Phân lập các hợp chất Citronellal và Geraniola trong nhóm tinh dầu

MỤC LỤC 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nhu cầu về tinh dầu và hương liệu (cho mỹ phẩm), thứ đang được coi là “vàng xanh”, trên thế giới tăng nhanh do người dân ngày càng có xu hướng trở về dung những hợp chất tự nhiên. Trong khí đó, Việt Nam là một trong những nơi thuận lợi nhất để trồng một số loại cây chiết xuất tinh dầu [1]. Các thị trường nhập khẩu tinh dầu chính trên thế giới mấy năm gần đây: 1. Khối 25 nước EU: 1,7 tỷ USD; 2. Mỹ: 1,2 tỷ USD; 3. Pháp: 0,7 tỷ USD; 4. Anh: 0,6 tỷ USD; 5. Nhật: 0,4 tỷ USD [1]. Việt Nam là một trong những nơi trồng cây chiết xuất tinh dầu thuận lợi nhất. Với nguồn cây nguyên liệu chiết xuất tinh dầu khá dồi dào, như: Bạc hà, hương nhu, bạch đàn, húng quế, hoắc hương, quế, hồi sả…Đây có thể coi là nguồn cung “vàng thô” không phải nước nào cũng có được. Các cây có tinh dầu rất dể trồng, không cần nhiều công sức, không sợ bị úng lụt hay khô hạn, ít mắc sâu bệnh, đặc biệt là giá trị cao hơn hẳn so với ngũ cốc [1]. Hiện tại, cả nước ta mới chỉ có khoảng vài trăm ha nguyên liệu cho các cây nguyên liệu mới như sả chanh, bạch đàn chanh, tram rải rác ở các tỉnh Hòa Bình, Lạng Sơn, Phú Yên, Hà Tĩnh…[1] Thông tin mà các chuyên gia đều khẳng định là nguồn “vàng xanh” mỗi năm có thể mang lại kim ngạch xuất khẩu hàng trăm triệu USD, ngoài ra còn có thể trở thành nền tảng cho sự phát triển của ngành công nghiệp mỹ phẩm ở Việt Nam rất đáng chú ý [1]. Chuyên đề này sẽ tìm hiểu về một trong những tinh dầu đang có nhu cầu lớn hiện nay là tinh dầu citronellal và geraniola trong cây sả chanh về thành phần, công dụng từ đó làm rõ lý do tinh dầu này ngày càng được dung nhiều và một số sản phẩm trên thị trường. 2. TỔNG QUAN VỀ TÀI LIỆU 2.1 Phân loại khoa học Sả chanh tên khoa học Cymbopogon flexuosus. Stapf là loài thực vật thuộc chi sả. Chi Sả (danh pháp khoa học: Cymbopogon) là một chi chứa khoảng 55 loài trong họ Poaceae, có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới và ôn đới ẩm. Chúng là loại cây cỏ sống lâu năm và cao. Tên gọi thông thường là sả [2]. Hình 2.1 Sả chanh - Cymbopogon flexuous. Stapf 2.2 Đặc điểm thực vật, phân bố 2.2.1 Đặc điểm thực vật Sả là loại cây cỏ sống lâu năm, mọc thành bụi, cao từ 0,8-1,5m hay hơn. Thân rễ trắng hay hơi tím. Lá hẹp, dài giống như lá lúa, mép hơi nháp. Cụm hoa gồm hiều bong nhỏ không cuống. Toàn cây có mùi thơm đặc biệt mùi sả. Trồng làm thuốc, người ta ít phân biệt sả này với sả khác, nhưng khi trồng để cất tinh dầu người ta phân biệt sả ra hai nhóm có tinh dầu có giá trị khác hẳn nhau [3]: Nhóm sả cho tình dầu với thành phần chủ yếu là Citronellal và genariola (citronelle). Trong nhóm này có loài Cymbopogon vinterianus, Cymbopogon nardus (L.) Rendl. (Andropogon nardus L.) có hàm lương tinh dầu cao và chất lượng tốt nhất, sau đến cây sả Cymbopogon confertiflorus Stapf cho ít tinh dầu hơn, chất lượng cũng kém hơn [3]. Nhóm sả cho tinh dầu với thành phần chủ yếu là xitrala (Lemon grass- Vereine des Indes) làm tinh dầu có mùi chanh rất rõ. Đứng đầu nhóm sả này là Cymbopogon flexuosus Stapf. (Andropogon flexousus Nees), sau đến loài Cymbopogon citrates Stapf, (Andropogon Schoenanthus L.) [3] Ngoài hai nhón này còn có một số loài sả cho tinh dầu có thành phần khác hẳn mặc dầu về hình thái và giải phẫu rất khó phân biệt như loài sả Cymbopogon martini (Roxb.) Wats. Thì thứ motia cho tinh dầu gọi là essence Palma rosa hay Geranium des Indes chứa tới 75-95% geraniola, còn thứ sofia lại cho một thứ tinh dầu không chứa geraniola mà lại chỉ có ancol perilic [3]. 2.2.2 Phân bố Cây sả được trồng ở khắp nước ta, nhưng diện tích trồng làm thuốc không nhiều, chỉ có tính chất gia đình và làm người ta chỉ dung rễ hoặc toàn cây đào về dung tươi hay phơi trong râm mát [3]. Nhưng diện tích trồng sả để cất tinh dầu lại rất lớn: Từ trước Cách mạng tháng 8, ở miền Bắc nước ta diện tích trồng ở đồn điền Sơn Cốt (Bắc Cạn) hằng năm cho khoảng 10 tấn tinh dầu. Từ ngày hòa bình lập lại ở miền Bắc nước ta (1954) diện tích trồng sả để cất tinh dầu tăng dần tới hàng nghìn ham hằng năm cung cấp hàng trăm tấn tinh dầu dùng trong nước và xuất khẩu. Nhu cầu tinh dầu sả khoảng 3.000-4.000 tấn/năm. Những nước sản xuất nhiều tinh dầu sả nhất là: Inđônêxya (nổi tiếng sả Giava), Xrilanca nổi tiếng với tên sả Xrilanca, sau đến Ấn Độ, Trung Quốc [3]. 2.3 Thành phần hóa học Tùy theo loài sả, thành phần của tinh dầu thay đổi và có giá trị khác nhau. Tinh dầu sả cất từ cây sả Cymbopogon nardus (L.) Rendl. (sả Xrilanca) và cây Cymbopogon winterianus Jowitt (sả Giava) có từ 20 đến 40% geraniola và citronellola, 40 đến 60% xìtronellala. Loài thứ hai được trồng nhiều ở Giava, Đài Loan, Trung Mỹ (Guatemala), Ghinê, Mangat. Tinh dầu sả cất từ cầy sả chanh Cymbopogon flexuosus và C. citratus chứa từ 70 đến 80% xitral. Loại sả chanh này được trổng nhiều ở An Độ, Mangat, đảo Como, Trung Mỹ (Guatemala), châu Phí ( Côngô, Kenya). Tinh dầu sả cất từ loài Cymbopogon martiniì var. motìa chứa 75-95% geraniola còn var. sofia chứa ancol perilic [3]. Hình 2.3.1 Citronellal Hình 2.3.2 Geraniol (3,7-Dimethylocta-2,6-dien-1-ol) 2.4 Tính chất hóa lý của nhóm tinh dầu Trạng thái: Đa số là chất lỏng ở nhiệt độ thường, một số thành phần ở thể rắn: Menthol, borneol, camphor, vanilin, heliotropin. Màu sắc: Không màu hoặc vàng nhạt. Do hiện tượng oxy hóa màu có thể sẫm lại. Một số có màu đặc biệt: Các hợp chất azulen có màu xanh mực Mùi: Đặc biệt, đa số có mùi thơm dễ chịu, một só có mùi hắc, khó chịu (tinh dầu giun). Vị: cay, một số có vị ngọt: Tinh dầu quế, hồi. Bay hơi được ở nhiệt độ thường. Tỷ trọng: Đa số nhỏ hơn 1. Một số lớn hơn 1: Quế, đinh hương, hương nhau. Tỷ lệ thành phần chính (aldehyd cinnamic, eugenol) quyết định tỷ trọng tinh dầu. Nếu hàm lượng các thành phần chính thấp, những tinh dầu này có thể trở thành nhẹ hơn nước. Độ tan: Không tan, hay đúng hơn ít tan trong nước, tan trong alcol và các dung môi hữu cơ khác. Độ sôi: Phụ thuộc vào thành phần cấu tạo, có thể dùng phương pháp cất phân đoạn để tách riêng từng thành phần trong tinh dầu. Năng suất quay cực cao, tả tuyền hoặc hữu tuyền. Chỉ số khúc xạ: 1,4500 - 1,5600 Rất dễ oxy hoá, sự oxy hoá thường xảy ra cùng với sự trùng hiệp hoá, tinh dầu sẽ chuyển thành chất nhựa. Một số thành phần chính trong tinh dầu cho các phản ứng đặc hiệu của nhóm chức, tạo thành các sản phẩm kết tinh hay cho màu, dựa vào đặc tính này để định tính và định lượng các thành phần chính trong tinh dầu. 2.5 Công dụng Sả là loại gia vị vừa tạo mùi thơm, vừa kích thích tiêu hóa, chống nôn, sát trùng, khử hôi miệng, tiêu đờm, giảm đau, thông kinh lạc, chữa cảm cúm, trúng hàn, chữa cho trẻ em chứng động kinh. Có thể dùng pha nước uống cho mát, chóng tiêu hóa thức ăn, thông tiểu tiện, chữa cảm sốt (cảm cúm). Tinh dầu sả có khả năng hỗ trợ tiêu hóa. Chữa ăn chậm tiêu, đầy bụng, buồn nôn, nôn mửa hay kích thích trung tiện. Sả giải độc rượu rất nhanh. Citronellal có chống côn trùng và hiệu quả cao đối với muỗi [4] và chất kháng nấm mạnh mẽ [5]. Geraniol dùng làm hương liệu trong nước hoa . 2.6 Một số sản phẩm trên thị trường Hình 2.6.1 Tinh dầu sả chanh (xuất xứ Pháp) Thành phần chính: citronellal (65-85%), geraniol (40%) Công dụng: Tinh dầu sả chanh giúp giảm đau rất tốt, cỏ chanh còn trị nấm rất hiệu quả, tốt cho xương và dây chằng Giảm độ sưng tấy, tinh dầu sả chanh có tác dụng sát trùng, khử mùi, đuổi côn trùng, kích thích tiêu hoá, trị lạnh bụng, cảm lạnh, đau bụng do kích thích tuần hoàn máu. Hình 2.6.2 Tinh dầu sả Java Thành phần chính: citronellal (35%), geraniol Công dụng:Tinh dầu sả có tác dụng sát trùng, khử mùi, đuổi côn trùng, kích thích tiêu hóa, trị lạnh bụng, cảm lạnh, đau đầu, đau bụng do kích thích tuần hoàn máu. Có thể dùng tinh dầu sả như một thứ nguyên liệu thêm vào thực phẩm để tạo hương vị. 3. PHẦN THỰC NGHIỆM 3.1 Chiết xuất nhóm tinh dầu toàn phần 3.1.1 Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước. Quy trình sản 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. 3.1.2 Phương pháp chiết bằng chất lỏng quá tới hạn Những năm gần đây phương pháp chiết xuất bằng chất lỏng quá tới hạn (super-critical fluid extraction,SFC) cũng được áp dụng để chiết xuất trong định tính cũng như công nghiệp các hợp chất tự nhiên [6]. Nguyên tắc của phương pháp này như sau: trong điều kiện áp suất bình thường, khi nâng nhiệt độ một chất lỏng tới điểm sôi của nó, chất lỏng sẽ hóa hơi. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng nhiệt độ và đồng thời tăng áp suất của hệ lên quá một nhiệt độ và một áp suất nhất định nào đó, người ta sẽ thu được một “chất lỏng” đặc biệt gọi là chất lỏng quá tới hạn. Chất lỏng này không giống với trạng thái lỏng thông thường mà mang cả đặc tính của cả chất khí và chất lỏng [6]. Điểm (ứng với nhiệt độ và áp suất) mà một chất chuyển từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng này được gọi là điểm tới hạn (critical point) của chất đó. Điểm tới hạn của nước có nhiệt độ tới hạn (tc) và áp suất tới hạn (pc) tương ứng là 374,20C và 220,5 bar, với carbon dioxid tc = 31,10C và pc = 73,8 bar, với ethanol tc = 243,40C và pc = 72 bar [6]. Do mang cả đặc tính của chất khí và chất lỏng nên chất lỏng quá tới hạn có khả năng hòa tan các chất đồng thời có độ nhớt thấp và khả năng khuếch tán cao có thể dùng để hòa tan các chất và ứng dụng vào chiết xuất các chất trong dược liệu. Các đặc tính của chất lỏng quá tới hạn (khả năng hòa tan các chất, độ nhớt...) phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Thay đổi các điều kiện này sẽ làm thay đổi đặc tính (độ phân cực, khả năng hòa tan) của chất lỏng quá tới hạn. Trong thực tế, người ta thực hiện chiết trong điều kiện cao hơn điểm tới hạn một ít [6]. Chất lỏng thông dụng nhất hiện nay là CO2 lỏng quá tới hạn. CO2 có điểm tới hạn  thấp, rẻ tiền, không độc hại và thân thiện với môi trường, có thể thu hồi, không làm tăng hiệu ứng nhà kính. Khi chiết xuất hoạt chất từ dược liệu, CO2 lỏng quá tới hạn có lợi hơn các dung môi hữu cơ thông thường ở chỗ ít độc hại, nâng cao hiệu suất và không để lại dư lượng dung  môi trong cao chiết. Ngoài ra quá trình chiết xuất có thể tiến hành ở nhiệt độ thấp nên không làm biến đổi những thành phần kém bền với nhiệt độ [6]. Một trong những nhược điểm của SFE là tính phân cực của CO2 lỏng quá tới hạn. Ở các điều kiện chiết thông thường, CO2 lỏng quá tới hạn là một dung môi kém phân cực, do đó chỉ có thể dung để chiết các chất kém phân cực. Để cải thiện khả năng hòa tan các chất phân cực hơn, trong quá trình chiết xuất, người ta thêm vào CO2 lỏng quá tới hạn một lượng nhất định một dung môi phân cực (như methanol) để thay đổi tính phân cực của dung môi để chiết các chất phân cực hơn.Chiết chất lỏng quá tới hạn hiện nay được ứng dụng trong nhiều ngành ở quy mô công nghiệp (từ những năm 1978), trong nghiên cứu và phân tích kiểm nghiệm. Trong phạm vi nghiên cứu cây thuốc, tác giả đầu tiên ứng dụng nghiên cứu này là Stahl và cộng sự [Planta Med. , 1980, 40, 12]. Các nhóm hợp chất thích hợp nhất để chiết bằng chất lỏng quá tới hạn là tinh dầu, chất béo, carotenoid và các chất kém phân cực khác. Với tinh dầu, việc chiết bằng CO2 lỏng quá tới hạn cho hiệu suất chiết cao, thời gian chiết ngắn và không làm hư hỏng các chất nhạy cảm với nhiệt độ. Tinh dầu thu được có hương thơm gần với tự nhiên nhất. Người ta dùng carbon dioxyd và nitrogen oxyd hóa lỏng để chiết xuất nhiều loại hoạt chất trong cây như alcaloid ví dụ loại cafein trong hạt Cà phê, chiết những thành phần của hoa cây Dương cam cúc – Matricara chamomilla, hoa Cúc trừ sâu – Pyrethrum cinerariifolium... Bằng phương pháp chiết này hiệu suất pyrethrin được nâng lên đến 50% so với phương pháp chiết bằng ether dầu. Trong phòng thí nghiệm, SFE được dùng để chiết mẫu cho phân tích dư lượng thuốc trừ sâu, các chất hữu cơ độc hại trong môi trường...[6] 3.2 Phân lập các hợp chất Citronellal và Geraniola trong nhóm tinh dầu Phương pháp chưng cất phân đoạn Là một trong những phương pháp kinh điển dùng để tách các chất bay hơi ra khỏi một hỗn hợp dựa vào sự khác biệt nhiệt độ sôi của các chất trong hỗn hợp. Quá trình chưng cất có thể thực hiện ở áp suất khí quyển hay áp suất giảm. Phương pháp chưng cất phân đoạn được thực hiện với những bình cất có lắp cột phân đoạn và thường được nối với máy hút chân không để giảm nhiệt độ chưng cất, giảm ảnh hưởng tới các chất nhạy cảm với nhiệt độ. Nhiệt độ và áp suất được theo dõi trong quá trình chưng cất. Phương pháp này thường áp dụng để tách các chất thành phần của tinh dầu [7]. Chưng cất phân đoạn được dùng để có được một độ tinh khiết cao của phần cất hay để chưng cất nhiều chất khác nhau từ một hỗn hợp. Nếu nhiệt độ sôi gần nhau có thể chưng cất dưới áp suất thấp hơn để cải thiện bước tách vì như thế nhiệt độ sôi sẽ nằm xa nhau hơn. Nguyên tắc: dựa trên sự khác nhau về tính chất bay hơi trong một dung dịch sôi. Đây là một tiến trình phân tách vật lí, không phải là một phản ứng hóa học [7]. Những ảnh hưởng đến quá trình chưng cất: 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 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” [7]. 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 [7]. 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 [7]. Sự thủy giải: những cấu phần ester trong tinh dầu thường dễ bị thủy giải cho ra acid và alcol khi đun nóng trong một thời gian dài với nước. Do đó, để hạn chế hiện tượng này, sự chưng cất hơi nước phải được thực hiện trong một thời gian càng ngắn càng tốt [7]. 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 [7]. Tiến hành: Bước 1: Nguyên liệu là củ,lá sả tươi đạt độ chín kỹ  10 cm là lúc đầu lá (tính từ ngoài vào) đã khô từ 5cm thì thu hoạch, sau khi cắt xong củ,lá sã được phơi héo đến độ ẩm còn 50 % so với ban đầu. Ở độ ẩm này, củ và lá sã bảo quản được một số ngày ở nơi cất, hơn nữa,khi chưng cất củ, lá sả héo sẽ giảm được 35 % nhiên liệu và 27 % thời gian chưng cất. Trước khi đưa nguyên liệu vào nồi cất, cần chú ý loại các tạp chất như cỏ rác lẫn vào trong quá trình thu hái. Hình 3.2.1 Mô hình tháp chưng cất Bước 2: Trong phòng thí nghiệm, lắp mô hình như hình bên dưới: 1) Nguồn nhiệt 2) Bình thủy tinh 3) Cột ngưng tụ-bay hơi 4) Nhiệt kế 5) Sinh hàn 6) Nước làm lạnh đầu vào 7) Nước làm lạnh đầu ra 8) Bình chứa sản phẩm 9) Cổng hút chân không 10) Adapter (thiết bị kết nối) 11) Điều chỉnh nhiệt độ 12) Điều chỉnh tốc độ khuấy 13) Thiết bị khấy và gia nhiệt 14) Dầu gia nhiệt 15) Cánh khuấy (cá từ) 16) Dung dịch làm lạnh Bước 3: Cho dung dịch nhóm tinh dầu đã chiết vào bình thủy tinh Bước 4: Gia tăng nhiệt độ đến điểm sôi của tùng chất (Vd: nước ở 760mmHg là 100o C, citronellal là 201-207o C, geraniol là 230o C) thu sản phẩm tại bình chứa sản phẩm. Bước 5: Lặp lại phân đoạn đến khi thu được các chất cần thiết. Kết quả: Thu được citronellal và genariola với độ tinh khiết cao. 4. KẾT LUẬN Tinh dầu sả chanh có giá trị cao trong y học và kỹ nghệ sản xuất nước hoa, hương liệu, có mùi thơm đặc trưng. Công dụng quen thuộc như các loại tinh dầu nói chung: sát khuẩn (ngoài da, đặc biệt là đường hô hấp), kháng nấm. Các công dụng riêng: giảm đau, diệt côn trùng, xua đuổi muỗi, giải cảm, chống nôn, hỗ trợ tiêu hóa, giải độc rượu…  TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. d7847u-h432417ng-li7879u-b7887-quen-vang-xanh.htm 2. 3. GS.TS Đỗ Tất Lợi (2004), Những cây thuốc và vị thuốc Việt Nam, NXB Y học, tr.688-689. 4. Jeong-Kyu KIM, Chang-Soo KANG, Jong-Kwon LEE, Young-Ran KIM, Hye Yun HAN, Hwa Kyung YUN (2005). "Evaluation of Repellency Effect of Two Natural Aroma Mosquito Repellent Compounds, Citronella and Citronellal". Entomological Research 35 (2): 117–120 5.Kazuhiko NAKAHARA, Najeeb S. ALZOREKY1, Tadashi YOSHIHASHI, Huong T. T. NGUYEN and Gassinee TRAKOONTIVAKORN (2003). "Chemical Composition and Antifungal Activity of Essential Oil from Cymbopogon nardus (Citronella Grass)". JARQ 37  6. 7.