Đề tài Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu tỏi bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

Mục tiêu của nghiên cứu này là sử dụng quy hoạch hóa thực nghiệm khảo sát bềmặt đáp ứng dựa trên mô hình thực nghiệm bậc 2 tâm trực giao để khảo sát ảnh hưởngđồng thời của bốn nhân tố: t

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, khuynh hướng quay về với thiênnhiên, tìm tòi và phát triển những phương thuốc truyền thống ngày càng được chútrọng Thảo dược thiên nhiên ngày càng đóng vai trò quan trọng trong phòng, chữabệnh và nâng cao sức khỏe của nhân dân

Tỏi là loại cây được trồng khắp nơi để làm gia vị và tỏi luôn đứng ở tuyến đầu vềđiều trị chống vi khuẩn Tỏi có tác dụng giúp tăng cường sức đề kháng của cơ thể,phòng ngừa và hỗ trợ điều trị một số bệnh về đường hô hấp do vi rút, các trường hợp

ho và cảm cúm dai dẳng, phòng ngừa và hỗ trợ điều trị cảm cúm thông thường, giúpgiảm cholesterol máu, ngăn ngừa xơ vữa động mạch, cao huyết áp, gan nhiễm mỡ,giúp giảm chướng bụng, đầy hơi, ăn uống khó tiêu, chống ung thư dạ dày và ung thư

da, làm suy giảm viêm đa khớp, làm chậm quá trình lão hóa,

Việt Nam ta có nhiều vùng trồng tỏi, nhưng nổi tiếng thơm ngon nhất là “Vươngquốc tỏi - huyện đảo Lý Sơn” Cây tỏi là cây trồng chủ lực trong sản xuất nông nghiệpcủa huyện đảo Lý Sơn Bởi bao đời nay cây tỏi đã gắn liền với người dân nơi đây Cómột thời người trồng tỏi Lý Sơn luôn ví cây tỏi là “vàng trắng”, nhất là sau khi tỏi LýSơn được đăng ký nhãn hiệu, giá tỏi tăng cao nên nghề trồng tỏi ở Lý Sơn cũng trởnên thuận lợi Hiện nay, trong 367 ha đất trồng trọt hằng năm trên đảo, có đến 300 hađược nông dân thâm canh cây tỏi Hầu hết tỏi Lý Sơn đều được bán dưới dạng tỏi củ,chưa có nhiều hướng phát triển đa dạng cho loại cây trồng này

Nhược điểm lớn nhất khi sử dụng trực tiếp tỏi củ là mùi vị hăng nồng khó chịu,khiến nhiều người không hợp và khó có thể sử dụng được nhiều nhằm đáp ứng mụcđích phòng ngừa và điều trị một số bệnh Mặc khác với khí hậu nóng ẩm gió mùa,người dân lại không có điều kiện bảo quản tốt tỏi khô, tỏi dễ bị hư và giảm chất lượng

Để bảo đảm chất lượng và sử dụng rộng rãi thì việc chiết xuất tinh dầu tỏi sẽ giải quyếtđược các vấn đề nói trên

Đã có nhiều công trình nghiên cứu chiết xuất tinh dầu tỏi bằng phương phápchưng cất lôi cuốn hơi nước nhưng chủ yếu tập trung theo hướng nghiên cứu tối ưuluân phiên từng nhân tố ảnh hưởng Phương pháp này có độ chính xác không cao,

nhiều trường hợp không phản ánh đúng bản chất các quá trình xảy ra trong hệ do có sựtương tác giữa các nhân tố

Mục tiêu của nghiên cứu này là sử dụng quy hoạch hóa thực nghiệm khảo sát bềmặt đáp ứng dựa trên mô hình thực nghiệm bậc 2 tâm trực giao để khảo sát ảnh hưởngđồng thời của bốn nhân tố: thời gian ngâm chiết tỏi trong dung dịch natriclorua, thểtích dung môi chiết, nhiệt độ chưng cất, thời gian chưng cất tinh dầu đến hiệu suấtchiết tách tinh dầu, đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các nhân tố khảo sát và tìmđiều kiện tối ưu cho quá trình tách chiết tinh dầu tỏi bằng phương pháp chưng cất lôicuốn hơi nước

Đề tài nghiên cứu nhằm làm sáng tỏ căn cứ khoa học, đánh giá bổ sung thêm vềhướng phát triển của cây tỏi và loại tinh dầu hữu ích chưa được nghiên cứu nhiều này,cũng như góp phần khai thác tốt tiềm năng, lợi thế, đưa Lý Sơn trở thành huyện đảogiàu về kinh tế như định hướng Nghị quyết Trung ương 4 (khóa X) của Đảng về chiếnlược biển đến năm 2020 đã nêu

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi tinh dầu tỏi LýSơn bằng phương pháp bề mặt đáp ứng với sự hỗ trợ của phần mềm Modde 5.0

3 Nội dung nghiên cứu

Lập phương trình hồi quy xem xét mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đếnhiệu suất quá trình chiết thu hồi tinh dầu tỏi

Tìm được điều kiện tối ưu để thu được tinh dầu tỏi với hiệu suất cao nhất bằngphương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết xuất tinh dầu tỏibằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước và hiệu suất tách chiết tinh dầu

Phạm vi nghiên cứu: Tỏi củ thu hoạch tại Huyện Lý Sơn, tỉnh Quảng Ngãi

5 Phương pháp nghiên cứu

5.1 Nghiên cứu tổng quan lý thuyết

- Tổng quan các tài liệu về đặc điểm hình thái thực vật, thành phần hóa học vàcông dụng của cây tỏi nói chung và cây tỏi ở Việt Nam nói riêng.

- Tổng quan về phương pháp chưng cất thu hồi tinh dầu

- Tổng quan về phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm theo phương trình hồiquy bậc hai tâm trực giao và đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố khảo sát, tìm điềukiện tối ưu hiệu suất tách chiết tinh dầu

5.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp xử lý mẫu, lọc tách dung dịch ngâm chiết

- Phương pháp tách tinh dầu bằng chưng cất lôi cuốn hơi nước

- Phương pháp cô quay phân tách tinh dầu và dung môi nước

- Phương pháp cân đo mẫu và dung môi

5.3 Phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm và xử lý số liệu thống kê

Sử dụng phần mềm Modde 5.0 để quy hoạch hóa thực nghiệm và phần mềmExcel để xử lý số liệu thực nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về cây tỏi

1.1.1 Nguồn gốc

Tỏi là một loại rau được dùng làm thức ăn và thuốc từ những năm trước côngnguyên trên các vùng nhiệt đới Trung Á, về sau được trồng rộng rãi ở Hi Lạp, Ai Cập

và La Mã Hiện nay tỏi được trồng rộng rãi ở tất cả các nước trên thế giới

1.1.2 Phân loại và đặc điểm thực vật

1.1.2.1 Phân loại thực vật

Tỏi có tên khoa học: Alliums sativum L.

Trong thời gian dài tỏi được xếp vào họ Liliaccae do hoa của nó thuộc loại bầuthượng Nhưng sau dó một số nhà thực vật học đã đổi thành họ Amaryllidaccea(Amallryllis) - họ thuỷ tiên do hoa của nó được sinh ra ở lá bắc, hình tán, ở ngọn cócán hoa Gần đây để tránh sự xáo chộn J.G Agard đã phân loại tỏi vào họ Alliaceac(họ hành tỏi) Họ này cho tới nay có 30 chi và có tới 600 loài

1.1.2.2 Đặc điểm thực vật học

- Thân:

+ Thân thật của tỏi rất ngắn và đã thoái hoá, chúng là dạng đế dò nằm sát ngaydưới thân giả (thân củ) Trên thân thật có mầm sinh dưỡng và sinh thực, những mầmnày được che phủ bởi những bẹ lá dày mọng nước

+ Thân củ cây tỏi bao gồm một số nhánh (ánh, tép) được liên kết với nhau bởinhững màng mỏng

- Lá: Lá thật đầu tiên của tỏi là một lá mầm, sau khi nảy mầm được 10 – 15 ngày

tuỳ theo điều kiện thời tiết mà lá tỏi có dạng hình bản bằng phẳng, trên lá có phủ mộtlớp sáp Thời kỳ đầu lá tỏi sinh trưởng rất chậm sau khi nảy mầm chỉ dài vài cm Tuổithọ của lá phụ thuộc vào sự sinh trưởng và phát triển của cây, khi lá bắt đầu chết cũng

là quá trình tạo củ bắt đầu

- Hoa: Hoa tỏi thuộc hoa đầu trạng, hoa có 6 lá đài, 6 nhị và nhụy Hoa thụ phấn

chéo (phấn hoa thường chín trước vì vậy phải thụ phấn với hoa bên cạnh hoặc trên câykhác) Hoa có màu trắng xám đôi khi phớt tím hoặc hồng Vòi nhụy rất bé, bầu thượng

có 3 ngăn nếu được thụ phấn đủ thì sẽ cho 6 hạt Cành hoa dài 60 – 100 mm hình ống,màu xanh, một chùm hoa có từ 250 – 600 hoa phân bố theo 3 tầng

- Củ: Loài tỏi trắng củ to đường kính khoảng 4 cm có vỏ màu trắng Loài tỏi tía

củ nhỏ hơn, đường kính 3,5 – 4 cm, củ chắc và cay, dọc thân gần củ có màu tía Trong

củ tỏi chứa 60 – 70 % nước, 35 – 42% chất khô, 6,7 – 8% chất béo, 0,3 – 3,2% đường,0,1% chất xơ hữu cơ, 0,1 – 0,5% dầu este, 0,06% mỡ, các chất khoáng Ca, Na, Mn, P,

Fe và các Vitamin C, E, B1, B6, B2

- Rễ: Rễ tỏi thuộc loại rễ chùm, phát triển kém tập chung chủ yếu ở lớp đất mặt,

khả năng chịu hạn kém Rễ tỏi có nhiều sợi dài phân nhánh yếu, chúng được bao phủbởi một số lượng lớn lông hút

1.1.3 Đặc điểm sinh thái của cây tỏi Lý Sơn

Mô tả: Cây thảo sống nhiều năm Thân thực hình trụ, phía dưới mang nhiều rễ

phụ, phía trên có nhiều lá Lá cứng, thẳng dài 15 – 50cm, rộng 1 – 2,5cm có rãnh khía,mép lá hơi ráp Phần dưới của lá phía gốc có một chồi nhỏ sau này phát triển thànhmột tép tỏi; các tép này nằm chung trong một cái bao (do các bẹ lá trước tạo ra) thànhmột củ tỏi tức là thân hành (giò) của tỏi Hoa mọc ở ngọn thân trên, một cán hoa dàikhoảng 55cm Bao hoa màu trắng hay hồng bao bởi nhiều tán, rơi rụng thành mũi nhọndài

Đặc điểm sinh thái: Một năm hai vụ, cây tỏi được gieo trồng từ một tép tỏi.

Trước đây, khi gieo trồng phải lót một lớp mỏng cát biển để làm nền Sau một, hai vụlớp cát này hết chất dinh dưỡng, phải cào bỏ đi và rải một lớp cát khác Năm 2000 SởKhoa học & Công nghệ Quảng Ngãi đang triển khai đề tài thay đất và cát biển để làm

“nền” khi trồng tỏi bằng cách bón nhiều phân hữu cơ nhằm tăng độ xốp, nâng cao tỉ lệhạt kết bền trong nước; sử dụng các loại phân chua sinh lý để đưa độ pH đất xuốngmức thích hợp; đưa nhiều gốc sunphat vào đất; bón nhiều kali, lân để tăng nhanh quátrình hình thành củ tỏi Bên cạnh đó còn phải dùng một lớp thực vật phủ lên trên nềnđất với độ dày 1,5 cm nhằm hạn chế cỏ dại và giữ độ ẩm cho đất

1.1.4 Công dụng của tỏi

1.1.4.1 Tỏi trong y học dân gian

Việc dùng tỏi trong đời sống và trong y học dân gian gắn liền với những tưtưởng huyền bí về tôn giáo, đó là một hiện tượng đã thấy từ thời cổ đại Các ngư dân

và thủy thủ dùng các nhánh tỏi để làm bùa, trừ ma quỷ và bệnh tật, trẻ nhỏ thì đeovòng tỏi quanh cổ để né tránh “mắt quỷ dữ”, nông dân mang theo vài nhánh tỏi trongtúi sẽ đuổi được hết bệnh ra khỏi người Đến cuối thế kỷ 19, tệ mê tín vẫn còn tồn tại

trong dân gian nên họ đã rải các củ tỏi ra đồng ruộng để đuổi chim không cho chúng

ăn hạt đã gieo hoặc khi cây đã ra hạt Tỏi cũng được treo ở chuồng trâu, bò để bảo vệchúng,…

Theo y học cổ truyền Việt Nam và Trung Quốc, tỏi có vị cay, tính ôn, hơi độc, đivào 2 kinh can và vị Tỏi có tác dụng thanh nhiệt, giải độc (lấy độc trị độc), sát trùng,chữa băng đới, trùng tích, huyết lỵ, tẩy uế, thông khiếu, tiêu nhọt và hạch ở phổi, tiêuđờm, đầy chướng, đại tiểu tiện khó khăn, tả, lỵ,…

Ðông y khuyên không dùng tỏi trong chứng âm hư, nội nhiệt, thai sản, đau mắt,mũi, răng, cổ họng, lưỡi,…

Tỏi được sử dụng như một loại kháng sinh thiên nhiên, tỏi được dùng để điều trịnhững bệnh liên quan đến hô hấp, bệnh do ký sinh trùng và nhiều bệnh khác Ngàynày, tỏi được xem như dược phẩm chữa bách bệnh vì nó có hiệu quả toàn diện đối với

hệ thống miễn dịch

1.1.4.2 Tỏi trong y học hiện đại

Hiện nay, các nhà khoa học đã nghiên cứu phát hiện ra trong tỏi có silen, cácnguyên tố vi lượng và đặc biệt là có thành phần allicin – chất kháng khuẩn giúp tăngcường khả năng của hệ thống miễn dịch, làm giảm cao huyết áp và chữa được nhiều

bệnh khác Các kết quả nghiên cứu thu được của các nhà khoa học ghi nhận:

Tỏi có tác dụng chống tắc nghẽn mạch máu giống Aspirine, có hoạt tính làm hạnchế sinh ra phần tử tự do gây tổn thương các tổ chức khớp

Tỏi còn có tác dụng dưỡng nhan, ích thọ, nhờ khả năng làm chậm quá trình lãohóa tế bào tức bảo vệ hồng cầu không bị ôxy hóa nên tỏi còn có tác dụng làm chậm sựlão hóa

Tỏi làm giảm xung huyết và tiêu viêm, tiêu tan mệt mỏi, phục hồi nhanh thể lực,tiêu mỡ

Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, nước chiết từ tỏi để lâu ngày có thể làm giảm30% lượng cholesterol nên giúp phòng ngừa xơ cứng động mạch, phòng bệnh timmạch Từ đó ngăn ngừa các bệnh xuất huyết mạch máu não, đau thắt tim, cao huyết áp

và một số bệnh tim mạch khác

Tỏi đặc biệt tốt để phòng tránh các rối loạn men tiêu hóa Kích thích tiết dịch vị,tiết mật Phòng tránh các nhiễm khuẩn dạ dày, ruột,…

1.1.4.3 Trong đời sống hằng ngày

Tỏi là một gia vị đã được sử dụng từ xa xưa Đây là loại gia vị không thể thiếu đểđem lại hương vị thơm ngon, hấp dẫn cho các món ăn như dùng chế biến nước chấm,các món xào nấu, gỏi,…

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các dân tộc vùng Tây Á, Trung Đôngthường rất ít khi bị dịch cúm, tỷ lệ ung thư thấp là do có thói quen dùng rượu tỏi.Ngoài ra trong đời sống hằng ngày người ta còn dùng tỏi để trị mụn, đuổi muỗi,bảo vệ vật nuôi, dùng như thuốc trừ sâu, làm keo dính, mỹ phẩm, siro chữa đau họng,kích thích hưng phấn tình dục,…

1.2 Đặc điểm tinh dầu

Tinh dầu là hỗn hợp gồm nhiều hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (chủ yếu là cáctecpen và các tritecpenonit) tan vào nhau, có mùi đăc trưng tùy thuộc vào nguồn gốccung cấp nguyên liệu tinh dầu Ở nhiệt độ thường hầu hết tinh dầu ở thể lỏng, có khốilượng riêng bé hơn 1 (trừ một vài tinh dầu như quế, đinh hương, ), không tan trongnước hoặc tan rất ít nhưng lại hòa tan tốt trong dung môi hữu cơ như ancol, ete, chấtbéo,… Tinh dầu bay hơi với hơi nước, có vị cay ngọt và có tính sát trùng mạnh Hệthực vật có tinh dầu khoảng 3000 loài, trong đó có 150 - 200 loài có ý nghĩa nôngnghiệp

Tinh dầu có hai loại: tinh dầu nguyên chất và tinh dầu không nguyên chất

Tinh dầu nguyên chất: hoàn toàn không có độc tố, không có chất bảo quản hóahọc nên rất an toàn cho người sử dụng và mang lại kết quả nhanh khi sử dụng để điềutrị bệnh tật

Tinh dầu không nguyên chất là hỗn hợp các loại tinh dầu khác nhau được phatrộn với nhau hoặc trong tinh dầu có lẫn các tạp chất

Thành phần hóa học của tinh dầu gồm nhiều tecpen và những dẫn xuất chứa oxicủa tecpen (như ancol, anđehit, xeton, ete,…) Mặc dù có nhiều cấu tử như vậy nhưngthường một vài cấu tử chính có giá trị và có mùi đặc trưng cho tinh dầu đó

Về mặt sinh học tinh dầu có thể xem như “một hỗn hợp thiên nhiên có mùi, phầnlớn có nguồn gốc từ thực vật”, chỉ có một số ít nguồn gốc từ động vật Tinh dầu đượcphân bố rộng trong hệ thực vật, đặc biệt tập trung một số họ như họ hoa tán, họ cúc, họhoa môi, họ long não, họ sim, họ cam, họ gừng,… Tinh dầu được chiết từ mọi bộ phậncủa cây như cánh hoa, lá, cành, củ, rễ, vỏ trái, hạt, vỏ cây,…

Tinh dầu chứa trong thực vật có thành phần không ổn định Hàm lượng tinh dầuphụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống, di truyền, đất trồng, phân bón, thời tiết, ánhsáng, thời điểm thu hoạch Trong các bộ phận của cây hàm lượng tinh dầu cũng khácnhau Tinh dầu là sản phẩm cuối cùng của quá trình trao dổi chất và không được sửdụng trở lại cho hoạt động sống của cây.

1.3 Các phương pháp chiết xuất tinh dầu

Dựa trên cách thực hành, người ta chia các phương pháp chiết xuất tinh dầu ralàm bốn loại: cơ học, tẩm trích, hấp thụ và chưng cất lôi cuốn hơi nước Trong đóphương pháp tẩm trích và chưng cất lôi cuốn hơi nước thường được sử dụng Nhưng

dù có tiến hành theo bất cứ phương pháp nào, quy trình chiết xuất đều có những điểmchung sau đây:

- Tinh dầu thu được phải có mùi thơm tự nhiên như nguyên liệu

- Quy trình khai thác phải phù hợp nguyên liệu

- Tinh dầu phải được lấy triệt để khỏi nguyên liệu, với chi phí thấp nhất

Nguyên tắc ly trích của tất cả các phương pháp nói trên đều dựa vào những đặctính của tinh dầu như:

- Dễ bay hơi

- Lôi cuốn theo hơi nước ở nhiệt độ dưới 100oC

- Hòa tan dễ dàng trong dung môi hữu cơ

- Dễ bị hấp thu ngay ở thể khí

1.3.1 Phương pháp tẩm trích dung môi dễ bay hơi

Phương pháp này có nhiều ưu điểm vì tiến hành ở nhiệt độ phòng, nên thànhphần hóa học của tinh dầu ít bị thay đổi

Phương pháp này không những được áp dụng để ly trích cô kết (concrete) từ hoa

mà còn dùng để tận trích khi các phương pháp khác không ly trích hết hoặc dùng để lytrích các loại nhựa dầu (oleoresin) gia vị

1.3.1.1 Nguyên tắc

Dựa trên hiện tượng thẩm thấu, khuếch tán và hòa tan của tinh dầu có trong các

mô cây đối với các dung môi hữu cơ

1.3.1.2 Dung môi

Yếu tố quan trọng nhất cho sự thành công của phương pháp này là phẩm chất vàđặc tính của dung môi sử dụng, do đó dung môi dùng trong tẩm trích cần phải đạtđược những yêu cầu sau đây:

- 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, khôngtạo 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 hơnđiểm 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 cungcấp 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: đietyl ete, ete dầu hỏa, n-hexan, cloroform,… lẫn dung môi tan trong nước như: etanol, axeton,… Trong một sốtrường hợp cụ thể, người ta còn dùng một hỗn hợp dung môi

1.3.1.3 Quy trình tẩm trích

Phương pháp ly trích này thích hợp cho các nguyên liệu có chứa lượng tinh dầukhông lớn lắm hoặc có chứa những cấu phần tan được trong nước và không chịu đượcnhiệt độ quá cao Quy trình kỹ thuật gồm các giai đoạn sau đây:

- Tẩm trích: nguyên liệu được ngâm vào dung môi trong bình chứa Trong một số

trường hợp, để gia tăng khả năng ly trích, nguyên liệu cần được xay nhỏ trước Hỗnhợp nguyên liệu và dung môi cần được xáo trộn đều trong suốt thời gian ly trích Nênkhảo sát trước xem việc gia nhiệt có cần thiết hay không, nếu cần, cũng không nên gianhiệt quá 50oC để không ảnh hưởng đến mùi thơm của sản phẩm sau này

- Xử lý dung dịch ly trích: sau khi quá trình tẩm trích kết thúc, dung dịch ly trích

được lấy ra và có thể thay thế bằng dung môi mới sau một khoảng thời gian nhất định,tùy theo nguyên liệu Tách nước (nếu có) ra khỏi dung dịch, rồi làm khan bằngNa2SO4 và lọc Dung môi phải được thu hồi ở nhiệt độ càng thấp càng tốt để tránh tìnhtrạng sản phẩm bị mất mát và phân hủy Do đó, nên loại dung môi ra khỏi sản phẩm

bằng phương pháp chưng cất dưới áp suất kém (cô quay) Dung môi thu hồi có thểdùng để ly trích lần nguyên liệu kế tiếp.

- Xử lý sản phẩm ly trích: sau khi thu hồi hoàn toàn dung môi, sản phẩm là một

chất đặc sệt gồm có tinh dầu và một số hợp chất khác như nhựa, sáp, chất béo, cho nêncần phải tách riêng tinh dầu ra Chất đặc sệt này đem đi chưng cất bằng hơi nước đểtách riêng tinh dầu ra Tinh dầu có mùi thơm tự nhiên, nhưng khối lượng thu đượckém, ngoài ra tinh dầu này có chứa một số cấu phần thơm có nhiệt độ sôi cao nên cótính chất định hương rất tốt

- Tách dung dịch từ bã: sau khi tháo hết dung dịch ly trích ra khỏi hệ thống, trong

bã còn chứa một lượng dung dịch rất lớn (khoảng 20 – 30% lượng dung môi ly trích).Phần dung dịch còn lại nằm trong nguyên liệu thường được lấy ra bằng phương phápchưng cất hơi nước (trường hợp dung môi không tan trong nước), hoặc ly tâm, lọc ép(trường hợp dung môi tan trong nước) Sau đó dung dịch này cũng được tách nước,làm khan và nhập chung với dung dịch ly trích

Chất lượng thành phẩm và hiệu quả của phương pháp ly trích này phụ thuộc chủyếu vào dung môi dùng để ly trích Để đạt kết quả tốt thì dung môi sử dụng phải thoảmãn được các yêu cầu đã được trình bày ở trên

Vì dung môi dễ bay hơi nên chúng ta cần phải lưu ý đến tỉ lệ thất thoát dung môitrong quy trình ly trích vì việc này có thể ảnh hưởng rất lớn đến giá thành sản phẩm.Trong điều kiện phòng thí nghiệm, khi muốn tiến hành phương pháp tẩm tríchvới dung môi dễ bay hơi, thường tiến hành sử dụng phương pháp truyền thống nhưkhuấy từ ở nhiệt độ phòng hoặc đun – khuấy từ (kèm ống hoàn lưu) hay phương phápdùng Soxhlet Ngoài ra, cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của “hóa họcxanh”, mà ngày nay chúng ta còn áp dụng các phương pháp mới như là: tẩm trích có

sự hỗ trợ của siêu âm và vi sóng

1.3.1.4 Ưu và khuyết điểm

- 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; thường thất thoát dung môi; tốn kém, quy

trình tương đối phức tạp

1.3.2 Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

Phương pháp này dựa trên sự thẩm thấu, hòa tan, khuếch tán và lôi cuốn theo hơinước của những hợp chất hữu cơ trong tinh dầu chứa trong các mô khi tiếp xúc với hơinước ở nhiệt độ cao 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 Trườnghợp mô thực vật có chứa sáp, nhựa, axit béo không no mạch dài thì khi chưng cất phảiđược thực hiện trong một thời gian dài vì những hợp chất này làm giảm áp suất hơichung của hệ thống và làm cho sự khuếch tán trở nên khó khăn

1.3.2.1 Lý thuyết chưng cất

Chưng cất có thể được định nghĩa là: Sự tách rời các cấu phần của một hỗn hợpnhiều chất lỏng dựa trên sự khác biệt về áp suất hơi của chúng Trong trường hợp đơngiản, khi chưng cất một hỗn hợp gồm 2 chất lỏng không hòa tan vào nhau, áp suất hơitổng cộng là tổng của hai áp suất hơi riêng phần Do đó, nhiệt độ sôi của hỗn hợp sẽtương ứng với áp suất hơi tổng cộng xác định, không tùy thuộc vào thành phần báchphân của hỗn hợp, miễn là lúc đó hai pha lỏng vẫn còn tồn tại Nếu vẽ đường cong ápsuất hơi của từng chất theo nhiệt độ, rồi vẽ đường cong áp suất hơi tổng cộng, thì ứngvới một áp suất, ta dễ dàng suy ra nhiệt độ sôi tương ứng của hỗn hợp và nhận thấynhiệt độ sôi của hỗn hợp luôn luôn thấp hơn nhiệt độ sôi của từng hợp chất Thí dụ, ở

áp suất 760 mmHg, nước sôi ở 100oC và benzen sôi ở 80oC và chúng là hai chất lỏngkhông tan vào nhau Thực nghiệm cho thấy, nếu đun hỗn hợp này dưới áp suất 760mmHg nó sẽ sôi ở 69oC Giản đồ nhiệt độ sôi theo áp suất cho thấy, tại 69oC, áp suấthơi của nước là 225 mmHg và benzen là 535 mmHg

Chính vì đặc tính làm giảm nhiệt độ sôi này mà từ lâu phương pháp chưng cất hơinước là phương pháp đầu tiên dùng để tách tinh dầu ra khỏi nguyên liệu thực vật

1.3.2.2 Những ảnh hưởng chính trong sự chưng cất hơi nước

a) Sự khuếch tán

Ngay 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 Phần lớn tinh dầu cònlại trong các mô thực vật sẽ tiến dần ra ngoài bề mặt nguyên liệu bằng sự hòa tan vàthẩm thấu Von Rechenberg đã mô tả quá trình chưng cất hơi nước như sau: “Ở nhiệt

độ nước sôi, một phần tinh dầu 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 đi vào nguyên liệu theo chiều ngược lại và tinh dầu lại tiếp tục bị hòa tan vàolượng nước này Quy trình này lặp đi lặp lại cho đến khi tinh dầu trong các mô thoát rangoài 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 Nhưng nếu lượngnước sử dụng thừa quá thì cũng không có lợi, nhất là trong trường hợp tinh dầu cóchứa những cấu phần tan dễ trong nước

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

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

b) Sự thủy giải

Những cấu phần este trong tinh dầu thường dễ bị thủy giải cho ra axit và ancolkhi đun nóng trong một thời gian dài với nước Để hạn chế hiện tượng này, sự chưngcất hơi nước phải được thực hiện trong một thời gian càng ngắn càng tốt Vì vậy, thờigian chưng cất lôi cuốn hơi nước cần thiết phải được khảo sát để thu lấy tinh dầu đạthiệu suất tối ưu

c) Nhiệt độ

Nhiệt độ cao làm phân hủy tinh dầu Do đó, khi cần thiết phải dùng hơi nước quánhiệt (trên 100oC) 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 đềukém bền dưới tác dụng của nhiệt nên vấn đề là làm sao cho thời gian chịu nhiệt độ caocủa tinh dầu càng ngắn càng tốt

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

Trong công nghiệp, dựa trên thực hành, người ta chia các phương pháp chưng cấthơi nước ra thành ba loại chính:

- Chưng cất bằng nước

- Chưng cất bằng nước và hơi nước

- Chưng cất bằng hơi nước

Cả ba phương pháp này đều có lý thuyết giống nhau nhưng khác nhau ở cáchthực hiện

* Chưng cất bằng nước

Trong trường hợp này, nước phỉ kín nguyên liệu, nhưng phải chừa một khoảngkhông gian tương đối lớn phía trên lớp nước, để tránh khi nước sôi mạnh làm văngchất nạp qua hệ thống hoàn lưu Nhiệt cung cấp có thể đun trực tiếp bằng củi lửa hoặcđun bằng hơi nước dẫn từ nồi hơi vào (sử dụng bình có hai lớp đáy) Trong trường hợpchất nạp quá mịn lắng chặt xuống đáy nồi gây hiện tượng cháy khét nguyên liệu ở mặttiếp xúc với đáy nồi, lúc đó nồi phải trang bị những cánh khuấy trộn đều bên trongtrong suốt thời gian chưng cất

Sự chưng cất này thường không thích hợp với những tinh dầu dễ bị thủy giải.Những nguyên liệu xốp và rời rạc rất thích hợp cho phương pháp này Những cấu phần

có nhiệt độ sôi cao, dễ tan trong nước sẽ khó hóa hơi trong khối lượng lớn nước phủđầy khiến cho tinh dầu sản phẩm sẽ thiếu những hợp chất này Thí dụ điển hình là mùitinh dầu hoa hồng thu được từ phương pháp chưng cất hơi nước kém hơn sản phẩmtẩm trích từ eugenol và alcol phenetil nằm lại trong nước khá nhiều, vì thế người ta chỉdùng phương pháp này để chưng cất tinh dầu hoa hồng khi không thể sử dụng cácphương pháp khác

* Chưng cất bằng nước và hơi nước

Trong phương pháp này, nguyên liệu được xếp trên một vỉ đục lỗ và nồi cất được

đổ nước sao cho nước không chạm đến vỉ

Nhiệt cung cấp có thể là ngọn lửa đốt trực tiếp hoặc dùng hơi nước từ nồi hơi dẫnvào lớp bao chung quanh phần đáy nồi Có thể coi phương pháp này là một trường hợpđiển hình của phương pháp chưng cất bằng hơi nước với hơi nước ở áp suất thường.Như vậy chất ngưng tụ sẽ chứa ít sản phẩm phân hủy hơn là trường hợp chưng cấtbằng hơi nước trực tiếp, nhất là ở áp suất cao hay hơi nước quá nhiệt

Việc chuẩn bị nguyên liệu trong trường trường hợp này quan trọng hơn nhiều sovới phương pháp trước, vì hơi nước tiếp xúc với chất nạp chỉ bằng cách xuyên qua nónên phải sắp xếp thế nào để chất nạp tiếp xúc tối đa với hơi nước thì mới có kết quảtốt Muốn vậy, chất nạp nên có kích thước đồng đều không sai biệt nhau quá.

Nếu chất nạp được nghiền quá mịn, nó dễ tụ lại vón cục và chỉ cho hơi nước điqua một vài khe nhỏ do hơi nước tự phá xuyên lên Như vậy phần lớn chất nạp sẽkhông được tiếp xúc với hơi nước Ngoài ra, luồng hơi nước đầu tiên mang tinh dầu cóthể bị ngưng tụ và tinh dầu rơi ngược lại vào lớp nước nóng bên dưới gây hư hỏng thấtthoát Do đó việc chuẩn bị chất nạp cần được quan tâm nghiêm túc và đòi hỏi kinhnghiệm tạo kích thước chất nạp cho từng loại nguyên liệu

Tốc độ chưng cất trong trường hợp này không quan trọng như trong trường hợpchưng cất bằng nước Tuy nhiên, tốc độ nhanh sẽ có lợi vì ngăn được tình trạng quáướt của chất nạp và gia tăng vận tốc chưng cất Về sản lượng tinh dầu mỗi giờ, người

ta thấy nó khá hơn phương pháp chưng cất bằng nước nhưng vẩn còn kém hơn phươngpháp chưng cất bằng hơi nước sẽ đề cập sau

So với phương pháp chưng cất bằng nước, ưu điểm của nó là ít tạo ra sản phẩmphân hủy Do đó, dù với thiết bị loại nào đi nữa, ta phải đảm bảo là chỉ có phần đáynồi là được phép đốt nóng và giữ cho phần vỉ chứa chất nạp không tiếp xúc với nướcsôi Phương pháp này cũng tốn ít nhiên liệu, tuy nhiên nó không thể áp dụng chonhững nguyên liệu dễ bị vón cục

Khuyết điểm chính của phương pháp là do thực hiện ở áp suất thường, nên cấuphần có nhiệt độ sôi cao sẽ đòi hỏi một lượng rất lớn hơi nước để hóa hơi hoàn toàn vànhư thế sẽ tốn rất nhiều thời gian Về kỹ thuật, khi xong một lần chưng cất, nước ở bêndưới vỉ phải được thay thế để tránh cho mẻ sản phẩm sau có mùi lạ

*Chưng cất bằng hơi nước

Hơi nước tạo ra từ nồi hơi, thường có áp suất cao hơn không khí, được đưa thẳngvào bình chưng cất Trong kỹ nghệ phương pháp này thường dùng để chưng cất tinhdầu từ các nguyên liệu thực vật

Điểm ưu việt của phương pháp này là người ta có thể điều chỉnh áp suất, nhiệt độnhư mong muốn để tận thu sản phẩm, nhưng phải giữ nhiệt độ ở mức giới hạn để tinhdầu không bị phân hủy

Việc sử dụng phương pháp này cũng lệ thuộc vào những điều kiện hạn chế như

đã trình bày đối với hai phương pháp chưng cất nói trên cộng thêm hai yếu tố nữa làyêu cầu hơi nước không quá nóng và quá ẩm Nếu quá nóng nó có thể phân hủy nhữngcấu phần có độ sôi thấp, hoặc làm chất nạp khô quăn khiến hiện tượng thẩm thấukhông xảy ra Do đó trong thực hành, nếu dòng chảy của tinh dầu ngưng lại sớm quá,người ta phải chưng cất tiếp bằng hơi nước bão hòa trong một thời gian cho đến khi sựkhuyếch tán hơi nước được tái lập lại , khi đó mới tiếp tục dùng lại hơi nước quá nhiệt.Còn trong trường hợp, hơi nước quá ẩm sẽ đưa đến hiện tượng ngưng tụ, phần chấtnạp phía dưới sẽ bị ướt, trong trường hợp này người ta phải tháo nước ra bằng một van

xả dưới đáy nồi trong công nghiệp, hơi nước trước khi vào bình chưng cất phải đingang một bộ phận tách nước

Với hơi nước có áp suất cao thường gây ra sự phân hủy quan trọng, nên tốt nhất

là bắt đầu chưng cất với hơi nước ở áp suất thấp và cao dần cho đến khi kết thúc.Không có một quy tắc chung nào cho mọi loại nguyên liệu vì mỗi chất nạp đòi hỏi mộtkinh nghiệm và yêu cầu khác nhau

Hiệu suất và chất lượng tinh dầu phụ thuộc vào đặc tính của tinh dầu và cáchchọn phương pháp chưng cất Thí dụ như tinh dầu hương bài, nếu chưng cất hơi nước

ở áp suất thường thì thời gian kéo dài trên 12 giờ mà hiệu suất thu được chỉ khoảng1%, nhưng nếu chưng cất ở thiết bị có áp suất 4 -5 atm thì hiệu suất thu được đạt 1 -1,2% và thời gian chưng cất chỉ còn 6 giờ Thường thì các loại tinh dầu có tỉ trọng lớnhơn nước, khi chưng cất hơi nước trong thiết bị áp suất cao, cho hiệu suất ly trích caotrong thời gian chưng cất ngắn

d) 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 tương đối nhanh

e) Khuyết điểm

- Không có lợi 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

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

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

1.3.2.3 Thu hồi thêm tinh dầu từ nước chưng

Thường tinh dầu trong nước chưng nằm dưới hai dạng phân tán và hòa tan Dạngphân tán thì có thể dùng phương pháp lắng hay ly tâm, còn dạng hòa tan thì phảichưng cất lại Nếu trọng lượng riêng của tinh dầu và nước quá gần nhau thì có thểthêm NaCl để gia tăng tỉ trọng của nước làm tinh dầu tách ra dễ dàng

Trong phòng thí nghiệm, để chưng cất hơi nước tinh dầu, người ta thường dùng

bộ dụng cụ thủy tinh Clevenger với hai loại ống hứng tinh dầu, tùy theo tinh dầu nặnghay nhẹ

1.4 Mô hình hóa thực nghiệm

1.4.1 Khái quát

Trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, tính logic, sự nhanh chóng và tính chính xác

là yêu cầu cần bảo đảm Trong thực nghiệm nghiên cứu cần phải có kết quả mô tả mốiquan hệ phụ thuộc lẫn nhau của các yếu tố liên quan, đảm bảo độ tin cậy và tính chínhxác của kết quả với sai số cho phép

Trong điều kiện đủ thông tin, có thể sử dụng các phương pháp toán học khácnhau để mô tả hệ thống, từ đó khảo sát và tình cực trị đối với bài toán Tuy nhiên khithiếu thông tin, cần phải làm thực nghiệm để xây dựng mô hình toán học cho quá trìnhnghiên cứu, sau đó tiến hành các bước tối ưu hoá Quy hoạch và xử lý số liệu thựcnghiệm là một phương pháp toán học được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, học tập

và cả trong sản xuất thực tế Ở đây chúng tôi sử dụng mô hình hóa thực nghiệm bậc 2tâm trực giao để tối ưu hóa các yếu tố khảo sát

1.4.2 Giới thiệu về mô hình hóa thực nghiệm bậc 2 tâm trực giao

Mô hình hóa thực nghiệm bậc 1 chỉ gồm các số hạng bậc 1 cho nên độ phù hợpthấp Muốn nâng cao độ phù hợp phải có các số hạng bậc 2 Khi đó tiến hành mô hìnhhóa thực nghiệm bậc 2

Có nhiều giải pháp tìm phương trình hồi qui bậc 2, phổ biến nhất là 2 phươngpháp:

 Dùng ma trận tâm trực giao

 Dùng ma trận tâm xoay