Các phương pháp sản xuất tinh dầu

EBOOKBKMT.COM – Thư viện tài liệu kỹ thuật CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT TINH DẦU Nguyễn Văn Minh Dựa cách thực hành, người ta chia phương pháp sản xuất tinh dầu làm bốn loại: học, tẩm trích, hấp thụ chưng cất nước Nhưng dù có tiến hành theo phương pháp nào, quy trình sản xuất có điểm chung sau đây: - Tinh dầu thu phải có mùi thơm tự nhiên nguyên liệu - Quy trình khai thác phải phù hợp nguyên liệu - Tinh dầu phải lấy triệt để khỏi nguyên liệu, với chi phí thấp Nguyên tắc ly trích tất phương pháp nói dựa vào đặc tính tinh dầu như: - Dễ bay - Lôi theo nước nhiệt độ 100oC - Hòa tan dễ dàng dung môi hữu - Dễ bị hấp thu thể khí PHƯƠNG PHÁP TẨM TRÍCH: 1.1 TẨM TRÍCH BẰNG DUNG MƠI DỄ BAY HƠI: Phương pháp có nhiều ưu điểm tiến hành nhiệt độ phòng, nên thành phần hóa học tinh dầu bị thay đổi Phương pháp khơng áp dụng để ly trích kết (concrete) từ hoa mà dùng để tận trích phương pháp khác khơng ly trích hết dùng để ly trích loại nhựa dầu (oleoresin) gia vị 1.1.1 Nguyên tắc: Dựa tượng thẩm thấu, khuếch tán hòa tan tinh dầu có mơ dung môi hữu 1.1.2 Dung môi: Yếu tố quan trọng cho thành công phương pháp phẩm chất đặc tính dung mơi sử dụng, dung mơi dùng tẩm trích cần phải đạt yêu cầu sau đây: - Hòa tan hồn tồn nhanh chóng cấu phần có mùi thơm nguyên liệu - Hòa tan hợp chất khác sáp, nhựa dầu có ngun liệu - Khơng có tác dụng hóa học với tinh dầu - Khơng biến chất sử dụng lại nhiều lần - Hoàn toàn tinh khiết, khơng có mùi lạ, khơng độc, khơng ăn mòn thiết bị, khơng tạo thành hỗn hợp nổ với khơng khí có độ nhớt - Nhiệt độ sơi thấp chưng cất dung dịch ly trích để thu hồi dung môi, nhiệt độ sôi cao ảnh hưởng đến chất lượng tinh dầu Điểm sôi dung môi nên thấp điểm sôi cấu phần dễ bay tinh dầu - Ngồi ra, cần có thêm yếu tố phụ khác như: giá thành thấp, nguồn cung cấp dễ tìm, … Thường khơng có dung môi thỏa mãn tất điều kiện kể Người ta sử dụng dung môi không tan nước như: dietil eter, eter dầu hỏa, hexan, cloroform … lẫn dung môi tan nước như: etanol, aceton … Trong số trường hợp cụ thể, người ta dùng hỗn hợp dung mơi 1.1.3 Quy trình tẩm trích: EBOOKBKMT.COM – Thư viện tài liệu kỹ thuật Phương pháp ly trích thích hợp cho ngun liệu có chứa lượng tinh dầu khơng lớn có chứa cấu phần tan nước khơng chịu nhiệt độ q cao Quy trình kỹ thuật gồm giai đoạn sau đây: - Tẩm trích: ngun liệu ngâm vào dung mơi bình chứa Trong số trường hợp, để gia tăng khả ly trích, nguyên liệu cần xay nhỏ trước Hỗn hợp nguyên liệu dung môi cần xáo trộn suốt thời gian ly trích Nên khảo sát trước xem việc gia nhiệt có cần thiết hay không, cần, không nên gia nhiệt 50oC để không ảnh hưởng đến mùi thơm sản phẩm sau - Xử lý dung dịch ly trích: sau q trình tẩm trích kết thúc, dung dịch ly trích lấy thay dung môi sau khoảng thời gian định, tùy theo nguyên liệu Tách nước (nếu có) khỏi dung dịch, làm khan Na 2SO4 lọc Dung môi phải thu hồi nhiệt độ thấp tốt để tránh tình trạng sản phẩm bị mác phân hủy Do đó, nên loại dung môi khỏi sản phẩm phương pháp chưng cất áp suất (cô quay) Dung môi thu hồi dùng để ly trích lần ngun liệu - Xử lý sản phẩm ly trích: sau thu hồi hồn tồn dung mơi, sản phẩm chất đặc sệt gồm có tinh dầu số hợp chất khác nhựa, sáp, chất béo, cần phải tách riêng tinh dầu Chất đặc sệt đem chưng cất nước để tách riêng tinh dầu Tinh dầu có mùi thơm tự nhiên, khối lượng thu kém, tinh dầu có chứa số cấu phần thơm có nhiệt độ sơi cao nên có tính chất định hương tốt - Tách dung dịch từ bã: sau tháo hết dung dịch ly trích khỏi hệ thống, bã chứa lượng dung dịch lớn (khoảng 20 – 30% lượng dung mơi ly trích) Phần dung dịch lại nằm nguyên liệu thường lấy phương pháp chưng cất nước (trường hợp dung môi không tan nước), ly tâm, lọc ép (trường hợp dung môi tan nước) Sau dung dịch tách nước, làm khan nhập chung với dung dịch ly trích Chất lượng thành phẩm hiệu phương pháp ly trích phụ thuộc chủ yếu vào dung môi dùng để ly trích Để đạt kết tốt dung mơi sử dụng phải thoả mãn yêu cầu trình bày Vì dung mơi dễ bay nên cần phải lưu ý đến tỉ lệ thất dung mơi quy trình ly trích việc ảnh hưởng lớn đến giá thành sản phẩm Trong điều kiện phòng thí nghiệm, muốn tiến hành phương pháp tẩm trích với dung môi dễ bay hơi, tiến hành sử dụng phương pháp truyền thống khuấy từ nhiệt độ phòng đun – khuấy từ (kèm ống hồn lưu) hay phương pháp dùng Soxhlet Ngoài ra, với phát triển ngày mạnh mẽ “hóa học xanh”, mà ngày nay, áp dụng phương pháp là: tẩm trích có hỗ trợ siêu âm vi sóng 1.1.4 Ưu khuyết điểm: - Ưu điểm: sản phẩm thu theo phương pháp thường có mùi thơm tự nhiên Hiệu suất sản phẩm thu thường cao phương pháp khác - Khuyết điểm: - yêu cầu cao thiết bị; - thất dung mơi; - quy trình tương đối phức tạp PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT HƠI NƯỚC: Phương pháp dựa thẩm thấu, hòa tan, khuếch tán lôi theo nước hợp chất hữu tinh dầu chứa mô tiếp xúc với nước nhiệt độ cao Sự khuếch tán dễ dàng tế bào chứa tinh dầu trương phồng nguyên liệu tiếp xúc với nước bão hòa thời gian định Trường hợp mô EBOOKBKMT.COM – Thư viện tài liệu kỹ thuật thực vật có chứa sáp, nhựa, acid béo chi phương dây dài chưng cất phải thực thời gian dài hợp chất làm giảm áp suất chung hệ thống làm cho khuếch tán trở nên khó khăn 2.1 Lý thuyết chưng cất: Chưng cất định nghĩa là: ”Sự tách rời cấu phần hỗn hợp nhiều chất lỏng dựa khác biệt áp suất chúng” Trong trường hợp đơn giản, chưng cất hỗn hợp gồm chất lỏng khơng hòa tan vào nhau, áp suất tổng cộng tổng hai áp suất riêng phần Do đó, nhiệt độ sơi hỗn hợp tương ứng với áp suất tổng cộng xác định, không tùy thuộc vào thành phần bách phân hỗn hợp, miễn lúc hai pha lỏng tồn Nếu vẽ đường cong áp suất chất theo nhiệt độ, vẽ đường cong áp suất tổng cộng, ứng với áp suất, ta dễ dàng suy nhiệt độ sôi tương ứng hỗn hợp nhận thấy nhiệt độ sôi hỗn hợp luôn thấp nhiệt độ sơi hợp chất Thí dụ, áp suất 760 mmHg nước sôi 100oC benzen sôi 80oC chúng hai chất lỏng không tan vào Thực hành cho thấy, đun hỗn hợp áp suất 760 mmHg sơi 69 oC hỗn hợp hai pha lỏng với tỉ lệ Giản đồ nhiệt độ sôi theo áp suất cho thấy, 69oC, áp suất nước 225 mmHg benzen 535 mmHg Chính đặc tính làm giảm nhiệt độ sôi mà từ lâu phương pháp chưng cất nước phương pháp dùng để tách tinh dầu khỏi nguyên liệu thực vật 2.2 Những ảnh hưởng chưng cất nước: 2.2.1 Sự khuếch tán: Ngay nguyên liệu làm vỡ vụn có số mơ chứa tinh dầu bị vỡ cho tinh dầu tự ngồi theo nước lôi Phần lớn tinh dầu lại mơ thực vật tiến dần ngồi bề mặt ngun liệu hòa tan thẩm thấu Von Rechenberg mơ tả q trình chưng cất nước sau: “Ở nhiệt độ nước sơi, phần tinh dầu hòa tan vào nước có sẵn tế bào thực vật Dung dịch thẩm thấu dần bề mặt nguyên liệu bị nước Còn nước vào nguyên liệu theo chiều ngược lại tinh dầu lại tiếp tục bị hòa tan vào lượng nước Quy trình lặp lặp lại tinh dầu mơ ngồi hết Như vậy, diện nước cần thiết, trường hợp chưng cất sử dụng nước nhiệt, ý tránh đừng để nguyên liệu bị khô Nhưng lượng nước sử dụng thừa q khơng có lợi, trường hợp tinh dầu có chứa cấu phần tan dễ nước Ngoài ra, nguyên liệu làm vỡ vụn nhiều tốt, cần làm cho lớp nguyên liệu có độ xốp định để nước xuyên ngang lớp đồng dễ dàng Vì cấu phần tinh dầu chưng cất nước theo ngun tắc nói thơng thường hợp chất dễ hòa tan nước lơi trước Thí dụ, chưng cất nước hạt caraway nghiền nhỏ không nghiền, hạt khơng nghiền carvon (nhiệt độ sơi cao tan nhiều nước) trước, limonen (nhiệt độ sơi thấp, tan nước) sau Nhưng với hạt caraway nghiền nhỏ kết chưng cất ngược lại 2.2.2 Sự thủy giải: Những cấu phần ester tinh dầu thường dễ bị thủy giải cho acid alcol đun nóng thời gian dài với nước Do đó, để hạn chế tượng này, chưng cất nước phải thực thời gian ngắn tốt 2.2.3 Nhiệt độ: Nhiệt độ cao làm phân hủy tinh dầu Do đó, cần thiết phải dùng nước nhiệt (trên 100oC) nên thực việc giai đoạn cuối chưng cất, sau cấu phần dễ bay lôi hết Thực ra, hầu hết tinh dầu bền EBOOKBKMT.COM – Thư viện tài liệu kỹ thuật tác dụng nhiệt nên vấn đề cho thời gian chịu nhiệt độ cao tinh dầu ngắn tốt Tóm lại, dù ba ảnh hưởng xem xét độc lập thực tế chúng có liên quan với quy ảnh hưởng nhiệt độ Khi tăng nhiệt độ, khuếch tán thẩm thấu tăng, hòa tan tinh dầu nước tăng phân hủy tăng theo Trong công nghiệp, dựa thực hành, người ta chia phương pháp chưng cất nước thành ba loại chính: - Chưng cất nước - Chưng cất nước nước - Chưng cất nước 2.2.3.1 Chưng cất nước: Trong trường hợp này, nước phủ kín nguyên liệu, phải chừa khoảng khơng gian tương đối lớn phía bên lớp nước, để tránh nước sôi mạnh làm văng chất nạp qua hệ thống hồn lưu Nhiệt cung cấp đun trực tiếp củi lửa nước dẫn từ nồi vào (sử dụng bình có hai lớp đáy) Trong trường hợp chất nạp mịn, lắng chặt xuống đáy nồi, lúc nồi phải trang bị cánh khuấy trộn bên trong suốt thời gian chưng cất Sự chưng cất khơng thích hợp với tinh dầu dễ bị thủy giải Những nguyên liệu xốp rời rạc thích hợp cho phương pháp Những cấu phần có nhiệt độ sơi cao, dễ tan nước khó hóa khối lượng lớn nước phủ đầy, khiến cho tinh dầu sản phẩm thiếu chất Thí dụ điển hình mùi tinh dầu hoa hồng thu từ phương pháp chưng cất nước sản phẩm tẩm trích eugenol ancol phenetil nằm lại nước nhiều, người ta dùng phương pháp sử dụng phương pháp khác 2.2.3.2 Ưu điểm: - Quy trình kỹ thuật tương đối đơn giản - Thiết bị gọn, dễ chế tạo - Khơng đòi hỏi vật liệu phụ phương pháp tẩm trích, hấp thụ - Thời gian tương đối nhanh 2.2.3.3 Khuyết điểm: - Khơng có lợi nguyên liệu có hàm lượng tinh dầu thấp - Chất lượng tinh dầu bị ảnh hưởng tinh dầu có cấu phần dễ bị phân hủy - Không lấy loại nhựa sáp có nguyên liệu (đó chất định hương thiên nhiên có giá trị) - Trong nước chưng ln ln có lượng tinh dầu tương đối lớn - Nhưng tinh dầu có nhiệt độ sơi cao thường cho hiệu suất 2.2.4 Thu hồi thêm tinh dầu từ nước chưng: Thường tinh dầu nước chưng nằm hai dạng phân tán hòa tan Dạng phân tán dùng phương pháp lắng hay ly tâm, dạng hòa tan phải chưng cất lại Nếu trọng lượng riêng tinh dầu nước q gần thêm NaCl để gia tăng tỉ trọng nước làm tinh dầu tách dễ dàng Trong phòng thí nghiệm, để chưng cất nước tinh dầu, người ta thường dùng dụng cụ thủy tinh Clevenger (hình vẽ phần phụ lục) với hai loại ống hứng tinh dầu, tùy theo tinh dầu nặng hay nhẹ: CÁC PHƯƠNG PHÁP MỚI TRONG VIỆC LY TRÍCH TINH DẦU: 3.1 Vi sóng: EBOOKBKMT.COM – Thư viện tài liệu kỹ thuật 3.1.1 Đại cương: Vi sóng (micro-onde, microwave) sóng điện từ lan truyền với vận tốc ánh sáng Sóng điện từ đặc trưng bởi: - Tần số f, tính Hetz (Hz = cycles/s), chu kỳ trường điện từ giây, nằm 300 MHz 30 GHz - Vận tốc c 300.000 km/giây - Độ dài sóng λ (cm) đoạn đường vi sóng chu kỳ, liên hệ với tần số theo công thức λ = c/f Hầu hết lò vi sóng gia dụng sử dụng tần số 2450 MHz, tần số λ = 12,24 cm 3.1.2 Hiện tượng làm nóng: Một số phân tử, thí dụ nước, phân chia điện tích phân tử cách bất đối xứng Như phân tử lưỡng cực có tính định hướng chiều điện trường Dưới tác động điện trường chiều, phân tử lưỡng cực có khuynh hướng xếp theo chiều điện trường Nếu điện trường điện trường xoay chiều, định hướng lưỡng cực thay đổi theo chiều xoay Cơ sở tượng phát nhiệt vi sóng tương tác điện trường phân tử phân cực bên vật chất Trong điện trường xoay chiều có tần số cao (2,45x10 Hz), điện trường gây xáo động ma sát lớn phân tử, nguồn gốc nóng lên vật chất Với cấu có bất đối xứng cao, phân tử nước có độ phân cực lớn, nước chất lý tưởng dễ đun nóng vi sóng Ngồi ra, nhóm định chức phân cực như: -OH, -COOH, -NH2 … hợp chất hữu nhóm chịu tác động mạnh trường điện từ Do đó, hợp chất phân cực mau nóng chiếu xạ vi sóng Việc có liên quan đến số điện mơi hợp chất Tóm lại, đun nóng vi sóng chọn lọc, trực tiếp nhanh chóng Hiện tượng làm nóng vật chất vi sóng 3.1.3 Tính chất: Vi sóng có đặc tính xun qua khơng khí, gốm sứ, thủy tinh, polimer phản xạ bề mặt kim loại Độ xuyên thấu tỉ lệ nghịch với tần số, tần số tăng lên độ xun thấu vi sóng giảm Đối với vật chất có độ ẩm 50% với tần số 2450 MHz có độ xuyên 10 cm Ngồi ra, vi sóng lan truyền chân không, điều kiện áp suất cao … Năng lượng vi sóng yếu, khơng q 10 -6 eV, lượng nối cộng hóa trị eV, xạ vi sóng khơng phải xạ ion hóa Có số cơng trình khẳng định tính vơ hại vi sóng sinh vật Chẳng hạn, nghiên cứu phát triển enzim điều kiện vi sóng, người ta nhận thấy ảnh hưởng vi sóng giống ảnh hưởng gia nhiệt thơng thường Vi sóng cung cấp kiểu đun nóng khơng dùng truyền nhiệt thơng thường Với kiểu đun nóng bình thường, sức nóng từ bề mặt vật chất lần vào bên trong, trường hợp sử dụng vi sóng, vi sóng xuyên thấu vật chất làm nóng vật chất từ bên Vi sóng tăng hoạt phân tử phân cực, đặc biệt nước Nước bị đun nóng hấp thu vi sóng bốc tạo áp suất cao nơi bị tác dụng, đẩy nước từ tâm vật đun đến bề mặt 3.1.4 Ly trích hỗ trợ vi sóng: Dưới tác dụng vi sóng, nước tế bào thực vật bị nóng lên, áp suất bên tăng đột ngột làm mô chứa tinh dầu bị vỡ Tinh dầu bên ngồi, lơi EBOOKBKMT.COM – Thư viện tài liệu kỹ thuật theo nước sang hệ thống ngưng tụ (phương pháp chưng cất nước) hòa tan vào dung môi hữu bao phủ bên ngồi ngun liệu (phương pháp tẩm trích) Lưu ý mức độ chịu ảnh hưởng vi sóng loại mô tinh dầu không giống kiến tạo loại mô khác nhau, nguyên liệu làm nhỏ Kết phản ánh qua thời gian ly trích Trong chưng cất nước, việc ly trích tinh dầu thực điều kiện có thêm nước hay khơng thêm nước vào ngun liệu (trường hợp nguyên liệu chứa nhiều nước, đặc điểm phương pháp chưng cất nước hỗ trợ vi sóng) Ngồi ra, nước thêm lần thêm liên tục (trường hợp lượng nước thêm lần không đủ lôi hết tinh dầu nguyên liệu) ly trích chấm dứt Ngồi việc nước bị tác dụng nhanh chóng, cấu phần phân cực (hợp chất có chứa oxigen) diện tinh dầu bị ảnh hưởng vi sóng Ngược lại cấu phần hidrocarbon chịu ảnh hưởng vi sóng (do chúng có độ phân cực kém) nên ly trích chúng tựa chưng cất nước bình thường với vận tốc nhanh nhiều nước đun nóng nhanh vi sóng Trong phòng thí nghiệm, chúng tơi nghiên cứu, sữa chữa cải tiến lò vi sóng gia dụng lò sử dụng việc ly trích tinh dầu phương pháp chưng cất nước, lẫn cho phương pháp tẩm trích áp suất thường (hình vẽ xem phần phụ lục) Năm 1998, Luque de Castro cộng đưa kiểu lò vi sóng tiêu điểm hỗ trợ cho ly trích Soxhlet (FMASE – Focused Microwave Assisted Soxhlet Extraction) theo hình vẽ phần phụ lục Hệ thống giúp cho thời gian ly trích hợp chất thiên nhiên sử dụng Soxhlet giảm xuống đáng kể khả bảo vệ hợp chất dễ bị phân hủy tăng lên 3.2 Siêu âm: 3.2.1 Nguyên tắc: Siêu âm âm có tần số nằm ngưỡng nghe người (16 Hz – 18 kHz) Về mặt thực hành, siêu âm chia làm hai vùng: - Vùng có tần số cao (5 – 10 MHz), ứng dụng y học để chuẩn đoán bệnh - Vùng có tần số thấp (20 – 100 kHz), ứng dụng ngành khác (kích hoạt phản ứng hóa học, hàn chất dẻo, tẩy rửa, cắt gọt, …) dựa khả cung cấp lượng siêu âm Siêu âm cung cấp lượng thông qua tượng tạo vỡ “bọt” (khoảng cách liên phân tử) Trong mơi trường chất lỏng, bọt hình thành nửa chu kỳ đầu chu kỳ sau, giải phóng lượng lớn Năng lượng sử dụng tẩy rửa chất bẩn vị trí khơng thể tẩy rửa phương pháp thông thường, khoan cắt chi tiết tinh vi, hoạt hóa nhiều loại phản ứng hóa học, làm chảy hòa tan lẫn vào việc chế tạo sản phẩm nhựa nhiệt dẻo, … Hiện tượng tạo bọt vỡ bọt Trong lĩnh vực hợp chất thiên nhiên, siêu âm chủ yếu sử dụng để hỗ trợ cho phương pháp tẩm trích giúp thu ngắn thời gian ly trích Trong số trường hợp, phương pháp siêu âm cho hiệu suất cao phương pháp khuấy từ Trong trường hợp tinh dầu vi ly trích siêu âm thực nhiệt độ phòng nên sản phẩm ln có mùi thơm tự nhiên Các thiết bị siêu âm chủ yếu bao gồm hai dạng: - Bồn siêu âm (40 kHz) - Thanh siêu âm (20 kHz) EBOOKBKMT.COM – Thư viện tài liệu kỹ thuật Hiện phòng thí nghiệm sử dụng bồn siêu âm phương pháp tẩm trích 3.2.2 Bồn siêu âm: Bồn thường làm inox, bên đáy bồn có gắn phận phát siêu âm Một số bồn có trang bị thêm phận gia nhiệt không cho phép tăng nhiệt độ lên cao Bồn siêu âm có ưu điểm lượng phân bố đồng đều, thuận tiện thao tác, dễ sử dụng lại có khuyết điểm có tần số cố định, đơi khơng kiểm sốt nhiệt độ (khi siêu âm thời gian dài), không thực nhiệt độ thấp Hiện bồn siêu âm chế tạo với nhiều kích thước lớn nhỏ khác để phù hợp với vật chứa bên Khi sử dụng bồn siêu âm, nhớ cho chất hoạt động bề mặt vào lượng nước bồn để gia tăng khả siêu âm Bình chứa nguyên liệu cần đổ ngập dung môi với mức dung môi nên thấp ngang lớp nước bên  ... nước tinh dầu, người ta thường dùng dụng cụ thủy tinh Clevenger (hình vẽ phần phụ lục) với hai loại ống hứng tinh dầu, tùy theo tinh dầu nặng hay nhẹ: CÁC PHƯƠNG PHÁP MỚI TRONG VIỆC LY TRÍCH TINH. .. Thí dụ điển hình mùi tinh dầu hoa hồng thu từ phương pháp chưng cất nước sản phẩm tẩm trích eugenol ancol phenetil nằm lại nước nhiều, người ta dùng phương pháp sử dụng phương pháp khác 2.2.3.2... tồn dung mơi, sản phẩm chất đặc sệt gồm có tinh dầu số hợp chất khác nhựa, sáp, chất béo, cần phải tách riêng tinh dầu Chất đặc sệt đem chưng cất nước để tách riêng tinh dầu Tinh dầu có mùi thơm