Tài liệu Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu từ vỏ quả quất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

i 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 Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 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 LỜI MỞ ĐẦU.. ......................................................................................................... 01 Chương 1. TỔNG QUAN......................................................................................... 03 1.1. Tổng quan về tinh dầu ...................................................................... 03 1.1.1. Khái niệm tinh dầu ........................................................................... 03 1.1.2. Vai trò tinh dầu đối với đời sống thực vật..................................................... 04 1.1.3. Phân loại các thành phần có trong tinh dầu . ....................................... 05 1.1.3.1.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 ........................................................................... 09 1.2.2. Phương pháp ướp.. ........................................................................................ 10 1.2.3. Phương pháp ngâm........................................................................................ 10 1.2.4. Phương pháp ép............................................................................................. 10 1.2.5. Phương pháp chưng cất. ............................................................................ 11 1.3. Tình hình nghiên cứu về tinh dầu chi Citrus........................................... 16 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới.................................................... 16 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước.. ........................................................... 17 Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................. 19 2.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 19 2.1.1. Nguyên liệu chính ........................................................................... 19 2.1.2. Dụng cụ - Thiết bị - Hóa chất.. ................................................................. 20 Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan iii 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 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 47 Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan iv DANG MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT GC Gas Chromatography Sắc ký khí GC-MS Gas ChromatographySpectroscopy 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 IE Esters Index Chỉ số este Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan v 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 Bảng 3.6. Chi phí nguyên, vật liệu để tách tinh dầu từ 10 kg vỏ Quất................... 42 Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan vi 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 Hình 3.6. Hình ảnh sản phẩm Tinh dầu quả Quất. .................................................. 43 Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 1 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 Mentol 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. 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 nhiên đang ngày càng phát triển mạnh mẽ. Hình 1.1. Sản phẩm tinh dầu thiên nhiên 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. Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 2 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. Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 3 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 Monoterpenoid. 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...). Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 4 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 vật Vấn 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. Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 5 - 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). - Các hydrocarbon mạch dài (như tetradecanal, dodecanal). Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 6 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 90 0 ở 25 0 C, 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 100 0 C - 200 0 C, 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 Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 7 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: d 20 = 0,846 – 0,854.  Chiết suất n 20 = 10402 – 10406.  Độ quay cực D 20 = 56 – 66 0 . 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… Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 8 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 100 0 C. - Hòa tan dễ dàng trong dung môi hữu cơ. - Dễ bị hấp thu khi ở thể khí. Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 9 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 “concrete 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, Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 10 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 Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 11 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). a) Chưng cất bằng nước (Water Distillation): Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 12 Nguyên liệu và nước cùng cho vào một Sinh hàn 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 Nước + Nguyên liệu Bình hứng 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 Hình 1.3. Thiết bị chưng cất bằng nước 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 Distillation): 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. Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 13 Van khóa Ống ngưng tụ Vỉ nồi Nguyên liệu Van xả nước ngưng Nguồn nhiệt 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. Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan 14 Hơi nước và hơi tinh dầu Nước lạnh Nước nóng Tinh dầu Hơi nước Nhiệt Nước hoa 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. Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 SVTH: Phạm Thị Mỹ Loan