %

ư Hàm lượng tinh bột trung bình: 42%

2) Các thông số kỹ thuật của quá trình công nghệ

ư Độ nghiền mịn của nguyên liệu chưng cất và trích ly là 0,35mm

ư Tỷ lệ độn trấu vào bột tiêu xay là 16%, làm tăng hiệu suất tinh dầu chưng cất từ 7-9 %

ư Tốc độ chưng cất 14% thể tích thiết bị/ giờ

ư Thời gian chưng cất đạt hiệu suất tối đa 180 phút

ư Tỷ lệ dung môi/nguyên liệu: 5/1, thời gian trích ly 1 lần là 90 phút ở nhiệt độ

780C, thu hồi 75% dung môi

ư Hiệu suất nhựa thu được 11,5% so với nguyên liệu

ư Phương pháp phân tích chất lượng nhựa trong sản xuất được chọn là đo quang phổ trên máy UV, đạt độ chính xác kỹ thuật, nhanh và ít tốn kém

3) Chọn thiết bị chưng cất là loại chưng cất bằng hơi có nồi hơi riêng và giỏ chứa nguyên liệu Thiết bị trích ly kiểu hồi lưu với dung môi cồn công nghiệp

4) Đưa ra quy trình công nghệ dự kiến sản xuất nhựa dầu hồ tiêu với giải pháp kỹ thuật trộn 16% trấu vào nguyên liệu trước khi chưng cất

5) Xác định vai trò của enzim α-amylaza trong quá trình chưng cất tinh dầu hồ tiêu

ư Hiệu suất tinh dầu chưng cất thu được tăng 8.1% khi sử dụng 0,2% Termamyl trong quá trình chưng cất

ư Bã chưng cất sử dụng Termamyl cho hiệu suất nhựa tăng 2%

2.2 Kỹ thuật khai thác tinh dầu hồ tiêu

Kỹ thuật chưng cất tinh dầu hồ tiêu

Tinh dầu hồ tiêu thuộc loại tinh dầu nhẹ hơn nước, dễ dàng được cất ra bằng phương pháp chưng cất theo hơi nước Trên thế giới hiện nay đều sử dụng phương pháp chưng cất theo hơi nước

Chưng cất theo hơi nước là quá trình chuyển khối trong đó hai hay nhiều cấu tử chất lỏng không hoà tan lẫn nhau tạo thành hỗn hợp hơi đẳng phí ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của cấu tử có nhiệt độ sôi thấp nhất Do nhiệt độ sôi của hầu hết các cấu tử trong các loại tinh dầu đều cao hơn nhiệt độ sôi của nước nên nhiệt độ trong quá trình chưng cất đều thấp hơn 1000C, do đó không làm phân huỷ thành phần các chất thơm trong tinh dầu

Chưng cất tinh dầu theo hơi nước được tiến hành trong các thiết bị có nguyên lý hoạt động giống nhau, các chi tiết chế tạo có thể khác nhau tuỳ theo loại nguyên liệu Sơ đồ thiết bị chưng cất tổng quát cho các loại nguyên liệu như hình 2

3

4

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị chưng cất tinh dầu

1 Nồi chưng cất 2 Nguyên liệu tinh dầu 3 Vỉ ngăn

4 Hơi nước bão hoà 5 Thùng ngưng tụ 6 ống xoắn ruột gà

7 Thiết bị phân ly 8 Tinh dầu ra 9 Nước ngưng

Theo cấu tạo và tính chất hoạt động của quá trình chưng cất người ta phân chia thành các kiểu chưng cất tinh dầu, mỗi loại đều có đặc tính và công dụng phù hợp với điều kiện công nghệ hoặc tính chất của nguyên liệu tinh dầu

Chưng cất trực tiếp với nước (hình 2.2.a.): nguyên liệu được cho vào nồi cất cùng

với lượng nước thường gấp từ 9-10 lần lượng nguyên liệu Nhiệt được cấp trực tiếp phía dưới đáy nồi Phương pháp này thường gặp trong các thiết bị chưng cất thủ công, áp dụng và chế tạo thiết bị đơn giản trong phòng thí nghiệm cũng hay áp dụng để kiểm tra hàm lượng tinh dầu của nguyên liệu

Chưng cất với hơi nước gián tiếp (hình 2.2.b.): nguyên liệu được đặt trên mặt lưới

phía trên, không tiếp xúc trực tiếp với nước Nhiệt được cấp trực tiếp phía dưới đáy nồi bằng các loại nhiên liệu củi, than Hơi nước từ nồi nấu phía dưới đi lên và hỗn hợp với tinh dầu tạo thể hơi đi ra thùng ngưng Kiểu chưng cất này tránh cho nguyên liệu bị ngâm quá lâu trong nước, có thể dẫn đến biến đổi chất lượng tinh dầu Phương pháp này phù hợp với các xưởng sản xuất thủ công quy mô nhỏ

Chưng cất bằng hơi gián tiếp có nồi hơi riêng (hình 2.2.c.): đây là kiểu chưng cất

trong các thiết bị công nghiệp, thực chất cũng là phương pháp chưng cất với hơi gián tiếp Hơi nước được dẫn từ lò hơi cách xa khu vực chưng cất nên đảm bảo an toàn về phòng cháy Mặt khác, hơi nước cung cấp từ lò hơi cho áp suất và nhiệt độ

ổn định, có thể điều chỉnh tốc độ chưng cất rất nhanh chóng và chính xác

Hình 2.2.a Hình 2.2.b Hình 2.2.c Trong công nghiệp thường hay sử dụng thiết bị chưng cất kiểu giỏ chứa, trong đó các giỏ chứa nguyên liệu được chế tạo rời và có nhiều giỏ kèm theo một thiết bị Khi một mẻ nguyên liệu đang được chưng cất tinh dầu thì mẻ khác đã sẵn sàng, để thay nguyên liệu mới chỉ cần nhấc giỏ trong thiết bị ra và cho giỏ khác vào

Hình 2.2.d Giỏ chứa nguyên liệu Hình 2.2.e Mặt cắt dọc thành thiết bị

có giỏ chứa nguyên liệu

Phần thiết bị trong công nghệ khai thác tinh dầu có tính chất rất quan trọng quyết

định đến hiệu suất thu hồi tinh dầu sau khi chưng cất ra là thiết bị phân ly Sau khi

được chưng cất ra, hỗn hợp hơi nước và tinh dầu ngưng tụ, các hạt tinh dầu tách ra khỏi nước dưới dạng các hạt nhỏ phân tán trong nước Do có sự khác nhau về tỷ trọng nên tinh dầu nhẹ hơn nước sẽ nổi lên trên Tốc độ lắng tuỳ thuộc sự chênh lệch tỷ trọng, nhiệt độ nước ngưng, cấu tạo thiết bị phân ly Đối với các loại tinh dầu nhẹ hơn nước như tinh dầu hồ tiêu thì nhiệt độ nước ngưng càng thấp, hiệu suất phân ly càng cao Thiết bị phân ly có cấu tạo đặc biệt tuỳ theo tính chất của từng loại tinh dầu, quyết định đến hiệu suất tinh dầu thu được sau khi đã được

chưng ra theo hơi nước Có hai loại tinh dầu, nặng hơn và nhẹ hơn nước, do đó cấu tạo của thiết bị phân ly cũng được chế tạo phù hợp Nguyên lý cấu tạo của hai loại thiết bị này được mô tả như hình 2.3

1 Hỗn hợp nước – tinh dầu 2 ống dẫn 3 Nước phân ly chảy ra

4 Lớp nước 5 Lớp tinh dầu 6 Tinh dầu chảy ra

Hình 2 3.1 là thiết bị phân ly cho các loại tinh dầu nhẹ hơn nước, còn thiết bị như hình 2.3.2 dùng cho các loại tinh dầu nặng hơn nước Tinh dầu hồ tiêu thuộc loại

nhẹ hơn nước nên dùng thiết bị phân ly kiểu 2.3.1 Trong trường hợp một số loại tinh dầu có tỷ trọng gần với nước nên hiệu suất phân ly kém, người ta phải dùng các biện pháp phụ trợ như bổ sung một số chất điện ly vào nước như muối ăn, axit xitric để làm tăng tỷ trọng của nước, giúp cho tinh dầu được phân ly tốt hơn Tinh dầu hồ tiêu có tỷ trọng trung bình là 0,870 nên phân ly tốt ở nhiệt độ từ 25-350C, là

điều kiện nhiệt độ trung bình của thời tiết nước ta

Nguyên tắc hoá lý của các quá trình chưng cất tinh dầu có thể được giải thích trên cơ sở quá trình chưng cất hai cấu tử không tan lẫn Giả sử ta có hai chất lỏng A và

B không tan lẫn, cấu tử A là nước, ta có hỗn hợp hơi của hai cấu tử trên bề mặt với

áp suất tổng là áp suất hơi riêng phần của từng cấu tử

P = p a + p b

Trong trường hợp chưng cất tinh dầu theo hơi nước, vì tinh dầu là hỗn hợp của nhiều cấu tử, do đó áp suất tổng của hỗn hợp hơi chưng cất sẽ là tổng áp suất hơi riêng phần của tất cả các câú tử

P = PA + PB + PC + PD + … Trong đó các cấu tử B, C, D, … là các cấu tử hợp thành của tinh dầu Theo nguyên tắc nếu nhiệt độ sôi của cấu tử X nào đó trong thành phần tinh dầu là thấp nhất thì cấu tử X sẽ được chưng cất ra trước trong lượng nước ngưng đầu tiên, tiếp theo sẽ

là các cấu tử khác theo nguyên tắc như vậy cho đến khi hết lượng tinh dầu trong nguyên liệu Tuy nhiên trong thực tế do cấu trúc tế bào thực vật, tinh dầu phân bố trong các túi và nằm rải rác ở các mô khác nhau nên các cấu tử được cất ra không phải hoàn toàn theo trật tự nhất định Có thể thấy nếu trước khi chưng cất, tinh dầu

được giải phóng khỏi cấu trúc mô càng nhiều thì quá trình chưng cất càng nhanh

và đạt hiệu suất càng lớn, vì thế nguyên liệu chưng cất phải được nghiền, cắt nhỏ trước khi chưng cất, mức độ nghiền mịn tuỳ thuộc tính chất của từng loại nguyên liệu được xác định trên cơ sở thực nghiệm và tính toán Hiệu suất và tốc độ chưng cất còn phụ thuộc liên kết của các cấu tử tinh dầu với các thành phần khác trong cấu trúc thực vật của nguyên liệu như các chất gluxit, dầu béo, protein Những chất này trong nhiều trường hợp ngăn cản sự xâm nhập của hơi nước vào khối nguyên liệu và làm chậm sự hoá hơi của tinh dầu theo hơi nước

Một công trình nghiên cứu về công nghệ khai thác tinh dầu hồ tiêu đáng chú ý nhất

là công trình của nhóm nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm nghiên cứu khu vực

của ấn độ, kết quả cho biết nếu xử lý hạt tiêu bằng nhiệt độ ở 100-1500C trong thời gian 15-30 phút làm thay đổi không đáng kể hàm lượng tinh dầu và thành phần chất thơm nhưng lại tạo ra mùi thơm hấp dẫn hơn khi đánh giá cảm quan ở Việt nam, từ lâu nhân dân ta đã có thói quen truyền thống sử dụng hạt tiêu rang chín sau đó mới xay để sử dụng vào các món ăn hạt tiêu rang cho mùi thơm dịu, trầm mùi hơn hạt tiêu sống Quá trình xử lý nhiệt làm giải phóng liên kết hoá lý giữa

các tecpen và các hợp chất glucozit, do đó một số cấu tử mới xuất hiện trong mẫu tinh dầu chưng cất được so với mẫu không xử lý nhiệt [22] Mặt khác hạt tiêu được

xử lý nhiệt có hàm ẩm thấp hơn nhiều so với hạt tiêu sống nên khi xay kích thước của hạt đều và tốn ít năng lượng xay hơn

Chưng cất tinh dầu hồ tiêu trong dụng cụ thí nghiệm với lượng mẫu nhỏ từ vài chục

đến vài trăm gam là công việc tương đối dễ dàng Chỉ cần xay nhỏ hạt tiêu khô và tiến hành chưng cất với lượng nước chưng gấp 10 lần khối lượng nguyên liệu trong thời gian 6- 12 giờ có thể thu được lượng tinh dầu tuyệt đối trong mẫu Tuy nhiên, việc thực hiện chưng cất tinh dầu hồ tiêu trong thiết bị công nghiệp có quy mô vài chục đến vài trăm kilogam nguyên liệu một đợt là khá phức tạp và khó đạt hiệu suất cao Trong bột hồ tiêu xay khi chưng cất, lượng tinh bột chiếm tới 40% khối lượng bị hồ hoá khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ 1000C tạo thành khối hồ cản trở rất nhiều sự hoá hơi của tinh dầu Khi áp dụng phương pháp chưng cất theo hơi nước đối với tinh dầu hồ tiêu cần phải áp dụng kỹ thuật loại trừ ảnh hưởng của hiện tượng hồ hoá bởi tinh bột trong hạt tiêu Đây chính là vấn đề đặt ra cần giải quyết trong nội dung đề tài này

Trong các tài liệu chưa thấy nêu cụ thể các giải pháp kỹ thuật để giải quyết vấn đề

hồ hoá tinh bột trong nguyên liệu bột tiêu xay Các kỹ thuật chi tiết trong quá trình chưng cất đối với mỗi loại nguyên liệu là những bí quyết riêng, nhưng trong trường hợp đối với hồ tiêu về nguyên tắc có thể khắc phục hiện tượng hồ hoá trong quá trình chưng cất bằng hai cách:

- Cấu tạo thiết bị được biến đổi, chủ yếu là phần chứa nguyên liệu sao cho sự tiếp xúc của hơi nước đối với các lớp nguyên liệu đạt mức tối đa

- Dùng các biện pháp công nghệ hoá học, cơ học nhằm loại bỏ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng hồ hoá trong bột hồ tiêu đem chưng cất

Trong đề tài này, biện pháp thay đổi công nghệ là mục tiêu nghiên cứu mà hướng giải quyết là ứng dụng chế phẩm sinh học Termamyl (α- amylaza) để thuỷ phân tinh bột loại trừ hiện tượng hồ hoá, sử dụng chất độn làm tăng độ xốp làm tăng

cường khả năng tiếp xúc của hơi nước với các lớp nguyên liệu trong thiết bị chưng cất

2.3 Kỹ thuật trích ly nhựa dầu hồ tiêu

Trích ly là một quá trình công nghệ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghệ chiết xuất các hợp chất thiên nhiên Lý thuyết về quá trình trích ly được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm khi ngành công nghiệp hoá chất phát triển Nguyên lý chung của mọi quá trình trích ly là dựa vào tính hoà tan chọn lọc của một chất trong một chất lỏng khác được gọi là dung môi Một hệ trích ly có thể là:

- Trích ly lỏng - rắn: chất cần hoà tan là chất rắn, còn dung môi là chất lỏng Các

chất rắn cần trích ly có độ hoà tan tốt hơn trong dung môi so với các chất rắn khác trong một hỗn hợp chất rắn hoặc trong cấu trúc thực vật Quá trình trích ly lỏng – rắn thường gặp trong công nghệ trích ly các hợp chất thiên nhiên như dầu béo, tinh dầu, các chất màu và các hoạt chất khác

- Trích ly lỏng – lỏng : là quá trình hoà tan chọn lọc một chất trong một hỗn hợp

chất lỏng vào dung môi xác định Khi muốn thu hồi các cấu tử tinh dầu tan trong nước, người ta sử dụng ête dầu hoả (ete petrol) để chiết Các chất tan trong nước chuyển từ nước sang ête do ái lực hoà tan của tinh dầu với ête lớn hơn với nước ête

và nước không tan lẫn phân ly thành hai lớp Lớp nước nặng hơn ở phía dưới dễ dàng được tháo ra Loại trích ly này được áp dụng khi muốn thu hồi một phần tinh dầu bị tan theo nước ngưng

Trích ly nhựa dầu hồ tiêu cũng dựa trên nguyên tắc chung của công nghệ trích ly truyền thống như mọi công nghệ trích ly các hợp chất thiên nhiên khác Song với mỗi loại nguyên liệu có tính chất riêng về cấu trúc thực vật, bản chất hoá học hoạt chất cần lấy ra và các chất khác đi kèm theo trong quá trình trích ly Chọn ra một loại hình trích ly phù hợp đối với loại nguyên liệu là một bài toán nhằm giải quyết vấn đề tìm thông số kỹ thuật của mỗi công đoạn sao cho hiệu quả trích ly cao nhất với các chi phí thời gian, nhiên liệu ít nhất và thiết bị phù hợp dễ chế tạo và vận

hành trong quá trình sản xuất Mỗi loại hình công nghệ trích ly còn phụ thuộc vào quy mô sản xuất, nếu quy mô càng lớn càng đòi hỏi công nghệ và thiết bị hiện đại Các nước sản xuất nhựa dầu hồ tiêu những năm trước đây thường dùng dung môi Dicloetan hoặc hỗn hợp với cồn etylic cho hiệu suất và năng suất cao nhưng thiết

bị đòi hỏi những yêu cầu kỹ thuật cao hơn nhằm loại bỏ dư lượng Dicloetan trong sản phẩm cuối cùng Hiện nay với quan điểm về an toàn thực phẩm và môi trường, dicloetan không còn được dùng làm dung môi mà chỉ dùng cồn êtylic

Sau thời gian chưng cất kéo dài từ 120 phút đến 180 phút kết thúc, bã hạt tiêu được sấy khô và xay lại để tránh vón cục, đem trích ly bằng dung môi Bảng 2.3 cho thấy hiệu quả trích ly so sánh giữa một số loại dung môi mà các tác giả đã thử nghiệm đối với bột hồ tiêu xay

Bảng 2.3 Hiệu quả trích ly của một số loại dung môi

T/T Loại dung môi tỷ lệ

dg môi - ng Liệu

Hiệu suất Oleoresin (%)

có hại cho sức khoẻ và môi trường Hiện nay các nước chỉ còn dùng rượu êtylíc Vì vậy các điều kiện công nghệ với các thông số kỹ thuật được thay đổi theo

Các phương pháp trích ly truyền thống được sử dụng bao gồm:

- Trích ly tĩnh (ngâm nguyên liệu trong dung môi cho đến khi đạt nồng độ chất hoà

tan bão hoà)

- Trích ly có khuấy Dung môi và nguyên liệu không thay đổi trong cùng một thiết

bị trong suốt thời gian trích ly Hiệu quả trích ly được tăng cường nhờ cánh khuấy

- Trích ly hồi lưu Dung môi được hồi lưu hoặc chảy xuôi chiều hay ngược chiều

nguyên liệu theo nhiều cấp nhằm đạt năng suất cao Nguyên liệu trong trường hợp này là pha tĩnh, dung môi được lần lượt chảy qua các lớp nguyên liệu sao cho đến khi ra được bão hoà chất tan

Chiều dung môi

Chiều nguyên liệu kết thúc trích ly

Hình 2.4 Trích ly nhiều bậc

-Trích ly ở điều kiện áp suất cao Phương pháp này thường áp dụng trong điều kiện

đòi hỏi nhiệt độ đặc biệt, có thể rất cao hoặc nhiệt độ thấp như trường hợp dùng dung môi CO2 lỏng Đây là một trong những công nghệ hiện đại nhất cho sản phẩm hoàn hảo, các chất lấy ra mang hoàn toàn đặc tính thiên nhiên Tuy nhiên giá thành lại quá cao so với giá trị cần thiết của sản phẩm

Các tài liệu gần đây nhất cho biết phương pháp phổ biến nhất đang được sử dụng

để trích ly nhựa dầu hồ tiêu vẫn là trích ly dung môi nóng trong các thiết bị trích ly liên tục nhiều bậc sử dụng dung môi cồn êtylic Đây là phương pháp rẻ tiền và dễ thực hiện cơ giới hoá, có thể thực hiện ở nhiều quy mô nhỏ vừa và lớn, giá thành sản phẩm phù hợp Mặc dù vậy quy trình thực hiên cụ thể vẫn mang tính chất bí quyết công nghệ của từng nước, có tính chất quyết định đến giá cả sản phẩm tạo ra

Do đó việc nghiên cứu cụ thể các giải pháp kỹ thuật của công nghệ phù hợp và mang đặc tính riêng vẫn là nhu cầu cần thiết khi xây dựng một công nghệ đối với việc sản xuất sản phẩm như nhựa dầu hồ tiêu ở nước ta

Cấu tạo thiết bị trích ly bằng CO 2 lỏng

1 Van áp suất cao

Với những tiền đề trên và kết hợp với thực tiễn sản xuất ở nước ta, cần nghiên cứu

áp dụng công nghệ sản xuất oleoresin hạt tiêu theo hướng hiệu quả kinh tế kỹ thuật Vì vậy đề tài đã chọn hướng nghiên cứu qui trình công nghệ sản xuất dầu nhựa hạt tiêu bằng phương pháp chưng cất tinh dầu theo hơi nước kết hợp trích ly bằng rượu êtylic Trong công nghệ chú trọng nâng cao hiệu quả quá trình bằng một

số giải pháp kỹ thuật, ứng dụng chế phẩm sinh học vào công nghệ, đặc biệt trong quá trình chiết tách tinh thể piperin Chế phẩm sinh học được sử dụng trong nghiên cứu là enzim α-amylaza, có tên thương phẩm là Termamyl, được sử dụng nhiều trong công nghiệp rượu, bia để thuỷ phân tinh bột trong quá trình đường hoá

Việc áp dụng chế phẩm sinh học để nâng cao hiệu quả quá trình công nghệ là một bước cải tiến quan trọng, vừa nâng cao hiệu suất vừa có tác dụng làm sạch phế liệu

ngay từ trong quy trình công nghệ Cụ thể là bã chưng cất tinh dầu hồ tiêu và sau

đó trích ly nhựa đã được làm sạch bởi enzim, loại bỏ phần lớn thành phần tinh bột

có thể lên men gây thối rữa bã thải trong khi chờ xử lý để tiêu huỷ

2.4 Piperin tinh thể và giá trị kinh tế.

Piperin là hợp chất alcaloit tồn tại ở dạng tinh thể hình kim ở nhiệt độ thường, có

vị cay nóng, không màu, có tính kiềm nhẹ Công thức phân tử là C17H19O3N

Công thức cấu tạo của piperin [21]

N

O

Piperin có tác dụng dược lý và sinh học [10], với liều lượng nhỏ làm tăng tiết dịch

vị dạ dày và khả năng tiêu hóa, làm thay đổi nhịp tim và tác động lên hệ tuần hoàn,

đóng vai trò chất chống oxi hoá trong oleoresin sử dụng trong thực phẩm [35], là nguyên liệu tổng hợp chất thơm sử dụng trong công nghiệp mỹ phẩm Hỗn hợp nhựa dầu hồ tiêu có tác dụng xua đuổi côn trùng, nhất là gián, kiến và một số loại sâu bọ khác Người ta sử dụng nhựa dầu hồ tiêu trong thành phần một hỗn hợp thuốc chống rầy cho cây dâu tây được trồng nhiều ở các nước Phương Tây

Từ piperin đem thuỷ phân dưới xúc tác kiềm, sau đó oxi hoá bằng hợp chất giàu oxi như Permanganat Kali (KMnO4 ) cho piperonal (tên thương mại: Heliotropin)

là nguyên liệu dùng cho sản xuất nước hoa

C17H19O3N + H2O C12H10O4 + C5H11N

C5H11N + KMnO4 Piperonal (Heliotropin)

Giá piperin trên thị trường thế giới hiện nay khoảng từ 400-450USD/Kg, tuỳ thuộc giá nguyên liệu là hạt tiêu Nếu tính so với lượng nguyên liệu tương đương để làm

ra lượng piperin, giá Piperin thường cao hơn giá hạt tiêu từ 1,3 - 1,5 lần (So sánh giá hoá chất chuẩn của hãng Merck là 600.000 VNĐ/10g, tương đương 4.286 USD/Kg)

Piperin là hợp chất có hoạt tính sinh học, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược, mỹ phẩm, chất kháng sinh thực vật, hiện nay đang được nghiên cứu sử dụng trong quân đội làm vũ khí hoá học như thành phần trong khói cay không có hoá chất độc Việc chiết tách piperin ra khỏi nhựa là một kỹ thuật đòi hỏi

độ tỉ mỉ và chính xác để đạt hiệu suất và độ tinh khiết cao Piperin chiết ra từ hạt tiêu đen có màu xanh bởi kéo theo các chất màu từ vỏ, từ hạt tiêu sọ cho piperin màu vàng nhạt nhưng giá thành cao hơn Nghiên cứu kỹ thuật chiết tách piperin tinh thể là cần thiết bởi công nghệ sản xuất nhựa dầu hồ tiêu luôn đi với việc chiết tách hoạt chất nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường và mở rộng tính đa dạng của sản phẩm

Có nhiều kỹ thuật tách piperin từ nhựa hồ tiêu, trong đó có phương pháp hiện đại như sắc ký cột [32] Phương pháp này dựa trên nguyên tắc hấp phụ chọn lọc khi cho dung dịch nhựa dầu hồ tiêu trong cồn tuyệt đối đi qua lớp đệm (tài liệu không nêu bản chất của lớp đệm và dung môi), các hợp chất như nhựa, sáp, dầu béo bị giữ lại, dung dịch chảy ra còn lại piperin và các chất dẫn xuất Sau đó được đem kết tinh cho tinh thể piperin có độ tinh khiết rất cao (> 99%) Tuy nhiên phương pháp phổ biến và hiệu quả kinh tế nhất là phương pháp kết tinh tự nhiên bởi piperin trong hỗn hợp nhựa tự kết tinh và lắng xuống trong bao bì bảo quản Vấn đề cần giải quyết là kỹ thuật kết tinh và giải pháp công nghệ nhằm tách tinh thể ra khỏi khối nhựa với hiệu suất và độ tinh khiết cao Nếu cô đặc hoàn toàn dịch trích ly sẽ thu được khối nhựa đặc sệt, có độ kết dính cao, khó lấy được tinh thể piperin ra Nếu cô đặc đến mức bão hoà nhựa thì hiệu suất kết tinh sẽ thấp Vì vậy cần kết