Tài liệu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quy trình chiết xuất curcuminoid từ củ nghệ vàng (curcuma longa l.) bằng công nghệ enzyme

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- ĐÀO THỊ MAI NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CHIẾT XUẤT CURCUMINOID TỪ CỦ NGHỆ VÀNG (CURCUMA LONGA L.) BẰNG CÔNG NGHỆ ENZYME LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- ĐÀO THỊ MAI NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CHIẾT XUẤT CURCUMINOID TỪ CỦ NGHỆ VÀNG (CURCUMA LONGA L.) BẰNG CÔNG NGHỆ ENZYME Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 8440114 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Lê Tất Thành Hà Nội – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Tất Thành. Các số liệu nghiên cứu khoa học, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và tài liệu tham khảo đã được ghi rõ nguồn trích dẫn. Kết quả nghiên cứu này không trùng với bất cứ công trình nào đã được công bố trước đó. Nếu phát hiện bất kỳ sự sao chép nào từ kết quả nghiên cứu khác hoặc sai sót về số liệu nghiên cứu, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường và hội đồng. Hà Nội, tháng năm 2021 Tác giả Đào Thị Mai LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong khoa Hóa học, Học viện Khoa học và Công nghệ đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Lê Tất Thành - Viện nghiên cứu hệ Gen, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình hướng dẫn, hết lòng chỉ bảo, tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài luận văn. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn đến tập thể cán bộ nhóm Nghiên cứu phát triển Công nghệ sinh – dược, phòng Hệ gen học chức năng - Viện Nghiên cứu hệ gen, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã luôn động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Trong quá trình làm việc, tôi không chỉ tiếp thu thêm nhiều kiến thức chuyên môn bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều quý giá trong quá trình học tập và công tác sau này. Sau cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã khích lệ tinh thần, đóng góp ý kiến, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! HỌC VIÊN CAO HỌC Đào Thị Mai MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................... III DANH MỤC BẢNG .......................................................................................... IV DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................... V MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................... 2 1.1. Giới thiệu về củ nghệ ........................................................................................2 1.1.1. Cây nghệ vàng ............................................................................................. 2 1.1.2. Thành phần hóa học của củ nghệ vàng ....................................................... 2 1.1.3. Hoạt tính sinh học của củ nghệ vàng .......................................................... 4 1.2. Hợp chất curcuminoid trong củ nghệ vàng ...................................................6 1.2.1. Cấu trúc hóa học của curcuminoid .............................................................. 6 1.2.2. Hoạt tính sinh học của curcuminoid ........................................................... 7 1.2.3. Ứng dụng của curcuminoid trong thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm .... 8 1.3. Các phương pháp phân lập curcuminoid ......................................................8 1.4. Ứng dụng công nghệ enzyme trong chiết xuất các hợp chất thiên nhiên 12 1.4.1. Công nghệ enzyme .................................................................................... 12 1.4.2. Amylase ..................................................................................................... 13 1.4.3. Cellulase .................................................................................................... 14 1.4.4. Năng lượng phản ứng xúc tác enzyme ...................................................... 14 1.4.5. Ứng dụng công nghệ enzyme chiết xuất hợp chất thiên nhiên ................. 15 1.4.3. Ứng dụng công nghệ enzyme trong chiết xuất curcuminoid từ củ nghệ .. 18 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 20 2.1. Đối tượng nghiên cứu .....................................................................................20 2.2. Hóa chất và thiết bị .........................................................................................20 2.3. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................20 2.3.1. Thu mẫu thực vật....................................................................................... 20 2.3.2. Phương pháp xác định độ ẩm .................................................................... 20 2.3.3. Phương pháp xác định hàm lượng tro toàn phần ...................................... 21 2.3.4. Xác định hàm lượng carbohydrate ............................................................ 22 2.3.5. Xác định hàm lượng và thành phần curcuminoid bằng HPLC ................. 22 2.3.6. Phương pháp định lượng đường khử và tinh bột ...................................... 24 2.3.7. Phương pháp xác định hoạt độ của enzyme .............................................. 25 I 2.3.8. Phương pháp thủy phân nghệ bằng enzyme ............................................. 26 2.3.9. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm tâm trực giao bậc 2 Box-Wilson .. 26 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 28 3.1. Đánh giá chất lượng mẫu củ nghệ vàng tại Nghệ An, Việt Nam ..............28 3.1.1. Đánh giá cảm quan củ nghệ vàng tại Nghệ An ......................................... 28 3.1.2. Phân tích chất lượng mẫu nghệ tại Nghệ An ............................................ 29 3.1.3. Đánh giá hàm lượng curcuminoid trong củ nghệ vàng ở Nghệ An .......... 29 3.2. Kết quả nghiên cứu xây dựng quy trình chiết xuất curcuminoid bằng công nghệ enzyme quy mô PTN ...........................................................................31 3.2.1. Kết quả lựa chọn enzyme .......................................................................... 31 3.2.2. Kết quả khảo sát các điều kiện thủy phân nghệ ........................................ 34 3.2.3. Tối ưu hóa quy trình thủy phân củ nghệ bằng enzyme ............................. 36 3.2.4. Quy trình chiết xuất curcuminoid bằng công nghệ enzyme quy mô PTN 41 3.3. Đánh giá hiệu suất chiết xuất curcuminoid kết hợp với thủy phân bằng enzyme .....................................................................................................................43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 55 PHỤ LỤC ........................................................................................................... 64 II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên viết tắt PTN Phòng thí nghiệm DMC Demethoxy-curcumin BDMC LTR Bis-demethoxy-curcumin Long terminal reion BMGS Butyl mono glycol sulfate PTSA Para-toluen sulfonate acid HPLC High-performance liquid chromatography LPS Lipopolysaccharide NO Oxit nitric DPCARB GC-MS N,N-dipropyl ammonium N,N-dipropylcarbamate Gas chromatography-mass spectrometry DH Độ thủy phân (Degree of Hydrolyaste) DW Khối lượng khô (Dry weight) III DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các thành phần cơ bản trong củ nghệ vàng C. longa . ........................ 3 Bảng 1.2. Bảng các chất lưỡng cực dùng để phân lập curcuminoid .................. 11 Bảng 3.1. Các mẫu nghệ vàng từ một số vùng trồng nguyên liệu...................... 28 Bảng 3.2. Một số chỉ tiêu chất lượng củ nghệ trồng tại Nghệ An ...................... 29 Bảng 3.3. Hàm lượng curcuminoid trong củ nghệ vàng ở Nghệ An .................. 29 Bảng 3.4. Giá trị ở các mức của các yếu tố ảnh hưởng ...................................... 36 Bảng 3.5. Ma trận kế hoạch thực nghiệm ........................................................... 37 Bảng 3.6. Bảng phân tích phương sai các hàm mục tiêu Y ................................ 38 Bảng 3.7. Kết quả tối ưu hóa các biến công nghệ .............................................. 41 Bảng 3.8. Kết quả thực nghiệm của các hàm mục tiêu tại điều kiện tối ưu ....... 41 Bảng 3.9. Kết quả hàm lượng cao chiết toàn phần mẫu nghệ ............................ 43 Bảng 3.10. Đánh giá hiệu suất chiết xuất curcuminoid ...................................... 44 IV DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Hình ảnh cây nghệ vàng (Curcuma longa L.) ...................................... 2 Hình 1.2. Một số thành phần hóa học của củ nghệ và sắc ký đồ HPLC của curcuminoids tổng (I), curcumin (II), DMC (III) và BDMC (III) . ...................... 4 Hình 1.3. Các chất đồng phân keto-enol của curcumin ....................................... 6 Hình 1.4. Sơ đồ quy trình phân lập curcuminoid bằng dung môi dễ bay hơi .... 10 Hình 1.5. Quy trình phân lập curcuminoid bằng dung dịch lưỡng cực .............. 12 Hình 1.6. Sơ đồ phân loại cellulase .................................................................... 14 Hình 1.7. So sánh năng lượng phản ứng có và không có xúc tác enzyme ........ 15 Hình 1.8. Chiết xuất các hoạt chất liên kết với mạng lưới lignocellulose ........ 18 Hình 2.1. Củ nghệ vàng (Curcuma longa L.) ..................................................... 20 Hình 2.2. Sắc ký đồ của các đồng phân curcuminoid ........................................ 24 Hình 2.3. Đồ thị biểu diễn đường chuẩn glucose (µg/ml) .................................. 25 Hình 2.4. Sơ đồ kế hoạch thực nghiệm bậc 2 với k=3 ....................................... 27 Hình 3.1. Sắc ký đồ của các mẫu nghệ Tương Dương ....................................... 30 Hình 3.2. Sắc ký đồ của các mẫu nghệ trồng trên đất đồi Nam Đàn ................. 31 Hình 3.3. So sánh sự thủy phân cellulase với tỷ lệ E/S khác nhau .................... 32 Hình 3.4. So sánh sự thủy phân α-amylase với tỷ lệ E/S khác nhau .................. 33 Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn độ thủy phân của các loại enzyme khác nhau ......... 33 Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân ............ 34 Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ thủy phân................ 34 Hình 3.8. Tối ưu hóa tỷ lệ nước và nguyên liệu ................................................. 35 Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian lên độ thủy phân .............. 36 Hình 3.10. Biểu đồ thực nghiệm và dự đoán phân bố ngẫu nhiên của hàm mục tiêu Y ................................................................................................................... 39 Hình 3.11. Bề mặt đáp ứng của hàm mục tiêu Y ............................................... 40 Hình 3.12. Kết quả tối ưu các biến công nghệ của quá trình thủy phân nghệ ... 41 Hình 3.13. Sơ đồ quy trình chiết xuất cao chiết nghệ bằng công nghệ enzyme quy mô PTN ............................................................................................................... 42 V MỞ ĐẦU Cây nghệ vàng có tên khoa học là Curcuma longa L., thuộc họ gừng (Zingiberaceae) có nguồn gốc từ Đông Nam Á. Trong Đông Y, củ nghệ được sử dụng từ lâu như một thảo dược để chữa trị các chứng viêm loét dạ dày, viêm gan, vàng da, thấp khớp...; dùng ngoài để trị chấn thương tụ máu, mụn nhọt, ghẻ lở, giúp mau lành vết thương, liền sẹo, dùng bột nghệ vàng trộn với mật ong để chữa bệnh về dạ dày, viêm túi mật, sỏi mật… Những năm gần đây, các nhà khoa học đã xác định và chiết tách được các hợp chất curcuminoid có hàm lượng từ 2,5 – 5,4% so với khối lượng khô củ nghệ vàng, đồng thời, chứng minh được curcuminoid là hoạt chất chính có hoạt tính sinh học của củ nghệ vàng. Các hoạt chất chính trong nhóm này gồm 3 thành phần chính: curcumin, demethoxycurcumin và bis-demethoxycurcumin. Các hợp chất curcuminoid có tác dụng kháng nấm, kháng khuẩn, phòng và hỗ trợ điều trị nhiều loại bệnh ung thư, chống viêm, bảo vệ gan, chống oxy hóa... Các công nghệ sản xuất curcuminoid ở nước ta chủ yếu trên nền tảng chiết xuất bằng dung môi hữu cơ nên chi phí sản xuất lớn, giá thành sản xuất cao khó cạnh tranh với các sản phẩm cùng loại của Ấn Độ, Trung Quốc. Nhằm tìm kiếm các giải pháp công nghệ mới xanh – sạch trong khuôn khổ luận văn Thạc sĩ, tôi đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu quy trình chiết xuất curcuminoid từ củ nghệ vàng (Curcuma longa L.) bằng công nghệ enzyme” với mục tiêu xây dựng được quy trình chiết xuất curcuminoid bằng công nghệ enzyme quy mô phòng thí nghiệm (PTN). Nội dung nghiên cứu: - Thu thập mẫu và đánh giá chất lượng củ nghệ vàng C. longa tại Nghệ An. - Nghiên cứu lựa chọn enzyme phục vụ cho quá trình chiết xuất. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân củ nghệ bằng enzyme lựa chọn. - Nghiên cứu chiết xuất curcuminoid sau khi thủy phân enzyme. - Xây dựng và tối ưu quy trình chiết xuất curcuminoid bằng công nghệ enzyme quy mô PTN. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về củ nghệ 1.1.1. Cây nghệ vàng Củ nghệ là thân rễ hoặc thân ngầm của cây nghệ vàng có tên khoa học là Curcuma longa L. (C. longa), thuộc họ gừng (Zingiberaceae). Cây thuộc loại thân thảo mọc đối, cao 60-90 cm với một thân ngắn lá có tua. Hoa của cây nghệ màu vàng, dài từ 10-15 cm và nhóm lại với nhau thành những gai dày đặc. Thân rễ màu vàng nâu với phần bên trong màu đỏ đến vàng cam (Hình 1.1). Thân rễ có chiều dài 2,5-7,0 cm và đường kính khoảng 2,5 cm với củ nhỏ phân nhánh [1]. Trong Đông Y, củ nghệ được sử dụng từ lâu như một thảo dược để chữa trị các chứng viêm loét dạ dày, viêm gan, vàng da, thấp khớp...; dùng ngoài để trị chấn thương tụ máu, mụn nhọt, ghẻ lở, giúp mau lành vết thương, liền sẹo, dùng bột nghệ vàng trộn với mật ong để chữa bệnh viêm loét dạ dày - tá tràng, các bệnh về viêm túi mật, sỏi mật… Củ nghệ được trồng ở nhiều vùng nóng trên thế giới, chủ yếu ở Ấn Độ là nơi sản xuất, tiêu dùng và xuất khẩu lớn nhất [2, 3]. Ở Ấn Độ, nghệ được trồng trên khoảng 180.000 ha, sản lượng 25 triệu tấn mỗi năm [3]. Các sản phẩm từ củ nghệ được xuất khẩu sang Hoa Kỳ, Vương quốc Anh, Nhật Bản, Iran, Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất, Ả Rập Xê Út, Hà Lan, Nam Phi và Singapore ở dạng thân rễ khô, bột nghệ, nhựa dầu, tinh dầu, bột cà ri hoặc curcumin [4, 5]. Hình 1.1. Hình ảnh cây nghệ vàng (Curcuma longa L.) 1.1.2. Thành phần hóa học của củ nghệ vàng Thành phần hóa học của nghệ bao gồm khoảng 70% carbohydrate (theo khối lượng khô), 75% độ ẩm (theo khối lượng tươi), 6% protein (theo khối lượng khô), 6% tinh dầu (chứa các hợp chất phellandrene, sabinene, cineol, borneol, 2 zingiberene và sesquiterpenes) (theo khối lượng khô), 5% chất béo (theo khối lượng khô), 3% chất khoáng (kali, canxi, phốt pho, sắt và natri) (theo khối lượng khô), 3–5% curcuminoid (theo khối lượng khô), và một lượng vi lượng vitamin (B1, B2, C và niacin) (Bảng 1.1) [6, 7, 8]. Trong đó, thành phần có hoạt tính sinh học được chú ý nhất của củ nghệ vàng là các curcuminoid và tinh dầu nghệ (gồm các turmerone thơm (ar-turmerone), α-turmerone và β-turmerone). Các curcuminoid, bao gồm curcumin (1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyfenil)-1,6heptadiene-3,5-dione), demethoxycurcumin (DMC) và bis-demethoxy-curcumin (BDMC) là các chất có hoạt tính chính trong củ nghệ [1]. Công thức hóa học của một số thành phần được biểu diễn tương ứng trong sắc ký đồ HPLC được mô tả trong hình 1.2. Bảng 1.1. Các thành phần cơ bản trong củ nghệ vàng C. longa [9]. STT Hàm lượng (%) Thành phần 1 Nước 74-76 2 Curcuminoid (DW) 0,5-6 3 Chất xơ (DW) 4 Dầu (DW) 5 Khoáng chất (DW) 3,5-5 6 Protein (DW) 6,3-7 7 Chất béo (DW) 8 Carbohydrates (DW) 3,5-4,3 4-5 5,1-7,5 61,5-69,4 Trong thành phần của các sản phẩm chứa curcuminoid (còn gọi là curcumin mix) có chứa khoảng 77% curcumin tinh sạch, 17% DMC và 3% BDMC [10]. Kết quả nghiên cứu của Naama và cộng sự (2013) cho thấy, curcumin và DMC kém bền hơn BDMC [11]. Xét về hoạt tính chống oxy hóa và ức chế khối u thì curcumin là chất có hoạt tính mạnh nhất, tiếp theo là DMC và cuối cùng là BDMC [10, 12]. Ngoài curcuminoid, nghệ cũng chứa dầu nghệ có tác dụng kháng nấm, kháng khuẩn, diệt côn trùng, diệt muỗi, chống oxy hóa, chống đột quỵ và chống ung thư [3, 13, 14]. Dầu nghệ bao gồm turmerone thơm (ar-turmerone), αturmerone và β-turmerone (Hình 1.2). 3 Hình 1.2. Một số thành phần hóa học của củ nghệ và sắc ký đồ HPLC của curcuminoid tổng (I), curcumin (II), DMC (III) và BDMC (III) [10]. 1.1.3. Hoạt tính sinh học của củ nghệ vàng Thành phần có hoạt tính sinh học quan trọng nhất của nghệ là hợp chất curcuminoid của lớp phenolic (2-9% tổng thành phần) bao gồm curcumin (70– 80%), DMC (10–25%) và BDMC (5–10%) [15, 16]. Các hợp chất này cũng là thành phần tạo ra màu vàng đặc trưng của củ nghệ và thành phần này có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện của đất, khí hậu và nguồn nước nơi nó được trồng, cũng như quy trình chế biến khác nhau [17, 18]. Bột nghệ chứa các hợp chất phenolic có nhiều ứng dụng dược lý quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe con người [19], chống lại bệnh ngoài da [20], bệnh Crohn và viêm loét đại tràng [21], cũng như chống oxy hóa, chống viêm [7, 22], kháng khuẩn [23], kháng nấm [24], chống đái tháo đường [18], diệt côn trùng và diệt ấu trùng [3]. Củ nghệ có chứa hàm lượng carbohydrate cao 61,5-69,4% (Bảng 1.1) làm cho nó trở thành nguồn năng lượng tốt và góp phần vào quá trình tiêu hóa và đồng hóa các chất dinh dưỡng khác [25]. Trong số các loại carbohydrate này có 22% tinh bột tự nhiên được tìm thấy ở C. longa tương tự như lượng tinh bột được tìm thấy trong khoai tây và có cấu trúc tinh thể dạng hình tam giác với bề mặt nhẵn [26]. Lượng khoáng chất và vitamin trong nghệ (trong 100 g chất khô) bao gồm 200 mg canxi, 260 mg phốt pho, 2500 mg kali, 47,5 mg sắt, 0,9 mg thiamine (B1), 0,19 mg riboflavin (B2), 4,8 mg niacin (B3) và 50 mg axit ascorbic [27]. Củ nghệ 4 bổ sung sắt làm tăng hệ miễn dịch, phát triển nhận thức, điều hòa và trao đổi chất [28]. Trong củ nghệ còn chứa thành phần tinh dầu có hoạt tính sinh học cao. Một số nghiên cứu về tinh dầu trong C. longa có các hoạt tính sinh học như xua đuổi và diệt ấu trùng, kháng khuẩn, chống oxy hóa, chống viêm và chống ung thư [4, 25], khả năng diệt ấu trùng, diệt côn trùng và xua đuổi của tinh dầu C. longa cũng đã được báo cáo [3, 13, 14]. Hoạt tính diệt ấu trùng của tinh dầu C. longa có liên quan đến α-phellandrene, thành phần chính của tinh dầu [3]. Hợp chất curturmerone – thành phần chính của tinh dầu C. longa đã được chứng minh tiềm năng làm thuốc chống côn trùng [14] và thuốc trừ sâu [29]. Tinh dầu C. longa đã được chứng minh hoạt tính chống khối u trên tế bào ung thư tuyến tiền liệt (LNCaP) và u ác tính (B16) [23]. Một số hợp chất trong tinh dầu đã được xác định có hoạt tính như α-zingiberene, β-turmerone, αzingiberene, ar-turmerone, β-elemenene, germacrone và β-sesquiphellandrene [30, 31]. Ngoài ra, tinh dầu C. longa cũng được chứng minh có hoạt tính kháng viêm [23] thông qua quá trình điều hòa các cytokine gây viêm. Chuột được chiếu tia UVB, sau đó được điều trị bằng tinh dầu C. longa cho thấy giảm đáng kể mức độ của các cytokine gây viêm (IL-1β và TNF-α) trong các mô. Điều này cho thấy rằng điều trị tại chỗ với tinh dầu nghệ có thể ngăn chặn tình trạng viêm phản ứng trên da do tia UVB gây ra [32]. Hai hợp chất trong tinh dầu là β-turmerone và arturmerone có khả năng ức chế lipopolysaccharide (LPS), làm giảm sự sản sinh oxit nitric (NO) do LPS gây ra [32], từ đó, có khả năng làm giảm phản ứng viêm. Hoạt tính chống lão hóa của tinh dầu C. longa đã được báo cáo thông qua hình ảnh giảm nếp nhăn trên da chuột được chiếu xạ bằng tia UVB [32]. Theo các tác giả, các hợp chất ar-turmerone, curlone và β-turmerone là những thành phần đóng góp chính vào tác dụng chống lão hóa da. Tóm lại, củ nghệ có hàm lượng cao các thành phần cacbohydrat, chất xơ, protein, và lipit (chủ yếu là axit oleic). Tinh dầu và curcuminoid của C. longa có một số hoạt tính sinh học như chống oxy hóa, ngăn ngừa hình thành khối u, kháng khuẩn, xua đuổi và diệt côn trùng, ấu trùng, chống ung thư, chống viêm và chữa các bệnh liên quan đến dạ dày. Có thể thấy, củ nghệ là một nguyên liệu tiềm năng để phát triển dược phẩm, thực phẩm chức năng và nguyên liệu thực phẩm. 5 1.2. Hợp chất curcuminoid trong củ nghệ vàng 1.2.1. Cấu trúc hóa học của curcuminoid Hợp chất curcuminoid bao gồm curcumin chiếm 70-80%, DMC chiếm 1025% và BMC chiếm 5-10% [34, 35]. Hình 1.3. Các chất đồng phân keto-enol của curcumin Curcumin lần đầu tiên được Vogel và Pelletier phân lập vào năm 1815 từ thân rễ của C. longa [36, 37]. Năm 1842, Vogel Jr lần đầu tiên tinh chế được curcumin [36]. Sau vài thập kỷ vào năm 1910, Melabedzka et al. đã báo cáo cấu trúc của curcumin là diferuloylmethane hoặc 1,6-heptadiene-3,5-dione-1,7-bis (4hydroxy-3-methoxyphenyl) - (1 E , 6 E ) (Hình 1.2) [36]. Ba năm sau, vào năm 1913, Lampe và Melobedzka đã báo cáo một phương pháp tổng hợp curcumin [36, 34, 35]. Năm 1953, Srinivasan báo cáo về việc tách và định lượng các thành phần curcumin bằng phương pháp sắc ký [36, 38]. Curcumin có cấu trúc đối xứng với hai vòng benzenmethoxy, liên kết với nhau bằng một gốc hydrocacbon không no. Curcumin có ba nhóm chức chính: nhóm methoxy phenolic thơm, liên kết α, β-không no và β-diketone. Curcumin có hai dạng đồng phân là keto- và enol- (Hình 1.3) và được chuyển hóa qua lại lẫn nhau tùy vào điều kiện môi trường. Các nhóm thơm và cấu trúc đồng phân tạo ra tính kỵ nước và tính phân cực của curcumin. Curcumin thực tế không hòa tan trong nước ở nhiệt độ phòng. Độ hòa tan của curcumin trong nước tăng lên trong điều kiện kiềm, đồng thời curcumin phân hủy nhanh chóng trong điều kiện này. Do bản chất cấu trúc ít phân cực với giá trị ẟP ~ 3,0, curcumin có thể hòa tan trong các dung môi hữu cơ như methanol, ethanol, aceton. Ở pH trung tính và axit, dạng đồng phân keto bền vững hơn, đồng phân enol bền trong môi trường kiềm (pH>10), có thể được giải thích bằng liên kết hydro nội phân tử ở dạng enol [34, 39, 40]. Curcumin hấp thụ cực đại ở bước sóng 430 nm trong methanol và 415–420 nm trong aceton [41, 42]. Trong môi trường kiềm, curcumin bị khử hoàn toàn và hấp thụ cực đại ở bước sóng 467 nm. 6 Demethoxycurcumin là một beta-diketone có cấu trúc tương tự curcumin trong đó một nhóm methoxy được thay thế bằng hydro. Bisdemethoxycurcumin là một beta-diketone có cấu trúc tương tự curcumin trong đó các nhóm methoxy được thay thế bằng hydro (Hình 1.2). 1.2.2. Hoạt tính sinh học của curcuminoid Tính đến nay đã có khoảng 4000 công trình nghiên cứu liên quan đến hoạt tính sinh học của curcuminoid. Trong đó nổi bật là các hoạt tính chống oxy hóa, kháng viêm và chống ung thư. Ngoài ra, hợp chất tự nhiên này còn được phát hiện là có hoạt tính điều biến các phân tử truyền tín hiệu trong cơ thể như các chemokine, cytokine, các gene ức chế khối u, các phân tử kết dính, microRNA, v.v. [43]. Trong đó, khả năng chống ung thư của curcumin đã thu hút được sự chú ý rất lớn của các nhà khoa học [44]. Khi dùng curcumin riêng rẽ để điều trị hoặc kết hợp với các dược chất như carboplatin, paclitaxel đều có thể làm giảm mật độ các vi sợi và khối u gan cũng như tế bào ung thư cổ tử cung in vitro và in vivo [45]. Khi áp dụng liệu pháp kết hợp giữa curcumin và paclitaxel trên chuột bị gây ung thư thực nghiệm thì thu được kết quả là các khối u không những giảm về mật độ mà còn giảm cả về độ lớn, điều này liên quan đến khả năng điều hoà giảm của các con đường NF-κB, Akt và MAPK của curcumin [45]. Hợp chất curcumin cũng biểu hiện hoạt tính kháng vi sinh vật khá mạnh. Một nghiên cứu in vitro đã cho thấy, curcumin kháng tất cả 14 chủng nấm men kiểm định thuộc chi Candida [46]. Trong nghiên cứu thí nghiệm trên chuột, hoạt chất này cũng biểu hiện khả năng kháng vi khuẩn Helicobacter pylori khá mạnh [46]. Hiệu quả kháng virus của curcumin cũng đã được nghiên cứu và kiểm chứng. Theo đó, curcumin có tác dụng ngăn virus HIV-1 tự sao chép và nhân lên thông qua cơ chế làm phong tỏa quá trình hoạt hóa phiên mã vùng LTR [47]. Bên cạnh đó, curcumin còn thể hiện hoạt tính kháng viêm mạnh mẽ. Hợp chất này có thể ức chế phiên mã và dịch mã của các cytokine tiền viêm và ức chế sự hoạt hóa NF-κB trong mô lợi của chuột thí nghiệm bị viêm nướu [48]. Ngoài ra, curcumin còn làm giảm sự lây lan của tế bào viêm, làm tăng hàm lượng collagen và tăng số lượng các nguyên bào sợi trong mô lợi của chuột [48]. Như vậy, curcumin có rất nhiều hoạt tính sinh học tiềm năng có thể khai thác để ứng dụng vào dược phẩm, thực phẩm chức năng và mỹ phẩm. 7 1.2.3. Ứng dụng của curcuminoid trong thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm Thực phẩm Khi người tiêu dùng ngày càng chú ý đến chế độ ăn uống lành mạnh thì việc tăng cường bổ sung các sản phẩm thực phẩm chứa các hợp chất có hoạt tính sinh học như curcumin thu hút sự quan tâm đặc biệt của công dân toàn cầu. [49, 50]. Curcumin đã được Ủy ban Khoa học Thực phẩm của Cộng đồng Châu Âu phê duyệt nằm trong danh sách các chất phụ gia. Curcumin có thể được sử dụng như một chất chống oxy hóa, chất tạo hương vị (vị đắng, ấm) và chất tạo màu tự nhiên (màu vàng tươi) trong các loại thực phẩm khác nhau [51]. Dược phẩm Curcumin có giá trị lịch sử trong các ứng dụng y học và đã được sử dụng như một liệu pháp truyền thống trong các bài thuốc y học cổ truyền của phương Đông [52]. Curcumin có cấu trúc polyphenol và độ an toàn cao nên được biết đến như một dược liệu tiềm năng với các hoạt tính dược lý đa dạng [53; 54]. Các ứng dụng điều trị của curcumin rất đa dạng bao gồm các hoạt tính chống oxy hóa, chống ung thư, kháng khuẩn, chống tiểu đường và kháng viêm; trong khi nó được chứng minh là có tác dụng tích cực trong điều trị bệnh tim mạch và bệnh Alzheimer, xơ gan và chữa lành vết thương [55; 56; 57; 58]. Mỹ phẩm Curcumin đã được xem xét trong các ứng dụng mỹ phẩm do tác dụng chống oxy hóa và chống viêm trên da. Curcumin có tác dụng chống lão hóa, chống nhăn, chống nắng và tái tạo da và giúp da đẹp hơn. Curcumin có thể được sử dụng như một chất tạo màu trong các sản phẩm chăm sóc móng và chăm sóc môi. Các dạng bào chế nano của curcumin có thể nâng cao hiệu quả của curcumin, nhờ khả năng thẩm thấu và lưu giữ trên da tốt hơn [59]. 1.3. Các phương pháp phân lập curcuminoid Phương pháp tạo phức với chì acetate Phương pháp tạo phức với chì acetate là quy trình sử dụng từ lâu, được mô tả trong tư liệu kinh điển Beilstein cùng nhiều tư liệu khác. Hiệu suất chung của quy trình đạt > 40% so với lý thuyết. Theo công nghệ này, bột nghệ khô được chiết thô bằng ethanol. Cao ethanol cô đặc được xử lý trong dung dịch chì acetate 10% để tách curcuminoid ra khỏi 8 phần nhựa, lọc lấy phần dung dịch để thu được dung dịch hòa tan của phức chìcurcuminoid. Xử lý phức chì-curcuminoid bằng dung dịch axit sunfuric loãng, lọc lấy kết tủa rồi hòa tan lại bằng ethanol để thu được curcuminoid thô. Tinh chế lại sản phẩm bằng dietyl ete và CS2 để thu được curcuminoid tinh sạch. Quá trình tinh sạch được thực hiện theo phương trình sau: [Curcuminoid-Pb(OR)2] + H2SO4 -> Curcuminoid + PbSO4 + 2HOR Hiện nay, công nghệ này không được sử dụng để chiết xuất curcuminoid do độc tính cao của chì. Phương pháp sử dụng các dung môi dễ bay hơi Củ nghệ sau thu hoạch được sấy khô trong lò với không khí tuần hoàn ở nhiệt độ 60°C, đến khi đạt độ ẩm ≤ 12%. Củ nghệ khô được nghiền bột kích thước hạt bột được quyết định bằng sàng rây Tyler, kích thước 3mm. Thực chất của quá trình là phân lập tinh dầu trước bằng ether dầu hỏa nhằm loại tinh dầu, sau đó mới tiếp tục phân lập curcuminoid. Quá trình phân lập được thực hiện với máy lắc MA 830. Bình tròn có cổ, bít kín bằng nút cao su, chứa 4g bột nghệ và 50ml ether dầu hỏa, được đem cân trước và sau quá trình phân lập nhằm xác định có sự hao hụt dung môi trong khi phân lập hay không. Hỗn hợp chất rắn và dung môi này được khuấy trộn trong suốt quá trình phân lập. Sau đó, hỗn hợp được lọc bằng giấy lọc có chân không. 9 Hình 1.4. Sơ đồ quy trình phân lập curcuminoid bằng dung môi dễ bay hơi Phương pháp phân lập curcuminoid sử dụng các dung dịch lưỡng cực Chất lưỡng cực (hydrotrope): là những hợp chất alkyl mạch ngắn tan được trong nước, có tính lưỡng cực – có chứa cả phần tử ưa nước và phần tử kị nước. Tính chọn lọc của chất lưỡng cực đối với curcuminoid trong tế bào có thể là do cấu trúc phenolic của chúng. Mức độ xáo trộn thành tế bào của củ nghệ cũng phụ thuộc vào tính chất của chất lưỡng cực: cumene sulfonate hầu như làm phá hủy hoàn toàn lớp thành tế bào, butyl mono glycol sulfate (BMGS) thì phá hủy ít hơn nhưng làm xoắn các sợi nhiều hơn, trong khi với Natri salicylate hay paratoluen sulfonate acid (PTSA) hay natri saccharine thì ảnh hưởng không nổi bật. Khả năng xâm nhập hiệu quả cũng phụ thuộc vào bản chất chất lưỡng cực: cumene sulfonate thâm nhập vào tế bào nghệ tốt nhất, sau đó là BMGS, natri salicylate, PTSA và natri saccharine. Cumene sulfonate thâm nhập tốt nhất nhưng lại ít tính chọn lọc, trong khi BMGS cho thấy khả năng xâm nhập cao và tính chọn lọc với 10