Bài giảng các phương pháp chiết xuất hợp chất thiên nhiên

Trong quá trình chế biến, nếu không khống chế hoạt động của các enzym thì các glycosid có thể bị thủy phân một phần hoặc toàn phần làm thay đổi tính phân cực, do đó thay đổi độ hòa tan c

CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

NỘI DUNG

I HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRONG CÂY

II XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU

III DUNG MƠI

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

GIỚI THIỆU

Vào thời tiền sử, con người phải kiếm cây cỏ và động vật hoang dại

để làm thức ăn Qua chọn lọc và thử thách, con người dần dần xác định được thực vật, động vật nào ăn được hoặc khơng ăn được Tính chất chữa bệnh của một số thực vật, động vật dần dần được tích lũy thành kinh nghiệm

Thuốc phịng bệnh và trị bệnh hầu hết được điều chế từ 2 nguồn: nguyên liệu và hĩa dược Riêng dược thảo, theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới, con số lên tới 20.000 lồi, khơng chỉ các nước Á Đơng mà các nước phương Tây cũng tiêu thụ một lượng rất lớn nguyên liệu Trong những năm gần đây, xu hướng trên thế giới dùng thuốc thảo mộc tự nhiên ngày càng nhiếu, nhiều biệt dược, Đơng dược của Trung quốc, Ấn Độ được tiêu thụ mạnh ở các nuớc châu Âu

Nhiều hoạt chất quan trọng như: quinin, morphin, vincaleucoblastin, strychnin, emetin,… đều phải chiết xuất

ra từ dược liệu và chúng cĩ thể đi bằng con đường tổng hợp Hiện nay, con người vẫn cịn tiếp tục nghiên cứu các hoạt chất cĩ cấu trúc mới từ nguyên liệu thiên nhiên rồi từ

đĩ bán tổng hợp ra các dẫn xuất cĩ hiệu quả hơn.

GIỚI THIỆU

I HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRONG CÂY

Dựa vào chức năng sinh học, người ta chia các hợp chất trong cây thành 2 nhóm lớn:

- Chất trao đổi bậc 1 (chất biến dưỡng nhất cấp: primary

Trong lĩnh vực nghiên cứu, nhất là y học và nông nghiệp; các chất trao đổi bậc 2 chính là đối tượng nghiên cứu quan trọng do các tác dụng sinh lý và dược lý của chúng như tác dụng kháng sinh, diệt nấm, tác dụng ức chế hoặc độc đối với tế bào; tác dụng kích thích hoặc ức chế sinh trưởng và các tác dụng dược lý, sinh lý khác.

I HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRONG CÂY

Về mặt phân loại hoá học, hợp chất thiên nhiên được sắp xếp theo các nhóm chức cơ bản:

I HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRONG CÂY

Trong cây, các hợp chất hữu cơ tồn tại ở dạng hòa tan trong nước, dầu béo hoặc tinh dầu

Các chất hòa tan trong nước (dịch tế bào) là các hydrat carbon phân

tử bé (monosaccharid, oligosaccharid), một số polysaccharid (pectin, gôm), các glycosid (saponin, flavonoid, iridoid…) muối alcaloid của các acid hữu cơ, acid amin Các hợp chất phenol hòa tan dưới dạng glycosid (flavonoid, tanin) hoặc dạng phức hợp khác

Các chất tan trong dầu béo và tinh dầu là các hydrocarbon, monoperpen, sterol, carotenoid …

Dầu và tinh dầu được khu trú trong những bộ phận riêng biệt của cây như ở hạt, vỏ, thân (tinh dầu)

I HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRONG CÂY

Các nguyên tử mang điện tích âm có thể là: O, N, S, F, Cl… Như vậy các nhóm như: -OH, -CO, -NO2, -NH2, -COOH, -SO2, và các Halogen đều là những nhóm phân cực Các phân tử càng có nhiều nhóm phân cực thì tính phân cực càng mạnh, nhưng nếu mạch carbon càng dài thì độ phân cực sẽ giảm

Thí dụ: các glycosid là những chất phân cực mạnh do phần đường của chúng có nhiều nhóm phân cực (-OH), mạch đường càng dài thì

độ phân cực càng cao Nếu glycosid bị thủy phân cắt mất phần đường, chỉ còn lại phần aglycon thì tính phân cực của aglycon sẽ giảm hẳn

I HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRONG CÂY

Một yếu tố khác ảnh hưởng đến vấn đề chiết xuất là các enzym

có trong cây Trong quá trình chế biến, nếu không khống chế hoạt động của các enzym thì các glycosid có thể bị thủy phân một phần hoặc toàn phần làm thay đổi tính phân cực, do đó thay đổi độ hòa tan của các hợp chất đối với dung môi

II XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU

Việc lựa chọn, thu hái, xác định nguyên liệu mẫu cây cần nghiên cứu là những giai đoạn đầu tiên cần phải tiến hành trong quá trình khảo sát hóa thực vật

Khi thu hái mẫu cây, cần kết hợp với nhà thực vật học để xác định tên khoa học (vì cây thường được gọi bằng tên địa phương rất dễ gây nhầm lẫn) Phải ghi rõ cây thu hái ở vùng nào, thời gian thu hái, độ tuổi của cây Phải ghi rõ người hái hoặc cơ quan giám định cây, và cây hiện được lưu mẫu ở đâu Khi thu hái nguyên liệu phải chú ý loại bỏ các cây sâu bệnh Đối với các bộ phận vỏ, thân, rễ chú ý xem xét kỹ, tránh thu hái cây có mang những sinh vật ký sinh Nhiều trường hợp đã có kết luận sai về thành phần hóa học vì cây có mang những loại nấm ký sinh

II XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU

Thông thường, mẫu cây sau khi thu hái về được rữa sạch, để ráo nước, làm khô tự nhiên trong mát có quạt hoặc nơi thoáng gió Cây có thể được phơi khô ở nhiệt độ phòng hoặc sấy ở nhiệt độ thấp hơn 60oC Không được phơi dưới ánh nắng mặt trời vì tia tử ngoại có thể kích thích phản ứng hóa học, tạo nên những chất giả gọi là artefact, không phải là những hợp chất có thực trong cây.Một vài trường hợp đặc biệt, người ta khảo sát trên cây tươi Trong trường hợp này, cây cần được nhanh chóng xắc nhỏ và ngâm ngay trong dung môi ly trích để tránh quá trình lên men hay phản ứng hóa học

II XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU

Muốn diệt những enzym có sẵn trong cây, có thể thực hiện bằng nhiều cách:

Nhúng mẫu cây vào methanol hoặc ethanol ngay sau khi thu hái.Đối với tinh dầu, cần phải tiến hành ly trích ngay trên mẫu cây tươi để tránh thất thoát do tinh dầu bay hơi

Mẫu cây cần được xay nhỏ để dung môi có thể thấm vào màng tế bào của cây và ly trích những chất biến dưỡng thứ cấp Nếu các chất biến dưỡng thứ cấp trong cây cần ly trích có tính dễ bay hơi hay kém bền nhiệt, có thể bỏ qua giai đoạn xay nghiền, vì quá trình tán nghiền nhuyễn sẽ phát sinh ra nhiệt, làm hao hụt sản phẩm Đôi khi người ta dùng kỹ thuật ngâm đông lạnh mẫu cây (mẫu khô hay mẫu tươi) trong nitơ lỏng, rồi nghiền giã cây trong một cái cối hoặc trong một cái bao bằng polyetylen dày

III DUNG MÔI

Dung môi dùng để chiết xuất các hợp chất thiên nhiên rất đa dạng

và thay đổi theo đặc tính của các hợp chất biến dưỡng muốn ly trích ra Cơ sở để chọn dung môi là tính phân cực của hợp chất trong cây và dung môi

Dung môi phân cực và không phân cực:

• Quá trình hình thành một dung dịch là tùy thuộc vào đặc tính của chất tan và dung môi Để hình thành một dung dịch, trước hết phải có sự phá vỡ các dây nối liên kết trong hợp chất tan

và trong dung môi, để hình thành dây nối liên kết mới giữa chất tan và dung môi Thí dụ ether ethylic và nước

• Hằng số điện môi của nước ở 20oC là 80,4 trong khi ether ethylic là 4,34

• Nguyên tử hydro của phân tử nước có khả năng liên kết với một nguyên tử mang điện tích âm của một hợp chất khác, hình thành dây nối liên kết hydro trong dung dịch nước, trong khi ether ethylic không có sự liên kết này Dây nối hydro hình thành ảnh hưởng lớn đến tính hòa tan của hợp chất đối với dung môi.

• Nước vừa có tác dụng như một acid, vừa là một baz, còn ether

là một baz rất yếu không hoạt động như một acid

Do những đặc điểm trên, nước được xem như một dung môi phân cực mạnh, còn ether ethylic là một dung môi không phân cực

III DUNG MÔI

Độ phân cực của các dung môi thường dùng được sắp xếp tăng dần theo chỉ số phân cực ghi ở bàng 1.

Bảng 1: Các dung môi thường dùng được sắp xếp tăng dần tương đối theo chỉ số phân cực.

Dung môi

Nhiệt độ sôi ( o C)

Hằng số điện môi 

ở 25 o C

Chỉ số phân cực

Độ nhớt (mN.S.m -2 )

Độ tan trong nước (%w/w) Hexan 69 1,9 0,0 0,33 0,001

III DUNG MÔI

Chất tan trong nước và dung môi phân cực

Các chất điện ly như muối vô cơ đều tan trong dung môi phân cực

Chất phân cực: các hợp chất hữu cơ nói chung không ion hóa nhưng nếu chúng có chứa các nhóm hoặc nguyên tử mang điện tích âm có thể hình thành dây nối hydro với nước thì chúng sẽ tan được trong nước

Những nhóm có khả năng tạo dây nối hydro như: -OH, CO, NO, NH2

và các Halogen gọi là nhóm phân cực

Càng có nhiều nhóm phân cực thì phân tử ấy càng dễ hoà tan trong nước Nhưng nếu mạch hydro carbon của phân tử càng dài thì độ hòa tan càng giảm Thực nghiệm cho thấy, 1 nhóm phân cực trong phân

tử có khả năng hình thành liên kết hydro với phân tử nước sẽ làm cho phân tử ấy tan được trong nước nếu mạch carbon của phân tử không có quá 5 nguyên tử carbon hoặc không quá 6 nếu phân tử có thêm mạch nhánh Nhưng nếu phân tử có nhiều nhóm phân cực (2 nhóm trở lên) thì tỉ lệ này giảm xuống: 1 nhóm phân cực ứng với 3 hoặc 4 carbon trong mạch thì phân tử ấy tan được trong nước

III DUNG MÔI

III DUNG MÔI

Chất tan trong ether ethylic và dung môi không phân cực

Các hợp chất hữu cơ không chứa nhóm phân cực gọi là các chất không phân cực Thông thường các chất không phân cực đều tan trong ether ethylic và dung môi không phân cực, không tan trong nước và các dung môi phân cực khác Hầu hết các chất hữu cơ tan trong nước đều không tan trong ether ethylic

Nếu một chất vừa tan trong nước, vừa tan trong ether thì chất đó phải là chất không ion hóa, có số carbon không quá 5, có 1 nhóm phân cực tạo dây nối hydro nhưng không phải là nhóm phân cực mạnh

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

Phương pháp chiết xuất bao gồm việc chọn dung môi, dụng cụ chiết và cách chiết

Một phương pháp chiết xuất thích hợp chỉ có thể được hoạch định khi đã biết rõ thành phần hóa học của cây Mỗi loại hợp chất có độ hòa tan khác nhau trong từng loại dung môi Vì vậy không thể có một phương pháp chiết xuất chung cho tất cả các loại hợp chất trong cây

Lựa chọn phương pháp trích ly để có được cao trích thô là công việc rất quan trọng để tránh phân hủy hợp chất, tránh các phản ứng phụ, các phản ứng chuyển vị

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

Trong cây thường chứa một số cấu tử được xem như chất gây cản trở trong quá trình chiết xuất hoặc tinh chế hợp chất như các diệp lục tố, polyphenol …Đôi khi các chất dùng để bôi trơn dụng

cụ thủy tinh như vaselin, silicon cũng bị nhiễm vào dung dịch ly trích

Có nhiều cách sử dụng dung môi để ly trích mẫu cây Khi cho dung môi chiết vào, dung môi sẽ thấm qua màng tế bào của cây, các hoạt chất trong tế bào sẽ hòa tan vào trong dung môi Khi

đó sẽ xuất hiện một quá trình thẩm thấu giữa dịch chiết trong thành tế bào và dung môi bên ngoài Quá trình thẩm thấu này kết thúc khi có sự cân bằng nồng độ hợp chất của dung dịch bên trong và bên ngoài thành tế bào

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

Như vậy, trong quá trình chiết sẽ xảy ra 2 quá trình:

- Quá trình hòa tan

- Quá trình thẩm thấu

Hai quá trình này thực hiện liên tục cho đến khi quá trình chiết kết thúc Nguyên liệu phải được xay nhỏ đến mức thích hợp để dung môi có điều kiện tiếp xúc trực tiếp với thành tế bào một cách dễ dàng, thúc đẩy quá trình chiết xuất nhanh chóng và nâng cao hiệu xuất chiết

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

Chiết bằng phương pháp ngấm kiệt (Percolation)

Phương pháp ngấm kiệt là một trong những phương pháp trích

ly được sử dụng phổ biến nhất vì không đòi hỏi nhiều thao tác cũng như thời gian

Dụng cụ gồm một bình ngấm kiệt, hình trụ đứng, bằng thủy tinh, ở dưới đáy bình có van khóa để điều khiển tốc độ dung môi chảy ra Khi đã ngâm mẫu cây trong dung môi sau một thời gian nhất định, dung dịch chảy ra được hứng trong một erlen bên dưới, ở trên có một bình lóng chứa dung môi chảy vào bình ngấm kiệt này

Đây là quá trình chiết liên tục, dung môi sau khi đã bảo hòa hoạt chất sẽ được liên tục thay thế bằng dung môi mới Tuy vậy người

ta không thực hiện liên tục mà mẫu cây được ngâm trong dung môi khoảng 1-2 ngày, cho dung môi bão hòa chảy ra rồi mới cho dung môi mới vào tiếp tục thực hiện quá trình trích ly Để khảo sát sự chiết xuất hoàn toàn chưa, người ta thường theo dõi bằng cách lấy dịch trích ly thử với các thuốc thử đặc trưng của hoạt chất cần trích

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

Chiết bằng phương pháp ngấm kiệt (Percolation)

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

Chiết bằng phương pháp ngấm kiệt (Percolation)

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

Chiết bằng phương pháp ngâm dầm (Maceration)

Phương pháp ngâm dầm không hiệu quả gì hơn phương pháp ngấm kiệt, chỉ là ngâm bột cây trong bình chứa bằng thủy tinh hoặc thép không rỉ có nắp đậy Rót dung môi phủ lớp bột cây,

để yên ở nhiệt độ phòng, dung môi sẽ ngấm dần vào nguyên liệu và hòa tan các chất tự nhiên Có thể gia tăng hiệu quả chiết xuất bằng cách khuấy bột cây hoặc dùng máy lắc nhẹ

Sau 24 giờ, dung môi trong bình được rót ra và đổ dung môi mới vào

Đây là sự kết hợp giữa phương pháp ngấm kiệt và phương pháp ngâm dầm Bột cây được cho vào nhiều bình chiết khác nhau, ví dụ

có 3 bình A, B, C Cho dung môi vào bình A, ngâm và lấy ra dung dịch A1, lấy dung dịch A1 để riêng Cho dung môi mới vào bình A, ngâm và lấy ra được dung dịch A2 Lấy dung dịch A2 làm dung môi đầu cho bình B, tương tự như trên có được dung dịch B1 và dung dịch B2 Dung dịch B2 làm dung môi đầu cho vào bình C, quá trình diễn ra tương tự như trên… Như vậy, dung dịch được chiết ra từ bình trước được dùng làm dung môi để ngâm bột cây của bình sau Đây là phương pháp được ứng dụng nhiều trong sản xuất lớn Phương pháp này chỉ khác với phương pháp ngấm kiệt là dịch chiết sau khi lấy ra không theo phương pháp nhỏ giọt mà mở khóa cho chảy thẳng dòng sau khi ngâm một thời gian nhất định

Chiết bằng phương pháp ngấm kiệt ngược dòng

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

Bộ dụng cụ Soxhlet được bán sẵn với nhiều loại kích cỡ Phương pháp có

ưu điểm là chỉ sử dụng một lượng ít dung môi mà vẫn có thể chiết kiệt được hoạt chất Sự ly trích tự động, liên tục nên nhanh chóng.

Muốn biết quá trình chiết đã cạn kiệt chưa, tháo phần ống ngưng hơi, dùng pipet hút lấy vài giọt dung dịch trong bình chứa mẫu cây, nhỏ lên mặt kính hoặc giấy lọc, để dung môi bay hơi hết để lại vết cắn trên bề mặt kính Nếu không thấy vết thì đã chiết kiệt, nếu thấy vết thì phải chiết thêm một thời gian nữa

Nhược điểm của phương pháp này là không chiết được một lượng lớn mẫu cây, nên chỉ thích hợp cho các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Một nhược điểm lớn nữa là trong suốt quá trình chiết, mẫu cây luôn có nhiệt độ bằng nhiệt độ sôi của dung môi nên những hợp chất kém bền nhiệt như carotenoid có thể bị thủy giải, phân giải hoặc tạo các hợp chất artefact.

Chiết bằng Soxhlet

Bột cây và dung môi hữu cơ được chứa trong một bình cầu có gắn ống sinh hàn Đun hoàn lưu trên bếp cách thủy ở nhiệt độ sôi của dung môi Sau một thời gian cần thiết, dung dịch chiết được lấy ra và lọc qua giấy lọc Dung môi mới được đưa vào và chiết thêm 3-4 lần nữa cho đến khi kiệt.

Hiếm khi người ta đun bột cây với dung môi là nước, dù đây là phương pháp trong dân gian vẫn hay dùng để sắc thốc để uống và một số chất cũng tan được trong nước, nhưng vì nước có nhiệt độ sôi cao và áp suất hơi nhỏ nên rất khó cô cạn

Chiết bằng cách đun hoàn

lưu

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT