Nghiên cứu tách curcumin từ củ nghệ vàng bằng phương pháp trích ly siêu âm

52 Tạp chí Hóa học, T. 45 (ĐB), Tr. 52 - 57, 2007 NGHIÊN CứU TáCH CURCUMIN Từ Củ NGHệ VàNG BằNG PHƯƠNG PHáP TRíCH LY SIÊU ÂM Đến Tòa soạn 15-11-2007 Trần Trung Kiên, Nghiêm Xuân Sơn, Phùng Lan Hơng, Phạm Văn Thiêm Bộ môn Quá trình Thiết bị Công nghệ Hóa-Thực phẩm, Tr/ờng Đại học Bách khoa H2 Nội Summary The paper presents the first results of study on isolation of curcumin from curcuma longa L. by ultrasonic extraction. The results show that by using ultrasonic technique the extraction efficiency in comparison with the solid-liquid extraction with stirring and thermal treatment will be increased and in the other hand the extraction time will be reduced nearly 90%. In addition, ultrasonic extraction results in reducing cost and decomposed curcumin significantly due to the thermal treatment. This method requires only simple manipulation and equipments, and could be applied on pilot and industry scale. Keywords: curcumin, curcuma longa. L, ultrasonic extraction. I - Mở đầu Curcumin C21H20O6 l một hỗn hợp của ba curcuminnoit có tên l curcumin, demetoxy- curcumin v bisdemetoxycurcumin, đ'ợc chiết ra từ củ nghệ vng (tên khoa học Curcuma longa L., thuộc họ gừng) rất phổ biến ở ấn Độ v Đông Nam á. Hoạt chất curcumin đ9 đ'ợc chứng minh l ẩn chứa những hoạt tính sinh học đặc biệt, có tác dụng sinh học rất quí, có khả năng chữa các bệnh nan y: chống oxi hóa [1], phòng v chống ung th' [2], chống viêm [3], chữa bệnh tim mạch [4], bệnh đái tháo đ'ờng [5] v bảo vệ tế bo thần kinh [6]. Việc nghiên cứu ph'ơng pháp tách chiết curcumin với hiệu suất v chất l'ợng cao từ củ nghệ vì thế l một h'ớng nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng cả về mặt khoa học lẫn ứng dụng thực tiễn trong sức khỏe đời sống. Các nghiên cứu cho tới nay đ9 áp dụng cả công nghệ truyền thống l trích ly rắn - lỏng thông th'ờng (có hoặc không có khuấy trộn), trích ly shoxlet [8], lẫn công nghệ hiện đại l trích ly CO2 siêu tới hạn [7, 10, 11]. Tuy nhiên do hm l'ợng curcumin trong củ nghệ nhỏ v khả năng ho tan trong các dung môi thông dụng (etanol, metanol,) thấp nên quá trình trích ly truyền thống th'ờng kéo di 8 ữ48 h, ở nhiệt độ 50oC ữ70oC v hiệu suất trích ly cũng không cao. Kết quả khảo sát tại một số cơ sở sản xuất trong n'ớc cho thấy quá trình trích ly curcumin phải kéo di nhiều giờ, l'ợng curcumin trích ly đ'ợc nhỏ hơn 1% với dung môi etanol v nhỏ hơn 2% với dung môi metanol. Trích ly curcumin theo ph'ơng pháp CO2 siêu tới hạn cho kết quả khá tốt, hiệu suất trích ly v độ tinh khiết cao. Tuy nhiên chi phí cho ph'ơng pháp ny quá đắt, không phù hợp với thực tế sản xuất ở Việt Nam hiện nay. Để khắc phục những hạn chế trên đ9 có một số h'ớng nghiên cứu nh': - Tăng nhiệt độ trích ly dẫn đến tăng hiệu suất trích ly, rút ngắn thời gian nh'ng lại khiến curcumin phân huỷ mạnh: l'ợng curcumin phân huỷ ở 50oC l 2% v ở 70oC l 4% [7]. 53 - Tiến hnh trích ly nhiều bậc có thể thu triệt để l'ợng curcumin, tăng hiệu suất trích ly nh'ng cũng tăng thời gian v hm l'ợng tạp chất lên nhiều lần. - Tiến hnh trích ly curcumin với các dung môi khác nhau [9]: trong đó một số dung môi nh' natri butyl mono glycol sunfat, natri salicylat cho phép trích ly curcumin khá triệt để với độ chọn lọc cao. Tuy nhiên quá trình trích ly vẫn mất nhiều thời gian, các loại dung môi trên không phổ biến, chi phí cao v có tính độc không thật sự phù hợp với quá trình trích ly các chất phục vụ công nghiệp d'ợc v thực phẩm. Bi báo ny ứng dụng sự hỗ trợ của sóng siêu âm vo quá trình trích ly curcumin từ củ nghệ. Siêu âm l một ph'ơng pháp không sử dụng nhiệt có tác dụng phá vỡ cơ học thnh tế bo v nâng cao hiệu quả chuyển khối. Ưu điểm ny đ'ợc ứng dụng vo trích ly để hỗ trợ sự phá hủy tế bo nhanh hơn v hiệu quả hơn so với trích ly khuấy trộn. So với các ph'ơng pháp không gia nhiệt khác nh' áp suất thủy tĩnh cao (HP), khí nén CO2 (cCO2) v CO2 siêu tới hạn (ScCO2), siêu âm dễ dng thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, cho kết quả có tính lặp lại cao phù hợp với việc chuyển qui mô. ý t'ởng sử dụng siêu âm còn nhằm giảm công đoạn xử lý nguyên liệu đầu, giảm đáng kể thời gian trích ly, không phải gia nhiệt m không lm giảm hiệu suất trích ly dẫn đến giảm chi phí đáng kể. Có thể thấy đây l một kết quả ban đầu rất đáng khích lệ để tiến tới nghiên cứu cải tiến đ'a ra một công nghệ tối 'u trích ly curcumin từ củ nghệ ở qui mô bán sản xuất v công nghiệp. II - Nguyên liệu, thiết bị v, phơng pháp nghiên cứu 1. Nguyên liệu nghiên cứu ở n'ớc ta, nghệ vng đ'ợc trồng nhiều ở Bắc Giang, Khoái Châu, H'ng Yên, Cần Thơ, vì thế chúng tôi sử dụng nguyên liệu l củ nghệ khô lấy từ Bắc Giang với 2 kích th'ớc khác nhau: dạng bột v dạng lát dy 3 mm. Dung môi trích ly: etanol 90O Dung môi, hóa chất phân tích: dung dịch đệm phosphate 0,02 M pha theo DĐVN III tập 1, metanol HPLC, axeton nitril HPLC. 2. Thiết bị Hệ thống trích ly có khuấy trộn tại Phòng thử nghiệm Trung tâm Giáo dục v Phát triển sắc ký Tr'ờng Đại học Bách khoa H Nội. Thiết bị siêu âm: thiết bị siêu âm của h9ng Telsonic (Thụy Sĩ) loại TPC-280. Thiết bị sắc ký HPLC: máy sắc ký HPLC Agilent 1100, Detector: UV-VIS, cột pha đảo RP - C18 25 cm, đ'ờng kính trong 4 mm, kích th'ớc hạt nhồi 5 mm. 3. Ph ơng pháp nghiên cứu Trích ly th'ờng có khuấy trộn: Thời gian trích ly l 8 giờ, nhiệt độ l 60oC, dịch trích thu đ'ợc đ'ợc xử lý tiếp nh' dịch trích ở quá trình trích ly siêu âm (hình 1). Trích ly siêu âm: Sóng siêu âm có tác dụng khuấy trộn mạnh, lm di chuyển các lớp chất lỏng tạo ra sự chênh lệch nồng độ ở bề mặt phân cách các pha do hiệu ứng chảy âm v hiệu ứng tạo lỗ hổng, tăng c'ờng độ khuếch tán đối l'u. Tần số siêu âm cao thì sự khuấy trộn cng mạnh. Nh'ng tần số sóng siêu âm lớn sẽ lm cho vật liệu bị xé nhỏ, tạo điều kiện cho các tạp chất sẽ hòa tan trong dung môi. Do đó với mỗi vật liệu đòi hỏi một dải tần số sóng thích hợp nên chúng tôi đ9 thử nghiệm trích ly siêu âm với 3 tần số khác nhau: 35 KHz, 25 KHz, 20 KHz. Thời gian trích ly l 10, 15 v 20 phút, nhiệt độ l 28oC. Các mẫu nghệ đ'ợc ngâm trong dung môi theo tỷ lệ 1:6 v đ'a vo bể siêu âm để trích ly theo các thời gian v tần số trên. Ton bộ quy trích tách curcumin tiếp theo đ'ợc tóm tắt trong sơ đồ hình 1. Định l'ợng curcumin theo [12]: B'ớc sóng phát hiện 425 nm, vận tốc dòng 0,6 ml/phút, thể tích tiêm 20 àl. III - Kết quả v, thảo luận Kết quả thử nghiệm đ'ợc trình by trên hình 2 v 3. Hình 2 l kết quả trích ly curcumin từ nghệ lát dy 3 mm, chỉ ra sự ảnh h'ởng của thời gian 54 Hình 1: Quy trình tách curcumin v tần số đối với hiệu suất trích ly bởi ph'ơng pháp trích ly siêu âm, có so sánh với ph'ơng pháp trích ly rắn lỏng có khuấy v gia nhiệt. Kết quả t'ơng tự trên hình 3 đối với trích ly curcumin từ bột nghệ. Khảo sát sơ bộ các số liệu cho thấy thời gian trích ly thích hợp l 15 phút, giảm 192 lần so với trích ly thông th'ờng không khuấy trộn ở cùng điều kiện nhiệt độ, giảm 32 lần (giảm hơn 90%) so với tr'ờng hợp có khuấy trộn v gia nhiệt. Hiệu suất thu đ'ợc từ trích ly siêu âm còn cao hơn trích ly th'ờng có khuấy trộn v gia nhiệt. Kết quả ny, cộng với việc loại bỏ thao tác gia nhiệt không những lm tăng năng suất quá trình trích ly m còn giảm năng l'ợng tiêu thụ cũng nh' giảm l'ợng curcumin phân huỷ do nhiệt độ. Các kết quả cũng chứng tỏ hiệu suất trích ly tăng theo tần số sóng siêu âm v quá trình trích ly không yêu cầu chặt chẽ về kích th'ớc vật liệu. Với kết luận ny, trong những nghiên cứu tiếp theo chúng tôi sẽ tiến hnh thử nghiệm dùng siêu âm để tiền xử lý củ nghệ thô, bao gồm rửa v trích ly trực tiếp từ nghệ lát. Nh' vậy tiếp tục góp phần giảm đ'ợc giá thnh. Trớch ly siờu õm ngh lỏt 3mm 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 20 KHz 25 KHz 35 KHz Khuy Thi gian, phỳt H i u su t ,% 10 15 20 480 Hình 2: ảnh h'ởng của tần số, thời gian trích tới hiệu suất trích ly curcumin từ nghệ lát dy 3 mm 55 Trớch ly siờu õm ngh lỏt 3mm 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 20 KHz 25 KHz 35 KHz Khuy Thi gian, phỳt H i u su t ,% 10 15 20 480 Hình 3: ảnh h'ởng của tần số, thời gian trích tới hiệu suất trích ly curcumin từ bột nghệ Bên cạnh hiệu suất trích ly, độ tinh khiết của sản phẩm cũng đ'ợc kiểm tra thông qua phân tích sắc ký (HPLC) với 2 tr'ờng hợp nguyên liệu đ9 tách tinh dầu (dạng bột-hình 5) v ch'a tách tinh dầu (dạng lát 3 mm- hình 4). Kết quả cho thấy thời gian l'u của curcumin l 5,1 phút. Bên cạnh pic chính có một pic phụ có thời gian l'u l 4 phút nh'ng diện tích bé, có thể đây l một dẫn xuất của curcumin. Diện tích pic sắc ký thu đ'ợc l một hm phụ thuộc vo nồng độ của curcumin, rõ rng với cùng l'ợng mẫu giống nhau, diện tích pic khác nhau tức l độ tinh khiết khác nhau. So sánh với mẫu curcumin chuẩn (hình 6) thì có thể đánh giá mẫu nghệ ch'a tách tinh dầu có độ tinh khiết 55,0%, mẫu nguyên liệu đ9 tách tinh dầu có độ tinh khiết 72,9%. Các kết quả về độ tinh khiết của sản phẩm đạt đ'ợc theo qui trình tách (hình 1) chỉ dùng một b'ớc kết tinh khẳng định thêm h'ớng nghiên cứu dùng trích ly siêu âm đ9 đạt đ'ợc độ chọn lọc cao. Hình 4: Sắc ký đồ dịch chiết curcumin từ nghệ ch'a tách tinh dầu 56 Hình 5: Sắc ký đồ dịch chiết curcumin từ nghệ đ9 tách tinh dầu Hình 6: Sắc ký đồ mẫu chuẩn curcumin IV - Kết luận Với các kết quả thu đ'ợc chúng tôi có một số kết luận sau: - Đ9 khảo sát 3 thông số ảnh h'ởng đến quá trình trích ly siêu âm curcumin l thời gian, tần số v dạng nguyên liệu đầu. Kết quả cho thấy hiệu suất trích ly tăng cùng với tần số, thời gian trích ly thích hợp khoảng 15 phút v quá trình trích ly không yêu cầu chặt chẽ về hình dạng v kích th'ớc vật liệu. - Sử dụng trích ly siêu âm không lm giảm hiệu suất trích ly so với ph'ơng pháp trích ly có khuấy trộn v gia nhiệt m còn giảm hơn 90% thời gian trích ly. Hơn nữa, việc không phải gia nhiệt dẫn tới giảm đ'ợc đáng kể chi phí cũng nh' lm giảm đ'ợc l'ợng curcumin phân hủy do nhiệt độ. - Sử dụng trích ly siêu âm cho độ chọn lọc cao của sản phẩm ngay cả với dung môi rẻ tiền v phổ biến nh' etanol 96%. Nh' vậy kết quả bi báo l cơ sở cho việc nghiên cứu qui trình tối 'u trích ly curcumin bằng ph'ơng pháp trích ly siêu âm. Thiết bị v ph'ơng pháp t'ơng đối đơn giản, rất phù hợp để triển khai chuyển sang qui mô Pilot v công nghiệp. Acknowledgment: The authors gratefully acknowledge the receipt of a grant from the Flemish Interuniversity Council for University Development cooperation (VLIR UOS) which enabled them to carry out this work. 57 T,i liệu tham khảo 1. S. V. Jovanovic, S. Steenken, C. Boone, M. G. Simic. J. Am. Chem. Soc, 121(41), 9677 - 9681 (1999). 2. B. B. Aggarwal, A. Kumar, A. C. Bharti. Anticancer Res. 2003 Jan-Feb; 23(1A), 363 - 98. 3. S. Wesser, P. Muenzner, TF. Meyer, M. Naumann. Biol Chem., 386(5), 481 - 90 (2005). 4. R. Olszanecki, J. Jawien, M. Gajda, L. Mateuszuk, A. Gebska, M. Korabiowska, S. Chlopicki, R. Korbut. J-Physiol-Pharmacol. 2005 Dec; 56(4), 627-35. 5. Tozo Nishiyama, Tatsumasa Mae, Hideyuki Kishida, Misuzu Tsukagawa, Yoshihiro Mimaki, Minpei Kuroda, Yutaka Sashida, Kazuma Takahashi, Teruo Kawada, Kaku Nakagawa, and Mikio Kitahara. J. Agric. Food Chem., 53 (4), 959 - 963 (2005). 6. P. K. Shukla, V. K. Khanna, M. Y. Khan, R. C. Srimal. Hum Exp Toxicol. 2003 Dec; 22(12), 653-8. 7. Quintanilla Almagro, Eliseo; Diaz Alperi, Joaquin. Method for obtaining apolar and polar extracts of curcuma and applications thereof. United States Patent 6440468. 8. Giang Thị Sơn v cộng sự. Tạp chí D'ợc học, số 1, 15 - 17 (2002). 9. Vilas Gajanan Gaikar, Deepak Vijay Dandekar: Process for extraction of curcuminoids from curcuma species. United States Patent 6224877. 10. W. Baumann, S. V. Rodrigues and L. M. Viana. J. Chem. Eng., Vol. 17, No. 3 S9o Paulo Sept. (2000). 11. Angel L. Chassagnez-Mendéz, Nélio T. Machado, Marilena E. Araujo, J. G. Maia, and M. Angela A. Meireles. Ind. Eng. Chem. Res., 39 (12), 4729 - 4733. 12. Châu Vĩnh Thị v cộng sự. Tạp chí D'ợc học, 8/2004, 22 - 25.