Đề tài Xây dựng quy trình công nghệ thu nhận tinh dầu từ lá tía tô

Cai, Lạng Sơn, Hòa Bình Ở miền Nam, tía tô được trồng nhiều ở Bình Chánh, Củ Chi, Hóc Môn. Ở miền Bắc, do nhu cầu sử dụng tía tô làm gia vị , cây được trồng quanh năm ở các vùng ngoại thành Hà Nội như Đông Dư ( Gia Lâm); Hoàng Liệt, Duyên Hà (Thanh Trì); Vân Nội ( Đông Anh) Ở nước ta, tía tô mới chỉ được trồng làm rau và làm thuốc, hạt chủ yếu để làm giống. Tính tới thời điểm này, chưa có một cơ sở nào sản xuất tinh dầu lá tía tô. 1.3. Các phương pháp trích ly tinh dầu 1.3.1. Cơ sở của phương pháp trích ly. 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 20 (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). dm = - DF dc dT dk Trong đó: dm: Lượng vật chất chuyển khối D: Hệ số chuyển khối F: Bề mặt khuếch tán 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 quý 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. 21 Qui trình chung để trích ly tinh dầu được minh hoạ trong sơ đồ2.1 Sơ đồ2.1. Sơ đồ mô tả quy trình trích ly tinh dầu 1.3.2. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly 1.3.2.1. Nguyên liệu - Độ ẩm nguyên liệu: Khi độ ẩm nguyên liệu lớn thì tốn thể tích thiết bị trích ly và tốn lượng dung môi sử dụng, tổn thất tinh dầu trong quá trình cô đặc. Khi độ ẩm nguyên liệu quá thấp sẽ ảnh hưởng tới quá trình tách và thoát tinh dầu ra khỏi bề mặt nguyên liệu. - Độ mịn nguyên liệu: Nguyên liệu nếu để nguyên ở dạng lá thô thì hiệu suất trích ly sẽ rất thấp vì khi đó tinh dầu trong nguyên liệu rất khó tiếp xúc với Nguyên liệu Sơ chế Trích ly Cô đặc Tinh dầu thô Tinh chế Xử lý DM DM thu hồi TINH DẦU Dung môi Bã 22 dung môi. Nhưng nếu nguyên liệu được nghiền quá mịn sẽ gây bí bết cản trở sự tiếp xúc giữa nguyên liệu và dung môi, cản trở quá trình lọc. 1.3.2.2. Phương pháp trích ly Trong quá trình khai thác tinh dầu tía tô thì việc lựa chọn ra một phương pháp khai thác thích hợp là rất quan trọng. Vì nó có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất thu nhận tinh dầu, chất lượng tinh dầu và hiệu quả kinh tế thu được. Phương pháp trích ly được phân loại theo nhiều cách: - Theo trạng thái của nguyên liệu, dung môi trong quá trình trích ly, ta có: + Trích ly tĩnh: ngâm nguyên liệu trong dung môi cho tới khi đạt nồng độ chất hòa tan bão hòa; trong suốt quá trình trích ly, nguyên liệu và dung môi không được đảo trộn. + Trích ly động (có khuấy trộn): dung môi và nguyên liệu không thay đổi trong cùng một thiết bị trong suốt thời gian trích ly, nguyên liệu và dung môi được đảo trộn nhờ cánh khuấy làm tăng sự tiếp xúc giữa hai pha, do đó hiệu suất trích ly cao hơn, thời gian trích ly giảm. - Theo số bậc trích ly và chiều chuyển động của dung môi, nguyên liệu ta có: +Trích ly một bậc: Trong quá trình trích ly, nguyên liệu và dung môi chỉ tiếp xúc với nhau một lần trong thiết bị trích ly. + Trích ly nhiều bậc: Trong quá trình trích ly, nguyên liệu là pha tĩnh nằm trong các thiết bị khác nhau, dung môi lần lượt chảy qua các lớp nguyên liệu ở các thiết bị sao cho đạt được bão hòa chất tan. Dung môi có thể đi xuôi chiều hoặc ngược chiều so với nguyên liệu. Ngoài ra trong công nghiệp khai thác tinh dầu, người ta còn sử dụng một số phương pháp trích ly khác như: trích ly hồi lưu, trích ly luân chuyển, trích ly bằng thiết bị sohxlet. Hiện nay, có những nghiên cứu trích ly tinh dầu bằng phương pháp trích ly CO2 lỏngvà CO2 siêu tới hạn cũng bắt đầu thu được những kết quả khả quan. 23 1.3.2.3. Dung môi Trong quá trình trích ly, chất lượng tinh dầu thu được cùng với hiệu suất trích ly phụ thuộc rất lớn vào dung môi trích ly. Nhìn chung, dung môi cho quá trình trích ly tinh dầu cần đạt được những yêu cầu sau: - Hoà tan tốt tinh dầu nhưng không hoà tan các chất, tạp chất khác có trong nguyên liệu - Có nhiệt độ sôi thấp, tuy nhiên nếu quá thấp thì tổn thất dung môi sẽ rất lớn, trong sản xuất dễ gây hoả hoạn và rất khó làm ngưng tụ để thu hồi dung môi - Độ nhớt của dung môi phải thấp, để không làm giảm tốc độ khuếch tán - Phải tinh khiết, không ăn mòn thiết bị, sau khi thu hồi dung môi không để lại mùi vị lạ cũng như các sản phẩm độc hại trong tinh dầu - Không hoà tan nước, không tác dụng với nước ở bất kỳ nhiệt độ nào - Không tạo hỗn hợp nổ với không khí, khí cháy - Có giá thành thấp và dễ mua. Nói chung, hiện nay chưa có một dung môi nào đáp ứng được đầy đủ các điều kiện như đã nêu ở trên. Vì vậy, trong quá trình tiến hành, phải căn cứ vào hiệu suất và chất lượng tinh dầu thu nhận được, căn cứ vào tính kinh tế và an toàn để lựa chọn dung môi phù hợp nhất. 1.3.2.4. Yếu tố công nghệ Có rất nhiều yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình trích ly nhưng theo một số tài liệu tham khảo, những yếu tố ảnh hưởng rõ rệt nhất đến hiệu suất thu nhận cũng như chất lượng tinh dầu là số lần trích ly, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi, tốc độ khuấy trộn, nhiệt độ trích ly, thời gian trích ly... 24 PHẦN THỨ HAI ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị 2.1.1. Nguyên liệu Lá tía tô thu hái tại một số tỉnh phía Bắc: Lào Cai, Hà Giang, Bắc Giang, Bắc Ninh, Hưng Yên, Thường Tín trong thời gian từ tháng 2 tới tháng 5 năm 2016. Nguyên liệu sử dụng phải có chất lượng đồng đều, tươi, không bị sâu bệnh. Lá tía tô nguyên liệu phải được thu hái trong điều kiện khô ráo để đảm bảo sự đồng đều trong các mẫu khảo sát. Nguyên liệu sau khi thu hái được phơi khô ở điều kiện tự nhiên tới độ ẩm khoảng 20% sử dụng cho các thí nghiệm trích ly tinh dầu 2.1.2. Hóa chất + Cồn thực phẩm (C2H5OH) 96% và 99,5% + Nước cất + Acetone + Dung dịch Iod + Dung dịch HCl 25% và 6N + Etyl acetate (C3H8O2) 99,5% + Toluen (C6H5CH3) 99% + Natri hydroxit ( NaOH) 10% + K3Fe(CN)6 0,05N + Kali iodua (KI) 1% + Kẽm sulphat (ZnSO4) + Natri sulphat khan (Na2SO4) + Đồng sulphat (CuSO4) + Acid acetic (CH3COOH) băng (99,5%), 10% + Na2S2O3 0,05N + Dung dịch tinh bột 1% 25 + Acid nitric (HNO3) + Kali hydroxit (KOH) 0,1 và 0,5N trong etanol + Acid sunfuric 0,5N và 0,01N + Phenol phtalein 2% trong etanol + HClO4 + Hỗn hợp KI+ ZnO4 + Sulfocromic (hòa tan 60g kalibicromat trong 100ml acid sulfuric đậm đặc) 2.1.3. Thiết bị + Bộ chưng cất tinh dầu nhẹ Clevenger + Cân kỹ thuật, cân phân tích, bình hút ẩm + Máy cô quay Buchi B-480 + Bình cầu các loại gắn với sinh hàn hồi lưu hoặc sinh hàn khí + Phễu chiết, phễu lọc, cốc đong, ống đong và bình tam giác các loại + Tủ hút KOTTERMANN- Germany + Tủ sấy tự động khống chế nhiệt độ Memmerr Model 500 D06061 + Bình tỉ trọng dung tích 50ml + Bếp đun bình cầu + Bộ xác định hàm ẩm + Máy cắt đạm Microkendan + Khúc xạ kế kiểu Abbe + Pipet các loại, giấy lọc, nhiệt kế các loại + Bình định mức 250ml, 500ml + Máy xay STRAUME-USSR 2.2. Phương pháp nghiên cứu Mỗi thí nghiệm được tiến hành 3 lần lặp lại trong cùng một điều kiện công nghệ, sau đó lấy giá trị trung bình. 26 Sơ đồ 2.1. Sơ đồ khối các bước tiến hành đề tài nghiên cứu 2.2.1. Nghiên cứu đánh giá chất lượng nguyên liệu lá tía tô 2.2.1.1. Xác định độ ẩm của nguyên liệu bằng phương pháp chưng cất với Toluen Cân chính xác 10 g nguyên liệu đã được cắt nhỏ và đong 150 ml dung dịch Toluen đổ ngập nguyên liệu, rồi cho vào bình cầu có dung tích 500 ml. Lắp Nghiên cứu, đánh giá chất lượng nguyên liệu Xác định chế độ xử lý nguyên liệu NGUYÊN LIỆU Xác định chế độ trích ly thích hợp Phân tích, đánh giá chất lượng sản phẩm Đề xuất quy trình công nghệ trích ly tinh dầu lá tía tô Nguyên liệu Xác định thành phần hóa học Độ mịn nguyên liệu Phương pháp trích ly Loại dung môi sử dụng Số lần trích ly Tốc độ khuấy trộn Thời gian trích ly Nhiệt độ trích ly Độ ẩm nguyên liệu Tỷ lệ nguyên liệu/dung môi Xác định thành phần cơ lý Chỉ tiêu hóa lý Thành phần hóa học 27 dụng cụ xác định thủy phần cùng với sinh hàn hồi lưu. Đun sôi hỗn hợp trong bình đến nhiệt độ sôi cho tới khi không nhìn thấy nước ra ở dụng cụ xác định thủy phần (thời gian khoảng 2h) thì ngừng đun. Để hỗn hợp phân lớp trong thì đọc thể tích nước ở dụng cụ đo. Hàm lượng nước trong lá tía tô nguyên liệu được xác định theo công thức sau. W = . .100%V d m Trong đó: W: Độ ẩm của nguyên liệu (%) m: Khối lượng nguyên liệu (g) V: Thể tích nước thu được ở dụng cụ đo (ml) d: Tỷ trọng của nước (g/ml) Chú ý: - Dụng cụ thí nghiệm phải đảm bảo được sấy khô hoàn toàn. - Nước làm mát phải luôn luôn đảm bảo. 2.2.1.2. Xác định hàm lượng tinh dầu trong nguyên liệu bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn theo hơi nước Cân chính xác 200g nguyên liệu đã được cắt nhỏ và đong 1200ml (sao cho nguyên liệu ngập trong nước), cho vào bình cầu 2000ml rồi đem chưng cất tinh dầu theo phương pháp chưng cất lôi cuốn theo hơi nước bằng bộ xác định hàm lượng tinh dầu nhẹ Clevender. Quá trình kết thúc khi lượng tinh dầu trong ống thu nhận không tăng lên. Để đảm bảo tinh dầu trong nguyên liệu được khai thác triệt để, chúng tôi tiến hành chưng cất trong thời gian 4,5h. Tinh dầu thô thu được còn lẫn nước được chiết bằng ethyl acetate, làm khan bằng Na2SO4 sau đó đem cô quay để đuổi dung môi, thu được tinh dầu nguyên chất. Hàm lượng tinh dầu có trong nguyên liệu được xác định theo công thức: X1 = m2.104 m1.(100 - W) % 28 Trong đó: X1: Hàm lượng tinh dầu tính theo chất khô trong nguyên liệu (%) m2: Khối lượng tinh dầu thu được (g) m1: Khối lượng nguyên liệu (g) W: Độ ẩm của nguyên liệu (%) 2.2.1.3. Xác định hàm lượng Protein trong lá tía tô bằng phương pháp Kjeldah - Định lượng Nitơ tổng số theo phương pháp Kjeldhal Giai đoạn 1: Vô cơ hóa mẫu nghiên cứu Cân 0,5g mẫu cho vào bình Kjeldhal. Công phá mẫu bằng H2SO4 đậm đặc để qua đêm. Pha loãng dung dịch vô cơ hóa, sử dụng để cất amoniac. Giai đoạn 2: Cất amoniac trên máy MicroKjeldhal Hàm lượng Nitơ có trong nguyên liệu là: %NTS = a. 0,142.V.100/v.c Trong đó: a: Lượng H2SO4 0,01 N dùng để chuẩn độ sau khi đã trừ ở bình đối chứng V: Số ml dịch mẫu pha loãng (100ml) v: Số ml dịch mẫu đem cất amoniac ( 10 ml ) c: Khối lượng mẫu đem phân tích 0,142: Số mg nito tương đương với 1ml H2SO4 0,01 N - Định lượng Nitơ phi protein Lấy phần dịch đã tách protein cho vào bình Kjeldhal, thêm vào đó 5ml H2SO4 đặc và 100 mg hỗn hợp xúc tác K2SO4 / CuSO4 (tỷ lệ 3:1), vô cơ hóa mẫu, cất NH3, chuẩn độ và tính toán xác định lượng nitơ phi protein Hàm lượng nitơ protein được tính theo công thức: 29 NP = NTS - NPP - Xác định hàm lượng protein theo công thức: P = NP * 5,95 2.2.1.4. Xác định hàm lượng lipit trong lá tía tô bằng thiết bị Soxhlet Cân 1g mẫu đã được sấy khô và nghiền nhỏ cho vào bao giấy bóng mờ không thấm dầu, mỡ đã chuẩn bị trước. Sấy lại bao có mẫu ở nhiệt độ 105oC trong 30 phút, xác định lại khối lượng bao mẫu (Cm). Chiết dầu bằng thiết bị Shoxlet, thời gian chiết rút 7-8h. Hàm lượng dầu trong mẫu được tính như sau: Cm - Cc X = * 100 C Trong đó: X: Hàm lượng dầu có trong mẫu ở độ khô tuyệt đối (% chất khô) Cm: Khối lượng gói mẫu ở độ khô tuyệt đối (gram) Cc: Khối lượng gói mẫu đã chiết dầu ở độ khô tuyệt đối (gram) C: Khối lượng mẫu đem phân tích (gram) 2.2.1.5. Xác định hàm lượng xenluloza bằng phương pháp dùng HNO3 Cân chính xác 2g lá tía tô đã cắt nhỏ (hoặc xay mịn) và đã biết trước hàm ẩm cho vào bình tam giác, cho tiếp hỗn hợp gồm 2 ml axit HNO3 và 20 ml axit CH3COOH băng. Lắp ống sinh hàn rồi đun cách thủy trong khoảng 30 - 45 phút. Sau đó lấy bình tam giác ra, để nguội và pha loãng dịch trong bình bằng nước cất nóng rồi đem lọc bằng phễu có chứa giấy lọc đã biết trước trọng lượng, tráng rửa giấy lọc chứa Xenluloza nhiều lần bằng nước cất nóng, tiếp tục tráng rửa giấy lọc chứa Xenluloza bằng cồn Etylic 96% (1 - 2 lần, mỗi lần 10 - 15 ml), 30 cuối cùng tráng rửa bằng Ete etylic. Sấy giấy lọc chứa Xenluloza đến khối lượng không đổi. Hàm lượng Xenluloza được tính theo công thức: X = 4 .10 .(100 w) a m − Trong đó: X- Hàm lượng Xenluloza (%) a - Khối lượng xenluloza thu được (g) m - Khối lượng nguyên liệu đem phân tích (g) W - Độ ẩm của nguyên liệu (%) 2.2.2. Nghiên cứu quy trình công nghệ trích ly tinh dầu lá tía tô 2.2.2.1. Nghiên cứu chế độ xử lý nguyên liệu trước khi trích ly Nguyên liệu lá tía tô trước khi trích ly cần được xử lý để làm tăng quá trình tách và thoát tinh dầu ra khỏi bề mặt nguyên liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trích ly tinh dầu. Ở đây, tôi sẽ khảo sát về ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu, độ mịn nguyên liệu đến hiệu suất thu nhận tinh dầu. Dựa vào hiệu suất thu nhận tinh dầu thu được để lựa chọn chế độ xử lý nguyên liệu thích hợp nhất. 2.2.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình trích ly tinh dầu lá tía tô Để nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình trích ly tinh dầu tía tô chúng tôi dựa trên nguyên tắc: Khi nghiên cứu ảnh hưởng của một yếu tố nhất định thì các thí nghiệm đều được tiến hành ở cùng các điều kiện công nghệ (trừ yếu tố đang được khảo sát). Sau khi đã chọn được giá trị thích hợp của các yếu tố đã được nghiên cứu thì giá trị đó được cố định trong các thí nghiệm tiếp theo để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố còn lại. 31 Các yếu tố công nghệ được khảo sát là: loại dung môi, phương pháp trích ly, số lần trích ly, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi, tốc độ khuấy trộn nguyên liệu,