Tài liệu Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu từ vỏ bưởi năm roi bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

i LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô trong khoa Chế biến đã hết lòng giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức cơ bản về lĩnh vực công nghệ thực phẩm - là hành trang quý giá cho em vững bước vào đời. Em vô cùng biết ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô phụ trách Bộ môn Hóa, phòng thí nghiệm Hóa Cơ bản và phòng thí nghiệm Công nghệ Thực phẩm. Em xin chân thành cảm ơn TS. Hoàng Thị Huệ An đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Qua đây, em cũng gởi lời cảm ơn chân thành tới anh Nguyễn Đức Tuấnchuyên viên phân tích (Trung tâm Phân tích phân loại hàng hoá xuất khẩu nhập khẩu Miền Trung, số 10 Ngô Quyền, Quận Sơn Trà, Thành Phố Đà Nẵng) đã giúp đỡ em cũng như cung cấp những kiến thức cơ bản trong phương pháp sắc ký ghép khối phổ Xin cảm ơn gia đình và bạn bè em đã luôn động viên, giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quý báu, giúp em hoàn thiện tốt hơn đề tài tốt nghiệp này. Nha Trang, ngày 20 tháng 6 năm 2011 Sinh viên thực hiện NGUYỄN ĐẮC PHÁT ii 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 MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN ...........................................................................................3 1.1. Giới thiệu về giống bƣởi Năm Roi ...................................................................3 1.1.1. Nguồn gốc và đặc điểm.................................................................................... 3 1.1.2. Cấu tạo, thành phần hóa học và công dụng của vỏ bƣởi ............................. 4 1.2. Tổng quan về tinh dầu ......................................................................................5 1.2.1. Khái niệm tinh dầu ........................................................................................... 5 1.2.2. Phân loại các thành phần có trong tinh dầu ................................................... 5 1.2.2.1. Phân loại theo hàm lƣợng ......................................................................... 6 1.2.2.2. Phân loại theo tính chất vật lý .................................................................. 6 1.2.2.3. Phân loại theo bản chất hóa học .............................................................. 6 1.2.3. Tính chất vật lý và hóa học chung của tinh dầu............................................ 8 1.2.3.1. Tính chất vật lý .......................................................................................... 8 1.2.3.2. Tính chất hóa học ...................................................................................... 8 1.2.4. Quá trình sinh tổng hợp tinh dầu trong cơ thể thực vật ............................... 8 1.2.5. Vai trò của tinh dầu trong đời sống thực vật ................................................. 9 1.2.6. Ứng dụng của tinh dầu ................................................................................... 10 1.2.6.1.Trong công nghệ thực phẩm ................................................................... 10 1.2.6.2.Trong y học ............................................................................................... 10 1.2.6.3.Trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm ................................................... 10 1.3.Các phƣơng pháp sản xuất tinh dầu ................................................................11 1.3.1. Phƣơng pháp chƣng cất (Hydrodistillation) ................................................ 11 1.3.1.1. Những yếu tố chính ảnh hƣởng hiệu suất chƣng cất tinh dầu ............ 11 iii 1.3.1.2. – Ƣu và nhƣợc điểm ............................ 13 1.3.1.3. Ƣu- nhƣợc điểm của phƣơng pháp chƣng cất ...................................... 15 1.3.2. Phƣơng pháp chiết (Extraction) .................................................................... 15 1.3.2.1. Yêu cầu của dung môi chiết ................................................................... 16 1.3.2.2. Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp .................................................... 17 1.3.3. Phƣơng pháp ƣớp (Enfleurage) ..................................................................... 17 1.3.4. Phƣơng pháp ngâm (Hot Maceration) .......................................................... 17 1.3.5. Phƣơng pháp ép (Expression hay Cold Pressing) ....................................... 17 1.4. Các dạng sản phẩm trong quá trình tách chiết tinh dầu .................................18 1.5. Thu ......................19 1.5.1. Thu hoạch nguyên liệu ................................................................................... 19 1.5.2. Bảo quản và sơ chế nguyên liệu ................................................................... 19 1.6. Tình hình nghiên cứu về tinh dầu họ Citrus ...................................................20 1.6.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................... 20 1.6.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ................................................................. 22 Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................24 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu .....................................................................................24 2.1.1. Nguyên liệu chính ........................................................................................... 24 2.1.2. Dụng cụ - Thiết bị - Hóa chất........................................................................ 24 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................25 2.2.1. Xác định thành phần khối lƣợng của quả bƣởi Năm Roi .......................... 25 2.2.2. Chuẩn bị nguyên liệu ...................................................................................... 25 2.2.3. Đề xuất quy trình tách chiết tinh dầu từ vỏ bƣởi ........................................ 25 2.2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất thu hồi tinh dầu ................. 27 2.2.4.1. Ảnh hƣởng của tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu (v/w) ...................................... 27 2.2.4.2. Ảnh hƣởng của nồng độ NaCl trong dịch ngâm .................................. 28 2.2.4.3. Ảnh hƣởng của thời gian ngâm muối NaCl ......................................... 29 2.2.4.4. Ảnh hƣởng của thời gian chƣng cất ...................................................... 30 2.2.5. Tối ƣu hóa quy trình tách chiết tinh dầu ...................................................... 31 iv 2.2.6. Thử nghiệm quy trình chƣng cất- Đánh giá hiệu suất và chất lƣợng tinh dầu thu đƣợc ............................................................................................................... 32 2.2.6.1. Thử nghiệm quy trình chƣng cất - Đánh giá hiệu suất thu hồi tinh dầu ........................................................................................................................ 32 2.2.6.2. Xác định các tính chất lý- hóa cơ bản của tinh dầu ............................ 32 2.2.6.3. Định danh các cấu tử có trong tinh dầu vỏ bƣởi .................................. 32 2.2.7. Xử lý số liệu .................................................................................................... 34 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................35 3.1. Kết quả xác định thành phần khối lƣợng của quả bƣởi Năm Roi ..................35 3.2. Kết quả xác định tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu thích hợp ........................................36 3.3. Kết quả xác định nồng độ NaCl thích hợp .....................................................37 3.4. Kết quả xác định thời gian ngâm muối NaCl thích hợp .................................39 3.5. Kết quả xác định thời gian chƣng cất thích hợp .............................................40 3.6. Kết quả xác định điều kiện tối ƣu để chƣng cất tinh dầu ...............................40 3.7. Quy trình hoàn thiện tách chiết tinh dầu từ vỏ bƣởi .......................................43 3.8. Kết quả xác định hiệu suất tách tinh dầu ........................................................44 3.9. Kết quả đánh giá tính chất cảm quan và xác định các chỉ số lý- hóa của sản phẩm ....................................................................................................................45 3.9.1. Đánh giá tính chất cảm quan ......................................................................... 45 3.9.2. Kết quả xác định các chỉ số lý- hóa .............................................................. 45 3.10. Kết quả xác định thành phần hóa học của tinh dầu ......................................46 3.11. Tính toán sơ bộ giá thành sản phẩm trong phòng thí nghiệm ......................52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................53 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................54 PHỤ LỤC v 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 Min Minute Phút R2 Correlation coefficient Hệ số tƣơng quan v/w Volume/weight Thể tích/khối lƣợng w/v Weight/volume Khối lƣợng/thể tích IA Acide Index Chỉ số acide IS Saponification Index Chỉ số xà phòng IE Esters Index Chỉ số este vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các mức và khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất thu hồi tinh dầu ..........................................................................................................31 Bảng 3.1. Thành phần khối lƣợng của quả bƣởi Năm Roi .......................................35 Bảng 3.2. Thể tích tinh dầu thu đƣợc ở các tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu khác nhau ........36 Bảng 3.3. Thể tích tinh dầu thu đƣợc khi ngâm ở các nồng độ NaCl khác nhau .....37 Bảng 3.4. Thể tích tinh dầu thu đƣợc ở các thời gian ngâm NaCl khác nhau ..........39 Bảng 3.5. Sự phụ thuộc của thể tích tinh dầu thu đƣợc theo thời gian chƣng cất ....40 Bảng 3.6. Kết quả thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của lƣợng tinh dầu chƣng cất vào các yếu tố ảnh hƣởng theo phƣơng án TNYT 24 ................................................41 Bảng 3.7. Hiệu suất tách tinh dầu từ vỏ bƣởi Năm Roi ............................................45 Bảng 3.8. Tính chất cảm quan của tinh dầu vỏ bƣởi.................................................45 Bảng 3.9. Kết quả xác định chỉ số lý-hóa của tinh dầu bƣởi ....................................45 Bảng 3.10. Kết quả định danh một số cấu tử chính trong tinh dầu vỏ bƣởi Năm Roi ...................................................................................................................................48 Bảng 3.11. Ƣớc tính chi phí nguyên vật liệu để tách tinh dầu từ 100kg vỏ bƣởi Năm Roi .............................................................................................................................52 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Bƣởi Năm Roi ........................................................................................... 3 Hình 1.2. Hoa bƣởi Năm Roi ...................................................................................... 3 Hình 1.3. Cấu trúc phân tử isopren và bộ khung cơ bản của các terpenoid ................ 5 Hình 1.4. Cấu trúc phân tử của một số hợp chất có trong tinh dầu ........................... 7 Hình 1.5. Cơ quan chứa tinh dầu vỏ bƣởi dạng túi tiết ............................................... 8 Hình 1.6. Thiết bị chƣng cất bằng nƣớc .................................................................... 13 Hình 1.7. Thiết bị chƣng cất hơi nƣớc không có nồi hơi riêng ................................. 14 Hình 1.8. Thiết bị chƣng cất hơi nƣớc có nồi hơi riêng ............................................ 15 Hình 2.1. Sơ đồ quy trình dự kiến tách chiết tinh dầu từ vỏ bƣởi............................. 26 Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu thích hợp .......... 27 Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định nồng độ muối NaCl thích hợp .............. 28 Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian ngâm muối NaCl thích hợp . 29 Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian chƣng cất thích hợp .............. 30 Hình 2.6. Chƣơng trình nhiệt độ khi phân tích tinh dầu vỏ bƣởi bằng phƣơngpháp GC/MS/MS ............................................................................................................... 33 Hình 3.1. Ảnh hƣởng của tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu đến lƣợng tinh dầu chƣng cất .... 36 Hình 3.2. Ảnh hƣởng của nồng độ NaCl đến lƣợng tinh dầu chƣng cất .................. 38 Hình 3.3. Ảnh hƣởng của thời gian ngâm NaCl đến lƣợng tinh dầu chƣng cất ...... 39 Hình 3.4. Ảnh hƣởng của thời gian chƣng cất đến lƣợng tinh dầu chƣng cất .......... 40 Hình 3.5. Bề mặt đáp ứng mô tả sự phụ thuộc của lƣợng tinh dầu chƣng cất vào tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu (X1) và nồng độ muối NaCl (X2).............................................. 42 Hình 3.6. Bề mặt đáp ứng mô tả sự phụ thuộc của lƣợng tinh dầu chƣng cất vào thời gian ngâm muối NaCl (X3) và thời gian chƣng cất (X4).................................... 42 Hình 3.7. Bề mặt đáp ứng mô tả sự phụ thuộc của lƣợng tinh dầu chƣng cất vào nồng độ muối NaCl (X2) và thời gian chƣng cất (X4)............................................... 42 Hình 3.8. Bề mặt đáp ứng mô tả sự phụ thuộc của lƣợng tinh dầu chƣng cất vào tỷ lệ nƣớc/nguyên liệu (X1) và thời gian ngâm muối NaCl (X3) ................................. 42 Hình 3.9. Sơ đồ quy trình tách chiết tinh dầu từ vỏ bƣởi........................................ 43 viii Hình 3.10. Sắc kí đồ GC của tinh dầu vỏ bƣởi Năm Roi (RT = 0 – 29 min) .......... 49 Hình 3.11. Sắc kí đồ GC của tinh dầu vỏ bƣởi Năm Roi (RT = 29 – 38 min) ........ 50 Hình 3.12. Sắc kí đồ GC của tinh dầu vỏ bƣởi Năm Roi (RT = 38 – 60 min) ........ 51 1 MỞ ĐẦU Từ xa xƣa, tinh dầu đã đƣợc mệnh danh là báu vật của thiên nhiên. Con ngƣời đã phát hiện và biết cách sử dụng tinh dầu vào nhiều mục đích khác nhau nhƣ chữa bệnh, làm đẹp, chăm sóc da, giúp thƣ giãn, giảm stress... Ngày nay, vai trò của tinh dầu ngày càng trở nên thiết yếu hơn. Chúng đƣợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thực phẩm, mỹ phẩm, dƣợc phẩm... Chúng ta có thể dễ dàng bắt gặp sự hiện diện của tinh dầu trong rất nhiều sản phẩm, từ những sản phẩm cao cấp nhƣ nƣớc hoa, kem dƣỡng da cho đến các mặt hàng bình dân hơn nhƣ nƣớc giải khát, nồi xông hơi trị cảm... Đặc biệt, con ngƣời ngày càng chú ý và ƣa chuộng hơn tới những loại tinh dầu có nguồn gốc tự nhiên vì tính an toàn cao của chúng. Trong số các loại tinh dầu thực vật, tinh dầu bƣởi là một sản phẩm rất đƣợc ƣa chuộng và có giá trị kinh tế cao (115.000 VNĐ/10 ml) [18] do nó có mùi thơm nhẹ, dễ chịu và có nhiều ứng dụng trong công nghiệp dƣợc phẩm, mỹ phẩm. Việt Nam, với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa, rất thuận lợi cho việc sinh trƣởng của nhiều loài cây ăn quả có giá trị. Trong số đó, bƣởi Năm Roi (Citrus grandis (L.) Osbeck var. grandis) là một đặc sản nổi tiếng của vùng đồng bằng sông Cửu Long. Loại bƣởi này đƣợc ngƣời tiêu dùng trong nƣớc cũng nhƣ trên thế giới ƣa chuộng nhờ có vị ngọt thanh, rất mọng nƣớc. Đây là loại trái cây đầu tiên của Việt Nam đƣợc đăng ký thƣơng hiệu thông qua doanh nghiệp chế biến rau quả xuất khẩu Hoàng Gia (Vĩnh Long). Hiện nay, qua doanh nghiệp Hoàng Gia, bƣởi Năm Roi đã đƣợc xuất khẩu sang các thị trƣờng Hà Lan, Đức, Hoa Kỳ, Phần Lan, Nga, Trung Quốc… Ngoài việc xuất khẩu dƣới dạng quả tƣơi, bƣởi Năm Roi cũng đã đƣợc đa dạng hóa sản phẩm bằng cách chế biến nƣớc ép bƣởi đóng lon. Sản phẩm này đang đƣợc tiêu thụ rộng rãi trên thị trƣờng trong nƣớc và đã xuất khẩu sang Đức, Tây Ban Nha, Pháp… [22] Tuy nhiên, cùng với sản lƣợng tiêu thụ lớn, ngành công nghiệp chế biến nƣớc ép bƣởi Năm Roi hàng năm cũng đang đối mặt với việc phải xử lý một lƣợng lớn phế liệu vỏ bƣởi. Vì vậy, việc tìm kiếm các giải pháp tận dụng phế liệu vỏ bƣởi 2 để sản xuất các sản phẩm có giá trị gia tăng nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất, giảm thiểu rác thải môi trƣờng là vấn đề đang đƣợc các doanh nghiệp này quan tâm. Một trong những sản phẩm giá trị có thể khai thác từ nguồn phế liệu này là tinh dầu vỏ bƣởi. Thực vậy, theo một số nghiên cứu, hàm lƣợng tinh dầu trong lớp vỏ ngoài của quả bƣởi khá cao (khoảng 1,4 - 1,6%) [3]. Do vậy, việc nghiên cứu tách chiết tinh dầu từ vỏ bƣởi Năm Roi nhằm phục vụ cho nhu cầu trong nƣớc và xuất khẩu là hƣớng nghiên cứu rất triển vọng hiện nay. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trên đây, đƣợc sự đồng ý của khoa Chế Biến và bộ môn Công nghệ Thực phẩm, dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Hoàng Thị Huệ An, em đã nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu từ vỏ bƣởi Năm Roi (Citrus grandis (L.) Osbeck var. grandis) bằng phƣơng pháp chƣng cất lôi cuốn hơi nƣớc”. Mục đích nghiên cứu của đề tài là xây dựng quy trình công nghệ thích hợp cho việc chiết xuất tinh dầu từ vỏ bƣởi Năm Roi bằng phƣơng pháp chƣng cất lôi cuốn hơi nƣớc. 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 bƣởi trên quy mô công nghiệp cũng nhƣ cung cấp những dẫn liệu khoa học về thành phần hóa học và tính chất lý-hóa cơ bản của tinh dầu vỏ bƣởi Năm Roi. Do kiến thức và kinh nghiệm nghiên cứu còn hạn chế cũng nhƣ khó khăn về điều kiện thực nghiệm, nguồn kinh phí eo hẹp nên mặc dù đã rất cố gắng song đề tài này không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong đƣợc sự chỉ bảo của quý thầy cô cũng nhƣ sự góp ý kiến từ các bạn sinh viên để đề tài này đƣợc hoàn thiện hơn. Nha Trang, ngày 20 tháng 6 năm 2011 Sinh viên thực hiện NGUYỄN ĐẮC PHÁT 3 Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về giống bƣởi Năm Roi 1.1.1. Nguồn gốc và đặc điểm [21] Theo Phạm Hoàng Hộ, bƣởi Năm Roi có tên khoa học là Citrus grandis L. Osbeck var. Grandis (Syn. Citrus decumana Murr.; Citrus maxima Merr.), thuộc chi Citrus, họ Rutaceae. Bƣởi Năm Roi có nguồn gốc từ huyện Long Tuyền (Cần Thơ) đƣợc mang về trồng ở huyện Bình Minh (tỉnh Vĩnh Long). Đã từ lâu, bƣởi Năm Roi là loại trái cây nổi tiếng ở đồng bằng sông Cửu Long và cả nƣớc, đã trở thành trái cây đầu tiên của Việt Nam đƣợc đăng ký thƣơng hiệu thông qua doanh nghiệp chế biến rau quả xuất khẩu Hoàng Gia (Vĩnh Long). Hiện nay bƣởi Năm Roi đƣợc trồng nhiều ở các tỉnh Bến Tre, Tiền Giang, Cần Thơ, Vĩnh Long,... Cây bƣởi Năm Roi cao trung bình từ 5-10m. Chồi non có lông mềm, cành có gai nhỏ dài khoảng 2,5- 5cm. Lá rộng hình trái xoan, tròn ở gốc, mép nguyên, có khớp trên cuống lá. Cụm hoa mọc thành chùm ở nách lá, gồm 7-10 hoa to, cánh hoa có màu màu trắng ngà, rất thơm. Quả to, dạng trái hình quả lê đẹp, đƣờng kính từ 15-30cm, nặng trung bình từ 0,9 - 1,45 kg/trái. Vỏ trái khi chín có màu xanh vàng đến vàng sáng, dễ lột và dày trung bình từ 15-18 mm. Tép màu vàng nhạt, bó chặt, dễ tách khỏi vách múi. Nƣớc quả nhiều có vị ngọt chua (độ Brix : 9-11%, pH khoảng 4,2). Hình 1.1. Bƣởi Năm Roi Hình 1.2. Hoa bƣởi Năm Roi 4 Tuổi thọ bình quân của cây bƣởi từ 10 – 20 năm, nếu đất tốt cây có thể sống lâu hơn. Cây trồng sau 3 năm đã cho trái quanh năm. Theo nông dân mùa thu họach bƣởi chính vào khoảng tháng 8 - tháng 9 và mùa nghịch vào tháng 2 – tháng 4. Ngoài ra mùa Tết (20 -25 tháng chạp) bƣởi đƣợc neo lại chờ bán với giá cao. 1.1.2. Cấu tạo, thành phần hóa học và công dụng của vỏ bƣởi [20] Cũng giống nhƣ các loại trái cây thuộc chi Citrus, vỏ bƣởi có 2 lớp: a) Lớp ngoài (đƣợc gọi là flavedo do chứa các hợp chất flavonoid): Rất mỏng, dày khoảng 1mm, có màu xanh hay xanh vàng chứa các túi tinh dầu. Tinh dầu vỏ bƣởi chứa các thành phần chủ yếu nhƣ d-limonen, alpha-pinen, linalool, geraniol, citral. Chúng có tác dụng hỗ trợ tiêu hóa và trị cảm cúm, thƣờng đƣợc dùng trong liệu pháp nấu nồi xông giải cảm. Trong dân gian, vỏ bƣởi thƣờng đƣợc dùng nấu nƣớc gội đầu giúp cho tóc bớt rụng, bóng mƣợt, mềm và chắc hơn. Vỏ bƣởi còn chứa nhiều flavonoid nhƣ narigin, hesperidin, diosmin, hesperitin... có tác dụng bảo vệ thành mao mạch, giúp cho mao mạch đàn hồi và bền vững hơn, nhờ đó giúp ngăn ngừa những tai biến do vỡ các mao mạch, gián tiếp giúp hạ huyết áp. b) Lớp trong (gọi là albedo): Dày khoảng 2- 4cm, có màu trắng, là phần chủ yếu của vỏ bƣởi. Lớp này chứa nhiều đƣờng, pectin, cellulose, hemicellulose và pentosan. Pectin không cung cấp năng lƣợng nhƣng có nhiều giá trị phòng, chữa bệnh nhƣ: - Kéo dài thời gian tiêu hóa thức ăn trong ruột, có tác dụng tăng hấp thu dƣỡng chất trong thức ăn. - Giảm béo (do tạo cảm giác no bụng kéo dài, giảm năng lƣợng ăn vào, do đó giúp giảm cân ở ngƣời béo phì). - Giảm hấp thu lipid, giảm cholesterol toàn phần trong máu, đặc biệt là giảm cholesterol xấu (LDL) ở ngƣời rối loạn lipid máu. - Khống chế tăng đƣờng huyết trƣớc và sau bữa ăn ở ngƣời có bệnh tiểu đƣờng. Ngoài ra, pectin còn có tác dụng chống táo bón, cầm máu... 5 Cả 2 phần flavedo và albedo tạo thành phần vỏ (pericarp) Trong cuốn “Nam dược thần hiệu”, Tuệ Tĩnh đã viết: “Vỏ quả bưởi gọi là cam phao, vị đắng cay, tính không độc, thông lợi, trừ đờm táo thấp, hoà huyết, giảm đau; trị tràng phong, tiêu phù thũng”. Chính vì vậy trong các bài thuốc đông y, vỏ quả bƣởi đƣợc dùng trị đờm kết đọng ở cổ họng và cuống phổi, đau bụng do lách to, còn dùng trị đau dạ dày, đầy bụng, ăn uống không tiêu, ho nhiều, hen, đau thoát vị. 1.2. Tổng quan về tinh dầu [3, 4, 6, 8, 10, 17, 19] 1.2.1. Khái niệm tinh dầu Tinh dầu là những chất thơm hay chất mùi có trong một số bộ phận của cây cỏ (nhƣ hạt, rễ, củ, vỏ cây, hoa, lá, quả, dầu, nhựa cây) hay động vật (túi tinh dầu). 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. Khối lƣợng phân tử của các hợp chất có trong tinh dầu vào khoảng 300 amu. Khác với các loại dầu không bay hơi (glycerid, acid béo), tinh dầu tƣơng đối dễ bay hơi. Đa số thành phần chính của các loại tinh dầu đều là các hợp chất terpenoid đƣợc cấu tạo từ các đơn vị isopren (C5H8) nối với nhau theo quy tắc “đầu nối với đuôi”. Terpenoid đơn giản nhất đƣợc cấu tạo từ 2 đơn vị isopren đƣợc gọi là monoterpenoid. Nếu có nhiều hơn 2 đơn vị isopren thì đƣợc gọi là sesquiterpenoid (ứng với 3 đơn vị isopren), diterpenoid (ứng với 4 đơn vị isopren), triterpenoid (ứng với 6 đơn vị isopren...) a) Phân tử isopren b) Bộ khung terpenoid cơ bản Hình 1.3. Cấu trúc phân tử isopren và bộ khung cơ bản của các terpenoid 1.2.2. Phân loại các thành phần có trong tinh dầu Thành phần tinh dầu đƣợc phân loại theo các cách sau: 6 1.2.2.1. Phân loại theo hàm lượng [4] Theo cách phân loại này các thành phần trong tinh dầu đƣợc chia thành 3 nhóm: - Thành phần chính: là thành phần có hàm lƣợng trên 1%. Thành phần chính là tiêu chuẩn chủ yếu để đánh giá chất lƣợng tinh dầu - Thành phần phụ: là thành phần có hàm lƣợng từ 0,1-1% - Thành phần vết: là thành phần có hàm lƣợng không quá 0,1% trong toàn bộ tinh dầu. 1.2.2.2. 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. Các hợp chất có trong tinh dầu thƣờng đƣợc phân thành hai nhóm chính: - Nhóm thành phần dễ bay hơi: chiếm tới 90 – 95% tổng lƣợng tinh dầu - Nhóm còn lại: gồm các hợp chất ít bay hơi chỉ chiếm 1 – 10%. Tỷ lệ các thành phần riêng lẻ có thể thay đổi rất lớn tùy theo giống cây trồng, điều kiện canh tác, mùa vụ và các bộ phận khác nhau của cây tuy nhiên số lƣợng của các thành phần là không thay đổi trong phạm vi loài. 1.2.2.3. Phân loại theo bản chất hóa học [17] Các hợp chất trong tinh dầu đƣợc 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 (nhƣ farnesol, linalool, neral) - Monoterpen mạch vòng bị oxy hóa (nhƣ terpineol, geraniol) - Sesquiterpen mạch hở (ví dụ: farnesen) - Sesquiterpen mạch vòng (ví dụ: copaen, humulen) - Sesquiterpen mạch hở bị oxy hóa (nhƣ nerolidol) - Sesquiterpen mạch vòng bị oxy hóa (nhƣ nootkaton, spathulenol) - Các hợp chất thơm (ví dụ: indol) - Các hydrocarbon mạch dài (nhƣ tetradecanal, dodecanal) 7 Hình 1.4. Cấu trúc phân tử của một số hợp chất có trong tinh dầu 8 1.2.3. Tính chất vật lý và hóa học chung của tinh dầu [8, 17] 1.2.3.1. Tính chất vật lý Để xác định tính chất vật lý của tinh dầu, thông thƣờng ngƣời ta tiến hành xác định các chỉ số nhƣ tỷ trọng, chiết suất, tỷ lệ hòa tan trong cồn 90 0 ở 250C, nhiệt độ sôi, năng suất quay cực, màu sắc. Hầu hết tỷ trọng của các loại tinh dầu thƣờng nhỏ hơn 1, do vậy chúng thƣờng nhẹ hơn nƣớc. . Tinh dầu không tan hoặc rất ít tan trong nƣớc nhƣng chúng hòa tan tốt trong đa số các dung môi hữu cơ nhƣ eter, cồn... Mặc dù thành phần hóa học của mỗi loại tinh dầu là khác nhau, nhƣng nhìn chung chúng có nhiệt độ sôi khoảng 1000C – 2000C, dễ bay hơi và có mùi thơm. Về màu sắc, tinh dầu thƣờng 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 đƣợc 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 bị oxy hóa. 1.2.3.2. Tính chất hóa học Các thành phần 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, ngƣời ta thƣờng bảo quản tinh dầu trong những lọ sẫm màu, có miệng nhỏ và đậy nút kỹ. 1.2.4. Quá trình sinh tổng hợp tinh dầu trong cơ thể thực vật [3, 6] Theo quan điểm hiện nay, ngƣời ta cho rằng tinh dầu đƣợc sinh tổng hợp trong các tế bào tiết (nằm trong thành phần cấu trúc tiết), sau đó đƣợc vận chuyển và tập trung ở cấu trúc chuyên biệt (gọi là khoang chứa tinh dầu) nhờ hệ thống ống nội bào. Hình 1.5. Cơ quan chứa tinh dầu vỏ bƣởi dạng túi tiết 9 Sinh tổng hợp tinh dầu là một quá trình bao gồm hàng loạt các phản ứng hóa học. Tùy theo mức độ phức tạp của cấu trúc, mỗi hợp chất có thể phải trải qua nhiều phản ứng hóa học khác nhau. Nhiều nghiên cứu đều khẳng định rằng tất cả các phản ứng tổng hợp đều xảy ra trên bề mặt của màng các cơ quan tử và tế bào. Ở mỗi cơ quan của thực vật, trong các giai đoạn phát triển khác nhau, các quá trình tổng hợp và biến đổi của tinh dầu xảy ra không nhƣ nhau. Điều này giải thích sự khác biệt về hàm lƣợng và thành phần tinh dầu trong các cơ quan của cùng một cây hoặc ở các giai đoạn sinh trƣởng khác nhau trong quá trình phát sinh cá thể. Nguyên liệu cho quá trình sinh tổng hợp tinh dầu trong cây từ lâu đã đƣợc thừa nhận là các sản phẩm của quá trình quang hợp và sự tổng hợp tinh dầu cũng chỉ xảy ra trong điều kiện đƣợc chiếu sáng. Song gần đây, ngƣời ta cũng đã chứng minh đƣợc rằng quá trình tổng hợp tinh dầu cũng có thể xảy ra cả trong điều kiện không có ánh sáng và trong trƣờng hợp này rõ ràng nguyên liệu cho quá trình tổng hợp là các sản phẩm trung gian của quá trình hô hấp. Nhƣ vậy, sự tổng hợp tinh dầu trong cây là một quá trình vô cùng phức tạp và đây cũng là vấn đề còn nhiều tranh cãi, cần phải nghiên cứu tiếp tục trong thời gian tới. 1.2.5. Vai trò của tinh dầu trong đời sống thực vật [6, 19] Vai trò của tinh dầu trong đời sống của cây đã đƣợc đề cập tới trong rất nhiều công trình nghiên cứu. Nhìn chung, tinh dầu có nhiều chức năng sinh học quan trọng đối với quá trình sinh trƣởng của thực vật nhƣ bảo vệ cây khỏi các tác động của sâu bệnh, che phủ các vết thƣơng ở cây gỗ, ngăn chặn các bệnh do nấm, biến đổi sức căng bề mặt của nƣớc trong cây do đó thúc đẩy sự vận chuyển nƣớc, tăng hiệu quả của các phản ứng enzym. Ngoài ra, tinh dầu còn tham gia tích cực vào quá trình trao đổi chất của cây. Mutxtiatse (1985) đã chứng minh rằng, các thành phần tinh dầu đƣợc 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 ở trong cây luôn luôn đƣợc đổi mới. Qua các bằng chứng thực nghiệm, có thể khẳng định chắc chắn rằng, nhiều thành phần hóa học của tinh dầu, 10 ví dụ một số acide có phân tử lƣợng thấp, rƣợu, các aldehyde mạch vòng... là những nguyên liệu khởi đầu để tổng hợp hàng loạt các chất có hoạt tính sinh học. Tuy nhiên, để đánh giá chính xác vai trò của tinh dầu trong hoạt động sống ở cây, cần phải tiến hành nghiên cứu từng thành phần riêng lẻ của tinh dầu hoặc các hợp chất có cấu trúc gần nhau. 1.2.6. Ứng dụng của tinh dầu [8] 1.2.6.1. Trong công nghệ thực phẩm Tinh dầu giữ vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất các loại bánh kẹo, thức uống. Mặc dù sử dụng với lƣợng vô cùng nhỏ và dƣới những dạng khác nhau, tinh dầu đã góp phần tạo hƣơng 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 ƣu việt của nó, trong công nhệ thực phẩm cũng đã xuất hiện xu hƣớng sử dụng tinh dầu nhƣ một chất bảo quản thực phẩm tự nhiên và an toàn thay cho các chất bảo quản tổng hợp. 1.2.6.2. Trong y học Tinh dầu là loại dƣợc phẩm đƣợc sử dụng nhiều nhất trong y học cổ truyền. 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 ƣơng, có loại lại kích thích dịch tiêu hóa, dịch dạ dày, dịch ruột và dịch mật. Vì vậy, chúng đƣợc điều chế thành thuốc chữa trị các bệnh về đƣờng 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 lƣợng mentol cao có tác dụng kích thích các đầu dây thần kinh, gây cảm giác lạnh và giảm đau tại chỗ do đó đƣợc dùng làm chế phẩm cao xoa, dầu xoa; tinh dầu hƣơng 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... 1.2.6.3. Trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm Ngày nay, ngành công nghiệp mỹ phẩm phát triển rất mạnh, tinh dầu không những đƣợc sử dụng trực tiếp trong các spa cao cấp mà chúng còn là nguồn nguyên 11 liệu chủ yếu để sản xuất các sản phẩm nhƣ nƣớc hoa, kem đánh răng, xà phòng thơm, dầu gội đầu, các loại kem dƣỡng da, son môi... 1.3. Các phƣơng pháp sản xuất tinh dầu [2, 6, 7, 9, 17] Hiệu suất và chất lƣợng tinh dầu cần tách phụ thuộc vào đặc tính lý-hóa của tinh dầu cần tách, bộ phận mà chất thơm chứa trong nguyên liệu và phƣơng pháp chiết xuất. Các phƣơng pháp chiết xuất tinh dầu thông dụng là chƣng cất, chiết, ƣớp ngâm và ép. 1.3.1. Phƣơng pháp chƣng cất (Hydrodistillation) Đây là phƣơng pháp đầu tiên đƣợc dùng để tách tinh dầu ra khỏi nguyên liệu thực vật. Cơ sở của phƣơng pháp này là nhiệt độ sôi của hỗn hợp sẽ thấp hơn nhiệt độ sôi của các cấu tử thành phần. Do đó, khi chƣng cất hơi nƣớc các cấu tử tinh dầu sẽ đƣợc tách ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nƣớc, vì vậy sẽ hạn chế sự biến tính hóa học (sự oxy hóa, nhiệt phân...) các cấu tử tinh dầu. Trong quá trình chƣng cất, hơi nƣớc sẽ đƣợc 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 chƣng cất sẽ đƣợc ngƣng tụ và phân tách thành 2 lớp (lớp tinh dầu bên trên và lớp nƣớc ở bên dƣới) trong hệ thống ngƣng tụ. Sự khuếch tán sẽ dễ dàng khi tế bào chứa tinh dầu trƣơng phồng do nguyên liệu tiếp xúc với hơi nƣớc bão hòa trong một thời gian nhất định. Trƣờng hợp các mô thực vật có các hợp chất khó bay hơi (nhƣ sáp, nhựa, acid béo dây dài mạch thẳng) thì quá trình chƣng cất phải đƣợc 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. 1.3.1.1. Những yếu tố chính ảnh hưởng hiệu suất chưng cất tinh dầu a) Sự khuếch tán Ngay cả khi nguyên liệu đƣợc 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 nƣớc lôi cuốn đi. Theo Von Rechenberg, ở nhiệt độ sôi của nƣớc phần lớn tinh dầu còn lại trong các mô thực vật sẽ đƣợc hòa tan vào trong nƣớc có sẵn trong tế bào thực vật. Dung dịch này sẽ thẩm thấu dần ra bề mặt nguyên liệu và bị hơi nƣớc cuốn đi. Còn nƣớc sẽ thẩm thấu vào 12 nguyên liệu theo chiều ngƣợc lại và tinh dầu lại tiếp tục bị hòa tan vào lƣợng nƣớc này. Quy trình này lặp đi lặp lại cho đến khi tinh dầu trong các mô thoát ra ngoài hết. Nhƣ vậy, sự hiện diện của nƣớc rất cần thiết, cho nên trong trƣờng hợp chƣng cất sử dụng hơi nƣớc quá nhiệt, chú ý tránh đừng để nguyên liệu bị khô. Tuy nhiên, nếu lƣợng nƣớc sử dụng thừa quá thì cũng không có lợi, nhất là trong trƣờng hợp tinh dầu có chứa những cấu phần tan dễ trong nƣớc. Ngoài ra, vì nguyên liệu đƣợc làm vỡ vụn ra càng nhiều càng tốt, cần làm cho lớp nguyên liệu có một độ xốp nhất định để hơi nƣớc có thể đi xuyên ngang lớp này đồng đều và dễ dàng. Vì các cấu phần trong tinh dầu đƣợc chƣng cất hơi nƣớc theo nguyên tắc nói trên cho nên thông thƣờng những hợp chất nào dễ hòa tan trong nƣớc sẽ đƣợc lôi cuốn trƣớc. Thí dụ, khi chƣng cất hơi nƣớc hạt caraway, đối với hạt không nghiền thì carvon (có nhiệt độ sôi cao nhƣng tan nhiều trong nƣớc) sẽ ra trƣớc, còn limonen (có nhiệt độ sôi thấp, nhƣng ít tan trong nƣớc) sẽ ra sau. Nhƣng với hạt caraway nghiền nhỏ thì kết quả chƣng cất ngƣợc 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 nƣớc. Do đó, để hạn chế hiện tƣợng này, sự chƣng cất hơi nƣớc phải đƣợc 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 nƣớc quá nhiệt (trên 1000C) nên thực hiện việc này trong giai đoạn cuối cùng của sự chƣng cất, sau khi các cấu phần dễ bay hơi đã lôi cuốn đi hết. Thực ra, hầu hết các tinh dầu đều kém bền dƣới tác dụng của nhiệt nên vấn đề là làm sao cho thời gian chịu nhiệt độ cao của tinh dầu càng ngắn càng tốt. Tóm lại, dù 3 ảnh hƣởng trên đƣợc xem xét độc lập nhƣng thực tế thì chúng có liên quan với nhau và quy về ảnh hƣởng của nhiệt độ. Khi tăng nhiệt độ, sự khuếch tán, thẩm thấu sẽ tăng, sự hòa tan tinh dầu trong nƣớc sẽ tăng nhƣng sự phân hủy cũng tăng theo.