Đề tài Chiết xuất và kiểm nghiệm tinh dầu từ gừng bằng kỹ thuật dùng vi ba

Chiết xuất và kiểm nghiệm tinh dầu từ gừng bằng kỹ thuật dùng vi ba MỤC LỤC šš T ›› Trang LỜI MỞ ĐẦU 2 1- ĐẠI CƯƠNG VỀ VI BA 3 1.1. Lịch sử phát triển của vi ba: 3 1.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp vi ba 3 1.3. Nguyên lí hoạt động của các bức xạ vi ba 3 1.4. Hệ thống chiết vi ba 5 1.4.1. Các loại lò vi ba 5 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết vi ba 6 1.5. So sánh chiết vi ba với các phương pháp khác 7 2- ĐẠI CƯƠNG VỀ GỪNG 8 2.1. Đại cương về tinh dầu 8 2.1.1. Định nghĩa 8 2.1.2. Thành phần hóa học 8 2.2. Giới thiệu về cây gừng (Zingiber officinale Rosc.) 9 2.2.1. Tổng quan 9 2.2.2. Thành phần hóa học 9 2.3. Tinh dầu gừng 10 2.3.1.Tính chất lý hóa 10 2.3.2. Thành phần hóa học (tinh dầu gừng Việt Nam) 10 2.3.3.Tác dụng dược lý – công dụng 10 2.4. Những thông tin mới về gừng 11 3- CHIẾT XUẤT TINH DẦU TỪ GỪNG BẰNG KỸ THUẬTDÙNG VI BA (MICROWAVE) 12 3.1. Các phương pháp chiết xuất 12 3.1.1. Chiết xuất tinh dầu Gừng bằng vi ba (microwave)[ 12 3.1.2. Chiết tinh dầu gừng bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước (Hydro - distillation ) 14 3.2. So sánh kết quả của 2 phương pháp chiết xuất 21 4. KIỂM NGHIỆM TIN DẦU GỪNG 21 4.1. Chỉ số vật lý 21 4.2. Chỉ số hóa học 21 4.3. Kiểm nghiệm tinh dầu Gừng bằng sắc ký lớp mỏng 21 4.4. Kiểm nghiệm bằng Sắc ký Khí – GC 22 4.5. Kiểm nghiệm bằng HPLC 23 5. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT CÓ HỖ TRỢ VI BA CẢI TIẾN 25 5.1. Phương pháp chiết xuất vi ba dùng dung môi kém phân cực (NPSMAE: Non-polar Solvent Microwave-Assisted Extraction)[ 25 5.2. Phương pháp chiết xuất vi ba không dùng dung môi cải tiến (ISFME: Improved solvent-free microwave extraction) 31 6.KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 LỜI MỞ ĐẦU –– { —— Ngày nay việc chiết xuất các chất hợp tự nhiên có trong dược liệu là một trong những đề tài thu hút sự quan tâm rất lớn không những đối với các nhà nghiên cứu thực vật học mà còn cả đối với các nhà khoa học. Sự phát triển của khoa học công nghệ đã tạo một bước đột phá mới trong lĩnh vực nghiên cứu phân tích dược liệu. Đặc biệt, trong những năm gần đây, phương pháp chiết xuất có hỗ trợ vi ba (MAE: Microwave-Assisted Extraction) đã được sử dụng một cách rộng rãi. Thực nghiệm chứng minh đây là một trong những phương pháp mang lại hiệu quả chiết xuất với nhiều thuận lợi, kinh tế, và có thể áp dụng rộng rãi để chiết các hợp chất, đặc biệt là tinh dầu. Trong các họ thực vật chứa tinh dầu, họ Gừng (Zingiberacece) là một trong những họ có nhiều cây với giá trị kinh tế cao, có nhiều ứng dụng như được sử dụng làm gia vị, nguyên liệu trong công nghiệp hương liệu, mỹ phẩm, dược phẩm…Nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học đã được phát hiện và đây cũng là một trong những họ thực vật mà nhiều nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm. Với tầm quan trọng về mặt khoa học và thực tiễn, chúng tôi đã tiến hành tìm hiểu chiết xuất tinh dầu từ thân rễ cây gừng (Zingiber officinale Rosc.) bằng kỹ thuật dùng vi ba (microwave). 1. ĐẠI CƯƠNG VỀ VI BA [1] 1.1. Lịch sử phát triển của vi ba Lò vi ba gia dụng được sử dụng trong phòng thí nghiệm lần đầu tiên bởi Samra et al. vào năm 1975 để nghiên cứu phân tích dấu vết kim loại các mẫu sinh học. Từ đây kỹ thuật Vi ba đã phát triển. Đến năm 1986 các tài liệu về ứng dụng của vi ba trong chiết xuất các hợp chất hữu cơ đã xuất hiện lần đầu tiên. Cũng trong năm này Ganzler et al.và Lane và Jenkins chiết các hợp chất bằng chiếu xạ vi ba. Kể từ ngày này, có rất nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu phân tích khả năng của kỹ thuật chiết xuất mới này. 1.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp vi ba Vi ba là những trường điện từ trong phạm vi 300 MHz đến 300 GHz hoặc giữa các bước sóng của 1 cm và 1m. Sóng điện từ có hai dao động vuông góc gồm 2 phần: điện và từ. Vi ba được sử dụng như một sóng mang thông tin hay như một vectơ năng lượng. Ứng dụng này là sự tác động trực tiếp của sóng lên vật liệu có khả năng hấp thụ một phần năng lượng điện từ và để biến nó thành nhiệt. Vi ba ở tần số 2.450 MHz được sử dụng trong lò vi ba Tần số này tương ứng với một bước sóng 12,2 cm và năng lượng là 0,23 cal/mol (= 0,94 J / mol). Tần số này chỉ có thể gây ra tự quay của các phân tử. Các thành phần điện của sóng thay đổi 4,9 x 109 lần mỗi giây. Nó tạo ra sự chuyển động hỗn độn giữa các phân tử được chiếu xạ bằng vi ba. Vì vậy, tạo ra một sức nóng dữ dội, có thể tăng rất nhanh khoảng vài độ/giây (ước tính 1000C/s tại 4,9 GHz). 1.3. Nguyên lí hoạt động của các bức xạ vi ba Dựa trên hiện tượng nhiệt, do sự tương tác của điện trường với các phân tử của nguyên liệu. Việc chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng xảy ra theo hai cơ chế: dẫn ion và sự quay vòng các ion nay quanh 2 cực. Sự dẫn các ion này sinh ra nhiệt do có sự cản trở trên dòng ion này. Sự di chuyển của các ion gây ra sự va chạm giữa các phân tử vì đường đi của các ion thay đổi nhiều lần. Sự quay vòng các ion quanh 2 cực có liên quan đến sự chọn lựa đường di chuyển của các phân tử phân cực với điện trường. Nhiều sự va chạm như thế này sẽ kích thích các phân tử tạo ra năng lượng và do đó sinh ra nhiệt. Hình 1. Nguyên lí hoạt động của các bức xạ vi ba Sự phát nhiệt xảy ra khi nguyên liệu là chất điện môi hoặc chất dẫn nhiệt. Sự hấp thụ năng lượng phụ thuộc vào sự phân ly δ với tanδ = ε"/ε' , phần thực tế và phức tạp của hằng số điện môi (ε = ε' – j.ε") , ε' gọi là hằng số điện môi, thể hiện khả năng của một phân tử có thể phân cực dưới điện trường, ε" là yếu tố làm mất hằng số điện môi, do tác động của quá trình chuyển năng lượng điên thành nhiệt năng. Các hợp chất có điện môi cao chủ yếu là hợp chất phân cực. Hằng số điện môi của các dung môi phổ biến được tóm tắt trong bảng I. Một trong những đặc trưng của vi ba bức xa nhiệt là tính sự chọn lọc. Đặc trưng thứ 2 đó là gradient nhiệt độ thì đảo ngược so với bức xạ nhiệt thông thường và bức xạ nhiệt thì nhiều. Bảng 1. Hằng số điện môi của các dung môi phổ biến Nhiệt độ đạt đến độ nào là do dung môi, có thể cao hơn điểm sôi. Baghurst và Mingos đã cho thấy sự tăng nhiệt dưới tác dụng của vi ba phụ thuộc vào dung môi. Dung môi như ethanol hoặc diclorometan có thể đạt đến nhiệt độ trên điểm sôi lý thuyết của chúng. Nhiệt độ có thể cao hơn 20°C trong một số trường hợp. Nguồn gốc của hiện tượng này là do thiếu các vùng cấu tạo hạt nhân. Vi ba bức xạ nhiệt được sử dụng trong việc hấp thu và tổng hợp hóa học, rất tốt trong việc thu sản phẩm và giảm thời gian phản ứng. Cơ chế được đề nghị giải thích là do sự tăng tốc. Một số tác giả khác lại giải thích hiệu ứng của vi ba bằng hiện tượng phóng xạ. Một số tác giả khác phủ nhận sự tồn tại sự thay đổi nhiệt độ trong các hiệu ứng vi ba và giải thích sự tăng tốc chỉ đơn thuần là: bức xạ vi ba không giống như bức xạ bình thường, và giảm thời gian phản ứng ở nhiệt độ cao. Hầu hết các nghiên cứu đã thực hiện dưới sự thay đổi áp suất, trong trường hợp này hiệu quả không chỉ được giải thích bởi cơ chế bức xạ. Để có thể chiết xuất ở áp suất không khí, Letellier không có bất cứ chứng minh nào cho thấy dấu hiệu đặc biệt của hiệu ứng vi ba qua nhiều nghiên cứu. Sự gia tăng tốc độ phản ứng có thể giải thích phần nào dựa vào hiện tượng bức xạ, đó là những đặc trưng của bức xạ (trong trường hợp đó là hệ thống đa pha) hơn là những nét đặc trưng của phóng xạ trong vi ba ở quy mô phân tử. 1.4. Hệ thống chiết vi ba - Hai nguyên tắc chiết theo vi ba: • Nhiệt độ của khối bột dược liệu hấp thu trực tiếp vi ba, giải phóng các hoạt chất vào dung môi lạnh. • Dung môi được đun nóng để đạt tới điểm sôi mà tại đó các chất trong dược liệu được chiết ra. - Nguyên tắc thứ hai là được sử dụng nhiều nhất để phân tích các chất trong hợp chất rắn. 1.4.1. Các loại lò vi ba - Lò vi ba Monomode và Multimode. Monomode (hình 2.a) có thể tạo ra một tần số kích thích mà chỉ có một chế độ cộng hưởng. Các mẫu có thể được đặt ở vùng tập trung tối đa của các sóng. Multimode (Hình 2.b) là các làn sóng ngẫu nhiên có thể ảnh hưởng đến một vài phương thức cộng hưởng. Hình 2. Lò vi ba Monomode, Multimode 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết vi ba Thời gian: Thời gian chiết xuất thì không phải là yếu tố đáng kể ảnh hưởng đến việc tách hợp chất hữu cơ ra khỏi dược liệu. Lopez-Avila đã thử nghiệm các ảnh hưởng của thời gian chiết (5, 10, 20 phút) để phân tích PAH từ đất với một hỗn hợp của hexane/axeton ở 115°C. Sự tăng lượng hoạt chất chiết được theo thời gian là không đáng kể. Thời gian 5 phút là đủ để thực hiện một qui trình chiết dược liệu bằng vi ba. Nhiệt độ Ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình chiết tùy loại dược liệu. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ không phải là yếu tố ảnh hưởng đáng kể. Các nghiên cứu khác đã xác định nhiệt độ tối ưu khoảng 100 °C. Bản chất dược liệu Các phương pháp chiết xuất vi ba khác nhau không phụ thuộc nhiều vào bản chất dược liệu. Bản chất và lượng dung môi Dung môi thông thường được làm nóng chỉ trong một vài phút (diclorometan, toluen / methanol, hexane /methanol ...). Khi lượng lớn hơn dung môi được sử dụng, quá trình làm nóng là nhanh hơn. Thực chất, khi số lượng mẫu tăng, khả năng tác động của vi ba cho mỗi mẫu giảm. Năng lượng Không có sự khác biệt có ý nghĩa giữa các mức năng lượng chiếu xạ khác nhau vì vậy chiết xuất ở mức năng lượng thấp(đủ để chiết các hợp chất) được chọn vì có thể tiết kiệm năng lượng và đảm bảo chiết xuất an toàn hơn. Loại dung môi Không có sự khác biệt đáng kể về các loại dung môi khác nhau(xem xét độ lệch chuẩn). Ví dụ: Khi sử dụng 3 hệ dung môi Diclorometan Diclorometan / toluen (1 / 1) Axeton /hexane (1 / 1) Diclorometan rất dễ dàng được thu hồi lại dung môi do điểm của nó sôi hấp. 1.5. So sánh chiết vi ba với các phương pháp khác: J Chiết vi ba – Soxhlet MAE (Microwave Assisted Extraction) được xem như là một sự thay thế có tiềm năng hơn các phương pháp chiết xuất rắn lỏng thông thường: P Giảm đáng kể thời gian chiết xuất, chỉ khoảng vài giây đến vài phút (15-20 giây). P Giảm lượng dung môi sử dụng, chỉ cần vài ml cho quá trình chiết xuất. P Cải thiện hiệu suất chiết. P Khả năng tự động hóa và độ chính xác cao hơn. P Thích hợp cho các thành phần kém bền với nhiệt. P Thậm chí có thể phân tích vết bao gồm cả kim loại nặng và dư lượng thuốc trừ sâu từ một vài miligam. P Sự xáo trộn môi trường suốt quá trình chiết xuất cải thiện được hiện tượng chuyển khối. P Hệ thống Soxwave - kết hợp được các tính năng của Soxhlet và ưu điểm của vi ba, do đó việc chiết xuất đang được chú ý nhiều hơn. J Chiết siêu âm và vi ba: Ưu điểm của chiết vi ba so với siêu âm: Ít bị ảnh hưởng bởi kích thước dược liệu. Thời gian chiết nhanh hơn. Tuy nhiên chiết vi ba cũng còn có một số thiếu sót so với chiết siêu âm: Đôi khi chậm hơn. Chiết vi ba kém an toàn hơn chiết siêu âm nếu ta có sử dụng acid vì nó đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cao Quá trình vận hành siêu âm đơn giản hơn vi ba. 2. ĐẠI CƯƠNG VỀ GỪNG 2.1. Đại cương về tinh dầu[2] 2.1.1. Định nghĩa Tinh dầu là một hỗn hợp phức tạp các chất có đặc tính chung: Bay hơi ở nhiệt độ thường, thường có mùi thơm. Tỷ trọng thường nhỏ hơn nước. Không tan trong nước, tan trong các dung môi hữu cơ. Cất kéo được bằng hơi nước. Thường gặp trong thực vật, một số ít gặp trong động vật. 2.1.2. Thành phần hóa học Các chất hữu cơ phân tử nhỏ (<300 đvC): Các hydrocarbon. Các dẫn chất có oxy: alcol, aldehyd, keton, acid, ether, ester. Có thể tồn tại trong cây dưới dạng tiền chất (glycoside…) 2.2. Giới thiệu về cây gừng (Zingiber officinale Rosc.)[2,3,4] 2.2.1. Tổng quan Gừng hay gừng khương còn có tên là sinh khương, can khương. Tên khoa học: Zingiber officinale Rosc., thuộc họ Gừng (Zingiberaceae). Bộ phận dùng: thân rễ (Rhizoma Zingiberis). Gừng là một thực vật bản địa của châu Á trồng nhiều ở khắp nơi trên thế giới như Tây Ấn và các khu vực lân cận, Jamaica, và Châu Phi. Tinh dầu thu được từ rễ là một sản phẩm có giá trị cao và như vậy việc nghiên cứu luôn luôn diễn ra để tìm kiếm hướng cải tiến kỹ thuật chiết xuất để thu được tinh dầu với sản lượng cũng như chất lượng tốt hơn. Mô tả cây Cây thảo đa niên, mọc thành bụi cao đến 1m. Thân rễ phát triển thành củ, phân nhánh xòe ra gần như trên cùng một mặt phẳng, màu vàng nhạt, mùi thơm. Lá mọc so le, không cuống, có bẹ, hình mác, mặt nhẵn bóng, gân giữa hơi trắng nhạt, có mùi thơm. Trục hoa xuất phát từ gốc dài cỡ 20 cm mang cụm hoa hình bong. Hoa màu vàng xanh, cánh môi màu tía với những chấm màu vàng. Nhị hoa màu tía. Quả mọng. Phân bố Gừng là một thực vật bản địa của châu Á trồng nhiều ở khắp nơi trên thế giới như Tây Ấn và các khu vực lân cận, Jamaica, và Châu Phi. Chủ yếu dung làm gia vị và làm thuốc. Thu hái, chế biến Thường thu hoạch vào mùa đông, khi cây sắp lụi. Đào lấy rễ củ, cắt bỏ thân lá, rễ con, rửa sạch, phơi khô. Có thể dùng dạng tươi, dạng khô, sao vàng hoặc sao gần cháy tùy theo mục đích sử dụng. Tinh dầu thu được từ thân rễ là một sản phẩm có giá trị cao và như vậy việc nghiên cứu luôn luôn diễn ra để tìm kiếm hướng cải tiến kỹ thuật chiết xuất để thu được tinh dầu với sản lượng cũng như chất lượng tốt hơn. 2.2.2. Thành phần hóa học Tinh dầu ( 1 – 3%): d-camphor, β-phelandren, zingiberen, citral, borneol, geraniol. Chất cay: gingerol, shogaol. Tinh bột, lipid, nhựa dầu. 2.3. Tinh dầu gừng [5] 2.3.1.Tính chất lý hóa Tinh dầu trích từ thân rễ Zingiber officinale Rosc. là chất lỏng linh động, nhớt, có màu xanh đến vàng, mùi thơm đặc trưng nhưng không có vị cay của gia vị. Trọng lượng riêng (15OC): 0.877 đến 0.886 Góc quay cực: -26O0 đến -50O0 Chỉ số khúc xạ (20OC): 1.489 – 1.494 Chỉ số acid: >2 Chỉ số ester: >15 Độ hòa tan: tan ít trong alcol. 2.3.2. Thành phần hóa học (tinh dầu gừng Việt Nam) Hexanal (0.07%), Triciclen (0.23%), α-pinen (3.9%), 2-heptanol (0.27%), 2-heptanon (vết), Camphen (12.6%), Fufural (vết), Sabinen (0.07%), β-pinen (0.53%), mircen (1.9%), α-phelandren (5.7%), 6-metilhept-5-en-2-on (0.15%), p-cimen và 1,8-cineol (5.3%), γ-terpinen (0.05%), 2,6-dimetilhept-5-nal (0.06%), Terpinolen (0.35%), 2-nonanol (0.2%), Linalool và 2-nonanol (0.65%), Perilen (0.18%), Rosefuran (0.18%), Citronelal (0.29%), Isoborneol (vết), Borneol (1.8%), Camphor (0.12%), α-terpineol (1%), Citronelol (0.3%), p-cimen-8-ol (0.07%), Mirtenal (0.06%), 2-undecanon (0.05%), Geraniol (0.69%), Neral (8.1%), Acetat bornil (0.21%), Geranial (15.9%), β-elemen (0.3%), Acetat geranil (0.2%), Trans-β-farnesen (0.12%), Zingiberen (9.2%), α-farnesen, β-bisamolen và ar-curcumen (7.8%), β-sesquiphelandren (4.3%), δ-cadien và selina-7(11)dien (0.26%), Acid lauric (0.09%), (E)-nerolidol (0.7%), Elemol (0.38%), Metilisoeugenol (0.08%), γ-eudesmol (0.23%), β-bisabolol (0.59%), β-eudesmol (0.93%), trans-β-sesquiphelandrol (0.72%), farnesal (0.2%), xantorrizol (0.1%). 2.3.3.Tác dụng dược lý – công dụng[3,4] Tác dụng dược lý: + Chống oxy hóa + Kháng viêm + Chống nôn + Trợ tiêu hóa + Chống huyết khối Công dụng: Trị lạnh bụng, đầy hơi, ăn không tiêu, đau bụng, tiêu chảy. Chống nôn. Trị cảm cúm, làm ra mồ hôi. Trị nhức đầu, ho mất tiếng. Gừng sao vàng chữa tay chân lạnh, nhức mỏi tê bại, tê thấp. 2.4. Những thông tin mới về gừng - Trong ngộ độc thực phẩm: gừng có tính sát trùng và tống hơi trong ruột nên có thể dùng điều trị ngộ độc thực phẩm, nhiễm trùng đường ruột và lỵ do vi khuẩn. - Buồn nôn và nôn mửa: gừng có hiệu quả chống buồn nôn và nôn, làm giảm nôn trong thai kỳ. - Trên tim mạch: gừng được sử dụng như một biện pháp ngăn ngừa bệnh tim mạch. Những nghiên cứu sơ bộ cho thấy gừng có thể làm giảm mức cholesterol trong máu và phòng chống đông máu nên làm giảm nguy cơ tắc nghẽn mạch máu và giảm tỷ lệ đột quỵ. - Gừng và tinh dầu gừng là một chất làm ra đàm tốt nên có hiệu quả trong các vấn đề về hô hấp như ho, cảm cúm, hen suyễn, viêm phế quản và khó thở. - Viêm: những nghiên cứu mới cho thấy trong gừng có Gingibain có tính kháng viêm. - Sốt rét: gừng có hiệu quả chống bệnh vàng da và sốt rét. - Stress: tinh dầu gừng là một chất kích thích do đó làm giảm trầm cảm, căng thẳng, mệt mỏi, chóng mặt, bồn chồn và lo âu. - Tóc: gừng hữu ích trong việc trị gàu, giúp chăm sóc tóc tốt. - Ung thư: gừng đang được nghiên cứu trong điều trị ung thư trên chuột. 3. CHIẾT XUẤT TINH DẦU TỪ GỪNG BẰNG KỸ THUẬT DÙNG VI BA (MICROWAVE) 3.1. Các phương pháp chiết xuất 3.1.1. Chiết xuất tinh dầu Gừng bằng vi ba (microwave)[5] Sử dụng 30g nguyên liệu (vi ba có nước ) và 60g nguyên liệu (vi ba không nước) chiếu xạ ở công suất 600W, trong các khoảng thời gian quy định và trong 2 điều kiện chưng cất hơi nước khác nhau,tinh dầu được ly trích theo sơ đồ. Nguyên liệu Bình chưng cất đặt trong lò vi ba Hệ thống ngưng tụ Bình hứng Dietylether Tinh dầu sản phẩm Chiếu xạ Bã Cắt nhỏ + nước Trích bằng Dietylether Làm khan nước bằng Na2SO4 Thu hồi Dietylether Hình 3. Sơ đồ ly trích tinh dầu trong điều kiện vi ba Bảng 2. Hiệu suất tinh dầu theo thời gian chiếu xạ trong phương pháp chưng cất hơi nước có thêm nước (80ml) Thời gian (phút) Khối lượng tinh dầu (g) Hiệu suất % 4.5 0.0195 0.06 5.0 0.0213 0.07 5.5 0.0241 0.08 6.0 0.0272 0.09 6.5 0.0320 0.11 7.0 0.0360 0.12 7.5 0.0372 0.12 8.0 0.0376 0.13 Nhận xét: Hiệu suất tinh dầu đạt kết quả cao nhất 0.13% sau khi chiết 8 phút, nếu tiếp tục chiếu xạ thì nguyên liệu trong bình sẽ bốc cháy vì lúc đó dược liệu đã bị khô và nhiều chỗ cháy đen. Do đó, chọn mẫu thu được sau khi chiếu xạ 7 phút để xác định thành phần hóa học vì mẫu gần với tự nhiên hơn. Bảng 3. Hiệu suất tinh dầu theo thời gian chiếu xạ trong phương pháp chưng cất hơi nước không thêm nước Thời gian (phút) Khối lượng tinh dầu (g) Hiệu suất % 3.0 0.0459 0.08 4.0 0.0639 0.1 4.5 0.0705 0.12 5.0 0.0777 0.13 5.5 0.0810 0.13 6.0 0.0844 0.14 6.5 0.0847 0.14 7.0 0.0849 0.14 Nhận xét: Hiệu suất tinh dầu đạt kết quả cao nhất là 0.14% sau khi chiếu xạ 7 phút, nếu tiếp tục chiếu xạ thì nguyên liệu trong bình sẽ bốc cháy vì lúc đó dược liệu đã bị khô và nhiều chỗ cháy đen. Do đó, chọn mẫu thu được sau khi chiếu xạ 6 phút để xác định thành phần 3.1.2. Chiết tinh dầu gừng bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước (Hydro - distillation ) [6] Đây là phương pháp cổ điển nhất nhưng ngày nay vẫn có rất nhiều loại tinh dầu được chiết xuất bằng phương pháp này, vì nó tương đối an toàn và có tính kinh tế cao. 3.1.2.1.Cơ sở lý thuyết Quá trình chưng cất trực tiếp với nước ( water distillation) Quá trình chưng cất nước bao gồm: Sự khuếch tán (diffusion) Sự tách rời (separation) Sự thẩm thấu (osmosis) Sự ngưng tụ (condensation) Quá trình đun nóng (heating) Sự hóa hơi(vaporization) Trong quá trình chưng cất, dược liệu được ngập trong nước đun sôi, lớp nước này có vai trò như một hàng rào bảo vệ để tinh dầu không bị ảnh hưởng bởi quá trình đun nóng. Khuếch tán là cơ chế đầu tiên, có vai trò quan trọng trong quá trình chiết xuất tinh dầu gừng. Khuếch tán là quá trình chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử chất tan từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp trong dung môi lỏng. Theo định luật Fick, nguyên nhân của quá trình khuếch tán là do gradient nồng độ của các phân tử chất tan. Các phân tử chất tan có xu hướng khuếch tán để cân bằng nồng độ. Hình 4. Cơ chế của quá trình khuếch tán Thẩm thấu là cơ chế thứ hai trong quá trình chiết xuất tinh dầu. Thẩm thấu đóng một vai trò trong việc mang các phân tử tinh dầu gừng lên bề mặt các túi tiết . Trong thẩm thấu, các phân tử dung môi di chuyển dễ dàng từ một nơi có nồng độ thấp do chuyển động phân tử. Các tế bào đẩy các phân tử tinh dầu theo hướng từ nồng độ thấp đến cao, quá trình này cần năng lượng. Quá trình này được biểu diễn như hình sau: Lúc này bên trong tế bào còn ít phân tử tinh dầu. Nồng độ nước bên ngoài tế bào lớn, do đó, nước này có khuynh hướng di chuyển vào tế bào. Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi đạt đến cân bằng hai bên màng. Khi nồng độ chất tan ở hai mặt của màng tế bào cân bằng nhau, các phân tử nước sẽ di chuyển ra khỏi màng tế bào. Các phân tử nước này sẽ mang theo các phân tử tinh dầu ra khỏi tế bào. Thứ ba là quá trình đun nóng nước. Khi cung cấp nhiệt cho nước, nhiệt độ của nước tăng lên đến khi áp suất hơi của nước bằng với áp suất không khí. Tại thời điểm này nhiệt độ không tăng thêm nhưng quá trình đốt nóng vẫn diễn ra nên tiếp tục cung cấp nhiệt lượng để biến đổi nước từ thể lỏng sang thể hơi. Cơ chế thứ tư là sự hóa hơi. Khi nước và tinh dầu gừng được đun nóng đến áp suất khí quyển, chúng sẽ bay hơi ở một nhiệt độ xác định và tạo thành một hỗn hợp đẳng phí. Cơ chế thứ năm là sự ngưng tụ của sản phẩm chưng cất. Hơi nước và tinh dầu gừng được làm lạnh bằng cách ngưng tụ. Cơ chế cuối cùng là sự phân tách nước và tinh dầu. Chất lỏng được ngưng tụ và rơi xuống bởi trọng lực và tách thành 2 lớp dầu và nước riêng biệt, lớp dầu phía trên và lớp nước phía dưới. Hình 5. Hệ thống chưng cất trực tiếp với nước được sử dụng ở FRIM(Forest Research Institute Malaysia ) Quá trình chưng cất hơi nước (Steam Distillation) Quá trình đun nóng Sự tách rời (heating) (separation) Sự thẩm thấu Sự khuếch tán Sự ngưng tụ (osmosis) (diffusion) (condensation) Sự hóa hơi (vaporization) Quá trình đun nóng là cơ chế đầu tiên trong chưng cất tinh dầu gừng, trong trường hợp này là đun nóng dược liệu trong nước sôi. Tại thời điểm này, một phần tinh dầu gừng phân tán trong các phân tử nước đã thẩm thấu vào các túi tiết . Các phân tử tinh dầu ngấm vào nước nhờ quá trình khuếch tán thông qua màng. Hai cơ chế này xảy ra cùng lúc. Quá trình tiếp tục cho đến khi tất cả các các phân tử tinh dầu được khuếch tán từ các túi tiết và bay hơi theo hơi nước. Hình 6. Hệ thống chưng trực tiếp cất nước và hơi nước sử dụng ở CLEAR ( Centre of Lipids Engineering & Applied Research) 3.1.2.1.Kết quả thực nghiệm Cắt nhỏ 300gr nguyên liệu và 800ml nước vào bình cầu 2000ml.Đun sôi chưng cất hơi nước trong các thời gian quy định. Dietylether Tinh dầu sản phẩm `Nguyên liệu Bình cất Hệ thống ngưng tụ Bình phân ly tinh dầu và nước Phần tinh dầu Phần nước Cắt nhỏ 1. Trích bằng Dietylether 2. Làm khan nước bằng Na2SO4 3. Thu hồi Dietylether Hình 7. Sơ đồ ly trích tinh dầu theo phương pháp chưng cất hơi nước cổ điển Bảng 4. Hiệu suất tinh dầu theo thời gian chưng cất (theo phương pháp cổ điển) Thời gian (giờ) Khối lượng tinh dầu (gr) Hiệu suất (%) 4 0.6404 0.21 6 0.9648 0.32 8 1.1844 0.39 10 1.2825 0.43 12 1.3500 0.45 14 1.3785 0.46 16 1.3779 0.46 18 1.3782 0.46 Nhận xét: hiệu suất tinh dầu đạt cao nhất 0.46% sau 14 giờ chưng cất So sánh thành phần hóa hoc của tinh dầu gừng ly trích bằng 3 phương pháp Thành phần phần trăm các cấu phần trong tinh dầu Gừng theo 3 phương pháp phân tích được xác định bằng phương pháp sắc kí khí ghép khối phổ (GC-MS): phương pháp chưng cất hơi nước cổ điển (phương pháp A), chưng cất hơi nước dưới tác dụng của vi ba (có thêm nước vào nguyên liệu) (phương pháp B), chưng cất hơi nước dưới tác dụng của vi ba (không thêm nước vào nguyên liệu) (phương pháp C). Bảng 5: Thành phần hóa học của tinh dầu Gừng theo 3 phương pháp phân tích. STT Tên cấu tử Hàm lượng (%) Phương pháp A Phương pháp B Phương pháp C 1 α- Pinen 0.53 0.12 0.12 2 Camphen 3.85 0.39 0.14 3 β -Pinen 0.06 - Vết 4 β-Mircen 0.20 0.20 Vết 5 Phelandren Vết - - 6 1,8-Cineol 4.54 16.09 12.91 7 Ocimen Vết - - 8 Linalol Vết 1.65 0.92 9 Camphor Vết 0.33 0.17 10 Borneol 0.33 12.35 5.20 11 Terpinen-4-ol Vết 0.39 0.19 12 α-Terpineol 0.25 6.74 2.62 13 Neral 1.96 8.76 5.47 14 Geraniol - 1.94 - 15 Geranial 4.56 36.78 25.51 16 6-Isopropil biciclo[3.1.0]hexan 0.03 - - 17 Copaen 0.18 Vết 0.18 18 Elemen 0.50 Vết 0.12 19 β-Farnesen 0.16 - - 20 Cariophilen Vết - - 21 Zar-Curcumen 12.95 5.98 7.73 22 Zingiberen 33.39 0.68 18.51 23 C15H22 3.46 - 1.18 24 α-Farnesen 6.45 - 2.47 25 β-Bisabolen 6.96 1.78 3.77 26 β- Cabeben 0.26 - Vết 27 β- Sesquiphelandren 16.54 2.25 8.43 28 Farnesol - 0.18 0.35 Tổng cộng 97.16 96.61 96.99 (23): 1,2,3,4,4a,5,6,8a- Octahidro-7-metil-4-metilen-1-(1- etiletil) naphtalen Nhận xét: trong ba phương pháp ly trích, Zingiberen thu được trong phương pháp vi song có hàm lượng giảm đi. Ngược lại, geranal (cấu phần chính) thu được trong phương pháp lôi cuốn hơi nước có hàm lượng thấp hơn. 3.2. So sánh kết quả của 2 phương pháp chiết xuất: Từ những kết quả thu dược trong các khảo sất trên, có thể thấy: - Về hiệu suất chiết, phương pháp chưng cất hơi nước cho hiệu suất cao hơn các phương pháp chưng cất có sự hỗ trợ của vi sóng. Nguyên nhân dược giải thích là do thân rễ gừng chứa một lượng nước rất nhỏ và có thể do trong thành phần của gừng có nhieuf hợp chất kém phân cực. - Về thành phần hóa học, cấu tử chính trong tinh dầu gừng có thay đổi ở 2 phương pháp chưng cất. Nguyên nhân có thể do tác dụng đun nóng nội của vi sóng làm nhiệt độ tăng nhanh, sự phá vỡ tuyến tinh dầu xảy ra nhanh chóng đã chiết xuất tốt các hợp chất phân cực. 4. KIỂM NGHIỆM TINH DẦU GỪNG 4.1. Chỉ số vật lý[5] Tỷ trọng: D2525 = 0,8361 Độ quay cực: α24D= -2037’ Chỉ số khúc xạ Phương pháp ly trích nt D Chưng cất hơi nước 1,4583 Vi ba có nước 1,4535 Vi ba không nước 1,4512 4.2. Chỉ số hóa học[5] Chỉ số acid(IA): 2.916 Chỉ số savon(IS): 17.93 Chỉ số ester(IE): 15.014 4.3. Kiểm nghiệm tinh dầu Gừng bằng sắc ký lớp mỏng[7] Mẫu : Tinh dầu Gừng Bản mỏng: Silicagel F254 Hệ dung môi pha động : Toluene : Ethyl Acetate (93 : 7) Chuẩn bị mẫu: 1g tinh dầu Gừng hòa tan trong chloroform và chấm khoảng 10μl lên bản mỏng. Phát hiện: Thuốc thử Anisaldihyde Sulphuric (Hình 7) hoặc Vanillin sulphuric (Hình 8) Hình 8 Hình 9 4.4. Kiểm nghiệm bằng Sắc ký Khí – GC[7] Điều kiện sắc ký 1.Cột : DB wax 0.25 mm x 30 m 2.Nhiêt độ: - Capillary injector port : 2900C - FID dectector : 1750C - Column oven : 400C initial for 2 min - Programe>column oven : 40C/min up to 2250C - Hold time :5min - Total time :53min 3.Control mode :split Split ratio : 1:50 4.Áp suất cột : 134 kPa 5.Tốc độ dòng : 2.2 ml/min 6.Detector : F.I.D 7.Khí mang : Nitơ Hình 10. Sắc ký đồ tinh dầu Gừng (GC) 4.5. Kiểm nghiệm bằng HPLC[7] Điều kiện sắc ký Cột : C18 - ODS (Octadecylsilane) (Lichrocart 250-4,Lichrospher RP-18e-5µ (Merck) Art.No: 1.50216 Pha động : Acetonitril : nước (55 : 45) Detector : SPD-M 10Avp Photo diode array detector Tốc độ dòng : 1.3 ml/min Bước sóng : 280 nm Thể tích tiêm mẫu : 10 µl Chuẩn bị mẫu chuẩn: cân chính xác 100mg tinh dầu gừng chuẩn (contains 40% (kl/kl) Gingerol) cho vào bình định mức 25 ml. Hòa tan and bổ sung vừa đủ 25ml bằng methanol để chạy HPLC. Chuẩn bị mẫu thử: Cân một lượng chính xác mẫu thử tương đương 40 mg gingerol cho vào bình định mức 25ml. Hòa tan và bở sung vừa đủ 25ml bằng methanol để chạy HPLC. Tiến hành: Cài đặt máy với các thông số như trên. Sử dụng bơm tiêm thích hợp tiêm 10 µl dung dịch chuẩn. Lặp lại 4 lần và tính RSD(độ lệch chuẩn) của diện tich pic. RSD không được nhỏ hơn 2%. Tiêm 10µL mẫu thử và ghi sắc ký đồ. Tính thành phần % của gingerol từ diện tích đỉnh. Hình 11. Sắc ký đồ mẫu chuẩn tinh dầu Gừng (HPLC) Hình 12. Sắc ký đồ mẫu thử tinh dầu Gừng (HPLC) (mẫu thử chứa 20% Gingerols) 5. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT CÓ HỖ TRỢ VI BA CẢI TIẾN: 5.1. Phương pháp chiết xuất vi ba dùng dung môi kém phân cực (NPSMAE: Non-polar Solvent Microwave-Assisted Extraction)[8] Trong những năm gần đây, chiết xuất có hỗ trợ vi ba (MAE: Microwave-Assisted Extraction) đã được sử dụng một cách rộng rãi để chiết xuất hoạt chất trong các mẫu thực vật theo một hệ thống kín hoặc hở. Lợi ích lớn của MAE là khả năng cung cấp nhiệt cho hỗn hợp dung dịch mẫu một cách nhanh chóng. Hiệu quả của năng lượng vi ba chủ yếu phụ thuộc tính chất của các dung môi và dược liệu, vì thế nhiều loại dung môi phân cực và hỗn hợp dung môi được sử dụng làm dung môi chiết. Một trong những hỗn hợp thường được sử dụng là hỗn hợp hexane-aceton (1:1, V:V). Tuy nhiên, dung môi không phân cực, chẳng hạn như ether cũng thường xuyên được sử dụng trong thiết bị Likens-Nickerson để chiết các thành phần dễ bay hơi, nhưng nó rất khó để đun nóng trực tiếp bằng bức xạ vi ba. Trong báo cáo trước đó, một chất rắn có tính hấp thụ vi ba gọi là bột sắt carbonyl (ICP: Iron Carbonyl Powder) đã được sử dụng trong phương pháp chiết xuất vi ba không dùng dung môi (ISFME: Improved solvent-free microwave extraction) để chiết xuất tinh dầu từ các vật liệu khô. Các ICP có thể nâng cao nhiệt độ và áp suất trong hệ thống bình kín và cải thiện một cách mạnh mẽ tốc độ và hiệu suất chiết. Trong quá trình này, dung môi không phân cực (ether) và ICP đã được sử dụng để chiết xuất tinh dầu từ dược liệu khô Zingiber officinale Rosc. Phương pháp chiết xuất vi ba dùng dung môi kém phân cực (NPSMAE: Non-polar Solvent Microwave-Assisted Extraction) cải tiến cho thấy rằng lượng mẫu thử nhỏ hơn (3g) và thời gian chiết ít hơn (5 phút) so với HD, SAME, MSMAE và ISFME. Hệ thống NPSMAE cải tiến và điều kiện thực hiện NPSMAE được thực hiện trong một hệ thống chiết vi ba có áp suất. Năng lượng tối đa mà nó cung cấp là 800W với tần số của bức xạ vi ba là 2.450 MHz. Cấu trúc của thiết bị chiết được hiển thị trong hình 1 Hình 13. Cấu trúc của thiết bị chiết bằng NPSMAE Nạp 3g mẫu và 1g ICP trong bình chiết. Sau đó, thêm 10ml ether vào bình. Chiết bằng phương pháp MAE ở 200 kPa trong 5 phút. Khi chiết xuất hoàn tất, mẫu được làm nguội ở nhiệt độ phòng và đem ly tâm với tốc độ 3.000 vòng/phút trong 5 phút. Sau đó khử nước với natrisulfat khan và cho vào bình định mức 10ml, thêm ether đến vạch. Điều kiện PSMAE, MSMAE Các điều kiện được sử dụng trong phương pháp chiết xuất vi ba dùng dung môi phân cực (PSMAE: Polar Solvent Microwave-Assisted Extraction) và chiết xuất vi ba dùng dung môi phân cực trung bình (MSMAE: Medium Solvent Microwave-Assisted Extraction) tương tự với những điều kiện sử dụng trong NPSMAE. Dùng 10 ml ethanol và hỗn hợp ethanol-ether (1:1, V: V) làm dung môi chiết cho PSMAE và MSMAE và không có ICP. Điều kiện chưng cất theo hơi nước (HD: hydro - distillation) Nạp 50g mẫu và 300ml nước vào một bình nón 500ml và đun hồi lưu ở 1000C trong 3 giờ (dược điển Trung Quốc). Thu tinh dầu, làm khan với natrisulfat khan và được bảo quản ở 00C cho đến khi sử dụng. Xác định thành phần bằng sắc ký khí ghép - khối phổ (GC – MS):Việc xác định các hợp chất được thực hiện trên một hệ thống phân tích Hewlett Packard bao gồm sắc ký khí 6890 kết hợp với khối phổ 5973, sử dụng cột HP - 5MS (30,0m × 250μm × 0,25μm lớp dày). Tốc độ dòng khí mang (Heli) khoảng 1 ml/phút, thiết lập nhiệt độ ban đầu là 600C trong 2 phút, sau đó tăng lên đến 2200C (tốc độ 50C/phút) và tiêm mẫu. Các điều kiện hoạt động được liệt kê chi tiết trong bảng 6. Tỷ lệ phần trăm của các hợp chất được tính bằng phương pháp diện tích (the area normalization method). Bộ phận máy tính của máy khối phổ phân tích và so sánh các dữ kiện vừa thu được với các số liệu phổ chuẩn đang chứa sẵn trong thư viện của máy. Kết quả và thảo luận Tối ưu các thông số thực nghiệm của NPSMAE: Các thông số thực nghiệm được tối ưu hóa để thu được tối đa lượng tinh dầu và phân tích định lượng trong thời gian ngắn có thể. Các tham số ảnh hưởng đến lượng tinh dầu được kiểm soát, và các giá trị tối ưu được liệt kê trong bảng 5. Kết quả thử nghiệm sơ bộ chỉ ra rằng với tỷ lệ ICP/hỗn hợp mẫu là 1:3, tại áp suất bằng 200 kPa, với dung môi là ete chỉ cần thời gian 5 phút để chiết hoạt chất. Hiệu lực của ICP Trong hệ thống kín của MAE, để làm nóng 10ml ether và 10ml nước cần đến 7 phút. Tuy nhiên, khi có mặt của 1g ICP thì chỉ mất khoảng 1 phút để làm nóng 10ml ether từ 230C lên 1000C. Các kết quả cho thấy sự hấp thụ của ICP là tốt hơn. Các kết quả được trình bày trong Bảng 7 cho thấy rằng không có sự khác biệt rõ ràng về thành phần thu được giữa hai phương pháp, mà chỉ ra rằng các ICP có thể hấp phụ vi ba trung bình trong quá trình thực hiện. Thành phần hoá học trong các loại tinh dầu Các thành phần hóa học dễ bay hơi thu được từ dược liệu khô Zingiber officinale Rosc. bằng NPSMAE và HD được liệt kê trong Bảng 7. Từ bảng 2, có thể thấy rằng các thành phần trong tinh dầu thu được bằng phương pháp NPSMAE và HD khá tương tự. Nó cho thấy sesquiterpene (70,72% -73,83%) là nhóm hợp chất chính của Zingiber officinale Rosc và 1-(1,5-dimethyl - 4-hexenyl)-4-methyl-benzen (14,31% -16,08%), 5 - (1,5-dimethyl-4-hexenyl)-2-methyl-1, 3-Cyclohexadien (24,56% -25,81%), 1-methyl-4-(5-methyl-1-mêtylen - 4-hexenyl)-Cyclohexen (11,75% -13,06%) và β-sesquiphellandrene (12,85% -14,03%) là những thành phần chủ yếu. Có một sự khác biệt nhỏ trong tinh dầu chiết được bằng NPSMAE và HD. Khi sử dụng NPSMAE thì lượng chất oxy hoá thu được là ít hơn khi sử dụng HD. Lý do có thể là nước trong hệ thống sẽ làm cho một số hợp chất bị thủy phân. Lượng chất oxy hoá cũng bị ảnh hưởng bởi thời gian chiết xuất. Như vậy nếu thời gian chiết kéo dài và có nhiều nước thì sẽ dễ dàng xảy ra phản ứng thuỷ phân và phản ứng oxy hoá hơn. Các thành phần hóa học chủ yếu có trong tinh dầu thu được bằng PSMAE và MSMAE cũng được liệt kê trong bảng 6, và sắc kí đồ của các chất chiết xuất được thể hiện trong hình 14. Từ Bảng 7 và hình 14 cho thấy rằng các thành phần trong tinh dầu thu được bằng PSMAE và MSMAE ít hơn bởi NPSMAE. Các kết quả thử nghiệm cho thấy rõ ràng rằng lượng chất chiết được bằng PSMAE và MSMAE thấp hơn NPSMAE. Hình 14 Kết luận Phương pháp NPSMAE cung cấp một cách nhanh chóng và hiệu quả mẫu phân tích cho việc xác định các các thành phần dễ bay hơi trong vât liệu khô bằng GC/MS. ICP có khả năng hấp thu bước sóng ngắn và tốc độ làm nóng tốt hơn và cao hơn so với các dung môi phân cực, chẳng hạn như nước. Dung môi không phân cực cho dịch chiết tinh dầu tốt hơn dung môi phân cực. Do đó, NPSMAE có lợi hơn so với HD truyền thống về thời gian chiết xuất và phân tích mẫu. Hiệu quả chiết bằng NPSMAE cao hơn nhiều so PSMAE và MSMAE. Hơn nữa, có thể mở rộng phương pháp này để tách các mẫu khác không hấp thu vi ba bằng cách thay đổi các điều kiện chiết xuất. 5.2. Phương pháp chiết xuất vi ba không dùng dung môi cải tiến (ISFME: Improved solvent-free microwave extraction)[9] Tóm tắt Một phương pháp mới về việc chiết xuất tinh dầu từ dược liệu khô đã được nghiên cứu. Bằng cách thêm một chất trung gian hấp thụ vi ba (MAM: microwave-absorption medium) vào bình phản ứng, chiết xuất vi ba không dùng dung môi (SFME: solvent-free microwave extraction) đã được cải tiến và có thể được sử dụng để chiết xuất tinh dầu từ vật liệu khô mà không cần qua quá trình tiền xử lý. Với một bức xạ vi ba 85W chỉ mất khoảng 30 phút để chiết xuất hoàn toàn các loại tinh dầu. Toàn bộ quá trình chiết xuất rất đơn giản, nhanh chóng, và kinh tế. Ba loại MAM: sắt cacbonyl bột (ICP: iron carbonyl powder), bột than (GP: graphite powder), và bột than hoạt (ACP: activated carbon powder), và dược liệu khô là Gừng Zingiber officinale Rosc đã được nghiên cứu. So sánh các kết quả chiết xuất từ ba phương pháp chiết xuất vi ba không dùng dung môi (SFME: solvent-free microwave extraction), chưng cất hơi nước có hỗ trợ vi ba (MAHD: microwave-assisted hydrodistillation), chưng cất hơi nước thông thường (HD: hydrodistillation) và rút ra được kết luận SFME cải tiến là một phương pháp khả thi cho việc chiết xuất các loại tinh dầu từ nguồn nguyên liệu khô, bởi vì có vài khác biệt giữa các thành phần của tinh dầu chiết xuất bởi SFME cải tiến và bằng các phương pháp khác. Giới thiệu Chiết xuất vi ba không dùng dung môi (SFME), một phương pháp mới được sử dụng để chiết xuất tinh dầu từ vật liệu đã được phát triển trong những năm gần đây. SFME là một “công nghệ xanh”, bởi vì tinh dầu có thể được chiết xuất bằng phương pháp này mà không cần thêm bất kỳ một loại dung môi nào. Trong SFME, mẫu phải chứa nước đầy đủ, bởi vì hệ thống được làm nóng là do kết quả của sự hấp thụ năng lượng của nước từ vi ba. Đối với dược liệu tươi, SFME có thể được sử dụng để chiết xuất tinh dầu trực tiếp. Tuy nhiên, đối với mẫu vật liệu khô thì cần thiết là phải làm ẩm các mẫu trước khi chiết xuất, mà thực hiện quá trình này thì phức tạp và tốn thời gian. Để giúp quá trình chiết xuất tinh dầu từ nguyên liệu thực vật khô được nhanh chóng, chất trung gian hấp thụ vi ba (MAM) đã được thêm vào các mẫu để thay thế nước, ví dụ bột sắt cacbonyl (ICP), bột than chì (GP) và bột than hoạt (ACP) - tất cả đều hấp phụ năng lượng vi ba. Tất cả chúng có tính chất hấp thu vi ba tốt và hóa tính ổn định. Dưới cùng điều kiện này, vật liệu rắn có thể được làm nóng bằng cách chiếu xạ vi ba nhanh chóng hơn nhiều so với các dung môi thông thường, ví dụ nước, methanol, vv. Do đó có thể tin rằng bổ sung các ICP, GP, hoặc ACP cho một mẫu là một phương pháp khả thi để cải tiến SFME mà có thể làm cho toàn bộ quá trình đơn giản hơn và nhanh hơn khi sử dụng đơn thuần SFME trước đây để chiết xuất tinh dầu từ vật liệu khô. Trong bài báo cáo này, để tiếp tục hiểu biết về tác dụng của các MAM và mở rộng phạm vi áp dụng của phương pháp, dược liệu khô Zingiber officinale Rosc. đã được chọn làm mẫu; ICP, GP, và ACP được sử dụng như MAM. SFME đã được cải tiến bằng cách trộn các MAM với các mẫu. Để đánh giá bước cải tiến của SFME so với SFME thường, MAHD và HD bằng cách dựa vào việc xác định thời gian chiết xuất, chất lượng của tinh dầu thu được, bao gồm các thành phần hợp chất, và tiêu thụ điện năng. Phương pháp chiết xuất vi ba không dùng dung môi cải tiến (ISFME: Improved solvent-free microwave extraction): Hệ thống SFME cải tiến bao gồm một lò vi ba, bình phản ứng, một thiết bị khuấy trộn, và thiết bị đo nhiệt độ. Sơ đồ của hệ thống SFME cải tiến được thể hiện trong hình1. Các lò vi ba gia dụng đã được sửa đổi trong phòng thí nghiệm và năng lượng bức xạ vi ba có thể được truyền một cách liên tục đến các lò phản ứng. Năng lượng vi ba phát ra liên tục, đều đặn được kiểm soát. Năng lượng phát ra tối đa là 800W với tần số 2.450 MHz. Kích thước buồng bên trong của lò vi ba là 32cm × 32cm × 25cm. Bình phản ứng là một bình cổ ngắn 500ml có gắn thêm một cổ dài sát cổ ngắn. Hình 15. Hệ thống SFME cải tiến Thiết bị đo nhiệt độ có thể phát hiện chính xác nhiệt độ từ -45 tới 290°C. Trong quy trình SFME cải tiến, 100g mẫu và 20g MAM được thêm vào bình phản ứng và đun nóng bằng cách sử dụng bức xạ vi ba 85W trong 30 phút ở 100°C với thiết bị khuấy. Tốc độ khuấy thích hợp (khoảng 200 vòng / phút) được lựa chọn để cho phép trộn mẫu và MAM trong bình phản ứng. Các chất chiết ra được làm lạnh bằng thiết bị bên ngoài lò vi ba. Quá trình chiết được tiếp tục cho đến khi không còn sản phẩm. Sản phẩm chiết được chứa cả tinh dầu và nước. Thu tinh dầu, làm khan với natrisulfat khan và được bảo quản ở 00C cho đến khi sử dụng. Hệ thống SFME thông thường: Hệ thống SFME thông thường gần giống như hệ thống SFME cải tiến ngoại trừ không sử dụng hệ thống đo nhiệt độ, nhưng có một hệ thống để giữ độ ẩm trong mẫu hằng định (inner circulatingwater system). Làm ẩm mẫu (100g) trước khi chiết xuất. Mẫu ẩm được đặt trong bình phản ứng và làm nóng bằng cách sử dụng bức xạ vi ba 85W trong 50 phút hoặc cho đến khi không thu được tinh dầu nữa. Thu tinh dầu, làm khan với natrisulfat khan và được bảo quản ở 00C cho đến khi sử dụng. Hệ thống MAHD và HD: Hệ thống MAHD là giống như hệ thống SFME thông thường. Mẫu (50 g) và nước (300 ml) cho vào 500ml và đun nóng bức xạ vi ba 85W trong 90 phút. Thu tinh dầu, làm khan với natrisulfat khan và được bảo quản ở 00C cho đến khi sử dụng. Trong HD, 50g mẫu và 300ml nước được cho vào bình nón 500ml và đun nóng ở 1000C trong 180 phút (Dược điển Trung Quốc). Thu tinh dầu, làm khan với natrisulfat khan và được bảo quản ở 00C cho đến khi sử dụng. Xác định thành phần bằng GC-MS (Gas chromatography-mass spectrometry)  Tinh dầu đã được phân tích bởi hệ thống Hewlett Packard bao gồm sắc ký khí 6890 kết hợp với khối phổ 5973, sử dụng cột HP - 5MS (30,0m × 250μm × 0,25μm lớp dày). Heli được sử dụng làm khí mang tốc độ dòng 1,0 ml/min; tiêm 0,2 µL ở nhiệt độ 2300C; hệ số tách là 01:50. Nhiệt độ lò nung được thiết lập từ 60 đến 2200C với tốc độ 50C/phút. Sự ion hóa các hợp chất phân tích sử dụng các bức xạ có năng lượng là 70 eV. Kết quả và thảo luận Đặc tính của MAM: ICP, GP, và ACP, được sử dụng như là MAM trong SFME cải tiến.Tất cả chúng có tính chất hấp thu vi ba tốt và hóa tính ổn định. Bởi vì nước là một dung môi được sử dụng nhiều trong MAE, tính hấp thụ của ba loại MAM được so với nước. MAM (5 g) và nước (5 ml) đã được đặt trong cùng một lò phản ứng và chiếu bức xạ 85W. Thời hạn chiếu xạ cho việc gia tăng nhiệt độ 20-1000C được liệt kê trong Bảng 1. Rõ ràng rằng đặc tính hấp thu vi ba của ba loại MAM tương tự nhau và tốt hơn nước. Lựa chọn các điều kiện thực nghiệm cho SFME cải tiến: Trong SFME cải tiến, việc lựa chọn điều kiện thực nghiệm tối ưu, ví dụ như tỷ lệ của MAM so với mẫu, năng lượng bức xạ vi ba và tốc độ của thiết bị khuấy là quan trọng. Bởi vì đặc tính hấp thu vi ba của ba loại MAM tương tự nhau, nên tỷ lệ của MAM so với mẫu có thể được lựa chọn 1 trong 3 chất MAM. Đối với ICP, tỷ lệ khối lượng 1:1, 1:02, 1:05, và 1:10 đã được khảo sát, và tỷ lệ khối lượng được chọn là 01:05. Nếu tỷ lệ này quá cao, việc kiểm soát nhiệt độ chính xác sẽ khó khăn. Nếu tỷ lệ quá thấp, nhiệt độ tăng quá chậm và thời gian chiết xuất quá dài. Năng lượng bức xạ thích hợp là rất quan trọng để đảm bảo tinh dầu được chiết xuất một cách nhanh chóng với kiểm soát nhiệt độ chính xác. Ở những năng lượng bức xạ 50W, 85W, 100W và cao hơn đã được nghiên cứu. Và cuối cùng, năng lượng bức xạ 85 W đã được chọn bởi vì với năng lượng này và tỷ lệ MAM/mẫu là 1:5 chỉ mất khoảng 30 phút để chiết xuất tinh dầu hoàn toàn bằng cách sử dụng các phương pháp SFME cải tiến. Để đảm bảo mẫu và MAM được trộn kỹ lưỡng và làm nóng như nhau, tốc độ khuấy cũng rất quan trọng. Tốc độ 200 vòng/phút đã được lựa chọn; đảm bảo hỗn hợp di chuyển liên tục trong lò phản ứng. Thành phần của tinh dầu Hợp chất điển hình trong tinh dầu thu được từ Zingiber officinale Rosc. là α-zingiberene chiếm 17.4 - 25.4%. Theo các tài liệu, α-zingiberene trong tinh dầu Gừng là 28,6%, gần giống với kết quả nghiên cứu. Hàm lượng chất oxy hóa toàn phần trong tinh dầu Gừng là 6 - 9%. Bảng 8: Trình bày thành phần trong tinh dầu gừng chiết xuất bằng SFME cải tiến dùng 3 loại MAM. Hiệu quả của ICP, GP và ACP: Ta biết rằng đặc tính hấp thu vi ba của ba loại MAM tốt hơn nước. Từ đó, có thể kết luận rằng, SFME cải tiến dùng ICP, GP, ACP thì tiết kiệm thời gian hơn SFME thông thường, MAHD và HD khi chiết xuất tinh dầu từ dược liệu khô. Thời gian chiết được trình bày trong bảng 7 Khi thêm 3 loại MAM vào mẫu thì chỉ mất khoảng 2-3 phút để làm nóng mẫu từ 200C đến 100°C và khoảng 30 phút để chiết xuất tinh dầu hoàn toàn. Trong SFME thông thường sử dụng nước để hấp thụ năng lượng bức xạ vi ba và làm nóng mẫu, tuy nhiên, phải mất khoảng 8-10 phút để nâng nhiệt độ từ 200C đến 100°C và khoảng 50 phút để chiết xuất tinh dầu hoàn toàn. Từ bảng 8 trình bày rõ ràng rằng không có thành phần mới trong các loại tinh dầu chiết được bởi phương pháp SFME cải tiến. Trong quá trình chiết xuất tinh dầu, nhiệt độ cao và nước có thể dẫn đến một số thành phần bị phân hủy, ôxy hóa, hoặc thủy phân. Hầu hết các phản ứng xảy ra rất phức tạp và không chắc chắn, và một số không thường xuyên. Các thành phần bị thiếu có thể đã trở thành các thành phần khác tinh dầu hoặc sản phẩm mà không được phát hiện. Từ đó cho thấy, cả ba loại nguyên vật liệu (ICP, GP, và ACP) đóng vai trò như chất hấp phụ năng lượng bức xạ điện từ nhưng không phải là tác chất và tất cả đều thích hợp để sử dụng như MAM trong SFME cải tiến. So sánh các SFME cải tiến, SFME thường, MAHD, và HD Từ Bảng 6 cho thấy rằng thời gian chiết xuất của SFME cải tiến chỉ mất 30 phút, ngắn nhất trong bốn phương pháp, phương pháp SFME thông thường là 50 phút, MAHD là 90 phút, và HD là 180 phút. Trong quá trình chiết các thành phần chủ yếu của tinh dầu có thể bị ảnh hưởng bởi thời gian chiết: thời gian chiết quá lâu tạo điều kiện cho quá trình oxy hóa và thủy phân xảy ra dễ dàng hơn. Nước cũng có thể ảnh hưởng các thành phần của tinh dầu, vì nước có thể dẫn đến thủy phân một số hydrocarbon. Lượng nước càng nhiều, xác suất thủy phân càng tăng. Tuy nhiên, sự hiện diện của nhiều nước sẽ có xu hướng ngăn chặn sự oxy hóa, bởi vì nhiều nước sẽ làm giảm sự tiếp xúc giữa vật liệu và oxy trong khí quyển. Trong phương pháp SFME cải tiến chỉ có khoảng 8-10ml nước trong các nguyên liệu thực vật khô; đây là lượng nước nhỏ nhất trong bốn phương pháp. Khoảng 300 ml nước đã được hiện diện trong MAHD và HD, cao nhất trong bốn kỹ thuật chiêt xuất. Các hợp chất oxy hóa trong các loại tinh dầu có thể là sản phẩm của quá trình oxy hóa hoặc thủy phân. Tổng số các hợp chất oxy hóa trong các loại tinh dầu chiết xuất từ Gừng bằng các phương pháp khác nhau được hiển thị trong Bảng 8. Lượng chất oxy hoá trong tinh dầu chiết xuất từ gừng thì phương pháp HD thu nhiều nhất (9,0%). Khi sử dụng SFME cải tiến lượng chất oxy hoá thu được thấp nhất (6,0%). Lượng điện tiêu thụ được tính toán cho cả bốn phương pháp: các kết quả thu được được liệt kê trong Bảng 8 Đối với SFME cải tiến chi phí chỉ 0,04 kWh - thấp nhất trong bốn phương pháp. Điện năng tiêu thụ được cao nhất cho HD (0,75 kW h). Kết luận Phương pháp SFME đã được cải tiến bằng cách thêm ba loại MAM (ICP, GP và ACP) vào mẫu, và được sử dụng để chiết xuất tinh dầu từ nguyên liệu thực vật khô. SFME cải tiến phù hợp hơn so với SFME thường, MAHD và HD cho các loại tinh dầu chiết xuất từ nguồn nguyên liệu thực vật khô mà không có bất kỳ dung môi hay tiền xử lý, và làm cho toàn bộ quá trình chiết xuất đơn giản hơn, nhanh hơn, và kinh tế hơn. 6. KẾT LUẬN Qua tìm hiểu về quy trình chiết xuất, kiểm nghiệm tinh dầu từ thân rễ Gừng (Zingiber officinale Rosc.) thuộc họ Gừng (Zingiberaceae), chúng tôi nhận thấy: - Về hiệu suất chiết, phương pháp chưng cất hơi nước cho hiệu suất cao hơn các phương pháp chưng cất có sự hỗ trợ của vi sóng. - Đối với phương pháp chưng cất hơi nước cần thời gian dài để có thể chiết được toàn bộ tinh dầu (14 giờ) - Phương pháp sử dụng vi sóng để chiết xuất tinh dầu gừng có một só ưu điểm hơn phương pháp cất hơi nước cổ điển: +Thời gian chiết ngắn hơn nhiều so với phương pháp cất với nước (7 phút) + Thành phần phần trăm của các hợp chất phân cực tăng lên rõ rệt +Các chất oxi hóa có trong thành phần tinh dàu giảm rõ rệt, chất lượng tinh dầu tốt hơ. - Các chỉ số lý hóa của mẫu tinh dầu gừng thu được đều phù hợp với kết quả tham khảo tài liệu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M. Letellier and H. Budzinski*, Microwave assisted extraction of organic compounds , Analusis, 1999, 27, 259-271© EDP Sciences, Wiley-VCH 1999 [2] Bài Giảng Dược liệu, Tập II, Đại học Dược Hà Nội , NXB Y học [3] Đỗ Tất Lợi, Những cây thuốc và vị thuốcViệt Nam, NXB Y học(2004) [4] Giáo trình Nhận thức dược liệu, Đại học Y Dược thành phố Hò Chí Minh [5] Lê Quỳnh Liên, Luận án thạc sĩ khoa học chuyên ngành hóa hữu cơ, mã số 01.01.02 (2000) [6] Nurul Azlina Binti Mohamed, Study On Important Parameters Affecting The Hydro-Distillation For Ginger Oil Production (July 2005) [7] Zingiber officinale, Natural Remedies Pvt. Ltd., [8] YU, YongWANG, Zi-MingWANG, Yu-Tang(LI, Tie-ChunCHENG, Jian-Hua LIU, Zhong-YingZHANG, Han-Qi, “Non-polar Solvent Microwave-Assisted Extraction of VolatileConstituents from Dried Zingiber Officinale Rosc.”, Chinese Journal of Chemistry, 2007, 25, 346—350 [9] Ziming Wang & Lu Wang & Tiechun Li & Xin Zhou & Lan Ding & Yong Yu & Aimin Yu & Hanqi Zhang, Rapid analysis of the essential oils from dried Illicium verumHook. f. and Zingiber officinale Rosc. by improved solvent-free microwave extraction with three types of microwave-absorption medium, Received: 18 April 2006 / Revised: 20 July 2006 / Accepted: 15 August 2006 / Published online: 19 September 2006# Springer-Verlag 2006