Công nghệ chất thơm thiên nhiên - Nguyễn Năng Vinh

NGUYÊN NĂNG VINH - NGUYÊN THỊ MINH TÚ

CÔNG NGHỆ

NGƯYẺN N Ă N G V IN H - N G U YỀN THỊ M IN H TÚ

CÔNG NGHỆ

MỤC LỤC

ChưoTig I. MỞ ĐÀU... ... 5

ỉ. Giới th iệ u ... 5

II. Tình hình sản xuất chất thơm... 6

Chưong II. Nguyên ỉiệu sản xuất chất thơm... 11

I. Giới th iệ u ... 11

II. Sự tạo thành và biến đồi chất thơm trong thực vật...14

III. Yêu cầu đối với nguyên l i ệ u ... 15

IV. Thời gian vận chuyên nguyên liệ u ... 15

V. Yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chat lượng nguyên liệu khi bảo quản... 16

Chương III. Phương pháp tách tinh dầu...18

I. Phân loại các phương pháp tách chất thơm... 18

II. Phương pháp chưng cất...20

III. Nguyên nhân ảnh hưởng chi phí hơi nước chưng cất tinh dầu...28

IV. Nhiệt độ chưng cất...30

Chương IV. Thiết bị chưng c ấ t... 32

I. Thể tích thiết bị chưng cất... 33

II. Các phần của thiết bị chưng cất... 34_t III. Vật liệu làm nồi cất...37

IV. Các thiết bị chumg cất gián đoạn... 38

V. Thiết bị chưng cất bằng phương pháp liên tục... 45

Chương V. Tính toán thể tích và thiết bị chưng cất, truyền nhiệt và phân ly .51 I. Thể tích của thiết bị chưng Gất...51

II. Thiết bị truyền nhiệt...62

III. Thiết bị phân ly...74

IV. Xử lý tinh dầu thô... 81

Chương VI. Thu hồi tinh dầu từ nước chung... ... ... 87 Chương VII. Các phương pháp khác tách chất thơm thiên nh iên ... 96 ỉ. Phương pháp tách nhựa dầu bằng trích ly... ... 96 II. Phương pháp tách dầu thơm/sáp thơm bằng dung môi không bay hơi và

bằng phương pháp cơ học...105 TÀI LIỆU THAM KHẢO... ...i 13

Chương I

MỞ ĐẦU

I. GIỚI THIỆU

Trong thiên nhiên hâu như liên tục xảy ra thay đổi, được gọi là những quá trình. Nếu những quá trình đỏ tự xảy ra mà không có sự tham gia hoặc theo ý muốn của con người thì được gọi là nhừng quá trình tự nhiên. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, con người cần thiết phải đi sâu vào nghiên cứu một cách tương đối có hệ thống và phân tích cụ thể những hiện tượng đã thu thập được. Nhàm mục đích đó, cần phải tiến hành thực hiện bằng cách tạo ra những quá trình đã xảy ra trong thiên nhiên, ở điều kiện phòng thí nghiệm để có thể nghiên cứu những yếu tố cá biệt, điều kiện tiến hành và hướng đi của các quá trình. Những minh họa bằng cách nhân tạo như vậy được gọi là quá trình thực nghiệm. Những minh họa nếu được thực hiện trong phạm vi lớn, nhằm mục đích chế biến được nhừng sản phẩm của thiên nhiên hoặc phẩm vật cần thiết cho xã hội thì được gọi là những quy trình kỹ thuật. Một trong những môn khoa học nghiên cứu các quy trình kỹ thuật và những phương pháp chế biến từ nguyên liệu thiên nhiên thành những sản phẩm cần thiết cho nhu cầu xã hội, với điều kiện tiết kiệm được nguyên liệu và lao động, có hiệu quả kinh tế là môn Công nghệ chất thơm thiên nhiên.

Cán bộ kỹ thuật của ngành kỹ thuật công nghiệp này cần phải biết chi tiết về nguyên Hệu, nhằm khai thác triệt để những chất thơm có trong nguyên liệu và nhất là không làm thay đổi hương vị tự nhiên của nguyên liệu, do tính chất của chất thơm hay các hợp chất thiên nhiên nói chung dưới tác dụng của ánh sáng, không khí, nhiệt độ và các yếu tố khác thì tinh chất của chúng sẽ bị thay đồi đo bị nhựa hoá và oxy hoá...

Nhiệm vụ chù yếu của công nghiệp sản xuất chất thơm và các hợp chất tự nhiên nhằm cung cấp một cách tương đối ttiòả mằn cho những ngành công nghiệp cần thiét đến chất thơm và các hợp chất khài thác từ thiên nhiên như công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, hóẩ mỹ phẩm, hoá chất, giấy, môi trường... Trong số đó, có thể kể đến một số ngành quan trọng như sau: Tổng hợp các chất thơm, Hương phẩm, Xà phòng, Đồ hộp, Gia vị, Bánh kẹo, Bánh mì, Rượu, Nước giải khát, Chè, Cà phê, Thuốc lá, Thuốc chữa bệnh. Mỗi ngành công nghiệp kể trên lại cần có những yêu cầu về chất thơm và hợp chất thiỗh nhiên khác nhau. Tổng hợp chất

thơm cần đến nhừng loại chất thơm thiên nhiên để làm nhiên liệu trung gian, từ đó có thể sản xuất ra những chất thơm khác hiếm hoặc khồng có trong thiên nhiên. Hương phẩm cần có những chất thơm thể hiện được mùi của nguyên liệu thiên nhiên ban đầu một cách tinh khiết hơn. Đáp ứng yêu cầu này tương đối khó vì mùi vị thường được đánh giá do chủ quan của con người, chưa có tiêu chuẩn cụ thể và chi tiết để so sánh như đối với thành phần và tính chất của chất thơm. Để đánh giá mùi vị cần có những chuyên gia đặc biệt có nhiều kinh nghiệm. Một số ngành công nghiệp khác cũng cần bổ sung chất thơm, nhưng yêu cầu tương đối đơn giản hơn, chỉ cần có chất thơm của nguyên liệu là đủ. Và ở đây cũng không yêu cầu đánh giá cùa những chuyên gia kinh nghiệm, mà chỉ cần sự đánh giá của người sản xuất.

Ngoài các ứng dụng trên của chất thơm, hiện nay các nghiên cứu đang đi sâu vào thành phần, tính chất đặc trưng của chất thơm và hom thế nữa nghiên cứu hoạt tính có lợi đáp ứng yêu cầu của sản phẩm phục vụ nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng. Nhiều công trình khoa học đã chứng minh chất thơm và các hợp chất thiên nhiên có nhiều tính chất quí giá như khả năng chống oxi hóa, kháng khuẩn, chống ung thư... Với những két quả này, ngày nay nghiên cứu ứng dụng chất thơm và các sản phẩm thiên nhiên cho các sản phẩm như thực phẩm chức năng, thuốc tăng lực, thuốc chữa bệnh;., đang được đầu tư và quan tâm. Trong các ngành công nghiệp sản xuất hàng hoá phục Vụ đời sống riói chung và công nghiệp thực phẩm nói riêng, tinh dầu - sản phẩm chất thơm thu được từ phương pháp chưng cất và sàn phẩm thu được từ trích ly là các sản phẩm được nghiên cửu và ứng dụng rộng rãi nhất.

II. TÌNH HÌNH SẢN XUÁT CHÁT THƠM

Chất thơm được biết đến từ lâu. Ngay từ thời thượng cổ người ta đã đùng đến các loại cây có chất therm ở dạng phơi khô, Đến giai đoạn trung cồ khoảng thế kỷ XV, người ta đã biết dùng các loại rẹ cây có cỊiất thơm để thờ cúng. Từ thế kỷ XV - XVII, chất thom đã được dùng để làm các chất thơm cho tóc và da mặt, làm thuốc và trong đời sống hàng ngày. Từ thế kỷ XVII - XIX, chất thơm được dùng để trang điểm, làm thuốc và dùng trong công nghiệp với phạm vi rộng hơn. Trong giai đoạn này các chất thơm cũng được các nhà hoá học nghiên cứu và áp dụng vào sản xuất với phạm vi cộng nghiệp. Đến thế kỷ XX, chất thơm được phát triển rộng rẵi, chiếm vị trí quan trọng trọng sặn Ẩuất nguyên liệu hoạ học phục vụ công nghiệp hương phẩm, thực phẩm, dệt luyện kim...

Đầu thế kỷ XVI, khoa học đẳ ĩígbiệiỉ cứu đựợợ, 14 loại chất thơm khác nhau như: cánh kiến, hỗng* thông, iỊuề, ròsinannr muskat,. . Đến cuối thế kỷ XVI, đã biết thêm được 62 loại chất thqrạ nprạ, và. tv^ thế Jcỵ XỊẸXÍ, đjến nay, hầụ nhu các loại chất thơm đã được nghiện cứy lặd rnột each CQ hệ thống. Từ những thàntL tựu nghiên cứu?ịchất thom đẫdần 4ầo <Ị^cứnạ4ụỊì|Ịvàotrọqg san xuất, V

Các loại cầy cỏ chứa chất thơm phô biến ở Việt Nam

Như chúng ta đã biết, nước ta thuộc vùng Á nhiệt đới có gió mùa, gần đường xích đạo, nhiệt độ trung bình hàng năm khá cao, mưa nhiều trong những tháng 5 - 7 dương lịch. Lượng nước mưa trung bình từ 1500 - 3000 mm, độ ẩm tương đối cao về mùa hè từ 85 - 95%, với điều kiện ấm và ẩm như vậy rất thuận lợi cho việc phát triển các loại thực vật nói chung trong đó có các loại cây có chất thơm ở nước ta.

1. Hồi ựỉỉicium verum Hoocker): tập trung chủ yếu tại tỉnh Lạng Sơn, với diện tích 29.841 ha, sản lượng 3.717 tấn (năm 2004). Tinh dầu thu được chiếm đến khoảng 90% thành phần trans - anetol. Năm 2005, La Roche đã chiết tách thành công acidshikimic chiếm khoảng 10% từ hồi, thành phần chính trong chuyển hoá sàn xuất thuốc oseltamivỉr (tên thương mại tamiflu), loại thuốc hữu hiệu nhất hiện

nay cỏ tác đụng ức chế virus H5N1.

2. Sả: bao gồm sả Java (Cymbopogon winterianus\ sả chanh (Cymbopogon

Jlexuosus/citratus), sả hoa hồng (Cymbopogon martini Stapj) và một số giống khác.

Sả Java được trồng phổ biến tại tỉnh Tuyên Quang, mỗi năm sản xuất trên 400 tấn. Hợp tác xã Hải Hà, huyện Chiêm Hoá, Tuyên Quang, mỗi nãtn có thể sản xuất 30 tẩn tinh dầu. Sả còn được trồng tại Hàm Yếri, Sơn Dương, Yên Som, Hà Giang, Đắc Nông, Nghệ An, Hà Tĩnh. Thành phần chính trong tinh dầu sà Java là citronellal, citronellol, geraniol. Trong thương mại tỷ số citronellal/geraniol được sử dụng để đánh giá chất lượng tinh dầu sả. Sả có thể phát triển tốt trên-'cấc loại đất cằn cỗi, bạc màu, có khả năng chống xói mòn cũng như cải tạo đất, phát triển tốt từ miền núi tới vùng biển. Thành phần sả chanh khác với cáé loại sả khác ở hàm lượng citral khả cao. Sả hoa hồng cho tinh dầu rất tham và cỏ giả trị kinh tế cao dó thành phần chính là geraniol lên tới 80%.

3. Màng tạng (Litsea cubbeba): tìm thấy phổ biến ở các tỉnh Lào Cai, Hòa Bình, Tuyên Quang, Phú Thọ, Sơn La, Lai Châu hàng năm khai thác 20 - 30 tấn tinh đầu! Thằnh phần chính là citral lên đến 75%.

4. Bạch đàn {Eucalyptus): bặch đàn chanh (Eucalyptus citrìođora), bạch đàn xanh (Eucalyptus gỉổbuỉủs) mọc hầú hết ở các tỉnh nhưng nhiều nhất là ở Móng Cái (Quàng Ninh). Tinh dầu bạch đàn chanh có đến 70 - 80% citronellal trong khi đó tỉnh dầu bạch đàn xarih cỏ tới 63 - 73% òíneol.

5. Quế (Cinnamomum cassia): được trồng nhiều ở Ỷên Bái, Quàng Ninh, Thanh Hóa, Quảng Nam, Quảng Ngãi. Tinh dầu quế có mặt trong lá, cành, rễ, vó với thành phần rất khác nhau. Tinh dầu qùế thu hồi từ vỏ cồ thành phần chính là cinamaldehyde (70 - 90%) ngoài ra cồn cò các chất ktìác như cinamyl acetate, octo - methoxy cinnamaldehyde, cumarin với hàm lượng trong giới hạn yêu cầu. Khi chưng cất phân đoạn tinh dầu quế cần giữ nhỉệt độ sôi thấp vì ở nhiệt độ 150°c tinh đầu phân hủý itiặnh tạo acid ácetic.

6. Xá xị: còn gọi là cây vù hương, re hương. Tinh dầu thu được từ gốc cây xá xị đà khai thác gỗ lâu ngày thường có chất lượng cao, hàm lượng safrol có thể đạt đến 96%.

7. Pơ mu (Ngọc Am, Tokienỉa hadginsie): trồng nhiều tại các vùng Tây Nguyên và các tỉnh phía Bắc, thi trường tiêu thụ của tinh dầu pơ mu khá lớn tại Việt Nam và trên thế giới. Thành phần chính tìm thấy trong tinh dầu pơ mu là foukienol và nerolidol, với hàm lượng 60 - 70%,

8. Dó bầu (Aquilaria crassna Piere ex Lecomte thuộc họ Thymelaeaceae): là loài cây có giá trị kinh tế cao, các mảnh gỗ từ cây dó bầu gọi là Trầm hương, sử dụng trong các hoạt động tâm linh, hiện nạy được mua bán, trao đồi và sừ dụng rộng rãi tại Ả Rập, Hồng Kông, Ai Cập, Nhật, Trung Quốc, riêng Đài Loan từ 1993 - 1998 nhập về 4500 tấn. Cây dó bầu phân bố ở Đông Dương, tập trung nhiều ở Campuchia và ở Việt Nam, tìm thấy nhiều ở các tỉnh Khảnh Hòa, Phú Yên, Bình Định, Lâm Đồng, Phú Quốc. Hiện nay cây dó còn được trồng nhiều ở các tỉnh Nghệ An và Hà Tình. Trầm hương, được cho là tác nhân gây kích thích, tiêu trừ nhiều chứng bệnh như ứ khí, đầy hợi trong cơ thể, sốt rệt. Theo con .đường tự nhiên chỉ 10% cây dó trưởng thành có thể sinh trầm sau khi đã trải qua thời gian mạng bệnh từ 1 0 - 2 0 Dăm. Các thành phần chất thơm ịCỦa trầm hương được coi là hợp chất thứ cấp sinh ra do những loại nấm kỵ sinh trên vật chủ là cây dó. Tù’ đầu những năm 80 ở Việt Nam đã bắt đầụ cọ những nghiên cứu Cấy tạo trầm hương, kích cảm bằng các phương pháp cơ gỉới, hóa học và sinh học, nhưng phổ biến là dùng phương pháp sinh học với các chủng nấm gây kích cảm là Aspergillus

phoenịcis (Cda)Thom, Pénicỉỉỉium citrinum Thom và Pénicỉỉỉỉum sp. Trầm hương

hiện nay được dùng rộng rãi trong công nghiệp mỹ phẩm, thực phẩm chức năng và dược phẩm. Chất lượng tinh dầu trầm Việt Nam được đánh giá cao trên thị trường, giá ban từ 10.000- 14.000 USD/lit con Kỳ Nam từ 30.000 -35.0Ọ0 USD/kg.

Nghiên cứu về thành phần hóa học của Ịinh dầu trầm hương cho thấy sesquiterpene chiếm hàm lượng lớn, các khụng selinane, guaiane, vetivane, eudesmane và valencane tạọ nẹn tảng hình thành lên số lượng cấu tử sesquiterpen vớị thàỉih phần ancohọl, aldehyde, ketone đa dạng. Các cấu tử a-(p)-agarofuran, jinkoh - elemol, eudesmol, selinol, cùng rất nhiều guainol, guainal là các cấu tử tiêu biểu tạo thành một tổ hợp hương đặc trưng cho tinh dầu trầm và tăng thêm khả n ^ Ẹ b |jỉin u i mà hỉếm loại tinh dầu khác itóọ đạt được.

: ^ ^ ^ $ w jụ ứ e la ỉẹ u c a ccụepịịti Roxb ): Tinh dầu tràm được sản xụẫt hàng nặm tại các tinh Nạm bộ và Trung họ. Hàpi itrpng cinẹọl cùạ tinh đầu tràm chiếm

khoảng 55 - 65%. „ ir . , . K .

10. Hựơng bài (Hương lau, Vẹntiveria zizanoidẹr);. loại cậy này được trồng ven sông, ven biển Tiền Hải (Thái Bình). Thành phầ& chính trong tinh dầu và concret

hương bài chiết tách bằng phương pháp trích ly bàng CO2 siêu tới hạn là humulene,

caryophylỉene, cedrene, cadinene, khusimone, khusimol, zizanol và vetivone. 11. Hương nhu (Ocỉmum gratissimum) trồng nhiều ở Hải Dương và Hưng Yên. 12. Hoắc hương (Pogostemon patchouli).

13. Bạc hà íMenthepìperita) trồng ở một số hợp tác xã và mọc hoang dại ở một số tỉnh Lào Cai, Lai Châu, Sơn La.

14. Hương diệp (phong lừ) Geranium roseum.

15. Keo (Acacỉaparnrsiana) mọc nhiều ở Móng Cái (Quảng Ninh).

16. Cánh kiến (Styrax benzoides, Styrax Tonkinesis) tìm thấy ở Hòa Bình và các tinh Vĩnh Phú (cũ)ị, Tuyên Quang.

17. Sau sau (Nhựa thau, Tô hạp hương, Liquidambar Formosa) mọc ợ Lạng Sơn, Hòa Bình.

18. Chồi xể (Thanh hao, Baeckeafrustes censỉ) có ở Thái Nguyên, Quáng Ninh, Hòa Bình. Nguyên liệu hiện đang được trồng và khai thác phục vụ sản xuất thuốc chống sốt rét.

19. Trảm (Canarium lupteronaỉba) mọc ở Thái Nguyên, Phú Thọ. 20. Khuynh diệp (Melaleuca cajeput) mọc ở Quảng Bình, Thái Nguyên. 21. Hoàng đàn (Dactydium bỉatum) mọc ở Lạng Sơn.

22. Gừng (Zingiber officinalis) có hầu hết các nơi, nhiều nhất ở Hòa Bình, Yên Bải, Lạng Sơn.

23. Thiên niên kiện (Hoỉbuelĩia angustissina dieỉs) mọc ở Phú Thọ, Quảng Ninh, Hà Bác (cũ)

24. Xuyên tiêu (Xanthosylum nitidux).

25. Thông (Pinus): Loài cây trồng được trồng suốt từ Nam ra Bắc, đặc biệt là ở Quảng Ninh. Tại đây cũng có nhà máy sản xuất tinh dầu thông và tùng hương (colophan) lớn nhất nước ta. Ngoài ra còn cỏ các loại tinh dầu như dầu thông Pinus

merkusii loại 2 lá đang khai thác ở Quảng Ninh, Nghệ An, Thái Nguyên và Pinus massoniana (mã vì) mọc ở các vùng biên giới Việt Trung.

26. Còn rất nhiều loại cây hoa quả khác như thảo quả ở Lào Cai; cam, chanh, quýt, bưởi ở vùng nào cũng có và đang được khai thác nhất ở các nông trường; các loại như hoa nhài, hoa hồng, huệ, Ylang - Ylang; các loại thú rừng như cầy hương, cá voi.

Nhin chung khí hậu và đất đai của nước ta rất thuận lợi, tạo điều kiện phát triển các loại cây có chất thơm một cách dễ dàng, đây cũng là một trong những nguồn thu nhập ngoại tệ của nhà nước. Hiện nay nhiều dự án, đầu tư được tập trung vào hướng khai thác các nguồn nguyên liệu thiên nhiên, thân thiện môi trường, phục vụ sức khỏe cộng đồng.

Tuy vậy sán xuất chất thơm ở nước ta còn nhỏ lẻ, dưới dạng thủ công, trình độ kỹ thuật còn thấp, đầu tư chưa cao và dội ngù cán bộ khoa học kỹ thuật so với các ngành khác còn thấp. Trong phát triên chưa có sự phối hợp giữa các cơ quan liên quan như ngoại thương, nông trường, lâm nghiệp... chưa có kế hoạch phát triến một cách toàn diện từ khâu điều tra cơ bản về nguyên liệu sau đó tiến hành điều tra kế hoạch có trọng tâm nghiên cứu và phát triển gây trồng các loại cây đặc sản. Các loại nguyên liệu từ hoa có giá trị kinh tế cao chưa được chú ý phát trien, chưa có kế hoạch và phương hướng nghiên cứu cụ thể. Việc chuyển hoá tổng hợp một số chất thơm cần thiết cho thực phẩm và hương phẩm, cũng như nâng cao giá trị của sản phẩm còn hạn chế. Chưa có đủ thiết bị dụng cụ chính xác đáng tin cậy để có thể nghiên cứu một cách hoàn chỉnh và đánh giá đúng mức các sản phẩm.

Chương II

NGUYÊN LIỆU SẢN XUÁT CHÁT THƠM

I. GIỚI THIỆU

Nguyên liệu có chứa chất thơm phần lớn được khai thác từ các loại thực vật hoặc động vật khác nhau. Mỗi loại nguyên liệu có một mùi hương khác nhau tùy thuộc vào thành phần.

Chất thơm ở trong nguyên liệu thực vật thường ở dạng tự do vì vậy rất dễ dàng tách bằng các phương pháp chưng cất với hơi nước hoặc các phương pháp khác. Một số chất thơm ở dạng liên kết với các nhóm glucozit hoặc với một số chất khác, vì vậy trước khi lấy cần phái áp dụng phương pháp lên men.

về thành phần hoá học tinh dầu là một hồn họp phức tạp bao gồm hầu hết

các loại hợp chất hừu cơ thuộc loại mạch thẳng, mạch vòng. Những mạch này lại được chia ra thành các hợp chất có chứa hydro như tecpen, dẫn xuất của tecpen, những hợp chất thơm là dẫn xuất của benzen... Nhừng cấu tử của tinh dầu ta th­ ường gặp là hydrocacbon, alcol, keton, aldehyde, ether và ester...

Các chất hữu cơ có giá trị trong chất thơm đứng đầu về mặt hương phẩm là ester và những hợp chất có chứa oxy, tecpen thường ít cỏ giá trị, do vậy phải tách bớt ra để tăn^ cao phẩm chất của chất thơm.

Mùi thơm của chất thơm chính là do sự bay hơi và khả năng tác động nhất định của các cấu tử bay hơi lên các tế bào thần kinh khứu giác. Mức độ bay hơi của các cấu tử này có thể xác định được bằng trọng lượng của chất đó bay đi ở một nhiệt độ nhất định, trên một đơn vị diện tích, trong một đơn vị thời gian. Theo Henry: nếu lấy một chất để ở nhiệt độ bình thường trên một diện tích là lm m2 trong thời gian ls, lượng bay hơi là 0,00 lmg làm đơn vị so sánh thì độ bay hơi của một số chất thơm cụ thể được biểu diễn bằng các số liệu sau:

Bảng 1. Độ bay hơi của một số tinh dầu

STT Tinh dầu Độ bay hơi (mg)

1 Rosmarin 0,0446

2 Bạc hà 0,0354

3 Cam đắng (bergamot) 0,0331

4 Oải hương 0,0292

Mặc dù lượng chất thơm trong không khí ít như vậy, nhưng băng khứu giác chúng ta dề dàrm nhận thấy nếu ta ngửi ở gần bề mặt bay hơi cua tinh dâu. Thí dụ: tinh dầu lonií nào chỉ cần 0,2 X 10 6 gam đà đủ bào hòa trong 5cnr không khí, lg muskus đủ làm thơm cho một phòng có kích thước 5m X 100m X 1000m. Vì tinh dầu rất dễ bay hơi như vậy nên đòi hỏi các thiết bị đựng tinh dầu phải thật kín. Người ta tính rằng: nếu cất linh dầu Geranium trong nhừng thiết bị chưng cất gián đoạn đóng mơ nắp bình thường chỉ trong 1 ngày đêm, nếu nhà máy có 50 nôi cât 2 kg tinh dầu sé bị bay hơi.

Mồi một loại cây thường cho chất thơm đặc trưng, và chất thơm được phân bổ hầu như đến khắp ở các phần cây. Nhưng cùng có một số loại cây lại cho chât thơm khác nhau ở mồi phần khác nhau của cây. Ví dụ: vỏ cây quế chứa nhiều cinamic aldehyde, lá cây chứa eugenol, rễ cây chứa camphor. Tương tự như vậy, rất dễ nhặn thấy ở một số loại cây ở họ cam, chanh. Chất thơm chủ yếu phân bố trong vỏ quả. Trong công nghiệp người ta chỉ chú ý sử dụng những phần của cây mà trong đỏ có chứa nhiều chất thơm. Do đó nguyên liệu chất thơm được chia ra thành các nhóm:

1. Loại nhóm quả, hạt: Bao gồm các loại chứa chất thơm trong quả và hạt. 2. Nhóm cỏ lá: Bao gồm các loại có chứa chất thơm trong các lá hoặc các phần xanh của cây mọc trên mặt đất.

3. Nhóm hoa: Chất thơm từ các loại hoa nói chung là nhừng tinh dầu có giá trị hơn cả. Người ta nhận thấy ràng do sự biển đôi màu hoa có ảnh hưởng đến mùi thơm.

4. Nhóm rễ, củ, vở: bao gôm các loại có chứa chất thơm trong rề, CU, vở cây và các chôi, búp.

Bảng 2. Phân bố chất thơm (tinh dầu) trong một số nguyên liệu

Nhóm

nguyên liệu Hồng Lavarì Hồi Mùi Hương bài Hương nhu Sả

Hoa *** *** ** - - ** * Lá - * * ** - *** *** Cành - * * - - - -Rễ - - - - ■*** - ★ Quả - - ★ ** *** - ■k-k

-***: tinh dầu có lượng lớn đủ dùng trong kỹ thuật **: tinh dầu có ít nhưng phẩm chất vẫn bảo đảm

Chất thơm phân bố trong nguyên liệu phụ thuộc vào các cơ quan tạo ra chất thơm. Những cơ quan này được chia ra như sau:

1. Cơ quan bên ngoài hay cơ quan ngoại sinh, là những cơ quan được phân bô trong tế bào hoặc nhừng hạch ở phía bên ngoài của thực vật, có liên kết với nhừng nguồn gốc sinh ra của biểu bì. Nhừng cơ quan ngoại sinh bao gồm các tuyến cỏ vêt hay tóc hoặc tuyên vây.

2. Cơ quan bên trong hay còn gọi là cơ quan nội sinh, là nhừng cơ quan phát triên bên trong những tế bào của thực vật và được chia ra thành các hạch tế bào, túi tế bào...

Sự phân bố các cơ quan tạo ra chất thơm trong các loại cây có chất thơm trên trái đất nói chung thường ở dạng tuyến tóc.

Những tuyến này đặc trưng cho các họ cây chứa chất thơm quan trọng trong công nghiệp như họ gê - ran, họ hoa hỉnh môi... còn các loại tuyến gian bào phân sinh thì đặc trưng cho các ỉoại hoa hình tán, họ các hoa phức tạp.

Hình 1. Phân bố chất thơm (tinh dầu) trong nguyên liệu

Bàng 3. Hàm lượng chất thơm (tinh dầu) trong một số nguyên liệu

STT Nguyên liệu Hàm lượng tinh dầu (%)

1. Đinh hương 1 6 -2 4

2. Quả hồi 7 - 1 4

3. Lá sả 0 ,4 -1 ,5

4. Hoa hồng 0,20 - 0,30

II. s ự TẠO THÀNH VÀ BIÉN ĐỐI CHÁT THƠM TRONG THỰC VẠT

Sự tạo thành chất thơm trong cây cho đến nay chưa có một lý thuyết nào chứng minh bằng thực nghiệm thật đầy đủ. Vì vậy việc đi đến một kết luận chăc chắn còn gặp nhiều khó khăn. Một số giả thuyết cho rằng đầu tiên protit và gluxit được tạo thành và sau đó từ những chất này tạo ra chất thơm, các cấu tứ chất thơm thường tác dụng kết hợp di truyền, bởi vậy thường gặp ở trong chất thơm các loại alcohol, aldehyd, ester, keton tương ứng với các loại alcohol no và không no tương tự.

Đối với chất thơm là tinh dầu geraniol và citronelol, citral thường gặp trong một số loại tinh dầu họ quả có múi (Citrus). Trong tinh dầu hồi có thể tìm thấy anetol, acitalnic anicaldehyde. Trong tinh dầu bạc hà có menthol, ester jeovanlerianat, menthone và mentol acetate... Đã có nghiên cứu trên sự biến đổi của tinh dầu trong các giai đoạn phát triến của cây cũng như trong các phần cây có chứa tinh dâu, kêt quả cho thấy những biến đổi đó có tính chất quy luật luôn giống nhau. Trong quá trình phát triển của cây chỉ số chiết quang và trọng lượng riêng của tinh dầu thìa là tăng dần, đồng thời độ quay cực giảm dần, hiện tượng xảy ra hoàn toàn ngược lại đối với lá, chỉ số chiết quang và trọng lượng riêng giảm dần và độ quay cực tăng. Neu xét về sự biến đổi hoá học trong quả có xu hướng tích lũy dần các hợp chât chứa oxy còn trong lá có xu hướng tích lũy dần các hydrocarbon. Nhiều kết quả nghiên cứu Viện di thực Trung ương Liên xô cũ cho ta một số kêt luận sau:

1. Tinh dầu tạo thành luôn luôn thay đổi tùy thuộc vào mức độ phát triển của cây, kết hợp với các chức năng của chúng ở từng giai đoạn (ra hoa, kết quả hoặc mất đi các chất dinh dường dự trữ...) và sự thay đổi đó chịu ảnh hưởng của hàng loạt những định luật cân bằng liên tục.

2. Thay đổi của tinh dầu trong cây có xu hướng tích lũy dần những hợp chất oxy nhiều hơn các hợp chất khác.

3. Cấu trúc khác nhau trên cùng một loại cây tạo tinh dầu khác nhau do vậy ta thường thu được những loại tinh dầu khác nhau trong cùng một loại cây.

4. Quá trình biến đổi tinh dầu ở các cơ quan khác nhau của cây trong suốt thời gian phát triển cũng không giống nhau, mà chỉ đặc trưng cho cơ quan đó mà thôi.

Trên cơ sở đă nêu trên, ta có thể xác định được thời gian thu hoạch tinh dầu của mỗi loại cây nhằm vào lúc cây có nhiều tinh dầu nhất. Cũng như tiêu chuẩn hoá được các loại tinh dầu theo giai đoạn phát triển của cây, để có thể thu được tinh dầu có phẩm chất thuần nhất. Bảng 3.4 là một vài số liệu về sự thay đổi hàm lượng tinh dầu có trong một số loại cây qua từng giai đoạn phát triển và các cơ quan khác nhau của cây đó.

Bảng 4. Hiệu suất tách chất thơm (tỉnh dầu) từ một số nguyên liệu

Hiệu suất tinh dầu tính theo trọng lượng khô tuyệt đói

Cuộng hoa và các chùm hoa Lả từ cây đă n ở hoa Cành từ cây đã nở hoa

Oải hương 2,49 0,27 0,04

Mùi 1,32 0,32

-Hạt thìa là 0,04 1,90

-Qua bảng trên ta thấy trong trường hợp chất thơm là tinh dầu được tích luỹ nhiều hơn ở trong các cơ quan tạo ra quả như là hoa, ít hơn ở trong lá và ít hơn nữa ở trong cành. Nhưng đôi khi cũng có trường hợp ngược lại như ở cây Geran tinh dầu có nhiều trong lá, ít hơn trong hoa và hoàn toàn không có trong nhị hoa. Ngoài ra điều kiện địa lý, khí hậu thời gian thu hoạch cùng có ảnh hưởng đến hàm lượng tinh dầu hình thành trong cây. Tinh dầu xả hoa hồng trên 1 ha năm đầu thu được 20 kg tinh dầu, trong khi đó năm thứ 2 thu được lên 60 kg và trong năm thứ 3, năm thứ 4 mỗi năm thu được 70 kg.

III. YÊU CÀU ĐỐI VỚI NGUYÊN LIỆU

Khi sử dụng một loại nguyên liệu nào đó, cơ sở sản xuất cần phải chú ý tới độ tươi của nguyên liệu, vì phần lớn nguyên liệu càng tươi thì càng có nhiều chất thơm hơn, đặc biệt đối với loại nguyên liệu có mùi thơm như hoa. Nếu nguyên liệu sau khi thu hái về không có điều kiện chế biến ngay, cần tìm biện pháp để bảo quản tránh cho nguyên liệu khỏi bị tự bốc nóng, lên men, mốc và hỏng, Muốn vậy nguyên liệu cần phải rải từng ỉớp mỏng, tránh bết dính. Nguyên liệu cần thu hoạch đúng lúc khi hàm lượng chất thơm và phẩm chất chất thơm tốt nhất. Mức độ chín của nguyên liệu thường không đồng đều, khác nhau tùy thuộc vào mỗi loại nguyên liệu, nhưng riêng đối với các loại hoa, thời điểm tốt nhất là lúc hoa nở hoàn toàn, đối với các loại quả ìà lúc vừa chín tới... Ngoài ra khi thu nhận nguyên liệu còn phải xét đến độ sạch, lưu ý những tạp chất lẫn trong khi thu hoạch. Ví dụ đối với nguyên liệu hoa, lá cành, với các loại cỏ là những tạp chất không mong muốn, vì phần lớn các tạp chất cùng có chứa chất thơm, khi chế biến thì làm giảm mất phẩm chất của sản phẩm chính. Bởi vậy, khi thu hái nguyên liệu cần hết sức chú ý loại tạp chất ngay ở ngoài đồng nơi thu hoạch, tránh tình trạng chuyên chở về cơ sở sản xuất tốn kém thời gian và công sức.

IV. THỜI GIAN VẬN CHUYẾN NGUYÊN LIỆU

Một Số lớn nguyên liệu chất thơm không thể bảo quản được lâu vì vậy thời gian chuyên chở càng ngắn càng tốt. Đẻ làm tốt công việc này cần phải có lịch rô ràng và phân công cụ thể theo đúng thời gian thu hái và vận chuyển, lịch thu hoạch

cần phải phù hợp với công suất và phương tiện vận chuyến của nhà máy. Với lý do này nhà máy không nên bô trí ở xa vùng nguyên ỉìệu và tính toán, thiêt kê dựa trên các phương tiện sẽ sử dụng để vận chuyển nguyên liệu. Trong thực tế, nếu nguyên liệu cần chế biến ở dạng tươi, nếu vận chuyển bằng ôtô và đường giao thông tôt, nhà máy có thê xây dựng cách vùng nguyên liệu 1 0 - 2 5 km; nêu vận chuyến băng xe cơ giới thì không nên xa quá 3 - 6 km. Đối với các loại nguyên liệu như hoa hồng, hoa nhài thì nhà máy cần phải xây dựng gần hơn nữa. Nguyên liệu từ củ, rễ, quả hoặc những nguyên liệu cổ lá có thê làm khô, héo thì nhà máy có thê ở xa hơn. Do vậy, lịch đưa nguyên liệu đến nơi sản xuất nên linh động họp lý. Nguyên liệu cỏ, lá hoặc hoa khi vận chuyển cần chú ý tránh không bị bốc nóng, làm tôn thât chất thơm khi vận chuyển. Nguyên nhân nguyên liệu bị bốc nóng, cùng có thê là đo bị nén hoặc bị dẫm chặt quá, vì vậy không nên đê nguời hoặc bất cứ vật liệu nặng nào khác đè lên nguyên liệu. Một trong những biện pháp hữu hiệu là xung quanh thành xe đóng một khung có mắt hở, chiều cao khoảng 2m, và giữa các lóp nguyên liệu có một số khung đỡ phân cách, làm giảm bót sức nặng của lớp nguyên liệu trên đè xuống lớp dưới. Đe tránh mưa nắng khung xe có phủ lá hoặc bạt, đối với các loại hoa nên chửa vào trong các giỏ hoặc sọt để xếp thành từng lớp xen kẽ, tránh để trực tiếp ỉên nhau.

V. YÉU TỐ C ơ BẢN ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHÁT LƯỢNG NGUYÊN LIỆU KHI BẢO QUẢN

Những yếu tố cơ bản làm ảnh hưởng tới chất lượng nguyên liệu trong thời gian bảo quản bao gồm nhiệt độ và độ ẩm của không khí. Nhiệt độ, độ ẩm chính là nhừng điều kiện cho quá trình hoạt động của các loại men, xảy ra ngay trong nguyên liệu. Bên cạnh đó sâu bọ và các loài vi sinh vật cũng phát triển theo nhiệt độ và độ ẩm. Điều chỉnh hai yếu tố này chúng ta có thể tạo ra được điều kiện bảo quản thích hợp và ảnh hưởng của những yếu tố bất lợi sẽ được hạn chế tới mức độ thấp nhất.

Ờ nhiệt độ cao hơn 45 - 50°c thành phần hóa học của nguyên liệu tươi thay đổi và làm giảm lượng chất thơm. Nhiệt độ quá thấp làm ảnh hưởng tới phầm chất của nguyên liệu ở dạng phơi khô. Nguyên liệu ở dạng tươi như cánh hoa hồng và các loại quả cam, chanh không thể bảo quản lâu, cần phải chế biến ngay.

Tùy theo độ ẩm của không khí, nguyên liệu có khả năng hút hoặc thải ẩm ra môi trường xung quanh. Lượng ẩm có chửa trong không khí đạt tới mức độ tới hạn thì không khí đó gọi là không khí bão hòa ẩm, lượng hơi nước có trong không khí bão hòa ẩm càng tăng nếu nhiệt độ càng tăng. Trong lm 3 không khí bão hòa ẩm ở

0°c chứa 4,9g hơi nước; ở 20°C:17,2g; ở 40°C:50g; ỡ 60°C:129,3g; ở 100()C:589,6g. Nếu không khí không bão hòa ẩm thì độ ẩm của nó được biểu diễn bằng lượng phần trăm ít hom.

Trong vấn đề bảo quản nguyên liệu có chất thơm, độ âm tương đối quan trọng hơn độ ẩm tuyệt đối, vì độ ẩm tương đối cho ta biết ngay mức độ gần đúng của trạng thái băo hòa có nghĩa là cho ta biêt khả năng hút âm từ không khí vào hoặc thoát âm từ nguyên liệu. Nêu nhiệt độ của không khí giảm dân, độ âm đạt tới trạng thái bão hòa và khi nhiệt độ tiếp tục giảm phần hơi nước từ không khí sẽ rơi xuông ở dạng sương. Điêm đọng sương này đặc trưng cho không khí được bão hòa hoàn toàn bằng hơi nước. Không khí âm nhưng chưa được bão hòa âm sẽ còn có khả năng hút thêm một lượng ẩm nhất định nừa để đạt tới bão hòa, lượng ẩm được hút vào như vậy gọi là ẩm thể tích của không khí. Không khí bâo hòa ẩm ở 10°c khi nâng nhiệt độ lên tới 60°c thì bào hòa ẩm của nó sẽ giảm, độ ẩm của không khí lúc đó là 7,3%, đê đạt tới bão hòa âm sẽ còn 92,7% lượng âm nữa, lượng âm đó gọi là lượng ẩm the tích - ẩm tích.

Nhìn chung những biện pháp nhằm hợp lý hoá các chế độ bảo quản trong kho hoặc nhà chứa nguyên liệu đều mong muốn đạt được mục đích sao cho độ ẩm của nguyên liệu và không khí bên ngoài tiến tới một giới hạn nhất định. Khi đó nguyên liệu không thoát ẩm ra hoặc thu vào và vẫn đảm bảo chất lượng trong suốt thời gian bảo quản. Trong bảo quản, cần chú ý, tạp chất có độ ẩm cao hơn độ ẩm của nguyên liệu do vậy dễ làm cho độ ẩm của nguyên liệu tăng lên. Các quả hoặc hạt nguyên liệu bị dập vỡ cũng là nguyên nhân gây nên tồn thất chất thơm do các loại vi sinh vật, các loại sâu bọ phát triển sống nhờ chất dinh dưỡng có trong nguyên liệu. Khi độ ẩm tăng sẽ làm cho cường độ hô hấp của nguyên liệu tăng và do đó ở phần hạt bị dập, vờ, nhiệt độ sẽ tăng lên. Người ta nghiên cứu thấy ràng ở những nguyên liệu cỏ phần bị dập, vở nhiều khi bảo quản nhiệt độ có thể tăng

Chương III

PHƯƠNG PHÁP TÁCH TINH DÂU

I. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH CHÁT THƠM

Phụ thuộc vào dạng liên kết chất thơm có trong nguyên liệu (tự do, kết hợp,

két hợp glucozit) người ta sử dụng các phương pháp tách chất thơm khác nhau. Các

phương pháp tách chất thơm cần phải đạt những yêu cầu chính như sau: - Chất thơm thu được có mùi vị ban đầu của nguyên liệu

- Quy trình kỹ thuật thuận lợi và nhanh chóng

- Tách triệt để, lấy được hết chất thơm trong nguyên liệu

Phương phảp dựa vào quả trình cơ học và hoả học ~ Phương pháp cơ học

- Phương pháp chưng cất - Phương pháp trích ly

Phương pháp kết hợp với các quả trình sinh hoả

- Phưưng pháp hấp phụ

- Phương pháp lên men (sau đó chưng cất chất thơm)

Cơ sở tách chất thơm dựa vào một số tính chất của chất thơm như sau: - Không hòa tan trong nước (Chất thơm ít hòa tan trong nước) - Bay hơi và cuốn theo hơi nước

- Hòa tan trong một số hợp chất hữu cơ - bay hơi và không bay hơi cùng như khả năng có thể bị hấp thụ vào khi ở dạng khí.

1. Phương pháp cơ học

Phương pháp cơ học tương đối đơn giản, dùng để tách chất thơm ở dạng tự do bàng cách ép, dùng phổ biến cho các loại quả như: cam, chanh, quýt, bưởi... vì đối với những nguyên liệu này chất thơm thường phân bố ở lớp tế bào mỏng phía bên ngoài với một lượng tương đối lớn. Khi ta tác dụng một íực lên vỏ quả thì các tế bào có chứa chất thơm sẽ bị vỡ và chất thơm sẽ bị chảy ra ngoài rất dề dàng.

2. Phu’OTig pháp chưng cất

Phương pháp chưng cất không đòi hỏi thiết bị phức tạp, có khá năng lấy được triệt đế chât thơm có trong nguyên liệu. Ngoài ra phương pháp này còn có khả năng cho phép ta có thể dựa vào tính chất bay hơi khác nhau của các cấu tử có trong chất thơm để phân ly chúng ra thành nhừng phần riêng biệt có độ tinh khiết hơn. Ví dụ: chưng cất phân đoạn nguyên liệu quả hồi ta có thể tách được anetol, chưng cất phân đoạn nguyên liệu bạc hà tách được menthol, chưng cất phân đoạn nguyên liệu quả mùi tách được linalool.

Đối với các loại nguyên liệu thường phải sơ chế trước khi chưng cất để quá trình tiến hành được nhanh chóng hơn: quả cần phải nghiền nhỏ, lá hoặc cắt nhỏ hoặc phơi hẻo, phơi khô. Ví dụ: nếu chưng cất từ nguyên liệu hoẳc hương tươi cần 8 giờ, nhưng sau khi phơi khô quá trình chưng cất chỉ cần 4 giờ. Đối với một số loại cây có chất thơm thuộc thành phần khó bay hơi như các loại nhựa, sáp hoặc một số chất thơm có thành phần hoá học không bền vững để thay đổi ở nhiệt độ cao thì không dùng phương pháp chưng cất để tách được.

3. Phương pháp trích ly

Phương pháp này được sử dụng trong trường hợp các thành phần hợp chất thiên nhiên không bền ở nhiệt độ cao hoặc hàm lượng trong nguyên liệu rất thấp không thể dùng phương pháp chưng cất. Phương pháp trích ly thường dùng dung môi dễ bay hơi như ethylic ether, petroleum ether, alcool, acetone hoặc các loại khí hoá lỏng như CƠ2 lỏng tại áp suất lớn 60 - 70 atm.

4. Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ dựa trên cơ sở tính chất của một số loại hoa, quả có thể kéo dài thời gian tạo ra hương thơm sau khi đã rời khỏi cây và khả năng hòa tan chúng của các loại mờ động vật trên bề mặt (hấp phụ). Bằng cách này thao tác tiến hành rất thủ công, khó cơ giới hoá, các loại mờ động vật đắt tiền, khó bảo quản, quá trình tiến hành kéo dài, năng suất thấp. Gần đây người ta chuyển sang hấp phụ bằng than hoạt tính gọi là hấp phụ động học. Bằng phương pháp này người ta tạo điều kiện cho các luồng khí ẩm đi qua lớp hoa, nhằm giữ cho hoa được tươi lâu. Luồng không khí sau khi qua lớp hoa sẽ cuốn theo những chất thơm bay hơi đi vào buồng hấp phụ, ở đó than hoạt tính sẽ giữ lại các chất thơm tại buồng hấp phụ, không khí thải ra ngoài. Lớp hoa còn lại sau khi hấp phụ hết các chất thơm bay hơi sẽ đem đi chưng cất hoặc trích ly lấy hết nhừng chất thơm không bay hơi còn lại.

5. Phương pháp lên men

Phương pháp này được áp dụng đối với các loại cây và quả cỏ chất thơm ở trạng thái kết hợp từng phần, hoặc kết hợp hoàn toàn, không ở trạng thái tự do mà thường ở trạng thái kết họp glucozit. Vì vậy, muốn tách chất thơm từ nhừng loại nguyên liệu này, đầu tiên cần phải tiến hành sơ bộ tách bàng phương pháp lên men, sau đó dùng phương pháp chưng cất để tách hoàn toàn.

II. PHƯƠNG PHÁP CHƯNG c a t

Chưng cất là một quá trình biến đổi một cấu tử hoặc một hỗn hợp thề lỏng thành thể hơi ở một thiết bị sau đó hơi được ngưng tụ ở một thiết bị khác nhờ phương pháp làm lạnh.

Chưng cất được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhằm để tách những sản phẩm dễ bay hơi ra khỏi hỗn hợp khó bay hơi, hoặc tách hỗn hợp chất lỏng bay hơi ra thành từng cấu tử. Trường họp chưng cất đom giản nhất là chưng cất một hỗn hợp đồng thể, hay còn gọi ỉà hệ một cấu tử, chất lỏng được nâng lên nhiệt độ sôi và bắt đầu bay hơi ả nhiệt độ khi áp suất hơi của dung dịch cân bàng với áp suất của không khí bên ngoài, trong suốt thời gian sồi nếu áp suất không thay đổi thì nhiệt độ sôi cũng sẽ không thay đồi.

Khi chưng cất một hỗn hợp chất lỏng gồm hai hay nhiều cấu tử, trong quá trình chưng cất, cùng với sự thay đổi thành phần của thể lỏng có thể làm thay đổi thành phần của hồn hợp hơi. Trong điều kiện áp suất không đổi tùy thuộc vào mức độ tan lẫn vào nhau của hỗn hợp và khả năng tan lẫn vào nhau của các cấu tử, dung dịch lỏng thu được bàng cách làm ngưng tụ hỗn hợp hơi bay ra sẽ có thành phần các chất dễ bay hơi cao hơn so với thành phần chất lỏng ban đầu. Neu vẫn tiếp tục chưng cất thì thành phần các chất dễ bay hơi sẽ càng tăng dần.

Độ hòa tan của chất thơm (tinh dầu) trong nước khác nhau phụ thuộc vào thành phần của các hợp chất có chứa trong thành phần của tinh dầu.

Thứ tự sắp xếp các hợp chất theo mức độ hòa tan giảm dần: axit béo cỏ phân tử nhỏ; rượu; axit; aldehyde; hợp chất nitrit; phenol; aldehyde thơm; ester; dẫn xuất của halogen; hợp chất có chứa c và S; hydrocarbon.

Trong bất kỳ một dạng chưng cất nào giữa pha lỏng và pha hơi đều được thiết lập một cân bằng động. Điều kiện để cho hệ thống lỏng và hơi ở dạng cân bàng có thể xác định theo quy tắc Gibbs:

c + 2 = F + T

C: số cấư tử F: số pha

1. Chưng cất vói nước

Nguyên liệu và nước được cho vào cùng một thiết bị, đun tới sôi, nước bay hơi cuốn theo tinh dầu, tinh dầu được tách ra sau ngưng tụ. Bằng cách này thiết bị chưng cất tương đối đơn giản rẻ tiền, rất phù hợp với điều kiện sản xuất công nghiệp địa phương, ở những nơi mới phát triển bước đầu chưa cỏ điều kiện đầu tư vốn vào sản xuất.

Nhược điểm:

- Tinh dầu có chất lượng chưa cao

- Nguyên liệu dễ bị cháy khét nhất là nhũmg chỗ trong thiết bị nguyên liệu thiếu nước, hoặc bị bết dính vào thành thiết bị, đặc biệt khi chưng cất các loại hoa.

- Khó điều chỉnh các thông số kỹ thuật (T°, p) khi chưng cất và thông thường thời gian chưng cất bị kẻo dài.

- Tốc độ chưng cất và thời gian chưng cất phụ thuộc chủ yếu vào bộ phận đốt lò.

2. Chưng cất vói hoi nước không có nồi hơi riêng

Nguyên liệu và nước được đưa vào cùng một thiết bị nhưng ngăn cách bằng một lớp vỉ, để tránh cho nguyên liệu khỏi lọt vào nồi chứa nước. Tùy thuộc vào loại nguyên liệu, khi cần thiết người ta có thể lót một lớp bao tải lên trên mặt vỉ. Nước được đun sôi bốc hơi lên qua lớp vỉ đi vào lớp nguyên liệu và kéo theo tinh dầu đi ra.

Nguyên liệu bớt khê khét vỉ không trực tiếp, tiếp xúc với đáy nồi đốt. Tuy vậy phẩm chất của tinh dầu, cũng như việc khống chế các điều kiện kỹ thuật trong đó bao gồm vận tốc chưng cất chưa được cải thiện nhiều. Ngoài ra, chưa kể đến thao tác lao động còn gặp nhiều khó khăn.

3. Chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng

Phương pháp này dùng một nồi hơi có thể phục vụ cho cả cơ sở sản xuất, làm cho điều kiện làm việc của công nhân nhẹ nhàng hơn và có khả năng dễ cơ giới hoá hoặc tự động hoá các khâu sản xuất, ngoài ra còn khác phục được tình trạng nguyên liệu bị khê khét cũng làm cho màu sắc hoặc phẩm chất của tinh dầu được tốt hơn.

Bằng phương pháp này ngoài việc dễ khống chế các điều kiện kỹ thuật người ta còn có thể rút ngắn được thời gian chưng cất bằng cách điều chỉnh vận tốc chưng cất, chưng cất ở áp suất cao hơn hoặc dùng hơi bão hòa hay quá nhiệt để chưng cất. Chưng cất bàng hơi nước ở áp suất cao sẽ tạo điều kiện cho quá trình tiến hành

được thuận lợi hơn vi áp suất hơi riêng phần cua các đơn chất trong hồn hợp ơ nhiệt độ cao sẽ rất lớn so với áp suất hơi riêng phần của nước.

Chưng cất ở áp suất cao một số chất đề bị phân huý và thiết bị dùng chưng cất đất tiền hơn. Chưng cất bằng hơi nước quá khô được tiến hành rất thuận lợi đối với nhừng loại tinh dầu chịu được ở nhiệt độ cao vì trong hỗn hợp hơi nếu có một trong những cấu tử dạng khô có thành phần cao sê tạo ra khả năng cho cấu tử khác cùng có thành phần trong hợp chất với một lượng cao tương tự. Dùng phương pháp chưng cất bằng hơi nước quá khô không nên tiến hành trong trường hợp chưng cất với nước vì trong trường hợp này hơi nước quá khô sè mất tác dụng và trở thành hơi nước bão hòa. Chưng cất bằng hơi nước quá khô nếu nhiệt độ càng cao sè cho ta hàm lượng tinh đầu thu được trong thành phần hơi sẽ càng lớn (xem Bảng 5).

Bảng 5. Thông số chưng cất tinh dầu hồi

STT Nhiệt độ hoi nước (t°C) Áp su ất hơi riêng phần của anetole (mmHg) Áp suất hoi riêng phần của nước (mmHg) Tỷ lệ nước và anetole (Gn/Ga) Hàm lượng anetole trong nước cất (%) 1 1 0 0 7,85 752,15 1 1 ,8 7,82 2 1 2 0 11,64 740,36 4,61 17,85 3 160 48,35 671,65 0,92 52,1 4 2 0 0 313,9 446,10 0,173 85,2

Các phương pháp chưng cất đã trình bày, có thể dùng nước hoặc hơi có các uru điểm sau:

- Các quy trình kỹ thuật có khả năng nâng cao hàm lượng của từng cấu tử trong hồn hợp hơi bay ra bàng cách phân chia chúng.

- Không đòi hỏi vật liệu phụ nhiều như các phương pháp trích ly và hấp phụ. - Thời gian chưng cất tương đối nhanh (đối với các thiết bị chưng cất gián đoạn thông thường từ 5 giờ đến 10 giờ, đối với các thiết bị liên tục từ 30 phút đến 1 giờ).

- Có thể tiến hành chưng cất đối với các cấu tử có nhiệt độ sôi cao ở nhiệt độ gần 100°c.

- Tuy nhiên đối với những loại nguyên liệu có hàm lượng tinh dầu thấp không nên dùng phương pháp chưng cất vì:

- Sản phẩm thu được sau khi chưng cất có thể bị ảnh hưởng nếu các cấu tử có trong các thành phần của tinh dầu dề bị thủy phân trong quá trình chưng cất.

- Không thê chưng cất đẽ lấy các loại nhựa và sáp có trong nguyên liệu. -- Trong nước chưng sau khi đă tách tinh dầu còn có một lượng tinh dầu hòa tan tương đối lớn.

- Cần dùng một lượng nước lớn để làm lạnh.

Trong trường hợp chưng cất chất lỏng bao gồm một số cấu tử, ta có the thay đôi áp suất của hồn hợp nhiệt độ chưng cất, thành phần của pha hơi và lỏng. Trên thực tế, chưng cất đều thực hiện ở điều kiện áp suất không đổi. Vì vậy ta cần chú ý tới quan hệ giừa nhiệt độ và thành phần các pha. Đặc tính chung về sự thay đối của các biến số đó phụ thuộc chủ yếu vào các nhóm cấu tử thề lỏng và thường được chia ra làm các nhóm như sau:

a) Hỗn hợp gồm hai chất lóng không hòa tan vào nhau. Trong hệ gồm 2 cấu tử, số pha sẽ là 3 (2 pha lỏng và 1 pha hơi), số bậc tự do sẽ là 1. Nếu ta xác định được một trong những biến số (nhiệt độ, áp suất, thành phần) ta có thể xác định được một cách chính xác nhừng biến số còn ỉại. Thật vậy, nếu trong trường hợp này ta xác định được áp suất thì nhiệt độ và thành phần của pha hơi có thể hoàn toàn xác định được, mà không phụ thuộc vào thành phần của pha lỏng.

b) Hồn hợp hai chất lỏng hoàn toàn tan lẫn vào nhau: Trong trường họp này ta có một hệ thống gồm 2 cấu tử và 2 pha, 1 pha lỏng và 1 pha hơi, số bậc tự do sẽ là 2. Trong 4 điều kiện xác định của hệ thống bao gồm nhiệt độ, áp suất, thành phần của pha lỏng, pha hơi ta có thê dề dàng xác định hai điều kiện còn lại khi đă biết và xác định hai điều kiện. Ví dụ: khi ta đã biết được nhiệt độ và áp suất của hệ thống ta có thể dề dàng xác định được thành phần của pha lỏng và pha hơi...

c) Hồn hợp hai chất lỏng hòa tan từng phần lẫn vào nhau: Trong trường họp này tùy thuộc vào nồng độ các cấu tử và mức độ hòa tan lẫn vào nhau của chúng có thể xét đưa về một trong hai trường hợp đâ nêu trên. Neu nồng độ của một trong hai cấu tử rất thấp có thể coi như ứng với trường họp đã nêu ở mục b, và ngược lại nếu nồng độ hỗn hợp được phân ra làm hai lớp, mà trong mỗi một lóp đặc trưng cho một dung dịch băo hòa của cấu tử này trong cấu tử kia sẽ tương ứng với trường hợp đã nêu ở mục a.

Phần lớn tinh đầu ít hòa tan trong nước, bới vậy để nghiên cứu nhừng yếu tố cơ bản của chúng khi chưng cất bằng hơi nước cần phải xem xét một cách đầy đủ và an toàn. Do đó để tính toán được một cách gần đúng lượng hơi nước cần thiết khi chưng cất người ta thường coi tinh dầu như một cấu tử, thành phần của cấu tử này trong tinh dầu càng lớn, thì độ hòa tan trong nước càng giảm và tính toán càng được chính xác hơn. Dù ràng cấu tử đó có hòa tan ít nhiều trong nước, ta vẫn coi như trong đó gồm hai pha lỏng và như vậy hệ thống này xem như tương ứng với hỗn hợp hai cấu tử, không hòa tan lẫn vào nhau. Trên bề mặt của hồn hợp như vậy sẽ có áp suất hơi của mồi một cấu tử chứa trong đó và theo định luật Dalton

“áp suất chưng cất hỗn hợp bằng tồng số áp suất riêng phần của các cấu tử (với điều kiện rằng các chất lỏng có trong dung dịch không có tác dụng hoá học với nhau)’\

P - Pa + Pb (1)

PA, Pb là áp suất riêng phần của cấu tử A và B có trong thành phần hỗn hợp, trường hợp này các chất lỏng không hòa tan lẫn vào nhau, áp suất hơi riêng phần sẽ cân bằng với áp suất hơi của các cấu tử đó ở dạng nguyên chất. Từ định luật Dalton, Boi Mariot ta biết rằng thể tích tương đối của các chất khí (hoặc hơi) khác nhau chứa trong hỗn hợp thì tỷ lệ với áp suất hơi riêng phần của chúng. Vì vậy, nếu

Va, Vb ký hiệu là thể tích tương đối của các chất khí đó thì ta có; V p

= (2)

VB

PB

Nếu trọng lượng của các chất khí đó là GA, GB và tỷ trọng của chúng là dA, dB thì ta có:

GA = VA.d A (3)

Gb = Vb. CỈB (4)

, V p

Nêu chia (3) cho (4) và thay tỷ sô — = — ta được:

G ạ = P A - d A ( 5 )

Gb PB.dB

Theo quy luật Avogadro thể tích bàng nhau của các chất khí khác nhau, ở điều kiện nhiệt độ áp suất giống nhau thì có chứa một lượng phân tử như nhau. Do đó, khối lượng hoặc trọng lượng riêng của các chất khí khác nhau nếu lấy cùng một thể tỉch như nhau thì sẽ tỷ lệ với trọng lượng phân từ của chúng:

^ = ^ (6)

d B Mb

(7)

gb

pbma

Ma, Mb: Khối lượng phân tử của 2 cấu tử A và B

Trong trường hợp chưng cất hai chất lỏng không hòa tan lẫn vào nhau như trên ta cũng có thể tính toán theo phương trình trạng thái khí Klafpeiron, kết hợp với định luật về thể tích của Boi Mariot.

và từ đây có thê rút ra:

(9)

Nêu hơi của hai chất lỏng không hòa tan lẫn vào nhau chiếm một thề tích chung là V ở nhiệt độ T thì trọng lượng hơi của một cấu tử ( Ga, Gb) sè biểu diễn

được bằng phương trình:

chia (10) cho (11) ta sẽ có

<I2>

g b MbPb

Từ công thức trên, khi biết thành phần các cấu tử trong hỗn hợp ta có thề tính toán gần đúng lượng hơi nước dùng đê chưng cất tinh dầu. Khi GB = 1 kg thì

tính toán lý thuyết vì tinh dầu là một hỗn hợp nhiều cấu tử, do tác dụng tương hổ giừa chúng với nhau, trong quá trình chưng cất hỗn hợp hơi đi ra khỏi thiết bị thường không được bão hòa hoàn toàn.

Do vậy, trong phương trình biểu diễn sự chi phí hơi nước dùng chưng cất, người ta thường phải bồ sung hệ số bão hòa (p:

hệ số (p phụ thuộc chủ yếu vào chế độ thủy động lực trong quá trình chưng cất. Theo Xirde khi chưng cất chất lỏng bằng hơi nước nếu đi qua lớp chất lỏng ở những dạng khác nhau thì giá trị của (p cũng thay đổi. Với chế độ chưng cất sủi bọt thì (p = 1. Với chế độ chưng cất màng: Gb MạPạV RT M BPBV RT ( 10) (1 1)

Ga — trong thưc tế lương hơi chi phí để chưng cất thường lớn hon so với MbPb

(14)

với chế độ chảy dòng:

Fr: chuẩn số Frut Ft - - (16) gd2

fa: tiết diện tự do cua thiết bị chưng cất

fc: tiết diện của các lồ phun hơi trong chất lỏng da: đuờng kính cua thiết bị chưng cất

hz: chiều cao cua lớp chất lỏng mà hơi nước đi qua (p: hệ số bào hòa

Trong trường hợp chưng cất nguyên liệu tinh dầu, nêu đặt:

^ “- = kl (17)

p M é

Ký hiệu:

n: dùng cho nước d: dùng cho tinh dầu

ta có Gd^qíkeGn (18)

Trong điều kiện chưng cất thông thường kc là một hàng số coi như không đổi, với tốc độ chưng cất nhất định thì rò ràng rằng lượng dầu thu được phụ thuộc chủ yếu vào hệ sổ bào hòa (p nhưng ở mồi tốc độ chưng cất khác nhau (p cùng khác nhau. Từ công thức chung — = (19) nếu biết đươc trong lương cùa từng

Gd PdMd<P

cấu tử trong hồn hợp hơi ta có thể xác định được áp suất hai riêng phần của từng câu tử trong đó. Áp suất chung của hỗn hợp là p ta cỏ:

P d ^ P - P n (2°) — = -— --- (21) G d ( P - p n).M d.cp từ đây rút ra ta có: P.G .M..CP 1 V. (22) ° cp.Md.G „+ G d.M n

Nhiệt độ sôi của hỗn hợp được xác định nhờ đồ thị biếu diền quan hệ giừa nhiệt độ và áp suất. Từ đồ thị này khi biết được áp suất chung cùa hổn hợp p(pn -h pj) ta có thể biết được Pd, pn. Từ công thức (19) ta có thể rút ra một số kết luận khi chưng cất một hồn hợp gồm 2 cấu tử không hoà tan lẫn vào nhau:

Pn, pd

^ ^Ỗnhợp tfl *d

Hình 2. Đồ thị biểu dién mối quan hệ nhiệt độ và áp suất

1. Hàm lượng của mỗi cấu tử trong hỗn hợp hai tỷ lệ nghịch với trọng lượng phân từ và áp suất hơi riêng phần của cấu tử kia, do vậy khi chưng cất tinh dầu với nước rất thuận lợi vì tinh dầu thường có trọng lượng phân tử trung bình cao, trong khi nước có trọng lượng phân tử thấp.

2. Ở điều kiện áp suất thường, nếu chưng cất tinh dầu bằng hơi nước thì nhiệt độ sôi của hồn hợp thường thấp hơn 100°c và thành phần hỗn hợp bay hơi ra thường không đổi cho tới khi cấu tử có nhiệt độ cao được bay hơi ra hoàn toàn.

Từ công thức (19) nếu chưa xét tới (p là hệ số thực nghiệm của từng loại nguyên liệu, cũng có thể ứng dụng để tính tỷ lệ giừa hỗn hợp hơi của hai chất lỏng không hoà tan lẫn vào nhau.

Ví dụ khi cần xác định lượng hơi menthol trong hỗn hợp, khi chưng cất chất này bằng hơi nước biết rằng trọng lượng phân tử của menthol là 156, ta có áp suất hơi riêng phần của menthol là 10,5 mm Hg tại 100°c.

Ị r 0H

I c10h20o h

Hình3. Phân tử menthol

Theo định luật Dalton tồng áp suất của hồn hợp: p = pd + pn = 10,5 + 760 = 770,5 mmHg

Hỗn hợp chỉ bắt đầu sôi khi áp suất hơi hỗn hợp cân bằng với áp suất của không khí bên ngoài (trong điều kiện thiết bị có tiếp xúc với không khí bên ngoài) cỏ nghĩa là ở 760 mmHg. Khi tồng áp suất của hỗn hợp là 770,5 mmHg thì áp suất hơi của menthol là 10,5 mmHg. Khi tồng áp suất là 760 mmHg, áp suất hơi băo hòa riêng phần của menthol ỉà:

p. 760 _ _ 760.10,5 , u ,

= — —— > = - __ - - - 10,36 (m m H g)

10,5 770,5 d 770,5

Cùng tương tự ta tính được áp suất hơi riêng phần của hơi nước: p 760 _ 760.760 _ _ . n ,____u .

-±2- = —--- > p = — ———- = 749,64 (mmHg)

760 770,5 770,5

Đặt tất cả các số liệu biết được vào công thức chung (19) ở trên ta có: Gn 749,64.18 _ 13493,5 _ 8,35

10,36.156 " 1616,1 ” 1

có nghĩa là khi hồn hợp bay hơi ra cứ có một phần menthol thì cần 8,35 phần nước, hoặc nếu biếu diễn bằng phần trăm ta có:

a% = - G V .100

g a +g b

hàm lượng Menthol có trong hỗn hợp hơi là:

1 -.100 = 10,7% ;- Ậ ^ - . 100 = 89,3%

8,35 + 1 8,35 +

Thành phần hồn hợp hơi của một sổ cấu tử nhất định phụ thuộc chủ yếu vào áp suất hơi riêng phần của chúng, áp suất hơi riêng phần bàng áp suất của các cấu từ đó ở dạng nguyên chất trong điểu kiện áp suất bên ngoài đã cho. Nếu áp suất chưng cất thay đổi, áp suất của các cấu tủ cũng thay đổi, nhưng với mức độ khác nhau. Đôi với một số chất như pinene (monoterpene) và một số các chất khác có nhiệt độ sôi hơn 1600 thì khi áp suất trong quá trình chưng cất tãng lên hàm lượng của các cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong hỗn hợp cũng tăng lên và ngược lại (xem Bảng 6).

Bảng 6. Hàm lượng các cấu tử trong hỗn hợp tại áp suất khác nhau

Hỗn họp Áp suất (mmHg) 150 760 2800 Hàm lượng % Nước 9,8 12,9 16,6 và heptan _{90,2 87,1 83,4} Nước 92,3 89,1 85,7 và carvone _{7,7 10,9 14,3}

III. NGUYÊN NHÂN ÀNH HƯỞNG CHI PHÍ HƠI NƯỚC CHƯNG CÁT TINH DÀU

Trong thực tế lượng hơi nước cần thiết đùng đề chưng cất tinh dầu bao giờ cũng lớn hơn so với lý thuyết vì khi chưng cất ta thu được hỗn hợp nhiều cấu tử,