Quá trình chưng được bắt đầu với việc sản xuất rượu từ thế kỷ XI. Ngày nay
được sử dụng rộng rãi để tách các chất khác nhau ra khỏi hỗn hợp của chúng.
Chưng cất được định nghĩa là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như
của các cấu từ trong hỗn hợp [11]. Hay chưng cất là một quá trình biến đổi một cấu tử
hoặc một hỗn hợp thể lỏng thành thể hơi ở một thiết bị sau đó hơi được ngưng tụ ở
một thiết bị khác nhờ phương pháp làm lạnh [4].
Phương pháp chưng cất hơi nước dựa trên sự thẩm thấu, khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước của những hợp chất hữu cơ trong tinh dầu chứa trong các mô khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao. Sự khuếch tán sẽ dễ dàng khi tế bào chứa tinh dầu trương phồng do nguyên liệu tiếp xúc với hơi nước bão hòa trong một thời gian nhất
định [7]
Theo định luật Dalton, trong quá trình chưng cất hỗn hợp của chất lỏng sôi ở áp suất chưng bằng tổng áp suất riêng phần của các cấu tử trong hỗn hợp chưng. Nếu hỗn hợp chưng chỉ gồm 2 cấu tử thì hỗn hợp sôi khi :
P = PA+ PB
Trong đó : P : Là áp suất chưng của hỗn hợp
PA, PB : Là áp suất hơi riêng phần của cấu tử A, B trong hỗn hợp.
Vì vậy, đối với từng cấu tử trong hỗn hợp, nhiệt độ sôi của hỗn hợp luôn luôn nhỏ hơn nhiệt độ sôi của nó khi nó đứng độc lập. [10].
2.5.2. Ưu, nhược điểm của phương pháp chưng cất
- Ưu điểm:
+ Thiết bị khá gọn gàng, dễ chế tạo, quy trình sản xuất đơn giản
+ Trong quá trình chưng cất, có thể phân chia các cấu tử trong hỗn hợp bằng cách ngưng tụ từng phần theo thời gian
+ Thời gian chưng cất tương đối nhanh
+ Có thể tiến hành chưng cất với các cấu tử tinh dầu chịu được nhiệt độ cao
- Nhược điểm:
+ Không có khả năng tách các thành phần khó bay hơi hoặc không bay hơi trong nguyên liệu
+ Tiêu tốn một lượng nước khá lớn để làm ngưng tụ hỗn hợp hơi
2.5.3. Các phương pháp chưng cất tinh dầu với hơi nước
Có 3 dạng chưng cất tinh dầu như sau : - Chưng cất với nước
- Chưng cất bằng hơi nước không có nồi hơi riêng
- Chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng
Trong 3 phương pháp chưng cất trên, thì phương pháp chưng cất với hơi nước có nồi hơi riêng được sử dụng phổ biến nhất. Phương pháp này đơn giản và mang lại nhiều ưu điểm. Phương pháp này cùng một lúc có thể phục vụ cho nhiều thiết bị, dễ tự động hóa và cơ khí hóa các công đoạn sản xuất, dễ dàng khống chế các thông số công nghệ, thời gian sản xuất tối ưu. Đặc biệt, phương pháp này còn khắc phục được tình trạng khê khét nguyên liệu. Do đó, chúng tôi lựa chọn dạng chưng cất này để tiến hành nghiên cứu khi sản xuất tinh dầu tía tô.
2.6.1. Quy trình công nghệ chưng cất tinh dầu lá tía tô dự kiến
Sơđồ 2.1. Quy trình công nghệ chưng cất lôi cuốn theo hơi nước
2.6.2. Thiết bị chưng cất tinh dầu tía tô
Trong quá trình chưng cất có nhiều loại thiết bị được sử dụng, tuy nhiên tùy mỗi loại tinh dầu là tinh dầu nặng hay tinh dầu nhẹ, cũng như mục đích của người sử
dụng và điều kiện thực tế mà lựa chọn thiết bị chưng cất cho phù hợp.
XỬ LÝ NL
CHƯNG CẤT
NGƯNG TỤ NƯỚC
HƠI NƯỚC
TINH DẦU + NƯỚC
PHÂN LY
TINH DẦU THÔ NƯỚC TD THÀNH PHẨM TD LOẠI II NƯỚC THẢI NGUYÊN LIỆU
Để chưng cất tinh dầu, từ lâu người ta dùng phương pháp đơn giản và được ứng dụng rộng rãi, đó là hệ thống bao gồm các thiết bị chính sau:
1
4
1 : Thiết bị cung cấp nhiệt 3 : Thiết bị ngưng tụ
2 : Thiết bị chưng cất 4 : Thiết bị phân lớp, tách tinh dầu
Hình 2.3. Hệ thống chưng cất tinh dầu cơ bản
Do tinh dầu tía tô nhẹ hơn nước nên trong quy mô phòng thí nghiệm ta có thể
sử dụng bộ dụng cụ thủy tinh Clevender với loại ống hứng tinh dầu nhẹđể chưng cất, xác định hàm lượng tinh dầu.
Hình 2.4. Bộ chưng cất Clevender cho tinh dầu nhẹ hơn nước
Trong công nghệ chưng cất tinh dầu, các thiết bị chưng thường có các dạng sau:
Hình 2.5. Các thiết bị chưng cất thường gặp
Loại I : Nguyên liệu được phân bố đều, hơi ra tập trung nhưng khó cho nguyên liệu vào.
Loại II: Không phổ biến, thường dùng để chưng cất hoa hồng (do tạo bọt nên phải có chiều cao), nguyên liệu cho vào dễ dàng.
Loại III: Tiện lợi khi chưng cất với nước vì diện tích sôi lớn nhưng năng suất không lớn lắm.
Loại IV: Dùng phổ biến nhất, có khả năng nâng cao năng suất thiết bị bằng cách kéo dài thiết bị, mở rộng dung tích dễ dàng [4].
Thiết bị phân ly dùng để phân ly tinh dầu và nước thành từng lớp riêng biệt. Tùy thuộc vào khối lượng riêng của tinh dầu lớn hay nhỏ hơn so với nước mà tinh dầu sẽ được lấy ra ở phần trên hay phần dưới của thiết bị phân ly. Người ta thường dùng
các thiết bị phân ly như sau:
Hình 2.6. Thiết bị phân ly
I: TBPL tinh dầu nhẹ hơn nước II: TBPL tinh dầu nặng hơn nước III: TBPL có nhiều ngăn.
2.6.3. Các yếu tốảnh hưởng đến quá trình chưng cất tinh dầu tía tô
Sự khuếch tán: Ở nhiệt độ nước sôi, một phần tinh dầu hòa tan vào trong nước có sẵn trong tế bào thực vật. Dung dịch này sẽ thẩm thấu dần ra bề mặt nguyên liệu và bị hơi nước cuốn đi. Còn nước đi vào nguyên liệu theo chiều ngược lại và tinh dầu lại tiếp tục bị hòa tan vào lượng nước này. Quy trình này lặp đi lặp lại cho đến khi tinh dầu trong các mô thoát ra ngoài hết. Như vậy, sự hiện diện của nước rất cần thiết,
cho nên trong trường hợp chưng cất sử dụng hơi nước quá nhiệt, chú ý tránh để
nguyên liệu bị khô. Nhưng nếu lượng nước sử dụng quá thừa thì cũng không có lợi, nhất là trong trường hợp tinh dầu có chứa những cấu phần tan dễ trong nước. Ngoài ra, vì nguyên liệu được làm vỡ vụn ra càng nhiều càng tốt, cần làm cho lớp nguyên liệu có một độ xốp nhất định để hơi nước có thể đi xuyên ngang lớp này đồng đều và dễ
dàng.
Sự thủy giải: Những cấu phần este trong tinh dầu thường dễ bị thủy giải cho ra axit và alcol khi đun nóng trong một thời gian dài với nước. Do đó, để hạn chế hiện tượng này, sự chưng cất hơi nước phải được thực hiện trong một thời gian càng ngắn càng tốt.
Nhiệt độ: Nhiệt độ cao làm phân hủy tinh dầu. Do đó, khi cần thiết phải dùng hơi nước quá nhiệt (trên 100oC) nên thực hiện việc này trong giai đoạn cuối cùng của sự chưng cất, sau khi các cấu phần dễ bay hơi đã lôi cuốn đi hết [7].
PHẦN 3. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị, địa điểm và thời gian nghiên cứu
3.1.1. Nguyên liệu
Lá tía tô dùng để chưng cất tinh dầu được thu hái tại Vân Nội – Đông Anh và
Đông Dư – Gia Lâm – Hà Nội trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 5 năm 2014.
Lá tía tô được thu mua khi cây chuẩn bị ra hoa (Cây bắt đầu xuất hiện những chồi hoa đầu tiên), và lá tía tô ra hoa rộ. Nguyên liệu sử dụng cho quá trình chưng cất phải có chất lượng đồng đều, tươi và không bị sâu bệnh. Quan trọng là nguyên liệu phải được thu hái trong điều kiện khô ráo đểđảm bảo sựđồng đều trong các mẫu khảo sát.
3.1.2. Hóa Chất
- Cồn thực phẩm (C2H5OH) 96% và 99,5%
- Etyl acetate (C3H8O2) 99,5%
- Toluen (C6H5CH3) 99%
- Natri sulphat khan (Na2SO4) 10%
- Axit Clohydric (HCl) 25% và 6N
- Natri hydroxit (NaOH) 10%
- Kali sulphat (K2SO4) - Đồng sulphat (Cu SO4)
- Axit axetic (CH3COOH) băng (99,5%), 10% - Axit nitric (HNO3)
- Kali hydroxit (KOH) 0.1N và 0.5N trong etanol
- Axit sunfuric 0,5 N và 0,01N
- Etanol 95%
- Phenol phtalein 2% trong etanol
- Sunfocromic (hòa tan 60 g kalibicromat trong 100 ml H2SO4đậm đặc) - HClO4
- Nước, nước cất - NaCl
3.1.3. Thiết bị và dụng cụ
- Bộ chưng cất tinh dầu nhẹ Clevender gồm cả bếp điện - Sàng có đường kính lỗ 2 mm, 4 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm
- Bộ chưng cất tinh dầu thực nghiệm cỡ nhỏ, dung tích bình cất 10L - Bộ trích ly soxlet
- Máy nghiền, máy xay STRAUME – USSR - Bộ xác định hàm ẩm
- Thiết bị cô quay Buchi B - 480 - Tủ hút KOTTERMANN – Germany
- Tủ sấy tựđộng khống chế nhiệt độ Memmerr Model 500 D06061 - Máy cất đạm Microkendan, bình kendan
- Cân kỹ thuật, cân phân tích, bình hút ẩm
- Bình cầu các loại gắn với sinh hàn hồi lưu hoặc sinh hàn khí - Bình đựng mẫu có nút mài các loại
- Phễu triết, phễu lọc, cốc đong, ống đong và bình tam giác các loại - Ống nghiệm các loại
- Bình tỉ trọng
- Khúc xạ kế kiểu Anbe
- Pipet, buret, giấy lọc, nhiệt kế các loại - Bình định mức 250 ml, 500 ml
3.1.4. Địa điểm và thời gian nghiên cứu
- Địa điểm: Phòng thí nghiệm, xưởng thực nghiệm – Trung tâm Dầu và PGTP, Viện Công Nghiệp Thực Phẩm, 301 Nguyễn Trãi – Thanh Xuân – Hà Nội.
- Thời gian thực tập: Từ 1/2014- 6/2014.
3.2. Nội dung nghiên cứu
- Phân tích, đánh giá chất lượng và lựa chọn nguyên liệu lá tía tô.
- Nghiên cứu thời gian lưu trữ và xử lý nguyên liệu trước khi chưng cất.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình chưng cất tinh dầu từ lá tía tô.
- Phân tích và đánh giá chất lượng sản phẩm của đề tài. - Đề xuất quy trình công nghệ chưng cất tinh dầu lá tía tô.
3.3. Phương pháp nghiên cứu
Mỗi nội dung nghiên cứu được tiến hành bằng các thí nghiệm, mỗi thí nghiệm
được tiến hành và lặp lại 3 lần trong cùng một điều kiện công nghệ, sau đó lấy giá trị
trung bình cộng.
3.3.1. Phương pháp hóa lý
Để lựa chọn nguyên liệu tốt nhất cho mục đích khai thác tinh dầu, chúng tôi tiến hành lấy 2 mẫu lá tía tô thu hái tại 2 địa điểm khác nhau là: Xã Đông Dư – Gia Lâm – Hà Nội và xã Vân Hội – Đông Anh – Hà Nội. Tại mỗi địa điểm chúng tôi tiến hành lấy 2 mẫu lá: Chuẩn bị ra hoa ( bắt đầu xuất hiện nhưng chồi hoa đầu tiên) và mẫu ra hoa rộđể tiến hành phân tích thành phần chính.
3.3.1.1. Xác định độẩm của nguyên liệu bằng phương pháp chưng cất với toluen
Ta tiến hành cân chính xác 10g nguyên liệu đã được làm nhỏ và đong 150 ml toluen đã được làm khô (sao cho gập nguyên liệu), rồi cho vào bình cầu dung tích 500ml. Sau đó lắp dụng cụ xác định thủy phần cùng với ống sinh hàn hồi lưu. Đun hỗn hợp trong bình đến nhiệt độ sôi cho tới khi không nhìn thấy nước ra, hay là lượng nước ở thiết bị xác định thủy phần không thay đổi (thời gian khoảng 2h). Sau đó đọc lượng nước thu được ở dụng cụ đo thủy phần. Hàm lượng nước trong nguyên liệu
được xác định theo công thức sau:
W = V d. .100%
m
Trong đó: W: Độẩm của nguyên liệu, %
m: Khối lượng nguyên liệu, g
V: Thể tích nước thu được ở dụng cụđo, ml
d: Tỷ trọng của nước, g/ml (lấy d = 1 g/ml)
Chú ý: - Dụng cụ thí nghiệm phải đảm bảo được sấy khô hoàn toàn.
- Nước làm mát phải luôn luôn đảm bảo (quan sát nếu thấy hơi ngưng tụ ở quả cầu ngưng thứ 3 trở đi thì phải tăng vận tốc dòng nước làm mát hoặc giảm nhiệt độ bếp đun hoặc cả hai).
3.3.1.2. Xác định hàm lượng protein trong lá tía tô bằng phương pháp Kjeldahl
Xác định hàm lượng protein trong lá tía tô dựa trên tham khảo giáo trình “Thí nghiệm hóa sinh công nghiệp”, trường đại học Bách Khoa Hà Nội [2]. Trong thí nghiệm này, chúng tôi lấy hệ số protein của lá tía tô bằng với hệ số protein của thực vật (5,59).
3.3.1.3. Xác định hàm lượng xenluloza trong lá tía tô bằng phương pháp thủy phân bằng axit mạnh
Xác định hàm lượng xenluloza trong lá tía tô dựa trên tham khảo giáo trình “Thí nghiệm hóa sinh công nghiệp”, trường đại học Bách Khoa Hà Nội (Đặng Thị Thu và cộng sự, 1997).
3.3.1.4. Xác định hàm lượng lipit trong lá tía tô bằng thiết bị Soxhlet
Xác định hàm lượng lipit trong lá tía tô dựa trên tham khảo giáo trình “Thí nghiệm hóa sinh công nghiệp”, trường đại học Bách Khoa Hà Nội [2].
3.3.1.5. Xác định hàm lượng tinh dầu trong lá tía tô
Cân chính xác 200g nguyên liệu đã được cắt nhỏ và đong nước theo tỷ lệ nguyên liệu/ nước là 1/6 (sao cho nguyên liệu ngập toàn bộ trong nước), cho toàn bộ vào bình cầu 2000 ml rồi đem lắp đặt vào hệ thống thiết bị chưng cất tinh dầu theo phương pháp chưng cất lôi cuốn theo hơi nước bằng bộ xác định hàm lượng tinh dầu nhẹ clevender. Quá trình chưng cất kết thúc khi hàm lượng tinh dầu trong ống thu nhận không tăng lên. Để đảm bảo tinh dầu trong nguyên liệu được thu nhận triệt để chúng tôi tiến hành chưng cất trong khoảng thời gian là 4,5h. Tinh dầu thô còn lẫn nước được trích ly bằng etyl axetat. Sau đó làm khan bằng Na2SO4 trong khoảng thời gian tối thiểu là 2h, rồi
đem cô quay đểđuổi dung môi và thu được tinh dầu nguyên chất.
Hàm lượng tinh dầu có trong nguyên liệu được xác định theo công thức: X1 = m2.10
4 m1.(100 - W) %
Trong đó: X1: Hàm lượng tinh dầu tính theo chất khô trong nguyên liệu, % m2: Khối lượng tinh dầu thu được, g
m1: Khối lượng nguyên liệu, g W: Độẩm của nguyên liệu, %
3.3.1.6. Xác định thành phần cơ lý của nguyên liệu
Việc xác định thành phần cơ lý và sự phân bố tinh dầu trong nguyên liệu lá tía tô sẽ giúp ta xác định các phần có hàm lượng tinh dầu cao, từ đó đề ra phương án xử
lý nguyên liệu trước khi chưng cất.
Nguyên liệu lá tía tô thu mua bao gồm: Phần cành chứa hàm lượng tinh dầu rất nhỏ (0,05% theo chất khô) (đã trình bày trong phần 2.2), lại khá cồng kềnh nên sẽ được loại bỏ. Phần lá nguyên được tách phiến lá và cuống lá riêng để tiến hành cân và xác định hàm lượng tinh dầu trong mỗi bộ phận. Khối lượng mẫu lá sử dụng là 200 g lá còn nguyên cuống.
3.3.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm
Để lựa chọn các thông số công nghệ tối ưu cho quá trình chưng cất tinh dầu lá tía tô, chúng tôi tiến hành thí nghiệm trên bộ thiết bị chưng cất tinh dầu thực nghiệm cỡ nhỏ có nồi hơi riêng dung tích bình cất 10 lít tại xưởng thực nghiệm Hương Liệu và PGTP, Viện Công Nghiệp Thực Phẩm.
Việc lựa chọn giá trị thích hợp của các yếu tố công nghệ dựa vào hiệu suất thu nhận tinh dầu cũng như chất lượng tinh dầu và hiệu quả kinh tế.
Hiệu suất thu nhận tinh dầu được xác định theo công thức sau: X2 = m2.10
6
X1.m1.(100 - W)
Trong đó:
X2: Hiệu suất thu nhận tinh dầu tính theo lượng tinh dầu có trong nguyên liệu X1: Hàm lượng tinh dầu trong nguyên liệu theo chất khô, %
m1: Khối lượng nguyên liệu, g m2: Khối lượng tinh dầu thu nhận, g W: Độẩm của nguyên liệu, %
- Thí Nghiệm 1: Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu trữ nguyên liệu
đến hiệu suất thu nhận tinh dầu tía tô. Công thức
(CT) CT1 CT2 CT3 CT4 CT5
Thời gian lưu
trữ (h) 0 24 48 72 96
Nguyên liệu tía tô sau khi thu mua sẽ được lưu trữ trong các khoảng thời gian