Thông số α- CD β- CD γ- CD
Số đơn vị glucose 6 7 8
Công thức phân tử C36H60O30 C42H70O35 C48H80O40
Phân tử khối (g/mol) 972,85 1134,99 1297,14
Chiều cao của lỗ trống (Å) 7,9-8 7,9-8 7,9-8
Ðường kính trong (Å) 4,7-5,3 6,0-6,6 7,5-8,4
Ðường kính ngoài (Å) 14,6-15 15,4-15,8 17,5-17,9
Thể tích lỗ trống (ml/mol) 174 262 472
pKa ở 250C 12,332 12,202 12,081
Nhiệt độ nóng chảy (oC) 275 280 275
Ðộ tan trong nước(g/100ml, 14,5 1,85 23,2
25oC)
Số phân tử nước được ngậm 6-7 10-12 7-13
Tính chất vật lý chung của các CD được thể hiện qua bảng 1.3. Trong đó, kích thước lỗ trống của cyclodextrin liên quan đến khả năng tạo phức bọc. Từ bảng 1.3 ta thấy thể tích lỗ trống trong bộ khung cyclodextrin tăng dần theo thứ tự: α-CD< β-CD < γ-CD.
α-CD thường chỉ bọc khách thể kích thước phân tử nhỏ. γ-CD có thể tích lỗ trống lớn nhất chi phí sản xuất cao nên ứng dụng của nó còn hạn chế. -CD có thể tích lỗ trống trung bình phù hợp với nhiều loại phân tử, chi phí sản xuất thấp nên hiện đang được sử dụng nhiều nhất trong ngành công nghiệp sản phẩm CD.
Tuy độ tan trong nước của β-CD còn thấp hơn so với α-CD và γ-CD nhưng khi bao gói các phân tử khách thể độ tan này sẽ có thay đổi. Một số hợp chất có thể tạo phức không tan với CD trong khi đó số khác có thế tạo phức tan rất tốt, thậm chí tan tốt hơn CD khi chưa tạo phức. Hiện tượng này là do các phân tử được bao gói tương tác với các CD và làm thay đổi hướng quay của chúng. Vì vậy, phức bọc β-CD với các phân tử khách thể được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, đặc biệt trong y học…
1.3.3. Tính chất hóa học của β-CD
Do sự hình thành cấu tạo ghế của các đơn vị glucopyranose nên phân tử β- CD có hình dạng giống như chóp cụt. β-CD có khả năng bao các phân tử khách vào trong lỗ trống của nó nhờ các nhóm hyđroxyl trên phân tử β-CD được sắp xếp
ởcả mặt ngoài và mặt trong của lỗ trống. Mặt trong của lỗ trống là môi trường kị nước có thể giúp β-CD dễ dàng bắt lấy các phân tử khách kị nước [27].
1.3.4. Tính an toàn của β-CD
Các nghiên cứu độc tính đã chứng minh rằng β-CD được hấp thụ bằng đường uống thực tế là không độc hại [27]. Theo danh mục phụ gia được phép sử dụng trong thực phẩm của Bộ Y tế (ban hành kèm theo Thông tư số 27/2012/TT-BYT ngày 30/11/2012) nồng độ β-CD cho phép trong một số thực phẩm như bảng 1.4.
Nhóm thực phẩm Hàm lượng tối đa (Maximum Level- ML)
(mg/kg)
Sữa lên men (nguyên chất) 5
Kẹo cao su 20000
Mỳ ống, mì dẹt đã được làm chín và các 1000
sản phẩm tương tự
Đồ uống hương liệu, bao gồm đồ uống 500
“thể thao năng lượng” hoặc đồ uống “điện giải” và các đồ uống đặc biệt khác
Snack khoai tây, ngũ cốc, bột và tinh bột 500
(từ thân củ, rễ, hạt họ đậu)
Trong dược phẩm bằng cách bao gói các hoạt chất, β-CD giúp tăng hiệu quả trị liệu nên làm giảm độc tính của chất do chỉ sử dụng ở liều thấp nhất. Ngoài ra, khi được bao gói bởi β-CD, các chất hạn chế được sự tiếp xúc trực tiếp với màng sinh học, do đó làm giảm tác dụng không mong muốn và sự kích ứng tại chỗ mà không ảnh hưởng đến hiệu quả trị liệu [28].
1.3.5. Các phương pháp điều chế phức bọc với β-CD [27]
Có nhiều phương pháp đã được áp dụng để điều chế phức bọc với β-CD như phương pháp hòa tan, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp trung hòa, phương pháp nhào, phương pháp nghiền, phương pháp huyền phù đặc…
Sau đây là một số phương pháp tạo phức bọc thông dụng:
Phương pháp đồng kết tủa (Co-precipitation):
Phương pháp này sử dụng khá phổ biến trong phòng thí nghiệm. Để thực hiện phương pháp này thì β-CD cần được hòa tan vào nước. Sau đó, hoạt chất (chất cần được bao gói) được thêm vào khi đang khuấy dung dịch β-CD. Dung dịch thu được trong nhiều trường hợp cần làm lạnh và khuấy trước khi
kết tủa được tạo thành. Kết tủa được thu bằng cách gạn, ly tâm hoặc lọc. Sau đó kết tủa được rửa với một lượng nhỏ dung môi phù hợp.
Phương pháp này cần phải sử dụng một lượng lớn nước; trang thiết bị để chứa, nung nóng, làm lạnh nhưng các liên kết tạo phức lại bền chặt dẫn đến hoạt chất được bao bọc tốt hơn.
Phương pháp nghiền (paste):
Trong phương pháp này, phân tử khách dạng dầu hoặc lỏng được trộn với CD dạng bột nhão có chứa 10-20% nước và CD không được hòa tan, nghiền sau vài giờ, dạng bột nhão tạo thành là phức ở dạng bột.
Nếu trộn phân tử khách với bột CD dạng sệt thì sử dụng lượng dư phân tử khách. Sau khi làm lạnh, lượng dư đó bị loại bỏ bằng cách rửa cẩn thận với dung môi tạo phức yếu.
Như vậy, phương pháp này có ưu điểm là tránh được lượng nước dư trong dung môi, tuy nhiên các liên kết không được bền vững, đòi hỏi thời gian thực hiện lâu.
Điều chế phức trong huyền phù (Extended Co-precipitation):
β-CD được hòa tan vào nước với hàm lượng cao tới 50-60%. Sau đó, khuấy trộn phân tử khách vào β-CD trong dung dịch nước. Sự tạo phức hoàn tất trong 2-24h ở nhiệt độ phòng.
Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Việc khuấy trộn bằng sóng cao tần sẽ cải tiến hiệu suất tạo phức.
1.3.6. Ứng dụng phức bọc β-CD trong công nghệ thực phẩm và dược phẩm
Việc tạo phức bọc với β-CD giúp các phân tử khách (thường là những hoạt chất kém bền) được bảo vệ chống lại các tác nhân oxy hóa, tác dụng ánh sáng, sự phân hủy do nhiệt, sự tự phân hủy, sự mất mát do bay hơi hay thăng hoa. Ngoài ra, việc tạo phức bọc còn giúp giảm mùi vị không mong muốn, giảm việc nhiễm vi sinh, giảm chi phí đóng gói và tăng độ tan của chất trong nước.
1.3.6.1. Trong công nghệ thực phẩm
Bằng phương pháp tạo phức bọc, β-CD giúp loại bỏ thực phẩm mùi và vị đắng của thực phẩm, giúp bảo vệ những chất màu tự nhiên nhạy cảm với ánh sáng, nhiệt độ, axit, kiềm khỏi bị bay hơi, oxy hóa, phân hủy bởi ánh sáng và nhiệt. Do vậy, β-CD ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến thực phẩm và thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp phụ gia thực phẩm.
1.3.6.2. Trong công nghiệp dược phẩm [28]
-CD có khả năng tạo phức hợp bằng các cầu nối không hóa trị với phần lớn các hoạt chất. Nhờ tính chất đa chức năng và đáp ứng sinh học tốt, các -CD đang ngày càng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dược phẩm.
-CD đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ tan của các thuốc kém tan trong nước bằng cách tạo phức hay hệ phân tán rắn. Đối với các thuốc có phân tử khối không thích hợp để tạo phức, -CD sẽ đóng vai trò là một chất ưa nước.
-CD cũng được xem là chất làm tăng tốc độ phóng thích một số hoạt chất khỏi vật liệu bọc (naproxen, ketoprofen, theophylline...)
Bên cạnh đó, -CD còn cải thiện tính thấm của thuốc. CD làm tăng tính thấm của các thuốc ưa béo không tan trong nước bằng cách làm cho thuốc hiện diện tại bề mặt của các hàng rào sinh học như da, màng nhầy, giác mạc từ đó thuốc đi vào trong màng mà không gây phá vỡ các lớp lipid màng.
-CD có thể cải thiện độ ổn định của các thuốc nhạy cảm với các phản ứng dehydrat hóa, thủy phân, oxy hóa và phân hủy bởi ánh sáng, do vậy làm tăng tuổi thọ của thuốc. Trong phức hợp, -CD che chở các thuốc kém bền dưới dạng phân tử và như vậy cách ly chúng khỏi các tiến trình phân hủy.
1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUANĐẾN ĐỀ TÀI ĐẾN ĐỀ TÀI
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Estrella De Castro và cộng sự (2006) đã nghiên cứu sản xuất vi nang lutein bằng kỹ thuật bao gói vi nang. Nghiên cứu này đã khảo sát trên nhiều dung môi dùng để hòa tan lutein trong quá trình điều chế nhũ tương lutein (etyl axetat, propyl axetat, isopropyl axetat, butyl axetat, isobutyl axetat, điclometan) đồng thời tìm vật liệu thích hợp cho việc bao gói lutein. Kết quả cho thấy: dung môi hòa tan lutein tốt nhất là điclometan và các vật liệu bao gói có nguồn gốc từ tinh bột như maltodextrin, cyclodextrin cho hiệu quả bao gói lutein tốt nhất (hiệu suất bọc dao động từ 90 - 95%). Sản phẩm vi nang lutein tạo thành có khả năng hòa tan tốt trong nước, hạn chế sự oxy hóa, giữ nguyên được trạng thái ban đầu sau một khoảng thời gian dài bảo quản [35].
Itaciara Larroza Nunes và Adriana Zerlotti Mercadante (2007) đã tiến hành bao gói lycopen bằng -CD theo phương pháp sấy phun, năng suất trung bình đạt 51%. Sự tạo phức được hình thành khi tỉ lệ mol giữa lycopen: β-CD là 1:4 [36].
B. Ozcelik và cộng sự (2009) cũng đã nghiên cứu tạo vi nang bằng các kỹ thuật bao gói khác nhau như: sấy phun, đông khô, bẫy alginat để tạo lớp vỏ bao bọc bảo vệ β-caroten bên trong. Kết quả nghiên cứu đã đi đến kết luận rằng tạo vi nang β-caroten bằng kỹ thuật sấy phun sử dụng chất nhũ hóa là Tween 80 với vật liệu bao gói là maltodextrin đạt hiệu suất bọc tốt nhất (81%), sản phẩm vi nang β-caroten tạo thành cũng có khả năng hòa tan trong nước cao nhất đạt 87% [37].
Zheng-de TAN và cộng sự (2016) đã tiến hành nghiên cứu quá trình bao gói lutein bằng vật liệu β-CD. Vật liệu được điều chế qua 2 phương pháp là sấy khô và phương pháp đồng kết tủa. Lutein vi nang thu được không độc hại và có khả năng phóng thích lutein tốt hơn [38].
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Trong những năm gần đây hướng nghiên cứu về tách chiết, thu nhận các hợp chất thuộc nhóm carotenoid (như lycopen, lutein, zeaxanthin… ) và ứng dụng chúng trong các ngành thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước:
Bùi Quang Thuật (2010) đã sử dụng hỗn hợp chất mang đặc hiệu β- CD/MD (maltodextrin DE 12) DE1 tỉ lệ 9:1 để bao gói hương cam và hương gừng đạt hiệu suất cố định hương lần lượt là 92,55% và 93,97% [39].
Trần Hải Đăng và cộng sự (2013) đã nghiên cứu điều chế vi nang dầu gấc bằng phương pháp sấy phun. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã khảo sát khả năng tạo vi nang dầu gấc của hệ nhũ tương maltodextrin tại các nồng độ và điều kiện sấy khác nhau [40].
Trần Hải Minh (2016) nghiên cứu thay đổi điều kiện tạo nhũ tương và điều kiện bao gói nhằm cải thiện độ bền màu của sản phẩm lutein vi nang dùng maltodextrin làm vật liệu bao gói [3].
Đặng Gia Hân (2018) cũng đã tiến hành bao gói tinh dầu mang tang bằng β-CD để dùng làm kháng sinh trong nông nghiệp (cụ thể dùng làm kháng sinh cho nuôi trồng thủy sản) [41].
Tác giả Lưu Thái Danh và công sự (2019) đã điều chế thành công phức hợp curcumin-hyđroxypropyl-β-cyclodextrin và phức hợp curcumin- hyđroxypropyl-β-cyclodextrin - tinh dầu nghệ. Các phức hợp này có độ hòa tan trong nước cao hơn hẳn curcumin, đặc biệt là phức hợp curcumin- hyđroxypropyl-β-cyclodextrin - tinh dầu nghệ [42].
Trong dược phẩm có rất nhiều nghiên cứu điều chế vi nang sử dụng vật liệu bao gói β-CD giúp tăng khả năng ứng dụng của các hoạt chất [27],[28].
Trong nước hiện nay vẫn chưa có nghiên cứu nào điều chế vi nang lutein sử dụng β-CD làm vật liệu bao gói. Vì vậy, trong đề tài này chúng tôi thử nghiên cứu bao gói lutein bằng β-CD nhằm bảo vệ lutein khỏi những tác nhân
môi trường tốt hơn. Đồng thời việc khảo sát một số đặc tính hóa – lý của lutein vi nang cũng là cơ sở quan trọng để đánh giá khả năng ứng dụng của sản phẩm trong thực phẩm và dược phẩm.
CHƯƠNG 2.
NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. HÓA CHẤT
-Lutein: tinh khiết trên 92%, được tách chiết và tinh chế từ hoa cúc vạn thọ theo quy trình của tác giả Hoàng Thị Huệ An và cộng sự (2015) [43].
- - cyclodextrin: tiêu chuẩn thực phẩm (tinh khiết trên 96%), của hãng Shandong (Trung Quốc)
- Các dung môi axeton, etanol (EtOH), etyl axetat thuộc loại tinh khiết phân tích của hãng Xilong (Trung Quốc)
-Nước cất 2 lần được chưng cất trên thiết bị cất nước siêu sạch Milli-Q (Merck, Đức) tại Trung tâm Thí nghiệm Thực hành Trường Đại học Nha Trang.
- BHT (Butylated Hydroxy Toluene): thuộc loại tinh khiết phân tích (Merck, Đức)
Tất cả dung môi sử dụng trong quá trình chuẩn bị mẫu đều có thêm 0,1% BHT để chống oxy hóa.
2.2. DỤNG CỤ - THIẾT BỊ
2.2.1. Dụng cụ:
-Cốc thủy tinh có mỏ các cỡ 50; 100; 250 ml (BOMEX, Trung Quốc) -Phễu chiết 125 ml (ISOLAB, Đức)
-Ống nhựa ly tâm đáy nhọn 25; 50 ml (ISOLAB, Đức) -Pipet và micropipet các cỡ
-Syringe thủy tinh 5 ml
-Đầu lọc (chứa màng lọc PTFE 0,45 m) -Bình định mức các cỡ (ISOLAB, Đức)
-Cân phân tích ± 0,1 mg (Satorius, Nhật) -Máy khuấy rung Vortex 2 (IKA, Đức)
-Máy khuấy từ gia nhiệt RCT Basic – 20002620 (IKA, Đức) -Máy ly tâm để bàn EBA21 (Hettich, Đức)
-Tủ sấy chân không VO400(Memmert, Đức) -Máy lắc ổn nhiệt KS 4000 i Control (IKA, Đức)
-Quang phổ kế UV-Vis Libra S50 (BIOCHROM-UK, Mỹ) -Quang phổ kế hồng ngoại Alpha FT-IR (Brucker, Đức)
-Kính hiển vi điện tử quét JEOL 6490 JED 2300 (Jeol, Nhật Bản) - Thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng và nhiệt vi sai (TGA-DTA) của hãng Seterarm (Pháp)
-Máy đo kích thước hạt SZ-100Z (Horiba, Nhật) 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính chất hóa lý của phức bọc tạo bởi -cyclodextrin
2.3.1.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning ElectronMicroscopy, SEM) [29] Microscopy, SEM) [29]
Nguyên tắc: Sử dụng chùm tia electron để chụp ảnh mẫu nghiên cứu. Ảnh đó khi đến màn huỳnh quang sẽ được phóng đại theo yêu cầu.
Chùm tia electron được tạo ra từ catôt (súng điện tử) qua 2 tụ quang sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Chùm electron này được quét đều trên mẫu. Khi chùm electron đập vào mẫu, trên bề mặt mẫu phát ra các electron phát xạ thứ cấp. Mỗi một electron phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi sẽ biến thành một tín hiệu ánh sáng, chúng được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng tối trên màn ảnh. Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm tương ứng trên màn ảnh. Độ sáng tối trên màn ảnh tùy thuộc lượng electron thứ cấp phát ra và tới bộ thu và phụ thuộc vào hình dạng bề mặt
của mẫu nghiên cứu. Đặc biệt do có khả năng hội tụ chùm tia nên chùm electron có thể đi sâu vào trong mẫu, cho phép nghiên cứu cả phần bên trong của vật chất.
Hiển vi điện tử quét thường được sử dụng để nghiên cứu kích thước và hình dạng tinh thể vật chất do khả năng phóng đại và tạo ảnh của mẫu rất rõ nét và chi tiết.
2.3.1.2. Phân bố kích thước hạt
Phân tích kích thước hạt dựa trên nguyên lý tán xạ ánh sáng động học (Dynamic light scattering-DLS). Dựa vào đặc tính vật lý của hệ mẫu, dải hạt đo được từ 0,3 nm – 8 µm. Giới hạn dưới bị ảnh hưởng bởi nồng độ, mẫu tán xạ mạnh hay yếu và sự có mặt của một số hạt kích thước lớn không mong muốn. Giới hạn trên bị ảnh hưởng bởi mật độ của hạt vì DLS được tính toán dựa trên chuyển động Brownian, không phụ thuộc vào trọng lượng hạt.
Điện tích trên bề mặt hạt được phân loại bằng phương pháp đo thế zeta trong mẫu huyền phù. Mẫu được tiêm vào cell dùng một lần và kết quả đo thế zeta được tính từ thế điện di di động của hệ hạt. Thế zeta của mẫu được sử dụng nhiều nhất để xác định độ ổn định của hệ. Giá trị thế zeta lớn chỉ ra rằng