Nghiên cứu công nghệ khai thác và ứng dụng tinh dầu hương bài việt nam

Tinh dầu chiết tách từ rễ hương bài có hương vị đặc trưng, là một loại tinh dầu an toàn, không độc hại nhưng có thành phần khá phức tạp, chứa trên 100 cấu tử được nhận dạng mà chủ yếu là

Bộ công thương

Viện Công nghiệp thực phẩm

-o0o -

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIấN CỨU CễNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ ỨNG DỤNG

TINH DẦU HƯƠNG BÀI VIỆT NAM

(Thực hiện theo Hợp đồng Nghiờn cứu khoa học và Phỏt triển cụng nghệ số 028.09.RD/HĐ-KHCN ký ngày 25 thỏng 02 năm 2009 giữa Bộ Cụng Thương

và Viện Cụng nghiệp Thực phẩm)

Chủ nhiệm Đề tài : ThS đỗ thanh hà

người thực hiện :

TS Bùi Quang Thuật

TS Lý Ngọc Trâm ThS Bùi Thị Bích Ngọc ThS Nguyễn Trung Hiếu

KS Nguyễn Thị Quỳnh Trang

KS Lê Trung Lam

7844

07/4/2010

Hà nội, tháng 12 - 2009

LỜI CẢM ƠN

Đề tài chúng tôi xin trân trọng cảm ơn Vụ Khoa học Công nghệ - Bộ Công thương đã tạo điều kiện giúp đỡ và cấp kinh phí cho chúng tôi thực hiện tốt các nội dung nghiên cứu đã đặt ra Xin chân thành cảm ơn Trung tâm giáo dục và Phát triển sắc ký thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm

Kỹ thuật I của Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng đã nhiệt tình giúp đỡ, phân tích các sản phẩm của Đề tài Xin trân trọng cảm ơn Công ty TNHH Khiêm Anh về sự hợp tác thử nghiệm và ứng dụng các sản phẩm nghiên cứu của

Đề tài vào sản xuất

Chúng tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Lãnh đạo Viện, Hội đồng Khoa học và các phòng nghiệp vụ của Viện về những đóng góp và giúp đỡ quí báu để

Đề tài thu được các kết quả tốt

1.2.3 Công thức hoá học của một số hợp chất chính có mặt trong

tinh dầu hương bài

2.1 Phương pháp tiến hành nghiên cứu 28

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu lựa chọn phương pháp khai thác các

hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài

28

2.1.4 Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến quá trình khai thác các hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài

29

2.1.5 Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến quá trình tinh chế tinh dầu hương bài

30

2.1.6 Phương pháp phân tích và đánh giá chất lượng sản phẩm 30

2.1.6.2 Phương pháp xác định thành phần hóa học của tinh dầu hương bài

3.1 Kết quả khảo sát chung về nguyên liệu 35 3.2 Kết quả lựa chọn phương pháp khai thác các hợp chất tạo hương

3.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình trích ly các hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài

41

3.4.1 Kết quả nghiên cứu lựa chọn dung môi trích ly thích hợp 42

3.4.3 Kết quả nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ nguyên liệu/dung môi thích hợp

47

3.5 Qui trình công nghệ khai thác các hợp chất tạo hương vị từ rễ 52

hương bài

3.6 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình tinh chế tinh dầu hương bài

54

3.7 Qui trình công nghệ tinh chế tinh dầu hương bài 57

3.9 Phân tích, đánh giá chất lượng tinh dầu hương bài 60

3.9.3 Xác định một số chỉ tiêu kim loại nặng và các chỉ tiêu khác 62

3.10 Ứng dụng sản phẩm tinh dầu hương bài vào thực tế sản xuất thực phẩm và dược phẩm

63

M1: Mẫu tinh dầu khai thác bằng phương pháp chưng cất

M3: Mẫu tinh dầu khai thác bằng phương pháp trích ly với dung môi etanol 96% M5: Mẫu tinh dầu khai thác bằng phương pháp trích ly với dung môi n-hexan NL: Nguyên liệu

TD: Tinh dầu

TL: Trích ly

Trong những năm gần đây, trên thế giới người dân có xu hướng thích dùng những sản phẩm thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm có nguồn gốc từ tự nhiên, không độc hại Do vậy, những loại cây cho tinh dầu quí, có tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu khai thác và chế biến nhằm nâng cao giá trị sử dụng của chúng Một trong những loại nguyên liệu để sản xuất tinh dầu đang được các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam quan tâm là cỏ hương bài

Theo nhiều tài liệu, cỏ hương bài có nguồn gốc từ Ấn Độ, chúng mọc hoang ở các vùng đất cát Từ xa xưa, người dân đã phát hiện ra rễ hương bài tính mát, có tác dụng hạ nhiệt, làm ra mồ hôi, kích thích, lợi tiêu hóa, gây trung tiện, lợi tiểu và điều kinh nên đã sử dụng nó như một vị thuốc [3]

Tinh dầu chiết tách từ rễ hương bài có hương vị đặc trưng, là một loại tinh dầu an toàn, không độc hại nhưng có thành phần khá phức tạp, chứa trên 100 cấu

tử được nhận dạng mà chủ yếu là các thành phần chất thơm có giá trị, có nhiệt độ bay hơi cao (như: khusimol, spathulenol, terpinen-4-ol, khusimone, valerenol, vertiven, furfurol, các axít vetivenic- benzoic dưới dạng ete của vetivenol…) nên được sử dụng làm chất định hương cho các tổ hợp hương liệu cho thực phẩm và nước hoa cao cấp Bên cạnh đó, nó có đặc tính kháng khuẩn, kích thích tuần hoàn, giúp cân bằng thần kinh, giảm stress và phục hồi trí nhớ… nên được sử dụng nhiều trong dược phẩm [23, 32]

Từ giữa thập niên 80 của thế kỷ 20 công nghệ trồng cỏ hương bài đã được giới thiệu đến hơn 100 nước và hiện nay đã lên tới 147 nước, nhưng chủ yếu tập

trung ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới Cỏ hương bài được sử dụng với mục đích chính là khai thác tinh dầu và chống sói mòn, bảo vệ đất, nước [11, 42, 43]

Ở Việt Nam, cỏ hương bài được trồng ở hầu khắp các tỉnh từ Bắc đến Nam, nhưng chủ yếu tập trung ở những vùng đất cát, có sông hồ, kênh rạch và những vùng duyên hải có gió mạnh như Thái Bình, Nghệ An, Quảng Bình, Quảng Trị

để bảo vệ đất, sông hồ, kênh rạch, cung cấp dược liệu cho y học và phục vụ nhu cầu của người dân [9, 11]

Hiện nay, vùng nguyên liệu hương bài trong nước đã được hình thành và đang ngày càng được mở rộng Giá rễ hương bài tươi 4000 – 5000 đồng/kg, khô 14.000 đồng/kg Nhưng rõ ràng nếu hương bài được khai thác sử dụng ở dạng tinh dầu thì giá trị của chúng sẽ còn tăng cao Tuy nhiên, cho đến nay loại nguyên liệu quý này vẫn chưa được sử dụng để sản xuất ra tinh dầu (mặt hàng có giá trị cao) ở quy mô công nghiệp mà chỉ được sử dụng ở dạng nguyên liệu thô hoặc sơ chế với giá thành rẻ Việc khai thác tinh dầu hương bài ở nước ta chưa được quan tâm và đầu tư thích đáng Chúng ta chưa có sản phẩm tinh dầu hương bài ở quy mô lớn lẫn quy mô nhỏ do công nghệ chưng cất tinh dầu của ta còn giản đơn, thiết bị chưng cất quá lạc hậu, công nghệ trích ly tinh dầu thì chưa phát triển, công nghệ trích ly bằng CO2 lỏng ở trạng thái siêu tới hạn chưa thể áp dụng rộng rãi trong điều kiện nước ta do thiết bị phức tạp và đắt tiền

Hiện nay, vùng nguyên liệu hương bài ở nước ta đang phát triển mạnh, đòi hỏi phải tìm được đầu ra ổn định, vững chắc, đồng thời cần nâng cao giá trị

sử dụng của chúng Mặt khác, việc sản xuất và sử dụng tinh dầu hương bài đang

là nhu cầu cấp thiết của nhiều doanh nghiệp trong nước

Để nâng cao giá trị kinh tế cho cây hương bài, khai thác được nguồn tài nguyên thiên nhiên quí giá của đất nước, góp phần xóa đói giảm nghèo cho nông dân những vùng sâu, vùng xa đồng thời để có thể tìm được đầu ra vững chắc cho loại cây này, thúc đẩy sản xuất một số mặt hàng thực phẩm, dược phẩm, chúng tôi

tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu công nghệ khai thác và ứng dụng tinh

dầu hương bài Việt Nam”, với mục tiêu: Tạo ra qui trình công nghệ mới để

sản xuất tinh dầu hương bài cho hiệu suất thu nhận và chất lượng sản phẩm

cao Đây là việc làm vừa có ý nghĩa khoa học, vừa mang tính thực tiễn cao

TÓM TẮT NHIỆM VỤ

1 Mục tiêu của đề tài:

Xây dựng được qui trình công nghệ khai thác và tinh chế tinh dầu hương bài để ứng dụng trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm

2 Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu phân tích và đánh giá chất lượng nguyên liệu hương bài Việt Nam

- Nghiên cứu công nghệ cho việc khai thác các hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài

- Nghiên cứu công nghệ tinh chế dầu hương bài đạt yêu cầu làm hương liệu trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm

- Ứng dụng các sản phẩm của đề tài vào thực tế sản xuất

3 Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được:

3.1 Phương pháp nghiên cứu:

- Các phương pháp xử lý nguyên liệu hương bài Việt Nam

- Sử dụng công nghệ chưng cất và trích ly để khai thác các hợp chất tạo hương vị

từ rễ hương bài

- Sử dụng phương pháp trích ly (lỏng – lỏng) để tinh chế dầu hương bài

- Sử dụng các phương pháp phân tích truyền thống và hiện đại để đánh giá chất lượng của nguyên liệu và sản phẩm của đề tài

3.2 Kết quả đạt được:

- Có kết quả đánh giá chất lượng nguyên liệu

- Có qui trình công nghệ khai thác các hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài quy

mô xưởng thực nghiệm

- Có qui trình công nghệ tinh chế tinh dầu hương bài quy mô xưởng thực nghiệm

- Đã tiến hành sản xuất thử nghiệm tinh dầu hương bài ở quy mô pilot

- Có kết quả phân tích và đánh giá chất lượng sản phẩm tinh dầu hương bài

- Đã ứng dụng sản phẩm của đề tài vào thực tế sản xuất thực phẩm và dược phẩm, kết quả ban đầu thu được là rất khả quan

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu về cỏ hương bài

1.1.1 Giới thiệu chung

Hương bài hay còn gọi là hương lau hoặc hương lâu có tên khoa học

Vetiveria zizanioides L là một loài cỏ sống lâu năm thuộc họ hoà thảo Tên chi Vetiveria bắt nguồn từ Vetiver, tên gọi Vetiver có nguồn gốc từ tiếng Tamil [2,8,

11]

Cỏ hương bài có nguồn gốc từ Ấn Độ, mọc hoang ở các vùng đất cát Từ

xa xưa, người dân đã phát hiện ra rễ hương bài tính mát, có tác dụng hạ nhiệt, làm ra mồ hôi, kích thích, lợi tiêu hóa, gây trung tiện, lợi tiểu và điều kinh nên

đã sử dụng nó như một vị thuốc [3] Ngoài ra, nhờ chùm rễ hương bài đan xen ăn sâu trong đất và có thể chịu được lực bằng 1/6 lần so với chịu lực của bê tông nên cây có thể phát triển tốt ở vùng đất cát, đất đồi núi, dễ trồng, có khả năng kiểm soát xói mòn tốt trong các khu vực có khí hậu nóng, có vai trò làm hàng rào giữ

ổn định cho các bờ hồ, sông suối, các vùng đất bậc thang, các ruộng lúa, giúp bảo

vệ các công trình đập, kênh, đường bộ, sông hồ thuỷ điện Do đó, trồng loài cỏ này được xem như xây dựng một hàng rào bê tông sinh học chống lại sói mòn và bảo vệ đất đai Hệ thống rễ này phát triển thành mạng lưới dày đặc giữ cho đất kết dính lại, đồng thời không cho đất bị bật ra khi gặp những dòng chảy có vận tốc lớn Thêm vào đó, thân cỏ mọc đứng và vươn thẳng nếu trồng sát nhau sẽ làm giảm vận tốc dòng chảy, chặn được lớp đất bị nước cuốn trôi Tại Nam Ấn Độ, gần thành phố Mysora, nông dân đã trồng cỏ hương bài làm băng cây xanh từ khoảng 200 năm nay cũng như nông dân ở Kano, Nigeria cũng đã trồng cỏ hương bài hàng thế kỷ nay Ngày nay, chúng được trồng ở hầu khắp các châu lục như Châu Phi (Ethiopia, Nigeria…), Châu Á (Trung Quốc, Ấn Độ, Malaysia, Indonesia, Philippin, Thái Lan,…), Châu Úc, Trung và Nam Mỹ (Colombia…)

để cung cấp nguyên liệu cho ngành công nghiệp khai thác tinh dầu và bảo vệ môi trường [11, 42, 43]

Hương bài là một loại cây khá dễ trồng, thích nghi rộng, phát triển rất mạnh trong điều kiện khí hậu Việt Nam Ở nước ta, cỏ hương bài ban đầu chủ yếu được trồng ở huyện Tiền Hải – Thái Bình Những năm gần đây An Giang đã tìm nguồn giống cỏ hương bài để trồng với mục đích chống sạt lở ở một số huyện

như Tri Tôn, Tân Châu…, sau đó là một số tỉnh miền Đông Nam bộ, miền Bắc và miền Trung Hiện nay, cỏ hương bài được trồng ở hầu khắp các tỉnh từ Bắc đến Nam để chống xói mòn đất và lấy rễ làm dược liệu, làm hương thắp, phục vụ cho đời sống hàng ngày của người dân Ở Việt Nam nhiều hộ nông dân đã thoát nghèo nhờ nguồn lợi kinh tế thu được từ việc bán rễ cây hương bài [9, 11]

1.1.2 Đặc tính thực vật và sinh thái

Cỏ hương bài là một loại cây thảo sống lâu năm thường mọc thành bụi dày đặc, từ gốc rễ mọc ra rất nhiều chồi ở các hướng Thân cỏ mọc thẳng đứng, cao trung bình 1,5 - 2m, nhưng có thể cao tới 3m, dạng thân cọng, cứng và hoá gỗ Phần thân trên không phân nhánh, phần dưới đẻ nhánh rất mạnh Mắt nhẵn nhụi, không có lông nằm tiếp giáp giữa các thân cọng cỏ và lồi ra, từ đó tạo ra rễ khi cỏ hương bài được chôn vùi vào đất Lá dài khoảng 45-100cm và rộng khoảng 6-12mm, rìa lá có hình răng cưa, lá mỏng và cứng Rễ là phần hữu dụng và quan trọng nhất Không giống như phần lớn các loài cỏ dại có rễ dạng sợi cắm đứng vào đất không mọc sâu với phần thân cỏ bò lan trên mặt đất và cắm vào đất trải rộng theo chiều ngang tương tự như một tấm thảm, cỏ hương bài không có căn hành, không bò lan, thân rễ đan xen nhau và có thể phát triển rất nhanh Hệ thống

rễ của cây cỏ hương bài có dạng chùm không mọc trải rộng mà lại mọc thẳng và sâu xuống đất, kể cả rễ chính, rễ thứ cấp hoặc rễ dạng sợi tới độ sâu khoảng 2-4m,

rộng đến 2,5m sau hai năm trồng Một đặc tính quan trọng của rễ loài Vetiveria

zizanioides L là có chứa tinh dầu, có mùi thơm đặc trưng của cỏ hương bài,

thường có chất lượng tốt nhất 18 tháng sau khi trồng [11, 33, 42]

Theo các nhà nông học, cỏ hương bài là cây lưỡng tính, có gié hoa lưỡng tính Các gié hoa có phân hoá giới tính như lưỡng tính, đực hoặc bất thụ trên cùng

một cây Loài Vetiveria zizanioides L được dùng phổ biến vì có đặc điểm không

tạo hạt, nhân giống chủ yếu bằng phương pháp vô tính nên không thể mọc tràn lan như một số loài cỏ dại khác Do đó cỏ hương bài không có khả năng trở thành

cỏ dại [11, 42]

Cỏ hương bài khá dễ trồng, dễ sống, chịu hạn tốt, ít bị sâu bệnh, thấm nước

và giữ nước tốt Nó vừa ưa khô vừa ưa nước, trồng được ở bất kì loại đất nào, không kể độ màu mỡ Cỏ được nhân giống bằng cụm rễ và cành giâm Cây thường mọc thành bụi hay khóm lớn [6]

Trong tự nhiên, cỏ hương bài có sức chịu đựng đối với biến động khí hậu rất lớn như hạn hán kéo dài, khả năng chịu ngập úng kéo dài đến 45 ngày ở luồng nước sâu 0,6 – 0,8m và chịu được biên độ nhiệt độ từ -100C đến 480C Tuy nhiên lượng mưa khoảng 300mm và nhiệt độ từ 18 - 250C là điều kiện lý tưởng cho loài này phát triển mạnh Cỏ hương bài phát triển tốt ở điều kiện ẩm, thông thường cỏ hương bài cần một mùa ẩm ướt ít nhất 3 tháng Nhưng chúng cũng có thể sinh trưởng tốt ở điều kiện khô hạn và trên các triền dốc nhờ hệ thống rễ đâm ăn sâu vào đất Cỏ hương bài là loại cây rất thích hợp trong vùng có lượng ánh sáng cao

Là loài cỏ có thể phát triển trên phần lớn các loại đất, từ đất vertisol nứt - đen đến đất alfisol đỏ Cỏ còn mọc trên đá vụn, đất cạn và cả đất trũng ngập nước Cỏ

hương bài mọc tốt nhất ở chỗ đất trống và thoát nước tốt, nhất là ở đất non trẻ tạo

từ tro núi lửa và đất cát sâu Hàm lượng tinh dầu trong rễ cỏ hương bài sẽ tăng lên nếu cỏ được trồng ở đất sét [2, 6, 42]

1.1.3 Thu hoạch và bảo quản rễ [2,20]

Rễ vừa mới nhổ lên đem rửa sạch thật nhanh rồi đem phơi khô dưới bóng râm, phơi ngoài trời nắng tinh dầu sẽ bay hơi mạnh Thời gian bảo quản rễ tốt nhất từ 1 - 3 tháng sau thu hoạch, nếu bảo quản trong kho có điều kiện tốt thì cũng không quá 6 tháng Thời gian kéo dài quá 3 tháng chất lượng tinh dầu có tốt hơn nhưng hàm lượng thì giảm nhiều và thời gian chưng cất cần phải kéo dài làm giảm hiệu quả kinh tế Tác giả Trần Minh Hợi và các cộng sự đã khảo sát mức độ ảnh hưởng của thời gian bảo quản nguyên liệu tới hàm lượng, các chỉ số hóa lý và chất lượng của tinh dầu hương bài (xem bảng 1.1)

Kết quả khảo sát này cho thấy sau khi bảo quản 100 ngày hàm lượng tinh dầu giảm không đáng kể so với ngay sau khi thu hoạch (từ 2,5 % xuống 2,2 %), nhưng giảm mạnh khi thời gian bảo quản lên tới 173 ngày (còn 1,2 %) Hàm lượng ancol tự do lại tăng lên (từ 53 % tăng lên 63 %), nhưng khi bảo quản tới

173 ngày thì mất hết ancol [2]

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của thời gian bảo quản nguyên liệu tới

chất lượng và hàm lượng tinh dầu [2]

d 20 (g/g)

Góc quay cực,

α20 D

Chỉ số khúc xạ,n 20 D

Chỉ số axit,

mg KOH/g

Chỉ số este

mg KOH/g

Chỉ số cacbonyl

Ancol

tự do (%)

18 2,5 1,0441 +150 1,519 32,6 19,4 23,6 53,0

100 2,2 1,0455 +130 1,516 32,6 20,1 17,9 63,0

173 1,2 1,0579 +160 1,518 24,3 28,0 19,5 -

1.1.4 Thành phần hoá học của rễ cỏ hương bài

Rễ hương bài tươi có độ ẩm từ 45-55%, còn lại là các chất khô Trong

thành phần chất khô, tinh dầu (chiếm từ 1-3%) là thành phần quan trọng nhất tạo nên giá trị cao cho cỏ hương bài Ngoài ra, theo nhiều tài liệu tham khảo, trong rễ hương bài khô còn có các chất khác như xenluloza 80-89%, tinh bột 2-5%, protein 2-7%, đường 1-4%, chất béo 0,5-2%, và một lượng rất ít các chất khoáng, chất màu, vitamin…[20, 35]

Hàm lượng và chất lượng của tinh dầu rễ cỏ hương bài dao động từ 1-3% tuỳ thuộc vào giống, khí hậu và thổ nhưỡng Tuỳ theo từng loại đất khác nhau mà hàm lượng tinh dầu thu được cũng khác nhau, nếu được trồng ở vùng đất sét thì hàm lượng và chất lượng tinh dầu sẽ cao hơn [14]

1.2 Giới thiệu về tinh dầu hương bài

đến chất lượng tinh dầu Ngoài ra, chất lượng của tinh dầu cũng phụ thuộc rất nhiều vào giống, loại đất trồng, địa lý và khí hậu Chất lượng tinh dầu có thể đánh giá sơ bộ thông qua các chỉ số hóa lý Với tinh dầu hương bài, tỷ trọng và độ quay cực của tinh dầu càng lớn thì mùi thơm càng mạnh Sự khác nhau về chất lượng tinh dầu giữa các nước được thể hiện ở bảng 1.2 [2]

Bảng 1.2 Tính chất hoá lý của tinh dầu hương bài ở một số nước

Chỉ số axít (mg KOH/g) (mg KOH/g) Chỉ số este Đảo

1.2.2 Thành phần hoá học của tinh dầu hương bài

Thành phần hóa học của tinh dầu hương bài rất phức tạp, có khoảng trên

100 thành phần dạng sesquiterpene và các dẫn xuất của chúng thuộc về 11 dạng cấu trúc [17] Thành phần chính bao gồm: các sesquiterpnene hydrocacbon như cadenene, clovene, amorphine, aromadendrine, junipene; các dẫn xuất alcohol của vetiverol như khusimol, epiglobulol, spathulenol, khusinol, vetivenol (bicyclo-); các dẫn xuất carbonyl của vetivone (ketone) như vetivone, khusimone; và các dẫn xuất este như khusinol acetate … [27, 28]

Chowdhury A R và cộng sự (năm 2002) đã nghiên cứu phân tích mẫu tinh dầu hương bài Ấn Độ và nhận thấy mẫu tinh dầu này có các thành phần chính sau (bảng 1.3.) [19]:

Bảng 1.3 Thành phần hoá học chính của tinh dầu hương bài Ấn Độ

HO

Terpen-4-ol Valence

OH O

O O

H

HO

Axít benzoic Calaren-gurinen Spathulenol

1.3 Các phương pháp khai thác tinh dầu

Hiện nay có nhiều phương pháp được sử dụng để khai thác các loại tinh dầu như: phương pháp cơ học, phương pháp hấp phụ, phương pháp trích ly, phương pháp chưng cất

Tuy nhiên, đối với tinh dầu hương bài các phương pháp khai thác thường được sử dụng là phương pháp chưng cất và phương pháp trích ly

Hiện nay, phương pháp chưng cất vẫn được sử dụng nhiều trong công nghệ khai thác tinh dầu vì thiết bị đơn giản và chất lượng tinh dầu khá tốt Nhìn chung qui trình sản xuất tinh dầu bằng phương pháp chưng cất được mô tả trong hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ qui trình công nghệ sản xuất tinh dầu

bằng phương pháp chưng cất

Những yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình chưng cất:

1 Nguyên liệu

- Độ ẩm nguyên liệu: Độ ẩm nguyên liệu lớn sẽ gây tốn thể tích thiết bị

trích ly Song nếu độ ẩm nguyên liệu quá thấp khi chưng cất gặp nước hoặc hơi

nước, nguyên liệu sẽ trương nở dễ gây trào

- Độ mịn nguyên liệu: Độ mịn nguyên liệu có ảnh hưởng rất lớn đến quá

trình chưng cất Nguyên liệu nếu để ở dạng rễ thô thì hiệu suất chưng cất sẽ rất thấp vì khi đó tinh dầu trong nguyên liệu khó thoát ra ngoài Nhưng nếu nguyên liệu được nghiền quá mịn, khối nguyên liệu không có độ xốp sẽ khó tiếp xúc với

Nguyên liệu

TINH DẦU

Bã

hơi nước trong trường hợp chưng cất bằng hơi nước; hoặc khó đảo trộn, dễ bị khê khét trong trường hợp cất cuốn theo hơi nước

2 Phương pháp chưng cất

Các phương pháp chưng cất thường được sử dụng trong chưng cất tinh dầu là: chưng cất với nước (cất lôi cuốn theo hơi nước), chưng cất bằng hơi nước không có nồi hơi riêng, chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu mà người ta chọn phương pháp thích hợp

3 Các yếu tố công nghệ

Có nhiều yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình chưng cất tinh dầu nhưng các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất là: tỷ lệ nguyên liệu/thể tích thiết bị, tỷ lệ nguyên liệu/thể tích nước chưng cất, tốc độ chưng cất, thời gian chưng cất

1.3.2 Phương pháp trích ly [1, 14, 39]

Nguyên lý của phương pháp trích ly: Quá trình trích ly được thực hiện dựa vào tính hoà tan tốt của tinh dầu trong các dung môi hữu cơ, đây là quá trình chuyển khối do có sự chênh lệch nồng độ nguyên liệu và dòng chảy bên ngoài (dung môi) Thực chất quá trình trích ly là quá trình ngâm chiết nhằm chuyển tinh dầu từ bên trong nguyên liệu vào dung môi nhờ quá trình khuếch tán phân

tử, chuyển tinh dầu từ bề mặt nguyên liệu vào dung môi bằng khuếch tán đối lưu Trước tiên các phần tử trích ly được dung môi thấm ướt, phần tinh dầu trên

bề mặt nguyên liệu tan vào dung môi, sau đó dung môi thấm sâu vào bên trong các phần tử trích ly để tiếp tục hoà tan tinh dầu bên trong rồi khuếch tán ra bên ngoài do sự chênh lệch áp suất và nồng độ Quá trình hoà tan tinh dầu vào dung môi diễn ra cho đến khi đạt sự cân bằng nồng độ dòng khuếch tán thì dừng lại Trên thực tế, quá trình trích ly là quá trình khuếch tán phân tử và khuếch tán đối lưu dựa vào điều kiện chuyển khối từ công thức của định luật Fick để giải thích

và tính toán (có dấu trừ theo chiều giảm nồng độ) [10]

dm = - DFdcdT

dk Trong đó:

dm: Lượng vật chất chuyển khối

D: Hệ số chuyển khối

F: Bề mặt khuếch tán

dc/dk: Gradien nồng độ

dT: Thời gian khuếch tán

Cơ sở vật lý của quá trình trích ly là dựa vào sự khác nhau về hằng số điện môi của dung môi và chất cần trích ly Những chất có hằng số điện môi gần nhau

sẽ dễ hòa tan vào nhau Tinh dầu có hằng số điện môi dao động từ 2 – 5 và các dung môi hữu cơ thông thường có hằng số điện môi không lớn lắm thí dụ: hexan

là 1,89; étxăng là 2; benzen là 2,2 Phương pháp này có thể tiến hành ở nhiệt độ thường (khi trích ly) và có thể lấy được những thành phần quí như sáp, nhựa thơm trong nguyên liệu mà phương pháp chưng cất không thể tách được Vì thế, chất lượng của tinh dầu sản xuất bằng phương pháp này khá cao

Qui trình chung để trích ly tinh dầu được minh hoạ trong hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ qui trình công nghệ sản xuất tinh dầu bằng phương pháp

trích ly

Nguyên liệu

TINH DẦU

Dung môi

Bã

Những yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình trích ly:

1 Nguyên liệu

trích ly và tốn lượng dung môi sử dụng, tổn thất tinh dầu trong quá trình cô đặc Khi độ ẩm nguyên liệu quá thấp sẽ ảnh hưởng tới quá trình tách và thoát tinh dầu

ra khỏi bề mặt nguyên liệu

suất trích ly sẽ rất thấp vì khi đó tinh dầu trong nguyên liệu rất khó tiếp xúc với dung môi Nhưng nếu nguyên liệu được nghiền quá mịn sẽ gây bí bết cản trở sự tiếp xúc giữa nguyên liệu và dung môi, cản trở quá trình lọc

2 Phương pháp trích ly

Trong quá trình khai thác tinh dầu hương bài thì việc lựa chọn ra một phương pháp khai thác thích hợp là rất quan trọng Vì nó có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất thu nhận tinh dầu, chất lượng tinh dầu và hiệu quả kinh tế thu được Một

số phương pháp trích ly thường được sử dụng trong công nghiệp khai thác tinh dầu là: trích ly tĩnh, trích ly động, trích ly hồi lưu, trích ly luân chuyển, trích ly bằng thiết bị soxlet Hiện nay, có những nghiên cứu trích ly tinh dầu bằng phương pháp trích ly CO2 lỏngvà CO2 siêu tới hạn cũng bắt đầu thu được những kết quả khả quan

3 Dung môi

Trong quá trình trích ly, chất lượng tinh dầu thu được cùng với hiệu suất trích ly phụ thuộc rất lớn vào dung môi trích ly Nhìn chung, dung môi cho quá trình trích ly tinh dầu cần đạt được những yêu cầu sau:

- Hoà tan tốt tinh dầu nhưng không hoà tan các chất, tạp chất khác có trong nguyên liệu

- Có nhiệt độ sôi thấp, tuy nhiên nếu quá thấp thì tổn thất dung môi sẽ rất lớn, trong sản xuất dễ gây hoả hoạn và rất khó làm ngưng tụ để thu hồi dung môi

- Độ nhớt của dung môi phải thấp, để không làm giảm tốc độ khuếch tán

- Phải tinh khiết, không ăn mòn thiết bị, sau khi thu hồi dung môi không để lại mùi vị lạ cũng như các sản phẩm độc hại trong tinh dầu

- Không hoà tan nước, không tác dụng với nước ở bất kỳ nhiệt độ nào

- Không tạo hỗn hợp nổ với không khí, khí cháy

- Có giá thành thấp và dễ mua

Nói chung, hiện nay chưa có một dung môi nào đáp ứng được đầy đủ các điều kiện như đã nêu ở trên Vì vậy trong quá trình tiến hành, phải căn cứ vào hiệu suất và chất lượng tinh dầu thu nhận được, căn cứ vào tính kinh tế và an toàn

để lựa chọn dung môi phù hợp nhất

4 Yếu tố công nghệ

Có rất nhiều yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình trích ly nhưng theo một số tài liệu tham khảo, những yếu tố ảnh hưởng rõ rệt nhất đến hiệu suất thu nhận cũng như chất lượng tinh dầu là số lần trích ly, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi, tốc độ khuấy trộn, nhiệt độ trích ly, thời gian trích ly

1.4 Ứng dụng của rễ cỏ hương bài và tinh dầu hương bài

Từ xa xưa, dân gian thường dùng rễ cỏ hương bài để nấu nước gội đầu cho thơm, làm mượt tóc, nấu nước xông hơi, xoa bóp Người dân cũng thường dùng

rễ hương bài làm hương thắp, đốt thay trầm để tạo cảm giác thư thái [29]

Trong y học cổ truyền của một số nước, rễ cỏ hương bài được sử dụng từ hàng ngàn năm nay và được xem là một loại dược liệu quý, có tác dụng trong việc chữa trị nhiều loại bệnh Tinh dầu trong rễ cỏ hương bài có tác dụng hạ nhiệt, giảm đau, làm ra mồ hôi, kích thích, lợi tiêu hoá, gây trung tiện, lợi tiểu, điều kinh, cân bằng hoocmon, làm lành nhanh vết thương, giảm các tổn thương dây

thần kinh, giúp vượt qua trầm cảm, lo lắng, căng thẳng, giảm stress, [27, 32, 44]

Chính vì vậy, rễ cỏ hương bài có mặt trong rất nhiều bài thuốc dân gian chữa các bệnh như: suy nhược thần kinh, mất ngủ, viêm cơ, khớp, tim mạch, bệnh viêm da (dùng để nấu nước tắm trị được lở ngứa, sài ghẻ), một số các bệnh về gan Ngoài

ra nó còn có mặt trong các bài thuốc an thần, thuốc bổ [6]

Ở Ấn Độ, người ta dùng rễ hãm uống với nhiều loại công dụng: Chữa cảm sốt, bệnh về đường tiêu hoá và dùng uống trong trị bệnh về men gan, làm thuốc trị

giun sán Tinh dầu cũng được sử dụng để làm tăng trưởng lực [44] Còn ở Malaixia, người ta dùng rễ hương bài làm thuốc đắp lên bụng phụ nữ sau khi sinh

[44] Tinh dầu hương bài ngăn sự mệt mỏi cho các bà mẹ mang thai Dùng tinh dầu hương bài xoa bóp làm giảm đau lưng, bong gân, làm giảm sốt, giảm viêm

và kích thích dạ dày [27]

Tinh dầu hương bài được chiết tách từ rễ cỏ hương bài, là loại tinh dầu đa năng, có tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm

Thông thường người ta dùng rễ hương bài làm nguyên liệu chiết tách lấy tinh dầu thơm, dùng trong công nghiệp thực phẩm để cố định được các tinh dầu khác dễ bay hơi, làm bột, làm kem, một số loại đồ uống giải khát, xiro [6, 42] Theo nhà nghiên cứu U.C.Lavania, tinh dầu hương bài ở dạng pha loãng còn sử dụng trong bảo quản thực phẩm, làm giảm vị hăng cay của thuốc lá [27] Ở Braxin tinh dầu hương bài được dùng làm hương liệu trong sản xuất một số sản

phẩm đồ hộp rau quả như măng tây, đậu hà lan [25]

Trong công nghiệp dược phẩm, tinh dầu hương bài được sử dụng làm thuốc chữa các bệnh như: cảm sốt, suy nhược thần kinh, mất ngủ, viêm cơ, tim mạch, viêm da, giảm tress, giảm mệt mỏi, giảm đau…[26, 46]

Do thành phần tinh dầu chứa nhiều hợp chất khó bay hơi, có tính chất định hương tốt, mùi thơm dịu nên tinh dầu hương bài thường được sử dụng trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm, nước hoa đặc biệt là nước hoa cao cấp, xà phòng, nước xịt phòng, Nó có mặt trong khoảng 36% các loại nước hoa do

các quốc gia Tây Âu và Mỹ sản xuất [27, 36, 42] Ngoài ra, tinh dầu hương bài

có đặc tính khử mùi, làm hết mụn trứng cá, làm ẩm da khô, làm mới da trưởng thành cũng như làm liền da bị viêm, bị tổn thương nên còn được sử dụng để sản

xuất kem dưỡng da, sữa rửa mặt [27]

Bên cạnh đó, trong tinh dầu hương bài tồn tại một số chất có khả năng xua đuổi và tiêu diệt côn trùng, mối… như chất nootkatone có khả năng tiêu diệt loài

mối Formosan ăn gỗ và xây tổ mối dưới lòng đất Một số thành phần khác như

α-cedren, zizanol, vetivenol cũng có tác dụng làm yếu và gây độc đối với mối và côn trùng Do vậy, tinh dầu hương bài còn thường được dùng để pha chế thành các loại sản phẩm có tác dụng bảo quản sách vở, quần áo, đồ dùng gia đình [24, 38]

Từ những vấn đề trình bày ở trên, có thể nói rằng chúng ta có một loài thực vật rất đặc biệt có thể sử dụng như một công cụ hiệu quả, đơn giản, chi phí thấp

để bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường của chúng ta đồng thời có thể khai thác tinh dầu từ bộ rễ của nó để ứng dụng cho công nghiệp thực phẩm, dược

phẩm và mỹ phẩm, và tiến tới xuất khẩu, mang lại nguồn thu đáng kể cho nước nhà

1.5 Tình hình nghiên cứu, sản xuất và tiêu thụ rễ cỏ hương bài, tinh dầu hương bài trên thế giới và ở Việt Nam

1.5.1 Tình hình nghiên cứu, sản xuất và tiêu thụ trên thế giới

Từ xa xưa, loài người đã biết sử dụng cỏ hương bài như một loại nguyên liệu tạo ra hương thơm và là một loại dược liệu quí chữa được rất nhiều loại bệnh Mặc dù có nguồn gốc từ Ấn Độ nhưng hiện nay cỏ hương bài đã được gieo trồng

và sử dụng để khai thác tinh dầu ở hơn 147 nước, đặc biệt là ở các nước nhiệt đới, cận nhiệt đới Đảo Reunion (châu Phi) cho đến nay vẫn là nơi nổi tiếng nhất về trồng cây hương bài và sản xuất tinh dầu với sản phẩm tinh dầu “Bourbon” có chất lượng tốt nhất thế giới Từ trước Chiến tranh Thế giới lần thứ II, mỗi năm Reunion đã xuất khẩu 10 tấn tinh dầu hương bài Từ năm 1955 tới nay, sản lượng xuất khẩu hàng năm thường xuyên cao hơn 20 tấn, lớn nhất là 42 tấn một năm [27, 43]

Những năm gần đây, Indonexia và Haiti đã vươn lên thành những nước xuất khẩu tinh dầu hương bài có số lượng đứng đầu thế giới Indonexia mỗi năm xuất khẩu từ 100 đến 180 tấn, Haiti khoảng 100 tấn/năm Trung Quốc cũng là một trong những nước cung cấp tinh dầu hương bài quan trọng với sản lượng khoảng 80 tấn/năm Tiếp theo là đến các nước Ấn Độ, Braxin, và Nhật Bản Sản lượng tinh dầu hương bài trên toàn thế giới hiện nay khoảng 250 tấn/năm [27] Trên thị trường quốc tế, giá cả tinh dầu hương bài thay đổi theo từng năm

và tùy thuộc vào chất lượng tinh dầu của từng vùng Vào những năm 90, một kg tinh dầu “Bourbon” từ đảo Reunion có giá khoảng 135 - 155 USD Tinh dầu hương bài ở Haiti có giá khoảng 90 - 100 USD/kg, của Indonexia khoảng 54 -

62 USD/kg Hiện nay tinh dầu hương bài có giá dao động khoảng 500 - 700 USD cho 1kg sản phẩm tùy theo chất lượng từng loại tinh dầu [18, 30, 40, 41] Hầu hết tinh dầu hương bài sản xuất trên thế giới được tập trung tiêu thụ vào một số thị trường có tiếng như Mỹ nhập khẩu khoảng 100 tấn/năm, Pháp 50 tấn/năm, Thụy Sỹ 30 tấn/năm, Anh 25-30 tấn/năm, Nhật Bản 10 tấn/năm và Đức

6 tấn/năm [24, 25]

Tinh dầu được sản xuất tại Haiti và Reunion có nhiều hương vị của hoa hơn

và được đánh giá là có chất lượng cao hơn so với tinh dầu sản xuất tại Java do có hương vị nhiều mùi khói hơn Tại miền bắc Ấn Độ, tinh dầu được sản xuất từ cỏ hương bài mọc hoang được coi là có chất lượng hơn hẳn tinh dầu thu được từ cỏ hương bài do con người gieo trồng [36, 42]

Theo một số nhà khoa học Ấn Độ, rễ hương bài sợi nhẵn cho tinh dầu có chất lượng tốt hơn Tinh dầu thường tích lũy ở những rễ phụ, mặc dù nồng độ tinh dầu cao, nhưng giá trị hương thơm của tinh dầu giảm rất nhanh do sự tồn tại một lượng lớn các chất không phân cực Do vậy để giảm tối đa những thành phần không phân cực không mong muốn, các tác giả này đã đưa ra những giải pháp sau: (i) rễ sau khi thu hoạch nên để trong không khí khô từ 1-2 ngày ở nhiệt độ <

270C để bay hơi tự nhiên phần tinh dầu nhẹ không mong muốn; (ii) nên loại bỏ tinh dầu thu được trong 15-30 phút đầu của quá trình chưng cất; (iii) tinh dầu được trích ly bằng phương pháp trích ly CO2 lỏng cũng loại được một số cấu tử không mong muốn [27]

Trên thế giới, tinh dầu hương bài thường được khai thác bằng hai phương pháp: chưng cất và trích ly Với phương pháp chưng cất, thời gian để chưng cất tinh dầu hương bài thường phải kéo dài từ 18-24h Sau khi chưng cất, tinh dầu được tách nước và làm khô bằng muối sunphat natri khan hoặc sấy bằng không khí khô, rồi để ngấu trong khoảng vài tháng trong chai thủy tinh màu hổ phách có nút kín nhằm loại bỏ các tạp chất và các mùi không mong muốn sinh ra trong quá trình chưng cất Mùi của tinh dầu hương bài sẽ đậm thêm cùng với quá trình để ngấu Trong thời gian này tinh dầu có thể sẽ chuyển sang màu xanh lá cây [43]

Ở Ấn Độ người dân thường chưng cất tinh dầu hương bài theo hai phương pháp truyền thống: (i) Sử dụng hệ thống “Bhapka” rất phổ biến Hệ thống thiết bị chưng cất này gồm một thùng đồng tròn “Deg” và thùng thu dầu “Bhapka” bằng đồng Deg nối với Bhapka bằng một ống tre gọi là “Chonga” Bhapka được đặt trong một thùng nước nhỏ để làm lạnh Tùy theo kích thước của Deg mà hệ thống này có thể chưng cất được từ 50-100 kg rễ bán khô Phương pháp chưng cất này dài hơn các phương pháp khác 4-5h nhưng chất lượng tinh dầu tốt hơn (ii) Sử dụng hơi nước sinh ra khi đun sôi và chưng cất bằng đốt củi [36] Để đạt được hiệu quả cao khi chưng cất, rễ hương bài nên được thu hoạch ở độ tuổi 18 tháng,

khi trời mát, nhiệt độ ngày tối đa 25-270C, rễ được chưng cất ngay sau khi thu hoạch và thời gian chưng cất phải đạt tối thiểu 15h [16, 28]

Nhìn chung, việc chưng cất tinh dầu hương bài thường gặp rất nhiều khó khăn do các thành phần của tinh dầu có nhiệt độ sôi rất cao và tỷ trọng của chúng xấp xỉ với nước nên khó phân ly – do vậy không thu được phần tinh dầu nặng của

rễ cây là phần tinh dầu có chứa nhiều thành phần khó bay hơi có mùi thơm đặc trưng Do vậy, hiện nay ở các nước phát triển người ta thường thu nhận tinh dầu hương bài bằng phương pháp trích ly với các dung môi hữu cơ Phương pháp trích ly có những ưu điểm hơn hẳn phương pháp chưng cất là: hiệu suất trích ly cao, quá trình chiết tách khá dễ dàng, nguyên liệu không bị biến đổi bởi nhiệt trong quá trình trích ly (do các dung môi hữu cơ thường có nhiệt độ sôi thấp) do vậy tinh dầu sẽ không có mùi khê khét, mùi không mong muốn; thời gian trích ly không quá dài, tốn ít nhiệt năng, sản phẩm có thể sử dụng được ngay Các dung môi thường được sử dụng là n-hexan, ete petrol, etanol, metanol [15, 20]

Thời gian gần đây, phương pháp trích ly bằng CO2 lỏng, CO2 siêu tới hạn - một phương pháp trích ly mới và hiện đại đã được một số nước áp dụng Năm

2004, Julian M., Paulo T.V R và các cộng sự đã sử dụng phương pháp này để khai thác tinh dầu hương bài và hàm lượng tinh dầu thu được là 3,2% [25] Hàm lượng và chất lượng tinh dầu thu được có cao hơn so với các phương pháp thông thường Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm lớn là thiết bị phức tạp và rất đắt tiền [21, 45]

Chất lượng và thành phần hoá học của tinh dầu hương bài trên thị trường thế giới rất đa dạng, chúng phụ thuộc vào loại giống hương bài, vùng sinh thái, thời vụ thu hái và phương pháp khai thác [20, 31] Trước đây, các nhà khoa học thường đánh giá chất lượng của tinh dầu bằng các phương pháp sau:

- Xác định các tính chất màu sắc, độ trong, mùi vị của tinh dầu hương bài bằng phương pháp cảm quan

- Xác định các tính chất hoá lý: khối lượng riêng, chỉ số chiết quang, góc quay cực, chỉ số axít, chỉ số este, chỉ số cacbonyl, điểm đông đặc [12, 14] Việc nghiên cứu thành phần hoá học được bắt đầu từ những nghiên cứu của hai nhà khoa học Lemberg S H vào năm 1978 Họ đã tiến hành phân tích mẫu

tinh dầu của Haiti và nhận thấy trong thành phần của tinh dầu có chứa rất nhiều các cấu tử hương thơm mà nhiều nhất là khusimol, các axít và các alcohol [31]

Trong những năm gần đây, do sự phát triển không ngừng của kỹ thuật phân tích các hợp chất thiên nhiên, do yêu cầu ngày càng cao của người sản xuất và người sử dụng nên việc đánh giá tinh dầu nói chung cũng như tinh dầu hương bài nói riêng mang tính định tính và định lượng hơn Thành phần và hàm lượng các chất trong tinh dầu hương bài thường được xác định bằng các phương pháp phân tích hiện đại như: sắc ký khí (GC), sắc ký khối phổ (GC-MS), sắc ký lỏng cao áp (HPLC), Qua các phân tích này, trên 150 chất đã được nhận dạng có mặt trong tinh dầu hương bài [19, 33, 37]

Bên cạnh đó đã có rất nhiều các công trình khoa học đi sâu nghiên cứu thành phần và hàm lượng của các cấu tử trong các loại tinh dầu hương bài có xuất

xứ, độ tuổi trồng cỏ hương bài và phương pháp sản xuất khác nhau Năm 2005, Kim H J, Cheng F cùng các cộng sự đã sử dụng các phương pháp sắc ký cột, sắc

ký lỏng cao áp, sắc ký khí để nghiên cứu thành phần của tinh dầu hương bài ở các vùng khác nhau Qua nghiên cứu họ nhận thấy tinh dầu thu được ở các vùng khác nhau thì có sự khác nhau về hàm lượng và thành phần chất thơm Nhưng nhìn chung thành phần hóa học của tinh dầu bao gồm: Khusimol, spathulenol, calaren-gurine, α-longipinen, α- vetivone, γ-silinen, Terpen-4-ol, Valerenol, Epizizan, Valencen, β-humulen, 3-epizizand [26]

Cùng năm đó (2005), Domenica R.M., Felice S và các cộng sự cũng công

bố kết quả nghiên cứu chất lượng và hàm lượng tinh dầu hương bài theo độ tuổi của rễ cỏ hương bài có xuất xứ từ Italy Họ đã sử dụng phương pháp trích ly với dung môi là n-hexan để khảo sát ảnh hưởng của độ tuổi đến hiệu suất thu nhận và chất lượng tinh dầu Thí nghiệm được tiến hành từ tháng 5 năm 2002 đến tháng 3 năm 2004 Khi nguyên liệu được 2 tháng tuổi tiến hành thu hái và trích ly, cứ 2 tháng lại tiến hành thí nghiệm 1 lần Qua khảo sát cho thấy hàm lượng tinh dầu và chất lượng của tinh dầu tăng dần theo độ tuổi và đạt giá trị lớn nhất khi rễ được 2 tuổi, sau đó thì hàm lượng tinh dầu giảm dần nhưng chất lượng lại cao hơn [20]

1.5.2 Tình hình nghiên cứu, sản xuất và tiêu thụ trong nước

Ở Việt Nam, cỏ hương bài được trồng từ lâu đời ở Tiền Hải – Thái Bình Cây được trồng vào tháng 2, thu hoạch vào tháng 12 và rải rác trong năm Mỗi

hecta thu được khoảng 20-30 tấn rễ mỗi năm Hương bài ngày nay được trồng ở nhiều nơi, chủ yếu ở những vùng duyên hải có gió mạnh, Quảng Bình, Quảng Trị, An Giang, Phan Thiết do cây phát triển tốt ở những vùng đất cát, dễ trồng, có khả năng kiểm soát sói mòn tốt trong các khu vực khí hậu nóng, làm hàng rào giữ ổn định cho các bờ hồ, sông suối, các vùng đất bậc thang, các ruộng lúa, giúp bảo vệ các công trình đập, kênh, đường bộ, sông hồ thuỷ điện nhưng đặc biệt do có giá trị kinh tế cao [2] Sản lượng rễ hương bài ở Việt Nam hiện nay ước khoảng 2000-2500 tấn/năm

Hiện nay, vùng nguyên liệu hương bài trong nước đã được hình thành và đang được mở rộng Chỉ riêng tỉnh Bắc Giang và tỉnh Quảng Bình đã trồng được hàng trăm hecta cỏ hương bài với sản lượng ước khoảng vài trăm tấn rễ hương bài/năm Giá rễ cỏ hương bài tươi 4000-5000 đồng/kg, khô 14000 đồng/kg Ở nhiều vùng quê, người dân đã thoát nghèo nhờ trồng cây hương bài [9] Tuy nhiên, cho đến nay rễ hương bài chủ yếu được sử dụng ở dạng nguyên liệu thô nhưng rõ ràng nếu hương bài được khai thác sử dụng ở dạng tinh dầu thì giá trị

sẽ tăng cao hơn nhiều Việc khai thác tinh dầu hương bài ở nước ta chưa được quan tâm và đầu tư thích đáng Tinh dầu hương bài hiện nay mới chỉ được một

số hộ dân tự khai thác bằng các thiết bị thô sơ tự chế theo phương pháp chưng cất cuốn theo hơi nước: rễ cỏ hương bài được chặt thành khúc nhỏ ngâm nước từ 10-12 giờ cho mềm rồi đem chưng cất trong 72-96 giờ Tinh dầu thu được bằng phương pháp này rất thấp, thường chỉ đạt từ 0,82-1,44% so với nguyên liệu, ví

dụ ở Thụy Hải – Thái Bình chỉ đạt trung bình 1% Tinh dầu thô có màu nâu sáng tới nâu đỏ, độ nhớt cao, có mùi đặc trưng của gỗ Ngoài ra, hạn chế của phương pháp này là không thu được phần tinh dầu nặng của rễ cây – phần tinh dầu này chứa nhiều thành phần khó bay hơi có mùi thơm đặc trưng và bền được sử dụng làm chất định hương Bên cạnh đó, tinh dầu thu được bằng chưng cất lôi cuốn theo hơi nước có mùi hơi ủng, nên làm giảm chất lượng của tinh dầu [2, 10] Chúng ta chưa có sản phẩm tinh dầu hương bài ở quy mô lớn lẫn quy mô nhỏ do công nghệ khai thác tinh dầu của ta còn giản đơn, thiết bị chưng cất quá lạc hậu, công nghệ trích ly tinh dầu thì chưa phát triển

Năm 2007, Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam đã tiến hành nghiên cứu

đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu công nghệ chiết tách các hoạt chất hữu ích có giá trị kinh tế từ nguồn nguyên liệu thiên nhiên bằng CO2 lỏng ở trạng thái siêu

tới hạn”, trong đó có nghiên cứu phương pháp khai thác tinh dầu hương bài từ rễ

cỏ hương bài Việt Nam [10] Tuy nhiên, phương pháp này chưa thể áp dụng rộng rãi trong điều kiện nước ta do thiết bị phức tạp và đắt tiền, nên nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở qui mô phòng thí nghiệm, chưa đưa được vào sản xuất ở qui

mô lớn

Ngoài ra, theo hiểu biết của chúng tôi tính đến thời điểm hiện tại, ở Việt Nam, chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu khai thác loại tinh dầu quí từ

rễ hương bài bằng các phương pháp khác được công bố

Những năm gần đây, vùng nguyên liệu hương bài ở nước ta đang phát triển ngày càng mạnh, đòi hỏi phải tìm được đầu ra ổn định, vững chắc, đồng thời cần nâng cao giá trị sử dụng của chúng Mặt khác, việc sản xuất và sử dụng tinh dầu hương bài đang là nhu cầu cấp thiết của nhiều doanh nghiệp trong nước

CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM 2.1 Phương phỏp tiến hành nghiờn cứu

2.1.1 Phương phỏp phõn tớch thành phần chớnh của nguyờn liệu [1, 7, 12, 13]

Để lựa chọn loại nguyờn liệu rễ hương bài thớch hợp cho quỏ trỡnh khai thỏc

tinh dầu đạt hiệu suất thu nhận và chất lượng cao, chỳng tụi tiến hành xỏc định

hàm lượng cỏc thành phần chớnh cú trong nguyờn liệu của ba tỉnh, bao gồm: độ

ẩm, tinh dầu, tinh bột, xenluloza, đường tổng, protein; sau đú xỏc định một số chỉ

tiờu húa lý của cỏc mẫu tinh dầu thu được

Phương phỏp xỏc định hàm lượng cỏc thành phần chớnh của nguyờn liệu:

+ Xác định độ ẩm của nguyên liệu bằng phương pháp chưng cất với toluen

theo TCVN 7040-2002

+ Xỏc định hàm lượng tinh dầu theo phương pháp trích ly shoxlet với dung

môi metanol (để thu được cỏc hợp chất tạo hương vị) Hỗn hợp cỏc hợp chất tạo

hương vị thu được được tinh chế bằng hệ dung mụi n-hexan + etyl axetat để thu

được tinh dầu

+ Xỏc định hàm lượng tinh bột theo TCVN 4594 - 88

+ Xỏc định hàm lượng xenluloza theo TCVN 4590 - 88

+ Xỏc định hàm lượng protein bằng phương phỏp Kjelhdan AOAC 991.20

2.1.2 Phương phỏp nghiờn cứu lựa chọn phương phỏp khai thỏc cỏc hợp chất

tạo hương vị từ rễ hương bài [12, 14, 39]

Hiệu suất thu nhận tinh dầu, giỏ trị kinh tế là căn cứ chủ yếu để lựa chọn

phương phỏp khai thỏc thớch hợp nhất Qua nghiờn cứu tài liệu, chỳng tụi tiến

hành khảo sỏt với bốn phương phỏp (để thu được cỏc hợp chất tạo hương vị):

- Cất cuốn theo hơi nước bằng thiết bị clevender

- Trớch ly tĩnh

- Trớch ly động

- Trớch ly hồi lưu

Hỗn hợp cỏc hợp chất tạo hương vị thu được từ 3 phương phỏp trớch ly

được tinh chế bằng dung mụi n-hexan để thu được tinh dầu Hiệu suất thu nhận

tinh dầu được tớnh theo cỏc cụng thức sau:

m1 104

X = (%)

m (100 - W)

X

X1 = (%)

H Trong đó:

X: Hiệu suất thu nhận tinh dầu hương bài so với tổng lượng chất khô

(CK) có trong nguyên liệu, %

m: Khối lượng nguyên liệu, g

m1: Khối lượng tinh dầu thu được sau khi trích ly, g

W: Độ ẩm của nguyên liệu, %

X1: Hiệu suất thu nhận tinh dầu so với lượng tinh dầu tuyệt đối có

trong nguyên liệu, %

H: Hàm lượng tinh dầu so với trọng lượng khô của nguyên liệu, %

Kết quả của nghiên cứu này được sử dụng cho thí nghiệm tiếp theo

2.1.3 Phương pháp nghiên cứu chế độ xử lý nguyên liệu [5, 14]

- Độ ẩm nguyên liệu: Nguyên liệu được xử lý bằng phương pháp sấy thông

thường có đối lưu không khí để đưa về các độ ẩm khác nhau: 6%, 8%, 10%, 12%,

14%, để khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm đến quá trình khai thác

- Độ mịn nguyên liệu: Để xác định độ mịn nguyên liệu thích hợp cho quá trình

khai thác, chúng tôi tiến hành nghiền nguyên liệu với các độ mịn khác nhau là

d ≤1mm, 1mm < d ≤ 2mm, 2mm < d ≤ 3mm, 3mm < d ≤ 4mm, 4mm < d ≤ 5mm

để nghiên cứu

2.1.4 Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến

quá trình khai thác các hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài [12, 14, 39]

Quá trình khai thác các hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài chịu ảnh

hưởng của rất nhiều yếu tố công nghệ Tuy nhiên, trong phạm vi đề tài này

chúng tôi chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính đến quá trình khai

thác Tùy thuộc vào phương pháp khai thác được lựa chọn:

• Đối với phương pháp chưng cất các yếu tố công nghệ được khảo sát:

- Tỷ lệ nguyên liệu/thể tích thiết bị

- Tỷ lệ nguyên liệu/nước chưng cất

- Tốc độ chưng cất

- Thời gian chưng cất

• Đối với phương pháp trích ly các yếu tố công nghệ được khảo sát:

- Loại dung môi trích ly

- Dung môi trích ly lại: ete petrol; n-hexane, hệ n-hexane + etyl axetat với các tỷ lệ 1:1; 2:1; 3:1

- Số lần trích ly lại (lần): 1, 2, 3, 4

- Tỷ lệ dầu thô/dung môi (g/ml): 1/10; 1/12; 1/14; 1/16; 1/18

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của một yếu tố nhất định thì các thí nghiệm đều được tiến hành ở các điều kiện công nghệ như nhau trừ yếu tố công nghệ đang được khảo sát Sau khi đã lựa chọn được giá trị thích hợp của các yếu tố đã được nghiên cứu thì các giá trị đã được lựa chọn được cố định trong các thí nghiệm tiếp theo để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố còn lại Việc lựa chọn các giá trị thích hợp của yếu tố công nghệ dựa vào hiệu suất thu nhận tinh dầu, chất lượng tinh dầu và hiệu quả kinh tế

2.1.6 Phương pháp phân tích, đánh giá chất lượng sản phẩm

2.1.6.1 Phương pháp xác định một số chỉ tiêu hóa lý

- Xác định độ ẩm của tinh dầu theo phương pháp Karl Fischer ISO 760-1978

- Xác định độ tinh khiết của tinh dầu theo phương pháp với thiết bị clevenger

- Xác định chỉ số este của tinh dầu theo TCVN 189 - 66

- Xác định chỉ số khúc xạ của tinh dầu hương bài bằng khúc xạ kế kiểu Anbe ở nhiệt độ 20°C theo TCVN 189 - 66

- Xác định tỷ trọng của tinh dầu hương bài theo TCVN 189 - 66

- Xác định chỉ số axít của tinh dầu hương bài theo TCVN 189 - 66

2.1.6.2 Phương pháp xác định thành phần hóa học của tinh dầu hương bài

phương pháp sắc kí khí khối phổ GC-MS GC-MS được thực hiện trên thiết bị GC-MS 2010 Shimadzu với các điều kiện: năng lượng ion hóa 70 eV; cột tách DB-Wax-MS (30 m x 0,25 mm x 0,25µm); chương trình nhiệt độ ở 700C trong thời gian 10 phút, sau đó gia nhiệt với tốc độ 50C / phút đến 2300C giữ trong 15 phút; nhiệt độ bơm mẫu 2300C; nhiệt độ detector 2500C; nhiệt độ buồng bơm mẫu

2000C Sau đó định tính và nhận biết các thành phần bằng cách so sánh các mẫu phân rã MS của nó với các mẫu phân rã các chất có trong thư viện của máy, còn định lượng các thành phần theo tỷ lệ phần trăm diện tích peak của nó trên tổng diện tích các peak có trong hỗn hợp

Việc xác định thành phần hóa học của tinh dầu hương bài được tiến hành tại Phòng Thử nghiệm sắc ký – VILAS 335 thuộc Trung tâm Giáo dục và Phát triển sắc ký – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

2.2 Thiết bị, dụng cụ, nguyên vật liệu và hóa chất sử dụng cho nghiên cứu

- Thiết bị cô quay Buchi R-114 1 lít, 20 lít

- Thiết bị tạo chân không Buchi B-168; V500; B-721

- Bộ cất đạm Micro Kendan

- Tủ hút KOTTERMANN- Germany

- Tủ sấy tự động khống chế nhiệt độ Memmerr Model 500 D06061

- Cân phân tích, cân kỹ thuật

- Bếp điện, bếp cách thuỷ

- Bình cầu các loại gắn với sinh hàn hồi lưu và với thiết bị cô quay

- Phễu chiết, phễu lọc, cốc đong, ống đong và bình tam giác các loại

- Pipet các loại, giấy lọc, nhiệt kế các loại

Hình 2.1 Cây cỏ hương bài

- Axít axetic (CH3COOH)

- Natri sunphat khan (NaSO4)

0,1N; 0,5N 99,5%

6N 0,05N 0,05N

10%

98%, 0,01N2,5%

10%

0,1N