Nghiên cứu công nghệ khai thác tinh dầu
1MỞ ĐẦUTinh dầu và các loại cây chứa tinh dầu là sản vật tự nhiên đã được loài người biết đến từ rất lâu. Ngay từ thời thượng cổ, người dân thường khai thác và sử dụng các loại cây có tinh dầu ở dạng phơi khô. Thời kỳ trung cổ khoảng thế kỷ thứ 15 người ta biết dùng các loại rễ cây có tinh dầu để thờ cúng. Từ thế kỷ thứ 15 đến thế kỷ thứ 17, tinh dầu đã được sử dụng để làm thơm cho tóc và da mặt, dùng chữa bệnh và dùng trong đời sống hàng ngày của con người. Từ thế kỷ 17 đến thế kỷ 19, tinh dầu được dùng nhiều để làm mỹ phẩm, làm thuốc và dùng trong công nghiệp với phạm vi rộng hơn [12]. Từ thế kỷ 20 đến những năm đầu của thế kỷ 21, cùng với sự tiến bộ của nhân loại và sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp sản xuất tinh dầu đã dần phát triển, tinh dầu trở thành một sản phẩm không thể thiếu trong đời sống con người và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, dệt may, trang trí nội thất…. Trong những năm gần đây, trên thế giới người dân có xu hướng thích dùng những sản phẩm thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm có nguồn gốc từ tự nhiên, không độc hại. Do vậy, những loại cây cho tinh dầu quí, có tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu khai thác và chế biến nhằm nâng cao giá trị sử dụng của chúng. Một trong những loại nguyên liệu để sản xuất tinh dầu đang được các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam quan tâm là cỏ hương bài.Theo nhiều tài liệu, cỏ hương bài có nguồn gốc từ Ấn Độ, chúng mọc hoang ở các vùng đất cát. Từ xa xưa, người dân đã phát hiện ra rễ hương bài tính mát, có tác dụng hạ nhiệt, làm ra mồ hôi, kích thích, lợi tiêu hóa, gây trung tiện, lợi tiểu và điều kinh nên đã sử dụng nó như một vị thuốc [3]. Luận văn thạc sỹ khoa học 2Tinh dầu chiết tách từ rễ hương bài có hương vị đặc trưng, là một loại tinh dầu an toàn, không độc hại nhưng có thành phần khá phức tạp, chứa trên 100 cấu tử được nhận dạng mà chủ yếu là các thành phần chất thơm có giá trị, có nhiệt độ bay hơi cao (như: khusimol, spathulenol, terpinen-4-ol, khusimone, valerenol, vertiven, furfurol, các axít vetivenic- benzoic dưới dạng ete của vetivenol…) nên được sử dụng làm chất định hương cho các tổ hợp hương liệu cho thực phẩm và nước hoa cao cấp. Bên cạnh đó, nó có đặc tính kháng khuẩn, kích thích tuần hoàn, giúp cân bằng thần kinh, giảm stress và phục hồi trí nhớ… nên được sử dụng nhiều trong dược phẩm [23, 32].Từ giữa thập niên 80 của thế kỷ 20 công nghệ trồng cỏ hương bài đã được giới thiệu đến hơn 100 nước và hiện nay đã lên tới 147 nước, nhưng chủ yếu tập trung ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Cỏ hương bài được sử dụng với mục đích chính là khai thác tinh dầu và chống sói mòn, bảo vệ đất, nước [11, 42, 43].Ở Việt Nam, cỏ hương bài được trồng ở hầu khắp các tỉnh từ Bắc đến Nam, nhưng chủ yếu tập trung ở những vùng đất cát, có sông hồ, kênh rạch và những vùng duyên hải có gió mạnh như Thái Bình, Nghệ An, Quảng Bình, Quảng Trị để bảo vệ đất, sông hồ, kênh rạch, cung cấp dược liệu cho y học và phục vụ nhu cầu của người dân [9, 11]. Tuy nhiên, hiện nay loại nguyên liệu quý này vẫn chưa được sử dụng để sản xuất ra tinh dầu (mặt hàng có giá trị cao) ở quy mô công nghiệp mà chỉ được sử dụng ở dạng nguyên liệu thô hoặc sơ chế với giá thành rẻ.Để nâng cao giá trị kinh tế cho cây hương bài đồng thời để có thể tìm được đầu ra vững chắc cho loại cây này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: Luận văn thạc sỹ khoa học 3“Nghiên cứu công nghệ khai thác tinh dầu từ rễ hương bài Việt Nam” Đây là việc làm vừa có ý nghĩa khoa học, vừa mang tính thực tiễn cao. Luận văn thạc sỹ khoa học 4Mục đích của Đề tài:Xây dựng một quy trình công nghệ thích hợp để khai thác và tinh chế tinh dầu hương bài cho hiệu suất thu hồi và chất lượng tinh dầu cao.Yêu cầu của Đề tài:- Nghiên cứu phân tích và đánh giá chất lượng nguyên liệu hương bài Việt Nam- Nghiên cứu công nghệ khai thác tinh dầu từ rễ hương bài- Nghiên cứu công nghệ tinh chế tinh dầu hương bài- Phân tích và đánh giá chất lượng sản phẩm tinh dầuLuận văn thạc sỹ khoa học 5PHẦN THỨ NHẤT TỔNG QUAN TÀI LIỆU1.1. Giới thiệu về cỏ hương bài1.1.1 Giới thiệu chungHương bài hay còn gọi là hương lau hoặc hương lâu có tên khoa học Vetiveria zizanioides L. là một loài cỏ sống lâu năm thuộc họ hoà thảo. Tên chi Vetiveria bắt nguồn từ Vetiver, tên gọi Vetiver có nguồn gốc từ tiếng Tamil [2,8, 11].Cỏ hương bài có nguồn gốc từ Ấn Độ, chúng mọc hoang ở các vùng đất cát. Từ xa xưa, người dân đã phát hiện ra rễ hương bài tính mát, có tác dụng hạ nhiệt, làm ra mồ hôi, kích thích, lợi tiêu hóa, gây trung tiện, lợi tiểu và điều kinh nên đã sử dụng nó như một vị thuốc [3]. Ngoài ra, nhờ chùm rễ hương bài đan xen ăn sâu trong đất và có thể chịu được lực bằng 1/6 lần so với chịu lực của bê tông nên cây có thể phát triển tốt ở vùng đất cát, đất đồi núi, dễ trồng, có khả năng kiểm soát xói mòn tốt trong các khu vực có khí hậu nóng, có vai trò làm hàng rào giữ ổn định cho các bờ hồ, sông suối, các vùng đất bậc thang, các ruộng lúa, giúp bảo vệ các công trình đập, kênh, đường bộ, sông hồ thuỷ điện Do đó, trồng loài cỏ này được xem như xây dựng một hàng rào bê tông sinh học chống lại sói mòn và bảo vệ đất đai. Hệ thống rễ này phát triển thành mạng lưới dày đặc giữ cho đất kết dính lại, đồng thời không cho đất bị bật ra khi gặp những dòng chảy có vận tốc lớn. Thêm vào đó, thân cỏ mọc đứng và vươn thẳng nếu trồng sát nhau sẽ làm giảm vận tốc dòng chảy, chặn được lớp đất bị nước cuốn trôi. Tại Nam Ấn Độ, gần thành phố Mysora, nông dân đã trồng cỏ hương bài làm băng cây xanh từ khoảng 200 năm nay cũng Luận văn thạc sỹ khoa học 6như nông dân ở Kano, Nigeria cũng đã trồng cỏ hương bài hàng thế kỷ nay. Ngày nay, chúng được trồng ở hầu khắp các châu lục như Châu Phi (Ethiopia, Nigeria…), Châu Á (Trung Quốc, Ấn Độ, Malaysia, Indonesia, Philippin, Thái Lan,…), Châu Úc, Trung và Nam Mỹ (Colombia…) để cung cấp nguyên liệu cho ngành công nghiệp khai thác tinh dầu và bảo vệ môi trường [11, 42, 43].Hương bài là một loại cây khá dễ trồng, thích nghi rộng, phát triển rất mạnh trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Ở nước ta, cỏ hương bài ban đầu chủ yếu được trồng ở huyện Tiền Hải – Thái Bình. Những năm gần đây An Giang đã tìm nguồn giống cỏ hương bài để trồng với mục đích chống sạt lở ở một số huyện như Tri Tôn, Tân Châu…, sau đó là một số tỉnh miền Đông Nam bộ, miền Bắc và miền Trung. Hiện nay, cỏ hương bài được trồng ở hầu khắp các tỉnh từ Bắc đến Nam để chống xói mòn đất và lấy rễ làm dược liệu, làm hương thắp, phục vụ cho đời sống hàng ngày của người dân. Ở Việt Nam nhiều hộ nông dân đã thoát nghèo nhờ nguồn lợi kinh tế thu được từ việc bán rễ cây hương bài [9, 11].1.1.2. Đặc tính thực vật và sinh thái Cỏ hương bài là một loại cây thảo sống lâu năm thường mọc thành bụi dày đặc, từ gốc rễ mọc ra rất nhiều chồi ở các hướng. Thân cỏ mọc thẳng đứng, cao trung bình 1,5 - 2m, nhưng có thể cao tới 3m, dạng thân cọng, cứng và hoá gỗ. Phần thân trên không phân nhánh, phần dưới đẻ nhánh rất mạnh. Mắt nhẵn nhụi, không có lông nằm tiếp giáp giữa các thân cọng cỏ và lồi ra, từ đó tạo ra rễ khi cỏ hương bài được chôn vùi vào đất. Lá dài khoảng 45-100cm và rộng khoảng 6-12mm, rìa lá có hình răng cưa, lá mỏng và cứng. Rễ là phần hữu dụng và quan trọng nhất. Không giống như phần lớn các loài cỏ dại có rễ dạng Luận văn thạc sỹ khoa học 7sợi cắm đứng vào đất không mọc sâu với phần thân cỏ bò lan trên mặt đất và cắm vào đất trải rộng theo chiều ngang tương tự như một tấm thảm, cỏ hương bài không có căn hành, không bò lan, thân rễ đan xen nhau và có thể phát triển rất nhanh. Hệ thống rễ của cây cỏ hương bài có dạng chùm không mọc trải rộng mà lại mọc thẳng và sâu xuống đất, kể cả rễ chính, rễ thứ cấp hoặc rễ dạng sợi tới độ sâu khoảng 2-4m, rộng đến 2,5m sau hai năm trồng. Một đặc tính quan trọng của rễ loài Vetiveria zizanioides L. là có chứa tinh dầu, có mùi thơm đặc trưng của cỏ hương bài, thường có chất lượng tốt nhất 18 tháng sau khi trồng [11, 33, 42].Theo các nhà nông học, cỏ hương bài là cây lưỡng tính, có gié hoa lưỡng tính. Các gié hoa có phân hoá giới tính như lưỡng tính, đực hoặc bất thụ trên cùng một cây. Loài Vetiveria zizanioides L. được dùng phổ biến vì có đặc điểm không tạo hạt, nhân giống chủ yếu bằng phương pháp vô tính nên không thể mọc tràn lan như một số loài cỏ dại khác. Do đó cỏ hương bài không có khả năng trở thành cỏ dại [11, 42].Cỏ hương bài khá dễ trồng, dễ sống, chịu hạn tốt, ít bị sâu bệnh, thấm nước và giữ nước tốt. Nó vừa ưa khô vừa ưa nước, trồng được ở bất kì loại đất nào, không kể độ màu mỡ. Cỏ được nhân giống bằng cụm rễ và cành giâm. Cây thường mọc thành bụi hay khóm lớn [6].Trong tự nhiên, cỏ hương bài có sức chịu đựng đối với biến động khí hậu rất lớn như hạn hán kéo dài, khả năng chịu ngập úng kéo dài đến 45 ngày ở luồng nước sâu 0,6 – 0,8m và chịu được biên độ nhiệt độ từ -100C đến 480C. Tuy nhiên lượng mưa khoảng 300mm và nhiệt độ từ 18 - 250C là điều kiện lý tưởng cho loài này phát triển mạnh. Cỏ hương bài phát triển tốt ở điều kiện ẩm, Luận văn thạc sỹ khoa học 8thông thường cỏ hương bài cần một mùa ẩm ướt ít nhất 3 tháng. Nhưng chúng cũng có thể sinh trưởng tốt ở điều kiện khô hạn và trên các triền dốc nhờ hệ thống rễ đâm ăn sâu vào đất. Cỏ hương bài là loại cây rất thích hợp trong vùng có lượng ánh sáng cao. Là loài cỏ có thể phát triển trên phần lớn các loại đất, từ đất vertisol nứt - đen đến đất alfisol đỏ. Cỏ còn mọc trên đá vụn, đất cạn và cả đất trũng ngập nước. Cỏ hương bài mọc tốt nhất ở chỗ đất trống và thoát nước tốt, nhất là ở đất non trẻ tạo từ tro núi lửa và đất cát sâu. Hàm lượng tinh dầu trong rễ cỏ hương bài sẽ tăng lên nếu cỏ được trồng ở đất sét [2, 6, 42].1.1.3. Thu hoạch và bảo quản rễ [2,20]Rễ vừa mới nhổ lên đem rửa sạch thật nhanh rồi đem phơi khô dưới bóng râm, phơi ngoài trời nắng tinh dầu sẽ bay hơi mạnh. Thời gian bảo quản rễ tốt nhất từ 1 - 3 tháng sau thu hoạch, nếu bảo quản trong kho có điều kiện tốt thì cũng không quá 6 tháng. Thời gian kéo dài quá 3 tháng chất lượng tinh dầu có tốt hơn nhưng hàm lượng thì giảm nhiều và thời gian chưng cất cần phải kéo dài làm giảm hiệu quả kinh tế. Tác giả Trần Minh Hợi và các cộng sự đã khảo sát mức độ ảnh hưởng của thời gian bảo quản nguyên liệu tới hàm lượng, các chỉ số hóa lý và chất lượng của tinh dầu hương bài (xem bảng 1.1). Kết quả khảo sát này cho thấy sau khi bảo quản 100 ngày hàm lượng tinh dầu giảm không đáng kể so với ngay sau khi thu hoạch (từ 2,5 % xuống 2,2 %), nhưng giảm mạnh khi thời gian bảo quản lên tới 173 ngày (còn 1,2 %). Hàm lượng ancol tự do lại tăng lên (từ 53 % tăng lên 63 %), nhưng khi bảo quản tới 173 ngày thì mất hết ancol [2].Bảng 1.1: Ảnh hưởng của thời gian bảo quản nguyên liệu tớichất lượng và hàm lượng tinh dầu [2]Thời gian Hàm lượng Tỷ trọng, Gócquay Chỉ số khúc Chỉ sốAxit, Chỉ sốChỉ sốcacbonylAncoltự doLuận văn thạc sỹ khoa học 9bảo quản (ngày)tinh dầu (%)d20cực, α20Dxạ,n20Dmg KOH/geste (%)18 2,51,0441+1501,519 32,6 19,4 23,6 53,054 2,11,0390- 1,516 32,6 23,7 16,2 61,0100 2,21,0455+1301,516 32,6 20,1 17,9 63,0173 1,21,0579+1601,518 24,3 28,0 19,5 -1.1.4. Thành phần hoá học của rễ cỏ hương bài Rễ hương bài tươi có độ ẩm từ 45-55%, còn lại là các chất khô. Trong thành phần chất khô, tinh dầu (chiếm từ 1-3%) là thành phần quan trọng nhất tạo nên giá trị cao cho cỏ hương bài. Ngoài ra, theo nhiều tài liệu tham khảo, trong rễ hương bài khô còn có các chất khác như xenluloza 80-89%, tinh bột 2-5%, protein 2-7%, đường 1-4%, chất béo 0,5-2%, và một lượng rất ít các chất khoáng, chất màu, vitamin…[20, 35].Hàm lượng và chất lượng của tinh dầu rễ cỏ hương bài dao động từ 1-3% tuỳ thuộc vào giống, khí hậu và thổ nhưỡng. Tuỳ theo từng loại đất khác nhau mà hàm lượng tinh dầu thu được cũng khác nhau, nếu được trồng ở vùng đất sét thì hàm lượng và chất lượng tinh dầu sẽ cao hơn [14]. 1.2. Giới thiệu về tinh dầu hương bài1.2.1. Tính chất hoá lýLuận văn thạc sỹ khoa học 10Tinh dầu hương bài được chiết tách từ rễ cây cỏ hương bài bằng các phương pháp chưng cất cuốn theo hơi nước hoặc trích ly với dung môi hữu cơ.Tinh dầu cỏ hương bài có màu nâu hổ phách và khá đậm đặc có mùi thơm ngọt, khói, gỗ, đất, hổ phách [12, 20, 22].Chất lượng tinh dầu phụ thuộc vào nguồn gốc, tình trạng khai thác của nguyên liệu. Bên cạnh đó, nguyên liệu ở các độ tuổi khác nhau thì sẽ cho chất lượng tinh dầu khác nhau, chất lượng tinh dầu tốt nhất khi rễ được 18 – 24 tháng tuổi. Thời điểm thu hái, phương pháp sơ chế và bảo quản cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng tinh dầu. Ngoài ra, chất lượng của tinh dầu cũng phụ thuộc rất nhiều vào giống, loại đất trồng, địa lý và khí hậu. Chất lượng tinh dầu có thể đánh giá sơ bộ thông qua các chỉ số hóa lý. Với tinh dầu hương bài, tỷ trọng và độ quay cực của tinh dầu càng lớn thì mùi thơm càng mạnh. Sự khác nhau về chất lượng tinh dầu giữa các nước được thể hiện ở bảng 1.2 [2].Bảng 1.2. Tính chất hoá lý của tinh dầu hương bài ở một số nướcNơitrồngTỷ trọng, d420Chỉ số khúc xạ, nD20Gócquay cực, αDChỉ số axít, mg KOH/gChỉ sốesteĐảoZava0,985 – 1,045 1,510 – 1,530 +150 – +4508 – 35 5 – 25ĐảoReunion0,990 – 1,020 1,515 – 1,527 + 220 – +3704,5 – 17,0 5 – 20Ấn Độ1,0005 – 1,00071,5221 – 1,5271 + 170 – +3008,4 – 9,3 9,3 – 12,1Liên Xô (cũ)loại N0141,0303 –1,0572 1,521 – 1,525 +100 – +26051,89 – 112,711,6 – 30,61.2.2. Thành phần hoá học của tinh dầu hương bài Luận văn thạc sỹ khoa học [...]... cạnh đó, tinh dầu thu được bằng chưng cất lôi cuốn theo hơi nước có mùi hơi ủng, nên làm giảm chất lượng của tinh dầu [2, 10] Chúng ta chưa có sản phẩm tinh dầu hương bài ở quy mô lớn lẫn quy mô nhỏ do công nghệ khai thác tinh dầu của ta còn giản đơn, thiết bị chưng cất quá lạc hậu, công nghệ trích ly tinh dầu thì chưa phát triển Năm 2007, Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam đã tiến hành nghiên cứu đề... quá trình lọc 2 Phương pháp trích ly Trong quá trình khai thác tinh dầu hương bài thì việc lựa chọn ra một phương pháp khai thác thích hợp là rất quan trọng Vì nó có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất thu nhận tinh dầu, chất lượng tinh dầu và hiệu quả kinh tế thu được Một số phương pháp trích ly thường được sử dụng trong công nghiệp khai thác tinh dầu là: trích ly tĩnh, trích ly động, trích ly hồi lưu,... trong các loại tinh dầu đều cao hơn nhiệt 0 độ sôi của nước nên nhiệt độ trong quá trình chưng cất đều thấp hơn 100 C, do đó không làm phân huỷ thành phấn các chất thơm trong tinh dầu Hiện nay, phương pháp chưng cất vẫn được sử dụng nhiều trong công nghệ khai thác tinh dầu vì thiết bị đơn giản và chất lượng tinh dầu khá tốt Nhìn Luận văn thạc sỹ khoa học 25 chung qui trình sản xuất tinh dầu bằng phương... như một công cụ hiệu quả, đơn giản, chi phí thấp để bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường của chúng ta đồng thời có thể khai thác tinh dầu từ bộ rễ của nó để ứng dụng cho công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm, và tiến tới xuất khẩu, mang lại nguồn thu đáng kể cho nước nhà 1.5 Các phương pháp khai thác tinh dầu Hiện nay có nhiều phương pháp được sử dụng để khai thác các loại tinh dầu như:... công trình khoa học đi sâu nghiên cứu thành phần và hàm lượng của các cấu tử trong các loại tinh dầu hương bài có xuất xứ, độ tuổi trồng cỏ hương bài và phương pháp sản xuất khác nhau Năm 2005, Kim H J, Cheng F cùng các cộng sự đã sử dụng các phương pháp sắc ký cột, sắc ký lỏng cao áp, sắc ký khí để nghiên cứu thành phần của tinh dầu hương bài ở các vùng khác nhau Qua nghiên cứu họ nhận thấy tinh dầu. .. tài cấp Nhà nước Nghiên cứu công nghệ chiết tách các hoạt chất hữu ích có giá trị kinh tế từ nguồn nguyên liệu thiên nhiên bằng CO2 lỏng ở trạng thái siêu tới hạn”, trong đó có nghiên cứu phương pháp khai thác tinh dầu hương bài từ rễ cỏ hương bài Việt Nam [10] Tuy nhiên, phương pháp này chưa thể áp dụng rộng rãi trong điều kiện nước ta do thiết bị phức tạp và đắt tiền, nên nghiên cứu này mới chỉ dừng... khói hơn Tại miền bắc Ấn Độ, tinh dầu được sản xuất từ cỏ hương bài mọc hoang được coi là có chất lượng hơn hẳn tinh dầu thu được từ cỏ hương bài do con người gieo trồng [36, 42] Theo một số nhà khoa học Ấn Độ, rễ hương bài sợi nhẵn cho tinh dầu có chất lượng tốt hơn Tinh dầu thường tích lũy ở những rễ phụ, mặc dù nồng độ tinh dầu cao, nhưng giá trị hương thơm của tinh dầu giảm rất nhanh do sự tồn... nay rễ hương bài chủ yếu được sử dụng ở dạng nguyên liệu thô nhưng rõ ràng nếu hương bài được khai thác sử dụng ở dạng tinh dầu thì giá trị sẽ tăng cao hơn nhiều Việc khai thác tinh dầu hương bài ở nước ta chưa được quan tâm và đầu tư thích đáng Tinh dầu hương bài hiện nay mới chỉ được một số hộ dân tự khai thác bằng các thiết bị thô sơ tự chế theo phương pháp chưng cất cuốn theo hơi nước: rễ cỏ hương... pháp chưng cất không thể tách được Vì thế, chất lượng của tinh dầu sản xuất bằng phương pháp này khá cao Qui trình chung để trích ly tinh dầu được minh hoạ trong hình 1.2 Nguyên liệu Sơ chế Trích ly Dung môi Cô đặc Bã Tinh dầu thô DM thu hồi Tinh chế Xử lý DM TINH DẦU Hình 1.2 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất tinh dầu bằng phương pháp trích ly Luận văn thạc sỹ khoa học 30 Những yếu... nhiên phần tinh dầu nhẹ không mong muốn; (ii) nên loại bỏ tinh dầu thu được trong 15-30 phút đầu của quá trình chưng cất; (iii) tinh dầu được trích ly bằng phương pháp trích ly CO2 lỏng cũng loại được một số cấu tử không mong muốn [27] Trên thế giới, tinh dầu hương bài thường được khai thác bằng hai phương pháp: chưng cất và trích ly Với phương pháp chưng cất, thời gian để chưng cất tinh dầu hương bài . Nam- Nghiên cứu công nghệ khai thác tinh dầu từ rễ hương bài- Nghiên cứu công nghệ tinh chế tinh dầu hương bài- Phân tích và đánh giá chất lượng sản phẩm tinh. trình công nghệ thích hợp để khai thác và tinh chế tinh dầu hương bài cho hiệu suất thu hồi và chất lượng tinh dầu cao.Yêu cầu của Đề tài:- Nghiên cứu phân