Nghiên cứu tách chiết tinh dầu từ lá quất

Mục đích nghiên cứu của đề tài là xây dựng quy trình công nghệ thích hợp cho việc chiết xuất tinh dầu từ lá Quất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước đồng thời đánh giá chất lượn

Trang

LỜI CẢM ƠN - i

DANG MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT - ii

DANH MỤC BẢNG - ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ - iii

LỜI MỞ ĐẦU -1

Chương I TỔNG QUAN -2

1.1 Giới thiệu chung về cây Quất - 2

1.1.1 Nguồn gốc và phân bố - 2

1.1.2 Các vùng ở Việt Nam trồng nhiều Quất - 2

1.1.3 Đặc điểm thực vật - 2

1.1.4 Công dụng của cây Quất - 3

1.2 Tổng quan về tinh dầu - 4

1.2.1 Khái niệm về tinh dầu - 4

1.2.2 Phân loại các thành phần có trong tinh dầu - 4

1.2.3 Tính chất vật lý và hóa học chung của tinh dầu - 7

1.2.4 Vai trò của tinh dầu trong đời sống thực vật - 7

1.2.5 Sinh tổng hợp tinh dầu trong cơ thể thực vật -10

1.2.6 Ứng dụng của tinh dầu -13

1.3 Các phương pháp sản xuất tinh dầu -13

1.3.1 Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước -14

1.3.2 Các phương pháp khác -17

1.3.2.1 Phương pháp chiết -17

1.3.2.2 Phương pháp ướp -18

1.3.2.3 Phương pháp ngâm -18

1.3.2.4 Phương pháp ép -19

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới -20

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước -21

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - 22

2.1 Đối tượng nghiên cứu -22

2.1.1 Nguyên liệu chính -22

2.1.2 Dụng cụ - thiết bị - hóa chất -22

2.2 Phương pháp nghiên cứu -23

2.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu -23

2.2.2 Phương pháp chưng cất -23

2.2.3 Dự kiến quy trình tách chiết tinh dầu từ lá Quất -24

2.2.4 Bố trí thí nghiệm -26

2.2.4.1 Thí nghiệm xác định hàm lượng NaCl bổ sung trong nước ngâm, chiết -26

2.2.4.2 Thí nghiệm xác định tỉ lệ nước/nguyên liệu -27

2.2.4.3 Thí nghiệm xác định thời gian ngâm muối -28

2.2.4.4 Thí nghiệm xác định thời gian chưng cất -30

2.2.5 Phương pháp xác định hàm lượng ẩm trong nguyên liệu Quất -31

2.2.6 Phương pháp xác định các chỉ số hóa-lý và định danh các cấu tử thành phần của tinh dầu -31

2.2.7 Phương pháp xác định tỉ lệ khối lượng tinh dầu -32

2.2.8 Phương pháp xử lý số liệu -32

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN - 33

3.1 Kết quả xác định hàm lượng NaCl trong nước ngâm, chiết -33

3.2 Kết quả xác định tỉ lệ nước/nguyên liệu (v/w) thích hợp -34

3.3 Kết quả xác định thời gian ngâm nước thích hợp -36

3.4 Kết quả xác định thời gian chưng cất thích hợp -37

3.7 Kết quả xác định tỉ lệ khối lượng tinh dầu -41

3.8 Kết quả đánh giá tính chất cảm quan và xác định các chỉ số lý- hóa của sản phẩm -41

3.8.1 Mô tả tính chất cảm quan sản phẩm -41

3.8.2 Kết quả xác định các chỉ số hóa- lý của sản phẩm -42

3.9 Kết quả xác định thành phần hóa học của tinh dầu -43

3.10 Tính toán sơ bộ giá thành sản phẩm trong phòng thí nghiệm -46

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 47

1 Kết luận -47

2 Kiến nghị -47

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 48

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô trong Khoa Công Nghệ Thực Phẩm đã hết lòng giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức cơ bản về lĩnh vực công nghệ thực phẩm – là hành trang giúp em trở thành kỉ sư làm việc trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm

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

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

đề tài NCKH và thầy Vũ Duy Đô trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Qua đây, em cũng gởi lời cảm ơn chân thành tới các anh chị - chuyên viên ở Trung tâm Phân tích thí nghiệm thực hành, Đường số 2 Nguyễn Văn Thủ, Q.1, TP Hồ Chí Minh

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 2012

Sinh viên thực hiện

PHAN ANH QUỐC

Bảng 3.6 Ước tính chi phí nguyên vật liệu để tách tinh dầu từ 10kg lá

Quất

46

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỉ lệ nước bổ sung 28

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian ngâm nguyên liệu 29 Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian chưng cất 30

Hình 3.5 Quy trình hoàn thiện tách chiết tinh dầu từ lá Quất 38

Đồ thị 3.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ nước/lá Quất đến thể tích và tỉ lệ khối

lượng tinh dầu lá thu được

33

Đồ thị 3.2 Thể tích và tỉ lệ khối lượng tinh dầu lá thu được khi dùng

muối ở các nồng độ khác nhau

34

Đồ thị 3.3 Ảnh hưởng của thời gian ngâm nước đến thể tích và tỉ lệ khối

lượng tinh dầu lá thu được

36

Đồ thị 3.4 Tỉ lệ khối lượng tinh dầu lá thu được trong các thời gian

chưng cất khác nhau

37

LỜI MỞ ĐẦU

Tinh dầu thiên nhiên hiện nay là một sản phẩm khá thông dụng trên thị trường

Nó được ứng dụng tương đối phổ biến trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm, y học, mỹ phẩm và một số lĩnh vực khác…

Hiện nay, có nhiều phương pháp để chiết rút tinh dầu từ thực vật, trong đó có phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước đơn giản, dễ thực hiện và cho hiệu xuất thu hồi tinh dầu tương đối cao Tinh dầu Citrus được sử dụng phổ biến do nó có mùi thơm

dễ chịu, có tác dụng trị cảm, giảm stress và thanh nhiệt…Quất thuộc họ Citrus nhưng

chưa có công trình nào được nghiên cứu sâu về nó, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền để sản xuất tinh dầu có giá trị kinh tế cao Được sự đồng ý của Khoa Công Nghệ Thực Phẩm, dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Duy Đô, em đã nghiên cứu và thực

hiện đề tài:“Nghiên cứu tách chiết tinh dầu từ lá Quất”

Mục đích nghiên cứu của đề tài là xây dựng quy trình công nghệ thích hợp cho việc chiết xuất tinh dầu từ lá Quất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước đồng thời đánh giá chất lượng và khả năng ứng dụng làm hương liệu của nó

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 lá Quất 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 lá Quất

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 2012

Sinh viên thực hiện

PHAN ANH QUỐC

Chương I TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về cây Quất [19]

Quất ở Miền Nam Việt Nam gọi là tắc, danh pháp hai phần: Citrus japonica

(Japonica) là một giống Kim Quất, và là giống hay được trồng nhất trong các giống Kim Quất

1.1.1 Nguồn gốc và phân bố [19]

Cây có nguồn gốc từ Trung Quốc, Nhật Bản và chủ yếu được trồng trong chậu

để làm cảnh trong dịp tết cổ truyền của một số nước Châu Á như: Việt Nam, Trung Quốc, Nhật Bản…

1.1.2 Các vùng ở Việt Nam trồng nhiều Quất

Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa, nên thích hợp cho cây Quất phát triển Cây Quất được trồng với mục đích là làm cây cảnh trong ngày Tết cổ truyền của VIệt Nam Nó tượng trưng cho sự no ấm, đầy đủ, thịnh vượng nên được nhiều người mua về làm cảnh trong những ngày Tết

Có thể nói cây Quất được trồng phổ biến khắp cả nước Chẳng hạn:

- Các tỉnh ở phía Bắc: Hà Nội, Hưng Yên, Nam Định, Hải Phòng, Quãng Ninh…

- Các tỉnh miền Nam Trung Bộ: Bình Định, Khánh Hòa, Phú Yên…

- Các tỉnh ở Tây Nam Bộ: TP.Hồ Chí Minh, Long An, Tiền Giang…

1.1.3 Đặc điểm thực vật [18]

- Cây gỗ nhỏ, phân cành nhiều,có thể tạo dáng dễ dàng

- Lá đơn, hình tròn hay ovan, nhẵn bóng, hình nêm ở gốc, có thu hẹp hay lõm ở đỉnh nguyên

- Thân hình tròn, thường không có gai, hoa mọc đơn hay mọc chùm, màu trắng, nhị hoa nhiều dính nhau ở gốc và ngắn hơn cảnh hoa

- Quả hình cầu hay hình trứng, có thể lõm ở đáy quả Quả có màu xanh khi còn non và màu vàng sáng khi chín Quả có 3-7 múi có 2-3 hạt, hạt đa phôi hay đơn phôi

- Rễ cọc nếu được gieo từ hạt; rễ chùm nếu được chiết hay giâm Rễ quất thường ăn nông

1.1.4 Công dụng của cây Quất [17]

Quất là cây cảnh có dáng đẹp, tán lá xanh thẩm, quả màu vàng da cam sáng rực, nên được nhiều người ưa chuộng trong ngày Tết

Không những vậy, sau khi chơi Tết xong các bộ phận của cây Quất còn có tác dụng chữa bệnh rất hữu ích Sau đây là các công dụng của cây Quất

- Hoa Quất: Có tính ôn, vị cay, ngọt, đắng, có tác dụng lưu thông khí huyết

- Trái Quất: Theo đông y trái quất có vị chua ngọt tính ấm vào hai kinh tỳ và vị

có tác dụng xúc tiến chức năng tiêu hóa chống đầy tức, dùng chữa các chứng ho do phong hàn, vùng thượng vị đầy tức, đau dạ dày, bụng chướng nổi hòn cục, nôn mửa, chán ăn, phụ nữ sau khi sinh bị đau bụng, giải độc, giải rượu…

- Hạt Quất: Có vị chua cay tính bình, dung chữa các bệnh về mắt, viêm họng,

tiêu hạch…

- Lá Quất: Có vị đắng tính lạnh, vào các kinh, can tỳ và phế có tác dụng điều

hòa cải thiện chức năng gan, kích thích tiêu hóa, chống nôn, tiêu hạch…

- Rễ Quất: Có vị chua cay tính ấm có tác dụng chữa đau dạ dày nôn ra thức ăn,

nấc nghẹn, mụn nhọt…

1.2 Tổng quan về tinh dầu [2 ,5, 8, 14, 15]

1.2.1 Khái niệm về 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 )

b) Bộ khung terpenoid cơ bản a) Phân tử isopren

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 [5]

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 [8]

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 [14]

Có nhiều cách phân loại tinh dầu theo bản chất hóa học sau đây là các cách phân loại

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 Công thức hóa học của một số hợp chất thường có trong tinh dầu

1.2.3 Tính chất vật lý và hóa học chung của tinh dầu [5, 14]

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 Tuy nhiên, cũng có một vài tinh dầu có khối lượng riêng lớn hơn nước (như tinh dầu quế, tinh dầu đinh hương…)

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 Vai trò của tinh dầu trong đời sống thực vật [16]

Vấn đề về vai trò của tinh dầu trong đời sống của cây đã được đề cập tới trong rất nhiều công trình nghiên cứu Theo quan niệm được trình bày trong các công trình khác nhau, vai trò của tinh dầu được quy tụ trong các nội dung sau đây:

Theo Ph X Tanaxienco, 1985:

- 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, thúc đẩy sự vận chuyển nước, tăng hiệu quả của các phản ứng enzym

Theo Charabot cho rằng tinh dầu đóng vai trò như các chất dự trữ trong cây, nó

có khả năng vận chuyển đến các phần khác nhau của cây, tại đây tinh dầu được sử dụng như một nguồn năng lượng hay tạo thành các sản phẩm mới có cấu trúc gần với

nó

Theo quan điểm của Tschirch (1925) trong đời sống của cây, tinh dầu giữ vai trò quan trọng (tuy nhiên, theo tác giả chưa thể biết rõ đó là vai trò gì) và vì vậy không nên xếp tinh dầu vào nhóm các chất tiết một cách tuyệt đối Khác với Charabot, Tschirch cho rằng đôi khi tinh dầu được “lưu giữ lại” trong các bể chứa tinh dầu và không tham gia vào các phản ứng tiếp theo

Theo Coxtrisep X P (1937) cho rằng tinh dầu có thể được xếp vào 2 nhóm chức năng:

- Nhóm các tinh dầu có chức năng sinh lý được cây sử dụng trong quá trình sinh trưởng

- Nhóm các tinh dầu không có chức năng sinh lý, không được cây sử dụng, chúng đơn thuần chỉ là các chất tiết của cơ thể và được tích lũy trong các bể chứa tinh dầu

Như vậy, theo quan điểm này, các thành phần của tinh dầu được tích lũy trong tuyến tiết không có vai trò sinh lý trong hoạt động sống của cây Trong khi đó theo quan điểm thông thường, tinh dầu thực vật chính là sản phẩm của quá trình tổng hợp và tích lũy do các cơ quan tiết đảm nhiệm

Những năm sau này, khi dùng carbon đánh dấu để nghiên cứu quá trình chuyển hóa tinh dầu trong cơ thể sống, 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

Những năm gần đây, vai trò sinh lý của tinh dầu trong đời sống thực vật được thống nhất trong hầu hết các tài liệu đã công bố Tuy nhiên, chức năng cụ thể của từng hợp chất còn phải được nghiên cứu sâu hơn

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 acid có phân tử lượng thấp, rượu, các aldehid mạch vòng…là những nguyên liệu khởi đầu để tổng hợp hàng loạt các chất có hoạt tính sinh học Trong thành phần của tinh dầu, có thể gặp hàng loạt các chất khởi nguyên nói trên: các acid hữu cơ thường gặp gồm: acid acetic, acid valerianic, acid isovalerianic …, và các rượu tương ứng với chúng; ngoài ra còn thường gặp các aldehid, các ester, một số terpenoid như geraniol, linalool, pharnesol, nerolydol… Đó

là những hợp chất liên quan tới nhiều kiểu cấu trúc hóa học khác nhau và tham gia vào các hệ thống đồng hóa khác nhau Trong thành phần tinh dầu còn thường thấy các hợp chất có nhân thơm như aneton, pheniletilnol, benzaldehid, vanilin, thậm chí cả các hợp chất có chứa nitơ và lưu huỳnh Vì vậy không thể lý giải vai trò của tinh dầu một các chung chung hoặc nhìn nhận vấn đề chỉ trong một vài giả thuyết cụ thể nào đó 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 có cấu trúc gần nhau

Hiện nay, các bằng chứng xác đáng chủ yếu tập trung vào sự tham gia của các thành phần tinh dầu trong quá trình trao đổi chất, có nghĩa là tinh dầu tham gia vào các quá trình sinh lý hóa bên trong tế bào Và nhiều kết quả nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng, một số dạng terpenoid của tinh dầu như các geraniol, linalool, farnesol … thường có mặt trong hầu hết các cơ thể sống ở tất cả các mức độ tiến hóa khác nhau, từ các vi sinh vật, các loài thực vật bậc thấp, thực vật bậc cao, đến cả động vật cũng như con người Các terpen được hình thành từ 2,3 hoặc nhiều phân tử isopren (C5H6) và isopren lại là một trong những hợp chất cơ sở để tạo thành các carotenoid, các steroid

và cao su Các kết quả nghiên cứu tiếp theo đã xác nhận rằng, quá trình sinh tổng hợp trong mọi cơ thể thực vật đều bắt nguồn từ hợp chất ban đầu là acid acetic qua các sản phẩm trung gian là acid mevalonic, isopentenil pirophosphat đến geranil và farnesil phosphat Bằng thực nghiệm, người ta đã chứng minh được các chuỗi carbon trong các phân tử geraniol, linalool, farnesol và nerolidol là những sản phẩm trung gian chủ yếu trong quá trình sinh tổng hợp các terpenoid có hoạt tính sinh học như các phyton, hocmon steroid, acid mật, các vitamin D, vitamin K, vitamin E, các carotenoid, các chất kích thích sinh trưởng thuộc nhóm giberilin…Một số hợp chất thường gặp trong thành phần của tinh dầu như linalool, farnesol, nerolidol…luôn có mặt trong hầu hết các hoạt động sống của cây

1.2.5 Sinh tổng hợp tinh dầu trong cơ thể thực vật [16]

Hiện tồn tại hai giả thuyết về quá trình tổng hợp và tích lũy tinh dầu:

- Một số tác giả cho rằng tinh dầu được tổng hợp ở các tế bào không phụ thuộc cấu trúc tiết và chuyển dần vào tuyến tiết Theo quan điểm này, cấu trúc tiết được coi như cơ quan đảm nhận vai trò tích lũy sản phẩm Cơ sở của giả thuyết trên chủ yếu dựa trên các kết quả quan sát thấy sự có mặt của một số giọt tinh dầu và một số men tham gia vào quá trình tổng hợp tinh dầu ở các tế bào nằm ngoài tuyến tiết Liên quan tới giả thuyết nói trên, nhiều nhà khoa học đã chứng minh mối liên quan trực tiếp giữa tinh dầu với các hợp chất hữu cơ khác trong mô thực vật: lignin, glucosid …

- Những năm sau này, với các phương tiện nghiên cứu hiện đại, hầu hết các tác giả đã thừa nhận rằng, cấu trúc tiết là cơ quan chuyên hóa làm nhiệm vụ tổng hợp và tích lũy tinh dầu Theo quan điểm này, các tế bào tiết (nằm trong thành phần cấu trúc tiết) làm nhiệm vụ tổng hợp tinh dầu, và theo một cơ chế nào đó, tinh dầu được vận chuyển, tập trung ở cấu trúc chuyên biệt gọi là khoang chứa tinh dầu Bằng chứng của giả thuyết này được các tác giả nêu ra bởi sự có mặt đầy đủ tất cả các hệ men tham gia tổng hợp tinh dầu trong các tế bào của cấu trúc tiết Cho đến nay hầu như không có nhà nghiên cứu nào nghi ngờ giả thuyết này, tuy nhiên không ít vấn đề liên quan còn chưa được sáng tỏ hoàn toàn Trước hết, khi thừa nhận vai trò sinh học của tinh dầu trong

đời sống thực vật, đồng thời cũng thừa nhận có sự vận chuyển tinh dầu từ trong cấu trúc tiết ra các mô xung quanh để tham gia vào các quá trình chuyển hóa, vậy tại sao không có sự vận chuyển ngược lại?

Nhiều năm trở lại đây, hầu hết các nhà nghiên cứu theo hướng này đều tập trung làm sáng tỏ sự định khu của các phản ứng Vấn đề dễ thừa nhận là sự 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

Mỗi phản ứng cần một hệ thống men xác định, vì vậy nghiên cứu sự có mặt của các hệ men cụ thể ở các cơ quan khác nhau có thể là cơ sở để nghiên cứu sự định khu của các phản ứng Cho đến nay, vẫn tồn tại hai quan điểm về sự định khu của các phản ứng tổng hợp:

- Đa số các tác giả khi nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp tinh dầu đã cho rằng mỗi hợp chất được tổng hợp ở một cơ quan nhất định Điều đó có nghĩa là ở mỗi cơ quan tử có thể bao gồm một hệ thống men đảm bảo cho một loạt phản ứng xảy ra

- Một số tác giả khác lại đề xuất giả thuyết “dây chuyền phản ứng” Theo quan điểm này, mỗi hợp chất trước khi được đưa vào tích lũy trong khoang chứa cần phải qua các phản ứng ở nhiều cơ quan tử khác nhau Giả thuyết này dựa trên sự có mặt rất hạn chế các hệ men ở các cơ quan khác nhau Từ những số liệu trên, các nhà nghiên cứu cho rằng mỗi cơ quan tử chỉ phụ trách một hoặc một số ít các phản ứng hóa học xác định và quá trình tổng hợp các hợp chất xảy ra theo một dây chuyền liên tục từ cơ quan tử này sang một cơ quan tử khác

Mặc dù các vấn đề được đặt ra còn có nhiều bất đồng, song những 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 Đồng thời cũng thống nhất rằng, hệ thống ống nội bào có nhiệm

vụ thu hồi và vận chuyển các hợp chất tinh dầu tới khoang chứa

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

Quá trình tổng hợp tinh dầu được điều khiển chặt chẽ bởi hệ thống gen, tuy nhiên hoạt hóa các tổ hợp gen lại có mối liên quan khá chặt chẽ với điều kiện ngoại cảnh Vì vậy, quá trình tổng hợp tinh dầu trong cây là kết quả của hiệu ứng “kiểu gen – môi trường” 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 trong trường hợp này rõ ràng nguyên liệu cho quá trình tổng hợp là các sản phẩm trung gian của quá trình hô hấp

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 và cần phải nghiên cứu tiếp tục trong thời gian tới

Hình 1.5 Hình ảnh sự tập trung của tinh dầu trong lá

1.2.6 Ứng dụng của tinh dầu [5]

1.2.6.1 Trong công nghệ thực phẩm

Tinh dầu giữ vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất các loại bánh kẹo, thức uống Mặc dù sử dụng với lượng vô cùng nhỏ và dưới những dạng khác nhau, tinh dầu đã góp phần tạo hương cho các loại thức ăn, đồ uống, làm cho chúng thêm phần hấp dẫn Gần đây, nhờ hoạt tính kháng vi sinh vật và khả năng chống oxi hóa 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 [4, 5, 14]

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 lôi cuốn hơi nước (Hydrodistillation)

1.3.1.1 Nguyên lí của phương pháp

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 gặp lạnh tại ống sinh hàn và 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

Hình 1.6 Thiết bị chưng cất lôi cuốn hơi nước cổ điển

1.3.1.2 Những yếu tố chính ảnh hưởng đến 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

1.3.1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp

a Ưu điểm

- Phương pháp này đơn giản dễ làm

- Thiết bị rẻ tiền, gọn và dễ chế tạo

- Phù hợp với những cơ sở sản xuất nhỏ, vốn đầu tư ít

- Quy trình kỹ thuật tương đối đơn giản

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

- Thời gian chưng cất tương đối nhanh

- Khó điều chỉnh các thông số kỹ thuật như tốc độ và nhiệt độ chưng cất

- 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 Các phương pháp khác

1.3.2.1 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 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

a 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

 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

b 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

1.3.2.2 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

1.3.2.3 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

1.3.2.4 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 Tình hình nghiên cứu về tinh dầu họ Citrus

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới [7, 8, 10, 14]

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 Chẳng hạn như, Lin và Rouseff (2001) và Napapor Thavanapong thuộc khoa Dược, Đại học Silpakorn, Thái Lan (2006) đã nghiên cứu về tinh dầu Bưởi bằng phương pháp ép lạnh; 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); 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

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước [2, 3, 5, 6]

Công trình nghiên cứu “Khảo sát tinh dầu vỏ trái giống Citrus họ Rutaceae” của Nguyễn Minh Hoàng (2006) hay “Tách tinh dầu và alkaloid từ quả Quất (Citrus japonica Thumb.)” của Nguyễn Thị Lý và cộng sự…

Trịnh Hoàng Hiếu, Nguyễn Thị Thảo Trân, Lê Ngọc Thạch (2009) “Khảo sát tinh dầu vỏ trái và lá tắc (Fortunella japonica “) - Trường ĐH khoa học tự

nhiên, ĐH quốc gia TP.Hồ Chí Minh Đề tài này tiến hành khảo sát tinh dầu vỏ trái và lá tắc, trên nhiều lĩnh vực: hiệu suất tối ưu theo các phương pháp ly trích, chỉ số vật lý và hoá học, thành phần hóa học và hoạt tính sinh học

Đề tài tốt nghiệp Đại học “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” (2010) của Sinh viên Nguyễn Đắc Phát Trường Đại học

Nha Trang

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

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 lá Quất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

- Áp dụng quy trình để thu nhận tinh dầu từ lá Quất 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: lá Quất

(Citrus japonica Thumb) có nguồn gốc từ các tỉnh phía Nam và được thu mua

từ TP.HCM Nguyên liệu tươi, không bị nấm mốc và lá xanh tươi, đạt độ trưởng thành và không bị sâu bệnh

Hình2.1 Lá Quất

2.1.2 Dụng cụ - thiết bị - hóa chất

a Dụng cụ thiết bị

- Cân kỹ thuật 1 mg (Shimadzu, Nhật)

- Cân kỹ thuật 1 g (Việt Nam)

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

- 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 1000C (Memmert , Đức)

- Tủ lạnh trữ mẫu -200C

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

- Buret, pipet, bình tam giác, cốc thủy tinh, đũa thủy tinh

- 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)

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu

Lá Quất chọn những lá tươi đạt độ trưởng thành không bị sâu bệnh, đem đi rửa sạch rồi để ráo nước, sau đó thì đem đi cân chính xác 100g /mẫu rồi cho vào túi polyetylen cột kín để hạn chế sự xâm nhập của không khí Rồi đem nguyên liệu bảo quản ở nhiệt độ -200C cho đến khi nghiên cứu

2.2.2 Phương pháp chưng cất

Sử dụng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước 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

Ưu- nhược điểm của phương pháp chưng cất:

a) Ưu điểm

- Quy trình kỹ thuật tương đối đơn giản

- Thiết bị gọn, dễ chế tạo

- 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

2.2.3 Dự kiến quy trình tách chiết tinh dầu từ lá Quất

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình dự kiến tách chiết tinh dầu từ lá Quất

Na2SO4 khan Làm khan

2.2.4 Bố trí thí nghiệm

2.2.4.1 Thí nghiệm xác định hàm lượng NaCl trong nước ngâm, chiết

Mục đích: Theo tham khảo tài liệu, NaCl có tác dụng tốt trong quá trình tách,

chiết tinh dầu vì: NaCl có tác dụng làm tăng khả năng thẩm thấu của nước trong tế bào, làm tăng độ phân cực của dung dịch, nhờ đó làm giảm lực tương tác giữa các cấu tử tinh dầu kém phân cực với nước Nhờ đó, tinh dầu sẽ dễ dàng tách ra trong quá trình chưng cất Nên chúng tôi tiến hành lô thí nghiệm này, nhằm đánh giá xem muối có tác dụng tốt trong quá trình tách chiết tinh dầu lá Quất hay không

Bố trí thí nghiệm xác định theo hình 2.3

Chưng cất (1h)

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định hàm lượng NaCl bổ sung trong nước

ngâm,chiết

Đánh giá tỷ lệ khối lượng tinh dầu thu được, chọn hàm lượng NaCl thích hợp

Tinh dầu thô Phân ly

Cách tiến hành:

Lấy 100g nguyên liệu đã xử lý cho vào máy xay điện, thêm vào đó một lượng nước cất với tỷ lệ nước/nguyên liệu được chọn ở lô thí nghiệm này là: 6/1 (v/w) Thêm NaCl vào ở các nồng độ biến thiên lần lượt là: 0%, 2,5%, 5%, 7,5% 10% (w/v) Sau

đó, xay nguyên liệu trong 2 phút Tiếp tục chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chưng cất và chưng cất hỗn hợp trong 60 phút dưới áp suất khí quyển Hỗn hợp sau khi gia nhiệt sẽ bay hơi và đi qua ống sinh hàn Tại đây, tinh dầu sẽ ngưng tụ sau khi gặp lạnh, sau đó sẽ phân li thành 2 lớp: lớp trên là tinh dầu, lớp phía dưới là nước Đọc thể tích tinh dầu tách ra trên ống ngưng tụ có vạch đo và so sánh Từ

đó, chọn nồng độ NaCl thích hợp

2.2.4.2 Thí nghiệm xác định tỉ lệ nước/nguyên liệu

Mục đích: Nước có tác dụng thẩm thấu vào các mô nguyên liệu, sau đó sẽ hòa

tan, khuếch tán và lôi cuốn các hợp chất hữu cơ trong tinh dầu, có tác dụng phá vỡ hệ keo xung quanh tinh dầu, tạo điều kiện cho tinh dầu thoát ra ngoài dễ dàng hơn Tỉ lệ nước nhiều hay ít đều ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi tinh dầu

Thí nghiệm xác định lượng nước bổ sung vào khi ngâm nhằm đánh giá khả năng phân li tinh dầu trong nguyên liệu, đây là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình chưng cất và nó cũng quyết định thời gian cất tối ưu

Sau khi xác định hàm lượng muối bổ sung thích hợp ở thí nghiệm thứ nhất, các thí nghiệm này được tiến hành với lượng nước/nguyên liệu thay đổi theo các tỉ lệ: 3/1; 4/1; 5/1; 6/1; 7/1; 8/1

Cách tiến hành: Lấy 100g nguyên liệu đã xử lý cho vào máy xay, thêm vào đó

một lượng nước cất, trong đó tỷ lệ nước /nguyên liệu thay đổi lần lượt là: 3/1; 4/1; 5/1; 6/1; 7/1; 8/1 (v/w) với hàm lượng NaCl thích hợp được xác định từ lô thí nghiệm trước Xay trong 2 phút để làm mẫu dập nát, tăng diện tích tiếp xúc với môi trường nước thúc đẩy quá trình khuếch tán của tinh dầu Sau đó, chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chưng cất và tiến hành chưng cất hỗn hợp trong 60 phút dưới áp suất khí quyển Đọc thể tích tinh dầu thô tách ra trên ống ngưng tụ (có khắc vạch thể

tích) và so sánh thể tích tinh dầu thu được ở các nồng độ khác nhau như trên Từ đó, chọn tỷ lệ nước/nguyên liệu thích hợp

Sơ đồ thí nghiệm được bố trí thể hiện dưới hình 2.4

2.2.4.3 Thí nghiệm xác định thời gian ngâm muối

Mục đích: Thời gian ngâm là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thể tích tinh

dầu thu được bởi vì sự thẩm thấu của muối và nước hay sự khuếch tán của các cấu tử tinh dầu ra môi trường không thể thực hiện được trong giây lát mà đòi hỏi phải trong một khoảng thời gian nhất định

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỉ lệ nước bổ sung

Lá đã xử lý

Xay

Bổ sung nước với tỉ lệ nước/cái:

Đánh giá tỷ lệ khối lượng tinh dầu thu được, chọn tỉ lệ nước bổ sung thích hợp

Tinh dầu thô

Ngưng tụ

Phân ly

Chưng cất (1h) 4/1 5/1 6/1 7/1

Sau khi xác định được hàm lượng NaCl thích hợp, tỉ lệ nước/nguyên liệu thích hợp, muối và nước sẽ được ngâm chung với nguyên liệu Chúng tôi tiến hành lô thí nghiệm xác định thời gian ngâm nước muối.Thí nhiệm được tiến hành với các thời gian thay đổi như sau: 0h; 1h; 2h; 3h; 4h; 5h

Sơ đồ bố trí thí nghiệm như hình 2.5

Cách thực hiện:

Lấy 100g nguyên liệu đã xử lý 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: 1h; 2h; 3h; 4h; 5h Sau đó, chưng cất hỗn hợp trong 60 phút dưới áp suất khí quyển Tinh dầu sẽ được ngưng tụ và phân ly

NL đã xử lý

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian ngâm nguyên liệu

Chưng cất (1h)

Đánh giá tỷ lệ khối lượng tinh dầu thu được, chọn thời gian ngâm thích hợp

Tinh dầu thô

Ngưng tụ

Phân ly Ngâm với thời gian (h)

sau khi gặp lạnh ở ống sinh hàn 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 Thí nghiệm xác định thời gian chưng cất

Mục đích: Thời gian chưng cất có vai trò quyết định lượng tinh dầu thu hồi Nếu

chưng cất trong thời gian quá ngắn thì lượng tinh dầu trích ly chưa hết hoàn toàn hay

nó vẫn còn tồn tại trong các tế bào tiết, do vậy sẽ làm giảm thể tích tinh dầu thu được Ngược lại, khi chưng cất quá thời gian tối ưu thì vừa tốn thời gian, vừa tổn hao năng lượng và nghiêm trọng hơn là chất lượng tinh dầu thu được cũng bị giảm đi đáng kể

Sơ đồ bố trí thí nghiệm dự kiến như hình 2.6

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian chưng cất

Đánh giá tỷ lệ khối lượng tinh dầu thu được, chọn thời gian chưng cất thích hợp

Tinh dầu thô Ngưng tụ

Phân li

Tiến hành

Sau khi xác định được các thông số tối ưu: hàm lượng NaCl, tỉ lệ nước/nguyên liệu, thời gian ngâm nước muối Chúng tôi tiếp tục tiến hành lô thí nghiệm xác định thời gian chưng cất

Thí nghiệm tiến hành chưng cất nguyên liệu với các khoảng thời gian biến thiên

từ 10 phút, 20 phút, 30 phút…thời gian chưng cất bắt đầu tính khi có giọt tinh dầu đầu tiên rơi xuống ống xi phông, phải chú ý thường xuyên theo dõi và cứ sau 10 phút ghi lại thể tích tinh dầu ngưng tụ cho đến khi thấy thể tích tinh dầu thô thu được bên ống ngưng tụ không tăng được nữa

Lúc đó, tiến hành ngừng quá trình chưng cất và ghi lại thể tích tinh dầu cùng với

thời gian chưng cất mà tại lúc đó tinh dầu không tăng được nữa

2.2.5 Phương pháp xác định hàm lượng ẩm trong nguyên liệu Quất (phụ lục1)

2.2.6 Phương pháp xác định các chỉ số hóa-lý và định danh các cấu tử thành phần của tinh dầu

2.2.6.1 Phương pháp xác định các tính chất lý- hóa cơ bản của tinh dầu

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

lý Xác định tỷ trọng ở 25 0 C (d25): Phương pháp khối lượng, dùng bình đo tỷ

Phát hiện sự có mặt của các cấu tử có trong tinh dầu lá Quất tại Trung tâm Dịch

vụ Phân tích Thí nghiệm Thành phố Hồ Chí Minh (số 02 Nguyễn Văn Thủ, Quận 1, Tp.HCM) trên thiết bị sắc ký khí – ghép khối phổ Việc định danh các thành phần trong tinh dầu được thực hiện bằng cách dùng phần mềm cài đặt sẵn trên máy để so sánh các

phổ full-MS và MS/MS của từng cấu tử tách ra trên sắc ký đồ với các phổ chuẩn có trong thư viện phổ

Mức độ phù hợp giữa chất có trong mẫu nghiên cứu và chất đề nghị được tính bằng đại lượng độ tương thích Độ tương thích càng cao thì kết quả định danh càng chính xác Khi phổ khối của một chất phân tích hoàn toàn giống với phổ khối của một chất chuẩn trong thư viện thì độ tương thích là được biểu thị là 1.000 Độ tương thích đạt trên 800 được xem là cho kết quả có độ tin cậy cao

2.2.7 Phương pháp xác định tỉ lệ khối lượng tinh dầu

Tinh dầu sau khi chưng cất, để lắng hỗn hợp trong ống ngưng tụ đến khi tách hẳn thành 2 pha riêng biệt: Pha nằm phía trên là tinh dầu, pha phía dưới là nước Đọc thể tích tinh dầu trên ống ngưng tụ có vạch đo thể tích Rồi tiến hành xác định tỉ lệ khối lượng tinh dầu tách chiết được

Tỉ lệ khối lượng tinh dầu thu hồi được tính theo công thức:

% 100

NL

TD TDm

d V





Trong đó:

 : Tỉ lệ khối lượng tinh dầu thu hồi tinh dầu (%)

VTD : Thể tích tinh dầu thu được (ml)

TD

d : Tỷ trọng của tinh dầu (g/ml)

m NL : Khối lượng nguyên liệu đem đi chưng cất (g)

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Kết quả xác định hàm lượng NaCl trong nước ngâm, chiết

Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.1(bảng PL 3.1)

0.4

0.3 0.28

0.6

0.47

0.35 0.37

Hình 3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng NaCl trong nước ngâm, chiết

đến thể tích và tỉ lệ khối lượng tinh dầu lá thu được

Nhìn chung, muối có tác dụng tốt trong quá trình chưng cất nhưng còn tùy vào loại nguyên liệu sử dụng Đối với lá Quất có một số đặc điểm đáng lưu

ý như sau: Do tinh dầu lá có tỉ lệ hòa tan trong cồn 900 Do ở phần tinh dầu lá Quất có chứa nhiều gốc phân cực nên khi cho muối vào sẽ làm tăng khả năng hòa tan các cấu tử này và làm giảm thể tích tinh dầu thu được Hơn nữa, tinh dầu lá Quất có chứa nhiều hợp chất este có khả năng sôi và bay hơi ở nhiệt độ thấp nên việc cho muối vào sẽ làm tăng nhiệt độ sôi, điều này là không cần thiết vì nó sẽ thúc đẩy sự phân hủy các cấu tử này và làm tổn hao lượng tinh dầu có thể thu hồi Vì vậy, trong quá trình chưng cất tinh dầu lá Quất sẽ không

sử dụng muối NaCl

3.2 Kết quả xác định tỉ lệ nước/nguyên liệu (v/w) thích hợp

Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.2 (bảng PL 3.2)

0.4

0.6

0.50.38

0.470.45

0.470.56

0.370.36

0.7 0.6

Hình 3.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ nước/lá Quất đến thể tích và tỉ lệ khối lượng

tinh dầu lá thu được