Luận văn thạc sĩ Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu động học của quá trình trích ly Mimosine từ cây hoa mắc cỡ (Mimosa Pudica L)

- Khao sát và xác định mô hình động học phù hợp với các điều kiện trích ly.- Khao sát và xây dựng phương trình hồi quy cho các hệ số của mô hình động học phù hợp trong khoảng xác định.Nộ

TONG QUAN 1.1 Tong quan tình hình nghiên cứu về cây mắc cỡ

1.1.1 Các nghiên cứu trên thé giới

Hiện nay, trên thế giới tập trung nghiên cứu nhiều về ứng dụng của mimosine trong duoc lý và y học, có khá ít nghiên cứu cho quá trính trích ly và tinh sạch mimosine Đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu về khả năng ảnh hưởng của mimosine trên cơ thể sống và chứng minh răng mimosine là hợp chất không cần thiết trong cơ thể con người Tuy nhiên, nếu ứng dụng mimosine vào mục đích khác thì mimosine là một hợp chất có lợi vì nó có tính chất dược lý, kha năng tiêu diệt một số vi sinh vật, nam và đặc biệt là có khả năng ức chế sự phát triển của một số tế bảo ung thư dựa trên cơ chế gây độc của chúng, cụ thể:

- Nghiên cứu của các tác giả R Anthia và cộng sự cho thay trong các loại vi khuẩn mimosine có khả năng ức chế mạnh nhất với Staphylococcus aureus Kết quả nghiên cứu còn cho thấy mimosine có tác dụng ức chế hoàn toàn các loại nắm ngoài da như

Trichophyton rubum va Trichophyton tonsurans [1].

- — Nghiên cứu của các tác giả L.M Tsvetkov và cộng sự cho thấy anh hưởng của mimosine lên tốc độ khởi đầu của quá trình lớn lên theo hàm mũ của tế bào murine erythroleukemia F„N (tế bào hồng — bạch cau) Trong suốt 2h dau tiên của quá trình nhân đôi với sự có mặt của 25 - 400uM mimosine, bước khởi đầu bị kìm ham nhiều hơn so với toàn bộ quá trình tổng hợp DNA Như vậy, ảnh hưởng của mimosine tương tự như ảnh hưởng của tia gamma đến quá trình sinh tổng hợp DNA và không giống như hydroxyurea and aphidicolin Kết quả cho thấy mimosine ngoài việc ức chế giai đoạn kéo dai trong quá trình sao chép còn ức chế ngay khi bắt đầu sao chép DNA [2].

- _ Nghiên cứu của Đống Thị Anh Đào và cộng sự tập trung vào quá trình trích ly và tinh sạch mimosine từ cây hoa mắc cỡ và tìm ra điều kiện tối thích cho 2 quá trình này.

Kết qua cho thay tại điều kiện nhiệt độ 52°C, nồng độ HCI là 02N, tỉ lệ nguyên liệu :dung moi = 1:20 thì hiệu suất trích ly dat 84,36% Quá trình tinh sạch mimosine sử dụng sắc ký trao đối ion đạt hiệu suất thu hồi 62,86% Quá trình bảo quản mimosine được dé

— — Nghiên cứu của Phan Ngọc Anh Thu va cộng su đã xây dựng phương án trích ly mimosine từ cây hoa mắc cỡ để sản xuất các sản phẩm nước uống bang các loại dung môi khác nhau: ethanol, acid lactic, acid citric Kết qua cho thay hiệu suất trích ly mimosine và hàm lượng các chất dinh dưỡng trong sản phẩm nước uống với dung môi là acid citric là cao nhất Nghiên cứu còn chỉ ra rằng, ngoài mimosine thì trong cây hoa mắc cỡ có rất nhiều chất dinh dưỡng có lợi cho sức khỏe con người như: amino acid, khoáng [4].

- Đồng thời, cũng có nhiều tác giả đã có những công trình nghiên cứu chủ yếu về dược tính của cây mac cỡ trên cơ thé sống, cho thay cây có giá trị trong cuộc sống hàng ngày như nghiên cứu của tác giả J Vejayan và cộng sự cho thay khả năng chống noc độc của cây mắc cỡ đối với răn biển thường [5], G.Vinothapooshan và K Sundar đã nghiên cứu thấy khả năng chống loét dạ dày ở chuột của cây mắc cỡ [6], P Muthukumaran và cộng sự đã nghiên cứu thấy khả năng chống oxy hóa của cây mắc cỡ [7] và nhiều nghiên cứu khác

Tuy nhiên đến thời điểm hiện tại thì trên thế giới chưa có một nghiên cứu nào về động học của quá trình trích ly mimosine từ cây hoa mắc cỡ Các nghiên cứu về động học trích ly chủ yếu tập trung vào các nguyên liệu thông dụng như đậu nành, carrot, trà

- — Nghiên cứu của Sudipta Das và cộng sự xây dựng mô hình động học trích ly B-

Carotene từ cà rốt Nghiên cứu sử dụng 7 mô hình động học khác nhau và khảo sát ở một chế độ trích ly duy nhất Kết quả mô hình theo định luật Fick là phù hợp với chế độ trích ly 30°C, tỉ lệ dung môi : nguyên liệu = 60:1 [8].

— Nghiên cứu của W Qua và cộng sự, xây dựng mô hình động học cho quá trình trích ly các chat chong oxi hóa từ bã qua lựu Nghiên cứu sử dụng mô hình động học thực nghiệm của Peleg với nhiều chế độ trích ly khác nhau Kết quả mô hình động học Peleg phù hợp với điều kiện trích ly, nhóm tác giả dé xuất chế độ trích ly phù hợp cho bã qua lựu là nhiệt độ 25°C, tỉ lệ dung môi : nguyên liệu = 50:1, kích thước nguyên liệu là 0.2mm [9].

— Nghiên cứu cua S Jokic và cộng sự, xây dựng mô hình động học cho quá trình trích ly polyphenol tong từ đậu nành Nhóm tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt

4 mô hình tương thích tốt cho quá trình trích ly Nhóm tác giả dé nghị chế độ trích ly thích hợp tại nhiệt độ 80°C băng dung dich ethanol 50% [10].

1.1.2 Các nghiên cứu tai Việt Nam

Hiện nay, trong nước đã có ba nghiên cứu về cây mắc cỡ, cụ thể:

- Nghiên cứu của Nguyễn Minh Thư đã khảo sát tính chất của nguyên liệu và các hợp chất hóa học từ cây mắc cỡ [11].

- —_ Nghiên cứu của Lam Ngoc Thụ và Lê Van Tan đã xác định hàm lượng Selen trong cây hoa mặc cỡ băng thuốc thử triosiazobenzen [12].

- — Nghiên cứu của Đặng Hồng Thủy và Dam Trung Bảo, về hàm lượng Selenium trong cây mắc cỡ [13] Đối với lĩnh vực nghiên cứu về động học của quá trình trích ly hay tinh sạch mimosine từ cây hoa mắc cỡ thì chưa có tác giả trong và ngoài nước nào nghiên cứu.

1.2 Cơ sở lý luận và giả thuyết khoa học.

1.2.1 Tông quan cây mac Cổ.

1.2.1.1 Phân loại thực vật hoc.

Theo tài liệu bách khoa toàn thư tổng hợp, cây mắc cỡ có tên khoa học là Mimosa pudica Linn, thuộc phan giới Plantae, phan loại Magnoliophyta, lớp Magnoliopsida, phân lớp Rosidae, thứ Fabales và thuộc ho Trinh nữ (Mimosaceae) Ngoài ra, theo tác giả Đỗ Tat Loi, cây mắc cỡ còn được gọi là cây then, cây xấu hồ, cây tu thảo| 14].

Hình 1.1: Hình dạng tổng thé cây mac cỡ (Mimosa Pudical) 1.2.1.2 Đặc điểm hình thái.

Theo Đỗ Tất Lợi, cây mắc cỡ là loài cây mọc hoang khắp nơi, cây nhỏ, cao 30 — 40cm, cành có gai hình móc, lá kép chân vịt mang 4 nhánh lá chét xếp lông chim Lá thuộc loại lá chét nhỏ có 15 — 20 đôi gần như không có cuống khi động vào sẽ sụp xuống.

Cuống chung gầy mang nhiều lông dài khoảng 4em, cuống phụ 2 đôi có lông trang cứng.

Hoa của cây có màu tím đỏ, quả giáp dài 2em, rộng 3mm tụ thành hình ngôi sao thắt lại ở giữa các hạt có lông cứng ở bên mép và hạt gần như hình trái xoan dài 20mm, rộng 1,5mm mọc hoang dã khắp nơi [14].

1.2.1.3 Phân bố và đặc tính sinh học.

TLE LT

p Asparagin-3- Sen iáidkbvd

a a ate 4.0 HOOC ) COOH nến T5 NAOP HOOC COOH

H COOH ren has WONG SCoA CoASH Glu eC wooiecus o

OOH N-succinyl-6-0xo-2-amino pimetat N-Succiny!-2 6-diaminopimeltat

Succinate NH COOH co, dạ tạ 2 4

Hình 1.10.Chu trình tổng hop Lysine tir Asparagin [27]

|= ttạh4 Hạt COOH btot oad

Hình 1.11: Chu trình tổng hợp 3,4-dihydroxypyridin tir Lysine [27]

1.2.2.4 Su phan bố mimosine trong thuc vat:

Trong các loài cây họ đậu, mimosine phân bố déu trên các bộ phận của cây như thân, rễ, lá Hàm lượng mimosine thay đổi theo từng thời kỳ sinh trưởng và phát triển, cũng như theo cách bảo quản, theo phương pháp chế biến Đồng thời hàm lượng mimosine cũng thay đổi theo từng loài, cao nhất 4,5% trong L.Macrophylla, thấp nhất ở loài L.Diversifolia (12%) Riêng ở loài L.Leucocephala hàm lượng mimosine thay đổi theo từng bộ phận của cây khoảng 12,3% trong lá mầm vàng, 0,5% trong vỏ đậu, trong hạt chin gấp 2 lần so với hat non (6.2% - 3,2%) nhưng trong lá thì ngược lại (2,6%- 5,1%) Mimosine cũng thay đối nhiều vào thời kỳ sinh trưởng của cây, giai đoạn đầu của quá trình sinh trưởng ngày đạt 7,1%, sau 45 ngày dat 6% va 60 ngày đạt 4,2% [28].

1.2.2.5 Cơ chế gây độc của mimosine:

Theo các nghiên cứu trên thế giới về tác dụng của mimosine, mimosine được chứng minh là tác nhân gây nên sự rụng tóc, chậm phát triển, đục nhân mắt, bướu cô, giảm khả năng sinh sản ở các cơ thể sống cơ chế gây độc của mimosine rất phức tạp, cụ thé:

Do có cau trúc giống tyrosine nên mimosine có thé hoạt động giống như tyrosine hoặc ngược lại có thể hoạt động đối lập với tyrosine Do đó, mimosine có thể kìm hãm sự sinh tong hợp protein trong cơ thé sống gây nên hiện tượng chậm phát triển [29]. pete pitts

H H ^5—c—coon “TMc— COOH cH, CH,

Hình 1.12: Công thức cau tao của Tyrosine và Mimosine

Với đặc tính có kha năng tạo phức càng cua với ion kim loại do trong phân tử có vòng pyridone, do đó mimosine có thể làm thay đổi hoạt tính của các enzyme có chứa kim loại đặc biệt là các enzyme có chứa ion sắt, gây nên sự kìm hãm các phản ứng sinh học trong cơ thé [30].

Mimosine có kha năng khử tác dụng cua Vitamin B6 [31], kìm ham một số enzyme cần có Pyridoxal Phosphate [32] như Cystathionine Synthetase và Cystathionase [33] Sự kìm hãm này sẽ tạo thành Cystein từ Methionine Tuy nhiên, sự kết hợp của Mimosine và Pyridoxal Phosphate có ảnh hưởng đến đặc tính độc của mimosine

H wm Ban?!of lễ CH-CO¿H co ` C NH

Hình 1.13: Phức chat giữa Mimosine và Pyridoxal Phosphate.

Mimosine ảnh hưởng đến quá trình tổng hop Protein, ADN, ARN, Collagen trong phôi do kìm hãm sự tổng hợp Hydroxyproline làm giảm hàm lượng Collagen hoặc gây ra sự lỏng lẻo của Collagen trong nhiều cơ quan khác nhau có thể gây ra nhiều triệu chứng như xuất huyết ống mao dẫn, thủng dạ con ở vật nuôi [38].

Mimosine gây trở ngại đến quá trình trao đối chất của một số acid amin, đặc biệt là Glycine Khi mimosine được đưa vào cơ thể, mimosine sẽ kết hợp với các acid mật thay vì acid mật sẽ kết hợp với Glycine ảnh hưởng đến quá trình tạo thành Mimocholic và Mimochenoxycholie không đúng kiểu [35] Các muối mật không đúng kiểu này ảnh hưởng đến sự trao đôi chất béo trong cơ thé do đó ảnh hưởng đến sự hấp thụ của các vitamin tan trong chat béo [39]. © O

Hình 1.14: Công thức cau tao Mimocholic và Mimochenodeox ycholic Tuy nhiên, tính độc của mimosine còn phụ thuộc vào nhiêu yêu tô khác Mức độ độc có thê giảm nêu su dụng một vài tác nhân bên ngoài như bô sung thêm muôi sắt: thêm ferror sulphate khoảng 1 - 2% trong chế độ ăn, ta có thé làm mat khả năng gây độc của mimosine Do khả năng kêt hợp với các kim loại của mimosine Fe, AI, Cu, Pb, Ca,

Mg tạo thành những phức chất càng cua, yếu tô này làm giảm độ độc của mimosine [30].

Hình 1.15: Phức càng cua giữa sat (IIT) và mimosine.

1.2.3 Tổng quan về quá trình trích ly

1.2.3.1.Phương pháp ngâm: Đây là phương pháp cô điển, quá trình thực hiện tương đối đơn giản Nguyên liệu đã nghiền nhỏ tới kích thước thích hợp, tiếp xúc với dung môi trong một thời gian nhất định, sau đó gan, ép, lang lọc thu lay dịch chiết Phương pháp chiết được tiến hành theo 2 cách: trích ly một lần hoặc trính ly phân đoạn Hiện nay phương pháp ngâm vẫn được sử dụng pho bién trong trich ly cac hoat chat tir nguyên liệu thực vật như san xuất trà túi lọc, trích ly polyphenol từ lá trà, thời gian ngâm khoảng 24h-48h [40] Phương pháp ngâm thường được kết hợp với các tác nhân hoặc kỹ thuật khác để tăng hiệu suất chiết xuất như: kỹ thuật khuấy đảo, tác nhân nhiệt độ (trích ly ở nhiệt độ thường, nhiệt độ cao (40-60°C), nhiệt độ sôi (phương pháp hãm hoặc sắc tùy vào thời gian).

Nguyên liệu (g) ———>E©© 5© © oe) OO ne)

Hình 1.16: Trích ly | lần, nguyên liệu và dung môi cho vào ngâm 1 lần.

Hình 1.18: Trích ly 1 lần có sử dụng cánh khuấy 1.2.3.2 Phương pháp ngắm kiệt:

Phương pháp ngắm kiệt là phương pháp cải tiễn của phương pháp pháp ngâm,

Hoàng Thị Lệ Hang, trong 3 phương pháp trích ly bang Soxhlet, ngâm cổ điển, ngắm kiệt dùng để trích ly các alkaloid từ lá dâu tắm phương pháp Soxhlet cho hiệu suất trích ly cao nhất đạt 85%, phương pháp ngắm kiệt dat 72%, thấp nhất là phương pháp ngâm cổ điển 67% Tuy nhiên, theo kết luận của tác giả, do phương pháp Soxhlet tốn thời gian, năng lượng và thiết bị phức tạp nên không được dùng phô biến, khó ứng dụng trong khi phương pháp ngắm kiệt được cho là đơn giản hiệu quả cao nên được ứng dụng [41]. À Binh chứa dung mỗi

Bi thủy tinh, giầy lọc

Hình 1.19: Thiết bị ngẫm kiệt liên tục.

1.2.3.3 Phương pháp chiết ngược dòng:

Phương pháp này giống phương pháp ngắm kiệt nhiều lần kết hợp với phương pháp ngâm Phương pháp này không giống phương pháp ngắm kiệt là cho chảy nhỏ giọt, mà mở khóa cho chảy thành dòng sau khi ngâm với thời gian nhất định Đây cũng là phương pháp được ứng dụng nhiễu trong sản xuất lớn Theo tác giả Xuejun Pan và cộng sự, acid glycyrrhizic acid (GA) từ rễ cây cam thảo được trích ly rất hiệu quả khi sử dụng sử dụng phưong pháp trích ly chiết ngược dòng với hệ dung môi ethanol 50-60% v/v và ammoniac 1-2% v/v [42].

Hình 1.20: Nguyên tắc phương pháp chiết ngược dòng

1.2.3.4 Phương pháp trích ly siêu tới hạn:

Kỹ thuật trích ly chất lỏng siêu tới hạn (SFE) là quy trình tách một hợp chat (chất chiết) từ những hợp chất khác (chất ban đầu) dùng những chất lỏng siêu tới hạn như một dung môi tách Chất lỏng siêu tới hạn là chất có nhiệt độ và áp suất trên điểm nhiệt độ tới han, có thé di qua hầu hết những mẫu vật liệu thực vật như khí gas, do bởi hệ số khuếch tán ánh sáng cao và độ nhớt của chúng thấp Hiện nay, phương pháp trích ly siêu tới hạn đang được dung phổ biến dé trích ly các hoạt chất trong nguyên liệu thực vật như tinh dầu, chất béo, isoflavon, carotenoid và các chất kém phân cực khác.

Tác nhân chiết thường được dùng phổ biến nhất là COs, bởi chi phí và độc tính của nó thấp và dễ dàng đạt được thông số tới hạn là nhiệt độ 31,1°C, áp suất 74.8 atm.

Hơn nữa, CO; là chất vô cực có thể hòa tan các chất vô cực và hòa tan các hợp chất có cực ở mức độ vừa phải Sự thêm vào của chất hỗ trợ có cực (như MeOH) dé CO; siêu tới hạn (SC-CO¿) là cách đơn giản và hiệu quả nhất dé làm thay đổi tính có cực của CO> dựa trên các chất lỏng dé làm tăng sự hòa tan của các chất cần phân tích Các chất hỗ trợ cũng có thé khắc phục những tương tác giữa chất cần phân tích và chất ban đầu, bang cách tăng hiệu suất trích ly của các hợp chất hữu cơ có cực SFE có thể trích ly tốt các chất không phân cực, các chất phân cực, trích ly ít chlorophyl, sáp, carotenoid Không hòa tan đường, protein, thuốc trừ sâu, acid amin, tannin SFE cho kha nang chiết tach cao, tốc độ phan ứng lớn, hòa tan chất dé phân hủy ở nhiệt độ cao Có khả năng tái sử dụng vi vậy chi phí rẻ hơn, mức độ an toàn cao, độ tính khiết cao Yu Kong và các cộng sự, kỹ thuật trích ly siêu tới hạn cho hiệu suất trích ly cao hơn kỹ thuật trích ly ngược dòng trong quá trình trích ly cajaninstilbene acid and pinostrobin từ lá cây Cajanus cajan (L.) [43].

=e = Dịch lm "8| Bơm _| J'trích | Mẫu

Hình 1.21: Nguyên lý hoạt động của hệ thong SFE.

1.2.3.5 Kỹ thuật chiết long cao áp (PLE):

Phương pháp kết hop nhiệt độ tăng cao (50 — 200°C) và áp suất (100 — 140atm) với các dung môi lỏng (không đạt điểm tới hạn) để tiễn hành trích ly nhanh và hiệu quả các chất cần phân tích từ các cơ chất mẫu răn và nửa rắn Kỹ thuật này có những tên gọi khác nhau, như trích ly dung môi tăng tốc (ASE), trích ly lỏng cao áp (PLE), và trích ly dung môi cao áp (PSE) PLE được sử dụng trong nhiều trường hợp trích ly isoflavone từ đậu nành, thực phẩm từ đậu nanh và các cơ chất khác (san dây ).

KET LUẬN

Các thông số quá trình: nhiệt độ trích ly, nông độ dung môi, tỉ lệ dung môi : nguyên liệu và tốc độ khuấy trộn đều ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình trích ly và ảnh hưởng đến các hệ số của phương trình động học.

Bang quá trình tính toán lý thuyết, so sánh với thực nghiệm và qua ma trận thực nghiệm trực giao cấp 1, chúng tôi đã chọn và xây dựng được phương trình hồi quy cho hệ sô của hai mô hình động học như sau

Mô hình Phương trình hồi quy dụng trung bình

Với phương trình hôi quy xây dựng được, chúng tôi có thé áp dụng mô hình Rate law hoặc Elovich trong việc dự báo và xác định hiệu suât trích ly mimosine từ cây mặc cỡ với các điều kiện trong giới hạn đã khảo sát như sau

- Nông độ dung môi HCI từ 0,2N đến 0,4N

— Nhiệt độ trích ly từ 30°C đến 50°C

— Tỉ lệ dung môi : nguyên liệu từ 20:1 đến 40:1- Toc độ khuấy trộn từ 0 rpm đến 200rpm