Nghiên cứu quá trình chiết xuất tinh dầu tiêu lép bằng phương pháp chưng cất ở quy mô pilot

NTTU-NCKH-04 CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2020 Tên đề tài: Nghiên cứu trình chiết xuất tinh dầu tiêu lép phưong pháp chưng cất quy mô pilot Số hợp đồng: 2020.01.058/HĐ-KHCN Chú nhiệm đề tài: ThS Đồ Đình Nhật Đơn vị cơng tác: Khoa Kỳ Thuật Thực Phấm Và Môi Trường Thời gian thực hiện: 03/2020 - 11/2020 TP Hồ Chỉ Minh, ngày 16 thảng 11 năm 2020 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG ỉii DANH MỤC CÁC HÌNH iii TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN cứu MỞ ĐẦU Chương TÓNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan tiêu hạt tiêu đen 1.2 Tổng quan tinh dầu tiêu đen 1.3 Tổng quan phương pháp chiết xuất tinh dầu: 1.4 Tổng quan chế động học trình chiết xuất tinh dầu: 11 1.5 Các nghiên cứu nước nước chiết xuất tinh dầu tiêu đen 13 1.6 Tính cấp thiết ý nghĩa đề tài nghiên cứu chiết xuất tinh dầu tiêu lép: .15 Chương NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 17 2.1 Nguyên liệu thiết bị 17 2.1.1 Nguyên liệu: 17 2.1.2 Thiết bị: 17 2.2 Thời gian địa điểm nghiên cứu 18 2.2.1 Thời gian nghiên cứu 18 2.2.2 Địa điểm nghiên cứu 18 2.3 Quy trình cơng nghệ sản xuất tinh dầu tiêu lép .18 2.4 Sơ đồ nghiên cứu 20 2.5 Bố trí thí nghiệm 21 2.6 Các phương pháp phân tích 23 2.6.1 Phân tích định tính 23 2.6.2 Phân tích định lượng (GC-MS) 24 2.7 Cơng thức tính tốn 24 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Ảnh hưởng thời gian chưng cất: 26 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ chưng cất: 27 3.3 Ảnh hưởng tỉ lệ nguyên liệu/dung môi: 29 3.4 Anh hưởng cách thức cung cấp lượng trình chưng cất: 30 3.5 Cơ chế trình chưng cất tinh dầu tiêu lép: 31 3.6 Động học trình chưng cất tinh dầu tiêu lép: 33 3.7 Ảnh hưởng điều kiện chưng cất đến tính chất vật lý tinh dầu tiêu lép: 34 3.8 Anh hưởng điều kiện chưng cất đen thành phần tinh dầu tiêu lép: 35 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37 ii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Tính chất cảm quan vật lí tinh dầu tiêu lép 34 Bảng 2: Kết GC-MS tinh dầu tiêu 36 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cây tiêu Việt Nam Hình 1.2: Hạt tiêu đen Hình 1.3: Các hợp chất thànhphần tinh dầu tiêu đen Hình 2.1: Thiết bị sử dụng nghiên cứu 17 Hình 2: Sơ đồ quy trình cơng nghệ 18 Hình 1: Ảnh huởng cùa thời gian chưng cất lên hiệu suất tinh dầu tiêu lép 26 Hình 2: Ánh hưởng cùa nhiệt độ chưng cất lên hiệu suất tinh dầu tiêu lép 28 Hình 3.3: Ảnh hưởng tỷ lệ nguyên liệu/dung môi lên hiệu suất tinh dầu tiêulép 29 Hình 4: Ảnh hưởng cùa phương pháp cung cấp lượng lên hiệu suấttinh dầu tiêu lép 30 Hình 5: Cơ chế trình chưng cất tinh dầu tiêu lép 32 Hình 6: Động học cùa trình chưng cất tinh dầu tiêu lép 33 iii TÓM TẮT KẾT QUà NGHIÊN cứu STT cứu Nghiên Kết đạt Công việc thực Hồn thành đánh giá tơng quan đánh giá tồng quan đề tài Khảo sát trình chiết xuất tinh dầu tiêu lép qui mô pilot Khảo sát chế Quá trình chưng cất chia thành hai giai đoạn, trình chưng cất giai đoạn đầu nhanh giai đoạn sau chậm, tinh dầu tiêu lép nửa thời gian đầu trình chưng cất (90 phút) lượng tinh dầu thu có the đạt 84% tổng lượng tinh dầu thu trình chưng cất điều kiện cụ Động học q Q trình chưng cất phù họp với mơ hình động trình chưng cất tinh học bậc với mức độ tương thích cao, với hệ số R2> dầu tiêu lép 0,93 Hệ số động học (k) dao động từ 0.020-0.028 thí nghiệm Anh hưởng Các thơng số tối ưu q trình chưng cất điều kiện vận hành đưa ra, cụ thể: trình chưng cất + Thời gian chưng cất: 180 phút đến hiệu suất thu hồi + Nhiệt độ chưng cất: 130 °C (ứng với tốc độ tinh dầu tiêu lép chưng cất 26.1 ml/phút) + Tỉ lệ nguyên liệu/dung môi: 1/12.5 (kg/lít) + cách thức cung cấp lượng cho trình chưng cất: Cung cấp lượng hai giai đoạn từ thấp đến cao cho hiệu suất tong thấp so với cung cấp lượng cao từ đầu + Hiệu suất trình chưng cất tinh dầu ứng với điều kiện trên: 2.383% Anh hưởng Kết đánh giá cảm quan, xác định tính điều kiện vận hành chất vật lý đặc trưng cho thấy tinh dầu thu đạt trình chưng cất chất lượng tốt, phù hợp với tiêu chuẩn TCVN đến tính chất vật lý 11881:2017 tinh dầu tiêu lép Ngoài ra, thay tinh dầu tiêu đổi điều kiện vận hành q trình chưng chất khơng ảnh hưởng đến tỷ trọng, số khúc xạ, ảnh hưởng nhẹ đến góc quay cực tinh dầu tiêu lép Kết phân Kết xác định 28 hợp chất đại diện GC-MS thành cho khoảng 99% tổng số hợp chất tinh dầu tiêu phần tinh dầu lép, P-caryophyllene, 3-Carene D- tích Limonene thành phần chiếm hàm lượng cao (gần 70%) tinh dầu tiêu lép Sự thay đổi tốc độ chưng cất không ảnh hưởng đến thành phần tinh dầu, thay đối tỉ lệ nguyên liệu/ nước q trình chưng cất có ảnh hưởng nhẹ đến thành phần tinh dầu tiêu lép thu Thành phần tinh dầu tiêu lép phù hợp tiêu chuẩn TCVN 11881:2017 Hoàn thiện hồ Hoàn thành sơ báo cáo tông kết đề tài STT Sản phẩm đăng ký Sản phẩm đạt Báo cáo tông kềt đề tài Cuốn báo cáo tông kết đề tài Quy trình cơng nghệ chưng cất Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất tinh dầu tiêu lép tinh dầu 50ml tinh dầu tiêu lép 50ml tinh dầu tiêu lép Một báo dự kiến đăng tạp chí nước Đã nộp vào tạp chí KHCN Đại học Nguyền Tất Thành Đào tạo 01 sinh viên ngành công Đào tạo 01 sinh viên ngành công nghệ kỳ thuật hóa học nghệ kỳ thuật hóa học Thời gian thực hiện: Tháng 3/2020- Tháng 11/2020 Thời gian nộp báo cáo: Tháng 11/2020 MỞ ĐẦU Theo báo cáo Bộ nông nghiệp phát triển nông thôn, từ năm 2001 đến nay, Việt Nam giữ vị the so giới sản xuất xuất tiêu đen Tiêu đen Việt Nam xuất khấu đen 105 nước vùng lãnh tho giới Kim ngạch xuất khâu hồ tiêu năm 2001 Việt Nam đạt 90 triệu USD đến năm 2018 số lên đến 758,8 triệu USD, tăng 700% Tuy nhiên bốn năm gần (2017-2020) giá hồ tiêu giới sụt giảm liên tục Giá tiêu thay đổi với biên độ lớn theo thời điểm cụ thể, làm cho giá trị sản phẩm không ổn định làm cho đời sống người nơng dân gặp nhiều khó khăn Do ngồi việc khai thác hồ tiêu đường truyền thống việc quan tâm khai thác hồ tiêu phương pháp khác đe nâng cao giá trị kinh tế hồ tiêu điều cấp thiết Việc khai thác sản phẩm tinh dầu từ hạt tiêu phương pháp đầy tiềm đế nâng cao giá trị kinh tế hồ tiêu Bên cạnh loại hạt tiêu chất lượng tốt, đáp ứng nhu cầu xuất khẩu, cịn có loại tiêu chất lượng thấp hơn, thường gọi tiêu lép Đây loại tiêu bị hái rụng non, hạt nhân chưa đủ cứng nên phơi khơ có phần vỏ bên ngồi nhân bên hạt bị vờ, dập, có phần vỏ trình thu hái, phơi sấy, giá thị trường thấp nhiều so với loại tiêu chất lượng tốt Tuy nhiên, tinh dầu tiêu lại tập trung chủ yếu phần vỏ, nên việc khai khác chiết xuất tinh dầu tiêu từ nguồn nguyên liệu tiêu lép phương án hứa hẹn nâng cao giá trị kinh tế Các nghiên cứu phương pháp chiết xuất tối ưu hóa thơng số cơng nghệ để thu hồi tinh dầu từ nguyên liệu thực vật thực từ lâu nhiều Tuy nhiên hầu hết nghiên cứu thực bình cầu, quy mơ phịng thí nghiệm Bên cạnh đó, nghiên cứu động học cùa trình chưng cất tinh dầu khơng nhiều Chúng ta có the thấy, từ nghiên cứu quy mơ phịng thí nghiệm đến việc áp dụng quy mô công nghiệp đường dài Sự khác biệt quy mô sản xuất sè ảnh hưởng đáng kể đen suất chất lượng loại tinh dầu Những nghiên cứu quy mô pilot cần thiết đe dễ dàng áp dụng sản xuất thực tế Hơn theo hiểu biết tơi, chưa có cơng bố nghiên cứu động học q trình chưng cất tinh dầu tiêu lép quy mô pilot Do tơi chọn thực đề tài: “Nghiên cứu trình chiết xuất tinh dầu tiêu lép phương pháp chưng cất quy mô pilot” Mục đích nghiên cứu tối ưu hóa yếu tố ảnh hưởng đến suất trình chưng cất đánh giá chất lượng tinh dầu chiết xuất, xây dựng qui trình chưng cất thu hồi tinh dầu tiêu lép qui mô pilot (5 kg/mẽ) Cụ the thực nội dung: Nghiên cứu đánh giá tổng quan; khảo sát yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi chất lượng tinh dầu tiêu lép qui mô pilot (tối ưu thông số thời gian chưng cất, tỉ lệ nguyên liệu/nước, tốc độ chưng cất, phương pháp cung cấp lượng); đánh giá chất lượng tinh dầu tiêu lép thu (tính chất vật lí, GC-MS) Ket nghiên cứu cung cấp thông so công nghệ tối ưu để sản xuất tinh dầu tiêu lép với hiệu suất cao (tính theo vật liệu khơ) 2.383% Các nghiên cứu mơ hình động học nghiên cứu cho thấy trình chưng cất nước phù hợp với mơ hình động học bậc với độ tương thích cao (r2>0,93) Ket nghiên cứu quy mơ pilot hữu ích cho việc chuyến giao cơng nghệ, trở thành giải pháp để rút ngẳn khoảng cách nghiên cứu sản xuất Sự thành công đề tài đóng góp nhùng hiểu biết, tư liệu trình chiết xuất tinh dầu tiêu lép mặt thực tiền có the đóng góp vào trình nâng cao giá trị kinh tế hồ tiêu, loại nông sản mà Việt Nam giữ vị the so giới sản xuất xuất khấu Chương TÔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan tiêu hạt tiêu đen Cây hồ tiêu, có tên khoa học Piper nigrum thuộc họ Piperaceae loại đặc trưng vùng nhiệt đới ấm Các vùng trồng hồ tiêu giới chủ yếu nằm vùng Châu Á Thái Bình Dưong Án Độ, Indonesia, Malaysia, Sri Lanka, Thái Lan Việt Nam Hồ tiêu trồng nước khác Brazil, Madagascar, Việt Nam có vùng trồng tiêu với điều kiện khí hậu thổ nhưỡng khác Quảng Trị, Tây Nguyên, Bình Phước, Bà Rịa-Vũng Tàu, Phú Quốc Theo Hiệp hội Hồ tiêu Việt Nam (VPA), hồ tiêu Việt Nam giừ kỷ lục sản xuất xuất số giới suốt 14 năm liền Xuất hồ tiêu tính đến hết tháng 10 năm 2016, tăng 35% lên 160 nghìn Kim ngạch tăng 15% lên 1,3 tỷ USD, cao so với kỳ năm trước nhiên giá lại thấp hẳn so với năm 2015 Giá bình quân tiêu đen đạt 7.698 ƯSD/tấn, giảm 1.283 USD so với năm 2015 Giá giảm xu hướng chung toàn giới nguồn cung cùa Việt Nam dồi Hơn nữa, nước nhập khấu tiêu lớn Việt Nam Hà Lan, Singapore so nước Trung Đông lại giảm nhập khẩu, điều làm ảnh hưởng không nhỏ đến giá trị hồ tiêu Đầu năm 2017, diện tích trồng hồ tiêu nước đạt gần 120.000 ha, riêng khu vực Tây Ngun Đơng Nam Bộ chiếm 91% diện tích Việt Nam chiếm 32% tổng sản lượng hạt tiêu toàn cầu chiếm 56% thị phần hạt tiêu toàn cầu Các sản phẩm hạt tiêu Việt Nam xuất khấu sang 100 quốc gia vùng lãnh tho, Châu Á, Châu Ầu Mỹ thị trường lớn [1] PHỤ LỤC í Ket phân tích GC-MS tinh dầu tiêu lép: RT: 0.00 - 27.59 Hình 1: Kết quà phân tích GCMS tinh dầu tiêu lép ( điều kiện chưng cất: nhiệt độ 130°C, ti lệ nguyên liệu/nước: 1/12.5) Hình 2: Kết q phân tích GCMS tinh dầu tiêu lép ( điều kiện chưng cất: nhiệt độ 140°C, ti lệ nguyên liệu/nước: 1/12.5) 42 Hình 3: Ket quà phân tích GCMS tinh dầu tiêu lép (điều kiện chưng cất: nhiệt độ 150°C, ti lệ nguyên liệu/nước : 1/12.5) Hình 4: Kết q phân tích GCMS tinh dầu tiêu lép (điều kiện chưng cất: nhiệt độ 150°C, ti lệ nguyên liệu/nước : 1/17.5) 43 PHỤ LỤC Bảng 1: Anh hường thời gian chưng cất Khối lượng: 5kg Ti lệ nguyên liệu/nước: 1/15 Nhiệt độ: 130°C Thòi gian (phút) Lẩn Tinh 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 23 18 15 12 9 6 0.5 0.5 dâu Lẩn 24 19 14 II 10 7 0.5 0.5 0.2 (ml) Lẩn 23 18 15 12 10 5.5 5.5 0.5 0.3 Bảng 2: Ảnh hường cũa nhiệt độ chưng cất Khối lượng: 5kg Ti lệ nguyên liệu/nước: 1/15 Thời gian: 180 phút Nhiệt độ 120°C Thòi gian (phút) Tinh dẩu Lẩn 14 14 10 9 (ml) Lẩn 13 15 10 8 Lẩn 13 15 8.5 10 7.5 8 15 30 45 75 60 120 105 90 135 180 165 150 Nhiệt độ 130°C Thời gian phút) Tinh dẩu Lẩn (ml) 15 30 45 60 75 120 105 90 135 180 165 150 23 18 15 12 9 6 Lẩn 24 19 14 11 10 7 Lân 23 18 15 12 10 5.5 5.5 Nhiệt độ 140°C Thời gian [phút) Tinh dấu Lẩn (ml) 15 30 45 60 90 75 105 150 135 120 180 165 25 22 15 12 5 5 Lẩn 26 21 16 12 6 5 Lẩn 26.5 22 16 12 5 Nhiệt độ 150°C Thời gian phút) Tinh dâu Lẩn (ml) 15 30 45 60 75 105 90 135 120 165 150 180 28 24 16 12 10 6 Lẩn 28 25 16 12 10 7 Lẩn 28 24 16 12 10 6 44 Bảng 3: Ảnh hường cùa ti lệ nguyên liệu/ dung môi Khối lượng: 5kg Nhiệt độ: 130 °C Thời gian: 180 phút Ti lệ 1:10 Thời gian (phút) Tinh dâu Lẩn 15 23 30 20 (ml) Lần 24 Lẩn 23 45 180 12 60 11 75 10 19 13 11 11 7 7 4 18.5 12.5 11 11 7 4 105 90 135 120 165 150 Tỉ lệ 1:12,5 Thòi gian (phút) Tinh dấu Lân (ml) 15 30 45 60 90 75 105 150 135 120 180 165 24 19 19 12 10 Lẩn 26 18 21 13 10 7 Lẩn 25 18 20 13 10 7 Tỉ lệ 1:15 Thời gian (phút) Tinh dầu Lẩn 15 23 18 15 12 9 6 (ml) Lân 24 19 14 11 10 7 Lẩn 23 18 15 12 10 5.5 5.5 30 45 75 60 105 90 135 120 180 165 150 Tỉ lệ 1:17,5 Thòi gian (phút) Tinh dẩu Lẩn 23 16 12 11 10 8 5 (ml) Lần 21 17 11 12 9 5 Lẩn 22 17 12 12 7.5 5 15 30 45 60 90 75 45 105 150 135 120 180 165 Bảng 4: Ảnh hường cùa cách thức cung cấp lượng Khối lượng: 5kg Ti lệ: 1:12,5 Thời gian: 180 phút Một giai đoạn nhiệt độ 120°C Thời gian (phút) Tinh dâu Lẩn (ml) 15 45 75 60 105 90 135 180 165 150 18 30 14 10 6 4 Lần 19 13 9 5 3 Lẩn 18 14.5 8.5 8 6.5 6.5 3.5 2.5 2.5 120 Một giai đoạn nhiệt độ 150°C Thòi gian (phút) Tinh dấu Lân (ml) 15 45 30 60 90 75 105 150 135 120 180 165 27 29 17 13 10 2 Lẩn 26 30 16 14 Lẩn 27 30 16 13 10 5 2 Hai giai đoạn (120°C-150°C) 195 Thòigian (phút) Lẩn Tinh 17 14 7 6 dâu Lẩn 16 15 7 5 (ml) Lẩn 17 15 8 7 5.5 3.5 15 30 45 60 75 90 46 105 120 135 150 165 180 210 PHỤ LỤC 2: MINH CHÚNG ĐI KÈM SẢN PHÀM DẠNG (hình ảnh sản phẩm đạt được) 50 ml tinh dầu tiêu lép 47 SẢN PHÀM DẠNG 2: (quy trình, sơ đồ, bảng vẽ, sở dừ liệu ) Quy trình cơng nghệ chưng cất tinh dầu tiêu lép Hình: Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất tinh dầu tiêu lép 48 SẢN PHÀM DẠNG 3: (toàn văn báo, sách chuyên khảo ) Bài báo dự kiên đăng tạp chí khoa học cơng nghệ trường Đại học Nguyễn Tất Thành Nghiên cứu chiêt xuât tinh dâu từ hạt tiêu lép băng F phương pháp chưng cât quy mơ pilot Đồ Đình Nhật* Trần Minh Thơng, Nguyền Huỳnh Thanh Thư Nguyền Thị Ngọc Trâm Phạm Ngọc Tú Khoa Kỹ Thuật Thực Phẩm Và Môi trường, Đại học Nguyễn Tất Thành *ddnhat@ntt.edu.vn; Tóm tắt Việt Nam quốc gia sân xuất xuất khấu hồ tiêu hàng đầu giới, nhiên giá hồ tiêu the giới năm gần sụt giảm liên tục Khai thác sàn phấm tinh dầu từ hạt tiêu phương pháp đầy tiềm đế nâng cao giá trị kinh te ho tiêu Trong nghiên cứu này, trình chiết xuất tinh dầu tiêu lép bàng phương pháp chưng cất nước quy mô pilot thực hiện, yếu tố ảnh hường đen hiệu suất thu hồi chất lượng tinh dầu trình chưng cất tinh dầu tiêu lép nghiên cứu Ket quà nghiên cứu cho thấy hiệu suất thu hồi tinh dầu cao 2.383%, nguyên liệu được xử lý bang máy nghiền thành bột với kích thước qua sàng 40 mesh, thời gian chưng cất 180 phút tính từ giọt đầu tiên, ti lệ nguyên liệu nước 1:12.5 (kg/1), nhiệt độ chung cất 130°C Các phân tích định lượng định tính tinh dầu thực kỹ thuật GC-MS phân tích cảm quan Ket quà xác định 28 họp chất đại diện cho khoảng 99% tống số hợp chất tinh dầu tiêu lép, P-caryophyllene, 3-Carene D-Limonene thành phần chiếm hàm lượng cao (gần 70%) Thành phần tính chất tinh dầu tiêu lép phù hợp tiêu chuấn TCVN 11881:2017 Ket nghiên cứu tiền đề để áp dụng săn xuất tinh dầu tiêu lép quy mô lớn Từ khỏa: Chưng cất, tinh dầu tiêu lép, quy mô pilot GIỚI THIỆU Tiêu đen (Piper nigrum L.), thuộc họ Piperaceae, loại nông nghiệp quan trọng với lợi ích thương mại, kinh tế, dinh dường, sức khỏe y tế cao[l] Tiêu đen loại leo lâu năm, có nguồn gốc từ vùng nhiệt đới với nước sán xuất Ấn Độ, Brazil, Trung Quốc, Indonesia, Madagascar, Malaysia, Mexico, Sri Lanka, Thái Lan Việt Nam[2] Ớ Việt Nam, tiêu nhiều Bình Phước, Bà Rịa Vũng Tàu, Tây Nguyên, Quãng Trị, Phú Quốc Tiêu đen loại gia vị lâu đời biết đến, loại gia vị sữ dụng rộng rãi tất cà gia vị, chiếm phần ba sân lượng gia vị toàn cầu[2] Ngoài dinh dưỡng hương thơm, hạt tiêu đen thề nhiều đặc tính dược tính q giá, bao gồm chống oxy hóa, kháng khuấn, kháng nấm, chong ung thư, chống viêm tác dụng bão vệ dày, hỗ trợ phòng ngừa bệnh mãn tính mang lại lợi ích sinh lý [3], Hạt tiêu chứa - 3,5% tinh dầu[4] Tinh dầu tiêu bao gồm hai nhóm thành phần khác nguồn gốc sinh tống hợp Nhóm bao gồm terpen terpenoid, nhóm khác bao gồm thành phần thơm aliphatic Nói chung, thành phần xác định đặc tính sinh học mong muốn đặc tính mùi đặc trưng cũa tinh dầu tiêu gồm a- p-pinene, limonene, myrcene, 3-Carene, linalool, a-phellandrene, sabinene, P-caryophyllene germacrene[5] Tinh dầu tiêu đen với đặc tính kháng khuấn, kháng nấm, chống oxi hóa noi bật ứng dụng nhiều lĩnh vực dược phẩm, mỹ phẩm, đặc biệt ứng dụng ngành cơng nghiệp thực phẩm Tinh dầu tiêu sữ dụng sản phẩm thực phấm thành phần dinh dưỡng, để trì hương vị, màu sắc mùi thơm sản phấm thực phấm để giúp bào quàn kiếm sốt thực phấm hư hóng[6] 49 Các ứng dụng đa dạng nối bật tinh dầu tiêu dẫn đến nghiên cứu quy trinh chiết xuất tinh dầu tiêu đen ngày quan tâm Nhiều phương pháp chiết xuất khác đế tối ưu hiệu suất thu hoi tinh dầu tiêu đen báo cáo Các kỹ thuật sữ dụng bao gồm chưng cất nước, chưng cất lôi nước, chiết dung môi, vi chiết pha ran, chiết CO2 siêu tới hạn chiết có hồ trợ vi sóng, siêu âm [7-11] Mồi phương pháp có ưu nhược điếm khác cho hiệu suất thành phần tinh dầu khác Trong phương pháp đế khai thác tinh dầu, phương pháp chưng cất nước phương pháp có từ lâu đời sữ dụng thông dụng để chiết xuất tinh dầu tìr nguyên liệu thực vật [12, 13] Trong phương pháp này, nguyên liệu thực vật đun sơi nước -3 giờ, sau tinh dầu ngưng tụ thu thập Phương pháp phương pháp tiêu chuấn ngành công nghiệp tinh dầu, đơn giàn đe thực khả thi sàn xuất quy mơ lớn lý kinh tế Theo báo cáo Bộ nông nghiệp phát triến nông thôn, từ năm 2001 đen nay, Việt Nam giữ vị số the giới sán xuất xuất khau tiêu đen Tuy nhiên bốn năm gần (2017-2020) giá hồ tiêu giới sụt giâm liên tục Giá tiêu thay biên độ lớn theo thời điếm cụ thế, làm cho giá trị cũa sàn phấm không ổn định làm cho đời sống người nông dân gặp nhiều khó khăn Do ngồi việc khai thác hồ tiêu đường truyền thống việc quan tâm khai thác hồ tiêu phương pháp khác để nâng cao giá trị kinh te hồ tiêu điều cấp thiết Việc khai thác sàn phấm tinh dầu từ hạt tiêu phương pháp đầy tiềm đế nâng cao giá trị kinh tế cũa hồ tiêu Bên cạnh loại hạt tiêu chất lượng tốt, đáp ứng nhu cầu xuất khấu, cịn có loại tiêu chất lượng thấp hơn, thường gọi tiêu lép Đây loại tiêu bị hái rụng non, hạt nhân chưa đù cứng nên phơi khơ chi có phan vó bên ngồi nhân bên hạt bị vỡ, dập, chi có phần vị q trinh thu hái, phơi sấy, giá cã thị trường thấp nhiều so với loại tiêu chất lượng tốt Tuy nhiên, tinh dầu tiêu lại tập trung chủ yếu phần vô, nên việc khai khác chiết xuất tinh dầu tiêu từ nguồn nguyên liệu tiêu lép phương án hứa hẹn nâng cao giá trị kinh tế nỏ Các nghiên cứu phương pháp chiết xuất tối ưu hóa thông so công nghệ đe thu hồi tinh dầu từ nguyên liệu thực vật thực từ lâu nhiều Tuy nhiên hầu hết nghiên cứu thực binh cầu, quy mô phịng thí nghiệm Chúng ta thay, từ nghiên cứu quy mơ phịng thí nghiệm đến việc áp dụng quy mô công nghiệp đường dài Sự khác biệt quy mô sàn xuất ãnh hưởng đáng suất chất lượng loại tinh dầu Những nghiên cứu quy mơ pilot cần thiết đe dề dàng áp dụng sàn xuất thực tế Mục đích cùa nghiên cứu tổi ưu hóa yếu tố ảnh hưởng đen suất trinh chưng cất đánh giá chất lượng tinh dầu chiết xuất, xây dựng qui trinh chưng cất thu hồi tinh dầu tiêu lép qui mô pilot (5 kg/mè) Ket quà cũa nghiên cứu hữu ích cho việc chuyến giao cơng nghệ, trờ thành giải pháp đế rút ngan khoảng cách nghiên cứu sàn xuất Sự thành cơng cũa nghiên cứu đóng góp hiếu biết, tư liệu trinh chiết xuất tinh dầu tiêu lép mặt thực tiễn đóng góp vào q trình nâng cao giá trị kinh tế hồ tiêu, loại nông sàn mà Việt Nam giữ vị the so giới sán xuất xuất VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Nguyên liệu thiết bị Nguyên liệu sứ dụng suốt trình nghiên cứu hạt tiêu đen lép có khối lượng riêng 300g/l trồng, thu hoạch huyện Đak R’Lấp tinh DakNong (11O59’39”B 107°30’43”Đ), thời gian thu hoạch tháng 02 năm 2020 Hóa chất sữ dụng nghiên cứu Na2SO4 tinh khiết, xuất xứ Trung Quốc, cung cấp Cữa hàng kinh doanh hóa chất thiết bị Hóa Nam, quận 10, Tp Ho Chí Minh Thiết bị sứ dụng nghiên cứu thiết bị chưng cất tích 100 lít, đường kính m, gia nhiệt bang dầu tài nhiệt, thiết bị làm thép không rĩ inox 304, thiết bị có hệ thống ngưng tụ nước giải nhiệt, phận thu hồi sán phấm ngưng tụ, hệ thống câm biến điều khiến nhiệt độ, đong hồ áp suất 2.2 Quy trình chiết xuất tinh dầu Nguyên liệu sau nhập xữ lý sơ bộ, loại bò thành phần không đạt yêu cầu Đe giảm thất tinh dầu q trình xay, hạt tiêu làm lạnh (ờ 10°C) tú lạnh (Alaska, LC-743H, Việt Nam) trước xay Bước nguyên liệu xữ lý nghiền máy ép đùn để đạt kích thước phù hợp với yêu cầu nghiên cứu Sau đó, cho bột tiêu vào sàng có kích thước 40 mesh lấy phần qua sàng Hạt khơng lọt qua sàng làm nguội xay lại Bột tiêu sau đo độ ấm với mục đích nhằm xác định khối lượng nguyên liệu 50 khô Nguyên liệu sau xù lý cân 5kg nhập vào thiết bị chưng cất với lượng nước phù hợp theo yêu cầu cũa mồi thí nghiệm Thiết lập thơng số nhiệt độ theo u cầu mồi thí nghiệm tiến hành chưng cất Thời gian chưng cất tính từ giọt lóng đau tiên thu sau qua phận ngưng tụ Hồn hợp gồm tinh dầu nước chưng thu sau qua phận ngưng tụ mang chiết đe thu hoi tinh dầu Tinh đầu thu cịn lần nước nên làm khan muối Na2SO4 tinh khiết, sau tiến hành lọc đế thu tinh dầu tinh khiết Các thông số khão sát nghiên cứu gồm có thời gian chưng cất, ti lệ nguyên liệu/ nước mức khác gồm có 1:10; 1:12.5; 1:15; 1:17.5 Nhiệt độ chưng cất khảo sát nghiên cứu gồm có 120°C, 130°C, 140°C 150°C 2.3 Phân tích GC-MS xác định thành phần tinh dau Hệ thống sắc ký khí-khối phố (Thermo Fisher Scientific, Waltham, Hoa Kỳ) sữ dụng để phân tích thành phần có tinh dầu tiêu lép máy sắc ký khí Trace 1300 Thermo ScientificTM kết hợp với khối phố TSQ 9000 Các chất phân tích tách cột mao quàn silica nung chây không phân cực TG-5ms phũ metyl siliconne (30 m X 0,25 mm i.d.), độ dày màng 0,25 pm (Thermo Fisher Scientific, Hoa Kỳ) từ Agilent Quá trình quét MS (1 lần quét s-1) thực phạm vi khối lượng 50-550 amu với ion hóa tác động điện tữ 70eV Heli sừ dụng làm khí mang tốc độ dòng 1,2 mL min-1 tỹ lệ phân chia 1: 250 (0,2 pL) Nhiệt độ lò cột lập trình sau: (i) 60 c 30 giây; (ii) tốc độ 6,0 c / phút từ 60 c đén 180 C; (iii) tốc độ 20 c / phút từ 180 c đen 220 c giữ phút Hau het hợp chất có tinh dầu tiêu lép xác định bàng khối phố chúng (bộ sưu tập thư viện NIST 2.2) so sánh với thư viện phố Adams nguồn tham khảo Các diện tích pic riêng lé ghi lại diện tích pic tương đối (%) tính tốn để định lượng thành phần tinh dầu Các phân tích sắc ký chạy ba lần KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẠN: 3.1 Ảnh hưởng cùa thời gian chưng cất: Thời gian chưng cất phụ thuộc vào so yếu to nguyên liệu thơ, tý lệ ngun liệu/dung mơi, nhiệt độ, kích thước mầu Thời gian chưng cất lâu lượng tinh dầu cao [14] Tuy nhiên, đen khoảng thời gian định, lượng tinh dầu không tăng nữa, tiếp tục chưng cất ảnh hưởng đến chất lượng cũa sán phấm, sàn phẩm có khả bị biến tính, tiêu tốn lượng lượng khơng cần thiết dần đến tăng chi phí Do đó, cần xác định thời gian chưng cất phù họp Khoảng thời gian chưng cất tính từ giọt đến lượng tinh dầu thu không thay đối thay đổi không đáng kề Các mẫu sứ dụng thí nghiệm mẫu tiêu bột (độ am 13.2%) Từ kết quâ nghiên cứu, biếu đo (Hỉnh 3.1) cho thấy mối tương quan thời gian chưng cất hiệu suất tinh dầu tiêu lép thu thí nghiệm khác Hình 7: Ánh hưởng thời gian chưng cất lên hiệu suất tinh dầu tiêu lép 51 Dựa ánh hướng thời gian chưng cất đến hiệu suất tinh dầu tiêu lép thề hình 3.1 cho thấy thời gian chưng cất dài 225 phút tù giọt cho hiệu suất cao là 2.304% Tuy nhiên, thời gian chưng cất tối ưu chọn 180 phút với hiệu suất 2.271%, sau 180 phút hàm lượng dầu chi tăng 0,033% Sự gia tăng không đáng kế vỉ hàm lượng tinh dầu cịn lại vị khơng nhiều hầu hết thành phan có điếm sơi cao hơn, phần tinh dầu hòa tan nước ngưng tụ Do đó, hiệu suất khơng tăng đáng kể 3.2 Ảnh hưởng cùa nhiệt độ chưng cất: Một yếu tố quan trọng ảnh hường đến trinh chưng cất tinh dầu nhiệt độ Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ khuếch tán, đối lưu cúa dung môi giảm độ nhớt dung dịch, làm tăng hiệu chưng cất Nhưng nhiệt độ cao, so chất tinh dầu bị phân hủy ánh hường đen hiệu quà chiết xuất, đặc biệt chất lượng tinh dầu Sau cố định thời gian chưng cất (180 phút), thí nghiệm chưng cất tiến hành Các mầu sữ dụng thí nghiệm mầu tiêu bột (độ ẩm 13.2%) Sau thứ nghiệm, mối tương quan nhiệt độ chưng cất hiệu suất cùa tinh dầu tiêu lép chiết xuất sau chưng cất biểu đồ (Hình 3.2) Thời Gian (Phút) Hình 8: Ảnh hưởng cùa nhiệt độ chưng cất lên hiệu suất tinh dầu tiêu lép Hình 3.2 biếu diễn ành hưởng nhiệt độ đen hiệu suất thu hồi tinh dầu tiêu lép Hiệu suất cao 2.38% nhiệt độ chưng cất 150°C Hiệu suất thấp chút sau 2.32% trình chưng cất thực 140°C hiệu suất thấp hãn trường hợp cịn lại q trình chưng cất 120°C, hiệu suất chi đạt 1.78% Chúng ta thấy nhiệt độ tăng dẫn đen tăng hiệu suất Bởi vi nước sừ dụng đế tách thành phan nguyên liệu, nhiệt độ chưng cất cao tốc độ bay nước cao, dần đến nước thấm, hấp thụ tinh dầu mô, khuếch tán nhanh Tuy nhiên hàm lượng tinh dầu vật liệu có giới hạn đến lúc hàm lượng tinh dầu khơng tăng đáng kể Dựa vào đồ thị ta thấy khác biệt hiệu suất tinh dầu tiêu lép chiết xuất 130°C, 140 °C 150°C không đáng ke Do đó, chúng tơi nhiệt độ chưng cất tối ưu 130°C đế khảo sát yếu tố khác 52 3.3 Ánh hưởng cùa tì lệ ngun liệu/dung mơi: Sau cố định điều kiện chưng cất tối ưu nghiên cứu trên, tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ vật liệu dung môi đen hiệu suất thu hồi tinh dau Ket quà cùa thí nghiệm the (Hình 3.3) cho thấy mối quan hệ tỷ lệ vật liệu / dung môi hiệu suất cùa tinh dầu tiêu lép thu thí nghiệm khác Thời Gian (Phút) Hình 3.9: Ánh hường tỷ lệ nguyên liệu/dung môi lên hiệu suất tinh dầu tiêu lép Trong chưng cất nước, đun nóng hồn hợp nước vật liệu, nước thấm vào mơ có chứa tinh dầu, đến lúc lượng đù lớn phá vờ mô tinh dầu tinh dầu lôi kéo nước Ánh hường tỷ lệ nguyên liệu/dung môi thề hỉnh 3.3 Neu lượng nước khơng đù để thấm lơi kéo tinh dầu, lượng nước nhiều dần đến trình hịa tan, nhũ hóa tinh dầu chi phí lượng tiêu tốn lớn Do ti lệ phù hợp nguyên liệu/nước điều can thiết Trong nghiên cứu này, kết quà cho thấy với tỷ lệ nguyên liệu/nước: 1/12.5 cho hiệu suất cao (2.383%) so với tỳ lệ cịn lại 3.4 Ket q phân tích thành phần tinh dầu bang GC-MS: Ket quà phân tích GC-MS tinh dầu tiêu lép trinh bày báng 3.8 Ket quà GC-MS xác định 28 hợp chất đại diện cho khoảng 99% tống số hợp chất tinh dầu tiêu lép Lượng hợp chất khơng định danh khác có tinh dầu khơng đáng kế Các thành phần có tinh dầu tiêu lép nghiên cứu gồm có a-Pinene (3.09%), p-Pinene (6.64%), a-Phellandrene (3.76%), 3-Carene (23.27%), D-Limonene (14.74%), pcarỵophyllene (28.28%), p-Selinene (3.87%) a-Selinene (3.23%) Trong p-caryophyllene, 3-Carene DLimonene thành phần chiếm hàm lượng cao (gần 70%) tinh dầu tiêu lép Khi so sánh với số nghiên cứu khác tinh dầu tiêu đen Việt Nam so nước giới p-caryophyllene (28.28%), thành phan có dược tính cao tinh dầu tiêu đen nghiên cứu có hàm lượng cao đáng kề Ngồi ra, so với thành phần tinh dầu tiêu đen số nước giới hàm lượng sabinene tinh dầu tiêu đen Việt Nam thấp hàm lượng 3-Carene cao 53 STT RT 4.11 4.25 4.51 4.93 5.01 5.2 5.5 5.62 5.89 5.98 6.34 6.6 7.19 7.24 7.44 Việt Na'm |15| Án Độ |16| ■ - - 4.69 - 4.75 - Aimpiriyan[17| 0.9 8.4 - - 13.01 27.5 6.71 Sabinene Nghiên cứu 0.05 3.09 0.05 0.07 p-Pinene 6.64 9.77 Họp Chất 2-Thụjene a-Pinene Camphene P-Myrcene 1.53 2.91 0.89 9.2 - a-Phellandrene 3.76 0.09 2.14 0.1 3-Carene 29.21 0.86 20.94 0.43 0.1 - 0.1 16.88 19.8 - - - 0.2 - 0.52 - 0.1 - 0.04 0.3 3.49 0.21 0.27 - 3.19 - 6.3 - 0.6 - 12.82 13.67 ỗ-EIemene 17 a-Copaene 23.27 1.32 14.74 0.02 0.14 0.26 0.69 0.51 0.57 0.47 18 14 p-elemene 1.18 28.28 15.05 24.24 18.4 0.64 - - - 10 11 12 13 14 15 16 O-Cymene D-Limonene p-cis-Ocimene y-Terpinen Isoterpinolene Terpinolene P-Linalool 0.42 0.2 0.1 19 14.62 20 14.99 21 15.33 p-Caryophyllene a-Guaiene a-Caryophyllene 2.15 - - - 22 16.01 P-Selinene 3.87 - - 0.1 23 16.19 a-Selinene 24 16.39 a-Himachalene 3.23 1.87 0.5 - 0.46 - 0.1 - 25 Ỗ-Cadinene 0.35 1.24 26 16.73 17.44 0.04 1.09 - 27 17.95 Alloaromadendrene Caryophyllene oxide 0.1 - 0.22 0.89 28 18.79 Isospathulenol 0.05 1.01 0.47 - 4.5 - Bảng 1: Ket quà GC-MS tinh dầu tiêu KÉT LUẬN: Trong nghiên cứu này, trinh chiết xuất tinh dầu tiêu lép bàng phương pháp chưng cất nước quy mô pilot thực hiện, yeu tố ảnh hường đến hiệu suất thu hồi trình chưng cất tinh dầu tiêu lép nghiên cứu Ket nghiên cứu cho thấy hiệu suất thu hồi tinh dầu cao 2.383%, nguyên liệu chưng cất thời gian 180 phút tính từ giọt đầu tiên, ti lệ nguyên liệu nước 1:12.5 (kg/1), nhiệt độ chưng cất 130oC Các phân tích định lượng định tính cùa tinh dầu thực kỹ thuật GC-MS phân tích câm quan Két quà cho thấy 3-Carene (23.27%), D-Limonene (14.74%) p-caryophyllene (28.28%) thành phần chiếm hàm lượng cao có tinh dau Ket q cùa nghiên cứu quy mơ pilot đóng góp hiểu biết, tư liệu trinh chiết xuất tinh dầu tiêu lép mặt thực tiền đóng góp vào q trình nâng cao giá trị kinh tể hồ tiêu, loại nông sàn mà Việt Nam giữ vị the số giới sản xuất xuất khâu 54 Lời câm ơn: Nhóm nghiên cứu xin chân thành căm ơn Trường Đại học Nguyễn Tất Thành hồ trợ kinh phí “ Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ NTTU đề tài mã so 2020.01.058” TÀI LIỆU THAM KHAO 107 Zhu, F., R Mojel, and G Li, Structure of black pepper (Piper nigrum) starch Food Hydrocolloids, 2017 71: p 102- Abdulazeez, M.A., et al., Chapter 31 - Black Pepper (Piper nigrum L.) Oils, in Essential Oils in Food Preservation, Flavor and Safety V.R Preedy, Editor 2016 Academic Press: San Diego, p 277-285 Li, Y.-x., et al., Analysis of chemical components and biological activities of essential oils from black and white pepper (Piper nigrum L.) in five provinces of southern China LWT 2020 117: p 108644 Perakis, c., V Louli, and K Magoulas, Supercritical fluid extraction of black pepper oil Journal of Food Engineering, 2005.71(4): p 386-393 Myszka, K., K Leja, and M Majcher, A current opinion on the antimicrobial importance of popular pepper essential oil and its application in food industry Journal ofEssential Oil Research, 2019 31(1): p 1-18 Bohloli Khiavi, R., Methods for in vitro evaluating antimicrobial activity: A review, labdiag, 2017 9(35): p 43-53 Liu, L., G Song, and Y Hu, GC-MS Analysis of the Essential Oils of Piper nigrum L and Piper longum L Chromatographia, 2007 66(9): p 785-790 Kapoor, I.P.S., et al., Chemistry and in Vitro Antioxidant Activity of Volatile Oil and Oleoresins of Black Pepper (Piper nigrum) Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2009 57(12): p 5358-5364 Ferreira, S.R.S and M.A.A Meireles, Modeling the supercritical fluid extraction of black pepper (Piper nigrum L.) essential oil Journal of Food Engineering, 2002 54(4): p 263-269 10 Steinhaus M and p Schieberle, Characterization of Odorants Causing an Atypical Aroma in White Pepper Powder (Piper nigrum L.) Based on Quantitative Measurements and Orthonasal Breakthrough Thresholds Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2005 53(15): p 6049-6055 11 Chouaibi, M., et al., Chemical characteristics and compositions of red pepper seed oils extracted by different methods Industrial Crops and Products, 2019 128: p 363-370 12 Rezazi, s., s Abdelmalek, and s Hanini, Kinetic Study and Optimization of Extraction Process Conditions Energy Procedia, 2017 139: p 98-104 13 Jelen, H.H and A Gracka, Analysis of black pepper volatiles by solid phase microextraction-gas chromatography: A comparison of terpenes profiles with hydrodistillation Journal of Chromatography A, 2015 1418: p 200-209 14 Fitriady, M.A., et al Steam distillation extraction of ginger essential oil: Study of the effect of steam flow rate and time process, in AIP Conference Proceedings 2017 A1P Publishing LLC 15 Tran, T.H., et al., The Study on Extraction Process and Analysis of Components in Essential Oils of Black Pepper (Piper nigrum L.) Seeds Harvested in Gia Lai Province, Vietnam Processes, 2019 7(2) 16 Singh, G., et al Chemical, antioxidant and antifungal activities of volatile oil of black pepper and its acetone extract Journal of the Science of Food and Agriculture, 2004 84: p 1878-1884 17 Menon, A., K Padmakumari, and A Jayalekshmy, Essential Oil Composition of Four Major Cultivars of Black Pepper ( Piper nigrum L.)—IV The Journal of Essential Oil Research, 2002 14: p 84-86 55 Production of light berries black pepper essential oil on pilot scale by hydrodistillation Dinh Nhat Do*, Minh Thong Tran, Huynh Thanh Thu Nguyen, Thi Ngoc Tram Nguyen, Ngoc Tu Pham Faculty of Chemical Engineering and Food Technology, Nguyen Tat Thanh University *ddnhat@ntt.edu.vn Abstract Black pepper (Piper nigrum L.) is a tropical crop with extensive medicinal potential in ethnomedicine and nutraceutical applications For this study, the hydro-distillation method was employed in the extraction of essential oil from light berries black pepper (300g/l) Extraction parameters such as time, temperature, and the ratio of solid/solvent were optimized The quantitative analyses of the essential oils were performed by GC/MS The optimum yield was 2.383% when extracted with conditions (material-water ratio of 1:12.5, distillation time of 180 minutes from the first drop, the temperature of 130oC) The result of GCMS showed that 3-Carene (23.27%), D-Limonene (14.74%) and p-caryophyllene (28.28%) were present as major components The results of this study on the pilot scale could be useful for technology transfer, which might become the solution to shorten the gap between research and production Keywords: Hydrodistillation; light berries black pepper; essential oil; Pilot scale 56 ... bố nghiên cứu động học trình chưng cất tinh dầu tiêu lép quy mơ pilot Do tơi chọn thực đề tài: ? ?Nghiên cứu trình chiết xuất tinh dầu tiêu lép phương pháp chưng cất quy mơ pilot? ?? Mục đích nghiên. .. Cuốn báo cáo tơng kết đề tài Quy trình cơng nghệ chưng cất Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất tinh dầu tiêu lép tinh dầu 50ml tinh dầu tiêu lép 50ml tinh dầu tiêu lép Một báo dự kiến đăng tạp... trình chưng cất tinh dầu tiêu lép: 31 3.6 Động học trình chưng cất tinh dầu tiêu lép: 33 3.7 Ảnh hưởng điều kiện chưng cất đến tính chất vật lý tinh dầu tiêu lép: 34 3.8 Anh hưởng