Mục đích nghiên cứu của đề tài là xây dựng quy trình công nghệ thích hợp cho việc chiết xuất tinh dầu từ lá Chanh bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước đồng thời đánh giá chất lượ
TỔNG QUAN
Giới thiệu chung về cây Chanh
Chanh ta hay Chanh giấy có tên khoa học: Citrus aurantifolia Swingle
Cây chanh là một loại cây nhỏ, cao từ 1 m đến 3 m, thân có nhiều cành và gai Lá nhỏ hình trứng, màu xanh lục, dài từ 3 cm đến 8 cm và rộng từ 3 cm đến 5 cm; mép lá có thể răng cưa hoặc trơn Hoa màu trắng, mọc đơn độc hoặc thành từng chùm từ 3 đến 5 hoa.
Quả chanh có đường kính từ 3 cm đến 6 cm, hình oval, vỏ xanh khi chưa chín và chuyển sang vàng khi chín Quả có múi, nước có vị rất chua và hạt màu trắng Trong vỏ và lá chanh chứa nhiều tinh dầu, tạo hương thơm đặc trưng và được ứng dụng rộng rãi trong ẩm thực, đồ uống và y học cổ truyền.
1.1.2 Phân bố và đặc điểm sinh thái, sinh trưởng [20]
Cây chanh lô ly (Citrus aurantifolia Swingle) có nguồn gốc từ miền Bắc Ấn Độ và vùng giáp Myanmar, phía bắc Malaysia và Trung Quốc Hiện nay chanh lô ly được trồng phổ biến trên toàn thế giới, đặc biệt tại các nước có khí hậu nhiệt đới.
Về mặt sinh thái học, cây chanh và các loài trong họ Citrus không chịu được giá rét và ưa khí hậu nóng ẩm với lượng mưa hoặc nước tưới đầy đủ; chúng được trồng phổ biến ở vùng đất ẩm, vùng đất thấp hoặc trên các khu vực đồi núi cao trên 1000 m so với mực nước biển Dù nhạy cảm với đất lạnh, chanh có sức chống chịu rét khá cao và có thể sinh trưởng trên đất nghèo dinh dưỡng, cho thấy sức thích nghi của cây chanh vượt trội so với một số cây trong họ Citrus như cam, quýt Đây là cây có tán lá rộng và không rụng lá theo mùa; nó ra hoa vào mùa xuân và cho quả sau một thời gian ngắn, quả chín vào mùa thu hoặc đông.
Chanh được trồng từ hai nguồn chính là hạt và chiết từ cành; chanh mọc từ hạt thường khỏe mạnh hơn so với cây chiết từ cành, nhưng với chanh mọc từ hạt phải mất khoảng 5 năm mới ra hoa và cho trái Các chồi mọc từ rễ hoặc chồi vượt thường có nhiều gai dài, nhọn Hoa chanh thường thụ phấn bằng côn trùng, đặc biệt là ong mật, nhưng chúng cũng có thể tự thụ phấn, tuy hiệu quả không cao Thời gian từ khi hoa nở đến khi thụ phấn và cho quả thu hoạch khoảng từ 5 tháng đến 6 tháng Ở các tỉnh phía Bắc nước ta, chanh ra hoa vào tháng 1 đến tháng 3 và cho trái thu hoạch từ tháng 6 đến tháng 12.
Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa rất thích hợp cho chanh sinh trưởng và phát triển Chanh trồng bằng hạt cho trái chậm hơn so với chiết cành; ở nước ta thói quen nhân giống chanh bằng chiết cành đã có từ rất lâu đời và đây là phương pháp phổ biến ở nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là khu vực Đông Nam Á Các cây chanh trồng bằng cành thường ra hoa ở năm thứ 2, nhưng để cây sinh trưởng khỏe mạnh, người ta thường ngắt hoa ở năm thứ 2 để cây ra hoa ở năm thứ 3.
Trồng chanh thành từng vườn thuần loại hoặc trồng ven ao, hồ, mương, máng giúp cây chanh phát triển đồng đều và dễ quản lý Trong vườn chanh cần giữ sạch cỏ, cắt bỏ bớt cành để tạo tán thông thoáng và loại bỏ những cây hoặc cành sâu bệnh Để bảo vệ vườn chanh khỏi sâu bệnh và nâng cao năng suất, áp dụng chế độ vệ sinh nghiêm ngặt và phun thuốc phòng trừ sâu bệnh đúng lịch và đúng cách.
Cây chanh được trồng nhiều ở khắp các vùng trên toàn quốc, cung cấp nguồn nguyên liệu cho con người trong các lĩnh vực thực phẩm, y học và hóa học Sự phổ biến rộng khắp của cây chanh khẳng định vai trò của nó như một nguồn tài nguyên quý giá cho sản xuất và nghiên cứu trên khắp đất nước.
Các tỉnh phía Bắc như: Hải Dương, Thái Bình, Hà Nội, Nam Định…
Các tỉnh miền Trung: Khánh Hòa, Bình Định, Phú Yên…
Các tỉnh miền Nam: Tiền Giang, Long An, TP Hồ Chí Minh…
1.1.3 Công dụng của cây Chanh [8, 20]
Cây Chanh trồng để lấy trái là phổ biến, nhưng bên cạnh đó các bộ phận khác của cây cũng có rất nhiều công dụng
Rễ chanh được thu hái quanh năm; rễ nhỏ dùng cả, rễ to chỉ lấy vỏ Rễ chanh có vị đắng, tính ôn, và có tác dụng trị ho, suyễn, giảm sưng đau, hỗ trợ tiêu hóa và giảm đầy hơi.
Lá chanh chứa tinh dầu, có vị cay ngọt và tính ôn, mang lại tác dụng trị ho, thanh nhiệt và sát khuẩn Vì vậy, lá chanh được dùng để nấu nước xông chữa cảm cúm và cũng làm gia vị cho một số món ăn, giúp tăng hương vị và mang lại lợi ích cho sức khỏe Đây là nguyên liệu thiên nhiên được ưa chuộng trong nấu ăn và chăm sóc sức khỏe tại nhà.
Quả chanh có vị chua ngọt, tính mát và được dùng làm nước giải khát cũng như gia vị trong chế biến thức ăn; vị chua cùng hương thơm của chanh kích thích giác quan, giúp ăn ngon và tinh thần sảng khoái Dịch chanh có tác dụng thanh nhiệt, chống viêm, lợi tiểu, cầm máu và hỗ trợ chữa cảm sốt cũng như thiếu vitamin C; ngậm nước chanh hoặc dùng nước chanh pha loãng có thể hỗ trợ thư giãn cổ họng Chanh với nước muối có tác dụng chống ho và giải rượu Dịch nước quả chanh còn được dùng trong sản xuất axit citric, phục vụ ngành công nghệ thực phẩm, và tinh dầu vỏ chanh được khai thác làm nguyên liệu Chanh được ứng dụng rộng rãi trong y học và thực phẩm.
Hạt Chanh: chứa dầu béo và chất đắng lemonin Có thể góp phần chữa các bệnh về ho, táo bón, rắn cắn…
Hoa Chanh: hoa Chanh được sử dụng nhiều trong y học, có tác dụng long đờm, lợi tiểu, giải nhiệt, trị các cơn đau co thắt và thuốc giúp ăn ngon miệng, dễ tiêu hóa, an thần Chính vì thế hoa Chanh được sử dụng để chữa các bệnh đau đầu, cảm cúm, ho, căng thẳng thần kinh.
Tổng quan về tinh dầu
1.2.1 Khái niệm về tinh dầu
Tinh dầu là hỗn hợp của các hợp chất hữu cơ có đặc tính chung là dễ bay hơi, thường có mùi thơm, có nguồn gốc chủ yếu từ một số bộ phận của thực vật (như hạt, rễ, củ, vỏ cây, hoa, lá, quả, dầu, nhựa cây) hay động vật (túi tinh dầu), tinh dầu có thể thu được bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn theo hơi nước Vai trò của tinh dầu đối với cây cỏ chưa được biết rõ, nhưng đáng chú ý là những cây có tinh dầu đều không có ancaloit và ngược lại Từ đó người ta cho rằng tinh dầu có vai trò như là chất thải để giải độc cho cây và góp phần bảo vệ cây cũng như ancaloit Tinh dầu trong mỗi nguyên liệu khác nhau thì cũng có nồng độ khác nhau Đa số thành phần chính của các loại tinh dầu đều là các hợp chất terpenoid được cấu tạo từ các đơn vị isopren (C 5 H 8 ) 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 ) a Bộ khung terpenoid cơ bản b Phân tử isopren
Hình 1.2 Cấu trúc phân tử isopren và bộ khung cơ bản của terpenoid
1.2.2 Phân loại các thành phần có trong tinh dầu
Thành phần tinh dầu được phân loại theo các cách sau:
1.2.1.1 Phân loại theo hàm lƣợng [6]
Theo cách phân loại này các thành phần trong tinh dầu được chia làm 3 nhóm:
- 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 [10]
Tinh dầu của mỗi loài thực vật là một hỗn hợp bao gồm hàng trăm hợp chất thuộc các nhóm hữu cơ khác nhau
Các hợp chất có trong tinh dầu 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 trong cây có thể biến đổi rất lớn tùy theo giống cây trồng, điều kiện canh tác, mùa vụ và các bộ phận khác nhau của cây Tuy nhiên, tổng lượng các thành phần này vẫn được giữ ở mức ổn định trong phạm vi của cùng một loài.
1.2.2.3 Phân loại theo bản chất hóa học [16]
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)
Hình 1.3 Công thức hóa học của một số hợp chất thường có trong tinh dầu
1.2.3 Tính chất vật lý và hóa học của tinh dầu [6, 16]
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 90 O ở 25 O C, nhiệt độ sôi, năng suất quay cực, màu sắc
Phần lớn các loại tinh dầu có tỷ trọng nhỏ hơn 1, nên nhẹ hơn nước Tuy nhiên, một số tinh dầu có khối lượng riêng lớn hơn nước, điển hình là tinh dầu quế và tinh dầu đinh hương Hiểu đặc điểm khối lượng riêng của tinh dầu giúp lựa chọn và sử dụng đúng cách cho các ứng dụng như khuếch tán, chăm sóc sức khỏe hoặc làm đẹp và bảo quản an toàn.
Tinh dầu không tan hoặc tan rất ít trong nước nhưng lại hòa tan tốt trong đa số các dung môi hữu cơ như eter và cồn Mặc dù thành phần hóa học của mỗi loại tinh dầu khác nhau, nhìn chung chúng có nhiệt độ sôi khoảng 100°C.
200 O C, 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 lại có màu đậm hơn, chẳng hạn tinh dầu ngải cứu có màu xanh lơ và tinh dầu quế có màu nâu sẫm, là do sự có mặt của các hợp chất có màu bị kéo theo trong quá trình chiết xuất (ví dụ chlorophyll gây xanh, carotenoid gây vàng) Mùi và vị của tinh dầu chủ yếu do các cấu tử bị oxy hóa tạo ra, chứ không chỉ từ màu sắc.
Tinh dầu chứa các hợp chất terpenoid, tức các hydrocarbon không no, nên rất dễ bị thủy phân và bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng và nhiệt độ cao Vì vậy, để bảo quản tinh dầu đúng cách và giữ được hương thơm, người ta thường đựng chúng trong lọ sẫm màu, cổ nhỏ và đậy nút kín chắc.
1.2.4 Vai trò của tinh dầu trong cuộc sống thực vật [18]
Vấn đề về vai trò của tinh dầu trong đời sống của cây đã được đề cập rất nhiều trong các công trình nghiên cứu Nghiên cứu cho thấy tinh dầu đóng vai trò đa dạng và thiết yếu đối với sinh lý cây, từ bảo vệ cây trước tác nhân gây hại và vi sinh vật đến tham gia điều hòa quá trình sinh trưởng, phát triển và phản ứng với stress môi trường Các vai trò cụ thể của tinh dầu được trình bày chi tiết và được giải thích theo từng khía cạnh nhằm làm sáng tỏ ảnh hưởng của tinh dầu đối với sức khỏe và hiệu suất phát triển của cây, đồng thời gợi ý ứng dụng thực tiễn và tiềm năng trong nông nghiệp.
- Bảo vệ cây khỏi tác động của sâu bệnh
- Che phủ các vết thương từ 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 enzim
Theo Charabot, tinh dầu đóng vai trò như chất dự trữ của cây và có khả năng vận chuyển tới các phần khác nhau của cây Tại những vùng đích này, tinh dầu được sử dụng như nguồn năng lượng hoặc tham gia hình thành các sản phẩm mới có cấu trúc gần với tinh dầu ban đầu.
Theo quan điểm của Tschirch (1925), tinh dầu đóng vai trò quan trọng trong đời sống của cây, dù tác giả vẫn chưa thể xác định rõ chức năng cụ thể của chúng; do đó tinh dầu không nên được xếp vào nhóm các chất tiết một cách tuyệt đối và cần được xem xét như một thành phần sinh học có vai trò đa dạng trong sinh trưởng và bảo vệ cây.
Khác với quan điểm của Charabot, Tschirch cho rằng tinh dầu đôi khi được lưu giữ trong các bể chứa và không tham gia vào các phản ứng tiếp theo Quan điểm này cho thấy có một giai đoạn dự trữ riêng biệt trong chu trình xử lý tinh dầu, điều này ảnh hưởng đến quá trình biến đổi thành phẩm và chất lượng cuối cùng.
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 tinh dầu này không có chức năng sinh lý và không được cây sử dụng; chúng chỉ là các chất tiết của cơ thể cây và được tích lũy trong các bể chứa tinh dầu.
Theo quan điểm này, các thành phần của tinh dầu được tích lũy tại tuyến tiết nhưng không có vai trò sinh lý trong hoạt động sống của cây Ngược lại, 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.
Trong các năm về sau, khi áp dụng phương pháp 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 gia tích cực vào quá trình trao đổi chất của cây; vì vậy thành phần hóa học của tinh dầu trong cây luôn được đổi mới theo động lực của trao đổi chất.
Trong những năm gần đây, vai trò sinh lý của tinh dầu trong đời sống thực vật đã được nhất trí trong hầu hết các tài liệu công bố Tuy nhiên, chức năng cụ thể của từng hợp chất trong tinh dầu vẫn cần được nghiên cứu sâu hơn để làm rõ cơ chế tác động và các ứng dụng tiềm năng của chúng trong nông nghiệp và sinh học thực vật.
Các phương pháp trích ly tinh dầu
Phương pháp cơ học để trích ly tinh dầu từ vỏ các trái thuộc chi Citrus, như cam, chanh, quýt và bưởi, thông qua các thao tác vắt, nạo, xát và ép Vì vỏ của những trái này chứa lượng tinh dầu rất cao, các phương pháp cơ học cho hiệu quả chiết xuất tinh dầu từ vỏ quả họ Cam Quá trình trích ly có thể được thực hiện bằng tay hoặc bằng máy, đáp ứng các nhu cầu sản xuất tinh dầu tự nhiên cho ngành thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm.
Phương pháp này thường sử dụng để trích ly tinh dầu từ các loài hoa hoặc các loại thực vật dùng làm gia vị Có 2 phương pháp tẩm trích:
Chiết xuất bằng dung môi không bay hơi dựa trên nguyên lý tinh dầu hòa tan trong chất béo của động vật và thực vật Sản phẩm thu được có thể là dầu hoặc mỡ bão hòa tinh dầu, được gọi là sáp hoa, có thể dùng trực tiếp trong công nghệ mỹ phẩm hoặc được trích ly lại bằng ethanol để thu được tinh dầu tuyệt đối.
Trích ly tinh dầu bằng dung môi dễ bay hơi là phương pháp có nhiều ưu điểm vì được thực hiện ở nhiệt độ phòng nên thành phần hoá học của tinh dầu ít bị thay đổi Phương pháp này không chỉ được áp dụng để trích ly cô đặc từ hoa mà còn được tận dụng khi các phương pháp khác không trích ly hết hoặc để trích ly các loại nhựa dầu và gia vị.
Nguyên tắc của phương pháp: dựa vào hiện tượng thẩm thấu hoặc khuếch tán và hòa tan của tinh dầu có trong dung môi hữu cơ
Phương pháp hấp phụ gồm hai nhánh là phương pháp ướp và phương pháp hấp phụ động học, được sử dụng để trích ly tinh dầu từ các loại hoa Phương pháp ướp cho thấy một số loài hoa như lài, huệ có khả năng tiếp tục tổng hợp tinh dầu sau khi thu hái; đồng thời dựa vào tính chất của các chất béo động vật hay thực vật có khả năng hấp thụ các chất dễ bay hơi trên bề mặt chúng, nên khi hoa tiếp xúc với chất béo trong thời gian nhất định, hương thơm của hoa sẽ được các chất béo hấp thụ Phương pháp hấp phụ động học hoạt động khi thổi không khí giữa các lớp hoa, tinh dầu trong hoa bốc hơi theo không khí và được dẫn qua một cột chứa than hoạt tính (than gỗ hoặc than xương), nơi hơi tinh dầu bị hấp thụ Thường hoa xác sau đó được tiếp tục tẩm trích bằng dung môi hữu cơ để lấy thêm các cấu phần khó bay hơi.
1.3.4 Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước
Phương pháp này dựa trên sự thẩm thấu, hòa tan và khuếch tán các hợp chất hữu cơ có trong tinh dầu chứa trong mô khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao Quá trình này khiến các hợp chất bị lôi cuốn bởi hơi nước và di chuyển theo luồng hơi nước, tối ưu hóa sự trao đổi và hiệu quả tách chiết Nhờ sự kết hợp của thẩm thấu, hòa tan và khuếch tán, cùng với tương tác với hơi nước ở nhiệt độ cao, phương pháp này cho phép khai thác tối đa các thành phần hữu cơ từ tinh dầu trong mô.
Trong chưng cất hơi nước các cấu tử tinh dầu được tách ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nước, giúp hạn chế sự biến tính hóa học như oxy hóa và phân hủy nhiệt của tinh dầu Quá trình này khiến hơi nước thẩm thấu vào mô thực vật, hòa tan và khuếch tán các hợp chất hữu cơ rồi mang chúng lên hệ ngưng tụ, nơi chúng ngưng tụ thành hai lớp: lớp dầu ở trên và lớp nước ở dưới Sự khuếch tán diễn ra thuận lợi khi tế bào chứa tinh dầu trương phồng do tiếp xúc với hơi nước bão hòa trong một thời gian nhất định Trường hợp mô thực vật chứa nhựa, sáp, axit béo chuỗi dài, cần nhiều hơi nước và thời gian chưng cất kéo dài vì các hợp chất này làm giảm áp suất hơi của hệ thống và làm cho sự khuếch tán trở nên khó khăn.
1.3.4.2 Những ảnh hưởng chính trong sự chưng cất lôi cuốn hơi nước a Sự khuếch tán
Ngay cả khi nguyên liệu được nghiền nát, chỉ một số mô chứa tinh dầu bị vỡ và cho tinh dầu thoát ra theo hơi nước Ở nhiệt độ sôi của nước, phần lớn tinh dầu còn lại trong các mô thực vật hòa tan vào nước có sẵn trong tế bào, và dung dịch này thẩm thấu ra bề mặt nguyên liệu để bị hơi nước cuốn đi, trong khi nước thẩm thấu ngược vào và tinh dầu tiếp tục hòa tan vào lượng nước mới Quy trình này lặp đi lặp lại cho đến khi tinh dầu thoát ra hết Sự hiện diện của nước rất cần thiết trong chưng cất bằng hơi nước, do đó khi chưng cất bằng hơi nước quá nhiệt cần tránh để nguyên liệu bị khô; tuy nhiên lượng nước quá nhiều cũng không có lợi, đặc biệt với các tinh dầu có thành phần dễ tan trong nước.
Để tối ưu quá trình chưng cất, nguyên liệu được nghiền nhỏ và xốp đều để hơi nước có thể đi xuyên qua lớp nguyên liệu một cách đồng đều Theo nguyên tắc chưng cất hơi nước, các hợp chất dễ hòa tan trong nước sẽ bị chiết xuất trước, trong khi các hợp chất ít hòa tan sẽ ra sau Ví dụ với hạt caraway, khi không nghiền, carvon có nhiệt độ sôi cao nhưng hòa tan nhiều trong nước sẽ được chiết trước, còn limonen có nhiệt độ sôi thấp nhưng ít tan trong nước sẽ ra sau; ngược lại, nếu hạt caraway được nghiền nhỏ thì kết quả chưng cất sẽ ngược lại Sự thủy phân cũng là một yếu tố liên quan.
Các cấu phần este trong tinh dầu dễ bị thủy phân khi đun nóng với nước trong thời gian dài, dẫn đến hình thành axit và cồn Để hạn chế hiện tượng này, quá trình chưng cất hơi nước nên được thực hiện trong thời gian càng ngắn càng tốt Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đáng kể và cần được kiểm soát ở mức phù hợp trong quá trình chưng cất để bảo toàn các este và giảm thiểu sự thủy phân.
Nhiệt độ cao sẽ làm phân hủy tinh dầu, vì vậy cần dùng hơi nước quá nhiệt (trên 100°C) và thực hiện ở giai đoạn cuối của quá trình chưng cất, sau khi các thành phần dễ bay hơi đã được lôi cuốn đi Thực tế, hầu hết các tinh dầu đều kém bền dưới tác dụng của nhiệt nên mục tiêu là làm sao cho thời gian chịu nhiệt của tinh dầu càng ngắn càng tốt Do đó cần tối ưu thời gian tiếp xúc với nhiệt và kiểm soát chặt chẽ quá trình chưng cất để bảo toàn thành phần và chất lượng tinh dầu khi thu được.
Tóm lại, dù ba ảnh hưởng được xem xét độc lập, chúng thực tế liên quan với nhau và đều chịu ảnh hưởng của nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, các quá trình khuếch tán và thẩm thấu diễn ra nhanh hơn, sự hòa tan tinh dầu trong nước cũng tăng lên, nhưng đồng thời mức phân hủy của chúng cũng tăng theo nhiệt độ.
1.3.4.3 Ưu nhược điểm của phương pháp a Ƣu điểm
- Phương pháp này đơn giản dễ làm
- Thiết bị rẻ tiền, gọn và dễ chế tạo
- Phù hợp với những cơ sở sản xuất nhỏ, vốn đầu tư ít
- Quy trình kỹ thuật tương đối đơn giản
- Không đòi hỏi vật liệu phụ như các phương pháp tẩm trích, hấp thụ
- Thời gian chưng cất tương đối nhanh b Nhƣợc điểm
Phương pháp này có nhược điểm như:
- 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
- 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
1.3.5 Các phương pháp mới trong trích ly tinh dầu [8]
Hiện nay CO 2 lỏng được sử dụng như một dung môi để trích ly tinh dầu (phương pháp SFE – Supercritical Fliud)
Nguyên tắc: lợi dụng tính chất khí CO 2 có thể hóa lỏng ở áp suất cao, dùng
Quá trình chiết tinh dầu bằng CO2 lỏng bắt đầu với việc CO2 ở trạng thái lỏng chiết xuất tinh dầu từ nguyên liệu Sau đó, CO2 được trả về ở áp suất bình thường để thu được tinh dầu CO2 được thu hồi và tiếp tục hóa lỏng để chiết tinh dầu, tạo thành chu trình khép kín.
CO2 lỏng có tính chọn lọc tốt, chi phí thấp và ít độc hại so với các dung môi khác, nên tinh dầu thu được có chất lượng cao Tuy nhiên phương pháp này chưa phổ biến do giá thành thiết bị còn cao và nguồn nguyên liệu hạn chế, đồng thời điều kiện tối ưu để trích ly vẫn cần thêm nghiên cứu.
Nguyên tắc của phương pháp dựa trên việc nước trong tế bào sôi rất nhanh khi được chiếu xạ bằng vi sóng Trong thực vật tươi, nước hiện diện ở khắp các tế bào và dưới tác động của vi sóng nước sôi tạo áp lực hơi khiến các tế bào vỡ nhanh, đồng thời kéo theo các hợp chất dễ bay hơi theo dạng hỗn hợp cùng nước Ngoài ra, các hợp chất hữu cơ phân cực cũng được làm nóng lên bởi vi sóng song song với nước, từ đó tăng cường quá trình chưng cất hơi nước đang diễn ra.
Dù các phương pháp trích ly tinh dầu mới và hiện đại mang lại hiệu suất cao và chất lượng tinh dầu tốt, thực tế chúng ít được áp dụng do chi phí thiết bị lớn và yêu cầu kỹ thuật phức tạp.
Các dạng sản phẩm trong quá trình tách chiết tinh dầu
- Tinh dầu dạng cô kết (Concrete oil): thu được từ phương pháp ngâm chiết tĩnh, chủ yếu là dùng để sản xuất tinh dầu thô Đây là sản phẩm chưa loại sáp và chất béo, có dạng sệt có thể được sử dụng trực tiếp
- Tinh dầu tinh khiết (Absolute oil): được thu bằng cách chiết kiệt những sản phẩm cô kết bằng một lượng etanol vừa đủ rồi làm lạnh đột ngột (-5 đến -100C) để tủa và lọc để loại sáp và chất béo Phần dịch thu được đem cô quay chân không loại etanol thu được tinh dầu tinh khiết
Nước chưng (Bouquet) là phần nước còn lại sau quá trình lóng và gạn tinh dầu bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước từ các loại tinh dầu có giá trị cao Nước chưng chứa các hợp chất hương thơm hòa tan trong nước, mang đặc tính hương nhẹ nhàng và bền lâu, có thể dùng để bổ sung cho các công thức tinh dầu và nước hoa Đây được xem như một sản phẩm trong công nghệ hương liệu, có vai trò quan trọng trong việc tối ưu nguồn nguyên liệu và mở rộng biên độ hương cho các sản phẩm cuối cùng.
Nhựa dầu tự nhiên (Resinoid) là dạng nhựa thu trực tiếp từ phần gỗ của thân cây đang sống Từ nhựa này, người ta chưng cất hơi nước để lấy tinh dầu.
- Cao tinh dầu (Pomade): là chất béo chứa chất thơm thu được trong phương pháp ướp
Nước hoa (hydrosol) là phần nước ngưng được tách ra sau khi đã tách lớp tinh dầu Hydrosol chứa các cấu tử thơm dễ tan trong nước và một lượng tinh dầu kém tan nên vẫn còn mùi thơm nhẹ.
Ngoài ra, nước hoa hiện nay còn có các dạng phối hợp giữa tinh dầu tự nhiên với tinh dầu tổng hợp hoặc bán tổng hợp được hòa tan trong cồn, đồng thời có chất định hương để ổn định mùi Các thành phần trong nước hoa được pha trộn theo một tỷ lệ chính xác nghiêm ngặt nhằm đảm bảo độ bay mùi, cường độ và độ bền của mùi sản phẩm.
Tình hình nghiên cứu về tinh dầu họ Citrus
Tinh dầu từ vỏ quả, lá và hoa của các cây thuộc họ Citrus là những hợp chất tự nhiên mang mùi thơm và hương đặc trưng Các nghiên cứu hiện đại về tinh dầu Citrus tập trung vào tính chất vật lý, thành phần hóa học và hoạt tính sinh học được chiết xuất bằng các kỹ thuật tách chiết tiên tiến Ví dụ, Napapor Thavanapong, khoa Dược, Đại học Silpakorn (Thái Lan, 2006), đã nghiên cứu tinh dầu từ vỏ và hoa của Bưởi; Dharmawan J., khoa Hóa tại NUS (Singapore, 2008), nghiên cứu đặc tính của các hợp chất dễ bay hơi trong quả có múi ở châu Á.
1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước [2, 3, 4, 6, 7, 8, 9]
Công trình nghiên cứu “Khảo sát tinh dầu vỏ trái giống Citrus họ Rutaceae” của Nguyễn Minh Hoàng (2006)
Công trình nghiên cứu “Tách tinh dầu và alkaloid từ quả Quất (Citrus japonica Thumb.)” của Nguyễn Thị Lý và cộng sự
Trịnh Hoàng Hiếu, Nguyễn Thị Thảo Trân và Lê Ngọc Thạch (2009) thực hiện đề tài “Khảo sát tinh dầu vỏ trái và lá tắc Fortunella japonica” tại Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐH Quốc gia TP.Hồ Chí Minh Đề tài tiến hành khảo sát tinh dầu vỏ quả và lá tắc trên nhiều lĩnh vực: tối ưu hiệu suất chiết theo các phương pháp ly trích, đánh giá chỉ số vật lý và hoá học, xác định thành phần hoá học và hoạt tính sinh học của tinh dầu Đề tài tốt nghiệp đại học liên quan mang tên “Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu từ vỏ quả Quất.”
Năm 2012, tại trường Đại học Nha Trang, hai sinh viên Phạm Thị Mỹ Loan và Phan Anh Quốc đã thực hiện hai đề tài tốt nghiệp đại học; trong đó đề tài của Phan Anh Quốc mang tựa đề “Nghiên cứu tách chiết tinh dầu từ lá Quất” (2012).
Hai công trình nghiên cứu nổi bật về tinh dầu từ các bộ phận cây trong họ Rutaceae được ghi nhận: công trình "Khảo sát tinh dầu của bộ phận cây Chanh ta Citrus aurantifolia (Christm.) Swingle họ Rutaceae" của Nguyễn Thị Thảo Trân (2007) tại Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh, và 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 tại Đại học Nha Trang Các nghiên cứu này tập trung vào xác định thành phần và tiềm năng ứng dụng của tinh dầu từ các bộ phận của cây thuộc chi Citrus, đồng thời áp dụng phương pháp chưng cất hơi nước để tối ưu hóa quá trình chiết và đánh giá chất lượng mẫu.
Trong nước, các nghiên cứu chủ yếu tập trung khảo sát thành phần hóa học và hoạt tính sinh học của tinh dầu Chưa có đủ các nghiên cứu sâu về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chiết tinh dầu, bao gồm điều kiện chiết, nguồn nguyên liệu và phương pháp chiết Điều này khiến chưa có cơ sở khoa học đầy đủ để phát triển sản xuất trên quy mô công nghiệp Vì vậy, cần các nghiên cứu tích hợp để tối ưu hóa quy trình chiết, nâng cao chất lượng và giá trị thương mại của tinh dầu.
Vì vậy, trong đề tài này, em sẽ nghiên cứu các vấn đề sau:
- Xây dựng quy trình tách chiết tinh dầu từ lá Chanh bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước
- Áp dụng quy trình để thu nhận tinh dầu từ lá Chanh Sơ bộ tính chi phí nguyên vật liệu
- Xác định các chỉ số lý-hóa và thành phần hóa học của tinh dầu lá Chanh Đánh giá chất lượng tinh dầu thu nhận được.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nguyên liệu chính để tách chiết tinh dầu trong đề tài là lá cây Chanh ta (Citrus aurantifolia Swingle) trồng tại Diên Khánh - Khánh Hòa Lá cây Chanh ta được thu hái và mua tại vườn trồng chanh.
Lá chanh dùng cho quá trình chiết xuất tinh dầu chanh cần đảm bảo chất lượng ở mức tối ưu: tươi, không mốc, không hư hỏng hay dập nát, không úa màu và không sâu bệnh; đồng thời lá phải ở độ trưởng thành, tránh thu hái lá quá non hoặc quá già vì những lá này có hàm lượng tinh dầu thấp và ảnh hưởng đến chất lượng tinh dầu thu được.
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)
- Bình đo tỷ trọng 25 ml (Bomex, Trung Quốc)
- Buret, pipet, bình tam giác, cốc thủy tinh, đũa thủy tinh
A two-stage gas chromatography–mass spectrometry (GC–MS) system is configured with an Agilent GC (model G3440A, USA) paired to a Waters MS/MS detector (Quattro Micro TMGC, USA), enabling tandem MS capabilities for precise identification and quantification of trace compounds; section b details the chemicals used.
- Dung dịch chỉ thị phenolphtalein 1%
Lá chanh dùng để tách chiết tinh dầu phải còn tươi, đạt độ trưởng thành và không bị sâu bệnh để đảm bảo chất lượng tinh dầu Sau khi thu hái, lá được rửa sạch bằng nước máy để loại bỏ tạp chất và bụi bẩn, rồi tiến hành chưng cất để chiết tinh dầu Trong đề tài nghiên cứu này, mỗi lần chưng cất được lấy mẫu 100 g để đảm bảo độ lặp lại và hiệu quả chiết xuất tinh dầu từ lá chanh.
Sử dụng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước.
2.2.3 Quy trình tách chiết tinh dầu từ lá Chanh dự kiến
Hình 2.2 Sơ đồ quy trình dự kiến tách chiết tinh dầu từ lá Chanh
Nghiên cứu thời gian chưng cất
Nghiên cứu nồng độ NaCl, thời gian ngâm
Tinh dầu thô Phân ly Ngưng tụ Chưng cất lôi cuốn hơi nước
Nghiên cứu tỷ lệ nước ngâm nguyên liệu
2.2.4.1 Thí nghiệm xác định hàm lượng NaCl trong nước ngâm chiết
NaCl được dùng trong quá trình tách chiết tinh dầu bởi nó có tác dụng tăng khả năng thẩm thấu của nước trong dung môi và làm tăng độ phân cực của dung dịch, từ đó làm giảm lực tương tác giữa các cấu tử tinh dầu kém phân cực với nước, giúp tinh dầu dễ bay hơi hơn trong quá trình chưng cất.
Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ muối bổ sung trong nước ngâm chiết
Ngưng tụ Chưng cất 80 phút
Bổ sung nước với nồng độ muối NaCl (w/v,%)
Tinh dầu thô Xác định thể tích tinh dầu thu được, chọn hàm lượng NaCl thích hợp
Quy trình chưng cất tinh dầu bắt đầu với 100 g nguyên liệu được xay ướt bằng dung dịch NaCl ở tỷ lệ nước muối/nguyên liệu 4/1 và xay trong 3 phút Toàn bộ chất xay được đưa vào bình cầu của hệ thống chưng cất và ngâm 2 giờ trước khi chưng cất 80 phút ở áp suất khí quyển Hỗn hợp bay hơi, đi qua ống sinh hàn, và tinh dầu ngưng tụ nhờ làm lạnh; do nước làm mát, tinh dầu nhẹ hơn nước nên phân li thành hai lớp tại ống ngưng: lớp trên là tinh dầu, lớp dưới là nước Đọc thể tích tinh dầu tại mỗi mẫu chưng cất trên ống ngưng có vạch đo và so sánh để xác định nồng độ NaCl tối ưu.
2.2.4.2 Thí nghiệm xác định tỷ lệ nước/nguyên liệu
Trong quá trình xử lý mẫu, nước có tác dụng thẩm thấu vào nguyên liệu để hòa tan và khuếch tán các hợp chất hữu cơ trong tinh dầu, đồng thời lôi cuốn hơi nước và các thành phần bay hơi, phá vỡ hệ keo quanh tinh dầu và tạo điều kiện cho tinh dầu thoát ra ngoài dễ dàng hơn Thí nghiệm nước bổ sung được tiến hành nhằm xác định lượng nước thêm vào mẫu khi ngâm, để đánh giá khả năng phân ly tinh dầu trong nguyên liệu Kết quả từ thử nghiệm này giúp tối ưu hóa liều lượng nước ngâm và quá trình chiết, tăng hiệu suất thu hồi tinh dầu từ nguyên liệu và cung cấp dữ liệu cho quá trình điều chỉnh quy trình sản xuất.
Để tiến hành, lấy 100 g nguyên liệu đã xử lý cho vào máy xay, bổ sung nước muối ở các tỷ lệ nước muối/nguyên liệu lần lượt là 2/1, 3/1, 4/1, 5/1, 6/1 và 7/1 (v/w); hàm lượng NaCl phù hợp được xác định từ lô nguyên liệu trước Xay mẫu 3 phút để dập nát hoàn toàn Chuyển toàn bộ nguyên liệu đã xay vào bình cầu của hệ thống chưng cất, ngâm mẫu trong 2 giờ và tiến hành chưng cất hỗn hợp ở điều kiện áp suất khí quyển trong 80 phút Đọc thể tích tinh dầu thô được tách ra trên ống ngưng tụ có khắc vạch thể tích và so sánh thể tích tinh dầu thu được ở các nồng độ nước/nguyên liệu khác nhau như trên, từ đó chọn tỷ lệ nước/nguyên liệu thích hợp.
Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ nước bổ sung
2.2.4.3 Thí nghiệm xác định thời gian ngâm muối
Mục đích của thí nghiệm là xác định xem thời gian ngâm có ảnh hưởng như thế nào đến thể tích tinh dầu thu được Lý do là quá trình thẩm thấu của muối và nước, cùng với sự khuếch tán của các cấu tử tinh dầu ra môi trường, không thể diễn ra ngay sau khi xay mẫu và đòi hỏi một khoảng thời gian ngâm nhất định để tối ưu hóa kết quả.
Sau khi xác định hàm lượng NaCl và tỷ lệ nước/nguyên liệu phù hợp, muối và nước được ngâm chung với nguyên liệu để tối ưu hóa sự thấm và hương vị Tiến hành khảo sát thí nghiệm nhằm xác định thời gian ngâm nước muối tốt nhất cho quá trình ướp gia vị và nâng cao chất lượng sản phẩm Thí nghiệm được thực hiện với các thời gian thay đổi: 0h, 1h, 2h, 3h, 4h và 5h, giúp so sánh độ mặn, sự thấm và chất lượng sản phẩm sau ngâm.
Ngưng tụ Chưng cất 80 phút
Bổ sung nước với tỷ lệ nước/cái
Tinh dầu thô Xác định thể tích tinh dầu thu được, chọn tỷ lệ nước bổ sung thích hợp
Phương pháp thực hiện bắt đầu bằng việc lấy 100 g nguyên liệu và mang đi xử lý, sau đó cho vào máy xay điện để xay ướt với dung dịch nước muối có nồng độ và tỉ lệ nước bổ sung được xác định trong thí nghiệm, xay trong 3 phút Toàn bộ nguyên liệu sau khi xay được chuyển vào bình cầu của hệ thống chưng cất Thời gian ngâm nguyên liệu được thiết kế với các mức 0 h, 1 h, 2 h, 3 h, 4 h, 5 h nhằm đánh giá ảnh hưởng của thời gian ngâm đến hiệu quả chiết tinh dầu Sau đó, chưng cất hỗn hợp trong 80 phút ở áp suất khí quyển Tinh dầu sẽ ngưng tụ và phân ly khi gặp lạnh ở ống ngưng tụ, và thể tích tinh dầu thu được trên ống ngưng tụ sẽ được đọc và so sánh giữa các thời gian ngâm để chọn thời gian ngâm thích hợp cho quá trình chiết.
Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian ngâm nguyên liệu
Ngưng tụ Chưng cất 80 phút
Xác định thể tích tinh dầu thu được, chọn thời gian ngâm thích hợp
2.2.4.4 Thí nghiệm xác định thời gian chƣng cất
Thời gian chưng cất ảnh hưởng lớn đến lượng tinh dầu thu được Chưng quá ngắn khiến tinh dầu chưa được chiết hết hoàn toàn, vẫn còn tồn tại trong tế bào tiết nên lượng tinh dầu thu được thấp Ngược lại, chưng quá dài làm tốn thời gian và năng lượng đồng thời làm giảm đáng kể chất lượng và hàm lượng tinh dầu thu được.
Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thì nghiệm xác định thời gian chƣng cất
Xác định thể tích tinh dầu thu được, chọn thời gian chưng cất thích hợp
Để tối ưu quy trình, tiến hành xác định các tham số tối ưu như hàm lượng NaCl, tỷ lệ nước/nguyên liệu và thời gian ngâm nước muối, đồng thời khảo sát thời gian chưng cất tối ưu Lấy 100 g mẫu đã được xử lý, xay với dung dịch nước muối đã xác định ở các thí nghiệm trước, chuyển mẫu đã xay vào bình cầu và ngâm với thời gian đã chọn trong lô thí nghiệm xác định thời gian ngâm Sau đó, chưng cất mẫu dưới áp suất khí quyển.
Thí nghiệm khảo sát thời gian chưng cất nguyên liệu được tiến hành với các khoảng thời gian biến thiên 10 phút, 20 phút và 30 phút Quá trình chưng cất được tính từ khi có giọt tinh dầu đầu tiên rơi xuống ống xiphong và mẫu được theo dõi liên tục cho đến khi kết thúc Mỗi 10 phút, thể tích tinh dầu thô thu được trên ống ngưng tụ được ghi nhận để phục vụ cho phân tích dữ liệu Quá trình khảo sát kết thúc tại thời điểm thể tích tinh dầu đọc được trên ống xiphong không tăng thêm, và toàn bộ thời gian cùng với thể tích tinh dầu được ghi lại đầy đủ.
2.2.5 Xác định hàm lƣợng ẩm trong nguyên liệu Chanh: bằng phương pháp sấy đến khối lượng không đổi [1] (phụ lục1)
2.2.6 Xác định các chỉ số hóa-lý và định danh các cấu tử thành phần của tinh dầu
2.2.6.1 Phương pháp xác định các tính chất lý-hóa cơ bản của tinh dầu [1]
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 25 O C (d 25 ): 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 Định danh các cấu tử thành phần có trong tinh dầu lá Chanh bằng phương pháp phân tích sắc kí khí ghép phối phổ GC-MS (phụ lục 5)
Để xác định các cấu tử có trong tinh dầu lá chanh tại Trung tâm Dịch vụ Phân tích Thí nghiệm Thành phố Hồ Chí Minh (số 02 Nguyễn Văn Thủ, Quận 1, Tp Hồ Chí Minh), người ta sử dụng thiết bị sắc ký khí ghép khối phổ GC–MS; việc nhận diện các thành phần được thực hiện bằng phần mềm cài sẵn trên máy, so sánh 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.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1 Kết quả xác định hàm lượng NaCl trong nước ngâm, chiết
Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.1 (bảng PL 3.1)
Thể tích tinh dầu (ml)
Hình 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ muối NaCl trong nước ngâm, chiết tới thể tích tinh dầu lá thu đƣợc
(Các chữ cái khác nhau thể hiện sự khác biệt có ý nghĩa)
Nhìn vào kết quả thí nghiệm được thể hiện trên hình 3.1 trong phần bố trí thí nghiệm để xác định hàm lượng muối NaCl bổ sung trong nước ngâm chiết, ta thấy hàm lượng muối có ảnh hưởng có ý nghĩa tới lượng tinh dầu thu được Khi không dùng muối, thể tích tinh dầu chưng cất là 0,52 ml; nhưng khi bổ sung muối trong nước ngâm lá và tiến hành chưng cất, lượng tinh dầu giảm, cụ thể với muối 2% lượng tinh dầu chưng cất được là 0,4 ml và giảm theo chiều tăng của nồng độ cho tới 8% thì chỉ còn 0,23 ml Do đó có thể kết luận việc sử dụng muối trong nước ngâm, chiết để chưng cất tinh dầu lá Chanh không có hiệu quả Kết quả này tương đồng với khảo sát của nguyên liệu lá Quất [7]; tuy nhiên cùng họ Citrus nhưng với nguyên liệu vỏ Quất và vỏ Bưởi thì việc sử dụng muối trong nước ngâm lại có hiệu quả, với vỏ Quất đã sử dụng nồng độ muối 10%.
Trong quy trình chưng cất tinh dầu từ vỏ Bưởi Năm Roi, nồng độ muối 12,2% được sử dụng nhằm lôi cuốn hơi nước và tối ưu thu nhận tinh dầu Điều này có thể giải thích được bởi bản chất của nguyên liệu và sự khác biệt về thành phần hóa học giữa các nguyên liệu tham gia quá trình chưng cất.
Muối NaCl là hợp chất vô cơ có tác dụng làm tăng khả năng thẩm thấu của nước trong tế bào và làm 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 và giúp tinh dầu dễ tách ra trong quá trình chưng cất Tuy nhiên với nguyên liệu lá Chanh, tinh dầu chứa nhiều gốc phân cực nên việc cho muối vào nước ngâm không có tác dụng, ngược lại làm giảm thể tích tinh dầu thu được Do muối làm tăng khả năng hòa tan các cấu tử tinh dầu phân cực vào nước chưng cất, lượng tinh dầu thu được sẽ giảm Đồng thời cho muối vào nước ngâm chiết sẽ làm tăng nhiệt độ sôi của dung dịch, trong khi lá Chanh chứa nhiều hợp chất dễ bị thủy phân ở nhiệt độ cao, làm tổn hao tinh dầu Vì vậy, chưng cất lôi cuốn hơi nước cho tinh dầu lá Chanh không nên bổ sung muối NaCl vào nước ngâm, chiết.
3.2 Kết quả xác định tỷ lệ nước/nguyên liệu (v/w) thích hợp
Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.2 (bảng PL 3.2)
Thể tích tinh dầu (ml)
Hình 3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/lá Chanh đến thể tích tinh dầu thu được
(Các chữ cái khác nhau thể hiện sự khác biệt có ý nghĩa)
Kết quả thí nghiệm thể hiện trên hình 3.2 cho thấy sự chênh lệch về thể tích tinh dầu thu được khi thay đổi tỷ lệ nước ngâm/nguyên liệu Cụ thể, với tỷ lệ 2/1, thể tích tinh dầu đạt 0,3 ml; ở tỷ lệ 3/1, lượng tinh dầu tăng thêm 0,09 ml so với 2/1, lên 0,39 ml; khi tăng lên tỷ lệ 4/1, thể tích tinh dầu đạt 0,52 ml Như vậy, tăng tỷ lệ nước ngâm để tiến hành chưng cất tinh dầu có hiệu quả và làm tăng sản lượng tinh dầu thu được.
Tuy nhiên khi tiếp tục tăng tỷ lệ nước ngâm lên tỷ lệ cao hơn thì lượng tinh được giảm xuống còn 0,4 ml, giảm 0,12 ml tinh dầu so với tỷ lệ nước/nguyên liệu 4/1 Khảo sát với tỷ lệ 6/1 thì lượng tinh dầu thu được là 0,37 ml và ở tỷ lệ nước ngâm 7/1 thì lượng tinh dầu thu được giảm còn 0,34 ml
Nguyên liệu lá Quất sử dụng lượng nước ngâm là 6/1 [7] trong khi nguyên liệu lá Chanh chỉ sử dụng lượng nước ngâm tối ưu là 4/1, cùng là nguyên liệu lá nhưng có sự khác nhau giữa tỷ lệ nước ngâm chiết Sự khác biệt này có thể lý giải như sau: bản chất nguyên liệu khác nhau nên với mỗi thông số khảo sát đều có sự khác nhau trong kết quả thu được Nguyên liệu lá Chanh có hàm ẩm cao hơn so với nguyên liệu lá Quất (hàm ẩm của lá Chanh 68%, hàm ẩm lá Quất 60,8% [7]) nên có thể lượng nước sử dụng trong quá trình chưng cất ít hơn đồng thời thành phần hóa học của mỗi loại nguyên liệu là khác nhau nên lượng tinh dầu thu được sẽ tối ưu ở các tỷ lệ khác nhau
Quá trình thẩm thấu diễn ra khi nước thấm vào mô nguyên liệu chứa tinh dầu, hòa tan và khuếch tán các hợp chất hữu cơ và lôi cuốn chúng ra ngoài theo hơi nước trong quá trình chưng cất Nước thẩm thấu vào bên trong tế bào khiến tế bào và màng tế bào trương lên; khi sức chịu đựng của màng tế bào vượt quá, màng vỡ và tinh dầu được giải phóng ra khỏi tế bào Tuy nhiên, nếu lượng nước sử dụng quá ít sẽ không đủ để hòa tan lượng chất keo trên màng tế bào, làm giảm tốc độ thẩm thấu và khuếch tán của tinh dầu, khiến nhiều túi dầu không bị phá vỡ và không đủ để lôi cuốn tinh dầu ra khỏi hỗn hợp, dẫn đến thu được ít tinh dầu Ngược lại, lượng nước quá nhiều sẽ làm các chất có tính phân cực trong tinh dầu hòa tan vào nước và gây tổn thất lượng tinh dầu thu được.
Dựa vào kết quả khảo sát ta chọn tỷ lệ nước/nguyên liệu 4/1 trong quy trình chưng cất tinh dầu lá Chanh
3.3 Kết quả xác định thời gian ngâm thích hợp
Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.3 (bảng PL 3.3)
Thể tích tinh dầu (ml)
Hình 3.3 Ảnh hưởng của thời gian ngâm mẫu đến thể tích tinh dầu lá thu đƣợc
(Các chữ cái khác nhau thể hiện sự khác biệt có ý nghĩa)
Kết quả khảo sát cho thấy thời gian ngâm có ảnh hưởng đáng kể đến lượng tinh dầu thu được Lượng tinh dầu tăng từ 0,4 ml ở mẫu không ngâm lên 0,43 ml sau 1h ngâm, lên 0,52 ml sau 2h ngâm, rồi giảm còn 0,47 ml ở 3h và 0,39 ml ở 5h ngâm; do đó thời gian ngâm tối ưu trong phạm vi khảo sát là khoảng 2h.
Thời gian ngâm tối ưu của các nguyên liệu phụ thuộc vào bản chất và thành phần cấu tử tinh dầu của chúng Cụ thể, lá Chanh được xác định có thời gian ngâm tối ưu là 2 giờ, trong khi lá Quất và vỏ Quất có thời gian ngâm là 3 giờ [4,7] Nguyên liệu vỏ Bưởi Năm Roi có thời gian ngâm là 2,31 giờ [6] Như vậy, lá Chanh có thời gian ngâm tối ưu ngắn hơn so với các nguyên liệu khác do sự khác biệt về thành phần tinh dầu và tính chất của từng loại, dẫn tới khác biệt giữa các thông số khảo sát.
Nước có tác dụng thẩm thấu vào tế bào và đẩy các thành phần tinh dầu ra ngoài môi trường, từ đó làm cho quá trình chưng cất tinh dầu dễ dàng hơn và tăng lượng tinh dầu thu hồi Để đạt được chức năng đó, cần có thời gian nước thẩm thấu vào tế bào và phát huy tối đa tác dụng của nó Vì vậy nếu mẫu không ngâm thì lượng tinh dầu thu được sẽ thấp hơn so với mẫu ngâm trong một khoảng thời gian nhất định Kết quả khảo sát cho thấy thời gian ngâm tối ưu cho lá chanh trước khi chưng cất là 2 giờ: nếu ngắn quá, nước chưa phát huy tác dụng; nếu kéo dài quá mức tối ưu, các cấu tử tinh dầu phân cực hòa tan trong nước dẫn đến thất thoát tinh dầu; thêm vào đó, ngâm quá lâu dễ làm các cấu tử tinh dầu bị phân hủy bởi ánh sáng môi trường và hình thành các hợp chất bay hơi làm thất thoát tinh dầu, đặc biệt khi mẫu được ngâm trong bình cầu thủy tinh.
3.4 Kết quả xác định thời gian chƣng cất thích hợp
Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.4 (bảng PL 3.4)
Thể tích tinh dầu (ml)
Thời gian chƣng cất (phút)
Hình 3.4 Tỷ lệ khối lƣợng tinh dầu thu đƣợc trong các thời gian chƣng cất khác nhau Thảo luận:
Nhìn vào đồ thị cho thấy lượng tinh dầu thu được tăng theo thời gian chưng cất và khi đạt mức tối đa thì lượng tinh dầu thu được không tăng thêm dù thời gian chưng cất kéo dài Thể tích tinh dầu đo được trên ống xiphông cũng tăng theo thời gian chưng cất, nhưng quá trình tăng không diễn ra đều đặn và có sự khác biệt giữa các giai đoạn cho tới khi đạt thể tích tối đa Cụ thể ở giai đoạn đầu, lượng tinh dầu thoát ra từ mẫu tương đối lớn; trong 20 phút đầu của quá trình chưng cất thể tích tinh dầu tăng nhanh, ví dụ 10 phút đầu lượng tinh dầu thu được là 0,16 ml.
Sau 20 phút chưng cất, thể tích tinh dầu thu được là 0,30 ml, lớn hơn thể tích đo được trên ống xiphông tại 10 phút chưng thêm 0,14 ml (tương ứng khoảng 0,16 ml tại 10 phút) Tuy nhiên, từ sau 30 phút chưng cất, lượng tinh dầu tiếp tục tăng nhưng với tốc độ chậm hơn; sau 30 phút, thể tích tinh dầu đọc được là 0,39 ml, tăng thêm khoảng 0,09 ml so với mức ở 20 phút, cho thấy tốc độ thu hồi tinh dầu giảm dần theo thời gian.
10 phút Thể tích tinh dầu tiếp tục tăng và đạt mức tối đa tại thời điểm chưng cất là
Trong quá trình chưng cất tinh dầu, 60 phút cho ra 0,52 ml tinh dầu và sau thời gian này, thể tích tinh dầu không tăng thêm ở các thời điểm tiếp theo So với các nguyên liệu khác, thời gian chưng cất tối ưu là 80 phút với lá Quất, 70 phút với vỏ Quất và 102,42 phút với vỏ Bưởi; thời gian chưng cất tối ưu của lá Chanh nhanh hơn so với các nguyên liệu trên.
Kết quả cho thấy ở thời gian chưng cất ban đầu, lượng tinh dầu thu được tăng nhanh vì nguyên liệu còn chứa nhiều tinh dầu và tốc độ bay hơi, khuếch tán của các cấu tử trong tinh dầu cao nên lượng tinh dầu được chiết xuất nhiều; về các giai đoạn sau, lượng tinh dầu trong mẫu giảm dần do bay hơi và ngưng tụ trước đó, cho đến khi tinh dầu được lôi cuốn hết trong quá trình chưng cất Thời gian chưng cất tối ưu cho mẫu lá Chanh được xác định là 60 phút.
3.5 Quy trình hoàn thiện tách chiết tinh dầu từ lá Chanh
Hình 3.5 Quy trình hoàn thiện tách chiết tinh dầu từ lá Chanh
Thời gian chưng cất: 60 phút
Tinh dầu thô Phân ly Ngưng tụ Chưng cất lôi cuốn hơi nước
Tỷ lệ nước/nguyên liệu(v/w): 4/1
Chọn lá chanh tươi, xanh và không bị sâu hỏng, đã trưởng thành; tránh dùng lá quá non hoặc quá già vì chúng chứa ít tinh dầu Sau khi chọn lựa, lá được rửa sạch và làm ráo để loại bỏ tạp chất, bụi bẩn và nấm mốc Cân chính xác 100 g lá và cắt nhỏ thành mẫu để tạo điều kiện cho các bước xử lý ở công đoạn sau Trường hợp nguyên liệu không có sẵn và phải lưu mẫu, sau khi xử lý mẫu ta bảo quản trong túi PE và cấp đông để bảo quản đến khi sử dụng.