Một phương pháp mới tách chiết Fucoidan từ rong nâu

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 123 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC MỘT PHƯƠNG PHÁP MỚI TÁCH CHIẾT FUCOIDAN TỪ RONG NÂU A NEW EXTRACTION METHOD OF FUCOIDAN FROM BROWN SEAWEED Nguyễn Thị Minh Tùy1,Vũ Ngọc Bội2, Nguyễn Duy Nhứt3 Ngày nhận bài: 12/11/2012; Ngày phản biện thông qua: 28/3/2013; Ngày duyệt đăng: 15/5/2013 TÓM TẮT Nhiều phương pháp chiết fucoidan đã được đưa ra với các mục đích nghiên cứu khác nhau. Trong bài báo này, một phương pháp chiết mới nhằm làm tăng độ tinh sạch của fucoidan và nâng cao hiệu suất chiết nhằm nâng cao giá trị rong nâu đã được nghiên cứu. Qui trình được xây dựng đơn giản và hiệu quả ở điều kiện nhiệt độ 900C, thời gian xay 20 phút, pH của dịch chiết là 7, các yếu tố tối ưu được xây dựng trên cơ sở xử lý dữ liệu bằng các phần mềm phân tích số liệu MS.Excel và phần mềm lập trình Pascal. Kết quả cho thấy khối lượng bột fucoidan thu được từ qui trình mới là 63,72g (3,36% so với khối lượng rong khô) và hiệu suất chiết là 88,25% so với fucoidan trong rong nguyên liệu. So với phương pháp chiết trước đây đã công bố là 51,4g (2,57% so với khối lượng rong khô) và hiệu suất chiết là 71,19% so với fucoidan trong rong nguyên liệu. Như vậy, fucoidan thu được từ qui trình mới tinh sạch hơn và hiệu suất cao hơn qui trình đã được công bố trước đây [1], đồng thời tách chiết fucoidan từ rong nâu bằng phương pháp xay chiết có gia nhiệt đưa ra trong nghiên cứu này là chưa từng được công bố trong bất kỳ tài liệu nào. Từ khóa: fucoidan, rong nâu, nấu chiết ABSTRACT Many extraction method of fucoidan was proposed for different study purposes. In this paper, a new extraction methods to increase the purity of fucoidan, extraction yield and to enhance value of brown seaweed has been studied. The process developed simply and effi ciently at conditions 900C temperature, grinding time 20 min, the pH of the extract is 7, optimization factors are built on the basis of data processing by the data analysis software MS.Excel and Pascal program. Results showed that, fucoidan powder weight derived from the new process is 63,72g (3,36% in dry weight) and extraction effi ciency of 88,25% compared with fucoidan seaweed material. Compared with the previous extraction method has announced that 51,4g (2,57% in dry weight) and extraction effi ciency of 71,19% compared with fucoidan seaweed material. So, fucoidan extracted by from new process is more purifi ed and its extraction yield is higher than that of previous published results [1], other hand, extraction methods of fucoidan with ground and heating in this study have not yet offered before. Keywords: fucoidan,brown seaweed, cook extracts 1 KS. Nguyễn Thị Minh Tùy: Lớp Cao học Công nghệ Sau thu hoạch 2010 - Trường Đại học Nha Trang 2 TS. Vũ Ngọc Bội: Khoa Công nghệ thực phẩm - Trường Đại học Nha Trang 3 TS. Nguyễn Duy Nhứt: Viện Nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha Trang I. ĐẶT VẤN ĐỀ Fucoidan là tên được đặt cho một dạng anion polysaccharide chỉ có trong rong nâu. Rong nâu đã được dùng như thực phẩm và thuốc từ cách đây 3000 năm ở Tonga và ít nhất là 2000 năm tại Trung Hoa [9]. Tuy nhiên đến năm 1913 Kyllin mới xác định và mô tả fucoidan là một polysacarit sulfat hoá dị hợp trong mạch có chứa fucose sulfat, fucose chiếm từ 18,6 đến 60%, sulfat chiếm từ 17,7 đến 39,2%, ngoài ra còn có mặt các thành phần đường khác như galactose, glucose, mannose, xylose, và axít uronic [6]. Các công trình nghiên cứu trên thế giới cho thấy fucoidan có hoạt tính chống đông cục máu, kháng khuẩn, kháng virus (kể cả HIV), chống Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2013 124 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG nghẽn tĩnh mạch, chống ung thư, chống viêm khớp, giảm rối loạn lipid máu, chống xơ gan, ức chế miễn dịch [2], [3], [4]. Nhiều phương pháp chiết fucoidan đã được công bố ở Việt Nam cũng như ở nước ngoài. Trong bài báo này, một phương pháp mới tách chiết được fucoidan tinh sạch hơn và hiệu suất cao hơn phương pháp đã được công bố trước đây [1]. Góp phần nâng cao giá trị của rong nâu Việt Nam, tăng cao nguồn dược liệu quý từ fucoidan để ứng dụng làm sản phẩm chức năng, hỗ trợ chữa bệnh cho con người. II. ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Đối tượng và vật liệu nghiên cứu Rong nâu Sargassum polycystum thu từ vịnh Nha Trang, phơi khô tự nhiên đến độ ẩm còn lại từ 17-25%. Hoá chất đã sử dụng gồm: CaCl2 khan, NaOH 1M, etanol 95% (v/v), etanol tuyệt đối, inositol, Trifl uoacetic axit 2M, NaBH4 0,25M, NH4OH 1M, acid acetic 10%, toluen, acetate ethyl, dung dịch Ac2O: pyridin=1:1 (v/v) xuất xứ Trung Quốc. 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1.Phương pháp phân tích - Phương pháp xác định độ ẩm theo TCVN 4295 : 1986. - Phương pháp xác định pH sử dụng thiết bị máy đo pH Hanna HI - 98107. - Phương pháp định lượng fucose: Thủy phân mẫu fucoidan để xác định hàm lượng fucose (và các đường đơn khác): Mẫu fucoidan khô (0,2mg) cho vào ống nghiệm có nút vặn thêm vào 0,02mg inositol, thêm vào 0,3ml TFA 2M, thủy phân 2h ở 1200C. Cho bay hơi đến khô trong dòng khí ở nhiệt độ 400C rồi thêm 0,5ml MeOH cho bay hơi, lặp lại hai lần. Thủy phân mẫu rong đã dùng tách fucoidan để xác định hàm lượng fucose (và các đường đơn khác) trong rong: 30mg rong nâu khô đã được sấy đến khối lượng không đổi ở 600C được cho vào ống nghiệm 10ml có nắp vặn kín. 1ml TFA (trifl uoacetic axít) và 0,9mg myo-inositol được thêm vào, vặn chặt nắp, cho vào tủ sấy 1000C trong 8 giờ. Cho bay hơi đến khô trong tủ sấy hút chân không ở nhiệt độ 400C rồi thêm 0,5ml MeOH cho bay hơi, lặp lại hai lần. Chất khô được dùng để phân tích thành phần đường theo phương pháp sử dụng GC (sắc ký khí). Acetyl alditol hóa các mẫu chất khô thu được sau khi thủy phân: + Cho vào trong ống nghiệm, có chứa sản phẩm đã thủy phân, 0,3ml NaBH4 0,25M vừa pha xong trong NH4OH 1M để yên 30 phút ở 20 0C. Thêm vào hỗn hợp phản ứng 0,5ml acid acetic 10% trong methanol cho bay hơi đến khô, lặp lại lần nữa. Cho vào ống nghiệm 0,5ml MeOH bay hơi đến khô, lặp lại hai lần. + Acetyl hoá các gốc đường bằng 0,2ml dung dịch Ac2O:pyridin=1:1(v/v) ở 100 0C trong 20 phút. Cho bay hơi hỗn hợp phản ứng, thêm vào 0,5ml toluen, cho bay hơi đến khô, lặp lại hai lần. + Chiết sản phẩm đã acetyl hoá bằng acetate ethyl. Xác định thành phần đường với cột không phân cực trên GC-17A shimadzu FID. Chế độ nhiệt: 1600C, giữ 2 phút. Tăng đến 2800C, 100C/phút, giữ 20 phút để rửa cột. Các pic đường sẽ ra hết ở khoảng 7 phút, glucosamine nếu có sẽ ra ở hơn 8 phút [7]. Tiến hành xác định hàm lượng fucose từ các mẫu acetyl alditol bằng sắc ký khí. - Xác định sự có mặt của fucoidan và độ tinh sạch của fucoidan trong sản phẩm. 2.2. Phương pháp xử lý số liệu Các thí nghiệm đều tiến hành 3 lần, kết quả là trung bình chung giữa các lần thí nghiệm. Sử dụng phần mềm Microsoff Excel 2003 và phần mềm lập trình Pascal để xử lí số liệu. 2.3. Bố trí thí nghiệm xây dựng qui trình tách chiết mới Theo công bố của W.A.P. Black (1952), fucoidan được tách chiết ở nhiệt độ, thời gian, pH và tỉ lệ nước rong khác nhau, cho ra lượng fucose trong dịch chiết khác nhau. Fucose là thành phần cơ bản tạo thành phân tử fucoidan. Từ hàm lượng fucose khảo sát sự tương quan giữa các đại lượng và rút ra được yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách chiết fucoidan từ rong nâu [10]. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 125 Từ kết quả cho thấy đại lượng nhiệt độ, thời gian, tỉ lệ nước ảnh hưởng tương quan thuận gần như ngang nhau đối với hiệu suất chiết, riêng pH tương quan ngược và không ảnh hưởng nhiều. Mặc dù yếu tố tỉ lệ rong nước ảnh hưởng đến hiệu suất chiết hơn là pH, nhưng số liệu trên chỉ xét đến sự có mặt của fucose trong dịch chiết, cần phải xét đến yếu tố thu hồi fucoidan từ dịch chiết, vì vậy tỉ lệ rong : nước được cố định là 1: 15, với tỉ lệ này, việc lọc sạch dịch chiết là thuận lợi nhất, chủ yếu của chọn lựa này là để xay được rong trong thùng xay dễ dàng, đồng thời lọc được dịch qua vải lọc và ép hết ra khỏi bã. Như vậy các yếu tố còn lại cần khảo sát để tìm điều kiện tối ưu là pH, nhiệt độ và thời gian. Và đồng thời, mục tiêu của đề tài là xây dựng qui trình chiết fucoidan có hiệu suất cao nhất. Vì vậy các thông số nhiệt độ, thời gian, pH cho hiệu suất cao hơn 60% được sử dụng để triển khai phân tích tương quan với mục đích tìm được tương quan tuyến tính và quan hệ giữa các đại lượng chính xác khi thử lại trên phương trình. Từ cơ sở dữ liệu trên bảng 1. Trích được bảng biểu diễn hiệu suất liên hệ với nhiệt độ, thời gian và pH như sau: Bảng 1. Ảnh hưởng của điều kiện tách chiết đến hiệu suất tách fucoidan theo Black (1952) Nhiệt độ (0C) Thời gian (giờ) pH Tỉ lệ nước:rong Hàm lượng fucose trong dịch chiết (% so với fucose tổng trong rong) 75 1 9,1 9,66 29,6 75 1 2,5 10,34 56,5 70 1 2,3 10,00 51,3 70 1 4,5 9,92 22,2 70 1 2,2 9,78 81,6 100 7 5,8 9,95 61,0 100 7 7,0 19,69 67,8 100 15 7 19,59 77,6 100 7 7 19,62 68,7 Phân tích tương quan bằng MS Excel, chọn tool, Data Analysis, Correlation thu được kết quả trong bảng 2. Bảng 2. Kết quả phân tích tương quan giữa điều kiện và hiệu suất chiết fucoidan Nhiệt độ Thời gian pH Tỷ lệ nước:rong fucose tan Nhiệt độ 1 Thời gian 0,857326 1 pH 0,593122 0,492753 1 Tỷ lệ nước:rong 0,784723 0,783984 0,498483 1 fucose tan 0,507478 0,550514 -0,14395 0,521729 1 Bảng 3. Bảng biểu diễn nhiệt độ, thời gian và pH cho hiệu suất fucoidan cao hơn 60% Nhiệt độ (0C) [T=X1] Thời gian (giờ) [t=X2] pH [p=X3] Hiệu suất chiết [H=Y] 70 1 2,2 81,6 100 7 5,8 61 100 7 7 67,8 100 15 7 77,6 100 7 7 68,7 Phân tích hồi qui tuyến tính H theo T, t, p trong MS.Excel bằng cách chọn tool, Data Analysis, Regression, chọn confi dence = 95%. Kết quả thu được: Signifi cance F= 0,049221 <0,05 như vậy thiết lập được quan hệ tuyến tính giữa H và T, t, p. Phương trình được biễu diễn: Y = -1,64542 X1 + 1,16875 X2 + 6,041667 X3 + 182,3187. (1) Trong đó: 200C<X1(nhiệt độ)<100 0C, 20’<X2(thời gian)<240’, 1<X3(pH)<14. X1, X2 biến đổi mỗi bước nhảy đáp ứng theo thiết bị là 10 0C và 10 phút. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2013 126 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Viết một đoạn chương trình pascal đơn giản để xác định giá trị X1, X2, X3 sao cho Y lớn nhất: X1, X2, X3 sẽ lần lượt nhận được các giá trị có thể có, từng biến đổi giá trị của 3 biến số này sẽ được máy tính dựa vào phương trình (1) để tính ra Y, nếu Y có giá trị lớn hơn 80 máy tính sẽ ghi giá trị X1, X2, X3, Y thành một dòng trên màn hình. Dựa vào tất cả các giá trị của Y, chọn Y lớn nhất sẽ có các giá trị X1, X2, X3 được kết xuất kèm theo. Uses crt; Var X 1 ,X 2 ,X 3 : integer; Y:real; Begin for X 1 :=2 to 10 do for X 2 :=2 to 24 do for X 3 :=1 to 14 do begin Y:=1,64542*X 1 + 1,16875*X 2 + 6,041667*X 3 + 182,3187 ; If (Y>80) and (Y<100) then Begin Write(X 1 ,’ – ‘, X 2 , ‘ – ‘, X 3 , ‘ – ‘, Y :4 :2) ; Writeln ; End ; end; Readln; End. Từ đó thu được giá trị Y lớn nhất là 99,9 khi nhiệt độ = 900C, thời gian = 20 phút và pH=7. Từ kết quả phân tích như trên xây dựng được qui trình chiết mới như sau: Hình 1. Quy trình chiết fucoidan theo phương pháp mới Rong khô Xay chiết Nước:rong = 1:15, pH = 7, T = 900C, t = 20 phút CaCl 2 Bã rongLọc vải Lọc cationit Trung hòa Etanol Kết tủa Sấy khô Fucoidan Thuyết minh quy trình: Tiến hành cân 2 kg rong nâu Sargassum polycystum thu từ vịnh Nha Trang, phơi khô tự nhiên đến độ ẩm còn lại từ 17-25%, cho rong vào nồi nấu, đổ thêm vào nồi 30 lít nước, điều chỉnh pH của hỗn hợp về pH=7. Tiến hành nâng nhiệt nồi nấu đạt 900C, tiến hành xay rong và giữ nhiệt 900C trong 20 phút. Sau đó, tiến hành bổ sung CaCl2 cho đến khi không còn tạo kết tủa (chuẩn độ thử mẫu trước khi kết tủa), khuấy trộn hỗn hợp thêm khoảng 5 phút trong quá trình tạo kết tủa. Tiến hành Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 127 lọc hỗn hợp dịch bằng vải để loại bỏ bã rong và alginate, thu dung dịch. Sau đó, cho dịch chảy qua cột trao đổi cationit để loại bỏ CaCl2 dư, thu dịch qua cột, trung hòa dịch thu được về pH=7 bằng dung dịch NaOH 2M. Tiến hành thêm 2 thể tích etanol 95% (v/v) so với dịch để tủa fucoidan, khuấy mạnh. Sau đó, khuấy kết tủa trong etanol tuyệt đối. Tiến hành sấy khô kết tủa, thu được fucoidan. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Khối lượng bột fucoidan thu được là 63,72g (3,36% so với khối lượng rong khô) và hiệu suất chiết là 88,25% so với fucoidan trong rong nguyên liệu. So với phương pháp chiết trước đây đã công bố là 51,4g (2,57% so với khối lượng rong khô) và hiệu suất chiết là 71,19% so với fucoidan trong rong nguyên liệu, hiệu suất chiết đã được tính toán trên các số liệu qui về khối lượng khô [1]. Phương pháp mới đã làm tăng hiệu suất chiết. Tuy nhiên, cần xác định chất lượng sản phẩm tạo thành. Kết quả phân tích thành phần các đường đơn trong sản phẩm là xylose:fucose:mannose:ga lactose:glucose = 8,5:32,4:12,6:33,5:11,2; fucose chiếm 16,41%. Năm 1999, Régis Daniel và cộng sự đã đưa ra phương pháp nhận biết fucoidan dựa trên HNMR (H-Nuclear Magnetic Resonance) theo đó phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton được coi như một phương pháp đặc trưng để nhận biết fucoidan dựa vào tín hiệu metyl của fucose trong mạch polysaccarit ở vị trí C6. Với điều kiện nhiệt độ phòng đo trong D2O với TMS (Tetrametylsilan) làm nội chuẩn. Tín hiệu từ 1,2 đến 1,5ppm là vùng H-6, tín hiệu từ 5,0 đến 5,5ppm là vùng của H-1 (H-α)của fucoidan. Tín hiệu từ 3,7 đến 4,0ppm là vùng của H-2; 4,15 đến 4,35ppm là vùng của H-3; 4,2 đến 4,7ppm là vùng của H-5; vùng 4,8ppm là của H-4 có nhóm thế sulfat, đồng thời sự có mặt của tín hiệu (vùng 3,7ppm cho thấy sự có mặt của H-4 không có nhóm thế sulfat. Độ dịch chuyển hoá học của proton có gắn với gốc sulfat hoặc có liên kết đường sẽ chuyển về phía trường thấp một khoảng từ 0,6 đến 0,7 ppm). Tín hiệu độ dịch chuyển hóa học từ 1,2 đến 1,5ppm và 5,0 đến 5,5ppm chứng tỏ trong mạch polysaccharide có gốc đường fucose [8]. Đồng thời theo J.P.Joseleau (2001), gốc sulfate vị trí equatorial trong gốc đường fucose cho dao động hồng ngoại tại 820 cm-1, sulfate vị trí axial chi tín hiệu dao động tại 840 cm-1 [5]. Phổ HNMR và IR của sản phẩm đều có đầy đủ các dấu hiệu nhận biết nêu trên của fucoidan, chứng tỏ sản phẩm thu được là fucoidan. Hình 2. Sắc ký đồ của mẫu fucoidan từ loài rong nâu Sargassum polycystum So sánh tín hiệu thể hiện sự có mặt của nhóm sulfate hữu cơ trong gốc đường của fucoidan giữa 2 sản phẩm: sản phẩm chiết trước đây của chúng tôi (A) và sản phẩm trong nghiên cứu này (B) thấy được rất rõ nhóm sulfate trong (B) có tín hiệu mạnh hơn gấp nhiều lần so với (A), đồng thời tín hiệu phổ IR còn là tín hiệu sử dụng cho phương pháp định lượng, vì vậy có thể kết luận độ tinh sạch của (B) rất sạch so với (A). Hình 3. Tín hiệu sulfate của sản phẩm chiết A và B Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2013 128 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG IV. KẾT LUẬN Đối với hợp chất thiên nhiên, tùy theo mục đích sử dụng mà sản phẩm có thể cần ở dạng thô hoặc dạng tinh, do đó mỗi quy trình đều có ý nghĩa riêng của nó. Tuy nhiên, phương pháp mới sử dụng tách chiết fucoidan từ rong nâu được đưa ra trong bài báo này đã làm tăng được độ tinh sạch của sản phẩm và hiệu suất chiết của qui trình so với nghiên cứu trước đây, góp phần lớn vào việc tạo nguồn vật liệu mới cho nghiên cứu các đặc tính và hoạt tính của fucoidan trong tương lai cũng như làm tăng cao giá trị của rong nâu khi thu được nhiều fucoidan tinh sạch hơn. Khối lượng bột fucoidan thu được là 63,72g (3,36% so với khối lượng rong khô). Phương pháp mới đã làm tăng hiệu suất chiết. Thành phần các đường đơn trong sản phẩm là: xylose:fucose:mannose:galactose:glucose = 8,5:32,4:12,6:33,5:11,2; fucose chiếm 16,41%. Xác định được sự có mặt và độ tinh sạch của fucoidan trong sản phẩm bằng phổ NMR và phổ IR. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Bùi Minh Lý, Nguyễn Duy Nhứt, Trần Thị Thanh Vân, Đặng Xuân Cường và các cộng sự khác, 2010. Nghiên cứu fucoidan và công nghệ sản xuất chúng từ rong nâu Việt Nam. Hội nghị khoa học kỷ niệm 35 năm Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam 10/2010. Tiểu ban Các hợp chất có hoạt tính sinh học, 64-74. Tiếng Anh 2. Bui Huu Tai, Nguyen Duy Nhut, Young Ho Kim,2011. An evaluation of the RNase H inhibitory effects of Vietnamese medicinal plant extracts and natural compounds. Pharm Biol, 49,1046. 3. Daisuke Tachikawa, Masaji Nakamizo, Makoto Fujii, 2004. Anti-Tumor Activity and Enhancement of NK Cell Activity by Fucoidan. 12th International Congress of Immunology and 4th Annual Conference of FOCIS. 4. Itoh, Hiroko; Noda, Hiroyuki; Amano, Hideomi; Zhuaug, Cun; Mizuno, Takashi; Ito, Hitosh,1993. Antitumor activity and immunological properties of marine algal polysaccharides, especially fucoidan, prepared from Sargassum thunbergii of Phaeophyceae. i. Anticancer Res, 13(6A), 2045-52. 5. J.P. Joseleau, 2001. A fucoidan fraction from Ascophyllum nodosum. Carbohydrate Research, 336, 155-159. 6. Maria I. Bilan, Alexey A. Grachev, Alexander S. Shashkov, Nikolay E, Nifantiev and Anatolii I. Usov, 2006. Structure of a fucoidan from the brown seaweed Fucus serratus L. Carbohydrate Research, 341, 238-245. 7. Nguyễn Duy Nhứt , 2007. Isolation and characterization of fucoidans from fi ve Sargassum species in South Vietnam, British Library Direct, ạp chí hóa học, 45 (3), 339-343. 8. Régis Daniel, Olivier Berteau, Jacqueline Jozefonvicz and Nicole Goasdoue, 1999. Degradation of algal (Ascophyllum nodosum) fucoidan by an enzymatic activity contained in digestive glands of the marine mollusc Pecten maximus. Carbohydrate Research, 322 (3-4), 291-297. 9. Teas J., Pino S., Critchley A., Braverman L. E., Thyroid, 2004. Variability of iodine content in common commercially available edible seaweeds. 14(10), 836-841. 10. W.A.P. Black,...,1952. Laboratory - Scale Isolation of fucoidan from Brown Marine Algae. J.Sci. Food Agric., 3.