Nghiên cứu qui trình chiết tách chất màu tự nhiên từ cây cẩm (Peristrophe bilvalvis (L.) Merr.)

Nguyễn Thị Thanh Hƣơng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 23 - 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 23 NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH CHIẾT TÁCH CHẤT MÀU TỰ NHIÊN TỪ CÂY CẨM (Peristrophe bilvalvis (L.) Merr.) Nguyễn Thị Thanh Hương1*, Trịnh Thị Thủy2 1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên 2Viện Hóa học- Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam TÓM TẮT Chất phẩm màu tím đƣợc dùng rộng rãi để nhuộm màu các sản phẩm của dƣợc phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm v.v. Tuy nhiên, việc chiết xuất chất phẩm này từ nguyên liệu có nguồn gốc thực vật chƣa đƣợc quan tâm nhiều ở nƣớc ta. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu về qui trình và điều kiện thích hợp để chiết tách phẩm màu từ cây Cẩm. Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lƣợng chất màu thu đƣợc từ lá lớn gấp 14,45 lần so với từ thân cây. Nguyên liệu để chiết chất màu là chiết từ lá tƣơi đạt hiệu suất chiết chất màu cao gấp gần 2 lần so với chiết từ lá khô. Chiết chất màu từ lá Cẩm bằng nƣớc nóng, nhiệt độ 85-900C trong thời gian 60 phút sẽ có hiệu suất chiết cao gấp 1,94 lần so với phƣơng pháp chiết mẫu thực vật thông thƣờng là chiết lạnh trong dung môi EtOH.  MỞ ĐẦU Chất màu là chất phụ gia rất quan trọng đƣợc dùng không chỉ trong chế biến thực phẩm, mà cả trong công nghiệp mỹ phẩm và dƣợc phẩm. Nhu cầu sử dụng chất màu ở nƣớc ta là rất lớn nhƣng hiện nay nƣớc ta vẫn chƣa sản xuất đƣợc chất màu mà phải nhập từ nƣớc ngoài, chủ yếu là chất màu hóa học từ Trung Quốc[3]. Để phòng ngừa tác hại của chất nhuộm màu hoá học, một trong những con đƣờng hữu hiệu nhất mà các nhà khoa học đã và đang hƣớng tới là chất màu có nguồn gốc tự nhiên. Chất màu có nguồn gốc thiên nhiên thƣờng ít độc hại, màu sắc hấp dẫn, thân thiện với môi trƣờng, phù hợp với xu hƣớng phát triển bền vững hiện nay. Do nguồn tài nguyên quí giá này lâu nay vẫn bị lãng quên nên việc nghiên cứu chiết tách và phát triển chúng thành sản phẩm hàng hóa có triển vọng ứng dụng rất cao. Việt Nam là nƣớc có tiềm năng lớn về nhóm cây nhuộm màu với trên 200 loài, trong đó Chi Peristrophe có 4 loài thuộc họ Ô rô (Acanthaceae) trong đó chỉ có một loài Cẩm (Peristrophe bilvalvis (L.) Merr.). Cẩm là cây  Tel: 0942 058686 thân thảo, mọc hoang và đƣợc trồng ở những nơi ẩm ƣớt [1,2].Thực phẩm đƣợc nhuộm màu từ lá Cẩm có màu đẹp tinh tế, tự nhiên, bền màu trong thời gian dài, không gây mùi vị lạ cho thực phẩm, chƣa thấy có hiện tƣợng độc. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu qui trình chiết, tách phẩm màu tím từ cây Cẩm. Kết quả đã chọn đƣợc điều kiện để thực hiện qui trình chiết, tách thích hợp với điều kiện của Việt Nam. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM Đối tượng Do trong nhóm cây nhuộm màu thì loài cho màu tím là rất ít nên chúng tôi chọn đối tƣợng nghiên cứu là dạng Cẩm tím (Peristrophe bivalvis (L.) Merr., syn. P. roxburghiana (Schult.) Bremex.). Mặt khác Cẩm tím cũng đƣợc trồng nhiều tại Mƣờng Khƣơng, Lào Cai và Mộc Châu, Sơn La. Mẫu khảo sát: +Mẫu Cẩm tƣơi: 100 g lá Cẩm tƣơi +Mẫu Cẩm khô: 100 g lá Cẩm tƣơi phơi cho mất bớt nƣớc rồi sấy bằng quạt thông gió ở 50- 60 0C trong 4 giờ đƣợc nguyên liệu Cẩm khô. Kết quả khảo sát cho thấy cứ 100g lá tƣơi thì thu đƣợc khoảng 20g lá khô. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm Nguyễn Thị Thanh Hƣơng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 23 - 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 24 qui trình chiết tách chất phẩm màu tím từ cây Cẩm Khảo sát phương pháp chiết phẩm màu tím từ nguyên liệu Cẩm tươi và khô - Chiết lạnh: Chiết theo qui trình chiết chất màu anthoxyanin (Thực hiện theo sơ đồ 1) *Mẫu Cẩm tím tƣơi Lấy 100g lá Cẩm tím tƣơi chiết siêu âm theo sơ đồ 1, chiết 3 lần tƣơng ứng với thể tích dung môi lần lƣợt là: 200, 150 và 100 ml với các môi trƣờng chiết nhƣ sau: +Môi trƣờng trung tính: (M1) với dung môi là EtOH 70 0 , pH = 6,5-7 +Môi trƣờng axit: (M2) với dung môi là (EtOH 70 0 , 0,1% CH3COOH), pH = 5-6 *Mẫu Cẩm tím khô Lấy 20g lá Cẩm tím thực hiện chiết mẫu bằng phƣơng pháp chiết lạnh theo sơ đồ 1, chiết 3 lần tƣơng ứng với thể tích dung môi lần lƣợt là: 150, 100 và 80 ml với các môi trƣờng chiết nhƣ sau: +Môi trƣờng trung tính: (M3) với dung môi môi là EtOH 70 0 , pH = 6,5-7 +Môi trƣờng axit: (M4) với dung môi là (EtOH 70 0 , 0,1% CH3COOH), pH = 5-6 -Chiết nóng: Chiết theo qui trình dân gian trong các môi trƣờng khác nhau: Thực hiện chiết mẫu bằng phƣơng pháp chiết nóng theo sơ đồ 2 với các môi trƣờng chiết nhƣ sau: *Mẫu Cẩm tím tƣơi Lấy 100g lá Cẩm tím tƣơi chiết mẫu bằng phƣơng pháp chiết nóng theo sơ đồ 2; chiết 2 lần tƣơng ứng với thể tích dung môi lần lƣợt là: 200 ml và 150 ml với các môi trƣờng chiết nhƣ sau: +Môi trƣờng trung tính:(M5) với dung môi là nƣớc cất, pH ≈ 7 + Môi trƣờng axit: (M6) với dung môi là (nƣớc cất, thêm 0,1%CH3COOH, pH = 5-6). +Môi trƣờng trung tính, với mẫu thân Cẩm: (M7) với dung môi là nƣớc cất, pH ≈ 7 *Mẫu Cẩm tím khô Lấy 20g lá Cẩm tím khô chiết mẫu bằng phƣơng pháp chiết nóng theo sơ đồ 2, chiết 2 lần tƣơng ứng với thể tích dung môi lần lƣợt là: 150 và 100 ml với các môi trƣờng chiết nhƣ sau: +Môi trƣờng trung tính: (M8) với dung môi là nƣớc cất, pH ≈ 7 +Môi trƣờng axit: (M9) với dung môi là (nƣớc cất, 0,1% CH3COOH), pH = 5-6 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ chiết tới hàm lượng chất màu Tiến hành chiết chất màu từ Cẩm tím tƣơi trong nƣớc ở các nhiệt độ khác nhau: 75oC- 80 o C; 85 o C-90 o C; 95 o C-100 oC, chiết 2 lần, thời gian: 30 phút/lần. Các mẫu khảo sát đƣợc ký hiệu là: M12, M13 ,M14..Qui trình đƣợc thực hiện theo sơ đồ 3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiết tới hàm lượng chất màu Tiến hành chiết chất màu từ Cẩm tím tƣơi trong nƣớc ở nhiệt độ 85oC-90oC thực hiện theo qui trình chiết nhƣ sơ đồ 2 với thời gian chiết tƣơng ứng với các mẫu nhƣ sau: +M15: chiết 3 lần: 60-40-20 phút + M16: chiết 2 lần : 40-20 phút +M17: chiết 2 lần : 30-10 phút Khảo sát ảnh hưởng của dung môi chiết tới hàm lượng chất màu Sau khi đã chọn đƣợc phƣơng pháp chiết nóng là phù hợp để thực hiện qui trình chiết chất màu từ lá Cẩm, chúng tôi đã lựa chọn nƣớc và cồn là hai loại dung môi thƣờng đƣợc dùng trong thực phẩm để khảo sát chọn lựa dung môi thích hợp nhất cho qui trình chiết + Môi trƣờng trung tính: (M5) với dung môi là nƣớc cất, pH ≈ 7 + Môi trƣờng axit: (M6) với dung môi là (nƣớc cất, 0,1% CH3COOH), pH = 5-6 + Môi trƣờng trung tính: (M10) với dung môi là EtOH 70 0 , pH = 6,5-7 + Môi trƣờng axit: (M11) với dung môi là (EtOH 70 0 , 0,1% CH3COOH), pH = 5-6 Nguyễn Thị Thanh Hƣơng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 23 - 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 25 Toàn bộ dịch phẩm màu tím sau khi chiết, đem cô trên bếp cách thủy, duy trì nhiệt độ ở 70- 75 0C cho tới khi còn khoảng 1/3 thể tích. Quay cất chân không dƣới áp suất giảm ở 400C thu đƣợc cao phẩm màu tím. Sau đó đƣợc làm khô trong máy đông cô chân không. Sản phẩm thu đƣợc là chất bột màu tím đen dễ hút ẩm, bảo quản trong lọ nút nhám đậy kín. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết quả khảo sát phương pháp chiết chất màu từ mẫu Cẩm tím tươi Hình 1. Kết quả khảo sát phương pháp chiết chất màu Qua kết quả khảo sát ở hình 1 cho thấy hàm lƣợng chất màu trong phẩm Cẩm tím đạt cao nhất khi chiết bằng nƣớc nóng. Với phƣơng pháp chiết lạnh theo qui trình chiết chất màu thông thƣờng thì khối lƣợng chất màu thu đƣợc chỉ bằng 51,5 % so với chiết nóng. Điều này đƣợc giải thích là các chất màu từ cẩm tím dễ tan trong nƣớc nóng. Mặt khác, khi chiết nóng thì dịch chất màu có màu tím đẹp hơn còn khi chiết lạnh bằng cồn thì dịch chiết có màu tím đen do có một phần chlorophyl. Vì vậy để chiết chất màu từ lá Cẩm thì phƣơng pháp chiết nóng bằng nƣớc có ƣu điểm vƣợt trội hơn so với phƣơng pháp chiết lạnh. Kết quả khảo sát nguyên liệu dùng để chiết chất màu từ mẫu Cẩm tím tươi và khô Từ kết quả hình 1 cho thấy khi chiết chất màu từ nguyên liệu Cẩm khô thì hàm lƣợng chất màu giảm nhiều so với Cẩm tƣơi, cụ thể chỉ bằng 76,5% so với chiết từ Cẩm tƣơi. Mặt khác màu thu đƣợc khi chiết từ Cẩm tƣơi có ánh tím đẹp hơn từ Cẩm khô và việc xử lý nguyên liệu khô cũng tốn kém hơn. Bởi vậy, chúng tôi chọn nguyên liệu Cẩm tƣơi để thực hiện qui trình chiết phẩm màu tím từ cây Cẩm. Kết quả khảo sát sự phân bố chất màu trong lá và thân cây Cẩm Nguyên liệu Cẩm khi thu hoạch có tỉ lệ thân dao động từ 42 – 44% và lá từ 56 – 58%.Với mục đích nghiên cứu sự phân bố chất màu trong cây, chúng tôi đã xác định hàm lƣợng chất màu thu đƣợc trong thân và lá Cẩm. Kết quả trong hình 1 cho thấy hàm lƣợng chất màu trong lá Cẩm (%) so với trọng lƣợng lá Cẩm đạt 12,72% gấp 14,45 lần so với hàm lƣợng chất màu chiết từ thân Cẩm (0,88%). Nhƣ vậy, chất màu tím trong cây Cẩm chủ yếu phân bố ở trong lá còn trong thân chủ yếu là xenlulozơ. Qua kết quả khảo sát, chúng tôi chọn lá Cẩm tƣơi là nguyên liệu dùng để chiết phẩm màu tím từ cây Cẩm. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của dung môi chiết tới quá trình chiết chất màu trong cây Cẩm Sau khi xác định phƣơng pháp tốt nhất để chiết chất màu từ cây Cẩm là chiết nóng, chúng tôi tiến hành khảo sát hệ dung môi dùng cho quá trình chiết nhằm tìm đƣợc hệ dung môi tốt nhất. Kết quả khảo sát đƣợc thể hiện ở hình 2 Số liệu ở hình 2 cho thấy khi chiết chất màu từ lá Cẩm tím bằng nƣớc nóng cho hàm lƣợng chất màu cao nhất, còn nếu dùng cồn thực phẩm để chiết thì hiệu suất chiết chỉ bằng 92,2 % so với nƣớc nóng mà giá thành lại đắt gấp 7,5 lần và độc hơn so với nƣớc. Tuy nhiên chiết bằng nƣớc năng lƣợng dùng để cô cạn dung môi sẽ tốn kém hơn nhƣng nếu tính tổng thể vẫn lợi hơn. Vì vậy chúng tôi đã chọn nƣớc uống (nƣớc tinh khiết, pH ≈ 7) để chiết chất màu từ lá Cẩm. 6.54 6.43 6.44 6.23 12.7212.48 0.88 9.73 9.52 0 2 4 6 8 10 12 14 HÀ M LƯỢN G C HẤT M À U M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 Nguyễn Thị Thanh Hƣơng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 23 - 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 26 Hình 2. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của dung môi tới quá trình chiết chất màu Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ chiết tới quá trình chiết chất màu Do đã xác định đƣợc một số điều kiện nhƣ nguyên liệu, phƣơng pháp chiết và dung môi chiết nên chúng tôi áp dụng những điều kiện đã chọn trên và thực hiện qui trình chiết nhƣ sơ đồ 2. Số liệu thu đƣợc ở hình 3. Hình 3: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ chiết tới quá trình chiết chất màu Kết quả ở hình 3 cho thấy khi chiết chất màu tím từ cây Cẩm nếu thực hiện ở 75-80oC thì chất màu ra chậm hơn và thời gian chiết sẽ kéo dài hơn so với khi tăng nhiệt độ. Mặt khác nếu chiết tới lần 3 thì hàm lƣợng chất màu ở lần 3 thu đƣợc chỉ chiếm 0,95%, vậy trong các lần chiết sau chúng tôi chỉ thực hiện chiết 2 lần. Khi thực hiện quá trình chiết ở 85oC-90oC thì gần 78% chất màu đã đƣợc chiết ra ở lần đầu tiên và khối lƣợng chất màu thu đƣợc nhiều hơn so với ở 75oC-80oC. Nếu chiết ở nhiệt độ cao hơn thì khối lƣợng chất màu thu đƣợc lại giảm vì rất có thể do trong quá trình chiết mẫu ở nhiệt độ cao một phần chất màu bị phân hủy. Vì vậy chúng tôi chọn nhiệt độ tối ƣu cho quá trình chiết chất màu từ lá Cẩm là 85 o C-90 oC, và chiết 2 lần sẽ tiết kiệm đƣợc chi phí về thời gian và năng lƣợng.. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiết tới quá trình chiết chất màu Để xác định đƣợc thời gian chiết chất màu phù hợp nhất, chúng tôi đã thực hiện thí nghiệm với 3 mẫu lá Cẩm đều chiết 2 lần bằng nƣớc ở cùng nhiệt độ là 85oC-90oC. Do kết quả khảo sát ở 3.5 cho thấy hàm lƣợng chất màu chiết đƣợc chủ yếu ở lần 1 nên chúng tôi kéo dài thời gian chiết lần 1. Hình 4: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của thời gian chiết tới quá trình chiết chất màu Từ kết quả hình 4 cho thấy: mẫu M16 chiết trong 60 phút, chỉ bằng 60% thời gian chiết M15 nhƣng khối lƣợng chất màu thu đƣợc bằng 99,5% khối lƣợng chiết M15 trong 100 phút. Nếu chiết mẫu M17 ở thời gian ngắn hơn (40 phút) thì lƣợng chất màu giảm 3,1% do chƣa đủ thời gian để chiết chất màu. Vậy chúng tôi chọn thời gian để chiết chất màu từ lá Cẩm là 60 phút, chiết 2 lần, lần 1 chiết 40 phút, lần 2 chiết 20 phút. KẾT LUẬN Bằng các phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng, với 17 mẫu thí nghiệm khảo sát, chúng tôi đã xác định đƣợc các điều kiện tối ƣu để thực hiện qui trình chiết, tách chất màu từ cây Cẩm. Đã chọn đƣợc nguyên liệu dùng để chiết chất màu là lá Cẩm tƣơi. Đã chọn đƣợc phƣơng pháp chiết mẫu bằng phƣơng pháp chiết nóng. Đã xác định đƣợc điều kiện thích hợp cho quá trình chiết mẫu là: chiết trong dung môi nƣớc ở nhiệt độ 85oC-90oC, chiết trong 60 phút và 12.72 12.48 12.44 12.23 11.9 12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 HÀM LƯỢNG CHẤT MÀU M5 M6 M10 M11 1.954 0.565 0.024 1.987 0.566 1.975 0.553 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Khối lượng chất màu M12 M13 M14 Lần 1 Lần 2 Lần 3 2.02 0.56 2.01 0.55 1.9 0.59 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Khối lượng chất màu M15, 100 ph M16, 60 ph M17, 40 ph Nguyễn Thị Thanh Hƣơng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 23 - 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 27 chia làm 2 lần, lần 1:40 phút, lần 2: 20 phút (sơ đồ 2). Từ kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng có thể áp dụng qui trình trên để chiết tách chất màu từ cây Cẩm với qui mô lớn để tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về thành phần hóa học và độc tính của chất màu từ lá cây Cẩm là cơ sở khoa học hƣớng tới sử dụng chúng trong thực phẩm,dƣợc phẩm, mỹ phẩm. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phạm Hoàng Hộ (2000). Cây cỏ Việt Nam, Nxb Trẻ, TP HCM, tr. 70-71. [2]. Nguyễn Thị Phƣơng Thảo, Lƣu Đàm Cƣ và cộng sự, "Xây dựng mô hình cộng đồng góp phần bảo tồn và phát triển nguồn gen cây nhuộm màu thực phẩm của đồng bào dân tộc thiểu số tại xã Mường Khương, tỉnh Lào Cai", Tài liệu kỹ thuật, Hà Nội 12/2006, tr. 49-78. [3]. Nguyễn Thị Thanh Hƣơng,Trịnh Thị Thủy, “Xây dựng mô hình phát triển vùng nguyên liệu cây nhuộm màu thực phẩm tại Mộc Châu-Sơn la và kết quả nghiên cứu ban đầu về thành phần hóa học và hoạt tính sinh học của cây Cẩm”, Tuyển tập báo cáo hội thảo khoa học Câu lạc bộ các trƣờng ĐH Kỹ thuật lần thứ 34, Đồ Sơn 5/2009, tr.136-142. CÁC SƠ ĐỒ BIỂU DIỄN QUI TRÌNH CHIẾT CHẤT MÀU TỪ NGUYÊN LIỆU CÂY CẨM Sơ đồ 1: Qui trình chiết chất màu từ cây Cẩm theo phƣơng pháp chiết lạnh Sơ đồ 2: Qui trình chiết chất màu từ cây Cẩm theo phƣơng pháp chiết nóng Sơ đồ 3: Qui trình chiết chất màu từ Cây Cẩm để xác định nhiệt độ tối ƣu khi chiết Nguyễn Thị Thanh Hƣơng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 23 - 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 28 SUMMARY STUDYING FOR EXTRACTION AND ISOLATION OF NATURAL COLORING FROM PERISTROPHE BIVALVIS Nguyen Thi Thanh Huong1, Trinh Thi Thuy2 1Thai Nguyen University of Technology 2Institute of Chemistry – Vietnam Academy of Science and Technology The purple coloring substance is widely applied to color products of pharmacy, cosmetics, foodstuff etc. However, the extraction of this substance from plant original is not really understood in our country. This article presents a study on the process of extracting purple dye from leaves of purple Peristrophe bivalvis (Cam tim), which was perfectly done in laboratory. The results showed that the dye obtained from leaves 14.45 times greater than from the stem. The material to extract the dye is obtained from fresh leaves extracted pigment efficiency almost two times higher than extracts from dried leaves. Conditions extraction process has been using the method of solvent extraction in hot H2O, maintained at 85-90 0 C in 60 minutes time will be 1.94 times higher extraction efficiency was compared with sample extraction methods conventional plant cold extraction solvent is EtOH. Key words: Peristrophe bivalvias, dye, colorant.  Tel: 0942 058686