Nghiên cứu thu nhận tinh dầu và nhựa dầu từ chi Gừng (Zingiber) thuộc họ Gừng (Zingiberaceae) và ứng dụng vào công nghệ thực phẩm (FULL TEXT)

MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Việt Nam là nước nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, ẩm ướt quanh năm. Đây là điều kiện thuận lợi cho thảm thực vật phát triển phong phú và đa dạng. Trong đó, có nhiều loài thực vật không chỉ có ý nghĩa trong hệ sinh thái, môi trường, nông lâm nghiệp mà còn có những đặc tính dược lý rất quí báu đã được sử dụng trong các mục đích khác nhau phục vụ đời sống của nhân dân ta. Nhiều công trình khoa học đã chứng minh chất thơm và các hợp chất thiên nhiên có nhiều tính chất quý giá như khả năng chống oxy hóa, kháng khuẩn, chống ung thư, v.v...Với những kết quả này, việc nghiên cứu ứng dụng các chất thơm và các sản phẩm thiên nhiên cho thực phẩm, thực phẩm chức năng đang được đầu tư quan tâm, trở thành xu hướng của xã hội văn minh, hiện đại. Trong tài nguyên thực vật của Việt Nam, gừng là loại cây rất quen thuộc, nó được xem là nguồn nguyên liệu có giá trị để làm gia vị trong chế biến thực phẩm và làm thuốc chữa bệnh. Trong ngành thực vật hạt kín họ Gừng (Zingiberaceae) không phải là họ lớn, chỉ có khoảng 50 chi, 1.300 loài nhưng đây lại là họ có số lượng lớn các loài có giá trị sử dụng trong nhiều lĩnh vực: y học, dược phẩm, công nghệ thực phẩm [159]. Các loài trong họ Gừng phân bố chủ yếu ở vùng nhiệt đới, đặc biệt là vùng Đông Nam Á, v.v... Việt Nam là nước nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, do đó có nguồn tài nguyên họ gừng rất đa dạng, hiện biết 19 chi, 141 loài và 3 thứ [17]. Trong số 19 chi, 144 loài và thứ có khoảng 14 chi, 64 loài được khai thác và sử dụng trong nhiều lĩnh vực từ các bộ phận khác nhau (thân, rễ, hạt, hoa, quả) [17], [30], [9], [92], [73]. Ở Việt Nam được tác giả Nguyễn Quốc Bình nghiên cứu đầy đủ và có tính hệ thống nhất về họ Gừng (2011), đã công bố ở Việt Nam có 19 chi với 144 loài và thứ. Nhiều nghiên cứu về thành phần hóa học của chất thơm và hoạt tính của nó trên thế giới đã công bố của các loài thuộc chi Amomum, Zingiber, Alpinia, Hedychium,v.v... Tuy nhiên, ở Việt Nam các công trình công bố về các hợp chất thơm và ứng dụng của nó từ họ này không đáng kể. Xuất phát từ thực tế nghiên cứu và sự cấp thiết trên, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu thu nhận tinh dầu và nhựa dầu từ chi Gừng (Zingiber) thuộc họ Gừng (Zingiberaceae) và ứng dụng trong công nghệ thực phẩm”.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ THỊ MỸ CHÂU

NGHIÊN CỨU THU NHẬN TINH DẦU VÀ NHỰA

DẦU TỪ CHI GỪNG (ZINGIBER) THUỘC HỌ GỪNG

(ZINGIBERACEAE) VÀ ỨNG DỤNG TRONG

CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Hà Nội – 2018

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về chi gừng 4

1.1.1 Đặc điểm thực vật, phân bố, phân loại 4

1.1.2 Thành phần hóa học 6

1.2 Tinh dầu gừng và nhựa dầu gừng 7

1.2.1 Tinh dầu gừng 7

1.2.2 Nhựa dầu gừng 10

1.3 Các phương pháp thu nhận tinh dầu, nhựa dầu 17

1.3.1 Các phương pháp thu nhận tinh dầu 17

1.3.2 Phương pháp thu nhận nhựa dầu 18

1.3.3 Các phương pháp tạo bột hương liệu chất thơm 21

1.4 Vai trò của gừng trong đời sống con người 24

1.5 Tình hình sử dụng và nghiên cứu gừng ở Việt Nam và trên thế giới 25

1.5.1 Ở Việt Nam 25

1.5.2 Trên thế giới 26

1.6 Ứng dụng gừng trong công nghệ thực phẩm 27

1.6.1 Chất thơm sử dụng trong sản xuất bánh, kẹo, đồ uống và chế biến các món ăn 28

1.6.2 Ứng dụng làm thuốc 29

1.6.3 Tác dụng chống nấm, vi sinh vật và chống oxy hóa của gừng 29

1.6.4 Ứng dụng của nhựa gừng để làm chất bảo quản thực phẩm 30

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.1 Các loài mẫu gừng nghiên cứu 32

2.2 Hóa chất và thiết bị nghiên cứu sử dụng 34

2.2.1 Hóa chất sử dụng 34

2.2.2 Thiết bị nghiên cứu 34

2.3 Sơ đồ nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.4 Phương pháp lấy mẫu nguyên liệu gừng 36

2.5 Các phương pháp phân tích 36

2.5.1 Xác định tỷ lệ thu hồi thịt củ gừng bằng phương pháp tính phần trăm 36

2.5.2 Xác định độ ẩm của củ gừng bằng phương pháp chưng cất với toluene 36

2.5.3 Xác định lượng tinh dầu củ gừng bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước 37

2.5.4 Phân tích hàm lượng tinh bột trong củ gừng 37

2.5.5 Phân tích hàm lượng cellulose trong củ gừng theo TCVN 5103:1990 38

2.5.6 Phân tích hàm lượng tro trong củ gừng theo TCVN 9939:2013 39

2.5.7 Phân tích cảm quan của tinh dầu theo TCVN 8460:2010 39

2.5.8 Xác định tỷ trọng của tinh dầu theo TCVN 8444:2010 39

2.5.9 Xác định góc quay cực theo TCVN 8446:2010 40

2.5.10 Xác định chỉ số khúc xạ theo TCVN 8445:2010 40

2.5.11 Xác định chỉ số acid theo TCVN 8450:2010 40

2.5.12 Xác định chỉ số ester của tinh dầu theo TCVN 8451:2010 40

2.5.13 Xác định hàm lượng aldehyde theo TCVN 189:1993 (Phương pháp natri sunfat - aldehyde cinnamic) 41

2.5.14 Xác định độ hòa tan trong ethanol theo TCVN 8449:2010 41

2.5.15 Xác định cấu tử của tinh dầu gừng bằng phương pháp GC/MS 41

2.5.16 Xác định cấu tử của nhựa dầu gừng bằng phương pháp LC/MS 42

2.5.17 Phân lập và xác định cấu trúc các hợp chất trong nhựa dầu gừng 43

2.5.18 Xác định hoạt tính chống oxy hóa - khả năng quét gốc tự do DPPH 47

2.5.19 Xác định hoạt tính kháng khuẩn bằng phương pháp khuếch tán thạch 48

2.5.20 Phương pháp đánh giá thị hiếu sản phẩm 48

2.6 Các phương pháp bố trí thí nghiệm 49

2.6.1 Tối ưu hóa quy trình chưng cất tinh dầu gừng theo phương pháp đáp ứng bề mặt 49

2.6.2 Tối ưu hóa quá trình trích ly nhựa dầu gừng theo phương pháp đáp ứng bề mặt 52

2.6.3 Bố trí thí nghiệm bổ sung hương liệu vào rượu 54

2.6.4 Bố trí thí nghiệm bổ sung hương liệu nhựa dầu gừng vào sản phẩm chè đen 56 2.6.5 Nghiên cứu tận dụng phụ phẩm bã gừng vào công nghệ sản xuất khác 57

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59

3.1 Nghiên cứu xác định chất lượng nguyên liệu, tính chất hóa lý và thành phần hóa học của tinh dầu và nhựa dầu từ củ 7 loài gừng (Z cochinchinensis, Z gramineum, Z collinsii, Z rufopilosium, Z officinale, Z rubens, Z zerumbet) tự nhiên khu vực Bắc Trung Bộ (Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình), Việt Nam 59

3.1.1 Khảo sát chất lượng nguyên liệu 59

3.1.2 Xác định chỉ số hóa lý của tinh dầu gừng 61

3.1.3 Thành phần hóa học của tinh dầu gừng 63

3.1.4 Xác định các cấu tử của nhựa dầu gừng 81

3.2 Nghiên cứu xây dựng quy trình thu nhận tinh dầu, nhựa dầu gừng, xác định hoạt tính sinh học của tinh dầu và nhựa dầu từ củ gừng loài Z collinsii tự nhiên khu vực Bắc Trung Bộ, Việt Nam 87

3.2.1 Nghiên cứu xây dựng quy trình thu nhận tinh dầu gừng 87

3.2.2 Xây dựng quy trình trích ly nhựa dầu gừng 97

3.2.3 Xác định công thức cấu tạo của một số hợp chất có trong nhựa dầu gừng từ củ gừng loài Z collinsii tự nhiên khu vực Bắc Trung Bộ, Việt Nam 106

3.3 Nghiên cứu quy trình công nghệ sử dụng tinh dầu, nhựa dầu gừng vào một số sản

phẩm thực phẩm 120

3.3.1 Ứng dụng vào sản phẩm chè đen 120

3.3.2 Sản xuất rượu gừng 122

3.4 Đề xuất giải pháp công nghệ sử dụng các phụ phẩm từ quá trình thu nhận chất thơm (tinh dầu và nhựa dầu) vào một số lĩnh vực khác: sản xuất tinh bột và làm giá thể trồng nấm 128

3.4.1 Sản xuất tinh bột từ bã gừng 128

3.4.2 Ứng dụng bã gừng làm giá thể trồng cây 130

3.4.3 Đề nghị quy trình công nghệ khép kín đối với sản phẩm gừng 134

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 135

DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 137

TÀI LIỆU THAM KHẢO 138 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁCKÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT

Sắc ký lỏng hiệu năng cao

3 LC/MS Liquid Chromatography/ Mass

Spectrometry

Sắc ký lỏng ghép nối khối phổ

4 TLC Thin Layer Chromatography Sắc ký lớp mỏng

6 IC50 Haft - maximal inhibitory

7 UV-Vis Ultraviolet–visible spectroscopy Phổ tử ngoại-khả kiến

8 EI-MS Electron Impact –Mass

Spectrometry Phổ khối va chạm electron

9 DPPH 1,1-diphenyl-2-picryl-hydrrazyl 1,1-diphenyl-2-picryl-hydrrazyl

10 1H- NMR Proton Nuclear Magnetic

11 13C- NMR Cacbon 13 Nuclear Magnetic

12 DEPT Distortionless Enhancement by

Polarization Transfer Phổ DEPT

13 HSQC Heteronuclear Single Quantum

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân loại và phân bố của các loài chi gừng ở Việt Nam 5

Bảng 1.2 Thành phần các chất cay chính trong nhựa dầu gừng [160] 15

Bảng 2.1 Thông tin các mẫu nghiên cứu 32

Bảng 2.2 Bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quy trình chưng cất tinh dầu gừng 50

Bảng 2.3 Khảo sát lượng tinh dầu theo thời gian chưng cất có hỗ trợ siêu âm 51

Bảng 2.4 Khảo sát sự thay đổi lượng tinh dầu thu được khi bổ sung α-amylase 52

Bảng 2.5 Bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quy trình chưng cất nhựa gừng 53

Bảng 2.6 Tỷ lệ nhựa dầu bổ sung vào sản phẩm chè đen 56

Bảng 2.7 Tỷ lệ thay thế bã mùn cưa gừng trong giá thể 58

Bảng 3.1 Kết quả khảo sát chất lượng nguyên liệu các loài gừng nghiên cứu 60

Bảng 3.2 Chỉ số hóa lý của tinh dầu gừng 62

Bảng 3.3 Thành phần hóa học các cấu tử bay hơi tinh dầu loài Z cochinchinnensis 63

Bảng 3.4 Thành phần hóa học tinh dầu loài Z gramineum 66

Bảng 3.5 Thành phần hóa học tinh dầu loài Z rufopilosum 69

Bảng 3.6 Thành phần hóa học của tinh dầu loài Z zerumbet 72

Bảng 3.7 Thành phần hóa học của tinh dầu loài Z rubens 74

Bảng 3.8 Thành phần hóa học các cấu tử bay hơi loài Z collinsii 76

Bảng 3.9 Các cấu tử dễ bay hơi từ rễ loài Z officinale 79

Bảng 3.10 Thành phần hóa học của loài Z cochinchinensis 81

Bảng 3.11 Thành phần hóa học của loài Z gramineum 82

Bảng 3.12 Thành phần hóa học của loài Z rufopilosium 83

Bảng 3.13 Thành phần hóa học của loài Z zerumbet 84

Bảng 3.14 Thành phần hóa học của loài Z rubens 84

Bảng 3.15 Thành phần hóa học của loài Z collinsii 85

Bảng 3.16 Thành phần hóa học của loài Z officinale 86

Bảng 3.17 Lượng tinh dầu thu nhận từ thịt và củ gừng Z collinsii 87

Bảng 3.18 Điều kiện tiến hành thí nghiệm đối với tinh dầu gừng loài Z collinsii 90

Bảng 3.19 Mô hình thí nghiệm chưng cất tinh dầu gừng loài Z collinsii 91

Bảng 3.20 Kết quả phân tích hồi quy – lượng tinh dầu gừng thu được 92

Bảng 3.21 Kết quả chưng cất tinh dầu theo điều kiện tối ưu 94

Bảng 3.22 Điều kiện tiến hành thí nghiệm đối với nhựa dầu gừng loài Z collinsii 100

Bảng 3.23 Mô hình thí nghiệm trích ly nhựa dầu gừng loài Z collinsii 101

Bảng 3.24 Kết quả phân tích hồi quy – lượng nhựa dầu gừng thu được 102

Bảng 3.25 Kết quả trích ly nhựa dầu gừng theo điều kiện tối ưu 104

Bảng 3.26 Các hợp chất được tách ra từ cây gừng Z collinsii 106

Bảng 3.27 Dữ liệu phổ NMR của hợp chất 1 107

Bảng 3.28 Số liệu phổ 13 C- NMR của hợp chất 4 111

Bảng 3.29 Dữ liệu phổ NMR của hợp chất 7 [104] 115

Bảng 3.30 Hoạt tính chống oxy hóa của tinh dầu và nhựa dầu gừng từ loài Z collinsii 117 Bảng 3.31 Hoạt tính kháng các loại vi sinh vật của kanamycin 118

Bảng 3.32 Hoạt tính kháng chủng vi khuẩn B subtilis 119

Bảng 3.33 Kết quả xác định lượng nhựa dầu gừng bổ sung vào chè 120

Bảng 3.34 Thành phần hóa học tinh dầu từ bột tinh gừng Z Collinsii 124

Bảng 3.35 Kết quả xác định lượng bột hương liệu tinh dầu bổ sung vào rượu 126

Bảng 3.36 Hàm lượng tinh bột trong mẫu tinh bột gừng thu được 130

Bảng 3.37 Kết quả phát triển giá thể nấm sò sau các giai đoạn nghiên cứu 132

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Các hợp chất có trong thành phần hóa học của gừng 11

Hình 1.2 Cấu trúc và mối liên quan giữa các cấu tử chính trong gừng 11

Hình 1.3 Các hợp chất trong nhựa dầu gừng 12

Hình 1.4 Các hợp chất trong nhựa dầu gừng 13

Hình 1.5 Các hợp chất trong nhựa dầu gừng 13

Hình 1.6 Các hợp chất trong nhựa dầu gừng 14

Hình 1.7 Các hợp chất trong nhựa dầu gừng 15

Hình 1.8 Các hợp chất trong nhựa dầu gừng 15

Hình 2.1 Z cochinchiensis 32

Hình 2.2 Z.gramineum 32

Hình 2.3 Z rufopilosum 32

Hình 2.4 Z zerumbet 33

Hình 2.5 Z rubens 33

Hình 2.6 Z Collinsii 33

Hình 2.7 Z officinale 33

Hình 2.8 Hệ thống sắc ký khí ghép nối khối phổ 42

Hình 2.10 Hệ thống máy cộng hưởng từ hạt nhân 43

Hình 3.1 Sắc ký đồ GC/MS loài Z cochinchinensis (Hoa) 65

Hình 3.2 Sắc ký đồ GC/MS loài Z gramineum (Rễ) 68

Hình 3.3 Sắc ký đồ GC/MS loài Z rufopilosum 71

Hình 3.4 Sắc ký đồ GC/MS loài Z zerumbet 74

Hình 3.5 Sắc ký đồ GC/MS loài Z rubens 75

Hình 3.6 Sắc ký đồ GC/MS loài Z collinsii (Rễ) 78

Hình 3.7 Sắc ký đồ GC/MS vỏ gừng loài Z collinsii 78

Hình 3.8 Sắc ký đồ GC/MS loài Z officinale 80

Hình 3.9 Sắc ký đồ LC/MS loài Z cochinchinensis 81

Hình 3.10 Sắc ký đồ LC/MS loài Z gramineum 82

Hình 3.11 Sắc ký đồ LC/MS loài Z rufopilosum 83

Hình 3.12 Sắc ký đồ LC/MS loài Z zerumbet 84

Hình 3.13 Sắc ký đồ LC/MS loài Z rubens 85

Hình 3.14 Sắc ký đồ LC/MS loài Z collinsii 85

Hình 3.15 Sắc ký đồ LC/MS loài Zingiber officinale 86

Hình 3.16 Ảnh hưởng của các yếu tố đến lượng tinh dầu thu được 89

Hình 3.17 Ảnh hưởng của các yếu tố đến lượng tinh dầu gừng thu được 92

Hình 3.18 Ảnh hưởng của các yếu tố đến lượng tinh dầu gừng thu được 93

Hình 3.20 Mức độ đáp ứng sự mong đợi quá trình chưng cất thu nhận tinh dầu 93

Hình 3.19 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến lượng tinh dầu gừng thu được 94

Hình 3.20 Ảnh hưởng của sử dụng enzyme α-amylase đến lượng tinh dầu thu được 95

Hình 3.21 Ảnh hưởng của các yếu tố đến lượng nhựa dầu gừng thu được 98

Hình 3.22 Ảnh hưởng của các yếu tố đến lượng nhựa dầu gừng thu được 102

Hình 3.23 Ảnh hưởng của các yếu tố đến lượng nhựa dầu thu được 103

Hình 3.24 Mức độ đáp ứng sự mong đợi quá trình trích ly nhựa dầu gừng 104

Hình 3.26 Sắc ký đồ GC/MS bột tinh dầu Z collinsii 125

Hình 3.27 Sản phẩm rượu bổ sung tinh dầu gừng 127

Hình 3.28 Tinh bột gừng thu được sau quá trình sấy 130

Hình 3.29 Ảnh bã mùn cưa gừng sau khi tách tinh bột 132

Hình 3.30 Ảnh nấm mọc trên giá thể có thay thế một phần bã gừng 133

DANH MỤC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 2.1 Sơ đồ nghiên cứu 35

Sơ đồ 2.2 Khu vực lấy mẫu (theo Google map) 36

Sơ đồ 2.3 Phân lập các hợp chất từ cây gừng Z collinsii 45

Sơ đồ 2.4 Sơ đồ bổ sung bột hương liệu vào rượu gừng 55

Sơ đồ 2.5 Quy trình sản xuất chè đen bổ sung nhựa dầu gừng 56

Sơ đồ 2.6 Quy trình tách tinh bột từ bã gừng 57

Sơ đồ 2.7 Quy trình thu nhận bã mùn cưa gừng 58

Sơ đồ 3.1 Quy trình thu nhận tinh dầu gừng 96

Sơ đồ 3.2 Quy trình trích ly nhựa dầu gừng 105

Sơ đồ 3.3 Quy trình sản xuất chè đen bổ sung nhựa dầu gừng 120

Sơ đồ 3.4 Sơ đồ quy trình định hướng tạo bột hương liệu tinh dầu gừng 122

Sơ đồ 3.5 Quy trình tạo bột hương liệu tinh dầu gừng loài Z collinsii 123

Sơ đồ 3.6 Quy trình sản xuất rượu hương liệu tinh dầu gừng 126

Sơ đồ 3.7 Quy trình tách tinh bột từ bã gừng 128

Sơ đồ 3.8 Quy trình tách tinh bột từ bã gừng 129

Sơ đồ 3.9 Quy trình tạo giá thể từ bã mùn cưa gừng 131

Sơ đồ 3.10 Đề nghị quy trình công nghệ khép kín đối với sản phẩm gừng 134

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Việt Nam là nước nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, ẩm ướt quanh năm Đây là điều kiện thuận lợi cho thảm thực vật phát triển phong phú và đa dạng Trong đó, có nhiều loài thực vật không chỉ có ý nghĩa trong hệ sinh thái, môi trường, nông lâm nghiệp

mà còn có những đặc tính dược lý rất quí báu đã được sử dụng trong các mục đích khác nhau phục vụ đời sống của nhân dân ta Nhiều công trình khoa học đã chứng minh chất thơm và các hợp chất thiên nhiên có nhiều tính chất quý giá như khả năng chống oxy hóa, kháng khuẩn, chống ung thư, v.v Với những kết quả này, việc nghiên cứu ứng dụng các chất thơm và các sản phẩm thiên nhiên cho thực phẩm, thực phẩm chức năng đang được đầu tư quan tâm, trở thành xu hướng của xã hội văn minh, hiện đại

Trong tài nguyên thực vật của Việt Nam, gừng là loại cây rất quen thuộc, nó được xem là nguồn nguyên liệu có giá trị để làm gia vị trong chế biến thực phẩm và làm thuốc

chữa bệnh Trong ngành thực vật hạt kín họ Gừng (Zingiberaceae) không phải là họ lớn,

chỉ có khoảng 50 chi, 1.300 loài nhưng đây lại là họ có số lượng lớn các loài có giá trị sử dụng trong nhiều lĩnh vực: y học, dược phẩm, công nghệ thực phẩm [159] Các loài trong

họ Gừng phân bố chủ yếu ở vùng nhiệt đới, đặc biệt là vùng Đông Nam Á, v.v Việt Nam

là nước nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, do đó có nguồn tài nguyên họ gừng rất đa dạng, hiện biết 19 chi, 141 loài và 3 thứ [17] Trong số 19 chi, 144 loài và thứ có khoảng

14 chi, 64 loài được khai thác và sử dụng trong nhiều lĩnh vực từ các bộ phận khác nhau (thân, rễ, hạt, hoa, quả) [17], [30], [9], [92], [73]

Ở Việt Nam được tác giả Nguyễn Quốc Bình nghiên cứu đầy đủ và có tính hệ thống nhất về họ Gừng (2011), đã công bố ở Việt Nam có 19 chi với 144 loài và thứ Nhiều nghiên cứu về thành phần hóa học của chất thơm và hoạt tính của nó trên thế giới đã công

bố của các loài thuộc chi Amomum, Zingiber, Alpinia, Hedychium,v.v Tuy nhiên, ở Việt

Nam các công trình công bố về các hợp chất thơm và ứng dụng của nó từ họ này không đáng kể

Xuất phát từ thực tế nghiên cứu và sự cấp thiết trên, chúng tôi lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu thu nhận tinh dầu và nhựa dầu từ chi Gừng (Zingiber) thuộc họ Gừng (Zingiberaceae) và ứng dụng trong công nghệ thực phẩm”

2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là 7 loài gừng thu hái tại khu vực Bắc Trung Bộ (từ Nghệ An đến Quảng Bình), Việt Nam:

1 Loài Zingiber cochinchinensis Gagnep;

2 Loài Zingiber gramineum Noronha ex Blume;

3 Loài Zingiber rufopilosum Gagnep.;

4 Loài Zingiber zerumbet (L.) Smith;

5 Loài Zingiber rubens Roxb.;

6 Loài Zingiber collinsii Mood & Theilade;

7 Loài Zingiber officinale Roscoe

3 Mục tiêu nghiên cứu

1 Xây dựng được cơ sở dữ liệu về thành phần hóa học và giá trị sử dụng của tinh

dầu và nhựa dầu gừng của một số loài thuộc chi gừng (Zingiber);

2 Đưa ra quy trình công nghệ tối ưu thu nhận tinh dầu và nhựa dầu từ gừng; đưa

ra một số giải pháp công nghệ định hướng sử dụng các bán thành phẩm vào sản xuất một số loại thực phẩm và đề xuất được giải pháp công nghệ sử dụng bã thải thành một số sản phẩm hữu ích, góp phần bảo vệ môi trường

4 Nội dung nghiên cứu

1 Nghiên cứu xác định chất lượng nguyên liệu, tính chất hóa lý và thành phần hóa

học của tinh dầu và nhựa dầu từ củ 7 loài gừng (Z cochinchinensis, Z

gramineum, Z collinsii, Z rufopilosium, Z officinale, Z rubens, Z zerumbet)

tự nhiên khu vực Bắc Trung Bộ (Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình), Việt Nam;

2 Xây dựng quy trình thu nhận tinh dầu, nhựa dầu gừng, xác định hoạt tính sinh học của tinh dầu và nhựa dầu, công thức cấu tạo của một số hợp chất trong nhựa

dầu từ củ gừng loài Z collinsii tự nhiên khu vực Bắc Trung Bộ, Việt Nam;

3 Nghiên cứu quy trình công nghệ sử dụng tinh dầu, nhựa dầu gừng vào một số sản phẩm thực phẩm;

4 Đề xuất giải pháp công nghệ sử dụng các phụ phẩm từ quá trình thu nhận chất thơm (tinh dầu và nhựa dầu) vào một số lĩnh vực khác: sản xuất tinh bột và làm giá thể trồng nấm

5 Những đóng góp mới về cơ sở khoa học của luận án

1 Nghiên cứu một cách có hệ thống khảo sát về chất lượng của nguyên liệu gừng tinh dầu gừng, nhựa dầu gừng của các loài gừng hoang dại tại khu vực Bắc Trung Bộ, Việt Nam;

2 Tối ưu hóa được quy trình công nghệ thu nhận toàn bộ chất thơm từ củ gừng bao gồm thành phần tạo mùi (tinh dầu) và thành phần tạo vị (nhựa dầu);

3 Nghiên cứu khai thác gừng củ theo quy trình khép kín: thu nhận tinh dầu và nhựa dầu từ củ gừng; ứng dụng hương liệu tinh dầu, nhựa dầu gừng trong sản phẩm công nghệ thực phẩm: rượu gừng, trà gừng; định hướng ứng dụng bã của quy trình sản xuất tinh dầu và nhựa dầu gừng để tách tinh bột từ bã gừng và trồng nấm

6 Ý nghĩa khoa học của luận án

6.1 Ý nghĩa khoa học

- Kết quả nghiên cứu về chất lượng nguyên liệu, tính chất hóa lý, thành phần hóa

học của tinh dầu và nhựa dầu 7 loài gừng (Z cochinchinensis, Z collinsii, Z gramineum,

Z rubens, Z zerumbet, Z rufopilosium, Z officinale) của chi gừng (Zingiber) thuộc họ

gừng (Zingiberaceae) là đóng góp khoa học có độ tin cậy cao, góp phần làm phong phú

thêm cơ sở dữ liệu về chất lượng nguyên liệu, tính chất hóa lý, thành phần hóa học của tinh dầu gừng và nhựa dầu gừng các loài nghiên cứu

- Đã xây dựng được phương trình tối ưu quy trình chưng cất tinh dầu và trích ly nhựa dầu, có các biện pháp nâng cao lượng tinh dầu thu được, xác định được khả năng

chống oxy hóa và kháng khuẩn của tinh dầu và nhựa dầu loài gừng Z collinsii Đã xác định

được một số hợp chất có trong nhựa dầu gừng có ý nghĩa đối với việc tạo vị cay của nhựa dầu

- Đã xác định được tỷ lệ bổ sung hương liệu tinh dầu và nhựa dầu vào một số sản phẩm thực phẩm với mức độ yêu thích cao, và tỷ lệ tạo bột hương liệu tinh dầu gừng bằng

β-cyclodextrin phù hợp

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả phân tích chất lượng nguyên liệu một số loài gừng hoang dại tại khu vực Bắc Trung Bộ là cơ sở khoa học góp phần cho việc định hướng phát triển và chọn giống gừng nhằm tạo ra sản phẩm hương liệu cho thị trường, đa dạng thị trường hương liệu, và mang lại hương liệu từ gừng có giá trị kinh tế cao

- Các kết quả nghiên cứu của đề tài là tài liệu tham khảo khoa học có giá trị về việc tận dụng các phụ phẩm của quy trình sản xuất thực phẩm vào các sản phẩm khác, góp phần tăng giá trị, tận dụng triệt để nguồn nguyên liệu và bảo vệ môi trường

7 Cấu trúc của luận án

Luận án bao gồm 150 trang với 50 bảng số liệu, 49 hình và 17 sơ đồ với 167 tài liệu tham khảo Kết cấu của luận án gồm: mở đầu (3 trang), tổng quan (28 trang), phương pháp

và thực nghiệm (27 trang), kết quả và thảo luận (76 trang), kết luận (2 trang), danh mục

công trình công bố (1 trang), tài liệu tham khảo (13 trang), phụ lục (46 trang)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về chi gừng

1.1.1 Đặc điểm thực vật, phân bố, phân loại

1.1.1.1 Đặc điểm thực vật

Bộ gừng (danh pháp khoa học là Zingiberales) là một bộ thực vật có hoa bao gồm

nhiều loài thực vật tương tự nhau như gừng, đậu khấu, nghệ, cũng như chuối và hoàng tinh Trong hệ thống Cronquist năm 1981 bộ này chứa cùng tám họ nhưng bộ này được coi như

là thuộc về phân lớp gừng (Zingiberidae), phân lớp này lại thuộc về lớp thực vật một lá mầm (Liliopsida) Phân lớp gừng này còn chứa cả bộ dứa (Bromeliales), bao gồm một họ duy nhất là họ dứa (Bromeliaceae), một họ mà APG II đưa vào trong bộ hòa thảo (Poales)

Họ gừng (Zingiberaceae) gồm những cây thân thảo sống nhiều năm, mọc ở nơi đất ẩm, nơi

sáng, dưới tán rừng hay vách đá ẩm Một số loài có thể mọc trên đất lẫn sỏi đá, trên bãi đất trống hoặc trong rừng thứ sinh, rừng thưa lên tới độ cao 3000 m so với mặt nước biển [10] Thân được tạo thành do các bẹ lá ôm chặt lấy nhau tạo thành thân giả, cao 1-3-4(-5) m hay

mảnh, cao dưới 1 m hoặc rất ngắn hay không có do các bẹ lá rời đến gốc (Distichochlamys,

Kaempferia, v.v…), thân giả không phân nhánh Rễ nhỏ, hình sợi, đôi khi đầu dễ phình to

thành dạng củ (Curcuma, Kaempfria, Stahlianthus, v.v…), ở một số loài, rễ thẳng, cứng,

đâm sâu xuống đất, phần trên lộ trên mặt đất Thân rễ (thường được gọi là củ) to, nạc, nằm ngang dưới mặt đất Thân rễ các loại cây thuộc chi gừng phát triển rất nhanh Từ một chồi giống ban đầu, chúng có thể phân nhánh, đâm chồi, tăng sinh khối và phát triển thành một bụi lớn chỉ trong một vài năm Cây thường có chứa mùi thơm, đôi khi mùi hắc như một số

loài trong chi gừng (Zingiber) Nhiều loài là các loại cây cảnh, cây gia vị, hay cây thuốc

quan trọng Các thành viên quan trọng nhất của họ này bao gồm gừng, nghệ, riềng, đậu

khấu và sa nhân Các cây thuộc họ gừng (Zingiberaceae) là cây thảo sống lâu năm, có thân

rễ lớn, thường phân nhánh, chứa nhiều chất dự trữ [14], [16] Lá gồm các phần: bẹ lá, cuống lá, lưỡi lá và phiến lá Hoa lưỡng tính, bầu hạ, đối xứng hai bên, có màu sắc, kích thước trung bình hoặc lớn Quả nang chẻ ô, đôi khi quả mọng, quả nạc, thường hình cầu, bầu dục, đường kính từ 0,2 cm đến 2 ÷ 3(4) cm [16]

thêm một loài gừng nữa có tên gừng môi tím đốm (Z penisulare) Hiện nay gừng Z

officinale đã được đưa trồng ở hầu khắp các nước trong vùng khí hậu nhiệt đới ẩm Ở Việt

Nam gừng Z officinale được trồng trên khắp các địa phương từ Bắc vào Nam, đặc biệt là

các tỉnh miền núi và ngoài hải đảo [14], [17]

1.1.1.3 Phân loại

Năm 1998, K Larsen và cs đã tổng hợp các chi và loài của họ Gừng trên thế giới [91] Bằng các phương pháp phân tích AND kết hợp với phân tích đặc điểm truyền thống J Kress và cs (2002), đã công bố đầy đủ về họ gừng gồm 53 chi được xếp trong

4 phân họ là: Siphonochiloideae, Tamijoideae, Alpinioideae và Zingiberoideae [87]

Nghiên cứu đầy đủ và có tính hệ thống nhất về họ Gừng ở Việt Nam có công trình nghiên cứu của Nguyễn Quốc Bình (2011), tác giả đã công bố ở Việt Nam có 19 chi với 144 loài

và thứ [17] Trong 19 chi thì có 14 chi với 64 loài được sử dụng trong các lĩnh vực như làm thuốc, làm gia vị, làm cảnh và cho tinh dầu [4]

Bảng 1.1 Phân loại và phân bố của các loài chi gừng ở Việt Nam

1 Z officinale Roscoe Gừng Phân bố rộng

2 Z acuminatum Valeton Gừng nhọn Tây Nguyên, Trung Bộ

3 Z cochinchinesis Gagn Gừng Nam Bộ Bà Rịa - Vũng Tàu

4 Z eberhardtii Gagn Gừng Eberhardt Lâm Đồng

5 Z gramineum Bl Gừng lúa, Ngải Trặc Biên Hòa

6 Z monophyllum Gagn Gừng một lá Ninh Bình

7 Z pellitum Gagn Gừng bọc da Bà Rịa - Vũng Tàu

8 Z purpureum Roscoe Gừng tía (gừng dại) Phân bố rộng

10 Z rufopilosum Gagn Gừng lông hung Ba Vì, Vĩnh Phúc

11 Z zerumbet (L.) J E Sm Gừng gió Phân bố rộng

12 Z penisulare I Theilade Gừng môi tím đốm Sơ Pai, Kban, Gia Lai

13 Z collinsii Mood & Theilade Gừng colin Bắc Trung Bộ

Trong ngành thực vật hạt kín thì họ Gừng (Zingiberaceae Lindl.) không phải là họ

lớn, chỉ có khoảng 50 chi, 1.300 loài nhưng đây lại là họ có số lượng lớn các loài có giá trị

sử dụng trong nhiều lĩnh vực: y học, dược phẩm, công nghệ thực phẩm [146] Các loài trong họ Gừng phân bố chủ yếu ở vùng nhiệt đới, đặc biệt là vùng Đông Nam Á, v.v Việt Nam là nước nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, do đó có nguồn tài nguyên họ gừng rất

đa dạng, hiện biết 19 chi, 141 loài và 3 thứ [1] Trong số 19 chi, 144 loài và thứ thì có khoảng 14 chi, 64 loài được khai thác và sử dụng trong nhiều lĩnh vực từ các bộ phận khác nhau (thân, rễ, hạt, hoa, quả) [1], [10], [14], [51] Do vậy, nghiên cứu họ Gừng

(Zingiberaceae Lindl.) để có cơ sở khoa học nhằm khai thác và sử dụng bền vững nguồn

tài nguyên thực vật đã và đang là mối quan tâm lớn của các nhà khoa học

Trong số các nhóm cây tài nguyên thực vật thì nhóm cây cho tinh dầu chiếm vị trí quan trọng Đây là nguồn nguyên liệu thiết yếu của nhiều ngành công nghiệp như mỹ phẩm, thực phẩm và dược phẩm, v.v Ở Việt Nam họ gừng có khoảng 38/141 loài có tinh dầu thuộc 11/19 chi

Khu vực Bắc Trung Bộ được đánh giá là một trong những trung tâm đa dạng sinh học về các loài thuộc chi Gừng của Việt Nam Chúng là loài cây thân thảo sống nhiều năm thích nghi được ở nơi đất ẩm, nơi sáng, dưới tán rừng hay vách đá ẩm, hoặc có thể mọc trên đất lẫn sỏi đá, trên bãi đất trống tạo nên nguồn nguyên liệu dồi dào cho nghiên cứu, sản xuất ứng dụng trong thực phẩm, dược phẩm

1.1.2 Thành phần hóa học

Mặc dù các loài khác nhau của chi này có phần tương đồng về hình thái, nhưng chúng khác nhau về tính chất dược lý và thành phần hóa học cơ [66] Nói chung thành phần hóa học của củ gừng tùy thuộc vào loại giống, khí hậu đất đai, chế độ chăm bón và thời điểm thu hoạch, v.v Gừng tươi thường chứa hơn 80% ẩm, 2,3% protein, 0,9% chất béo, 1,2% chất khoáng, 2,4% chất xơ, 12,3% hợp chất carbohydrate và các thành phần vi lượng như chất khoáng (sắt, calcium, phosphorus), các vitamin (thiamine, riboflavin, niacin, acid ascorbic ), v.v Chất thơm là những chất có khả năng bay hơi, hay bay hơi một phần trong không khí Các chất thơm có thể ở dạng đơn hay hỗn hợp các chất, có thể

là chất rắn hay chất lỏng hoặc khí Đến nay người ta đã xác định được khoảng 7000 chất bay hơi trong thực phẩm, các chất này chủ yếu thuộc các nhóm chất aldehyde, ketone, các acid hữu cơ, ester, v.v Chất thơm là một hỗn hợp nhiều thành phần có thể là alcohol được hình thành đầu tiên trong chlorophoit, hay ester do phản ứng ester hoá của các acid với alcohol trong chloroplast hoặc terpene alcohol do sự đồng phân hoá [12]

Qua phân tích hiện đại có tới trên 400 hoạt chất trong gừng Người ta chia làm 4 loại chính Chất nhựa: Chiếm 5 ÷ 10% trong gừng tươi, gồm khoảng 30 hoạt chất trong đó

có 2 chất chính là gingerol và shoagol có vị cay hơn Gừng tươi nhiều gingerol nhưng khi phơi mất nước dần chuyển thành shoagol vì thế gừng khô cay hơn Tinh dầu: Chiếm 2 ÷ 3% trong gừng khô, màu vàng sáng nhạt có mùi thơm đặc biệt gồm trên 200 chất mà thành

phần chủ yếu là α-camphene, β-phelandrene, các phenol (cineol, citral, borneol, geraniol,

linalol, zingiberol) Ngoài ra còn có 3,7% lipid, tinh bột và 5% nhựa dầu trong đó có các chất cay như zingerone, zingerol và shogaol Chất khoáng: Vi lượng có kẽm (Zn), selenium (Se), cobalt (Co) Đa lượng có calcium (Ca), postasium (K), magnesium (Mg), sắt (Fe), phospho (P), manganese (Mn) Vitamin: Có B1, B2, B6, C Người ta vừa phát hiện có một chất men có trong gừng là zingibain (có khoảng 2% trong gừng tươi) có tác dụng phân giải protein (proteolytic) tương tự như chất papain (trong đu đủ) hoặc chất bromelain (trong dứa), 1 g chất zingibain có khả năng làm mềm 10 kg thịt bò

Ngoài ra một số hoạt chất có nhiều ở nghệ như curcumin, ớt như capsaicin, chanh như limonene, hạt cà phê như acid caffeic, hạt đậu như lecithin đều có trong gừng Trong gừng gió có nhiều tinh dầu, dầu béo và nhựa Tinh dầu có 13% các monoterpene và nhiều sesquiterpene, trong đó humulene chiếm 27%, monocylic sesquiterpene ketone, zerumbon 37,5% Các monoterpene gồm pinene, camphene, limonene, cineol và campho

Thành phần hóa học của củ gừng tùy thuộc vào giống, môi trường sinh trưởng, điều kiện sinh dưỡng và thời điểm thu hoạch, v.v Gừng tươi thường chứa hàm ẩm cao, các thành phần dinh dưỡng (protein, chất béo, chất khoáng, chất xơ, hợp chất carbohydrate, chất khoáng, các vitamin ) đều được xác định có trong gừng Thành phần tạo hương của gừng là tinh dầu và tạo vị là nhựa dầu

1.2 Tinh dầu gừng và nhựa dầu gừng

1.2.1 Tinh dầu gừng

1.2.1.1 Thành phần hóa học

Gừng chứa 2 ÷ 3% tinh dầu với thành phần chủ yếu là các hợp chất hydrocarbon

sesquiterpeneic: β-zingiberene (35%), ar-curcumenene (17%), β-farnesene (10%) và một lượng nhỏ các hợp chất alcohol monoterpeneic như geraniol, linalol, borneol [8] Mùi thơm

của gừng phụ thuộc chủ yếu vào tinh dầu dễ bay hơi của nó, năng suất dao động từ 1 ÷ 5% Hơn 50 thành phần tinh dầu đã được đặc trưng và đây là chủ yếu monoterpeneoid [-phellandrene, (+)-camphene, cineole, geraniol, curcumene, citral, terpineol, borneol] và sesquiterpeneoid [-zingiberene (30÷70%), -sequiphellandrene (15 ÷ 20%), -bisabolene

(10 ÷ 15%), (E-E)--farnesene, ar-curcumene, zingiberol] Một số thành phần tinh dầu

được chuyển đổi thành ít mùi xác định các hợp chất làm khô [82]

Hàm lượng và thành phần tinh dầu có thể khác nhau giữa các loài Zingiber khác nhau, theo các yếu tố khác nhau như phương pháp chiết xuất, điều kiện địa lý và phát triển,

thời gian thu hoạch, v.v [93], [141], [147], [16] Kết quả cho thấy α-zingiberene là hợp chất

dồi dào nhất trong tất cả các tinh dầu được nghiên cứu từ 17,4 đến 25,4%, tiếp theo là

ar-curcumene (14,1-16,4%), β-bisabolene (9,9-12,5%) và β-sesquiphellandrene (9,7 ÷ 13,4%)

[158] Các kết quả này phù hợp với kết quả thu được từ tinh dầu thân khô, cho thấy các

thành phần chính là α-zingiberene (29,5%) và sesquiphellandrene (18,4%) [115] Một lần nữa, α-zingiberene được báo cáo là thành phần chính (28,62%) được tìm thấy trong tinh dầu từ thân của Z officinale, tiếp theo là camphene (9,32%), ar-curcumene (9,09%) và β-

phellandrene (7,97%) [137]

Thành phần của tinh dầu có thể thay đổi không chỉ trong các giống gừng khác nhau,

mà còn theo các bộ phận của cây được nghiên cứu, như Sivasothy et al [138], người đã

cho thấy rằng thành phần của tinh dầu thu được của lá và thân rễ của Z officinale var Rubrum Theilade thì khác nhau Trong thực tế, β-caryophyllene (31,7%) là hợp chất chính

được tìm thấy trong lá, trong khi thân rễ chủ yếu chứa nhiều monoterpenoids, như

camphene (14,5%), geranial (14,3%) và geranylacetate (13,7%) Tinh dầu gừng giàu sesquiphellandrene (27,16%), caryophyllene (15,29%), α-zingiberene (13,97%), α- farnesene (10,52%) và ar-curcumene (6,62%) cho thấy hoạt tính kháng khuẩn và chống oxy hoá cao [64] Tinh dầu Z officinale giàu ar-curcumene (59%), β-myrcene (14%), 1,8- cineol (8%), citral (7,5%) và α-zingiberene (7,5%) có hiệu ứng kháng viêm [59] Tinh dầu gừng có chứa geranial (25,9%), α-zingiberene (9,5%), E, E -α-farnesene (7,6%), neral (7,4%) và ar-curcumene (6,6%) là thành phần chính kháng khuẩn và kháng nấm, cũng như chất chống oxy hoá mạnh hơn butylated hydroxyanisole [136] α-zingiberene, một thành

β-phần quan trọng của tinh dầu gừng, được tìm thấy trong một số lượng thấp (1,64%) trong nghiên cứu được thực hiện bởi Mesomo et al [104]

Ngoài loài gừng thông thường (Z officinalis), nhiều loài khác của chi này đã được

nghiên cứu trên khắp thế giới [59] Thành phần hoá học của một loài có nguồn gốc ở Thái

Lan, Zingiber cassumunar Roxb, cho thấy các hợp chất chính là sabinen (36,71-53,50%),

γ-terpinene (5.27-7.25%), terpinen-4-ol (21.85-29.96%) và (E) -1- (3,4-dimetoxyphenyl)

butadiene (0,95-16,16%) Hàm lượng tinh dầu dao động từ 1,26% đến 1,37% [147] Các

kết quả này phù hợp với kết quả gần đây về tinh dầu thân Z cassumunar, trong đó các

thành phần chủ yếu là terpinen-4-ol (40,5 ± 6,6%) và sabinene (17,4 ± 1,4%) [53] Thành

phần hóa học của tinh dầu Z cassumunar từ Malysia cho thấy cycloundecatrien-1-one (60,77%) và α-caryophyllene (23,92%) [84]

6,9,9-tetrametyl-2,6,10-Gừng nâu (Zingiber corallinum Hance), ở Trung Quốc được nghiên cứu về tinh dầu của thân có các hợp chất chính là sabinene (53,38%), α-terpinene (3,23%), γ-terpinene (2,16%), terpinen-4-ol (22,66%), β-sesquiphellandrene (1,41%) và 1,4-bis (methoxy) -

Zingiber nimmonii (J Graham) Dalzell là một loài đặc hữu của Tây Nam Ấn Độ

Các thành phần chính của tinh dầu thân rễ có thành phần chính là myrcene (5,1%), caryophyllene (26,9%), α-humulene (19,6%) và α-cadinol (5,2%) [69] Những kết quả này cũng phù hợp với Sabulal et al [128] cho thấy tinh dầu Z nimmonii là một nguồn tự nhiên

β-phong phú giàu caryophyllene

Zingiber moran là một loại gừng địa phương đặc hữu cho vùng Đông Bắc Ấn Độ,

giàu camphene, citral, và linalool [59] Zingiber wrayi var Halabala C.K Lim, một loài

gừng địa phương từ rừng Bala ở tỉnh Narathiwat (Thái Lan), đã được điều tra về thành

phần tinh dầu có bốn hợp chất chính bao gồm trans-anethole (96,5%), estragol, camphor và

m-phenylphenol [52]

Ở Việt Nam từ loài Gừng (Z officinale) có các công trình điển hình như: Nguyễn Xuân Dũng và cộng sự, 2005 công bố với các thành phần chính là camphene (11,7%), β-

phelandrene (11,4%) và geranyl acetate (23,4%) [23] Đỗ Đình Rãng và cộng sự đã công

bố loài này ở Hưng Yên, từ rễ là zingiberene (10,1%), camphene (9,3%), 1,8-cineol

(8,1%); trong khi đó từ lá chủ yếu là β-cariophyllene (28,7%), geraniol (14,4%) và

caryophyllene oxide (10,9%) [3]

Gần đây, khi nghiên cứu tách chiết và phân tích bằng thiết bị GC, GC/MS của 2

loài Z rubens và Z zerumbet ở Nghệ An và Hà Tĩnh, kết quả cho thấy, trong tinh dầu chủ yếu là các hợp chất (Z)-citral (30,1%), camphene (9,7%), β-phellandrene (7,5%), 1,8-

cineole (7,0%) và zingiberene (5,3%)

Nghiên cứu về thành phần hóa học tinh dầu loài Gừng tía (Z montanum) ở

Indonesia, Taroeno và cs (1991) đã công bố, mẫu 1 với các thành phần chủ yếu là

terpinene-4-ol (10,2%), sabinene (10,1%), trans-1-(3,4-dimethoxyphenyl) butadiene (9,8%), trans-1-(3,4-dimethoxyphenyl) but-1-ene (7,4%); mẫu 2 là trans-1-(3,4-

dimethoxyphenyl) butadiene (8,7%), sabinene (8,1%), terpinene-4-ol (7,8%) Ở Bangladesh, Mohammad N I B và cs (2008), cho thấy thành phần chủ yếu từ lá là

sabinene (15,0%), β-pinene (14,3%), caryophyllene oxide (13,9%) và caryophyllene (9,5%) Từ rễ là 1,4-bis (methoxy) (26,5%), (Z)-ocimene (22,0%) và terpinene-4-ol (18,5%) [106] Ở Thái Lan với các thành phần chính là sabinene, terpinene-4-ol và (E)-1(3,

4-dimethylphenyl) butadiene, khi thử hoạt tính sinh học cho thấy, trong đó tinh dầu có khả năng kháng khuẩn mạnh [130] Khi nghiên cứu in vitro gây độc tế bào sử dụng dòng tế bào HeLa, Archana Das và cộng sự (2013) cho thấy, các hợp chất camphene, citral và linalool

có khả năng gây độc tế bào [58] Trong tinh dầu rễ của loài Z zerumbet ở Ấn Độ với các hợp chất chính được xác định là zerumbone (69,9%) α-humulene (12,9%), humulene

epoxide II (2,5%), caryophyllene oxide (1,1%) và camphene (1,9%) [124]

1.2.1.2 Công dụng của tinh dầu

Tinh dầu của Zingiber được sử dụng để bảo quản các thực phẩm khác nhau chống

lại oxy hóa tự nhiên và sự hư hỏng của vi khuẩn vì tính chất chống oxy hóa và chống vi khuẩn [47], [64], [136] Nhiều nghiên cứu invitro cho thấy khả năng kháng khuẩn của dịch

chiết từ loài Zingiber đối với cả vi khuẩn Gram dương (Bacillus cereus, Staphylococcus

aureus) và vi khuẩn Gram âm (Escherichia coli, Salmonella typhi, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumonia) [88] Các kết quả này cho thấy tinh dầu của loài Zingiber có thể được sử dụng trong điều trị nhiều bệnh vi khuẩn và nấm cũng như bảo

quản thực phẩm như chất bảo quản tự nhiên [47], [66]

Theo các nghiên cứu thì màu của tinh dầu Z officinale thay đổi từ màu vàng nhạt

đến hổ phách nhạt và hiệu suất thu được từ 1,5% đến 3% [61] Các nghiên cứu khác nhau

đã ghi nhận các hoạt tính sinh học của chúng như kháng sinh, chất chống oxy hoá, độc tố tế bào, thuốc trừ sâu [43], [123], và các tác dụng chống viêm [113] cũng như các đặc tính bảo

quản thực phẩm [150] Các tính chất này là do các thành phần hoá học của tinh dầu Z

officinale, chủ yếu là các monoterpene và sesquiterpene hydrocarbon [123]

Gừng có chứa khoảng 1 ÷ 4% lượng dầu dễ bay hơi, mùi thơm của gừng chứa thành phần zingiberene và bisabolene, có vị cay nồng rất riêng Nhờ những đặc tính quý giá này nên tinh dầu gừng được sử dụng trong phòng trị bệnh và chăm sóc sắc đẹp rất công hiệu Chất cay của gừng khi tiếp xúc với niêm mạc không gây phồng rộp [32], [33]

Thành phần hóa học của tinh dầu gừng khá đa dạng Tùy thuộc vào từng bộ phận, từng vùng địa lý mà có thành phần khác nhau do đó có những tính chất, công dụng khác nhau

1.2.2 Nhựa dầu gừng

Nhựa dầu (Oleoresin) là sản phẩm thu được bằng cách trích ly nguyên liệu thực vật với các dung môi hữu cơ dễ bay hơi, sau khi tách dung môi, tinh chế và thu được sản phẩm nhựa dầu Nhựa dầu là một hỗn hợp bao gồm các hợp chất dễ bay hơi có mùi thơm và các chất không bay hơi mang vị nhất định, các chất màu, sáp, một số khoáng vi lượng

Thành phần hóa học của nhựa dầu gừng

Nhựa dầu gừng gồm có 15 ÷ 20% các hợp chất bay hơi, 20 ÷ 30% các hợp chất cay

Các hợp chất phong phú nhất là α-zingiberene, chất tạo hương vị đặc biệt và hương thơm, geranial, ar-curcumene, β-bisabolene, β-sesquiphellandrene và neral [110], [136], [158]

Các thành phần cay khác tìm thấy trong số lượng thấp hơn là shogaol [93] Ngoài ra còn có các chất màu, resin và một số nhóm các chất khác Người ta tìm thấy khoảng 100 chất có trong nhựa dầu gừng [39], [54], [68], [126]

1-(4’-hydroxy-3’-methoxyphenyl)-5-hydroxyalkan-3-on

Zingerone 1-(4’-hydroxy-3’-methoxyphenyl)-5-alk-4-en-3-on

Hình 1.1 Các hợp chất có trong thành phần hóa học của gừng

Shogaol cũng có thể tổng hợp được từ zingerone và hexaldehyde [101] Các hợp chất trên có mối liên quan đến nhau được thể hiện trong sơ đồ:

Hình 1.2 Cấu trúc và mối liên quan giữa các cấu tử chính trong gừng

Cùng với shogaol, người ta còn tìm thấy dấu vết của paradol có công thức phân tử

là C17H24O3 và một dẫn xuất của nó Ngoài ra trong nhựa dầu gừng còn một số chất khác chưa xác định [94]

Tùy theo giống gừng mà thành phần hóa học của nhựa dầu gừng là khác nhau John

P Barley và Philomena Foley [81] đã nghiên cứu về thành phần hóa học của nhựa dầu gừng Australia được trích ly bằng CO2 siêu tới hạn khi sử dụng phương pháp phân tích GC/MS Kết quả xác định được 47 cấu tử, trong đó có 9 cấu tử chưa xác định được công thức cấu tạo

Gừng (Z officinale) và những hoạt chất bắt nguồn từ gừng đã ghi nhận sự chú ý

cho việc điều trị của bệnh sưng mãn tính Gừng làm giảm triệu chứng của bệnh viêm khớp mãn tính và gingerol (một thành phần của gừng) chống sưng Gingerol với [6]- gingerol [5-hidroxy-1-(4’-hydroxy-3’-metoxyphenyl)decan-3-one] đang là thành phần chính [70] Những chất khác giải thích cho sự hăng của gừng là họ Shogaol, dạng bị tách nước của những gingerol kết quả từ việc khử của nhóm OH ở C-5 với sự hình thành của một liên kết đôi giữa C-4 và C-5 Những shogaol được tìm thấy một cách tự nhiên và cũng như được

hình thành bằng con đường hóa học từ những gingerol tương đương ở pH = 2,5 ÷ 7,2 và trong suốt tiến trình gia nhiệt Hương vị khác biệt của gừng tươi là do tinh dầu dễ bay hơi, nhóm chủ yếu thứ hai của những thành phần của gừng Phân tích GC/MS của những phân đoạn không hoạt tính đã phát hiện 63 (1 ÷ 63) thành phần, có thể xác định từ phổ khối lượng của chúng

Hình 1.3 Các hợp chất trong nhựa dầu gừng

Ngoài ra, theo Juan J Araya, et al có 3 hợp chất purin không được gọi tên [6]-,

[8]-và [10]-zingerine là 5-(6-amino-9H-purin-9-yl) tương tự của [6]-, [8]-, [8]-và [10]-gingerol,

lần lượt, được tách ra từ một dịch chiết methanolic của thân rễ gừng (Z officinale) [82]

1 : n=4, [6]-zingerine

2 : n=6, [8]-zingerine

3 : n=8, [10]-zingerine

Hình 1.4 Các hợp chất trong nhựa dầu gừng

Theo Akiko Jitoe et al, 1992 thì đã tìm ra 2 phenylbutenoid dimer mới là (±) 3-(2,4,5-trimetoxyphenyl)-4-[(E)-3,4-dimetoxystyryl]-cyclohexene và cis-1,2-bis[(E)-3,4- dimetoxystyryl]cyclobutan được tách ra từ thân rễ gừng tươi của Z cassumunar [38],

Hình 1.5 Các hợp chất trong nhựa dầu gừng

Theo Jianping Ma và cộng sự (2004) tìm thấy 7 hợp chất mới diarylheptanoid,

(3S,5S)-3,5-diaxetoxy-1,7-bis(4-hydroxy-3-metoxyphenyl)heptan (1a), 5-hydroxi-1,7-bis(4-hydroxy-3-metoxyphenyl)heptan (1b), (3R,5S)-3,5-dihydroxy-1-(4- hydroxy-3,5-dimetoxyphenyl)-7-(4-hydroxy-3-metoxyphenyl)heptan(1c), (5S)-5-axetoxy- 1,7-bis(4-hydroxy 3metoxyphenyl) heptan-3-on (2a), 5-hydroxy-1-(3,4-dihydro-5-metoxyphenyl)-7-(4-hydroxy-3-metoxyphenyl)heptan-3-on (2b), 5-hydroxy-1-(4-hydroxy-

(3R,5S)-3-axetoxy-3-metoxyphenyl)-7-(3,4-dihydroxy-5-metoxyphenyl)heptan-3-on (2c) và

1,5-epoxy-3-hydro-1-(4-hydroxy-3,5-dimetoxyphenyl)-7-(4-hydroxy-3-metoxyphenyl)heptan (3), 4 acid diarylheptan (1d-g), 2 diarylheptanon (2d và 2e), 1 xylic diarylheptan (4), 1 diarylheptenon

(5), 1 phenylpropanoid (11), 1 diterpene (12), 2 steroid (13 và 14) được tách ra từ thân rễ

của gừng Trung Quốc (Z officinale), cùng với 25 hợp chất được biết đến, 8

diarylheptanoid, 14 hợp chất gingerol tương tự, 1 diterpene và 2 steroid Những cấu trúc của chúng được giải thích bằng phương pháp phổ và hóa học [78]

Theo Tian-Shung Wu thì 3 dehydroshogaol mới là [6]-dehydroshogaol, [8]-

dehydroshogaol và [10]- dehydroshogaol được tách ra từ thân rễ của Z officinale [117]

n = 4 [6]-dehydroshogaol

n = 6: [8]- dehydroshogaol

n = 8: [10]- dehydroshogaol

Hình 1.7 Các hợp chất trong nhựa dầu gừng

Năm 1975, Baker D M và Nabney J đã tách được từ tinh dầu gừng dại (Z

cassumunar Roxb) Thái Lan chất 1-(3,4-dimetoxyphenyl) butadiene (2,4) [5]

Hình 1.8 Các hợp chất trong nhựa dầu gừng

Thành phần và chất lượng nhựa dầu gừng là vấn đề được quan tâm và đề cập nhiều nhất trong các công trình nghiên cứu về gừng và sản xuất nhựa gừng Như ta biết dung môi trích ly có ảnh hưởng đặc biệt quan trọng đến thành phần của sản phẩm nhựa dầu Balldin

và cộng sự (Ấn Độ) đã nghiên cứu khá tỉ mỉ về sự khác biệt về hàm lượng các hợp chất cay chính có trong các sản phẩm nhựa dầu thu được khi sử dụng 2 loại dung môi thông dụng là acetone và ethanol

Bảng 1.2 Thành phần các chất cay chính trong nhựa dầu gừng [160]

Thành phần Hàm lượng chất cay chính trong 100 g gừng ẩm 10%

được tạo ra trong quá trình gia nhiệt và nó còn cay hơn cả chất gốc ban dầu 6-gingerol [41], [79]

Trong nhựa gừng cùng với thành phần chất cay, các hợp chất bay hơi (tinh dầu) đóng vai trò rất quan trọng, quyết định đến chất lượng nhựa dầu Ảnh hưởng của việc sấy nguyên liệu đến thành phần chất thơm có trong gừng cũng được nghiên cứu nhiều [37] Gừng tươi và gừng sấy 2 giai đoạn trong thiết bị sấy 80°C và 63°C trong 22 ÷ 24 giờ Gừng được trích ly bằng CO2 siêu tới hạn và tiếp theo là tinh chế với trimetysilyl ete và phân tích bằng GC/MS Qua phân tích đã chỉ ra sự khác nhau chính về mùi của gừng tươi

và gừng khô Tổng số chất thơm thu được từ gừng tươi là 0,4% và gừng khô là 1,95% Gừng khô cho chất cay (gingerol và shogaol) và zingerone, hexanal, octanal (là sản phẩm phân hủy từ gingerol), gần 1/2 lượng gingerol chuyển hóa thành 6-shogaol mất nước và sự sắp xếp lại các phân tử zingerol và hexanal Các chất cay giảm từ 24,3% xuống 12,1% Quá trình sấy cũng tăng nồng độ các monoterpene và sesquiterpene hydrocarbon từ 35,6 đến 65,7% diện tích pic Nhìn chung nồng độ các rượu terpene giảm trong quá trình sấy từ 8,9 xuống 4,4% Sự khác nhau đó là kết quả của quá trình gia nhiệt khi sấy gừng [85] Tinh dầu gừng từ đảo Fiji được phân tích bằng GC/MS nhiều sesquiterpene không được tìm thấy

trước đây trong tinh dầu gừng này đã xác định được là copanene, β-bourbonene, bergamotene, α-bergamotene, α-selinene, calamenene, cuparene Tinh dầu gừng này chứa

α-nhiều neral và geranial hơn tinh dầu Ấn Độ, Úc, Nhật, Châu Phi [127]

Các phương pháp phân tích các hợp chất cay gingerol nhựa dầu gừng cũng là vấn

đề hấp dẫn của nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới Nhìn chung các phương pháp phân tích được sử dụng phổ biến để xác định gingerol là HPLC, TLC/MS Tuy vậy cũng có một số nghiên cứu khác khi sử dụng phương pháp huỳnh quang [154] để xác định hàm lượng các gingerol Gừng tươi sau thời gian bảo quản 2 tháng được trích ly để xác định hàm lượng gingerol, trích ly với dichloromethane thu được dịch gừng khô Dịch gừng chia làm 2 phần, một phần được tinh chế bằng sắc ký cột và tách hàm lượng gingerol, một phần được phân tích trực tiếp bằng huỳnh quang kế để xác định hàm lượng gingerol Sự phát huỳnh quang được đo ở bước sóng 435 nm và 481,6 nm đã xác định được cường độ phát huỳnh quang và nồng độ của gingerol Hàm lượng gingerol của dịch gừng trích ly được xác định bằng phương pháp huỳnh quang cũng tương tự như phương pháp chuẩn TLC - tỷ trọng kế Phương pháp đo huỳnh quang đơn giản, nhanh, nhạy và cho kết quả chính xác, phương pháp này có thể sử dụng phương pháp phân tích với dịch trích ly thô không cần tinh chế Một phương pháp khác xác định chất cay từ gừng là Electrospray-MS Điểm mới của phương pháp này là có thể phân tích trực tiếp từ dịch trích ly thô, không cần công đoạn phân tách bằng sắc ký cột Phương pháp này đã cho kết quả tương đối chính xác về hàm lượng của gingerol và shogaol [80]

Trong số các nhóm cây tài nguyên thực vật thì các loài thuộc chi gừng là nhóm cây được sử dụng tinh dầu, nhựa dầu rộng rãi, phổ biến Đây là nguồn nguyên liệu thiết yếu của nhiều ngành công nghiệp như mỹ phẩm, thực phẩm và dược phẩm

1.3 Các phương pháp thu nhân tinh dầu, nhựa dầu

1.3.1 Các phương pháp thu nhận tinh dầu

1.3.1.1 Phương pháp ép

Khi dùng lực cơ học tác dụng vào nguyên liệu, tinh dầu sẽ thoát ra ngoài Sau khi

ép ta được hỗn hợp gồm nước và tinh dầu Sau đó tinh dầu và nước thu được đem ly tâm với tốc độ 2500 vòng/phút, với thời gian 5 phút thì thu được hai phân lớp, tinh dầu nhẹ hơn nằm ở phía trên còn nước ở phía dưới Khử nước còn lẫn trong tinh dầu bằng natrisunfat khan thì thu được tinh dầu đã làm khan [24], [15] Ưu điểm là tinh dầu có chất lượng cao,

có mùi thơm tự nhiên của nguyên liệu Nhược điểm là hiệu suất thu nhận tinh dầu thấp, không tách chiết được hết tinh dầu trong nguyên liệu, không áp dụng được với tất cả các loại nguyên liệu

1.3.1.2 Phương pháp chiết

Dựa vào khả năng hòa tan khác nhau của một chất trong các dung môi khác nhau người ta đưa ra phương pháp phân tách chúng Phương pháp này cổ nhất nhưng quan trọng nhất trong thu nhận chất thơm Phương pháp này cho phép chuyển một hay một hỗn hợp các chất nằm trong một chất rắn hay một dung dịch khác vào dung môi sau đó loại bỏ dung môi ra thu được chúng Bao gồm chiết lỏng - lỏng, chiết rắn - lỏng Chiết rắn - lỏng là phương pháp rất phổ biến Sử dụng chiết các chất thơm trong môi trường rắn Áp dụng trong công nghệ thực phẩm để chiết chất thơm Chiết lỏng - lỏng là kĩ thuật lâu đời có trong phòng thí nghiệm để phục vụ công nghiệp các chất thơm Để thực hiện chiết người ta chọn dung môi không tan, không trộn lẫn trong môi trường chiết nhưng hòa tan tốt các chất

bị chiết có trong môi trường chiết

1.3.1.3 Phương pháp chưng cất

Là phương pháp vật lý phân tách các chất lỏng Nó là phương pháp rất quan trọng

và phổ biến trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp Phương pháp này áp dụng để phân tách các hợp chất có nhiệt độ sôi thấp hơn 300°C Dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các chất lỏng trong hỗn hợp để tách chúng ra khỏi nhau

+ Cất đơn ở áp suất thường: Các thành phần trong thực nghiệm có nhiệt độ khác

nhau không thấp hơn 80°C thì chúng tách ra khỏi nhau một cách hoàn toàn Vì thế phương pháp cất đơn áp dụng rộng rãi trong tinh chế và thu nhận chất thơm

+ Phương pháp cất phân đoạn: để phân tách các chất lỏng có nhiệt độ sôi gần nhau

người ta không thể áp dụng phương pháp cất đơn mà phải áp dụng phương pháp cất phân đoạn Có thể coi cất phân đoạn là thực hiện một chuỗi lần cất đơn liên tiếp nhiều lần

+ Phương pháp cất chân không: Có nhiều chất ở nhiệt độ sôi bình thường của

chúng thì đã bị biến chất, các chất có nhiệt độ sôi cao khi tiến hành cất chúng thường bị oxy hóa, polime hóa, đồng phân hóa, v.v…Những chất mẫn cảm như vậy người ta phải cất

ở chân không Nhiệt độ sôi của một chất lỏng phụ thuộc rất lớn vào áp suất bề mặt của nó Nếu áp suất giảm thì nhiệt độ sôi cũng giảm theo Khi đó cất ở chân không thì nhiệt độ sôi giảm rất nhiều Chính vì sự thuận lợi này mà hầu hết chất thơm và tinh dầu đều được phân tách và thu nhận ở áp suất thấp khi chúng là chất lỏng.Với phươngpháp này chất thơm không hề bị biến dạng do nhiệt, không bị khê, oxi hóa, v.v…nên có chất lượng mùi rất tốt

+ Phương pháp cất với nước: phương pháp này dùng để tinh luyện tinh dầu, chất

thơm từ nguyên liệu thực vật và dùng tinh chế tinh dầu, chất thơm khi chúng bị biến chất

Nó chỉ áp dụng cho những chất không tan hoặc tan ít trong nước Có cất trực tiếp với nước tức là áp dụng để thu nhận tinh dầu, chất thơm từ nguyên liệu ban đầu là thực vật như thân,

củ, rễ, lá, v.v…Tất cả các nguyên liệu đề phải xử lý trước Tùy theo từng loại mẫu mà người ta chọn phương pháp phù hợp Tất cả các phương pháp đều nhằm phá vỡ các liên kết giữa tinh dầu, chất thơm với nguyên liệu, tăng cường sự tiếp xúc giữa nguyên liệu với nước Cất với hơi nước cũng giống như trên nhưng chỉ cho luồng lơi đi qua mẫu lôi kéo tinh dầu và chất thơm đi ra làm lạnh thì thu được chất thơm và tinh dầu

1.3.1.4 Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ dựa trên cơ sở tính chất của một số loài hoa, quả có thể kéo dài thời gian tạo hương thơm sau khi đã rời khỏi cây và khả năng hòa tan chúng của các loại mỡ động vật trên bề mặt hấp phụ Lớp hoa sau khi hấp phụ hết chất thơm bay hơi sẽ đem chưng cất hoặc trích ly lấy hết chất thơm không bay hơi còn lại [24], [15] Ưu điểm của phương pháp là giữ được cấu tử đặc trưng của tinh dầu, đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp Nhưng nhược điểm là không tách, chiết được hết tinh dầu trong nguyên liệu

Có nhiều phương pháp thu nhận tinh dầu gừng Tùy thuộc vào từng mục đích, điều kiện mà ta sử dụng các phương pháp cho phù hợp

1.3.2 Phương pháp thu nhận nhựa dầu

1.3.2.1 Trích ly với các dung môi hữu cơ

Thông thường quá trình thu nhận nhựa dầu gừng bằng phương pháp trích li với các dung môi hữu cơ Trích ly nhựa dầu là quá trình trích ly hệ lỏng - rắn gồm giai đoạn: đầu tiên dung môi thâm nhập vào các mao quản của nguyên liệu, giai đoạn hòa tan của các cấu

tử vào dung môi: giai đoạn chất tan và dung môi khuếch tán từ bên trong nguyên liệu ra bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha; cuối cùng là giai đoạn chất tan và dung môi hòa nhập vào pha

lỏng Vì vậy trước khi trích ly người ta thường phải xử lý nguyên liệu gừng để tạo ra những điều kiện thuận lợi cho quá trình dung môi xâm nhập vào nguyên liệu và quá trình nhựa dầu thoát ra khỏi bề mặt nguyên liệu Có nhiều công trình nghiên cứu về kỹ thuật sấy nguyên liệu gừng và chỉ ra rằng độ ẩm của nguyên liệu thích hợp cho quá trình trích ly nhựa gừng là < 10% [37], [60],[143]

Để trích ly nhựa gừng đạt hiệu suất thu nhận và chất lượng nhựa dầu cao cũng cần phải lựa chọn dung môi thích hợp, xác định các yếu tố công nghệ tối ưu và lựa chọn phương pháp trích ly phù hợp Dung môi trích ly có ảnh hưởng hết sức quan trọng đến quá trình thu nhận nhựa dầu Khi lựa chọn dung môi người ta thường quan tâm đến các tính chất vật lý, hóa học của dung môi, nhiệt độ sôi, momen lưỡng cực, hằng số điện môi, độ nhớt của dung môi và bản chất của các chất trích ly, tính hòa tan của dung môi đối với các chất đó Ngoài ra dựa vào tính chất của dung môi trên thực tế người ta còn quan tâm đến tính kinh tế và độ an toàn khi sử dụng dung môi, nhất là đối với các sản phẩm trong công nghiệp thực phẩm; dược phẩm thì tính an toàn của dung môi đối với sức khỏe là yếu tố được quan tâm hàng đầu [76]

Đối với nhựa gừng, thành phần hóa học của nó chủ yếu là các hợp chất terpene, sesquiterpene (hầu hết là các hợp chất không cực), nên người ta thường sử dụng các dung môi như acetone, ethyl acetate, n-hexane, isopropanol, diclometan, etanol, methanol, diethyl ete và các hệ dung môi acetone + nước, etanol + nước, methanol + nước để tách chiết nhựa dầu gừng [145], [144], [112] Ở Ấn Độ, Trung Quốc và một số nước châu Phi dung môi hay được sử dụng trong sản xuất nhựa dầu gừng quy mô công nghiệp là etanol, izopropanol, n-hexane

Phương pháp và thiết bị trích ly cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thu nhận và chất lượng của nhựa dầu gừng Phương pháp trích ly động có khuấy trộn nguyên liệu, trích

ly nhiều lần thường được sử dụng trong sản xuất nhựa dầu gừng Trong phòng thí nghiệm người ta thích sử dụng phương pháp trích ly bằng thiết bị soxhlet, thiết bị siêu âm hay phương pháp chưng cất kết hợp trích ly để thu nhận nhựa dầu [72] Trong những năm gần đây, các thiết bị sản xuất nhựa dầu gia vị không ngừng được cải tiến đặc biệt về thiết bị cô đuổi dung môi từ dịch chiết Việc ra đời sớm loại thiết bị bốc hơi màng mỏng (thin film evaporator) với năng suất bốc hơi dung môi cao gấp nhiều lần so với thiết bị bốc hơi thông thường đã tạo được sự đột phá trong việc nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản phẩm nhựa dầu gia vị nói riêng và nhựa dầu gừng nói chung Hiện nay trên thế giới có nhiều kiểu thiết bị bốc hơi màng mỏng Nguyên tắc chung là tạo ra màng dịch mỏng trên các ống gia nhiệt để quá trình bốc hơi dung môi nhanh hơn, giảm thời gian tiếp xúc giữa các cấu tử tan nhạy cảm với nhiệt độ cao [119],[121] Trong sản xuất thực nghiệm quy mô lớn người ta thường sử dụng 2 loại Falling film evaporator (màng đổ) và cloming film evaporator (màng leo)

1.3.2.2 Phương pháp trích ly vi sóng

Trích ly vi sóng dựa trên kết quả dao động của trường điện từ với tần số 2450 MHz Các phân tử chất thiên nhiên thường là lưỡng cực điện, có một đầu điện tích âm và một đầu điện tích dương Những đầu lưỡng cực này thường có xu hướng quay sao cho nằm song song với chiều điện trường ngoài Khi điện trường dao động các phân tử quay nhanh qua lại và được chuyển hóa thành chuyển động nhiệt hỗn loạn va chạm phân tử tạo thành nhiệt trong môi trường trích ly [15]

Ưu điểm của phương pháp là cho hiệu suất cao và không gây độc Hiện nay phương pháp trích ly vi sóng được áp dụng rộng rãi trong trích ly phenol, hydrocarbon thơm và hydrocarbon đa vòng Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là chi phí lớn, vốn đầu

tư lớn và thiết bị phức tạp

1.3.2.3 Trích ly nhựa dầu bằng CO 2 lỏng siêu tới hạn

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật thì việc trích ly thu nhận nhựa gừng cũng thay đổi đáng kể Đặc biệt là kĩ thuật trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn trong đó CO2 được quan tâm nhất được biết đến nhờ những ưu điểm của nó như dung môi sử dụng sạch nhất, an toàn, không mùi, không bị, rẻ tiền, dễ kiếm, không gây cháy nổ, không độc hại và không gây ô nhiễm môi trường [97]

Nguyên tắc của chiết dung môi siêu tới hạn như sau: khi một chất khí được nén đến một áp suất cao đáng kể, nó chuyển sang trạng thái lỏng Tuy nhiên khi chất khí được gia nhiệt tới một nhiệt độ đặc trưng và tiếp tục tăng áp suất thì khí đó cũng không chuyển sang trạng thái lỏng và nhiệt độ đó người ta gọi là nhiệt độ tới hạn và phụ thuộc vào áp suất hơi tương ứng gọi là áp suất siêu tới hạn Trạng thái của vật chất khi có cả nhiệt độ và áp suất lớn hơn điểm tới hạn được gọi là trạng thái siêu tới hạn Vật chất ở trạng thái này có cả tính chất của chất lỏng Khi đó, dung môi có các tính chất trích ly rất tốt như độ hòa tan, độ nhớt, sức căng bề mặt, v.v…Độ nhớt thấp nên dung môi dễ dàng thâm nhập vào trong nguyên liệu [108],[97] Các hằng số tới hạn của CO2 là nhiệt độ 31.1°C, áp suất 78 bar và

tỉ trọng là 0.468 g/cm3 CO2 lỏng siêu tới hạn được ứng dụng nhiều trong trích ly nhựa dầu

do nó có khả năng hòa tan tốt các hợp chất không phân cực hoặc phân cực thấp Các hợp chất hữu cơ có phân tử lượng < 400 như terpene, monoterpene, sesquiterpene, thiol, pyrazin, thiazol, acid axetic, acid oleic, decanol, acid béo no, v.v…hòa tan trong CO2 lỏng siêu tới hạn, các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử > 400 như đường, protein, tannin, sáp, carotenoit, chlorophyl thì hầu như không hòa tan [97]

Hơn nữa, do quá trình trích ly được tiến hành ở điều kiện áp suất cao nên khả năng thẩm thấu của dung môi vào cấu trúc tế bào thực vật tăng lên, tạo điều kiện cho các chất hòa tan nhanh vào dung môi và dễ dàng thẩm thấu ra khỏi bề mặt nguyên liệu Sau đây là quy trình trích ly nhựa dầu gừng bằng CO2 lỏng siêu tới hạn [49]

Kỹ thuật trích ly bằng CO2 siêu tới hạn đã và đang được phát triển Trong những năm gần đây, nhiều công trình đã quan tâm nghiên cứu nhằm xác định các điều kiện công nghệ tối ưu cũng như chế độ xử lý nguyên liệu thích hợp cho việc thu nhận nhựa dầu gừng[41], [164] Tuy nhiên, trích ly nhựa dầu gừng gia vị bằng CO2 siêu tới hạn cũng bộc lộ một số yếu điểm như dưới điều kiện áp suất cao, một số cấu tử chất thơm có thể bị phân hủy hoặc thay đổi cấu trúc phân tử hay cấu trúc không gian làm biến đổi mùi thơm của nhựa dầu Mặt khác, quá trình trích ly với CO2 siêu tới hạn cần phải có hệ thống thiết bị chịu được áp suất cao Hệ thống thiết bị này rất phức tạp, đắt tiền do đó đã hạn chế phần nào việc áp dụng công nghệ hiện đại tiên tiến này để sản xuất nhựa gừng gia vị Trên thực

tế, ở nhiều nước trên thế giới, người ta vẫn sử dụng chủ yếu phương pháp trích ly với các dung môi hữu cơ truyền thống trong sản xuất nhựa gừng

Tóm lại có nhiều phương pháp để thu nhận tinh dầu và nhựa dầu Tùy theo điều kiện máy móc, thiết bị, kinh tế mà chúng ta áp dụng cho hiệu quả với từng loại nguyên liệu Trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành lựa chọn phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước để thu nhận tinh dầu và thu nhận nhựa dầu bằng phương pháp trích li với dung môi hữu cơ

1.3.3 Các phương pháp tạo bột hương liệu chất thơm

1.3.3.1 Phương pháp sấy phun

Sấy phun là phương pháp lâu đời nhất và thông dụng nhất để tạo vi nang cho tinh dầu, theo Ubbink và Schoonman (2003) và Porzio (2007) khoảng 80 ÷ 90% tinh dầu được

vi nang theo phương pháp này Phương pháp này được thực hiện bằng cách: tinh dầu được phân tán vào dung dịch lỏng của chất mang sau đó đưa vào thiết bị sấy phun Sản phẩm

cuối cùng là dạng bột chứa tinh dầu bên trong và có kích thước 10 ÷ 150 μm

Chất mang sử dụng trong công nghệ tạo vi nang bằng sấy phun cần thoả mãn các yêu cầu như: có độ hoà tan tốt trong nước, độ nhớt giới hạn từ 35 ÷ 45% trong nước, có khả năng tạo thể nhũ tương tốt, có khả năng tạo màng và làm khô, không hút ẩm, có mùi vị nhẹ để không gây ảnh hưởng đến thực phẩm khi bổ sung vào Ngoài ra chất mang cần có các đặc điểm khác như không có khả năng phản ứng với chất khác, có thể bảo vệ tinh dầu khỏi sự oxy hoá và có giá thành rẻ Những chất mang thường được sử dụng trong sấy phun

là mono- và disaccharide, maltodextrin, tinh bột biến tính, các loại gum, protein sữa hoặc protein đậu nành, gelatin thuỷ phân Thông thường hỗn hợp hai hay nhiều chất mang được

sử dụng để tạo ra các đặc tính mong muốn như tạo thể nhũ tương (tinh bột biến tính, gum arabic) và chống oxy hoá (các đường, tinh bột thuỷ phân) Khả năng bảo quản tinh dầu theo phương pháp sấy phun là 6 ÷ 12 tháng, phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm

Ưu điểm của phương pháp tạo vi nang bằng sấy phun đó là quá trình sản xuất được diễn ra liên tục, các hạt vi nang được thu hồi liên tục ở đáy thiết bị, quá trình dễ điều khiển,

có thể tự động hoá và cho sản phẩm có chất lượng ổn định, giá thành rẻ, có thể lựa chọn nhiều loại chất mang khác nhau và công nghệ đã có từ lâu nên có nhiều tài liệu tham khảo

Nhược điểm của phương pháp là những chất thơm rất dễ bay hơi có thể bị mất mát một phần trong quá trình sấy phun do đó làm mất cân bằng mùi của tinh dầu, một số chất thơm có thể bị oxy hoá trong quá trình sấy phun Thêm nữa các hạt chất thơm thu được bằng phương pháp sấy phun rất nhỏ nên tan nhanh trong nước, do đó đối với sản phẩm chứa nhiều nước, chất thơm được vi nang sẽ không tạo được ưu thế về khả năng giải phóng mùi thơm khi nấu hay khi ăn [167]

1.3.3.2 Phương pháp ép phun (Melt Injection) và ép đùn (Melt Extrusion)

Phương pháp ép phun được thực hiện bằng cách đun nóng chảy các vật liệu carbohydrate (đường sucrose, maltodextrin, polyol, tinh bột biến tính, mono- và disaccharide) cùng với tinh dầu và chất nhũ tương hoá ở 110 ÷ 140°C, sau đó hỗn hợp được ép qua một hay nhiều ống dẫn nhỏ ở áp suất 1 ÷ 7 bar Dung dịch sau khi được đẩy ra được làm nguội trong dung môi hữu cơ lạnh đã loại nước, thường là isopropanol Vật liệu bao không liên kết được với dung môi nên nhanh chóng khuếch tán tạo thành các hạt chất rắn nhỏ Ưu điểm của phương pháp là những chất thơm chưa được vi nang sẽ bị loại bỏ trong bể dung môi, do đó sản phẩm cuối sẽ không còn chất thơm bám trên bề mặt vi nang, giảm sự oxy hoá Tuy nhiên phương pháp có nhược điểm là sử dụng dung môi là chất dễ cháy và nguy hiểm, vì thế yêu cầu thiết bị đặc biệt [167]

Phương pháp ép đùn là phương pháp tạo vi nang chất thơm bằng carbohydrate nóng chảy, sử dụng thiết bị ép liên tục với một hay nhiều vít xoắn Carbohydrate được sử dụng nhiều nhất là tinh bột Phương pháp này được thực hiện bằng cách cho chất thơm khuếch tán vào dịch carbohydrate nóng chảy cùng với chất làm dẻo như nước hoặc glycerol, polyol sau đó đưa vào máy ép đùn, dung dịch được đẩy ra dưới áp suất cao qua một khuôn tạo thành dạng tấm, dạng chuỗi hay dạng sợi với kích thước khác nhau, sau đó được làm lạnh nhanh bằng không khí hoặc bằng bồn lạnh Sản phẩm cuối cùng có dạng vô định hình hoặc dạng thuỷ tinh rắn Kích thước các hạt có thể làm nhỏ bằng dao ngay sau khi ra khỏi khuôn hoặc nghiền sau khi làm lạnh Ưu điểm của phương pháp là vi nang có cấu trúc dày đặc nên có độ bền hương rất cao, tránh được sự mất mát do bay hơi và oxy hoá, do đó dạng vi nang này thường được sử dụng trong các loại đồ uống khô như trà túi lọc, café hoà tan, v.v Nhược điểm là hàm lượng chất thơm chứa trong vi nang tương đối thấp (dưới 10%) làm ảnh hưởng đến giá thành Vật liệu làm vi nang tan trong nước nên vi nang sản xuất theo phương pháp ép đùn chỉ phù hợp với thực phẩm khô, không sử dụng cho các sản phẩm chứa nước [167]

1.3.3.3 Phương pháp tạo giọt (Coacervates)

Phương pháp tạo giọt dựa trên cơ chế phân chia pha lỏng - lỏng của hệ nhũ tương giữa 1 pha giàu polyme (coacervate) và pha nghèo polyme Dựa trên số lượng polyme có

mặt quá trình tạo giọt có thể phân thành dạng đơn giản hay phức tạp Trong vi nang chất thơm thường sử dụng phương pháp tạo giọt phức tạp

Lớp bao của giọt thường được tạo thành từ gelatin, gum arabic và có thể glutaraldehyde hoặc transglutaminase Gum arabic có thể được thay thế bằng phân tử mang điện tích âm như pectin, alginate, polyphosphate Gelatin có thể được thay thế bằng whey protein Hiện nay chỉ có một lượng rất ít tinh dầu được tạo bột theo phương pháp này

Ngoài những phương pháp đã nêu trên, hiện nay trên thế giới đang nghiên cứu một

số phương pháp khác như tạo bột hương liệu trong lớp gel biopolyme (Microspheres),

Co-extrusion, sử dụng tế bào nấm men làm màng bao tạo bột, sử dụng hạt silica hấp phụ tinh

dầu, tạo tinh thể (Co-crystallization) Tuy nhiên những phương pháp này hầu như chưa

được ứng dụng trong thực phẩm do chi phí đắt, quy trình phức tạp, sản phẩm tạo ra có

nhiều nhược điểm không phù hợp cho ứng dụng thực tế [167]

1.3.3.4 Một số phương pháp khác

- Phương pháp kết tụ (Agglomeration/ Granulation): tạo ra các hạt chất thơm có

kích thước lớn hơn, khoảng 0,3 ÷ 0,9 mm Phương pháp được thực hiện gồm 2 bước, sấy phun thu các hạt chưa hoàn toàn khô sau đó kết tụ lại để tạo hạt có kích thước lớn [24], [167]

- Phương pháp tạo bột hai lớp (Fluid bed Coating): là cách bao phủ thêm một lớp

bao bên ngoài các hạt chất rắn là tinh dầu được vi nang bằng phương pháp khác như sấy phun Chất liệu được sử dụng để bao bên ngoài thường là chất béo hoặc sáp, dẫn xuất cellulose, gum hoặc protein, v.v [24], [167]

- Phương pháp đông khô (Freeze Drying): cho tinh dầu khuếch tán trong dung

dịch chất mang và nước tạo thành thể nhũ tương sau đó làm đông khô Khi đó tinh dầu sẽ

bị giữ trong các hạt vi nang nhỏ do chất mang tạo nên Ưu điểm là tạo sản phẩm vi nang tinh dầu có chất lượng và độ bền cao Nhược điểm của phương pháp là hiện nay có rất ít tài liệu nghiên cứu về vi nang bằng lạnh đông [24], [167]

- Phương pháp phun lạnh/ lạnh đông (spray chilling/ spray cooling): là kỹ thuật

tạo ra vi nang chất thơm với chất mang là lipid Quá trình thực hiện phương pháp cũng tương tự như quá trình sấy phun Hỗn hợp lỏng lipid - chất thơm được đưa vào thiết bị phun lạnh/ lạnh đông, sản phẩm thu được là các hạt mịn chất thơm trong lipid Chất thơm sẽ được giải phóng ra khi lipid chảy thành chất lỏng ở nhiệt độ cao [167]

1.3.3.5 Đánh giá chất lượng bột hương liệu bằng phương pháp chụp cấu trúc SEM

Bột hương liệu tinh dầu được chụp lại cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét

(Scanning Electron Microscope) nhằm xác định cấu trúc [45]

β-cyclodextrin có khả năng tạo thành vỏ bọc khi kết hợp với các phân tử có tính

bay hơi cao, khả năng hòa tan kém Từ đó tạo ra các màng bọc để bao phủ làm giảm khả năng bay hơi và tăng tính hòa tan của các phân tử [65], [60], [119], [81], [84], [86], [78]

Muốn tăng hiệu quả sử dụng, tinh dầu gừng thu được trong quá trình nghiên cứu được tạo hương liệu dạng bột Với phương pháp đông khô tạo bột cho chất lượng bột hương liệu tinh dầu và độ bền cao, bên cạnh đó việc tạo bột hương liệu tinh dầu gừng bằng phương pháp đông khô ở Việt Nam chưa có công trình nào nghiên cứu Do

đó chúng tôi lựa chọn phương pháp đông khô trong công đoạn tạo bột hương liệu tinh dầu gừng

1.4 Vai trò của gừng trong đời sống con người

Chi Zingiber được sử dụng rộng rãi trên thế giới vì tính chất dược lý và hoạt tính sinh học của nó [104] Trong số các chi này, Z officinale (gừng) được biết đến nhiều và

được nghiên cứu chủ yếu vì những lợi ích về sức khoẻ [40], [113] Hầu hết các loài cây

thuộc chi gừng (Zingiber) đều có chứa tinh dầu, là nguồn nguyên liệu có giá trị để làm

thuốc và làm gia vị: Thân rễ làm gia vị trong chế biến thực phẩm, là nguyên liệu trong chế biến rượu bia, mứt gừng, v.v… Gừng được dùng dưới dạng phơi sấy khô và dạng tươi được bảo quản để giữ lâu Nó được dùng rộng rãi để làm gia vị, sản suất nhựa dầu và cất tinh dầu gừng Gừng bảo quản để giữ lâu là gừng tươi gọt vỏ, ngâm trong sirô hay mật ong hoặc chế biến thành gừng trộn đường kính là một thứ mứt ngon Nó cũng được dùng làm

đồ uống Họ Gừng là đối tượng từ lâu đã được nhân dân ta sử dụng như là một phụ gia chính trong chế biến thực phẩm bởi nó không chỉ làm tăng thêm mùi vị hấp dẫn cho thực phẩm, không lo ngại về tính độc hại như đối với các phụ gia tổng hợp, mà còn có tác dụng

ức chế hay tiêu diệt các vi sinh vật có hại gây bệnh cho con người

Vai trò của gừng trong việc giảm các bệnh tim mạch và đái tháo đường có liên quan rất lớn đến khả năng kiểm soát khối lượng cơ thể, giảm lượng glucose và lipid trong huyết thanh Thực tế, một nghiên cứu cho thấy gừng làm giảm đáng kể glucose, cholesterol toàn phần, triglycerides, acid béo tự do, lipoprotein mật độ thấp và các lipoprotein mật độ rất thấp, trong khi tăng lipoprotein mật độ cao trong huyết thanh của chuột với bệnh tiểu đường ăn kiêng với chế độ ăn nhiều chất béo [100] Những tác động này chủ yếu liên quan đến zingerone [36], và shogaols [131]

Chất thơm có nguồn gốc thiên nhiên thuộc của các loài thuộc chi Gừng đã và đang rất được các nhà khoa học, nhà sản xuất thực phẩm ở các nước tiên tiến quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất bởi đa số chúng là những hợp chất có hoạt tính sinh học cao

và có thể dùng trực tiếp trong y học, thực phẩm [6]

Trong dân gian, “củ” của nhiều loài này đã được coi là thuốc giải cảm, kích thích tiêu hoá, chữa đau dạ dày, ho, mụn, nhọt, đau đầu, nhức xương, đau bụng lạnh, tứ chi lạnh, mạch yếu, đàm ẩm, ho suyễn, ôn trung tán hàn, hồi dương, thông mạch, táo thấp tiêu đàm

[2], [10] Gừng đỏ được sử dụng trong y học truyền thống của Indonesia như một loài thuốc giảm đau cho các bệnh viêm khớp Bên cạnh đó gừng giúp tăng cường lưu thông máu, có lợi cho hệ tim mạch, làm giảm mỡ trong máu, giảm quá trình oxi hoá, v.v…

Chất thơm đã được sử dụng từ rất lâu đời vào trong nhiều thực phẩm, dược phẩm,

mỹ phẩm, hóa chất, v.v Đối với một sản phẩm thực phẩm, chất thơm có ý nghĩa rất quan trọng, chúng vừa góp phần tạo nên mùi thơm hấp dẫn và làm mất đi các mùi vị không mong muốn trong thực phẩm, góp phần nâng cao chất lượng của thực phẩm, đa dạng hóa sản phẩm do tạo ra nhiều sản phẩm mới thỏa mãn thị hiếu của khách hàng Để việc bổ sung chất thơm vào thực phẩm có hiệu quả cần tìm hiểu sự tương tác giữa các cấu tử của chất thơm với các thành phần trong thực phẩm [12], [18]

Nhiều công trình khoa học đã chứng minh chất thơm và các hợp chất thiên nhiên

có nhiều tính chất quý giá như khả năng chống oxy hóa, kháng khuẩn, chống ung thư, v.v Với những kết quả này, việc nghiên cứu ứng dụng các chất thơm và các sản phẩm thiên nhiên cho thực phẩm, thực phẩm chức năng đang được đầu tư quan tâm, trở thành xu hướng của xã hội văn minh, hiện đại

1.5 Tình hình sử dụng và nghiên cứu gừng ở Việt Nam và trên thế giới

1.5.1 Ở Việt Nam

Gừng được trồng nhiều ở các tỉnh phía Bắc như Lạng Sơn, Phú Thọ, Hải Phòng,

Bắc Giang, Hải Dương, v.v…Đặc biệt chúng ta có giống gừng gié (Z officianlis) có chất

lượng và hương vị tương đương với gừng Ấn Độ là nguyên liệu quý cho sản xuất nhựa gừng Ở phía Nam (chủ yếu là tỉnh Đắk Lắk) có trồng loại gừng sẻ, tuy nhiên sản lượng chưa cao và chủ yếu trồng xen kẽ với cây cà phê Ngoài như cầu tiêu thụ trong nước như làm gia vị, làm mứt, làm thuốc và một phần nhỏ sản xuất bánh kẹo, rượu, chè thì gừng chủ yếu được dùng cho xuất khẩu dưới dạng nguyên củ, thái lát hoặc bột gừng (trước đây xuất khẩu sang Đông Âu, hiện nay xuất khẩu nhiều sang Trung Quốc)

Trong các nghiên cứu gần đây có Trương Thị Tố Chinh và cộng sự đã tiến hành phân lập các chất từ Gừng môi tím đốm thu được 9 hợp chất gồm acid eicosanoic, 5-hydroxy-3,4’,7-trimetoxy-flavon, β-sitosterol, 6β-hydroxy-stigmast-4-en-3-on, 4’,5-

dihydroxy-7-metoxyflavonol, 4’,5-dihydroxy-3,7-dimetoxyflavon, feruloyloxyhexacosanoy)]glyxerol, 1-O-(28-hydroxyoctacosanoy)glyxerol và acid vanillic Trong đó 1-O-[(26-feruloyloxyhexacosanoy)]glyxerol, 1-O-(28-hydroxyoctacosanoy)glyxerol là những hợp chất lần đầu phân lập được từ loài này Thành phần chất dễ bay hơi trong loài này cũng được tác giả xác định bằng phương pháp GC/MS kết quả từ thân rễ chủ yếu là các sesquitecpenoit với β-bisabolen và các hydrocacbon dãy béo [26], [27] Năm 2011 Văn Ngọc Hướng và cộng sự đã phân tích cặn hexane chiết từ

1-O-[(26-cây gừng Zingiber bằng phương pháp GC/MS đã xác định được thành phần hóa học trong

cặn chiết Một số chất có hàm lượng cao là: linalool: 55,96%; α-terpineol: 12,14%; elemol:

6,03%; trans- asarone :5,37%; 1-borneol: 4,82%; 1,8-cineole: 1,27%; endobornyl: 1,10% ; elemene:1,24%; germacrene: 5,72%; betabisabolene: 3,34%; deta-cadinene: 1,24%; zingiberene: 1,2%; gamma-elemene: 1,39%; valencene: 2,7%; ethyl hexadecanoate: 1,02% Ngoài ra từ cao hexane đã phân lập được 1,2-di-(Z,Z,Z)hexadeca-7,10,13-trienoyl

glycerol, từ cặn chiết chloroform của cây gừng lông hung phân lập được 1 chất β-sitosterol

[28] Tiến hành thử hoạt tính sinh học cho thấy 2 cặn hexane và cặn ethyl acetate kháng

được ba loại vi khuẩn: E.coli và 2 loại vi khuẩn: B.subtillis và S.aureus

Năm 2002 Bùi Quang Thuật và cộng sự đã có đề tài nghiên cứu sản xuất nhựa dầu gừng và một số gia vị chọn lọc ở Việt Nam với các nội dung là nghiên cứu công nghệ sản xuất nhựa dầu gừng Nội dung bao gồm đánh giá và lựa chọn nguyên liệu, chế độ xử lý nguyên liệu và các biện pháp thu hồi dung môi Nghiên cứu công nghệ tinh chế sản phẩm nhựa dầu gừng, công nghệ xử lý bã gừng, nghiên cứu đa dạng hóa các sản phẩm từ nhựa gừng Sản xuất thực nghiệm các sản phẩm nhựa dầu gừng với quy mô 500kg/ngày [11]

Ở nước ta, cho đến nay vẫn chưa có loại sản phẩm nhựa dầu gia vị ở qui mô công nghiệp trong khi nhu cầu về tiêu thụ nhựa gừng ngày một tăng lên (khoảng 5 ÷ 6 tấn/năm)

và chúng; là mặt có giá trị xuất khẩu cao Hiện nay, hàng năm chúng ta phải tốn hàng chục triệu đô la để chấp nhập các sản phẩm tinh dầu và nhựa dầu này cho sản xuất bánh kẹo, chè

và dược phẩm, v.v… Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tính trạng này mà nguyên nhân chính

là do chúng ta chưa có sự quan tâm và đầu tư thích đáng cho nghiên cứu và sản xuất nhựa gừng

Ở Việt Nam việc khai thác, sản xuất tinh dầu vẫn còn nhỏ ở quy mô nhỏ Đặc biệt

là việc tách chiết các cấu tử tạo hương trong tinh dầu có giá trị cao trong tinh dầu, hoặc tổ hợp hương liệu thì rất ít các cơ sở nghiên cứu và sản xuất [9], [18], [22], [107]

1.5.2 Trên thế giới

Gừng được trồng ở nhiều nơi, nhưng tập trung chủ yếu là những vùng có khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới như Ấn Độ, Trung Quốc, Jamaica, Nigeria, Nhật Bản, Indonesia, v.v… Ấn Độ là nước sản xuất và xuất khẩu gừng lớn nhất thế giới [126]

Các nước Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia đã và đang trở thành những nước sản xuất

và chế biến tinh dầu với khối lượng lớn Nhiều nước công nghiệp phát triển, đặc biệt là

Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Thụy Sỹ, Nhật Bản, v.v rất chú trọng việc nhập khẩu tinh dầu thô

và xuất khẩu các sản phẩm tinh dầu đã qua chế biến Ấn Độ là nước sản xuất gừng lớn nhất

và sản lượng hàng năm khoảng 2.63.170 tấn từ khoảng 77.610 ha, đóng góp khoảng 30 đến 40% sản lượng thế giới (Ravindran và Nirmal, 2005) Sản lượng gừng trên thế giới là 2.095.056 tấn từ diện tích 3.22.157 ha, trong khi Ấn Độ là 703.000 tấn từ diện tích 150.000

ha (FAO, 2014) Rất khó để so sánh dữ liệu nhập khẩu bởi vì chúng thường không phân biệt được tươi với gừng khô Ví dụ, Nhật Bản là nước nhập khẩu số 1 và tiêu dùng gừng với số lượng 1.04.369 tấn trong năm 2002 (ITC, 2002), nhưng theo truyền thống Nhật Bản

tiêu thụ gừng được làm từ thân rễ tươi nhẹ (Govindarajan 1982) Các nước nhập khẩu chính khác là: Mỹ (19.035 tấn), Anh (10.377 tấn), Saudi Arabia (8.248 tấn), Singapore (nhập khẩu 7.566 tấn, tái xuất 2.989 tấn) Malaysia (nhập khẩu 7.652 tấn, tái xuất 1.334 tấn), Hàn Quốc (6.805 tấn), Hà Lan (nhập khẩu 6.981 tấn, tái xuất 2.858 tấn), Canada (4.680 tấn), Đức và Pháp Trong thập kỷ qua, Trung Quốc đã trở thành đối thủ chính vượt qua một số nước xuất khẩu truyền thống [155] Nigeria đứng đầu về diện tích gừng chiếm khoảng 56,23% tổng diện tích toàn cầu, tiếp theo là Ấn Độ (23,6%), Trung Quốc (4,47%), Indonesia (3,37%) và Bangladesh (2,32%) Ấn Độ đứng đầu về sản lượng gừng đóng góp 32,75% sản lượng thế giới, sau đó là Trung Quốc (21,41%), Nigeria (12,54%) và Bangladesh là nước cung cấp gừng trên thị trường thế giới Nhật Bản và Mỹ là những nước nhập khẩu chính Ấn Độ xuất khẩu chủ yếu ở dạng gừng toàn bộ và khô Trung Quốc, Nigeria và Thái Lan đang cạnh tranh với Ấn Độ trong thời gian gần đây trên thị trường thế giới Úc là nước dẫn đầu thế giới về các sản phẩm giá trị gia tăng Ấn Độ có 50% thị phần trong thương mại dầu và oleoresin Gừng được trồng ở hầu hết các tiểu bang ở Ấn Độ Tuy nhiên, các bang như Kerala, Meghalaya, Arunachal Pradesh, Mizoram, Sikkim, Nagaland

và Orissa cùng đóng góp 70% cho tổng sản lượng quốc gia Về mặt chất lượng, gừng kiểu Jamaica và Ấn Độ được coi là cao hơn theo sau là giống Tây Phi Ấn Độ là nhà sản xuất

lớn nhất Z officinale trên thế giới [155]

Gừng được trồng và mọc hoang dại nhiều ở Việt Nam và thế giới Gừng có rất nhiều tác dụng và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống và công nghệ sản xuất chế biến, như làm gia vị, làm thực phẩm, làm thuốc, v.v…Do đó nhu cầu về tiêu thụ gừng và các sản phẩm từ gừng ngày một tăng lên

1.6 Ứng dụng gừng trong công nghệ thực phẩm

Gừng được sử dụng trong ba hình thức là gừng tươi hoặc xanh lá cây, gừng khô toàn bộ và gừng khô tách Gừng tươi đôi khi không thích hợp để chuyển sang gia vị khô vì hàm lượng ẩm cao ban đầu gây khó khăn cho việc sấy và sản phẩm có hàm lượng dầu dễ bay hơi thấp (Balakrishnan, 2005) Các sản phẩm khác được chế biến từ gừng là dầu gừng, kẹo gừng, bột gừng, gừng bia (Arya, 2001, Camacho và Brescia, 2009) Gừng được sử dụng dưới dạng mứt tươi, trà gừng (hương liệu), bột khô và lát bảo quản (El-Ghorab et al., 2010) Gừng có thể được sử dụng trong các sản phẩm thương mại khác nhau như bánh quy, kẹo, trà, tinctures, soda, mứt, bia, viên nang và xi rô (Maxwell, 2008) Bánh mì gừng, bánh kẹo, gừng muối, bột cà ri, các loại thịt xay nhuyễn, nước sốt bàn, tẩm ướp và sản xuất một

số loại nước giải khát như cordials, ginger cocktail, đồ uống ga, vv… là một số sản phẩm giá trị gia tăng của gừng Gừng cũng được sử dụng để chiết xuất dầu gừng, oleoresin, tinh chất, vv… (Pruthi, 1998)

Theo y học cổ truyền, gừng tươi có vị cay, thơm, tính ấm, gừng khô có vị cay, mùi thơm hắc, tính nóng [5] Nhựa dầu gừng giữ được hầu hết các tính chất quý của gừng

nguyên liệu đồng thời lại có những ưu điểm của một sản phẩm nhựa dầu, vì vậy nhựa dầu gừng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống

1.6.1 Chất thơm sử dụng trong sản xuất bánh, kẹo, đồ uống và chế biến các món ăn

Gừng được tiêu thụ trên khắp thế giới như là chất tạo hương được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm, nước giải khát và bánh kẹo trong các sản phẩm như mứt, dưa chua, chutney, bia gừng, rượu gừng, rượu và các sản phẩm bánh khác Tại Nam Ấn, gừng được sử dụng trong sản xuất kẹo có tên là Injimurappa có nghĩa là kẹo gừng Nath và cộng sự [111] đã tối ưu hóa các quy trình sản xuất kẹo gừng tức thì với độ dày miếng bánh là 5,0-25,0 mm và thời gian chần chậm 10 ÷ 30 phút Hơn nữa, Nath đã chuẩn hóa công thức để chuẩn bị gừng bảo quản từ nồng độ đường 70% và kẹo gừng từ nồng độ đường 75% Nhựa dầu gừng để có thể sử dụng tốt, tiện lợi trong các sản phẩm bánh kẹo cần được phối chế thêm chất định hương, chất ổn định mùi, các đơn hương phù hợp hay nói cách khác cần phải tạo nên một tổ hợp hương liệu từ nhựa dầu gừng

Để cho kẹo có hương vị hấp dẫn người ta thêm vào đó các chất thơm mà trước hết

là chất thơm thiên nhiên như vanillin, hay tinh dầu loại cây citrus, nước hoa quả và tinh dầu quả, v.v Khi các chất thơm thiên nhiên có mùi yếu, thì người ta bổ sung những chất điều hương để có mùi phù hợp cho sản phẩm mong muốn Ngoài các cấu tử có nhóm chức aldehyde, nhóm chức ester, thì các cấu tử có nhóm chức acid cũng đóng vai trò là tác nhân tạo mùi thơm cho hương liệu khi bổ sung vào kẹo Bên cạnh đó các chất tạo vị cay và vị đắng cũng góp phần tạo nên các vị đặc biệt của kẹo [29], [12]

Như đã giới thiệu trước đây, gừng là một loại gia vị quan trọng được sử dụng ở khắp Châu Á và đã trở nên phổ biến toàn cầu như một thành phần thực phẩm do hương vị độc đáo của nó Hương vị này có nguồn gốc từ các hợp chất dễ bay hơi và không bay hơi (gingerol, shogaol và zingiberene) Loại gia vị phổ biến nhất là từ thân cây hoặc thân rễ

của cây Zingiber officinale Roscoe Các báo cáo trong các bài báo khoa học cho thấy gừng

được tiêu thụ trên toàn thế giới như là một chất gia vị, hương liệu và có nhiều hoạt tính sinh học có giá trị cao trong chữa bệnh [129], [132]

Trong quá trình chế biến món ăn người ta cũng thường bổ sung mùi thơm từ bên ngoài vào, bằng cách là cho các loại gia vị như chanh, ớt, tỏi, hành, riềng, hồ tiêu, v.v làm cho món ăn có mùi thơm hấp dẫn hơn Các chất thơm này thành phần chủ yếu là tinh dầu, có mùi thơm đặc trưng của nguyên liệu rau và củ quả Đa phần các mùi thơm này đều

là những hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học cao, cho lên thường có tác dụng tốt cho sức khỏe Người ta có thể bổ sung trước, trong hoặc sau khi làm chín món ăn Tùy từng món ăn mà người ta sử dụng chất thơm cho phù hợp [29]

Người ta chia đồ uống thành hai loại là đồ uống có cồn và đồ uống không có cồn

Đồ uống có cồn: Đồ uống có cồn bao gồm rượu mạnh, rượu khai vị, rượu vang và bia, v.v Trong quá trình pha chế rượu, đặc biệt là rượu mùi người ta thường bổ sung các tinh

dầu vào để tạo cho rượu có những mùi thơm đặc trưng [29] Đồ uống nhẹ: Trong quá trình pha chế đồ uống nhẹ người ta cũng thường bổ sung các chất thơm và tạo cho đồ uống này

có mùi thơm đặc trưng Đồ uống nhẹ phần lớn không phải trải qua thời gian gia nhiệt sau khi pha chế, do vậy mà lượng chất thơm thường ít bị tổn thất bởi nhiệt độ cao Trong quá trình pha chế chất thơm cho đồ uống nhẹ cũng xảy ra sự tương tác giữa chất thơm với các thành phần trong đồ uống, như tương tác giữa chất thơm với đường và tạo độ bền của chất thơm trong đồ uống Các chất thơm dùng cho đồ uống nhẹ là các chất thơm thiên nhiên như tinh dầu cam, chanh, bưởi, bạc hà, quế, xá xị, đinh hương và hoa hồng Chất thơm cho

đồ uống nhẹ phải bền ở môi trường pH thấp và phải làm nổi bật được mùi thơm của đồ uống [12], [29]

1.6.2 Ứng dụng làm thuốc

Zingiber có nhiều hoạt tính dược lý và là thành phần phổ biến trong các loại thuốc

truyền thống Các rhizomes đã được chứng minh là có hiệu quả trong điều trị một số bệnh bao gồm các vấn đề về dạ dày, buồn nôn, nôn mửa, động kinh, đau họng, ho, cảm lạnh thông thường, vết bầm tím, vết thương, viêm gan, thấp khớp, đau cơ, xơ vữa động mạch, đau đầu migraine, cholesterol cao, loét [134] Ngoài ra, các hợp chất phenolic, đặc biệt là gingerols, trong rễ gừng đã được chứng minh là có tác dụng chống lại sự oxy hoá và hoạt động chống viêm [134]

Các thành phần chính của nhựa dầu gừng là 6-gingerol, 6-shogaol và 6-paradol có tác dụng mạnh để chống viêm nhiễm, chống nghẽn mạch máu [151] Ở Trung Quốc gừng

để trị đau bụng, bệnh tiêu chảy, buồn nôn, bệnh hen suyễn, bệnh tim, rối loạn hô hấp, đau răng, bệnh thấp khớp Ở châu Phi được làm thuốc chống ợ hơi từ dạ dày, thuốc long đờm, tuần hoàn máu ngoại vi, chất làm cho các tế bào co lại để ngừng máu chảy, chất kích thích

ăn ngon miệng, thuốc lợi tiểu và tiêu hóa Ở Mỹ người ta sử dụng gừng làm thuốc chống buồn nôn khi đi tàu, xe

1.6.3 Tác dụng chống nấm, vi sinh vật và chống oxy hóa của gừng

Hoạt tính kháng khuẩn của gừng là do sự có mặt của các loại tinh dầu như

camphene, linalool, α-pinene và borneol [77], [117], [122], [125], [149] Hơn nữa, hoạt

tính kháng khuẩn của tinh dầu gừng có thể so sánh được hoặc thậm chí cao hơn so với tinh dầu có nguồn gốc từ các cây khác So sánh gừng, bạch đàn, và tinh dầu cam quýt cho thấy tinh dầu gừng có hoạt tính kháng khuẩn cao nhất [156] Gừng có thuộc tính chống nấm,

gừng ức chế A niger, S cerevisiae, Mycoderma spp., L acidophilus Gừng còn ngăn chặn

sự tăng cholesterol là chất chống oxi hóa Trường đại học quốc gia về dinh dưỡng ở Hyderabad Ấn Độ đã nghiên cứu và chỉ ra rằng gừng có khả năng ức chế sự viêm tẩy kinh niên và sự biến đổi của acid arachidonic với thuộc tính chống oxy hóa Nhìn chung, những phát hiện này cho thấy tinh dầu gừng hoạt động chống lại vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn [125], [156] Do đó, cần phải hoàn thành nhiều nghiên cứu để đánh giá các loại tinh dầu

của gừng trong hoặc trên thực phẩm phức tạp, trước khi kết luận chắc chắn có thể được rút

ra để hỗ trợ ứng dụng thực tế của họ

Khả năng chống oxi hóa của các chất trong gừng được so sánh với BHA, BHT,

α-tocopherol Gừng khô được trích ly với methanol có nồng độ 80% và dịch trích ly được tinh chế với ethyl acetate, buthanol và nước Hoạt tính chống oxi hóa lớn nhất là phần tinh chế với ethyl acetate và 2 chất hoạt động được tách bằng sắc ký cột và trên cơ sở của kết quả phân tích hóa học và quang phổ đã xác định được trong đó có 6-shogaol và 12-shogaol [109]

1.6.4 Ứng dụng của nhựa gừng để làm chất bảo quản thực phẩm

Người tiêu dùng đang ngày càng quan tâm đến việc sử dụng các chất hóa học trong thực phẩm, do các vấn đề an toàn Người tiêu dùng hôm nay đánh giá các sản phẩm có chất bảo quản "tự nhiên" và "sạch" hoặc các sản phẩm không có thành phần nhân tạo Các kháng sinh thực phẩm truyền thống đã được chứng minh và duy trì hiệu quả cực kỳ trong việc đạt được các tiêu chuẩn về thời hạn sử dụng và an toàn thực phẩm [1011] Trong thập

kỷ qua, sự chú ý đã được tập trung vào việc sử dụng các loại tinh dầu thực vật như các chất kháng sinh tự nhiên trong thực phẩm Tinh dầu đã được tìm thấy để thể hiện một loạt các hoạt động chống lại sự hư hỏng và các vi khuẩn gây bệnh liên quan đến thực phẩm [125] Lợi ích chính của việc sử dụng tinh dầu từ những cây này là an toàn để sử dụng trong thực phẩm

Mùi thơm của thực phẩm là thuộc tính cảm quan quan trọng, có tác dụng kích thích

cơ quan khứu giác và nhu cầu ăn uống của con người Vì vậy việc ứng dụng chất thơm vào trong thực phẩm có ý nghĩa rất lớn, tạo cho những thực phẩm đó có mùi thơm hấp dẫn hơn, đồng thời làm mất đi những mùi mà con người không mong muốn Mùi thơm của thực phẩm cũng là một tiêu chí để người tiêu dùng có thể quyết định lựa chọn thực phẩm đó hay không Hiện nay nhu cầu sử dụng các chất thơm cho thực phẩm ngày càng nhiều, đặc biệt

là chất thơm có nguồn gốc thiên nhiên, trong đó có chất thơm từ gừng Tuy nhiên để tăng hiệu quả của việc ứng dụng chất thơm vào trong thực phẩm cần tìm hiểu thời điểm bổ sung chất thơm vào thực phẩm, thị hiếu người tiêu dùng, đặc tính của các thành phần trong thực phẩm, công thức và quy trình sản xuất chế biến thực phẩm

Gừng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống và công nghệ sản xuất chế biến, như làm gia vị, làm thực phẩm, làm thuốc…Ngoài ra gừng còn là một sản phẩm mang lại giá trị kinh tế cao và bền vững Nhu cầu về tiêu thụ gừng và các sản phẩm từ gừng ngày một tăng lên Do đó việc tìm ra những loài gừng mới, tăng cường sản lượng trồng gừng và nghiên cứu sâu hơn về thành phần hóa học của gừng, thành phần tạo hương và ứng dụng của gừng vào các sản phẩm khác nhau luôn có bước phát triển mới và đi vào chiều sâu