Tinh dầu, hương liệu Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng

PGS.TS. Văn Ngọc Hớng

Tinh dầu, hơng liệu
phơng pháp nghiên cứu và ứng dụng

nhà xuất bản đại học quốc gia hà nội


ii


MỤC LỤC

Trang
MỞ ĐẦU ...................................................................................................1
Chương 1
KIẾN THỨC CƠ SỞ VỀ TINH DẦU ......................................................3
1.1. Định nghĩa tinh dầu ..................................................................3
1.2. Vai trò của tinh dầu trong đời sống thực vật ............................3
1.3. Tính chất của tinh dầu...............................................................4
1.4. Phân loại tinh dầu .....................................................................9
Chương 2
NGUYÊN LIỆU CHO TINH DẦU.........................................................30
2.1. Nguồn tài nguyên thực vật có tinh dầu ...................................30
2.2. Sự định khu của tinh dầu trong thực vật.................................30
2.3. Một số thực vật có tinh dầu ở Việt Nam.................................34
Chương 3
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TINH DẦU ....................................44
3.1. Phương pháp cất tinh dầu với nước ........................................44
3.2. Phương pháp chiết tinh dầu ...................................................51
3.3. Phương pháp hấp phụ điều chế tinh dầu.................................61

3.4. Phương pháp ép tinh dầu ........................................................63
Chương 4
CÁC PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ NGHIÊN CỨU TINH DẦU .............64
4.1. Phương pháp sắc ký lớp mỏng (SKLM) khảo sát thành phần
tinh dầu ...................................................................................64
4.2. Sắc ký khí (GC) và GC kết hợp với khối phổ (GC-MS) nghiên
cứu tinh dầu ............................................................................70
Chương 5
PHÂN LẬP CÁC THÀNH PHẦN CỦA TINH DẦU ............................72
5.1. Phương pháp cất phân đoạn phân lập các thành phần của
tinh dầu ...................................................................................72
iii


5.2. Phương pháp sắc ký cột phân lập các thành phần của
tinh dầu ...................................................................................80
Chương 6
ÁP DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ CHO NGHIÊN CỨU
TINH DẦU ..............................................................................................87
6.1. Phổ hồng ngoại (IR – Infrared Spectrocopy)..........................87
6.2. Phổ tử ngoại (UV – Ultra Violet Spectrometry).....................93
6.3. Phổ khối lượng va chạm electron (EI-MS – Electron Impact
Mass Spectrometry) ................................................................98
6.4. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H và 13C-NMR ......................108
6.5. Ví dụ về xác định cấu trúc phân tử tecpenoit bằng phương
pháp phổ................................................................................131
Chương 7
KIẾN THỨC CƠ SỞ VỀ CHẤT THƠM ..............................................147
7.1. Khái niệm về mùi và chất thơm............................................147
7.2. Cơ chế cảm nhận mùi ...........................................................148

7.3. Thụ quan hoá học (cảm thụ hoá học)....................................150
Chương 8
ĐÁNH GIÁ VỀ MÙI.............................................................................151
8.1. Độc tính và độ an toàn mùi...................................................151
8.2. Sự quyến rũ và ưa chuộng ....................................................152
8.3. Cường độ mùi .......................................................................154
8.4. Đánh giá mùi qua tính chất hoá lý của chất thơm ................157
8.5. Đánh giá mùi qua tác dụng sinh lý .......................................158
8.6. Giá trị mùi.............................................................................159
8.7. Cảm nhận tín hiệu mùi..........................................................159
Chương 9
MỐI LIÊN HỆ GIỮA CẤU TRÚC PHÂN TỬ
VÀ HOẠT TÍNH MÙI ..........................................................................161
9.1. Sự lựa chọn lập thể đối quang ..............................................161
9.2. Sự lựa chọn lập thể không đối quang ...................................162
9.3. Đặc tính điện tử.....................................................................164
iv


9.4. Một vài ví dụ về nghiên cứu mối liên hệ giữa cấu trúc phân tử
và hoạt tính mùi ....................................................................165
Chương 10
CÁC THÀNH PHẦN CỦA CHẤT THƠM ..........................................171
10.1. Đơn hương.............................................................................171
10.2. Chất điều hương ....................................................................177
10.3. Chất định hương....................................................................177
10.4. Dung môi...............................................................................179
Chương 11
ỨNG DỤNG CỦA TINH DẦU ............................................................181
11.1. Tinh dầu cho nước hoa và mỹ phẩm .....................................181

11.2. Tinh dầu cho thực phẩm........................................................182
11.3. Tinh dầu cho dược phẩm.......................................................183
11.4. Tinh dầu cho sản xuất hương liệu .........................................183
Chương 12
MỘT SỐ CHUYỂN HOÁ TINH DẦU.................................................184
12.1. Mục đích, thành phần và khả năng chuyển hoá ....................184
12.2. Một số chuyển hoá của các tinh dầu .....................................185
Chương 13
ỨNG DỤNG CỦA CHẤT THƠM........................................................192
13.1. Kỹ thuật pha chế hương liệu .................................................192
13.2. Pha chế hương liệu ................................................................195
13.3. Pha chế hương bắt chước và một số đơn pha chế hương bắt
chước ....................................................................................196
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................203

v


vi


MỞ ĐẦU
Nước ta ở vùng nhiệt đới gió mùa, ánh sáng nhiều, lượng mưa lớn,
độ ẩm cao nên thực vật phát triển mạnh. Thảm thực vật nước ta đa dạng
và phong phú vào bậc nhất thế giới, có hàng nghìn họ, hàng vạn loài và
đặc biệt phong phú là các loại cây có tinh dầu. Có nhiều cây quý hiếm
như thảo quả, quế chi, bạch đậu khấu, dương xuân sa, sa nhân… Có
nhiều cây đặc hữu như riềng Bắc bộ, riềng Phú Thọ…
Các cây có tinh dầu không chỉ là nguồn nguyên liệu phong phú cho
khai thác tinh dầu mà còn là nguồn cây thuốc dân tộc, chữa được nhiều

bệnh hiểm nghèo và hiệu dụng, là cây gia vị nổi tiếng trong chế biến thực
phẩm. Nếu biết đi sâu nghiên cứu nguồn tài nguyên này, biết bảo tồn quỹ
gen quý giá và phát triển thì chắc chắn nó sẽ mang lại lợi ích to lớn về
kinh tế xã hội, góp phần chuyển đổi cơ cấu cây trồng và phát triển kinh tế
nông thôn.
Tinh dầu là một lĩnh vực rất lớn và quan trọng của hợp chất thiên
nhiên. Nghiên cứu tinh dầu sẽ góp phần phát triển hoá hữu cơ, đặc biệt
sinh tổng hợp hữu cơ qua vi sinh vật, qua công nghệ biến đổi gen và nuôi
cấy mô tế bào. Hơn nữa, nói đến tinh dầu là nói đến hương liệu, nói đến
chất thơm, nói đến gia vị vì hầu hết tinh dầu phục vụ cho các lĩnh vực
này và làm thuốc phục vụ cho đời sống. Nền văn minh của con người
càng phát triển, nhu cầu này càng lớn. Như vậy, nghiên cứu và phát triển
tinh dầu có đầy đủ điều kiện về nguyên liệu cũng như nhu cầu, do đó nó
trở thành ngành có nhiều tiềm năng và triển vọng.
Cuốn sách được chia thành ba phần chính. Phần thứ nhất là các khái
niệm cơ bản về tinh dầu, về nguồn gốc, các tính chất vật lý và hoá học
của tinh dầu, về phân loại tinh dầu, về nguyên liệu và các phương pháp
điều chế tinh dầu. Phần thứ hai đề cập đến các phương pháp nghiên cứu
tinh dầu; các phương pháp sắc ký phân tích định tính, định lượng, nhận
biết các thành phần của tinh dầu, các phương pháp vật lý hiện đại xác
định cấu trúc phân tử của các thành phần của tinh dầu. Phần thứ ba của
1


cuốn sách là các ứng dụng và chuyển hoá tinh dầu thành các mặt hàng
đắc dụng khác.
Với các nội dung trên, chúng tôi hi vọng cuốn sách không chỉ đưa
đến cho độc giả những kiến thức cơ bản, sâu sắc và toàn diện về tinh dầu
mà còn đưa đến cho độc giả các phương pháp nghiên cứu hiện đại đối
với tinh dầu. Rõ ràng cuốn sách như một cẩm nang đối với những ai say

mê nghiên cứu và ứng dụng tinh dầu.
Tuy vậy, khó mà đáp ứng được hết mọi yêu cầu của độc giả, hơn thế
không thể nói là không có những thiếu sót. Do đó, những ý kiến đóng
góp của độc giả đối với cuốn sách là vô cùng quý giá đối với chúng tôi,
chúng tôi rất trân trọng và tham khảo để tu sửa cuốn sách tốt hơn nữa.
Tác giả

2


Phần thứ nhất

TINH DẦU
Chương 1
KIẾN THỨC CƠ SỞ VỀ TINH DẦU
1.1. Định nghĩa tinh dầu
Hiện nay có một số quan niệm khác nhau về tinh dầu. Người thì cho
rằng tinh dầu là các chất thơm thu được từ thực vật, người khác cho rằng
tinh dầu là sản phẩm thứ cấp trong quá trình trao đổi chất trong thực vật.
Theo Martin Petozilka, Charles Ehret, tinh dầu là sản phẩm thu được
bằng phương pháp cất lôi cuốn hơi nước từ nguyên liệu thực vật. Quan
niệm này cho đến nay được nhiều người thừa nhận hơn cả.
1.2. Vai trò của tinh dầu trong đời sống thực vật
Với nguyên tố cacbon đánh dấu và các phương pháp khác, người ta
đã chứng minh được rằng tinh dầu cũng như nhiều hợp chất khác trong
cơ thể thực vật được sinh tổng hợp từ cùng một chất khởi nguyên, đó là
axit axetic. Axit này chuyển thành Geranylpyrophotphat và
Farnesylpyrophotphat; từ hai dẫn xuất này sinh tổng hợp ra hàng loạt
chất khác nhau, đáp ứng nhu cầu và phát triển của cơ thể thực vật. Quá
trình đó được Nicolaev mô tả trên sơ đồ hình 1.1.

Người ta cũng chứng minh được rằng tinh dầu tham gia vào nhiều
quá trình chuyển hoá trong cơ thể thực vật. Nó tồn tại trong thực vật
không những ở dạng tự do trong các túi tinh dầu mà còn liên kết với các
hợp chất khác nhau trong các mô của tế bào thực vật và như thế tinh dầu
tham gia vào các quá trình trao đổi chất, quá trình sinh lý, sinh hoá trong
cơ thể thực vật.
Có người cho rằng tinh dầu tự do trong các túi tinh dầu là chất tiết của
cơ quan tiết của thực vật, nhưng nhiều người cho rằng đó là chất dự trữ,
chất bảo vệ. Còn tinh dầu liên kết với các chất khác trong các mô, các cơ
quan khác nhau của thực vật là tinh dầu chuyển hoá, tinh dầu chức năng.
3


Axit axetic
Geranylpyrophosphat

Monotecpenoit

Farnesylpyrophosphat

Geranyl - geronyl (P)

Serquitecpenoit

§itecpenoit

Carotenoit

Vitamin E vµ K

Phyton

Vitamin A

Cophermen

Hocmon sinh s¶n

Plastoquinon

C¸c vitamin D

Giberilin

Steroit

Hình 1.1. Sơ đồ chuyển hoá Geranylpyrophotphat
và Farnesylpyrophotphat trong cơ thể sống (Nicolaev, 1968)

Theo P.X. Tanaxienco (1985), tinh dầu trong thực vật có các vai trò
sau đây:
– Bảo vệ: chống sâu bệnh, chống nấm, chống tàn phá của ngoại
cảnh;
– Biến đổi sức căng bề mặt của nước trong cây, thúc đẩy sự vận
chuyển nước, tăng hiệu quả của phản ứng enzym.
Gần đây người ta cho rằng tinh dầu, nhất là phần nhẹ, phần có mùi
là thông tin hoá học giữa các cơ thể sống trong giới thực vật và có khi
đóng vai trò duy trì sự tồn tại và phát triển của thực vật, đặc biệt là tinh
dầu của các loài hoa, chính nhờ mùi của tinh dầu của các loài hoa mà
ong, bướm, côn trùng bị lôi cuốn để hưởng thụ nên chúng chuyển từ hoa

này sang hoa khác, từ hoa đực sang hoa cái, mang theo các nhuỵ hoa làm
cho quá trình thụ phấn thêm kết quả và thực vật thêm phát triển.
1.3. Tính chất của tinh dầu
Tinh dầu là một hỗn hợp nhiều thành phần, nó thu được bằng
phương pháp cất lôi cuốn hơi nước nên nó không tan hoặc kém tan trong
nước. Tuy là một hỗn hợp nhiều thành phần nhưng mỗi loại tinh dầu của
mỗi loài, hay một bộ phận của thực vật xác định thì có số thành phần xác
4


định, hàm lượng các thành phần cũng xác định nên các hằng số vật lý
như tỷ trọng (d), chiết suất (n), độ quang cực (α) và các chỉ số hoá học
như chỉ số axit, chỉ số ancol, chỉ số cacbonyl, chỉ số este… của nó là xác
định. Chính vì thế, người ta căn cứ vào các hằng số vật lý và các chỉ số
hoá học của tinh dầu để sơ bộ nhận biết và đánh giá tinh dầu.

1.3.1. Tính chất vật lý và hằng số vật lý của tinh dầu
Nếu tinh dầu là chất lỏng thì chúng thường có nhiệt độ sôi không ổn
định và có khi cao đến 320oC và chiết suất từ 1,378 đến 1,5850, tỷ trọng
nhỏ hơn hoặc lớn hơn 1 một chút.
Nếu tinh dầu là chất rắn thì có điểm chảy ≤ 160oC.
Tinh dầu không tan hay kém tan trong nước, tan tốt trong cồn
99,5%, đietyl ete, benzen, etylaxetat…
a) Tỷ trọng của tinh dầu
Tỷ trọng của tinh dầu là tỷ số của trọng lượng của một thể tích xác
định của tinh dầu và trọng lượng của nước có cùng thể tích.
Tỷ trọng phụ thuộc vào bản chất tinh dầu, thành phần tinh dầu và
vào nhiệt độ.
Tỷ trọng càng cao thì mạch cacbon tinh dầu càng dài nếu là mạch
thẳng, số vòng càng lớn nếu là mạch vòng, các dẫn xuất oxi có tỷ trọng

cao hơn các hiđrocacbon tương ứng. Khi đo ở 20oC, ta có:
m1 − m
d 20
20 =
m2 − m
trong đó: d là tỷ trọng; 20 ở trên là nhiệt độ tinh dầu lúc đo; 20 ở dưới là
nhiệt độ của nước lúc đo; m là trọng lượng của cuvet; m1 là trọng lượng
của cuvet và tinh dầu; m2 là trọng lượng của cuvet và nước.
Tỷ trọng của một chất nguyên chất hay một hỗn hợp có thành phần
không đổi là một hằng số ở một nhiệt độ xác định nên người ta dùng tỷ
trọng để đánh giá độ tinh khiết một chất hay đánh giá thành phần của một
hỗn hợp.
Vì thể tích thay đổi theo nhiệt độ, đối với nước khối lượng riêng của
nó lớn nhất khi ở 4oC, khi đó 1 ml nước nặng 1 g. Từ 4oC đến 20oC khối
lượng của nó giảm, nên khi đo nước ở nhiệt độ khác mà muốn đưa về
4oC thì phải nhân thêm khối lượng riêng của nước lúc đo, ví dụ đo ở 20oC:
5


d 20
20 =

m1 − m
m2 − m

×Q

trong đó: Q là khối lượng riêng của nước lúc đo (cho trong các tài liệu).
b) Chiết suất (chỉ số khúc xạ)
Chiết suất của tinh dầu là tỷ số của sin góc tới trên sin góc khúc xạ

khi cho tia sáng đi từ không khí vào tinh dầu.
Chiết suất phụ thuộc vào bản chất của chất, phụ thuộc vào thành
phần của hỗn hợp, phụ thuộc vào nhiệt độ và bước sóng của ánh sáng
dùng để đo. Thường người ta đo chiết suất ở 20oC và ánh sáng là bước
sóng vạch D của natri và khi đó ta có n 20
D .
Đối với một số tinh dầu chiết suất của nó thay đổi từ 0,013 đến
0,014, nhưng thông thường từ 0,003 đến 0,004 khi nhiệt độ thay đổi,
nghĩa là thay đổi rất ít ở con số thứ ba sau dấu phảy. Vì vậy, điều hoà
nhiệt độ chính xác khi đo chiết suất là rất quan trọng, thường dùng nhiệt
kế có độ chính xác 0,1oC.
Vì có độ chính xác cao và rất phụ thuộc vào thành phần nên người ta
dùng chiết suất để theo dõi quá trình phản ứng, ví dụ phản ứng chuyển
hoá pseudoionon thành α,β-ionon hay thành phần hỗn hợp α và β-ionon.
Quá trình hiđro hoá, polime hoá hay vòng hoá đều có ảnh hưởng lớn
đến nD, nên người ta có thể dùng n 20
D theo dõi các quá trình đó.
Ví dụ:
geraniol:

n 20
D = 1,4760;

xitronelol: n 20
D = 1,4560;

xitral:

n 20
D = 1,4890;

xitronelal:

n 20
D = 1,4880;

pseudoionon:

n 20
D = 1,5330;

α-ionon:

n 20
D = 1,4980.

Chiết suất của một chất lỏng nguyên chất hay một hỗn hợp có thành
phần xác định là một hằng số ở một nhiệt độ xác định nên người ta dùng
chiết suất để nhận biết và đánh giá tinh dầu, xác định độ tinh khiết của
chất.
c) Độ quay cực của tinh dầu
Hầu hết tinh dầu đều có cacbon bất đối xứng nên có đồng phân
quang học, nghĩa là nó làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực đi một
góc nào đó khi cho ánh sáng phân cực qua tinh dầu. Tuỳ theo tinh dầu tạo
6


ra góc quay bên phải hay bên trái mà ta có tinh dầu quay phải +α hay
quay trái –α. Để xác định chiều quay của tinh dầu người ta đo độ quay
cực của D-glixeranđehit, nếu cùng chiều thì tinh dầu thuộc dãy D (quay

phải) và ngược lại là dãy L (quay trái).
Độ quay cực α phụ thuộc vào bản chất của chất, vào nồng độ, vào
chiều dài của cuvet đựng tinh dầu để ánh sáng đi qua, vào nhiệt độ khi
đo, vào bước sóng của ánh sáng dùng để đo. [α]Dt gọi là độ quay cực
riêng của chất quang hoạt.
Thông thường người ta xác định [α]Dt theo công thức sau:
[α ]Dt =

100α

l.C
ở đây: α là góc đọc được trên quang cực kế;

l là chiều dài cuvet dùng để đo;
t là nhiệt độ khi đo;
C là nồng độ (số gam tinh dầu trong 100 ml dung dịch).
Đối với tinh dầu nguyên chất, người ta thường đo độ quay cực ở
o
20 C, ánh sáng vàng vạch D của đèn natri, chiều dài cuvet là 1 dm và C
lúc đó chính là tỷ trọng và ta có công thức:
α
[α ]20
D =
d
ở đây: α: trị số đo được trên máy;
d: tỷ trọng của tinh dầu đã xác định ở 20oC.
Độ quay cực riêng của một chất lỏng quang hoạt trong hỗn hợp chất
lỏng có chất quang hoạt và thành phần không đổi là một hằng số ở một
nhiệt độ xác định và bước sóng xác định nên người ta dùng nó để đánh
giá độ tinh khiết của một chất hay thành phần của hỗn hợp.

1.3.2. Các chỉ số hoá học của tinh dầu
a) Chỉ số axit của tinh dầu
Chỉ số axit của tinh dầu là số miligam KOH dùng để trung hoà hết
số axit tự do có trong 1 gam tinh dầu:
5, 61.a
Ax =
m
7


a: số ml dung dịch KOH 0,1N;
m: lượng cân của tinh dầu theo gam.
Nếu biết phân tử lượng của axit có trong tinh dầu thì hàm lượng axit
có trong tinh dầu là:
a.M
% axit =
5, 61
M: phân tử lượng của axit.
Chỉ số axit cho biết hàm lượng axit trong tinh dầu.
b) Chỉ số este
Chỉ số este của tinh dầu là số miligam KOH cần để thuỷ phân hết
lượng este có trong 1 gam tinh dầu:
(v − v ).5, 61
E= 1 2
m
v1: số ml KOH 0,1N cho vào để thuỷ phân este;
v2: số ml KOH 0,1N dư sau phản ứng;
m: lượng cân của tinh dầu theo gam.
Chỉ số este cho biết hàm lượng este trong tinh dầu.

Chú ý: Để có chỉ số este chính xác, người ta dùng tinh dầu đã xác
định chỉ số axit để xác định chỉ số este, hoặc là tinh dầu đã loại hết axit tự
do rồi xác định chỉ số este.
c) Chỉ số ancol tự do trong tinh dầu
Chỉ số ancol tự do trong tinh dầu được tính bằng chỉ số axyl hoá tinh
dầu. Chỉ số axyl hoá tinh dầu là hiệu số của chỉ số este sau khi axyl hoá
và chỉ số este của tinh dầu. Gọi chỉ số ancol là An, chỉ số este sau khi
axyl hoá là E2 và chỉ số este của tinh dầu là E1, ta có chỉ số ancol tự do
trong tinh dầu:
An = E2 – E1
Chỉ số ancol cho biết hàm lượng ancol trong tinh dầu.
d) Chỉ số cacbonyl (anđehit và xeton)
Hầu hết các anđehit và xeton tham gia phản ứng oxim hoá:
C
8

→
O + NH2OH.HCl ⎯⎯

C

N

OH

+ HCl


Chuẩn độ lượng HCl hình thành trong phản ứng chúng ta biết lượng
NH2OH tham gia phản ứng và từ đó suy ra được lượng nhóm cacbonyl

có trong tinh dầu tham gia phản ứng. Có thể nói chỉ số nhóm cacbonyl
trong tinh dầu là số miligam hiđroxylamin để oxim hoá hết nhóm
cacbonyl có trong 1 gam tinh dầu:
33N
C=
m
N: số mol NH2OH.HCl dùng cho phản ứng;
m: lượng cân.
Chỉ số cacbonyl cho biết hàm lượng hợp chất cacbonyl trong 1 gam
tinh dầu.
1.4. Phân loại tinh dầu

Người ta thường phân loại tinh dầu theo hai cách: phân loại theo
nguồn gốc nguyên liệu để điều chế tinh dầu và phân loại theo thành phần
hoá học chính của tinh dầu.

1.4.1. Phân loại tinh dầu theo nguồn gốc
Cách phân loại này dựa vào nguyên liệu để sản xuất ra tinh dầu để
gọi tên tinh dầu, vì thế tên của tinh dầu xuất phát từ tên nguyên liệu và
khi đó mùi của tinh dầu cũng đặc trưng cho mùi của nguyên liệu dùng để
sản xuất tinh dầu.
Ví dụ tinh dầu của quả chanh gọi là tinh dầu chanh và mùi của tinh
dầu chanh cũng là mùi của quả chanh; tinh dầu của hoa bưởi gọi là tinh
dầu hoa bưởi và mùi của tinh dầu này là mùi của hoa bưởi; tinh dầu của
vỏ cây quế gọi là tinh dầu quế và mùi của tinh dầu quế là mùi của vỏ cây
quế… Cách phân loại này vừa nói được loại nguyên liệu dùng để sản
xuất tinh dầu, vừa nói được mùi đặc trưng của tinh dầu cũng như của
nguyên liệu và như vậy nó rất thuận lợi cho người dùng.

1.4.2. Phân loại tinh dầu theo thành phần hoá học

Thành phần hoá học chính của tinh dầu là thành phần có hàm lượng
lớn nhất hay tổng các thành phần có hàm lượng lớn và căn cứ thành phần
chính người ta gọi tên tinh dầu.
Ví dụ: Tinh dầu thảo quả (Amomam aromaticum Roxb) có hàm
lượng các dẫn xuất isopren (C5) chiếm tới 80 – 85%, đặc biệt lớn là
9


1,8-cineol nên người ta gọi tinh dầu thảo quả là tinh dầu tecpenoit. Tinh
dầu màng tang (Litsea cubeba Lour) cũng là tinh dầu tecpenoit vì thành
phần chính của nó là citral, một dẫn xuất oxi của monotecpen, chiếm trên
60%. Nhưng tinh dầu xá xị (Cinnamomum Porecterum Kosterm) là tinh
dầu phenylpropanoit (C6-C3). Vì thành phần chính của tinh dầu này là
safrol - một dẫn xuất của phenylpropan. Tinh dầu hương nhu trắng
(Ocimum Gratisimum L.) có thành phần chính là eugenol (60 – 80%),
một dẫn xuất của phenylpropan nên nó cũng là tinh dầu phenylpropanoit.
Cách phân loại này không chỉ cho biết thành phần chính của tinh dầu mà
còn cho biết thành phần chính thuộc loại hợp chất gì nên rất thuận tiện
cho nhận thức và định hướng sử dụng tinh dầu.
Tuy vậy, cách phân loại như trên chỉ là tương đối vì có nhiều loại
tinh dầu không những có thành phần tecpenoit mà còn có cả thành phần
phenylpropanoit nữa. Ví dụ tinh dầu bạch đậu khấu (Mefristica fragram
H.), ngoài thành phần tecpenoit như pinerycamphen còn có cả myristixen
là dẫn xuất của phenylpropan.
1.4.2.1. Tinh dầu tecpenoit
Trong thiên nhiên, số lượng tinh dầu tecpenoit chiếm đại đa số.
Nghiên cứu cấu trúc phân tử của tinh dầu tecpenoit, L. Ruzika (1922) đi
đến nhận xét rằng tất cả các phân tử của thành phần tinh dầu tecpenoit
đều được xây dựng trên cơ sở đơn vị isopren (C5). Nói một cách khác,
người ta có thể phân chia khung cacbon phân tử của các thành phần tinh

dầu tecpenoit thành các đơn vị isopren (C5) và như thế, tuỳ theo số đơn vị
isopren trong cấu trúc phân tử mà người ta chia tecpenoit thành các lớp
chất khác nhau:
+ Hemitecpen được xây dựng từ 1 đơn vị isopren (C5);
+ Monotecpen được xây dựng từ 2 đơn vị isopren (C10);
+ Sesquitecpen được xây dựng từ 3 đơn vị isopren (C15);
+ Đitecpen được xây dựng từ 4 đơn vị isopren (C20);
+ Sestotecpen được xây dựng từ 5 đơn vị isopren (C25);
+ Tritecpen được xây dựng từ 6 đơn vị isopren (C30);
+ Politecpen được xây dựng từ nhiều đơn vị isopren (C5)xn.
Đến đây chúng ta thấy thuật ngữ tecpenoit có nghĩa rất rộng, nó bao
gồm không những các hợp chất thuộc lớp hemi, mono, sesqui, đi, tri…

10


mà cả các dẫn xuất chứa oxi, các dẫn xuất thoái biến của tecpen như
ionon; chòn thuật ngữ tecpen thường chỉ một lớp chất, ví dụ monotecpen,
sesquitecpen… và các dẫn xuất của chúng. Tuy vậy, trong sử dụng đôi
khi ranh giới này cũng không rõ ràng.
L. Ruzika còn nhận xét rằng các đơn vị isopren trong phân tử
tecpenoit thường liên kết “đầu đuôi” với nhau:
®u«i
®Çu

®u«i

+
®Çu

®u«i

⎯⎯
→
®Çu

C5H8

C5H8

C10H16

isopren

isopren

oximen

Phát hiện này vô cùng quan trọng, không những nó thúc đẩy tìm
kiếm quy luật chung của sự hình thành các phân tử tecpenoit trong thiên
nhiên trên cơ sở các đơn vị isopren mà còn giúp ích rất lớn trong viẹc xác
định cấu trúc phân tử của các tecpenoit mới tìm được và còn gợi mở sự
tìm kiếm các đơn vị isopren thiên nhiên để tìm ra sự phát sinh sinh học
(biogenesis) các tecpenoit.
a) Sự phát sinh sinh học các tecpenoit
Sự phân lập được axit mevalonic của Folker năm 1956 và các
nghiên cứu tiếp theo của Blocklynen, Dopjax đã làm sáng tỏ con đường
sinh tổng hợp axit mevalonic và cơ chế chuyển hoá axit này thành các
đơn vị isopren sinh học, làm cơ sở cho các quá trình sinh tổng hợp các
tecpenoit trong thiên nhiên. Quá trình này được J. Manh (1992) tóm tắt

như sau:

Đầu tiên là sự ngưng tụ 2 phân tử axetyl-ScoA tạo thành
axetoaxetyl-SCoA (I), tiếp theo là sự cộng hợp ái nhân của axetyl-ScoA
khác vào phân tử xetoaxetyl-ScoA vừa tạo thành rồi thuỷ phân cho sản
phẩm 3-hiđroxy-3-metylglutaryl-SCoA (II). Khử sản phẩm này thành
hemithioaxetyl (III) và khử tiếp thành axit 3R-mevalonic (IV), axit này bị
photphat hoá, decacboxyl hoá và loại nước để tạo thành isopentenylpyrophotphat (V) (IPP) và đimetylallylpyrophotphat (VI) (DMAPP) hay
tạo thành IPP rồi đồng phân hoá thành DMAPP. Các đơn vị isopren hoạt
động này là những nguyên liệu cho sinh tổng hợp các tecpenoit trong
thiên nhiên.

11


CH3

C

H
SCoA + CH2

SCoA ⎯⎯⎯→ CH3

C

O

− HSCoA

O

C

CH2

C

O

SCoA

O
(I)

CH3

C

CH2

C

O

C

SCoA + CH3

O

O
OH
CH

khö

⎯⎯
→ HOOC

(III)

HOPP

SCoA

(II)

khö

→ HOOC
SCoA ⎯⎯

OH

OH
CH2OH
(IV)

⎯⎯

→
⎯⎯⎯
→ HOOC

OH
CO

→ HOOC
SCoA ⎯⎯

OH
CH2OPP

CH2OPP

− H2O

IPP
(V)

− CO2

⎯⎯
→

CH2OPP
DMAPP
(VI)

Hình 1.2. Sơ đồ sinh tổng hợp các “isopren hoạt động”

b) Các hemitecpen (C5)
Các hemitecpen hình thành là do sự chuyển hoá các đơn vị “isopren
hoạt động” IPP và DMAPP qua các phản ứng thuỷ phân, hợp nước, oxi
hoá, khử hay tác dụng với các hợp chất khác, và như thế bộ khung
cacbon của nó chỉ có một đơn vị isopren (C5). Hầu hết chúng là các chất
có hoạt tính sinh học, các pheromon giới tính, các chất báo động hay
phòng vệ. Ví dụ 2-metyl-3-buten-2-ol (1) là một pheromon tập hợp,
nghĩa là khi có mùi của hợp chất này thì các loại côn trùng cánh cứng tập
hợp lại thành tốp lớn; 3-metyl-3-buten-1-ol (2) là một pheromon báo
động của ong bò vẽ; este 3-metyl-2-pentin-2-buteonal (3) tạo thành trong
tuyến nọc độc của ong thợ Vespa Crabro. Sau đây là một số hemitecpen
thường gặp:

N
OH

HO

O

C

S

O
(1)

12

(2)

(3)

(4)


O
S

HO
(5)

(6)

S

S S

(7)

(8)

S
(9)

Trong thành phần mùi của các loài hoa cũng có một số hemitecpen,
khi đó các chất này đóng vai trò là chất dụ dẫn côn trùng mang phấn hoa
đực sang hoa cái tạo điều kiện cho nòi giống phát triển.
c) Monotecpen (C10)

Sinh tổng hợp monotecpen (C10) bắt nguồn từ sự cộng hợp ái điện tử
đimetylallylpyrophotphat (C5) vào liên kết đôi của isopentenylpyrophotphat (C5), sau đó loại axit pyrophotphoric (HOPP) tạo thành
geranylpyrophotphat (C10) là một chất khởi nguyên của các monotecpen.
Chính sự ngưng tụ đầu đuôi này của phân tử đimetylallylpyrophotphat (I) với isopentenylpyrophotphat (II) là cơ sở lý thuyết cho
nguyên tắc đầu đuôi của L. Ruzicka.
isopenteylpyrophotphat
1
4
3
1

H2
C

3

OPP

(I)
®imethylallylpyrophotphat

⎯⎯
→

OPP

2

1

CH2

HR HS

4

(II)

4

3

1

CH2

2

OPP

2

4

3
2

OPP

HR

CH2OPP

⎯⎯⎯→
HOPP

HS

Geranyl PP
(GPP)

⎯⎯
→
←⎯
⎯

CH2OPP

Neryl PP
(NPP)

Hình 1.3. Sơ đồ sinh tổng hợp tiền chất của monotecpen: GPP và NPP

13


Geranylpyrophotphat (GPP) đồng phân hoá dễ dàng thành các dạng
khác nhau theo sơ đồ sau:
OPP
OPP

⎯⎯
→

⎯⎯
→

OPP

⎯⎯
→

OPP

OPP

⎯⎯
→

⎯⎯
→

OPP

⎯⎯
→

⎯⎯
→

C¸c tecpen
vßng ®¬n
vßng ®«i

Hình 1.4. Chuyển hoá GPP thành monotecpen

Chính sự đa dạng trong đồng phân hoá này mà từ các chất khởi
nguyên GPP sinh tổng hợp được trên 500 monotecpen khác nhau, có cả
trong các vi khuẩn, vi trùng, vi nấm, tảo, côn trùng thực vật và cả động
vật như cá sấu, hải li… Nhưng phổ biến và quan trọng nhất của
monotecpen là trong thực vật. Nó có trong hơn 100 họ thực vật và chiếm
khoảng 0,01% trọng lượng tươi, chiếm phần lớn mùi của hoa, tinh dầu và
turpentin, phổ biến nhất là trong các họ cây hạt kín như orrchidaceae,
asteraceae và limiceae.
Sau đây là một số khung cacbon cơ sở của monotecpen (C10):

(1)
2,6-§imetyloctan

14

(2)
Lavandulan

(3)
Artemizan

(4)
p-Mentan

(5)
m-Mentan

(6)
Cafranan

(9)
Iran

(13)
Camfan

(10)
Pinan

(14)
Isocamfan

(17)
Xantenan

(7)
Evicarvan

(8)
Ionan

(11)
Tuian

(15)
Fenxan

(18)
Tetraxantalan

(12)
Caran

(16)
Xantan

(19)
Chrisantenan

Hình 1.5. Các khung cacbon cơ sở của monotecpen

Một cách tổng quát, người ta chia khung cacbon của monotecpen
thành hai loại: loại theo nguyên tắc (regular) và loại không theo nguyên
tắc (irregular), monotecpen theo nguyên tắc là dẫn xuất của geranylpyrophotphat, một sản phẩm ngưng tụ của đimetylallylpyrophotphat và
isopentenylpyrophotphat theo nguyên tắc đầu đuôi của hai đơn vị
isopren, loại monotecpen theo nguyên tắc phổ biến nhất trong thiên
nhiên. Loại monotecpen ít phổ biến hơn trong thiên nhiên là monotecpen
không theo nguyên tắc. Loại này không phù hợp với mô hình chung của
nguyên tắc đầu đuôi của các đơn vị isopren mà sinh ra do sự sắp xếp lại
15


của dạng monotecpen nguyên tắc hay do sự ngưng tụ không theo đầu

đuôi của hai phân tử đimetylallylpyrophotphat.
Nhóm thứ nhất do sự sắp xếp lại các monotecpen theo nguyên tắc
như các chất fenchen (21), camphen (22), eurcarvon (23) và nezukon (24).

O

3

1

O

3
2

4

(21)

O

4

2

1

(22)

(23)

(24)

Ví dụ như sự phát sinh sinh học các monotecpen isocamphen và
fenchon do Wagner Meerwein đề nghị là một điển hình:
OPP
OPP
OPP

⎯⎯
→

⎯⎯
→

⎯⎯
→

⎯⎯
→

HOH

⎯⎯
→

OH
[O]
⎯⎯
→

O

Fenchon

⎯⎯
→
Isocamphen

Nhóm thứ hai do sự ngưng tụ không đầu đuôi của hai đơn vị isopren
đimetylallylpyrophotphat. Đại diện cho nhóm chất này là lavandulol (25),
xeton aremisia (26), santolinatrien (27) và axit chrysanthemic (28).

16


HO
O
C
O
(25)

HO

(26)

(27)

(28)

Sinh tổng hợp lavandulol là một ví dụ cho loại này:
2

PPO

3

+

1

PPO

⎯⎯
→

2'

PPO

3'
1'

⎯⎯
→
1' - 2

HOCH2

1

2
1'

3

⎯⎯
→

⎯⎯
→

2'
3'

Cation lavandulyl

Lavandulol

d) Sesquitecpen (C15)
Theo D.J. McGasvey và Q.C. Rotean (1995), sesquitecpen là sản
phẩm thiên nhiên phổ biến nhất được nghiên cứu mạnh mẽ nhất và được
hiểu biết sâu sắc nhất về hoá học, về sinh hoá và phát sinh sinh học. Trên
300 khung cacbon khác nhau đã được xác định và hàng nghìn các hợp
chất có oxi biến đổi của chúng được phân lập từ thực vật trên đất liền và
trên biển, từ nguồn vi sinh vật. Các chất chuyển hoá này biểu hiện các
đặc tính sinh lý như kháng sinh, chống ung thư, chống oxi hoá, chống vi
khuẩn, chống độc, chống nấm, chống côn trùng… và hoạt tính hocmon.
Rất nhiều sesquitecpen hiđrocacbon, ancol và các dẫn xuất tạo nên tinh
dầu, nhờ tính thơm và mùi mà nó trở nên những chất có giá trị kinh tế cao.
Khung cacbon của sesquitecpen có 15 nguyên tử cacbon tương ứng

với 3 đơn vị isopren, đó là sự ngưng tụ đầu đuôi của geranylpyrophotphat
(GPP) với isopentenylpyrophotphat (IPP) để tạo thành famesylpyrophotphat (FPP).
Do sự phân cực của liên kết C1–OPP, do sự tương tác ái nhân của
các liên kết đôi C6–C7 và C10–C11 mà vòng hoá để tạo thành các cation
vòng trung gian có vòng 6 hay 7 như I và II (a, b) do liên kết đôi C6–C7
tạo nên, vòng 10 hay 11 như III và IV (c, d) do liên kết đôi C10–C11 tạo

17


nên. Các cation trung gian tự vòng hoá, sắp xếp lại và kết thúc phản ứng
bằng cách vất bỏ proton hay tương tác với tác nhân ái nhân mà thông
thường là nước để dập tắt điện tích dương và tạo ra sản phẩm sesquitecpen.
H
OPP

OH
1

GPP (C 10)

IPP (C 5)
− HOPP

a

7

c

6

b

3

a

(I)
10

d

11

b

(III)

2
1

OPP
d

c
FPP

(II)

(IV)

e

f

e
f

OPP

PP (C 15)

(V)

Sơ đồ sinh tổng hợp các sesquitecpen

Cần nhớ rằng có rào cản hình học cho sự đóng vòng trực tiếp transtrans-FPP để tạo vòng, như liên kết đôi cis để tạo vòng 10 và 11, trong
trường hợp này người ta cho rằng có sự đồng phân hoá FPP thành NPP
tương ứng để có cấu hình linh hoạt và do đó NPP trải qua sự ion hoá
đóng vòng một cách dễ dàng (quá trình e và f).
18


Sau đây nêu một vài ví dụ.
Ví dụ 1: Sinh tổng hợp δ-cadinen.

OPP

OPP

H

OPP
FPP

NPP

H
−H

δ-Cadinen

Ví dụ 2: Sinh tổng hợp β-farnesen, α- và β-bisabolen.
−H

CH2

a

H
β-Farnesen
a

b

OPP
FPP

OPP

NPP

b

H

c

H2C

d

H

c
α-Bisabolen

d

β-Bisabolen

19