Luận văn Nghiên cứu xây dựng mô hình động học của quá trình trích ly tinh dầu từ nguồn nguyên liệu vỏ trái cây họ Citrus vùng Đồng bằng sông Cửu Long

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu xây dựng mô hình động học của quá trình trích ly tinh dầu từ nguồn nguyên liệu vỏ trái cây họ Citrus vùng Đồng bằng sông Cửu Long

1. BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Đào Tấn Phát NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TRÍCH LY TINH DẦU TỪ NGUỒN NGUYÊN LIỆU VỎ TRÁI CÂY HỌ CITRUS VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh - 2021
2. BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Đào Tấn Phát NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TRÍCH LY TINH DẦU TỪ NGUỒN NGUYÊN LIỆU VỎ TRÁI CÂY HỌ CITRUS VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Chuyên ngành: Hóa Hữu Cơ Mã số: 844014 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn 1 : PGS. TS. Bạch Long Giang Hướng dẫn 2 : PGS. TS. Trần Ngọc Quyển Khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh - 2021
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam kết đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được thực hiện tại phòng thí nghiệm Công nghệ và Môi trường của trường Đại học Nguyễn Tất Thành dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Bạch Long Giang và Thầy PGS.TS Trần Ngọc Quyển trong khuôn khổ của Chương trình Khoa học và Công nghệ của Bộ Giáo dục và Đào tạo (Mã số: CT2020.01.TCT-07), đề tài cấp Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Hậu Giang (Mã số: 37/HĐ-KHCN, 23/11/2020). Các số liệu và kết quả được nêu trong luận văn là trung thực và chính xác, các ý tưởng tham khảo, so sánh với những kết quả từ các công trình khác đã được trích dẫn trong luận văn. TP.HCM, ngày tháng năm 2021 Đào Tấn Phát i
4. LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn thạc sĩ này, tôi xin chân thành bày tỏ lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô của Khoa Hóa học, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập. Đặc biệt hơn, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến hướng dẫn khoa học của tôi, PGS.TS Bạch Long Giang (trường Đại học Nguyễn Tất Thành) và PGS.TS Trần Ngọc Quyển (Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng) – Người Thầy đã định hướng, trực tiếp dẫn dắt và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian học tập, thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học này. Đồng thời, Thầy cũng là người luôn cho tôi những lời khuyên vô cùng quý giá về cả kiến thức chuyên môn cũng như định hướng phát triển sự nghiệp. Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cám ơn PGS.TS Nguyễn Đại Hải – Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng đã hỗ trợ tôi thực hiện các phương pháp phân tích trong nghiên cứu của mình. Xin cảm ơn sự hợp tác, cộng sự của các bạn sinh viên đến từ trường Đại học Nguyễn Tất Thành, Đại học Nông Lâm TPHCM đã hỗ trợ tôi hoàn thành tốt luận văn này. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Tập đoàn Vingroup – Công ty CP, hỗ trợ bởi Chương trình học bổng đào tạo Thạc sĩ, Tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn (VINBIGDATA) cho luận văn thạc sĩ này của tôi. Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn. ii
5. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ngữ nghĩa vEO Lượng tinh dầu thu được trong quá trình chiết tách (mL) mused Khối lượng nguyên liệu đã sử dụng (g) qt Lượng tinh dầu thu được trong nguyên liệu đến thời điểm t (%, v/w) Lượng tinh dầu thu được đến thời bão hòa (%, v/w) Lượng tinh dầu tính toán được đến thời điểm bão hòa (%, v/w) -1 k1 Hằng số tốc độ bậc 1 của quá trình chưng cất (phút ) -1 -1 k2 Hằng số tốc độ bậc 1 của quá trình chưng cất (g.mL phút ) -1 kw Hằng số tốc độ cho giai đoạn cho giai đoạn rửa (phút ) -1 kd1 Hằng số tốc độ cho quá trình khuếch tán không cản trở (phút ) -1 kd2 Hằng số tốc độ cho quá trình khuếch tán cản trở (phút ) fw Phần tinh dầu trích ly thông qua giai đoạn rửa fd1 Phần tinh dầu trích ly thông qua giai đoạn khuếch tán không cản trở fd2 Phần tinh dầu trích ly thông qua giai đoạn khuếch tán cản trở ĐBSCL Đồng Bằng Sông Cửu Long GC-MS Sắc ký khí – khối phổ iii
6. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1. Một số hợp chất chính hay gặp trong thành phần tinh dầu ........... 19 Bảng 2. 1. Danh mục hóa chất ........................................................................ 37 Bảng 2. 2. Danh mục dụng cụ thí nghiệm ...................................................... 38 Bảng 3. 1. Thông số động học của quá trình chiết xuất ................................. 61 Bảng 3. 2. Thông số động học của quá trình chiết xuất ................................. 71 Bảng 3. 3. Thông số động học của quá trình chiết xuất ................................. 81 Bảng 3. 4. Thành phần hóa học của tinh dầu cam sành ................................. 83 Bảng 3. 5. Thành phần hóa học của tinh dầu chanh ....................................... 85 Bảng 3. 6. Thành phần hóa học của tinh dầu vỏ bưởi .................................... 88 Bảng 3. 7. Kết quả đường kính vòng kháng khuẩn ........................................ 89 Bảng 3. 8. Đánh giá mức độ kháng khuẩn của các loại tinh dầu lên các chủng vi khuẩn ........................................................................................................... 90 Bảng 3. 9. Khả năng bắt gốc tự do DPPH ...................................................... 91 Bảng 3. 10. Khả năng bắt gốc tự do ABTS .................................................... 92 iv
7. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. 1. Quả bưởi da xanh ............................................................................ 9 Hình 1. 2. Quả cam sành ................................................................................ 13 Hình 1. 3. Quả chanh không hạt ..................................................................... 15 Hình 2. 1. Cơ sở của phương pháp DPPH* .................................................... 45 Hình 2. 2. Quy trình chiết tách tinh dầu Citrus .............................................. 48 Hình 3. 1. Hàm lượng tinh dầu vỏ cam chiết xuất ở tỉ lệ nước và nguyên liệu khác nhau ......................................................................................................... 54 Hình 3. 2. Hàm lượng tinh dầu vỏ cam chiết xuất ở nhiệt độ chưng cất khác nhau ................................................................................................................. 55 Hình 3. 3. Mô hình động học bậc nhất của tinh dầu cam tại nhiệt độ chưng cất khác nhau ......................................................................................................... 57 Hình 3. 4. Mô hình rửa tức thời-khuếch tán của tinh dầu cam tại nhiệt độ chưng cất khác nhau ........................................................................................ 57 Hình 3. 5. Mô hình rửa và khuếch tán không cản trở của tinh dầu cam tại nhiệt độ chưng cất khác nhau .......................................................................... 58 Hình 3. 6. Mô hình rửa và khuếch tán của tinh dầu cam tại nhiệt độ chưng cất khác nhau ......................................................................................................... 58 Hình 3. 7. Hàm lượng tinh dầu vỏ chanh chiết xuất ở tỉ lệ nước và nguyên liệu khác nhau .................................................................................................. 64 Hình 3. 8. Hàm lượng tinh dầu vỏ chanh chiết xuất ở nhiệt độ chưng cất khác nhau ................................................................................................................. 65 Hình 3. 9. Mô hình động học bậc nhất của tinh dầu chanh tại nhiệt độ chưng cất khác nhau ................................................................................................... 67 Hình 3. 10. Mô hình rửa tức thời-khuếch tán của tinh dầu chanh tại nhiệt độ chưng cất khác nhau ........................................................................................ 67 Hình 3. 11. Mô hình rửa và khuếch tán không cản trở của tinh dầu chanh tại nhiệt độ chưng cất khác nhau .......................................................................... 68 Hình 3. 12. Mô hình rửa và khuếch tán đồng thời của tinh dầu chanh tại nhiệt độ chưng cất khác nhau ................................................................................... 68 Hình 3. 13. Hàm lượng tinh dầu vỏ bưởi chiết xuất ở tỉ lệ nước và nguyên liệu khác nhau .................................................................................................. 74 Hình 3. 14. Hàm lượng tinh dầu vỏ bưởi chiết xuất ở nhiệt độ khác nhau .... 75 Hình 3. 15. Mô hình động học bậc nhất của tinh dầu bưởi tại nhiệt độ chưng cất khác nhau ................................................................................................... 77 Hình 3. 16. Mô hình rửa tức thời-khuếch tán của tinh dầu bưởi tại nhiệt độ chưng cất khác nhau ........................................................................................ 77 Hình 3. 17. Mô hình rửa và khuếch tán không cản trở của tinh dầu bưởi tại nhiệt độ chưng cất khác nhau .......................................................................... 78 v
8. Hình 3. 18. Mô hình rửa và khuếch tán đồng thời của tinh dầu bưởi tại nhiệt độ chưng cất khác nhau ................................................................................... 78 Hình 3. 19. Phổ GC-MS của tinh dầu từ vỏ cam sành ................................... 83 Hình 3. 20. Phổ GC-MS của tinh dầu từ vỏ chanh không hạt ........................ 85 Hình 3. 21. Phổ GC-MS của tinh dầu từ vỏ bưởi da xanh ............................. 87 vi
9. MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 6 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CÂY HỌ CITRUS .................................................... 6 1.1.1. Sơ lược về cây họ Citrus ................................................................. 6 1.1.2. Phân loại và phân bố ....................................................................... 6 1.1.3. Tình hình sản xuất Citrus ở Việt Nam ............................................ 7 1.2. GIỚI THIỆU VỀ BƯỞI DA XANH ..................................................... 8 1.2.1. Nguồn gốc ....................................................................................... 8 1.2.2. Đặc điểm thực vật ........................................................................... 9 1.2.3. Đặc điểm sinh học ......................................................................... 10 1.2.4. Công dụng của bưởi ...................................................................... 11 1.3. GIỚI THIỆU VỀ CAM SÀNH ............................................................ 13 1.3.1. Nguồn gốc ..................................................................................... 13 1.3.2. Đặc điểm thực vật ......................................................................... 13 1.4. GIỚI THIỆU VỀ CHANH KHÔNG HẠT .......................................... 14 1.4.1. Nguồn gốc ..................................................................................... 14 1.4.2. Đặc điểm thực vật ......................................................................... 15 1.4.3. Phân bố và đặc điểm sinh thái, sinh trưởng .................................. 16 1.4.4. Công dụng của cây chanh ............................................................. 18 1.5. GIỚI THIỆU VỀ TINH DẦU ............................................................. 19 1.5.1. Khái niệm tinh dầu ........................................................................ 19 1.5.2. Tinh dầu chiết xuất từ vỏ bưởi ...................................................... 20 1.5.3. Tinh dầu chiết xuất từ vỏ chanh .................................................... 20 1.5.4. Tinh dầu chiết xuất từ vỏ cam ....................................................... 21 1.6. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT TÁCH TINH DẦU ........................... 21 1.6.1. Phương pháp trích ly bằng dung môi ............................................ 21 1.6.2. Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước ................................... 22 1.6.3. Phương pháp ép lạnh ..................................................................... 22 1.6.4. Phương pháp chưng cất hỗ trợ vi sóng ......................................... 22 1.7. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ CÁC CHỦNG VI SINH VẬT .............. 23 1.7.1. Staphylococcus aureus .................................................................. 23 1.7.2. Escherichia coli ............................................................................. 23 1.7.3. Salmonella enterica ....................................................................... 24 1.7.4. Bacillus cereus .............................................................................. 24 1.8. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ GỐC TỰ DO ......................................... 25 1.9. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ............... 26 1.9.1. Trong nước .................................................................................... 26 1.9.2. Ngoài nước .................................................................................... 28 1.10. LUẬN GIẢI ĐỀ TÀI ......................................................................... 34 1
10. CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP .......................... 37 NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 37 2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU ......................................................................... 37 2.1.1. Nguyên liệu ................................................................................... 37 2.1.2. Dụng cụ, thiết vị và hóa chất ......................................................... 37 2.1.3. Địa điểm và thời gian thí nghiệm .................................................. 38 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................................ 38 2.2.1. Phương pháp thu nhận nguyên liệu ............................................... 38 2.2.2. Phương pháp chiết xuất tinh dầu ................................................... 39 2.2.3. Phương pháp phân tích và đo đạc kết quả .................................... 39 2.2.4. Phương pháp nghiên cứu mô hình động học của quá trình trích ly tinh dầu .................................................................................................... 39 2.2.5. Phương pháp đánh giá thành phần hóa học của tinh dầu .............. 42 2.2.6. Phương pháp đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của các loại tinh dầu ................................................................................................................. 42 2.2.7. Phương pháp đánh giá hoạt tính kháng oxy hóa của các loại tinh dầu ........................................................................................................... 44 2.2.8. Phương pháp xử lý số liệu ............................................................. 47 2.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................ 47 2.3.1. Quy trình công nghệ quá trình chiết xuất ...................................... 47 2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình chưng cất ........ 49 2.3.3. Khảo sát và tính toán các thông số trong mô hình động học quá trình chưng cất tinh dầu của các loại tinh dầu......................................... 49 2.3.4. Đánh giá và lựa chọn mô hình động học quá trình trích ly tinh dầu ................................................................................................................. 51 2.3.5. Đánh giá hiệu suất, thành phần của tinh dầu vỏ của các loại tinh dầu ........................................................................................................... 51 2.3.6. Đánh giá khả năng kháng khuẩn của các loại tinh dầu ................. 51 2.3.7. Đánh giá hoạt tính kháng oxy hóa của các loại tinh dầu .............. 52 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 53 3.1. NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH CHIẾT XUẤT TINH DẦU CAM SÀNH ...................................................................................... 53 3.1.1. Ảnh hưởng của điều kiện chiết xuất ............................................. 53 3.1.2. Động học quá trình chiết xuất tinh dầu Cam sành ........................ 56 3.2. NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH CHIẾT XUẤT TINH DẦU CHANH KHÔNG HẠT .................................................................... 63 3.2.1. Ảnh hưởng của điều kiện chiết xuất ............................................. 63 3.2.2. Động học quá trình chiết xuất tinh dầu Chanh không hạt ............ 66 3.3. NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH CHIẾT XUẤT TINH DẦU BƯỞI DA XANH .............................................................................. 73 3.3.1. Ảnh hưởng của điều kiện chiết xuất ............................................. 73 2