Đề tài Nghiên cứu chiết xuất tinh dầu tỏi bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (355.35 KB, 34 trang )

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, khuynh hướng quay về với thiên
nhiên, tìm tòi và phát triển những phương thuốc truyền thống ngày càng được chú
trọng. Thảo dược thiên nhiên ngày càng đóng vai trò quan trọng trong phòng, chữa
bệnh và nâng cao sức khỏe của nhân dân.
Tỏi là loại cây được trồng khắp nơi để làm gia vị và tỏi luôn đứng ở tuyến đầu về
điều trị chống vi khuẩn. Tỏi có tác dụng giúp tăng cường sức đề kháng của cơ thể,
phòng ngừa và hỗ trợ điều trị một số bệnh về đường hô hấp do vi rút, các trường hợp
ho và cảm cúm dai dẳng, phòng ngừa và hỗ trợ điều trị cảm cúm thông thường, giúp
giảm cholesterol máu, ngăn ngừa xơ vữa động mạch, cao huyết áp, gan nhiễm mỡ,
giúp giảm chướng bụng, đầy hơi, ăn uống khó tiêu, chống ung thư dạ dày và ung thư
da, làm suy giảm viêm đa khớp, làm chậm quá trình lão hóa,...
Việt Nam ta có nhiều vùng trồng tỏi, nhưng nổi tiếng thơm ngon nhất là “Vương
quốc tỏi - huyện đảo Lý Sơn”. Cây tỏi là cây trồng chủ lực trong sản xuất nông nghiệp
của huyện đảo Lý Sơn. Bởi bao đời nay cây tỏi đã gắn liền với người dân nơi đây. Có
một thời người trồng tỏi Lý Sơn luôn ví cây tỏi là “vàng trắng”, nhất là sau khi tỏi Lý
Sơn được đăng ký nhãn hiệu, giá tỏi tăng cao nên nghề trồng tỏi ở Lý Sơn cũng trở
nên thuận lợi. Hiện nay, trong 367 ha đất trồng trọt hằng năm trên đảo, có đến 300 ha
được nông dân thâm canh cây tỏi. Hầu hết tỏi Lý Sơn đều được bán dưới dạng tỏi củ,
chưa có nhiều hướng phát triển đa dạng cho loại cây trồng này.
Nhược điểm lớn nhất khi sử dụng trực tiếp tỏi củ là mùi vị hăng nồng khó chịu,
khiến nhiều người không hợp và khó có thể sử dụng được nhiều nhằm đáp ứng mục
đích phòng ngừa và điều trị một số bệnh. Mặc khác với khí hậu nóng ẩm gió mùa,
người dân lại không có điều kiện bảo quản tốt tỏi khô, tỏi dễ bị hư và giảm chất lượng.
Để bảo đảm chất lượng và sử dụng rộng rãi thì việc chiết xuất tinh dầu tỏi sẽ giải quyết
được các vấn đề nói trên.
Đã có nhiều công trình nghiên cứu chiết xuất tinh dầu tỏi bằng phương pháp
chưng cất lôi cuốn hơi nước nhưng chủ yếu tập trung theo hướng nghiên cứu tối ưu
luân phiên từng nhân tố ảnh hưởng. Phương pháp này có độ chính xác không cao,
1

nhiều trường hợp không phản ánh đúng bản chất các quá trình xảy ra trong hệ do có sự
tương tác giữa các nhân tố.
Mục tiêu của nghiên cứu này là sử dụng quy hoạch hóa thực nghiệm khảo sát bề
mặt đáp ứng dựa trên mô hình thực nghiệm bậc 2 tâm trực giao để khảo sát ảnh hưởng
đồng thời của bốn nhân tố: thời gian ngâm chiết tỏi trong dung dịch natriclorua, thể
tích dung môi chiết, nhiệt độ chưng cất, thời gian chưng cất tinh dầu đến hiệu suất
chiết tách tinh dầu, đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các nhân tố khảo sát và tìm
điều kiện tối ưu cho quá trình tách chiết tinh dầu tỏi bằng phương pháp chưng cất lôi
cuốn hơi nước.
Đề tài nghiên cứu nhằm làm sáng tỏ căn cứ khoa học, đánh giá bổ sung thêm về
hướng phát triển của cây tỏi và loại tinh dầu hữu ích chưa được nghiên cứu nhiều này,
cũng như góp phần khai thác tốt tiềm năng, lợi thế, đưa Lý Sơn trở thành huyện đảo
giàu về kinh tế như định hướng Nghị quyết Trung ương 4 (khóa X) của Đảng về chiến
lược biển đến năm 2020 đã nêu.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi tinh dầu tỏi Lý
Sơn bằng phương pháp bề mặt đáp ứng với sự hỗ trợ của phần mềm Modde 5.0.
3. Nội dung nghiên cứu
Lập phương trình hồi quy xem xét mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến
hiệu suất quá trình chiết thu hồi tinh dầu tỏi.
Tìm được điều kiện tối ưu để thu được tinh dầu tỏi với hiệu suất cao nhất bằng
phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết xuất tinh dầu tỏi
bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước và hiệu suất tách chiết tinh dầu.
Phạm vi nghiên cứu: Tỏi củ thu hoạch tại Huyện Lý Sơn, tỉnh Quảng Ngãi.
5. Phương pháp nghiên cứu
5.1. Nghiên cứu tổng quan lý thuyết

2

- Tổng quan các tài liệu về đặc điểm hình thái thực vật, thành phần hóa học và
công dụng của cây tỏi nói chung và cây tỏi ở Việt Nam nói riêng.
- Tổng quan về phương pháp chưng cất thu hồi tinh dầu.
- Tổng quan về phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm theo phương trình hồi
quy bậc hai tâm trực giao và đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố khảo sát, tìm điều
kiện tối ưu hiệu suất tách chiết tinh dầu.
5.2. Nghiên cứu thực nghiệm
- Phương pháp xử lý mẫu, lọc tách dung dịch ngâm chiết.
- Phương pháp tách tinh dầu bằng chưng cất lôi cuốn hơi nước.
- Phương pháp cô quay phân tách tinh dầu và dung môi nước.
- Phương pháp cân đo mẫu và dung môi.
5.3. Phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm và xử lý số liệu thống kê
Sử dụng phần mềm Modde 5.0 để quy hoạch hóa thực nghiệm và phần mềm
Excel để xử lý số liệu thực nghiệm.

3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan về cây tỏi
1.1.1. Nguồn gốc
Tỏi là một loại rau được dùng làm thức ăn và thuốc từ những năm trước công
nguyên trên các vùng nhiệt đới Trung Á, về sau được trồng rộng rãi ở Hi Lạp, Ai Cập
và La Mã. Hiện nay tỏi được trồng rộng rãi ở tất cả các nước trên thế giới.
1.1.2. Phân loại và đặc điểm thực vật
1.1.2.1. Phân loại thực vật

Tỏi có tên khoa học: Alliums sativum L.
Trong thời gian dài tỏi được xếp vào họ Liliaccae do hoa của nó thuộc loại bầu
thượng. Nhưng sau dó một số nhà thực vật học đã đổi thành họ Amaryllidaccea
(Amallryllis) - họ thuỷ tiên do hoa của nó được sinh ra ở lá bắc, hình tán, ở ngọn có
cán hoa. Gần đây để tránh sự xáo chộn J.G. Agard đã phân loại tỏi vào họ Alliaceac
(họ hành tỏi). Họ này cho tới nay có 30 chi và có tới 600 loài.
1.1.2.2. Đặc điểm thực vật học
- Thân:
+ Thân thật của tỏi rất ngắn và đã thoái hoá, chúng là dạng đế dò nằm sát ngay
dưới thân giả (thân củ). Trên thân thật có mầm sinh dưỡng và sinh thực, những mầm
này được che phủ bởi những bẹ lá dày mọng nước.
+ Thân củ cây tỏi bao gồm một số nhánh (ánh, tép) được liên kết với nhau bởi
những màng mỏng.
- Lá: Lá thật đầu tiên của tỏi là một lá mầm, sau khi nảy mầm được 10 – 15 ngày
tuỳ theo điều kiện thời tiết mà lá tỏi có dạng hình bản bằng phẳng, trên lá có phủ một
lớp sáp. Thời kỳ đầu lá tỏi sinh trưởng rất chậm sau khi nảy mầm chỉ dài vài cm. Tuổi
thọ của lá phụ thuộc vào sự sinh trưởng và phát triển của cây, khi lá bắt đầu chết cũng
là quá trình tạo củ bắt đầu.
- Hoa: Hoa tỏi thuộc hoa đầu trạng, hoa có 6 lá đài, 6 nhị và nhụy. Hoa thụ phấn
chéo (phấn hoa thường chín trước vì vậy phải thụ phấn với hoa bên cạnh hoặc trên cây
khác). Hoa có màu trắng xám đôi khi phớt tím hoặc hồng. Vòi nhụy rất bé, bầu thượng
có 3 ngăn nếu được thụ phấn đủ thì sẽ cho 6 hạt. Cành hoa dài 60 – 100 mm hình ống,
màu xanh, một chùm hoa có từ 250 – 600 hoa phân bố theo 3 tầng.
4

- Củ: Loài tỏi trắng củ to đường kính khoảng 4 cm có vỏ màu trắng. Loài tỏi tía
củ nhỏ hơn, đường kính 3,5 – 4 cm, củ chắc và cay, dọc thân gần củ có màu tía. Trong
củ tỏi chứa 60 – 70 % nước, 35 – 42% chất khô, 6,7 – 8% chất béo, 0,3 – 3,2% đường,
0,1% chất xơ hữu cơ, 0,1 – 0,5% dầu este, 0,06% mỡ, các chất khoáng Ca, Na, Mn, P,

Fe và các Vitamin C, E, B1, B6, B2.
- Rễ: Rễ tỏi thuộc loại rễ chùm, phát triển kém tập chung chủ yếu ở lớp đất mặt,
khả năng chịu hạn kém. Rễ tỏi có nhiều sợi dài phân nhánh yếu, chúng được bao phủ
bởi một số lượng lớn lông hút.
1.1.3. Đặc điểm sinh thái của cây tỏi Lý Sơn
Mô tả: Cây thảo sống nhiều năm. Thân thực hình trụ, phía dưới mang nhiều rễ
phụ, phía trên có nhiều lá. Lá cứng, thẳng dài 15 – 50cm, rộng 1 – 2,5cm có rãnh khía,
mép lá hơi ráp. Phần dưới của lá phía gốc có một chồi nhỏ sau này phát triển thành
một tép tỏi; các tép này nằm chung trong một cái bao (do các bẹ lá trước tạo ra) thành
một củ tỏi tức là thân hành (giò) của tỏi. Hoa mọc ở ngọn thân trên, một cán hoa dài
khoảng 55cm. Bao hoa màu trắng hay hồng bao bởi nhiều tán, rơi rụng thành mũi
nhọn dài.
Đặc điểm sinh thái: Một năm hai vụ, cây tỏi được gieo trồng từ một tép tỏi.
Trước đây, khi gieo trồng phải lót một lớp mỏng cát biển để làm nền. Sau một, hai vụ
lớp cát này hết chất dinh dưỡng, phải cào bỏ đi và rải một lớp cát khác. Năm 2000 Sở
Khoa học & Công nghệ Quảng Ngãi đang triển khai đề tài thay đất và cát biển để làm
“nền” khi trồng tỏi bằng cách bón nhiều phân hữu cơ nhằm tăng độ xốp, nâng cao tỉ lệ
hạt kết bền trong nước; sử dụng các loại phân chua sinh lý để đưa độ pH đất xuống
mức thích hợp; đưa nhiều gốc sunphat vào đất; bón nhiều kali, lân để tăng nhanh quá
trình hình thành củ tỏi. Bên cạnh đó còn phải dùng một lớp thực vật phủ lên trên nền
đất với độ dày 1,5 cm nhằm hạn chế cỏ dại và giữ độ ẩm cho đất.
1.1.4. Công dụng của tỏi
1.1.4.1. Tỏi trong y học dân gian
Việc dùng tỏi trong đời sống và trong y học dân gian gắn liền với những tư
tưởng huyền bí về tôn giáo, đó là một hiện tượng đã thấy từ thời cổ đại. Các ngư dân
và thủy thủ dùng các nhánh tỏi để làm bùa, trừ ma quỷ và bệnh tật, trẻ nhỏ thì đeo
vòng tỏi quanh cổ để né tránh “mắt quỷ dữ”, nông dân mang theo vài nhánh tỏi trong
túi sẽ đuổi được hết bệnh ra khỏi người. Đến cuối thế kỷ 19, tệ mê tín vẫn còn tồn tại
5

trong dân gian nên họ đã rải các củ tỏi ra đồng ruộng để đuổi chim không cho chúng
ăn hạt đã gieo hoặc khi cây đã ra hạt. Tỏi cũng được treo ở chuồng trâu, bò để bảo vệ
chúng,…
Theo y học cổ truyền Việt Nam và Trung Quốc, tỏi có vị cay, tính ôn, hơi độc, đi
vào 2 kinh can và vị. Tỏi có tác dụng thanh nhiệt, giải độc (lấy độc trị độc), sát trùng,
chữa băng đới, trùng tích, huyết lỵ, tẩy uế, thông khiếu, tiêu nhọt và hạch ở phổi, tiêu
đờm, đầy chướng, đại tiểu tiện khó khăn, tả, lỵ,…
Ðông y khuyên không dùng tỏi trong chứng âm hư, nội nhiệt, thai sản, đau mắt,
mũi, răng, cổ họng, lưỡi,…
Tỏi được sử dụng như một loại kháng sinh thiên nhiên, tỏi được dùng để điều trị
những bệnh liên quan đến hô hấp, bệnh do ký sinh trùng và nhiều bệnh khác. Ngày
này, tỏi được xem như dược phẩm chữa bách bệnh vì nó có hiệu quả toàn diện đối với
hệ thống miễn dịch.
1.1.4.2. Tỏi trong y học hiện đại
Hiện nay, các nhà khoa học đã nghiên cứu phát hiện ra trong tỏi có silen, các
nguyên tố vi lượng và đặc biệt là có thành phần allicin – chất kháng khuẩn giúp tăng
cường khả năng của hệ thống miễn dịch, làm giảm cao huyết áp và chữa được nhiều
bệnh khác. Các kết quả nghiên cứu thu được của các nhà khoa học ghi nhận:
Tỏi có tác dụng chống tắc nghẽn mạch máu giống Aspirine, có hoạt tính làm hạn
chế sinh ra phần tử tự do gây tổn thương các tổ chức khớp.
Tỏi còn có tác dụng dưỡng nhan, ích thọ, nhờ khả năng làm chậm quá trình lão
hóa tế bào tức bảo vệ hồng cầu không bị ôxy hóa nên tỏi còn có tác dụng làm chậm sự
lão hóa.
Tỏi làm giảm xung huyết và tiêu viêm, tiêu tan mệt mỏi, phục hồi nhanh thể lực,
tiêu mỡ.
Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, nước chiết từ tỏi để lâu ngày có thể làm giảm
30% lượng cholesterol nên giúp phòng ngừa xơ cứng động mạch, phòng bệnh tim
mạch. Từ đó ngăn ngừa các bệnh xuất huyết mạch máu não, đau thắt tim, cao huyết áp
và một số bệnh tim mạch khác.

Tỏi đặc biệt tốt để phòng tránh các rối loạn men tiêu hóa. Kích thích tiết dịch vị,
tiết mật. Phòng tránh các nhiễm khuẩn dạ dày, ruột,…

6

1.1.4.3. Trong đời sống hằng ngày
Tỏi là một gia vị đã được sử dụng từ xa xưa. Đây là loại gia vị không thể thiếu để
đem lại hương vị thơm ngon, hấp dẫn cho các món ăn như dùng chế biến nước chấm,
các món xào nấu, gỏi,…
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các dân tộc vùng Tây Á, Trung Đông
thường rất ít khi bị dịch cúm, tỷ lệ ung thư thấp là do có thói quen dùng rượu tỏi.
Ngoài ra trong đời sống hằng ngày người ta còn dùng tỏi để trị mụn, đuổi muỗi,
bảo vệ vật nuôi, dùng như thuốc trừ sâu, làm keo dính, mỹ phẩm, siro chữa đau họng,
kích thích hưng phấn tình dục,…
1.2. Đặc điểm tinh dầu
Tinh dầu là hỗn hợp gồm nhiều hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (chủ yếu là các
tecpen và các tritecpenonit) tan vào nhau, có mùi đăc trưng tùy thuộc vào nguồn gốc
cung cấp nguyên liệu tinh dầu. Ở nhiệt độ thường hầu hết tinh dầu ở thể lỏng, có khối
lượng riêng bé hơn 1 (trừ một vài tinh dầu như quế, đinh hương,...), không tan trong
nước hoặc tan rất ít nhưng lại hòa tan tốt trong dung môi hữu cơ như ancol, ete, chất
béo,… Tinh dầu bay hơi với hơi nước, có vị cay ngọt và có tính sát trùng mạnh. Hệ
thực vật có tinh dầu khoảng 3000 loài, trong đó có 150 - 200 loài có ý nghĩa nông
nghiệp.
Tinh dầu có hai loại: tinh dầu nguyên chất và tinh dầu không nguyên chất
Tinh dầu nguyên chất: hoàn toàn không có độc tố, không có chất bảo quản hóa
học nên rất an toàn cho người sử dụng và mang lại kết quả nhanh khi sử dụng để điều
trị bệnh tật.
Tinh dầu không nguyên chất là hỗn hợp các loại tinh dầu khác nhau được pha
trộn với nhau hoặc trong tinh dầu có lẫn các tạp chất.

Thành phần hóa học của tinh dầu gồm nhiều tecpen và những dẫn xuất chứa oxi
của tecpen (như ancol, anđehit, xeton, ete,…). Mặc dù có nhiều cấu tử như vậy nhưng
thường một vài cấu tử chính có giá trị và có mùi đặc trưng cho tinh dầu đó.
Về mặt sinh học tinh dầu có thể xem như “một hỗn hợp thiên nhiên có mùi, phần
lớn có nguồn gốc từ thực vật”, chỉ có một số ít nguồn gốc từ động vật. Tinh dầu được
phân bố rộng trong hệ thực vật, đặc biệt tập trung một số họ như họ hoa tán, họ cúc, họ
hoa môi, họ long não, họ sim, họ cam, họ gừng,… Tinh dầu được chiết từ mọi bộ phận
của cây như cánh hoa, lá, cành, củ, rễ, vỏ trái, hạt, vỏ cây,…
7

Tinh dầu chứa trong thực vật có thành phần không ổn định. Hàm lượng tinh dầu
phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống, di truyền, đất trồng, phân bón, thời tiết, ánh
sáng, thời điểm thu hoạch. Trong các bộ phận của cây hàm lượng tinh dầu cũng khác
nhau. Tinh dầu là sản phẩm cuối cùng của quá trình trao dổi chất và không được sử
dụng trở lại cho hoạt động sống của cây.
1.3. Các phương pháp chiết xuất tinh dầu
Dựa trên cách thực hành, người ta chia các phương pháp chiết xuất tinh dầu ra
làm bốn loại: cơ học, tẩm trích, hấp thụ và chưng cất lôi cuốn hơi nước. Trong đó
phương pháp tẩm trích và chưng cất lôi cuốn hơi nước thường được sử dụng. Nhưng
dù có tiến hành theo bất cứ phương pháp nào, quy trình chiết xuất đều có những điểm
chung sau đây:
- Tinh dầu thu được phải có mùi thơm tự nhiên như nguyên liệu.
- Quy trình khai thác phải phù hợp nguyên liệu.
- Tinh dầu phải được lấy triệt để khỏi nguyên liệu, với chi phí thấp nhất.
Nguyên tắc ly trích của tất cả các phương pháp nói trên đều dựa vào những đặc
tính của tinh dầu như:
- Dễ bay hơi.
- Lôi cuốn theo hơi nước ở nhiệt độ dưới 100oC.
- Hòa tan dễ dàng trong dung môi hữu cơ.

- Dễ bị hấp thu ngay ở thể khí.
1.3.1. Phương pháp tẩm trích dung môi dễ bay hơi
Phương pháp này có nhiều ưu điểm vì tiến hành ở nhiệt độ phòng, nên thành
phần hóa học của tinh dầu ít bị thay đổi.
Phương pháp này không những được áp dụng để ly trích cô kết (concrete) từ hoa
mà còn dùng để tận trích khi các phương pháp khác không ly trích hết hoặc dùng để ly
trích các loại nhựa dầu (oleoresin) gia vị.
1.3.1.1. Nguyên tắc
Dựa trên hiện tượng thẩm thấu, khuếch tán và hòa tan của tinh dầu có trong các
mô cây đối với các dung môi hữu cơ.
1.3.1.2. Dung môi

8

Yếu tố quan trọng nhất cho sự thành công của phương pháp này là phẩm chất và
đặc tính của dung môi sử dụng, do đó dung môi dùng trong tẩm trích cần phải đạt
được những yêu cầu sau đây:
- Hòa tan hoàn toàn và nhanh chóng các cấu phần có mùi thơm trong nguyên liệu.
- Hòa tan kém các hợp chất khác như sáp, nhựa dầu có trong nguyên liệu.
- Không có tác dụng hóa học với tinh dầu.
- Không biến chất khi sử dụng lại nhiều lần.
- Hoàn toàn tinh khiết, không có mùi lạ, không độc, không ăn mòn thiết bị, không
tạo thành hỗn hợp nổ với không khí và có độ nhớt kém.
- Nhiệt độ sôi thấp vì khi chưng cất dung dịch ly trích để thu hồi dung môi, nhiệt
độ sôi cao sẽ ảnh hưởng đến chất lượng tinh dầu. Điểm sôi của dung môi nên thấp hơn
điểm sôi của cấu phần dễ bay hơi nhất trong tinh dầu.
- Ngoài ra, cần có thêm những yếu tố phụ khác như: giá thành thấp, nguồn cung
cấp dễ tìm,…
Thường thì không có dung môi nào thỏa mãn tất cả những điều kiện kể trên.

Người ta sử dụng cả dung môi không tan trong nước như: đietyl ete, ete dầu hỏa, nhexan, cloroform,… lẫn dung môi tan trong nước như: etanol, axeton,… Trong một số
trường hợp cụ thể, người ta còn dùng một hỗn hợp dung môi.
1.3.1.3. Quy trình tẩm trích
Phương pháp ly trích này thích hợp cho các nguyên liệu có chứa lượng tinh dầu
không lớn lắm hoặc có chứa những cấu phần tan được trong nước và không chịu được
nhiệt độ quá cao. Quy trình kỹ thuật gồm các giai đoạn sau đây:
- Tẩm trích: nguyên liệu được ngâm vào dung môi trong bình chứa. Trong một số
trường hợp, để gia tăng khả năng ly trích, nguyên liệu cần được xay nhỏ trước. Hỗn
hợp nguyên liệu và dung môi cần được xáo trộn đều trong suốt thời gian ly trích. Nên
khảo sát trước xem việc gia nhiệt có cần thiết hay không, nếu cần, cũng không nên gia
nhiệt quá 50oC để không ảnh hưởng đến mùi thơm của sản phẩm sau này.
- Xử lý dung dịch ly trích: sau khi quá trình tẩm trích kết thúc, dung dịch ly trích
được lấy ra và có thể thay thế bằng dung môi mới sau một khoảng thời gian nhất định,
tùy theo nguyên liệu. Tách nước (nếu có) ra khỏi dung dịch, rồi làm khan bằng
Na2SO4 và lọc. Dung môi phải được thu hồi ở nhiệt độ càng thấp càng tốt để tránh tình
trạng sản phẩm bị mất mát và phân hủy. Do đó, nên loại dung môi ra khỏi sản phẩm
9

bằng phương pháp chưng cất dưới áp suất kém (cô quay). Dung môi thu hồi có thể
dùng để ly trích lần nguyên liệu kế tiếp.
- Xử lý sản phẩm ly trích: sau khi thu hồi hoàn toàn dung môi, sản phẩm là một
chất đặc sệt gồm có tinh dầu và một số hợp chất khác như nhựa, sáp, chất béo, cho nên
cần phải tách riêng tinh dầu ra. Chất đặc sệt này đem đi chưng cất bằng hơi nước để
tách riêng tinh dầu ra. Tinh dầu có mùi thơm tự nhiên, nhưng khối lượng thu được
kém, ngoài ra tinh dầu này có chứa một số cấu phần thơm có nhiệt độ sôi cao nên có
tính chất định hương rất tốt.
- Tách dung dịch từ bã: sau khi tháo hết dung dịch ly trích ra khỏi hệ thống, trong
bã còn chứa một lượng dung dịch rất lớn (khoảng 20 – 30% lượng dung môi ly trích).
Phần dung dịch còn lại nằm trong nguyên liệu thường được lấy ra bằng phương pháp

chưng cất hơi nước (trường hợp dung môi không tan trong nước), hoặc ly tâm, lọc ép
(trường hợp dung môi tan trong nước). Sau đó dung dịch này cũng được tách nước,
làm khan và nhập chung với dung dịch ly trích.
Chất lượng thành phẩm và hiệu quả của phương pháp ly trích này phụ thuộc chủ
yếu vào dung môi dùng để ly trích. Để đạt kết quả tốt thì dung môi sử dụng phải thoả
mãn được các yêu cầu đã được trình bày ở trên.
Vì dung môi dễ bay hơi nên chúng ta cần phải lưu ý đến tỉ lệ thất thoát dung môi
trong quy trình ly trích vì việc này có thể ảnh hưởng rất lớn đến giá thành sản phẩm.
Trong điều kiện phòng thí nghiệm, khi muốn tiến hành phương pháp tẩm trích
với dung môi dễ bay hơi, thường tiến hành sử dụng phương pháp truyền thống như
khuấy từ ở nhiệt độ phòng hoặc đun – khuấy từ (kèm ống hoàn lưu) hay phương pháp
dùng Soxhlet. Ngoài ra, cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của “hóa học
xanh”, mà ngày nay chúng ta còn áp dụng các phương pháp mới như là: tẩm trích có
sự hỗ trợ của siêu âm và vi sóng.
1.3.1.4. Ưu và khuyết điểm
- Ưu điểm: sản phẩm thu được theo phương pháp này thường có mùi thơm tự
nhiên. Hiệu suất sản phẩm thu được thường cao hơn các phương pháp khác.
- Khuyết điểm: yêu cầu cao về thiết bị; thường thất thoát dung môi; tốn kém, quy
trình tương đối phức tạp.

10

1.3.2. Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước
Phương pháp này dựa trên sự thẩm thấu, hòa tan, khuếch tán và lôi cuốn theo hơi
nước của những hợp chất hữu cơ trong tinh dầu chứa trong các mô khi tiếp xúc với hơi
nước ở nhiệt độ cao. Sự khuếch tán sẽ dễ dàng khi tế bào chứa tinh dầu trương phồng
do nguyên liệu tiếp xúc với hơi nước bão hòa trong một thời gian nhất định. Trường
hợp mô thực vật có chứa sáp, nhựa, axit béo không no mạch dài thì khi chưng cất phải
được thực hiện trong một thời gian dài vì những hợp chất này làm giảm áp suất hơi

chung của hệ thống và làm cho sự khuếch tán trở nên khó khăn.
1.3.2.1. Lý thuyết chưng cất
Chưng cất có thể được định nghĩa 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. Trong trường hợp đơn
giản, khi chưng cất một hỗn hợp gồm 2 chất lỏng không hòa tan vào nhau, áp suất hơi
tổng cộng là tổng của hai áp suất hơi riêng phần. Do đó, nhiệt độ sôi của hỗn hợp sẽ
tương ứng với áp suất hơi tổng cộng xác định, không tùy thuộc vào thành phần bách
phân của hỗn hợp, miễn là lúc đó hai pha lỏng vẫn còn tồn tại. Nếu vẽ đường cong áp
suất hơi của từng chất theo nhiệt độ, rồi vẽ đường cong áp suất hơi tổng cộng, thì ứng
với một áp suất, ta dễ dàng suy ra nhiệt độ sôi tương ứng của hỗn hợp và nhận thấy
nhiệt độ sôi của hỗn hợp luôn luôn thấp hơn nhiệt độ sôi của từng hợp chất. Thí dụ, ở
áp suất 760 mmHg, nước sôi ở 100 oC và benzen sôi ở 80oC và chúng là hai chất lỏng
không tan vào nhau. Thực nghiệm cho thấy, nếu đun hỗn hợp này dưới áp suất 760
mmHg nó sẽ sôi ở 69oC. Giản đồ nhiệt độ sôi theo áp suất cho thấy, tại 69 oC, áp suất
hơi của nước là 225 mmHg và benzen là 535 mmHg.
Chính vì đặc tính làm giảm nhiệt độ sôi này mà từ lâu phương pháp chưng cất hơi
nước là phương pháp đầu tiên dùng để tách tinh dầu ra khỏi nguyên liệu thực vật.
1.3.2.2. Những ảnh hưởng chính trong sự chưng cất hơi nước
a) Sự khuếch tán
Ngay khi nguyên liệu được làm vỡ vụn thì chỉ có một số mô chứa tinh dầu bị vỡ
và cho tinh dầu thoát tự do ra ngoài theo hơi nước lôi cuốn đi. Phần lớn tinh dầu còn
lại trong các mô thực vật sẽ tiến dần ra ngoài bề mặt nguyên liệu bằng sự hòa tan và
thẩm thấu. Von Rechenberg đã mô tả quá trình chưng cất hơi nước như sau: “Ở nhiệt
độ nước sôi, một phần tinh dầu hòa tan vào trong nước có sẵn trong tế bào thực vật.
Dung dịch này sẽ thẩm thấu dần ra bề mặt nguyên liệu và bị hơi nước cuốn đi. Còn
11

nước đi vào nguyên liệu theo chiều ngược lại và tinh dầu lại tiếp tục bị hòa tan vào
lượng nước này. Quy trình này lặp đi lặp lại cho đến khi tinh dầu trong các mô thoát ra

ngoài hết”.
Như vậy, sự hiện diện của nước rất cần thiết, cho nên trong trường hợp chưng cất
sử dụng hơi nước quá nhiệt, chú ý tránh đừng để nguyên liệu bị khô. Nhưng nếu lượng
nước sử dụng thừa quá thì cũng không có lợi, nhất là trong trường hợp tinh dầu có
chứa những cấu phần tan dễ trong nước.
Ngoài ra, vì nguyên liệu được làm vỡ vụn ra càng nhiều càng tốt, cần làm cho lớp
nguyên liệu có một độ xốp nhất định để hơi nước có thể đi xuyên ngang lớp này đồng
đều và dễ dàng.
Vì các cấu phần trong tinh dầu được chưng cất hơi nước theo nguyên tắc nói trên
cho nên thông thường những hợp chất nào dễ hòa tan trong nước sẽ được lôi cuốn
trước. Thí dụ, khi chưng cất hơi nước hạt caraway nghiền nhỏ và không nghiền, đối
với hạt không nghiền thì carvon (nhiệt độ sôi cao nhưng tan nhiều trong nước) sẽ ra
trước, còn limonen (nhiệt độ sôi thấp, nhưng ít tan trong nước) sẽ ra sau. Nhưng với
hạt caraway nghiền nhỏ thì kết quả chưng cất ngược lại.
b) Sự thủy giải
Những cấu phần este trong tinh dầu thường dễ bị thủy giải cho ra axit và ancol
khi đun nóng trong một thời gian dài với nước. Để hạn chế hiện tượng này, sự chưng
cất hơi nước phải được thực hiện trong một thời gian càng ngắn càng tốt. Vì vậy, thời
gian chưng cất lôi cuốn hơi nước cần thiết phải được khảo sát để thu lấy tinh dầu đạt
hiệu suất tối ưu.
c) Nhiệt độ
Nhiệt độ cao làm phân hủy tinh dầu. Do đó, khi cần thiết phải dùng hơi nước quá
nhiệt (trên 100oC) nên thực hiện việc này trong giai đoạn cuối cùng của sự chưng cất,
sau khi các cấu phần dễ bay hơi đã lôi cuốn đi hết. Thực ra, hầu hết các tinh dầu đều
kém bền dưới tác dụng của nhiệt nên vấn đề là làm sao cho thời gian chịu nhiệt độ cao
của tinh dầu càng ngắn càng tốt.
Tóm lại, dù ba ảnh hưởng trên được xem xét độc lập nhưng thực tế thì chúng có
liên quan với nhau và quy về ảnh hưởng của nhiệt độ. Khi tăng nhiệt độ, sự khuếch tán
thẩm thấu sẽ tăng, sự hòa tan tinh dầu trong nước sẽ tăng nhưng sự phân hủy cũng
tăng theo.

12

Trong công nghiệp, dựa trên thực hành, người ta chia các phương pháp chưng cất
hơi nước ra thành ba loại chính:
- Chưng cất bằng nước.
- Chưng cất bằng nước và hơi nước.
- Chưng cất bằng hơi nước.
Cả ba phương pháp này đều có lý thuyết giống nhau nhưng khác nhau ở cách
thực hiện.
* Chưng cất bằng nước
Trong trường hợp này, nước phỉ kín nguyên liệu, nhưng phải chừa một khoảng
không gian tương đối lớn phía trên lớp nước, để tránh khi nước sôi mạnh làm văng
chất nạp qua hệ thống hoàn lưu. Nhiệt cung cấp có thể đun trực tiếp bằng củi lửa hoặc
đun bằng hơi nước dẫn từ nồi hơi vào (sử dụng bình có hai lớp đáy). Trong trường hợp
chất nạp quá mịn lắng chặt xuống đáy nồi gây hiện tượng cháy khét nguyên liệu ở mặt
tiếp xúc với đáy nồi, lúc đó nồi phải trang bị những cánh khuấy trộn đều bên trong
trong suốt thời gian chưng cất.
Sự chưng cất này thường không thích hợp với những tinh dầu dễ bị thủy giải.
Những nguyên liệu xốp và rời rạc rất thích hợp cho phương pháp này. Những cấu phần
có nhiệt độ sôi cao, dễ tan trong nước sẽ khó hóa hơi trong khối lượng lớn nước phủ
đầy khiến cho tinh dầu sản phẩm sẽ thiếu những hợp chất này. Thí dụ điển hình là mùi
tinh dầu hoa hồng thu được từ phương pháp chưng cất hơi nước kém hơn sản phẩm
tẩm trích từ eugenol và alcol phenetil nằm lại trong nước khá nhiều, vì thế người ta chỉ
dùng phương pháp này để chưng cất tinh dầu hoa hồng khi không thể sử dụng các
phương pháp khác.
* Chưng cất bằng nước và hơi nước
Trong phương pháp này, nguyên liệu được xếp trên một vỉ đục lỗ và nồi cất được
đổ nước sao cho nước không chạm đến vỉ.
Nhiệt cung cấp có thể là ngọn lửa đốt trực tiếp hoặc dùng hơi nước từ nồi hơi dẫn

vào lớp bao chung quanh phần đáy nồi. Có thể coi phương pháp này là một trường hợp
điển hình của phương pháp chưng cất bằng hơi nước với hơi nước ở áp suất thường.
Như vậy chất ngưng tụ sẽ chứa ít sản phẩm phân hủy hơn là trường hợp chưng cất
bằng hơi nước trực tiếp, nhất là ở áp suất cao hay hơi nước quá nhiệt.

13

Việc chuẩn bị nguyên liệu trong trường trường hợp này quan trọng hơn nhiều so
với phương pháp trước, vì hơi nước tiếp xúc với chất nạp chỉ bằng cách xuyên qua nó
nên phải sắp xếp thế nào để chất nạp tiếp xúc tối đa với hơi nước thì mới có kết quả
tốt. Muốn vậy, chất nạp nên có kích thước đồng đều không sai biệt nhau quá.
Nếu chất nạp được nghiền quá mịn, nó dễ tụ lại vón cục và chỉ cho hơi nước đi
qua một vài khe nhỏ do hơi nước tự phá xuyên lên. Như vậy phần lớn chất nạp sẽ
không được tiếp xúc với hơi nước. Ngoài ra, luồng hơi nước đầu tiên mang tinh dầu có
thể bị ngưng tụ và tinh dầu rơi ngược lại vào lớp nước nóng bên dưới gây hư hỏng thất
thoát. Do đó việc chuẩn bị chất nạp cần được quan tâm nghiêm túc và đòi hỏi kinh
nghiệm tạo kích thước chất nạp cho từng loại nguyên liệu.
Tốc độ chưng cất trong trường hợp này không quan trọng như trong trường hợp
chưng cất bằng nước. Tuy nhiên, tốc độ nhanh sẽ có lợi vì ngăn được tình trạng quá
ướt của chất nạp và gia tăng vận tốc chưng cất. Về sản lượng tinh dầu mỗi giờ, người
ta thấy nó khá hơn phương pháp chưng cất bằng nước nhưng vẩn còn kém hơn phương
pháp chưng cất bằng hơi nước sẽ đề cập sau.
So với phương pháp chưng cất bằng nước, ưu điểm của nó là ít tạo ra sản phẩm
phân hủy. Do đó, dù với thiết bị loại nào đi nữa, ta phải đảm bảo là chỉ có phần đáy
nồi là được phép đốt nóng và giữ cho phần vỉ chứa chất nạp không tiếp xúc với nước
sôi. Phương pháp này cũng tốn ít nhiên liệu, tuy nhiên nó không thể áp dụng cho
những nguyên liệu dễ bị vón cục.
Khuyết điểm chính của phương pháp là do thực hiện ở áp suất thường, nên cấu
phần có nhiệt độ sôi cao sẽ đòi hỏi một lượng rất lớn hơi nước để hóa hơi hoàn toàn và

như thế sẽ tốn rất nhiều thời gian. Về kỹ thuật, khi xong một lần chưng cất, nước ở bên
dưới vỉ phải được thay thế để tránh cho mẻ sản phẩm sau có mùi lạ.
*Chưng cất bằng hơi nước
Hơi nước tạo ra từ nồi hơi, thường có áp suất cao hơn không khí, được đưa thẳng
vào bình chưng cất. Trong kỹ nghệ phương pháp này thường dùng để chưng cất tinh
dầu từ các nguyên liệu thực vật.
Điểm ưu việt của phương pháp này là người ta có thể điều chỉnh áp suất, nhiệt độ
như mong muốn để tận thu sản phẩm, nhưng phải giữ nhiệt độ ở mức giới hạn để tinh
dầu không bị phân hủy.

14

Việc sử dụng phương pháp này cũng lệ thuộc vào những điều kiện hạn chế như
đã trình bày đối với hai phương pháp chưng cất nói trên cộng thêm hai yếu tố nữa là
yêu cầu hơi nước không quá nóng và quá ẩm. Nếu quá nóng nó có thể phân hủy những
cấu phần có độ sôi thấp, hoặc làm chất nạp khô quăn khiến hiện tượng thẩm thấu
không xảy ra. Do đó trong thực hành, nếu dòng chảy của tinh dầu ngưng lại sớm quá,
người ta phải chưng cất tiếp bằng hơi nước bão hòa trong một thời gian cho đến khi sự
khuyếch tán hơi nước được tái lập lại , khi đó mới tiếp tục dùng lại hơi nước quá nhiệt.
Còn trong trường hợp, hơi nước quá ẩm sẽ đưa đến hiện tượng ngưng tụ, phần chất
nạp phía dưới sẽ bị ướt, trong trường hợp này người ta phải tháo nước ra bằng một van
xả dưới đáy nồi. trong công nghiệp, hơi nước trước khi vào bình chưng cất phải đi
ngang một bộ phận tách nước.
Với hơi nước có áp suất cao thường gây ra sự phân hủy quan trọng, nên tốt nhất
là bắt đầu chưng cất với hơi nước ở áp suất thấp và cao dần cho đến khi kết thúc.
Không có một quy tắc chung nào cho mọi loại nguyên liệu vì mỗi chất nạp đòi hỏi một
kinh nghiệm và yêu cầu khác nhau.
Hiệu suất và chất lượng tinh dầu phụ thuộc vào đặc tính của tinh dầu và cách
chọn phương pháp chưng cất. Thí dụ như tinh dầu hương bài, nếu chưng cất hơi nước

ở áp suất thường thì thời gian kéo dài trên 12 giờ mà hiệu suất thu được chỉ khoảng
1%, nhưng nếu chưng cất ở thiết bị có áp suất 4 -5 atm thì hiệu suất thu được đạt 1 1,2% và thời gian chưng cất chỉ còn 6 giờ. Thường thì các loại tinh dầu có tỉ trọng lớn
hơn nước, khi chưng cất hơi nước trong thiết bị áp suất cao, cho hiệu suất ly trích cao
trong thời gian chưng cất ngắn.
d) Ưu điểm
- Quy trình kỹ thuật tương đối đơn giản.
- Thiết bị gọn, dễ chế tạo.
- Không đòi hỏi vật liệu phụ như các phương pháp tẩm trích, hấp thụ.
- Thời gian tương đối nhanh.
e) Khuyết điểm
- Không có lợi đối với những nguyên liệu có hàm lượng tinh dầu thấp.
- Chất lượng tinh dầu có thể bị ảnh hưởng nếu trong tinh dầu có những cấu phần
dễ bị phân hủy.
- Không lấy được các loại nhựa và sáp có trong nguyên liệu.
15

- Trong nước chưng luôn luôn có một lượng tinh dầu tương đối lớn.
- Những tinh dầu có nhiệt độ sôi cao thường cho hiệu suất kém.
1.3.2.3. Thu hồi thêm tinh dầu từ nước chưng
Thường tinh dầu trong nước chưng nằm dưới hai dạng phân tán và hòa tan. Dạng
phân tán thì có thể dùng phương pháp lắng hay ly tâm, còn dạng hòa tan thì phải
chưng cất lại. Nếu trọng lượng riêng của tinh dầu và nước quá gần nhau thì có thể
thêm NaCl để gia tăng tỉ trọng của nước làm tinh dầu tách ra dễ dàng.
Trong phòng thí nghiệm, để chưng cất hơi nước tinh dầu, người ta thường dùng
bộ dụng cụ thủy tinh Clevenger với hai loại ống hứng tinh dầu, tùy theo tinh dầu nặng
hay nhẹ.
1.4. Mô hình hóa thực nghiệm
1.4.1. Khái quát
Trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, tính logic, sự nhanh chóng và tính chính

xác là yêu cầu cần bảo đảm. Trong thực nghiệm nghiên cứu cần phải có kết quả mô tả
mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau của các yếu tố liên quan, đảm bảo độ tin cậy và tính
chính xác của kết quả với sai số cho phép.
Trong điều kiện đủ thông tin, có thể sử dụng các phương pháp toán học khác
nhau để mô tả hệ thống, từ đó khảo sát và tình cực trị đối với bài toán. Tuy nhiên khi
thiếu thông tin, cần phải làm thực nghiệm để xây dựng mô hình toán học cho quá trình
nghiên cứu, sau đó tiến hành các bước tối ưu hoá. Quy hoạch và xử lý số liệu thực
nghiệm là một phương pháp toán học được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, học tập
và cả trong sản xuất thực tế. Ở đây chúng tôi sử dụng mô hình hóa thực nghiệm bậc 2
tâm trực giao để tối ưu hóa các yếu tố khảo sát.
1.4.2. Giới thiệu về mô hình hóa thực nghiệm bậc 2 tâm trực giao
Mô hình hóa thực nghiệm bậc 1 chỉ gồm các số hạng bậc 1 cho nên độ phù hợp
thấp. Muốn nâng cao độ phù hợp phải có các số hạng bậc 2. Khi đó tiến hành mô hình
hóa thực nghiệm bậc 2.
Có nhiều giải pháp tìm phương trình hồi qui bậc 2, phổ biến nhất là 2 phương
pháp:
 Dùng ma trận tâm trực giao.
 Dùng ma trận tâm xoay.

16

Trong phương trình hồi qui bậc 2 có bao nhiêu số hạng thì ít nhất phải có bấy
nhiêu phương trình (bấy nhiêu thực nghiệm) để tìm được các hệ số hồi qui tương ứng
cho mỗi số hạng.

Với thực nghiệm có 3 nhân tố ảnh hưởng lên kết quả thực nghiệm. Khi tiến hành
mô hình hóa thực nghiệm bậc 1 đầy đủ thì về mặt hình học mô hình là một hình lập
phương 8 đỉnh, mỗi đỉnh ứng với 1 thực nghiệm và tìm được một hệ số b i tương ứng.
Để tìm được các số hạng bậc 2 ta phải làm thêm các thực nghiệm ở tâm (mức gốc) và

những thực nghiệm ở điểm sao (*) là những điểm nằm trên trục tọa độ của nhân tố
tương ứng.
Số thực nghiệm của để tìm mô hình hóa thực nghiệm bậc 2 tâm trực giao được
tính theo công thức sau:
N = 2n-q + 2.n + N0 (1.1)
Trong đó: 2n-q: số thực nghiệm ở ma trận gốc; 2.n : số thực nghiệm ở điểm sao;
N0 : số thực nghiệm ở điểm tâm, thường lấy N0 = 1.
Các bước tiến hành mô hình hóa thực nghiệm bậc 2 tâm trực giao:
Bước 1. Chọn mức thực nghiệm
Chọn các mức thực nghiệm theo vùng khảo sát, tính các mức theo công thức tổng
quát sau:
xi =

X ithuc − X igoc
λi

17

(1.2)

Trong đó Xi thực: các giá trị dạng thực của nhân tố khảo sát, Xi gốc : mức gốc (0) của
Xi, λi: khoảng biến thiên của các nhân tố khảo sát Xi.
Bước 2. Lập ma trận thực nghiệm mã hóa của mô hình thực nghiệm bậc 2 tâm
trực giao
Ví dụ: Ma trận thực nghiệm mã hóa bậc 2 tâm trực giao đầy đủ của 3 nhân tố, có
dạng sau:
Bảng 1.1. Ma trận mô hình hóa thực nghiệm đầy đủ bậc 2
tâm trực giao 3 nhân tố
N

X0

1

+

-

-

-

+

+

+

x12 − ϕ

x22 − ϕ

x32 − ϕ

y1

2

+

+

-

-

-

-

+

x12 − ϕ

x22 − ϕ

x32 − ϕ

y2

3

+

-

+

-

-

+

-

x12 − ϕ

x22 − ϕ

x32 − ϕ

y3

4

+

+

+

-

+

-

-

x12 − ϕ

x22 − ϕ

x32 − ϕ

y4

5

+

-

-

+

+

-

-

x12 − ϕ

x22 − ϕ

x32 − ϕ

y5

6

+

+

-

+

-

+

-

x12 − ϕ

x22 − ϕ

x32 − ϕ

y6

7

+

-

+

+

-

-

+

x12 − ϕ

x22 − ϕ

x32 − ϕ

y7

8

+

+

+

+

+

+

+

x12 − ϕ

x22 − ϕ

x32 − ϕ

y8

9
10
11
12
13
14
15

+
+
+
+
+
+
+

+d 0 0
-d 0 0
0 +d 0
0 -d 0
0
0 +d
0
0 -d
0
0 0

0
0
0
0
0
0
0

0
0
0
0
0
0
0

0
0

0
0
0
0
0

(+d)2-ϕ
(-d)2-ϕ
-ϕ
-ϕ
-ϕ
-ϕ
-ϕ

-ϕ
-ϕ
(+d)2-ϕ
(-d)2-ϕ
-ϕ
-ϕ
-ϕ

-ϕ
-ϕ
-ϕ
-ϕ
(+d)2-ϕ
(-d)2-ϕ
-ϕ

y9
y10
y11
y12
y13
y14
y15

Để ma trận vẫn đảm bảo tính chất trực giao (đặc biệt là các ma trận cột của các số
hạng bậc 2) phải đưa thêm tham số ϕ:
Đặt xi'2 = xi2 − ϕ

(1.3)

Thì điều kiện trực giao là:
N

∑ (x
u =1

Trong đó:

ϕ=

2
iu

− ϕ ).( xiu2 − ϕ ) = 0

2 n−q + 2.d 2

2 n − q + 2n + N 0

18

(1.4)
(1.5)

Với

d=

(1.6)

N .2 n−q −2 − 2 n−q −1

Vì n, q là số cho trước nên có thể tính sẵn d và ϕ, một số giá trị tính sẵn ghi trong
bảng sau:
Bảng 1.2. Các giá trị d và ϕ tính trước
Mô hình

N

D

ϕ

22

9

1,000

2
= 0,6667
3

23

15

1,2154

24

25

1,4142

25-1

27

1,5467

25

43

1.7244

8
= 0,7303
15
4
= 0,8000
5
4 3
= 0,7698
9
4 10
= 0,8433
15

Trong trường hợp trên n = 3, tra bảng ta có d = 1,215 và ϕ = 0,7303.
Phương trình hồi qui bậc 2, n yếu tố có dạng tổng quát như sau:
y = b0 x 0 + b1 x1 + b2 x2 + b3 x3 + b12 x1 x2 + b13 x1 x3 + b23 x2 x3 + ... +
b11 ( x12 − φ) + b22 ( x22 − φ) + b33 x32 − φ) + ...

(1.7)

Bước 3: Tính hệ số hồi qui của phương trình hồi qui tâm trực giao
N

bi =

∑ xiu . yu
u =1
N

∑x
u =1

2
iu

N

; bij =

∑ xiu x ju . yu
u =1
N

∑ (x
u =1

iu

.x ju )

N

; bii =

2

∑(x
u =1
N

2
iu

∑ (x
u =1

− ϕ ). yu

2
iu

−ϕ)

(1.8)
2

Bước 4: Đánh giá tính có nghĩa của hệ số hồi qui
Trong mô hình hóa thực nghiệm bậc 2 người ta không làm thí nghiệm lặp lại toàn
bộ thực nghiệm, do số thực nghiệm quá lớn. Người ta làm lặp lại chỉ một thực nghiệm,
thực nghiệm đó thường là thực nghiệm ở tâm rồi xác định giá trị trung bình của nó.
Tính phương sai của thí nghiệm lặp lại ở tâm đó và coi như đó là sai số chung của các
thí nghiệm. Người ta cũng dùng chuẩn t để đánh giá tính có nghĩa của các hệ số hồi
qui:
ti tính > ti bảng(P,f)
Trong đó:

19

t itính =

Với:

| bij |
| bi |
|b |
t iitính = ii (1.10)
t ijtính =
;
;
S bi
S bii
S bij

S 02
Sb =
Sbij2 =
2 ;
∑ ( xiu )
2
i

S 02
Sbii2 =
2 ;
∑ ( xiu .x ju )

1 N0
S =

( y0 k − y 0 ) 2
∑
N 0 − 1 k =1
2
0

S 02
(1.11)
∑ ( xiu2 − ϕ ) 2

(1.12)

Với N0: số thí nghiệm lặp lại ở tâm, f = N0-1: bậc tự do
Nếu ttính > tbảng thì hệ số hồi qui mới lớn hơn sai số thí nghiệm tức là có nghĩa.
Bước 5: Đánh giá tính phù hợp của mô hình theo phương trình hồi qui bậc 2 tâm
trực giao
Sau khi thu được hàm hồi quy bậc hai, lấy đạo hàm để tìm cực trị của hàm hồi
quy ta được giá trị tối ưu của hàm này. Để kiểm tra kết quả theo mô hình hồi quy và
theo thực nghiệm có sai khác hay không, nghĩa là kết quả thực nghiệm theo hàm hồi
quy có đáng tin cậy hay không ta kiểm tra qua chuẩn Fisher.
Ftính =

2
S phùhop

S 02

2
với S phùhop =

1 N

( yu − yu ) 2 (1.13)
∑
N − L u =1

Trong đó:
N = 2n-q + 2n + N0
L = số hạng còn lại sau khi đã đánh giá tính có nghĩa của các hệ số hồi qui.
f1 = N – L
f2 = N0 – 1 (N0 là số thực nghiệm lặp ở tâm)
Nếu Ftính < Fbảng suy ra

2
S phùhop

S 02

> 1 (1.14)

Kết quả sai khác không đáng tin cậy, nghĩa là: sai khác giữa giá trị hàm mục tiêu
tính theo phương trình hồi qui và giá trị thực nghiệm của từng thực nghiệm là không
đáng tin cậy, tức là mô hình đã mô tả đúng thực nghiệm.

20

CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Nguyên vật liệu, hóa chất, dụng cụ
- Nguyên liệu: Tỏi củ loại 1 của Lý Sơn, Quảng Ngãi.

- Hóa chất: Đietyl ete (ete dầu hỏa), nước cất, dung dịch natriclorua.
- Dụng cụ: Bộ chưng cất lôi cuốn hơi nước, hệ cô quay chân không, nhiệt kế, các
dụng cụ thủy tinh cần thiết: Bình cầu 500 ml, 1000 ml, ống sinh hàn xoắn, phễu chiết
100, 250 ml, cốc thủy tinh có mỏ 100, 200, 500 ml, bình nón 200 ml, đũa khuấy, bình
thủy tinh nút nhám, ống hút, vial,
2.2. Phương pháp xử lý mẫu thực vật
Tỏi được thu hoạch tại Huyện đảo Lý Sơn đã được phơi khô vào tháng 01/2014.
Cắt nhỏ và ngâm chiết trong dung dịch natriclorua.
2.3. Phương pháp tách và xác định hiệu suất thu hồi
- Ngâm chiết tỏi trong dung dịch natriclorua.
- Chưng cất lôi cuốn hơi nước thu lấy hỗn hợp nước - tinh dầu.
- Thêm đietyl ete chiết tách hỗn hợp dung dịch sau quá trình chiết xuất.
- Cô quay làm khan dịch chiết để thu tinh dầu.
- Đo, xác định hiệu suất thu hồi tinh dầu.
2.4. Quy hoạch hóa thực nghiệm
Với mục đích xét ảnh hưởng đồng thời của 4 nhân tố khảo sát (x i): thời gian
ngâm chiết trong dung dịch natriclorua, thể tích dung môi (nước), nồng độ và thời gian
chiết tách đến hàm mục tiêu là hiệu suất chiết tách tinh dầu tỏi (y) đồng thời rút gọn
được số thí nghiệm cần nghiên cứu cũng như tìm được điều kiện tối ưu cho quá trình
chiết tách thu hồi tinh dầu, chúng tôi sử dụng phương pháp quy hoạch hóa thực
nghiệm theo mô hình hồi quy bậc hai tâm trực giao để nghiên cứu. Mô hình hóa thực
nghiệm mô tả hiệu suất chiết tách tinh dầu tỏi được xây dựng theo các bước như sau:
- Lựa chọn các nhân tố độc lập ảnh hưởng đến hàm mục tiêu: thể tích dung môi
(nước, x1), nồng độ (x2), thời gian ngâm chiết trong dung dịch natriclorua (x 3) và thời
gian chưng cất (x4).
- Xác định giới hạn phạm vi và mức biến đổi của các nhân tố trên cơ sở các
nghiên cứu khảo sát đơn biến.

21

Bảng 2.1. Bảng thiết kế thực nghiệm quá trình chiết xuất tinh dầu tỏi
Nhân
Nhân tố

Các mức

tố mã Mức trên Mức gốc
hóa
(+1)
(0)

Thể tích dung môi nước (ml)
Nồng độ NaCl (%)
Thời gian ngâm trong dung
dịch NaCl (phút)
Thời gian chưng cất (phút)

Khoảng
Mức
dưới

biến
thiên (λ)

x1
x2

500
5

350
3

(–1)
200
1

x3

120

75

30

45

x4

120

90

60

30

150
2

o
Với x i = (X i − Xi ) / λi . Trong đó: Xi: các giá trị dạng thực của nhân tố khảo sát,

X io : mức gốc (0) của Xi, xi: các giá trị mã hóa của Xi, λi: khoảng biến thiên Xi.

- Lựa chọn mô hình thực nghiệm bậc hai tâm trực giao biểu diễn sự phụ thuộc
của hiệu suất chiết tách tinh dầu tỏi vào các nhân tố khảo sát, phương trình hồi quy
(PTHQ) bậc hai có dạng như sau:
y = b0x0 + b1x1 + ... + b12x1x2 + b13x1x3 + ...
+ b11(x12 – ϕ) + b22(x22 – ϕ) +… (2.1)
y: hiệu suất chiết tách tinh dầu tỏi
xi: các nhân tố khảo sát dạng mã hóa.
b0: hệ số hồi qui bậc 0.
b1, b2,..: hệ số hồi qui bậc 1, mô tả ảnh hưởng của nhân tố x1, x2,.. đến y.
b12, b13,..: hệ số hồi qui tương tác bậc 1, mô tả ảnh hưởng đồng thời của x 1 và x2,..
đến y.
b11, b22,..: hệ số hồi qui bậc hai mô tả ảnh hưởng bậc hai của nhân tố xi lên y.
ϕ: số hiệu chuẩn hóa, ϕ =

2n − q + 2d 2
2n − q + 2n + N 0

= 0,800 với cánh tay đòn d=

N.2n − q − 2 − 2n −q −1 = 1,4142.+

Số thực nghiệm cần phải làm theo mô hình là: N = 2n-q + 2.n + N0 = 27
Trong đó: n: số nhân tố khảo sát, n = 4, q: số nhân tố rút gọn, q = 0, 2 n-q: số thí
nghiệm ở ma trận gốc (ở tâm, 16 thí nghiệm); 2.n: số thí nghiệm ở điểm sao (dọc theo

trục tọa độ, 8 thí nghiệm); N0: số thí nghiệm ở điểm tâm, N0 = 3.

22

- Xây dựng ma trận thực nghiệm của biến mã hóa, tiến hành thực nghiệm xác
định các giá trị hàm mục tiêu.
- Xây dựng PTHQ, từ PTHQ tìm được tìm điều kiện tối ưu của phương pháp
chiết xuất và đánh giá mức độ ảnh hưởng của các nhân tố khảo sát đến giá trị hàm mục
tiêu.
Ý nghĩa thống kê của các hệ số hồi quy được xác định bằng kiểm tra tiêu chuẩn
student. Kiểm tra tính tương thích của quy trình theo tiêu chuẩn Firsher. Mức độ phù
hợp của mô hình hồi quy được kiểm định qua hệ số tương quan (R-Square), hệ số
tương quan hiệu chỉnh (Adj R-Square) và mức độ phù hợp và mức độ không phù hợp.
Điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý được xác định trên phần mềm Modde 5.0.

23

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả khảo sát xây dựng mô hình tối ưu hóa
Từ kết quả nghiên cứu khảo sát đơn lẻ ảnh hưởng của các nhân tố đến hiệu suất
chiết tách tinh dầu. Chúng tôi xây dựng mô hình tối ưu hóa với các điều kiện như sau:
- Thời gian ngâm chiết trong dung dịch NaCl (phút): 30-120 phút
- Thể tích dung môi (ml): 200-500 ml
- Nồng độ NaCl (%): 1-5 %
- Thời gian chiết (phút): 60-120 phút
3.2. Tối ưu hóa quy trình tách chiết tinh dầu tỏi bằng phương pháp chưng cất lôi
cuốn hơi nước
Để xác định chính xác giá trị tối ưu của các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất

chiết tách tinh dầu bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước, chúng tôi tiến hành
tối ưu hóa quá trình tách chiết bằng phương pháp mô hình hóa thực nghiệm theo mô
hình hồi quy bậc hai tâm trực giao 4 yếu tố với 3 thí nghiệm lặp lại ở tâm (n = 4, N o =
3). Như vậy, phương án thực nghiệm bao gồm 27 thí nghiệm (24 thí nghiệm khảo sát,
3 thí nghiệm ở tâm) được chỉ ra trên bảng 3.1.
Số thực nghiệm cần phải làm theo mô hình là: N = 2 n + 2.n + N0 = 24 + 2.4 + 3 =
27 (n = 4: số nhân tố khảo sát). Trong đó: 2n = 24 = 16: số thí nghiệm ở ma trận gốc (ở
tâm); 2.n = 2.4 = 8: số thí nghiệm ở điểm sao (dọc theo trục tọa độ); N 0 = 3: số thí
nghiệm ở điểm tâm. Thí nghiệm thứ 25 là thí nghiệm ở tâm được tiến hành 3 lần.
Phương sai của các thí nghiệm được xác định theo thí nghiệm bổ sung ở tâm là S02 =
3,33.10-5. Từ kết quả thí nghiệm, sử dụng phần mềm Modde 5.0 loại bỏ các hệ số hồi
quy không phù hợp, tức là các hệ số có t iTN = bi / Sbi < tp(f) hay t iTN < t(0,05)(2) = 4,3.
Kết quả được chỉ ra trên bảng 3.2 và trên hình 3.1.

24

Bảng 3.1. Kết quả thực nghiệm theo ma trận thí nghiệm
No

x1
x2
x3
x4
X1
X2
X3
X4
Y
(Vnước) (CNaCl) (tngâm) (tch/cất) (Vnước) (CNaCl) (tngâm) (tch/cất) (Hiệu suất)