Thu nhận tinh dầu sả java (Cymbopogon winterianus jowitt) tại tỉnh Lâm Đồng bằng phương pháp chưng cất trực tiếp

TÓM TẮT:

Sả Java (tên khoa học: Cymbopogon winterianus) là một loại cỏ có hương thơm thuộc loài cây lâu năm. Trong nghiên cứu này, nguyên liệu sả được thu nhận tại huyện Lâm Hà, tỉnh Lâm Đồng. Các thông số công nghệ chưng cất được khảo sát: kích thước nguyên liệu, tỷ lệ nước/nguyên liệu, thời gian chưng cất. Hiệu suất tinh dầu tối đa 7,4% đạt được khi kích thước nguyên liệu 2cm, tỷ lệ nước/nguyên liệu 10/1 và thời gian chưng 120 phút. Kết quả nghiên cứu cho thấy, các chất chính trong tinh dầu đều có giá trị cao hơn chuẩn ISO 3848:2016 cũng như tinh dầu sả Java chưng cất từ nguồn nguyên liệu ở Brazil và Cuba.

Từ khóa: Tinh dầu, sả Java, chưng cất trực tiếp, tỉnh Lâm Đồng.

1. Đặt vấn đề

Tinh dầu thu được từ quá trình chưng cất các bộ phận của cây như lá, thân, hoa, vỏ, rễ,… Trong những năm gần đây, công dụng của tinh dầu ngày càng được quan tâm. Tinh dầu là một chất lỏng gồm những cấu tử nhẹ, dễ bay hơi. Tinh dầu được ứng dụng trong lĩnh vực y học từ việc điều trị trên da cho đến điều trị và ngăn chặn ung thư.

Trong công nghiệp, tinh dầu sả được sử dụng rộng rãi với vai trò hương liệu. Bên cạnh đó, các công dụng khác của tinh dầu sả như khả năng kháng khuẩn, kháng nấm và chống oxi hóa cũng được tận dụng. Công dụng giảm đau, chống viêm và chống oxi hóa của tinh dầu sả được chứng minh bởi Bárbara và cộng sự (2010) [1]. Năm 2011, nghiên cứu của Wylly và các cộng sự đã cho thấy ảnh hưởng của nồng độ tinh dầu đến khả năng chống nấm của tinh dầu [2].

Thành phần và khả năng chống oxi hóa của tinh dầu phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết cũng như độ cao nơi trồng nguyên liệu [2-3]. Ở Việt Nam, huyện Lâm Hà, tỉnh Lâm Đồng nằm trên cao nguyên, có độ cao trung bình từ 800 đến 1.000m so với mực nước biển. Khí hậu ở đây ôn hòa và mát mẻ quanh năm, thích hợp cho việc trồng trọt. Trong nghiên cứu này, sả trồng tại Lâm Hà, tỉnh Lâm Đồng được sử dụng.

Trích ly tinh dầu có rất nhiều phương pháp như chưng cất trực tiếp bằng nước, chưng cất lôi cuốn hơi nước, chưng cất có hỗ trợ vi sóng, chưng cất có hỗ trợ sóng siêu âm, trích ly bằng dung môi siêu tới hạn,… Trong đó, phương pháp chưng cất trực tiếp bằng nước là phương pháp thông dụng và phổ biến nhất. Những ưu điểm của phương pháp này là thiết bị đơn giản, thời gian chưng cất tương đối nhanh, dễ thao tác. Hiệu suất tinh dầu thu nhận được tối ưu dựa trên các thông số chưng cất: kích thước nguyên liệu, thời gian chưng, tỷ lệ nước/nguyên liệu. Thành phần hóa học xác định bởi phương pháp sắc ký khí khối phổ, được so sánh với kết quả tinh dầu ở một số vùng khác.

2. Nguyên liệu và phương pháp

2.1. Nguyên liệu

Lá sả Java được thu nhận tại vườn The Seed Garden (huyện Lâm Hà, tỉnh Lâm Đồng) vào tháng 3 năm 2018. Nguyên liệu được đóng gói và vận chuyển đến Phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Kỹ thuật Thực phẩm và Môi trường (Đại học Nguyễn Tất Thành). Nguyên liệu được phơi khô ở nhiệt độ phòng (30^oC) trong vòng 2 ngày rồi đóng gói chân không vào túi PE (khối lượng 50g mỗi túi) và được bảo quản ở điều kiện thường.

Hàm lượng ẩm của nguyên liệu trước khi chưng cất được xác định bởi cân sấy ẩm (MB45, Ohaus, Mỹ). Kết quả cho thấy độ ẩm của nguyên liệu có giá trị 0.03762.

2.2. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hiệu suất tinh dầu thu nhận

50g nguyên liệu và nước được cho vào bình cầu thủy tinh đáy tròn có dung tích 1000 ml. Quá trình chưng cất được thực hiện bởi thiết bị chưng cất Clevenger (Techlab, Việt Nam). Tốc độ ngưng tụ cố định 5.9 ml/ phút. Sau khi chưng cất kết thúc, tinh dầu và nước hydrosol được thu ở nhánh chưng cất tinh dầu. Tinh dầu được tách và loại sạch nước bằng muối Na₂SO₄ khan. Tinh dầu thu nhận được lưu trữ trong lọ thủy tinh tối màu.

Các thông số công nghệ được khảo sát lần lượt là kích thước nguyên liệu, thời gian chưng cất, tỷ lệ nước/nguyên liệu (Bảng 1). Điều kiện thí nghiệm cố định khi khảo sát kích thước nguyên liệu: thời gian chưng 120 phút; tỷ lệ nước/ nguyên liệu 10/1. Các thông số này được khảo sát theo phương pháp luân phiên từng biến: Yếu tố nghiên cứu sau khi đã chọn được giá trị thích hợp sẽ được giữ cố định trong các thí nghiệm khảo sát các yếu tố khác tiếp theo.

Bảng 1. Các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình chưng cất

2.3. Phương pháp xác định tỷ trọng của tinh dầu sả

Tỷ trọng của tinh dầu sả được đo theo hướng dẫn ISO 279:1998. Picnomet được rửa sạch bằng nước, sau đó làm khô bằng cách tráng qua acetone. Không khí nóng được dùng để đuổi dung môi aceton đi. Cân chính xác picnomet rỗng, khô, sạch. Tinh dầu sả (25^oC) được đổ vào trong picnomet, lưu ý không để xuất hiện bong bóng. Giữ yên picnomet ở nhiệt độ 25^oC trong khoảng 30 phút. Dùng một băng giấy lọc để thấm hết chất lỏng thừa trên vạch mức, làm khô mặt ngoài của picnomet, cân rồi tính khối lượng chất lỏng chứa trong picnomet.

Tỷ trọng được tính toán theo công thức:

công thức

Trong đó: γ - tỷ trọng của tinh dầu tại 25^oC (g/ml); m₀ - khối lượng của picnomet rỗng (g); m₁ - khối lượng của picnomet chứa mẫu (g); V - thể tích của picnomet (ml).

2.4. Hiệu suất thu nhận tinh dầu

Hiệu suất thu nhận tinh dầu (Y) được tính theo khối lượng khô tuyệt đối được xác định theo công thức:

công thức

Trong đó: m_eo - khối lượng tinh dầu (g); m - khối lượng nguyên liệu (g); α - độ ẩm của nguyên liệu (%).

2.5. Phương pháp xác định thành phần hóa học của tinh dầu sả

Quá trình phân tích được tiến hành trên hệ thống GC-MS (SCION SQ 456-GC/ SCION SQ select, SCION, Mỹ). Cột mao quản fused silica (Rxi-5ms, RESTEK, Mỹ) được sử dụng có chiều dài 30 m, đường kính hạt 0,25 mm, độ dày màng 0,25mm. Chương trình nhiệt độ được cài đặt như sau: nhiệt độ lò được thiết lập là 50^oC (giữ trong vòng 1 phút), sau đó tăng 30^oC/phút đến 80^oC và tiếp túc tăng 10^oC/phút đến 230^oC (giữ trong 2 phút) rồi tăng 25^oC/phút đến 280^oC (giữ trong 3 phút). Các thông số hệ thống được thiết lập cố định: khí mang heli; tốc độ dòng 1ml/phút; thể tích tiêm 2ml; dãy bước sóng quét: 1-3345m/z; nhiệt độ nguồn ion hóa là 250^oC. Tất cả các khổ khối được thu nhận ở chế độ tác động điện tử (EI) với điện áp ion hóa 70 eV.

2.6. Xử lý số liệu

Các thí nghiệm được lặp lại 3 lần, số liệu thí nghiệm được xử lý thống kê bằng chương trình Microsoft Excel.

3. Kết quả và bàn luận

3.1. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ quá trình chưng cất đến hiệu suất tinh dầu

Trong quá trình chưng cất, nhiều thông số ảnh hưởng đến hàm lượng tinh dầu như kích thước nguyên liệu, tỷ lệ nước/nguyên liệu, thời gian chưng. Trong đó, thông số ảnh hưởng đáng kể đến hàm lượng tinh dầu thu nhận là kích thước nguyên liệu. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thông số kích thước nguyên liệu lên hàm lượng tinh dầu được thể hiện ở Hình 1.

Hình 1: Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu đến hiệu suất chưng cất

Hàm lượng tinh dầu tăng dần khi tăng kích thước nguyên liệu và đạt giá trị cao nhất (7,4%) với kích thước nguyên liệu là 2cm. Sau đó, kích thước nguyên liệu tiếp tục tăng thì hiệu suất lại có xu hướng giảm xuống. Khi kích thước nguyên liệu nhỏ, bề mặt tiếp xúc pha giữa nước và nguyên liệu càng lớn thì khả năng nước thẩm thấu và xuyên vào màng tế bào dễ dàng hơn. Ngoài ra, quá trình cắt xay làm cho tế bào bị phá vỡ nên tinh dầu dễ thoát ra ngoài hơn. Tuy nhiên, nếu kích thước nguyên liệu quá nhỏ, tình trạng các nguyên liệu kết chặt vào nhau làm cho việc nước thẩm thấu và xuyên qua khó khăn, dẫn đến việc dẫn tinh dầu ra bên ngoài cũng như lôi kéo tinh dầu bay lên rất ít [4]. Do đó, kích thước nguyên liệu 2cm được chọn là thông số tối ưu về kích thước.

Hình 2: Ảnh hưởng của thời gian chưng đến hiệu suất chưng cất

Thông số thời gian chưng ảnh hưởng đến hiệu suất tinh dầu được thể hiện ở Hình 2. Trong khoảng thời gian từ khi ngưng tụ giọt đầu tiên cho đến 240 phút, hàm lượng tinh dầu tăng lên rõ rệt và đạt giá trị cao nhất (7,4%) ở thời gian 120 phút, sau đó hàm lượng tinh dầu tăng hầu như không đáng kể. Khi thời gian chưng cất quá lâu, chất lượng tinh dầu sẽ bị giảm do sự biến tính của một số chất vì nhiệt. Bên cạnh đó, việc tiêu tốn năng lượng cho quá trình chưng sẽ nhiều hơn. Thời gian tối ưu chưng cất được xác định là 120 phút.

Hình 3: Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/nguyên liệu đến hiệu suất chưng cất

Hàm lượng tinh dầu thu nhận được khảo sát khi thay đổi tỷ lệ nước/nguyên liệu (Hình 3). Kết quả cho thấy lượng tinh dầu thu nhận khi tỷ lệ nước/nguyên liệu 6/1 đạt hiệu suất là 5.6%. Hiệu suất tinh dầu này tăng khi khi tăng lượng nước. Hiệu suất cao nhất là 7,4% với tỷ lệ nước/nguyên liệu là 10/1. Sau đó, lượng tinh dầu thu nhận có sự giảm nhẹ. Khi đun nóng hỗn hợp nước và nguyên liệu, nước có tác động lên tế bào làm màng tế bào giãn nở và nước sẽ xuyên vào bên trong tế bào nơi chứa tinh dầu. Tế bào sẽ phình lên và vỡ ra giúp giải phóng tinh dầu ra bên ngoài. Tinh dầu được hơi nước lôi cuốn bay lên và ngưng tụ bên phần nhánh chiết.

Khi tỷ lệ nước/nguyên liệu thấp, khả năng giãn nở và xuyên qua màng bào do nước sẽ giảm. Khả năng phân tán tinh dầu trong nước kém cũng như lượng hơi nước không đủ để lôi kéo tinh dầu thoát ra khỏi màng tế bào làm giảm hàm lượng tinh dầu thu được. Tuy nhiên, nếu lượng nước quá nhiều sẽ làm cho hàm lượng tinh dầu thu nhận giảm do một số chất trong tinh dầu có độ phân cực tốt sẽ tạo một thể huyền phù bền gây khó khăn cho việc tách tinh dầu và một số chất trong tinh dầu sẽ tham gia vào quá trình thủy phân [5]. Bên cạnh đó, quá trình chưng cất sử dụng nhiều nước đòi hỏi nhiều năng lượng và thời gian để đun nóng.

3.2. Chất lượng sản phẩm tinh dầu sả

3.2.1. Đánh giá cảm quan và tỷ trọng của tinh dầu sả

Tinh dầu sả thu nhận có màu vàng nhạt, trong suốt với hương thơm mạnh. Tinh dầu có mùi giống mùi của nguyên liệu tươi, mùi hoa hồng kết hợp mùi vỏ cam quýt của citronella and geraniol. Tinh dầu có tỷ trọng là 0.96238 (g/ml).

3.2.2. Thành phần hóa học của tinh dầu sả được phân tích GC-MS

Bảng 2 thể hiện thành phần hóa học của tinh dầu sả Java được thu hoạch tại huyện Lâm Hà, tỉnh Lâm Đồng. Kết quả phân tích sắc ký khối phổ cho thấy thành phần chính của tinh dầu gồm (R)-(+)-citronellal (30,679%), geraniol (25,938%), elemol (11,253%), (R)-(+)-β-citronellol (10,617%), isogermacrene D (5,610%). So với chuẩn ISO 3848:2016, hàm lượng citronella có giá trị xấp xỉ bằng, hàm lượng citronellol thì cao hơn khá nhiều. Điều này cho thấy tinh dầu sả thu từ nguồn nguyên liệu tại huyện Lâm Hà có chất lượng cao.

Bảng 2. Thành phần hóa học của tinh dầu sả Java

So thành phần chính của tinh dầu sả Java từ nguyên liệu vùng Lâm Hà với tinh dầu có xuất sứ từ Brazil và Cuba [3, 6]. Phần trăm các chất citronellal, geraniol đều cao hơn tinh dầu sả Brazil và tinh dầu sả Cuba. Đối với hàm lượng elemol trong tinh dầu sả Lâm Hà có giá trị cao gần như gấp hai lần hàm lượng chất này có trong tinh dầu sả Brazil (6.73%), và gấp gần 10 lần so vơi chuẩn ISO 3848:2016. Sả Cuba trong kết quả không thể hiện chất này. Một điều đặc biệt, đối với isogermacrene D, chất này chỉ có trong tinh dầu sả Lâm Hà mà thôi. Trong tinh dầu sả Lâm Hà chỉ có hàm lượng citronellol là thấp hơi thấp hơn sả Brazil và sả Cuba.

4. Kết luận

Quá trình chưng cất sả Java (huyện Lâm Hà, tỉnh Lâm Đồng) thu được hiệu suất cao 7,4% với các thông số chưng tối ưu: kích thước hạt 2cm, tỷ lệ nước/nguyên liệu 10:1 trong thời gian 120 phút.

Thành phần chính của tinh dầu Sả được phân tích bởi sắc ký khối phổ gồm (R)-(+)-citronellal (30.679%), geraniol (25.938%), elemol (11.253%), (R)-(+)-β-citronellol (10.617%), isogermacrene D (5.610%). Hầu như các chất chính trong tinh dầu sả Lâm Hà đều có giá trị đạt chuẩn ISO 3848:2016 và cao hơn tinh dầu sả Java chưng cất từ nguồn nguyên liệu nơi khác.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

Leite, B.L.S., et al. (2010). Assessment of antinociceptive, anti-infammatory and antioxidant properties of Cymbopogon winterianus leaf essential oil. Informa Healthcare, 48(10), 1164-1169.
Oliveira, W.A.d., et al. (2011). Antifungal Activity Of Cymbopogon Winterianus Jowitt Ex Bor Against Candida Albicans. Brazilian Journal of Microbiology, 42, 433-441.
Pino, J.A., A. Rosado, and M. T.Correa. (1995). Chemical Composition of the Essential Oil of Cymbopogon winterianus Jowitt from Cuba. Journal of Essential Oil Research, 8(6), 693-694.
Stanojević, L., M. Stanković, and M. Cakić. (2014). The effect of hydrodistillation techniques on yield, kinetics, composition and antimicrobial activity of essential oils from flowers of Lavandula officinalis L., Hemijska Industrija, 65(4), 455-463.
Stanojević, L.P., et al. (2015). The yield, composition and hydrodistillation kinetics of the essential oil of dill seeds (Anethi fructus) obtained by different hydrodistillation techniques. Industrial Crops and Products, 65, 429-436.
Lorenzo, D., et al. (2000). Composition and Stereoanalysis of Cymbopogon winterianus Jowitt Oil from Southern Brazil. Flavour and fragrance journal, 15, 177-181.

EXTRACTING THE ESSENTIAL OIL FROM JAVA CITRONELLA

(CYMBOPOGON WINTERIANUS JOWITT)

GROWN IN LAM DONG PROVINCE BY USING

THE HYDRO-DISTILLATION

• MSc. NGUYEN THI NGOC LAN

• MSc. NGUYEN QUOC DUY

•TRAN THI THANH NGOC

Faculty of Environmental and Food Engineering

Nguyen Tat Thanh University

ABSTRACT:

Java citronella (Cymbopogon winterianus) is a perennial and multiple-harvest aromatic grass. This study examined technological parameters of hydro-distillation process including material size, water/material ratio and time of distillation. This study’s raw materials were collected in Lam Ha District, Lam Dong Province, Vietnam. This study’s findings showed that the highest yield of essential oil was obtained at 7.4% with material size of 2cm, water / material ratio of 10/1 and distillation time of 120 minutes. The study’s findings alo indicated that most of significant substances in the studied essential oil are higher than those of ISO 3848: 2016 standards as well as the lemongrass essential oil distilled from Brazilian and Chinese raw materials.

Keywords: Oil, Java citronella, hydro-distillation process, Lam Dong Province.