Luận văn thạc sĩ: Điều chế tcinnamyl alcohol từ tinh dầu quế trong kỹ thuật hóa học

Khám phá luận văn thạc sĩ về kỹ thuật hóa học, điều chế tcinnamyl alcohol từ tinh dầu quế, ứng dụng và tiềm năng trong ngành công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Tấn Tài
• Người hướng dẫn: TS. Lê Xuân Tiến
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Điều chế t-cinnamyl alcohol từ tinh dầu quế
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều chế t cinnamyl alcohol từ tinh dầu quế

Nghiên cứu điều chế t-cinnamyl alcohol từ tinh dầu quế là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật hóa học. Tinh dầu quế, với thành phần chính là t-cinnamaldehyde, có thể được sử dụng làm nguyên liệu để tổng hợp t-cinnamyl alcohol. Việc này không chỉ giúp tăng giá trị kinh tế của tinh dầu quế mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp hương liệu và dược phẩm.

1.1. Tính chất và ứng dụng của tinh dầu quế trong nghiên cứu

Tinh dầu quế chứa nhiều hợp chất hữu ích, trong đó t-cinnamaldehyde chiếm tỷ lệ cao. Hợp chất này có khả năng kháng khuẩn và kháng nấm, được ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm và dược phẩm. Nghiên cứu cho thấy tinh dầu quế có thể thay thế nguyên liệu truyền thống trong sản xuất t-cinnamyl alcohol.

1.2. Tình hình nghiên cứu t cinnamyl alcohol trên thế giới

Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng t-cinnamyl alcohol có thể được tổng hợp từ t-cinnamaldehyde thông qua các phương pháp hóa học khác nhau. Việc sử dụng tinh dầu quế làm nguyên liệu là một xu hướng mới, giúp giảm chi phí sản xuất và tăng hiệu suất tổng hợp.

II. Thách thức trong việc điều chế t cinnamyl alcohol từ tinh dầu quế

Mặc dù việc điều chế t-cinnamyl alcohol từ tinh dầu quế mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức. Các yếu tố như điều kiện phản ứng, tỷ lệ mol và thời gian phản ứng cần được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất. Việc thay thế hóa chất tinh khiết bằng hóa chất công nghiệp cũng đặt ra nhiều vấn đề về chất lượng sản phẩm.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp

Hiệu suất tổng hợp t-cinnamyl alcohol phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời gian phản ứng, tốc độ khuấy và tỷ lệ mol giữa t-cinnamaldehyde và tác nhân khử. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể giúp nâng cao hiệu suất tổng hợp lên trên 96%.

2.2. Vấn đề về chất lượng sản phẩm

Việc sử dụng tinh dầu quế thay thế cho t-cinnamaldehyde có thể ảnh hưởng đến độ tinh khiết của t-cinnamyl alcohol. Cần có các phương pháp tái kết tinh hiệu quả để cải thiện độ tinh khiết của sản phẩm cuối cùng, đảm bảo đáp ứng yêu cầu của thị trường.

III. Phương pháp điều chế t cinnamyl alcohol từ tinh dầu quế

Phương pháp điều chế t-cinnamyl alcohol từ tinh dầu quế thường sử dụng tác nhân khử như NaBH4. Nghiên cứu đã áp dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) để tối ưu hóa các điều kiện phản ứng. Kết quả cho thấy rằng thời gian phản ứng 35 phút và tốc độ khuấy 200 rpm là điều kiện tối ưu để đạt được hiệu suất cao.

3.1. Quy trình tổng hợp t cinnamyl alcohol

Quy trình tổng hợp t-cinnamyl alcohol bắt đầu bằng việc cho tinh dầu quế vào hệ thống phản ứng cùng với NaBH4. Sau đó, các điều kiện như thời gian và tốc độ khuấy được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất. Kết quả cho thấy hiệu suất tổng hợp đạt trên 96%.

3.2. Phân tích và đánh giá sản phẩm

Sau khi tổng hợp, sản phẩm t-cinnamyl alcohol được phân tích bằng các phương pháp sắc ký như GC-FID và GC-MS. Kết quả cho thấy độ tinh khiết của sản phẩm đạt 94,17 ± 0,03% khi sử dụng tinh dầu quế.

IV. Ứng dụng thực tiễn của t cinnamyl alcohol trong ngành công nghiệp

Sản phẩm t-cinnamyl alcohol có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp hương liệu và dược phẩm. Với mùi thơm đặc trưng, nó được sử dụng để tạo hương cho các sản phẩm như nước hoa, mỹ phẩm và thực phẩm. Ngoài ra, t-cinnamyl alcohol còn là chất trung gian trong tổng hợp các hợp chất hữu cơ khác.

4.1. Ứng dụng trong ngành hương liệu

Trong ngành hương liệu, t-cinnamyl alcohol được sử dụng để tạo hương cho nhiều sản phẩm. Mùi thơm đặc trưng của nó giúp tăng giá trị cho các sản phẩm như nước hoa và mỹ phẩm, làm cho chúng trở nên hấp dẫn hơn với người tiêu dùng.

4.2. Ứng dụng trong ngành dược phẩm

Ngoài ứng dụng trong hương liệu, t-cinnamyl alcohol còn được sử dụng trong ngành dược phẩm như một chất trung gian trong tổng hợp các hợp chất hữu cơ. Nó có thể được sử dụng để tổng hợp các loại kháng sinh và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu t cinnamyl alcohol từ tinh dầu quế

Nghiên cứu điều chế t-cinnamyl alcohol từ tinh dầu quế đã chỉ ra rằng việc sử dụng nguyên liệu này không chỉ khả thi mà còn mang lại hiệu suất cao. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ tinh khiết của sản phẩm và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong ngành công nghiệp hóa chất.

5.1. Triển vọng phát triển quy trình sản xuất

Với những kết quả đạt được, nghiên cứu có thể được mở rộng để phát triển quy trình sản xuất t-cinnamyl alcohol quy mô lớn. Việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng sẽ giúp giảm chi phí và tăng hiệu suất sản xuất.

5.2. Nghiên cứu thêm về ứng dụng của t cinnamyl alcohol

Cần có thêm nhiều nghiên cứu về ứng dụng của t-cinnamyl alcohol trong các lĩnh vực khác nhau. Việc khám phá các ứng dụng mới sẽ giúp tăng giá trị kinh tế của sản phẩm và mở rộng thị trường tiêu thụ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về tinh dầu quế 1. Đặc tính thực vật Quế Trung Quốc (Cinnamomum cassia Blume) còn gọi là quế nhục, quế đơn, quế bì thường được trồng chủ yếu ở miền Nam Trung Quốc, các khu vực miền núi phía Tây Bắc Việt Nam [1]. Vùng sản xuất quế đạt 16000 ha tập trung ở các tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, Quảng Ninh, Yên Bái [2].

Cây có kích thước trung bình thường cao 12 – 17 m, lá mọc so le, dài và cứng, phiến lá dài 12 – 15 cm, rộng 2,5 – 6 cm, mặt trên bóng và nhẵn, mặt dưới lúc dầu có lông, có 3 gân: hai gân phụ nổi rất rõ ở mặt dưới, cuống to, mặt trên có rãnh và dài 1,5 – 2 cm [1]. Cụm hoa dạng chùy, mọc ở kẽ lá gần đầu cành, dài 7 – 15 cm. Hoa nhỏ có lông mịn, màu trắng hoặc vàng nhạt. Bao hoa gồm 6 thùy gần bằng nhau, màu trắng, mặt ngoài có lông mịn.

Quả hạch hình trái xoan hay hình trứng, dài 1 – 1,5 cm, được bao bọc bởi đài, khi chín có màu đen hoặc tía đậm. Hạt hình trứng, dài 1 cm, màu nâu đậm và có những sọc nhạt. Tinh dầu quế chủ yếu được chưng cất lôi cuốn hơi nước từ lá và cành quế bởi các hộ sản xuất ở các tỉnh Yên Bái và Lào Cai [3]. Vỏ cây và tinh dầu quế được sử dụng rộng rãi làm gia vị và nguyên liệu thơm trong ngành thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm.

Trong y học ở nước ta và Trung Quốc, quế có vị cay, ngọt, tính đại nhiệt, có tác dụng bổ mệnh môn tướng hỏa, trị cố lãnh trầm hàn. Quế được coi là một vị thuốc bổ, có nhiều công dụng như chữa ho hen, bồi bổ phụ nữ sau sinh, quế được dùng làm thuốc cấp cứu bệnh do hàn, hôn mê, mạch chậm nhỏ, đau bụng, chữa chứng tiêu hóa kém, tả lỵ, tiểu tiện khó khăn, đau lưng, mỏi gối, chân tay co quắp, ho hen, bế kinh, ung thư, rắn cắn, … [1]. Lá và thân quế 1 1. Tính chất vật lý của tinh dầu quế Tinh dầu quế là chất lỏng màu vàng nhạt đến màu đỏ nâu, có mùi đặc trưng của quế, nặng hơn nước, có tỷ trọng từ 1,045 – 1,070 ở 20 oC, khúc xạ từ 1,6000 – 1,6140 ở 20 C, hàm lượng t-cinnamaldehyde > 70%.

Tinh dầu quế tan tốt trong dung môi hữu cơ o như cồn, hoặc chlorofom và không tan trong nước. Thành phần hóa học của tinh dầu quế Tinh dầu quế là hỗn hợp số lượng lớn các hợp chất hóa học dễ bay hơi. Theo TCVN 6029:2008, tinh dầu quế có 14 thành phần chính, trong đó thành phần chủ yếu là trans- cinnamaldehyde (70 – 88%), eugenol (0 – 0,5%), coumarin (1,5 – 4%), 2- metoxycinnamaldehyde (3 – 15%), 2-metoxycinamyl acetate (0 – 2%), benzaldehyde (0,5 – 2%), acetophenol (0 – 0,1%), salicylaldehyde (0,2 – 1%); phenethyl alcohol (0 – 0,5%), cinamyl acetate (0 – 6%), trans-cinamyl alcohol (0 – 1%), styrene (0 – 0,15%), phenylacetaldehyde (0 – 0,7%), cis-cinnamaldehyde (0 – 0,7%) [4]. Năm 2013, Nguyễn Thị Huỳnh Như đã phân tích được 17 hợp chất trong tinh dầu vỏ quế, hợp chất chính là trans-cinnamaldehyde (77,9%), benzaldehyde (0,4%); linalool (0,1%); benzenepropanal (0,5%); isosativene (0,5%); α-cubebene (5%); germacrene D (0,2%); isoledene (0,2%); α-amorphene (1,8%); δ-cadinene (2,3%); cinnamyl acetate (0,4%); ionene (0,6%); α-calacorene (0,1%); coumarin (3,4%); 2-methoxy- cinnamaldehyde (3,8%); α-cadinol (0,9%); δ-cadinol (0,6%) [5].

Tinh dầu từ vỏ quế có 10 hợp chất được xác định chiếm 100% tổng lượng tinh dầu. Thành phần chính của tinh dầu là trans-cinnamaldehyde (77,34%) và cis-9- octadecenamide (7,88%). Các cấu tử khác nhỏ hơn là cinnamyl acetate (3,71%), 4- methoxy-cinnamaldehyde (3,50%), 2-methoxy-cinnamaldehyde (2,54%), bicyclo- elemene (1,57%), hexadecanamide (1,33%), tetradecanamide (0,94%), 1,2- benzenedicarboxylic acid (0,68%) và trans-cinnamyl alcohol (0,51%). Tinh dầu từ lá quế với 20 hợp chất được xác định chiếm 96,96% tổng hàm lượng tinh dầu trans- cinnamaldehyde (53,45%) và cis-9-octadecenamide (19,47%) [5].

Năm 2016, kết quả nghiên cứu của Bích và cộng sự, hàm lượng tinh dầu cành lá quế, vỏ quế thu được bằng chưng cất hơi nước tương ứng là 0,69 ± 0,02% và 2,87 ± 0,04% tinh dầu. Qua phân tích GC – MS, thành phần tinh dầu quế được thu từ phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước đã được phân tích [6]. Kết quả được thể hiện ở Bảng 1. Thành phần tinh dầu quế [6] STT Hợp chất % Hàm lượng 1 Benzaldehyde 0,69 2 Salicylaldehyde 0,10 3 Unknown 0,64 4 Benzenepropanal 0,78 5 Benzofuran 2,44 6 cis-Cinnamaldehyde 1,23 7 Phenylethyl acetate - 8 trans-Cinnamaldehyde 85,6 9 Unknown 0,16 10 Cinnamyl alcohol 0,29 11 α-Copaene 0,66 12 Caryophylene 0,26 13 Cinnamyl acetate 1,34 14 Coumarin 1,78 15 Caryophyllene 0,26 16 γ-Muurolene 0,47 17 Viridiflorene 0,16 18 α-Muurolene 0,20 19 β-Bisabolene 0,11 20 γ-Cadinene 0,3 21 δ-Cadinene 0,63 22 cis-Calamenene 0,21 3 23 4-Methoxycinnamaldehyde 0,23 24 γ-Bisabolene - 25 Nerolidol 0,37 26 Caryophyllene oxide 0,14 27 Bisabolol 0,13 Total 99,81 Hàm lượng tinh dầu trong cây quế là rất khác nhau tùy thuộc vào bộ phận thu hái và độ tuổi của cây và phương pháp chưng cất.

t-Cinnamaldehyde là hợp chất chính có trong tinh dầu vỏ và lá quế. Nhưng giá thành tinh dầu được sản xuất từ lá quế có giá thành thấp hơn nhiều so vơi tinh dầu vỏ quế. Điều này được đặt ra nhu cầu nghiên cứu nhằm khai thác các tiềm năng từ tinh dầu lá quế. Hoạt tính sinh học Tinh dầu quế đã được sử dụng trong các phương thuốc qua nhiều thế kỷ và tác dụng tốt đối với việc điều trị kháng khuẩn, kháng nấm, diệt côn trùng, chống oxy hóa [6].

Các nghiên cứu về hoạt tính sinh học trong nước Theo Vũ Thu Trang (2015), 10 µl tinh dầu quế có khả năng kháng khuẩn Staphylococcus aureus (có mật độ khuẩn lạc là 108 CFU/mL) với đường kính kháng khuẩn (48 ± 2 mm) [7]. Một nghiên cứu khác của Linh (2017) cho thấy tinh dầu quế có hiệu quả kháng nấm tốt với nồng độ ức chế tối thiểu là 5 μl/mL ở nấm mốc (Aspergillus niger) và nấm men (Saccharomyces cerevisiae). Hiệu quả kháng nấm của tinh dầu quế tốt hơn hẳn so với tinh dầu sả chanh, tinh dầu húng quế, tinh dầu bạc hà [8]. Nghiên cứu của Bích (2017), tinh dầu quế không có hoạt tính kháng P.

oxysporum mà có hoạt tính kháng S. aureus với MIC = 100 μg/mL, A. niger với MIC = 200 μg/mL trong khi E. albicans là MIC = 400 μg/mL.

Trong số các vi sinh vật kiểm định, tinh dầu quế có hoạt tính kháng khuẩn cao nhất đối với S. aureus với MIC 100 µg/mL. Tinh dầu quế có hoạt tính gây độc tế bào với nồng độ thử nghiệm ban đầu (40 μg/mL). Ở các nồng độ thử nghiệm tiếp theo, tinh dầu quế biểu hiện hoạt tính gây độc tế bào với 2 dòng tế bào ung thư gan và ung thư biểu mô 4 liên kết (Hep-G2 và RD) với giá trị IC50 lần lượt là 29,25 và 6,01 μg/mL, trong khi tinh dầu quế được chưng cất có tác động mạnh lên enzyme biểu hiện hoạt tính gây độc tế bào đối với 3 dòng tế bào ung thư (Hep-G2, LU-1 và RD) với giá trị IC50 lần lượt là 12,89; 25,95 và 2,34 μg/mL.

Đặc biệt, tinh dầu quế sau khi được chưng cất phân đoạn có có hoạt tính khá mạnh trên dòng ung thư biểu mô phổi với giá trị IC50 = 2,34 μg/mL. Tinh dầu quế có biểu hiện hoạt tính ức chế đại thực bào sản sinh NO ở các khoảng nồng độ từ 6,25 đến 100 μg/mL (P < 0,05 với LPS đối chứng âm). Tinh dầu quế chưa thể hiện khả năng trung hòa gốc tự do của DPPH ở nồng độ nghiên cứu [6]. Các nghiên cứu về hoạt tính sinh học ngoài nước Theo nghiên cứu của Seenivasan Prabuseenivasan và cộng sự (2006), tinh dầu quế có hiệu quả kháng khuẩn các chủng vi khuẩn Gram (+) và Gram (-) bao gồm P.

Trong đó, tinh dầu quế cho thấy tác dụng ức chế đáng kể đối với P. Một nghiên cứu của Chou và cộng sự (2013), trong các tế bào khối u ác tính B16 ở chuột được kích thích bằng hormone kích thích tế bào hắc tố (α-MSH), tinh dầu quế và t- cinnamaldehyde không chỉ làm giảm hàm lượng melanin và hoạt động tyrosinase của tế bào mà còn biểu hiện tyrosinase được điều chỉnh xuống mà không gây độc tế bào. Hơn nữa, tinh dầu quế và t-cinnamaldehyde làm giảm nồng độ chất phản ứng với acid thiobarbituric (TBARS) và đã khôi phục hoạt động glutathione (GSH) và catalase trong các tế bào B16 được kích thích bằng α-MSH. Kết quả chứng minh rằng tinh dầu quế và thành phần chính t-cinnamaldehyde có tác dụng mạnh các hoạt động chống tyrosinase và chống melanogen được kết hợp với các đặc tính chống oxy hóa.

Do đó, tinh dầu quế được sử dụng như là một chất chống oxy hóa có tiềm năng [10]. Các ứng dụng chữa bệnh của quế là khá rộng lớn và tiềm năng mang lại nhiều lợi ích hơn. Hoạt tính sinh học của tinh dầu quế cần được nghiên cứu nhiều hơn trong các thử nghiệm lâm sàng trên quy mô lớn sẽ mang lại kết quả tốt hơn cái nhìn sâu sắc. Quy trình sản xuất tinh dầu quế Hiện nay có rất nhiều phương pháp chiết xuất tinh dầu quế như chiết xuất bằng dung môi, chiết xuất bằng CO2 siêu tới hạn, chưng cất lôi cuốn hơi nước… [11].

Phương pháp 5 chiết xuất bằng dung môi có ưu điểm vì tiến hành ở nhiệt độ phòng, nên thành phần hóa học của tinh dầu ít bị thay đổi. Phương pháp này sử dụng một lượng lớn dung môi hữu cơ dễ cháy nổ nên là mối đe dọa lớn đến an toàn sản xuất. Tinh dầu quế thu được thường lẫn dung môi làm cho sản phẩm mất đi tính tự nhiên. Phương pháp dựa trên hiện tượng thẩm thấu, khuếch tán và hòa tan của tinh dầu có trong các mô cây đối với các dung môi hữu cơ.

Trong phòng thí nghiệm, khi muốn tiến hành phương pháp chiết suất bằng dung môi có thể sử dụng phương pháp khuấy từ ở nhiệt độ phòng hoặc đun – khuấy từ (kèm ống hoàn lưu) hoặc phương pháp chiết soxhlet [12]. Hệ thống chiết soxhlet Phương pháp chiết xuất bằng CO2 siêu tới hạn có nhiều ưu điểm và là phương pháp để tách các sản phẩm tự nhiên vì CO2 khi ở áp suất thường sẽ bốc hơi nhanh chóng và để lại tinh dầu tinh chất. Phương pháp này chưa phổ biến vì giá thành cao và lượng nguyên liệu sử dụng còn hạn chế do thực hiện trong hệ thống nhỏ nên không thể tiến hành trong sản xuất quy mô công nghiệp, dẫn đến giá thành sản xuất cao [12]. Chưng cất lôi cuốn tinh dầu bằng hơi nước được dựa vào nguyên lý quá trình chưng cất một hỗn hợp không tan lẫn vào nhau là nước và tinh dầu.

Khi hỗn hợp này được gia nhiệt, hai chất đều bay hơi.