Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lịch sử y học, các hợp chất tự nhiên có nguồn gốc từ thực vật đóng vai trò thiết yếu trong việc chăm sóc sức khỏe cộng đồng. Theo Báo cáo Toàn cầu về Y học Cổ truyền năm 2019 của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), khoảng 80% dân số tại các quốc gia đang phát triển vẫn phụ thuộc vào các bài thuốc từ dược liệu tự nhiên. Ngược lại, việc lạm dụng dược phẩm tổng hợp trong điều trị hiện đại tiềm ẩn nhiều rủi ro về phản ứng có hại của thuốc (ADR); nghiên cứu tổng quan hệ thống của Lazarou và cộng sự (1998) chỉ ra rằng khoảng 6,7% bệnh nhân nhập viện tại Hoa Kỳ hàng năm xuất phát từ các tác dụng không mong muốn của thuốc. Thực tế này thúc đẩy xu hướng nghiên cứu phân lập và ứng dụng các hoạt chất sinh học tự nhiên có hoạt tính trị liệu cao và độc tính thấp.

Việt Nam sở hữu hệ thực vật đa dạng với hơn 80 loài thuộc chi Trà (Camellia, họ Theaceae), trong đó có nhiều loài đặc hữu và quý hiếm. Năm 2024, loài Trà hoa mới với danh pháp khoa học Camellia hoaana H. Yang đã được nhóm tác giả Yang và cộng sự công bố tại Vườn Quốc gia Bù Gia Mập, tỉnh Bình Phước. Dù chi Camellia được ghi nhận rộng rãi về hàm lượng phong phú các hợp chất polyphenol, flavonoid và saponin có hoạt tính chống oxy hóa, kháng khuẩn và bảo vệ tim mạch, loài Camellia hoaana vẫn chưa từng có công trình nghiên cứu nào công bố về thành phần hóa học. Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thu Hương (chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa Dược, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) được triển khai nhằm cung cấp các dữ liệu khoa học đầu tiên về hóa thực vật học cho loài này.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác lập thành 3 nội dung cụ thể:

  1. Điều chế cao phân đoạn Me40-Me10 từ thân cây Trà hoa (Camellia hoaana H. Yang).
  2. Phân lập các hợp chất tinh sạch từ phân đoạn Me40-Me10.
  3. Xác định cấu trúc hóa học của các hợp chất phân lập được từ phân đoạn Me40-Me10.

Đối tượng nghiên cứu là mẫu thân cây Trà hoa (Camellia hoaana H. Yang, họ Theaceae). Mẫu thực vật được thu hái tại Vườn Quốc gia Bù Gia Mập, tỉnh Bình Phước qua hai đợt (tháng 01/2023 và tháng 01/2024), được định danh bởi nhóm nghiên cứu thực vật thuộc Đại học Đà Lạt và lưu trữ mẫu đối chứng mang ký hiệu CH-2023 tại Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Phạm vi thời gian thực hiện nghiên cứu kéo dài từ ngày 20/09/2024 đến ngày 30/06/2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết về hóa học các hợp chất thiên nhiên và phân loại thực vật chi Camellia. Về mặt hóa học, chi Camellia nổi bật với các nhóm chất chuyển hóa thứ cấp: saponin triterpenoid pentacyclic (chủ yếu khung oleanane acylate hóa ở hạt), các dẫn xuất catechin (như EGCG, ECG, EGC, EC tập trung ở lá), flavonoid (dẫn xuất glycoside của quercetin, kaempferol, myricetin) và anthocyanin (cyanidin, delphinidin). Cơ sở lý thuyết dược lý trong văn bản tổng thuật các cơ chế sinh học đã được chứng minh của chi này, bao gồm: ức chế enzyme $\alpha$-amylase và $\alpha$-glucosidase hỗ trợ kiểm soát đường huyết; trung hòa gốc tự do trong thử nghiệm DPPH; ức chế lipase tụy làm giảm hấp thu lipid; và ức chế các vi khuẩn kiểm chứng (Staphylococcus aureus, Escherichia coli).

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm hóa học phân tích và hóa thực vật, kết hợp chiết xuất, tách chiết sắc ký đa bậc và nhận danh cấu trúc bằng phổ học hiện đại:

  • Phương pháp chiết xuất: Sử dụng phương pháp ngấm kiệt ở nhiệt độ phòng với dung môi ethanol 70% từ bột dược liệu thân cây khô.
  • Phương pháp sắc ký tách phân đoạn: Sắc ký hấp phụ trên cột nhựa macroporous Diaion HP-20 rửa giải với hệ dung môi nước - methanol có độ phân cực giảm dần để thu nhận phân đoạn thô; tiếp tục phân tách sâu bằng sắc ký cột nhanh (Flash Column Chromatography - FCC) pha đảo silica gel RP-18.
  • Phương pháp phân lập và tinh chế: Sắc ký lỏng điều chế hiệu năng cao (Preparative HPLC) trên hệ thống Buchi Pure C-835 để tách các peak mục tiêu; kiểm soát độ tinh khiết phân đoạn bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao phân tích (Analytical HPLC) trên hệ thống JASCO LC-4000.
  • Phương pháp phổ học xác định cấu trúc: Đo và biện luận dữ liệu phổ cộng hưởng từ hạt nhân bao gồm phổ proton ($^1\text{H-NMR}$) và phổ carbon-13 ($^{13}\text{C-NMR}$); kết hợp phổ khối lượng phân giải cao (LC-MS) và phổ khối lượng phân đoạn mảnh (LC-MS/MS), đối chiếu dữ liệu với các tài liệu tham khảo đã công bố.
Hạng mục Danh mục vật tư / Thiết bị Xuất xứ / Thông số kỹ thuật
Dung môi, hóa chất Acetonitrile, Methanol (HPLC grade) Độ tinh khiết $\ge 99,9%$, hãng Merck (Đức)
Methanol, Acetone, Formic acid Sol-pure (Việt Nam), Sigma (Mỹ), Xilong (Trung Quốc)
Pha tĩnh sắc ký Nhựa Diaion HP-20 (Mitsubishi Chemical, Nhật Bản); Silica gel pha đảo C18 (HiMedia, Ấn Độ)
Hệ thống thiết bị Hệ thống HPLC phân tích JASCO LC-4000 Series (Nhật Bản)
Máy HPLC điều chế Buchi Pure C-835 Prep (Thụy Sĩ)
Thiết bị bổ trợ Bể siêu âm gia nhiệt Elmasonic S300H (Đức); Máy cô quay chân không Yamato RE 301A-W (Nhật Bản); Tủ sấy chân không Yamato DP 410 (Nhật Bản)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa các tư liệu khoa học về đặc điểm thực vật học, tình hình phân bố, thành phần hóa học và tác dụng sinh học của chi Camellia, trọng tâm là loài Camellia hoaana.

Về phân loại học, loài Camellia hoaana H. Yang thuộc giới Plantae, ngành Tracheophyta, lớp Magnoliopsida, bộ Ericales, họ Theaceae, chi Camellia, phân đoạn Corallina. Về mặt hình thái học, đây là loài trà mi hoa trắng, cây thân gỗ nhỏ cao 3–7 m, thớ gỗ màu nâu xám chắc mịn; lá non có màu đỏ gạch phủ lông mịn, dài 9–11 cm, rộng 3,5–5 cm; hoa mọc ở nách lá hoặc ngọn, có 5–6 cánh hoa màu trắng (dài 5–8 mm, rộng 4–5,5 mm), nhị hoa vàng tươi xếp 2–3 vòng; quả nang hình cầu rộng 2,6–3,5 cm, tách làm 3 ô chứa hạt có lông tơ màu nâu. Chương này cũng thống kê vùng phân bố của các loài trà bản địa Việt Nam, như C. bugiamapensis (Bù Gia Mập), C. chrysantha, C. tamdaoensis, C. petelotii (Tam Đảo), C. duyana, C. capitata (Lâm Đồng).

Về hóa học và dược lý, tác giả phân loại chi tiết hơn 70 saponin triterpenoid (như theasaponin, assamsaponin, teaseedsaponin), catechin (EGCG, ECG, EC), dẫn xuất flavonoid và anthocyanin trong chi Camellia. Tác dụng sinh học của các hợp chất này được tổng thuật qua các báo cáo thực nghiệm: giảm đường huyết thông qua kích thích tiết insulin từ tế bào beta đảo tụy và tăng độ nhạy insulin; khả năng dập tắt gốc tự do của EGCG mạnh hơn vitamin C trong phép thử DPPH; ức chế lipase tụy hỗ trợ kiểm soát béo phì; ức chế sự di căn và kích hoạt apoptosis tế bào ung thư; cùng khả năng kháng khuẩn đối với E. coli ($\text{MIC} = 1\text{ mg/mL}$) và S. aureus ($\text{MIC} = 0,5\text{ mg/mL}$) của saponin hạt trà.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình xử lý 8,0 kg bột khô thân cây Camellia hoaana (kích thước rây 0,5–1 mm, độ ẩm dưới 10%). Toàn bộ quá trình tách chiết và phân lập được thực hiện tuần tự qua các giai đoạn:

  1. Điều chế cao tổng: Bột thân cây được chiết ngấm kiệt với dung môi ethanol 70% ở nhiệt độ phòng. Dịch chiết sau đó được thu hồi dung môi bằng máy cô quay chân không ở nhiệt độ thấp để tạo dịch cao tổng ethanol.
  2. Điều chế cao phân đoạn lần 1: Dịch cao tổng được đưa lên cột sắc ký nhựa Diaion HP-20, rửa giải phân đoạn bằng nước cất và dung môi methanol theo chiều tăng dần nồng độ methanol trong nước, thu được 6 phân đoạn: $\text{H}_2\text{O}$, Me20, Me40, Me60, Me80 và MeOH 100%. Sắc ký lỏng HPLC phân tích cho thấy phân đoạn Me40 chứa hàm lượng hợp chất thứ cấp phân cực trung bình phong phú nhất.
  3. Điều chế cao phân đoạn lần 2: Phân đoạn Me40 tiếp tục được phân tách qua sắc ký cột nhanh pha đảo RP-18, rửa giải với hệ dung môi giảm dần độ phân cực thu được các phân đoạn thứ cấp gồm: $\text{H}_2\text{O}$, Me10, Me30, Me50 và Me70.
  4. Phân lập và tinh chế: Phân đoạn Me40-Me10 được đưa vào hệ thống HPLC điều chế Buchi Pure C-835 Prep để thu gom các phân đoạn chứa các mũi pic đơn lẻ. Sản phẩm sau đó được tái kiểm tra độ tinh khiết trên hệ thống HPLC phân tích JASCO LC-4000 series trước khi làm khô chân không để phân tích cấu trúc.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các số liệu thực nghiệm về kết quả phân lập từ phân đoạn Me40-Me10 và biện luận cấu trúc hóa học của 2 hợp chất tinh sạch thu nhận được ký hiệu là (1) và (2).

Hợp chất (1) thu được dưới dạng chất rắn màu vàng. Trên phổ cộng hưởng từ proton ($^1\text{H-NMR}$), xuất hiện tín hiệu của 5 proton thơm, đặc trưng cho khung flavone: hai mũi đôi tương tác meta ở vùng trường thấp tương ứng với proton vị trí C-6 và C-8 trên vòng A; ba tín hiệu proton trên vòng B tương ứng với hệ ghép spin ABX đặc trưng của vòng thơm thế 1,3,4 (vị trí H-2', H-5', H-6'); một tín hiệu mũi đơn đặc trưng cho proton olefin tại vị trí C-3 của vòng C flavone. Phổ carbon-13 ($^{13}\text{C-NMR}$) thể hiện đầy đủ các tín hiệu carbon của khung flavonoid, nổi bật với carbon carbonyl nhóm ketone liên hợp tại C-4 và các carbon thơm gắn nhóm hydroxyl phenolic (-OH) ở C-5, C-7, C-3' và C-4'. Kết hợp dữ liệu phổ phân cắt mảnh LC-MS và LC-MS/MS, cấu trúc của hợp chất (1) được xác định chính xác là luteolin (3',4',5,7-tetrahydroxyflavone).

Hợp chất (2) phân lập được dưới dạng chất rắn màu trắng ngà. Phổ $^1\text{H-NMR}$ ghi nhận một tín hiệu mũi đơn tích phân ứng với 2 proton thơm, chứng minh cấu trúc đối xứng phân tử của vòng benzen thế 1,3,4,5 (vị trí H-2 và H-6 mang tính tương đương hóa học); cùng một tín hiệu mũi đơn sắc nét tích phân 3 proton ở vùng trường chuyển dịch hóa học khoảng 3,8 ppm tương ứng với nhóm ester metoxy ($-\text{COOCH}_3$). Phổ $^{13}\text{C-NMR}$ ghi nhận tín hiệu carbon carbonyl của nhóm ester, carbon metoxy, cùng các carbon nhân thơm gắn oxy tại C-3, C-4, C-5 và carbon thơm C-2, C-6. Kết hợp phổ khối lượng MS, hợp chất (2) được kết luận là methyl gallate (methyl 3,4,5-trihydroxybenzoate). Kết quả này hoàn toàn phù hợp với dữ liệu đối chiếu từ các công bố quốc tế về hóa thực vật học chi Camellia.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả cụ thể về mặt thực nghiệm:

  • Xây dựng thành công quy trình chiết xuất và phân đoạn thô từ 8,0 kg bột khô thân cây Camellia hoaana bằng kỹ thuật sắc ký cột nhựa Diaion HP-20 và cột nhanh pha đảo RP-18.
  • Sử dụng phương pháp HPLC điều chế để tinh chế thành công 2 hợp chất đạt độ tinh sạch cao từ phân đoạn Me40-Me10.
  • Nhận danh cấu trúc hoàn chỉnh của 2 hợp chất tự nhiên dựa trên hệ số liệu phổ NMR ($^1\text{H}$ và $^{13}\text{C}$) và khối phổ MS, LC-MS/MS:
Ký hiệu Tên hợp chất Phân loại hóa học Công thức phân tử Phương pháp xác định
Hợp chất (1) Luteolin Flavonoid (Flavone) $\text{C}{15}\text{H}{10}\text{O}_{6}$ $^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$, LC-MS, LC-MS/MS
Hợp chất (2) Methyl gallate Dẫn xuất acid phenolic (Ester phenolic) $\text{C}{8}\text{H}{8}\text{O}_{5}$ $^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$, LC-MS, LC-MS/MS

Đóng góp khoa học mới của đề tài nằm ở chỗ đây là công trình nghiên cứu thực nghiệm đầu tiên trên thế giới khảo sát thành phần hóa học của loài mới Camellia hoaana H. Yang (được định danh năm 2024). Việc phân lập thành công luteolin và methyl gallate từ phân đoạn Me40-Me10 đã xác nhận sự tồn tại của các nhóm hợp chất polyphenol và flavonoid có hoạt tính sinh học trong thân cây của loài này, đóng góp dữ liệu hóa thực vật nền tảng làm tiền đề khoa học cho các định hướng khai thác dược liệu và đánh giá hoạt tính dược lý tiếp theo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận còn một số điểm hạn chế do giới hạn về mặt thời gian và nguồn lực thực hiện:

  • Nghiên cứu mới chỉ tập trung phân lập thành phần hóa học trên một phân đoạn hẹp (Me40-Me10) từ bộ phận thân cây; các phân đoạn khác từ cột RP-18 (Me40-Me30, Me40-Me50) và các phân đoạn rửa giải Diaion HP-20 khác (Me60, Me80) vẫn chưa được khai thác.
  • Sắc ký đồ HPLC phân tích cho thấy còn nhiều pic chất thứ cấp rõ ràng nhưng chưa được tách chiết và nhận danh.
  • Đề tài chỉ dừng lại ở bước phân lập và xác định cấu trúc hóa học, chưa tiến hành thử nghiệm đánh giá hoạt tính sinh học trực tiếp (in vitro hoặc in vivo) trên các chất đã phân lập.
  • Biện luận cấu trúc chủ yếu dựa trên phổ 1D-NMR ($^1\text{H}$, $^{13}\text{C}$) và MS; chưa triển khai hệ phổ cộng hưởng từ hạt nhân 2 chiều (2D-NMR như HSQC, HMBC) để khẳng định các tương tác không gian phức tạp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

  • Tiếp tục phân lập và định danh các hợp chất từ các phân đoạn sắc ký còn lại của thân cây Camellia hoaana.
  • Mở rộng khảo sát thành phần hóa học trên các bộ phận khác của cây như lá và hoa.
  • Triển khai thử nghiệm sàng lọc hoạt tính sinh học (chống oxy hóa, kháng viêm, kháng khuẩn và ức chế enzyme) đối với các phân đoạn cao và các hợp chất tinh khiết đã phân lập.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu tham khảo thực nghiệm hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa Dược, Dược liệu học và Hóa học các hợp chất thiên nhiên:

  • Cung cấp quy trình chiết xuất ngấm kiệt kết hợp hệ sắc ký phân đoạn kế tiếp (nhựa macroporous Diaion HP-20 và silica gel pha đảo RP-18) áp dụng hiệu quả cho mẫu thực vật thân gỗ có cấu trúc nền phức tạp.
  • Cung cấp hướng dẫn quy trình vận hành HPLC phân tích và HPLC điều chế trong việc tối ưu hóa pha động để tinh chế các polyphenol thực vật.
  • Là tài liệu mẫu về phương pháp đọc, giải phổ và đối chiếu số liệu phổ $^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$ và LC-MS/MS cho nhóm chất flavonoid và dẫn xuất acid gallic.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả lựa chọn phân đoạn Me40 để tiếp tục phân tách sâu trên cột sắc ký pha đảo RP-18?
Dịch cao tổng ethanol khi chạy qua cột nhựa hấp phụ Diaion HP-20 được phân tách thành 6 phân đoạn theo gradient dung môi ($\text{H}_2\text{O}$, Me20, Me40, Me60, Me80, MeOH). Khi khảo sát sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) phân tích, phân đoạn rửa giải bằng methanol 40% (Me40) thể hiện số lượng pic nhiều và cường độ pic sắc ký cao nhất, cho thấy hàm lượng các hợp chất thứ cấp phân cực trung bình tập trung cao, phù hợp cho việc phân lập hợp chất mục tiêu.

2. Căn cứ nào để tác giả lựa chọn phân lập 2 pic mục tiêu trên hệ thống HPLC điều chế?
Việc lựa chọn phân lập 2 pic trong phân đoạn Me40-Me10 dựa trên tiêu chí: pic có độ hấp thu quang học UV-Vis cao và rõ nét, thời gian lưu tách biệt tốt so với các chất phụ cận trên sắc ký đồ HPLC phân tích, và khả năng thu gom phân đoạn điều chế đạt độ phân giải cũng như độ tinh khiết cao khi triển khai trên cột Prep-HPLC Buchi C-835.

3. Dựa trên đặc điểm cấu trúc phân tử, thứ tự rửa giải ra khỏi cột sắc ký pha đảo RP-18 của hai chất được giải thích như thế nào?
Methyl gallate ($\text{C}_8\text{H}8\text{O}5$) có khối lượng phân tử nhỏ hơn và số lượng vòng thơm ít hơn, tính phân cực tổng thể cao hơn do tỷ lệ nhóm ưa nước trên khung phân tử lớn. Do đó, trên hệ sắc ký pha đảo RP-18 (pha tĩnh không phân cực), methyl gallate tương tác yếu hơn với pha tĩnh và được rửa giải ra trước so với luteolin ($\text{C}{15}\text{H}{10}\text{O}_6$) – một hợp chất flavone có 3 vòng thơm với tính kỵ nước lớn hơn.

4. Dữ liệu phổ nào đóng vai trò then chốt trong việc xác nhận cấu trúc của luteolin và methyl gallate?
Cấu trúc luteolin được khẳng định nhờ hệ tín hiệu proton nhân thơm gồm hệ ghép spin ABX trên vòng B (vị trí H-2', H-5', H-6'), hai mũi đôi ghép meta trên vòng A (vị trí H-6, H-8), mũi đơn olefin tại H-3 trên phổ $^1\text{H-NMR}$ kết hợp với tín hiệu carbonyl C-4 trên phổ $^{13}\text{C-NMR}$. Cấu trúc methyl gallate được xác nhận qua tín hiệu đối xứng của 2 proton thơm H-2/H-6 và mũi đơn của 3 proton nhóm ester $-\text{COOCH}_3$ trên phổ proton, kết hợp với các mũi carbon tương ứng trên $^{13}\text{C-NMR}$ và khối phổ phân giải khối lượng ion phân tử.

5. Khóa luận nhận được đánh giá học thuật như thế nào từ hội đồng chuyên môn?
Khóa luận được người hướng dẫn (TS. Nguyễn Linh Nhâm) chấm 82/100 điểm, người phản biện (PGS. Võ Thị Ngà) chấm 89/100 điểm. Tại hội đồng bảo vệ, điểm trung bình đạt 84/100 điểm (Chủ tịch hội đồng: 89, Thư ký: 82, Ủy viên: 80). Điểm tổng hợp kết luận của khóa luận tốt nghiệp đạt 85/100 điểm (xếp loại Giỏi). Tác giả đã hoàn thiện bản giải trình chỉnh sửa chi tiết các lỗi biên tập, quy cách in nghiêng tên khoa học, vẽ lại liên kết đường và chuẩn hóa bảng số liệu theo yêu cầu của hội đồng.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thu Hương đã thực hiện thành công việc khảo sát hóa thực vật đầu tiên trên loài thực vật mới phát hiện Camellia hoaana H. Yang thu hái tại Vườn Quốc gia Bù Gia Mập. Thông qua quy trình chiết ngấm kiệt kết hợp sắc ký Diaion HP-20, RP-18 và HPLC điều chế, công trình đã phân lập tinh khiết và xác định cấu trúc hóa học của hai hoạt chất tự nhiên là luteolin và methyl gallate. Kết quả nghiên cứu đạt điểm số kết luận 85/100, cung cấp hệ số liệu phổ nghiệm và thực nghiệm có độ tin cậy cao, đóng góp nền tảng khoa học vững chắc cho các nghiên cứu chuyên sâu về hoạt tính dược lý của chi Camellia tại Việt Nam.