Nghiên cứu chiết xuất Hesperidin từ vỏ cam: Khóa luận Dược sĩ Hoàng Xuân Thái

Khám phá quy trình chiết xuất Hesperidin từ phụ phẩm vỏ cam. Luận văn trình bày chi tiết phương pháp, khảo sát các yếu tố và tối ưu hóa hiệu suất.

• Tác giả: Hoàng Xuân Thái
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Hải
• Trường học: Trường Đại học Dược Hà Nộiệ
• Chuyên ngành: Dược học
• Đề tài: Chiết Xuất Hesperidin Từ Phụ Phẩm Vỏ Cam: Quy Trình Và Tối Ưu Hóa
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hesperidin và nguồn gốc từ vỏ cam

Hesperidin là một flavonoid glycosid quan trọng tìm thấy chủ yếu trong vỏ cam, đặc biệt là ở các loại cam họ Rutaceae. Đây là một hợp chất tự nhiên có tính chất kháng oxy hóa mạnh và nhiều tác dụng dược lý vô cùng quý báu. Vỏ cam, một phụ phẩm nông nghiệp, chứa nồng độ hesperidin cao, làm cho nó trở thành nguồn nguyên liệu lý tưởng cho chiết xuất hesperidin bền vững. Hesperidin không chỉ có giá trị khoa học cao mà còn có ứng dụng rộng rãi trong ngành dược phẩm, thực phẩm chức năng và mỹ phẩm. Nghiên cứu chiết xuất hesperidin từ vỏ cam giúp tối ưu hóa hiệu suất sản xuất và nâng cao giá trị kinh tế của phụ phẩm nông nghiệp. Việc khai thác toàn diện nguồn tài nguyên thiên nhiên này không chỉ có ý nghĩa kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.1. Đặc điểm thực vật của cây cam

Cây cam thuộc họ Rutaceae, là cây ăn quả có giá trị kinh tế cao. Quả cam chứa nhiều thành phần dinh dưỡng và các hợp chất sinh học quý báu. Vỏ cam bao gồm lớp ngoài màu cam chứa tinh dầu và các chất hữu cơ khác. Cây cam phát triển tốt ở vùng có khí hậu ấm áp. Thành phần hóa học của vỏ cam rất phong phú, đặc biệt là chứa nồng độ cao hesperidin và naringin, những flavonoid có giá trị dược lý cao.

1.2. Tính chất vật lý và hóa học của Hesperidin

Hesperidin là một flavanone-O-glycosid với công thức phân tử C₂₈H₃₄O₁₅, có nhiệt độ nóng chảy khoảng 258-262°C. Nó có tính tan trong nước thấp nhưng tan tốt trong dung môi hữu cơ như ethanol và methanol. Tính chất hóa học của hesperidin cho phép nó hoạt động như chất kháng oxy hóa hiệu quả. Cấu trúc phân tử chứa một aglycone hesperetin liên kết với disaccharide rutinose, tạo ra những tính chất độc đáo.

II. Các phương pháp chiết xuất Hesperidin và nguyên lý

Chiết xuất hesperidin từ vỏ cam có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, được phân loại chính thành hai nhóm: phương pháp dùng dung môi nước và phương pháp dùng dung môi hữu cơ. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các điều kiện sản xuất khác nhau. Tối ưu hóa quy trình chiết xuất bao gồm khảo sát các yếu tố như pH dịch chiết, nhiệt độ, thời gian, tỉ lệ dung môi, và các điều kiện khác. Sự lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào mục tiêu sản xuất, vốn đầu tư và yêu cầu về hiệu suất cũng như độ tinh khiết sản phẩm cuối cùng.

2.1. Phương pháp chiết xuất sử dụng dung môi nước

Phương pháp chiết nước là phương pháp an toàn, thân thiện môi trường và chi phí thấp. Quá trình chiết xuất diễn ra ở nhiệt độ cao (thường 60-100°C) trong các dung môi nước có pH điều chỉnh. Việc tối ưu hóa pH dịch chiết là rất quan trọng để đạt hiệu suất hesperidin cao nhất. Phương pháp này phù hợp cho sản xuất quy mô lớn nhưng cần nhiều bước xử lý sau chiết xuất để tách hesperidin khỏi các chất khác.

2.2. Phương pháp chiết xuất sử dụng dung môi hữu cơ

Phương pháp dung môi hữu cơ sử dụng ethanol, methanol hoặc isopropanol để chiết xuất hesperidin. Những dung môi này có khả năng hòa tan cao đối với flavonoid, cho phép hiệu suất chiết xuất tốt hơn. Phương pháp này thường kết hợp với kỹ thuật tẩy màu và kết tinh lại để tinh chế hesperidin. Tuy nhiên, chi phí dung môi cao và vấn đề xử lý chất thải hữu cơ cần được xem xét trong quá trình ứng dụng.

III. Quy trình tối ưu hóa chiết xuất Hesperidin từ vỏ cam

Tối ưu hóa quy trình chiết xuất là bước quan trọng để đạt hiệu suất cao nhất và chất lượng sản phẩm tốt nhất. Quy trình bao gồm các bước chính: chuẩn bị nguyên liệu, chiết xuất flavonoid toàn phần, tách hesperidin từ hỗn hợp flavonoid, và tinh chế sản phẩm cuối cùng. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng bao gồm pH, nhiệt độ chiết, tỉ lệ dung môi/nguyên liệu, thời gian chiết, và thứ tự các bước xử lý. Các yếu tố như pH dịch chiết và pH kết tinh đóng vai trò quyết định đối với hiệu suất. Phân tích phổ sử dụng NMR, IR và MS giúp xác định cấu trúc và độ tinh khiết sản phẩm.

3.1. Các bước chuẩn bị và xử lý nguyên liệu

Chuẩn bị vỏ cam bắt đầu bằng rửa sạch và sấy khô để loại bỏ độ ẩm thừa. Vỏ cam được cắt nhỏ thành các miếng kích thước vừa phải để tăng diện tích tiếp xúc với dung môi. Kiểm tra sơ bộ độ tinh khiết và thành phần hesperidin ban đầu là cần thiết. Việc bảo quản nguyên liệu ở nơi khô ráo, tránh ánh sáng mạnh giúp bảo vệ hesperidin khỏi phân hủy do các yếu tố oxy hóa và ánh sáng.

3.2. Các bước tinh chế và kết tinh lại sản phẩm

Tinh chế hesperidin bao gồm tẩy màu bằng các tác nhân hấp phụ như hoạt tính carbon. Bước kết tinh lại sử dụng dung môi khác nhau như nước nóng hoặc ethanol pha loãng. Điều kiện kết tinh bao gồm nhiệt độ thích hợp và thời gian để đạt độ tinh khiết cao nhất. Sử dụng phương pháp phổ để xác nhận cấu trúc và kiểm tra độ tinh khiết sản phẩm cuối cùng trước khi áp dụng.

IV. Ứng dụng và triển vọng của Hesperidin chiết xuất từ vỏ cam

Hesperidin chiết xuất từ vỏ cam có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực y dược, thực phẩm chức năng và mỹ phẩm. Tác dụng dược lý của hesperidin bao gồm hoạt động kháng viêm, kháng oxy hóa mạnh, cải thiện sức khỏe tim mạch và tăng cường miễn dịch. Việc tối ưu hóa quy trình chiết xuất giúp tăng hiệu suất sản xuất và giảm chi phí sản phẩm. Nghiên cứu tiếp tục về cải tiến phương pháp chiết xuất và ứng dụng mới của hesperidin sẽ mở ra những cơ hội lớn cho ngành công nghiệp dược phẩm và thực phẩm. Việc tái sử dụng phụ phẩm vỏ cam có giá trị kinh tế cao cũng góp phần phát triển kinh tế vòng tròn bền vững.

4.1. Tác dụng dược lý và lợi ích sức khỏe

Hesperidin thể hiện nhiều tác dụng dược lý vô cùng quan trọng. Nó có khả năng kháng oxy hóa mạnh mẽ, giúp bảo vệ tế bào khỏi tổn thương oxidative. Hoạt động kháng viêm của hesperidin giúp giảm các phản ứng viêm trong cơ thể. Ngoài ra, hesperidin còn hỗ trợ sức khỏe tim mạch bằng cách cải thiện tuần hoàn máu và giảm huyết áp. Các nghiên cứu cũng chỉ ra tác dụng bảo vệ gan và tăng cường hệ miễn dịch.

4.2. Triển vọng phát triển và ứng dụng công nghiệp

Ứng dụng của hesperidin trong dược phẩm ngày càng rộng rãi, từ bổ sung dinh dưỡng đến điều trị bệnh lý. Ngành thực phẩm chức năng sử dụng hesperidin trong các sản phẩm tăng cường sức khỏe. Mỹ phẩm cũng lợi dụng tính chất chống oxy hóa của hesperidin để bảo vệ da. Triển vọng tương lai bao gồm phát triển các công thức mới, cải thiện độ hòa tan và bioavailability, cũng như khám phá những tác dụng mới của hesperidin.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Đặc điểm thực vật của cây Cam Cây Cam có tên khoa học là Citrus sinensis (L.) Obseck thuộc chi cam quýt (Citrus) thuộc họ Cửu lý hương (Rutaceae) thường được gọi là họ Cam Cây Cam là dạng cây nhỡ, cao vài mét. Thân nhẵn không gai hoặc có ít gai. Cành non hơi có cạnh.

Lá mọc so le, phiến dài, hình trái xoan, dài 5-10cm, rộng 2,5-5cm, gốc thuôn, đầu nhọn, mép nguyên, hơi khía tai bèo ở phần đầu lá, gân lá nổi rõ ở mặt dưới, cuống lá hơi có cánh. Mùa hoa vào tháng 1-2, mùa quả vào tháng 10-12. [7] Trong số các loài cây trồng thuộc chi Citrus, cam là cây trồng thu hái quả phổ biến nhất, được trồng rộng rãi ở các nước nhiệt đới và á nhiệt đới trên thế giới. Ở nước ta, cam cũng được trồng từ lâu đời.

Ngày nay, có nhiều giống cam quý được trồng ở nước ta như cam Bố Hạ (Yên Thế, Bắc Giang), cam Vinh và cam xã Đoài (Nghệ An), cam Bắc Quang (Hà Giang)… 1. Thành phần hóa học Trong vỏ cam ngoài tinh dầu, các hợp chất đường còn có một tới hơn 60 hợp chất flavonoid, trong đó có một số hợp chất chính có hàm lượng lớn như: Hesperidin (1), diosmin (2), eriocitin (3), narirutin (4), naringin (5), neohesperidin (6), quercetin (7), nobiletin (8), naringenin (9), tangeretin (10). Các hợp chất flavonoid chính trong vỏ cam STT Hoạt chất Công thức cấu tạo 1 Hesperidin 2 Diosmin 2 3 Eriocitrin 4 Narirutin 5 Naringin 6 Neohesperidin 7 Quercetin 8 Nobiletin 9 Naringenin 3 10 Tangeretin Trong vỏ cam nói riêng và quả của các cây họ Cam nói chung các hợp chất flavonoid tập trung chủ yếu ở lớp vỏ cùi (Albedo) và ở lớp vỏ dầu (Flavedo). Trong đó hesperidin tập trung chủ yếu ở lớp vỏ cùi dưới dạng kết tinh.

Tổng quan về flavonoid và các phương pháp chiết xuất flavonoid 1. Flavonoid Flavonoid là một nhóm lớn của các hợp chất phenol thực vật có cấu trúc cơ bản là diphenylpropan (C6-C3-C6). Flavonoid là nhóm hợp chất thường gặp trong thực vật. Nhiều loại rau quả và dược liệu thường dùng có chứa nhóm hợp chất này.

Cho đến nay có khoảng 9.000 chất đã được xác định cấu trúc[17]. Chỉ riêng 2 nhóm flavon và flavonol và với nhóm thế là -OH và -OCH3 thì theo lý thuyết có thể gặp 38. Phần lớn các chất Flavonoid có màu vàng. Tuy nhiên, cũng có một số phân nhóm hay chất thuộc flavonoid nhưng không có màu hay có màu cam, đỏ, tím, xanh.

Khung flavonoid được tạo thành từ hai vòng thơm được gắn với nhau qua một vòng pyrone trong trường hợp các hợp chất flavone, hoặc là một vòng dihydropyron trong trường hợp các hợp chất flavanone, như trong Hình 1.1: Khung flavon (A) và flavanon Hình 1.1: Khung flavon (A) và flavanon (B) Theo cấu trúc phân tử, flavonoid được chia thành sáu nhóm chính sau: flavon, flavanon, flavonol, flavanol isoflavon và anthocyanidin.[20] Cấu trúc phân tử của chúng được biểu diễn như trong Hình 1. Cấu trúc phân tử của các nhóm flavonoid 4 Hình 1. Cấu trúc phân tử của các nhóm flavonoid 1. Flavonoid trong vỏ quả cây họ Cam Flavonoid trong họ Cam chủ yếu dưới dạng dẫn xuất glycosid.

Phần đường thường gặp gồm có D-glucose và L-Rhamnose. Các dẫn xuất glycosid thường là O- glycosid, trong đó phần đường liên kết với nhóm hydroxyl của aglycone ở vị trí C7 hoặc trong một số trường hợp là ở vị trí C3. Dạng C- glycosid cũng được tìm thấy trong một số cây họ Cam [15] Các flavanone-O-glycosid có trong cây họ Cam được giới thiệu trong Bảng 1.2: Các hợp chất flavanone-O-glycosid trong họ Cam Các dẫn xuất này có một nhóm thế glycosyl ở vị trí C7. Cho đến nay, trong nhóm hợp chất này chỉ có hai nhóm disaccharid được xác định mà cả hai đều là dẫn xuất L-rhamnosyl-D-glucosyl : Nhóm rutinose, có một liên kết α-1,6 glycosid; còn nhóm neohesperidose thì hai phân tử đường liên kết với nhau qua liên kết α-1,2 glycosid như trong Hình 1.3: Rutinose và Neohesperidose Bảng 1.2: Các hợp chất flavanone-O-glycosid trong họ Cam Tên hợp chất R1 R2 R3 11 Isosakuranetin 7-O-rutinoside O-Rua H OCH3 12 Eriodictyol 7-O-rutinoside O-Rua OH OH 1 Hesperetin 7-O-rutinoside (Hesperidin) O-Nhb OH OCH3 Naringenin 7-O-neohesperidoside 5 O-Rua H OH (Naringin) 4 Naringenin 7-O-rutinoside (Narirutin) O-Nhb H OH Hesperetin 7-O-neohesperidoside 6 O-Nhb OH OCH3 (Neohesperidin) 13 Eriodictyol 7-O-neohesperidoside O-Nhb OH OH 14 Isosakuranetin 7-O-neohesperidoside O-Nhb H OCH3 a O- Rutinose; b O- Neohesperidose Các hợp chất flavone-O-glycosid và flavone-C-glycosid tìm thấy trong cây họ cam được trình bày ở Bảng 1.

Các hợp chất flavone-O-glycosid thường là 7-O- rutinoside hoặc 7-O-neohesperidoside. Cho đến nay, người ta mới chỉ tìm thấy duy nhất Rutin (24) là dẫn xuất 3-O-rutinoside. Trong cây họ cam cũng còn chứa một số lớn dẫn xuất di-C-glycosid cũng như một số lượng nhỏ hơn dẫn xuất mono-C-glycosid. Với những hợp chất này, vị trí thế thường ở C6 hay C8 hoặc cả hai.

Các hợp chất flavone-O-glycosid và flavone-C-glycosid trong họ Cam Tên hợp chất R1 R2 R3 R4 R5 R6 15 Luteolin 6,8-di-C-glucoside H Glu OH Glu OH OH 16 Apigenin 6,8-di-C-glucoside H Glu OH Glu H OH Chrysoeriol 6,8-di-C- 17 H Glu OH Glu OCH3 OH glucoside 18 Diosmetin 6,8-di-C-glucoside H Glu OH Glu OH OCH3 Chrysoeriol 7-O- 19 H H O-Nhb H OCH3 OH neohesperidoside-4-glucoside 20 Apigenin 6-C-glucoside H Glu OH H OH OH 21 Luteolin 7-O-rutinoside H H O-Rua H OH OH 22 Chrysoeriol 8-C-glucoside H H OH Glu OCH3 OH 23 Diosmetin 8-C-glucoside H H OH Glu OH OCH3 24 Quercetin 3-O-rutinoside O-Rua H OH H OH OH Apigenin 7-O- 25 H H O-Nhb H OH OH neohesperidoside 26 Apigenin 7-O-rutinoside H H O-Rua H OH OH Chrysoeriol 7-O- 27 H H O-Nhb H OCH3 OH neohesperidoside 28 Diosmetin 7-O-rutinoside H H O-Rua H OH OCH3 Diosmetin 7-O- 29 H H O-Nhb H OH OCH3 neohesperidoside a O- Rutinose; b O- Neohesperidose 1. Các phương pháp chiết xuất flavonoid Không có một phương pháp chung nào để chiết xuất các flavonoid vì chúng rất khác nhau về độ tan trong nước và trong các dung môi hữu cơ. Các flavonoid glycosid thường dễ tan trong các dung môi phân cực như cồn, methanol, hay hỗn hợp cồn nước.[8] Ví dụ như trong nghiên cứu chiết xuất quercetin của Lê Huy Hoàng và cộng sự, nguyên liệu thực vật được thêm hỗn hợp methanol/ H2O (50:20, mL/mL) ở tỉ lệ 1:50 (g/mL) và kết hợp siêu âm để thu dịch chiết. Sau đó, dịch chiết được lọc, bổ sung axit HCl (70:8, mL/mL) và siêu âm lần 2 để thủy phân.

7 Các hợp chất flavonoid còn có thể tan được trong dung dịch kiềm loăng, có thể dựa vào đó để chiết. Ví dụ như trong nghiên cứu chiết rutin trong nụ Hòe đã sử dụng dung dịch Natri tetraborat 2% để hoà tan flavonoid ra khỏi nguyên liệu, sau đó acid hoá bằng dung dịch HCl đến pH 3 để kết tủa lại rutin. Rutin thô sau đó được tinh chế bằng cách hòa tan trong ethanol với tỷ lệ 1/5 (g/ml), thêm 5% than hoạt, đun nóng còn 1/3 thể tích và được thêm đồng lượng nước để kết tinh lại [2] 1. Tổng quan về hesperidin và các phương pháp chiết xuất Hesperidin Hesperidin (1) là một hợp chất flavonoid chủ yếu trong vỏ quả cây họ Cam lần đầu tiên được phát hiện bởi Lebreton vào năm 1827 từ vỏ cam[11], sau đó nó được tìm thấy trong rất nhiều cây họ Cam (họ Cửu lý hương).

- Công thức phân tử: C28H34O15. - Khối lượng phân tử: 610,55 đvC - Công thức cấu tạo của Hesperidin như sau: Tên khoa học: (2S)-5-Hydroxy-2-(3-hydroxy-4-methoxyphenyl)-4-oxo-3,4- dihydro-2H-chromen-7-yl 6-O-(6-deoxy-α-L-mannopyranosyl)-β-D-glucopyranoside Tên khác: hesperetin 7-rhamnoglucoside; cirantin; hesperetin-7-rutinoside. Theo cấu trúc phân tử hesperidin thuộc về nhóm flavanone. Phân tử hesperidin gồm một phân tử aglycone hesperetin (12) liên kết với một phân tử disaccharid (rutinose).

Do đó có thể coi hesperidin là dẫn xuất β-7-rutinoside của hesperetin. Rutinose (6-O-(6-deoxy-α-L-mannopyranosyl)-D-glucose) là một disaccharid tạo nên bởi một phân tử rhamnose và một phân tử glucose bằng liên kết α-1,6. Trong phân tử hesperidin, glucose gắn với hesperetin còn rhamnose gắn với phân tử glucose. [11] Khi thủy phân hesperidin bằng kiềm thu được phloroglucinol và hesperetenic acid.

Khi thủy phân hesperidin bằng axít thu được hesperetin, D-glucose và L-rhamnose. Tính chất vật lý của hesperidin Hesperidin là chất rắn màu trắng hay nâu nhạt, không mùi, không vị. Khó tan trong nước (1 gam trong 50 lít nước). Tan trong formamid, dimethyl formamid ở 60C.

Ít tan trong methanol, acid acetic băng nóng. Hầu như không tan trong aceton, benzen, chloroform. Tan tự do trong kiềm loãng, pyridine tạo ra một dung dịch có màu vàng sáng.[23] Nhiệt độ nóng chảy: 258-262 °C. Tính chất hóa học Hesperidin là flavonoid thuộc nhóm flavanon glycosid do đó mang các tính chất hóa học đặc trưng của flavanon.

Tính chất hóa học của hesperidin còn phụ thuộc vào các nhóm thế và vị trí các nhóm thế trong cấu trúc. Tính oxy hóa: Dưới tác dụng của chất oxy hóa (bạc nitrat, ferricyanid, persulfat, các gốc tự do.) hay enzym polyphenoloxydase, flavonoid sẽ bị oxy hoá thành các gốc ArO*. Các gốc này có thể dimer hóa hay phản ứng oxy hóa với các gốc tự do khác tạo thành liên kết mới C−C, C−O hoặc O−O. Sự tăng nhóm hydroxy trong phân tử làm cho các chất phenol trở nên nhạy cảm hơn với sự oxy hóa và với các phản ứng bé gãy vòng Phản ứng mở vòng: Flavonoid khi đun nóng với dịch KOH 30% sẽ bị mở vòng C sau đó tạo thành dẫn chất acid thơm và dẫn chất phenol.

Tùy vào nhóm thế và vị trí vào các vòng A và B mà có các dẫn chất acid thơm và phenol khác nhau Phản ứng cyanidin: (phản ứng Shinoda) Là phản ứng khử nhóm carbonyl ở vị trí C4 bởi hydro mới sinh. Sản phẩm tạo thành là muối của dẫn chất anthocyan có màu đỏ, hồng, đỏ tím., tùy từng chất. Dung dịch flavonoid trong ethanol, thêm bột Mg rồi nhỏ từ từ HCl đậm đặc. Sau 1 đến 2 phút, các dẫn chất flavon, flavonol, flavanonol, flavanon sẽ xuất hiện màu đỏ cam, đỏ thẫm hoặc đỏ tươi.

Màu sắc có thể bị thay đổi tùy thuộc vào loại, số lượng, vị trí nhóm thế[8] 1. Tác dụng dược lý của Hesperidin Tác dụng chữa bệnh của hesperidin được các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm trong thời gian gần đây và đã có một số lượng lớn ấn phẩm được công bố về ứng dụng hesperidin trong điều trị bệnh. Hesperidin cũng như các flavonoid khác có tác dụng kháng viêm, chống ôxy hóa, chống ung thư. Hesperidin có tác dụng làm bền thành mạch và giảm tính thấm của mao mạch nên được sử dụng trong điều trị bệnh cao huyết áp và bệnh trĩ.

Tác dụng chữa ho của hesperidin là do khả năng chống dị ứng nhờ tính chất ức chế việc giải phóng histamine từ các tế bào lớn[11]. Hesperidin khi dùng phối hợp với vitamin C có tác dụng cộng hưởng và hỗ trợ hấp thụ vitamin C. - Tác dụng trên hệ mạch 9 Hesperidin được sử dụng trong điều trị những bệnh nhân bị các chứng bệnh về hệ mạch bao gồm các bệnh liên quan đến hệ mạch như chứng bầm tím và giãn tĩnh mạch.