3.4.1. Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu thứ cấp
Thu thập các tài liệu, số liệu, các công trình đã được nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến các vấn đề nghiên cứu: phương pháp, thiết bị sử dụng để chưng cất tinh dầu, thành phần, tính chất của tinh dầu chanh.
Kế thừa và tham khảo các kết quả đã đạt được của các báo cáo, đề tài có liên quan đến vấn đề nghiên cứu.
3.4.2. Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp
3.4.2.1. Phương pháp chiết xuất tinh dầu từ vỏ chanh.
Sử dụng phương pháp: “chưng cất lôi cuốn hơi nước không có nồi hơi riêng”
- Chuẩn bị nguyên vật liệu.
+ Thiết bị : Thiết bị chiết xuất tinh dầu, nghiền vỏ chanh, máy ảnh ,đồng hồ, hộp nhựa, chai ,lọ đựng tinh dầu
+ Nguyên vật liệu: Vỏ chanh, ga ,điện ,than.
- Trình tự chưng cất.
Thí nghiệm chiết xuất tinh dầu được tiến hành với trình tự như sau: Mục đích của thí nghiệm là chiết xuất được tinh dầu từ vỏ chanh bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước không có nồi hơi riêng. Thí nghiệm được tiến hành với 3 lần nhắc lại.
Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu vỏ chanh đã được xử lý sơ bộ Bước 2: Nghiền nhỏ và ngâm nguyên liệu
Bước 3: Cho hỗn hợp nước và vỏ chanh vào thiết bị chưng cất Bước 4: Tiến hành chưng cất và thu hỗn hợp tinh dầu
Bước 5: Tách tinh dầu và bảo quản.
3.4.2.2 Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm
Sử dụng phương pháp: “ Sắc kí khí ghép nối khối phổ” để phân tích thành phần hóa học có trong tinh dầu chanh.
3.4.2.3. Phương pháp bố trí thí nghiệm:
Thí nghiệm 1: Xử lý xốp bằng tinh dầu đã chưng cất - Chuẩn bị nguyên vật liệu.
+ Thiết bị: Cân điện tử, cốc đong thể tích 500ml, pipet, đồng hồ bấm giờ. + Nguyên vật liệu: Xốp hộp cơm và tinh dầu chanh sau chưng cất
- Thiết kế thí nghiệm.
Thí nghiệm được thiết kế như sau:
Mục đích của thí nghiệm là xác định khả năng xử lý xốp tinh dầu chanh và đưa ra công thức tối ưu. Thí nghiệm được thiết kế với 3 công thức và 3 lần nhắc lại.
Bảng 3.1. Thể tích tinh dầu được chọn nghiên cứu để xử lý 5g xốp Thể tích tinh dầu (ml) 5 ml ( CT1) 10 ml ( CT2) 15 ml ( CT3)
Thí nghiệm 2: So sánh khả năng xử lý xốp của tinh dầu với acetone - Chuẩn bị nguyên vật liệu.
+ Thiết bị: Cân điện tử, cốc đong thể tích 500ml, pipet, đồng hồ bấm giờ + Nguyên vật liệu: Xốp hộp cơm và acetone
- Thiết kế thí nghiệm.
Thí nghiệm được thiết kế như sau:
Mục đích của thí nghiệm là so sánh khả năng xử lý xốp tinh dầu chanh ở mức xử lý tối ưu so với acetone .
Tôi đã sử dụng một lượng acetone bằng với thể tích tinh dầu ở mức xử lý xốp tối ưu để xử lý 5g xốp, thí nghiệm được tiến hành với 3 lần nhắc lại. Thời gian xử lý xốp của acetone sẽ được tổng hợp và so sánh với thời gian xử lý của tinh dầu.
3.4.3 Phương pháp phân tích, xử lý số liệu
Số liệu phân tích được xử lý trên phần mềm Microsoft Excel 2003 và phần mềm SAS 9.0
PHẦN 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
4.1. Thiết bị chưng cất tinh dầu
4.1.1. Nguyên lý làm việc
Trong thực tế sản xuất tinh dầu, trên thế giới hiện đang sử dụng hai công nghệ chưng cất: Chưng cất liên tục và chưng cất gián đoạn. Thiết bị chưng cất làm việc theo nguyên lý liên tục thường có công suất lớn, sản xuất có quy mô công nghiệp, giá thành đầu tư cao, nên chỉ được áp dụng cho những vùng nguyên liệu tập trung, sản lượng lớn. Còn để sản xuất tinh dầu từ những nguồn nguyên liệu có sản lượng vừa và nhỏ, thì người ta thường sử dụng công nghệ và thiết bị chưng cất có công suất nhỏ, nguyên lý làm việc gián đoạn, có giá thành đầu tư thấp (từ vài chục đến hàng trăm lần) so với công nghệ chưng cất liên tục. Hệ thống thiết bị chưng cất tinh dầu quy mô nhỏ của đề tài được thiết kế làm việc theo nguyên lý gián đoạn. Phương pháp chưng cất được sử dụng là phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước có vách ngăn, không có nồi hơi riêng và hồi lưu kín dịch ngưng.
4.1.2, Phương án thiết kế
Vật liệu chế tạo: Vì tinh dầu chanh có chứa một số thành phần có tính oxi hóa
mạnh nên các loại vật liệu được sử dụng để chế tạo các bộ phận trong dây chuyền thiết bị chưng cất của đề tài đều được làm bằng các loại vật liệu bền, không han rỉ: Thép không gỉ, inox, nhôm, thủy tinh… Các khớp nối, chỗ nối được làm kín bằng các zoăng teflon, là loại vật liệu chịu dầu, chịu nhiệt.
Về công suất: Do hạn chế về nguồn kinh phí cũng như trang thiết bị kỹ
thuật, quy mô nghiên cứu, đề tài quyết định chọn thiết bị chưng cất với công suất 10kg vỏ nguyên liệu/mẻ.
Lò đốt: Sử dụng bếp than tổ ong 2 viên.
Nồi chưng cất: Đề tài chọn kiểu nồi chưng cất tinh dầu thân có dạng hình
trụ, chóp hình chỏm cầu, ở giữa là cửa thoát hỗn hợp hơi khí, kiểu vòi voi. Nồi chưng cất được thiết kế với những thông số kỹ thuật sau:
+ Chất liệu: Nhôm.
+ Chiều cao: 55cm trong đó thân nồi cao 41cm và chóp nồi cao 14cm. + Đường kính: 40 cm.
+ Vỉ ngăn:Để đỡ khối nguyên liệu, giữ cho nguyên liệu khỏi rơi xuống đáy nồi làm tắc ống dẫn hơi, chiều dày của vỉ nồi 1 mm, bề mặt vỉ được làm bằng 2 lớp lưới inox đan xen nhau, tạo điều kiện cho hơi nước thoát lên dễ dàng. Chiều cao vỉ ngăn so với đáy nồi là 12 cm.
Bộ phận làm lạnh: Là thuỷ tinh trung tính, không có bọt, đường kính ngoài
Φ 30mm, ống ở giữa và dẫn chất lỏng ra Φ 10mm, ống dẫn khí vào Φ 20mm, ống dẫn nước làm lạnh Φ 5mm có độ rộng giáp ống chính Φ 20mm. đảm bảo làm giảm nhiệt độ của dịch ngưng xuống khoảng 350
C. Để tiết kiệm, nước làm mát được hồi lưu.
4.1.3 Quy trình chưng cất tinh dầu chanh
Công đoạn cơ bản của quá trình chưng cất tinh dầu chanh
Chuẩn bị nguyên liệu: Nguyên liệu sử dụng cho quá trình chưng cất là vỏ
chanh. Vỏ chanh được tách những quả chanh loại, không có nước tại chợ Trung tâm thành phố Thái Nguyên. Một mẻ chưng cất tinh dầu cần khoảng 5kg nguyên liệu
Nguyên liệu vỏ chanh
Xay nhỏ
Ngâm trong dung dịch NaCl 10% trong 3 giờ
Chưng cất lôi cuốn hơi nước trong 2 giờ
Ngưng tụ
Phân ly
Thu được tinh dầu
Nghiền: Tinh dầu trong thực vật thường nằm trong các mô của tế bào, vì
thế nghiền nhằm mục đích để giải phóng tinh dầu ra khỏi mô để khi tiến hành chưng cất thì tinh dầu đễ thoát ra ngoài, từ đó rút ngắn thời gian, qui trình sản xuất và đạt hiệu quả cao. Nghiền càng nhỏ thì hiệu suất phá vỡ các mô tế bào càng cao nhưng dễ gây tắc ống dẫn hơi (tinh dầu + nước) và độ xốp bé làm ảnh hưởng đến quá trình chưng cất. Vì vậy cần nghiền nguyên liệu với kích thước phù hợp để đạt được hiệu suất cao nhất.
Ngâm nguyên liệu: Nguyên liệu vỏ chanh sau khi nghiền nhỏ sẽ được ngâm vào dung dịch NaCl (10%) trong 3 giờ đồng hồ. Mục đích của công đoạn này là làm cho tinh dầu thẩm thấu đi từ túi tiết ra bên ngoài, giúp cho quá trình chưng cất tinh dầu được triệt để hơn.
Nạp liệu: Nguyên liệu sau khi ngâm sẽ được đưa vào thiết bị chưng cất.
Nguyên liệu nạp vào thiết bị được chứa bởi hệ thống vỉ đỡ để ngăn cách với lớp nước bên dưới đáy nồi. Nguyên liệu chứa trong thiết bị không vượt quá 85% dung tích thiết bị để tránh hiện tượng trào bọt, không được nạp nguyên liệu chặt quá làm cho hơi khó phân phối đều trong toàn bộ khối nguyên liệu và không được quá lỏng, quá xốp sẽ làm cho hơi dễ dàng theo những chỗ rỗng đi ra mà không tiếp xúc với toàn khối nguyên liệu. Khi nạp nguyên liệu xong, phải đậy nắp nồi thật kín để tránh sự rò rỉ tinh dầu trong quá trình chưng cất. Sau đó lắp đặt hệ thống làm lạnh.
Chưng cất: Khi bắt đầu chưng cất có thể cung cấp nhiệt lượng lớn để làm
sôi nước chưng cất. Sau đó hạ nhiệt độ, duy trì nước ở nhiệt độ sôi vì khi ở nhiệt độ quá cao, tinh dầu dễ dàng bị phân hủy.Cần theo dõi đồng hồ đo nhiệt độ nồi hơi và duy trì ở mức 95 - 1000C. Khi sôi, hơi nước bốc lên len lỏi qua lớp nguyên liệu sẽ kéo theo tinh dầu. Hỗn hợp hơi này sẽ được dẫn vào hệ thống làm lạnh bằng đường ống dẫn, tại đây chúng ta sẽ thu được hỗn hợp nước, tinh dầu vào một bình thủy tinh. Trong quá trình chưng cất, cần chú ý điều chỉnh nhiệt độ dịch ngưng sao cho nằm trong khoảng 30 - 400C (bằng
cách điều chỉnh tốc độ nước làm lạnh) vì nếu dịch ngưng quá nóng sẽ làm tăng độ hòa tan của tinh dầu vào nước và làm bay hơi tinh dầu. Để kiểm tra quá trình chưng cất kết thúc chưa có thể dùng một tấm kính hứng một ít dịch ngưng, nếu thấy trên tấm kính còn váng dầu thì quá chưng cất chưa kết thúc.
Tháo bả: Sau khi chưng cất xong, đóng van cung cấp nước làm lạnh, tắt
lửa, để nguội từ 15 - 30 phút, mở nắp và tháo bã, sau đó dùng nước sạch vệ sinh thiết bị, kể cả nắp và vòi trước khi nạp liệu cất mẻ mới.
Tách tinh dầu ra khỏi hỗn hợp nước: Sau chưng cất ta sẽ thu được một
hỗn hợp nước và tinh dầu. Do có tỉ trọng nhỏ hơn, tinh dầu tạo lớp phân tách rõ rệt với nước và nổi lên trên. Vì vậy có thể hút tinh dầu một cách dễ dàng. Thông thường tinh dầu chanh trong suốt, có mùi thơm đặc trưng, vị đắng.
Bảo quản: Tinh dầu chanh đã loại bỏ nước cần đóng trong các chai lọ có
màu, tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng, không khí.
4.2 Kết quả khảo nghiệm
4.2.1. Kết quả chưng cất tinh dầu chanh
Bảng 4.1. Kết quả khảo nghiệm hệ thống thiết bị chưng cất tinh dầu chanh
TT Chỉ số
khảo nghiệm
ĐVT Kết quả các mẻ khảo nghiệm Trung bình
Mẻ 1 Mẻ 2 Mẻ 3
1 Khối lượng vỏ chanh Kg 5 5 5 5
2 Lượng nước cho vào
nồi chưng cất Lít 2 2 2 2
3 Thời gian đạt sôi Phút 25 22 27 24,7 4 Thời gian cất kiệt Phút 120 120 120 120 5 Nhiệt độ chưng cất o
C 95 - 100 95 – 100 95 – 100 95 – 100 6 Lượng tinh dầu cất
được Ml 110 112 113,5 111,8
7 Lượng than tiêu thụ Viên 3 3 3 3
*Nhận xét:
Qua bảng số liệu trên ta thấy, khi chưng cất 5kg nguyên liệu vỏ chanh thì lượng tinh dầu thu được của vỏ chanh trung bình là 111,8ml.
4.2.2. Kết quả phân tích thành phần hóa học trong tinh dầu chanh
4.2.2.1 Kết quả phân tích
Phương pháp phân tích: Phép phân tích sử dụng phương pháp: “sắc ký
khí nối ghép khối phổ” để xác định thành phần hóa học trong tinh dầu chanh.
Bảng 4.2. Kết quả phân tích thành phần hóa học trong tinh dầu chanh
# time RI Hit % Chemical name Integral %
1 10.32 931 98 Thujene <a-> 18138732 0,56 2 10.59 940 95 Pinene <a-> 77083647 2.38 3 11.81 980 95 Sabinene 26922003 0,84 4 11.99 986 93 Pinene <b-> 263337257 8,14 5 12.21 993 93 Myrcene 69302295 2,14 6 12.60 1005 38 Octanal <n-> 3295933 0,11 7 12.81 1011 74 Phellandrene <a-> 7141978 0,22 8 13.22 1023 92 Terpinene <a-> 17424463 0,54 9 13.49 1031 100 Cymene <o-> 77721202 2,41 10 13.70 1037 81 Limonene 1877707126 60,95 11 13.81 1040 46 Cineole 1,8 24064813 0,74 12 14.14 1050 83 Ocimene <(E)-b-> 11411983 0,36 13 14.66 1065 94 Terpinene <g-> 470711094 14,55 14 15.15 1079 61 Linalool oxide <trans-
>(furanoid) 5645034 0,19 15 15.71 1095 90 Terpinolene 34932364 1,08 16 15.97 1102 52 Linalool 6354983 0,20 17 17.87 1156 20 Citronellal 3984872 0,13 18 18.95 1187 80 Terpinen-4-ol 37973397 1,19
19 19.39 1199 73 Terpineol<a-> 59176114 1,84 20 19.69 1208 0 Decanal 2594777 0,12 21 27.38 1439 68 Caryophylene<e-> 8608638 0,27 22 27.65 1447 68 Bergamotene<a-trans-> 7319449 0,25 23 29.30 1500 91 Germacrene D 5796249 0,18 24 29.70 1513 74 Farnesene <(E,E)-a-> 8596020 0,26 25 29.87 1519 80 Bisabolene<b-> 10902303 0,34 Total 99,99
(Nguồn: kết quả thí nghiệm) Dựa vào kết quả trong bảng phân tích thành phần hóa học của tinh dầu
chanh ta thấy:
- Trong tinh dầu chanh có chứa rất nhiều thành phần khác nhau như: Pinene<a->, Sabinene, Myrcene, Bisabolene<b->, Limonene…
- Trong đó, Limonene là chất có thành phần phần trăm lớn nhất nó chiếm tới 60,95%,
- Chất chiếm tỷ lệ lớn thứ 2 và thứ 3 lần lượt là Tepinene <g-> với 14,55% và Pinene<b-> với 8,14%.
- Octanal<n-> là thành phần chiếm tỷ lệ nhỏ nhất trong tinh dầu và đạt 0,11%.
*Nhận xét:
Kết quả phân tích đã chứng minh được rằng Limonene có trong tinh dầu chanh là thành phần để xử lý xốp. Tinh dầu xử lý xốp chỉ bằng sự hòa tan vật lý thông thường mà không có bất kỳ một phản ứng hóa học nào xảy ra.
4.2.2.2 Giới thiệu một số thành phần hóa học trong tinh dầu chanh
a) limonene
Limonene có công thức hóa học là C10H16 (1-metyl-4-izopro xiclohecxen) là một chất lỏng không màu, mùi giống mùi chanh, hòa tan tốt trong các dung môi hữu cơ không có cực. Limonene có trọng lượng riêng là 0,84 g/cm3
. Trong tinh dầu chanh limonene chiếm thành phần phần trăm nhiều nhất với 60,95%. Trong
thiên nhiên, Limonene tồn tại ở ba dạng đồng phân quang học là d, l, dl - limômen. Ngày 9/4/2005, một nghiên cứu được tiến hành bởi các nhà khoa học của Trung tâm nghiên cứu nông nghiệp miền Bắc California cho thấy rằng limonene có trong trái cây họ bưởi, quýt như chanh, bưởi...giúp chống lại ung thư miệng, phổi, vú, da, ruột, dạ dày [16].
Hình 4.1. Công thức cấu tạo của limonene b) Terpinene
Các terpinenes (C10H16) là một nhóm các đồng phân hydrocacbon được phân lập từ tecpen, chúng có cùng công thức phân tử và khung carbon, nhưng chúng khác nhau ở vị trí của liên kết. Trong tinh dầu chanh có 2 đồng phân của terpinenes. Chúng là α- Terpinenes và g- Terpinenes với hàm lượng phần trăm lần lượt là 0,54% và 14,55% [16].
Hình 4.2. Công thức cấu tạo của α- Terpinenes (bên trái) và g- Terpinenes (bên phải)
α- Terpinenes là đồng phân hydrocacbon của tecpen . Nó được phân lập từ cây Bạch đậu khấu, cây kinh giới dầu và từ các nguồn tự nhiên khác. Các monoterpene α-terpinene được sử dụng như một hợp chất thơm và có mặt trong các loại tinh dầu khác nhau. Gamma-terpinene có khối lượng phân tử
136,234. Là chất lỏng dạng dầu không màu, nhiệt độ sôi 182°C. Chất này có tính kháng khuẩn chống lại các tác nhân gây bệnh của con người [16].
c) Pinene
Pinene (C10H16 ) là một hợp chất hóa học. Có hai cấu trúc đồng phân tìm thấy trong tự nhiên là: α-pinene và β-pinene . Trong tinh dầu chanh có cả 2 cấu trúc đồng phân trên. Pinene là thành phần quan trọng có trong cây thông nhựa, nó cũng được tìm thấy trong nhựa của nhiều loài cây lá kim và cây bụi. Pinene đóng vai trò quan trọng tạo nên mùi hương đặc trưng có trong nhiều loại nước hoa.
Hình 4.3. Công thức cấu tạo của α- pinene (bên trái) và β- pinene (bên phải)
α-pinene trong tinh dầu chanh chiếm 2,38%. Ở mức độ tiếp xúc thấp, α- pinen là một thuốc giúp giãn phế quản ở người, đồng phân này giúp phổi tăng cường sự hấp thu sinh học lên tới 60%, qua đó giúp sự trao đổi chất nhanh chóng. β-pinene trong tinh dầu chanh chiếm 8,14%. Chất lỏng không màu này hòa tan trong rượu nhưng không tan trong nước [16].
d) Myrcene
Myrcene hoặc β-myrcene, là một hợp chất hữu cơ tự nhiên. Nó được phân loại như là một hydrocarbon, chính xác hơn là một monoterpene. Tecpen là nhị trùng của isoprene, và myrcene là một trong những chất quan