Chưng cất tinh dầu bằng nước có hỗ trợ siêu âm

Phương pháp chiết xuất tinh dầu thông thường tốn kém và mất nhiều thời gian. Xử lý siêu âm tăng cường quá trình chiết xuất, mang lại hiệu suất thu hồi cao hơn và chất lượng dịch chiết vượt trội. Các thiết bị siêu âm Hielscher có thể dễ dàng tích hợp vào bất kỳ hệ thống chưng cất bằng nước thông thường nào để cải thiện hiệu quả và chất lượng.

Chưng cất tinh dầu từ thực vật bằng nước

Chưng cất bằng nước là một biến thể của phương pháp chưng cất bằng hơi nước, được sử dụng để chiết xuất các hợp chất hóa thực vật từ nguyên liệu thực vật. Trong quá trình này, nguyên liệu thực vật được ngâm trong nước trong một khoảng thời gian xác định, sau đó hỗn hợp được gia nhiệt. Các hợp chất dễ bay hơi được hơi nước cuốn theo, rồi được ngưng tụ và phân tách. Chưng cất bằng hơi nước, kỹ thuật gốc của phương pháp này, thường được sử dụng để phân lập tinh dầu – ví dụ, trong sản xuất nước hoa.
Vì nhiều hợp chất hữu cơ có xu hướng phân hủy khi nhiệt độ cao được duy trì trong thời gian dài, ngành công nghiệp ngày càng áp dụng các phương pháp xử lý thay thế trong điều kiện ôn hòa để đạt kết quả tốt hơn (chất lượng vượt trội và hiệu suất thu hồi cao hơn). Chưng cất bằng nước có hỗ trợ siêu âm là một kỹ thuật như vậy – một phương pháp chiết xuất trong điều kiện ôn hòa nhưng có hiệu quả rất cao, được sử dụng để sản xuất tinh dầu chất lượng cao.

Những thách thức trong sản xuất tinh dầu theo phương pháp thông thường

Vấn đề của các kỹ thuật chiết xuất truyền thống như chưng cất bằng hơi nước nằm ở lượng nguyên liệu thực vật rất lớn cần thiết để chiết xuất tinh dầu ở quy mô thương mại. Để thu được 1kg (2 1/4 lb) tinh dầu oải hương cần khoảng 200kg (440lb) hoa oải hương tươi, để thu được 1kg tinh dầu hoa hồng cần từ 2,5 đến 5 tấn cánh hoa hồng và để thu được 1kg tinh dầu chanh cần nguyên liệu là khoảng 3.000 quả chanh. Vì vậy, tinh dầu có giá rất cao. Đối với tinh chất hoa hồng tuyệt đối, giá vào khoảng 20.000€ (21,000US$) mỗi lít.
Để đạt lợi thế về khả năng sinh lời và năng lực cạnh tranh, các nhà sản xuất tinh dầu phải triển khai các phương pháp chiết xuất có hiệu quả và hiệu suất cao hơn. Kỹ thuật chiết xuất bằng siêu âm có nhiều ưu điểm, vượt trội so với các phương pháp chiết xuất truyền thống nhờ điều kiện chiết xuất ôn hòa, hiệu suất thu hồi cao và chất lượng dịch chiết vượt trội. Xử lý siêu âm có thể được thực hiện để chiết xuất có sử dụng dung môi hoặc không sử dụng dung môi. Ngoài ra, chiết xuất bằng siêu âm dạng đầu dò có thể kết hợp với các hệ thống chiết xuất thông dụng, ví dụ: chiết xuất Soxhlet, chiết xuất Clevenger, CO2 siêu tới hạn, chưng cất bằng nước có gia nhiệt điện trở, v.v. (Sono-Soxhlet, Sono-Clevenger, Sono-scCO2, chưng cất bằng nước có gia nhiệt điện trở và hỗ trợ siêu âm).

Sono-Clevenger với đầu dò siêu âm UP200S: Hệ thống chưng cất bằng nước được tăng cường bằng siêu âm để phân lập tinh dầu với hiệu quả rất cao.
(©Rasouli et al. 2021)

Ưu điểm của việc kết hợp chiết xuất bằng siêu âm và chưng cất bằng nước

Chiết xuất và chưng cất bằng nước có hỗ trợ siêu âm hiện là một kỹ thuật đã được ứng dụng rộng rãi để sản xuất tinh dầu chất lượng cao. Là kỹ thuật chiết xuất phi nhiệt, xử lý siêu âm tránh được sự phân hủy do nhiệt của các hợp chất nhạy nhiệt. Đồng thời, hiệu quả chiết xuất và hiệu suất thu hồi tinh dầu được tăng lên đáng kể. Những lợi ích của việc sản xuất tinh dầu bằng siêu âm được trình bày dưới đây:

1. Hiệu quả chiết xuất cao: Chiết xuất bằng thiết bị siêu âm dạng đầu dò phân lập tinh dầu hiệu quả hơn các phương pháp chiết xuất truyền thống, chẳng hạn như chưng cất bằng hơi nước hoặc chiết xuất bằng dung môi. Điều này là do sóng âm gây ra hiện tượng xâm thực trong chất lỏng, giúp phá vỡ thành tế bào của nguyên liệu thực vật và giải phóng nhiều tinh dầu hơn.
2. Thời gian chiết xuất ngắn hơn: Chiết xuất bằng siêu âm có thể chiết xuất tinh dầu trong thời gian ngắn hơn nhiều so với các phương pháp chiết xuất truyền thống. Điều này là do sóng âm cường độ cao do đầu dò siêu âm tạo ra có thể thâm nhập sâu hơn vào nguyên liệu thực vật, phá vỡ tế bào thực vật với hiệu quả vượt trội và do đó chiết xuất tinh dầu nhanh hơn và hiệu quả hơn.
3. Chất lượng tinh dầu được cải thiện: Vì chiết xuất bằng siêu âm là phương pháp xử lý không dùng nhiệt, phương pháp này có thể tạo ra tinh dầu có chất lượng cao hơn so với các phương pháp chiết xuất truyền thống. Điều này là do sóng siêu âm có thể chiết xuất tinh dầu mà không làm hư hại các hợp chất thơm nhạy cảm vốn tạo nên hương thơm và đặc tính trị liệu của tinh dầu.
4. Tiết kiệm năng lượng: Chiết xuất bằng siêu âm là phương pháp chiết xuất tiết kiệm năng lượng so với các phương pháp truyền thống, chẳng hạn như chưng cất lôi cuốn hơi nước, vốn cần nhiều năng lượng để tạo hơi nước.
5. Thân thiện với môi trường: Xử lý bằng siêu âm là kỹ thuật chiết xuất sạch và thân thiện với môi trường vì không đòi hỏi sử dụng dung môi hoặc hóa chất có thể gây hại cho môi trường.

Những lợi ích này giúp chiết xuất tinh dầu bằng siêu âm trở thành một kỹ thuật có hiệu quả cao và tiết kiệm chi phí, mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp chiết xuất truyền thống.

So sánh giữa carbon dioxide siêu tới hạn (sCO₂), chiết xuất có hỗ trợ siêu âm (UAE), chiết xuất bằng carbon dioxide siêu tới hạn kết hợp với kỹ thuật thay đổi áp suất (SCE-PST) và chiết xuất Soxhlet cho thấy UAE là kỹ thuật chiết xuất hiệu quả nhất và nhanh nhất.

Nghiên cứu khoa học: Chưng cất tinh dầu bằng nước có hỗ trợ siêu âm

• Nguyên liệu chiết xuất: Lá khô của cỏ xạ hương, xô thơm, tía tô đất, oải hương và kinh giới cay
• Tăng hiệu suất thu hồi tinh dầu: lượng tinh dầu (EO) nhiều hơn tới 29,58%
• Thời gian xử lý ngắn hơn

Một nghiên cứu gần đây của Nenciu và cộng sự (2026) đã chứng minh lợi ích của phương pháp chưng cất bằng nước có hỗ trợ siêu âm đối với tinh dầu từ cỏ xạ hương, xô thơm, tía tô đất, oải hương và kinh giới cay. Nguyên liệu thực vật khô được trộn với nước, tiền xử lý bằng máy siêu âm dạng đầu dò Hielscher UP400St, sau đó được chưng cất lôi cuốn hơi nước. Hiện tượng xâm thực âm làm phá vỡ mô thực vật và các cấu trúc tuyến chứa tinh dầu, tạo điều kiện giải phóng các hợp chất dễ bay hơi trước khi chưng cất. Trong điều kiện đã tối ưu hóa – các hạt sinh khối có kích thước 1 cm, công suất siêu âm 150 W và thời gian chiết xuất 85 phút – hiệu suất thu hồi tinh dầu tăng từ 1,42 lên 1,84% v/w, tức tăng tới 29,58% so với phương pháp chưng cất bằng nước thông thường kéo dài 120 phút. Phân tích GC-MS xác nhận các hợp chất đặc trưng của từng loại tinh dầu, bao gồm carvacrol trong kinh giới cay, thymol trong cỏ xạ hương, citral và geranial trong tía tô đất, cineole và camphor trong xô thơm, cùng linalool và linalyl acetate trong oải hương. Kết quả cho thấy tiền xử lý bằng siêu âm có thể tăng hiệu suất thu hồi tinh dầu và rút ngắn thời gian chưng cất bằng nước, qua đó cải thiện hiệu quả tổng thể của quá trình sản xuất tinh dầu.

Hệ thống chưng cất bằng nước có hỗ trợ siêu âm (UAHD): (a) máy siêu âm UP400St (b) thiết bị chưng cất bằng nước; (c) hệ thống ngưng tụ hơi nước + làm mát
Hình ảnh và nghiên cứu: Nenciu và cộng sự, 2026

Hiệu suất thu hồi tinh dầu cao hơn: Chiết xuất bằng siêu âm trước khi chưng cất bằng nước

Để chiết xuất tinh dầu từ nguyên liệu thực vật (ví dụ: oải hương lai, xô thơm, cây có múi, v.v.) bằng siêu âm, có thể sử dụng hệ thống xử lý siêu âm dạng đầu dò như UIP2000hdT để chiết xuất ở quy mô để bàn, thí điểm và sản xuất. Hệ thống chiết xuất có thể được bố trí để vận hành theo mẻ hoặc trên dòng chảy.
Đối với chiết xuất siêu âm theo mẻ, nên sử dụng bình chứa được bao quanh bằng bể nước lạnh. Bể nước giúp tránh sự gia tăng nhiệt độ không mong muốn và sự phân hủy do đó gây ra. Để chiết xuất tinh dầu oải hương lai, hoa oải hương được chiết xuất với, ví dụ, 2L nước cất trong thời gian chiết xuất 30 min. Biên độ siêu âm được đặt ở mức 60%. Sau bước tiền xử lý bằng siêu âm, hoa oải hương được loại bỏ và tiến hành chưng cất lôi cuốn hơi nước thông thường để chiết xuất tinh dầu.
Đối với hệ thống chiết xuất trên dòng chảy, thiết bị xử lý siêu âm được trang bị đầu phát siêu âm và buồng dòng chảy. Để làm mát, buồng phản ứng dòng chảy được trang bị áo làm mát. Trong bước tiền xử lý bằng siêu âm, nguyên liệu thực vật đã ngâm mềm được bơm qua buồng phản ứng, tại đó nguyên liệu đi trực tiếp qua vùng xâm thực. Một lợi ích nữa của chiết xuất siêu âm trên dòng chảy là khả năng tăng áp suất trong buồng phản ứng để tăng hiệu quả chiết xuất.
Tiền xử lý bằng siêu âm trước khi chưng cất với nước làm tăng hiệu suất thu hồi tinh dầu và cải thiện tốc độ chiết xuất – nhờ đó nâng cao hiệu quả tổng thể của quy trình.

Nghiên cứu điển hình: Chưng cất tinh dầu từ Satureja khuzistanica với nước có hỗ trợ siêu âm

Rasouli và cộng sự (2021) đã nghiên cứu hiệu quả chiết xuất tinh dầu từ cây thảo dược Satureja khuzistanica Jamzad bằng cách so sánh phương pháp chưng cất với nước truyền thống và phương pháp Clevenger được tăng cường bằng siêu âm (Sono-Clevenger). Họ so sánh hai kỹ thuật chiết xuất, chưng cất với nước và Clevenger có hỗ trợ siêu âm, về thời gian tách, hiệu suất thu hồi và chất lượng tinh dầu thu được. Kết quả cho thấy, mặc dù thành phần hóa học và đặc tính sinh học của tinh dầu thu được đều có chất lượng cao tương đương nhau, phương pháp chiết xuất siêu âm làm tăng hiệu suất thu hồi tinh dầu được tách ra lên đến 40%. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của lá Satureja đã xử lý cho thấy xử lý siêu âm phá vỡ thành tế bào thực vật hiệu quả hơn. Nhờ đó, mức tăng khoảng 40% trong chiết xuất tinh dầu so với phương pháp chưng cất với nước thông thường đã được ghi nhận.
Nghiên cứu này củng cố kết quả của nhiều báo cáo khác đã khảo sát bước tiền xử lý bằng siêu âm trước khi chưng cất với nước và cho thấy xử lý siêu âm dạng đầu dò cải thiện cả chất lượng lẫn lượng tinh dầu, đồng thời giảm thời gian chiết xuất và mức tiêu thụ năng lượng so với các kỹ thuật thông thường.
 

So sánh hiệu suất thu hồi theo thời gian giữa phương pháp chưng cất với nước và phương pháp sono-clevenger: Chiết xuất tinh dầu bằng siêu âm với Sono-Clevenger mang lại hiệu suất thu hồi tinh dầu cao hơn trong thời gian chiết xuất ngắn hơn.
(©Rasouli et al. 2021)

Ảnh SEM của lá Satureja: (A) sau khi chưng cất với nước trong 4 giờ và (B) sau khi xử lý bằng sono-clevenger trong 60 min. Quá trình xử lý Sono-Clevenger ngắn hơn giúp phá vỡ tế bào tốt hơn, nhờ đó mang lại hiệu suất thu hồi tinh dầu cao hơn.
(©Rasouli et al. 2021)

Thiết bị chiết xuất siêu âm dùng cho chưng cất tinh dầu với nước

Các thiết bị chiết xuất bằng siêu âm công suất cao của Hielscher có sẵn cho các hệ thống lắp đặt quy mô để bàn, thí điểm và nhà máy công nghiệp. Các thiết bị xử lý siêu âm của chúng tôi cho phép điều khiển chính xác và có thể tạo ra biên độ rất cao (lên đến 200µm đối với thiết bị siêu âm công nghiệp, có thể cung cấp biên độ cao hơn theo yêu cầu) để tạo ra trường âm mạnh. Tất cả các thiết bị siêu âm của chúng tôi, từ thiết bị phòng thí nghiệm đến hệ thống công nghiệp, đều được chế tạo để vận hành 24/7 trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.
Các thiết bị chiết xuất bằng siêu âm của Hielscher có thể được thử nghiệm ở quy mô để bàn để đánh giá tính khả thi và tối ưu hóa quy trình. Sau đó, tất cả các kết quả quy trình đều có thể được mở rộng quy mô tuyến tính lên sản xuất công nghiệp toàn diện. Kinh nghiệm lâu năm trong lĩnh vực xử lý siêu âm cho phép chúng tôi tư vấn và hỗ trợ khách hàng từ những thử nghiệm đầu tiên và tối ưu hóa quy trình đến triển khai hoạt động sản xuất công nghiệp có hiệu suất cao.
Hãy đến phòng thí nghiệm kỹ thuật và trung tâm quy trình của chúng tôi để khám phá khả năng của các hệ thống siêu âm Hielscher!
Các hệ thống siêu âm bền chắc của chúng tôi có thể được sử dụng để xử lý siêu âm theo mẻ và trên dòng chảy. Trong sản xuất tinh dầu, có thể đạt được sự kết hợp hiệp đồng bằng cách lắp đặt đầu dò siêu âm trong hệ thống chưng cất với nước thông thường. Việc cải tạo các dây chuyền sản xuất hiện có cũng có thể được thực hiện dễ dàng.

Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Nguyên lý hoạt động của phương pháp chiết xuất tinh dầu bằng siêu âm

Chiết xuất bằng siêu âm đã được chứng minh là mang lại hiệu suất thu hồi cao hơn và giảm mức tiêu thụ năng lượng. Nguyên lý hoạt động của phương pháp chiết xuất bằng siêu âm là sự sụp đổ của các bọt khí do hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra. Hiện tượng xâm thực siêu âm / âm học tạo ra các vi tia chất lỏng phá vỡ các tuyến chứa lipid trong mô thực vật. Nhờ đó, quá trình truyền khối giữa tế bào và dung môi được cải thiện và tinh dầu được giải phóng. Một ưu điểm lớn của các thiết bị chiết xuất bằng siêu âm hiện đại ngày nay là khả năng kiểm soát chính xác các thông số vận hành (ví dụ: cường độ siêu âm, nhiệt độ, thời gian xử lý, áp suất, thời gian lưu, v.v.). Hiệu suất thu hồi tinh dầu cao hơn cùng với mức phân hủy do nhiệt thấp hơn, chất lượng cao và đặc tính hương thơm và mùi vị tốt đã được khoa học chứng minh (Porto et al. 2009; Asfaw et al. 2005).
Trong khi các kỹ thuật chiết xuất hiện đại khác chỉ có khả năng hạn chế trong việc mở rộng quy mô lên sản xuất công nghiệp, khả năng mở rộng quy mô chiết xuất bằng siêu âm lên cấp công nghiệp đã được chứng minh. Ví dụ, hiệu suất thu hồi tinh dầu từ các loại quả có múi của Nhật Bản đã tăng 44% so với các phương pháp chiết xuất truyền thống (Mason et al. 2011).

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• Nenciu, Florin, Ana-Maria Tăbărașu, Cristina Fătu, Nicolae-Valentin Vlăduț, Iulian Voicea, Sorina Dinu (2026): Ultrasound-Assisted Hydrodistillation of Essential Oils for Eco-Friendly Biocontrol of Botrytis cinerea in Grapevines. Horticulturae 12, no. 9: 1054. 2026
• Rasouli, Seyed Reza; Nejad, Ebrahimi Samad; Rezadoost, Hassan (2021): Simultaneous ultrasound-assisted hydrodistillation of essential oil from aerial parts of the Satureja khuzistanica Jamzad and its antibacterial activity. Journal Of Medicinal Plants, Vol. 20, no. 80; 2021. 47–59.
• Dent, M.; Dragović-Uzelac, V; Elez Garofulić, I.; Bosiljkov, T.; Ježek, D.; Brnčić, M. (2015): Comparison of Conventional and Ultrasound-assisted Extraction Techniques on Mass Fraction of Phenolic Compounds from Sage (Salvia officinalis L.). Chem. Biochem. Eng. Q., 29 (3), 2015. 475–484.
• Djenni, Z.; Pingret, D.; Mason, T.J.; Chemat, F. (2013): Sono–Soxhlet: In Situ Ultrasound-Assisted Extraction of Food Products. Food Anal. Methods 6, 2013. 1229-1233.
• Li, Y.; Fabiano-Tixier, A.-S.; Chemat, F. (2014): Essential Oils as Reagents in Green Chemistry, SpringerBriefs in Green Chemistry for Sustainability, 2014. p.9-20.
• Petigny, L.; Périno-Issartier, S.; Wajsman, J.; Chemat, F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). Int. J. Mol. Sci. 2013, 14, 5750-5764.
• Pingret, D.; Fabiano-Tixier, A.-S.; Chemat, F. (2014): An Improved Ultrasound Clevenger for Extraction of Essential Oils. Food Anal. Methods 7, 2014. 9–12.
• Sicaire, Anne-Gaëlle; Vian, Maryline Abert; Fine, Frédéric; Carré, Patrick; Tostain, Sylvain; Chemat, Farid (2016): Ultrasound induced green solvent extraction of oil from oleaginous seeds. Ultrasonics Sonochemistry (2016), Vol. 31. 319-329.
• Yoswathana, N.; Eshiaghi, M.N.; Jaturapornpanich, K. (2012): Enhancement of Essential Oil from Agarwood by Subcritical Water Extraction and Pretreatments on Hydrodistillation. International Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering Vol:6, No:5, 2012. 453-459.