Study on production of essential oil from Citrus medica L.var. sarcodactylis Sw

Cây phật thủ có tên khoa học Citrus medica L.var. sarcodactylis Sw, là loại cây bụi hay cây gỗ nhỏ, cao 3-4m, có gai. Lá hình trứng, chóp hơi tròn, có khi lõm, gốc thuôn, cuống ngắn. Hoa trắng, quả dài, vỏ màu vàng sẫm, có nhiều múi chạy dài theo quả, phía ngọn tách ra trông như những ngón tay chụm lại; cùi dày đặc, giòn và có mùi thơm đặc trưng.

Hình 1.1. Cây phật thủ

 Cây phật thủ được trồng nhiều ở Hoài Đức, Đan Phương, Quốc Oai, Thạch Thất, Phúc Thọ- Hà Nội; Hàm Yên- Tuyên Quang, Lục Ngạn- Bắc Giang… Diện tích cây phật thủ ở huyện Hoài Đức- Hà Nội có 95 ha, huyện Hàm Yên- Tuyên Quang có hơn 100 ha, các huyện trong tỉnh Bắc Giang có khoảng gần 200 ha, ngoài ra cây phật thủ còn được trồng nhiều ở địa phương khác trong cả nước. Trong những năm gần đây diện tích và sản lượng cây phật thủ ngày càng tăng lên, góp phần làm giàu cho nhiều hộ dân và nhiều địa phương đang đẩy mạnh việc phát triển trồng loại cây này.

Quả phật thủ khi chín có màu vàng, vỏ quả có nhiều túi tinh dầu. Trong tinh dầu quả phật thủ có chứa các hợp chất thuộc nhóm terpenoid có hoạt tính sinh học cao, có khả năng tạo mùi thơm hấp dẫn, đặc trưng cho loại quả này và có khả năng ứng dụng trong thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm.

Hình 1.2. Qủa phật thủ

Ngoài thành phần tinh dầu, trong vỏ quả phật thủ người ta còn tìm thấy có chứa một số hợp chất như: Flavonoid gọi là hesperidin, limettin, diosmin... Qủa phật thủ không có tép, không có hạt và ít nước. Trong quả phật thủ có chứa nhiều vitamin C, đường, axit hữu cơ, pectin, tinh dầu, glucosid, limettin, citropten, ngoài ra còn có diosmin và chất trắng anbeto. Theo Đông y quả phật thủ có vị cay, đắng, chua, tính ấm và tính ôn hòa, có tác dụng chữa các chứng ăn không tiêu, dùng làm thuốc giảm ho, điều hòa khí, bồi bổ dạ dày, hỗ trợ điều trị đau dạ dày, giảm đau, làm dễ tiêu, tan đờm, khỏe tỳ vị, chữa nôn và giã rượu… Bên cạnh việc sử dụng trong y học, người ta còn sử dụng quả phật thủ để ngâm rượu, làm bánh, làm mứt, sử dụng để nấu nước gội đầu...

13.1.2. Tổng quan về tinh dầu

Tinh dầu là một hỗn hợp của những hợp chất hữu cơ có cấu tạo phân tử phức tạp và khác nhau về cả đặc tính lý học cũng như hóa học. Hay nói cách khác tinh dầu là hỗn hợp các chất hữu cơ tan lẫn vào nhau, có mùi đặc trưng. Ở nhiệt độ thường hầu hết tinh dầu ở thể lỏng, có khối lượng riêng nhỏ hơn 1(trừ một vài tinh dầu quế, đinh hương..), không tan trong nước hoặc ít tan, nhưng lại hòa tan tốt trong dung môi hữu cơ như rượu, ete, chất béo, tinh dầu có vị cay và ngọt, nóng bỏng và có tính sát trùng mạnh. Thành phần hóa học của tinh dầu gồm các terpen và dẫn xuất chứa oxy của terpen như rượu, aldehyd, xeton, este...Mặc dù có nhiều cấu tử như vậy nhưng thường một vài cấu tử chính có giá trị và có mùi thơm đặc trưng cho tinh dầu. Tinh dầu chứa trong thực vật thường không ổn định mà luôn thay đổi theo thời gian sinh trưởng của cây hoặc cũng biến đổi theo điều kiện khí hậu, thời tiết. Trong các bộ phận của cây hàm lượng tinh dầu cũng khác nhau. Vì vậy cần phải xác định thời gian thu hái một cách hợp lý cho hàm lượng tinh dầu lớn nhất và chất lượng tốt nhất.

13.1.3.  Phương pháp khai thác và thu hồi tinh dầu

a. Phương pháp ép lạnh

Phương pháp này chủ yếu dùng để tách tinh dầu trong các loại vỏ quả có múi (họ citrus). Trong các loại quả có múi, tinh dầu nằm trong những túi tế bào ở bề mặt ngoài. Khi dùng lực cơ học tác dụng vào vỏ quả, tinh dầu sẽ thoát ra ngoài. Để lấy tinh dầu từ loại nguyên liệu này người ta có thể dùng ba cách: Thứ nhất là vắt, thứ hai bào nạo và thứ ba là ép. Trên thực tế, phương pháp ép cho hiệu quả cao hơn. Phương pháp ép lạnh được thực hiện như sau: Có thể ép nguyên liệu bằng máy ép hoặc ép thủ công bằng tay, trong quá trình ép có dội nước. Sau khi ép ta được hỗn hợp gồm nước và tinh dầu. Có thể tách vỏ loại bỏ phần cùi trắng rồi ép bằng tay trong môi trường lạnh có nhiệt độ từ 5- 10⁰C. Sau đó tinh dầu và nước thu được đem ly tâm với tốc độ 2500 vòng/phút, với thời gian 5 phút thì thu được hai phân lớp, tinh dầu nhẹ hơn nằm ở phía trên còn nước ở phía dưới. Khử nước còn lẫn trong tinh dầu bằng natrisunfat khan thì thu được tinh dầu đã làm khan. Ưu điểm là tinh dầu có chất lượng cao, có mùi thơm tự nhiên của nguyên liệu. Nhược điểm là hiệu suất thu hồi tinh dầu thấp, không tách chiết được hết tinh dầu trong nguyên liệu, không áp dụng được với tất cả các loại nguyên liệu.

b. Phương pháp chưng cất lôi cuốn theo hơi nước

Chưng cất là sự tách rời các cấu phần của một hỗn hợp nhiều chất lỏng dựa trên sự khác biệt về áp suất hơi của chúng. Tinh dầu là một hỗn hợp gồm nhiều cấu tử tan lẫn vào nhau. Hiện nay có một số phương pháp chưng cất với hơi nước như sau:

 Chưng cất với nước: Nguyên liệu và nước được cho vào cùng một thiết bị, đun tới sôi, nước bay hơi cuốn theo tinh dầu, tinh dầu được tách ra sau ngưng tụ.

Chưng cất bằng hơi nước không có nồi hơi riêng: Nguyên liệu và nước được đưa vào cùng một thiết bị nhưng ngăn cách bởi một lớp vỉ, để tránh cho nguyên liệu không lọt vào nồi chứa nước. Khi nước được đun sôi, hơi nước đi qua khối nguyên liệu sẽ kéo theo tinh dầu bay hơi theo và đi sang thiết bị ngưng tụ.

Chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng: Hơi nước được tạo ra từ một nồi hơi riêng và được dẫn vào thiết bị chưng cất. Chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng cùng một lúc có thể phục vụ cho nhiều thiết bị chưng cất.

c. Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ dựa trên cơ sở tính chất của một số loài hoa, quả có thể kéo dài thời gian tạo hương thơm sau khi đã rời khỏi cây và khả năng hòa tan chúng của các loại mỡ động vật trên bề mặt hấp phụ. Lớp hoa sau khi hấp phụ hết chất thơm bay hơi sẽ đem chưng cất hoặc trích ly lấy hết chất thơm không bay hơi còn lại.

d. Phương pháp trích ly

- Phương pháp trích ly bằng dung môi hữu cơ

Dung môi hữu cơ thường sử dụng để trích ly tinh dầu vỏ quả có múi là ethanol, dựa trên nguyên tắc ethanol có khả năng hòa tan một số cấu tử trong tinh dầu vỏ quả có múi. Vỏ quả có múi được cắt thái nhỏ với chiều dài khoảng 1cm và ngâm trong ethanol 90% với tỷ lệ nguyên liệu/ethanol là 1/2, ngâm trong thời gian 40 giờ, vớt vỏ bã ra và thay vào đó là lớp vỏ mới, mỗi lần ngâm như vậy khoảng từ 3- 4 lần vỏ mới. Phần vỏ sau khi đã ngâm đem chưng cất lôi cuốn theo hơi nước để thu tinh dầu còn lại.

- Phương pháp trích ly bằng dung môi CO₂ siêu tới hạn

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc các dung môi siêu tới hạn có khả năng hòa tan tốt các chất ở ba dạng rắn, lỏng, khí, hòa tan các chất thơm và không hòa tan kim loại. Dung môi siêu tới hạn có sự tác động lên cả các cấu tử dễ bay hơi và cả các cấu tử không bay hơi. Các chất ở trạng thái siêu tới hạn có tỷ trọng tương đương như tỷ trọng của pha lỏng nhưng mức độ linh động của các phân tử lại rất lớn, sức căng bề mặt nhỏ và hệ số khuếch tán cao tương đương của pha khí.

- Phương pháp trích ly vi sóng

Trích ly vi sóng dựa trên kết quả dao động của trường điện từ với tần số 2450 MHz. Các phân tử chất thiên nhiên thường là lưỡng cực điện, có một đầu điện tích âm và một đầu điện tích dương. Những đầu lưỡng cực này thường có xu hướng quay sao cho nằm song song với chiều điện trường ngoài. Khi điện trường dao động các phân tử quay nhanh qua lại và được chuyển hóa thành chuyển động nhiệt hỗn loạn va chạm phân tử tạo thành nhiệt trong môi trường trích ly.

13.1.4. Ngoài nước

Hiện nay trên Thế giới cũng đã có nhiều công trình đã nghiên cứu khai thác, thu hồi và ứng dụng tinh dầu từ vỏ, hoa và lá của loài cây Citrus như: Verzare A và cộng sự đã đưa ra công nghệ khai thác tinh dầu chanh cho hiệu suất cao. Gianer R.S và cộng sự nghiên cứu quá trình chưng cất tinh dầu vỏ quả cam và đã xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất tinh dầu. Các tác giả Budich M và cộng sự, Lee S.T và cộng sự đã nghiên cứu trích ly thu hồi chất thơm trong quả có múi bằng dung môi CO₂ siêu tới hạn. Kết quả cho thấy thu hồi được chất thơm với hiệu quả cao.

Ngoài các công trình trên thì đến thời điểm này còn nhiều công trình nghiên cứu tách chiết, phân tích các cấu tử trong tinh dầu. Minh Tu N.T và cộng sự (2002) đã xác định 45 cấu tử trong tinh dầu vỏ quả bưởi, bằng phương pháp GC/O các tác giả đã xác định được nootkatone và trans-p-mentha-2,8-dien-1-ol là cấu tử tạo mùi đặc trưng của tinh dầu vỏ quả bưởi ở Nhật Bản. Đồng thời các tác giả cũng đã xác định được có 45 cấu tử trong tinh dầu vỏ quả cam. Các tác giả cho thấy sự có mặt δ-3-carene> 0,03% được sử dụng làm chỉ thị để đánh giá cam ngọt hay cam đắng. Bên cạnh đó các tác giả cũng đã xác định được 43 cấu tử trong tinh dầu vỏ quả quýt và 77 cấu tử trong tinh dầu vỏ quả chanh. Tác giả Sugisawa H và cộng sự  đã nghiên cứu so sánh các cấu tử dễ bay hơi trong tinh dầu vỏ quả của bốn loài cam rốn, kết quả cho thấy các cấu tử trong tinh dầu của bốn loài cam này không có sự thay đổi nhiều. Tác giả Sawamura M và cộng sự, nghiên cứu các cấu tử dễ bay hơi của tinh dầu vỏ cam ngọt, quả phật thủ Trung Quốc, kết quả nghiên cứu đã phân tích được 64 cấu tử trong tinh dầu và đã xác định được một số cấu tử thuộc nhóm aldehyde tạo mùi thơm đặc trưng cho tinh dầu cam, tinh dầu phật thủ.

Matook S.M và cộng sự đều cho rằng tinh dầu cây có múi có hoạt tính sinh học mạnh. Matook S.M và cộng sự năm 2006 đã cho thấy tinh dầu trong flavedo có hoạt tính chống oxy hóa lớn hơn tinh dầu trong albedo. Tác giả Roger D và cộng sự đã nghiên cứu khả năng kháng khuẩn trong thực phẩm của tinh dầu vỏ quả có múi. Kết quả cho thấy các thành phần terpineol, d-limonene, geroniol có khả năng ức chế được 50- 60% các vi sinh vật Salmonella senftenber, Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas species trong thực phẩm. Các tác giả Salim U.R và cộng sự năm 2007 cũng nghiên cứu tác dụng ức chế vi sinh vật trong bánh mì của tinh dầu vỏ cam. Kết quả cho thấy sau 48 giờ đưa tinh dầu quả có múi vào thì các vi sinh vật Penicillium, Aspergillus flavus... đều giảm so với ban đầu là 2,7.10² xuống còn 1,2.10². Amal A.M và cộng sự đã phân tích trong tinh dầu vỏ quả cam có 20 cấu tử. Kết quả nghiên cứu cho thấy các cấu tử trong tinh dầu cam như limonene, linalool có khả năng ức chế các tế bào ung thư từ 81- 85%. Còn việc nghiên cứu quy trình công tách chiết tinh dầu quả phật thủ, xác định các cấu tử trong tinh dầu và hoạt tính sinh học của tinh dầu thì vẫn rất khiêm tốn.

13.1.5. Trong nước

Gần đây ở nước ta Nguyễn Mạnh Pha và cộng sự năm 1991, đã nghiên cứu các cấu tử trong tinh dầu vỏ bưởi của một số loài Citrus maxima (J.Burman) Merrill, đã xác định được hơn 30 cấu tử trong tinh dầu vỏ quả bưởi, trong đó chủ yếu là limonene chiếm từ 67-87% và myrcene chiếm từ 2-21,8%, ngoài ra còn có chứa một số hợp chất như linalool, α-terpinene, β-pinene, α-terpineol, neral, cis-carveol, trans-carveol, cumin aldehyde, geranial, sapthoulenol.... Năm 1992 Nguyễn Xuân Dũng và cộng sự đã nghiên cứu cấu tử của tinh dầu hoa, vỏ quả bưởi Đoan Hùng được trồng tại huyện Đoan Hùng- Phú Thọ và Từ Liêm- Hà Nội, tác giả đã xác định được 40 cấu tử, trong đó các hợp chất chính đều là linalool, nerolidol, farnesol, limonene, trans-β-ocimene, α-phellandrene và β-pinene. Kết quả nghiên cứu cho thấy các cấu tử chính trong tinh dầu hoa bưởi Đoan Hùng thay đổi ở các vùng khác nhau. Năm 2006 Nguyễn Minh Hoàng đã khảo sát tinh dầu vỏ trái giống citrus họ Rutaceae và đã thu được 53 cấu tử của tinh dầu, như limonene chiếm 52,86%, γ-terpiene chiếm 18,39%, α-thujene chiếm 9,61%, α-farnesene chiếm 7,02%, α-citral chiếm 3,73%... [8]. Năm 2009 Nguyễn Thị Lý và cộng sự đã nghiên cứu tách chiết tinh dầu và alcaloid từ quả Quất (Citrus japonica Thumb). Bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn theo hơi nước cổ điển và phương pháp chưng cất lôi cuốn theo hơi nước dưới sự chiếu xạ của vi sóng, các tác giả đã thu được 17 cấu tử như: limonene chiếm 93,12%, β-myrcene chiếm 4,59%.

Năm 2009, Nguyễn Thị Lý và cộng sự đã nghiên cứu tách chiết tinh dầu và alcaloid từ quả Quất (Citrus japonica Thumb). Bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn theo hơi nước cổ điển và phương pháp chưng cất lôi cuốn theo hơi nước dưới sự chiếu xạ của vi sóng, các tác giả đã thu được 17 cấu tử. Nguyễn Văn Lợi và cộng sự (2013), đã nghiên cứu tách chiết và xác định hoạt tính sinh học của các thành phần tạo hương trong tinh dầu vỏ quả bưởi và vỏ quả cam của Việt Nam. Kết quả nghiên cứu đã xác định được 46 thành phần trong tinh dầu vỏ quả bưởi Đoan Hùng và 42 thành phần trong tinh dầu vỏ quả cam sành Hàm Yên. Cũng trong năm 3013, tác giả Nguyễn Văn Lợi và cộng sự cũng đã xác định được 43 thành phần trong tinh dầu chanh giấy Hàm Yên. Nguyễn Văn Lợi và cộng sự (2013), nghiên cứu tổ hợp hương và tạo hương liệu từ tinh dầu vỏ quả có múi; kết quả đã tạo được tổ hợp và xây dựng được quy trình sản xuất hương liệu thực phẩm dạng bột. Năm 2014, Nguyễn Văn Lợi và cộng sự, đã nghiên cứu thành phần hóa học và hoạt tính sinh học của tinh dầu lá bưởi, cam và chanh; kết quả cho thấy bằng phương pháp GC- MS xác định được 28 thành phần hóa học trong tinh dầu lá bưởi Yên Thế, 21 thành phần hóa học trong tinh dầu lá cam sành Cao Phong và 26 thành phần hóa học trong tinh dầu lá chanh giấy Tân Yên. Đồng thời năm 2014, nhóm tác giả này cũng đã nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất hương liệu thực phẩm từ tinh dầu lá bưởi, cam và chanh; kết quả đã tổ hợp được hương liệu và xây dựng được quy trình sản xuất hương liệu thực phẩm từ ba loại tinh dầu này. Năm 2015, Nguyễn Văn Lợi và cộng sự đã nghiên cứu thành phần hóa học, chỉ số hóa lý và hoạt tính sinh học của tinh dầu quả phật thủ Việt Nam; kết quả đã xác định được 40 thành phần hóa học và khả năng quét gốc tự do DPPH: 41,16 ± 0,23% và khả năng kháng khuẩn trên 4 chủng vi sinh vật: Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Salmonella typhi và Bacillus cereus. Còn việc nghiên cứu từ việc tách chiết, xác định các cấu tử trong tinh dầu, hoạt tính sinh học của tinh dầu và sản xuất hương liệu ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm thì vẫn rất ít các công trình nghiên cứu.

13.2. Luận giải về việc đặt ra mục tiêu và những nội dung cần nghiên cứu của đề tài

Từ các kết quả phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về tinh dầu của loại quả thuộc họ Citrus, kết quả cho thấy các công trình nghiên cứu này đều tập trung vào các hướng xây dựng quy trình sản xuất tinh dầu, xác định hoạt tính sinh học của tinh dầu và ứng dụng tinh dầu trong các lĩnh vực thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm. Có thể nói rằng ở nước ta đến thời điểm này rất ít các công trình nghiên cứu một cách hệ thống từ giống, khai thác, thu hồi, tách chiết, sản xuất hương liệu dạng bột và ứng dụng các cấu tử tạo hương của tinh dầu quả thuộc họ Citrus với quy mô lớn. Trong khi đó nguồn nguyên liệu các loại quả này ở trong nước là rất lớn và nhu cầu sử dụng ngày càng cao. Đặc biệt việc nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất tinh dầu thơm của quả phật thủ thì rất ít các công trình nghiên cứu. Trong khi đó hiện nay cây phật thủ đang được trồng nhiều ở nước ta, nhưng những loại quả này chủ yếu được dùng để thờ cúng vào các dịp lễ tết hoặc xuất khẩu sang trung quốc. Vì thế việc đặt các mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất tinh dầu thơm từ quả phật thủ” là một vấn đề rất cần thiết.