2.2.4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/nguyên liệu (v/w)
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu thích hợp
Để xác định tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu thích hợp, chúng tôi tiến hành lô thí nghiệm sau:
Nguyên liệu
Xay với tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu, X1(v/w)
Chƣng cất ( 90 phút)
Đo thể tích tinh dầu thu đƣợc
2,0/1 2,5/1 3,0/1 3,5/1 4,0/1
Tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu thích hợp
Lấy 100g nguyên liệu cho vào máy xay điện, thêm vào đó một lƣợng nƣớc cất trong đó tỷ lệ nƣớc /nguyên liệu thay đổi lần lƣợt là: 2,0/1; 2,5/1; 3,0/1; 3,5/1; 4,0/1 (v/w), đồng thời bổ sung thêm muối NaCl sao cho đạt 5% (w/v). Xay trong 2 phút. Chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chƣng cất và ngâm trong 120 phút. Chƣng hỗn hợp trong 90 phút dƣới áp suất khí quyển. Đọc thể tích tinh dầu tách ra trên ống ngƣng tụ (có khắc vạch thể tích) và so sánh. Từ đó, chọn tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu thích hợp.
2.2.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ NaCl trong dịch ngâm
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định nồng độ muối NaCl thích hợp
Nồng độ NaCl thích hợp trong dịch ngâm đƣợc xác định qua lô thí nghiệm sau:
Xay (Tỷ lệ X1 thích hợp)
Ngâm (120 phút)
Đo thể tích tinh dầu thu đƣợc
0% 5% 10% 15% 20%
Bổ sung NaCl sao cho nồng độ NaCl trong dịch ngâm thay đổi, X2 (w/v) Nguyên liệu
Chƣng cất (90 phút)
Lấy 100g nguyên liệu cho vào máy xay điện, thêm vào đó một lƣợng nƣớc cất với tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu thích hợp. Thêm NaCl vào hỗn hợp, trong đó nồng độ NaCl thay đổi lần lƣợt là: 0%, 5%, 10%, 15%, 20% (w/v). Xay trong 2 phút. Chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chƣng cất và ngâm trong 120 phút. Chƣng hỗn hợp trong 90 phút dƣới áp suất khí quyển. Đọc thể tích tinh dầu tách ra trên ống ngƣng tụ và so sánh. Từ đó, chọn nồng độ NaCl thích hợp.
2.2.4.3. Ảnh hưởng của thời gian ngâm muối NaCl
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian ngâm muối NaCl thích
hợp
Để chọn thời gian ngâm muối thích hợp, chúng tôi tiến hành lô thí nghiệm nhƣ sau:
Xay (tỷ lệ X1, nồng độ X2 thích hợp)
Chƣng cất ( 90 phút)
Đo thể tích tinh dầu thu đƣợc
1h 2h 3h 4h 5h
Thời gian ngâm NaCl thích hợp
Ngâm (X3)
Lấy 100g nguyên liệu cho vào máy xay điện, thêm vào đó một lƣợng nƣớc cất và NaCl với tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu và nồng độ NaCl thích hợp đã chọn. Xay trong 2 phút. Chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chƣng cất. Thay đổi thời gian ngâm nguyên liệu lần lƣợt là: 1; 2; 3; 4; 5 (giờ). Sau đó, chƣng cất hỗn hợp trong 90 phút dƣới áp suất khí quyển. Đọc thể tích tinh dầu tách ra trên ống ngƣng tụ và so sánh. Từ đó, chọn thời gian ngâm muối thích hợp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.2.4.4. Ảnh hưởng của thời gian chưng cất
Thời gian chƣng cất là một thông số ảnh hƣởng rất lớn đến hiệu suất cũng nhƣ chất lƣợng của tinh dầu thu đƣợc. Nếu thời gian chƣng cất quá ngắn, hiệu suất thu hồi tinh dầu sẽ thấp, ngƣợc lại nếu thời gian chƣng cất quá lâu sẽ ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng của tinh dầu, tiêu tốn năng lƣợng.
Để xác định thời gian chƣng cất thích hợp, tiến hành thí nghiệm theo sơ đồ sau:
Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian chƣng cất thích hợp
Cho mẫu vào bình cầu trong đó cố định các thông số đã chọn ở trên và tiến hành chƣng cất. Cứ sau 15 phút ghi kết quả thể tích tinh dầu thu đƣợc cho đến khi
Xay (tỷ lệ X1, X2 thích hợp)
Cứ sau 15 phút đọc thể tích tinh dầu thu đƣợc
Thời gian chƣng cất thích hợp
Ngâm (thời gian thích hợp) Nguyên liệu
thấy thể tích tinh dầu không tăng đƣợc nữa thì ngừng (Thời gian chƣng cất đƣợc tính từ lúc hơi nƣớc và tinh dầu ngƣng tụ giọt đầu tiên trong ống ngƣng tụ). Đánh giá kết quả dựa vào thể tích tinh dầu thu đƣợc.
2.2.5. Tối ƣu hóa quy trình tách chiết tinh dầu
Để xác định chính xác giá trị tối ƣu của các thông số ảnh hƣởng đến hiệu suất chiết tinh dầu bằng phƣơng pháp chƣng cất lôi cuốn hơi nƣớc, chúng tôi tiến hành tối ƣu hóa quá trình tách chiết bằng phƣơng pháp thực nghiệm yếu tố toàn phần theo mô hình Box-Wilson trong đó sử dụng phƣơng án trực giao bốn yếu tố với 3 thí nghiệm lặp lại ở tâm phƣơng án (k = 4, N0= 3). Nhƣ vậy, phƣơng án thực nghiệm bao gồm 27 thí nghiệm (16 thí nghiêm ở biên, 3 thí nghiệm ở tâm và 8 thí nghiệm ở các cánh tay đòn).
Hàm mục tiêu là thể tích tinh dầu chƣng cất đƣợc (Y)
Phƣơng trình hồi quy tuyến tính có dạng bậc 2 đƣợc xác định bằng phần mềm EXCEL 2003: 2 4 44 2 3 33 4 4 3 3 2 2 1 1 0 bX b X b X b X ... b X b X b Y
Sau khi loại bỏ các hệ số không có ý nghĩa bằng chuẩn Student và kiểm định tính tƣơng thích của phƣơng trình hồi quy với thực nghiệm chuẩn bằng chuẩn Fisher (độ tin cậy P = 0,95), tiến hành xác định giá trị tối ƣu của các thông số bằng phần mềm Maple 7.0.
Bảng 2.1. Các mức và khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hƣởng đến
hiệu suất thu hồi tinh dầu Yếu tố Ký hiệu Các mức Khoản g biến thiên Mức trên +1 Mức cơ sở 0 Mức dƣới –1 Nƣớc/nguyên liệu (v/w) X1 4/1 3/1 2/1 1/1 Nồng độ NaCl (%, w/v) X2 20 12,5 5 7,5
Thời gian ngâm NaCl (h) X3 5 3 1 2
2.2.6. Thử nghiệm quy trình chƣng cất- Đánh giá hiệu suất và chất lƣợng tinh dầu thu đƣợc
2.2.6.1. Thử nghiệm quy trình chưng cất - Đánh giá hiệu suất thu hồi tinh dầu
Tiến hành 3 thí nghiệm song song tách chiết tinh dầu từ vỏ bƣởi nguyên liệu trong điều kiện tối ƣu đã xác lập.
Sau khi chƣng cất, để lắng hỗn hợp trong ống ngƣng tụ đến khi tách hẳn thành 2 pha riêng biệt. Đọc thể tích tinh dầu trên ống ngƣng tụ.
Hiệu suất thu hồi tinh dầu đƣợc tính theo công thức:
% 100 . ) / ( % NL TD m V w v Trong đó:
: Hiệu suất thu hồi tinh dầu (%) VTD : Thể tích tinh dầu thu đƣợc (ml)
mNL: Khối lƣợng nguyên liệu (tƣơi hay khô) đem chƣng cất
2.2.6.2. Xác định các tính chất lý- hóa cơ bản của tinh dầu
Lƣợng tinh dầu sau khi chƣng cất và làm khan nhƣ trên đƣợc đem xác định các chỉ số lý-hóa nhƣ sau:
- Xác định tỷ trọng ở 200
C (d20): phƣơng pháp khối lƣợng, dùng bình đo tỷ trọng (Phụ lục 2) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Xác định chỉ số acid (IA), chỉ số ester (IE) và chỉ số xà phòng hóa (IS) : phƣơng pháp chuẩn độ (Phụ lục 2)
2.2.6.3. Định danh các cấu tử có trong tinh dầu vỏ bưởi
Phát hiện sự có mặt của các cấu tử có trong tinh dầu vỏ bƣởi tại Trung tâm Phân tích và Phân loại hàng hoá xuất khẩu nhập khẩu Miền Trung (số 10 Ngô Quyền, quận Sơn Trà, thành phố Đà Nẵng) trên thiết bị sắc ký khí – ghép khối phổ 2 lần (GC/MS/MS), trong đó: thiết bị GC model G3440A (Agilent Technologies, USA), detector MS model Quattro microTMGC (Waters, USA).
Điều kiện chạy sắc ký:
- Cột phân tích: HP5-MS (30m x 0,25mm x 0,25µm) của Agilent (USA). - Khí mang: He 99,99% ; Tốc độ dòng: 0,6 ml/phút
- Detector khối phổ MS/MS: phân tích bằng kỹ thuật EI (Phụ lục 7) - Nhiệt độ detector và buồng tiêm mẫu: 2500C.
- Pha loãng mẫu 3-5% trong n-hexan. Chia dòng 100:1. - Chƣơng trình nhiệt độ:
Nhiệt độ đầu là 400C; tăng đến 2000
C (30C/phút); giữ trong 2 phút; tăng đến 2500C (30C/phút); tăng đến 3000C (200C/phút) và giữ trong 10 phút.
Hình 2.6. Chƣơng trình nhiệt độ khi phân tích tinh dầu vỏ bƣởi bằng phƣơng pháp GC/MS/MS
- Việc định danh các thành phần trong tinh dầu đƣợc thực hiện bằng cách dùng phần mềm cài đặt sẵn trên máy để so sánh các phổ full-MS và MS/MS của từng cấu tử tách ra trên sắc ký đồ với các phổ chuẩn có trong thƣ viện phổ của NIST2 và của hãng WATERS.
- Mức độ phù hợp giữa chất có trong mẫu nghiên cứu và chất đề nghị đƣợc tính bằng đại lƣợng độ tương thích. Độ tƣơng thích càng cao thì kết quả định danh càng chính xác. Khi phổ khối của một chất phân tích hoàn toàn giống với phổ khối
2 NIST (viết tắt của cụm từ “The National Institute of Standards and Technology”): Viện Tiêu chuẩn và Công
nghệ Quốc gia Hoa Kỳ
40oC 200oC-2phút 250oC 300oC-10 phút 3oC/phút 3oC/phút 20oC/phút
của một chất chuẩn trong thƣ viện thì độ tƣơng thích là đƣợc biểu thị là 1.000. Độ tƣơng thích đạt trên 800 đƣợc xem là cho kết quả có độ tin cậy cao.
2.2.7. Xử lý số liệu
Các kết quả nghiên cứu đều là trung bình cộng của 3 lần xác định song song. Xử lý số liệu bằng phần mềm MS Excel 2003.
Vẽ đồ thị hai chiều bằng phần mềm Excel 2003 và đồ thị ba chiều bằng phần mềm Maple 7.0
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả xác định thành phần khối lƣợng của quả bƣởi Năm Roi
Kết quả xác định thành phần khối lƣợng của quả bƣởi Năm Roi đƣợc trình bày ở bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thành phần khối lƣợng của quả bƣởi Năm Roi
Mẫu
Vỏ
(phần chứa tinh dầu)
Ruột
(phần múi bưởi)
Cùi
(phần cùi bưởi màu trắng) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khối lƣợng (kg) Tỷ lệ (%) Khối lƣợng (kg) Tỷ lệ (%) Khối lƣợng (kg) Tỷ lệ (%) 1 0,24 20,00 0,68 56,67 0,28 23,33 2 0,18 18,00 0,58 58,00 0,24 24,00 3 0,20 16,67 0,67 55,83 0,33 27,50 Trung bình - 18,22 - 56,83 - 24,95
Kết quả trên cho thấy :
- Phần ăn đƣợc trong quả bƣởi Năm Roi chiếm khoảng 56,83% trọng lƣợng tƣơi của quả. Đây cũng là thành phần có ích nhất, đƣợc dùng để ăn tƣơi hay chế biến thành các dạng sản phẩm khác nhau.
- Phần còn lại có thể đƣợc xem là phần bỏ đi trong quá trình chế biến nƣớc ép bƣởi chiếm tới khoảng 43,17% trọng lƣợng quả. Nếu phần vỏ này bị thải bỏ trong dây chuyền chế biến sản phẩm nƣớc ép từ bƣởi thì sẽ sinh ra một lƣợng phế liệu rất lớn, gây ô nhiễm môi trƣờng. Do vậy, việc tận dụng nguồn phế liệu này để chiết xuất tinh dầu là điều có ý nghĩa thực tiễn và giúp nâng cao hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất nƣớc ép bƣởi. Ngoài việc sử dụng phần cùi bƣởi màu trắng để chiết pectin, chúng ta còn có thể tận dụng lớp vỏ ngoài màu xanh của quả bƣởi (flavedo) để thu tinh dầu.
Nhƣ vậy, có thể nói tất cả thành phần của quả bƣởi Năm Roi đều có thể dùng để chế biến thành những sản phẩm có giá trị kinh tế cao. Tuy nhiên, để thực hiện
đƣợc điều này thì song song với việc xây dựng các cơ sở chế biến nƣớc ép quả từ quả bƣởi Năm Roi, cần đầu tƣ bổ sung các phân xƣởng chiết tách tinh dầu và pectin từ phế liệu vỏ bƣởi để có thể sử dụng một cách hiệu quả nguồn nguyên liệu tự nhiên trong nƣớc rất có giá trị này, tăng hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất.
3.2. Kết quả xác định tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu thích hợp
Kết quả nghiên cứu cho thấy: Khi thay đổi tỷ lệ nƣớc cho vào nguyên liệu đem chƣng cất thì thể tích tinh dầu thu đƣợc cũng thay đổi theo (bảng 3.2 và hình 3.1).
Bảng 3.2. Thể tích tinh dầu thu đƣợc ở các tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu khác
nhau Tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu (v/w) 2,0/1 2,5/1 3,0/1 3,5/1 4,0/1 Thể tích tinh dầu (ml) 1,30 1,33 1,41 1,37 1,25 1.30 1.25 1.37 1.41 1.33 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 2.0/1 2.5/1 3.0/1 3.5/1 4.0/1 Tỷ lệ nước/nguyên liệu (v/w) V ( m l) t inh dầ u
Hình 3.1. Ảnh hƣởng của tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu đến lƣợng tinh dầu chƣng cất
Dựa vào kết quả trình bày ở bảng 3.2 và hình 3.1 ta thấy:
Khi tăng tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu từ 2/1 đến 3/1 (v/w) thì lƣợng tinh dầu tách chiết đƣợc cũng tăng theo. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng tỷ lệ này lên thì lƣợng tinh
dầu thu đƣợc lại giảm đi. Điều này có thể đƣợc giải thích nhƣ sau: Khi gia nhiệt hỗn hợp nguyên liệu và nƣớc thì nƣớc sẽ thẩm thấu qua màng tế bào, thâm nhập vào bên trong các tế bào tiết tinh dầu làm chúng trƣơng phồng lên rồi bị phá vỡ. Các cấu tử trong hỗn hợp tinh dầu có trong tế bào tiết sẽ đƣợc khuếch tán ra ngoài rồi bị lôi cuốn theo hơi nƣớc. Nếu sử dụng tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu thấp thì lƣợng nƣớc ngấm vào tế bào không đủ để hòa tan các chất keo của màng tế bào, do đó làm giảm tốc độ thẩm thấu của hơi nƣớc vào bên trong tế bào và tốc độ khuếch tán tinh dầu ra ngoài. Hơn nữa, tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu quá thấp sẽ không tạo ra sự trƣơng nở và áp lực cần thiết để phá vỡ hoàn toàn các túi tinh dầu cũng nhƣ không tạo đủ lƣợng hơi nƣớc cần thiết để lôi cuốn tinh dầu ra khỏi hỗn hợp. Do vậy trong trƣờng hợp này, lƣợng tinh dầu chƣng cất đƣợc sẽ ít. Tuy nhiên, nếu tỷ lệ nƣớc quá nhiều (> 3,0/1 v/w) thì những cấu tử tinh dầu có tính phân cực khá cao (aldehyt, xeton, este,…) sẽ tan nhiều vào nƣớc, do vậy lƣợng tinh dầu thu đƣợc trong ống ngƣng tụ cũng sẽ giảm đi. Nhƣ vậy, tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu thích hợp là 3/1 (v/w).
3.3. Kết quả xác định nồng độ NaCl thích hợp
Từ kết quả thí nghiệm đƣợc trình bày ở bảng 3.3 và hình 3.2 có thể nhận thấy rằng: thể tích tinh dầu thu đƣợc phụ thuộc vào nồng độ NaCl trong dịch ngâm nguyên liệu trƣớc tiến hành chƣng cất.
Bảng 3.3. Thể tích tinh dầu thu đƣợc khi ngâm ở các nồng độ NaCl khác
nhau
Nồng độ NaCl(%, w/v) 0 5 10 15 20
1.30 1.40 1.33 1.37 1.43 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 0% 5% 10% 15% 20% Nồng độ NaCl (%, w/v) V (m l) ti n h d ầ u
Hình 3.2. Ảnh hƣởng của nồng độ NaCl đến lƣợng tinh dầu chƣng cất
So với mẫu không ngâm NaCl, tất cả các mẫu đƣợc ngâm muối trƣớc khi chƣng cất (nồng độ NaCl thay đổi từ 5 20% w/v) đều cho lƣợng tinh dầu thu hồi cao hơn đáng kể. Nhƣ vậy, rõ ràng việc thêm muối ăn vào dịch ngâm có tác dụng làm tăng hiệu suất thu hồi tinh dầu.
Một điều đáng lƣu ý nữa là việc tăng hiệu suất tách tinh dầu không đồng biến với nồng độ NaCl. Khi tăng nồng độ muối từ 0% - 10% (w/v) thì lƣợng tinh dầu chƣng cất tăng theo. Nhƣng nếu nồng độ NaCl vƣợt quá 10% thì lƣợng tinh dầu thu đƣợc lại giảm đi.
Tất cả những điều trên có thể đƣợc lý giải nhƣ sau:
- Lƣợng NaCl thêm vào dịch ngâm nguyên liệu không chỉ có tác dụng giúp tăng khả năng thẩm thấu của nƣớc bên trong tế bào ra ngoài (kéo theo các cấu tử tinh dầu) mà còn làm tăng độ phân cực của dung dịch và giảm tƣơng tác giữa các cấu tử tinh dầu (kém phân cực) với nƣớc. Nhờ đó, tinh dầu dễ dàng bay hơi hơn trong quá trình chƣng cất.
- Tuy nhiên, nếu ngâm nguyên liệu ở nồng độ NaCl quá cao (15%-20% w/v) thì màng tế bào của nguyên liệu sẽ bị co rút lại làm giảm kích thƣớc các lỗ xốp trên màng tế bào (hiện tƣợng co nguyên sinh), do đó quá trình khuếch tán các phân tử
tinh dầu ra khỏi tế bào sẽ trở nên khó khăn hơn, từ đó làm giảm hiệu suất thu hồi tinh dầu. Nhƣ vậy, nồng độ NaCl trong dịch ngâm đƣợc cố định là 10% (w/v).
3.4. Kết quả xác định thời gian ngâm muối NaCl thích hợp
Thời gian ngâm muối trƣớc khi chƣng cất cũng là một trong các yếu tố ảnh hƣởng đến lƣợng tinh dầu thu đƣợc.
Bảng 3.4. Thể tích tinh dầu thu đƣợc ở các thời gian ngâm NaCl khác (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nhau
Thời gian ngâm NaCl (h) 1 2 3 4 5
Thể tích tinh dầu(ml) 1,25 1,40 1,50 1,35 1,20 1.40 1.50 1.20 1.35 1.25 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1 2 3 4 5
Thời gian ngâm NaCl (h)
V ( m l) t inh dầ u
Hình 3.3. Ảnh hƣởng của thời gian ngâm NaCl đến lƣợng tinh dầu