Tài liệu Nghiên cứu công nghệ khai thác và ứng dụng tinh dầu hương bài việt nam

Bé c«ng th−¬ng ViÖn C«ng nghiÖp thùc phÈm -----o0o----- BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHAI THÁC VÀ ỨNG DỤNG TINH DẦU HƯƠNG BÀI VIỆT NAM (Thực hiện theo Hợp đồng Nghiên cứu khoa học và Phát triển công nghệ số 028.09.RD/HĐ-KHCN ký ngày 25 tháng 02 năm 2009 giữa Bộ Công Thương và Viện Công nghiệp Thực phẩm) Chñ nhiÖm §Ò tµi : ThS. ®ç thanh hµ ng−êi thùc hiÖn : TS. Bïi Quang ThuËt TS. Lý Ngäc Tr©m ThS. Bïi ThÞ BÝch Ngäc ThS. NguyÔn Trung HiÕu KS. NguyÔn ThÞ Quúnh Trang KS. Lª Trung Lam 7844 07/4/2010 Hµ néi, th¸ng 12 - 2009 1 LỜI CẢM ƠN Đề tài chúng tôi xin trân trọng cảm ơn Vụ Khoa học Công nghệ - Bộ Công thương đã tạo điều kiện giúp đỡ và cấp kinh phí cho chúng tôi thực hiện tốt các nội dung nghiên cứu đã đặt ra. Xin chân thành cảm ơn Trung tâm giáo dục và Phát triển sắc ký thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm Kỹ thuật I của Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng đã nhiệt tình giúp đỡ, phân tích các sản phẩm của Đề tài. Xin trân trọng cảm ơn Công ty TNHH Khiêm Anh về sự hợp tác thử nghiệm và ứng dụng các sản phẩm nghiên cứu của Đề tài vào sản xuất. Chúng tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Lãnh đạo Viện, Hội đồng Khoa học và các phòng nghiệp vụ của Viện về những đóng góp và giúp đỡ quí báu để Đề tài thu được các kết quả tốt. 2 MỤC LỤC Trang 1 4 5 MỤC LỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU TÓM TẮT NHIỆM VỤ 7 8 8 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Giới thiệu về cỏ hương bài 1.1.1. Giới thiệu chung 1.1.2. Đặc tính thực vật và sinh thái 1.1.3. Thu hoạch, phân loại và bảo quản rễ 1.1.4. Thành phần hoá học của rễ cỏ hương bài 1.2. Giới thiệu về tinh dầu hương bài 1.2.1. Tính chất hoá lý 1.2.2. Thành phần hoá học của tinh dầu hương bài 1.2.3. Công thức hoá học của một số hợp chất chính có mặt trong tinh dầu hương bài 1.3. Các phương pháp khai thác tinh dầu 8 9 10 11 11 11 12 13 15 1.3.1. Phương pháp chưng cất 15 1.3.2. Phương pháp trích ly 17 1.4. Ứng dụng của rễ cỏ hương bài và tinh dầu hương bài 20 1.5. Tình hình nghiên cứu, sản xuất và tiêu thụ rễ cỏ hương bài, 22 tinh dầu hương bài trên thế giới và ở Việt Nam 22 1.5.1. Tình hình nghiên cứu, sản xuất và tiêu thụ trên thế giới 1.5.2. Tình hình nghiên cứu, sản xuất và tiêu thụ trong nước CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM 25 28 2.1. Phương pháp tiến hành nghiên cứu 2.1.1. Phương pháp phân tích thành phần chính của nguyên liệu 2.1.2. Phương pháp nghiên cứu lựa chọn phương pháp khai thác các hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài 2.1.3. Phương pháp nghiên cứu chế độ xử lý nguyên liệu 3 28 28 28 29 2.1.4. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công 29 nghệ đến quá trình khai thác các hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài 2.1.5. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công 30 nghệ đến quá trình tinh chế tinh dầu hương bài 2.1.6. Phương pháp phân tích và đánh giá chất lượng sản phẩm 30 2.1.6.1. Phương pháp xác định một sô chỉ tiêu hóa lý 30 2.1.6.2. Phương pháp xác định thành phần hóa học của tinh dầu 31 hương bài 2.2. Thiết bị, dụng cụ, nguyên vật liệu và hóa chất sử dụng cho nghiên 31 cứu 2.2.1. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 2.2.2. Nguyên liệu và hoá chất sử dụng 2.2.2.1. Nguyên liệu 2.2.2.2. Hóa chất thí nghiệm 31 32 32 33 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN 35 3.1. Kết quả khảo sát chung về nguyên liệu 35 3.2. Kết quả lựa chọn phương pháp khai thác các hợp chất tạo hương 37 vị từ rễ hương bài 3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nguyên liệu đến 38 quá trình trích ly các hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài 3.3.1. Kết quả nghiên cứu lựa chọn độ ẩm nguyên liệu thích hợp 3.3.2. Kết quả nghiên cứu lựa chọn độ mịn nguyên liệu thích hợp 38 40 3.4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá 41 trình trích ly các hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài 3.4.1. Kết quả nghiên cứu lựa chọn dung môi trích ly thích hợp 42 3.4.2. Kết quả nghiên cứu lựa chọn số lần trích ly thích hợp 45 3.4.3. Kết quả nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ nguyên liệu/dung môi thích 47 hợp 3.4.4. Kết quả nghiên cứu lựa chọn tốc độ khuấy trộn thích hợp 3.4.5. Kết quả nghiên cứu lựa chọn nhiệt độ trích ly thích hợp 48 49 3.4.6. Kết quả nghiên cứu lựa chọn thời gian trích ly thích hợp 50 3.5. Qui trình công nghệ khai thác các hợp chất tạo hương vị từ rễ 52 4 hương bài 3.6. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình tinh chế tinh 54 dầu hương bài 3.6.1. Kết quả nghiên cứu lựa chọn dung môi tinh chế thích hợp 54 3.6.2. Kết quả nghiên cứu lựa chọn số lần trích ly lại thích hợp 54 3.6.3. Kết quả nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ tinh dầu thô/dung môi 3.7. Qui trình công nghệ tinh chế tinh dầu hương bài 3.8. Sản xuất thực nghiệm tinh dầu hương bài 56 57 59 3.9. Phân tích, đánh giá chất lượng tinh dầu hương bài 3.9.1. Xác định một số chỉ tiêu hoá lý của tinh dầu hương bài 3.9.2. Thành phần các hợp chất bay hơi trong tinh dầu hương bài 60 60 61 3.9.3. Xác định một số chỉ tiêu kim loại nặng và các chỉ tiêu khác 62 3.10. Ứng dụng sản phẩm tinh dầu hương bài vào thực tế sản xuất 63 thực phẩm và dược phẩm KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 71 PHỤ LỤC 5 KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CK: Chất khô DM: Dung môi ĐT: Đề tài GC: Sắc ký khí GC-MS: Sắc ký khối phổ HPLC: Sắc ký lỏng cao áp M1: Mẫu tinh dầu khai thác bằng phương pháp chưng cất M3: Mẫu tinh dầu khai thác bằng phương pháp trích ly với dung môi etanol 96% M5: Mẫu tinh dầu khai thác bằng phương pháp trích ly với dung môi n-hexan NL: Nguyên liệu TD: Tinh dầu TL: Trích ly 6 MỞ ĐẦU Tinh dầu và các loại cây chứa tinh dầu là sản vật tự nhiên đã được loài người biết đến từ rất lâu. Ngay từ thời thượng cổ, người dân thường khai thác và sử dụng các loại cây có tinh dầu ở dạng phơi khô. Thời kỳ trung cổ khoảng thế kỷ thứ 15 người ta biết dùng các loại rễ cây có tinh dầu để thờ cúng. Từ thế kỷ thứ 15 đến thế kỷ thứ 17, tinh dầu đã được sử dụng để làm thơm cho tóc và da mặt, dùng chữa bệnh và dùng trong đời sống hàng ngày của con người. Từ thế kỷ 17 tinh dầu được dùng nhiều để làm mỹ phẩm, làm thuốc và dùng trong công nghiệp với phạm vi rộng hơn [12]. Trong những năm gần đây, trên thế giới người dân có xu hướng thích dùng những sản phẩm thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm có nguồn gốc từ tự nhiên, không độc hại. Do vậy, những loại cây cho tinh dầu quí, có tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu khai thác và chế biến nhằm nâng cao giá trị sử dụng của chúng. Một trong những loại nguyên liệu để sản xuất tinh dầu đang được các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam quan tâm là cỏ hương bài. Theo nhiều tài liệu, cỏ hương bài có nguồn gốc từ Ấn Độ, chúng mọc hoang ở các vùng đất cát. Từ xa xưa, người dân đã phát hiện ra rễ hương bài tính mát, có tác dụng hạ nhiệt, làm ra mồ hôi, kích thích, lợi tiêu hóa, gây trung tiện, lợi tiểu và điều kinh nên đã sử dụng nó như một vị thuốc [3]. Tinh dầu chiết tách từ rễ hương bài có hương vị đặc trưng, là một loại tinh dầu an toàn, không độc hại nhưng có thành phần khá phức tạp, chứa trên 100 cấu tử được nhận dạng mà chủ yếu là các thành phần chất thơm có giá trị, có nhiệt độ bay hơi cao (như: khusimol, spathulenol, terpinen-4-ol, khusimone, valerenol, vertiven, furfurol, các axít vetivenic- benzoic dưới dạng ete của vetivenol…) nên được sử dụng làm chất định hương cho các tổ hợp hương liệu cho thực phẩm và nước hoa cao cấp. Bên cạnh đó, nó có đặc tính kháng khuẩn, kích thích tuần hoàn, giúp cân bằng thần kinh, giảm stress và phục hồi trí nhớ… nên được sử dụng nhiều trong dược phẩm [23, 32]. Từ giữa thập niên 80 của thế kỷ 20 công nghệ trồng cỏ hương bài đã được giới thiệu đến hơn 100 nước và hiện nay đã lên tới 147 nước, nhưng chủ yếu tập 7 trung ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Cỏ hương bài được sử dụng với mục đích chính là khai thác tinh dầu và chống sói mòn, bảo vệ đất, nước [11, 42, 43]. Ở Việt Nam, cỏ hương bài được trồng ở hầu khắp các tỉnh từ Bắc đến Nam, nhưng chủ yếu tập trung ở những vùng đất cát, có sông hồ, kênh rạch và những vùng duyên hải có gió mạnh như Thái Bình, Nghệ An, Quảng Bình, Quảng Trị .... để bảo vệ đất, sông hồ, kênh rạch, cung cấp dược liệu cho y học và phục vụ nhu cầu của người dân [9, 11]. Hiện nay, vùng nguyên liệu hương bài trong nước đã được hình thành và đang ngày càng được mở rộng. Giá rễ hương bài tươi 4000 – 5000 đồng/kg, khô 14.000 đồng/kg. Nhưng rõ ràng nếu hương bài được khai thác sử dụng ở dạng tinh dầu thì giá trị của chúng sẽ còn tăng cao. Tuy nhiên, cho đến nay loại nguyên liệu quý này vẫn chưa được sử dụng để sản xuất ra tinh dầu (mặt hàng có giá trị cao) ở quy mô công nghiệp mà chỉ được sử dụng ở dạng nguyên liệu thô hoặc sơ chế với giá thành rẻ. Việc khai thác tinh dầu hương bài ở nước ta chưa được quan tâm và đầu tư thích đáng. Chúng ta chưa có sản phẩm tinh dầu hương bài ở quy mô lớn lẫn quy mô nhỏ do công nghệ chưng cất tinh dầu của ta còn giản đơn, thiết bị chưng cất quá lạc hậu, công nghệ trích ly tinh dầu thì chưa phát triển, công nghệ trích ly bằng CO2 lỏng ở trạng thái siêu tới hạn chưa thể áp dụng rộng rãi trong điều kiện nước ta do thiết bị phức tạp và đắt tiền. Hiện nay, vùng nguyên liệu hương bài ở nước ta đang phát triển mạnh, đòi hỏi phải tìm được đầu ra ổn định, vững chắc, đồng thời cần nâng cao giá trị sử dụng của chúng. Mặt khác, việc sản xuất và sử dụng tinh dầu hương bài đang là nhu cầu cấp thiết của nhiều doanh nghiệp trong nước. Để nâng cao giá trị kinh tế cho cây hương bài, khai thác được nguồn tài nguyên thiên nhiên quí giá của đất nước, góp phần xóa đói giảm nghèo cho nông dân những vùng sâu, vùng xa đồng thời để có thể tìm được đầu ra vững chắc cho loại cây này, thúc đẩy sản xuất một số mặt hàng thực phẩm, dược phẩm, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu công nghệ khai thác và ứng dụng tinh dầu hương bài Việt Nam”, với mục tiêu: Tạo ra qui trình công nghệ mới để sản xuất tinh dầu hương bài cho hiệu suất thu nhận và chất lượng sản phẩm cao. Đây là việc làm vừa có ý nghĩa khoa học, vừa mang tính thực tiễn cao. 8 TÓM TẮT NHIỆM VỤ 1. Mục tiêu của đề tài: Xây dựng được qui trình công nghệ khai thác và tinh chế tinh dầu hương bài để ứng dụng trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm. 2. Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu phân tích và đánh giá chất lượng nguyên liệu hương bài Việt Nam. - Nghiên cứu công nghệ cho việc khai thác các hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài. - Nghiên cứu công nghệ tinh chế dầu hương bài đạt yêu cầu làm hương liệu trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm. - Ứng dụng các sản phẩm của đề tài vào thực tế sản xuất. 3. Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được: 3.1. Phương pháp nghiên cứu: - Các phương pháp xử lý nguyên liệu hương bài Việt Nam. - Sử dụng công nghệ chưng cất và trích ly để khai thác các hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài. - Sử dụng phương pháp trích ly (lỏng – lỏng) để tinh chế dầu hương bài. - Sử dụng các phương pháp phân tích truyền thống và hiện đại để đánh giá chất lượng của nguyên liệu và sản phẩm của đề tài. 3.2. Kết quả đạt được: - Có kết quả đánh giá chất lượng nguyên liệu. - Có qui trình công nghệ khai thác các hợp chất tạo hương vị từ rễ hương bài quy mô xưởng thực nghiệm. - Có qui trình công nghệ tinh chế tinh dầu hương bài quy mô xưởng thực nghiệm. - Đã tiến hành sản xuất thử nghiệm tinh dầu hương bài ở quy mô pilot. - Có kết quả phân tích và đánh giá chất lượng sản phẩm tinh dầu hương bài. - Đã ứng dụng sản phẩm của đề tài vào thực tế sản xuất thực phẩm và dược phẩm, kết quả ban đầu thu được là rất khả quan. 9 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Giới thiệu về cỏ hương bài 1.1.1 Giới thiệu chung Hương bài hay còn gọi là hương lau hoặc hương lâu có tên khoa học Vetiveria zizanioides L. là một loài cỏ sống lâu năm thuộc họ hoà thảo. Tên chi Vetiveria bắt nguồn từ Vetiver, tên gọi Vetiver có nguồn gốc từ tiếng Tamil [2,8, 11]. Cỏ hương bài có nguồn gốc từ Ấn Độ, mọc hoang ở các vùng đất cát. Từ xa xưa, người dân đã phát hiện ra rễ hương bài tính mát, có tác dụng hạ nhiệt, làm ra mồ hôi, kích thích, lợi tiêu hóa, gây trung tiện, lợi tiểu và điều kinh nên đã sử dụng nó như một vị thuốc [3]. Ngoài ra, nhờ chùm rễ hương bài đan xen ăn sâu trong đất và có thể chịu được lực bằng 1/6 lần so với chịu lực của bê tông nên cây có thể phát triển tốt ở vùng đất cát, đất đồi núi, dễ trồng, có khả năng kiểm soát xói mòn tốt trong các khu vực có khí hậu nóng, có vai trò làm hàng rào giữ ổn định cho các bờ hồ, sông suối, các vùng đất bậc thang, các ruộng lúa, giúp bảo vệ các công trình đập, kênh, đường bộ, sông hồ thuỷ điện.... Do đó, trồng loài cỏ này được xem như xây dựng một hàng rào bê tông sinh học chống lại sói mòn và bảo vệ đất đai. Hệ thống rễ này phát triển thành mạng lưới dày đặc giữ cho đất kết dính lại, đồng thời không cho đất bị bật ra khi gặp những dòng chảy có vận tốc lớn. Thêm vào đó, thân cỏ mọc đứng và vươn thẳng nếu trồng sát nhau sẽ làm giảm vận tốc dòng chảy, chặn được lớp đất bị nước cuốn trôi. Tại Nam Ấn Độ, gần thành phố Mysora, nông dân đã trồng cỏ hương bài làm băng cây xanh từ khoảng 200 năm nay cũng như nông dân ở Kano, Nigeria cũng đã trồng cỏ hương bài hàng thế kỷ nay. Ngày nay, chúng được trồng ở hầu khắp các châu lục như Châu Phi (Ethiopia, Nigeria…), Châu Á (Trung Quốc, Ấn Độ, Malaysia, Indonesia, Philippin, Thái Lan,…), Châu Úc, Trung và Nam Mỹ (Colombia…) để cung cấp nguyên liệu cho ngành công nghiệp khai thác tinh dầu và bảo vệ môi trường [11, 42, 43]. Hương bài là một loại cây khá dễ trồng, thích nghi rộng, phát triển rất mạnh trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Ở nước ta, cỏ hương bài ban đầu chủ yếu được trồng ở huyện Tiền Hải – Thái Bình. Những năm gần đây An Giang đã tìm nguồn giống cỏ hương bài để trồng với mục đích chống sạt lở ở một số huyện 10 như Tri Tôn, Tân Châu…, sau đó là một số tỉnh miền Đông Nam bộ, miền Bắc và miền Trung. Hiện nay, cỏ hương bài được trồng ở hầu khắp các tỉnh từ Bắc đến Nam để chống xói mòn đất và lấy rễ làm dược liệu, làm hương thắp, phục vụ cho đời sống hàng ngày của người dân. Ở Việt Nam nhiều hộ nông dân đã thoát nghèo nhờ nguồn lợi kinh tế thu được từ việc bán rễ cây hương bài [9, 11]. 1.1.2. Đặc tính thực vật và sinh thái Cỏ hương bài là một loại cây thảo sống lâu năm thường mọc thành bụi dày đặc, từ gốc rễ mọc ra rất nhiều chồi ở các hướng. Thân cỏ mọc thẳng đứng, cao trung bình 1,5 - 2m, nhưng có thể cao tới 3m, dạng thân cọng, cứng và hoá gỗ. Phần thân trên không phân nhánh, phần dưới đẻ nhánh rất mạnh. Mắt nhẵn nhụi, không có lông nằm tiếp giáp giữa các thân cọng cỏ và lồi ra, từ đó tạo ra rễ khi cỏ hương bài được chôn vùi vào đất. Lá dài khoảng 45-100cm và rộng khoảng 612mm, rìa lá có hình răng cưa, lá mỏng và cứng. Rễ là phần hữu dụng và quan trọng nhất. Không giống như phần lớn các loài cỏ dại có rễ dạng sợi cắm đứng vào đất không mọc sâu với phần thân cỏ bò lan trên mặt đất và cắm vào đất trải rộng theo chiều ngang tương tự như một tấm thảm, cỏ hương bài không có căn hành, không bò lan, thân rễ đan xen nhau và có thể phát triển rất nhanh. Hệ thống rễ của cây cỏ hương bài có dạng chùm không mọc trải rộng mà lại mọc thẳng và sâu xuống đất, kể cả rễ chính, rễ thứ cấp hoặc rễ dạng sợi tới độ sâu khoảng 2-4m, rộng đến 2,5m sau hai năm trồng. Một đặc tính quan trọng của rễ loài Vetiveria zizanioides L. là có chứa tinh dầu, có mùi thơm đặc trưng của cỏ hương bài, thường có chất lượng tốt nhất 18 tháng sau khi trồng [11, 33, 42]. Theo các nhà nông học, cỏ hương bài là cây lưỡng tính, có gié hoa lưỡng tính. Các gié hoa có phân hoá giới tính như lưỡng tính, đực hoặc bất thụ trên cùng một cây. Loài Vetiveria zizanioides L. được dùng phổ biến vì có đặc điểm không tạo hạt, nhân giống chủ yếu bằng phương pháp vô tính nên không thể mọc tràn lan như một số loài cỏ dại khác. Do đó cỏ hương bài không có khả năng trở thành cỏ dại [11, 42]. Cỏ hương bài khá dễ trồng, dễ sống, chịu hạn tốt, ít bị sâu bệnh, thấm nước và giữ nước tốt. Nó vừa ưa khô vừa ưa nước, trồng được ở bất kì loại đất nào, không kể độ màu mỡ. Cỏ được nhân giống bằng cụm rễ và cành giâm. Cây thường mọc thành bụi hay khóm lớn [6]. 11 Trong tự nhiên, cỏ hương bài có sức chịu đựng đối với biến động khí hậu rất lớn như hạn hán kéo dài, khả năng chịu ngập úng kéo dài đến 45 ngày ở luồng nước sâu 0,6 – 0,8m và chịu được biên độ nhiệt độ từ -100C đến 480C. Tuy nhiên lượng mưa khoảng 300mm và nhiệt độ từ 18 - 250C là điều kiện lý tưởng cho loài này phát triển mạnh. Cỏ hương bài phát triển tốt ở điều kiện ẩm, thông thường cỏ hương bài cần một mùa ẩm ướt ít nhất 3 tháng. Nhưng chúng cũng có thể sinh trưởng tốt ở điều kiện khô hạn và trên các triền dốc nhờ hệ thống rễ đâm ăn sâu vào đất. Cỏ hương bài là loại cây rất thích hợp trong vùng có lượng ánh sáng cao. Là loài cỏ có thể phát triển trên phần lớn các loại đất, từ đất vertisol nứt - đen đến đất alfisol đỏ. Cỏ còn mọc trên đá vụn, đất cạn và cả đất trũng ngập nước. Cỏ hương bài mọc tốt nhất ở chỗ đất trống và thoát nước tốt, nhất là ở đất non trẻ tạo từ tro núi lửa và đất cát sâu. Hàm lượng tinh dầu trong rễ cỏ hương bài sẽ tăng lên nếu cỏ được trồng ở đất sét [2, 6, 42]. 1.1.3. Thu hoạch và bảo quản rễ [2,20] Rễ vừa mới nhổ lên đem rửa sạch thật nhanh rồi đem phơi khô dưới bóng râm, phơi ngoài trời nắng tinh dầu sẽ bay hơi mạnh. Thời gian bảo quản rễ tốt nhất từ 1 - 3 tháng sau thu hoạch, nếu bảo quản trong kho có điều kiện tốt thì cũng không quá 6 tháng. Thời gian kéo dài quá 3 tháng chất lượng tinh dầu có tốt hơn nhưng hàm lượng thì giảm nhiều và thời gian chưng cất cần phải kéo dài làm giảm hiệu quả kinh tế. Tác giả Trần Minh Hợi và các cộng sự đã khảo sát mức độ ảnh hưởng của thời gian bảo quản nguyên liệu tới hàm lượng, các chỉ số hóa lý và chất lượng của tinh dầu hương bài (xem bảng 1.1). Kết quả khảo sát này cho thấy sau khi bảo quản 100 ngày hàm lượng tinh dầu giảm không đáng kể so với ngay sau khi thu hoạch (từ 2,5 % xuống 2,2 %), nhưng giảm mạnh khi thời gian bảo quản lên tới 173 ngày (còn 1,2 %). Hàm lượng ancol tự do lại tăng lên (từ 53 % tăng lên 63 %), nhưng khi bảo quản tới 173 ngày thì mất hết ancol [2]. 12 Bảng 1.1. Ảnh hưởng của thời gian bảo quản nguyên liệu tới chất lượng và hàm lượng tinh dầu [2] Thời gian bảo quản (ngày) Hàm lượng tinh dầu (%) Tỷ trọng, d20 (g/g) Góc quay cực, α20D Chỉ số khúc 20 xạ,n D 18 2,5 1,0441 +150 1,519 32,6 19,4 23,6 53,0 54 2,1 1,0390 - 1,516 32,6 23,7 16,2 61,0 100 2,2 1,0455 +130 1,516 32,6 20,1 17,9 63,0 173 1,2 1,0579 +160 1,518 24,3 28,0 19,5 - Chỉ số Chỉ số Chỉ số axit, este mg mg cacbonyl KOH/g KOH/g Ancol tự do (%) 1.1.4. Thành phần hoá học của rễ cỏ hương bài Rễ hương bài tươi có độ ẩm từ 45-55%, còn lại là các chất khô. Trong thành phần chất khô, tinh dầu (chiếm từ 1-3%) là thành phần quan trọng nhất tạo nên giá trị cao cho cỏ hương bài. Ngoài ra, theo nhiều tài liệu tham khảo, trong rễ hương bài khô còn có các chất khác như xenluloza 80-89%, tinh bột 2-5%, protein 2-7%, đường 1-4%, chất béo 0,5-2%, và một lượng rất ít các chất khoáng, chất màu, vitamin…[20, 35]. Hàm lượng và chất lượng của tinh dầu rễ cỏ hương bài dao động từ 1-3% tuỳ thuộc vào giống, khí hậu và thổ nhưỡng. Tuỳ theo từng loại đất khác nhau mà hàm lượng tinh dầu thu được cũng khác nhau, nếu được trồng ở vùng đất sét thì hàm lượng và chất lượng tinh dầu sẽ cao hơn [14]. 1.2. Giới thiệu về tinh dầu hương bài 1.2.1. Tính chất hoá lý Tinh dầu hương bài được chiết tách từ rễ cây cỏ hương bài bằng các phương pháp chưng cất cuốn theo hơi nước hoặc trích ly với dung môi hữu cơ. Tinh dầu cỏ hương bài có màu nâu hổ phách và khá đậm đặc có mùi thơm ngọt, khói, gỗ, đất, hổ phách [12, 20, 22]. Chất lượng tinh dầu phụ thuộc vào nguồn gốc, tình trạng khai thác của nguyên liệu. Bên cạnh đó, nguyên liệu ở các độ tuổi khác nhau thì sẽ cho chất lượng tinh dầu khác nhau, chất lượng tinh dầu tốt nhất khi rễ được 18 – 24 tháng tuổi. Thời điểm thu hái, phương pháp sơ chế và bảo quản cũng ảnh hưởng rất lớn 13 đến chất lượng tinh dầu. Ngoài ra, chất lượng của tinh dầu cũng phụ thuộc rất nhiều vào giống, loại đất trồng, địa lý và khí hậu. Chất lượng tinh dầu có thể đánh giá sơ bộ thông qua các chỉ số hóa lý. Với tinh dầu hương bài, tỷ trọng và độ quay cực của tinh dầu càng lớn thì mùi thơm càng mạnh. Sự khác nhau về chất lượng tinh dầu giữa các nước được thể hiện ở bảng 1.2 [2]. Bảng 1.2. Tính chất hoá lý của tinh dầu hương bài ở một số nước Nơi trồng Tỷ trọng, d420 (g/g) Chỉ số khúc xạ, nD20 Góc quay cực, αD Chỉ số axít (mg KOH/g) Chỉ số este (mg KOH/g) Đảo Zava 0,985 – 1,045 1,510 – 1,530 +150 – +450 8 – 35 5 – 25 Đảo Reunion 0,990 – 1,020 1,515 – 1,527 + 220 – +370 4,5 – 17,0 5 – 20 Ấn Độ 1,0005 – 1,0007 1,5221 – 1,5271 + 170 – +300 8,4 – 9,3 9,3 – 12,1 Liên Xô (cũ) loại N014 1,0303 – 1,0572 1,521 – 1,525 +100 – +260 51,89 – 112,7 11,6 – 30,6 1.2.2. Thành phần hoá học của tinh dầu hương bài Thành phần hóa học của tinh dầu hương bài rất phức tạp, có khoảng trên 100 thành phần dạng sesquiterpene và các dẫn xuất của chúng thuộc về 11 dạng cấu trúc [17]. Thành phần chính bao gồm: các sesquiterpnene hydrocacbon như cadenene, clovene, amorphine, aromadendrine, junipene; các dẫn xuất alcohol của vetiverol như khusimol, epiglobulol, spathulenol, khusinol, vetivenol (bicyclo-); các dẫn xuất carbonyl của vetivone (ketone) như vetivone, khusimone; và các dẫn xuất este như khusinol acetate … [27, 28]. Chowdhury A. R. và cộng sự (năm 2002) đã nghiên cứu phân tích mẫu tinh dầu hương bài Ấn Độ và nhận thấy mẫu tinh dầu này có các thành phần chính sau (bảng 1.3.) [19]: 14 Bảng 1.3. Thành phần hoá học chính của tinh dầu hương bài Ấn Độ TT Thành phần Hàm lượng (%) TT Thành phần Hàm lượng (%) 1 Khusimol 12,71 11 α – Amophen 2,07 2 Calaren-gurinen 9,84 12 α – Vetivon 2,02 3 Cedrene-13-ol(8-) 4,20 13 δ-Cadinen 1,72 4 γ- Selinen 4,13 14 δ – Selinen 1,63 5 Terpen-4-ol 3,75 15 β - Vetivon 1,62 6 Valerenol 3,93 16 Khusimon 1,49 7 (-)-Spathulenol 3,33 17 α - Musolen 1,14 8 3 – Epizizand 2,97 18 Calacoren 0,94 9 β- Humulen 2,37 19 5 - Epiprezian 0,71 2,30 20 Khusimen 0,66 10 Valencen 1.2.3. Công thức hoá học của một số hợp chất chính trong tinh dầu hương bài [10, 23] OH OH Khusimol OH Khusinol OH O Khusinodiol α –Vetivon 15 O OH β – Vetivon Vetivenol β – Vetiven γ – Vetiven HO CH2OH Isovalencenol zizanol HOOC HOC Axit zizanoic Zizanal OH O α –Cadinol Epizizanal 16 HO Terpen-4-ol Valence O OH H O HO O Axít benzoic Calaren-gurinen Spathulenol 1.3. Các phương pháp khai thác tinh dầu Hiện nay có nhiều phương pháp được sử dụng để khai thác các loại tinh dầu như: phương pháp cơ học, phương pháp hấp phụ, phương pháp trích ly, phương pháp chưng cất. Tuy nhiên, đối với tinh dầu hương bài các phương pháp khai thác thường được sử dụng là phương pháp chưng cất và phương pháp trích ly . 1.3.1. Phương pháp chưng cất [1, 14, 39] Phương pháp chưng cất theo hơi nước là quá trình chuyển khối, trong đó hai hay nhiều cấu tử lỏng không hoà tan lẫn nhau tạo thành hỗn hợp hơi đẳng phí ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của cấu tử có nhiệt độ sôi thấp nhất. Do nhiệt độ sôi của hầu hết các cấu tử trong các loại tinh dầu đều cao hơn nhiệt độ sôi của nước nên nhiệt độ trong quá trình chưng cất đều thấp hơn 1000C, do đó không làm phân huỷ thành phần các chất thơm trong tinh dầu. Hiện nay, phương pháp chưng cất vẫn được sử dụng nhiều trong công nghệ khai thác tinh dầu vì thiết bị đơn giản và chất lượng tinh dầu khá tốt. Nhìn chung qui trình sản xuất tinh dầu bằng phương pháp chưng cất được mô tả trong hình 1.1. 17 Nguyên liệu Nghiền Chưng cất Bã Phân ly Tinh dầu thô Nước chưng Tinh chế Tách TD loại 2 TINH DẦU Hình 1.1. Sơ đồ qui trình công nghệ sản xuất tinh dầu bằng phương pháp chưng cất Những yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình chưng cất: 1. Nguyên liệu - Độ ẩm nguyên liệu: Độ ẩm nguyên liệu lớn sẽ gây tốn thể tích thiết bị trích ly. Song nếu độ ẩm nguyên liệu quá thấp khi chưng cất gặp nước hoặc hơi nước, nguyên liệu sẽ trương nở dễ gây trào. - Độ mịn nguyên liệu: Độ mịn nguyên liệu có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình chưng cất. Nguyên liệu nếu để ở dạng rễ thô thì hiệu suất chưng cất sẽ rất thấp vì khi đó tinh dầu trong nguyên liệu khó thoát ra ngoài. Nhưng nếu nguyên liệu được nghiền quá mịn, khối nguyên liệu không có độ xốp sẽ khó tiếp xúc với 18 hơi nước trong trường hợp chưng cất bằng hơi nước; hoặc khó đảo trộn, dễ bị khê khét trong trường hợp cất cuốn theo hơi nước. 2. Phương pháp chưng cất Các phương pháp chưng cất thường được sử dụng trong chưng cất tinh dầu là: chưng cất với nước (cất lôi cuốn theo hơi nước), chưng cất bằng hơi nước không có nồi hơi riêng, chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu mà người ta chọn phương pháp thích hợp. 3. Các yếu tố công nghệ Có nhiều yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình chưng cất tinh dầu nhưng các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất là: tỷ lệ nguyên liệu/thể tích thiết bị, tỷ lệ nguyên liệu/thể tích nước chưng cất, tốc độ chưng cất, thời gian chưng cất.. 1.3.2. Phương pháp trích ly [1, 14, 39] Nguyên lý của phương pháp trích ly: Quá trình trích ly được thực hiện dựa vào tính hoà tan tốt của tinh dầu trong các dung môi hữu cơ, đây là quá trình chuyển khối do có sự chênh lệch nồng độ nguyên liệu và dòng chảy bên ngoài (dung môi). Thực chất quá trình trích ly là quá trình ngâm chiết nhằm chuyển tinh dầu từ bên trong nguyên liệu vào dung môi nhờ quá trình khuếch tán phân tử, chuyển tinh dầu từ bề mặt nguyên liệu vào dung môi bằng khuếch tán đối lưu. Trước tiên các phần tử trích ly được dung môi thấm ướt, phần tinh dầu trên bề mặt nguyên liệu tan vào dung môi, sau đó dung môi thấm sâu vào bên trong các phần tử trích ly để tiếp tục hoà tan tinh dầu bên trong rồi khuếch tán ra bên ngoài do sự chênh lệch áp suất và nồng độ. Quá trình hoà tan tinh dầu vào dung môi diễn ra cho đến khi đạt sự cân bằng nồng độ dòng khuếch tán thì dừng lại. Trên thực tế, quá trình trích ly là quá trình khuếch tán phân tử và khuếch tán đối lưu dựa vào điều kiện chuyển khối từ công thức của định luật Fick để giải thích và tính toán (có dấu trừ theo chiều giảm nồng độ) [10]. dm = - DF dc dT dk Trong đó: dm: Lượng vật chất chuyển khối D: Hệ số chuyển khối F: Bề mặt khuếch tán 19 dc/dk: Gradien nồng độ dT: Thời gian khuếch tán Cơ sở vật lý của quá trình trích ly là dựa vào sự khác nhau về hằng số điện môi của dung môi và chất cần trích ly. Những chất có hằng số điện môi gần nhau sẽ dễ hòa tan vào nhau. Tinh dầu có hằng số điện môi dao động từ 2 – 5 và các dung môi hữu cơ thông thường có hằng số điện môi không lớn lắm thí dụ: hexan là 1,89; étxăng là 2; benzen là 2,2. Phương pháp này có thể tiến hành ở nhiệt độ thường (khi trích ly) và có thể lấy được những thành phần quí như sáp, nhựa thơm trong nguyên liệu mà phương pháp chưng cất không thể tách được. Vì thế, chất lượng của tinh dầu sản xuất bằng phương pháp này khá cao. Qui trình chung để trích ly tinh dầu được minh hoạ trong hình 1.2 Nguyên liệu Sơ chế Dung môi Trích ly Bã Cô đặc Tinh dầu thô DM thu hồi Tinh chế Xử lý DM TINH DẦU Hình 1.2. Sơ đồ qui trình công nghệ sản xuất tinh dầu bằng phương pháp trích ly 20