Chưng cất lôi cuốn hơi nước tách được tinh dầu ở dưới 100 °C dù các thành phần của nó sôi ở 170–250 °C, vì tinh dầu không tan trong nước. Khi hai chất lỏng không trộn lẫn cùng có mặt, mỗi chất góp áp suất hơi riêng của mình, và hỗn hợp sôi ngay khi tổng hai áp suất ấy bằng áp suất khí quyển, tức là trước khi nước kịp tới 100 °C. Hơi nước vì thế "khiêng" theo các phân tử thơm ở nhiệt độ thấp, ít làm chúng cháy khét hay biến chất.
Thoạt nghe vô lý: sôi 230 °C mà bay ở 98 °C
Citral, chất tạo mùi chanh đặc trưng của sả chanh, sôi ở khoảng 229 °C. Eugenol trong lá hương nhu và đinh hương sôi khoảng 254 °C. Nếu chỉ nhìn điểm sôi, người ta sẽ nghĩ phải đun lá tới trên 200 °C mới lấy được mùi, và ở nhiệt độ đó lá đã cháy thành than.
Thực tế lò cất tinh dầu ở làng quê chỉ cần nồi nước sôi. Chìa khoá nằm ở chữ "áp suất hơi". Điểm sôi chỉ là nhiệt độ mà áp suất hơi của một chất một mình bằng áp suất khí quyển. Dưới điểm sôi, chất vẫn bay hơi, áp suất hơi nhỏ nhưng không bằng không. Citral ở gần 100 °C vẫn có một áp suất hơi nhỏ, chừng vài mmHg trở lên tuỳ chất. Một mình thì con số ấy quá nhỏ để sôi. Đi cùng nước thì khác.
Định luật Dalton và hai chất lỏng "sống chung không hoà"
Với hai chất lỏng tan vào nhau như nước và cồn, mỗi chất bị chất kia "pha loãng", áp suất hơi riêng của nó giảm theo tỉ lệ có mặt (định luật Raoult). Với hai chất lỏng không tan vào nhau như nước và tinh dầu, mỗi lớp vẫn là chính nó. Lớp nước góp đủ áp suất hơi của nước nguyên chất, lớp dầu góp đủ áp suất hơi của dầu nguyên chất, bất kể lượng mỗi bên nhiều hay ít.
Theo định luật áp suất riêng phần mà John Dalton nêu năm 1801, áp suất tổng của hơi là tổng các áp suất riêng phần. Hỗn hợp sôi khi tổng này chạm 760 mmHg. Vì nước ở gần 100 °C đã có áp suất hơi xấp xỉ 760 mmHg, phần đóng góp nhỏ của tinh dầu chỉ cần kéo nhiệt độ sôi xuống một ít, thường hỗn hợp sôi ở quanh 95–99 °C. Điều quan trọng không phải con số chính xác, mà là: hỗn hợp luôn sôi thấp hơn 100 °C, và chừng nào còn cả nước lẫn dầu thì nhiệt độ sôi giữ nguyên.
| Thành phần tinh dầu | Có nhiều trong | Điểm sôi riêng (khoảng) |
|---|---|---|
| Limonen | Vỏ cam, chanh, bưởi | 176 °C |
| 1,8-cineole (eucalyptol) | Tràm, khuynh diệp | 176 °C |
| Menthol | Bạc hà | 212 °C |
| Citral | Sả chanh | 229 °C |
| Anethol | Hoa hồi | 234 °C |
| Cinnamaldehyd | Vỏ quế | 248 °C |
| Eugenol | Hương nhu, đinh hương | 254 °C |
Bao nhiêu hơi nước mới kéo được một giọt dầu
Tỉ lệ dầu và nước trong dịch cất được quyết định bởi hai thứ: áp suất hơi của mỗi chất ở nhiệt độ sôi của hỗn hợp, và khối lượng phân tử của chúng. Công thức gọn: khối lượng dầu chia khối lượng nước bằng (áp suất hơi dầu × khối lượng mol dầu) chia (áp suất hơi nước × khối lượng mol nước).
Áp suất hơi của dầu nhỏ hơn nước rất nhiều, đó là bất lợi. Nhưng phân tử dầu lại nặng: một terpen như limonen có khối lượng mol khoảng 136, gấp chừng 7,5 lần phân tử nước (18). Mỗi phân tử dầu bay theo mang được nhiều khối lượng hơn, bù lại một phần. Ví dụ quen trong giáo trình hoá hữu cơ là nitrobenzen (sôi 211 °C) cất cùng nước: hỗn hợp sôi khoảng 99 °C, và cứ chừng năm phần nước cất ra thì đi theo một phần nitrobenzen theo khối lượng.
Với cây thơm, tỉ lệ thực tế còn thấp hơn nhiều, vì tinh dầu nằm sâu trong túi tiết, lông tiết của lá, vỏ, hạt; hơi nước phải làm mềm mô, khuếch tán vào, kéo dầu ra. Hàm lượng tinh dầu trong cây lại thường chỉ vài phần nghìn đến vài phần trăm khối lượng. Kết quả là một mẻ cất cho ra rất nhiều nước và một lớp dầu mỏng. Người làm nghề quen với chuyện bình hứng đầy nước mà lớp dầu chỉ vài phân.
Ba cách đưa hơi nước gặp nguyên liệu
| Cách | Mô tả | Hợp với | Điểm cần để ý |
|---|---|---|---|
| Chưng cất cùng nước (thuỷ chưng) | Nguyên liệu ngâm hẳn trong nước, đun sôi cả nồi | Cánh hoa, bột mịn dễ vón cục khi hơi đi qua | Dễ khê đáy nếu cạn nước; một số este bị thuỷ phân vì ngâm lâu |
| Chưng cất nước – hơi | Nước ở đáy, nguyên liệu đặt trên vỉ, hơi bốc lên xuyên qua | Lá sả, lá tràm, lá hương nhu ở lò quy mô làng | Phải xếp liệu đều, tránh hơi đi theo "đường tắt" |
| Chưng cất hơi nước trực tiếp | Hơi từ nồi hơi riêng thổi vào thùng chứa liệu | Quy mô lớn: vỏ quế, gỗ, hạt, lá khối lượng lớn | Kiểm soát được lưu lượng và nhiệt độ hơi; cần nồi hơi đạt chuẩn an toàn |
Ở cuối đường: dầu nổi hay dầu chìm
Hỗn hợp hơi ngưng lại trong ống sinh hàn thành nước lẫn những giọt dầu, chảy vào bình tách. Vì dầu không tan, sau ít phút nó tách thành lớp. Phần lớn tinh dầu nhẹ hơn nước nên nổi lên trên: sả, tràm, bạc hà, khuynh diệp, vỏ cam. Một số lại nặng hơn nước và chìm xuống đáy, điển hình là tinh dầu vỏ quế và đinh hương, có tỉ trọng nhỉnh hơn 1.
Bình tách kiểu Florentine được thiết kế khéo: một ống thoát nước nối từ đáy bình vòng lên, cho nước chảy tràn ra liên tục mà lớp dầu nổi vẫn ở lại. Với dầu nặng thì đảo lại, lấy dầu ở đáy và cho nước tràn ở trên. Phần nước sau khi tách dầu vẫn thơm vì còn hoà tan một lượng nhỏ thành phần thơm; người ta gọi nó là nước cất thơm hay hydrosol, một sản phẩm riêng của nghề.
Giới hạn của phương pháp
- Không phải chất nào cũng "đi" được: phân tử quá nặng như sáp, sắc tố, phần lớn các chất không bay hơi ở lại nồi. Tinh dầu cất bằng hơi nước vì thế trong, ít màu hơn chiết bằng dung môi.
- Chất tan được trong nước bị "mất" vào nước: nước hoa hồng giữ lại nhiều 2-phenylethanol, một chất mùi hoa hồng tan khá tốt trong nước, nên tinh dầu hoa hồng cất ra có tỉ lệ chất này thấp hơn trong cánh hoa. Một số lò cho nước cất quay lại nồi để vớt thêm phần thơm, cách này có tên là cohobation.
- Nhiệt và nước vẫn làm biến đổi một phần: các este như linalyl axetat trong oải hương có thể bị thuỷ phân một phần nếu cất quá lâu, làm mùi đổi đi. Vì vậy thời gian cất cũng là một biến số người làm nghề phải canh.
- Hoa quá mỏng manh: hoa nhài, hoa huệ cho rất ít dầu khi cất và mùi biến dạng, nên ngành hương liệu thường dùng phương pháp chiết thay cho chưng cất.
Trong phòng thí nghiệm và trong đời thường
Để xác định một mẫu lá chứa bao nhiêu tinh dầu, các phòng kiểm nghiệm dùng bộ cất kiểu Clevenger, do J. F. Clevenger mô tả năm 1928: hơi ngưng chảy vào một ống chia vạch, dầu đọng lại để đọc thể tích, nước tự chảy về bình đun. Dược điển nhiều nước, trong đó có Dược điển Việt Nam, quy định phép định lượng tinh dầu theo nguyên lý này.
Một phép thử nhỏ, an toàn để thấy dầu và nước "không hoà": nhỏ một giọt tinh dầu bất kỳ vào cốc nước, khuấy mạnh rồi để yên. Vài phút sau, những hạt dầu nhỏ lại gom về mặt nước thành váng óng. Chính tính chất này cho phép tách dầu ở bình hứng mà không cần thêm hoá chất nào.
Ai muốn cất thử vài nắm lá sả ở nhà bằng nồi hấp có nắp úp ngược và đá lạnh thì nhớ: không bịt kín nồi, không dùng nồi áp suất, đặt nồi vững, luôn để ý mực nước để khỏi khê đáy, nhấc nắp hướng ra xa người vì bỏng hơi. Lượng dầu thu được có thể rất ít hoặc chỉ là nước thơm, đó là chuyện bình thường với quy mô bếp.
Câu hỏi thường gặp
Chưng cất lôi cuốn hơi nước là gì?
Đây là phương pháp dùng hơi nước đi qua nguyên liệu để kéo theo những chất không tan trong nước, dễ bay hơi vừa phải như tinh dầu, rồi ngưng tụ hỗn hợp và tách lớp dầu ra khỏi nước. Phần lớn tinh dầu thực vật trên thế giới được sản xuất bằng cách này.
Vì sao tinh dầu sôi trên 200 °C mà vẫn cất được ở dưới 100 °C?
Vì tinh dầu và nước không tan vào nhau, mỗi chất góp trọn áp suất hơi riêng. Hỗn hợp sôi khi tổng hai áp suất bằng áp suất khí quyển, việc này xảy ra trước khi nước đạt 100 °C, và hơi nước mang theo phân tử tinh dầu ra ngoài.
Tinh dầu nổi hay chìm trong nước?
Phần lớn tinh dầu nhẹ hơn nước nên nổi, như sả, tràm, bạc hà. Một số như tinh dầu vỏ quế, đinh hương nặng hơn nước một chút nên chìm, vì vậy bình tách phải thiết kế theo loại dầu.
Chưng cất hơi nước khác chưng cất cùng nước thế nào?
Chưng cất cùng nước ngâm nguyên liệu trong nồi nước sôi. Chưng cất hơi nước đặt nguyên liệu trên vỉ hoặc trong thùng riêng để hơi đi xuyên qua, ít làm nguyên liệu bị nấu nhừ và ít thuỷ phân hơn.
Nước còn lại sau khi tách tinh dầu là gì?
Đó là nước cất thơm, còn gọi là hydrosol, chứa một lượng nhỏ thành phần thơm hoà tan. Nó có mùi nhẹ hơn tinh dầu rất nhiều và được dùng như một sản phẩm riêng.
