Các phương pháp khai thác tinh dầu và nhựa

MỤC LỤC I) GIỚI THIỆU 2 II) PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC 2 III) PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT LÔI CUỐN HƠI NƯỚC 5 3.1) NGUYÊN TẮC CHUNG 5 3.2) CHƯNG CẤT LÔI CUỐN HƠI NƯỚC TRỰC TIẾP 5 CHƯNG CẤT CÁCH THỦY 6 3.4) CHƯNG CẤT LÔI CUỐN HƠI NƯỚC GIÁN TIẾP 6 ƯU NHƯỢC ĐIỂM 6 IV) PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY BẰNG DUNG MÔI DỄ BAY HƠI 7 TRÍCH LY BẰNG DUNG MÔI KHÔNG BAY HƠI VÀ CÁC CHẤT HẤP PHỤ RẮN 9 PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY VỚI DUNG MÔI KHÔNG BAY HƠI 9 PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ BẰNG CHẤT BÉO 11 PHƯƠNG PHÁP DÙNG CHẤT HẤP PHỤ RẮN 13 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY KHÁC 15 PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY BẰNG CO2 15 PHƯƠNG PHÁP VI SÓNG 16 PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 16  CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC TINH DẦU VÀ NHỰA GIỚI THIỆU Các chất mùi thường gặp trong tự nhiên là tinh dầu và nhựa. Tinh dầu và nhựa thuộc nhóm hợp chất izoprenoit , tức là dẫn xuất của izopren. Chúng có đặc tính chung là không tan trong nước mà tan trong dung môi hửu cơ như rượu . Tinh dầu và nhựa được tạo thành và thoát ra trong các cơ quan đặc biệt của cây:trong tuyến lông và vẩy đối với tinh dầu và trong ống nhựa đối với nhựa . Tinh dầu và nhựa có hương thơm nhất định quyết định mùi của nhiều cây , của hoa , quả . Chúng được ứng dụng làm các chất tạo mùi quan trọng . Vì vậy việc khai thác chúng là việc làm rất cần thiết. Việc lựa chọn các phương pháp tách phụ thuộc từng loại tinh dầu, nhựa thơm, giá trị thương mại , khả năng tách, độ bền nhiệt và dạng nguyên liệu ban đầu. Nói chung các phuơng pháp được dùng để tách cần phải thỏa mãn những yêu cầu cơ bản sau: Giữ cho sản phẩm có mùi vị tự nhiên ban đầu. Đơn giản , thích hợp, thuận tiện và nhanh chóng. Tách tương đối triệt để, khai thác được hết tinh dần có trong nguyên liệu với chi phí thấp. Do vậy khi khai thác hợp chất thơm từ động vật , thực vật người ta thường dùng các phương pháp sau: Phương pháp cơ học. Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước. Phương pháp trích ly bằng dung môi dễ bay hơi. Phương pháp trích ly bằng dung môi không bay hơi và các chất hấp thụ rắn. Các phương pháp khác như trích ly bằng CO2 lỏng và tách bằng kỉ thuật vi sóng , lên men … PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC 2.1 Nguyên tắc: Đây là phưong pháp tương đối đơn giản dùng để tách tinh dầu ơ’ dạng tự do bằng cách tác dụng lực cơ học lên nguyên liệu (Thường là ép). PHương pháp này được dùng phổ biến đối với các loại vỏ quả cam chanh quýt bưởi…vì ở những loại nguyên liệu này tinh dầu thường phân bố chủ yếu ở lớp tế bào mỏng trong biểu bì. Khi có lực tác dụng lên vỏ quả, các tế bào có chứa tinh dầu bị vở ra giải phóng tinh dầu. Sau khi ép, trong phần bả bao giờ cũng còn khoảng 30% đến 40% tinh dầu, người ta tiếp tục sử dụng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước hoặc trích ly để tách hết phần tinh dầu còn lại. 2.2 Quy trình: Vỏ quả Xử lý sơ bộ Tinh dầu thô (I) Làm khan Tách, gạn Lọc ly tâm Lắng Đun nóng Huyền phu (Tinh dầu, nước quả,mảnh tế bào) Ép Tinh dầu thô (II) Lôi cuốn hơi nước Trục/ trục vít 70-80oC 1) 10% dung dịch gelatin30% 2) 20% dung dịch tanin 10% ;;11010%10% Tế bào + Dạng keo khác đông tụ Na2SO4 khan 2.3 Nhận xét: Phương pháp có nhiều ưu điểm như: Tinh dầu giữ nguyên được mùi vị thiên nhiên ban dầu, các thành phần trong tinh dầu ít bị biến đổi. Tuy nhiên nhươc điểm phương pháp này là sản phẩm bị lẫn nhiều tạp chất, chủ yếu là các hợp chất hữu cơ hòa tan từ vật liệu đem ép. PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT LÔI CUỐN HƠI NƯỚC. 3.1 Nguyên tắc chung: Phương pháp chưng cất lôi cuốn tinh dầu bằng hơi nước dựa trên nguyên lý của quá trình cưng cất một hỗn hợp không tan lẫn vào nhau là nước và tinh dầu. Khi hỗn hợp này được gia nhiệt, hai chất đều bay hơi. Nếu áp suất của hơi nước cộng vơí áp suất của tinh dầu bằng áp suất của môi trường thì hỗn hợp sôi, và tinh dầu đượclấy ra cùng với hơi nước. Phương pháp này có ưu điểm về mặt năng lượng do nhiệt độ sôi của hỗn hợp thấp hơn nhiệt độ sôi của nước (100oC) và nhiệt độ sôi của tinh dầu(> 100oC) ở áp suất khí quyển. Ví dụ: Khi chưng cất lôi cuốn tinh dầu thông bằng hơi nước ở áp suất khí quyển nhiệt độ sôi của dầu thông là 158oC nhưng nhiệt độ sôi của hổn hợp khỏang 95oC. Chưng cất lôi cuốn hơi nước không dòi hỏi nhiều thiết bị phức tạp ,nhưng có khã năng tách triệt dể tinh dầu có trong nguyên liệu.ngòai ra dùng phương pháp nàycòn cho phép phân ly các cấu tử trong tinh dầu thành những phần riêng biệtcó dộ tinh khiết cao hơn dựa vào sự khác biệt về tính chất bay hơi. Chưng cất lôi cuốn hơi nước trực tiếp. Nguyên liệu và nước dược cho vào cùng một thiết bị , đun sôi , hơi nước bay ra sẽ lôi cuốn theo hơi tinh dầu, sau dó làm lạnh ngưng tụ hơi , ta sẽ thu dược tinh dầu sau khi phân ly tách nước ra.Thiết bị sữ dụng tương đối dơn giãn, rẽ tiền, phù hợp với sãn xuất nhỏ ở địa phương , nhất là ỡ những nơi mới bắt đầu khai thác tinh dầu , bước đầu chưa có điều kiệnđầu tư vào sản xuất. Phương pháp này có những nhược điểm sau: Chất lượng ting dầu sản phẩm không cao. Nguyên liệu dễ bị cháy , khét , do bị thiếu nước, bị dính vào thành thiết bị. Khó điều chỉnh các thông số kỹ thuật (nhiệt độ , áp suất) , thời gian chưng cất kéo dài. Tiêu tốn nhiều năng lượng. 3.3 Chưng cất cách thủy Trong phương pháp chưng cất cách thủy, nhuyên liệu và nước dược cho chung vào một thiết bị nhưng nguyên liệu không cho tiếp xúc trực tiếp với nước , mà dược ngăn cách bằng một lớp vỉ. Hơi nước từ phần dưới đi qua lớp vỉ , sau đó di vào lớp nguyên liệu và kéo theo hơi tinh dầu đi ra thiết bị làm lạnh. Ưu điểm của phương pháp nàylà nguyên liệu bớt cháy khét do không tiếp xúc trực tiếp với đáy nồi đốt. Tuy nhiên phẩm chất của tinh dầu và việc điều khiển các thông số kỹ thuật chưa dược cải thiện đang kể.ngoài ra phương pháp này đòi hỏi nhiều công lao động. 3.4 Chưng cất lôi cuốn hơi nước gián tiếp Phương pháp chưng cất gián tiếp sử dụng nồi bốc hơi riêng hoặc sử dụng chung hệ thống hơi nướctừ một lò hơi chung cho các thiết bị khác. Do bộ phận chưng cất không bị gia nhiệt trực tiếpnên phương pháp này khắc phụcdược tình trạng nguyên liệu bị khê, khét, màu sắc và phẩm chấtcủa tinh dầu thu dược tốt hơn. Do hơi nước cấp từ bên ngoài nên dể dàng khống chếvà diều chỉnh các yếu tố như lưu lượng , áp suất cho phù hợp với từng nguyên liệu , giúp nâng cao hiệu suất cũng như chất lượng tinh dầu thu được. Để thu được tinh dầu với hiệu suất cao hơn , người ta cho hồi lưu lượng nước nhưng tụ do còn một lượng khá lớn tinh dầu tan trong nước chưa tách ra được. Sau đó tinh dầu được đem ra chưng cất phân đoạn ở áp suất thấp để nâng cao hàm lượng các cấu tử cần thiết. 3.5 Ưu nhược điểm của các phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước . 3.5.1 Ưu điểm Quy trình tiến hành đơn giản hơn so với các phương pháp tách tinh dầu khác. Thiết bị gọn nhẹ , dễ chế tạo. Có thể nâng cao hàm lượng hoặc tách riêng từng cấu tử trong hổn hợp hơi. Không sử dụng nhiều vật liệu phụ như phương pháp trích ly hoặc hấp thụ. Thời gian chưng cất tương đối nhanh. Với các thiết bị chưng gián đoạn chỉ cần 5-10 giờ/ 1 mẻ , với các thiết bị chỉ cần 30 phút- 1 giờ/ 1 đơn vị nguyên liệu. Có thể tiến hành sử dụng đối với các cấu tử có nhiệt độ sôi trên 100oC. 3.5.2 Nhược điểm Chỉ dùng nguyên liệu có hàm lượng tinh dầu cao,không sử dụng được đối với nguyên liệu có hàm lượng tinh dầu thấp. Một số cấu tử có trong thành phần tinh dầu có thể bị phân hủy trong quá trình chưng cất. Không thể tách được các loại nhựa có trong nguyên liệu . Lượng tinh dầu hòa tan trong nước khá lớn và rất khó tách riêng. Tiêu tốn một lượng nước ngưng tụ lớn. PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY BẰNG DUNG MÔI DỄ BAY HƠI 4.1 Nguyên tắc Phương pháp này dựa trên nguyên tắc sử dụng dung môi thích hợp để hòa tan những cấu tử mang hươngtrong nguyên liệu đã đươc xử lý thành dạng thích hợp, ở nhiệt độ phòng. Dung môi chiết sẽ ngấm qua thành tế bào của nguyên liệu , các hợp chất trong tế bàosẽ hòa tan vào dung môi , sau đó sẽ xuất hiện quá trình thẩm thấu giửa dịch chiết bên trong với dung môi bên ngoài do chênh lệch nồng độ. Sau khi trích ly phải thực hiện quá trình tách dung môi ở áp suất thấp để thu tinh dầu. 4.2 Yêu cầu của dung môi Chất lượng của tinh dầu, hiệu quả trích ly , các điều kiện kỹ thuật của phương pháp phụ thuộc chủ yếuvào dung môi trích . dung môi sử dụng phải đáp ứng các yêu cầu sau: Có nhiệt độ sôi thấp, nhưng không thấp quá đẻ hạn chế tổn thất dung môi, và thuận lợi trong việc ngưng tụ hơi dung môi . Không tương tác hóa hcọ với tinh dầu. Có khả năng thu hồi tái sử dụng. Độ nhớt thấp để khônglàm giảm tốc độ khuyếch tán. Có khả năng hòa tan tinh dầu lớn, nhưng ít hòa tan hợp chất không được hòa tan nước để tránh làm loãn dung môi và hạn chế khả năng hòa tan tinh dầu của dung môi. Dung môi phải tinh khiết, không được ăn mòn thiết bị, không gây mùi lạ đối với tinh dầu và ít độc hại với người. Khi bay hơi dung môi không để lại cặn vì cặn còn lại từ dung môicó thể ảnh hưởng xấu hoặc phá hủy mùi thơm của tinh dầu. Dung môi phải rẻ tiền và dể kiếm. 4.3 Quy trình: Tinh dầu Chưng phân đọan P Sản phẩm thô Gạn, lọc Làm lạnh Ngâm Sản phẩm thô Loại dung môi Lọc Tách nước Làm khan Tách bã Nguyên liệu Trích ly (**) Xử lý sơ bộ Dung môi Dịch nước Xử lý Na2SO4 khan Bã Na2SO4 Thu hồi Tinh dầu, nhựa, sáp, chất béo. Cồn cao độ Kéo dài vài ngày ( Lặp lại vài lần ) 10- 15oC Nhựa và các chất rắn 4.4 Nhận xét: Hiện nay chưa có dung môi nào đáp ứng những yêu cầu trên. Tùy vào trường hợp cụ thể mà chọn dung môi thích hợp. Dung môi thường dùng để tách tinh dầu hiện nay là eter dầu hỏa, hexan, benzen, diethyle ete, clorofom, rượu ethylic… Trong chiếc bằng dung môi thì tỉ lệ hay dùng là 1:8 đến 1:12. Chiết động: bỏ vào và khuấy (lắc) mạnh, thời gian chiếc ngắn lại, nhưng nhược điểm là có O2 vào dung dịch nên có Oxy hóa các hợp chất dễ bị oxy hóa. Chiết tĩnh (ngâm): khuấy nhẹ rồi để yên ngâm, thời gian kéo dài nhưng hạn chế sự oxy hóa. Chiết động hay thường dùng cho các hợp chất khó đi qua thành tế bào. TRÍCH LY BẰNG DUNG MÔI KHÔNG BAY HƠI VÀ CÁC CHÃT HẤP PHỤ RẮN Phương pháp trích ly với dung môi không bay hơi 5.1.1 Nguyên tắc: Dựa vào tính chất có thể hòa tan trong chất béo động vật và thực vật của tinh dầu, người ta ngâm nguyên liệu vào dầu động vật hoặc thực vật , tinh dầu sẽ khuỵếch tán qua màng tế bào, hòa tan vào dầu , sau đó tách riêng dầu để thu tinh dầu. Ngâm nguyên liệu trong dầu thực chất là phương pháp trung gian giữa hấp thụ và trích ly. Phương pháp ngâm chủ yếu sử dụng đối với những loại nguyên liệu dễ hỏng như hoa. 5.1.2 Yêu cầu của dung môi . Kết quả quá trình tách tinh dầu phụ thuộc nhiều vào chất lượng dầu béo, do vậy dầu béo phải đáp ứng những yêu cầu sau: Không mùi. Độ nhớt tương đối thấp để tăng cường sự tiếp xúc với nguyên liệu. Không tương tác với nguyên liệu. Dễ tách lấy tinh dầu từ hoa. Dung môi phải dùng ở đây là chất béo động vật hay thực vật như: mỡ bò, mỡ cừu, mỡ lợn, vaselin, parafin, dầu ôliu, dầu hạnh nhân…Thực nghiệm đã chứng minh rằng một phần mỡ bò với hai phần mỡ lợn đã tinh chế là thích hợp nhất cho quá trình này. Sản phẩm Làm khan Cho vào túi vải Chọn lựa C/c áp suất thấp Loại dung môi/cồn Tinh dầu+ Dung môi Tách nước Thay hoa mới Vớt ra Nguyên liệu Ngâm Dung môi bảo hòa tinh dầu 5.1.3 Quy trình Dung môi 50-70oC / 48h 25 lần Na2SO4 khan 5.1.4 Nhận xét : Phương pháp ngâm bằng dung môi không bay hơi có nhiều ưu điểm hơn phương pháp trích ly bằng dung môi dễ bay hơi ở chổ thu được tinh dầu ít hợp chất hơn. Tuy nhiên phương pháp này rất thủ công , khó cơ giới hóa và có nhược điểm lớn là chất béo dung làm dung môi rất khó bảo quản và chế biến , giá thành cao. Chính vì vậy mà phương pháp này hiện nay rất ít được sử dụng. 5.2 Phương pháp hấp phụ bằng chất béo 5.2.1 Nguyên tắc Chất béo ngoài khả năng hòa tan tinh dầu còn có khã năng hấp phụ các chất thơm, dựa vào tính chất này người ta sử dụng chất béo trong tách tinh dầu. Khác với phương pháp ngâm phương pháp hấp phụ dựa trên hiện tương hấp phụ ở hai pha hơi - rắn. 5.2.2 Quy trình: Sản phẩm Tách dung môi Thay hoa mới Chọn lựa Hấp thụ Chất béo bão hòa tinh dầu Nguyên liệu Chất béo 30 lần Tách chất béo Cồn cao độ Làm lạnh Gạn, lọc Béo 5.2.3 Nhận xét: Phương pháp này dùng để tách tinh dầu ở nhiều loại hoa, đặc biệt là các loại hoa mà ngoài phần tinh dầu có sẳn còn có tinh dầu được tạo sau khi hái. Đôi với những loại hoa tạo ra tinh dầu sau khi thu hoạch cần tìm cách để hoa tươi trong một khoảng thời gian dài. Quy trình kỹ thuật đơn giản có thể tiến hành ở nhiệt độ thường. Nhưng chủ yếulà thực hiện thủ công, công việc nặng nhọc khó cơ giới hóa, chật béo khó bảo quản. 5.3 Phương pháp dùng chất hấp phụ rắn. 5.3.1 Nguyên tắc: Phương pháp này sử dụng các chất hấp phụ rắn như than gỗ, than xương( than hoạt tính )… để hấp thụ tinh dầu. 5.3.2 Quy trình: Không khí Thiết bị lọc bụi Tháp làm ẩm và ổn định nhiệt độ Phòng chứa hoa(Mâm) Phòng hấp phụ Tái sử dụng Tinh dầu Chất hấp phụ Trích ly bằng dung môi Lấy chất hấp phụ bảo hòa tinh dầu Mâm chứa chất hấp Phụ rắn Cht Hoạt hóa Dung môi Đuổi dung môi ,to  5.3.3 Nhận xét: Phương pháp dùng chất hấp phụ rắn có quá trình tương đối đơn giản,dễ điều khiển cơ giới hóa các khâu sản xuất. Ngoài ra phương pháp này còn có hiệu suất thu tinh dầu lớn và tinh dầu thu có độ tinh khiết cao. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY KHÁC 6.1 Phương pháp trích ly bằng CO2 6.1.1 Nguyên tắc Lợi dụng tinh chất khí CO2 có thể hóa lỏng ở áp suất cao, dùng CO2 lỏng chiết xuất tinh dầu ra khỏi nguyên liệu. 6.1.2 Quy trình: Hình 6.1 Quy trình trích ly bằng CO2 6.1.3 Nhận xét  Phương pháp trích ly dùng CO2 lỏng được dùng nhiều trong công nghiệp trong thời gian gần đây do có nhiều ưu diểm như: Dung môi CO2 có tính lựa chọn tốt,nhất là với nhựa có trong nguyên liệu. CO2 không có tác dụng độc hại với con người như các loại dung môi khác. Dễ loại và không để lại vết dung môi. Khi loại dung môi không cần sữ dụng nhiệt , vì vậy giữ được mùi thơm của tinh dầu và nhựa mà không sợ bị phân hủy. Quá trình kín ít bị hao tốn. Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi các thiết bị phức tạp có áp lực cao , chi phí cho CO2 lỏng còn đắt , nên chưa được phổ biến. 6.2 Phương pháp vi sóng Phương pháp dùng kỹ thuật sóng tăng động năng cho các phân tử tinh dầu, làm tăng quá trình khuếch tán của tinh dầu ra bề mặt mà không sữ dụng nhiệt độ . Nhiệt tạo ra trong quá trình phá vỡ các túi tinh dầu nhỏ , thời gian thực hiện ngắn ( khoảng 1 phút ) nên không gây ra phân hủy tinh dầu. Phương pháp trích sử dụng vi sóng có nhiều ưu điểm nhưng hiện nay vẫn đang ở quy mô phòng thí nghiệm . 6.3 Phương pháp sinh học Phương pháp này được ứng dụng cho các nguồn nguyên liệu có tinh dầu ở trạng thái kết hợp (glucozit ). Để phân lập tinh dầu , người ta phải sử lý bằng cách lên men hoặc dùng enzyme , sau đó kết hợp với chưng cất hay trích ly để thu tinh dầu giống như các loại vật liệu chứa hợp chất thơm khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu lưu hành nội bộ - bộ môn hóa hửu cơ , trường ĐHBK TP.HCM , hương liệu tự nhiên. Lê Ngọc Tú và những người khác ,hóa sinh công nghiệp , nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội, 2004.