Việc phát hiện và phát triển của các hợp chất cĩ hoạt tính sinh học là một lĩnh vực tương đối mới khi so sánh với sự phát hiện của các hợp chất cĩ hoạt tính sinh học từ các nguồn trên cạn. Do đĩ, trong sự phát triển của lĩnh vực này theo xu hướng mới, thân thiện với mơi trường và bền vững.
Việc sử dụng các kỹ thuật chiết xuất tiên tiến thân thiện với mơi trường cho phép thu được các hợp chất với các quy trình khai thác hiệu quả hơn, đồng thời giảm thiểu việc sử dụng dung mơi độc hại. Tùy thuộc vào các kỹ thuật chiết xuất được lựa chọn, cần phải kiểm tra các tham số chiết xuất đa dạng để nghiên cứu mức độ tan trong dung mơi, nhiệt độ, áp suất, và các thơng số quan trọng khác cĩ thể cĩ ý nghĩa quan trọng đối với kết quả của quá trình chiết xuất. Các chất chiết xuất khác nhau, thu được bằng các điều kiện khác nhau, sau đĩ phải được kiểm tra về hoạt tính sinh học bằng cách thực hiện các phép thử với chức năng hoạt động thích hợp. Mục đích chính của bước này là các hợp chất chiết xuất thu được cĩ tính chất hoạt hĩa như mong muốn. Đặc tính chức năng cần được đánh giá thơng qua việc áp dụng nhanh các xét nghiệm in vitro nhằm hướng tới tìm kiếm các tính chất sinh học. Đề xuất sàng lọc các hợp chất cĩ hoạt tính sinh học từ thiên nhiên được trình bày ở Hình 1.3.
Hình 1.3. Sơ đồ cơ bản đề xuất sàng lọc các hợp chất cĩ hoạt tính sinh học từ thiên nhiên
(Elena Ibađez và cộng sự, 2012).
Nguồn nguyên liệu tự nhiên
Chiết xuất cơng nghệ xanh
Thử nghiệm các hoạt tính sinh học trong in vitro
Phương pháp phân tích tiên tiến Đặc tính, chức năng
Đặc tính hĩa học
Điều kiện chiết xuất khác nhau
Tương quan
Hình 1.4. Những thay đổi trong hệ thống phân cấp phịng chống lãng phí (Ibađez
và cộng sự, 2012)
Hĩa học xanh là làm giảm hoặc loại bỏ việc sử dụng tạo ra các chất độc hại từ các sản phẩm hĩa chất, các quá trình, cải thiện tất cả các loại sản phẩm hĩa chất, các quá trình bằng cách giảm các tác động đối với sức khỏe con người và mơi trường (Hình. 1.4.a). cơng nghệ hĩa học xanh bao gồm tất cả các loại của các quá trình hĩa học, tổng hợp, xúc tác, điều kiện phản ứng, sự phân ly, phân tích và giám sát.
Kỹ thuật xanh là sự phát triển, thương mại hĩa các quy trình cơng nghiệp cĩ tính khả thi về mặt kinh tế, làm giảm nguy cơ gây hại đối với sức khỏe con người và mơi trường. Cả hai “khái niệm xanh” đều liên quan mật thiết tới sự bền vững (Hình. 1.4.b), sẽ khơng làm cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên hoặc gây tổn hại cho các chu kỳ tự nhiên nào.
Những thách thức đưa ra bởi tính cạnh tranh của thị trường và bảo vệ mơi trường tồn cầu hĩa mạnh mẽ yêu cầu đổi mới cơng nghệ. Trong bối cảnh này, sự phát triển của cơng nghệ xanh và việc sử dụng các nguyên liệu tái tạo chiếm một vai trị trung tâm trong quá trình hướng tới thân thiện với mơi trường.
1.1.5.1. Định nghĩa cơng nghệ xanh a b Tái chế Qúa khứ Tương lai Nguồn giảm Xử lý KỸ THUẬT XANH BỀN VỮNG HĨA HỌC XANH Nghiên cứu
Một định nghĩa chung: “Cơng nghệ xanh được dựa trên sự phát hiện và
thiết kế của quá trình khai thác sẽ giảm mức tiêu thụ năng lượng, cho phép sử dụng các dung mơi thay thế và các sản phẩm tự nhiên tái tạo, đảm bảo an tồn trong chiết xuất cho chất lượng sản phẩm cao”(Chemat và cộng sự, 2012).
Ba giải pháp chủ yếu đã được xác định để thiết kế và chứng minh chiết xuất xanh trên phịng thí nghiệm và quy mơ cơng nghiệp để tiếp cận một tiêu thụ tối ưu của các nguyên liệu, dung mơi và năng lượng:
(1) Cải thiện và tối ưu hĩa các quy trình hiện cĩ; (2) Sử dụng thiết bị khơng dành riêng;
(3) Khơng chỉ đổi mới trong các quy trình và thủ tục mà cịn trong việc khám phá các dung mơi khác.
1.1.5.2. Sáu nguyên tắc của cơng nghệ xanh
Việc đề ra “sáu nguyên tắc của cơng nghệ xanh trong chiết xuất sản phẩm tự nhiên” được xem như là một tiêu chuẩn, điều lệ để thiết lập một nhãn hiệu xanh, sáng tạo là một sự phản ánh để đổi mới của ngành cơng nghiệp và nghiên cứu của các nhà khoa học khơng chỉ trong một qui trình mà cịn trong tất cả các khía cạnh chiết xuất rắn-lỏng (Chemat và cộng sự, 2012).
Nguyên tắc 1: Đổi mới bằng cách chọn giống và sử dụng tài nguyên thực vật tái tạo.
Nguyên tắc 2: Sử dụng dung mơi thay thế chủ yếu là nước hoặc dung mơi được chiết xuất cĩ nguồn gốc từ nơng nghiệp .
Nguyên tắc 3: Giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách phục hồi năng lượng và sử dụng cơng nghệ tiên tiến.
Nguyên tắc 4: Sản xuất đồng sản phẩm thay vì lãng phí, bao gồm các ngành cơng nghiệp sinh học và nơng nghiệp lọc dầu.
Nguyên tắc 5: Giảm hoạt động đơn vị cĩ lợi cho quá trình kiểm sốt, nhanh chĩng và an tồn.
Nguyên tắc 6: Mục tiêu cho một chiết xuất khơng biến tính và phân hủy sinh học khơng gây ơ nhiễm.
1. Nguyên tắc 1: Đổi mới do lựa chọn giống và việc sử dụng tái tạo tài nguyên thực vật (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhu cầu ngày càng tăng của các sản phẩm tự nhiên và chiết xuất được dẫn đến việc khai thác các nguồn tài nguyên thực vật tự nhiên. Một số ví dụ báo cáo về tuyệt chủng thực vật ; việc bảo tồn đa dạng sinh học là do bắt buộc, thể hiện sự tơn trọng của các thế hệ tương lai. Trong khai thác xanh, nguồn lực đầy đủ tái tạo phải được ưu tiên, thâm canh hoặc in-vitro phát triển của các tế bào thực vật và sinh vật in vitro.
Một phần tư các loại thuốc hiện nay được chiết xuất từ thực vật, paclitaxel chống ung thư (Taxol ®) chiết xuất từ vỏ của thủy tùng tây (Taxus brevifolia) là ví dụ nổi tiếng nhất. Trong những năm 1970 khơng dưới 30 tấn vỏ cây được thu thập cho các thử nghiệm lâm sàng: 10 kg vỏ khơ chỉ sản xuất 1 g taxol sau khi khai thác và tinh chế.
Một số lượng lớn các dự án nghiên cứu đã do đĩ được nhắm vào việc tìm kiếm giải pháp thay thế để tránh chặt cây của các lồi bị đe dọa này. Từ năm 1980 paclitaxel và docetaxol (Taxotere ® ) được chuẩn bị bởi semisynthesis từ tiền thân tự nhiên, 10 deacetylbaccatine III, được chiết xuất từ cây kim, ngành (tài nguyên tái tạo) của các lồi cây thủy tùng khác nhau. Hình 1.5. trình bày theo hướng cơng nghệ xanh để docetaxol thay vì thơng thường sử dụng tài nguyên thực vật khơng tái tạo.
Hình 1.5. Docetaxel thay thế paclitaxel
Các quy mơ lớn thu hoạch khơng kiểm sốt các nguồn tài nguyên tự nhiên nên mang nguy cơ làm cho các lồi trở nên quý hiếm hoặc thậm chí tuyệt
chủng. Harpagophytum hay “mĩng vuốt quỷ” là một trường hợp điển hình; nĩ được săn lùng rất nhiều bởi các phịng thí nghiệm dược phẩm để điều trị bệnh thấp khớp. Harpagophytum chỉ mọc ở sa mạc Kalahari (Namibia), và với 600 tấn xuất khẩu mỗi năm thì khả năng tuyệt chủng là nhiều hơn. Sự xuất hiện tự nhiên của (-) - alpha-Bisabolol (Hình1.6.) là chủ yếu từ cây candeia (Eremanthus
erythropappus(DC) MacLeish) mọc trong rừng nhiệt đới Đại Tây Dương của
Brazil, ở phía nam của nhà nước Minas Gerias. Các nguồn cung cấp bền vững của dầu candeia đang bị đe dọa nghiêm trọng . SYMRISE, Revlon và Rossman nằm trong số 187 cơng ty đã tung ra các sản phẩm mỹ phẩm cĩ chứa chất alpha- Bisabolol trong hai thập kỷ qua. Trong một động thái để tích hợp tính bền vững vào chiến lược cĩ trách nhiệm với xã hội của mình, SYMRISE gần đây đã quyết định ngừng Bisabolol tự nhiên thu hoạch từ cây candeia. Các lồi khác, chẳng hạn như gỗ đàn hương và gỗ hồng mộc, cũng đang bị khai thác và cĩ thể bị tuyệt chủng. Khi áp dụng một chính sách khai thác xanh, sự lựa chọn phù hợp là sử dụng các nhà máy chỉ canh tác và khơng lấy thực vật từ mơi trường sống tự nhiên của chúng; chỉ các loại cây trồng cĩ kiểm sốt cĩ thể gĩp phần bảo tồn đa dạng sinh học. Một nỗ lực lớn trong chọn lọc tự nhiên giống với nồng độ cao hơn nhiều của các thành phần hoạt động.
Hình 1.6. (-) - alpha-Bisabolol ( trái ) và artemisinin ( bên phải ).
Một ví dụ đề là sản xuất của artemisinin, một chất chống sốt rét phân lập từ cây ngải hàng năm, Artemisia annua L., cĩ nguồn gốc từ châu Á.
Một cơng nghệ "tách hoạt chất sinh học thực vật" mới đã được phát triển để sản xuất và khai thác các chất cĩ lợi mà khơng phá hủy nhà máy. Cây được trồng trong nhà kính trong mơi trường lỏng và được kích thích bài tiết của các chất qua rễ, trong mơi trường nuơi cấy được kích hoạt bởi vật lý, hĩa học hoặc sinh học. Sau đĩ các chất này được thu thập bằng cách chiết xuất và tinh chế các phương pháp tiêu chuẩn. Quá trình và các nguyên tắc hoạt động này được hướng vào sản xuất thực vật quý hiếm, nhưng việc tổng hợp hĩa chất là rất khĩ khăn và tốn kém (Hình 1.7.). “Nhà máy tách hoạt chất sinh học
thực vật” là một con đường để sản xuất tơn trọng đa dạng sinh học. Trong trường hợp này, sản lượng thu hoạch của các chất chuyển hĩa thứ cấp nhiều hơn ba lần trong hơn một năm so với chiết xuất từ các nhà máy trồng với diện tích bề mặt bằng đã thu được.
Hình 1.7. Cơng nghệ tách hoạt chất sinh học từ thực vật (Chemat và cộng sự, 2012) Kết quả tốt cũng đã được thu được với vườn rue (Ruta graveolens), trong đĩ cĩ
furocoumarins, chất được sử dụng để điều trị eczema và bệnh vẩy nến. Trong trường hợp của cây thủy tùng, phương pháp thu hoạch mới này "vắt hoạt chất sinh học từ thực vật", số lượng, sản lượng thu hoạch của paclitaxel lớn hơn nhiều so với các phương pháp thu hoạch truyền thống. Nếu chúng ta cĩ thể quản lý để sử dụng kỹ thuật này trên một quy mơ lớn, một vài trăm nhà kính sẽ đủ để đáp ứng nhu cầu thế giới đối với paclitaxel trong một năm (Chemat, 2011).
2. Nguyên tắc 2: Sử dụng dung mơi thay thế chủ yếu là nước hoặc dung mơi được chiết xuất cĩ nguồn gốc từ nơng nghiệp.
Hầu hết các dung mơi hữu cơ đều dễ cháy, dễ bay hơi, thường độc hại, chịu trách nhiệm cho tình trạng ơ nhiễm mơi trường và hiệu ứng nhà kính. Tính an tồn, bảo vệ mơi trường và các khía cạnh kinh tế đang buộc ngành cơng nghiệp chuyển sang sử dụng dung mơi xanh hơn.
Trong số các dung mơi xanh từ nơng nghiệp, dung mơi sinh học đĩng một vai trị quan trọng cho việc thay thế các dung mơi hĩa dầu. Đĩ là một nguồn tài nguyên tái tạo được sản xuất từ biomasses như gỗ, tinh bột, dầu thực vật hoặc hoa quả. Những dung mơi cĩ điện dung mơi cao, cĩ thể phân hủy, khơng độc hại và khơng cháy, hạn chế là do chi phí, độ nhớt cao, nhiệt độ sơi cao.
Ethanol là phổ biến nhất dung mơi sinh học, thu được bằng quá trình lên men của vật liệu giàu đường như củ cải đường và ngũ cốc. Mặc dù nĩ là chất dễ cháy và nổ tiềm ẩn, ethanol được sử dụng trên một quy mơ lớn bởi vì nĩ là dễ dàng cĩ sẵn trong độ tinh khiết cao, giá thành thấp và nĩ là hồn tồn phân hủy sinh
học. Trong trường hợp này của nơng nghiệp, dung mơi sinh học, chúng ta cũng cĩ thể tìm tecpen chiết xuất từ cây thơng (α-pinen) hoặc trái cây họ cam quýt ( d - limonene). Bởi vì phân cực thấp và điện mơi rất cao, d -limonene cĩ thể được sử dụng để tách chất béo và dầu (Virot và cộng sự, 2008).
Methyl ester của acid béo của dầu thực vật (đậu nành, ca cao và hạt cải dầu) cũng cĩ thể thay thế các dung mơi hĩa dầu. Bên cạnh đĩ là khả năng phân hủy và khơng độc hại, methyl este của axit béo khơng phát thải VOC (hợp chất hữu cơ dễ bay hơi).
Glycerol, một sản phẩm phụ từ các chuyển vị este dầu thực vật, rất phổ biến trong ngành cơng nghiệp mỹ phẩm như một dung mơi cho ngâm các loại thảo mộc và gia vị. Ví dụ, trong trường hợp của chiết xuất artemisinin, bằng cách sử dụng chất lỏng ion, hợp chất tinh khiết thu được sau khi kết tủa đơn giản (Lapkin, 2006).
Một sự đổi mới gần đây, khai thác xanh địi hỏi sử dụng cyclodextrins trong giải pháp cho khả năng tạo thành phức hợp. Việc chiết xuất với sự hỗ trợ siêu âm từ rễ cỏ của Polygonum cuspidatum đã được thực hiện và thu được polyphenol cĩ hiệu quả cao của β-cyclodextrin (1.5%) trong nước. Các đặc tính bao gồm chọn lọc cyclodextrins chiết hợp chất phenol đã được phân tích sạch hơn nhiều nếu so với thu được với methanol. Nhờ hợp chất phenol đĩng gĩi, chiết xuất này cho thấy phân tán nước tốt, độ ổn định cao và giàu hoạt chất chống oxy hĩa (Mantegna, 2012).
Chiết xuất với CO2 siêu tới hạn đã được phát triển từ những năm 1970 và bây giờ đã đạt đến một giai đoạn trưởng thành. Sử dụng kỹ thuật đã này thu được nước hoa tinh khiết, nước hoa và các hoạt chất thu được khơng cĩ dấu vết của dung mơi. CO2 là một chất khí khơng mùi khơng cháy được sản xuất trong việc đốt các nhiên liệu hĩa thạch, bởi quá trình lên men rượu và cũng thơng qua hơ hấp của con người và động vật. Kỹ thuật khai thác CO2 siêu tới hạn sử dụng khí nén ở áp suất lên tới 300 MPa ở nhiệt độ vừa phải (30-40°C), để thay thế các dung mơi hữu cơ như hexane. Nĩ được sử dụng cho các hợp chất phân cực yếu của trọng lượng phân tử thấp như carotenoids, triglycerides, axit béo, hương liệu,... Những nhược điểm chính vẫn cịn đầu tư ban đầu cao và khĩ khăn để thực hiện liên tục (Herrero, 2006).
Vi sĩng là kỹ thuật khai thác mới được sử dụng để chiết xuất tinh dầu, sắc tố và chất chống oxy hĩa. Dựa trên nguyên lý tương đối đơn giản, phương pháp này cũng bao gồm việc đặt các nguyên liệu thực vật trong một lị phản ứng vi sĩng,
mà khơng cần thêm bất kỳ dung mơi nào hoặc nước. Quá trình nung nĩng nước tại chỗ bên trong tế bào thực vật và dẫn đến sự phá vỡ của các tuyến chứa oleiferous. Các hoạt động nhiệt của lị vi sĩng do đĩ giải phĩng dầu và nước được chuyển giao từ bên trong ra bên ngồi của các nguyên liệu thực vật.
3. Nguyên tắc 3: Giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách thu hồi năng lượng và sử dụng cơng nghệ đổi mới
Chiết xuất bị ảnh hưởng đặc biệt bởi các yếu tố mơi trường và kinh tế địi hỏi phải cĩ một sự giảm lớn về tiêu thụ năng lượng và chất thải sản xuất. Cĩ bốn cách để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng: tối ưu hĩa các quy trình hiện cĩ, phục hồi năng lượng giải phĩng trong quá trình khai thác, tăng cường hỗ trợ các quy trình hiện cĩ và một quá trình đổi mới đầy đủ.
Chưng cất bằng nước là một phương pháp cổ xưa để chiết xuất tinh dầu. Nĩ được sử dụng trên tồn thế giới vì tính đơn giản nhưng địi hỏi tiêu thụ năng lượng cao để sưởi ấm và làm mát. Nĩi chung, sưởi ấm kéo dài ở nhiệt độ cao cĩ thể làm giảm chất lượng của dầu thiết yếu của sự hình thành của các sản phẩm phụ khơng mong muốn.
Giảm tiêu thụ năng lượng cĩ thể đạt được bằng cách hồi phục sức nĩng giải phĩng trong quá trình ngưng tụ hơi nước. Một mẫu của thiết bị bay hơi sinh thái cĩ thể phục hồi lên đến 55% năng lượng được phát triển ở miền Nam nước Pháp cho hơi nước chưng cất của hoa oải hương. Việc tiết kiệm tổng thể về năng lượng nhiệt vào khoảng 80% và khơng cĩ ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm.
Siêu âm hỗ trợ chưng cất bằng nước cĩ thể gĩp phần tăng cường và nâng cao hiệu quả khai thác dầu và làm giảm đáng kể thời gian khai thác và sử dụng năng lượng (Sawamura, 2010). Siêu âm hỗ trợ chưng cất bằng nước đã được sử dụng để chiết xuất tinh dầu của yuzu, một loại trái cây họ cam quýt Nhật Bản. Với sản lượng khai thác quá trình này là cao hơn so với các phương pháp thơng thường 44%. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});