Tài liệu Nghiên cứu tách chiết tinh dầu từ lá quất

MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN ----------------------------------------------------------------------------- i DANG MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT -------------------------------------------------- ii DANH MỤC BẢNG --------------------------------------------------------------------- ii DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ ---------------------------------------------- iii LỜI MỞ ĐẦU -----------------------------------------------------------------------------1 Chương I. TỔNG QUAN ---------------------------------------------------------------2 1.1. Giới thiệu chung về cây Quất ---------------------------------------------------------- 2 1.1.1. Nguồn gốc và phân bố -------------------------------------------------------------- 2 1.1.2. Các vùng ở Việt Nam trồng nhiều Quất ---------------------------------------- 2 1.1.3. Đặc điểm thực vật ------------------------------------------------------------------- 2 1.1.4. Công dụng của cây Quất------------------------------------------------------------ 3 1.2. Tổng quan về tinh dầu -------------------------------------------------------------------- 4 1.2.1. Khái niệm về tinh dầu -------------------------------------------------------------- 4 1.2.2. Phân loại các thành phần có trong tinh dầu ------------------------------------ 4 1.2.3. Tính chất vật lý và hóa học chung của tinh dầu-------------------------------- 7 1.2.4. Vai trò của tinh dầu trong đời sống thực vật ----------------------------------- 7 1.2.5. Sinh tổng hợp tinh dầu trong cơ thể thực vật ----------------------------------10 1.2.6. Ứng dụng của tinh dầu -------------------------------------------------------------13 1.3. Các phương pháp sản xuất tinh dầu --------------------------------------------------13 1.3.1. Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước-------------------------------------14 1.3.2. Các phương pháp khác -------------------------------------------------------------17 1.3.2.1. Phương pháp chiết -------------------------------------------------------------17 1.3.2.2. Phương pháp ướp --------------------------------------------------------------18 1.3.2.3. Phương pháp ngâm ------------------------------------------------------------18 1.3.2.4. Phương pháp ép ----------------------------------------------------------------19 1.4. Các dạng sản phẩm trong quá trình tách chiết tinh dầu --------------------------19 1.5. Tình hình nghiên cứu về tinh dầu họ Citrus ----------------------------------------20 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới-----------------------------------------------20 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ------------------------------------------------21 Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU --------------- 22 2.1. Đối tượng nghiên cứu--------------------------------------------------------------------22 2.1.1. Nguyên liệu chính ------------------------------------------------------------------22 2.1.2. Dụng cụ - thiết bị - hóa chất ------------------------------------------------------22 2.2. Phương pháp nghiên cứu----------------------------------------------------------------23 2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu --------------------------------------------------------------23 2.2.2. Phương pháp chưng cất -----------------------------------------------------------23 2.2.3. Dự kiến quy trình tách chiết tinh dầu từ lá Quất -----------------------------24 2.2.4. Bố trí thí nghiệm --------------------------------------------------------------------26 2.2.4.1. Thí nghiệm xác định hàm lượng NaCl bổ sung trong nước ngâm, chiết -----------------------------------------------------------------------------------------26 2.2.4.2. Thí nghiệm xác định tỉ lệ nước/nguyên liệu------------------------------27 2.2.4.3. Thí nghiệm xác định thời gian ngâm muối -------------------------------28 2.2.4.4. Thí nghiệm xác định thời gian chưng cất ---------------------------------30 2.2.5. Phương pháp xác định hàm lượng ẩm trong nguyên liệu Quất ------------31 2.2.6. Phương pháp xác định các chỉ số hóa-lý và định danh các cấu tử thành phần của tinh dầu ----------------------------------------------------------------31 2.2.7. Phương pháp xác định tỉ lệ khối lượng tinh dầu -----------------------------32 2.2.8. Phương pháp xử lý số liệu --------------------------------------------------------32 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ----------------------- 33 3.1. Kết quả xác định hàm lượng NaCl trong nước ngâm, chiết --------------33 3.2. Kết quả xác định tỉ lệ nước/nguyên liệu (v/w) thích hợp -----------------34 3.3. Kết quả xác định thời gian ngâm nước thích hợp ---------------------------36 3.4. Kết quả xác định thời gian chưng cất thích hợp-----------------------------37 3.5. Quy trình hoàn thiện tách chiết tinh dầu từ lá Quất -------------------------------38 3.6. Kết quả xác định hàm lượng ẩm trong nguyên liệu lá Quất -------------40 3.7. Kết quả xác định tỉ lệ khối lượng tinh dầu -----------------------------------------41 3.8. Kết quả đánh giá tính chất cảm quan và xác định các chỉ số lý- hóa của sản phẩm --------------------------------------------------------------------------------------------41 3.8.1. Mô tả tính chất cảm quan sản phẩm --------------------------------------------41 3.8.2. Kết quả xác định các chỉ số hóa- lý của sản phẩm ---------------------42 3.9. Kết quả xác định thành phần hóa học của tinh dầu -------------------------------43 3.10. Tính toán sơ bộ giá thành sản phẩm trong phòng thí nghiệm -----------------46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ -------------------------------------------------------- 47 1. Kết luận -------------------------------------------------------------------------------------47 2. Kiến nghị -----------------------------------------------------------------------------------47 TÀI LIỆU THAM KHẢO --------------------------------------------------------------- 48 -i- LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô trong Khoa Công Nghệ Thực Phẩm đã hết lòng giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức cơ bản về lĩnh vực công nghệ thực phẩm – là hành trang giúp em trở thành kỉ sư làm việc trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm. 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. Em xin chân thành cảm ơn TS. Hoàng Thị Huệ An, TS. Vũ Duy Đô đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài NCKH và thầy Vũ Duy Đô trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Qua đây, em cũng gởi lời cảm ơn chân thành tới các anh chị - chuyên viên ở Trung tâm Phân tích thí nghiệm thực hành, Đường số 2 Nguyễn Văn Thủ, Q.1, TP. Hồ Chí Minh. 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 2012 Sinh viên thực hiện PHAN ANH QUỐC -ii- 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 Min Minute Phút 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 DANH MỤC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1. Kết quả xác định hàm lượng ẩm trong nguyên liệu lá Quất. 40 Bảng 3.2. Tỉ lệ khối lượng tinh dầu tách chiết từ lá Quất. 41 Bảng 3.3. Bảng mô tả tính chất cảm quan của tinh dầu lá Quất. 41 Bảng 3.4. Kết quả xác định các chỉ số hóa lí của tinh dầu lá Quất. 42 Bảng 3.5. Kết quả phân tích GC/MS của tinh dầu lá Quất. 43 Bảng 3.6. Ước tính chi phí nguyên vật liệu để tách tinh dầu từ 10kg lá 46 Quất. -iii- DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ HÌNH TRANG Hình 1.1. Hình ảnh cây Quất. 3 Hình 1.2. Hình hoa Quất. 3 Hình 1.3. Cấu trúc phân tử isopren và bộ khung cơ bản của các terpenoid 4 Hình 1.4. Công thức hóa học của một số hợp chất thường có trong tinh dầu. 6 Hình 1.5. Hình ảnh sự tập trung của tinh dầu trong lá. 12 Hình 1.6. Thiết bị chưng cất lôi cuốn hơi nước cổ điển. 14 Hình 2.1. Lá Quất. 22 Hình 2.2. Sơ đồ quy trình dự kiến tách chiết tinh dầu từ lá Quất. 25 Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỉ lệ nuối bổ sung trong nước 26 ngâm, chiết. Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỉ lệ nước bổ sung. 28 Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian ngâm nguyên liệu. 29 Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian chưng cất. 30 Hình 3.5. Quy trình hoàn thiện tách chiết tinh dầu từ lá Quất. 38 ĐỒ THỊ TRANG Đồ thị 3.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ nước/lá Quất đến thể tích và tỉ lệ khối 33 lượng tinh dầu lá thu được. Đồ thị 3.2. Thể tích và tỉ lệ khối lượng tinh dầu lá thu được khi dùng 34 muối ở các nồng độ khác nhau. Đồ thị 3.3. Ảnh hưởng của thời gian ngâm nước đến thể tích và tỉ lệ khối 36 lượng tinh dầu lá thu được. Đồ thị 3.4. Tỉ lệ khối lượng tinh dầu lá thu được trong các thời gian chưng cất khác nhau. 37 -1- LỜI MỞ ĐẦU Tinh dầu thiên nhiên hiện nay là một sản phẩm khá thông dụng trên thị trường. Nó được ứng dụng tương đối phổ biến trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm, y học, mỹ phẩm và một số lĩnh vực khác… 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. Tinh dầu Citrus được sử dụng phổ biến do nó có mùi thơm dễ chịu, có tác dụng trị cảm, giảm stress và thanh nhiệt…Quất thuộc họ Citrus nhưng chưa có công trình nào được nghiên cứu sâu về nó, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền để sản xuất tinh dầu có giá trị kinh tế cao. Được sự đồng ý của Khoa Công Nghệ Thực Phẩm, dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Duy Đô, em đã nghiên cứu và thực hiện đề tài:“Nghiên cứu tách chiết tinh dầu từ lá Quất”. Mục đích nghiên cứu của đề tài là xây dựng quy trình công nghệ thích hợp cho việc chiết xuất tinh dầu từ lá Quất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước đồng thời đánh giá chất lượng và khả năng ứng dụng làm hương liệu của nó. 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 lá 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 lá Quất. Do kiến thức và kinh nghiệm nghiên cứu còn hạn chế cũng như 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 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. Nha Trang, ngày 20 tháng 6 năm 2012 Sinh viên thực hiện PHAN ANH QUỐC -2- Chương I. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về cây Quất [19] Quất ở Miền Nam Việt Nam gọi là tắc, danh pháp hai phần: Citrus japonica (Japonica) là một giống Kim Quất, và là giống hay được trồng nhất trong các giống Kim Quất. 1.1.1. Nguồn gốc và phân bố [19] Cây có nguồn gốc từ Trung Quốc, Nhật Bản và chủ yếu được trồng trong chậu để làm cảnh trong dịp tết cổ truyền của một số nước Châu Á như: Việt Nam, Trung Quốc, Nhật Bản… 1.1.2. Các vùng ở Việt Nam trồng nhiều Quất Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa, nên thích hợp cho cây Quất phát triển. Cây Quất được trồng với mục đích là làm cây cảnh trong ngày Tết cổ truyền của VIệt Nam. Nó tượng trưng cho sự no ấm, đầy đủ, thịnh vượng nên được nhiều người mua về làm cảnh trong những ngày Tết. Có thể nói cây Quất được trồng phổ biến khắp cả nước..Chẳng hạn: - Các tỉnh ở phía Bắc: Hà Nội, Hưng Yên, Nam Định, Hải Phòng, Quãng Ninh… - Các tỉnh miền Nam Trung Bộ: Bình Định, Khánh Hòa, Phú Yên… - Các tỉnh ở Tây Nam Bộ: TP.Hồ Chí Minh, Long An, Tiền Giang… 1.1.3. Đặc điểm thực vật [18] - Cây gỗ nhỏ, phân cành nhiều,có thể tạo dáng dễ dàng. - Lá đơn, hình tròn hay ovan, nhẵn bóng, hình nêm ở gốc, có thu hẹp hay lõm ở đỉnh nguyên. - Thân hình tròn, thường không có gai, hoa mọc đơn hay mọc chùm, màu trắng, nhị hoa nhiều dính nhau ở gốc và ngắn hơn cảnh hoa. - Quả hình cầu hay hình trứng, có thể lõm ở đáy quả. Quả có màu xanh khi còn non và màu vàng sáng khi chín. Quả có 3-7 múi có 2-3 hạt, hạt đa phôi hay đơn phôi. -3- - Rễ cọc nếu được gieo từ hạt; rễ chùm nếu được chiết hay giâm. Rễ quất thường ăn nông. 1.1.4. Công dụng của cây Quất [17] Quất là cây cảnh có dáng đẹp, tán lá xanh thẩm, quả màu vàng da cam sáng rực, nên được nhiều người ưa chuộng trong ngày Tết. Không những vậy, sau khi chơi Tết xong các bộ phận của cây Quất còn có tác dụng chữa bệnh rất hữu ích. Sau đây là các công dụng của cây Quất. - Hoa Quất: Có tính ôn, vị cay, ngọt, đắng, có tác dụng lưu thông khí huyết. - Trái Quất: Theo đông y trái quất có vị chua ngọt tính ấm vào hai kinh tỳ và vị có tác dụng xúc tiến chức năng tiêu hóa chống đầy tức, dùng chữa các chứng ho do phong hàn, vùng thượng vị đầy tức, đau dạ dày, bụng chướng nổi hòn cục, nôn mửa, chán ăn, phụ nữ sau khi sinh bị đau bụng, giải độc, giải rượu… - Hạt Quất: Có vị chua cay tính bình, dung chữa các bệnh về mắt, viêm họng, tiêu hạch… - Lá Quất: Có vị đắng tính lạnh, vào các kinh, can tỳ và phế có tác dụng điều hòa cải thiện chức năng gan, kích thích tiêu hóa, chống nôn, tiêu hạch… - Rễ Quất: Có vị chua cay tính ấm có tác dụng chữa đau dạ dày nôn ra thức ăn, nấc nghẹn, mụn nhọt… Hình 1.1. Cây Quất Hình 1.2. Hoa Quất -4- 1.2. Tổng quan về tinh dầu [2 ,5, 8, 14, 15] 1.2.1. Khái niệm về tinh dầu Tinh dầu là những chất thơm hay chất mùi có trong một số bộ phận của cây cỏ (như 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 lượng 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 tương đối dễ bay hơi. 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...). b) Bộ khung terpenoid cơ bản a) Phân tử isopren 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 được phân loại theo các cách sau: 1.2.2.1. Phân loại theo hàm lượng [5] Theo cách phân loại này các thành phần trong tinh dầu được chia thành 3 nhóm: -5- - 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. 1.2.2.2. Phân loại theo tính chất vật lý [8] 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 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%. 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 lượng của các thành phần là không thay đổi trong phạm vi loài. 1.2.2.3. Phân loại theo bản chất hóa học [14] Có nhiều cách phân loại tinh dầu theo bản chất hóa học sau đây là các cách phân loại. 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). -6- Hình 1.4. Công thức hóa học của một số hợp chất thường có trong tinh dầu -7- 1.2.3. Tính chất vật lý và hóa học chung của tinh dầu [5, 14] 1.2.3.1. Tính chất vật lý 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 25 0C, nhiệt độ sôi, năng suất quay cực, màu sắc. Hầu hết tỷ trọng của các loại tinh dầu thường nhỏ hơn 1, do vậy chúng thường nhẹ hơn nước. Tuy nhiên, cũng có một vài tinh dầu có khối lượng riêng lớn hơn nước (như tinh dầu quế, tinh dầu đinh hương…). Tinh dầu không tan hoặc rất ít tan trong nước nhưng chúng hòa tan tốt trong đa số các dung môi hữu cơ như eter, cồn... Mặc dù thành phần hóa học của mỗi loại tinh dầu là khác nhau, nhưng nhìn chung chúng có nhiệt độ sôi khoảng 100 0C – 200 0C, dễ bay hơi và có mùi thơm. 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 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, người ta thường bảo quản tinh dầu trong những lọ sẫm màu, có miệng nhỏ và đậy nút kỹ. 1.2.4. Vai trò của tinh dầu trong đời sống thực vật [16] Vấn đề về vai trò của tinh dầu trong đời sống của cây đã được đề cập tới 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: Theo Ph. X. Tanaxienco, 1985: - Bảo vệ cây khỏi các tác động của sâu bệnh. -8- - Che phủ các vết thương ở cây gỗ. - Ngăn chặn các bệnh do nấm. - Biến đổi sức căng bề mặt của nước trong cây, thúc đẩy sự vận chuyển nước, tăng hiệu quả của các phản ứng enzym. Theo Charabot cho rằng tinh dầu đóng vai trò như các chất dự trữ trong cây, nó có khả năng vận chuyển đến các phần khác nhau của cây, tại đây tinh dầu được sử dụng như một nguồn năng lượng hay tạo thành các sản phẩm mới có cấu trúc gần với nó. Theo quan điểm của Tschirch (1925) trong đời sống của cây, tinh dầu giữ vai trò quan trọng (tuy nhiên, theo tác giả chưa thể biết rõ đó là vai trò gì) và vì vậy không nên xếp tinh dầu vào nhóm các chất tiết một cách tuyệt đối. Khác với Charabot, Tschirch cho rằng đôi khi tinh dầu được “lưu giữ lại” trong các bể chứa tinh dầu và không tham gia vào các phản ứng tiếp theo. Theo Coxtrisep X. P. (1937) cho rằng tinh dầu có thể được 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, theo quan điểm này, các thành phần của tinh dầu được tích lũy trong tuyến tiết không có vai trò sinh lý trong hoạt động sống của cây. Trong khi đó theo quan điểm thông thường, tinh dầu thực vật chính là sản phẩm của quá trình tổng hợp và tích lũy do các cơ quan tiết đảm nhiệm. Những năm sau này, khi dùng carbon đánh dấu để nghiên cứu quá trình chuyển hóa tinh dầu trong cơ thể sống, Mutxtiatse (1985) đã chứng minh rằng, các thành phần tinh dầu được tích lũy trong tuyến tiết không phải là các chất tiết cố định mà còn tham -9- 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 được đổi mới. Những năm gần đây, vai trò sinh lý của tinh dầu trong đời sống thực vật được thống nhất trong hầu hết các tài liệu đã công bố. Tuy nhiên, chức năng cụ thể của từng hợp chất còn phải được nghiên cứu sâu hơn. Qua các bằng chứng thực nghiệm, có thể khẳng định chắc chắn rằng, nhiều thành phần hóa học của tinh dầu, ví dụ một số acid có phân tử lượng thấp, rượu, các aldehid mạch vòng…là những nguyên liệu khởi đầu để tổng hợp hàng loạt các chất có hoạt tính sinh học. Trong thành phần của tinh dầu, có thể gặp hàng loạt các chất khởi nguyên nói trên: các acid hữu cơ thường gặp gồm: acid acetic, acid valerianic, acid isovalerianic …, và các rượu tương ứng với chúng; ngoài ra còn thường gặp các aldehid, các ester, một số terpenoid như geraniol, linalool, pharnesol, nerolydol… Đó là những hợp chất liên quan tới nhiều kiểu cấu trúc hóa học khác nhau và tham gia vào các hệ thống đồng hóa khác nhau. Trong thành phần tinh dầu còn thường thấy các hợp chất có nhân thơm như aneton, pheniletilnol, benzaldehid, vanilin, thậm chí cả các hợp chất có chứa nitơ và lưu huỳnh. Vì vậy không thể lý giải vai trò của tinh dầu một các chung chung hoặc nhìn nhận vấn đề chỉ trong một vài giả thuyết cụ thể nào đó. 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. Hiện nay, các bằng chứng xác đáng chủ yếu tập trung vào sự tham gia của các thành phần tinh dầu trong quá trình trao đổi chất, có nghĩa là tinh dầu tham gia vào các quá trình sinh lý hóa bên trong tế bào. Và nhiều kết quả nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng, một số dạng terpenoid của tinh dầu như các geraniol, linalool, farnesol … thường có mặt trong hầu hết các cơ thể sống ở tất cả các mức độ tiến hóa khác nhau, từ các vi sinh vật, các loài thực vật bậc thấp, thực vật bậc cao, đến cả động vật cũng như con người. Các terpen được hình thành từ 2,3 hoặc nhiều phân tử isopren (C5H6) và isopren lại là một trong những hợp chất cơ sở để tạo thành các carotenoid, các steroid -10- và cao su. Các kết quả nghiên cứu tiếp theo đã xác nhận rằng, quá trình sinh tổng hợp trong mọi cơ thể thực vật đều bắt nguồn từ hợp chất ban đầu là acid acetic qua các sản phẩm trung gian là acid mevalonic, isopentenil pirophosphat đến geranil và farnesil phosphat. Bằng thực nghiệm, người ta đã chứng minh được các chuỗi carbon trong các phân tử geraniol, linalool, farnesol và nerolidol là những sản phẩm trung gian chủ yếu trong quá trình sinh tổng hợp các terpenoid có hoạt tính sinh học như các phyton, hocmon steroid, acid mật, các vitamin D, vitamin K, vitamin E, các carotenoid, các chất kích thích sinh trưởng thuộc nhóm giberilin…Một số hợp chất thường gặp trong thành phần của tinh dầu như linalool, farnesol, nerolidol…luôn có mặt trong hầu hết các hoạt động sống của cây. 1.2.5. Sinh tổng hợp tinh dầu trong cơ thể thực vật [16] Hiện tồn tại hai giả thuyết về quá trình tổng hợp và tích lũy tinh dầu: - Một số tác giả cho rằng tinh dầu được tổng hợp ở các tế bào không phụ thuộc cấu trúc tiết và chuyển dần vào tuyến tiết. Theo quan điểm này, cấu trúc tiết được coi như cơ quan đảm nhận vai trò tích lũy sản phẩm. Cơ sở của giả thuyết trên chủ yếu dựa trên các kết quả quan sát thấy sự có mặt của một số giọt tinh dầu và một số men tham gia vào quá trình tổng hợp tinh dầu ở các tế bào nằm ngoài tuyến tiết. Liên quan tới giả thuyết nói trên, nhiều nhà khoa học đã chứng minh mối liên quan trực tiếp giữa tinh dầu với các hợp chất hữu cơ khác trong mô thực vật: lignin, glucosid … - Những năm sau này, với các phương tiện nghiên cứu hiện đại, hầu hết các tác giả đã thừa nhận rằng, cấu trúc tiết là cơ quan chuyên hóa làm nhiệm vụ tổng hợp và tích lũy tinh dầu. Theo quan điểm này, các tế bào tiết (nằm trong thành phần cấu trúc tiết) làm nhiệm vụ tổng hợp tinh dầu, và theo một cơ chế nào đó, tinh dầu được vận chuyển, tập trung ở cấu trúc chuyên biệt gọi là khoang chứa tinh dầu. Bằng chứng của giả thuyết này được các tác giả nêu ra bởi sự có mặt đầy đủ tất cả các hệ men tham gia tổng hợp tinh dầu trong các tế bào của cấu trúc tiết. Cho đến nay hầu như không có nhà nghiên cứu nào nghi ngờ giả thuyết này, tuy nhiên không ít vấn đề liên quan còn chưa được sáng tỏ hoàn toàn. Trước hết, khi thừa nhận vai trò sinh học của tinh dầu trong -11- đời sống thực vật, đồng thời cũng thừa nhận có sự vận chuyển tinh dầu từ trong cấu trúc tiết ra các mô xung quanh để tham gia vào các quá trình chuyển hóa, vậy tại sao không có sự vận chuyển ngược lại?. Nhiều năm trở lại đây, hầu hết các nhà nghiên cứu theo hướng này đều tập trung làm sáng tỏ sự định khu của các phản ứng. Vấn đề dễ thừa nhận là sự 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. Mỗi phản ứng cần một hệ thống men xác định, vì vậy nghiên cứu sự có mặt của các hệ men cụ thể ở các cơ quan khác nhau có thể là cơ sở để nghiên cứu sự định khu của các phản ứng. Cho đến nay, vẫn tồn tại hai quan điểm về sự định khu của các phản ứng tổng hợp: - Đa số các tác giả khi nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp tinh dầu đã cho rằng mỗi hợp chất được tổng hợp ở một cơ quan nhất định. Điều đó có nghĩa là ở mỗi cơ quan tử có thể bao gồm một hệ thống men đảm bảo cho một loạt phản ứng xảy ra. - Một số tác giả khác lại đề xuất giả thuyết “dây chuyền phản ứng”. Theo quan điểm này, mỗi hợp chất trước khi được đưa vào tích lũy trong khoang chứa cần phải qua các phản ứng ở nhiều cơ quan tử khác nhau. Giả thuyết này dựa trên sự có mặt rất hạn chế các hệ men ở các cơ quan khác nhau. Từ những số liệu trên, các nhà nghiên cứu cho rằng mỗi cơ quan tử chỉ phụ trách một hoặc một số ít các phản ứng hóa học xác định và quá trình tổng hợp các hợp chất xảy ra theo một dây chuyền liên tục từ cơ quan tử này sang một cơ quan tử khác. Mặc dù các vấn đề được đặt ra còn có nhiều bất đồng, song những 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. Đồng thời cũng thống nhất rằng, hệ thống ống nội bào có nhiệm vụ thu hồi và vận chuyển các hợp chất tinh dầu tới khoang chứa. 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 như nhau. Điều này giải thích sự -12- khác biệt về hàm lượng và thành phần tinh dầu trong các cơ quan của cùng một cây hoặc ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau trong quá trình phát sinh cá thể. Quá trình tổng hợp tinh dầu được điều khiển chặt chẽ bởi hệ thống gen, tuy nhiên hoạt hóa các tổ hợp gen lại có mối liên quan khá chặt chẽ với điều kiện ngoại cảnh. Vì vậy, quá trình tổng hợp tinh dầu trong cây là kết quả của hiệu ứng “kiểu gen – môi trường”. Nguyên liệu cho quá trình sinh tổng hợp tinh dầu trong cây từ lâu đã được thừa nhận là các sản phẩm của quá trình quang hợp và sự tổng hợp tinh dầu cũng chỉ xảy ra trong điều kiện được chiếu sáng. Song gần đây, người ta cũng đã chứng minh được rằng quá trình tổng hợp tinh dầu cũng có thể xảy ra cả trong điều kiện không có ánh sáng và trong trong trường hợp này rõ ràng nguyên liệu cho quá trình tổng hợp là các sản phẩm trung gian của quá trình hô hấp. 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 và cần phải nghiên cứu tiếp tục trong thời gian tới. Hình 1.5. Hình ảnh sự tập trung của tinh dầu trong lá -13- 1.2.6 . Ứng dụng của tinh dầu [5] 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 lượng vô cùng nhỏ và dưới những dạng khác nhau, 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 nhệ 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. 1.2.6.2. Trong y học Tinh dầu là loại dược phẩm được 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 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... 1.2.6.3. Trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm Ngày nay, ngành công nghiệp mỹ phẩm phát triển rất mạnh, tinh dầu không những 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, son môi... 1.3. Các phương pháp sản xuất tinh dầu [4, 5, 14] Hiệu suất và chất lượng 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 phương pháp chiết xuất. -14- Các phương pháp chiết xuất tinh dầu thông dụng là chưng cất, chiết, ướp ngâm và ép. 1.3.1. Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước (Hydrodistillation) 1.3.1.1. Nguyên lí của phương pháp Đây là phương pháp đầu tiên được dùng để tách tinh dầu ra khỏi nguyên liệu thực vật. 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 gặp lạnh tại ống sinh hàn và 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. Hình 1.6. Thiết bị chưng cất lôi cuốn hơi nước cổ điển