KHẢO SÁT TINH DẦU MỘT SỐ GIỐNG CÂY THUỘC HỌ RUTACEAE MIỀN NAM VIỆT NAM. CÔ LẬP LIMONEN VÀ TỔNG HỢP MỘT SỐ DẪN XUẤT THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP MỚI

ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Lần đầu tiên, tinh dầu vỏ trái và lá thuộc giống Citrus, Citrofortunella, và tinh dầu lá Murraya thuộc họ Rutaceae trồng và mọc tại miền nam Việt Nam được khả

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ THẢO TRÂN

KHẢO SÁT TINH DẦU MỘT SỐ GIỐNG CÂY THUỘC HỌ RUTACEAE MIỀN NAM VIỆT NAM

CÔ LẬP LIMONEN VÀ TỔNG HỢP MỘT SỐ DẪN XUẤT THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP MỚI

Chuyên ngành: HÓA HỮU CƠ

Mã số chuyên ngành: 62.44.27.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Tp Hồ Chí Minh – Năm 2012

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Hóa Hữu cơ, Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Tp

Hồ Chí Minh và Khoa Khoa học Đời sống, Đại học Roskilde, Đan Mạch

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS LÊ NGỌC THẠCH

Phản biện 1: GS.TSKH NGUYỄN CÔNG HÀO

vào lúc giờ ngày tháng 07 năm 2012

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp Hồ Chí Minh

- Thư viện Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

2.2.1 Khảo sát tinh dầu

2.2.1.1 Tuyến tinh dầu

2.2.1.2 Hàm lượng tinh dầu

2.2.1.3 Tính chất vật lý và hóa học của tinh dầu

2.2.1.4 Thành phần hóa học của tinh dầu

2.2.1.5 Hoạt tính sinh học của tinh dầu

ĐẶT VẤN ĐỀ

Tính cấp thiết của đề tài:

- Giống cây Citrus – họ Rutaceae: nguồn thực vật phong phú đặc biệt là ở miền Nam Việt Nam; được xem là giống cây chủ

lực đã và đang phát triển rất mạnh ở các vùng đồng bằng sông Cửu Long Tính đến nay, khối lượng công trình nghiên cứu trên thế giới đã đạt đến con số khổng lồ so với Việt Nam Các công trình nghiên cứu tinh dầu mang tính chất rời rạc, ngẫu nhiên, đặc biệt là chưa có công trình về tinh dầu lá

- Giống cây Murraya – họ Rutaceae: trong đó loài càri và

nguyệt quới được xem là giống cây phổ biến ở Việt Nam Tuy nhiên rất ít công trình công bố về tinh dầu giống cây này ở Việt Nam

- Limonen: một hợp chất có giá trị kinh tế cao, được xem là sản

phẩm phụ trong quá trình sản xuất nước ép trái Citrus, đang bị

bỏ quên và lãng phí ở Việt Nam

- Dẫn xuất limonen: có giá trị kinh tế cao, đặc biệt là các hợp chất sử dụng trong ngành mỹ phẩm

- Tình trạng ô nhiễm môi trường do các chất thải công nghiệp

và hóa học đang ở mức báo động toàn cầu

- Vấn đề “xanh hóa” phòng thí nghiệm là một trong những mục tiêu các nhà hóa học đang hướng đến để góp phần bảo vệ môi trường Cụ thể các phản ứng không dung môi; sử dụng xúc tác xanh – dễ tái sử dụng – phổ biến; ứng dụng các phương pháp kích hoạt bằng vi sóng, siêu âm để tiết kiệm thời gian – năng lượng đang được đánh giá cao

Mục tiêu nghiên cứu:

- Hệ thống hóa thông tin về tinh dầu một số giống cây họ

Rutaceae (Citrus, Citrofortunella, Murraya) trồng phổ biến ở

miền Nam Việt Nam

- Cô lập limonen, thành phần chính của tinh dầu vỏ trái Citrus

để làm rõ hơn tầm quan trọng của nguồn cung cấp limonen từ

tự nhiên này

- Bán tổng hợp các dẫn xuất có giá trị của limonen với phương pháp xanh hơn (phản ứng không dung môi, sử dụng xúc tác xanh – motmorillonite, áp dụng vi sóng – siêu âm vào quá trình kích hoạt phản ứng, …) đáp ứng yêu cầu giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng, thời gian cho ngành tổng hợp hữu cơ

ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

Lần đầu tiên, tinh dầu vỏ trái và lá thuộc giống Citrus, Citrofortunella,

và tinh dầu lá Murraya thuộc họ Rutaceae trồng và mọc tại miền nam

Việt Nam được khảo sát một cách hệ thống hóa với đầy đủ thông tin

về hàm lượng, chỉ số vật lý – hóa học, thành phần hóa học và hoạt tính sinh học trên một số chủng vi sinh vật gây bệnh thông thường ở người Ngoài ra, công trình nghiên cứu còn có sự phối hợp với Công

ty TNHH SXTM Hưng Hợp để tận dụng nguồn nguyên liệu vỏ trái tắc

và các sản phẩm phụ khác sau khi ép lấy nước trái để nghiên cứu nhằm làm rõ giá trị, xử lý và tận dụng của nguồn phế thải này

Limonen được cô lập từ tinh dầu vỏ trái giống Citrus và Citrofortunella với thông tin về hiệu suất cô lập và tính chất vật lý

Bán tổng hợp các dẫn xuất của limonen:

- Carvenon: Lần đầu tiên từ oxid 1,2-limonen sử dụng xúc tác xanh – sạch như montmorillonite được điều chế từ đất sét Lâm Đồng - Việt Nam trong điều kiện không dung môi với hiệu suất cao qua phản ứng đồng phân hóa, đặc biệt dưới sự hỗ trợ của vi sóng thời gian phản ứng được rút ngắn đáng kể

- Carvon: Từ qui trình cổ điển của Wallach, chúng tôi đã tiến hành xanh hóa bằng cách sử dụng vi sóng, siêu âm và các xúc tác thân

thiện môi trường nhưng hiệu suất cao và thời gian phản ứng được rút ngắn

- p-Cimen: Lần đầu tiên được bán tổng hợp từ limonen trong điều

kiện không dung môi với xúc tác rắn montmorillonite Việt Nam với hiệu suất tương đối cao, đặc biệt dưới sự hỗ trợ của vi sóng thời gian phản ứng được rút ngắn

- α-Terpineol: Sản phẩm hidrat hóa của limonen Bằng cách áp dụng

chiếu xạ siêu âm (CXSA), chúng tôi đã xanh hóa qui trình của Yoshifumi với kết quả thời gian phản ứng được rút ngắn đáng kể nhưng hiệu suất thu được vẫn tương đối cao

- Giống Citrus, Citrofortunella, Murraya - họ Rutaceae trồng

phổ biến tại miền nam Việt Nam: thực vật học, ứng dụng; các công trình nghiên cứu tinh đã công bố của các tác giả trước

- Limonen: cơ cấu, ứng dụng, sản xuất

- Các dẫn xuất: phương pháp bán tổng hợp từ limonen Các kết

quả nghiên cứu đã được công bố

CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

2.1 Phương pháp nghiên cứu

Ly trích tinh dầu: Phương pháp tiến hành, cách tính hàm lượng, phương pháp phân tích và nhận danh hợp chất

Cô lập limonen: phương pháp ly trích, xác định hiệu suất, độ tinh khiết và các chỉ số hóa lý

Bán tổng hợp các dẫn xuất limonen như carvenon, carvon, p-cimen,

α-terpineol Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng phản ứng (thời gian, nhiệt

độ, tỉ lệ chất nền:xúc tác:dung môi (nếu có), tác nhân phản ứng, phương pháp kích hoạt phản ứng)

Vỏ trái và lá (Citrus, Citrofortunella)

NaOH, MeOH

-Terpineol Trifluoroacetat limonen

CXSA

HOOC-COOH

2.2 Kết quả và bàn luận

2.2.1 Khảo sát tinh dầu

Bảng 2.1.: Liệt kê các loài thuộc giống Citrus, Citrofortunella và

Murraya được sử dụng cho nghiên cứu: tên thông dụng (vùng trồng),

tên khoa học, độ ẩm và cách viết tắt trong luận án

Cơ quan chứa tuyến tinh dầu ở vỏ trái, lá các loài khảo sát thuộc giống

Citrus, Citrofortunella và Murraya giống nhau và đều có dạng túi tiết

(Hình 2.1-2.8) Kết quả này phù hợp với tất cả các kết quả giải phẫu học của các tác giả khác (Hình 2.5)

2.2.1.2 Hàm lượng tinh dầu

Tinh dầu được ly trích bằng phương pháp chưng cất hơi nước theo các cách: đun nóng truyền thống (ĐNTT), chiếu xạ vi sóng có nước (CXVS-CN) và chiếu xạ vi sóng không nước (CXVS-KN)

Bảng 2.2 và Bảng 2.3 Trình bày kết quả khảo sát thể tích nước và,

thời gian chưng cất theo các phương pháp ĐNTT, CN,

CXVS-KN để đạt hàm lượng tinh dầu cao nhất

Vỏ trái Citrus và Citrofortunella (Đồ thị 2.1): Hàm lượng tinh dầu:

- Bưởi Da Xanh, bưởi Năm Roi, bưởi Tân triều đạt tối đa lần lượt là 1.53%, 0.73%, 1.09%

- Cam mật, cam sành đạt tối đa lần lượt là 3.12%, 3.73%

- Chanh ta đạt tối đa 3.14%

- Quýt đường, quýt tiều đạt tối đa lần lượt là 5.27%, 5.67%

- Tắc đạt tối đa 1.50%

Khi áp dụng vi sóng vào quá trình chưng cất hơi nước đa số làm giảm hoặc tăng không đáng kể hàm lượng tinh dầu so với việc sử dụng ĐNTT Điều này có thể lý giải do vi sóng chỉ hấp thu tốt các hợp chất

phân cực trong khi đó đa số tinh dầu vỏ trái Citrus có thành phần hóa

học chủ yếu là các hợp chất hidrocarbon, đặc biệt là limonen (Bảng 1.2) nên không được hỗ trợ tốt bởi quá trình làm nóng bởi vi sóng

Riêng trường hợp chanh ta và quýt tiều, phương pháp chưng cất hơi nước áp dụng CXVS cho hàm lượng tinh dầu cao hơn phương pháp ĐNTT Điều này có thể do thành phần hóa học của tinh dầu vỏ trái chanh ta, quýt tiều có thành phần hợp chất oxigen cao hơn

Tuy nhiên, với phương pháp chưng cất hơi nước, do dung môi dùng

để ly trích là nước, một hợp chất rất phân cực, do đó dưới sự hỗ trợ của vi sóng, các phân tử nước hấp thu vi sóng rất tốt và chuyển động sinh ra nhiệt từ nội bên trong các phân tử nước từ trong hỗn hợp lẫn nước bên trong các tế bào thực vật Chính điều này làm cho thời gian sinh ra nhiệt và hiện tượng vỡ tế bào để nước thoát ra ngoài nguyên liệu rất nhanh dẫn đến thời gian chưng cất qua sự CXVS rất ngắn (CXVS-CN: 20-130 phút, CXVS-KN: 11-25 phút) so với phương pháp ĐNTT (3-10 giờ) Từ đây, cũng cho thấy rằng do thời gian làm nóng nguyên liệu quá nhanh nên với các nguyên liệu cho tinh dầu giàu limonen này, việc áp dụng phương pháp chưng cất CXVS-KN không hiệu quả Bởi lẽ với lượng nước sẵn có trong nguyên liệu quá ít, dẫn đến quá trình sôi và bốc hơi nước diễn ra rất nhanh và ngắn, do đó không đủ thời gian để lôi kéo hết các hợp chất kém phân cực trước khi nguyên liệu bị cháy khét

So sánh với các nghiên cứu khác trong và ngoài nước cho thấy kết quả

khảo sát hàm lượng tinh dầu vỏ trái Citrus, Citrofortunella tương tự

như các kết quả đã công bố trước đây (Bảng 1.2)

Lá Citrus và Citrofortunella: Hàm lượng tinh dầu lá:

- Bưởi đạt cao nhất là 0.05%-0.37%

- Cam mật, cam sành đạt tối đa lần lượt là 0.16%, 0.19%

- Chanh ta đạt tối đa là 1.02%

- Quýt đường, quýt tiều đạt tối đa lần lượt là 0.38%, 0.35%

- Tắc đạt tối đa là 0.61%

So sánh với các kết quả đã công bố trước kia (Bảng 1.2) trên thế giới

cho thấy tinh dầu lá giống cây Citrus, Citrofortunella trồng tại Châu

Âu cũng như tại Việt Nam cũng đều cho hàm lượng gần tương đương nhau

So với phương pháp ĐNTT, hàm lượng tinh dầu lá chưng cất dưới sự

hỗ trợ của vi sóng nhất là CXVS-KN đa số tăng lên và giảm trong một

số trường hợp Điều này có thể lý giải thành phần hóa học của tinh dầu lá chứa nhiều hợp chất phân cực nên được hấp thụ tốt bởi tia vi sóng Chính vì thế các cấu tử trong tinh dầu dễ dàng được làm nóng lên cùng với nước và được lôi kéo ra khỏi nguyên liệu Tuy sự chênh lệch về hàm lượng không đáng kể nhưng về thời gian chưng cất cho thấy sự giảm một cách đáng kể (ĐNTT: 4-8 giờ, CXVS-CN: 35-100 phút, CXVS-KN: 20-50 phút) Như vậy, có thể nói việc áp dụng vi

sóng vào việc chưng cất tinh dầu lá Citrus và Citrofortunella đã phần

nào giúp tăng hiệu quả ly trích cùng với việc giảm được chi phí năng lượng và thời gian một cách đáng kể

Lá Murraya: Kết quả khảo sát sự chưng cất tinh dầu lá Murraya

(Bảng 2.2, Bảng 2.3, Đồ thị 2.3) cho thấy hàm lượng tinh dầu:

- Càri: đạt cao nhất 0.83% trong khoảng thời gian chưng cất 8 giờ

- Nguyệt quới: đạt cao nhất 0.24% trong khoảng thời gian chưng cất 5 giờ

Các kết quả khảo sát chưng cất tinh dầu thu được so sánh với các kết quả công bố về tinh dầu hai loài càri, nguyệt quới trồng tại các vùng trên thế giới (Bảng 1.2) cho thấy hai loài này trồng tại Việt Nam cũng cho hàm lượng tinh dầu tương tự Tinh dầu lá càri chứa chủ yếu các hợp chất hidrocarbon rất kém phân cực nên hàm lượng tinh dầu chưng cất bởi sự CXVS giảm một hơn ½ so với sự ĐNTT Như vậy có thể nói, mặc dù thời gian chưng cất ngắn nhưng việc áp dụng vi sóng vào quá trình chưng cất tinh dầu lá càri không thích hợp Trong trường hợp tinh dầu lá nguyệt quới, khi áp dụng vi sóng vào việc chưng cất cho thấy hàm lượng tinh dầu tăng lên so với phương pháp ĐNTT nhưng không đáng kể Do vậy, có thể dự đoán thành phần hóa học của

tinh dầu lá nguyệt quới giàu hợp chất hidrocarbon Tuy nhiên, việc chưng cất tinh dầu lá nguyệt quới có thể áp dụng ưu thế của CXVS sẽ giúp tiết kiệm năng lượng và thời gian

2.2.1.3 Tính chất vật lý và hóa học của tinh dầu

Việc đánh giá tinh dầu thường áp dụng các kỹ thuật cổ điển lẫn hiện đại Chất lượng và tính chất tinh dầu sẽ thể hiện qua các kỹ thuật phân tích này Các kỹ thuật xác định tính chất giác quan, tính chất vật lý và tính chất hóa học được xem là kỹ thuật phân tích tinh dầu cổ điển

A Tính chất vật lý

Citrus, Citrofortunella: Tinh dầu vỏ trái ly trích bởi phương pháp

chưng cất hơi nước ĐNTT có mùi thơm nhẹ, mùi đặc trưng của từng loài, trong suốt, màu vàng rất nhạt Với phương pháp CXVS, tinh dầu cũng có mùi thơm nhẹ và đặc trưng của từng loài, trong suốt nhưng màu nhạt hơn tinh dầu cổ điển Tinh dầu lá trong suốt, có màu vàng sậm hơn tinh dầu vỏ trái Mùi tinh dầu lá khác hẳn tinh dầu vỏ trái, đặc biệt là tinh dầu lá chanh có mùi giống với mùi tinh dầu sả

Murraya: Tinh dầu lá càri trong suốt, màu vàng sậm, mùi nồng đặc

trưng của lá càri Tinh dầu lá nguyệt quới trong suốt, màu vàng sậm,

có mùi hắc

Bảng 2.4: Kết quả đo chỉ số vật lý của tinh dầu ly trích theo các

phương pháp chưng cất hơi nước: Đa số tinh dầu khảo sát có tỉ trọng nhỏ hơn 1 (nhẹ hơn nước) Điều này phù hợp với tinh dầu chứa chủ yếu hợp chất hidrocarbon và hợp chất monoterpen Hầu hết tinh dầu khảo sát có chỉ số khúc xạ từ 1.40-1.49, phù hợp với vùng chỉ số khúc

xạ của tinh dầu (1.45-1.59) Góc quay cực của tinh dầu vỏ trái và lá

Citrus, Citrofortunella là hữu triền, điều này phù hợp với đặc trưng của tinh dầu vỏ trái Citrus là giàu d-limonen Tinh dầu lá Citrus hầu

hết có góc quay cực là hữu triền Tinh dầu lá tắc (giống

Citrofortunella) có góc quay cực là tả triền Tinh dầu lá càri và nguyệt

quới có góc quay cực là tả triền

B Tính chất hóa học

Bảng 2.5: Kết quả đo chỉ số hóa học tinh dầu chưng cất theo các

phương pháp chưng cất hơi nước

Chỉ số acid của tinh dầu vỏ trái Citrus, Citrofortunella đa số đều rất

thấp Điều này có thể được lý giải là do tinh dầu chứa rất ít hoặc không chứa các hợp chất acid hay các hợp chất dễ bị acid hóa như alcol, aldehid Các chỉ số ester hóa và savon hóa ghi nhận được cho thấy các tinh dầu vỏ trái bưởi Da Xanh, cam mật, cam sành, quýt đường chứa rất ít các hợp chất ester Tinh dầu lá có các chỉ số acid, savon hóa và ester hóa cao hơn tinh dầu vỏ trái Tinh dầu lá giống

Murraya có chỉ số acid, savon hóa và ester hóa rất thấp chứng tỏ tinh dầu lá Murraya chứa rất ít các hợp chất ester cũng như acid Tinh dầu

chưng cất dưới sự hỗ trợ của vi sóng có chỉ số cao hơn tinh dầu chưng cất bởi phương pháp ĐNTT Kết quả đo này có thể được lý giải do phương pháp chưng cất dưới sự hỗ trợ của vi sóng cho tinh dầu có thành phần hợp chất oxigen cao hơn so với phương pháp ĐNTT

2.2.1.4 Thành phần hóa học của tinh dầu

Thành phần hóa học tinh dầu khảo sát được phân tích bởi GC/FID –

GC/MS kết hợp RTL Cấu phần chính của tinh dầu vỏ trái Citrus – Citrofortunella (Bảng 2.6 và Bảng 2.7) vẫn chủ yếu là limonen

(>40%) khi ly trích bởi phương pháp ĐNTT và CXVS Ngoài ra kết quả phân tích cũng cho thấy tinh dầu vỏ trái tắc phế thải từ trái tắc sau khi ép trái lấy nước và dung dịch của công ty Hưng Hợp về chất lượng cũng không khác gì so với tinh dầu vỏ trái tắc thông thường

Thành phần hóa học tinh dầu vỏ trái giống cây Citrus, Citrofortunella

trồng tại Việt Nam không khác gì so với trên thế giới Thành phần hóa

học tinh dầu lá Citrus và Citrofortunella ly trích bởi phương pháp

chưng cất ĐNTT (Bảng 2.8) có thành phần hóa học chủ yếu là các hợp chất hidrocarbon, trừ trường hợp tinh dầu lá chanh ta có thành phần hợp chất hidrocarbon và oxigen tương đương nhau Tuy nhiên, số

lượng hợp chất trong tinh dầu phong phú hơn vỏ trái và các cấu phần chính đa dạng và thay đổi tùy theo loài: pinen, phenlandren, limonen, elemen, linalol, citral a, citral b, cariophilen, nerol, geraniol Khi có sự

hỗ trợ của vi sóng (Bảng 2.9) trong quá trình chưng cất hơi nước, tổng thành phần bách phân các hợp chất oxigen tăng lên đáng kể trong tinh

dầu lá Citrus và Citrofortunella Các cấu tử chính trong tinh dầu cũng

đa dạng bao gồm các hợp chất hidrocarbon như sabinen, pinen, phelandren, limonen, ocimen, terpinen, elemen, cariophilen và các hợp chất oxigen với thành phần bách phân tương đối cao như linalol, citral a, citral b, nerol, geraniol

Kết quả phân tích thành phần hóa học tinh dầu lá Murraya (Bảng

2.10) cho thấy các cấu tử chính của tinh dầu lá càri tại Việt Nam cũng giống với các nước trên thế giới Do thành phần chính của tinh dầu chủ yếu là các hợp chất hidrocarbon nên việc áp dụng vi sóng vào quá trình chưng cất tinh dầu không mang lại kết quả tốt hơn, điều này cũng phù hợp với kết quả khảo sát hàm lượng tinh dầu Đối với tinh dầu lá nguyệt quới thành phần hóa học đặc biệt là cấu phần chính khác

với tinh dầu các nước trên thế giới

Bảng 2.6: Thành phần hóa học tinh dầu vỏ trái giống Citrus và Citrofortunella ly trích theo phương pháp ĐNTT

γ-Terpinen 1054 1054 10.43 9.64 6.78 0.01 0.07 0.08

Tổng hợp chất hidrocarbon 99.62 99.75 99.72 99.64 100 93.44 99.74 99.20 99.90 98.79 95.65 Tổng hợp chất oxigen 0.38 0.25 0.28 0.36 0 6.56 0.25 0.80 0.10 1.02 4.25

Bảng 2.7: Thành phần hóa học tinh dầu vỏ trái giống Citrus và Citrofortunella ly trích theo phương pháp CXVS

Bảng 2.8: Thành phần hóa học tinh dầu lá giống Citrus và Citrofortunella ly trích theo phương pháp ĐNTT