Nghiên cứu chưng cất phân đoạn tinh dầu tiêu nâng cao hàm lượng hoạt chất β caryophyllene

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH: Công nghệ kỹ thuật hóa học LỚP: 16DHH1A Tên Khóa luận: Tiếng Việt: Nghiên cứu nâng cao hàm lượng hoạt chất β-caryophyllene từ tinh dầu tiêu bằng phươ

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA KỸ THUẬT THỰC PHẨM VÀ MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CHƯNG CẤT PHÂN ĐOẠN TINH DẦU TIÊU NÂNG CAO

HÀM LƯỢNG HOẠT CHẤT

β-CARYOPHYLLENE

Phạm Quốc Thắng

Tp.HCM, tháng 10 năm 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA KỸ THUẬT THỰC PHẨM VÀ MÔI TRƯỜNG



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CHƯNG CẤT PHÂN ĐOẠN TINH DẦU TIÊU NÂNG CAO

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH

Cán bộ hướng dẫn:

Cán bộ chấm phản biện:

Khóa luận được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN ĐẠI

HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH, ngày 8 tháng 9 năm 2020

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGÀNH: Công nghệ kỹ thuật hóa học LỚP: 16DHH1A

Tên Khóa luận:

Tiếng Việt: Nghiên cứu nâng cao hàm lượng hoạt chất β-caryophyllene từ tinh dầu tiêu bằng phương pháp chưng cất phân đoạn

Tiếng Anh: Enhancing β-caryophyllene content in black pepper oil by fractional distillation

Nhiệm vụ Khóa luận:

1 Khảo sát quy trình chưng cất tinh dầu tiêu bằng phương pháp lôi cuốn hơi nước

2 Khảo sát ảnh hưởng của áp suất lên lên hàm lượng β-caryophyllene trong các phân đoạn

3 Khảo sát ảnh hưởng của công suất gia nhiệt trên các loại cột phân đoạn khác nhau lên hàm lượng β-caryophyllene trong các phân đoạn

4 Đánh giá và so sánh khả năng kháng oxy hóa của các phân đoạn sau chưng cất với tinh dầu tiêu đen thô

1 Ngày giao khóa luận: 09/2019

2 Ngày hoàn thành nhiệm vụ luận văn: 31/05/2020

3 Họ và tên cán bộ hướng dẫn: Nguyễn Đình Phúc

Nội dung và yêu cầu KLTN đã được Hội Đồng chuyên ngành thông qua

TRƯỞNG BỘ MÔN

TP.HCM, ngày tháng năm 2020

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TRƯỞNG/PHÓ KHOA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH

KHOA KỸ THUẬT THỰC PHẨM & MÔI TRƯỜNG

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong Khoa Kỹ thuật Thực phẩm

và Môi trường đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Khoa Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Đình Phúc, người

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong khoảng thời gian nghiên cứu và thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Em xin gửi lời cảm ơn đến TS Lưu Xuân Cường và trường Cao đẳng Công nghệ cao Đồng An đã cho phép em sử dụng các dụng cụ, thiết bị để thực hiện và hoàn thành giai đoạn nghiên cứu chưng cất phân đoạn tại phòng thí nghiệm của trường Cao đẳng Công nghệ cao Đồng An

Ngoài ra, em cũng xin cảm ơn đến các anh, chị đang công tác tại phòng thí nghiệm của Khoa Kỹ thuật Thực phẩm và Môi trường đã tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành nghiên cứu của mình

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm nghiên cứu còn hạn chế của một sinh viên như em, luận văn này cũng không tránh khỏi sự thiếu sót Em rất mong nhận được ý kiến góp ý của quý thầy, cô để em có thể trau dồi và học hỏi thêm kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu, nâng cao ý thức để có thể phục vụ tốt hơn công việc thực tế sau này

TÓM TẮT

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất tinh dầu tiêu đen bằng phương pháp lôi cuốn hơi nước được khảo sát Một số thông số vận hành tối ưu như kích thước nguyên liệu từ 0.25-0.707mm, công suất 200W, nhập liệu 300g và chưng cất trong 3 giờ, thu được hiệu suất 3.93% Một số hợp chất chính trong tinh dầu tiêu như β-caryophyllene (24.28%), D-Limonene (20.76%), 3-carene (20.36%), β-pinene (10.67%) và α-pinene (10.12%) Nghiên cứu này sử dụng phương pháp chưng cất phân đoạn chân không nhằm thu được phân đoạn giàu β- caryophyllene Phân đoạn gàu β-caryophyllene nhất đạt 75.68% và khả năng kháng oxy hóa của nó vượt trội so với dầu thô và các phân đoạn còn lại

ABSTRACT

In this study, we have developed a procedure for extracting black pepper essential oil from Vietnam, optimizing some conditions that affect to steam distillation process such 0.2 to 0.7 mm of material size, 200W of heater power and 3h of distillation time The major components of black pepper oil include α-pinene (10.12%), β-pinene (10.67%), δ-3-carene (20.36%), limonene (20.76%), and β-caryophyllene (24.28%) This study aimed to purify β- caryophyllene from black pepper essential oil followed by vaccum fractional distillation The composition of fraction whereas rich β-caryophyllene reach 75.84% and its antioxidant activity

is superior to the rest

i

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tổng quan về nguyên liệu 3

Giới thiệu về cây hồ tiêu 3

Cách trồng cây hồ tiêu 4

Giới thiệu về hạt tiêu đen 5

Giới thiệu về tinh dầu tiêu đen 5

1.2 Tổng quan về hoạt chất BCP 7

1.3 Tổng quan về phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước 8

1.4 Tổng quan về phương pháp chưng cất phân đoạn 8

1.5 Tổng quan về phương pháp bắt gốc tự do DPPH 9

1.6 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 10

Tình hình nghiên cứu ngoài nước 10

Tình hình nghiên cứu trong nước 11

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

2.1 Nguyên liệu 13

Nguyên liệu 13

Dụng cụ – thiết bị – hóa chất 13

2.2 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 16

Thời gian nghiên cứu 16

ii

Địa điểm nghiên cứu 16

2.3 Phương pháp nghiên cứu 16

Quy trình công nghệ 16

2.4 Sơ đồ nghiên cứu 19

2.5 Bố trí thí nghiệm 20

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chưng cất tinh dầu tiêu 20

Khảo sát ảnh hưởng của một số điều kiện chưng cất phân đoạn lên hàm lượng của BCP trong các phân đoạn 21

Đánh giá khả năng kháng oxy hóa của tinh dầu tiêu đen trước và sau phân đoạn bằng phương pháp DPPH 22

2.6 Phương pháp phân tích 23

Phương pháp đánh giá cảm quan 23

Phương pháp phân tích định lượng sắc kí khí ghép khối phổ (GC-MS) .23

2.7 Phương pháp xử lý số liệu 23

Xác định khối lượng nguyên liệu khô 23

Xác định khối lượng riêng của tinh dầu 23

Xác định hiệu suất thu tinh dầu 24

Xác định độ thu hồi của từng chất 24

Xác định khả năng bắt gốc tự do bởi phương pháp DPPH 25

Xác định khả năng kháng oxy hóa của tinh dầu bởi TEAC (trolox equivaent antioxidant capacity) 25

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 26

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất 26

Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu 26

Ảnh hưởng của thời gian chưng cất và công suất gia nhiệt 26

Ảnh hưởng của thể tích nguyên liệu 27

iii

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chưng cất phân đoạn 28

Thành phần của tinh dầu tiêu đen thô 28

Ảnh hưởng của áp suất lên nhiệt độ sôi của một số hợp chất chính 30

Khảo sát ảnh hưởng của áp suất lên hàm lượng BCP sau phân đoạn 31

Khảo sát ảnh hưởng của công suất lên hàm lượng BCP sau phân đoạn .40

3.3 Đánh giá khả năng kháng oxy hóa của dầu thô và sau phân đoạn 51

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 54

4.1 Kết luận 54

4.2 Khuyến nghị 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ASCK: áp suất chân không

BCP: β-caryophyllene

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Dụng cụ sử dụng trong nghiên cứu 13

Bảng 2.2 Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 14

Bảng 2.3 Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 15

Bảng 2.4 Bảng bố trí thí nghiệm trong nghiên cứu 22

Bảng 3.1 So sánh thành phần tiêu đen thô so với một số vùng quốc gia 28

Bảng 3.2 Khối lượng của các phân đoạn ở các ASCK khác nhau 31

Bảng 3.3 Nhiệt độ tại ASCK 500mmHg 32

Bảng 3.4 Độ thu hồi của các hợp chất trong tinh dầu ở ASCK 500mmHg 32

Bảng 3.5 Nhiệt độ tại ASCK 600mmH .34

Bảng 3.6 Độ thu hồi của các hợp chất trong tinh dầu ở ASCK 600mmHg 34

Bảng 3.7 Nhiệt độ tại ASCK 700mmHg 36

Bảng 3.8 Độ thu hồi của các hợp chất trong tinh dầu ở ASCK 700mmHg 36

Bảng 3.9 Nhiệt độ tại ASCK 745mmHg 38

Bảng 3.10 Độ thu hồi của các hợp chất trong tinh dầu ở ASCK 745mmHg 38

Bảng 3.11 Khối lượng các phân đoạn ở công suất khác nhau ở cột chưng cất 200mm 40

Bảng 3.12 Ảnh hưởng của công suất lên hàm lượng BCP ở cột chưng cất 200mm .41

Bảng 3.13 Độ thu hồi của tinh dầu ở công suất 230W tháp chưng cất 200mm 43

Bảng 3.14 Khối lượng các phân đoạn ở công suất khác nhau ở cột chưng cất 300mm 44

Bảng 3.15 Ảnh hưởng của công suất lên hàm lượng BCP ở cột chưng cất 300mm .45

Bảng 3.16 Độ thu hồi của tinh dầu ở công suất 230W tháp chưng cất 300mm 46

vi

Bảng 3.17 Khối lượng các phân đoạn ở công suất khác nhau ở cột chưng cất 400mm 48 Bảng 3.18 Ảnh hưởng của công suất lên hàm lượng BCP ở cột chưng cất 400mm

48

Bảng 3.19 Độ thu hồi của tinh dầu ở công suất 230W tháp chưng cất 400mm 50 Bảng 3.20 Khả năng kháng oxy hóa của dầu thô và các phân đoạn bằng phương pháp DPPH 52

vii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cây hồ tiêu 3

Hình 1.2 Hạt tiêu đen 5

Hình 1.3 Tinh dầu tiêu đen 6

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử β-caryophyllene 7

Hình 2.1 Quy trình chưng cất tinh dầu tiêu đen 16

Hình 2.2 Quy trình chưng cất phân đoạn tinh dầu tiêu đen 17

Hình 2.3 Quy trình phân tích khả năng kháng oxy hóa bằng phương pháp DPPH .18

Hình 2.4 Bố trí thí nghiệm chưng cất lôi cuốn hơi nước 20

Hình 2.5 Bố trí thí nghiệm chưng cất phân đoạn .21

Hình 3.1 Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu 26

Hình 3.2 Ảnh hưởng của thời gian chưng cất và công suất gia nhiệt 27

Hình 3.3 Ảnh hưởng của khối lượng nhập liệu 28

Hình 3.4 Ảnh hưởng của áp suất chân không lên nhiệt độ sôi của các cấu tử chính .31

Hình 3.5 Độ thu hồi của BCP trong các phân đoạn ở nhiều áp suất .39

Hình 3.6 Hàm lượng của BCP trong các phân đoạn ở nhiều áp suất .40

Hình 3.7 Hàm lượng và độ thu hồi của BCP trong cột chưng cất 200mm 42

Hình 3.8 Hàm lượng và độ thu hồi của BCP ở cột chưng cất 300mm 46

Hình 3.9 Hàm lượng và độ thu hồi của BCP ở cột chưng cất 400mm 49

Hình 3.10 Đường cong chuẩn nồng độ của Trolox 52

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, nhu cầu sử dụng các sản phẩm từ tự nhiên của con người ngày càng cao Tinh dầu là một trong những báu vật của thiên nhiên ban tặng cho chúng ta, đa số các thành phần chính của tinh dầu đều có những đặc tính rất tốt như kháng khuẩn, kháng nấm, kháng oxy hóa Tinh dầu được sử dụng làm nguyên liệu trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thực phẩm, mỹ phẩm, thuốc bảo vệ thực vật… Các sản phẩm có sự xuất hiện của tinh dầu rất đa dạng như nước lau sàn, nước rửa tay, nước rửa chén, kem đánh răng, kem dưỡng da, thuốc xịt đuổi muỗi, thuốc bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu

Hiện nay nhu cầu thị trường sử dụng các sản phẩm tự nhiên ngày càng gia tăng trong đó dầu hay tinh dầu tự nhiên để làm đẹp cũng được chú trọng hơn Với các thành phần kháng khuẩn, kháng nấm, kháng oxy hóa, ức chế ung thư … nên tinh dầu tiêu đen ngày càng được sử dụng phổ biến Hoạt chất β-caryophyllene (BCP) có nhiều tính chất

ưu việt như khả năng chống côn trùng có thể áp dụng vào mỹ phẩm, như một hoạt chất trao đổi có lợi cho việc giảm tích lũy lipid trong tế bào mỡ, cải thiện hoạt động hấp thu glucose trong các tế bào mô cơ có thể áp dụng cho dược phẩm Hàm lượng BCP trong tinh dầu tiêu nhiều hơn so với những loại tinh dầu thực vật khác

Tuy nhiên trong tinh dầu tiêu đen thành phần BCP chưa cao, vì vậy để ứng dụng vào mỹ phẩm dựa trên những đặc tính tốt của BCP, chúng ta cần phải nâng cao hàm lượng BCP trong tinh dầu tiêu đen Tinh dầu tiêu đen có hàm lượng BCP cao sẽ là chất nền tự nhiên hữu hiệu để sản xuất các loại mỹ phẩm chăm sóc bảo vệ da, chống các loại côn trùng nguy hiểm như muỗi Đồng thời tinh dầu tiêu đen có hàm lượng BCP sẽ làm tăng giá trị của tinh dầu tiêu đen truyền thống và tăng thu nhập cho doanh nghiệp sản xuất

Với mục đích tăng hàm lượng BCP trong tinh dầu tiêu, chưng cất phân đoạn là một trong những phương pháp hữu ích Để nâng cao giá trị của hạt tiêu đen, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chưng cất phân đoạn tinh dầu tiêu để nâng cao hàm lượng hoạt chất β-caryophyllene” để thực hiện quá trình nghiên cứu khóa luận tốt nghiệp của bản thân

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu, đưa ra thông số phù hợp cho quá trình chưng cất tinh dầu tiêu bằng phương pháp lôi cuốn hơi nước

Nghiên cứu, đưa ra thông số phù hợp cho quá trình chưng cất tinh dầu tiêu để nâng cao hàm lượng hoạt chất BCP

3 Nội dung nghiên cứu

 Chưng cất tinh dầu tiêu đen bằng phương pháp lôi cuốn hơi nước

o Khảo sát kích thước nguyên liệu

o Khảo sát thời gian chưng cất

o Khảo sát tốc độ gia nhiệt

o Khảo sát khối lượng nhập liệu

 Chưng cất phân đoạn tinh dầu tiêu đen nhằm nâng cao hàm lượng hoạt chất BCP

o Khảo sát ảnh hưởng của áp suất lên thành phần BCP có trong các phân đoạn

o Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt lên thành phần BCP có trong các phân đoạn

o Khảo sát ảnh hưởng của chiều cao tháp chưng cất mâm

 Đánh giá khả năng kháng oxy hóa của các phân đoạn bằng phương pháp DPPH

4 Phạm vi nghiên cứu

Đối tượng: Tiêu đen

Thời gian nghiên cứu: Tháng 02/2020 đến tháng 05/2020

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về nguyên liệu

Giới thiệu về cây hồ tiêu

Họ: Hồ tiêu (Piperaceae)

Tên khoa học: Piper Nigrum L

Tên khác: cổ nguyệt, hắc cổ nguyệt, bạch cổ nguyệt

Cây hồ tiêu, có tên khoa học là Piper nigrum thuộc họ Piperaceae có nguồn gốc

từ Ấn Độ Giống này được trồng ở Việt Nam vào thế kỷ 17 bởi người Pháp và được trồng ở Phú Quốc, Hòn Chong và Hà Tiên ( Kiên Giang) vào cuối thế kỷ 19 Hồ tiêu là một loại cây đặc trưng của vùng nhiệt đới ẩm Các vùng trồng hồ tiêu chính trên thế giới chủ yếu nằm ở vùng Châu Á Thái Bình Dương như Ấn Độ, Indonesia, Malaysia, Sri Lanka, Thái Lan và Việt Nam Hồ tiêu cũng được trồng ở các nước khác như Brazil, Madagascar Ở Việt Nam có các vùng trồng tiêu chính với điều kiện khí hậu và thổ nhưỡng khác nhau như Quảng Trị, Tây Nguyên, Bình Phước, Bà Rịa-Vũng Tàu, Phú Quốc Hiện nay, Việt Nam là quốc gia có sản lượng hồ tiêu lớn nhất thế giới Năm 2008, sản lượng hồ tiêu của Việt Nam chiếm 30% tổng sản lượng hồ tiêu của thế giới (Ravindran & Kallupurackal, 2012)

Hình 1.1 Cây hồ tiêu

 Đất không bị ngập úng, thoát nước tốt, độ dốc khoảng 25 độ là tốt nhất

Lựa chọn loại trụ trồng tiêu

Có hai loại trụ thường dùng trong trồng tiêu là trụ sống và trụ chết, mỗi loại đều

có ưu, nhược điểm khác nhau:

- Trụ chết: Là các loại trụ làm bằng cọc bê tông, trụ gạch hoặc cây gỗ

+ Ưu điểm của loại trụ này là thời gian triển khai trồng tiêu nhanh, không phải chờ đợi trụ tiêu lớn Mật độ trồng tiêu có thể dày hơn

+ Nhược điểm là chi phí đầu tư cao, cây tiêu sinh trưởng về sau không được khỏe mạnh do thiếu tán che, độ bám rễ kém

- Trụ sống: Là các loại trụ dùng cây muồng đen, cây gòn, lồng mức, núc nác… + Ưu điểm của trụ sống là cây sinh trưởng phát triển khỏe mạnh – bền vững, bản thân các cây làm trụ khi rụng lá sẽ bổ sung thêm lượng mùn cho đất, chi phí đầu tư thấp

+ Nhược điểm: Thời gian triển khai trồng lâu do phải đợi trụ đủ lớn, một số loại cây phải thường xuyên tỉa cành tạo tán

Mật độ trồng

- Đối với trụ chết: Trồng với khoảng cách 2,5m x 2,5m Mật độ là 1600 trụ / ha

- Đối với trụ sống: Trồng với khoảng cách 3m x 3m Mật độ là 1100 trụ / ha

- Trường hợp trồng xen kẽ 1 hàng trụ sống + 1 hàng trụ chết Khoảng cách là 2m

x 2,5m (hàng cách hàng 2m, trụ cách trụ 2,5 m)

- Mật độ tối đa không nên vượt quá 2000 trụ / ha

Giới thiệu về hạt tiêu đen

Hạt tiêu đen có dạng hình cầu, đường kính 3.5-5mm Mặt ngoài màu nâu đen có nhiều vết nhăn hình vân lưới nổi lên, gốc quả có vết sẹo của cuống quả Vỏ quả ngoài

có thể bóc ra được Vỏ quả trong màu trắng tro hoặc màu vàng nhạt, mặt cắt ngang màu trắng vàng Quả có chất bột, trong có lỗ hổng nhỏ, mùi thơm, vị cay

Thành phần hóa học của hạt tiêu đen

Tiêu đen rất giàu vitamin C và khoáng chất Hạt tiêu đen chứa khoảng 1.5-2.6% Nitơ, 28-49% tinh bột, 0.3-4.2% tinh dầu, 4.4-12% cồn, 8.7-18% xơ, 1.7-7.4% piperine

và 3.6-5.7% tro (Ravindran & Kallupurackal, 2012)

Công dụng hạt tiêu đen

Hạt tiêu đen là gia vị được sử dụng rất phổ biến trên toàn thế giới vì đặc tính cay, nồng của nó Hạt tiêu chứa rất nhiều chất chống oxy hóa với hàm lượng cao như β-carotene, β-cryptoxanthin, choline, acid folic và vitamin C, E Những hoạt chất trên có khả năng kháng oxy hóa rất tốt, giảm tác hại của các gốc tự do và ngăn ngừa bệnh ung thư Ngoài ra, hạt tiêu đen còn được sử dụng như là một chất bảo quản tự nhiên do nó giàu các chất kháng oxy hóa và kháng khuẩn Tinh dầu và piperine trong hạt tiêu được

sử dụng rộng rãi trong mỹ phẩm cũng như dược phẩm

Giới thiệu về tinh dầu tiêu đen

Giới thiệu về tinh dầu

Tinh dầu là hỗn hợp các chất dễ bay hơi, có mùi đặc trưng, được trích xuất từ nhiều bộ phận khác nhau của các loại thực vật khác nhau Tinh dầu bưởi được trích xuất

Hình 1.2 Hạt tiêu đen

từ bưởi, tinh dầu tràm được trích xuất từ lá tràm, tinh dầu hương thảo và bạc hà được trích xuất từ thân và lá

Giới thiệu về tinh dầu tiêu đen

Tinh dầu tiêu chứa nhiều hoạt chất dầu dễ bay hơi và có mùi thơm Thành phần hóa học chủ yếu của tinh dầu tiêu đen gồm có (Pino, Rodriguez‐Feo, Borges, & Rosado, 1990) (Ravindran & Kallupurackal, 2012):

+ Hydrocacbon monoterpene: như D-limonene, myrcene, p-cymene, 3-carene, cis-ocimene, β-pinene, α-pinene, β-phellarene

+ Dẫn xuất có oxy của monoterpene: borneol, camphor, carvacrol, cis-carveol, trans-carveol, carvone, carventanacetone, 1,8-cineole

+ Hydrocacbon Sesquiterpene: caryophyllene, α-trans-bergamontane, bisabolene, δ-cadinene

β-+ Dẫn xuất có oxy của sesquiterpene: cadinen-4-ol, caryophylla-3-(12), eudesmol, elemol, cubebol, α-bisabolol, β-bisabolol

γ-+ Các hợp chất khác: methyl eugenol, benzaldehyde

Tinh dầu tiêu đen có rất nhiều hoạt tính sinh học hữu ích như kháng nấm (Singh, Marimuthu, Catalan, & DeLampasona, 2004), kháng oxy hóa (Lee, Chae, Shin, & Kim, 2020), kháng khuẩn(Dorman & Deans, 2000), chống côn trùng, kháng ung thư (Deng, Sriwiriyajan, Tedasen, Hiransai, & Graidist, 2016) …

Một số công dụng chính của tinh dầu tiêu đen:

Hình 1.3 Tinh dầu tiêu đen

Chất bảo quản thực phẩm: Tinh dầu tiêu đen có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, ức chế được sự phát triển của các loại vi khuẩn trong thực phẩm, vì thế có thể sử dụng tinh dầu tiêu đen như một tác nhân bảo quản thực phẩm (Nikolić et al., 2015)

Kích thích ăn uống: Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng tinh dầu tiêu đen giúp cho bệnh nhân bị chứng khó nuốt, kích thích khướu giáctạo điều kiện thuận lợi cho việc uống của bệnh nhân (Munakata et al., 2008)

Chống ung thư: Tinh dầu tiêu đen được xem như một tác nhân điều hòa miễn dịch, nó có tác dụng chống ung thư thông qua việc thúc đẩy hoạt động gây độc tế bào của tế bào NK (Majdalawieh & Carr, 2010)

Giúp cai thuốc lá: Những nghiên cứu gần đây cho thấy tinh dầu tiêu đen đóng vai trò là chất tiềm năng để hỗ trợ quá trình cai thuốc lá ở người (Rose & Behm, 1994)

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử β-caryophyllene

1.3 Tổng quan về phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

Chưng cất bằng hơi nước là một quá trình được sử dụng để thu hồi các hợp chất

dễ bay hơi có nhiệt độ sôi cao Quá trình này được sử dụng để chiết xuất tinh dầu từ thực vật Trong thực tế, quá trình sử dụng hơi nước làm tác nhân chiết xuất để làm bay hơi hoặc giải phóng các hợp chất dễ bay hơi khỏi nguyên liệu thô Các hợp chất được bay hơi bằng cách hấp thụ nhiệt từ hơi nước, và sau đó được truyền đến hơi nước, nơi chúng được khuếch tán Pha hơi tạo thành được làm lạnh và ngưng tụ trước khi tách nước khỏi pha dầu dựa trên tính không tan lẫn vào nhau của chúng Trong quá trình này, hai sản phẩm thu được: tinh dầu và hydrosol (Prado et al., 2015)

Ưu điểm: Tinh dầu được tạo ra không có sử dụng dung môi, không cần các bước tách dung môi Có thể áp dụng ở quy mô công nghiệp, thiết bị với chi phí không đắt đỏ,

dễ sử dụng (Prado et al., 2015)

Nhược điểm: Các hợp chất nhạy nhiệt có thể bị phân hủy về nhiệt hoặc bị thủy phân, thời gian chiết xuất rất lâu, tốn kém nhiều năng lượng Khó chiết xuất từ các dạng nguyên liệu bột quá mịn, dẫn tới hình thành tảng lớn mà hơi nước khó xuyên qua được

1.4 Tổng quan về phương pháp chưng cất phân đoạn

Chưng cất phân đoạn là quá trình nhằm mục đích tách hai hoặc nhiều chất bằng

sự chênh lệch độ bay hơi giữa chúng Quá trình này phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ của hệ thống, cũng như các đặc tính vật lý và hóa học của các thành phần được tách ra (W P Silvestre, Agostini, Muniz, & Pauletti, 2016)

Công nghệ chưng cất phân đoạn chủ yếu được sử dụng trong các nhà máy lọc dầu, hóa dầu, xử lý khí tự nhiên (Kister, Haas, Hart, & Gill, 1992) Quá trình này thường được diễn ra liên tục, nguyên liệu luôn luôn được thêm vào cột chưng cất và sản phẩm cũng được lấy ra song song Quá trình chưng cất phân đoạn công nghiệp thường được thực hiện trong các cột hình trụ đứng, lớn được gọi là "tháp chưng cất hoặc phân đoạn" hoặc "cột chưng cất" với đường kính từ khoảng 0,65 đến 6 mét và chiều cao từ khoảng

6 đến 60 mét hoặc hơn Các tháp chưng cất có các cửa xả chất lỏng ở các khoảng cách lên trên cột cho phép rút các phân đoạn hoặc sản phẩm khác nhau có điểm sôi hoặc khoảng sôi khác nhau Bằng cách tăng nhiệt độ của sản phẩm bên trong các cột, các sản phẩm khác nhau được tách ra Sản phẩm “nhẹ nhất” (có nhiệt độ sôi thấp nhất) thoát ra

từ trên cùng của cột và sản phẩm “nặng nhất (có nhiệt độ sôi cao nhất) thoát ra từ dưới cùng của cột

Phương pháp chưng cất phân đoạn gián đoạn là phương pháp tách dung dịch nhiều cấu tử thành nhiều đoạn khác nhau chỉ dùng một tháp chưng cất duy nhất (Mujtaba, 2004) So với chưng cất liên tục, nó có lợi thế về mặt thiết kế đơn giản, dễ vận hành Quá trình phân tách được diễn ra tại các đĩa của tháp chưng cất Những hợp chất nặng có nhiệt chuyển pha cao hơn so với hợp chất nhẹ, nó dễ bị ngưng tụ hơn so với những cấu tử nhẹ Khi quá trình ngưng tụ xảy ra, một lượng nhiệt sẽ được giải phóng làm các cấu tử nhẹ hơn bay hơi lên đỉnh tháp Quá trình này liên tục xảy ra, dẫn tới các cấu tử nhẹ hơn sẽ dễ dàng tách ra khỏi dung dịch và hiện diện ở phần cất (Diwekar & Kim, 2005)

1.5 Tổng quan về phương pháp bắt gốc tự do DPPH

1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) được xem như một gốc tự do ổn định vì liên kết pi của các vòng thơm có thể bù đắp sự thiếu hụt electron ở nguyên tố Nitơ trong phân tử Gốc tự do này bền và ổn định, hợp chất có màu tím đậm và dung dịch của nó với methanol có độ hấp thu cực đại ở bước sóng 517 nm (Kedare & Singh, 2011) DPPH không bị đime hóa như các gốc tự do khác

Cơ chế: Khi dung dịch DPPH tiếp xúc với một chất có khả năng cho 1 nguyên tử

H hoặc 1 gốc tự do khác (٠R), DPPH-H hoặc DPPH-R được hình thành dẫn tới sự mất màu của dung dịch và giảm độ hấp thu Vì thế, có thể tính khả năng bắt gốc tự do của dung dịch cần phân tích nhờ việc giảm độ hấp thu cũng như mất màu dung dịch DPPH Phương pháp này dựa trên sự giảm số lượng gốc tự do bởi hoạt động của các chất chống oxy hóa (Santos-Sánchez, Salas-Coronado, Villanueva-Cañongo, & Hernández-Carlos, 2019)

Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi để định lượng các chất chống oxy hóa vì tính đơn giản, rẻ tiền và nhanh chóng của nó Phương pháp quét gốc tự do DPPH cho phép phản ứng với hầu hết các loại chất chống oxy hóa do tính ổn định của DPPH (Prakash, Rigelhof, & Miller, 2001) Vì thế, nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như hóa, thực phẩm Nhược điểm của phương pháp này là độ ổn định của DPPH bị ảnh hưởng bởi dung môi có tính chất là bazơ Lewis hoặc sự hiện diện của oxy hoà tan

1.6 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Yukihiro Tambe thuộc Khoa khoa học dược liệu, đại học Kyoto, Nhật Bản vào năm 1996 đã nghiên cứu tác dụng kháng viêm của BCP lên dạ dày chuột Kết quả cho thấy BCP ức chế các tổn thương viêm mạc dạ dày của chuột do ethanol tuyệt đối gây ra, ngoài ra nó còn có tác dụng bảo vệ tế bào (Tambe, Tsujiuchi, Honda, Ikeshiro, & Tanaka, 1996)

Klaudyna Fidyt trong năm 2016 Viện miễn dịch học và liệu pháp thí nghiệm Ludwik Hirszfeld, Viện hàn lâm khoa học Ba Lan đã nghiên cứu đặc tính chống ung thư của BCP và BCP oxide (BCPO) Nghiên cứu của ông đã chứng minh được BCP tăng cường hiệu quả của một số thuốc đặc trị ung thư, có thể sử dụng BCP như một liệu pháp phối hợp với thuốc chống ung thư (Fidyt, Fiedorowicz, Strządała, & Szumny, 2016)

Klauke thuộc Viện tâm thần học phân tử, Đại học Bonn, Đức trong năm 2014 đã chọn thụ thể loại 2 để kiểm tra tác dụng giảm đau của BCP đối với chuột bị triệu chứng đau do viêm và đau thần kinh Ông chứng minh rằng BCP có tác dụng giảm phản ứng đau trong giai đoạn muộn của bệnh thông qua con đường uống trực tiếp bằng miệng(Klauke et al., 2014)

Saad S Dahham thuộc phòng nghiên cứu và thử nghiệm EMAN, trường Khoa học dược phẩm, đại học Sains Malaysia trong năm 2015 đã kiểm tra tác dụng kháng khuẩn của BCP từ tinh dầu trầm hương Ông sử dụng các chủng vi khuẩn và nấm gây bệnh ở người trong nghiên cứu của mình Kết quả cho thấy BCP thể hiện tác dụng kháng khuẩn mạnh đối với tất cả các chủng vi khuẩn được thử nghiệm, với các giá trị nồng độ

ức chế tối thiểu dao động từ 3 đến 14 μM Hoạt động chống lại vi khuẩn rõ rệt ở vi khuẩn gram dương so với vi khuẩn gram âm (Dahham et al., 2015)

Miguel Angel Calleja thuộc bệnh viện đại học Virgen de las Nieves, Granada, Tây Ban Nha vào năm 2012 đã báo cáo hoạt động chống oxy hóa của BCP, tác dụng bảo vệ của nó đối với bệnh xơ gan và khả năng ức chế của nó đối với hoạt hóa tế bào gan BCP đã được thử nghiệm về sự ức chế peroxid hóa lipid và như một chất làm sạch gốc tự do BCP có khả năng ức chế peroxid hóa lipid cao hơn probucol, a-humulene và a-tocopherol (Calleja et al., 2012)

Abdellah Farah thuộc Viện nghiên cứu Nationale des Plantes Médicinales ở rốc vào năm 2006 đã chưng cất tinh dầu tràm myrtle, sau đó chưng cất phân đoạn tinh dầu thô thu được ở trên Thành phần chính của tinh dầu tràm thô ban đầu bao gồm α-pinene (10%), eucalyptopl (43%) và myrtenyl acetate (25%) Sau khi chưng cất phân đoạn, ông thu được 3 phân đoạn Phân đoạn 1 giàu α-pinene (42-54.8%) và eucalyptol (27-53.6%) Phân đoạn 2 hầu như chỉ có eucalyptol (83-95.8%) Phân đoạn 3 đặc trưng bởi myrtenyl acetate (62-65%) (Farah et al., 2006)

Ma-Wondifraw Abate thuộc trường kỹ thuật hóa học và sinh học, Viện công nghệ Addis Ababa, đại học Addis Ababa, Etiôpia vào năm 2018 đã nghiên cứu tối ưu phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước thu được tinh dầu tiêu đen và ứng dụng tinh dầu vào

mỹ phẩm Ông đưa ra mô hình thí nghiệm tối ưu của mình với các thông số như nhiệt

độ chưng cất 127.5oC, kích thước nguyên liệu 750µm và chưng cất trong 4 giờ 30 phút

và hiệu suất đạt 4.83% Ông sử dụng tinh dầu thu được kết hợp với một loại dầu nền từ thực vật làm dầu mỹ phẩm Thành phần chính của mỹ phẩm gồm chất màu, acid béo, oleic acid 22.94% và hexandoxic octandoxic axit 8,61% Các đặc tính kháng khuẩn của các dầu mỹ phẩm có hiệu quả cao hơn 60% (Abate, 2018)

W.P Silvestre (2019), Trung tâm Khoa học và Công nghệ, Đại học Caxias do Sul, Bra-xin phân đoạn tinh dầu hương thảo được mua tại Công ty Tekton, Bang Rio Grande do Sul, Nam Bra-xin Ông và cộng sự sử dụng phương pháp chưng cất phân đoạn chân không ở áp suất tuyệt đối 10kPa, tiến hành phân đoạn tinh dầu hương thảo thành 2 phần Nghiên cứu này phân đoạn theo thời gian và nhiệt độ cố định ở cột hơi đỉnh Phần lớn hydro terpene được tách ra và nằm ở đoạn đỉnh tháp chưng cất, các hợp chất có chứa oxy đa số nằm ở phân đoạn đáy tháp chưng cất (Wendel Paulo Silvestre, Medeiros, Agostini, Toss, & Pauletti, 2019)

Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay tại Việt Nam việc nâng cao hàm lượng BCP trong tinh dầu tiêu đen đầy tiềm năng vì nước ta có nguồn nguyên liệu rất dồi dào Tinh dầu tiêu đen giàu BCP hiện chưa được nghiên cứu phổ biến ở Việt Nam, chỉ có những nghiên cứu về chiết xuất tinh dầu tiêu đen Tiềm năng ứng dụng vào mỹ phẩm của tinh dầu tiêu đen giàu BCP rất lớn, phương pháp chưng cất chân không phân đoạn có thể sản xuất theo quy mô công nghiệp

để cung cấp nguyên liệu cho ngành mỹ phẩm

Trần Thiện Hiền thuộc viện công nghệ cao, khoa Môi trường-Thực Phẩm-Hóa, đại học Nguyễn Tất Thành vào năm 2019 đã nghiên cứu thành phần trong tinh dầu tiêu được chưng cất bằng phương pháp thông thường từ tiêu đen được trồng ở huyện Chư

Sê, tỉnh Gia Lai Ông kết luận rằng tinh dầu chiết xuất từ hạt tiêu đen ở Việt Nam thích hợp cho sản xuất thuốc chống côn trùng và làm sạch không khí (Tran et al., 2019)

Phan Nhật Minh thuộc trường Đại học Cần Thơ vào năm 2006 đã sử dụng phương pháp chiết tinh dầu hạt tiêu đen bằng dung môi CO2 siêu tới hạn Nguyên liệu được thu hái tại huyện Chư Sê, tỉnh Gia Lai, Việt Nam Tinh dầu thu được màu nâu đậm, có tủa vàng, mùi thơm đặc trưng Ông đã chỉ ra được những ưu điểm nổi bật của phương pháp như thời gian chiết nhanh, sản phẩm giống thiên nhiên, có thể thu được cấu tử hóa học theo ý muốn tùy thuộc áp suất xác định trước (Minh, Chí, Trung, Đạt, & Hạnh, 2006)

Nguyễn Thanh Huệ thuộc trường Đại học Cần thơ vào năm 2012 đã so sánh thành phần hóa học và hoạt tính sinh học của tinh dầu hạt tiêu đen và gừng, sử dụng phương pháp chưng cất thông thường và có hỗ trợ vi sóng Thành phần chính của tinh dầu tiêu thu được bằng hai phương pháp cất có hàm lượng tương đương, tuy nhiên phương pháp

hỗ trợ vi sóng không thi được trans-caryophyllene (Huệ, Khang, Sơ, & Thuyền, 2012)

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

Dụng cụ sử dụng trong thí nghiệm bao gồm:

Bảng 2.1 Dụng cụ sử dụng trong nghiên cứu

TÊN DỤNG CỤ XUẤT SỨ HÌNH MINH HỌA

Bộ chưng cất lôi cuốn hơi

nước Đức

Ống đong thủy tinh 100mL Trung Quốc

Chai đựng tinh dầu Trung Quốc

Bình cầu 100mL Trung Quốc

Tháp chưng cất đĩa Trung Quốc

TÊN DỤNG CỤ XUẤT SỨ HÌNH MINH HỌA

Thiết bị ngưng tụ Trung Quốc

Bình cầu 100mL 1 cổ Trung Quốc

Bạch tuột 4 cổ Trung Quốc

Nhiệt kế thủy ngân Trung Quốc

Đá bọt Đức

Bình định mức 100mL Trung Quốc

Cuvet thủy tinh Đức

Thiết bị

Bảng 2.2 Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu

TÊN THIẾT BỊ XUẤT SỨ HÌNH MINH HỌA

Bếp đun bình cầu dạng lưới Trung Quốc

Máy đo độ ẩm Trung Quốc

Máy nghiền Trung Quốc

TÊN THIẾT BỊ XUẤT SỨ HÌNH MINH HỌA

Bơm chân không Edward RV5 Đức

Bảng 2.3 Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu

TÊN HÓA CHẤT XUẤT SỨ HÌNH MINH HỌA

Methanol Trung Quốc

Muối Na2SO4 khan Trung Quốc

Nước máy Việt Nam

Nước tinh khiết Việt Nam

TÊN HÓA CHẤT XUẤT SỨ HÌNH MINH HỌA

Nước rửa chén Việt Nam

2.2 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

Thời gian nghiên cứu

Từ tháng 02/2020 đến tháng 05/2020

Địa điểm nghiên cứu

Phòng thí nghiệm Hóa đại cương, lầu 4, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành Phòng thí nghiệm Quá trình và thiết bị, lầu 4, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành Phòng thí nghiệm Hợp chất thiên nhiên, lầu 1, Khu nhà F, Trường Cao đẳng Công nghệ Đồng An

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Quy trình công nghệ

Quy trình chưng cất tinh dầu tiêu đen

Thuyết minh quy trình:

Hình 2.1 Quy trình chưng cất tinh dầu tiêu đen

Hạt tiêu đen được chọn lựa để loại bỏ cành khô, bụi bẩn và đem xay bằng cối xay chuyên dùng Sau đó, cho bột tiêu vào rây có kích thước cụ thể để xác định gần đúng kích thước nguyên liệu rồi tiến hành đo độ ẩm mục đích nhằm xác định khối lượng nguyên liệu khô Kế đến, cân theo khối lượng định sẵn sau đó bỏ vào bình đựng nguyên liệu và tiến hành lắp hệ thống chưng cất lôi cuốn hơi nước dạng thẳng đứng để khảo sát các thông số cần thiết chằng hạn như khảo sát kích thước nguyên liệu, khối lượng nhập liệu, khảo sát thời gian chưng cất, khảo sát công suất Từ thiết bị làm lạnh ở hệ thống chưng cất ta thu được hỗn hợp gồm tinh dầu và hydrosol, sau đó chiết lấy phần tinh dầu tiêu nằm ở trên ta có tinh dầu thô Làm khan tinh dầu thu được bằng muối Na2SO4, tiến hành lắng, gạn để loại bỏ hoàn toàn muối và thu được sản phẩm cuối cùng là tinh dầu tiêu tinh khiết với mùi đặc trưng và màu vàng nhạt Lưu mẫu để phân tích GC-MS

Quy trình chưng cất phân đoạn tinh dầu tiêu đen

Thuyết minh quy trình:

Hình 2.2 Quy trình chưng cất phân đoạn tinh dầu tiêu đen

Đem cân khoảng 30g tinh dầu tiêu đen, cho vào bình cầu 100 mL, bỏ vào một ít

đá bọt Đá bọt đóng vai trò tạo mầm sôi, tránh hiện tượng dung dịch bị sôi cục bộ trong quá trình chưng cất Lắp hệ thống chưng cất phân đoạn, lắp nhiệt kế thủy ngân vào bình cầu chứa tinh dầu thô và trên đỉnh tháp chưng cất Sau đó, bât công tắc bơm chân không, thiết bị gia nhiệt và điều chỉnh áp suất chân không, tốc độ gia nhiệt cho phù hợp với yêu cầu của thí nghiệm Quan sát nhiệt độ trong bình cầu và nhiệt độ trên đỉnh tháp chưng cất, khi nhiệt độ trên đỉnh vượt quá giá trị dự đoán cho phân đoạn nhẹ thì xoay bạch tuộc 4 cổ để thu tiếp phân đoạn trung bình, phân đoạn nặng nằm ở đáy của bình cầu Nhiệt độ của mỗi phân đoạn tại đỉnh được dự đoán và ước lượng bởi quá trình mô phỏng chưng cất phân đoạn bằng phần mềm Aspen Plus V11 Sau khi kết thúc thí nghiệm, tháo thiết bị theo quy tắc lắp trước-tháo sau, sau đó đem cân mỗi phân đoạn và lưu mẫu để

đi phân tích định lượng GC-MS

Quy trình phân tích khả năng kháng oxy hóa của tinh dầu thô và tinh dầu sau phân đoạn bằng phương pháp DPPH

Thuyết minh quy trình:

Hình 2.3 Quy trình phân tích khả năng kháng oxy hóa bằng phương pháp DPPH

Quy trình xác định khả năng kháng oxy hóa của tinh dầu dựa theo phương pháp Brand-Williams với một chút chỉnh sửa (Brand-Williams, Cuvelier, & Berset, 1995) Dung dịch gốc được chuẩn bị bằng cách hòa tan 24mg DPPH với 100ml methanol Dung dịch làm việc được chuẩn bị bằng cách pha loãng dịch gốc với methanol theo tỷ lệ 1:4

và được hiệu chỉnh về độ hấp thụ 1.1 với sai số 0.02 0.2 ml tinh dầu được thêm vào 3ml dung dịch DPPH và lắc đều, để yên trong 30 phút, sau đó đo độ hấp thụ bằng máy quang phổ UV-Vis ở bước sóng 515 nm Đường cong chuẩn được xây dựng bằng chất chống oxy hóa Trolox với nồng độ từ 25µM - 125µM (0.006 g/L – 0.031 g/L.) Kết quả được biểu diễn dưới dạng phần trăm bắt gốc tự do và µg TE/g EO

2.4 Sơ đồ nghiên cứu

Khảo sát các thông số ảnh hưởng

lên quá trình chưng cất tinh dầu

tiêu bằng phương pháp lôi cuốn

hơi nước

 Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu

 Ảnh hưởng của thời gian chưng cất

 Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt

 Ảnh hưởng của khối lượng nhập liệu

Khảo sát các thông số ảnh hưởng

lên quá trình chưng cất phân

đoạn tinh dầu tiêu nhằm nâng

cao hàm lượng hoạt chất BCP

 Khảo sát ảnh hưởng của áp suất lên thành phần BCP có trong các phân đoạn

 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt lên thành phần BCP có trong các phân đoạn

 Khảo sát ảnh hưởng của chiều cao tháp chưng cất mâm

Đánh giá chất lượng sản phẩm

 Phân tích định tính (cảm quan, tính chất hóa lý)

 Phân tích khả năng kháng oxy hóa

 Phân tích định lượng (GC-MS)

2.5 Bố trí thí nghiệm

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chưng cất tinh dầu tiêu

Để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình trích ly tinh dầu tiêu bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước, tôi sử dụng phương pháp khảo sát luân phiên từng biến Mỗi thí nghiệm sẽ được thực hiện lặp lại ba lần và lấy giá trị trung bình

Khảo sát ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu

Hạt tiêu đen được nghiền nhỏ và rây qua nhiều loại rây có kích thước từ 0.096mm, 0.25mm và 0.707mm tương ứng với mesh 160, mesh 60 và mesh 25 Nguyên liệu không

đi qua rây được sẽ được nghiền thêm một lần nữa đến khi qua được loại rây tưng ứng Tiêu đen nguyên hạt cũng được nghiên cứu Cân 300g nguyên liệu sau khi xác định kích thước chính xác, lắp hệ thống chưng cất trong 2 giờ và công suất gia nhiệt 300W

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian và công suất gia nhiệt

Hạt tiêu đen sẽ được nghiền đến kích thước tối ưu và cân 300g giống với thí nghiệm trên, thời gian chưng cất từ 30 phút đến 4 giờ, công suất gia nhiệt từ 200W, 300W, 400W, 450W được nghiên cứu song song trong thí nghiệm này

Hình 2.4 Bố trí thí nghiệm chưng cất lôi cuốn hơi nước

Khảo sát ảnh hưởng của thể tích nguyên liệu

Kích thước nguyên liệu, thời gian chưng cất, công suất gia nhiệt là những số liệu tối ưu của các thí nghiệm trước, thay đổi khối lượng nhập liệu từ 300g, 500g, 700g, 800g

Khảo sát ảnh hưởng của một số điều kiện chưng cất phân đoạn lên hàm lượng của BCP trong các phân đoạn

Bộ thí nghiệm chưng cất phân đoạn của phòng thí nghiệm là một bộ chưng cất gián đoạn, khá đơn giản so với các mô hình chưng cất phân đoạn dầu khí Phương pháp chưng cất phân đoạn dựa trên sự khác biệt về nhiệt độ sôi của các cấu tử trong dung dịch Nhiệt độ sôi của chất phụ thuộc vào áp suất tuyệt đối, áp suất càng cao nhiệt độ sôi của chất càng cao và ngược lại Tinh dầu tiêu có rất nhiều chất là sesquiterpene và dẫn xuất có oxy của nó, với nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển rất cao như BCP sôi ở

262oC Sử dụng áp suất chân không để giảm nhiệt độ sôi của chất cũng như dung dịch, giảm chi phí tốn kém về mặt năng lượng với thiết bị gia nhiệt

Hình 2.5 Bố trí thí nghiệm chưng cất phân đoạn

Tinh dầu tiêu giàu monoterpene và dẫn xuất có oxy của chúng, sesquiterpene và dẫn xuất có oxy của chúng Nếu xét về nhiệt độ sôi, ta thấy có sự khác biệt rõ rệt giữa các thành phần này Các chất monoterpene và dẫn xuất của nó có nhiệt độ sôi thấp, trong khi sesquiterpene và dẫn xuất của nó có nhiệt độ sôi cao, khoảng chênh lệch nhiệt độ giữa hai nhóm này rất lớn Dựa vào đó, ta sẽ cố gắng tách tinh dầu tiêu làm 3 phần, một phân đoạn nhẹ chứa monoterpene, một phân đoạn trung bình chứa các sesquiterpene có

thể bay lên đỉnh tháp chưng cất và một phân đoạn nặng nằm ở đáy bình cầu

Khảo sát ảnh hưởng của áp suất chưng cất

Các thí nghiệm ở đây sử dụng tháp chưng cất 300 mm, công suất gia nhiệt ban đầu không đổi là 160W, áp suất chân không sẽ được thay đổi từ 500mmHg, 600mmHg, 700mmHg, và 745mmHg (áp suất chân không tối đa mà bơm chân không có thể đáp ứng được)

Khảo sát ảnh hưởng của công suất gia nhiệt

Áp suất tối ưu ở thí nghiệm trên sẽ được sử dụng trong các thí nghiệm ở khảo sát này Mỗi loại tháp chưng cất sẽ được vận hành với công suất gia nhiệt khác nhau dao động từ 100W, 130W, 160W, 200W và 230W Bảng 3.1 thể hiện các thí nghiệm sẽ thực hiện ở khảo sát này, dấu “x” thể hiện điều kiện nghiên cứu

Bảng 2.4 Bảng bố trí thí nghiệm trong nghiên cứu

2.6 Phương pháp phân tích

Phương pháp đánh giá cảm quan

Màu sắc: Xác định màu sắc và độ trong suốt của tinh dầu bằng cách cho tinh dầu vào ống nghiệm 10ml, thỉnh thoảng lắc và quan sát rồi ghi nhận về tính chất, cường độ của màu và độ trong suốt, nếu tinh dầu vẫn đục và không trong suốt chứng tỏ còn lẫn nước, nước và tinh dầu tạo thành hệ nhũ tương nên dung dịch bị đục

Phương pháp phân tích định lượng sắc kí khí ghép khối phổ (GC-MS)

Phương pháp phân tích sắc kí khí ghép khối phổ là phương pháp phân tích hiện đại, kết hợp giữa phần sắc kí khí và phần khối phổ để xác định các chất khác nhau có trong mẫu thử nghiệm Phân tích sắc kí ghép khối phổ tinh dầu tiêu đen được thực hiện bởi máy sắc kí Thermo Fisher Science Trace 1310 kết hợp với máy quang phổ khối TSQ

9000 Khí mang sử dụng ở đây là Helium với tốc độ 1.2 µL/phút và tỉ lệ chia 1:250 Khoảng nhiệt độ trong lò được chia làm ba giai đoạn:

 Gia nhiệt lên 50oC trong 30 giây;

 Goa nhiệt từ 50oC lên 160oC với tốc độ tối thiểu 5oC/phút,

 Gia nhiệt từ 160oC đến 260oC với tốc độ tối thiểu 10oC/phút và giữ trong 8 phút Các hợp chất trong tinh dầu tiêu đen được định danh bởi phổ khối của chúng bằng thư viện NIST 2.2

2.7 Phương pháp xử lý số liệu

Xác định khối lượng nguyên liệu khô

mkhô=m0-mẩm=m0*(1-0.01*H) (1) Trong đó:

mkhô : khối lượng nguyên liệu khô (gam);

m0 : khối lượng nguyên liệu ban đầu (gam);

H : độ ẩm của nguyên liệu (%)

Xác định khối lượng riêng của tinh dầu

Khối lượng riêng của tinh dầu được xác định bằng bình đo tỷ trọng Cân bình tỷ trọng rỗng kèm nút bình có dung tích 10 mL, ta được khối lượng m1 Sau đó, đổ tinh

dầu vào đầy chai và đậy nút lại, ta xác định được khối lượng m2 Sau khi rửa và làm khô bình đo tỷ trọng, đổ nước vào đầy bình và đậy nút lại, ta xác định được khối lượng m3

Tỷ trọng của tinh dầu được tính theo công thức : SG= m2 -m1

Trong đó:

m1 : khối lượng của bình đo tỷ trọng (g);

m2 : khối lượng bình đo tỷ trọng và tinh dầu (gam);

m3 : khối lượng bình đo tỷ trọng và nước (gam);

Xác định hiệu suất thu tinh dầu

Hiệu suất thu nhận dầu tính theo lượng dầu có trong nguyên liệu được xác định theo công thức:

Y(%)=mV*d

Trong đó:

Y : Hiệu suất thu hồi tinh dầu theo khối lượng (%)

V : Thể tích tinh dầu thu (ml)

d : khối lượng riêng tinh dầu tiêu đen

mkhô : Khối lượng nguyên liệu khô

Xác định độ thu hồi của từng chất

Độ thu hồi của một chất trong một phân đoạn được xác định bằng tỷ lệ giữa khối lượng chất đó có trong phân đoạn và khối lượng của chất có trong tinh dầu ban đầu

Độ thu hồi của một chất trong tất cả phân đoạn được xác định bằng tổng độ thu hồi của chất đó trong mỗi phân đoạn

Recovery (%)= m A1m

Trong đó:

mA1 : khối lượng của chất A có trong phân đoạn 1

mA0 : khối lượng của chất A có trong tinh dầu thô

Xác định khả năng bắt gốc tự do bởi phương pháp DPPH

% Bắt gốc tự do=100*(1-As

Trong đó:

As : Độ hấp thu của hỗn hợp tinh dầu với dung dịch DPPH

Ab : Độ hấp thu của dung môi với dung dịch DPPH

Xác định khả năng kháng oxy hóa của tinh dầu bởi TEAC (trolox equivaent antioxidant capacity)

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất

Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu

Kết quả trong Hình 3.1 đã chỉ ra rằng hạt tiêu đen sau khi nghiền thì lượng tinh dầu thu được cao hơn so với giữ nguyên hạt Xu hướng này là do hạt tiêu đen sau khi nghiền có diện tích bề mặt nhỏ hơn, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu và hơi nước, tinh dầu dễ bị lôi cuốn dẫn tới hiệu suất thu được cao hơn Tuy nhiên, nếu nghiền đến kích thước quá nhỏ, hiệu suất phá vỡ các tế bào càng cao nhưng dễ gây tắc ống dẫn hơi (tinh dầu + nước) và độ xốp bé làm ảnh hưởng đến quá trình chưng cất Nhược điểm của phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước là khó chiết xuất từ các dạng nguyên liệu bột quá mịn, dẫn tới hình thành tảng lớn mà hơi nước khó xuyên qua được (Dilworth, Riley, & Stennett, 2017) Dựa vào Hình 4.1, tiêu đen ở kích thước mesh 25 và mesh 60

là tốt nhất

Ảnh hưởng của thời gian chưng cất và công suất gia nhiệt

Dựa vào Hình 3.2 ta thấy khoảng thời gian đầu từ 30 phút đến 60 phút, công suất gia nhiệt càng cao thì hiệu suất càng cao Thời gian càng tăng, công suất gia nhiệt thấp thì hiệu suất thu được tinh dầu càng cao Nhiệt độ của quá trình chưng cất là điểm sôi

Hình 3.1 Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu