Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu từ vỏ bưởi năm roi bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

Mục đích nghiên cứu của đề tài là xây dựng quy trình công nghệ thích hợp cho việc chiết xuất tinh dầu từ vỏ bưởi Năm Roi bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước.. Các phương pháp sả

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô trong khoa Chế biến đã hết lòng giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức cơ bản về lĩnh vực công nghệ thực phẩm - là hành trang quý giá cho em vững bước vào đời

Em vô cùng biết ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô phụ trách Bộ môn Hóa, phòng thí nghiệm Hóa Cơ bản và phòng thí nghiệm Công nghệ Thực phẩm

Em xin chân thành cảm ơn TS Hoàng Thị Huệ An đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Qua đây, em cũng gởi lời cảm ơn chân thành tới anh Nguyễn Đức chuyên viên phân tích (Trung tâm Phân tích phân loại hàng hoá xuất khẩu nhập khẩu Miền Trung, số 10 Ngô Quyền, Quận Sơn Trà, Thành Phố Đà Nẵng) đã giúp

Tuấn-đỡ em cũng như cung cấp những kiến thức cơ bản trong phương pháp sắc ký ghép khối phổ

Xin cảm ơn gia đình và bạn bè em đã luôn động viên, giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quý báu, giúp em hoàn thiện tốt hơn đề tài tốt nghiệp này

Nha Trang, ngày 20 tháng 6 năm 2011

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN ĐẮC PHÁT

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANG MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về giống bưởi Năm Roi 3

1.1.1.Nguồn gốc và đặc điểm 3

1.1.2.Cấu tạo, thành phần hóa học và công dụng của vỏ bưởi 4

1.2 Tổng quan về tinh dầu 5

1.2.1.Khái niệm tinh dầu 5

1.2.2.Phân loại các thành phần có trong tinh dầu 5

1.2.2.1 Phân loại theo hàm lượng 6

1.2.2.2 Phân loại theo tính chất vật lý 6

1.2.2.3 Phân loại theo bản chất hóa học 6

1.2.3.Tính chất vật lý và hóa học chung của tinh dầu 8

1.2.3.1 Tính chất vật lý 8

1.2.3.2 Tính chất hóa học 8

1.2.4.Quá trình sinh tổng hợp tinh dầu trong cơ thể thực vật 8

1.2.5.Vai trò của tinh dầu trong đời sống thực vật 9

1.2.6.Ứng dụng của tinh dầu 10

1.2.6.1.Trong công nghệ thực phẩm 10

1.2.6.2.Trong y học 10

1.2.6.3.Trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm 10

1.3.Các phương pháp sản xuất tinh dầu 11

1.3.1.Phương pháp chưng cất (Hydrodistillation) 11

1.3.1.1.Những yếu tố chính ảnh hưởng hiệu suất chưng cất tinh dầu 11

1.3.1.2 – Ưu và nhược điểm 13

1.3.1.3 Ưu- nhược điểm của phương pháp chưng cất 15

1.3.2.Phương pháp chiết (Extraction) 15

1.3.2.1 Yêu cầu của dung môi chiết 16

1.3.2.2 Ưu và nhược điểm của phương pháp 17

1.3.3.Phương pháp ướp (Enfleurage) 17

1.3.4.Phương pháp ngâm (Hot Maceration) 17

1.3.5.Phương pháp ép (Expression hay Cold Pressing) 17

1.4 Các dạng sản phẩm trong quá trình tách chiết tinh dầu 18

1.5 Thu 19

1.5.1.Thu hoạch nguyên liệu 19

1.5.2.Bảo quản và sơ chế nguyên liệu 19

1.6 Tình hình nghiên cứu về tinh dầu họ Citrus 20

1.6.1.Tình hình nghiên cứu trên thế giới 20

1.6.2.Tình hình nghiên cứu trong nước 22

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Đối tượng nghiên cứu 24

2.1.1.Nguyên liệu chính 24

2.1.2.Dụng cụ - Thiết bị - Hóa chất 24

2.2 Phương pháp nghiên cứu 25

2.2.1.Xác định thành phần khối lượng của quả bưởi Năm Roi 25

2.2.2.Chuẩn bị nguyên liệu 25

2.2.3.Đề xuất quy trình tách chiết tinh dầu từ vỏ bưởi 25

2.2.4.Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi tinh dầu 27

2.2.4.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/nguyên liệu (v/w) 27

2.2.4.2 Ảnh hưởng của nồng độ NaCl trong dịch ngâm 28

2.2.4.3 Ảnh hưởng của thời gian ngâm muối NaCl 29

2.2.4.4 Ảnh hưởng của thời gian chưng cất 30

2.2.5.Tối ưu hóa quy trình tách chiết tinh dầu 31

2.2.6.Thử nghiệm quy trình chưng cất- Đánh giá hiệu suất và chất lượng tinh

dầu thu được 32

2.2.6.1 Thử nghiệm quy trình chưng cất - Đánh giá hiệu suất thu hồi tinh dầu 32

2.2.6.2 Xác định các tính chất lý- hóa cơ bản của tinh dầu 32

2.2.6.3.Định danh các cấu tử có trong tinh dầu vỏ bưởi 32

2.2.7.Xử lý số liệu 34

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 Kết quả xác định thành phần khối lượng của quả bưởi Năm Roi 35

3.2 Kết quả xác định tỷ lệ nước/nguyên liệu thích hợp 36

3.3 Kết quả xác định nồng độ NaCl thích hợp 37

3.4 Kết quả xác định thời gian ngâm muối NaCl thích hợp 39

3.5 Kết quả xác định thời gian chưng cất thích hợp 40

3.6 Kết quả xác định điều kiện tối ưu để chưng cất tinh dầu 40

3.7 Quy trình hoàn thiện tách chiết tinh dầu từ vỏ bưởi 43

3.8 Kết quả xác định hiệu suất tách tinh dầu 44

3.9 Kết quả đánh giá tính chất cảm quan và xác định các chỉ số lý- hóa của sản phẩm 45

3.9.1.Đánh giá tính chất cảm quan 45

3.9.2.Kết quả xác định các chỉ số lý- hóa 45

3.10 Kết quả xác định thành phần hóa học của tinh dầu 46

3.11 Tính toán sơ bộ giá thành sản phẩm trong phòng thí nghiệm 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các mức và khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

thu hồi tinh dầu 31

Bảng 3.1 Thành phần khối lượng của quả bưởi Năm Roi 35

Bảng 3.2 Thể tích tinh dầu thu được ở các tỷ lệ nước/nguyên liệu khác nhau 36

Bảng 3.3 Thể tích tinh dầu thu được khi ngâm ở các nồng độ NaCl khác nhau 37

Bảng 3.4 Thể tích tinh dầu thu được ở các thời gian ngâm NaCl khác nhau 39

Bảng 3.5 Sự phụ thuộc của thể tích tinh dầu thu được theo thời gian chưng cất 40

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của lượng tinh dầu chưng cất vào các yếu tố ảnh hưởng theo phương án TNYT 24 41

Bảng 3.7 Hiệu suất tách tinh dầu từ vỏ bưởi Năm Roi 45

Bảng 3.8 Tính chất cảm quan của tinh dầu vỏ bưởi 45

Bảng 3.9 Kết quả xác định chỉ số lý-hóa của tinh dầu bưởi 45

Bảng 3.10 Kết quả định danh một số cấu tử chính trong tinh dầu vỏ bưởi Năm Roi 48

Bảng 3.11 Ước tính chi phí nguyên vật liệu để tách tinh dầu từ 100kg vỏ bưởi Năm Roi 52

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Bưởi Năm Roi 3

Hình 1.2 Hoa bưởi Năm Roi 3

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử isopren và bộ khung cơ bản của các terpenoid 5

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử của một số hợp chất có trong tinh dầu 7

Hình 1.5 Cơ quan chứa tinh dầu vỏ bưởi dạng túi tiết 8

Hình 1.6 Thiết bị chưng cất bằng nước 13

Hình 1.7 Thiết bị chưng cất hơi nước không có nồi hơi riêng 14

Hình 1.8 Thiết bị chưng cất hơi nước có nồi hơi riêng 15

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình dự kiến tách chiết tinh dầu từ vỏ bưởi 26

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ nước/nguyên liệu thích hợp 27

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định nồng độ muối NaCl thích hợp 28

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian ngâm muối NaCl thích hợp 29 Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian chưng cất thích hợp 30

Hình 2.6 Chương trình nhiệt độ khi phân tích tinh dầu vỏ bưởi bằng phươngpháp GC/MS/MS 33

Hình 3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/nguyên liệu đến lượng tinh dầu chưng cất 36

Hình 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ NaCl đến lượng tinh dầu chưng cất 38

Hình 3.3 Ảnh hưởng của thời gian ngâm NaCl đến lượng tinh dầu chưng cất 39

Hình 3.4 Ảnh hưởng của thời gian chưng cất đến lượng tinh dầu chưng cất 40

Hình 3.5 Bề mặt đáp ứng mô tả sự phụ thuộc của lượng tinh dầu chưng cất vào tỷ lệ nước/nguyên liệu (X1) và nồng độ muối NaCl (X2) 42

Hình 3.6 Bề mặt đáp ứng mô tả sự phụ thuộc của lượng tinh dầu chưng cất vào thời gian ngâm muối NaCl (X3) và thời gian chưng cất (X4) 42

Hình 3.7 Bề mặt đáp ứng mô tả sự phụ thuộc của lượng tinh dầu chưng cất vào nồng độ muối NaCl (X2) và thời gian chưng cất (X4) 42

Hình 3.8 Bề mặt đáp ứng mô tả sự phụ thuộc của lượng tinh dầu chưng cất vào tỷ lệ nước/nguyên liệu (X1) và thời gian ngâm muối NaCl (X3) 42

Hình 3.9 Sơ đồ quy trình tách chiết tinh dầu từ vỏ bưởi 43

Hình 3.10 Sắc kí đồ GC của tinh dầu vỏ bưởi Năm Roi (RT = 0 – 29 min) 49 Hình 3.11 Sắc kí đồ GC của tinh dầu vỏ bưởi Năm Roi (RT = 29 – 38 min) 50 Hình 3.12 Sắc kí đồ GC của tinh dầu vỏ bưởi Năm Roi (RT = 38 – 60 min) 51

MỞ ĐẦU

Từ xa xưa, tinh dầu đã được mệnh danh là báu vật của thiên nhiên Con người đã phát hiện và biết cách sử dụng tinh dầu vào nhiều mục đích khác nhau như chữa bệnh, làm đẹp, chăm sóc da, giúp thư giãn, giảm stress Ngày nay, vai trò của tinh dầu ngày càng trở nên thiết yếu hơn Chúng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm Chúng ta có thể dễ dàng bắt gặp sự hiện diện của tinh dầu trong rất nhiều sản phẩm, từ những sản phẩm cao cấp như nước hoa, kem dưỡng da cho đến các mặt hàng bình dân hơn như nước giải khát, nồi xông hơi trị cảm Đặc biệt, con người ngày càng chú ý và ưa chuộng hơn tới những loại tinh dầu có nguồn gốc tự nhiên vì tính an toàn cao của chúng Trong số các loại tinh dầu thực vật, tinh dầu bưởi là một sản phẩm rất được ưa chuộng và có giá trị kinh tế cao (115.000 VNĐ/10 ml) [18] do nó có mùi thơm nhẹ, dễ chịu và có nhiều ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm, mỹ phẩm

Việt Nam, với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa, rất thuận lợi cho việc

sinh trưởng của nhiều loài cây ăn quả có giá trị Trong số đó, bưởi Năm Roi (Citrus

grandis (L.) Osbeck var grandis) là một đặc sản nổi tiếng của vùng đồng bằng sông

Cửu Long Loại bưởi này được người tiêu dùng trong nước cũng như trên thế giới

ưa chuộng nhờ có vị ngọt thanh, rất mọng nước Đây là loại trái cây đầu tiên của Việt Nam được đăng ký thương hiệu thông qua doanh nghiệp chế biến rau quả xuất khẩu Hoàng Gia (Vĩnh Long) Hiện nay, qua doanh nghiệp Hoàng Gia, bưởi Năm Roi đã được xuất khẩu sang các thị trường Hà Lan, Đức, Hoa Kỳ, Phần Lan, Nga, Trung Quốc… Ngoài việc xuất khẩu dưới dạng quả tươi, bưởi Năm Roi cũng đã được đa dạng hóa sản phẩm bằng cách chế biến nước ép bưởi đóng lon Sản phẩm này đang được tiêu thụ rộng rãi trên thị trường trong nước và đã xuất khẩu sang Đức, Tây Ban Nha, Pháp… [22]

Tuy nhiên, cùng với sản lượng tiêu thụ lớn, ngành công nghiệp chế biến nước ép bưởi Năm Roi hàng năm cũng đang đối mặt với việc phải xử lý một lượng lớn phế liệu vỏ bưởi Vì vậy, việc tìm kiếm các giải pháp tận dụng phế liệu vỏ bưởi

để sản xuất các sản phẩm có giá trị gia tăng nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất, giảm thiểu rác thải môi trường là vấn đề đang được các doanh nghiệp này quan tâm Một trong những sản phẩm giá trị có thể khai thác từ nguồn phế liệu này là tinh dầu vỏ bưởi Thực vậy, theo một số nghiên cứu, hàm lượng tinh dầu trong lớp vỏ ngoài của quả bưởi khá cao (khoảng 1,4 - 1,6%) [3] Do vậy, việc nghiên cứu tách chiết tinh dầu từ vỏ bưởi Năm Roi nhằm phục vụ cho nhu cầu trong nước và xuất khẩu là hướng nghiên cứu rất triển vọng hiện nay

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trên đây, được sự đồng ý của khoa Chế Biến

và bộ môn Công nghệ Thực phẩm, dưới sự hướng dẫn của TS Hoàng Thị Huệ An,

em đã nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu từ vỏ bưởi

Năm Roi (Citrus grandis (L.) Osbeck var grandis) bằng phương pháp chưng

cất lôi cuốn hơi nước”

Mục đích nghiên cứu của đề tài là xây dựng quy trình công nghệ thích hợp cho việc chiết xuất tinh dầu từ vỏ bưởi Năm Roi bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể xem là cơ sở khoa học ban đầu của việc xây dựng quy trình sản xuất tinh dầu từ vỏ bưởi trên quy mô công nghiệp cũng như cung cấp những dẫn liệu khoa học về thành phần hóa học và tính chất lý-hóa cơ bản của tinh dầu vỏ bưởi Năm Roi

Do kiến thức và kinh nghiệm nghiên cứu còn hạn chế cũng như khó khăn về điều kiện thực nghiệm, nguồn kinh phí eo hẹp nên mặc dù đã rất cố gắng song đề tài này không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự chỉ bảo của quý thầy cô cũng như sự góp ý kiến từ các bạn sinh viên để đề tài này được hoàn thiện hơn

Nha Trang, ngày 20 tháng 6 năm 2011

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN ĐẮC PHÁT

Bưởi Năm Roi có nguồn gốc từ huyện Long Tuyền (Cần Thơ) được mang về trồng ở huyện Bình Minh (tỉnh Vĩnh Long) Đã từ lâu, bưởi Năm Roi là loại trái cây nổi tiếng ở đồng bằng sông Cửu Long và cả nước, đã trở thành trái cây đầu tiên của Việt Nam được đăng ký thương hiệu thông qua doanh nghiệp chế biến rau quả xuất khẩu Hoàng Gia (Vĩnh Long) Hiện nay bưởi Năm Roi được trồng nhiều ở các tỉnh Bến Tre, Tiền Giang, Cần Thơ, Vĩnh Long,

Cây bưởi Năm Roi cao trung bình từ 5-10m Chồi non có lông mềm, cành có gai nhỏ dài khoảng 2,5- 5cm Lá rộng hình trái xoan, tròn ở gốc, mép nguyên, có khớp trên cuống lá Cụm hoa mọc thành chùm ở nách lá, gồm 7-10 hoa to, cánh hoa

có màu màu trắng ngà, rất thơm

Quả to, dạng trái hình quả lê đẹp, đường kính từ 15-30cm, nặng trung bình từ 0,9 - 1,45 kg/trái Vỏ trái khi chín có màu xanh vàng đến vàng sáng, dễ lột và dày trung bình từ 15-18 mm Tép màu vàng nhạt, bó chặt, dễ tách khỏi vách múi Nước quả nhiều có vị ngọt chua (độ Brix : 9-11%, pH khoảng 4,2)

Hình 1.1 Bưởi Năm Roi Hình 1.2 Hoa bưởi Năm Roi

Tuổi thọ bình quân của cây bưởi từ 10 – 20 năm, nếu đất tốt cây có thể sống lâu hơn Cây trồng sau 3 năm đã cho trái quanh năm Theo nông dân mùa thu họach bưởi chính vào khoảng tháng 8 - tháng 9 và mùa nghịch vào tháng 2 – tháng 4 Ngoài ra mùa Tết (20 -25 tháng chạp) bưởi được neo lại chờ bán với giá cao

1.1.2 Cấu tạo, thành phần hóa học và công dụng của vỏ bưởi [20]

Cũng giống như các loại trái cây thuộc chi Citrus, vỏ bưởi có 2 lớp:

a) Lớp ngoài (được gọi là flavedo do chứa các hợp chất flavonoid): Rất

mỏng, dày khoảng 1mm, có màu xanh hay xanh vàng chứa các túi tinh dầu

Tinh dầu vỏ bưởi chứa các thành phần chủ yếu như d-limonen, alpha-pinen, linalool, geraniol, citral Chúng có tác dụng hỗ trợ tiêu hóa và trị cảm cúm, thường được dùng trong liệu pháp nấu nồi xông giải cảm Trong dân gian, vỏ bưởi thường được dùng nấu nước gội đầu giúp cho tóc bớt rụng, bóng mượt, mềm và chắc hơn

Vỏ bưởi còn chứa nhiều flavonoid như narigin, hesperidin, diosmin, hesperitin có tác dụng bảo vệ thành mao mạch, giúp cho mao mạch đàn hồi và bền vững hơn, nhờ

đó giúp ngăn ngừa những tai biến do vỡ các mao mạch, gián tiếp giúp hạ huyết áp

b) Lớp trong (gọi là albedo): Dày khoảng 2- 4cm, có màu trắng, là phần chủ

yếu của vỏ bưởi Lớp này chứa nhiều đường, pectin, cellulose, hemicellulose và pentosan

Pectin không cung cấp năng lượng nhưng có nhiều giá trị phòng, chữa bệnh như:

- Kéo dài thời gian tiêu hóa thức ăn trong ruột, có tác dụng tăng hấp thu dưỡng chất trong thức ăn

- Giảm béo (do tạo cảm giác no bụng kéo dài, giảm năng lượng ăn vào, do đó giúp giảm cân ở người béo phì)

- Giảm hấp thu lipid, giảm cholesterol toàn phần trong máu, đặc biệt là giảm cholesterol xấu (LDL) ở người rối loạn lipid máu

- Khống chế tăng đường huyết trước và sau bữa ăn ở người có bệnh tiểu đường

Ngoài ra, pectin còn có tác dụng chống táo bón, cầm máu

Cả 2 phần flavedo và albedo tạo thành phần vỏ (pericarp)

Trong cuốn “Nam dược thần hiệu”, Tuệ Tĩnh đã viết: “Vỏ quả bưởi gọi là

cam phao, vị đắng cay, tính không độc, thông lợi, trừ đờm táo thấp, hoà huyết, giảm đau; trị tràng phong, tiêu phù thũng” Chính vì vậy trong các bài thuốc đông y, vỏ

quả bưởi được dùng trị đờm kết đọng ở cổ họng và cuống phổi, đau bụng do lách to, còn dùng trị đau dạ dày, đầy bụng, ăn uống không tiêu, ho nhiều, hen, đau thoát vị

1.2 Tổng quan về tinh dầu [3, 4, 6, 8, 10, 17, 19]

1.2.1 Khái niệm tinh dầu

Tinh dầu là những chất thơm hay chất mùi có trong một số bộ phận của cây cỏ (như hạt, rễ, củ, vỏ cây, hoa, lá, quả, dầu, nhựa cây) hay động vật (túi tinh dầu) Tinh dầu có trong các nguồn nguyên liệu trên với nồng độ rất khác nhau, có thể thay đổi từ phần triệu đến phần trăm Khối lượng phân tử của các hợp chất có trong tinh dầu vào khoảng 300 amu Khác với các loại dầu không bay hơi (glycerid, acid béo), tinh dầu tương đối dễ bay hơi

Đa số thành phần chính của các loại tinh dầu đều là các hợp chất terpenoid được cấu tạo từ các đơn vị isopren (C5H8) nối với nhau theo quy tắc “đầu nối với

đuôi” Terpenoid đơn giản nhất được cấu tạo từ 2 đơn vị isopren được gọi là

monoterpenoid Nếu có nhiều hơn 2 đơn vị isopren thì được gọi là sesquiterpenoid (ứng với 3 đơn vị isopren), diterpenoid (ứng với 4 đơn vị isopren), triterpenoid (ứng với 6 đơn vị isopren )

a) Phân tử

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử isopren và bộ khung cơ bản của các terpenoid

1.2.2 Phân loại các thành phần có trong tinh dầu

Thành phần tinh dầu được phân loại theo các cách sau:

1.2.2.1 Phân loại theo hàm lượng [4]

Theo cách phân loại này các thành phần trong tinh dầu được chia thành 3 nhóm:

1.2.2.2 Phân loại theo tính chất vật lý [10]

Tinh dầu của mỗi loài thực vật là một hỗn hợp bao gồm hàng trăm hợp chất thuộc các nhóm hữu cơ khác nhau Các hợp chất có trong tinh dầu thường được phân thành hai nhóm chính:

- Nhóm thành phần dễ bay hơi: chiếm tới 90 – 95% tổng lượng tinh dầu

- Nhóm còn lại: gồm các hợp chất ít bay hơi chỉ chiếm 1 – 10%

Tỷ lệ các thành phần riêng lẻ có thể thay đổi rất lớn tùy theo giống cây trồng, điều kiện canh tác, mùa vụ và các bộ phận khác nhau của cây tuy nhiên số lượng của các thành phần là không thay đổi trong phạm vi loài

1.2.2.3 Phân loại theo bản chất hóa học [17]

Các hợp chất trong tinh dầu được chia thành các nhóm:

- Monoterpen mạch hở (ví dụ: myrcen, ocimen)

- Monoterpen mạch vòng (ví dụ: p-cymen, pinen, sabinen)

- Monoterpen mạch hở bị oxy hóa (như farnesol, linalool, neral)

- Monoterpen mạch vòng bị oxy hóa (như terpineol, geraniol)

- Sesquiterpen mạch hở (ví dụ: farnesen)

- Sesquiterpen mạch vòng (ví dụ: copaen, humulen)

- Sesquiterpen mạch hở bị oxy hóa (như nerolidol)

- Sesquiterpen mạch vòng bị oxy hóa (như nootkaton, spathulenol)

- Các hợp chất thơm (ví dụ: indol)

- Các hydrocarbon mạch dài (như tetradecanal, dodecanal)

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử của một số hợp chất có trong tinh dầu

1.2.3 Tính chất vật lý và hóa học chung của tinh dầu [8, 17]

1.2.3.1 Tính chất vật lý

Để xác định tính chất vật lý của tinh dầu, thông thường người ta tiến hành xác định các chỉ số như tỷ trọng, chiết suất, tỷ lệ hòa tan trong cồn 900 ở 250C, nhiệt

độ sôi, năng suất quay cực, màu sắc

Hầu hết tỷ trọng của các loại tinh dầu thường nhỏ hơn 1, do vậy chúng thường nhẹ hơn nước

Tinh dầu không tan hoặc rất ít tan trong nước nhưng chúng hòa tan tốt trong

đa số các dung môi hữu cơ như eter, cồn

Mặc dù thành phần hóa học của mỗi loại tinh dầu là khác nhau, nhưng nhìn chung chúng có nhiệt độ sôi khoảng 1000C – 2000C, dễ bay hơi và có mùi thơm

Về màu sắc, tinh dầu thường không màu hoặc có màu vàng nhạt Một số ít tinh dầu có màu (ví dụ: tinh dầu ngải cứu có màu xanh lơ, tinh dầu quế có màu nâu sẫm) là do sự có mặt của các hợp chất có màu được lôi kéo theo tinh dầu trong quá trình chiết xuất (ví dụ: màu xanh do có chlorophyll, màu vàng do có carotenoid,…) Còn mùi và vị của tinh dầu chủ yếu gây ra do các cấu tử bị oxy hóa

1.2.3.2 Tính chất hóa học

Các thành phần trong tinh dầu là các hợp chất terpenoid (tức các hydrocarbon không no) nên chúng dễ bị thủy phân (nhất là ở nhiệt độ cao) và bị phân hủy bởi ánh sáng thành các hợp chất khác Vì vậy, người ta thường bảo quản tinh dầu trong những lọ sẫm màu, có miệng nhỏ và đậy nút kỹ

1.2.4 Quá trình sinh tổng hợp tinh dầu trong cơ thể thực vật [3, 6]

Theo quan điểm hiện nay, người ta

cho rằng tinh dầu được sinh tổng hợp trong

các tế bào tiết (nằm trong thành phần cấu

trúc tiết), sau đó được vận chuyển và tập

trung ở cấu trúc chuyên biệt (gọi là khoang

chứa tinh dầu) nhờ hệ thống ống nội bào Hình 1.5 Cơ quan chứa tinh dầu vỏ bưởi dạng túi tiết

Sinh tổng hợp tinh dầu là một quá trình bao gồm hàng loạt các phản ứng hóa học Tùy theo mức độ phức tạp của cấu trúc, mỗi hợp chất có thể phải trải qua nhiều phản ứng hóa học khác nhau Nhiều nghiên cứu đều khẳng định rằng tất cả các phản ứng tổng hợp đều xảy ra trên bề mặt của màng các cơ quan tử và tế bào

Ở mỗi cơ quan của thực vật, trong các giai đoạn phát triển khác nhau, các quá trình tổng hợp và biến đổi của tinh dầu xảy ra không như nhau Điều này giải thích sự khác biệt về hàm lượng và thành phần tinh dầu trong các cơ quan của cùng một cây hoặc ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau trong quá trình phát sinh cá thể

Nguyên liệu cho quá trình sinh tổng hợp tinh dầu trong cây từ lâu đã được thừa nhận là các sản phẩm của quá trình quang hợp và sự tổng hợp tinh dầu cũng chỉ xảy ra trong điều kiện được chiếu sáng Song gần đây, người ta cũng đã chứng minh được rằng quá trình tổng hợp tinh dầu cũng có thể xảy ra cả trong điều kiện không có ánh sáng và trong trường hợp này rõ ràng nguyên liệu cho quá trình tổng hợp là các sản phẩm trung gian của quá trình hô hấp

Như vậy, sự tổng hợp tinh dầu trong cây là một quá trình vô cùng phức tạp

và đây cũng là vấn đề còn nhiều tranh cãi, cần phải nghiên cứu tiếp tục trong thời gian tới

1.2.5 Vai trò của tinh dầu trong đời sống thực vật [6, 19]

Vai trò của tinh dầu trong đời sống của cây đã được đề cập tới trong rất nhiều công trình nghiên cứu Nhìn chung, tinh dầu có nhiều chức năng sinh học quan trọng đối với quá trình sinh trưởng của thực vật như bảo vệ cây khỏi các tác động của sâu bệnh, che phủ các vết thương ở cây gỗ, ngăn chặn các bệnh do nấm, biến đổi sức căng bề mặt của nước trong cây do đó thúc đẩy sự vận chuyển nước, tăng hiệu quả của các phản ứng enzym Ngoài ra, tinh dầu còn tham gia tích cực vào quá trình trao đổi chất của cây Mutxtiatse (1985) đã chứng minh rằng, các thành phần tinh dầu được tích lũy trong tuyến tiết không phải là các chất tiết cố định mà còn tham gia tích cực vào quá trình trao đổi chất của cây; do vậy thành phần hóa học của tinh dầu ở trong cây luôn luôn được đổi mới Qua các bằng chứng thực nghiệm, có thể khẳng định chắc chắn rằng, nhiều thành phần hóa học của tinh dầu,

ví dụ một số acide có phân tử lượng thấp, rượu, các aldehyde mạch vòng là những nguyên liệu khởi đầu để tổng hợp hàng loạt các chất có hoạt tính sinh học Tuy nhiên, để đánh giá chính xác vai trò của tinh dầu trong hoạt động sống ở cây, cần phải tiến hành nghiên cứu từng thành phần riêng lẻ của tinh dầu hoặc các hợp chất

ưu việt của nó, trong công nhệ thực phẩm cũng đã xuất hiện xu hướng sử dụng tinh dầu như một chất bảo quản thực phẩm tự nhiên và an toàn thay cho các chất bảo quản tổng hợp

1.2.6.2 Trong y học

Tinh dầu là loại dược phẩm được sử dụng nhiều nhất trong y học cổ truyền Mỗi loại tinh dầu có thành phần hóa học và cấu phần chính khác nhau nên những hoạt tính trị bệnh cũng khác nhau, có loại tác dụng lên hệ thần kinh trung ương, có loại lại kích thích dịch tiêu hóa, dịch dạ dày, dịch ruột và dịch mật Vì vậy, chúng được điều chế thành thuốc chữa trị các bệnh về đường hô hấp, tuần hoàn, tiêu hóa, chữa đau bụng, nôn mửa, xoa bóp các chỗ đau, giảm mệt mỏi và kích thích hoạt động của cơ bắp Ví dụ: tinh dầu bạc hà có hàm lượng mentol cao có tác dụng kích thích các đầu dây thần kinh, gây cảm giác lạnh và giảm đau tại chỗ do đó được dùng làm chế phẩm cao xoa, dầu xoa; tinh dầu hương nhu cung cấp eugenol dùng làm thuốc sát trùng, thuốc giảm đau, chất dùng trong việc trám răng tạm thời; tinh dầu thuộc họ cam quýt dùng làm thuốc kích thích tiêu hóa, trị cảm

1.2.6.3 Trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm

Ngày nay, ngành công nghiệp mỹ phẩm phát triển rất mạnh, tinh dầu không những được sử dụng trực tiếp trong các spa cao cấp mà chúng còn là nguồn nguyên

liệu chủ yếu để sản xuất các sản phẩm như nước hoa, kem đánh răng, xà phòng thơm, dầu gội đầu, các loại kem dưỡng da, son môi

1.3 Các phương pháp sản xuất tinh dầu [2, 6, 7, 9, 17]

Hiệu suất và chất lượng tinh dầu cần tách phụ thuộc vào đặc tính lý-hóa của tinh dầu cần tách, bộ phận mà chất thơm chứa trong nguyên liệu và phương pháp chiết xuất Các phương pháp chiết xuất tinh dầu thông dụng là chưng cất, chiết, ướp ngâm và ép

1.3.1 Phương pháp chưng cất (Hydrodistillation)

Đây là phương pháp đầu tiên được dùng để tách tinh dầu ra khỏi nguyên liệu thực vật Cơ sở của phương pháp này là nhiệt độ sôi của hỗn hợp sẽ thấp hơn nhiệt

độ sôi của các cấu tử thành phần Do đó, khi chưng cất hơi nước các cấu tử tinh dầu

sẽ được tách ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nước, vì vậy sẽ hạn chế sự biến tính hóa học (sự oxy hóa, nhiệt phân ) các cấu tử tinh dầu Trong quá trình chưng cất, hơi nước sẽ được thẩm thấu vào các mô nguyên liệu, sau đó sẽ hòa tan, khuếch tán và lôi cuốn theo các hợp chất hữu cơ trong thành phần tinh dầu Dịch chưng cất

sẽ được ngưng tụ và phân tách thành 2 lớp (lớp tinh dầu bên trên và lớp nước ở bên dưới) trong hệ thống ngưng tụ Sự khuếch tán sẽ dễ dàng khi tế bào chứa tinh dầu trương phồng do nguyên liệu tiếp xúc với hơi nước bão hòa trong một thời gian nhất định Trường hợp các mô thực vật có các hợp chất khó bay hơi (như sáp, nhựa, acid béo dây dài mạch thẳng) thì quá trình chưng cất phải được thực hiện trong một thời gian dài vì những hợp chất này làm giảm áp suất hơi chung của hệ thống và làm cho

sự khuếch tán trở nên khó khăn

1.3.1.1 Những yếu tố chính ảnh hưởng hiệu suất chưng cất tinh dầu

a) Sự khuếch tán

Ngay cả khi nguyên liệu được làm vỡ vụn thì chỉ có một số mô chứa tinh dầu

bị vỡ và cho tinh dầu thoát tự do ra ngoài theo hơi nước lôi cuốn đi Theo Von Rechenberg, ở nhiệt độ sôi của nước phần lớn tinh dầu còn lại trong các mô thực vật

sẽ được hòa tan vào trong nước có sẵn trong tế bào thực vật Dung dịch này sẽ thẩm thấu dần ra bề mặt nguyên liệu và bị hơi nước cuốn đi Còn nước sẽ thẩm thấu vào

nguyên liệu theo chiều ngược lại và tinh dầu lại tiếp tục bị hòa tan vào lượng nước này Quy trình này lặp đi lặp lại cho đến khi tinh dầu trong các mô thoát ra ngoài hết Như vậy, sự hiện diện của nước rất cần thiết, cho nên trong trường hợp chưng cất sử dụng hơi nước quá nhiệt, chú ý tránh đừng để nguyên liệu bị khô Tuy nhiên, nếu lượng nước sử dụng thừa quá thì cũng không có lợi, nhất là trong trường hợp tinh dầu có chứa những cấu phần tan dễ trong nước

Ngoài ra, vì nguyên liệu được làm vỡ vụn ra càng nhiều càng tốt, cần làm cho lớp nguyên liệu có một độ xốp nhất định để hơi nước có thể đi xuyên ngang lớp này đồng đều và dễ dàng

Vì các cấu phần trong tinh dầu được chưng cất hơi nước theo nguyên tắc nói trên cho nên thông thường những hợp chất nào dễ hòa tan trong nước sẽ được lôi cuốn trước Thí dụ, khi chưng cất hơi nước hạt caraway, đối với hạt không nghiền thì carvon (có nhiệt độ sôi cao nhưng tan nhiều trong nước) sẽ ra trước, còn limonen (có nhiệt độ sôi thấp, nhưng ít tan trong nước) sẽ ra sau Nhưng với hạt caraway nghiền nhỏ thì kết quả chưng cất ngược lại

b) Sự thủy phân

Những cấu phần este trong tinh dầu dễ bị thủy phân cho ra acide và alcol khi đun nóng trong một thời gian dài với nước Do đó, để hạn chế hiện tượng này, sự chưng cất hơi nước phải được thực hiện trong một thời gian càng ngắn càng tốt

c) Nhiệt độ

Nhiệt độ cao sẽ làm phân hủy tinh dầu Do đó, khi cần thiết phải dùng hơi nước quá nhiệt (trên 1000C) nên thực hiện việc này trong giai đoạn cuối cùng của sự chưng cất, sau khi các cấu phần dễ bay hơi đã lôi cuốn đi hết Thực ra, hầu hết các tinh dầu đều kém bền dưới tác dụng của nhiệt nên vấn đề là làm sao cho thời gian chịu nhiệt độ cao của tinh dầu càng ngắn càng tốt

Tóm lại, dù 3 ảnh hưởng trên được xem xét độc lập nhưng thực tế thì chúng có liên quan với nhau và quy về ảnh hưởng của nhiệt độ Khi tăng nhiệt độ, sự khuếch tán, thẩm thấu sẽ tăng, sự hòa tan tinh dầu trong nước sẽ tăng nhưng sự phân hủy cũng tăng theo

1.3.1.2 – Ưu và nhược điểm

Trong công nghiệp, người ta chia các phương pháp chưng cất hơi nước ra

Sinh hàn

Bình hứng

Hình 1.7 Thiết bị chưng cất hơi nước không có nồi hơi riêng

Nguyên liệu

Vỉ nồi Ống ngưng tụ

Nguồn nhiệt

Van xả nước ngưng Van

khóa

Hình 1.8 Thiết bị chưng cất hơi nước có nồi hơi riêng

- Không đòi hỏi vật liệu phụ như các phương pháp tẩm trích, hấp thụ

- Thời gian chưng cất tương đối nhanh

b) Nhược điểm:

- Không hiệu quả đối với những nguyên liệu có hàm lượng tinh dầu thấp

- Chất lượng tinh dầu có thể bị ảnh hưởng nếu trong tinh dầu có những cấu

phần dễ bị phân hủy

- Không lấy được các loại nhựa và sáp có trong nguyên liệu (đó là những chất

định hương thiên nhiên rất có giá trị)

- Trong nước chưng luôn luôn còn một lượng tinh dầu tương đối lớn

- Những tinh dầu có nhiệt độ sôi cao thường cho hiệu suất rất kém

1.3.2 Phương pháp chiết (Extraction)

Cơ sở của phương pháp dựa trên hiện tượng thẩm thấu, khuếch tán và hòa tan của tinh dầu có trong các mô nguyên liệu khi tiếp xúc với dung môi hữu cơ

Nhiệt

Hơi nước

và hơi tinh dầu

Phương pháp chiết thường dùng để tách các hương liệu dễ bay hơi mà phương pháp chưng cất tỏ ra kém hiệu quả

Trong phương pháp này nguyên liệu được ngâm trong dung môi hữu cơ thích hợp, sau đó cất chân không để thu hồi dung môi, phần còn lại là hỗn hợp tinh dầu

và sáp được gọi là tinh dầu cô kết (gọi là “concrete oil”) Dùng cồn tuyệt đối hòa tan “concrete oil” rồi để lạnh, khi đó phần sáp sẽ đông đặc và được tách loại, phần dịch còn lại được đem chưng cất lôi cuốn hơi nước để thu tinh dầu tinh khiết (gọi là

“absolute oil”) Đây cũng chính là hai dạng sản phẩm chính của chất thơm hiện lưu hành trên thị trường

1.3.2.1 Yêu cầu của dung môi chiết

Yếu tố quan trọng nhất cho sự thành công của phương pháp này là phẩm chất

và đặc tính của dung môi sử dụng, do đó dung môi chiết cần phải đạt được những yêu cầu sau:

 Hòa tan hoàn toàn và nhanh chóng các cấu phần có mùi thơm trong nguyên liệu

 Hòa tan kém các hợp chất khác như sáp, nhựa dầu có trong nguyên liệu

 Không có tác dụng hóa học với tinh dầu

 Không biến chất khi sử dụng lại nhiều lần

 Hoàn toàn tinh khiết, không có mùi lạ, không độc, không ăn mòn thiết

bị, không tạo thành hỗn hợp nổ với không khí và có độ nhớt kém

 Nhiệt độ sôi thấp vì khi chưng cất dung dịch ly trích để thu hồi dung môi, nhiệt độ sôi cao sẽ ảnh hưởng đến chất lượng tinh dầu Điểm sôi của dung môi nên thấp hơn điểm sôi của cấu phần dễ bay hơi nhất trong tinh dầu

 Ngoài ra, cần có thêm những yếu tố phụ khác như: giá thành thấp, nguồn cung cấp dễ tìm, …

Thường thì không có dung môi nào thỏa mãn tất cả những điều kiện kể trên Người ta sử dụng cả dung môi không tan trong nước (như dietyl ete, ete dầu hỏa,

hexan, cloroform…) lẫn dung môi tan trong nước (như etanol, axeton…) Trong một số trường hợp cụ thể, người ta còn dùng một hỗn hợp dung môi

1.3.2.2 Ưu và nhược điểm của phương pháp

- Ưu điểm: Sản phẩm thu được theo phương pháp này thường có mùi thơm tự

nhiên Hiệu suất sản phẩm thu được thường cao hơn các phương pháp khác

- Khuyết điểm: Yêu cầu cao về thiết bị, thất thoát dung môi, quy trình tương

đối phức tạp

1.3.3 Phương pháp ướp (Enfleurage)

Cơ sở của phương pháp dựa trên hiện tượng hấp phụ chất thơm bởi các chất béo dạng lỏng hay rắn (vaselin, parafin, dầu oliu hoặc mỡ động vật) đã tinh chế Người ta dùng các khay sâu 8cm, rộng 60cm, dài 100cm đáy là mặt kính có phủ lớp chất béo để hấp phụ chất thơm Các khay có thể xếp chồng lên nhau, trên mặt khay xếp đều nguyên liệu để trích hương và để yên trong khoảng từ 12-72 giờ tùy từng loại nguyên liệu, sau đó thay lớp nguyên liệu mới và để hấp phụ từ 10-15 lần cuối cùng thu được chất béo có mùi thơm Đem lắc chất béo với etanol cao độ để trích ly tinh dầu, sau đó để lạnh -100C để loại bỏ hết chất béo bị kéo theo rồi cô đuổi etanol dưới áp suất thấp để thu tinh dầu Kỹ thuật này thuờng được dùng để chiết hương thơm của các loài hoa để thu sản phẩm dưới dạng tinh dầu cô đặc (“essence concentrée”) dùng trong mỹ phẩm

1.3.4 Phương pháp ngâm (Hot Maceration)

Phương pháp này dựa trên hiện tượng hấp thụ chất thơm bởi các loại dầu béo Hoa được ngâm trong dầu béo đã tinh chế trong một thiết bị được làm nóng bởi hơi nước ở 45-600C trong thời gian từ 1-2h Sau mỗi lần ngâm, vớt hoa ra cho vào máy vẩy ly tâm để thu hồi dầu và cho tiếp nguyên liệu mới vào Mỗi mẻ dung môi

có thể dùng để chiết 10-15 lần Dầu béo đã bão hòa chất thơm được đem lắc với etanol rồi cô dưới áp suất thấp để thu được tinh dầu cô đặc tương tự như trong phương pháp ướp

1.3.5 Phương pháp ép (Expression hay Cold Pressing)

Phương pháp này áp dụng cho các loại dược liệu có hàm lượng tinh dầu cao

và tế bào chứa tinh dầu ở phần vỏ thuộc chi Citrus

Nguyên liệu chiết được trích tinh dầu bằng cách ép ở nhiệt độ thường sử dụng các loại máy ép trục vít vô tận hoặc cối ép dùng nêm (giống như ép các loại dầu béo) Phần thu được là một hỗn hợp gồm tinh dầu và dịch cùi có thể dễ dàng tách bằng cách cho thêm nước muối bão hòa, tinh dầu sẽ nổi lên trên có kéo theo một phần sáp và nhựa Dùng etanol 75 - 800 để hòa tan tinh dầu, sau đó làm lạnh để loại bỏ sáp Sau khi cô dưới áp suất thấp để loại bỏ etanol ta có sản phẩm tinh dầu

có lẫn một ít nhựa Phương pháp này có thể cho hiệu suất trên 90% so với hàm lượng tinh dầu định lượng trong phòng thí nghiệm

Ngoài ra, ngày nay người ta còn sử dụng các phương pháp mới trong việc ly trích tinh dầu như phương pháp chưng cất hay chiết dưới sự hỗ trợ bởi vi sóng, bởi

siêu âm, kỹ thuật vi chiết pha rắn (SPME: Solid phase micro-extraction), kỹ thuật chiết siêu tới hạn (SFE: Supercritical fluid extraction), chiết kết hợp với chưng cất (SDE: Simultaneous distillation extraction),…Tuy nhiên, chi phí đắt và thiết bị

phức tạp hơn nên ít phổ biến hơn trong thực tế

1.4 Các dạng sản phẩm trong quá trình tách chiết tinh dầu

- Tinh dầu dạng cô kết (Concrete oil): thu được từ phương pháp ngâm chiết

tĩnh, chủ yếu là dùng để sản xuất tinh dầu thô Đây là sản phẩm chưa loại sáp và chất béo, có dạng sệt có thể được sử dụng trực tiếp

- Tinh dầu tinh khiết (Absolute Oil): được thu bằng cách chiết kiệt những sản

phẩm cô kết bằng một lượng etanol vừa đủ rồi làm lạnh đột ngột (-5 đến -100C) để tủa và lọc để loại sáp và chất béo Phần dịch thu được đem cô quay chân không loại

etanol thu được tinh dầu tinh khiết

- Nước chưng (Bouquet): là phần nước còn lại sau khi lóng, gạn thu tinh dầu

trong phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước của các loại tinh dầu có giá trị cao

và có thể xem như một sản phẩm trong công nghệ hương liệu

- Nhựa dầu tự nhiên (Resinoid): Dạng này được thu trực tiếp từ phần gỗ của

thân cây đang sống, từ nhựa này người ta chưng cất hơi nước để lấy tinh dầu

- Cao tinh dầu (Pomade): là chất béo chứa chất thơm thu được trong phương

pháp ướp

- Nước hoa (hydrosol): là phần nước ngưng được tách ra sau khi đã tách lấy

lớp tinh dầu Loại hydrosol này chứa các cấu tử chất thơm dễ tan trong nước và một

ít tinh dầu kém tan nên vẫn còn mùi thơm nhẹ

Ngoài ra, còn có các dạng sản phẩm nước hoa phối hợp giữa tinh dầu thiên

nhiên với hay tinh dầu tổng hợp hoặc bán tổng hợp hòa tan trong cồn, ngoài ra còn

có chất định hương Các thành phần trong nước hoa được phối trộn theo một tỷ lệ chính xác nghiêm ngặt để đảm bảo các yếu tố như độ bay mùi, cường độ và độ bền mùi của sản phẩm

1.5.1 Thu hoạch nguyên liệu:

nguyên liệu bị ngay

1.5.2 Bảo quản và sơ chế nguyên liệu:

Sngay thì

-

nguyên liệu v làm giảm của nguyên liệu do đó sẽ sự khuếch tán trong

1.6 Tình hình nghiên cứu về tinh dầu họ Citrus

1.6.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới [10, 12, 13, 17]

Với lịch sử phát triển hàng ngàn năm, tinh dầu đã được phát triển thành phương pháp trị liệu, chăm sóc sức khỏe, làm đẹp trên toàn thế giới Giữa thế kỉ XIX, tinh dầu được tập trung nghiên cứu và trở thành một phương pháp trị liệu tổng thể và phổ cập tại nhiều nước như: Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản, Anh Quốc Tuy nhiên, những nghiên cứu có hệ thống về kỹ thuật tách chiết, thành phần hóa học của tinh dầu chỉ mới được quan tâm nhiều vào những năm 90 của thế kỷ XX khi các phương pháp phân tích, đặc biệt là kỹ thuật GC/MS phát triển mạnh đã trở thành một công cụ hiệu lực và không thể thiếu trong các nghiên cứu về tinh dầu Các hội nghị quốc tế về tinh dầu được tổ chức định kỳ hàng năm đã công bố rất nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng có liên quan đến tinh dầu như

International Symposium on Essential Oils (lần thứ 25, tại Pháp, năm 1994) hay International Congress of Essential Oils, Flavour and Fragrances (lần thứ 13, tại

Thổ Nhĩ Kỳ, năm 1995) Hiện tại, tạp chí “Journal of Essential Oil Research”

cung cấp đầy đủ về mọi khía cạnh trong nghiên cứu tinh dầu thuần túy và ứng dụng, được phát hành từ năm 1989, đây là một tạp chí có uy tín trong lĩnh vực tinh dầu Cho đến nay, trên thế giới tinh dầu từ vỏ quả, lá và hoa của các cây thuộc họ

Citrus là một chất tạo mùi và hương thơm tự nhiên và được sản xuất hàng nghìn tấn

khối mỗi năm Các nghiên cứu về tinh chất vật lý, thành phần hóa học và hoạt tính

sinh học của tinh dầu họ Citrus thu nhận được bằng các kỹ thuật tách chiết hiện đại

đã được quan tâm nhiều trong những năm gần đây

- Lin và Rouseff (2001) đã phát hiện rằng có trên 200 hợp chất dễ bay hơi có trong tinh dầu bưởi thu được bằng phương pháp ép lạnh, trong đó chỉ có 22 chất là đóng góp chủ yếu tạo nên hương bưởi Theo McGorrin (2002) thì nootkaton và 1-p-menthen-8-thiol là 2 cấu tử chính tạo ra hương bưởi đặc trưng Ngoài ra, decanal,

acetaldehyde, methyl butyrat, limonen, etyl acetate, etyl butyrat và p-mentan cũng là những cấu tử chính trong tinh dầu bưởi (Shaw, 1996) [13]

2,8-epithio-cis Napapor Thavanapong thuộc khoa Dược, Đại học Silpakorn, Thái Lan

(2006) đã nghiên cứu chiết tinh dầu từ vỏ quả và hoa của giống bưởi Citrus Maxima

Merr.1 bằng các kỹ thuật ép lạnh, chưng cất hơi nước dưới áp suất thấp và chiết bằng CO2 siêu tới hạn (CO2-SFC), sau đó xác định thành phần hóa học bằng phương pháp GC-MS và thử hoạt tính kháng khuẩn của tinh dầu trên các chủng vi sinh vật khác nhau Kết quả cho thấy tinh dầu chiết bằng các phương pháp trên đều

có chứa limonen, myrcen, -pinen, -pinen, sabinen, linalool,… Ngoài ra, tinh dầu

hoa bưởi C maxima thu được bằng kỹ thuật CO2-SFC chứa hàm lượng limonen cao hơn nhưng chứa các hợp chất bị oxy hóa ít hơn trong neroli thương mại dẫn xuất từ

bưởi C aurantium var amara [17]

- Atti-Santos, Serafini, Moyna và cs (2005) đã nghiên cứu xác định điều

kiện tối ưu cho việc chiết tinh dầu chanh bằng phương pháp chưng cất hơi nước (HD) và chiết bằng CO2 siêu tới hạn (CO2-SFC) Kết quả cho thấy nếu dùng phương pháp HD thì hiệu suất cao nhất đạt được (5,45% w/w) khi chưng cất trong 3 giờ (dùng cả vỏ không xay), còn nếu dùng phương pháp CO2-SFC thì hiệu suất cao nhất

là (7,93% w/w) khi chiết ở 60ºC, 90 bar với tốc độ dòng của CO2 là 1mL/phút [12]

- M M Ahmad, Salim-ur-rehman, F M Anjum, E E Bajwa (2006) đã

nghiên cứu tinh chất lý học của tinh dầu chiết từ vỏ của các loại Citrus khác nhau trong đó có giống bưởi Citrus paradisi Kết quả cho thấy tinh dầu vỏ bưởi thu được

có chỉ số khúc xạ là 1,472 và cặn còn lại không bay hơi là thấp nhất (3,122%) Khả

1

Citrus Maxima Merr.Là một giống bưởi được trồng nhiều ở Trung Quốc, nam Nhật Bản, Việt Nam,

Malaysia, Indonesia, Thái Lan

năng hòa tan trong etanol 95% của các loại tinh dầu thu được khác nhau Hương

thơm của tinh dầu vỏ chanh Eureka và Mousami dễ chịu nhất và có mùi mạnh nhất, sau đó là của các loại chanh Kinnow, Fewtrell’s early, Malta rồi đến bưởi Citrus

paradisi [10]

1.6.2 Tình hình nghiên cứu trong nước [3]

Việt Nam là một nước có điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa rất thuận lợi cho việc hình thành và phát triển các loại thực vật, trong đó phải kể đến các loài

thuộc chi Citrus họ Rutaceae như chanh (Citrus limonia Osbeck), bưởi (Citrus

grandis (L.) Osbeck), cam (Citrus sinensis (L.) Osbeck), quít (Citrus reticulata

Blanco) Gần đây, ở nước ta cũng đã có một số nghiên cứu tách chiết tinh dầu từ lá hay vỏ bưởi, cam, chanh sử dụng phương pháp chưng cất truyền thống cũng như ứng dụng một số kỹ thuật chiết mới

Nguyễn Minh Hoàng, khoa Công nghệ Sinh học, Đại học Mở TPHCM đã

nghiên cứu chiết tinh dầu từ vỏ trái bưởi da xanh Citrus grandis (L.) Osbeck (trồng tại Đồng Nai) và từ vỏ trái cam sành Citrus nobilis Lour (trồng tại Tiền Giang) và

vỏ trái chanh giấy Citrus aurantifolia (Christm.) Swingle (trồng tại Tiền Giang)

bằng phương pháp chưng cất hơi nước có và không có sự hỗ trợ của vi sóng [3] Kết quả cho thấy khi chưng cất với nguyên liệu không xay tốn nhiều thời gian ly trích hơn và tinh dầu thu được có màu vàng do tiếp xúc nhiệt quá lâu, hiệu suất thấp (bưởi: 0,59%; cam: 1,34%; chanh: 0,83%) Nếu dùng nguyên liệu xay thì thời gian

ly trích ngắn, tinh dầu thu được trong suốt, không màu, hiệu suất thu được cao hơn (bưởi: 1,58%; cam: 3,79%; chanh: 1,78%) Việc kết hợp sử dụng vi sóng trong quá trình chưng cất với nguyên liệu không xay có thời gian ly trích rất ngắn (19 - 21 phút), tinh nhưng dầu thu được có màu vàng nhạt và hiệu suất thấp (bưởi: 0,51%; cam: 0,48%; chanh: 0,40%) Kết quả thử nghiệm về hoạt tính kháng khuẩn cho thấy

tinh dầu vỏ trái giống Citrus kháng khuẩn tốt trên một số chủng vi khuẩn thử

nghiệm

Tuy nhiên, hầu hết các công trình trong nước đều tập trung khảo sát thành phần hóa học và hoạt tính sinh học của tinh dầu và chưa nghiên cứu đầy đủ các yếu

tố ảnh hưởng tới hiệu suất chiết tinh dầu để làm cơ sở khoa học cho việc sản xuất trên quy mô công nghiệp Hơn nữa, chưa thấy công trình nghiên cứu nào về tinh dầu vỏ quả bưởi Năm Roi

Vì vậy, trong đề tài này, tôi sẽ nghiên cứu các vấn đề sau:

- Xác lập điều kiện tối ưu cho việc tách chiết tinh dầu từ vỏ bưởi Năm Roi bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

- Áp dụng quy trình để thu nhận tinh dầu vỏ bưởi Năm Roi Đánh giá hiệu quả kinh tế của quy trình đã xây dựng

- Xác định các chỉ số lý-hóa cơ bản và thành phần hóa học của sản phẩm

Từ đó, đánh giá chất lượng tinh dầu thu nhận được

Chương 2

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Nguyên liệu chính

Nguyên liệu sử dụng tách tinh dầu trong nghiên cứu này là vỏ quả bưởi Năm

Roi (Citrus grandis L Osbeck var Grandis) có nguồn gốc từ các tỉnh miền Tây và

được thu mua ở chợ Vĩnh Hải (Nha Trang) Chỉ chọn quả bưởi tươi, có vỏ màu sáng, bóng và không bị nấm mốc

2.1.2 Dụng cụ - Thiết bị - Hóa chất

a Dụng cụ - Thiết bị

- Cân kỹ thuật 1 mg (Shimadzu, Nhật)

- Cân phân tích 0,1 mg (Satorius, Nhật)

- Cân kỹ thuật 1 g (Việt Nam)

- Bộ chưng cất tinh dầu định lượng, có hồi lưu kiểu Clevenger dùng cho tinh dầu nhẹ hơn nước (ISOLAB, Đức)

- Bếp đun bình cầu 1000 ml (Trung Quốc)

- Máy xay điện (Sanyo, Nhật)

- Tủ sấy 10C (Memmert , Đức)

- Tủ lạnh trữ mẫu -200C

- Bình đo tỷ trọng 25 ml (Bomex, Trung Quốc)

- Buret, pipet, bình tam giác

- Hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ hai lần với thiết bị GC model G3440A của hãng Agilent (Agilent, USA) ghép với detector MS/MS model Quattro microTMGC của hãng Waters (USA)

b Hóa chất

- Nước cất 1 lần

- Na2SO4 khan

- Etanol 95%

- Dung dịch chỉ thị phenolphtalein 1%

- Dung dịch KOH 0,1 N và 0,5 N

- Dung dịch HCl 0,5 N

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Xác định thành phần khối lượng của quả bưởi Năm Roi

Bưởi Năm Roi được rửa sạch và lau khô nước Sau đó, xác định thành phần khối lượng của bưởi như sau:

- Cân quả bưởi được khối lượng là mQ

- Gọt lấy phần vỏ xanh rất mỏng bên ngoài quả bưởi và có chứa các túi tinh dầu Đem cân phần này ta được khối lượng mV

- Lột lấy phần cùi bưởi bao gồm cả phần xơ màu trắng (sát phần múi bưởi), gộp lại rồi đem cân ta được khối lượng mC

- Phần ruột quả (múi quả) đem cân ta được khối lượng là mR

Thành phần khối lượng của quả bưởi Năm Roi được tính như sau:

Phần vỏ xanh của quả bưởi được cắt nhỏ, trộn đều để đồng nhất mẫu Cân thành nhiều mẫu có khối lượng chính xác (mỗi mẫu khoảng 100g), sau đó cho vào các túi polyetylen, cột kín để hạn chế không khí tới mức tối đa, rồi đem bảo quản ở nhiệt độ -200C đến khi nghiên cứu

2.2.3 Đề xuất quy trình tách chiết tinh dầu từ vỏ bưởi

Quy trình dự kiến tách chiết tinh dầu vỏ bưởi bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước được trình bày trên hình 2.1

Thuyết minh quy trình:

Vỏ bưởi Năm Roi được trộn với nước có hòa tan NaCl, sau đó đem xay nhỏ bằng máy xay trong 2 phút rồi ngâm trong một thời gian thích hợp Tiến hành chưng cất để thu tinh dầu Tinh dầu được làm khan bằng Na2SO4, sau đó đem xác định chỉ số hóa-lý và định danh các cấu tử có trong tinh dầu

Na 2 SO 4 (khan)

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình dự kiến tách chiết tinh dầu từ vỏ bưởi

Qua tham khảo tài liệu, chúng tôi chọn các yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi tinh dầu và khoảng giá trị khảo sát như sau:

Xay (2 phút)

Ngâm

Chưng cất lôi cuốn hơi nước

Phân ly Ngưng tụ

Tinh dầu thô Làm khan

Thời gian chưng cất thích hợp

Xử lý

Xác định tính

chất lý-hóa Xác định thành phần hóa học

- Tỷ lệ nước/nguyên liệu, X 1 = 2,0 4,0 (v/w)

- Nồng độ NaCl trong dịch ngâm X 2 = 0,0 20% (w/v)

- Thời gian ngâm NaCl, X 3 = 60 300 (phút)

- Thời gian chưng cất, X 4 = 0 180 (phút)

Để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố trên đến hiệu suất thu hồi tinh dầu, trước hết chúng tôi dùng phương pháp thực nghiệm yếu tố từng phần (thay đổi từng thông số trong khi cố định các thông số còn lại) Sau đó, quy hoạch thực nghiệm toàn phần để xác định chính xác hơn giá trị tối ưu của các thông số trên

2.2.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi tinh dầu

2.2.4.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/nguyên liệu (v/w)

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ nước/nguyên liệu thích hợp

Để xác định tỷ lệ nước/nguyên liệu thích hợp, chúng tôi tiến hành lô thí nghiệm sau:

Lấy 100g nguyên liệu cho vào máy xay điện, thêm vào đó một lượng nước cất trong đó tỷ lệ nước /nguyên liệu thay đổi lần lượt là: 2,0/1; 2,5/1; 3,0/1; 3,5/1; 4,0/1 (v/w), đồng thời bổ sung thêm muối NaCl sao cho đạt 5% (w/v) Xay trong 2 phút Chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chưng cất và ngâm trong 120 phút Chưng hỗn hợp trong 90 phút dưới áp suất khí quyển Đọc thể tích tinh dầu tách ra trên ống ngưng tụ (có khắc vạch thể tích) và so sánh Từ đó, chọn tỷ

lệ nước/nguyên liệu thích hợp

2.2.4.2 Ảnh hưởng của nồng độ NaCl trong dịch ngâm

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định nồng độ muối NaCl thích hợp

Nồng độ NaCl thích hợp trong dịch ngâm được xác định qua lô thí nghiệm sau:

Lấy 100g nguyên liệu cho vào máy xay điện, thêm vào đó một lượng nước cất với tỷ lệ nước/nguyên liệu thích hợp Thêm NaCl vào hỗn hợp, trong đó nồng độ NaCl thay đổi lần lượt là: 0%, 5%, 10%, 15%, 20% (w/v) Xay trong 2 phút Chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chưng cất và ngâm trong 120 phút Chưng hỗn hợp trong 90 phút dưới áp suất khí quyển Đọc thể tích tinh dầu tách ra trên ống ngưng tụ và so sánh Từ đó, chọn nồng độ NaCl thích hợp

2.2.4.3 Ảnh hưởng của thời gian ngâm muối NaCl

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian ngâm muối NaCl thích

Lấy 100g nguyên liệu cho vào máy xay điện, thêm vào đó một lượng nước cất

và NaCl với tỷ lệ nước/nguyên liệu và nồng độ NaCl thích hợp đã chọn Xay trong

2 phút Chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chưng cất Thay đổi thời gian ngâm nguyên liệu lần lượt là: 1; 2; 3; 4; 5 (giờ) Sau đó, chưng cất hỗn hợp trong 90 phút dưới áp suất khí quyển Đọc thể tích tinh dầu tách ra trên ống ngưng tụ và so sánh Từ đó, chọn thời gian ngâm muối thích hợp

2.2.4.4 Ảnh hưởng của thời gian chưng cất

Thời gian chưng cất là một thông số ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất cũng như chất lượng của tinh dầu thu được Nếu thời gian chưng cất quá ngắn, hiệu suất thu hồi tinh dầu sẽ thấp, ngược lại nếu thời gian chưng cất quá lâu sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng của tinh dầu, tiêu tốn năng lượng

Để xác định thời gian chưng cất thích hợp, tiến hành thí nghiệm theo sơ đồ sau:

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian chưng cất thích hợp

Cho mẫu vào bình cầu trong đó cố định các thông số đã chọn ở trên và tiến hành chưng cất Cứ sau 15 phút ghi kết quả thể tích tinh dầu thu được cho đến khi

thấy thể tích tinh dầu không tăng được nữa thì ngừng (Thời gian chưng cất được tính từ lúc hơi nước và tinh dầu ngưng tụ giọt đầu tiên trong ống ngưng tụ) Đánh giá kết quả dựa vào thể tích tinh dầu thu được

2.2.5 Tối ưu hóa quy trình tách chiết tinh dầu

Để xác định chính xác giá trị tối ưu của các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất chiết tinh dầu bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước, chúng tôi tiến hành tối ưu hóa quá trình tách chiết bằng phương pháp thực nghiệm yếu tố toàn phần theo mô hình Box-Wilson trong đó sử dụng phương án trực giao bốn yếu tố với 3 thí nghiệm lặp lại ở tâm phương án (k = 4, N0= 3) Như vậy, phương án thực nghiệm bao gồm 27 thí nghiệm (16 thí nghiêm ở biên, 3 thí nghiệm ở tâm và 8 thí nghiệm ở các cánh tay đòn)

Hàm mục tiêu là thể tích tinh dầu chưng cất được (Y)

Phương trình hồi quy tuyến tính có dạng bậc 2 được xác định bằng phần mềm EXCEL 2003:

2 4 44 2 3 33 4

4 3 3 2 2 1 1

0 b X b X b X b X b X b X b

Y

Sau khi loại bỏ các hệ số không có ý nghĩa bằng chuẩn Student và kiểm định tính tương thích của phương trình hồi quy với thực nghiệm chuẩn bằng chuẩn Fisher (độ tin cậy P = 0,95), tiến hành xác định giá trị tối ưu của các thông số bằng phần mềm Maple 7.0

Bảng 2.1 Các mức và khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng đến

hiệu suất thu hồi tinh dầu

Yếu tố

Ký hiệu

g biến thiên

Mức trên +1

Mức

cơ sở

0

Mức dưới –1

2.2.6 Thử nghiệm quy trình chưng cất- Đánh giá hiệu suất và chất lượng

tinh dầu thu được

2.2.6.1 Thử nghiệm quy trình chưng cất - Đánh giá hiệu suất thu hồi tinh

dầu

Tiến hành 3 thí nghiệm song song tách chiết tinh dầu từ vỏ bưởi nguyên liệu trong điều kiện tối ưu đã xác lập

Sau khi chưng cất, để lắng hỗn hợp trong ống ngưng tụ đến khi tách hẳn thành

2 pha riêng biệt Đọc thể tích tinh dầu trên ống ngưng tụ

Hiệu suất thu hồi tinh dầu được tính theo công thức:

% 100 )

/ (

Trong đó:

: Hiệu suất thu hồi tinh dầu (%)

VTD : Thể tích tinh dầu thu được (ml)

mNL: Khối lượng nguyên liệu (tươi hay khô) đem chưng cất

2.2.6.2 Xác định các tính chất lý- hóa cơ bản của tinh dầu

Lượng tinh dầu sau khi chưng cất và làm khan như trên được đem xác định các chỉ số lý-hóa như sau:

- Xác định tỷ trọng ở 20 0 C (d20): phương pháp khối lượng, dùng bình đo tỷ trọng (Phụ lục 2)

- Xác định chỉ số acid (IA), chỉ số ester (IE) và chỉ số xà phòng hóa (IS) :

phương pháp chuẩn độ (Phụ lục 2)

2.2.6.3 Định danh các cấu tử có trong tinh dầu vỏ bưởi

Phát hiện sự có mặt của các cấu tử có trong tinh dầu vỏ bưởi tại Trung tâm Phân tích và Phân loại hàng hoá xuất khẩu nhập khẩu Miền Trung (số 10 Ngô Quyền, quận Sơn Trà, thành phố Đà Nẵng) trên thiết bị sắc ký khí – ghép khối phổ

2 lần (GC/MS/MS), trong đó: thiết bị GC model G3440A (Agilent Technologies,

USA), detector MS model Quattro microTMGC (Waters, USA)