Khoa học công nghệ ngành Công Thương

Thứ bảy, 28/11/2020 | 14:34

Thứ bảy, 28/11/2020 | 14:34

Kết quả nhiệm vụ KHCN

Cập nhật lúc 09:01 ngày 19/11/2020

Quy trình chưng cất và đánh giá khả năng kháng khuẩn của tinh dầu từ lá hương thảo (Rosmarinus Officinalis L.)

TÓM TẮT:
Nghiên cứu khảo sát quá trình chưng cất tinh dầu từ lá cây hương thảo (Rosmarinus officinalis L.) được trồng tại vùng Lâm Đồng, Việt Nam. Lượng tinh dầu thu được nhiều nhất khi chưng cất trong 120 phút với lá hương thảo được phơi héo đến độ ẩm 62,2%, được xay nhuyễn và nạp liệu xốp tự nhiên - không nén. Hiệu suất chưng cất đạt 4,3%. Tinh dầu hương thảo có khả năng kháng tốt với các chủng khuẩn gram (+) như Enterococcus faecalis, Staphylococcus aureus và Staphylococcus aureus kháng methicillin.
Từ khoá: Rosmarinus officinalis L., tinh dầu, chưng cất lôi cuốn hơi nước.
1. Đặt vấn đề
Cây hương thảo thuộc họ Laminaceae, hoa và cành lá hương thảo mang một lượng tinh dầu đáng kể. Vì vậy, tinh dầu hương thảo đã được chưng cất và phân tích ở nhiều nước trên thế giới. Tinh dầu hương thảo có tên thương phẩm là rosemary oil. Chúng chứa chủ yếu là các hydrocarbon monoterpene [1]. Tinh dầu thu được bằng cách chưng cất lôi cuốn hơi nước cành cây và lá tươi chứa chủ yếu 1,8-cineol (46,4%), camphor (11,4%) và -pinene (11,0%) [2]. Tinh dầu hương thảo được sử dụng trị liệu cho các bệnh về hô hấp như cảm lạnh, viêm xoang, tắc nghẽn phổi và hen suyễn. Các quốc gia hàng đầu về sản xuất tinh dầu hương thảo là Morocco, Tây Ban Nha, Mỹ, và Tunisia [3]. Tuỳ thuộc vào điều kiện thổ nhưỡng và khí hậu mà hiệu suất thu tinh dầu và thành phần hóa học có trong tinh dầu chưng cất được sẽ khác nhau [4-9].
Hiện nay, cây hương thảo được trồng và phát triển tốt trên diện tích rộng ở Lâm Đồng và Bắc Ninh. Tuy nhiên, cây hương thảo ở Việt Nam chưa được nghiên cứu đầy đủ. Bài viết trình bày về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chưng cất tinh dầu hương thảo và đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của tinh dầu thu được.
2. Phương pháp nghiên cứu
2.1. Nguyên liệu
Cây hương thảo - hai năm tuổi - được trồng tại huyện Lâm Hà, tỉnh Lâm Đồng. Cành lá hương thảo được thu hái vào tháng 02/2019 (Hình 1). Mẫu thu hái được xác định loài, xử lý sơ bộ, mã hoá và lưu mẫu tại Khoa Sinh học - Công nghệ Sinh học, Đại học Khoa học Tự nhiên TP. Hồ Chí Minh.
Hình 1: Vùng trồng hương thảo - huyện Lâm Hà, tỉnh Lâm Đồng, 2019
Sau khi thu hái, cành lá hương thảo được để nơi thoáng mát và được tách bỏ phần cành. Phần lá hương thảo được nghiền nhỏ và được sử dụng cho quá trình chưng cất tinh dầu.
2.2. Chưng cất tinh dầu hương thảo
Hệ thống chưng cất tinh dầu hương thảo sử dụng trong nghiên cứu này được mô phỏng như hệ thống chưng cất tinh dầu ở quy mô công nghiệp (Hình 2). Một lượng nước thích hợp (1200 mL) được cho vào buồng tạo hơi ở đáy hệ thống, sau đó lưới đỡ nguyên liệu được đặt vào trong buồng chưng cất. Lá hương thảo được nghiền tới kích thước khảo sát, sau đó được cho vào phía trên lưới đỡ nguyên liệu. Giá đỡ, nắp đậy, sinh hàn và bộ tách tinh dầu được lắp đặt như Hình 2. Khi nước sôi, hơi nước bốc lên đi qua lớp nguyên liệu, khi đó hơi nước sẽ kéo theo tinh dầu trong nguyên liệu ra ngoài. Tinh dầu hương thảo nhẹ hơn nước, được giữ lại trong hệ thống tách tinh dầu. Kết thúc quá trình, tinh dầu được tách ra khỏi nước và được làm khan bằng Na2SO4.
Hình 2: Hệ thống chưng cất tinh dầu
Hiệu suất thu tinh dầu H (%) được tính theo công thức sau:
Trong đó: Vtinh dầu  là thể tích tinh dầu thu được (ml), mnguyên liệu liệu là khối lượng nguyên liệu (g), w là độ ẩm của nguyên liệu.
2.3. Phân tích thành phần hoá học
Thành phần hóa học của tinh dầu hương thảo được xác định bằng phương pháp sắc ký ghép khối phổ GC-MS, được thực hiện tại Viện Công nghệ Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học công nghệ Việt Nam. Mẫu được phân tích bằng máy SCION 456-GC/SCION SQ Select với cột Rxi-5ms (30 m×0.25 mm, 0.25μm). Lò cột được cài đặt nhiệt độ ban đầu 50oC, giữ yên trong 1 phút; tăng 30oC/phút lên 80oC; tăng 5oC/phút lên 230oC; cuối cùng tăng 25oC/phút lên 280oC và giữ đẳng nhiệt trong 3 phút. Khí mang là helium với tốc độ dòng 1 mL/phút, tỉ lệ chia dòng 1/30. Nhiệt độ injector được cài đặt ở 250oC. Khối phổ sử dụng năng lượng ion hoá 70eV, nhiệt độ nguồn ion hoá 250oC.
2.4. Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn
Tinh dầu hương thảo được đánh giá khả năng kháng khuẩn theo phương pháp khuếch tán đĩa thạch với các chủng vi khuẩn Enterococcus faecalis ATCC 29212, Staphylococcus aureus ATCC 29213, Escherichia coli ATCC 25922, Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, MRSA (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus) ATCC 43300, Salmonella enterica serovar Typhimurium ATCC 14028. Mỗi lỗ thạch được thử nghiệm với 50 μL dung dịch tinh dầu hương thảo 25% trong DMSO.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Khảo sát quy trình chưng cất tinh dầu hương thảo
Quá trình chưng cất tinh dầu hương thảo được tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như kích thước nguyên liệu, khối lượng nguyên liệu, độ nén và độ ẩm nguyên liệu của quá trình chưng cất. Mỗi điều kiện thí nghiệm được lặp lại chưng cất 3 lần.
3.1.1. Kích thước nguyên liệu
Trong khảo sát này, nguyên liệu được sử dụng ở 3 kích thước khác nhau (Hình 3). Quá trình chưng cất được thực hiện với 150g lá hương thảo có độ ẩm 70-73% và được nạp liệu xốp tự nhiên - không nén.
Hình 3: Kích thước nguyên liệu
Hình 3 cho thấy, kích thước nguyên liệu ảnh hưởng lớn đến tốc độ chưng cất tinh dầu lá hương thảo. Nguyên liệu có kích thước càng nhỏ thì tốc độ chưng cất càng lớn. Đối với loại nguyên liệu xay nhuyễn, sau 15 phút đầu tiên thì phần lớn tinh dầu đã được lôi cuốn theo hơi nước (2,83%). Quá trình xay làm phá vỡ các túi tinh dầu trong lá hương thảo, giúp tinh dầu được lôi cuốn theo hơi nước dễ dàng hơn. Tuy nhiên, khi chưng cất đủ lâu (120 phút) thì lượng tinh dầu thu được từ các nguyên liệu có kích thước khác nhau đều như nhau (3,1% - 3,2%).
Hình 4: Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu
3.1.2. Khối lượng nguyên liệu
Loạt thí nghiệm này được thực hiện với nguyên liệu lá hương thảo tươi, có độ ẩm 70-73%, đã được xay nhuyễn, nguyên liệu để xốp tự nhiên - không nén và được chưng cất trong 120 phút (Hình 5). Kết quả cho thấy, khối lượng nguyên liệu càng nhiều thì hiệu suất thu tinh dầu càng tốt. Ở khối lượng 150g lá hương thảo/mẻ (25% năng suất thiết bị) thì hiệu suất chỉ đạt 3,2%; ở khối lượng 650g lá hương thảo/mẻ (100% năng suất thiết bị) thì hiệu suất thu tinh dầu tăng đáng kể, đạt 4,2%. Khi chưng cất, tinh dầu hương thảo bị phân tán hoặc hòa tan một phần trong nước nóng, do đó với khối lượng nguyên liệu ít thì lượng tinh dầu bị hao hụt là đáng kể. Thêm vào đó, lá hương thảo có cấu trúc xốp giúp hơi thoát qua khỏi các lỗ xốp của khối nguyên liệu dễ dàng. Do vậy, việc sử dụng tối đa năng suất máy không những không làm cản trở quá trình chưng cất mà còn làm tăng đáng kể hiệu suất thu tinh dầu.
Hình 5: Ảnh hưởng của khối lượng nguyên liệu
3.1.3. Độ nén của khối nguyên liệu
Trong thực tế sản xuất tinh dầu, để hơi lên đều và tiếp xúc tốt với toàn bộ khối nguyên liệu, đồng thời để tăng lượng nguyên liệu có thể chưng cất trong một mẻ, người ta thường nén khối nguyên liệu khi nạp chúng vào nồi chưng cất. Loạt thí nghiệm này nhằm khảo sát quá trình nén lá hương thảo vào thiết bị như trong sản xuất tinh dầu ở quy mô công nghiệp. Mỗi mẻ thí nghiệm được thực hiện với 650g lá hương thảo đã xay nhuyễn, độ ẩm 70-73% và được chưng cất trong 120 phút. Nguyên liệu được nén ở 3 trạng thái: Không nén - để xốp tự nhiên (Hình 6a), Nén 100% khả năng (Hình 6c), và Nén 50% khả năng (Hình 6b).
Hình 6: Độ nén nguyên liệu trong quá trình chưng cất (a. Không nén; b. Nén 50%; c. Nén 100%)
Kết quả cho thấy, nguyên liệu không nén - để xốp tự nhiên sẽ cho hiệu suất tinh dầu cao nhất, nguyên liệu được nén càng chặt thì hiệu quả chưng cất càng giảm (Hình 7). Mặc dù không cần nén ép, nhưng nguyên liệu lá hương thảo đã được xay nhuyễn, được trải đều trong thiết bị giúp nước bốc hơi đều đặn qua toàn bộ khối nguyên liệu, do đó nguyên liệu không nén cho hiệu suất thu tinh dầu cao nhất (đạt 4.2%). Khi nguyên liệu bị nén quá chặt, khối nguyên liệu sẽ tạo trở lực lớn và cản trở sự thoát hơi nước từ buồng cấp hơi lên phía trên, do đó làm hạn chế quá trình chưng cất tinh dầu. Vì các lý do trên, đối với lá hương thảo đã được xay nhuyễn thì không nên nén khi nạp nguyên liệu vào thiết bị chưng cất.
Hình 7: Ảnh hưởng của độ nén nguyên liệu
3.1.4. Độ ẩm của nguyên liệu
Nguyên liệu sau khi được thu hái ngoài đồng ruộng, được chuyển về nhà máy và được lưu trữ một thời gian trước khi được chưng cất. Quá trình này làm cho nguyên liệu bị mất một phần hàm lượng ẩm do đó ảnh hưởng để lượng tinh dầu thu được. Vì vậy, thí nghiệm này nhằm khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu đến hiệu quả của quá trình chưng cất.
Hình 8: Ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu
Kết quả cho thấy, lá hương thảo sau khi được phơi héo (độ ẩm 62,2%) cho hiệu suất thu tinh dầu cao nhất (đạt 4,3%); lá hương thảo tươi và phơi héo cho lượng tinh dầu gần bằng nhau; lá khô (độ ẩm 23,2% và 14,8%) cho lượng tinh dầu rất thấp (3,2%). Lá hương thảo sau khi được phơi héo thì các tế bào dễ bị phá hủy hơn khi tiếp xúc với hơi nước, do đó tạo thuận lợi cho việc lôi cuốn tinh dầu theo hơi nước. Tuy nhiên, khi phơi lá hương thảo quá khô, một lượng lớn tinh dầu bay hơi vào không khí, làm giảm hiệu suất chưng cất tinh dầu.
Từ các khảo sát trên, lá hương thảo (650g) sau khi được phơi héo, được nghiền nhuyễn, để xốp tự nhiên và được chưng cất trong 120 phút sẽ cho hiệu suất thu tinh dầu tốt nhất (4,3%). Tinh dầu trong suốt, có màu vàng nhạt, có mùi thơm đặc trưng của lá hương thảo và có tỉ trọng 0,846%. Kết quả nghiên cứu này cũng cho thấy, cây hương thảo trồng ở Lâm Đồng (Việt Nam) có hàm lượng tinh dầu cao hơn hẳn so với cây hương thảo được trồng ở nhiều vùng trên thế giới (hàm lượng tinh dầu 1,2 - 2,6%) [1, 4, 6].
3.2. Thành phần của tinh dầu hương thảo
Tinh dầu hương thảo chưng cất được có chứa 32 hoạt chất (Bảng 1). Trong đó, thành phần chính của tinh dầu hương thảo là 1R-a-pinene (23.57%), eucalyptol (14,76%), (-)-verbenone (13,50%), bomyl acetate (4,81%), geraniol (4,47%), caryophyllene (4,307%), camphol (4,13%) và (+)-2-bornaone (4,01%). Tuy nhiên, thành phần hoá học của tinh dầu hương thảo trồng tại Lâm Đồng (Việt Nam) lại khá khác biệt với tinh dầu hương thảo được trồng ở các nơi trên thế giới [4, 6]. Sự khác biệt này có thể do giống loài, điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng và phương thức thu hái cây hương thảo quyết định.
Bảng 1. Thành phần của tinh dầu hương thảo
3.3. Hoạt tính kháng khuẩn
Tinh dầu hương thảo có khả năng kháng khuẩn tốt, đặc biệt kháng tốt đối với các chủng khuẩn gram (+) như: E. faecalis, S. aureus và S. aureus kháng methicillin (Bảng 2). Với hoạt tính kháng khuẩn cao, tinh dầu hương thảo có thể tiếp tục được nghiên cứu sâu hơn trong việc điều trị các bệnh ngoài da hoặc đường ruột.
Bảng 2. Khả năng kháng khuẩn của tinh dầu hương thảo
4. Kết luận
Cây hương thảo được trồng tại Lâm Đồng cho hiệu suất thu tinh dầu đạt 4,3%, được chiết suất theo phương pháp lôi cuốn theo hơi nước trong 120 phút với nguyên liệu được phơi héo (độ ẩm 62,2%), xay nhuyễn và được nạp liệu ở trạng thái xốp tự nhiên - không nén.
Với hàm lượng tinh dầu cao vượt trội, nghiên cứu này cho thấy cây hương thảo trồng tại Việt Nam có nhiều tiềm năng trong việc trồng trọt và khai thác tinh dầu.
Lời cám ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khuôn khổ đề tài mã số To-KTHH-2019-13.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1. C. Boutekedjiret, F. Bentahar, R. Belabbes, J. M. Bessiere. (2003). Extraction of rosemary essential oil by steam distillation and hydrodistillation. Flavour and Fragrance Journal, 18(6), 481-484.
2. G. Nieto, G. Ros, J. Castillo. (2018). Antioxidant and antimicrobial properties of rosemary (Rosmarinus officinalis L.): A Review. Medicines, 5(3), 98-111.
3. D. T. Banjaw B, T.G. Wolde, A. Gebre, B. Mengesha. (2016). Rosemary (Rosmarinus officinalis L.) variety verification trial at Wondogenet, South Ethiopia. Medicinal & Aromatic Plants, 5(5), 267-268.
4. R. Jamshidi, Z. Afzali, D. Afzali. (2009). Chemical composition of hydrodistillation essential oil of rosemary in different origins in Iran and comparison with other countries. American-Eurasian Journal of Agricultural & Environmental Sciences, 5(1), 78-81.
5. G. Pintore, M. Usai, P. Bradesi, C. Juliano, G. Boatto, F. Tomi, M. Chessa, R. Cerri, J. Casanova. (2002). Chemical composition and antimicrobial activity of Rosmarinus officinalis L. oils from Sardinia and Corsica. Flavour and Fragrance Journal, 17(1), 15-19.
6. A. Angioni, A. Barra, E. Cereti, D. Barile, J. D. Cọsson, M. Arlorio, S. Dessi, V. Coroneo, P. Cabras. (2004). Chemical composition, plant genetic differences, antimicrobial and antifungal activity investigation of the essential oil of Rosmarinus officinalis L. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 52(11),3530-3535.
7. B. Bozin, N. Mimica-Dukic, I. Samojlik, E. Jovin. (2007). Antimicrobial and antioxidant properties of rosemary and sage (Rosmarinus officinalis L. and Salvia officinalis L., Lamiaceae) essential oils. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 55(19), 7879-7885.
8. A. I. Hussain, F. Anwar, S. A. S. Chatha, A. Jabbar, S. Mahboob, P. S. Nigam. (2010). Rosmarinus officinalis essential oil: Antiproliferative, antioxidant and antibacterial activities. Brazilian Journal of Microbiology, 41(4), 1070-1078.
9. A. Szumny, A. Figiel, A. Gutiérrez-Ortíz, Á. A. Carbonell-Barrachina. (2010). Composition of rosemary essential oil (Rosmarinus officinalis) as affected by drying method. Journal of Food Engineering, 97(2), 253-260.
THE EXTRACTION PROCESS AND THE
ANTIBACTERIAL ACITIVITY OF ESSENTIAL OIL
FROM ROSMARINUS OFFICINALIS L. LEAVES
•TONG THANH DANH 
• LY MINH THUY
• TRIEU TUAN ANH
• TRIEU THI LOAN
• LE XUAN TIEN
Faculty of Chemical Engineering
Ho Chi Minh University of Technology
ABSTRACT:
This study is to investigate the extraction of essential oil from Rosmarinus officinalis L. which is cultivated in Lam Dong Province, Vietnam. This study finds out the optimal conditions for the extraction are the steam distillation timing of 120 minutes and dried (62,2% moisture content), ground and non- compressed leaves. The yield of rosemary essential oil is 4.3% (v/w, volume/dry-weight). The rosemary essential oil has good antimicrobial effects on Enterococcus faecalis, Staphylococcus aureus, methicillin-resistant Staphylococcus aureus.
Keywords: Rosmarinus officinalis L., essential oil, steam distillation.
TỐNG THANH DANH - LÝ MINH THÙY - TRIỆU TUẤN ANH - TRIỆU THỊ LOAN - LÊ XUÂN TIẾN
Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 24, tháng 9 năm 2020]
lên đầu trang