Tinh dầu là một sản phẩm được sử dụng rộng rãi trong các ngành thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm ở các nước công nghiệp trên thế giới. Một trong những công dụng củ tinh dầu đó là diệt khuẩn, dùng làm chất khử trùng. Ở nước ta, đặc biệt là vùng Đồng bằng sông Cửu Long có thảm thực vật vô cùng phong phú phát triển trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nên các loại cây cho tinh dầu rất dồi dào. Trong đó, giống Citrus họ Rustaceae tuy có tiềm năng lớn nhưng vẫn chưa được khai thác một cách triệt để. Vỏ của một số loại cây Citrus như: cam, chanh, bưởi,… từ lâu đã được sử dụng để sản xuất tinh dầu. Tinh dầu citrus có mùi thơm dễ chịu, hàm lượng limonene cao có rất nhiều ứng dụng trong sản xuất cũng như đời sống. Các nghiên cứu về tinh dầu từ citrus được thực hiện khá nhiều trên thế giới, tuy nhiên ở Việt Nam vẫn còn rất hạn chế. Việc nghiên cứu tách chiết tinh dầu và các hợp chất có dược tính cao là việc làm cần thiết góp phần vào việc sử dụng các hợp chất thiên nhiên một cách thiết thực và có hiệu quả hơn. Để góp phần tìm hiểu về thành phần, tính chất cũng nhưng các phương pháp nghiên cứu tinh dầu từ cây citrus cùng thành phần quan trọng là limonene nên nhóm đã chọn đề tài: “Tinh dầu từ vỏ cam, tinh dầu từ vỏ cam chanh”.
Trang 1LỜI MỞ ĐẦU
Tinh dầu là một sản phẩm được sử dụng rộng rãi trong các ngành thực phẩm,
mỹ phẩm, dược phẩm ở các nước công nghiệp trên thế giới Một trong những công dụng củ tinh dầu đó là diệt khuẩn, dùng làm chất khử trùng
Ở nước ta, đặc biệt là vùng Đồng bằng sông Cửu Long có thảm thực vật vô cùng phong phú phát triển trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nên các loại cây cho tinh dầu rất dồi dào Trong đó, giống Citrus họ Rustaceae tuy có tiềm năng lớn nhưng vẫn chưa được khai thác một cách triệt để Vỏ của một số loại cây Citrus như: cam, chanh, bưởi,… từ lâu đã được sử dụng để sản xuất tinh dầu Tinh dầu citrus có mùi thơm dễ chịu, hàm lượng limonene cao có rất nhiều ứng dụng trong sản xuất cũng như đời sống
Các nghiên cứu về tinh dầu từ citrus được thực hiện khá nhiều trên thế giới, tuy nhiên ở Việt Nam vẫn còn rất hạn chế Việc nghiên cứu tách chiết tinh dầu và các hợp chất có dược tính cao là việc làm cần thiết góp phần vào việc sử dụng các hợp chất thiên nhiên một cách thiết thực và có hiệu quả hơn
Để góp phần tìm hiểu về thành phần, tính chất cũng nhưng các phương pháp nghiên cứu tinh dầu từ cây citrus cùng thành phần quan trọng là limonene nên nhóm
đã chọn đề tài: “Tinh dầu từ vỏ cam, tinh dầu từ vỏ cam chanh”
1
Trang 21 SƠ LƯỢC VỀ TINH DẦU CAM, TINH DẦU VỎ CAM CHANH
1.1 KHÁI NIỆM TINH DẦU
Tinh dầu là hỗn hợp các chất hữu cơ tan lẫn vào nhau, có mùi đặc trưng Tinh dầu gồm nhiều hợp chất dễ bay hơi (chủ yếu là các terpene và các triecpenonit), có mùi đặc trưng tuỳ thuộc vào nguồn gốc cung cấp nguyên liệu tinh dầu
Ở nhiệt độ thường hầu hết tinh dầu ở dạng lỏng, có khối lượng riêng bé hơn 1 (trừ một số tinh dầu như: quế, đinh hương,…), không tan trong nước hoặc tan rất ít, nhưng lại hoà tan tốt trong dung môi hữu cơ như alcohol, ete, chất béo,…Tinh dầu bay hơi với hơi nước, có vị cay và ngọt, nóng và có tính sát trùng mạnh
Tinh dầu có hai loại: Nguyên chất và tổng hợp
- Tính dầu nguyên chất: Hoàn toàn không có độc tố, chất bảo quản hoá học
- Tinh dầu tổng hợp: Được pha trộn với các loại tinh dầu khác nhau
Thành phần của tinh dầu gồm tecpen và những dẫn xuất chứa oxi của tecpen (như alcohol, aldehyde, ketone, ete,…) Mặc dù có nhiều cấu tử nhưng thường một vài cấu
tử có giá trị và có mùi đặc trưng cho tinh dầu đó
Hình 1-1: Một số loại tinh dầu 1.1.1 Tính chất lý – hoá của tinh dầu
Trang 3Đa số tinh dầu không có màu hoặc màu vàng nhạt, một số tinh dầu có màu như tinh dầu quế có màu nâu sẫm, tinh dầu thymus có màu đỏ Tinh dầu thường có vị cay
và mùi hắc
Tỷ trọng của tinh dầu thường khoảng 0,80-0,95, có một số tinh dầu nặng hơi nước như tinh dầu đinh hương, tinh dầu quế Tỷ trọng thay đổi theo thành phần hoá học Nếu tinh dầu có thành phần chủ yếu là hydrocarbon tecpenic thì tỷ trọng thấp, tinh dầu có hợp chất chứa oxi hoặc nhân thơm thì tỷ trọng cao hơn
Tinh dầu thường có chỉ số khúc xạ vào khoảng 1,45-1,56 Chỉ số khúc xạ cao hay thấp tuỳ theo thành phần các chất chứa trong tinh dầu là no, không no hay nhân thơm Nếu trong tinh dầu có nhiều thành phần có nhiều nối đôi thì có chỉ số khúc xạ cao Chỉ số khúc xạ bị ảnh hưởng bởi yếu tố nhiệt độ Khi đo chỉ số khúc xạ ở những nhiệt độ khác nhau thì cho kết quả khác nhau, nhiệt độ càng lớn thì chỉ số khúc xạ biến thiên theo hướng giảm và ngược lại
Góc quay cực (α)D của tinh dầu thể hiện khả năng hoà tan của tinh dầu trong các loại dung môi, nếu (α)D càng lớn thì có thể hoà tan tốt trong dung môi không phân cực, ngược lại (α)D càng bé thì có thể hoà tan tốt trong dung môi không phân cực Nhiệt độ ảnh hưởng tới góc quay cực, nhiệt độ khi đo góc quay cực tăng thì góc quay cực cũng tăng theo và ngược lại
Vì tinh dầu là hỗn hợp nên không có nhiệt độ sôi nhất định Điểm sôi của tinh dầu thay đổi tuỳ theo thành phần hợp chất Ví dụ, hợp chất tecpen có điểm sôi là 150-
160°C, hợp chất sequitecpen có điểm sôi cao hơn khoảng 250-280°C, còn các hợp chất polytecpen có điểm sôi trên 300°C Từ đó, ta có thể tách riêng các thành phần khác nhau trong tinh dầu bằng phương pháp chưng cất phân đoạn Khi hạ nhiệt độ, một số tinh dầu có thể kết tinh như tinh dầu bạc hà, tinh dầu hồi, tinh dầu xá xị,…
1.1.1.2 Tính chất hoá học
Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, ánh sáng, không khí, độ ẩm, tinh dầu dễ bị oxi hoá và có thể bị nhựa hoá một phần Alcohol trong tinh dầu bị oxi hoá biến thành aldehyde, aldehyde biến thành acid
Các hợp chất có nối đôi dễ bị oxi hoá hoặc tham gia vào phản ứng cộng hợp Các hợp chất ketone và aldehyde dễ bị alcohol hoá tạo nhựa khi có mặt của kiềm
3
Trang 4Nhiều thành phần có các nhóm chức khác nhau có thể tham gia các phản ứng hoá học, làm thay đổi tính chất của tinh dầu.
1.2 TINH DẦU CAM, TINH DẦU VỎ CAM CHANH
Hình 1 – 2: Cây cam, quả cam và vỏ quả 1.2.1 Giới thiệu về tinh dầu vỏ cam, tinh dầu vỏ cam chanh
Tinh dầu từ vỏ cam, tinh dầu từ vỏ cam chanh (một số tên khác: Oleum aurantii dulcis (Latin), Essence d’Orange portugal (Pháp), suesses pomeranzenschalenoel (Đức)) là loại tinh dầu mang mùi hương tinh tế khá phổ biến hiện nay Cam có tên khoa học là Citrus sinesis Osbeck, thuộc họ Rutaceae Cây thân gỗ, dáng khoẻ đều, thân có gai ít hoặc nhiều Lá mọc so le, phiến lá dài, màu xanh đậm, mép lá có răng cưa, cuống lá có cánh nhỏ; hoa màu trắng; quả gần hình cầu, có màu xanh lúc non, khi chín vỏ quả ngả sang màu vàng xanh, vàng hoặc vàng cam, vị ngọt hoặc chua tuỳ loại; hạt màu trắng…Đây là loài thực vật tiềm năng lớn về mặt thương mại trong các lĩnh vực mỹ phẩm, thực phẩm, hoá chất và y tế Chi Citrus phân bố nhiều ở một số nước như Brazil, Hoa Kỳ, Mexico, Nhật Bản, Italya, Úc, Nam Phi, Tây Ban Nha,…
Trang 51.2.2 Tính chất vật lý
Tinh dầu cam, tinh dầu cam chanh có một số tính chất vật lý sau :
Tinh dầu là chất lỏng, màu vàng nhạt
Mùi thơm nhẹ của cam tươi
Không tan trong nước
Điều kiện bảo quản: T ≤ 118°F
Hình 1- 3: Tinh dầu từ vỏ cam, tinh dầu từ vỏ cam chanh 1.2.3 Thành phần hoá học
Bảng 1 -1 : Thành phần hoá học của tinh dầu từ vỏ cam, cam chanh STT Thành phần Hàm lượng (%)
Trang 6là cancret Cancret là một hỗn hợp gồm tinh dầu, sáp, nhựa thơm và một số tạp chất khác (acid hữu cơ) ở dạng sệt Để tách sáp và tạp chất người ta hoà tan cancret bằng rượu etylic sau đó đem làm lạnh ở -15°C, sáp và tạp chất sẽ đông đặc lại, sau đó ta lọc
để tách Lúc này hỗn hợp chỉ còn lại rượu và tinh dầu, dùng phương pháp cất để tách rượu, ta thu được tinh dầu tuyệt đối, rượu được đem tinh chế để dùng lại Sáp là chất định hương có giá trị trong tinh dầu, nhưng khi có sáp trong tinh dầu, tinh dầu thường
bị đục, do đó phải tiến hành tách sáp trong tinh dầu
Ưu điểm: - Có khả năng thu hồi tái sử dụng dung môi.
- Có khả năng hoà tan tinh dầu lớn
Nhược điểm: - Dung môi phải tinh khiết, độ nhớt thấp, trơ với tinh dầu.
- Thiết bị trích ly thường đắt tiền và phức tạp
Nguyên liệu Tách dung môi
Trang 7Bả thảiMitxenLắng, lọcBảTrích ly
Xử lýTinh chếDung môiTách dung môiDung môiLàm lạnhTách sáp bằng ethanol
CancretDung môiLọcSápTách ethanolEthanolTinh dầu thành phẩm
Hình 2 - 1 : Quy trình sản xuất tinh dầu bằng phương pháp trích ly
7
Trang 82.2 PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT
Nguyên liệu trước khi đem chưng cất được xử lý như sau: Nghiền nhỏ nguyên liệu,ngâm nguyên liệu với nước muối NaCl 5% Ngâm qua đêm để nước thâm nhập vào các mô tế bào, sau đó hỗn hợp được siêu âm có gia nhiệt để tăng cường cho quá trình chuyển khối
Chuyển nguyên liệu đã xử lý vào thiết bị chưng cất tinh dầu, lắp thiết bị, qua ống sinh hàn bổ sung thêm nước muối NaCl 5% (nếu nước trong bình ít, do khi ngâm nguyên liệu hút nước) Khi nước sôi, hỗn hợp tinh dầu và nước sẽ theo ống dẫn hơi lên ống sinh hàn và ngưng tụ lại chảy xuống ống thu tinh dầu, ở đây do tinh dầu không hoà tan trong nước và tuỳ theo khối lượng riêng của nước mà nổi lên trên bình hoặc chìm dưới đáy bình, còn nước chưng theo ống xi phông hồi lưu vào bình chưng cất
Thời gian chưng cất kéo dài cho đến khi thấy lượng tinh dầu trong ống thu không đổi Hỗn hợp tinh dầu và nước được đưa vào thiết bị phân ly Sau phân ly ta được tinh dầu thô và nước chưng Tinh dầu thô được xử lý để được tinh dầu thành phẩm, nước chưng cho ra bể tiếp tục phân ly để thu tinh dầu loại II
Hàm lượng tinh dầu trong nguyên liệu cần phải cao
Mốt số thành phần cấu tử có thể bị phân huỷ
Không thể tách được nhựa và sáp có trong nguyên liệu
Tiêu tốn nước ngưng tụ
Phân ly
TD Thành phẩm
TD loại IINguyên liệu
Xử lýChưng cất
Trang 9Hỗn hợp hơiNgưng tụTinh dầu + Nước
Xử lýNước chưngTinh chếTinh dầu thô
Nước thảiHơi
Nước
Hình 2 - 2 : Quy trình sản xuất tinh dầu bằng phương pháp chưng cất
9
Trang 10Vắt, bóp: Quả được cắt ra thành 2-3 phần, dùng thìa để tách thịt quả để riêng
rồi dùng tay vắt bóp cho tinh dầu thoát ra ngoài Tinh dầu thoát ra được thấm vào bông, khi bông đã bão hoà tinh dầu, vắt lại cho vào cốc, đem lọc, lắng, sấy thu được tinh dầu thành phẩm Vỏ đã vắt xong đem chưng cất để thu hết tinh dầu
Bào, nạo: Dùng nguyên quả rồi xát mặt ngoài của vỏ vào bề mặt nhám, tế bào
vỏ quả sẽ vỡ ra, tinh dầu thoát ra ngoài, lớp gai của bàn chà xát phải vừa phải để tránh đâm thủng ruột quả, nếu ruột quả bị thủng sẽ gây khó khăn vi tinh dầu sẽ bị lẫn nước
và lớp cùi bên trong bị nạo rách sẽ hút mất một ít tinh dầu Phương pháp này cũng như phương pháp trên gây tổn thất tinh dầu Tinh dầu cam, chanh, quýt tách bằng phương pháp này muốn sử dụng trong thực phẩm phải loại bớt tecpen, chủ yếu là limonene, vì nếu không, limonene sẽ bị oxy hoá thành pinene có mùi nhựa thông
Ép: Đối với phương pháp ép, có thể ép nguyên quả bằng những máy ép đặc
biệt, trong quá trình ép có kèm theo rửa nước Sau khi ép thu được hỗn hợp gồm nước quả, tinh dầu, mô và thịt quả Để tách tinh dầu ra, cần phải lọc để loại bỏ bớt tạp chất, sau đó dùng máy ly tâm có tốc độ 15000 – 20000 vòng/phút để tách tinh dầu
Ưu điểm: Tinh dầu có chất lượng cao hơn phương pháp chưng cất, vẫn giữ được mùi
tự nhiên của nguyên liệu
Nhược điểm: Hiệu suất quá trình thấp, tinh dầu dễ bị lẫn tạp chất.
Ngoài ra, tinh dầu cam, tinh dầu cam chanh còn được sản xuất bằng một số phương pháp khác như: chiết SCO2 (CO2 ở trạng thái siêu tới hạn), chưng cất bằng hơi nước (dạng không có nồi hơi hoặc có nồi hơi riêng),… Sản phẩm cuối là tinh dầu ở dạng thô được xác định thành phần bằng thiết bị sắc ký khí khối phổ GC-MS Tinh dầu sau khi tinh chế được chiết bằng CO2 siêu tới hạn hoặc đưa vào thiết bị cất phân đoạn Fischer tiến hành cất phân đoạn dưới áp suất giảm để tách limonene
Vỏ quả
Trang 11Huyền phù(Tinh dầu, nước quả, mảnh tế bào)
Đun nóngLàm khanLọc ly tâmLắng
Sử dụng lực cơ họcTách, gạnLôi cuốn hơi nước
Xử lý sơ bộTinh dầu thô (I)Tinh dầu thô (II)
70-80 °C1) 10% dd gelatin 30%
Trang 12Hình 2 - 3: Quy trình sản xuất tinh dầu bằng phương pháp ép
Trang 133 LIMONENE - PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY, TỔNG HỢP VÀ MỘT SỐ DẪN XUẤT CỦA LIMONENE
3.1 LIMONENE
3.1.1 Sơ lược về limonene
O O
1 – methyl – 4 – isopropenyl – 1 – cyclohexene(hoặc 1 – methyl – 4 – (1 – methyl ethylnyl) cyclohexane
Hình 3 – 1: Công thức cấu tạo của phân tử limonene
Trang 143.1.2 Tính chất vật lý
Limonene là chất lỏng không màu, có mùi thơm nhẹ giống mùi chanh, hoà tan tốt trong dung môi hữu cơ không cực, không tan trong nước Limonene là một dạng monoterpene, tồn tại ở base dạng đồng phân quang học là d, l, dl –limonene
* d – limonene
Điểm sôi: 175,5 - 176°CKhối lượng riêng: 0,8402 g/ml
Chỉ số khúc xạ: 1,4740
Trang 15Điều chế bằng cách nhiệt phân α - pinene Dùng làm trong dung môi hoà tan nhựa, sáp Nguyên liệu để sản xuất tecpine hydrate, tecpinenol, carvon, thuốc tuyển nổi, chất thơm trong công nghiệp nước hoa.
Hình 3-3: l-limonene
Trong đó, d-limonene được biết đến là cấu hình hữu ích chính của vai trò thể hiện hoạt tính sinh học và chiếm hàm lượng từ 80-95% của hỗn hợp limonene trong tinh dầu vỏ quả có múi Vì vậy có thể hiểu rằng d-limonene là cấu tử thể hiện tính chất
và các ứng dụng hữu ích của limonene
3.1.3 Tính chất hoá học
Limonenen là loại tecpene 1 vòng rất hoạt động, nối đôi mạch nhánh lần lượt tác dụng với: H2, H2O, halogene, … nối đôi mạch vòng tác dụng với những chất oxi hoá và N2O3, N2O4, NOCl,…
3.1.3.1 Đồng phân hoá
Phản ứng xảy ra khi tác dụng với nhiệt độ cao và trong môi trường acid, base, nối đôi sẽ chuyển vị trí
3.1.3.2 Polime hoá và depolime hoá
Polime hoá xảy ra khi tác dụng với acid đậm đặc và đun nóng mạnh Limonene
sẽ chuyển thành ditecpen và khi nhiệt độ lên đến 400°C sẽ chuyển thành politecpen
3.1.3.3 Hydro hoá và dehydro hoá
Hydro hoá dễ dàng khi có mặt Pt, Ni Hydro hoá lần lượt mạch nhánh trước rồi sau đó mới đến nối đôi trong nhân Với limonene cho p-mantan qua hợp chất trung gian 1-methl-4-isopropyl-cyclohecxene-1
Dehydro hoá xảy ra ở nhiệt độ cao, áp suất thấp và có xúc tác (thường là Pt, Ni, Pd) để tạo thành hydro carbon thơm là p-cimol
Trang 16Cl
Br
Br Br
Trang 17Nước có thể kết hợp vào cả hai nối đôi tạo thành rượu đa chức là tecpin Điều kiện tốt nhất cho phản ứng này là nhiệt độ thấp (t = -6°C).
* Oxy hoá bằng không khí
Oxy hoá không khí chủ yếu oxy hoá nối đôi ở mạch vòng để tạo thành sản phẩm cuối cùng là 1 glycol
Phản ứng có thể tiến hành qua 2 sơ đồ:
Qua các hợp chất trung gian là peoxyt và oxyt
OO
Không qua các hợp chất trung gian
Đồng thời sự oxy hoá còn xảy ra qua trình hydrate hoá để tạo thành một glycol
Trang 18OH OH + O2 + H2O
* Oxy hoá bằng ozon
Ozon là chất oxy hoá rất mạnh Đồng thời với sự oxy hoá còn đứt nối đôi tạo thành hợp chất cuối qua hợp chất trung gian ozonit và aldehyde dixetocarbonic
+ O3
O O O
O O
C O O OH
* Oxy hoá bằng KMnO 4
Tuỳ thuộc trong môi trường phản ứng mà tạo thành những sản phẩm khác nhau.Trong môi trường kiềm cho một rượu 4 chức là:
OH OH
OH OH
+ KMnO4KOH
Trong môi trường acid tạo thành tricarbonxylic qua hợp chất trung gian là diacetoandehyt
Trang 193.1.4 Một số dạng đồng phân của limonene
Sau các quá trình trích ly vỏ cam, vỏ cam chanh ta thu được tinh dầu thô
Để tách được limonene ra khỏi tinh dầu thô, người ta thường dùng phương pháp chiết bằng CO2 siêu tới hạn hoặc dùng thiết bị chưng cất phân đoạn Fischer.
3.2.1 Tách limonene bằng phương pháp cất phân đoạn
3.2.1.2 Hệ thống cất phân đoạn Fischer
Trang 20Hình 3-5: Hệ thống cất phân đoạn Fischer
Hệ thống cất phân đoạn Fischer có một số đặc điểm cơ bản sau:
Khối lượng dầu thô được nạp vào khoảng 1,5-10 lít.
Hệ thống máy tính được kết nối trực tiếp, thích hợp với các hệ điều hành Windown hoặc Windown XP.
Có thể xuất ra các biểu đồ và các giá trị liên quan.
cháy nổ.
Là thiết bị tự động hoá.
3.2.1.2 Quy trình tách limonene bằng phương pháp cất phân đoạn
Tinh dầu thô sau khi thu được được tách nước và làm khan bằng Na2SO4 Cho tinh dầu đã được tinh chế vào bình để cất phân đoạn Quá trình cất phân đoạn sử dụng hệ thiết bị Fischer (Đức) để cất phân đoạn Limonene được lấy ra
ở phân đoạn có nhiệt độ từ 25-35 ° C, áp suất từ 2,66-3,04 mmHg.
3.2.2 Tách limonene bằng phương pháp chiết SCO2
Để thực hiện phương pháp này, ta cần quy hoạch thực nghiệm các thông
số tối ưu cho quá trình chiết limonene từ tinh dầu cam bằng SCO2 trực giao, bậc hai, 3 yếu tố với cùng một khối lượng tinh dầu cam Các yếu tố được mã hoá bao gồm nhiệt độ, áp suất và thời gian phương pháp này giúp xác định được giá trị tối ưu của các yếu tố mà tại đó hiệu suất chiết limonene đạt giá trị cao nhất.