3. CHIẾT XUẤT CÂY HƯƠNG LIỆU
CÁC LOẠI TINH DẦU
Rễ Hoa
Hình 4: Các bộ phận đặc trưng của từng họ thực vật để sản xuất hoặc bảo quản tinh dầu
Trong công nghiệp nước hoa, phần lớn sản phẩm tinh dầu hiện tại đã được hoàn thành bằng chiết xuất sử dụng dung môi dễ bay hơi như là ete dầu mỏ và hexan. Lợi thế chính của phương pháp chiết xuất qua chưng cất là nhiệt độ đồng đền (thường là 50oC) có thể được duy trì trong suốt quá trình. Kết quả là, tinh dầu được chiết có hương thơm tự nhiên hơn hẳn so với những loại tinh dầu chưng cất – có thể chịu được sự thay đổi hóa học tại nhiệt độ cao. Đặc trưng này rất quan trọng trong công nghiệp sản xuất nước hoa; tuy nhiên, phương pháp chưng cất được chứng minh giúp giảm giá thành hơn so với chiết xuất.
Chưng cất phân hủy tức là chưng cất tinh dầu dễ bay hơi mà không có sự có mặt của không khí. Khi gỗ hoặc nhựa của các chi trong họ Thông hoặc họ Hoàng Đàn được làm nóng mà không có không khí, sự phá hủy diễn ra và một số hợp chất dễ bay hơi được giải phóng. Phần khô còn lại là than. Chất dễ bay hơi ngưng tụ thường được tách thành 2 lớp; một lớp có nước chứa naptha gỗ (methyl alcohol) và acid pyrogneous (acetic thô), hắc ín lỏng dưới dạng nhựa Thông, nhựa Bách Xù và một số nhựa khác phụ thuộc vào loại gỗ sử dụng. Phương pháp chưng cất khô này thường được tiến hành trong các bình cổ cong (retort) và nếu gỗ bị bào mỏng hoặc đặt xuống đất không đúng cách và nhiệt được cấp quá nhanh, thì sản lượng thường đạt khoảng 10% khối lượng gỗ được dùng.
3.5.3.1. Chưng cất
Để tách tinh dầu bằng chưng cất, cây nguyên liệu có tinh dầu thơm được ngâm tĩnh trong một lượng nước vừa đủ rồi đem đi đun sôi; một cách khác, hơi nước sẽ trực tiếp được truyền vào thực vật. Do ảnh hưởng của nước nóng và hơi nước, tinh dầu được giải phóng khỏi các tuyến dầu từ mô thực vật. Hỗn hợp hơi của nước và dầu được làm ngưng gián tiếp bằng nước lạnh. Từ bình ngưng, sản
phẩm chưng cất chảy vào một thiết bị phân ly, dầu sẽ được tách riêng một cách tự động từ sản phẩm nước chưng.
3.5.3.1.1. Cơ chế của chưng cất
Chưng cất từ nguyên liệu thực vật liên quan đến các quá trình hóa lý sau: i. Sự khuếch tán nước
ii. Thủy phân
iii. Phá hủy tế bào bằng nhiệt
3.5.3.1.1.1. Khuếch tán nước
Khuếch tán tinh dầu và nước nóng qua màng tế bào thực vật được gọi là khuếch tán nước. Trong chưng cất hơi nước, hơi nước không thực sự xuyên qua màng tế bào khô. Do đó, nguyên liệu thực vật khô có thể bị hút cạn chỉ với hơi khô khi tất cả tinh dầu dễ bay hơi đã được giải phóng khỏi tế bào mang dầu bằng cách tán nhỏ hoàn toàn nguyên liệu thực vật . Nhưng khi nguyên liệu thực vật được ngâm trong nước, sẽ diễn ra sự trao đổi hơi nước trong các mô dựa trên khả năng thẩm thấu khi ở trạng thái phình ra. Màng tế bào thực vật hầu như không thể thấm được các loại dầu dễ bay hơi. Do đó, trong quá trình thực tế, tại nhiệt độ sôi của nước, một phần dầu dễ bay hơi hòa tan trong nước có sẵn trong các tuyến dầu và bằng sự thẩm thấu, dung dịch dầu-nước này thấm vào làm màng tế bào phình ra và cuối cùng thoát ra ngoài bề mặt. Tại đây, dầu sẽ được hóa hơi bằng hơi nước.
Một phương diện khác của phương pháp này là tốc độ hóa hơi của dầu không ảnh hưởng bởi khả năng bay hơi của các thành phần trong dầu, nhưng lại ảnh hưởng bởi khả năng hòa tan của chúng trong nước. Do đó, trong mô thực vật những thành phần của dầu tan có nhiệt độ sôi cao nhưng tan nhiều trong nước sẽ được chưng cất trước những thành phần nhiệt độ sôi thấp mà tan ít trong nước. Vì tốc độ chưng cất rất chậm, nên việc chưng cất nguyên liệu không được tán nhỏ mất nhiều thời gian hơn nguyên liệu tán nhỏ.
3.5.3.1.1.2. Thủy phân
Hiện nay, thủy phân được định nghĩa là một phản ứng hóa học giữa nước và các hợp chất nhất định trong tinh dầu. Các hợp chất ester trong thành phần của tinh dầu khi có sự xuất hiện của nước, đặc biệt tại nhiệt độ cao thì chúng sẽ có xu
hướng phản ứng với nước để tạo thành acid và alcohol. Tuy nhiên, những phản ứng này không hoàn toàn , có 2 chiều và mối quan hệ giữa các nồng độ mol của các thành phần khác nhau trong phản ứng tại trạng thái cân bằng được viết như sau:
K: là hệ số cân bằng
Do đó, nếu lượng nước quá lớn, thì lượng alcohol và acid của phản ứng cũng lớn dẫn đến hiệu suất thu tinh dầu giảm. Hơn nữa, phản ứng này phụ thuộc vào thời gian, nên phạm vi mà phản ứng thủy phân diễn ra phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc giữa tinh dầu và nước. Đây là một trong những bất lợi cho phương pháp chứng cất trong nước.
3.5.3.1.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt
Hầu hết tất cả thành phần của tinh dầu đều không bền ở nhiệt độ cao. Để đạt được chất lượng dầu tốt nhất thì quá trình chưng chất phải được hoàn thành tại nhiệt độ thấp. Nhiệt độ của chưng cất hơi nước được quyết định hoàn toàn bởi áp suất tiến hành, trong khi chưng cất bằng nước và chưng cất bằng hơi và nước thông thường là áp suất khí quyển.
Cả 3 tác động được mô tả ở trên: khuếch tán nước, thủy phân và sự phân hủy bởi nhiệt đều xảy ra đồng thời và ảnh hưởng qua lại với nhau. Tốc độ khuếch tán thường tăng theo nhiệt độ cũng như khả năng hòa tan của tinh dầu trong nước. Điều này cũng đúng với tốc độ và mức độ thủy phân. Tuy nhiên, có thể đạt được hiệu suất cao hơn và chất lượng dầu tốt hơn bằng cách:
1) Duy trì nhiệt độ càng thấp càng tốt.
2) Sử dụng càng ít nước càng tốt (trong trường hợp chưng cất hơi nước) 3) Nghiền nhỏ hoàn toàn nguyên liệu thực vật và đồng nhất chúng trước
3.5.3.2. Ba dạng chưng cất
Có 3 dạng chưng cất để tách tinh dầu ra khỏi nguyên liệu thực vật 1. Chưng cất trong nước
2. Chưng cất bằng nước và hơi 3. Chưng cất trực tiếp với hơi nước
3.5.3.2.1. Chưng cất trong nước
Trong phương pháp này, nguyên liệu được ngâm hoàn toàn trong nước, toàn bộ chúng được cấp nhiệt bằng ngọn lửa trực tiếp, áo hơi, áo hơi kín, ống xoắn ruột gà kín hoặc hở. Đặc điểm chính của quá trình này là sự tiếp xúc trực tiếp giữa nước sôi và nguyên liệu thực vật.
Khi thiết bị chưng cất được gia nhiệt bởi ngọn lửa trực tiếp, những biện pháp phòng ngừa thích hợp là cần thiết để ngăn chặn vấn đề quá nhiệt. Khi sử dụng lớp áo hơi hay ống xoắn ruột gà kín sẽ giảm bớt nguy hiểm do vấn đề quá nhiệt; đối với loại ống xoắn hở nguy hiểm này có thể tránh được. Nhưng với loại ống hơi hở cần quan tâm đến việc tích tụ nước ngưng trong quá trình chưng cất. Do đó thiết bị ngưng nên được thiết kế cách điện tốt. Nguyên liệu thực vật trong thiết bị phải được khuấy như nước sôi, nếu không thì sẽ bị tích tụ dày đặc nguyên liệu ở đáy thiết bị và gây giảm nhiệt dẫn vào. Những nguyên liệu thực vật cứng chắc như vỏ quế chứa nhiều nhựa cây, phải được nghiền thành bột để phân tán dễ dàng trong nước; vì khi nhiệt của nước tăng thì chất nhầy, nhựa sẽ được lọc bởi bã quế. Điều này làm tăng độ nhớt của hỗn hợp nước- chất mang , bằng cách đó…… Bởi vậy, trước khi thực hiện quá trình chưng cất trong bất kì lĩnh vực nào, cần thực hiện chưng cất qui mô nhỏ bằng nước trong cốc thủy tinh để quan sát nếu có sự thay đổi có sự thay đổi nào diễn ra trong suốt quá trình chưng cất. Từ thử nghiệm này trong phòng thí nghiệm, lượng dầu thu được từ khối lượng nguyên liệu thực vật đã biết có thể xác định được. Dụng cụ qui mô phòng thí nghiệm được khuyến nghị sử dụng cho quá trình chưng cất là hệ thống Clevenger (hình 7).
Trong suốt quá trình chưng cất bằng nước, tất cả các bộ phận của thực vật đưa vào phải được chuyển động để luôn tiếp xúc với nước sôi; có thể thực hiện điều này bằng cách nguyên liệu chưng được đưa vào một cách lỏng lẻo, giữ ……. Chỉ với lý do đó, quá trình chưng cất bằng nước có lợi thế rõ ràng, ví dụ
như: quá trình này cho phép xử lý các nguyên liệu đã được nghiền tốt hoặc các phần của thực vật bằng cách tiếp xúc trực tiếp với hơi nước, nếu không thì sẽ hình các cục vón khiến hơi nước không thể thâm nhập qua. Một lợi ích thiết thực khác của chưng cất bằng nước là thiết bị không quá đắt, cấu tạo đơn giản, phù hợp cho nhiều lĩnh vực hoạt động. Phương pháp chưng cất này cùng với các thiết bị có thể mang theo được sử dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia .
Nhược điểm chính của phương pháp chưng cất trong nước là không thể chiết xuất hoàn toàn. Bên cạnh đó, một số ester nhất định bị oxi hóa 1 phần và các chất dễ bị biến đổi như aldehyde có xu hướng polymer hóa. Chưng cất bằng nước đòi hỏi nhiều dụng cụ cất, nhiều không gian và nhiên liệu đốt hơn. Nó yêu cầu kinh nghiệm đáng kể cũng như sự hiểu biết về phương pháp này. Một số thành phần trong dầu tan trong nước và nhiệt độ sôi cao không thể hóa hơi hoàn toàn hoặc chúng đòi hỏi lượng hơi lớn. Do đó, phương pháp này trở nên khó kinh tế hóa. Với những lý do này, phương pháp chưng cất bằng nước chỉ được sử dụng trong trường hợp nguyên liệu thực vật quá tươi không thể xử lý bởi quá trình chưng cất trong nước và hơi hoặc chưng cất hơi nước trực tiếp.
3.5.3.2.1.1. Phương pháp sản xuất tinh dầu sử dụng chưng cất truyền thống
Những loại tinh dầu hoa được định nghĩa như là những sản phẩm chưng cất thu được bằng phương pháp chưng cất từ các loài hoa ( như: hoa nghệ tây, hoa cúc vàng, hoa hồng, hoa nhài, …) trong dầu đàn hương hoặc chất liệu khác như paraffin.
Sản xuất tinh dầu diễn ra ở những nơi tách biệt, hẻo lánh vì hoa phải được sản xuất nhanh sau khi thu thập. Dụng cụ và thiết bị được sử dụng để sản xuất tinh dầu thì nhẹ, linh hoạt, dễ sửa chữa, và hiệu quả. Đưa những quan điểm này vào áp dụng thực tế, quá trình “deg and bhapka” truyền thống đã được sử dụng cho nhiều thế kỉ đến tận bây giờ chúng vẫn được sử dụng với thiết bị truyền thống
• Deg (nồi cất)
• Bhapka (bộ phận thu nhận)
• Chonga (bộ phận ngưng tụ bằng tre)
• Bhatti truyền thống (lò nung)
• Gachchi (bể nước lạnh)
3.5.3.2.1.2. Nhược điểm của chưng cất bằng nước
• Các thành phần của tinh dầu như ester dễ bị thủy phân trong khi các hợp chất khác như acyclic monoterpene hydrocacbons và aldehydes dễ bị polyme hóa (do pH của nước thông thường giảm trong quá trình chưng cất, tạo điều kiện cho phản ứng thủy phân)
• Các hợp chất oxy hóa như phenol có xu hướng hòa tan trong nước chưng, vì vậy việc loại bỏ hoàn toàn chúng bằng chưng cất là không thể.
• Vì chưng cất trong nước có xu hướng tiến hành ở qui mô nhỏ ( được thực hiện bởi 1 hoặc 2 người), nên tốn nhiều thời gian để tích được nhiều tinh dầu. vì thế, tinh dầu chất lượng tốt thường bị trộn với tinh dầu chất lượng kém.
• Quá trình chưng cất tinh dầu được xem như một môn nghệ thuật của những thợ chưng cất thủ công. Họ ít khi cố gắng tối ưu hóa sản lượng tinh dầu cũng như chất lượng của chúng
• Chưng cất bằng nước diễn ra chậm hơn 2 dạng chưng cất còn lại. 3.5.3.2.2. Chưng cất bằng nước và hơi nước
Hơi có thể được sinh ra hoặc trong nồi hơi hoặc trong thiết bị chưng cất. Giống như chưng cất bằng nước, chưng cất bằng nước và hơi nước được sử dụng rộng rãi ở các khu vực nông thôn. Ngoài ra nó không yêu cầu nhiều vốn hơn chưng cất bằng nước. Trong thực tế, người ta thường thực hiện chưng cất nước rồi cuối cùng tiến tới chưng cất nước và hơi nước.
Sau khi chưng cất vài lô tinh dầu bằng chưng cất bằng nước, người ta thấy chất lượng của tinh dầu không tốt. Kết quả là một số thay đổi được thực hiện. Sử dụng thiết bị chưng cất tương tự, một lưới vỉ đục lỗ được tạo dáng gia công để nguyên liệu thực vật được nâng lên trên mặt nước. Điều này làm giảm năng suất của thiết bị chưng cất nhưng lại cho chất lượng tinh dầu tốt hơn. Nếu lượng nước không đủ để cho phép hoàn thành chưng cất, 1 ống cất lại được gắn thêm vào và nước ngưng tụ được thêm trả lại thiết bị chưng cất, do đó đảm bảo nước sử dụng
làm nguồn hơi sẽ không bao giờ hết. Điều này, đến một mức độ nào, sự kiểm soát sự mất mát của thành phần oxy hòa tan trong nước ngưng vì nước ngưng tái sử dụng sẽ làm nó bão hòa các thành phần hòa tan, sau đó nhiều tinh dầu sẽ hòa tan trong nó.
3.5.3.2.2.1. Cất lại
Khi chưng cất tinh dầu, trong nước có lẫn một lượng tinh dầu khá lớn. Tách tinh dầu bằng phương pháp cất lại chủ yếu dựa vào tính chất khác nhau của áp suất hơi nước và tinh dầu. Để tiến hành cất lại nước chưng người ta cho nước chưng quay chảy lại vào nồi nước cất. Nó giảm thiểu sự mất mát thành phần oxy hòa tan, đặc biệt là phenol. Đối với hầu hết các loại tinh dầu, mức độ mất mát tinh dầu do hòa tan trong nước thấp hơn 0,2%, trong khi đối với các loại tinh dầu giàu phenol thì là 0,2%-0,7%. Do nước chưng này được liên tục hóa hơi, ngưng tụ và lại hóa hơi, một vài thành phần oxy hòa tan sẽ thúc đẩy quá trình thủy phân và phân hủy chính nó và thành phần tinh dầu khác. Tương tự như vậy, nếu một thành phần oxy hóa liên tục được tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt hoặc bên cạnh một thiết bị chưng cất nóng hơn 100oC thì sự phân hủy sẽ tăng cao. Do vậy, sự thực hiện việc cất lại là không nên trừ khi nhiệt độ không cao hơn 100oC.
Trong chưng cất bằng nước và hơi nước, nguyên liệu thực vật không thể tiếp xúc trực tiếp với nguồn lửa ở dưới thiết bị chưng cất, tuy nhiên, thành thiết bị chưng cất là những chất dẫn nhiệt tốt do vậy có phản ứng phân hủy nhiệt của nguyên liệu thực vật khi chạm vào thiết bị. Do đó hơi trong quá trình chưng cất nước và hơi nước là ẩm, một nhược điểm lớn của loại chưng cất này là nó sẽ làm các nguyên liệu thực vật khá ẩm.
3.5.3.2.2.2. Ưu điểm của chưng cất bằng nước với hơi nước so với chưng cất bằng nước
- Thành phần của tinh dầu dễ bay hơi ít bị thủy phần và trùng hợp ( kiểm soát độ ẩm ở đáy thiết bị chưng cất ảnh hưởng sự thủy phân, trong khi độ dẫn nhiệt của thành thiết bị ảnh hưởng đến sự trùng hợp).
- Nếu sự cất hồi lưu được kiểm soát, sự mất mát các hợp chất phân cực được giảm thiểu.
- Chất lượng tinh dầu sản xuất bằng chưng cất bằng nước và hơi nước tái sản xuất nhiều hơn.
- Chưng cất bằng nước và hơi nước nhanh hơn chưng cất bằng nước
Nhiều tinh dầu hiện nay được sản xuất bằng chưng cất bằng nước và hơi nước, ví dụ như sả được sản xuất ở Bhutan với một hệ thống chưng cất bằng nước và hơi nước nông thôn.
3.5.3.2.2.3. Nhược điểm của chưng cất bằng nước và hơi nước
- Do thực hiện ở áp suất thường nên cấu phần có nhiệt độ sôi cao đòi hỏi một lượng rất lớn hơi nước để hóa hơi hoàn toàn và như thế sẽ tốn rất nhiều thời