LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành đề tài tốt nghiệp này, em xin chân thành cảm ơn!..
- Thầy TS. Vũ Duy Đô, người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm tốt nghiệp.
- Em xin cảm ơn Quý Thầy, Cô Trường Đại học Nha Trang đã dạy dỗ, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt khóa học.
- Các Thầy, Cô phụ trách Bộ môn Hóa, Phòng Thí nghiệm Hóa sinh và Phòng Thí nghiệm Công nghệ Thực phẩm đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình làm thí nghiệm.
- Xin cảm ơn gia đình và bạn bè em đã luôn động viên, giúp đỡ để em có thể hoàn thành nghiên cứu này.
Nha Trang, ngày 20 tháng 06 năm 2012 Sinh viên thực hiện
Phạm Thị Mỹ Loan
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN... i MỤC LỤC ... ii DANG MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...v DANH MỤC CÁC BẢNG . ...vi DANH MỤC CÁC HÌNH……….. ... vii LỜI MỞ ĐẦU.. ... 01 Chương 1. TỔNG QUAN... 031.1. Tổng quan về tinh dầu ... 03
1.1.1.
Khái niệm tinh dầu ... 031.1.2.
Vai trò tinh dầu đối với đời sống thực vật... 041.1.3.
Phân loại các thành phần có trong tinh dầu . ... 051.1.3.1.Phân loại theo hàm lượng. ... 05
1.1.3.2. Phân loại theo tính chất vật lý. ... 05
1.1.3.3. Phân loại theo bản chất hóa học... 05
1.1.4. Tính chất đặc trưng của tinh dầu ... 06
1.1.5. Ứng dụng của tinh dầu... 07
1.1.5.1.Trong công nghệ thực phẩm ... 07
1.1.5.2. Trong y học ... 07
1.1.5.3.Trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm. .. ... 08
1.2. Các phương pháp sản xuất tinh dầu... 08
1.2.1.
Phương pháp chiết ... 091.2.2.
Phương pháp ướp.. ... 101.2.3.
Phương pháp ngâm... 101.2.4.
Phương pháp ép... 101.2.5.
Phương pháp chưng cất. ... 111.3. Tình hình nghiên cứu về tinh dầu chi Citrus... 16
1.3.1.
Tình hình nghiên cứu trên thế giới... 161.3.2.
Tình hình nghiên cứu trong nước.. ... 17Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 19
2.1. Đối tượng nghiên cứu ... 19
2.2. Phương pháp nghiên cứu.. ... 20
2.2.1. Xác định thành phần khối lượng của quả Quất.. ... 20
2.2.2. Chuẩn bị nguyên liệu... 20
2.2.3. Đề xuất quy trình tách chiết tinh dầu từ Quất... 21
2.2.4. Bố trí thí nghiệm. ... 22
2.2.4.1. Thí nghiệm xác định tỉ lệ nước muối ngâm nguyên liệu... 22
2.2.4.2. Thí nghiệm xác định nồng độ NaCl ngâm. ... 23
2.2.4.3. Thí nghiệm xác định thời gian ngâm ... 25
2.2.4.4. Thí nghiệm xác định thời gian chưng cất.. ... 27
2.2.5. Phương pháp xác định các chỉ số hóa-lý và định danh các cấu tử thành phần của tinh dầu.. ... 28
2.2.5.1. Phương pháp xác định các tính chất lý- hóa cơ bản của tinh dầu... 28
2.2.5.2. Phương pháp định danh các cấu tử thành phần có trong tinh dầu Quất.... 29
2.2.6. Phương pháp xử lý số liệu ... .30
Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.. ... 31
3.1. Kết quả xác định thành phần khối lượng của quả Quất. ... .31
3.2. Kết quả xác định tỉ lệ nước muối/nguyên liệu thích hợp…… ...…..31
3.3. Kết quả xác định nồng độ NaCl trong nước ngâm vỏ quả thích hợp. .33 3.4. Kết quả xác định thời gian ngâm thích hợp... 34
3.5. Kết quả xác định thời gian chưng cất thích hợp... .35
3.6.Quy trình hoàn thiện tách chiết tinh dầu quả Quất... .37
3.7. Kết quả xác định tỉ lệ chiết tinh dầu. ... 39
3.7.1. Xác định tỷ lệ tinh dầu chiết xuất từ vỏ quả.. ... 39
3.7.2. Kết quả đánh giá tính chất cảm quan và xác định các chỉ số hóa-lý của sản phẩm... 38
3.7.3. Kết quả xác định thành phần hóa học của tinh dầu ... 41
3.8. Tính sơ bộ chi phí nguyên, vật liệu để tách tinh dầu trong điều kiện thí nghiệm... 42
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT. ... 43
1. Kết luận... 43
2. Đề xuất... 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. ... 45
DANG MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT
GC Gas Chromatography Sắc ký khí GC-MS Gas Chromatography-Spectroscopy Sắc ký khí ghép khối phổ H Hour Giờ v/w Volume/weight Thể tích/khối lượng w/v Weight/volume Khối lượng/thể tích
IA Acide Index Chỉ số acide
IS Saponification Index Chỉ số xà phòng
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Thành phần khối lượng của quả Quất. ... 31
Bảng 3.2. Tỷ lệ tinh dầu chiết xuất được từ vỏ quả Quất ... 39
Bảng 3.3. Bảng mô tả tính chất cảm quan của tinh dầu quả Quất... 39
Bảng 3.4. Kết quả xác định các chỉ số hóa- lý của Tinh dầu Quất ... 40
Bảng 3.5. Kết quả phân tích GC/MS tinh dầu quả Quất.. ... 41
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sản phẩm Tinh dầu thiên nhiên.. ... 01
Hình 1.2. Cấu trúc phân tử isopren và bộ khung cơ bản của các terpenoid. ... 04
Hình 1.3. Thiết bị chưng cất bằng nước... 12
Hình 1.4. Thiết bị chưng cất hơi nước không có nồi hơi riêng ... 13
Hình 1.5. Thiết bị chưng cất hơi nước có nồi hơi riêng.. ... 14
Hình 2.1. Quả Quất ... 19
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình dự kiến tách chiết tinh dầu từ Quất ... 21
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỉ lệ nước muối ngâm vỏ quả. ... 22
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định nồng độ NaCl trong nước ngâm ... 24
Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian ngâm nguyên liệu. ... 26
Hình 2.6. Nguyên liệu đang chưng cất. ... 27
Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian chưng cất. ... 28
Hình 2.8. Chương trình nhiệt độ khi phân tích tinh dầu vỏ quả Quất bằng phương pháp GC/MS.. ... 29
Hình 3.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ nước muối/vỏ quả Quất đến thể tích và tỉ lệ khối lượng tinh dầu quả thu được ... 32
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ NaCl trong nước ngâm vỏ quả đến thể tích và tỉ lệ khối lượng tinh dầu quả thu được.. ... 33
Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian ngâm NaCl đến thể tích và tỉ lệ khối lượng tinh dầu quả thu được.. ... 34
Hình 3.4. Tỉ lệ khối lượng tinh dầu vỏ quả trong các thời gian chưng cất khác nhau (ml) ... 35
Hình 3.5. Sơ đồ quy trình tách chiết tinh dầu từ quả Quất. ... 36
LỜI MỞ ĐẦU
Tinh dầu là nguồn hương liệu có nguồn gốc từ thiên nhiên cây cỏ, từ xa xưa nó đã được mệnh danh là “báu vật của thiên nhiên” và đang ngày càng được con người chú ý và ưa chuộng. Mỗi loại tinh dầu đều có một mùi đặc trưng, có hương thơm riêng và có các tác dụng khác nhau. Chẳng hạn như, tinh dầu Bạc Hà có hàm lượng Men-tol cao có tác dụng kích thích các đầu dây thần kinh, gây cảm giác lạnh và giảm đau tại chỗ; tinh dầu Hương Nhu cung cấp Eugenol dùng làm thuốc sát trùng, thuốc giảm đau, chất dùng trong việc trám răng tạm thời; tinh dầu thuộc họ Cam quýt dùng làm thuốc kích thích tiêu hóa, trị cảm và còn rất nhiều loại tinh dầu khác có giá trị...[7].Tinh dầu hiện nay được sử dụng rộng rãi và là hỗn hợp các chất có giá trị cao trong lĩnh vực dược phẩm, thực phẩm và xuất khẩu.
Việt Nam có điều kiện thiên nhiên rất thuận lợi cho việc phát triển các loại hoa quả, cũng như cây cảnh, trong đó có nhiều loài cây có chứa các túi tinh dầu có giá trị. Trong đó, cây Quất là một loài cây rất có tiềm năng, nhưng vẫn chưa được khai thác và tận dụng đúng mức, hầu như sau khi chưng Tết hàng năm đều bị thải bỏ rất hoang phí. Đồng thời, xét về mặt y học, tinh dầu Quất có mùi thơm dễ chịu, thoải mái, có tác dụng trị cảm, giảm stress và thanh nhiệt…thường sử dụng trong các Spa cao cấp. Và câu hỏi đặt ra là làm sao để tách tinh dầu từ quả Quất và đó là vấn đề đang được quan tâm.
Ngày nay, việc sử dụng các hợp chất thơm có nguồn gốc thiên nhiên dường như trở thành một xu thế và các công trình nghiên cứu về chúng cũng không ngừng phát triển và hiệu quả mang lại của các loại sản phẩm này khá cao so với các sản phẩm tổng hợp tương tự. Qua các công trình nghiên cứu đã có và thực tế tiêu dùng đều cho thấy khi sử dụng các sản phẩm có nguồn gốc thực vật, nó ít có tác dụng phụ có hại và đây là lí do quan trọng mà ngày nay các loại sản phẩm tự
Hiện nay, có nhiều phương pháp để chiết rút tinh dầu từ thực vật, trong đó có phương pháp Chưng cất lôi cuốn hơi nước đơn giản, dễ thực hiện và cho hiệu xuất thu hồi tinh dầu tương đối cao… Do đó, tôi sẽ thực hiện đề tài “Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu từ vỏ quả Quất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước”, đồng thời tiến hành phân tích xác định các tính chất hóa- lý của tinh dầu thành phẩm thu được để đánh giá chất lượng và khả năng ứng dụng làm hương liệu của nó.
Mục tiêu của đề tài là: nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất chiết tinh dầu Quất để làm cơ sở khoa học cho việc sản xuất trên quy mô công nghiệp. Cụ thể là:
- Xác lập điều kiện tối ưu cho việc tách chiết tinh dầu từ quả Quất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước.
- Đưa ra quy trình chưng cất tối ưu để thu nhận tinh dầu từ quả Quất.
- Xác định các chỉ số lý-hóa cơ bản và thành phần hóa học của sản phẩm để sử dụng làm hương liệu.
Đề tài có ý nghĩa tận dụng nguồn phế liệu rẻ tiền để sản xuất ra các sản phẩm có giá trị, đề xuất một hướng nghiên cứu mới, đồng thời góp phần đa dạng hóa sản phẩm và giải quyết vấn đề môi trường. Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể xem là cơ sở khoa học ban đầu của việc xây dựng quy trình sản xuất tinh dầu từ vỏ quả Quất trên quy mô công nghiệp cũng như cung cấp những dẫn liệu khoa học về thành phần hóa học và tính chất lý-hóa cơ bản của tinh dầu Quất nhằm phát triển các khả năng ứng dụng khác.
Do kiến thức và kinh nghiệm nghiên cứu còn hạn chế, cũng như khó khăn về thời gian, điều kiện thực nghiệm cũng như vấn đề kinh phí nên mặc dù đã rất cố gắng song đề tài này không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự chỉ bảo của quý thầy cô cũng như sự góp ý kiến từ các bạn sinh viên để đề tài này được hoàn thiện hơn.
Chương 1. TỔNG QUAN
1.4. Tổng quan về tinh dầu
1.4.1.
Khái niệm Tinh dầu [5,7,8]Tinh dầu là những chất thơm hay chất mùi có trong một số bộ phận của cây cỏ (hạt, rễ, củ, vỏ cây, hoa, lá, quả, dầu, nhựa cây…) hay động vật (túi tinh dầu). Hệ thực vật có tinh dầu khoảng 3000 loài, trong đó có 150-200 loài có ý nghĩa công nghiệp. Tinh dầu có trong các nguồn nguyên liệu trên với nồng độ rất khác nhau, có thể thay đổi từ phần triệu đến phần trăm và tinh dầu tương đối dễ bay hơi.
Tinh dầu phân bố tập trung trong một số họ như họ hoa tán, học Cúc, họ hoa môi, học Long Não, họ Sim, học Cam, họ Gừng…Tinh dầu được chiết một số bộ phận của cây như cánh hoa, lá, cành, rễ, vỏ trái, cuống hạt, vỏ cây…
- Lá: Bạc Hà, Tràm, Bạch đàn, Hương nhu, Khuynh diệp, Húng chanh, Tía tô, Cúc tần, lá Tràm, lá Sả, Long não, Cam, Chanh, Quýt…
- Bộ phận trên mặt đất: Bạc Hà, Hương nhu…
- Hoa: hoa Hồng, hoa Nhài, hoa Bưởi, hoa Hồi, hoa Đinh hương… - Quả: Sa nhân, Hồi, Bưởi, Cam, Chanh, Quất, Xuyên tiêu, Thảo quả… - Vỏ quả: Cam, Chanh, Bưởi, Quýt…
- Vỏ thân: Quế..
- Gỗ: Long não, Vù hương, Trầm hương…
- Thân rễ: Gừng, Nghệ, Hành, Tỏi, Xuyên khung, Bạch chỉ, Đương quy…
Hàm lượng tinh dầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống, di truyền, đất trồng, phân bón, thời tiết, ánh sáng, thời điểm thu hoạch…Tinh dầu là sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất và không được sử dụng trở lại cho hoạt động sống của cây…
Đa số thành phần chính của các loại tinh dầu đều là các hợp chất Terpenoid được cấu tạo từ các đơn vị Isopren (C5H8) nối với nhau theo quy tắc “đầu nối với
đuôi”. Terpenoid đơn giản nhất được cấu tạo từ 2 đơn vị Isopren được gọi là Monoter-penoid. Nếu có nhiều hơn 2 đơn vị Isopren thì được gọi là Sesquiterpenoid (ứng với 3 đơn vị Isopren), Diterpenoid (ứng với 4 đơn vị Isopren), Triterpenoid (ứng với 6 đơn vị Isopren...).
a). Bộ khung Terpenoid cơ bản b). Phân tử Isopren
Hình 1.2. Cấu trúc phân tử isopren và bộ khung cơ bản của các terpenoid.
1.4.2.
Vai trò tinh dầu đối với đời sống thực vậtVấn đề về vai trò của tinh dầu trong đời sống thực vật đã được đề cập trong rất nhiều công trình nghiên cứu. Theo quan niệm được trình bày trong các công trình khác nhau, vai trò của tinh dầu được quy tụ trong các nội dung sau đây (Ph. X. Tanaxienco, 1985):
- Bảo vệ cây khỏi tác động của sâu bệnh. - Che phủ các vết thương ở cây gỗ. - Ngăn chặn các bệnh do nấm.
- Biến đổi sức căng bề mặt nước trong cây, thúc đẩy sự vận chuyển nước, tăng hiệu quả các phản ứng enzyme.
Theo Charabot cho rằng:
- Tinh dầu đóng vai trò như một chất dự trữ trong cây, nó có khả năng vận chuyển đến các phần khác nhau của cây, tinh dầu được sử dụng như một nguồn năng lượng hay tạo thành các sản phẩm mới có cấu trúc gần với nó.
Theo Coxtrisep (1937) cho rằng tinh dầu có thể xếp vào 2 nhóm chức năng: - Nhóm các tinh dầu có chức năng sinh lý được cây sử dụng trong quá trình sinh trưởng.
- Nhóm các tinh dầu không có chức năng sinh lý, không được cây sử dụng, chúng đơn thuần chỉ là các chất tiết của cơ thể và được tích lũy trong các bể chứa tinh dầu.
Như vậy, các thành phần của tinh dầu được tích lũy trong tuyến tiết không có vai trò sinh lí trong hoạt động sống của cây. Trong khi đó, tinh dầu thực vật chính là sản phẩm của quá trình tổng hợp và tích lũy do các cơ quan tiết đảm nhiệm.
- Tinh dầu tham gia vào các quá trình sinh hóa trong tế bào.
- Tinh dầu thường là một hỗn hợp có thành phần cấu tạo phức tạp, chúng thường gồm rất nhiều hợp chất ở dạng tự do và liên kết.
- Các thành phần của tinh dầu được tích lũy trong tuyến tiết không phải là các chất tiết cố định mà còn tham gia tích cực vào quá trình trao đổi chất của cây, do vậy thành phần hóa học của tinh dầu trong cây luôn luôn được đổi mới.
1.4.3.
Phân loại các thành phần có trong tinh dầu 1.1.3.1. Phân loại theo hàm lượng [3]- Thành phần chính: là thành phần có hàm lượng trên 1%. Thành phần chính là tiêu chuẩn chủ yếu để đánh giá chất lượng tinh dầu.
- Thành phần phụ: là thành phần có hàm lượng từ 0,1-1% .
- Thành phần vết: là thành phần có hàm lượng không quá 0,1% trong toàn
bộ
tinh dầu.
1.1.3.2. Phân loại theo tính chất vật lý [10]
Tinh dầu của mỗi loài thực vật là một hỗn hợp bao gồm hàng trăm hợp chất thuộc các nhóm hữu cơ khác nhau.Theo tính chất vật lý, các hợp chất có trong tinh dầu thường được phân thành hai nhóm chính:
- Nhóm thành phần dễ bay hơi: chiếm tới 90 – 95% tổng lượng tinh dầu. - Nhóm còn lại: gồm các hợp chất ít bay hơi chỉ chiếm 1 – 10%.
1.1.3.3. Phân loại theo bản chất hóa học [14]
Các hợp chất trong tinh dầu được chia thành các nhóm: - Monoterpen mạch hở (ví dụ: myrcen, ocimen).
- Monoterpen mạch vòng (ví dụ: p-cymen, pinen, sabinen) . - Monoterpen mạch hở bị oxy hóa (như farnesol, linalool, neral). - Monoterpen mạch vòng bị oxy hóa (như terpineol, geraniol). - Sesquiterpen mạch hở (ví dụ: farnesen).
- Sesquiterpen mạch vòng (ví dụ: copaen, humulen). - Sesquiterpen mạch hở bị oxy hóa (như nerolidol).
- Sesquiterpen mạch vòng bị oxy hóa (như nootkaton, spathulenol). - Các hợp chất thơm (ví dụ: indol).
1.1.4.Tính chất đặc trưng của tinh dầu [8,14]
Tinh dầu là hợp chất hữu cơ hòa tan lẫn vào nhau, có mùi đặc trưng. Tại nhiệt độ thường, tinh dầu thường ở thể lỏng, có khối lượng riêng bé hơn 1 (trừ một vài loại như tinh dầu Quế, Đinh Hương có khối lượng riêng lớn hơn 1).
Để xác định tính chất vật lý của tinh dầu, thông thường người ta tiến hành xác định các chỉ số như tỷ trọng, chiết suất, tỷ lệ hòa tan trong cồn 900 ở 250C, nhiệt độ sôi, năng suất quay cực, màu sắc… Tinh dầu không tan hoặc rất ít tan trong nước nhưng chúng hòa tan tốt trong đa số các dung môi hữu cơ như ester, cồn...
Về màu sắc, tinh dầu thường không màu hoặc có màu vàng nhạt. Một số ít tinh dầu có màu (ví dụ: tinh dầu Ngải Cứu có màu xanh lơ, tinh dầu Quế có màu nâu sẫm…) là do sự có mặt của các hợp chất có màu được lôi kéo theo tinh dầu trong quá trình chiết xuất (ví dụ: màu xanh do có Chlorophyll, màu vàng do có Carotenoid,…). Còn mùi và vị của tinh dầu chủ yếu gây ra do các cấu tử thành phần bị oxy hóa.
Mặc dù thành phần hóa học của mỗi loại tinh dầu là khác nhau, nhưng nhìn chung,chúng có nhiệt độ sôi khoảng 1000C - 2000C, dễ bay hơi và có mùi thơm đặc trưng. Thành phần hóa học chủ yếu trong tinh dầu là các hợp chất Terpenoid (tức các hydrocarbon không no) nên chúng dễ bị thủy phân (nhất là ở nhiệt độ cao) và bị phân hủy bởi ánh sáng thành các hợp chất khác. Vì vậy, người ta thường bảo quản tinh dầu trong những lọ sẫm màu, có miệng nhỏ và đậy nút kỹ.
Tinh dầu thực vật thường có thành phần không ổn định mà luôn thay đổi theo thời gian sinh trưởng của cây và cũng biến đổi theo điều kiện khí hậu, thời tiết…và trong các bộ phận của cây, hàm lượng tinh dầu cũng khác nhau.
Mỗi tinh dầu có các hằng số vật lý đặc trưng như trạng thái(d), chiết suất (n), độ quay cực (α), và các chỉ số hóa học như chỉ số Axit, chỉ số Iôt, chỉ số Este, chỉ số Xà phòng hóa…Qua các chỉ số ta có thể đánh giá sơ bộ chất lượng tinh dầu..
Giới thiệu về Tinh dầu họ Citrus [6]
- Tinh dầu họ Citrus hay còn gọi là họ Chanh có mùi thơm đặc trưng, vị ngọt sắc, gây ấn tượng mạnh, kích thích dịch vị, nhất là tuyến nước bọt. Nó
tham gia nhiều thành phần của nhiều chất thơm. Do đó, người ta thường sử dụng một ít để pha chế mùi tổng hợp nhân tạo.
- Tinh dầu họ Chanh (Citrus) hầu như không tan trong nước, nhưng tan ít ở nhiệt độ và áp suất cao.
- Thành phần chủ yếu của tinh dầu Chanh là Limonen, chiếm 90% tổng thành phần có mặt trong tinh dầu. Giá trị của tinh dầu được đánh giá theo thành phần chính.
- Tùy theo loài Chanh, Cam, Quýt và điều kiện canh tác, vùng khí hậu mà tinh dầu này có các thành phần hóa học và các chỉ số vật lý có sự thay đổi khác nhau. Tinh dầu Citrus thường nằm trong khoảng chênh lệch sau:
Tỷ trọng: d20= 0,846 – 0,854.
Chiết suất n20 = 10402 – 10406.
Độ quay cực D20 = 56 – 660.
Chỉ số Caconyl = 2,72 – 3,0.
- Thành phần chính của tinh dầu cũng thay đổi rất lớn theo loài, vùng khí hậu, đất canh tác trồng trọt, phương pháp khai thác …
1.1.5. Ứng dụng của tinh dầu [8] 1.1.5.1. Trong công nghệ thực phẩm
Tinh dầu hiện nay là nguyên liệu không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong thực phẩm như: Gia vị làm sẵn, thức ăn nhanh, nước ngọt, đồ hộp, kem lạnh, đồ ngọt tráng miệng, bánh kẹo, rượu mùi, nước sốt, nước chấm…
Mặc dù sử dụng với lượng vô cùng nhỏ và dưới những dạng khác nhau nhưng tinh dầu đã góp phần tạo hương cho các loại thức ăn, đồ uống, làm cho chúng thêm phần hấp dẫn. Gần đây, nhờ hoạt tính kháng vi sinh vật và khả năng chống oxi hóa ưu việt của nó, trong công nghệ thực phẩm cũng đã xuất hiện xu hướng sử dụng tinh dầu như một chất bảo quản thực phẩm tự nhiên và an toàn thay cho các chất bảo quản tổng hợp.
1.1.5.2. Trong y học
Tinh dầu là loại dược phẩm được sử dụng nhiều nhất trong y học cổ truyền. Tinh dầu thường sử dụng để át mùi thuốc, sát trùng, hương vị liệu pháp, chất dẫn dụ đặt trong các bẫy, bình xịt xua đuổi côn trùng…
Mỗi loại tinh dầu có thành phần hóa học và cấu phần chính khác nhau nên những hoạt tính trị bệnh cũng khác nhau, có loại tác dụng lên hệ thần kinh trung ương, có loại lại kích thích dịch tiêu hóa, dịch dạ dày, dịch ruột và dịch mật. Vì vậy, chúng được điều chế thành thuốc chữa trị các bệnh về đường hô hấp, tuần hoàn, tiêu hóa, chữa đau bụng, nôn mửa, xoa bóp các chỗ đau, giảm mệt mỏi và kích thích hoạt động của cơ bắp. Ví dụ: tinh dầu bạc hà có hàm lượng mentol cao có tác dụng kích thích các đầu dây thần kinh, gây cảm giác lạnh và giảm đau tại chỗ do đó được dùng làm chế phẩm cao xoa, dầu xoa; tinh dầu hương nhu cung cấp eugenol dùng làm thuốc sát trùng, thuốc giảm đau, chất dùng trong việc trám răng tạm thời; tinh dầu thuộc họ cam quýt dùng làm thuốc kích thích tiêu hóa, trị cảm...
1.1.5.3. Trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm
Ngày nay, ngành công nghiệp mỹ phẩm phát triển rất mạnh, tinh dầu không những được sử dụng trực tiếp trong các Spa cao cấp mà chúng còn là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất các sản phẩm như nước hoa, kem đánh răng, xà phòng thơm, dầu gội đầu, các loại kem dưỡng da, keo xịt tóc, son môi...
Ngoài ra có thể dùng tinh dầu trong công nghệ sản xuất chất tẩy rửa: tạo dễ chịu cho nước rửa sàn nhà, bột giặt, xà phòng, nước rửa chén, nước xả vải… 1.5. Các phương pháp sản xuất tinh dầu [5,7,14]
Có rất nhiều phương pháp để chiết rút tinh dầu nhưng dù có sử dụng phương pháp chiết nào thì quy trình sản xuất đều có những điểm chung sau đây:
- Tinh dầu thu được phải có mùi thơm tự nhiên như nguyên liệu. - Quy trình khai thác phải phù hợp với đặc tính của nguyên liệu.
- Tinh dầu phải được lấy triệt để khỏi nguyên liệu với chi phí thấp nhất. Các phương pháp ly trích tinh dầu đều dựa vào các đặc tính sau của tinh dầu:
- Dễ bay hơi.
- Lôi cuốn theo hơi nước ở nhiệt độ dưới 1000C. - Hòa tan dễ dàng trong dung môi hữu cơ.
Sau đây, chúng ta đi tìm hiểu về một số phương pháp thường hay sử dụng để ly trích tinh dầu thực vật.
1.2.1. Phương pháp chiết (Extraction)
Cơ sở của phương pháp dựa trên hiện tượng thẩm thấu, khuếch tán và hòa tan của tinh dầu có trong các mô nguyên liệu khi tiếp xúc với dung môi hữu cơ. Phương pháp chiết thường dùng để tách các hương liệu dễ bay hơi mà phương pháp chưng cất tỏ ra kém hiệu quả.
Trong phương pháp này nguyên liệu được ngâm trong dung môi hữu cơ thích hợp, sau đó cất chân không để thu hồi dung môi, phần còn lại là hỗn hợp tinh dầu và sáp được gọi là tinh dầu cô kết (gọi là “concrete oil”). Dùng cồn tuyệt đối hòa tan “con-crete oil” rồi để lạnh, khi đó phần sáp sẽ đông đặc và được tách loại, phần dịch còn lại được đem chưng cất lôi cuốn hơi nước để thu tinh dầu tinh khiết (gọi là “absolute oil”). Đây cũng chính là hai dạng sản phẩm chính của chất thơm hiện lưu hành trên thị trường.
Yêu cầu của dung môi chiết
Yếu tố quan trọng nhất cho sự thành công của phương pháp này là phẩm chất và đặc tính của dung môi sử dụng, do đó dung môi chiết cần phải đạt được những yêu cầu sau:
Hòa tan hoàn toàn và nhanh chóng các cấu phần có mùi thơm trong nguyên liệu.
Hòa tan kém các hợp chất khác như sáp, nhựa dầu có trong nguyên liệu. Không có tác dụng hóa học với tinh dầu.
Không biến chất khi sử dụng lại nhiều lần.
Hoàn toàn tinh khiết, không có mùi lạ, không độc, không ăn mòn thiết bị, không tạo thành hỗn hợp nổ với không khí và có độ nhớt kém.
Nhiệt độ sôi thấp vì khi chưng cất dung dịch ly trích để thu hồi dung môi, nhiệt độ sôi cao sẽ ảnh hưởng đến chất lượng tinh dầu. Điểm sôi của dung môi nên thấp hơn điểm sôi của cấu phần dễ bay hơi nhất trong tinh dầu.
Ngoài ra, cần có thêm những yếu tố phụ khác như: giá thành thấp, nguồn cung cấp dễ tìm, …
Thường thì không có dung môi nào thỏa mãn tất cả những điều kiện kể trên. Người ta sử dụng cả dung môi không tan trong nước (như Dietyl ete, Ete dầu hỏa,
Hexan, Cloroform…) lẫn dung môi tan trong nước (như Etanol, Axeton…). Trong một số trường hợp cụ thể, người ta còn dùng một hỗn hợp dung môi.
Ưu và nhược điểm của phương pháp
- Ưu điểm: Sản phẩm thu được theo phương pháp này thường có mùi thơm tự
nhiên. Hiệu suất sản phẩm thu được thường cao hơn các phương pháp khác.
- Khuyết điểm: Yêu cầu cao về thiết bị, thất thoát dung môi, quy trình tương đối phức tạp.
1.2.2. Phương pháp ướp (Enfleurage)
Cơ sở của phương pháp dựa trên hiện tượng hấp phụ chất thơm bởi các chất béo dạng lỏng hay rắn (vaselin, parafin, dầu oliu hoặc mỡ động vật) đã tinh chế. Người ta dùng các khay sâu 8cm, rộng 60cm, dài 100cm đáy là mặt kính có phủ lớp chất béo để hấp phụ chất thơm. Các khay có thể xếp chồng lên nhau, trên mặt khay xếp đều nguyên liệu để trích hương và để yên trong khoảng từ 12-72 giờ tùy từng loại nguyên liệu, sau đó thay lớp nguyên liệu mới và để hấp phụ từ 10-15 lần cuối cùng thu được chất béo có mùi thơm. Đem lắc chất béo với etanol cao độ để trích ly tinh dầu, sau đó để lạnh -100C để loại bỏ hết chất béo bị kéo theo rồi cô đuổi etanol dưới áp suất thấp để thu tinh dầu. Kỹ thuật này thuờng được dùng để chiết hương thơm của các loài hoa để thu sản phẩm dưới dạng tinh dầu cô đặc (“essence concentrée”) dùng trong mỹ phẩm.
1.2.3. Phương pháp ngâm (Hot Maceration)
Phương pháp này dựa trên hiện tượng hấp thụ chất thơm bởi các loại dầu béo. Hoa được ngâm trong dầu béo đã tinh chế trong một thiết bị được làm nóng bởi hơi nước ở 45-600C trong thời gian từ 1-2h. Sau mỗi lần ngâm, vớt hoa ra cho vào máy vẩy ly tâm để thu hồi dầu và cho tiếp nguyên liệu mới vào. Mỗi mẻ dung môi có thể dùng để chiết 10-15 lần. Dầu béo đã bão hòa chất thơm được đem lắc với etanol rồi cô dưới áp suất thấp để thu được tinh dầu cô đặc tương tự như trong phương pháp ướp. 1.2.4. Phương pháp ép (Expression hay Cold Pressing)
Phương pháp này áp dụng cho các loại dược liệu có hàm lượng tinh dầu cao và tế bào chứa tinh dầu ở phần vỏ thuộc chi Citrus.
Nguyên liệu chiết được trích tinh dầu bằng cách ép ở nhiệt độ thường sử dụng các loại máy ép trục vít vô tận hoặc cối ép dùng nêm (giống như ép các loại dầu béo). Phần thu được là một hỗn hợp gồm tinh dầu và dịch cùi có thể dễ dàng tách bằng cách
cho thêm nước muối bão hòa, tinh dầu sẽ nổi lên trên có kéo theo một phần sáp và nhựa. Dùng Etanol 75 - 800 để hòa tan tinh dầu, sau đó làm lạnh để loại bỏ sáp. Sau khi cô dưới áp suất thấp để loại bỏ etanol ta có sản phẩm tinh dầu có lẫn một ít nhựa. Phương pháp này có thể cho hiệu suất trên 90% so với hàm lượng tinh dầu định lượng trong phòng thí nghiệm.
1.2.5. Phương pháp chưng cất (Hydrodistillation)
Đây là phương pháp đầu tiên được dùng để tách tinh dầu ra khỏi nguyên liệu thực vật. Phương pháp này dựa trên sự thẩm thấu, hòa tan, khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước của những chất hữu cơ trong tinh dầu chứa trong các mô khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao. Chưng cất có thể định nghĩa là: “ Sự tách rời các cấu phần của một hỗn hợp nhiều chất lỏng dựa trên sự khác biệt về áp suất hơi của chúng”.
Cơ sở của phương pháp này là nhiệt độ sôi của hỗn hợp sẽ thấp hơn nhiệt độ sôi của các cấu tử thành phần. Do đó, khi chưng cất hơi nước các cấu tử tinh dầu sẽ được tách ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nước, vì vậy sẽ hạn chế sự biến tính hóa học (sự oxy hóa, nhiệt phân...) các cấu tử tinh dầu. Trong quá trình chưng cất, hơi nước sẽ được thẩm thấu vào các mô nguyên liệu, sau đó sẽ hòa tan, khuếch tán và lôi cuốn theo các hợp chất hữu cơ trong thành phần tinh dầu. Dịch chưng cất sẽ được ngưng tụ và phân tách thành 2 lớp (lớp tinh dầu bên trên và lớp nước ở bên dưới) trong hệ thống ngưng tụ. 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. Trường hợp các mô thực vật có các hợp chất khó bay hơi (như sáp, nhựa, acid béo dây dài mạch thẳng) thì quá trình chưng cất phải được thực hiện trong một thời gian dài vì những hợp chất này làm giảm áp suất hơi chung của hệ thống và làm cho sự khuếch tán trở nên khó khăn.
Các dạng chưng cất tinh dầu – Ưu và nhược điểm
Trong công nghiệp, người ta chia các phương pháp chưng cất hơi nước ra thành ba dạng chính: chưng cất bằng nước (water distillation), chưng cất bằng nước và hơi nước (water and steam distillation) và chưng cấy bằng hơi nước trực tiếp nước (direct steam distillation).
Nguyên liệu và nước cùng cho vào một thiết bị. Khi đun sôi, hơi nước bay ra sẽ cuốn theo tinh dầu, hơi ngưng tụ bay ra sẽ thu được hỗn hợp gồm nước và tinh dầu, hai thành phần này không tan vào nhau nên dễ dàng tách ra khỏi nhau.
Phương pháp này đơn giản, thiết bị rẻ tiền và dễ chế tạo, phù hợp với những cơ sở sản xuất nhỏ, vốn đầu tư ít. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm như hiệu suất thấp, chất lượng tinh dầu không cao do nguyên liệu tiếp xúc trực tiếp với thiết bị nên dễ bị cháy khét, khó điều chỉnh các thông số kỹ thuật như tốc độ và nhiệt độ chưng cất.
b) Chưng cất bằng hơi nước không có nồi hơi riêng (Water and Steam Distilla-tion):
Nguyên liệu và nước cùng cho vào một thiết bị nhưng cách nhau bởi một vỉ nồi. Khi đun sôi, hơi nước bốc lên qua khối nguyên liệu kéo theo tinh dầu và đi ra thiết bị ngưng tụ. Để nguyên liệu khỏi rơi vào phần có nước ta có thể lót trên vỉ một hay nhiều lớp bao tải tùy theo từng loại nguyên liệu. Phương pháp nay phù hợp với những cơ sở sản xuất có qui mô trung bình.
So với phương pháp chưng cất bằng nước trực tiếp, phương pháp này có ưu điểm hơn, nguyên liệu ít bị cháy khét vì không tiếp xúc trực tiếp với đáy thiết bị, các nhược điểm khác vẫn chưa khắc phục được. Phương pháp này thích hợp cho những loại nguyên liệu không chịu được nhiệt độ cao.
Nước + Nguyên liệu Sinh hàn Bình hứng Hình 1.3. Thiết bị chưng cất bằng nước
Hình 1.4. Thiết bị chưng cất hơi nước không có nồi hơi riêng
c) Chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng (Steam Distillation):
Trong phương pháp này hơi nước được tạo ra từ một nồi hơi riêng và được dẫn vào các thiết bị chưng cất. Phương pháp này phù hợp với những cơ sở sản xuất lớn. Ưu điểm của phương pháp này là cùng một lúc có thể phục vụ được cho nhiều thiết bị chưng cất, điều kiện làm việc của công nhân nhẹ nhàng hơn, dễ cơ khí hóa và tự động hóa các công đoạn sản xuất, khống chế tốt hơn các thông số công nghệ, rút ngắn được thời gian sản xuất.
Ngoài ra, phương pháp này đã khắc phục được tình trạng nguyên liệu bị khê, khét và có thể dùng hơi quá nhiệt để chưng cất theo yêu cầu của công nghệ. Tuy nhiên, đối với một số tinh dầu trong điều kiện chưng cất ở nhiệt độ và áp suất cao sẽ bị phân hủy làm giảm chất lượng. Hơn nữa, các thiết bị sử dụng trong phương pháp này khá phức tạp và đắt tiền. Nguyên liệu Vỉ nồi Ống ngưng tụ Nguồn nhiệt Van xả nước ngưng Van khóa
Hình 1.5. Thiết bị chưng cất hơi nước có nồi hơi riêng
Ưu - nhược điểm của phương pháp chưng cất Ưu điểm:
- Quy trình kỹ thuật tương đối đơn giản. - Thiết bị gọn, dễ chế tạo.
- Không đòi hỏi vật liệu phụ như các phương pháp tẩm trích, hấp thụ. - Thời gian chưng cất tương đối nhanh.
Nhược điểm:
- Không hiệu quả đối với những nguyên liệu có hàm lượng tinh dầu thấp.
- Chất lượng tinh dầu có thể bị ảnh hưởng nếu trong tinh dầu có những cấu phần dễ bị phân hủy.
- Không lấy được các loại nhựa và sáp có trong nguyên liệu (đó là những chất định hương thiên nhiên rất có giá trị).
- Trong nước chưng luôn luôn còn một lượng tinh dầu tương đối lớn. - Những tinh dầu có nhiệt độ sôi cao thường cho hiệu suất rất kém.
Ngoài ra, ngày nay người ta còn sử dụng các phương pháp mới trong việc ly trích tinh dầu như phương pháp chưng cất hay chiết dưới sự hỗ trợ bởi vi sóng, bởi siêu âm, kỹ thuật vi chiết pha rắn (SPME: Solid phase micro-extraction), kỹ thuật chiết siêu tới hạn (SFE: Supercritical fluid extraction), chiết kết hợp với chưng cất (SDE: Simultaneous distillation extraction),…Tuy nhiên, các phương pháp trên chi phí đắt và thiết bị phức tạp hơn nên ít phổ biến hơn trong thực tế.
Nhiệt Hơi nước và hơi tinh dầu Hơi nước Nước hoa Nước lạnh Nước nóng Tinh dầu
So với các phương pháp trên thì phương pháp chưng cất lôi cuốn bằng hơi nước dễ áp dụng trong điều kiện phòng thí nghiệm, chi phí đầu tư ít, dễ dàng vận hành, cho hiệu quả chiết tương đối cao. Do đó, tôi đã áp dụng phương pháp chưng cất lôi cuốn bằng hơi nước để chưng cất tinh dầu từ vỏ quả Quất sử dụng cho đề tài.
Những yếu tố chính ảnh hưởng hiệu suất chưng cất tinh dầu a) Sự khuếch tán
Ngay cả khi nguyên liệu được làm vỡ vụn thì chỉ có một số mô chứa tinh dầu bị vỡ và cho tinh dầu thoát tự do ra ngoài theo hơi nước lôi cuốn đi. Theo Von Rechenberg, ở nhiệt độ sôi của nước phần lớn tinh dầu còn lại trong các mô thực vật sẽ được 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 sẽ thẩm thấu 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 đừng để nguyên liệu bị khô.
Tuy nhiên, nếu lượng nước sử dụng thừa quá 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. Vì các cấu phần trong tinh dầu được chưng cất hơi nước theo nguyên tắc trên cho nên thông thường những hợp chất nào dễ hòa tan trong nước sẽ được lôi cuốn trước. Thí dụ, khi chưng cất hơi nước hạt caraway, đối với hạt không nghiền thì carvon (có nhiệt độ sôi cao nhưng tan nhiều trong nước) sẽ ra trước, còn limonen (có nhiệt độ sôi thấp, nhưng ít tan trong nước) sẽ ra sau. Nhưng với hạt caraway nghiền nhỏ thì kết quả chưng cất ngược lại.
b) Sự thủy phân
Những cấu phần este trong tinh dầu dễ bị thủy phân cho ra acide 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.
c) Nhiệt độ
Nhiệt độ cao sẽ làm phân hủy tinh dầu. Do đó, khi cần thiết phải dùng hơi nước quá nhiệt (trên 1000C) 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. Thực ra, hầu hết các tinh dầu đều kém bền dưới tác dụng của nhiệt nên vấn đề là làm sao cho thời gian chịu nhiệt độ cao của tinh dầu càng ngắn càng tốt.
d) Thu hoạch, bảo quản và sơ chế nguyên liệu[5] Thu hoạch nguyên liệu
Nguyên liệu chứa tinh dầu cần thu hoạch vào lúc có nhiều tinh dầu nhất và tinh dầu có chất lượng cao nhất. Thông thường, thu hoạch nguyên liệu vào lúc sáng sớm, lúc tan sương lượng tinh dầu sẽ cho nhiều nhất. Khi thu hoạch tránh làm dập nát nguyên liệu, lẫn tạp chất và vận chuyển ngay về cơ sở sản xuất.
Bảo quản và sơ chế nguyên liệu
Nguyên liệu sau thu hoạch có thể bảo quản đông hoặc sấy khô để chủ động nguồn nguyên liệu cho sản xuất. Sau khi thu hoạch nếu chưa chế biến ngay thì cần rải mỏng nguyên liệu, tránh chất đống để phòng ngừa hiện tượng bốc nóng.
1.6. Tình hình nghiên cứu về tinh dầu chi Citrus
1.6.1.
Tình hình nghiên cứu trên thế giới [10, 12, 13, 14]Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về tinh dầu, nhất là các loại tinh dầu thuộc chi Citrus như Cam, Chanh, Bưởi …vì các tác dụng ưu việt của nó mang lại như thanh nhiệt, giải cảm, giảm stress...Tinh dầu từ vỏ quả, lá và hoa của các cây thuộc chi Citrus là một chất tạo mùi và hương thơm tự nhiên và được sản xuất hàng nghìn tấn khối mỗi năm. Các nghiên cứu về tinh chất vật lý, thành phần hóa học và hoạt tính sinh học của tinh dầu họ Citrus thu nhận được bằng các kỹ thuật tách chiết hiện đại đã được quan tâm nhiều trong những năm gần đây.
- Lin và Rouseff (2001) đã phát hiện rằng có trên 200 hợp chất dễ bay hơi có trong tinh dầu bưởi thu được bằng phương pháp ép lạnh, trong đó chỉ có 22 chất đóng góp chủ yếu tạo nên hương Bưởi. Theo McGorrin (2002) thì nootkaton và 1-p-menthen-8-thiol là 2 cấu tử chính tạo ra hương Bưởi đặc trưng. Ngoài ra, decanal acetaldehyde, methyl butyrat, limonen, etyl acetate, etyl butyrat và 2,8-epithio-cis-p-mentan cũng là những cấu tử chính trong tinh dầu Bưởi (Shaw, 1996).
- Napapor Thavanapong thuộc khoa Dược, Đại học Silpakorn, Thái Lan (2006) đã nghiên cứu chiết tinh dầu từ vỏ quả và hoa của giống Bưởi Citrus Maxima Merr bằng các kỹ thuật ép lạnh, chưng cất hơi nước dưới áp suất thấp và chiết bằng CO2 siêu tới hạn (CO2-SFC), sau đó xác định thành phần hóa học
bằng phương pháp GC-MS và thử hoạt tính kháng khuẩn của tinh dầu trên các chủng vi sinh vật khác nhau. Kết quả cho thấy tinh dầu chiết bằng các phương pháp trên đều có chứa limonen, myrcen, -pinen, sabinen, linalool,…
- Atti-Santos, Serafini, Moyna và Cs (2005) đã nghiên cứu xác định điều kiện tối ưu cho việc chiết tinh dầu Chanh bằng phương pháp chưng cất hơi nước (HD) và chiết bằng CO2 siêu tới hạn (CO2-SFC). Kết quả cho thấy nếu dùng phương pháp HD thì hiệu suất cao nhất đạt được (5,45% w/w) khi chưng cất trong 3 giờ (dùng cả vỏ không xay), còn nếu dùng phương pháp CO2-SFC
thì hiệu suất cao nhất là (7,93% w/w) khi chiết ở 60ºC, 90 bar với tốc độ dòng của CO2 là 1mL/phút.
- M. M. Ahmad, Salim-ur-rehman, F. M. Anjum, E. E. Bajwa (2006) đã nghiên cứu tinh chất lý học của tinh dầu chiết từ vỏ của các loại Citrus khác nhau trong đó có giống Bưởi Citrus paradisi. Kết quả cho thấy tinh dầu vỏ Bưởi thu được có chỉ số khúc xạ là 1,472 và cặn còn lại không bay hơi là thấp nhất (3,122%). Khả năng hòa tan trong etanol 95% của các loại tinh dầu thu được khác nhau.
1.6.2.
Tình hình nghiên cứu trong nước [2, 4, 7]Việt Nam là một nước có điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa rất thuận lợi cho việc hình thành và phát triển các loại thực vật, trong đó phải kể đến các loài thuộc chi Citrus họ Rutaceae như Chanh (Citrus limonia Osbeck), Bưởi (Citrus grandis(L.) Osbeck), Cam (Citrus sinensis (L.) Osbeck), Quýt (Citrus reticulata Blanco)... Gần đây, ở nước ta cũng đã có một số nghiên cứu tách chiết tinh dầu từ lá hay vỏ Bưởi, Cam, Chanh sử dụng phương pháp chưng cất truyền thống cũng như ứng dụng một số kỹ thuật chiết mới.
- Nguyễn Minh Hoàng, khoa Công nghệ Sinh học, Đại học Mở TPHCM đã nghiên cứu chiết tinh dầu từ vỏ trái Bưởi da xanh Citrus grandis (L.) Osbeck (trồng tại Đồng Nai) và từ vỏ trái Cam sành Citrus nobilis Lour (trồng tại Tiền Giang) và vỏ trái Chanh dây Citrus aurantifolia (Christm.) Swingle (trồng tại
Tiền Giang) bằng phương pháp chưng cất hơi nước có và không có sự hỗ trợ của vi sóng. Kết quả cho thấy khi chưng cất với nguyên liệu không xay tốn nhiều thời gian ly trích hơn và tinh dầu thu được có màu vàng do tiếp xúc nhiệt quá lâu, hiệu suất thấp (Bưởi: 0,59%; Cam: 1,34%; Chanh: 0,83%). Nếu dùng nguyên liệu xay thì thời gian ly trích ngắn, tinh dầu thu được trong suốt, không màu, hiệu suất thu được cao hơn (Bưởi: 1,58%; Cam: 3,79%; Chanh: 1,78%). Việc kết hợp sử dụng vi sóng trong quá trình chưng cất với nguyên liệu không xay có thời gian ly trích rất ngắn (19 - 21 phút), nhưng tinh dầu thu được có màu vàng nhạt và hiệu suất thấp (Bưởi: 0,51%; Cam: 0,48%; Chanh: 0,40%). Kết quả thử nghiệm về hoạt tính kháng khuẩn cho thấy tinh dầu vỏ trái giống Citrus kháng khuẩn tốt trên một số chủng vi khuẩn thử nghiệm.
- Đề tài “Tách tinh dầu và alkaloid từ quả Quất (Citrus japonica Thumb.)” của Nguyễn Thị Lý và Cs…hay đề tài tốt nghiệp Đại học “Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu từ vỏ bưởi Năm Roi (Citrus grandis (L.) Osbeck var. grandis) bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước” (2010) của Sinh viên Nguyễn Đắc Phát Trường Đại học Nha Trang [4,7].
Trong số các loài thuộc chi Citrus thì Quất cũng khá phổ biến nhưng vẫn chưa được quan tâm nhiều. Quất là cây cảnh dễ trồng tại Việt Nam, quả Quất ngoài việc làm cảnh trong những ngày Tết cổ truyền, còn được dùng thay Chanh trong một số món ăn, thức uống và gia vị. Hoa trắng, đẹp và có mùi thơm dễ chịu. Tên khoa học là Citrus japonica Thumb, họ Rutaceae. Tên thường gọi: Hạnh, Quất, Tắc… Một số tên nước ngoài khác như: Calamondin, Kumquat….
Ở nước ta thường sử dụng Quất để chưng Tết và sau đó thải bỏ, như vậy việc chúng ta tận dụng nguồn phế liệu này để chiết xuất tinh dầu sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao (theo khảo sát thị trường có thể trên 100.000 đồng/10ml), đưa ra một hướng phát triển mới đồng thời góp phần giải quyết vấn đề môi trường đáng báo động hiện nay [15].
Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu2.1.1. Nguyên liệu chính
Nguyên liệu sử dụng tách tinh dầu trong nghiên cứu này là vỏ quả Quất, Tên khoa học là Fortunella japonica Thumb được thu mua từ TP.HCM. Nguyên liệu tươi, vỏ quả có màu vàng sáng bóng đặc trưng, không thuốc hóa học, không bị nấm mốc và
sâu bệnh. Hình 2.1. Quả Quất
2.1.2. Dụng cụ - Thiết bị - Hóa chất a). Dụng cụ - Thiết bị
- Cân kỹ thuật 1 mg (Shimadzu, Nhật) - Cân kỹ thuật 1 g (Việt Nam)
- Cân phân tích 0,1 mg (Satorius, Nhật)
- Bộ chưng cất tinh dầu định lượng, có hồi lưu kiểu Clevenger dùng cho tinh dầu nhẹ hơn nước (ISOLAB, Đức)
- Bếp đun bình cầu 1000 ml (Trung Quốc) - Máy xay điện (Sanyo, Nhật)
- Tủ sấy 10C (Memmert , Đức) - Tủ lạnh trữ mẫu -200C.
- Bình đo tỷ trọng 25 ml (Bomex, Trung Quốc)
- Buret, pipet, bình tam giác, cốc thủy tinh, đũa thủy tinh.
- Hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ hai lần với thiết bị GC model G3440A của hãng Agilent (Agilent, USA) ghép với detector MS/MS model Quattro microTMGC của hãng Waters (USA)
- Nước cất. - NaCl - Na2SO4 khan - KOH 0.1N và 0.5N - HCl 0.5N - Etanol 900 - Dung dịch chỉ thị phenolphtalein 1% 2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Xác định thành phần khối lượng của quả Quất
Chọn các quả Quất đạt yêu cầu như đã nêu, tiến hành rửa sạch để loại bỏ các tạp chất và vi sinh vật có trên bề mặt nguyên liệu và để ráo nước. Tiến hành xác định thành phần khối lượng như sau:
- Cân một lượng quả nhất định ta được khối lượng là mQ .
- Lột lấy phần vỏ bên ngoài có chứa các túi tinh dầu. Đem cân phần này ta được khối lượng mV.
- Phần ruột quả (múi quả) đem cân ta được khối lượng là mR.
Thành phần khối lượng của quả Quất được tính như sau: Vỏ(%) = mV/mQ *100%.
Ruột(%) = mR/mQ *100%.
2.2.2. Chuẩn bị nguyên liệu
Nguyên liệu quả sau khi rửa sạch thì để ráo nước, rồi đem nguyên liệu bảo quản ở nhiệt độ -200C đến khi nghiên cứu. Khi sử dụng, dùng tay lột lấy phần vỏ vàng bên ngoài, rồi cân chính xác 100g/mẫu. Thực hiện cắt nhỏ nguyên liệu, trộn đều để đồng nhất mẫu và tiến hành các thí nghiệm tiếp theo.
2.2.3. Dự kiến quy trình tách chiết tinh dầu từ Quất
Quy trình chung dự kiến tách chiết tinh dầu Quất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước được trình bày trên hình 2.2.
Nghiên cứu thời gian ngâm
Nghiên cứu thời gian chưng cất
Na2SO4 khan
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình dự kiến tách chiết tinh dầu từ Quất
Tinh dầu thô
Làm khan
Lắng, gạn
Tinh dầu Phân ly
Chưng cất lôi cuốn hơi nước
Ngưng tụ Ngâm
Nghiên cứu tỷ lệ và nồng độ nước muối ngâm nguyên liệu Nguyên liệu
Xử lý
2.2.4. Bố trí thí nghiệm
Nhiệt độ chưng cất cũng là một trong các yếu tố quan trọng quyết định thể tích và chất lượng tinh dầu thu hồi. Tuy nhiên, do điều kiện thí nghiệm tại Phòng Thí nghiệm còn hạn chế nên khi tiến hành bố trí thí nghiệm ta tạm chấp nhận bỏ qua yếu tố ảnh hưởng này.
2.2.4.1. Thí nghiệm xác định tỉ lệ nước muối ngâm nguyên liệu
Mục đích: Nước muối ngâm làm tăng khả năng phân li tinh dầu trong nguyên liệu, đây là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình chưng cất và nó cũng quyết định thời gian cất tối ưu.
Các thí nghiệm được tiến hành theo sơ đồ thí nghiệm ở hình 2.3.
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỉ lệ nước muối ngâm vỏ quả
Nước muối 10%
Vỏ quả đã xử lý
Xay với tỉ lệ nước muối/cái (v/w)
2/1 3/1 4/1 5/1 6/1
Xác định tỷ lệ tinh dầu thu được, chọn tỉ lệ nước bổ sung thích hợp Tinh dầu thô
Ngưng tụ
Phân ly Chưng cất (1h)
Cơ sơ chọn khoảng khảo sát cho thông số chọn tỉ lệ nước/nguyên liệu
- Dựa váo các tài liệu tham khảo về tách chiết tinh dầu họ Citrus và tinh dầu Quất. Đây là cơ sở giúp định hướng trong việc chọn khoảng khảo sát cho thông số nước/nguyên liệu.
- Dựa vào quá trình bố trí thí nghiệm và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm. Từ đó đưa ra khoảng khảo sát tỉ lệ nước/nguyên liệu phù hợp đối với vỏ quả Quất.
Cách tiến hành:
Lấy 100g nguyên liệu đã xử lý cho vào máy xay, thêm vào đó một lượng nước muối nồng độ 10% như đã bố trí theo hình 2.3. Xay trong 2 phút để làm mẫu dập nát, tăng diện tích tiếp xúc với môi trường nước muối thúc đẩy quá trình khuếch tán của tinh dầu. Sau đó, chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chưng cất, ngâm trong thời gian 2h rồi tiến hành chưng cất hỗn hợp trong 60 phút dưới áp suất khí quyển. Đọc thể tích tinh dầu thô tách ra trên ống ngưng tụ (có khắc vạch thể tích) và so sánh thể tích tinh dầu thu được ở các tỷ lệ khác nhau như trên. Từ đó, chọn tỷ lệ nước/nguyên liệu thích hợp cho từng loại mẫu.
2.2.4.2. Thí nghiệm xác định nồng độ NaCl ngâm
Mục đích: NaCl có tác dụng tăng khả năng thẩm thấu của nước trong tế bào, tăng độ phân cực của dung dịch, nhờ đó làm giảm lực tương tác giữa các cấu tử tinh dầu kém phân cực với nước. Nhờ đó, tinh dầu sẽ dễ dàng bay hơi trong quá trình chưng cất.
Thí nghiệm được tiến hành với có hàm lượng NaCl (w/v) thay đổi: 0%; 5%; 10%; 15%; 20% với tỷ lệ nước/cái bổ sung đã chọn thích hợp.
Bố trí thí nghiệm xác định theo hình 2.4.
Cơ sở chọn các khoảng khảo sát cho các thông số hàm lượng NaCl
- Dựa trên các tài liệu tham khảo liên quan đến chiết tinh dầu từ họ Citrus. Đây là cơ sở khoa học giúp định hướng trong việc chọn khoảng khảo sát cho các thông số hàm lượng NaCl.
- Dựa trên quá trình bố trí thí nghiệm. Tiến hành thực hiện ở các khoảng khảo sát khác nhau, các thí nghiệm được làm lặp lại ít nhất là 3 lần. Sau đó đưa ra khoảng khảo sát thích hợp với tinh dầu Quất.
Lượng nước muối thích hợp
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định nồng độ muối ngâm vỏ quả
Vỏ quả đã xử lý
Xay với nước muối nồng độ (%)
0 5 10 15 20
Xác định tỷ lệ tinh dầu thu được, chọn nồng độ muối thích hợp Tinh dầu thô
Ngưng tụ
Phân ly Chưng cất (1h)
Cách tiến hành
Lấy 100g nguyên liệu đã xử lý cho vào máy xay điện, bổ sung tỉ lệ nước ngâm thích hợp thông qua lô thí nghiệm hình 2.3 và nồng độ NaCl biến thiên như trên hình 2.4. Xay trong 2 phút. Chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chưng cất ngâm trong 2h, sau đó chưng cất hỗn hợp trong 60 phút dưới áp suất khí quyển. Đọc thể tích tinh dầu tách ra trên ống ngưng tụ và so sánh. Từ đó, chọn nồng độ NaCl thích hợp.
2.2.4.3. Thí nghiệm xác định thời gian ngâm: Mục đích:
Thời gian ngâm là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thể tích tinh dầu thu được bởi vì sự thẩm thấu của muối và nước hay sự khuếch tán của các cấu tử tinh dầu ra môi trường không thể thực hiện được trong giây lát mà đòi hỏi phải trong một khoảng thời gian nhất định.
Thí nhiệm được tiến hành với các thời gian thay đổi như sau: 0h; 1h; 2h; 3h; 4h; 5h. Các thông số khác của quy trình được chọn: tỉ lệ nước/cái thích hợp; hàm lượng NaCl (w/v,%) thích hợp.
Sơ đồ thí nghiệm trình bày trên hình 2.5.
Cách thực hiện
Lấy 100g nguyên liệu đã xử lý cho vào máy xay điện, bổ sung tỉ lệ nước muối có nồng độ thích hợp. Xay trong 2 phút, rồi chuyển toàn bộ hỗn hợp vào bình cầu. Lắp kín thiết bị, thực hiện ngâm với thời gian thay đổi ở các mẫu lần lượt là: 1h; 2h; 3h; 4h; 5h. Sau đó, chưng cất hỗn hợp trong 60 phút dưới áp suất khí quyển. Đọc thể tích tinh dầu tách ra trên ống ngưng tụ và so sánh. Từ đó, chọn thời gian ngâm muối thích hợp.
Tỉ lệ và nồng độ nước muối thích hợp
Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian ngâm nguyên liệu
Xác định tỷ lệ tinh dầu thu được, chọn thời gian ngâm thích hợp Tinh dầu thô
Ngưng tụ
Phân ly Chưng cất (1h) Ngâm với thời gian (h)
Vỏ quả đã xử lý
Xay
2.2.4.4. Thí nghiệm xác định thời gian chưng cất
Mục đích:
Thời gian chưng cất có vai trò quyết định lượng tinh dầu thu hồi. Nếu chưng cất trong thời gian quá ngắn thì lượng tinh dầu trích ly chưa hết hoàn toàn hay nó vẫn còn tồn tại trong các tế bào tiết, do vậy sẽ làm giảm thể tích tinh dầu thu được. Ngược lại, khi chưng cất quá thời gian tối ưu thì vừa tốn thời gian, vừa tổn hao năng lượng và nghiêm trọng hơn là chất lượng tinh dầu thu được cũng bị giảm đi đáng kể.
Hình 2.6. Nguyên liệu đang chưng cất.
Thí nghiệm tiến hành chưng cất nguyên liệu với các khoảng thời gian biến thiên từ 10 phút, 20 phút, 30 phút…thường xuyên theo dõi và cứ sau 10phút ghi lại thể tích tinh dầu ngưng tụ cho đến khi thấy thể tích tinh dầu thô thu được bên ống ngưng tụ không tăng được nữa. Các thông số khác của quy trình đã được xác định từ các lô thí nghiệm trước. Lặp lại như trên với 3 mẫu thí nghiệm liên tiếp và ghi lại kết quả trung bình.
Sơ đồ bố trí thí nghiệm dự kiến như hình 2.7.
2.2.5. Phương pháp xác định các chỉ số hóa-lý và định danh các cấu tử thành phần của tinh dầu [2]
2.2.5.1. Phương pháp xác định các tính chất lý- hóa cơ bản của tinh dầu
Lượng tinh dầu sau khi chưng cất và làm khan được đem xác định các chỉ số lý-hóa như sau:
- Xác định tỷ trọng ở 250C (d25): phương pháp khối lượng, dùng bình đo tỷ trọng (Phụ
lục 2)
- Xác định chỉ số acid (IA), chỉ số ester (IE) và chỉ số xà phòng hóa (IS) : phương pháp chuẩn độ (Phụ lục 2)
Thời gian ngâm thích hợp Nước muối có tỉ lệ và nồng độ
thích hợp
Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian chưng cất
Chưng cất (phút):
60 70 50
40 80
30 90 100 110 120
Xác định tỉ lệ tinh dầu thu hồi, chọn thời gian chưng cất thích hợp Tinh dầu thô Ngưng tụ Phân li NL đã xử lý Xay Ngâm
2.2.5.2. Phương pháp định danh các cấu tử thành phần có trong tinh dầu Quất (Phụ
lục 4)
Phát hiện sự có mặt của các cấu tử có trong tinh dầu quả Quất tại Trung tâm Dịch vụ Phân tích Thí nghiệm Thành phố Hồ Chí Minh (số 02 Nguyễn Văn Thủ, Quận 1, Tp.HCM) bằng phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) trên máy HP 5890GC/5972MS, cột mao quản: RTX 5 (30,0 m x 250 mm x 0,25 mm), nhiệt độ in-jector: 2500C, tốc độ dòng: 3 ml/phút.
- Chương trình nhiệt độ:
Nhiệt độ đầu 400C, tăng 20C /phút, đến 800C, lưu 4 phút, tăng 40C /phút đến 1800C, lưu 6 phút, tăng 150C /phút đến 2800C và lưu 2 phút.
- Việc định danh các thành phần trong tinh dầu được 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 thư viện phổ.
- Mức độ phù hợp giữa chất có trong mẫu nghiên cứu và chất đề nghị được tính bằng đại lượng độ tương thích. Độ tương 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 của một chất chuẩn trong thư viện thì độ tương thích là được biểu thị là 1.000. Độ tương thích đạt
150C/phút 1800C- 6phút 40C/phút 800C- 4 phút 20C/phút 400C
Hình 2.8. Chương trình nhiệt độ khi phân tích tinh dầu vỏ quả Quất bằng phương pháp GC/MS.
2.2.6. Phương pháp 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 2007.
Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả xác định thành phần khối lượng của quả QuấtThành phần khối lượng của quả Quất được thể hiện ở bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thành phần khối lượng của quả Quất
Vỏ
(Phần chứa tinh dầu)
Ruột (Phần múi Quất) Mẫu Khối lượng (g) Tỉ lệ (%) Khối lượng (g) Tỉ lệ (%) 1 20,29 20,3 79,71 79,7 2 20,51 20,5 79,49 79,5 3 20,59 20,6 79,41 79,4 Trung bình - 20,47 - 79,53
Qua kết quả trên ta thấy:
- Phần ăn được hay phần múi Quất chiếm lệ cao (khoảng 79,53%) trọng lượng tươi của quả, có độ ẩm cao (bảng PL1) nên có thể bảo quản đông để kéo dài thời gian sử dụng. Ta có thể sử dụng phần này để nghiên cứu, chế biến các dạng sản phẩm có ích khác như làm mứt quả hay bổ sung tạo các dạng sản phẩm giải khát lên men sẽ rất tốt cho sức khỏe.
- Phần vỏ còn lại cũng chiếm tỉ lệ khá cao (20,47%) trọng lượng tươi của quả, là phần có chứa các túi tinh dầu có giá trị. Do vậy, việc tận dụng lại nguồn vỏ này để chiết tinh dầu sẽ có tính khả thi cao bởi công nghệ chiết xuất đơn giản, vốn đầu tư ban đầu thấp mang lại hiệu quả kinh tế cao lại giải quyết tốt vấn đề môi trường.
3.2. Kết quả xác định tỉ lệ nước ngâm/nguyên liệu vỏ quả thích hợp Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.1 (bảng PL2).
Kết quả này cho thấy: khi thay đổi tỷ lệ nước muối cho vào nguyên liệu đem chưng cất thì tỷ lệ khối lượng tinh dầu thu được cũng thay đổi theo.
