Nghiên cứu quá trình trích ly tinh dầu nụ đinh hương và khảo sát hoạt tính kháng oxy hóa của tinh dầu

Tinh dầu sau khi thu hồi có thể được sử dụng làm hương liệu cho một số gia vị truyền thống hoặc được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như y học, mỹ phẩm… Trong các phương pháp trích ly

Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm và đồ uống

Mã số: 605402

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Ngô Thanh An

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Ngô Đại Nghiệp

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Trần Bích Lam

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 14 tháng 03 năm 2013

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn

2 TS Ngô Đại Nghiệp

3 TS Trần Bích Lam

4 TS Ngô Thanh An

5 TS Nguyễn Quang Long

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Đỗ Thị Bích Phượng MSSV: 10110194 Ngày, tháng, năm sinh: 10/01/1986 Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm & Đồ uống Mã số: 605402

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu quá trình trích ly tinh dầu nụ đinh hương và khảo

sát hoạt tính kháng oxy hóa của tinh dầu

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất trích tinh dầu

2 Tìm điều kiện tối ưu quy trình trích ly để hiệu suất thu hồi tinh dầu cao nhất

3 Khảo sát hoạt tính kháng oxy hóa và kháng khuẩn của tinh dầu

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 30/07/2012

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31/01/2013

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Ngô Thanh An

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng năm 2013

Trong những năm tháng học tập tại trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã được rất nhiều thầy cô hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức vô giá, tôi xin gửi lời tri ân tới tập thể các thầy cô của trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các thầy cô của bộ môn Công nghệ thực phẩm

Sau cùng, tôi xin cảm ơn các anh, chị và các bạn trong ban quản lý phòng thí nghiệm Quá trình và thiết bị đã giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp tại trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 02

năm 2013

Đỗ Thị Bích Phượng

TÓM TẮT

Đinh hương là một nguyên liệu quan trọng trong sản xuất các loại hương dùng ở các nước châu Á [1] Tinh dầu đinh hương hiện nay là một sản phẩm khá phổ biến trên thị trường Nó có công dụng gây tê và kháng khuẩn, và đôi khi được dùng để khử mùi hôi của hơi thở hay để cải thiện tình trạng đau răng Hiện tại, trong lĩnh vực thực phẩm, tinh dầu đinh hương được phối chế cùng một số loại nguyên liệu khác tạo nên các loại gia vị truyền thống Qua tham khảo một số tài liệu, bộ phận nụ chứa hàm lượng tinh dầu nhiều nhất so với các bộ phận khác của cây đinh hương Do đó trong phạm vi nghiên cứu này, nụ đinh hương được chọn làm nguyên liệu để trích ly tinh dầu Tinh dầu sau khi thu hồi có thể được sử dụng làm hương liệu cho một số gia vị truyền thống hoặc được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như y học, mỹ phẩm…

Trong các phương pháp trích ly, trích ly bằng dung môi CO2 siêu tới hạn được xem là phương pháp hiện đại nhất hiện nay Phương pháp này có nhược điểm đó

là có chi phí đầu tư lớn, áp suất hoạt động cao và công tác vận hành tương đối phức tạp Tuy vậy, ưu điểm đặc biệt của phương pháp này là hiệu suất trích ly cao, hoạt tính sinh học của các chất không bị phân hủy và đồng thời có thể dễ dàng loại bỏ các dung môi trích ly Do vậy, dựa vào những ưu khuyết điểm như vừa nêu trên, phương pháp trích ly bằng dung môi CO2 siêu tới hạn áp dụng trong việc trích ly tinh dầu nụ đinh hương vẫn được xem là thích hợp

Ban đầu, ảnh hưởng của đồng dung môi đến khối lượng tinh dầu thu được sẽ được tiến hành nghiên cứu Các thông số sẽ được cố định ở nhiệt độ 400

C, áp suất 250 bar, lưu lượng dòng CO2 15 g/phút, thời gian là: 3,0 giờ và các đồng dung môi được khảo sát như sau: không có đồng dung môi, ethanol 5%, methanol 5% và nước 5% Kết quả cho thấy lưu lượng dòng đồng dung môi ethanol phù hợp là 5%

Tiếp theo, ảnh hưởng của thời gian đến lượng tinh dầu thu được sẽ được khảo sát Các thông số được cố định ở nhiệt độ 400C, áp suất 250 bar, lưu lượng dòng

CO2 15 g/phút, có bổ sung 5% ethanol làm đồng dung môi và khảo sát ở các thời

trình trích ly được kiểm chứng theo 3 mô hình khác nhau để tìm kiếm hiệu suất trích ly tinh dầu cực đại Kết quả cho thấy trong vùng thông số được lựa chọn khảo sát, không thể tìm được mô hình phù hợp cho các thí nghiệm trích ly tinh dầu nụ đinh hương bằng phương pháp siêu tới hạn Các sản phẩm tinh dầu thu được sau trích ly được định tính bằng phương pháp phân tích GC-MS, và đồng thời được khảo sát hoạt tính kháng oxy hóa cũng như kháng khuẩn

ABSTRACT

Clove is an important raw material in producing incense in most Asian

countries Clove essential oil is a popular product In food processing, clove

essential oil is combined with other materials to make up traditional spices According to some researchers, the bud part of clove is the section which contains the most amount essential oil of cloves Therefore, this research obviously used cloves’buds as the primary material to extract essential oil The research extracted clove essential oil is potentially used to make flavor for some traditional spices or applied in other industries such as medicine and cosmetics…

In the extraction methods, SFE method is the most modern methods today Disadvantage of this method is a large investment costs, high operating pressure and complex operating However, the particular advantage of this method is the high extraction yield, the biological activity of some substances are not degradable and can easily remove the solvent extraction Therefore, this paper based on SFE while introducing the most modern cloves essential oil extraction technique

In the first experiment, the effect of cosolvent on extraction yield of essential oil was investigated Fixed parameters were as follow: 40oC of temperature, 250 bar of pressure of, 15 g/min of CO2 flow rate, 3 hours of extraction time The changed parameters were as follow: non-cosolvent and 5% addition of ethanol, 5% addition of water The results showed that extraction yield of essential oil is investigated when the process increases 5% of ethanol

The second, the effect of time on extraction yield of essential oil was investigated Also, fixed parameters were as follow: 40oC of temperature, 250 bar pressure, 15 g/min of CO2 flow rate, 5% addition of ethanol The extraction time was changed as follow: 0.5 hour, 1 hour, 2 hours, 2,5 hours and 3 hours Consequently, the experiment constituted that the proper time for clove essential oil extraction was 2,0 hours Then, the parameters of the extraction process were optimized by three different models to obtain the highest extraction yield of

clove bud extraction experiences by SFE method in the parameters of the selected survey. Finally, clove essential oil was analyzed by GC-MS methodology to explore the chemical component and evaluated its anti-oxidation capacity and antibacterial capacity

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

ABSTRACT vii

Clove is an important raw material in producing incense in most Asian countries Clove essential oil is a popular product In food processing, clove essential oil is combined with other materials to make up traditional spices According to some researchers, the bud part of clove is the section which contains the most amount essential oil of cloves Therefore, this research obviously used cloves’buds as the primary material to extract essential oil The research extracted clove essential oil is potentially used to make flavor for some traditional spices or applied in other industries such as medicine and cosmetics… vii

In the extraction methods, SFE method is the most modern methods today Disadvantage of this method is a large investment costs, high operating pressure and complex operating However, the particular advantage of this method is the high extraction yield, the biological activity of some substances are not degradable and can easily remove the solvent extraction Therefore, this paper based on SFE while introducing the most modern cloves essential oil extraction technique vii

MỤC LỤC ix

MỞ ĐẦU xi

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1

1.1Tổng quan về đinh hương 1

1.2Tổng quan về eugenol 3

1.3 Tổng quan về các phương pháp trích ly tinh dầu đinh hương 4

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Nguyên liệu 21

2.2 Thiết bị 22

2.3 Phương pháp nghiên cứu 24

2.4 Phương pháp tính toán 28

2.5 Các Phương pháp phân tích 33

3.1 Ảnh hưởng của đồng dung môi đến hiệu suất thu hồi tinh dầu 34

3.2 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi tinh dầu 36

3.3 Tối ưu hóa các điều kiện của quá trình trích ly tinh dầu 37

3.5 Khảo sát hoạt tính kháng oxy hóa của tinh dầu 46

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

4.1 Kết luận 51

4.2 Đề xuất và kiến nghị 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

[3] S K Ling, A Abdull Rashih, M Salbiah, A B Siti Asha, M P Mazura, M G H Khoo, S Vimala, B K Ong, M Mastura, M A Nor Azah Extraction and Simultaneous Detection of Flavonoids in The Leaves of Chromolaena Odorata by RP-HPLC with DAD 52

PHỤ LỤC 56

A.Phụ lục 1 56

B.Phụ lục 2: 57

C.Phụ lục 3: Sơ đồ sắc ký phối khổ ở điều kiện trích ly 600C 57

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết

Trong những năm gần đây, việc tách chiết các chất có hoạt tính sinh học

có nguồn gốc từ thực vật đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu Cụ thể như nghiên cứu tách chiết lycopen trong một số loại thực vật như cà chua, bột gấc [2]; nghiên cứu chiết tách thành phần flavonoid có trong lá cây yên bạch [3] hoặc nghiên cứu điều kiện tách chiết Asiaticosid từ cây rau má [4] v.v…Trong các loại hợp chất được nghiên cứu đó, eugenol được xem là chất có hoạt tính sinh học rất cao Eugenol chính là hợp chất phenylpropene thuộc nhóm phenylpropanoid [9] Chúng có khả năng kháng khuẩn, kháng oxy hóa và được

sử dụng nhiều trong nước hoa, hương liệu, tinh dầu và y học Ngoài ra, eugenol còn được sử dụng để làm giảm các vi khuẩn độc hại có trong thực phẩm Eugenol hiện diện trong một số thực vật như sả, hương nhu, đinh hương v.v… Riêng trong đinh hương, eugenol chính là hợp chất tạo mùi cho loại thực vật này Eugenol là thành phần chính trong tinh dầu trích ly từ đinh hương, chiếm khoảng 72-90% Tinh dầu đinh hương có trong tất cả các bộ phận của cây nhưng trong

nụ hoa hàm lượng tinh dầu chiếm tỷ lệ cao nhất Hiện nay đã có nhiều doanh nghiệp trong nước tiến hành nhập khẩu nụ đinh hương để sử dụng các lĩnh vực như sản xuất thuốc lá, chế biến gia vị thực phẩm, hoặc sử dụng trong lĩnh vực mỹ phẩm Ví dụ như công ty CPCBKD NSTP Nosafood, Công Ty TNHH Thương Mại Phát Triển Và Dịch

Vụ 3T Việt Nam, công ty sản xuất tinh dầu và hương liệu Vạn Tiến … Mục đích cuối cùng của các sản phẩm này đều hướng đến việc ứng dụng lợi ích tích cực từ công dụng của tinh dầu có chứa eugenol Xuất phát từ chính nhu cầu này, việc nghiên cứu trích ly tinh dầu có chứa eugenol đã được đặt ra

Hiện nay có nhiều phương pháp trích ly tinh dầu như phương pháp lôi cuốn hơi nước, phương pháp ngâm chiết, phương pháp soxhlet, phương pháp trích ly bằng sóng siêu âm, hỗ trợ vi sóng, trích ly liên tục bằng dung môi, phương pháp

CO2 siêu tới hạn… Mỗi phương pháp đều có các ưu và khuyết điểm riêng, tùy thuộc vào các điều kiện kinh tế và kỹ thuật mà người ta có thể cân nhắc để lựa chọn cho phù hợp

+ Thiết bị đơn giản, dễ sử dụng

+ Thích hợp cho cả trích ly thử nghiệm và ở quy mô lớn

 Nhược điểm

+ Thời gian dài có thể kéo dài từ vài ngày đến vài tuần

 Phương pháp trích ly liên tục bằng dung môi

+ Trích ly bằng vi sóng thường dùng các dung môi dễ cháy nổ, nên khi trích ly những chất có liên kết mạnh mẽ với bức xạ, làm tăng nhiệt độ nhanh chóng gây nên mối nguy tiềm tàng

 Phương pháp trích ly sử dụng sóng siêu âm

 Ưu điểm

+ Thiết bị đơn giản, dễ thực hiện

+ Thời gian trích ly ngắn

 Nhược điểm

+ Chủ yếu dùng với những trích ly thử nghiệm ở quy mô nhỏ

 Phương pháp trích ly bằng CO2 siêu tới hạn

CO2 siêu tới hạn được sử dụng trong hơn 90% quá trình trích ly Vì nó có các ưu điểm sau:

+ Có nhiệt độ tới hạn thấp: nhiệt độ tới hạn là 31,1oC với áp suất tới hạn là 73,8 bar, ít ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của sản phẩm

+ Giá rẻ, an toàn: nguồn CO2 có thể lấy từ các sản phẩm phụ trong công nghiệp,

từ quá trình lên men, trong công nghiệp dầu mỏ CO2 được hóa lỏng và vận chuyển trong các thùng cao áp

+ Độ chọn lọc cao do có thể điều khiển các thông số vận hành

+ Không độc, không màu, không mùi, không có phản ứng quang hóa

+ Thân thiện với môi trường: CO2 có mọi nơi trong tự nhiên, trong nước uống và

sự trao đổi chất của con người

+ Vô trùng và ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật nên có thể bảo quản

+ Các điều kiện nhiệt độ và áp suất có tác động mạnh đến khả năng hòa tan nên

có thể điều khiển dễ dàng

+ Dễ dàng thu hồi dung môi: 95% CO2 được thu hồi

Từ những phân tích ưu khuyết điểm trên, phương pháp CO2 siêu tới hạn được chọn làm phương pháp để trích ly tinh dầu nụ đinh hương

2 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, áp suất, và lưu lượng dòng CO đến quá trình trích ly bằng phương pháp siêu tới

kiếm sự phù hợp của kết quả thí nghiệm và mô hình lý thuyết để từ đó có thể xác định được điều kiện tối ưu nhằm thu được hiệu suất trích ly cao nhất Ngoài ra,

đề tài cũng hướng đến việc khảo sát một số ứng dụng của tinh dầu đinh hương thông qua đánh giá khả năng kháng khuẩn và kháng oxy hóa của chúng

3.Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu được qui luật ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình trích ly tinh dầu bằng phương pháp CO2 siêu tới hạn Từ kết quả này có thể được ứng dụng trong qui mô sản xuất công nghiệp nhằm góp phần về mặt kinh tế như thời gian trích ly được rút ngắn, thu hồi được dung môi, hiệu suất thu hồi tinh dầu cao Ngoài ra khẳng định được tính chất kháng oxy và kháng khuẩn của đinh hương Dựa vào tính chất này của đinh hương, đây sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm ứng dụng vào trong các sản phẩm thực phẩm, y học và mỹ phẩm

4 Phương pháp nghiên cứu và thiết bị sử dụng trong nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp trích ly CO2 siêu tới hạn

- Phương pháp GC-MS

- Phương pháp khảo sát hoạt tính kháng oxy hóa DPPH

 Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu:

- Thiết bị trích ly siêu tới hạn Thar SFC

- Máy cô quay chân không

- Thiết bị sấy hồng ngoại

5 Nội dung của nghiên cứu:

Khảo sát ảnh hưởng của đồng dung môi đến hiệu suất trích ly tinh dầu: trích ly có đồng dung môi ethanol, methanol, nước, trích ly không dùng đồng dung môi

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình trích ly tinh dầu bằng dung môi CO2 siêu tới hạn

nhiệt độ, áp suất và lưu lượng dòng CO2 đến hiệu suất trích ly tinh dầu Từ

đó tối ưu hóa quy trình trích ly để hiệu suất thu hồi tinh dầu cao nhất Xác định thành phần tinh dầu

Khảo sát hoạt tính kháng oxy hóa và kháng khuẩn của tinh dầu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1Tổng quan về đinh hương

1.1.1 Nguồn gốc, phân loại

Đinh hương (danh pháp khoa học: Syzygium aromaticum, từ đồng nghĩa: Eugenia

aromaticum, Eugenia caryophyllata) là một loài thực vật trong họ đào kim nương

(Myrtaceae) có các chồi hoa khi phơi khô có mùi thơm Nó có nguồn gốc ở Indonesia

và được sử dụng như một loại gia vị gần như trong mọi nền văn hóa ẩm thực Nó có tên gọi là đinh hương là do hình dáng của chồi hoa trông khá giống với những cái đinh nhỏ Đinh hương được trồng chủ yếu ở Indonesia và Madagascar, nó cũng được trồng tại Zanzibar, Ấn Độ, Sri Lanka Đinh hương là cây thường xanhcó thể cao tới 10-20 m, có các lá hình bầu dục lớn và các hoa màu đỏ thẫm mọc thành cụm ở đầu cành Các chồi hoa ban đầu có màu nhạt và dần dần trở thành màu lục, sau đó chúng phát triển thành màu đỏ Các hoa được thu hoạch khi chúng dài khoảng 1,5-2 cm, bao gồm đài hoa dài, căng ra thành bốn lá đài hoa và bốn cánh hoa không nở tạo thành viên tròn nhỏ ở trung tâm [1]

Phân loại tên khoa học của đinh hương như sau:

Loài (species): S aromaticum

1.1.2

Người ta trồng đinh hương bằng hạt hoặc giâm cành Các hạt được gieo trực tiếp trên những luống đất đỏ hay đất thịt nhiều mùn Các hạt nẩy mầm sau 10 hay 15 ngày, và

người ta đem đặt vào các túi nhựa chứa đất trộn với

phân bò, rồi để vào nơi mát mẻ để chăm sóc Khoảng

18 hay 24 tháng sau, cây con được đem trồng vào

các hố đào sẵn xen giữa vườn cây, đặc biệt giữa các

vườn dừa, tiêu, cà phê, ca cao hay đào lộn hột Đất

trộn phân bò với các mùn cây rất được cây non ưa

chuộng Cây đinh hương sẽ cho hoa lần đầu vào

khoảng năm thứ sáu đến thứ chín, nhưng phải đến

năm thứ 20 mới cho trái làm giống sau mùa trổ bông

kéo dài từ năm đến sáu tháng Các cây mạnh khỏe tiếp tục cho nụ tươi tốt cho đến trên tuổi 60, thậm chí trên cả trăm tuổi, tạo nên nguồn lợi rất lớn và bền vững cho nhiều nhà nông giữa vùng nhiệt đới [1]

Bộ phận t được là nụ hoa Nụ được thu hái khi

bắt đầu có màu hồng đỏ, được ngắ ống (đôi khi

cuống cũng được dùng), sau đó được đem phơi hoặc sấy

nhẹ cho khô Nếu hái muộn lúc hoa đã nở, cánh hoa rụng

đi hoặc quả non hình thành thì chất lượng dược liệu sẽ

giảm nhiều Chất lượng tinh dầu tốt nhất ở nụ hoa, rồi đến

cuống hoa và lá Quả đinh hương chứa ít tinh dầu, hàm

lượng Eugenol lại thấp nên không được sử dụng [1]

1.1.5 Thành phần hóa học đinh hương

Nụ hoa chứa 10-12% nước, 5-6% chất khoáng, nhiều glucid, 6-10% lipid, tanin Hoạt chất là tinh dầu 15-20% mà thành phần chính là eugenol (80-85%) acelylengenol (2-3%), các hợp chất carbon Nếu cắt cả cuống thì hàm lượng tinh dầu là 5-6% Lá chỉ có 4-5% tinh dầu có engenol nhưng không chứa acetyleugenol [4]

- Khối lượng phân tử: 164.20 g/mol [9]

1.2.2 Nguồn nguyên liệu giàu eugenol

Bảng 1.2 - Hàm lượng eugenol trong một số nguyên liệu

STT Tên nguyên liệu Hàm lượng (%)

Hình 1.1- Sơ đồ thiết bị soxhlet

1.3.1.2 Ưu nhược điểm

 Ưu điểm

+ Chỉ sử dụng lượng dung môi ít mà vẫn có thể trích ly kiệt được hoạt chất

1.3.2.2 Ưu nhược điểm

 Ưu điểm

+ Nguyên liệu tiếp xúc trực tiếp với dung môi nên dễ dàng cho việc khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất trích ly

+ Thiết bị đơn giản, dễ sử dụng

+ Thích hợp cho cả trích ly thử nghiệm và ở quy mô lớn

 Nhược điểm

+ Thời gian dài có thể kéo dài từ vài ngày đến vài tuần

1.3.3 Phương pháp trích ly liên tục bằng dung môi

1.3.3.1 Nguyên tắc trích ly

Dòng nguyên liệu được vận chuyển trong một ống dẫn ngược chiều với dòng dung môi hoặc có thể dội nhiều đợt dung môi hoặc dịch trích loãng lên nguyên liệu

1.3.3.2 Ưu nhược điểm

1.3.4.2 Ưu nhược điểm

 Ưu điểm

+ Ưu điểm chính của trích ly hỗ trợ vi sóng là có thể trích ly đồng thời nhiều mẫu và nhanh hơn trích ly soxhlet

+ Các chất sau trích ly ít thay đổi tính chất

 Nhược điểm

+ Trích ly bằng vi sóng thường dùng các dung môi dễ cháy nổ, nên khi trích ly những chất có liên kết mạnh mẽ với bức xạ, làm tăng nhiệt độ nhanh chóng gây nên mối nguy tiềm tàng

1.3.5 Phương pháp sử dụng sóng siêu âm

1.3.5.1 Cơ chế sóng siêu âm hỗ trợ quá trình trích ly

Sóng siêu âm hỗ trợ tốt cho quá trình trích ly có thể được giải thích dựa trên các hiệu ứng khi sóng siêu âm truyền qua một hệ chất lỏng, đó là hiện tượng sủi bong bóng và hiện tượng vỡ bong bóng Chúng gây ra các hiệu ứng vật lý và hóa học có tác động tích cực đến hiệu quả của quá trình trích ly Nhìn chung, cơ chế của sóng siêu âm giúp làm tăng khả năng trích ly so với quy trình trích ly truyền thống là dựa trên những nguyên nhân sau:

+ Sóng siêu âm tạo ra một áp lực lớn xuyên qua dung môi và tác động đến tế bào vật liệu: làm bẻ gãy thành tế bào hoặc tạo các rãnh nứt hoặc các lỗ hổng ở bề mặt tế bào giúp quá trình phóng thích các cấu tử chất tan vào môi trường trích ly được dễ dàng và nhanh chóng [8]

+ Tăng khả năng truyền khối tới bề mặt phân cách, gia tăng tốc độ khuếch tán nội phân

tử và ngoại phân tử đồng thời giúp dịch chuyển các chất cần trích ly ra ngoài môi trường trích ly [8]

1.3.5.2 Ưu nhược điểm

 Ưu điểm

+ Thiết bị đơn giản, dễ thực hiện

+ Thời gian trích ly ngắn

 Nhược điểm

+ Chủ yếu dùng với những trích ly thử nghiệm ở quy mô nhỏ

1.3.6 Phương pháp trích ly bằng dung môi siêu tới hạn

1.3.6.1 Chất lỏng siêu tới hạn

 Định nghĩa

Đối với mỗi chất thông thường, dưới một điều kiện nhất định chúng sẽ tồn tại ở một trong 3 trạng thái rắn, lỏng và khí Nếu nén chất khí tới một áp suất đủ cao, chất khí sẽ hóa lỏng Tuy nhiên, có một giá trị áp suất mà ở đó, nếu nâng dần nhiệt độ lên thì chất lỏng cũng không thể trở về trạng thái khí, mà rơi vào một vùng trạng thái đặc biệt gọi là trạng thái siêu tới hạn [11]

Vật chất ở trạng thái này mang nhiều đặc tính của cả chất khí và chất lỏng, nghĩa là dung môi đó mang tính trung gian giữa khí và lỏng

Hình 1.2 - Biểu đồ mô tả vùng tới hạn

Hình 1.2 cho biết khi nào hợp chất ở trạng thái rắn, lỏng hoặc khí Điểm ba là nơi ba trạng thái giao nhau Các đường cong là nơi hai trạng thái cùng hiện diện Quan sát dọc theo “đường cong khí - lỏng”, hướng lên cao, sẽ gặp một điểm, nơi đó nồng độ của khí

và lỏng bằng nhau, điểm này được gọi là điểm siêu tới hạn Vật chất có nhiệt độ và áp suất cao hơn điểm tới hạn gọi là chất lỏng siêu tới hạn Giá trị áp suất và nhiệt độ tại điểm tới hạn được gọi lần lượt là: áp suất tới hạn Pc và nhiệt độ tới hạn Tc, hai giá trị này đặc trưng của từng loại hợp chất Ở nhiệt độ và áp suất tới hạn, vật chất lỏng và hơi không thể phân biệt được Một vài hợp chất thích hợp có thể sử dụng trong phương pháp trích ly siêu tới hạn được trình bày trong bảng 1.3

Trạng thái rắn

Trạng thái lỏng

Điểm ba Điểm ba

Điểm tới hạn

Chất lỏng siêu tới hạn

Bảng 1.3 - Một số dung môi có thể sử dụng cho phương pháp chiết siêu tới hạn

Dung môi Nhiệt độ tới hạn ( o C) Áp suất tới hạn (bar)

500 – 700K, chỉ áp dung được cho các nguyên liệu có phân tử lượng cao, tuy nhiên ở nhiệt độ đó các chất dễ bị phân huỷ Do đó dựa trên nhiệt độ và áp suất ta có thể chọn lọc để trích ly các thành phần của thực vật như tinh dầu, alkaloid, lipid, oleoresin, carotenoid Một lợi thế chính của dung môi có nhiệt độ tới hạn thấp nữa là chúng có thể

dễ dàng tách ra sản phẩm cuối cùng

 Tính chất vật lý của chất lỏng siêu tới hạn

Tính chất vật lý của chất lỏng siêu tới hạn so với trạng thái khí và lỏng được trình bày trong bảng 1.4

Bảng 1.4 - So sánh các đặc tính của chất ở 3 trạng thái lỏng, khí và siêu tới hạn

Trạng thái Khí (0 0 C, 1atm) Siêu tới hạn Lỏng

Tỷ trọng (g/cm3) 10-3 0.2-0.5 0.6-2

Hệ số khuếch tán (cm2/s) 10-1 10-3-10-4 10-5

Độ nhớt (g/cm/s) 10-4 10-4 10-2

Theo bảng 1.4, khối lượng riêng của chất ở trạng thái siêu tới hạn thấp hơn so với khi nó

ở trạng thái lỏng, tuy nhiên, hệ số khuyếch tán cao hơn Độ dẫn nhiệt của nó tương đối lớn và hệ số dẫn nhiệt có giá trị rất lớn khi nó ở gần điểm tới hạn, vì theo nguyên tắc, nhiệt dung của chất lỏng có xu hướng tiến tới vô cùng tại điểm tới hạn Sức căng bề mặt rất nhỏ khi chất nằm trong vùng tới hạn Nhìn chung, tính chất vật lý của chất trong vùng tới hạn là nâng cao khả năng truyền nhiệt và truyền khối Khả năng hòa tan của cấu tử trong dung môi được xác định theo công thức sau:

bằng áp suất tới hạn thì tăng nhiệt độ làm giảm độ hòa tan (ρ giảm), nhưng khi áp suất lớn hơn áp suất tới hạn nhiều thì tăng nhiệt độ làm tăng độ hòa tan của cấu tử cần trích Yếu tố ảnh hưởng đến độ hòa tan của cấu tử cần trích ly là áp suất hơi của chất tan và tương tác giữa các phân tử

1.3.6.2 Ưu nhược điểm

 Ưu điểm

So với các kỹ thuật cổ điển như trích ly lỏng – rắn với dung môi hoặc trích ly bằng lôi cuốn hơi nước thì phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn như:

+ Sử dụng ít dung môi

+ Ít làm hư hại chất cần trích ly

+ Thân thiện với môi trường

+ Tốc độ truyền khối cao, dịch ra nhanh, thời gian trích ly ngắn

+ Khả năng trích ly cao, ít xảy ra phản ứng phụ, do đó sản phẩm có độ tinh sạch cao, ít tạp chất

+ Điều khiển hoàn toàn tự động

 Nhược điểm

+ Chi phí đầu tư thiết bị cao

+ Áp suất hoạt động cao

1.4 Trích ly bằng CO 2 siêu tới hạn

1.4.1 Tổng quan về CO 2 siêu tới hạn

a Tính chất của CO2 siêu tới hạn

CO2 được xếp vào nhóm dung môi có nhiệt độ và áp suất tới hạn thấp CO2 siêu tới hạn

là dung môi không phân cực, có tính axit

Tỷ trọng của CO2 siêu tới hạn phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất, do đó có thể điều chỉnh tỷ trọng trong vùng siêu tới hạn bằng cách hiệu chỉnh nhiệt độ và áp suất Trong mọi trường hợp sự gia tăng nhiệt độ dẫn đến sự giảm tỷ trọng Tỷ trọng CO2 siêu tới hạn biến đổi nhanh ở vùng nhiệt độ và áp suất gần điểm tới hạn [12]

Hình 1.3- Tỷ trọng CO2 siêu tới hạn phụ thuộc nhiệt độ và áp suất [13]

Độ nhớt là đặc tính quan trọng mô tả sự chuyển động của dung môi siêu tới hạn trong

hệ thống trích ly Độ nhớt của CO2 siêu tới hạn giảm khi nhiệt độ tăng trong khoảng áp suất nhất định Độ nhớt của CO2 siêu tới hạn thay đổi theo nhiệt độ và áp suất được thể hiện ở hình 1.4

Hình 1.4 - Độ nhớt CO2 siêu tới hạn phụ thuộc nhiệt độ và áp suất [12]

b Ƣu nhƣợc điểm của CO 2 siêu tới hạn

CO2 siêu tới hạn được sử dụng trong hơn 90% quá trình trích ly Vì nó có các ưu điểm sau:

+ Có nhiệt độ tới hạn thấp: nhiệt độ tới hạn là 31.1oC với áp suất tới hạn là 73.8 bar, ít ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của sản phẩm

+ Giá rẻ, an toàn: nguồn CO2 có thể lấy từ các sản phẩm phụ trong công nghiệp, từ quá trình lên men, trong công nghiệp dầu mỏ CO2 được hóa lỏng và vận chuyển trong các thùng cao áp

+ Độ chọn lọc cao do có thể điều khiển các thông số vận hành

+ Không độc, không màu, không mùi, không có phản ứng quang hóa

+ Thân thiện với môi trường: CO2 có mọi nơi trong tự nhiên, trong nước uống và sự trao đổi chất của con người

+ Vô trùng và ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật nên có thể bảo quản

+ Các điều kiện nhiệt độ và áp suất có tác động mạnh đến khả năng hòa tan nên có thể điều khiển dễ dàng

+ Dễ dàng thu hồi: 95% CO2 được thu hồi

Tuy nhiên, CO2 siêu tới hạn có nhược điểm là tính không phân cực

1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly tinh dầu

a Ảnh hưởng của nhiệt độ

Theo Mandana Bimakr và cộng sự [12] trích ly tinh dầu bạc hà dùng CO2 siêu tới hạn

đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly ở áp suất 100, 200 và 300 bar Kết quả thể hiện ở hình 1.9 cho thấy tăng nhiệt độ làm tăng hiệu suất trích ly

Hình 1.5 - Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất trích ly tinh dầu bạc hà ở các điều kiện

100, 200, 300 bar và 400C, 600C, 700C [13]

b Ảnh hưởng của áp suất

Kết quả nghiên cứu trích ly tinh dầu bạc hà của Mandana Bimakr và cộng sự [13] cho thấy khi tăng áp suất đến một khoảng nhất định thì hiệu suất trích ly sẽ tăng Nhưng nếu tiếp tục tăng áp suất vượt qua khoảng giá trị đó hiệu suất trích ly sẽ giảm

Hình 1.6 - Ảnh hưởng của áp suất lên hiệu suất trích ly tinh dầu bạc hà [13]

c Ảnh hưởng của lưu lượng dòng dung môi CO2

Theo Rodica Vilcu và cộng sự [15], trích ly tinh dầu từ cây hồi trong điều kiện áp suất

120 bar và nhiệt độ 40oC, kết quả trích ly trong hình 1.7 cho thấy hiệu suất tăng khi lưu lượng dòng dung môi tăng

Hình 1.7 - Ảnh hưởng của lưu lượng dòng đến trích ly tinh dầu hồi

Theo Andri C Kumoro và cộng sự [14], trích ly tinh dầu tiêu ở điều kiện nhiệt độ khác nhau: 303, 313 và 323K, tương ứng với áp suất 15 Mpa Kết quả trong hình 1.12 cho thấy khi tăng lượng CO2 hiệu suất trích ly tăng

Hình 1.8 - Ảnh hưởng của nhiệt độ và lượng CO2 đến hiệu suất ly tinh dầu tiêu ở áp suất

15 Mpa

Xét thí nghiệm khác trong bài báo cáo Andri C Kumoro và cộng sự [14] cũng cho kết quả tương tự

Hình 1.9 - Ảnh hưởng của áp suất và lượng CO2 đến hiệu suất ly tinh dầu tiêu ở nhiệt độ

313 K [14]

d Ảnh hưởng của thời gian trích ly

Theo Onur Doker và cộng sự [16], nghiên cứu trích ly tinh dầu mè bằng phương pháp

CO2 siêu tới hạn đã khảo sát ảnh hưởng của thời gian trích ly ở điều kiện (a) 50oC, 300 bar, 1.67g CO2 /phút và 300 µm < dp < 600 µm, (b) 60oC, 350 bar, 1.74g CO2/phút và

300 µm < dp < 600 µm, (c) 70oC, 250 bar, 1.48 g CO2 /phút and 300 µm < dp < 600

µm Kết quả cho thấy khi thời gian tăng hiệu suất trích ly tăng

Hình 1.10 - Ảnh hưởng của thời gian trích ly đến hiệu suất trích ly ở điều kiện kiện (a)

50oC, 300 bar, 1.67 g CO2/phút và 300 µm < dp < 600 µm, (b) 60oC, 350 bar, 1.74 g

CO2/phút và 300 µm < dp < 600 µm, (c) 70oC, 250 bar, 1.48 g CO2 /phút và 300 µm <

dp < 600 µm [16]

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nguyên liệu

2.1.1 Nụ đinh hương

Nụ đinh hương có nguồn gốc Ấn Độ, nhập từ công ty dược Hùng Vương, nguyên liệu mua về được sấy đến độ ẩm đạt 13%, sau đó đem xay Kích thước hạt nguyên liệu sau khi xay từ 500µ - 1mm

Nguyên liệu được bảo quản trong túi bạc có hàn kín miệng ở nhiệt độ phòng

2.1.2 Các hóa chất

Bảng 2.1 - Các loại hóa chất sử dụng trong nghiên cứu

STT Hóa chất Nguồn gốc Độ tinh khiết

(%)

Mục đích sử dụng

2.2 Thiết bị

2.2.1 Máy trích ly siêu tới hạn

Hình 2.1 - Thiết bị trích ly siêu tới hạn Thar SFC

 Phạm vi nhiệt độ: nhiệt độ môi trường đến dưới 70o

C

 Tốc độ dòng CO2: dưới 25g/phút

 Loại dung môi: CO2 và các dung môi hữu cơ

Sơ đồ qui trình máy trích ly siêu tới hạn Thar- SFE

Hình 2.2 - Sơ đồ quy trình máy trích ly siêu tới hạn Thar-SFC

- Nguyên liệu bột nụ đinh hương cân với khối lượng 20g được đặt vào bình trích ly 100

điều khiển ta có thể chỉnh được lưu lượng dòng CO2 đi vào, lưu lượng dòng đồng dung môi, áp suất và nhiệt độ tiến hành thí nghiệm

- Khi đạt nhiệt độ và áp suất mong muốn, CO2 ở trạng thái CO2 siêu tới hạn và được sử dụng để làm dung môi trích ly, sau đó đi ra khỏi bình để đi đến bộ phận giảm áp

- Dòng siêu tới hạn được giảm áp để trở về trạng thái khí đến bình chứa sản phẩm Ở đây các chất do dòng siêu tới hạn mang đến được giữ lại trong bình sản phẩm còn dòng khí thì được tuần hoàn lại

2.2.2 Máy cô quay chân không

Máy cô quay chân không dùng để cô đặc mẫu sau khi trích ly

Hình 2.3 - Máy cô quay chân không Nguyên lý hoạt động: Khi áp suất giảm, điểm sôi của dung dịch cũng giảm theo, ít ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của mẫu Dung dịch sẽ sôi ở nhiệt độ thấp làm bay hơi

dung môi, mẫu được giữ lại trong bình cô quay

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Cơ sở của phương pháp nghiên cứu

Dựa vào một số nghiên cứu về quá trình trích ly tinh dầu từ một số nguyên liệu khác bằng dung môi CO2 siêu tới hạn, tính chất dung môi CO2 siêu tới hạn và điều kiện của thiết bị, chúng tôi chọn khoảng khảo sát của các thông số như sau:

 Nhiệt độ 40, 50, 60oC