PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH HÓA HỌC, HÀM LƯỢNG DẦU, CÁC ACID BÉO TRONG HẠT VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU ĐỂ TRÍCH LY DẦU NGUYÊN LIỆU VÀ CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ HẠT CỦA MỘT SỐ GIỐNG DẦU MÈ (Jatropha curcas L.) BẢN ĐỊA THU THẬP TỪ CÁC VÙNG ĐỊA LÝ KHÁC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.3 MB, 116 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
NGUYỄN QUỲNH ANH
PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH HÓA HỌC, HÀM
LƯỢNG DẦU, CÁC ACID BÉO TRONG HẠT VÀ XÁC ĐỊNH
CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU ĐỂ TRÍCH LY DẦU NGUYÊN
LIỆU VÀ CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ HẠT CỦA
MỘT SỐ GIỐNG DẦU MÈ (Jatropha curcas L.)
BẢN ĐỊA THU THẬP TỪ CÁC VÙNG
ĐỊA LÝ KHÁC NHAU
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP
(NGÀNH KHOA HỌC KỸ THUẬT)
Thành phố Hồ Chí Minh
Tháng 12/2009
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
NGUYỄN QUỲNH ANH
PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH HÓA HỌC, HÀM
LƯỢNG DẦU, CÁC ACID BÉO TRONG HẠT VÀ XÁC ĐỊNH
CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU ĐỂ TRÍCH LY DẦU NGUYÊN
LIỆU VÀ CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ HẠT CỦA
MỘT SỐ GIỐNG DẦU MÈ (Jatropha curcas L.)
BẢN ĐỊA THU THẬP TỪ CÁC VÙNG
ĐỊA LÝ KHÁC NHAU
Chuyên ngành : Công nghệ Sinh học
Mã số
: 60.42.80
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP
Hướng dẫn Khoa học:
TS. BÙI MINH TRÍ
Thành phố Hồ Chí Minh
Tháng 12/2009
PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH HÓA HỌC, HÀM LƯỢNG DẦU,
CÁC ACID BÉO TRONG HẠT VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU
ĐỂ TRÍCH LY DẦU NGUYÊN LIỆU VÀ CHUYỂN HÓA BIODIESEL
TỪ HẠT CỦA MỘT SỐ GIỐNG DẦU MÈ (Jatropha curcas L.) BẢN
ĐỊA THU THẬP TỪ CÁC VÙNG ĐỊA LÝ KHÁC NHAU
NGUYỄN QUỲNH ANH
Hội đồng chấm luận văn
1. Chủ tịch :
TS. LÊ ĐÌNH ĐÔN
Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM
2. Thư ký:
TS. TRẦN THỊ LỆ MINH
Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM
3. Phản biện 1:
TS. PHAN PHƯỚC HIỀN
Viện Công nghệ Sinh học
4. Phản biện 2:
PGS.TS. TRẦN VĂN MINH
Viện Sinh học nhiệt đới
5. Uỷ viên:
TS. BÙI MINH TRÍ
Viện Công nghệ Sinh học
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
HIỆU TRƯỞNG
i
LÝ LỊCH CÁ NHÂN
Tôi tên Nguyễn Quỳnh Anh sinh ngày 30 tháng 6 năm 1983 tại tỉnh Hưng
Yên. Con Ông Nguyễn Văn Chiến và Bà Nguyễn Thị Thu Hồng.
Tốt nghiệp Tú tài tại Trường Trung học phổ thông Nguyễn Huệ, tỉnh Bà Rịa
Vũng Tàu, năm 2001.
Tốt nghiệp Đại học ngành Công nghệ Sinh học hệ chính quy tại Đại học
Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh năm 2005.
Từ năm 2006 đến nay theo học Cao học ngành Công nghệ Sinh học tại Đại
học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh.
Tình trạng gia đình: Độc thân.
Địa chỉ liên lạc: 88/4 Nguyễn Hữu Cảnh, phường 9, thành phố Vũng Tàu.
Điện thoại: 0937073379.
Email:
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Ký tên
Nguyễn Quỳnh Anh
iii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến:
Quí Thầy Cô trường Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh đã tận tâm hướng
dẫn, truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian học tập.
Thầy Bùi Minh Trí đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành công trình nghiên
cứu này.
Quí Nhà trường, Bộ môn Công nghệ Sinh học, Viện Công nghệ Sinh học và
Môi trường và Phòng Sau Đại học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành
khóa học.
Chương trình hợp tác nghiên cứu Việt Nam - Thụy Điển (SIDA/SAREC) đã
hỗ trợ tài chính thực hiện đề tài này.
Gia đình, các bạn, đồng nghiệp đã động viên, chia sẻ và góp ý cho tôi trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
iv
TÓM TẮT
Đề tài: “Phân tích và đánh giá đặc tính hóa học, hàm lượng dầu, các acid
béo trong hạt và xác định các thông số tối ưu để trích ly dầu nguyên liệu và
chuyển hóa biodiesel từ hạt của một số giống dầu mè (Jatropha curcas L.) bản
địa thu thập từ các vùng địa lý khác nhau” được thực hiện tại Viện Nghiên cứu
Công nghệ Sinh học và Môi trường, Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh.
Mục tiêu của đề tài là xác định được các thông số phù hợp để trích ly dầu, tạo
biodiesel từ hạt dầu mè, phân tích thành phần và hàm lượng các acid béo trong dầu
mè, cũng như ảnh hưởng của các điều kiện đất trồng và đặc điểm hình thái đến sinh
trưởng, kích thước hạt, hàm lượng dầu và thành phần và tỉ lệ các acid béo trong dầu
hạt dầu mè.
Kết quả cho thấy mẫu thu thập ở Đắk Lắk có khối lượng 100 hạt khô (61,14g)
và hàm lượng dầu trong hạt cao nhất (31,21%). Các mẫu đã thu thập từ cây dầu mè
sinh trưởng trên vùng đất cát có khối lượng 100 hạt khô thấp nhưng hàm lượng dầu
trong hạt cao hơn cây sinh trưởng trên đất đỏ, đồi dốc thuộc các địa phương duyên
hải miền Trung. Cây có kiểu hình đọt tía vượt trội cây kiểu hình đọt xanh về khối
lượng 100 hạt khô (53,24g) và hàm lượng dầu (25,90%). Thời điểm thu hoạch hạt
dầu mè tốt nhất là lúc quả khô hoặc chín vàng nâu, khi đó hàm lượng dầu sẽ cao và
chỉ số acid của dầu thấp thích hợp cho quá trình sản xuất biodiesel.
Thông số tối ưu cho qui trình trích ly dầu trong hạt dầu mè bao gồm thời gian ly
trích là 6 giờ và tỉ lệ dung môi/mẫu (v/w) là 10/1. Tỉ lệ thể tích methanol/dầu là
0,22 (v/v) cùng với hàm lượng xúc tác KOH 0,8% (w/v) là điều kiện thích hợp nhất
cho phản ứng chuyển vị ester. Các acid béo chiếm hàm lượng cao trong mẫu khô là
acid oleic (32,81%), acid linoleic (29,31%), acid palmitic (8,77%) và acid stearic
(4,45%), trong khi đó trong mẫu tươi là acid oleic (31,80%), acid linoleic (29,78%),
acid palmitic (8,84%) và acid stearic (4,40%). Dầu hạt dầu mè thích hợp cho sản
xuất biodiesel vì có độ không bão hòa (DU) tương đối thấp và hệ số bão hòa chuỗi
dài (LCSF) cũng khá cao.
v
SUMMARY
The thesis “Analysis and evaluation chemical properties, oil and fatty acids
content on seeds and determine optimum conditions for extracting seed oil and
transforming biodiesel from seeds of native Jatropha curcas L. accessions
collected from different geographic regions” was carried out at Research Institute
for Biotechnology and Environment, Nong Lam University. The study was
conducted in order to evaluate the distribution and biochemical characteristics of 46
native Jatropha accessions. The research also considered environmental and
genotyphic impacts on quantity and quality of Jatropha seed oil.
The oil from dried seed was extracted in Soxhlet apparatus and then converted
into methyl esters by transesterification process before analyzed by gas
chromatoghraphy.
The obtained results showed that the accessions from Dak Lak had the highest
dried seed weight (61.14g/100 seeds) and oil content (31.21%). The accessions
grew on sandy soil had seed weight lower but oil content higher than these grew on
yellow – red soil (hilly slope). Purple tip accessions were predominant on seed
weight (53.24g/100 seeds) and oil content (25.90%). Oil content was highest and
acid number was low when fruits turned dark golden and brown. This stage is
perhaps the best time for harvest.
The suitable conditions for Jatropha oil extraction including solvent-to-dried seed
ratio and extraction time were 10:1 (v/w) and 6 hours, respectively. The optimum
conditions for transesterification was found to be 0.22 (v/v) methanol-to-oil and
0.8% KOH base catalyst. The major fatty acids in Jatropha dry seed oil were oleic
acid (32.81%), linoleic acid (29.31%), palmitic acid (8.77%) and stearic acid
(4.45%), while fresh seed oil contained oleic acid (31.80%), linoleic acid (29.78%),
palmitic acid (8.84%) and stearic acid (4.40%). Jatropha oil was suitable for
biodiesel production because of low Degree of Unsaturation (DU) and high Long
Chain Saturated Factor (LCSF).
vi
MỤC LỤC
CHƯƠNG
TRANG
Trang tựa
Trang Chuẩn Y.................................................................................................... i
Lý lịch cá nhân ................................................................................................... ii
Lời cam đoan .................................................................................................... iii
Lời cảm ơn ........................................................................................................ iv
Tóm tắt ............................................................................................................... v
Summary ........................................................................................................... vi
Mục lục ............................................................................................................ vii
Danh sách từ viết tắt ........................................................................................ xii
Danh sách các hình ......................................................................................... xiv
Danh sách các bảng......................................................................................... xvi
1. MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề .............................................................................................................1
1.2 Mục đích và yêu cầu .............................................................................................2
1.2.1 Mục đích.............................................................................................................2
1.2.2 Yêu cầu...............................................................................................................2
1.2.3 Giới hạn của đề tài..............................................................................................3
2. TỔNG QUAN ........................................................................................................4
2.1 Tổng quan về cây dầu mè......................................................................................4
2.1.1 Phân loại .............................................................................................................4
2.1.2 Đặc điểm sinh học ..............................................................................................4
2.1.2.1 Đặc điểm thực vật học.....................................................................................4
2.1.2.2 Điều kiện sinh trưởng và phân bố ...................................................................6
2.1.3 Công dụng ..........................................................................................................6
2.1.3.1 Hạt và dầu .......................................................................................................6
vii
2.1.3.2 Nhựa mủ ..........................................................................................................7
2.1.3.3 Lá, vỏ và rễ cây ...............................................................................................7
2.1.4 Đặc điểm cây dầu mè .........................................................................................9
2.1.4.1 Ảnh hưởng của điều kiện môi trường và yếu tố di truyền ..............................9
2.1.4.2 Thành phần và đặc tính dầu hạt dầu mè ....................................................... 10
2.2 Acid béo ............................................................................................................. 13
2.2.1 Cấu trúc ........................................................................................................... 13
2.2.2 Tên gọi ............................................................................................................ 13
2.2.3 Tính chất của acid béo..................................................................................... 14
2.2.4 Sinh tổng hợp acid béo .................................................................................... 15
2.3 Nhiên liệu sinh học............................................................................................. 18
2.3.1 Cồn sinh học .................................................................................................... 18
2.3.2 Diesel sinh học ................................................................................................ 19
2.4 Trích ly dầu hạt dầu mè ...................................................................................... 21
2.4.1 Phương pháp cơ học ........................................................................................ 21
2.4.2 Phương pháp hóa học ...................................................................................... 22
2.5 Chuyển vị ester ................................................................................................... 24
2.5.1 Phản ứng ester hóa .......................................................................................... 24
2.5.2 Cơ chế phản ứng chuyển vị ester .................................................................... 24
2.5.2 Các loại xúc tác phản ứng chuyển vị ester ...................................................... 25
2.5.2.1 Xúc tác acid .................................................................................................. 25
2.5.2.2 Xúc tác kiềm ................................................................................................ 26
2.5.2.3 Methyl hóa acid béo tự do với CH2N2 ......................................................... 27
2.5.2.4 Sử dụng alcohol siêu tới hạn ........................................................................ 27
2.6. Phương pháp sắc kí khí ..................................................................................... 28
2.6.1 Các bộ phận của máy sắc ký khí ..................................................................... 28
2.6.1.1 Khí mang ...................................................................................................... 29
2.6.1.2 Buồng tiêm mẫu ........................................................................................... 30
2.6.1.3 Cột sắc ký ..................................................................................................... 30
viii
2.6.1.4 Detector ........................................................................................................ 31
2.6.2 Lựa chọn điều kiện cho phân tích sắc ký ........................................................ 33
2.6.3 Chương trình nhiệt độ ..................................................................................... 33
3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................... 35
3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu...................................................................... 35
3.1.1 Thời gian ......................................................................................................... 35
3.1.2 Địa điểm .......................................................................................................... 35
3.2 Vật liệu ............................................................................................................... 35
3.2.1 Mẫu thí nghiệm ............................................................................................... 35
3.2.2 Hóa chất .......................................................................................................... 35
3.2.3 Dụng cụ, thiết bị .............................................................................................. 36
3.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu ............................................................... 36
3.3.1 Thu thập mẫu................................................................................................... 36
3.3.1.1 Ghi nhận thông tin về cây lấy mẫu .............................................................. 36
3.3.1.2 Cách lấy mẫu ................................................................................................ 37
3.3.2 Trích ly dầu hạt dầu mè và chuyển hóa thành biodiesel ................................. 37
3.3.2.1 Trích ly dầu hạt dầu mè ................................................................................ 37
3.3.2.2 Phương pháp tạo biodiesel ........................................................................... 38
a) Phản ứng ester hóa ............................................................................................... 38
b) Chuyển vị ester .................................................................................................... 39
3.3.3 Xác định chỉ số acid, phân tích thành phần và hàm lượng các acid béo
của dầu hạt dầu mè ................................................................................................... 41
3.3.3.1 Xác định chỉ số acid ..................................................................................... 41
3.3.3.2 Phân tích thành phần và hàm lượng các acid béo ........................................ 42
a) Điều kiện phân tích .............................................................................................. 42
b) Phương pháp phân tích ........................................................................................ 42
3.3.4 Đánh giá các đặc tính của biodiesel thông qua thành phần các acid béo ....... 44
3.4 Phương pháp xử lý số liệu.................................................................................. 45
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................... 46
ix
4.1 Kết quả thu thập mẫu hạt dầu mè từ các vùng địa lý khác nhau........................ 46
4.2 Trích ly dầu hạt dầu mè và chuyển hóa thành biodiesel .................................... 58
4.2.1 Ảnh hưởng của thời gian trích ly và dung môi đến hàm lượng dầu ............... 58
4.2.1.1 Ảnh hưởng của thời gian trích ly đến hàm lượng dầu hạt dầu mè ............... 58
4.2.1.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ dung môi/mẫu (v/w) đến hàm lượng dầu hạt dầu mè . 59
4.2.2 Ảnh hưởng của methanol và KOH lên phản ứng chuyển vị ester
(tạo biodiesel) ........................................................................................................... 60
4.2.2.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ methanol/dầu lên phản ứng chuyển vị ester ................ 60
4.2.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng KOH lên phản ứng chuyển vị ester .................. 61
4.2.2.3 Hiệu suất phản ứng chuyển vị ester ............................................................. 62
4.3 Chỉ số acid, thành phần và hàm lượng các acid béo của dầu hạt dầu mè .......... 64
4.3.1 Chỉ số acid của dầu hạt dầu mè ....................................................................... 64
4.3.1.1 Chỉ số acid của các mẫu dầu hạt dầu mè trước phản ứng ester hóa ............. 64
4.3.1.2 Chỉ số acid của các mẫu dầu hạt dầu mè sau phản ứng ester hóa ................ 65
4.3.2 Thành phần và hàm lượng các acid béo của dầu hạt dầu mè .......................... 65
4.3.2.1 Kết quả định tính các methyl ester của các acid béo ................................... 65
4.3.2.2 Các acid béo có trong dầu hạt dầu mè ......................................................... 68
4.4 Ảnh hưởng của đặc điểm đất trồng và màu sắc đọt đến khối lượng hạt
và hàm lượng dầu ..................................................................................................... 68
4.4.1 Khối lượng hạt và hàm lượng dầu các mẫu thu thập từ các địa phương ........ 68
4.4.2 Ảnh hưởng của đặc điểm đất trồng và màu sắc đọt đến khối lượng hạt
và hàm lượng dầu ..................................................................................................... 70
4.5 Ảnh hưởng của đặc điểm đất trồng và màu sắc đọt đến một số chỉ số
của biodiesel ............................................................................................................. 71
4.5.1 Độ không bão hòa và hệ số bão hòa chuỗi dài của dầu hạt dầu mè ................ 71
4.5.2 Ảnh hưởng của đặc điểm đất trồng và màu sắc đọt đến một số chỉ số của
biodiesel ................................................................................................................... 73
4.6 Qui trình phân tích và đánh giá dầu hạt dầu mè................................................. 73
5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................................ 75
x
5.1 Kết luận .............................................................................................................. 75
5.2 Đề nghị ............................................................................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 77
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 81
xi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ha: hectare
l: lít
M: mol
g: gram
ppm: một phần triệu (part per million)
µ: micro (10-6)
B5: dầu diesel có 5% biodiesel (95% diesel dầu mỏ truyền thống)
B10: biodiesel 10%
B20: biodiesel 20%
B30: biodiesel 30%
E85: nhiên liệu chứa 85% ethanol
ctv: cộng tác viên
CV: hệ số biến động (coefficient of variation)
DU: độ không bão hòa (degree of unsaturation)
FID: Fired ionization detector: đầu dò ion hóa ngọn lửa
LCSF: hệ số bão hòa chuỗi dài (long chain saturated factor)
LSD: Least Square Deconvolution
WCOT : mao quản phim mỏng
PLOT : cột mao quản lớp mỏng
GC: sắc ký khí (gas chromatography)
IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry
NIIR: National Institute of Industrial research
v/v: volume/volume: tỉ lệ thể tích/thể tích
v/w: volume/weight: tỉ lệ thể tích/khối lượng
w/v: weight/volume: tỉ lệ khối lượng/thể tích
BR-VT: Mẫu thu thập ở Bà Rịa – Vũng Tàu
BT-BB: Bắc Bình – Bình Thuận
xii
BT-HTB: Hàm Thuận Bắc – Bình Thuận
BT-HTN: Hàm Thuận Nam – Bình Thuận
BT-PT: Phan Thiết – Bình Thuận
BT-TP: Tuy Phong – Bình Thuận
ĐL-BĐ: Buôn Đôn – Đắk Lắk
ĐL-BMT: Buôn Ma Thuộc – Đắk Lắk
ĐL-EK: Eakar – Đắk Lắk
KH-CL: Cam Lâm – Khánh Hòa
KH-CR: Cam Ranh – Khánh Hòa
KH-NH: Ninh Hòa – Khánh Hòa
KH-NT: Nha Trang – Khánh Hòa
KH-VN: Vạn Ninh – Khánh Hòa
NT-NH: Ninh Hản – Ninh Thuận
NT-NP: Ninh Phước – Ninh Thuận
NT-NS: Ninh Sơn – Ninh Thuận
PY-ĐH: Đông Hòa – Phú Yên
PY-ĐT: Đông Tắc – Phú Yên
PY-TH: Tây Hòa – Phú Yên
QN-ĐP: Đức Phổ – Quảng Ngãi
xiii
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
TRANG
Hình 2.1 Cây dầu mè trưởng thành và cây dầu mè con .......................................... 5
Hình 2.2 Hoa cây dầu mè ........................................................................................ 5
Hình 2.3 Quả và hạt cây dầu mè.............................................................................. 5
Hình 2.4 Sơ đồ tổng quát về công dụng của cây dầu mè ........................................ 8
Hình 2.5 Thành phần acid béo trong dầu hạt dầu mè ............................................ 12
Hình 2.6 Các bước sinh tổng hợp acid .................................................................. 16
Hình 2.7 Quá trình tạo nguyên liệu cho sinh tổng hợp acid béo ở động vật ......... 18
Hình 2.8 Quá trình tạo nguyên liệu cho sinh tổng hợp acid béo ở thực vật .......... 18
Hình 2.9 Nguồn sản xuất nhiên liệu sinh học chủ yếu .......................................... 21
Hình 2.10 Máy ép dầu hạt dầu mè......................................................................... 21
Hình 2.11 Cơ chế phản ứng chuyển vị ester từ dầu thực vật với xúc tác acid ...... 26
Hình 2.12 Sơ đồ thiết bị sắc ký khí ....................................................................... 29
Hình 2.13 Mặt cắt ngang của cột sắc ký khí: a) Cột mao quản lớp mỏng
(PLOT); b) Cột nhồi; c) Cột mao quản phim mỏng (WCOT) ............. 31
Hình 2.14 Sơ đồ cấu tạo đầu dò ion hóa ngọn lửa ................................................ 32
Hình 3.1 Quả dầu mè: a) Quả tươi; b) Quả khô .................................................... 37
Hình 3.2 Hệ thống Soxhlet trích ly dầu ................................................................. 38
Hình 3.3 Qui trình phản ứng chuyển vị ester ........................................................ 41
Hình 4.1 Sơ đồ các địa phương thu thập mẫu ....................................................... 46
Hình 4.2 Sơ đồ mẫu thu thập tại tỉnh Quảng Ngãi ................................................ 47
Hình 4.3 Sơ đồ mẫu thu thập tại tỉnh Phú Yên ...................................................... 48
Hình 4.4 Sơ đồ mẫu thu thập tại tỉnh Khánh Hòa ................................................. 49
Hình 4.5 Sơ đồ mẫu thu thập tại tỉnh Ninh Thuận ................................................ 50
Hình 4.6 Sơ đồ mẫu thu thập tại tỉnh Bình Thuận................................................. 51
Hình 4.7 Sơ đồ mẫu thu thập tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu .................................... 52
xiv
Hình 4.8 Sơ đồ mẫu thu thập tại tỉnh Đắk Lắk ...................................................... 53
Hình 4.9 Đọt cây dầu mè: a) Đọt tía b) Đọt xanh ................................................. 58
Hình 4.10 Quả dầu mè: a) Quả tươi BT-HTB02; b) Quả khô PY-ĐT01 .............. 58
Hình 4.11 Ảnh hưởng thời gian ly trích đến hàm lượng dầu hạt dầu mè .............. 59
Hình 4.12 Ảnh hưởng của tỉ lệ dung môi/mẫu đến hàm lượng dầu hạt dầu mè ... 60
Hình 4.13 Ảnh hưởng của methanol và KOH đến phản ứng chuyển vị ester ....... 62
Hình 4.14 Dầu hạt dầu mè trước phản ứng chuyển hóa ester ............................... 63
Hình 4.15 Sản phẩm sau phản ứng chuyển vị ester............................................... 63
Hình 4.16 Sự biến động chỉ số acid của dầu hạt dầu mè trước phản ứng
ester hóa ............................................................................................... 64
Hình 4.17 Sự biến động chỉ số acid của dầu hạt dầu mè sau phản ứng
ester hóa ............................................................................................... 65
Hình 4.18 Sắc ký đồ chuẩn hỗn hợp methyl ester của acid béo 4mg/ml .............. 67
Hình 4.19 Sắc ký đồ mẫu BT-HTN01 (tươi) ........................................................ 68
Hình 4.20 Sắc ký đồ mẫu BT-HTB01 (khô) ......................................................... 69
Hình 4.21 Qui trình phân tích và đánh giá dầu hạt dầu mè ................................... 76
xv
DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
TRANG
Bảng 2.1 Đặc điểm hóa lý dầu hạt dầu mè ............................................................ 10
Bảng 2.2 Thành phần và đặc điểm hóa lý dầu hạt dầu mè .................................... 11
Bảng 2.3 Thành phần acid béo trong dầu hạt dầu mè thu thập ở Nigeria ............. 12
Bảng 2.4 Các acid béo phổ biến (dạng anion) ....................................................... 14
Bảng 2.5 Các phương pháp trích ly dầu hạt dầu mè đã được sử dụng và
những thông số liên quan ....................................................................... 23
Bảng 2.6 So sánh phản ứng chuyển vị ester trong điều kiện có xúc tác
và alcohol siêu tới hạn không xúc tác ................................................... 28
Bảng 3.1 Hàm lượng các chất tham gia phản ứng ester hóa ................................. 39
Bảng 4.1 Thông tin 46 mẫu dầu mè đã thu thập .................................................... 54
Bảng 4.2 Hiệu suất phản ứng chuyển vị ester khi thay đổi tỉ lệ methanol/dầu ..... 60
Bảng 4.3 Hiệu suất phản ứng chuyển vị ester khi thay đổi hàm lượng KOH ....... 61
Bảng 4.4 Thời gian phát hiện các methyl ester trong dầu hạt dầu mè................... 66
Bảng 4.5 Thành phần các acid béo các mẫu đã thu thập ....................................... 70
Bảng 4.6 Khối lượng hạt và hàm lượng dầu các mẫu thu thập
từ các địa phương .................................................................................. 71
Bảng 4.7 Ảnh hưởng của đặc điểm đất trồng và màu sắc đọt đến
khối lượng hạt và hàm lượng dầu .......................................................... 72
Bảng 4.8 Độ không bão hòa và hệ số bão hòa chuỗi dài của dầu hạt dầu mè ....... 74
Bảng 4.9 Ảnh hưởng của điều kiện đất trồng và màu sắc đọt đến
chỉ số DU và LCSF của biodiesel từ dầu mè ......................................... 75
xvi
Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, do tình hình khủng hoảng năng lượng trên thế giới cùng với các vấn
đề ô nhiễm môi trường toàn cầu ngày một gia tăng, các quốc gia đều có xu hướng đi
tìm những nguồn năng lượng sạch, an toàn và bền vững hơn. Đó là những loại năng
lượng mới – năng lượng sinh học, có thể tái tạo để dần thay thế các nguồn năng
lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt.
Cây dầu mè (Jatropha curcas L.) là thực vật dễ thích nghi, có khả năng phát
triển hoang dại cũng như phù hợp với những điều kiện khắc nghiệt của đất trồng và
khí hậu (Tiwari, 1964; Diwaker, 1993). Do vậy, dầu mè là loài cây có ý nghĩa to lớn
trong cải thiện đời sống cộng đồng các vùng nông thôn xa xôi, khó khăn, đất đai
nghèo kiệt, hoang hóa. Tất cả các phần trên cây dầu mè đều có giá trị sử dụng, tuy
nhiên sản phẩm quan trọng nhất vẫn là hạt lấy dầu dùng để sản xuất diesel sinh học
(biodiesel). Biodiesel nói chung và biodiesel từ hạt cây dầu mè nói riêng có rất
nhiều ưu điểm như có khả năng phân hủy sinh học, giảm được đến 90% khí gây
hiệu ứng nhà kính do đó không gây ô nhiễm môi trường như các loại nhiên liệu
khác. Biodiesel sản xuất từ dầu hạt dầu mè bắt đầu được sử dụng khá phổ biến ở các
dạng B5, B10, B20, B30 và thậm chí B100 tại các nước như Đức, Anh, Tây Ban
Nha, Mỹ, Ấn Độ và Braxin (Lê Quốc Huy và ctv, 2007).
Cây dầu mè phân bố ở những vùng có điều kiện sinh thái khác nhau thường có
hàm lượng dầu trong hạt, các đặc điểm hóa học, thành phần và hàm lượng các acid
béo khác nhau. Đối với một số giống dầu mè ngoại nhập có khả năng thương mại
hóa hiện nay, hàm lượng dầu trong hạt dầu mè khá cao, khoảng 35 – 40%. Tuy
1
nhiên, một số yếu điểm của tất cả các giống ngoại nhập là khả năng thích nghi chưa
được chứng minh. Ở Việt Nam, cây dầu mè có thể phát triển tốt trên nhiều vùng địa
lý cũng như phù hợp với các kiểu khí hậu khác nhau, tuy vậy đặc điểm của các
giống dầu mè bản địa vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Đánh giá được đặc điểm
phân bố, hàm lượng, thành phần và những đặc tính hóa học của dầu hạt dầu mè sẽ là
cơ sở để đánh giá nguồn nguyên liệu và khả năng sản xuất biodiesel từ nguồn
nguyên liệu này.
Vì những lý do đó, được sự đồng ý của Bộ môn Công nghệ Sinh học – Trường
Đại học Nông Lâm TP. HCM, dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Minh Trí, chúng tôi
thực hiện đề tài “Phân tích và đánh giá đặc tính hóa học, hàm lượng dầu, các
acid béo trong hạt và xác định các thông số tối ưu để trích ly dầu nguyên liệu
và chuyển hóa biodiesel từ hạt của một số giống dầu mè (Jatropha curcas L.)
bản địa thu thập từ các vùng địa lý khác nhau”.
1.2 Mục tiêu và yêu cầu
1.2.1 Mục tiêu
-
Xác định các thông số phù hợp để trích ly dầu từ hạt dầu mè và chuyển hóa
thành biodiesel
-
Xác định một số chỉ số của biodiesel thông qua thành phần và hàm lượng các
acid béo trong dầu hạt dầu mè
-
Tìm hiểu ảnh hưởng của điều kiện đất trồng và đặc điểm hình thái đến khối
lượng hạt và hàm lượng dầu
-
Tìm hiểu ảnh hưởng của điều kiện đất trồng và đặc điểm hình thái đến các
thông số đánh giá chất lượng biodiesel từ dầu hạt dầu mè.
1.2.2 Yêu cầu
• Thu thập được mẫu hạt dầu mè từ các vùng có điều kiện sinh thái khác nhau,
từ các cây có đặc điểm khác nhau
• Xây dựng qui trình trích ly dầu và tạo biodiesel cho hiệu suất cao
• Phân tích hàm lượng các acid béo trong dầu hạt dầu mè
• Đánh giá chất lượng biodiesel thông qua thành phần các acid béo.
2
1.2.3 Giới hạn của đề tài
• Chỉ thu thập mẫu tại một số địa phương ở các tỉnh miền Trung, Tây Nguyên
và Đông Nam Bộ. Quả cây dầu mè nghiên cứu được thu thập trong mùa mưa
năm 2008 (từ tháng 8 đến tháng 9)
• Đề tài thực hiện chỉ đánh giá một số tính chất hóa học và xác định hàm
lượng các acid béo đặc trưng trong dầu hạt dầu mè.
3
Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan về cây dầu mè
2.1.1 Phân loại
Cây dầu mè được phân loại thuộc về:
Giới:
Plantae
Ngành:
Magnoliophyta
Lớp:
Magnoliopsida
Bộ:
Euphorbiale
Họ:
Euphorbiacea
Chi:
Jatropha
Loài:
J. curcas
Jatropha là tên bắt nguồn từ tiếng Hi Lạp: iatros (bác sĩ) và trophe (thực phẩm)
ngụ ý dược tính của cây. Theo Correll (1982), curcas là tên của cây dầu mè tại vùng
Malabar, Ấn Độ (NIIR Board of Consultants and Engineers, 2006).
Ở Việt Nam cây Jatropha curcas L. được gọi là cây dầu mè, cây cọc rào, ma
phong thụ, cây nước mủ, .v.v… (Nguyễn Văn Hạnh, 2007).
2.1.2 Đặc điểm sinh học
2.1.2.1 Đặc điểm thực vật học
Cây dầu mè là cây bụi gỗ mềm, thân thẳng cao trung bình 6m với tán rộng. Cành
non mập và mọng nước, nhựa cây có màu trắng sữa hay màu vàng nhạt, lá rụng
sớm, mọc dày ở phần ngọn. Lá có hình ovan hoặc hình trái tim, có lá chẻ thùy 3 đến
5 thùy. Lá dài 6 – 40cm, rộng 6 – 35cm, cuống dài 2,5 – 7,5cm. Hoa thường nở vào
tháng 4 – 5 tạo thành nhiều chùm có màu vàng nhạt, hình chuông. Hoa đực có 10
nhị trong đó 5 nhị dính vào phần chân đế, 5 nhị kết lại thành bó. Hoa cái rời rạc với
4
bầu nhụy hình elip, chia làm 3 ô, với 3 núm nhụy phân nhánh. Quả có dạng nang,
kích thước 2,5 – 4,0cm về chiều ngang và đường kính. Quả chia thành 3 ngăn, hạt
nằm trong các ngăn này. Hạt cây thuôn màu đen kích thước 2 x 1cm (Heller, 1996).
Hình 2.1 Cây dầu mè trưởng thành và cây dầu mè con (www.rain-tree.com)
Hình 2.2 Hoa cây dầu mè (www.wikipedia.org/jatrophacurcas)
Hình 2.3 Quả và hạt cây dầu mè (www.jatrophacurcasplantation.com)
5
2.1.2.2 Điều kiện sinh trưởng và phân bố
Cây dầu mè có thể phát triển trong các điều kiện khí hậu khô cằn. Điều kiện
thích hợp nhất cho cây phát triển là mưa ít (200mm) nhưng cây vẫn có thể sống
được ở nơi có lượng mưa cao lên đến 1.200mm. Khi gặp hạn hán, cây thích ứng
bằng cách rụng hầu hết lá để làm giảm sự thoát hơi nước. Nhiệt độ thích hợp cho
cây là 18 – 28,5oC. Điều kiện để hạt nẩy mầm là khí hậu nóng ẩm. Hoa nở trong
mùa mưa và tạo quả trong mùa đông (NIIR Board of Consultants and Engineers,
2006).
Cây dầu mè được xem là loài cây thân thiện với môi trường bởi chu kỳ sống dài
(30 – 50 năm), có khả năng cộng sinh với nấm rễ Mycorrhiza cao, thích nghi sinh
trưởng tốt trên những lập địa suy thoái, khô, cằn cỗi, thậm chí ô nhiễm và hoang
hóa. Do vậy cây có tác dụng cải tạo đất, cải tạo môi trường rất tốt. Cây thường
xanh, chỉ cần thu hái quả hạt hàng năm, không phải đốn hạ cây, tạo ra thảm thực vật
có độ che phủ ổn định, có khả năng hấp thụ CO2 lớn (NIIR Board of Consultants
and Engineers, 2006).
Có nhiều bằng chứng cho thấy cây dầu mè có nguồn gốc từ Mexicô và Trung
Mỹ, nhưng hiện nay cây được tìm thấy ở hầu hết các nước có khí hậu nhiệt đới và
cận nhiệt đới như Brazil, Honduras, Fiji, Ấn Độ, Jamaica, Panama, Puerto Rico và
Salvador (NIIR Board of Consultants and Engineers, 2006).
Cây dầu mè đã có mặt ở Việt Nam từ rất lâu, cho đến nay cây đã được trồng rải
rác ở nhiều địa phương: Lâm Đồng, Đắk Lắk, Lạng Sơn, Ninh Thuận, Bình Thuận,
Thanh Hóa, Lào Cai, Đồng Nai, Thành phố Hồ Chí Minh, .v.v…
2.1.3 Công dụng
2.1.3.1 Hạt và dầu
Dầu mè là loài cây có ý nghĩa to lớn trong cải thiện đời sống cộng đồng các
vùng nông thôn xa xôi, khó khăn, đất đai nghèo kiệt, hoang hóa. Trồng 1 ha cây dầu
mè có thể cho năng suất hạt 10 – 12 tấn/ha tương đương sản xuất được 2.500 –
3.000 lít biodiesel /ha/năm, có thể mang lại thu nhập ổn định cho người sản xuất từ
15 – 20 triệu đồng/ha/năm (Lê Quốc Huy và ctv, 2007).
6
Một số nghiên cứu ở nước ngoài cho thấy, đối với hạt dầu mè có độ ẩm 6,62%,
thì protein chiếm 18,2%, dầu 38%, carbohydrate 17,3%, xơ 15,5% và tro 4,5%.
Trong dầu chứa 21% các acid béo không bão hòa. Dầu hạt được thu bằng phương
pháp ép cơ học hoặc chiết bằng dung môi. Dầu sau khi lọc có thể sử dụng ngay như
là nguồn nhiên liệu sinh học hoặc ở dạng bổ sung là biodiesel. Biodiesel có thể trộn
với diesel thường với tỉ lệ lên đến 20%. Đây là nguồn năng lượng mới an toàn cho
môi trường, chi phí thấp, có khả năng tái tạo, hứa hẹn sẽ là nguồn năng lượng thay
thế cho thủy điện, diessel, dầu lửa, khí hóa lỏng (LPG), than, củi. Nguồn năng
lượng này sẽ giúp các nước cắt giảm một khoản tiền cho năng lượng và phần nào
xóa đi sự mất cân bằng về sử dụng năng lượng giữa các vùng. Dầu hạt dầu mè có
thể hoàn toàn thay thế cho dầu lửa để sưởi ấm và nấu ăn. Ưu điểm là khói từ dầu mè
không có mùi và không cay như khói dầu hỏa và không để lại mùi cho thức ăn sau
khi nấu (NIIR Board of Consultants and Engineers, 2006).
Biodiesel sản xuất từ dầu hạt dầu mè là nguồn năng lượng tự nhiên không gây
độc hại, thân thiện với môi trường và có khả năng phân hủy sinh học. Ở Ấn Độ,
khoảng 30 triệu ha đất trống được sử dụng để trồng cây dầu mè sản xuất biodiesel
(NIIR Board of Consultants and Engineers, 2006).
2.1.3.2 Nhựa mủ
Nhựa cây dầu mè có chứa các alkaloid như jatrophine, jatropham, jatrophone và
curcain là những chất có tính kháng bệnh ung thư. Lá có chứa apigenin, vitexin và
isovitexin. Ngoài ra trong lá và cành non còn chứa amyrin, stigmosterol và
stigmastenes là những chất có tính kháng khuẩn, chống viêm, chống dị ứng và oxy
hóa. Chất béo có trong hạt cây giàu acid palmitic, acid oleic và acid linoleic. Hạt
cây có tính độc là do thành phần alkaloid curcin của nó. Nhựa cây được dùng để trị
các bệnh ngoài da như u nhọt, hắc lào, xuất huyết da. Cành non có tác dụng làm
sạch răng miệng (NIIR Board of Consultants and Engineers, 2006).
2.1.3.3 Lá, vỏ và rễ cây
Lá cây dầu mè được chú ý bởi khả năng kích thích tạo sữa, gây xung huyết da và
kháng kí sinh trùng. Lá được sử dụng để chống ghẻ, thấp khớp, tê liệt, u xơ.
7
