Giáo trình chiết và cô lập các hợp chất tự nhiên, chương 1 các phương pháp chiết xuất hợp chất thiên nhiên

CÁC QUÁ TRÌNH XẢY RA TRONG CHIẾT XUẤT HỢP CHẤT TỰ NHIÊN 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:

CHƯƠNG 1:

CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

HỢP CHẤT TỰ NHIÊN

I. ĐẠI CƯƠNG VỀ HỢP CHẤT TỰ NHIÊN

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 không ăn được Tính chất chữa bệnh của một số thực vật, động vật dần dần được tích lũy thành kinh nghiệm

Thuốc phòng bệnh và trị bệnh hầu hết được điều chế từ 2 nguồn: nguyên liệu và hóa dược Riêng dược thảo, theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới, con số lên tới 20.000 loài, không chỉ các nước Á Đông 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, Đông 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 nguyên liệu và chúng có thể đi bằng con đường tổng hợp Hiện nay, con người vẫn còn tiếp tục nghiên cứu các hoạt chất có cấu trúc mới từ nguyên liệu thiên nhiên rồi từ đó bán tổng hợp ra các dẫn xuất có hiệu quả hơn

II CÁC QUÁ TRÌNH XẢY RA TRONG CHIẾT XUẤT HỢP CHẤT TỰ NHIÊN

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 metabolite)

- Chất trao đổi bậc 2 (chất biến dưỡng thứ cấp: secondary metabolite)

Chất trao đổi bậc 1 là các chất tham gia vào quá trình sinh trưởng của cây như hydrat carbon, lipid và acid amin

Chất trao đổi bậc 2 là các chất mà vai trò chủ yếu của chúng không phải là để nuôi sống và phát triển của cây cỏ Vai trò của chúng còn nhiều vấn đề chưa hiểu biết hết, chúng có thể chỉ hiện diện trong một loài đặc trưng hoặc một nhóm sinh vật, chúng có thể đóng vai trò là chất gây chán ăn cho một số loài động vật như chất dẫn dụ côn trùng; như tác nhân kháng sinh hoặc có khi không có vai trò rõ rệt nào cả…

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

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

- Hydrat carbon

- Lipid và Acid béo

- Acid amin

- Acid hữu cơ

- Hợp chất phenol

- Saponin

- Glycoside

- Alcaloid…

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)

Nói chung các chất tan trong nước (dịch tế bào) là những chất phân cực, còn những chất tan trong dầu hoặc tinh dầu là các chất không phân cực Tính phân cực của mỗi chất khác nhau tùy thuộc vào trọng lượng phân tử (mạch carbon) và các nhóm chức Thông thường mạch carbon càng dài thì tính phân cực càng giảm Về nhóm chức: các nhóm chức

có mang điện tích âm có thể liên kết với 1 nguyên tử hydro của H-O-H để hình thành dây nối liên kết hydro thì gọi là nhóm phân cực

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

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

III 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

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

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

IV DUNG MÔI

Dung môi dùng để chiết xuất các hợp chất thiên nhiên rất đa dạng và thay đổi theo đaặc 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

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 độ sôi ( Nhiệt 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)

Acetate ethyl 77 6,0 4,4 0,45 8,7

III.1 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.2 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

V 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

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

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

V.1 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

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

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

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 Để chiết xuất những hoạt chất tan nhiều trong nước, người ta hay dùng hỗn hợp Methanol-nước hoặc Ethanol-nước

V.6 Chiết bằng phương pháp lôi cuốn hơi nước

Đây là phương pháp đặc biệt dùng để ly trích tinh dầu và những hợp chất dễ bay hơi

có trong cây Dụng cụ gồm một bình cầu lớn để cung cấp hơi nước, hơi nước sẽ được dẫn sục vào bình có chứa mẫu cây, hơi nước xuyên thấm qua mẫu cây và lôi theo những cấu

tử dễ bay hơi; hơi nước tiếp tục bay hơi và được ngưng tụ bởi một ống sinh hàn, ta thu được hỗn hợp nước-tinh dầu Dùng ether dầu hỏa hay ether ethyl để ly trích tinh dầu ra khỏi hỗn hợp trên hoặc để yên một thời gian trong bình lóng sẽ có sự tách giữa 2 pha tinh dầu – nước