NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CHƯNG CẤT TINH DẦU GỪNG VÀ ỨNG DỤNG PHỤ PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong bài luận này, các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng tinh dầu của quy trình chưng cất tinh dầu gừng đã được nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất sản xuất và bướ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA MÔI TRƯỜNG – THỰC PHẨM – HÓA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Huỳnh Việt Thắng Mã số sinh viên: 1311524428 Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Hoá học Lớp: 13DHH01

1 Tên đề tài: Nghiên cứu chưng cất tinh dầu gừng và ứng dụng phụ phẩm của quá trình chưng cất

2 Nhiệm vụ luận văn

Xác định quy trình điều chế tinh dầu gừng;

Xác định các thông số ảnh hưởng hiệu suất tinh dầu gừng;

Khảo sát quy mô pilot & quy mô công nghiệp nhỏ;

Điều chế oleoresin từ bã của quy trình chưng cất

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 13/02/2017

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ luận văn: 21/08/2017

5 Người hướng dẫn:

Đỗ Đình Nhật Thạc Sĩ Bộ môn Công nghệ kỹ thuật

Nội dung và yêu cầu của luận văn đã được thông qua bộ môn

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

ThS Nguyễn Đình Phúc ThS Đỗ Đình Nhật

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài ngoài sự làm việc và cố gắng của bản thân, tôi còn nhận được nhiều sự khích lệ, động viên từ phía nhà trường, thầy cô, gia đình và bạn bè Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô của trường Đại học Nguyễn Tất Thành, đặc biệt là các thầy cô khoa Môi trường - Thực phẩm - Hoá của trường đã giúp đỡ, góp ý và hỗ trợ tận tình trong suốt thời gian tôi thực hiện quá trình nghiên cứu

Và tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Đình Nhật người dành nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành khoá luận tốt nghiệp Ngoài ra, tôi xin gửi lời cảm ơn đến anh Đoàn Quang Huy đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời gian tôi thực nghiệm tại phòng thí nghiệm

Cuối cùng tôi xin tỏ lòng biết ơn gia đình, bạn bè đã động viên tôi về mọi mặt và giúp

đỡ tôi tận tình trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, và cũng là động lực không nhỏ để tôi có kết quả ngày hôm nay

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp.HCM, Ngày Tháng Năm

Sinh viên thực hiện

Huỳnh Việt Thắng

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong bài luận này, các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng tinh dầu của quy trình chưng cất tinh dầu gừng đã được nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất sản xuất và bước đầu nghiên cứu tận dụng bã gừng của quy trình chưng cất để trích ly ra oleoresin phục vụ nghiên cứu thuốc trừ sâu sinh học Theo đó, nghiên cứu này cũng đã tiến hành khảo sát dưới quy mô pilot và sản xuất dưới quy mô công nghiệp nhỏ Đồng thời tiến hành ly trích oleoresin từ

bã gừng với khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến lượng oleoresin Kết quả của nghiên cứu là đã tạo ra tinh dầu gừng với hàm lượng các chất chính cao hơn so với một số công bố trước đó như α-Pinene (4.2-2.03%), Camphene (11.7-5.01%), 1,8-Cineol (15.6-5.67%), Zingiberene (11-10.62%), Geraniol (6.4-6%), β-Bisabolene (4.1-2.94%), β-Sesquiphellandrene (6.8-5.37%) Các thông số tối ưu thông qua khảo sát thu được như: thời gian lưu trữ nguyên liệu là 4 ngày, nguyên liệu được nghiền nát, tỉ lệ nước và nguyên liệu

là 1:1, thời gian chưng cất 4 giờ (kể từ lúc bình cầu đạt 130oC), nhiệt độ là 130oC; Khảo sát quy mô pilot và quy mô công nghiệp nhỏ đạt hiệu suất lần lượt là 0.24% và 0.18% Đã trích

ly ra oleoresin từ bã gừng với hiệu suất 5.4% và ứng dụng diệt gián, rầy nâu, bọ cánh cứng

ABSTRACT

In this essay, the factors influencing the essential oil content of the ginger essential oil distillate process have been investigated to improve production efficiency and initially researched the use of ginger residue of the distillation process to extract oleoresin for biopesticide research I have research on the storage time of raw materials, the effect of raw material processing, the ratio of water and raw materials, distillation time, temperature to essential oil content by hydro distillation method The process uses a cleverger distillation system Accordingly, this research also conducted pilot-scale surveys and production on a medium-scale The study also extract oleoresin from ginger residue and the effect of temperature surveys to oleoresin’s yield The result of the research was that ginger essential oil with the higher levels of major constituents was compared to some of the previous publications, such as α-Pinene (4.2-2.03%), Camphene (11.7-5.01%), 1.8-Geranol (6.4-6%), β-Bisabolene (4.1-2.94%), β-Sesquiphellandrene (6.8-5.37%); The best results obtained through the survey were: storage time of 4 days, raw material was crush, ratio of water and raw materials was 1:1, distillation time was 3.5h (since the temperature in the round-bottom flask reached 100oC), the temperature is 130oC; The pilot scale surveys and small-scale industrial scale yields were 0.24% and 0.18%, respectively The extracted oleoresin from the ginger residue (yield = 5.4%) and was applied to kill cockroaches, brown backed hoppers and beetles

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC BẢNG ix

DANH MỤC HÌNH x

LỜI MỞ ĐẦU xi

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 TỔNG QUAN VỀ GỪNG 1

1.1.1 Giới thiệu về Gừng 1

1.1.2 Công dụng của gừng 2

1.1.3 Phân bố và trữ lượng gừng 3

1.2 TỔNG QUAN VỀ TINH DẦU 5

1.2.1 Lịch sử về tinh dầu 5

1.2.2 Khái niệm tinh dầu 6

1.2.3 Tinh dầu Gừng 7

1.2.4 Công dụng của tinh dầu gừng 7

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT TÁCH TINH DẦU 11

1.3.1 Phương pháp trích ly bằng dung môi 12

1.3.3 Phương pháp ép lạnh 13

1.4 PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY OLEORESIN 13

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 14

Chương 2 THỰC NGHIỆM 18

2.1 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 18

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 18

2.3 NGUYÊN LIỆU & THIẾT BỊ 18

2.3.1 Nguyên liệu 18

2.3.2 Dụng cụ 19

2.3.3 Hóa chất 19

2.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.4.1 Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước trực tiếp 20

2.4.2 Phương pháp Soxhlet 21

2.4.3 Xác định chỉ tiêu hóa lý của tinh dầu 21

2.4.4 Xác định thành phần tinh dầu, chỉ số khúc xạ, góc quay cực 23

2.4.5 Phương pháp luân phiên từng biến 23

2.5 TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN 24

2.5.1 Chưng cất tinh dầu 24

2.5.2 Thuyết minh quy trình 24

2.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu trữ đến hàm lượng tinh dầu 25

2.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của quá trình xử lý nguyên liệu đến hàm lượng tinh dầu 25 2.5.5 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ nước và nguyên liệu 26

2.5.6 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chưng cất đến hàm lượng tinh dầu 26

2.5.7 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng tinh dầu 27

2.6 KHẢO SÁT QUY MÔ PILOT & QUY MÔ CÔNG NGHIỆP NHỎ 27

2.7 ĐIỀU CHẾ OLEORESIN TỪ BÃ GỪNG CỦA QUY TRÌNH CHƯNG CẤT 28

2.7.1 Quy trình trích ly oleoresin 28

2.7.2 Thuyết minh quy trình 28

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 29

3.1 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HÀM LƯỢNG TINH DẦU 29

3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu trữ 29

3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của quá trình xử lý nguyên liệu 29

3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ nước và nguyên liệu 30

3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chưng cất 31

3.1.5 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt chưng cất 32

3.1.6 Khảo sát trên quy mô pilot và quy mô công nghiệp nhỏ 33

3.1.7 Điều chế oleoresin từ bã gừng của quy trình chưng cất 34

3.2 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 34

3.2.1 Kết quả định tính, định lượng 34

3.2.3 Kết quả GC/MS 35

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 37

4.1 KẾT LUẬN 37

4.2 KHUYẾN NGHỊ 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

PHỤ LỤC 42

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần của gừng 2

Bảng 1.2 Sản lượng gừng năm 2014 4

Bảng 1.3 Một số hợp chất chính hay gặp trong thành phần tinh dầu 6

Bảng 2.1 Điều kiện của khảo sát hàm lượng tinh dầu theo thời gian lưu trữ 25

Bảng 2.2 Điều kiện của khảo sát hàm lượng tinh dầu theo dạng nguyên liệu 25

Bảng 2.3 Điều kiện của khảo sát hàm lượng tinh dầu theo tỉ lệ nước:nguyên liệu 26

Bảng 2.4 Điều kiện của khảo sát hàm lượng tinh dầu theo thời gian chưng cất 26

Bảng 2.5 Điều kiện của khảo sát hàm lượng tinh dầu theo nhiệt độ chưng cất 27

Bảng 2.6 Điều kiện của khảo sát hàm lượng tinh dầu theo thực tế 27

Bảng 2.7 Điều kiện khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến lượng oleoresin 28

Bảng 3.1 Kết quả khảo sát quy mô pilot & sản xuất quy mô công nghiệp nhỏ 33

Bảng 3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến lượng oleoresin 34

Bảng 3.3 Kết quả định tính, định lượng 35

Bảng 3.4 Kết quả phân tích GC/MS của thí nghiệm 35

Bảng 3.5 Bảng so sánh kết quả mẫu thí nghiệm 36

Phụ lục 1 Kết quả khảo sát hàm lượng tinh dầu theo thời gian lưu trữ 42

Phụ lục 2 Kết quả khảo sát hàm lượng tinh dầu theo dạng nguyên liệu 42

Phụ lục 3 Kết quả khảo sát hàm lượng tinh dầu theo tỉ lệ gừng:nước 42

Phụ lục 4 Kết quả khảo sát hàm lượng tinh dầu theo thời gian chưng cất 43

Phụ lục 5 Kết quả khảo sát hàm lượng tinh dầu theo nhiệt độ chưng cất 43

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Miêu tả sinh học tiêu biểu của loài Gừng (Z.officinale Roscoe) 1

Hình 1.2 Hình chụp SEM của củ gừng gió 1

Hình 1.3 Tháp phân loại loài gừng được sử dụng trong nghiên cứu 3

Hình 1.4 Chai tinh dầu gừng 7

Hình 1.5 Công thức phân tử của α-Pinene (C10H16) 8

Hình 1.6 Công thức phân tử của Camphene (C10H16) 8

Hình 1.7 Công thức phân tử của 1,8-Cineol (C10H18O) 9

Hình 1.8 Công thức phân tử của β-Citral (C10H16O) 9

Hình 1.9 Công thức phân tử của Geraniol (C10H18O) 10

Hình 1.10 Công thức phân tử của α-Farnesene (C15H24) 10

Hình 1.11 Công thức phân tử của β-Bisabolenes (C15H24) 10

Hình 1.12 Công thức phân tử của β-Sesquiphellandrene (C15H24) 11

Hình 2.1 Thiết bị của phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước trực tiếp 20

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình chưng cất tinh dầu gừng 24

Hình 2.3 Quy trình trích ly oleoresin 28

Hình 3.1 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng tinh dầu theo thời gian lưu trữ 29

Hình 3.2 Biểu đồ thể hiện hàm lượng tinh dầu thu được theo tình trạng nguyên liệu 30

Hình 3.3 Biểu đồ kết quả khảo sát hàm lượng tinh dầu theo tỉ lệ gừng:nước (g/g) 31

Hình 3.4 Biểu đồ kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian chưng cất 32

Hình 3.5 Biểu đồ kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ chưng cất đến hàm lượng tinh dầu 33

LỜI MỞ ĐẦU

Gừng là một gia vị phổ biến trong nhiều món ăn trên Thế Giới nói chung và Việt Nam nói riêng Hơn thế nữa, gừng còn được biết đến như một loại thuốc Đông Y với nhiều tên gọi tùy vào tình trạng riêng của nó như: Sinh Khương, Can Khương, Thán Khương, Khương

Bì Trước đây, vào khoảng năm 2014, giá gừng trung bình dao động từ 40.000 – 80.000đ/kg (số liệu được lấy từ cơ sở dữ liệu của Công ty Trí Đức) nhưng hiện nay do các yếu tố chủ quan và khách quan (mất mùa, căng thẳng Biển Đông) nên giá gừng giảm mạnh xuống còn 6.000 – 15.000đ/kg Trước tình trạng đó, việc thay đổi từ gừng sang một sản phẩm khác để làm tăng giá trị nông sản, giúp đỡ cho bà con nông dân là hết sức cần thiết Và một sản phẩm chứa nhiều tinh chất nhất của gừng mà vẫn chưa được phổ biến rộng rãi đó là tinh

dầu gừng và nhựa dầu Do đó, “Nghiên cứu quy trình chưng cất tinh dầu gừng và ứng dụng phụ phẩm của quá trình chưng cất” là rất cần thiết trong tình hình hiện nay

Trong nghiên cứu này, tôi sẽ tập trung vào 4 mục tiêu chính: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất gừng dựa trên quy mô phòng thí nghiệm và pilot, từ đó định hướng sản xuất quy mô công nghiệp vừa; Phân tích thành phần của tinh dầu gừng cũng như công dụng từng chất chính (>5%) có trong đó, dựa vào đó để nâng cao chất lượng tinh dầu; Công dụng của tinh dầu gừng (và các sản phẩm từ tinh dầu gừng); Trích ly oleoresins từ bã gừng của quá trình chưng cất

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ GỪNG

1.1.1 Giới thiệu về Gừng

Gừng là một loại cây nhỏ, sống lâu năm, cao 0.6 – 1m Thuộc loại thân rễ, phát triển lên thành củ, lâu dần thành xơ Lá mọc so le, không cuống, có bẹ, hình mác dài 15 – 20cm, rộng chừng 2cm, mặt bóng nhẵn, gân giữa hơi trắng nhạt, vò có mùi thơm Trục hoa xuất phát từ gốc, dài tới 20cm, cụm hoa thành bông mọc sít nhau, hoa dài 5cm, rộng 2 – 3cm, lá bắc hình trứng, dài 2.5cm, mép lưng màu vàng, 3 cành hoa dài chừng 2cm, màu vàng xanh, mép cánh hoa màu tím, nhị cũng tím Loài gừng trồng ít ra hoa [1, 2]

Hình 1.1 Miêu tả sinh học tiêu biểu của loài Gừng (Z.officinale Roscoe)

Hình 1.2 Hình chụp SEM của củ gừng gió

Bên cạnh protein, tinh bột và chất béo, gừng có chứa các thành phần hoạt động như dầu dễ bay hơi (zingeberene, curcumene, borneol, neral, geranial, geraniol, citronyl acetate, α-terpineol, và linalool), hợp chất cay (Gingerols và shogaols), và các thành phần nhỏ liên quan đến Gingerols (gingediols, gingediacetates, paradol, và hexahydrocurcumin)

1.1.2 Công dụng của gừng

Y học:

Do có tính sát trùng và kháng khuẩn nên gừng được dùng để điều trị ngộ độc thực phẩm, nhiễm trùng đường ruột và kiết lỵ do vi khuẩn

Gừng có tác dụng chống buồn nôn, mửa, đặc biệt là ốm nghén cho phụ nữ mang thai Gừng có thể làm giảm mức cholesterol trong máu và phòng chống đông máu nên làm giảm nguy cơ tắc nghẽn mạch máu và giảm tỷ lệ đột quỵ

Gừng và tinh dầu gừng là một chất làm tan đàm tốt nên có hiệu quả trong các vấn đề

về hô hấp như ho, cảm cúm, hen suyễn, viêm phế quản và khó thở

Ngoài ra, gừng còn có tính kháng viêm, có hiệu quả chống bệnh vàng da và sốt rét, làm giảm trầm cảm, căng thẳng, mệt mỏi, chóng mặt, bồn chồn và lo âu, trong dân gian còn

sử dụng gừng để trị gàu

Gừng đang được nghiên cứu trong điều trị ung thư trên chuột

Thực phẩm: Gừng dùng làm rau, gia vị, kẹo mứt, trà, rượu, nước uống có gas

1.1.3 Phân bố và trữ lượng gừng

Gừng là loại cây gia vị cổ điển được trồng ở nhiều nước trong vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, từ Đông Á đến Đông Nam Á và Nam Á, trong đó có Việt Nam

Phân loại khoa học theo sinh học thì rất rộng lớn, có đến 47 chi và hơn 1000 loài Ở Việt Nam hiện nay được biết có 20 chi và gần 11 loài Tháp phân loại đơn giản đối với loại gừng được sử dụng trong nghiên cứu và sản xuất phổ biến như sau:

Hình 1.3 Tháp phân loại loài gừng được sử dụng trong nghiên cứu

Mỗi năm, thế giới sản xuất khoảng 1,2 triệu tấn gừng tươi, trong đó Ấn Độ và Trung Quốc góp gần 49,96%

Tính theo diện tích trồng thì Nigeria và Trung Quốc là hai nước sản xuất lớn nhất thế giới Còn tính theo sản lượng thì Ấn Độ là nước sản xuất gừng lớn nhất thế giới Vụ

2005/06, nước này sản xuất 391.000 tấn, trên diện tích 110.600 héc ta, đạt năng suất trung bình 3.537 kg/hécta Ấn Độ thường xuất khẩu khoảng 8% sản lượng gừng trong nước

Theo tờ Public Ledger, xuất khẩu gừng của Trung Quốc trong 3 tháng đầu năm 2009 tăng 68% so với cùng kỳ năm ngoái, chủ yếu do nhu cầu tăng từ Pakistan và Bangladesh Theo thống kê của Hải quan Trung Quốc, Trung Quốc đã xuất khẩu 95.695 tấn gừng trong quý I năm nay, so với 56.875 tấn cùng kỳ năm 2008

Xu hướng tăng xuất khẩu này xuất phát từ việc Pakistan tăng nhu cầu nhập khẩu gừng Nhập khẩu vào Pakistan đã tăng 52% trong 3 tháng đầu năm 2009, lên 11.896 tấn, so với 7.796 tấn năm 2008

Nhập khẩu vào Bangladesh trong giai đoạn nói trên còn tăng mạnh hơn, tăng 1.029% lên 10.633 tấn, so với 942 tấn năm ngoái Malaysia cũng tăng nhập khẩu thêm 128% lên 8.547 tấn so với 3.736 tấn năm 2008 Nhật Bản vẫn là khách hàng lớn nhất của Trung Quốc với 13.893 tấn gừng trong quý I năm nay, tăng 4% so với 13.290 tấn năm 2008 (Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp của Liên hợp quốc - FAOSTAT)

Bảng 1.2 Sản lượng gừng năm 2014

Sản lượng gừng năm 2014

1.2 TỔNG QUAN VỀ TINH DẦU

để bảo quản cở thể Họ cũng thường dùng dầu thơm để xoa bóp cơ thể

Người Hy Lạp tiếp tục sử dụng tinh dầu thơm và dùng các loại dầu này cho cả hai mục đích điều trị và trang điểm Một y sĩ Hy Lạp (Pedcaius Dioscorides) đã viết một quyển sách về một loại thảo dược, và trong ít nhất 1.200 năm sau đó sách này được dùng làm tham khảo cho Tây y Nhiều phương thuốc ông đưa ra cho đến nay vẫn còn được dùng trong liệu pháp hương

Khi La Mã trở thành kinh đô của thế giới cổ đại, người La Mã sao chép phần lớn kiến thức y khoa từ người Hy Lạp và đã cải thiện khả năng sử dụng các loại hương liệu Sau khi tắm, họ thường thoa dầu và xoa bóp Họ bắt đầu nhập các sản phẩm hương liệu mới từ Đông Ấn và Ả Rập khi các tuyến đường mậu dịch được khai thông

Kiến thức về các loại dầu hương liệu và nước hoa đã được truyền bá đến vùng Viễn Đông và Ả Rập, và một y sĩ tên Avcenna (980 - 1037 sau Công nguyên) đã lần đầu tiên dùng một quy trình gọi là chưng cất để cất ra tinh dầu hoa hồng

Các thời kì văn minh Trung Hoa cổ đại cũng dùng một số các hương liệu đồng thời với người Ai Cập Thần Nông là quyển sách y học cổ xưa nhất hiện nay vẫn còn tại Trung Quốc, được viết ra khoảng 2.700 năm trước Công nguyên và có ghi chép về hơn 300 loài dược thảo Người Trung Hoa đã dùng các loại hương liệu và đốt các loại gỗ thơm và hương trầm để thực hành tín ngưỡng

Y học cổ truyền Ấn Độ gọi là Ayurveda, liệu pháp đã được thực hành từ hơn 3.000 năm qua, với việc xoa bóp bằng dầu thơm là một trong những công đoạn chính

Người Tây Ban Nha có số lượng dược thảo trồng trong các vườn nhà của họ rất nhiều; người da đỏ ở Bắc Mỹ cũng dùng dầu hương liệu và đưa ra những phương thuốc trị bệnh của họ bằng dược thảo

Giữa thế kỉ 19, tinh dầu được tập trung nghiên cứu và trở thành một phương pháp trị liệu tổng thể và phổ cập tại nhiều nước như: Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản, Anh, Pháp…

1.2.2 Khái niệm tinh dầu

Tinh dầu là hỗn hợp các chất hữu cơ tan lẫn vào nhau, có mùi đặc trưng Ở nhiệt

độ thường, hầu hết tinh dầu ở thể lỏng, có khối lượng riêng bé hơn 1 (trừ một số lọại tinh dầu nặng hơn nước như Cinnamon, Lilac,…), không tan hoặc tan rất ít trong nước, có vị cay và ngọt, nóng và có tính sát trùng mạnh

Thành phần hóa học của tinh dầu gồm các tecpen và những dẫn xuất chứa oxy của tecpen (như alcol, aldehic, xeton,…) Mặc dù có nhiều cấu tử như vậy nhưng thường người ta chỉ cần một vài cấu tử chính có giá trị và mùi đặc trưng trong tinh dầu đó

Bảng 1.3 Một số hợp chất chính hay gặp trong thành phần tinh dầu

Hidrocacbua Cacbua tecpennic (chiếm nhiều nhất): limonen, pinen,

camphen, carryophyllen, sylvestren

Alcol Alcol metylic, alcol etylic, alcol cinnamic, citronellol,

geraniol, linalool, bocneol, tecpineol, mentol, cineol

Phenol và ete phenolic Anetol, eugenol, safrol, apiol, tymol

Aldehit Aldehit benzoic, cinnamic, sakyxilic, citral, citronellal Xeton Menton, Campho, Thuyon

Acid (dưới dạng este) Acid Axetic, butyric, benzoic, namic, fomic, salyxilic,

Cumarin Becgapten, onbelliferon

Hợp chất chứa sunfua,

nito, halogen

Tinh dầu có sunfua trong các họ cây thuộc họ chữ Thập (Cruciferae)

1.2.3 Tinh dầu Gừng

Tinh dầu gừng là một loại tinh dầu được chiết xuất từ củ gừng Nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm và công nghiệp Có màu vàng nhạt, mùi cay nồng, Thường được trích ly bằng phương pháp chưng cất trực tiếp dùng dung môi nước Các thành phần chính có trong tinh dầu gừng như α-Pinene, Camphene, Eucalyptol (1,8-Cineol), Nerol, Neral (β-Citral), Zingiberene, α-Curcumene, α-Farnesene, β-Sesquiphellandrene có chỉ số cao Một số công dụng đặc trưng: Được sử dụng khá phổ biến như một loại gia vị [3]; được bổ sung vào các khẩu phần ăn để chữa bệnh buồn nôn; [4] chống say tàu xe [5]; chống oxi hóa và kháng viêm [6]

Tinh dầu gừng gồm các hợp chất bay hơi và chất tan tạo ra mùi hương đặc trưng và vị cay của gừng Trong đó, hai hợp chất chức năng 6-gingerol và 6-shogaol thì tạo ra vị cay đặc trưng hơn các hợp chất khác có trong gừng [7] Ngoài ra, chính hai hợp chất trên còn mang tính kháng khuẩn và được sử dụng trong điều trị các bệnh nhân bị suy giảm miễn dịch [8]

Hình 1.4 Chai tinh dầu gừng 1.2.4 Công dụng của tinh dầu gừng

Công dụng của tinh dầu gừng được thể hiện qua các thành phần chính của nó

α-Pinene là một chất hữu cơ thuộc nhóm terpene Được tìm thấy trong các cây lá kim,

đặc biệt là thông Xuất hiện trong thành phần của các loại tinh dầu: Gừng, Bưởi, Sả, Hương thảo,… Thường được dùng trong y học để điều trị các bệnh viêm nhiễm, nhiễm khuẩn, bảo

vệ dạ dày

Hình 1.5 Công thức phân tử của α-Pinene (C 10 H 16 )

Camphene là một loại monoterpene đơn vòng Nó gần như không hòa tan trong nước,

nhưng rất hòa tan trong dung môi hữu cơ thông thường Nó bay hơi dễ dàng ở nhiệt độ phòng và có mùi cay

Camphene được sử dụng trong việc pha chế nước hoa và như một phụ gia thực phẩm cho hương liệu Ngoài ra còn được sử dụng làm nhiên liệu của đèn ở thế kỷ 19

Hình 1.6 Công thức phân tử của Camphene (C 10 H 16 )

1,8-Cineol là một hợp chất hữu cơ tự nhiên, trong điều kiện nhiệt độ phòng là một

chất lỏng không màu Nó là một ete vòng đồng thời là một monotecpenoit

Ứng dụng:

- Tạo vị và hương: 1,8-Cineol được sử dụng trong các chất tạo mùi, tạo vị và trong mỹ phẩm do có mùi thơm và vị hăng dễ chịu

- Y học: 1,8-Cineol là thành phần trong nhiều loại nước súc miệng và thuốc ho

- Cineol được sử dụng như là một thuốc trừ sâu và thuốc xua côn trùng Ngoài ra,

1,8-Cineol còn được sử dụng làm mồi nhử để thu hút loài ong lan (Euglossini) để phục vụ mục đích nghiên cứu

Hình 1.7 Công thức phân tử của 1,8-Cineol (C 10 H 18 O)

β-Citral thường được tìm thấy trong cà rốt Là chất lỏng màu vàng trong có mùi giống

chanh Mật độ phân tử cao hơn nước và không hòa tan trong nước Dùng để tổng hợp ra các hóa chất khác

β-Citral đã được chứng minh có chức năng giảm đau, kháng viêm và có tác dụng kháng khuẩn mạnh, thường được dùng để tổng hợp vitamin A, ionone, methylionone

Hình 1.8 Công thức phân tử của β-Citral (C 10 H 16 O)

Geraniol là một monoterpenoid với đuôi -OH Đây là phần chính của tinh dầu hoa

hồng, tinh dầu palmarosa và tinh dầu sả java Có màu vàng nhạt, không hòa tan trong nước, nhưng hòa tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ

Geraniol có hương thơm hoa hồng nên thường được sử dụng trong điều hương, tổng hợp nước hoa Ngoài ra còn được sử dụng để tạo hương vị như đào, mâm xôi, bưởi, táo đỏ, mận, chanh, cam, chanh, dưa hấu, dứa, và blueberry

Hình 1.9 Công thức phân tử của Geraniol (C 10 H 18 O)

α-Farnesene mặc dù có nhiều bài báo có đề cập đến trong thành phần nhưng chưa

tìm được nghiên cứu cụ thể về hoạt tính của riêng chất này

Hình 1.10 Công thức phân tử của α-Farnesene (C 15 H 24 )

β-Bisabolenes là các chất trung gian trong quá trình tổng hợp nhiều hợp chất hóa học

tự nhiên khác, bao gồm hernandulcin, chất làm ngọt tự nhiên, được phê chuẩn ở châu Âu như một phụ gia thực phẩm

Hình 1.11 Công thức phân tử của β-Bisabolenes (C 15 H 24 )

β-Sesquiphellandrene có màu vàng nhạt, mùi đặc trưng của gừng, vị vừa đắng vừa cay,

tan trong hầu hết các dung môi

Hình 1.12 Công thức phân tử của β-Sesquiphellandrene (C 15 H 24 )

Từ thành phần của tinh dầu gừng ta thấy được tác dụng dược lý của nó như: chống oxy hóa, kháng viêm, chống nôn, hỗ trợ tiêu hóa, tan máu bầm, chống xơ vữa động mạch, trị lạnh bụng, đầy hơi, ăn không tiêu, tiêu chảy, chống nôn, trị cảm cúm, ra mồ hôi, trị nhức đầu, nhức mỏi tay chân, tê thấp [9-16]

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT TÁCH TINH DẦU

Khuếch tán là cơ chế đầu tiên, có vai trò quan trọng trong quá trình chiết xuất tinh dầu gừng Khuếch tán là quá trình chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử chất tan từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp trong dung môi lỏng Theo định luật Fick, nguyên nhân của quá trình khuếch tán là do gradient nồng độ của các phân tử chất tan Các phân tử chất tan có xu hướng khuếch tán để cân bằng nồng độ

Thẩm thấu là cơ chế thứ hai trong quá trình chiết xuất tinh dầu Thẩm thấu đóng một vai trò trong việc mang các phân tử tinh dầu gừng lên bề mặt các túi tiết Trong thẩm thấu, các phân tử dung môi di chuyển dễ dàng từ một nơi có nồng độ thấp do chuyển động phân

tử Các tế bào đẩy các phân tử tinh dầu theo hướng từ nồng độ thấp đến cao, quá trình này cần năng lượng Sau khi xử lý nguyên liệu thì bên trong tế bào còn ít phân tử tinh dầu (do tác động vật lý nên các túi tinh dầu bị vỡ, một phần tinh dầu sẽ dễ dàng đi ra ngoài nằm ở trong dung môi) Nồng độ nước bên ngoài tế bào lớn, do đó, nước này có khuynh hướng di chuyển vào tế bào Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi đạt đến cân bằng hai bên màng Khi nồng độ chất tan ở hai mặt của màng tế bào cân bằng nhau, các phân tử nước sẽ di chuyển ra khỏi màng tế bào Các phân tử nước này sẽ mang theo các phân tử tinh dầu ra khỏi tế bào

Thứ ba là quá trình đun nóng nước Khi cung cấp nhiệt cho nước, nhiệt độ của nước tăng lên đến khi áp suất hơi của nước bằng với áp suất không khí Tại thời điểm này nhiệt

độ không tăng thêm nhưng quá trình đốt nóng vẫn diễn ra nên tiếp tục cung cấp nhiệt lượng

để biến đổi nước từ thể lỏng sang thể hơi

Cùng thời điểm này, một phần tinh dầu gừng phân tán trong các phân tử nước đã thẩm thấu vào các túi tiết Các phân tử tinh dầu ngấm vào nước nhờ quá trình khuếch tán thông qua màng Hai cơ chế này xảy ra cùng lúc Quá trình tiếp tục cho đến khi tất cả các các phân tử tinh dầu được khuếch tán từ các túi tiết và bay hơi theo hơi nước

Cơ chế thứ tư là sự hóa hơi Khi nước và tinh dầu gừng được đun nóng đến áp suất khí quyển, chúng sẽ bay hơi ở một nhiệt độ xác định và tạo thành một hỗn hợp đẳng phí

Cơ chế thứ năm là sự ngưng tụ của sản phẩm chưng cất Hơi nước và tinh dầu gừng được làm lạnh bằng cách ngưng tụ

Cơ chế cuối cùng là sự phân tách nước và tinh dầu Chất lỏng được ngưng tụ và rơi xuống bởi trọng lực và tách thành 2 lớp dầu và nước riêng biệt, lớp dầu phía trên và lớp nước phía dưới

1.3.1 Phương pháp trích ly bằng dung môi

Hầu hết, các loại hoa chứa rất ít tinh dầu, mà các thành phần hóa học của chúng lại dễ

bị phân hủy, bị biến tính nếu sử dụng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước Thay vào

đó, người ta sử dụng hexane, ethanol, florasols để trích ly tinh dầu Cơ sở lý thuyết của quá trình trích ly này là dựa vào sự khác nhau về hằng số điện môi của dung môi và chất cần trích ly.Những chất có hằng số điện môi gần nhau sẽ dễ hòa tan vào nhau Tinh dầu có hằng số điện môi dao động từ 2÷5 và các dung môi hữu cơ có hằng số điện môi dao động từ 1,5÷2 Phương pháp này có thể tiến hành ở nhiệt độ thường (khi trích ly) và có thể lấy được những thành phần quý như sáp, nhựa thơm trong nguyên liệu mà phương pháp chưng cất không thể tách được Vì thế, chất lượng của tinh dầu sản xuất bằng phương pháp này khá cao

Chất lượng của tinh dầu thu được bằng phương pháp trích ly phụ thuộc rất nhiều vào dung môi dùng để trích ly, vì thế dung môi dùng để trích ly cần phải đảm bảo các yêu cầu sau: Nhiệt độ sôi thấp, không tác dụng hóa học với tinh dầu, đnhớt của dung môi thấp, không chứa tạp chất, dung môi hòa tan tinh dầu nhiều, dung môi không ăn mòn thiết bị, không gây mùi lạ cho tinh dầu và đặc biệt không gây độc hại, rẻ tiền và dễ mua

1.3.2 Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

Trong quá trình nghiên cứu, phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước là phương pháp được chọn để làm thí nghiệm vì nhiều lý do Chưng cất lôi cuốn hơi nước là một trong những quy trình sử dụng thuyết trích ly hệ rắn-lỏng Trong đó, pha lỏng được sử dụng để tách các thành phần, cấu tử của pha rắn Nghĩa là tinh dầu sẽ được tách từ nguyên liệu thô Phương pháp này có 3 quá trình chủ yếu: Nước trong nguyên liệu hòa tan, hóa hơi và hơi nước đi vào lôi cuốn tinh dầu trong các mô, túi tinh dầu ra; Hơi nước và tinh dầu sẽ được ngưng tụ ở sinh hàn thành 2 pha lỏng tách biệt; Tinh dầu sẽ được chiết tách ra và đem bảo quản (đôi khi sẽ có tinh chế thêm tùy vào nhu cầu sử dụng)

1.3.3 Phương pháp ép lạnh

Các loại tinh dầu từ vỏ chanh, cam, quýt, bưởi (họ citrus) được thu hồi bằng phương pháp ép lạnh Do lượng tinh dầu tương đối lớn trong vỏ cam, quýt và chi phí thấp để trồng

và thu hoạch nguyên liệu thô, tinh dầu hoa quả có giá rẻ hơn hầu hết các loại tinh dầu khác Các loại tinh dầu từ họ citrus được thu hồi như là các sản phẩm phụ của ngành công nghiệp cây ăn quả Trước khi phát hiện ra phương pháp chưng cất, tất cả các loại tinh dầu đã được trích xuất bằng phương pháp ép lạnh

1.4 PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY OLEORESIN

Phương pháp chiết Soxhlet là một quá trình liên tục, được lập đi lập lại nhiều lần một cách tự động nhầm chiết kiệt được hoạt chất Bộ dụng cụ Soxhlet bao gồm một bình câu, một thiết bị chiết, một sinh hàn hoàn lưu Dung môi ở bình cầu bốc hơi từng phần, rồi ngưng tụ nhỏ giọt vào nguyên liệu chiết được chứa ở ống chiết sau đó dung môi chảy ngược lại

vào bình cầu Trong quá trình đó, cấu tử cần tách được làm giàu thêm trong dung môi đặc biệt, dụng cụ soxhlet có một ống xi- phông đặt bên cạnh, chỉ để dung dịch chiết chảy vào bình vâu khi nào mức chất lỏng trong ống chiết đạt đến khuỷu trên của ống xi phông

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Các nghiên cứu về đề tài ở ngoài nước được tìm hiểu từ các nguồn như: Journal of Cardiovasc Pharmacol, Journal of Agricultural and Food Chemistry, Journal of Science Food Agricultural, Materials Science & Engineering C, Marterials for biological applications, Phytochemistry, Asian Pacific Journal of Tropical Biomedicine, International Journal of Control Science and Engineering,…

Từ năm 2000 đến nay, có rất nhiều báo cáo khoa học về tinh dầu gừng và công dụng của nó Về nghiên cứu giúp nâng cao hiệu suất cũng như phát triển thành quy trình sản xuất

có báo cáo của Mohamed về nghiên cứu các thông số trong sản xuất tinh dầu gừng [17], báo cáo của Mazidah Tajjudin, Mohd Hezri Fazalul Rahiman, Norlela Ishak, Hashimah Ismail, Norhashim Mohd Arshad, Ramli Adnan về nhiệt độ thích hợp để sản xuất tinh dầu gừng khi sử dụng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước [18], báo cáo của Khairu Aizam, Ibrahim về việc sử dụng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước trong trích ly tinh dầu gừng, các nhà hóa học Trung Quốc cũng có nghiên cứu về sử dụng dung môi không phân cực để trích ly các cấu tử nhẹ trong tinh dầu gừng[16] Và gần đây nhất, năm 2017, Muhammad Arifuddin Fitriady, Anny Sulaswatty, Egi Agustian, Salahuddin, và Deska Prayoga Fauzi Aditama cũng có một nghiên cứu về điều chế tinh dầu gừng bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước thông qua nghiên cứu về ảnh hưởng của tốc độ dòng hơi

và thời gian chưng cất [19]

Năm 2001, Manjree Agarwal, Suresh Walia, Swaran Dhingra and Bhupinder PS Khambay đã có nghiên cứu về khả năng ức chế tăng trưởng của côn trùng, hoạt tính chống nấm và kháng nấm của oleoresin [20]

Đối với việc nghiên cứu để ứng dụng, không thua kém những người đi trước, từ năm

2007 đến nay có rất nhiều báo cáo về hoạt tính sinh học của tinh dầu gừng, trong đó có bài

trong các tế bào nhân chuẩn, các loại tinh dầu có thể hoạt động như các chất chống oxy hóa ảnh hưởng đến màng tế bào bên trong và các cơ quan như ty lạp thể Tùy thuộc vào loại tinh dầu và nồng độ sử dụng, chúng có thể có các tác động gây hại đến tế bào, nhưng thường không gây độc (nếu sử dụng đúng liều lượng) Trong một số trường hợp, những thay đổi

về rối loạn chức năng ty lạp thể và hiện tượng oxi hóa trong tế bào có thể được khống chế, kiểm soát bởi các loại tinh dầu tạo khả năng kháng genotoxic (là một tác nhân gây ung thư)

Vì lẽ đó, các nghiên cứu về khả năng chống ung thư của tinh dầu cũng đang ngày được mở rộng [21] Những phát hiện này cho thấy rằng, ít nhất một phần, những ảnh hưởng có ích của tinh dầu là do hiệu ứng prooxidant trên mức độ tế bào [15] Sasidharanl Indu và A.Nirmala Menon cũng có nghiên cứu về mối liên hệ giữa thành phần của tinh dầu gừng được trích ly từ gừng tươi và gừng được sấy khô đối với khả năng kháng vi trùng bằng phương pháp khuếch tán đĩa, họ đã khẳng định rằng tinh dầu gừng có hoạt tính chống lại các loại vi khuẩn Bacillus subtilis, Pseudomonas aeruginosa, Candida Albicans, Trichoderma spp, Aspergillus niger, Pencillium spp và Saccharomyces cerevisiae, nghiên cứu cho thấy một ứng dụng rộng rãi của dầu gừng trong điều trị nhiều bệnh do vi khuẩn và nấm [13] Các nhà khoa học và kỹ sư Trung Quốc cũng có nghiên cứu về hoạt tính kháng khuẩn của tinh dầu gừng [11]

Năm 2011, Shahnaz Sultana và Mohammed Ali đã nghiên cứu in vitro và in vivo tác dụng ức chế của tinh dầu gừng đối với sự di chuyển của bạch cầu [12] Năm 2010, Black

CD cùng đồng nghiệp cũng có nghiên cứu về tác dụng giảm đau của gừng [14]

Vào các thập niên 80, 90 của thế kỉ XX và thế kỉ XXI, các nghiên cứu về tinh dầu gừng được giới khoa học mở rộng đến ứng dụng sinh học, y học và sản xuất diện rộng

Tinh dầu gừng ở Fiji (Úc) được phân tích bằng GC/MS và một số sesquiterpenes chưa được báo cáo trước đó trong tinh dầu gừng đã được xác định bao gồm α-copaene, β-bourbonene, α-bergamotene, α-selinene, calamenene và cuparene Thành phần của tinh dầu là không bình thường khi có hàm lượng neral và geraniol hơn nhiều so với tinh dầu gừng từ Ấn Độ, Úc, Nhật Bản và Châu Phi [22]

Các bệnh do khuẩn Mycobacterium avium và Mycobacterium tuberculosis gây ra đại dịch, các chủng vi khuẩn bắt đầu có dấu hiệu kháng lại các liệu pháp hóa trị hiện có Các liệu pháp này đôi khi đòi hỏi từ 4-6 loại thuốc để ngăn ngừa sự xuất hiện của các chủng kháng thuốc Trước tình hình đó, nghiên cứu của Hiserodt R.D., Franzblau S.G., Rosen R.T mô tả sự cô lập -6, 8- và 10- gingerol từ thân gừng tươi và xác định 10-gừng là chất ức chế hoạt tính mạnh nhất của M avium và M tuberculosis (nghiên cứu được kiểm chứng

ở cấp độ in vitro) Các gingerols đã được phân lập bằng cách chưng cất một chiết xuất methylene chloride thô của thân gừng tươi bằng HPLC Việc xác định các gingerols được dựa trên dữ liệu khối phổ Việc xác định 10-gingerol được xác nhận bằng cách tổng hợp [8]

Các nghiên cứu của Toshiyasu Kawai, Kaoru Kinoshita, KiyotakaKoyama và Kunio Takahashi về khả năng chống buồn nôn của 6-, 8-, 10-shogaols và 6-, 8-, 10-gingerols (được tách bằng cách trích ly từ củ gừng sử dụng dung môi methanolic) [5] Nghiên cứu của Vutyavanich T, Kraisarin T, Ruangsri R., Borrelli F., Capasso R., Aviello G., Pittler M.H., Izzo A.A cũng báo cáo về tác dụng chống buồn nôn và nôn mửa đối với phụ nữ mang thai [23, 24]

Nghiên cứu của Shogi N., Iwasa A., Takemoto T., Ishida Y., Ohizumi Y cũng cho thấy khả năng trợ tim của 6-, 8-, 10-gingerols [6]

Năm 1971, D W Connell và R A Jordan đã nghiên cứu các thành phần của tinh dầu gừng từ củ gừng được trồng ở Úc bằng phương pháp GC/MS Họ đã tìm ra các thành phần chính là một nhóm hydrocarbon sesquiterpene dựa trên bộ khung carbon bisabolene Các hợp chất này đi kèm với một số hydrocacbon monoterpene và các chất khác Tuy nhiên, có một điều đặc biệt là sự hiện diện của geranial và neral với một tỷ lệ tương đối cao [25] Năm 1975, Bednarczyk A Allen, William G Galetto cùng Amihud Kramer đã tách ra 2 đồng phân của Sesquiterpene Alcohols (cis-, trans- β-sesquiphellandrol) từ tinh dầu gừng Đồng thời xác định được cấu trúc của chúng bằng cách phân tích các phổ ir, uv, ms, nmr

và chứng minh chúng là các đồng phân lập thể của methylene-3-cyclohexenol [26]