Đề tài Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu từ vỏ quả và lá Quất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

ss và thanh nhiệtQuất thuộc họ Citrus nhưng chưa có công trình nào được nghiên cứu sâu về nó, do đó chúng tôi sẽ thực hiện đề tài “Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu từ vỏ quả và lá Quất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước” và 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. Chương 1. KHÁI QUÁT CHUNG Trong cuộc sống hàng ngày ta thường sử dụng tinh dầu thiên nhiên vào rất nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn như chữa bệnh, làm đẹp, nước giải khát, bánh kẹo, sữa tắm, nước hoaNhư vậy có thể nói tinh dầu thiên nhiên giữ một vai trò không thể thay thế trong các lĩnh vực y học, dược phẩm, mỹ phẩmvà cả trong cuộc sống đời thường, nhất là trong thời đại ngày nay khi mà xu hướng sử dụng các sản phẩm có nguồn gốc từ thiên nhiên. Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về tinh dầu, nhất là các loại tinh dầu thuộc họ Citrus như Cam, Chanh, vì các tác dụng ưu việt của nó mang lại như thanh nhiệt, giải cảm, giảm stress... Tinh dầu từ vỏ quả, lá và hoa của các cây thuộc họ Citrus là một chất tạo mùi và hương thơm tự nhiên và được sản xuất hàng nghìn tấn khối mỗi năm. Các nghiên cứu về tinh chất vật lý, thành phần hóa học và hoạt tính sinh học của tinh dầu họ Citrus thu nhận được bằng các kỹ thuật tách chiết hiện đại đã được quan tâm nhiều trong những năm gần đây. Chẳng hạn như, Lin và Rouseff (2001) và Napapor Thavanapong thuộc khoa Dược, Đại học Silpakorn, Thái Lan (2006) đã nghiên cứu về tinh dầu Bưởi bằng phương pháp ép lạnh; Atti-Santos, Serafini, Moyna và cs. (2005) đã nghiên cứu xác định điều kiện tối ưu cho việc chiết tinh dầu chanh bằng phương pháp chưng cất hơi nước (HD) và chiết bằng CO2 siêu tới hạn (CO2-SFC); M. M. Ahmad, Salim-ur-rehman, F. M. Anjum, E. E. Bajwa (2006) đã nghiên cứu tinh chất lý học của tinh dầu chiết từ vỏ của các loại Citrus khác nhau (6,7,9,10).Trong nước, có công trình nghiên cứu “Khảo sát tinh dầu vỏ trái giống Citrus họ Rutaceae” của Nguyễn Minh Hoàng (2006) hay “Tách tinh dầu và alkaloid từ quả Quất (Citrus japonica Thumb.)” của Nguyễn Thị Lý và Cshay đề tài tốt nghiệp Đại học “Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu từ vỏ bưởi Năm Roi (Citrus grandis (L.) Osbeck var. grandis) bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước” (2010) của Sinh viên Nguyễn Đắc Phát Trường Đại học Nha Trang .(2,3,5) 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). Chưng cất bằng nước (Water Distillation): Nguyên liệu và nước cùng cho vào một thiết bị. Khi đun sôi, hơi nước bay ra sẽ cuốn theo tinh dầu, hơi ngưng tụ bay ra sẽ thu được hỗn hợp gồm nước và tinh dầu, hai thành phần này không tan vào nhau nên dễ dàng tách ra khỏi nhau. Phương pháp này đơn giản, thiết bị rẻ tiền và dễ chế tạo, phù hợp với những cơ sở sản xuất nhỏ, vốn đầu tư ít. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm như hiệu suất thấp, chất lượng tinh dầu không cao do nguyên liệu tiếp xúc trực tiếp với thiết bị nên dễ bị cháy khét, khó điều chỉnh các thông số kỹ thuật như tốc độ và nhiệt độ chưng cất. Nước + Nguyên liệu Sinh hàn Bình hứng Hình 1.1. Thiết bị chưng cất bằng nước 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. Nguyên liệu Vỉ nồi Ống ngưng tụ Nguồn nhiệt Van xả nước ngưng Van khóa Hình 1.2. Thiết bị chưng cất hơi nước không có nồi hơi riêng 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. Nhiệt Hơi nước và hơi tinh dầu Hơi nước Nước hoa Nước lạnh Nước nóng Tinh dầu Hình 1.3. 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. 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, 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. 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. 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. Phương pháp ép (Expression hay Cold Pressing) Phương pháp này áp dụng cho các loại dược liệu có hàm lượng tinh dầu cao và tế bào chứa tinh dầu ở phần vỏ thuộc chi Citrus. Nguyên liệu chiết được trích tinh dầu bằng cách ép ở nhiệt độ thường sử dụng các loại máy ép trục vít vô tận hoặc cối ép dùng nêm (giống như ép các loại dầu béo). Phần thu được là một hỗn hợp gồm tinh dầu và dịch cùi có thể dễ dàng tách bằng cách cho thêm nước muối bão hòa, tinh dầu sẽ nổi lên trên có kéo theo một phần sáp và nhựa. Dùng etanol 75 - 800 để hòa tan tinh dầu, sau đó làm lạnh để loại bỏ sáp. Sau khi cô dưới áp suất thấp để loại bỏ etanol ta có sản phẩm tinh dầu có lẫn một ít nhựa. Phương pháp này có thể cho hiệu suất trên 90% so với hàm lượng tinh dầu định lượng trong phòng thí nghiệm. 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. So với các phương pháp trên thì phương pháp chưng cất lối cuốn bằng hơi nước dễ áp dụng trong điều kiên phòng thí nghiệm, chi phí đầu tư ít, dễ dàng vận hành, cho hiệu quả chiết tương đối cao. Do đó chúng tôi đã áp dụng phương pháp chưng cất lôi cuốn bằng hơi nước để chưng cất tinh dầu từ vỏ và lá quất sử dụng cho đề tài Trong số các loài thuộc họ Citrus thì Quất cũng khá phổ biến nhưng vẫn chưa được quan tâm nhiều. Quất là cây cảnh dễ trồng tại Việt Nam, như vậy việc chúng ta tận dụng nguồn nguyên liệu phong phú và rẻ tiền này để chiết xuất tinh dầu sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao (theo khảo sát thị trường có thể trên 100.000 đồng/10ml), đồng thời góp phần giải quyết vấn đề môi trường đang nóng bỏng hiện nay(11). Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trên đây, được sự đồng ý của Trường Đại học Nha Trang và khoa Công nghệ Thực phẩm, dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Duy Đô và TS. Hoàng Thị Huệ An, chúng em đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu từ vỏ quả và lá Quất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước”. Mục tiêu của đề tài chúng tôi 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 vỏ quả và lá Quất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước. - Đưa ra quy trình chưng cất tối ưu để thu nhận tinh dầu từ vỏ quả và lá Quất. - Xác định các chỉ số lý-hóa cơ bản và thành phần hóa học của sản phẩm để sử dụng làm hương liệu. 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 và 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 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 điều kiện thực nghiệm và điều kiện về 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. Nha Trang, ngày 18 tháng 11 năm 2011 Sinh viên thực hiện Phạm Thị Mỹ Loan Phan Anh quốc Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu 2.1.1. Nguyên liệu chính Nguyên liệu sử dụng tách tinh dầu trong nghiên cứu này là vỏ quả và lá Quất (Citrus japonica Thumb) được thu mua từ TP.HCM. Nguyên liệu tươi, vỏ quả có màu vàng sáng bóng đặc trưng, không bị nấm mốc và lá xanh tươi, đạt độ trưởng thành và không bị sâu bệnh. Hình 2.1. Quả Quất Hình 2.2. Lá Quất 2.1.2. Dụng cụ - Thiết bị - Hóa chất a. Dụng cụ - Thiết bị - Cân kỹ thuật 1 mg (Shimadzu, Nhật) - Cân kỹ thuật 1 g (Việt Nam) - Cân phân tích 0,1 mg (Satorius, Nhật) - Bộ chưng cất tinh dầu định lượng, có hồi lưu kiểu Clevenger dùng cho tinh dầu nhẹ hơn nước (ISOLAB, Đức) - Bếp đun bình cầu 1000 ml (Trung Quốc) - Máy xay điện (Sanyo, Nhật) - Tủ sấy 10C (Memmert , Đức) - Tủ lạnh trữ mẫu -200C. - Bình đo tỷ trọng 25 ml (Bomex, Trung Quốc) - Buret, pipet, bình tam giác, cốc thủy tinh, đũa thủy tinh. - Hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ hai lần với thiết bị GC model G3440A của hãng Agilent (Agilent, USA) ghép với detector MS/MS model Quattro microTMGC của hãng Waters (USA) b. Hóa chất - Nước cất. - NaCl - Na2SO4 khan - KOH 0.1N và 0.5N - HCl 0.5N - Etanol 900 - Dung dịch chỉ thị phenolphtalein 1% 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Xác định thành phần khối lượng của quả Quất Chọn các quả Quất và lá đạt yêu cầu như đã nêu, tiến hành rửa sạch để loại bỏ các tạp chất và vi sinh vật có trên bề mặt nguyên liệu và để ráo nước. Đối với quả thì tiến hành xác định thành phần khối lượng như sau: - Cân một lượng quả nhất đinh ta được khối lượng là mQ - Lột lấy phần vỏ bên ngoài có chứa các túi tinh dầu. Đem cân phần này ta được khối lượng mV - Phần ruột quả (múi quả) đem cân ta được khối lượng là mR Thành phần khối lượng của quả Quất được tính như sau: Vỏ(%) = (mQ. mV)/mQ *100% Ruột(%) = (mQ. mR)/mQ *100% 2.2.2. Chuẩn bị nguyên liệu Nguyên liệu quả sau khi rửa sạch thì để ráo nước, đối với lá sau khi ráo thì cân chính xác 100g/mẫu rồi cho vào túi polyetylen cột kín để hạn chế sự không khí tới mức tối đa, rồi đem nguyên liệu bảo quản ở nhiệt độ -200C đến khi nghiên cứu. Khi sử dụng, đối với quả thì ta dùng tay lột lấy phần vỏ vàng bên ngoài, rồi cân chính xác 100g/mẫu. Thực hiện cắt nhỏ nguyên liệu, trộn đều để đồng nhất mẫu và tiến hành các thí nghiệm tiếp theo. 2.2.3. Phương pháp chưng cất 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 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(4). Những yếu tố chính ảnh hưởng hiệu suất chưng cất tinh dầu Sự khuếch tán Ngay cả khi nguyên liệu được làm vỡ vụn thì chỉ có một số mô chứa tinh dầu bị vỡ và cho tinh dầu thoát tự do ra ngoài theo hơi nước lôi cuốn đi. Theo Von Rechenberg, ở nhiệt độ sôi của nước phần lớn tinh dầu còn lại trong các mô thực vật sẽ được hòa tan vào trong nước có sẵn trong tế bào thực vật. Dung dịch này sẽ thẩm thấu dần ra bề mặt nguyên liệu và bị hơi nước cuốn đi. Còn nước sẽ thẩm thấu vào nguyên liệu theo chiều ngược lại và tinh dầu lại tiếp tục bị hòa tan vào lượng nước này. Quy trình này lặp đi lặp lại cho đến khi tinh dầu trong các mô thoát ra ngoài hết. Như vậy, sự hiện diện của nước rất cần thiết, cho nên trong trường hợp chưng cất sử dụng hơi nước quá nhiệt, chú ý tránh đừng để nguyên liệu bị khô. Tuy nhiên, nếu lượng nước sử dụng thừa quá thì cũng không có lợi, nhất là trong trường hợp tinh dầu có chứa những cấu phần tan dễ trong nước. Sự thủy phân Những cấu phần este trong tinh dầu dễ bị thủy phân cho ra acide và alcol khi đun nóng trong một thời gian dài với nước. Do đó, để hạn chế hiện tượng này, sự chưng cất hơi nước phải được thực hiện trong một thời gian càng ngắn càng tốt. Nhiệt độ Nhiệt độ cao sẽ làm phân hủy tinh dầu. Do đó, khi cần thiết phải dùng hơi nước quá nhiệt (trên 1000C) nên thực hiện việc này trong giai đoạn cuối cùng của sự chưng cất, sau khi các cấu phần dễ bay hơi đã lôi cuốn đi hết. Thực ra, hầu hết các tinh dầu đều kém bền dưới tác dụng của nhiệt nên vấn đề là làm sao cho thời gian chịu nhiệt độ cao của tinh dầu càng ngắn càng tốt. Tóm lại, dù 3 ảnh hưởng trên được xem xét độc lập nhưng thực tế thì chúng có liên quan với nhau và quy về ảnh hưởng của nhiệt độ. Khi tăng nhiệt độ, sự khuếch tán, thẩm thấu sẽ tăng, sự hòa tan tinh dầu trong nước sẽ tăng nhưng sự phân hủy cũng tăng theo. 2.2.4. Dự kiến quy trình tách chiết tinh dầu từ Quất Ÿ Quy trình chung dự kiến tách chiết tinh dầu Quất bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước được trình bày trên hình 2.3. Na2SO4 khan Tinh dầu thô Làm khan Lắng, gạn Tinh dầu Phân ly Chưng cất lôi cuốn hơi nước Ngưng tụ Nghiên cứu tỷ lệ nước ngâm nguyên liệu Nguyên liệu Xử lý Xay Ngâm Nghiên cứu thời gian chưng cất Nghiên cứu nồng độ NaCl, thời gian ngâm Hình 2.3. Sơ đồ quy trình dự kiến tách chiết tinh dầu từ Quất 2.2.5. Bố trí thí nghiệm 2.2.5.1. Thí nghiệm xác định tỉ lệ nước ngâm nguyên liệu Mục đích: Thí nghiệm xác định lượng nước bổ sung vào khi ngâm nhằm đánh giá khả năng phân li tinh dầu trong nguyên liệu, đây là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình chưng cất và nó cũng quyết định thời gian cất tối ưu. Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỉ lệ nước bổ sung khi ngâm vỏ quả Xác định tỷ lệ tinh dầu thu được, chọn tỉ lệ nước bổ sung thích hợp Tinh dầu thô Ngưng tụ Phân ly Chưng cất (1h) Vỏ quả đã xử lý Xay Bổ sung nước với tỉ lệ nước/cái: 3/1 4/1 5/1 6/1 2/l % Các thí nghiệm được tiến hành với lượng nước thay đổi theo tỉ lệ nước/nguyên liệu là: 2/1; 3/1; 4/1; 5/1; 6/1 đối với mẫu vỏ quả và với các tỉ lệ: 3/1; 4/1; 5/1; 6/1; 7/1; 8/1 đối với mẫu lá. Sơ đồ thí nghiệm được bố trí như sau: Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỉ lệ nước bổ sung khi ngâm lá được bố trí tương tự như sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỉ lệ nước bổ sung khi ngâm vỏ quả. Cơ sơ chọn khoảng khảo sát cho thông số chọn tỉ lệ nước/nguyên liệu Dựa váo các tài liệu tham khảo về tách chiết tinh dầu họ citrus và tinh dầu Quất. Đây là cơ sở giúp định hướng trong việc chọn khoảng khảo sát cho thông số nước/nguyên liệu. Dựa vào quá trình bố trí thí nghiệm và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm. Từ đó đưa ra khoảng khảo sát phù hợp cho tỉ lệ nước/nguyên liệu. Cách tiến hành: Lấy 100g nguyên liệu đã xử lý cho vào máy xay, thêm vào đó một lượng nước cất như đã nói ở trên. Xay trong 2 phút để làm mẫu dập nát, tăng diện tích tiếp xúc với môi trường nước thúc đẩy quá trình khuếch tán của tinh dầu. Sau đó, chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chưng cất và tiến hành chưng cất hỗn hợp trong 60 phút dưới áp suất khí quyển. Đọc thể tích tinh dầu thô tách ra trên ống ngưng tụ (có khắc vạch thể tích) và so sánh thể tích tinh dầu thu được ở các nồng độ khác nhau như trên. Từ đó, chọn tỷ lệ nước/nguyên liệu thích hợp cho từng loại mẫu. 2.2.5.2. Thí nghiệm xác định hàm lượng NaCl Mục đích: NaCl có tác dụng tăng khả năng thẩm thấu của nước trong tế bào, tăng độ phân cực của dung dịch, nhờ đó làm giảm lực tương tác giữa các cấu tử tinh dầu kém phân cực với nước. Nhờ đó, tinh dầu sẽ dễ dàng bay hơi trong quá trình chưng cất. Thí nghiệm được tiến hành với mẫu quả có hàm lượng NaCl (w/v) thay đổi: 0%; 5%; 10%; 15%; 20% và mẫu lá: 0%; 2,5%; 5%; 7,5%; 10%, với tỷ lệ nước/cái bổ sung đã chọn thích hợp. Bố trí thí nghiệm xác định theo hình 2.5. Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định hàm lượng NaCl bổ sung đối với mẫu vỏ quả Vỏ đã xử lý Xay Bổ sung tỷ lệ nước / cái thích hợp NaCl (w/v,%): % 0 % 5 % 10 15 20 % Đánh giá hiệu suất tách tinh dầu, chọn hàm lượng NaCl thích hợp Tinh dầu thô Chưng cất (1h) Ngưng tụ Phân ly Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định hàm lượng NaCl bổ sung khi ngâm lá được bố trí tương tự như sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỉ lệ nước bổ sung khi ngâm vỏ quả. Cơ sở chọn các khoảng khảo sát cho các thông số hàm lượng NaCl Dựa trên các tài liệu tham khảo liên quan đến chiết tinh dầu từ vỏ và lá Quất. Đây là cơ sở khoa học giúp định hướng trong việc chọn khoảng khảo sát cho các thông số hàm lượng NaCl. Dựa trên quá trình bố trí thí nghiệm, tiến hành thực hiện ở các khoảng khảo sát khác nhau, các thí nghiệm được làm lặp lại ít nhất là 3 lần. Sau đó đưa ra khoảng khảo sát thích hợp. Cách tiến hành: Lấy 100g nguyên liệu đã xử lý cho vào máy xay điện, thêm vào đó một lượng nước cất với tỷ lệ nước/nguyên liệu đã chọn được thông qua lô thí nghiệm trước. Thêm NaCl vào ở các nồng độ biến thiên như trên, áp dụng cho từng loại mẫu. Xay trong 2 phút. Chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chưng cất và chưng hỗn hợp trong 60 phút dưới áp suất khí quyển. Đọc thể tích tinh dầu tách ra trên ống ngưng tụ và so sánh. Từ đó, chọn nồng độ NaCl thích hợp. 2.2.5.3. Thí nghiệm xác định thời gian ngâm: Mục đích: Thời gian ngâm là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thể tích tinh dầu thu được bởi vì sự thẩm thấu của muối và nước hay sự khuếch tán của các cấu tử tinh dầu ra môi trường không thể thực hiện được trong giây lát mà đòi hỏi phải trong một khoảng thời gian nhất định. Thí nhiệm được tiến hành với các thời gian thay đổi như sau: 0h; 1h; 2h; 3h; 4h; 5h đối với cả 2 mẫu. Các thông số khác của quy trình được chọn: tỉ lệ nước/cái thích hợp; hàm lượng NaCl (w/v,%) thích hợp. Sơ đồ thí nghiệm trình bày trên hình 2.6. Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian ngâm nguyên liệu NL đã xử lý Xay Ngâm với thời gian (h) - Tỷ lệ cái/nước thích hợp - NaCl (w/v) thích hợp Chưng cất (1h) 1 2 3 0 4 5 Ngưng tụ Đánh giá hiệu suất tách tinh dầu, chọn thời gian ngâm thích hợp Phân ly Tinh dầu thô Cách thực hiện: Lấy 100g nguyên liệu đã xử lý cho vào máy xay điện, thêm vào đó một lượng nước cất và NaCl với tỷ lệ nước/nguyên liệu và nồng độ NaCl thích hợp đã chọn. Xay trong 2 phút. Chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chưng cất. Thay đổi thời gian ngâm nguyên liệu lần lượt là: 1h; 2h; 3h; 4h; 5h Sau đó, chưng cất hỗn hợp trong 60 phút dưới áp suất khí quyển. Đọc thể tích tinh dầu tách ra trên ống ngưng tụ và so sánh. Từ đó, chọn thời gian ngâm muối thích hợp. 2.2.5.4. Thí nghiệm xác định thời gian chưng cất Mục đích: Thời gian chưng cất có vai trò quyết định lượng tinh dầu thu hồi. Nếu chưng cất trong thời gian quá ngắn thì lượng tinh dầu trích ly chưa hết hoàn toàn hay nó vẫn còn tồn tại trong các tế bào tiết, do vậy sẽ làm giảm thể tích tinh dầu thu được. Ngược lại, khi chưng cất quá thời gian tối ưu thì vừa tốn thời gian, vừa tổn hao năng lượng và nghiêm trọng hơn là chất lượng tinh dầu thu được cũng bị giảm đi đáng kể. Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian chưng cất - Tỷ lệ cái/nước thích hợp - NaCl (w/v) thích hợp Chưng cất (phút): NL đã xử lý Xay Ngâm 60 70 50 40 80 30 90 100 110 120 Đánh giá hiệu suất tách tinh dầu, chọn thời gian chưng cất thích hợp Tinh dầu thô Ngưng tụ Phân li Thí nghiệm tiến hành chưng cất nguyên liệu với các khoảng thời gian biến thiên từ 10 phút, 20 phút, 30 phútthường xuyên theo dõi và cứ sau 10phút ghi lại thể tích tinh dầu ngưng tụ cho đến khi thấy thể tích tinh dầu thô thu được bên ống ngưng tụ không tăng được nữa. Các thông số khác của quy trình đã được xác định từ các lô thí nghiệm trước. Lặp lại như trên với 3 mẫu thí nghiệm liên tiếp và ghi lại kết quả trung bình. Sơ đồ bố trí thí nghiệm dự kiến như hình 2.7. 2.2.6. Phương pháp xác định các chỉ số hóa-lý và định danh các cấu tử thành phần của tinh dầu (1) 2.2.6.1. Phương pháp xác định các tính chất lý- hóa cơ bản của tinh dầu Lượng tinh dầu sau khi chưng cất và làm khan được đem xác định các chỉ số lý-hóa như sau: - Xác định tỷ trọng ở 250C (d25): phương pháp khối lượng, dùng bình đo tỷ trọng (Phụ lục 2) - Xác định chỉ số acid (IA), chỉ số ester (IE) và chỉ số xà phòng hóa (IS) : phương pháp chuẩn độ (Phụ lục 2) 2.2.6.2. Phương pháp định danh các cấu tử thành phần có trong tinh dầu Quất (Phụ lục 4) Phát hiện sự có mặt của các cấu tử có trong tinh dầu vỏ Quất và lá Quất tại Trung tâm Dịch vụ Phân tích Thí nghiệm Thành phố Hồ Chí Minh (số 02 Nguyễn Văn Thủ, Quận 1, Tp.HCM) trên thiết bị sắc ký khí – ghép khối phổ. - Việc định danh các thành phần trong tinh dầu được thực hiện bằng cách dùng phần mềm cài đặt sẵn trên máy để so sánh các phổ full-MS và MS/MS của từng cấu tử tách ra trên sắc ký đồ với các phổ chuẩn có trong thư viện phổ. - Mức độ phù hợp giữa chất có trong mẫu nghiên cứu và chất đề nghị được tính bằng đại lượng độ tương thích. Độ tương thích càng cao thì kết quả định danh càng chính xác. Khi phổ khối của một chất phân tích hoàn toàn giống với phổ khối của một chất chuẩn trong thư viện thì độ tương thích là được biểu thị là 1.000. Độ tương thích đạt trên 800 được xem là cho kết quả có độ tin cậy cao. 2.2.7. Phương pháp xử lý số liệu Các kết quả nghiên cứu đều là trung bình cộng của 3 lần xác định song song. Xử lý số liệu bằng phần mềm MS Excel 2007. Vẽ đồ thị hai chiều bằng phần mềm Excel 2007. Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả xác định thành phần khối lượng của quả Quất Thành phần khối lượng của quả Quất được thể hiện ở bảng 3.1. Bảng 3.1. Thành phần khối lượng của quả Quất Mẫu Vỏ (Phần chứa tinh dầu) Ruột (Phần múi Quất) Khối lượng (g) Tỉ lệ (%) Khối lượng (g) Tỉ lệ (%) 1 20,293 20,3 79,707 79,7 2 20,514 20,5 79,486 79,5 3 20,592 20,6 79,408 79,4 Trung bình - 20,47 - 79,53 Qua kết quả trên ta thấy: - Phần ăn được hay phần múi Quất chiếm lệ cao(khoảng 79,53) trọng lượng tươi của quả, có độ ẩm cao(bảng PL1) nên có thể bảo quản đông để kéo dài thời gian sử dụng. Ta có thể sử dụng phần này để nghiên cứu, chế biến các dạng sản phẩm có ích khác như làm mứt quả hay bổ sung tạo các dạng sản phẩm giải khát lên men sẽ rất tốt cho sức khỏe. - Phần vỏ còn lại cũng chiếm tỉ lệ khá cao(20,47%) trọng lượng tươi của quả, là phần có chứa các túi tinh dầu có giá trị. Do vậy, việc tận dụng lại nguồn vỏ này cùng với lượng lá Quất có sẵn để chiết tinh dầu sẽ có tính khả thi cao bởi công nghệ chiết xuất đơn giản, vốn đầu tư ban đầu thấp mang lại hiệu quả kinh tế cao lại giải quyết tốt vấn đề môi trường. Kết quả xác định tỉ lệ nước/nguyên liệu thích hợp 3.2.1. Kết quả xác định tỉ lệ nước/nguyên liệu vỏ quả thích hợp Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.1(bảng PL2). Kết quả này cho thấy: khi thay đổi tỷ lệ nước cho vào nguyên liệu đem chưng cất thì tỷ lệ khối lượng tinh dầu thu được cũng thay đổi theo. 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Tỉ lệ khối lượng tinh dầu(%) Hình 3.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ nước/vỏ quả Quất đến thể tích và tỉ lệ khối lượng tinh dầu quả thu được Nhận xét và giải thích: Dựa vào kết quả trên ta thấy khi dùng tỉ lệ nước/nguyên liệu là 2/1 thì lượng tinh dầu thu được là 1,7ml (tỉ lệ khối lượng 1,41%). Và khi tăng tỉ lệ nước /nguyên liệu lên 2,5/1 thì lượng tinh dầu cũng tăng theo 2,45ml gấp 1,44 lần so với ở tỉ lệ 2/1, nếu tiếp tục tăng lên với tỉ lệ 3/1 lượng tinh dầu thu được lúc này là 2,57ml tương ứng với tỉ lệ khối lượng 2,12% so với mẫu. Tuy nhiên, nếu chúng ta tiếp tục tăng tỉ lệ nước ngâm lên cao nữa thì lượng tinh dầu thu được lại giảm. Cụ thể như sau: khi tăng tỉ lệ nước ngâm lên 3,5/1 thì lượng tinh dầu thu được còn 2,46ml và nếu tăng đến tỉ lệ 4/1 còn 1,65ml (tỉ lệ khối lượng 1,36%). Do vậy, tỉ lệ nước ngâm tối ưu là 3/1. Kết quả xác định tỉ lệ nước/nguyên liệu lá thích hợp Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.2(bảng PL3). Kết quả này cho thấy: khi thay đổi tỷ lệ nước cho vào nguyên liệu đem chưng cất thì tỷ lệ khối lượng tinh dầu thu được cũng thay đổi theo. 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Tỉ lệ khối lượng tinh d