Luận văn ThS Đào Thị Mai: Quy trình chiết xuất Curcuminoid từ nghệ bằng enzyme

Khám phá cách viết luận văn thạc sĩ hiệu quả, từ chọn đề tài đến cấu trúc và phương pháp nghiên cứu. Hướng dẫn chi tiết cho sinh viên.

• Tác giả: Đào Thị Mai
• Người hướng dẫn: TS. Lê Tất Thành
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Quy Trình Chiết Xuất Curcuminoid Từ Củ Nghệ Vàng (Curcuma Longa L.) Bằng Công Nghệ Enzyme
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CỦ NGHỆ
• 1.1. Cây nghệ vàng
• 1.2. Thành phần hóa học của củ nghệ vàng
• 1.3. Hoạt tính sinh học của củ nghệ vàng
• 1.4. Hợp chất curcuminoid trong củ nghệ vàng
• 1.5. Cấu trúc hóa học của curcuminoid
• 1.6. Hoạt tính sinh học của curcuminoid
• 1.7. Ứng dụng của curcuminoid trong thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm
• 1.8. Các phương pháp phân lập curcuminoid
• 1.9. Ứng dụng công nghệ enzyme trong chiết xuất các hợp chất thiên nhiên
• 1.9.1. Công nghệ enzyme
• 1.9.2. Năng lượng phản ứng xúc tác enzyme
• 1.9.3. Ứng dụng công nghệ enzyme chiết xuất hợp chất thiên nhiên
• 1.9.4. Ứng dụng công nghệ enzyme trong chiết xuất curcuminoid từ củ nghệ
• 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Hóa chất và thiết bị
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Thu mẫu thực vật
• 2.3.2. Phương pháp xác định độ ẩm
• 2.3.3. Phương pháp xác định hàm lượng tro toàn phần
• 2.3.4. Xác định hàm lượng carbohydrate
• 2.3.5. Xác định hàm lượng và thành phần curcuminoid bằng HPLC
• 2.3.6. Phương pháp định lượng đường khử và tinh bột
• 2.3.7. Phương pháp xác định hoạt độ của enzyme
• 2.3.8. Phương pháp thủy phân nghệ bằng enzyme
• 2.3.9. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm tâm trực giao bậc 2 Box-Wilson
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đánh giá chất lượng mẫu củ nghệ vàng tại Nghệ An, Việt Nam
• 3.2. Đánh giá cảm quan củ nghệ vàng tại Nghệ An
• 3.3. Phân tích chất lượng mẫu nghệ tại Nghệ An
• 3.4. Đánh giá hàm lượng curcuminoid trong củ nghệ vàng ở Nghệ An
• 3.5. Kết quả nghiên cứu xây dựng quy trình chiết xuất curcuminoid bằng công nghệ enzyme quy mô PTN
• 3.5.1. Kết quả lựa chọn enzyme
• 3.5.2. Kết quả khảo sát các điều kiện thủy phân nghệ
• 3.5.3. Tối ưu hóa quy trình thủy phân củ nghệ bằng enzyme
• 3.5.4. Quy trình chiết xuất curcuminoid bằng công nghệ enzyme quy mô PTN
• 3.5.5. Đánh giá hiệu suất chiết xuất curcuminoid kết hợp với thủy phân bằng enzyme
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn thạc sĩ Khám phá quy trình chiết xuất curcuminoid

Luận văn thạc sĩ là một phần quan trọng trong quá trình học tập của sinh viên cao học. Đặc biệt, nghiên cứu về quy trình chiết xuất curcuminoid từ củ nghệ vàng (Curcuma longa L.) bằng công nghệ enzyme đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu. Đề tài này không chỉ giúp sinh viên nâng cao kiến thức mà còn đóng góp vào việc phát triển công nghệ xanh trong ngành thực phẩm và dược phẩm.

1.1. Luận văn thạc sĩ Định nghĩa và vai trò

Luận văn thạc sĩ là một nghiên cứu độc lập, thể hiện khả năng nghiên cứu và phân tích của sinh viên. Nó giúp sinh viên áp dụng lý thuyết vào thực tiễn và phát triển kỹ năng nghiên cứu.

1.2. Tại sao nghiên cứu curcuminoid lại quan trọng

Curcuminoid có nhiều ứng dụng trong y học và thực phẩm. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hoạt tính sinh học của curcuminoid mà còn tìm kiếm phương pháp chiết xuất hiệu quả hơn.

II. Thách thức trong nghiên cứu luận văn thạc sĩ về curcuminoid

Nghiên cứu về curcuminoid không chỉ đơn thuần là chiết xuất mà còn đối mặt với nhiều thách thức. Việc lựa chọn enzyme phù hợp, tối ưu hóa quy trình chiết xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm là những vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Vấn đề lựa chọn enzyme trong chiết xuất

Lựa chọn enzyme phù hợp là yếu tố quyết định đến hiệu suất chiết xuất curcuminoid. Các enzyme khác nhau có khả năng thủy phân khác nhau, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.2. Tối ưu hóa quy trình chiết xuất curcuminoid

Quy trình chiết xuất cần được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất. Các yếu tố như nhiệt độ, pH và thời gian phản ứng cần được điều chỉnh để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

III. Phương pháp nghiên cứu chiết xuất curcuminoid hiệu quả

Để nghiên cứu quy trình chiết xuất curcuminoid, nhiều phương pháp đã được áp dụng. Công nghệ enzyme là một trong những phương pháp tiên tiến, giúp tăng cường hiệu suất chiết xuất và giảm thiểu tác động môi trường.

3.1. Công nghệ enzyme trong chiết xuất curcuminoid

Công nghệ enzyme giúp phân giải các liên kết trong cấu trúc của củ nghệ, từ đó giải phóng curcuminoid một cách hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chiết xuất

Nhiệt độ, pH và thời gian phản ứng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất chiết xuất curcuminoid. Việc tối ưu hóa các yếu tố này sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của curcuminoid trong ngành dược phẩm

Curcuminoid không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành dược phẩm. Các hoạt chất này đã được chứng minh có tác dụng kháng viêm, chống oxy hóa và hỗ trợ điều trị nhiều loại bệnh.

4.1. Tác dụng kháng viêm của curcuminoid

Curcuminoid có khả năng ức chế các cytokine gây viêm, từ đó giúp giảm triệu chứng viêm nhiễm trong cơ thể. Nghiên cứu cho thấy curcumin có thể làm giảm tình trạng viêm nướu và các bệnh viêm khác.

4.2. Ứng dụng curcuminoid trong điều trị ung thư

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng curcuminoid có khả năng ức chế sự phát triển của tế bào ung thư. Việc kết hợp curcumin với các loại thuốc điều trị ung thư khác đã cho thấy hiệu quả tích cực.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu về curcuminoid

Nghiên cứu về curcuminoid từ củ nghệ vàng không chỉ mở ra hướng đi mới trong công nghệ chiết xuất mà còn góp phần vào việc phát triển các sản phẩm dược phẩm và thực phẩm chức năng. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho sức khỏe con người.

5.1. Tương lai của nghiên cứu curcuminoid

Nghiên cứu curcuminoid sẽ tiếp tục được mở rộng với nhiều ứng dụng mới trong y học và công nghiệp thực phẩm. Các công nghệ chiết xuất tiên tiến sẽ giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu về các phương pháp chiết xuất mới và tối ưu hóa quy trình để nâng cao hiệu suất chiết xuất curcuminoid. Đồng thời, nghiên cứu thêm về hoạt tính sinh học của các hợp chất này cũng rất cần thiết.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Củ nghệ vàng (Curcuma longa L.) là một nguyên liệu quý giá trong y học cổ truyền và công nghiệp dược phẩm nhờ chứa các hợp chất curcuminoid có hoạt tính sinh học đa dạng. Tại Việt Nam, đặc biệt ở Nghệ An, củ nghệ vàng được trồng phổ biến với hàm lượng curcuminoid dao động từ 2,57% đến 6,1% theo khối lượng khô, trong đó curcumin chiếm phần lớn. Tuy nhiên, các phương pháp chiết xuất curcuminoid hiện nay chủ yếu sử dụng dung môi hữu cơ, gây tốn kém và ảnh hưởng môi trường. Nghiên cứu này nhằm xây dựng quy trình chiết xuất curcuminoid từ củ nghệ vàng bằng công nghệ enzyme thân thiện môi trường, tối ưu hóa các điều kiện thủy phân enzyme để nâng cao hiệu suất chiết xuất.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là: thu thập và đánh giá chất lượng mẫu củ nghệ vàng tại Nghệ An; lựa chọn enzyme phù hợp; khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân; xây dựng và tối ưu quy trình chiết xuất curcuminoid bằng công nghệ enzyme quy mô phòng thí nghiệm. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2021 tại Viện Nghiên cứu hệ gen, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ chiết xuất xanh – sạch, giảm thiểu sử dụng dung môi hữu cơ, tiết kiệm năng lượng và chi phí sản xuất, đồng thời nâng cao giá trị kinh tế của củ nghệ vàng trong ngành dược phẩm và thực phẩm chức năng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc và hoạt tính sinh học của curcuminoid: Curcuminoid gồm curcumin, demethoxycurcumin (DMC) và bis-demethoxycurcumin (BDMC), có cấu trúc polyphenol với hoạt tính chống oxy hóa, kháng viêm, kháng ung thư và kháng khuẩn. Curcumin là thành phần chính chiếm 70-80% trong hỗn hợp curcuminoid.

• Công nghệ enzyme trong chiết xuất hợp chất thiên nhiên: Enzyme như α-amylase và cellulase có khả năng thủy phân tinh bột và cellulose trong thành tế bào thực vật, giúp giải phóng các hoạt chất bị giữ trong mạng lưới lignocellulose. Enzyme xúc tác phản ứng với độ đặc hiệu cao, giảm năng lượng hoạt hóa, hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ 30-50°C và pH trung tính.

• Mô hình quy hoạch thực nghiệm tâm trực giao bậc 2 Box-Wilson: Phương pháp tối ưu hóa đa biến, xây dựng mô hình hồi quy bậc 2 để xác định ảnh hưởng và tương tác của các yếu tố công nghệ như pH, nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ enzyme/cơ chất đến hiệu quả thủy phân.

Các khái niệm chính bao gồm: độ thủy phân (Degree of Hydrolyaste - DH), hoạt độ enzyme, tỷ lệ enzyme/cơ chất (E/S), và các chỉ tiêu chất lượng mẫu nghệ như hàm lượng curcuminoid, carbohydrate, tinh bột.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Mẫu củ nghệ vàng được thu thập tại hai vùng trồng chính ở Nghệ An là Tương Dương và Nam Đàn, được xử lý, sấy khô và xay thành bột kích thước 0,5 mm. Các enzyme α-amylase và cellulase có hoạt độ 2000 UI/g được sử dụng.

• Phương pháp phân tích: Hàm lượng curcuminoid được xác định bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với chuẩn UV 425 nm. Độ ẩm, tro toàn phần, carbohydrate và tinh bột được xác định theo tiêu chuẩn TCVN và phương pháp axit phenol-sulfuric, DNS. Hoạt độ enzyme được đo bằng phương pháp quang phổ đo glucose tạo thành.

• Phương pháp thủy phân enzyme: Thủy phân mẫu nghệ với các tỷ lệ enzyme/cơ chất khác nhau, điều chỉnh pH, nhiệt độ và thời gian để khảo sát ảnh hưởng đến độ thủy phân. Quá trình được thực hiện trong bình phản ứng với khuấy trộn, kết thúc bằng bất hoạt enzyme ở 80°C.

• Tối ưu hóa quy trình: Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tâm trực giao bậc 2 Box-Wilson với 5 yếu tố (tỷ lệ α-amylase, tỷ lệ cellulase, pH, nhiệt độ, thời gian) để xây dựng mô hình hồi quy và xác định điều kiện tối ưu cho độ thủy phân cao nhất.

• Timeline nghiên cứu: Thu thập mẫu và đánh giá chất lượng (2019), khảo sát enzyme và điều kiện thủy phân (2020), xây dựng và tối ưu quy trình (2021).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chất lượng mẫu củ nghệ vàng tại Nghệ An: Độ ẩm trung bình 76,36%, hàm lượng tro toàn phần 5,3%, carbohydrate 73,49%, tinh bột 53,54% theo khối lượng khô. Hàm lượng curcuminoid tổng dao động từ 2,57% đến 6,1%, trong đó mẫu trồng trên đất đồi Nam Đàn có hàm lượng curcuminoid cao hơn (4,8-6%) so với mẫu ở Tương Dương (2,57-6,1%). Hàm lượng curcumin trung bình là 2,27%, DMC 1,13%, BDMC 1,34%.

2. Lựa chọn enzyme và tỷ lệ enzyme/cơ chất: Tỷ lệ enzyme/cơ chất 1% cho hiệu quả thủy phân cao nhất. Độ thủy phân đạt 32,01% với cellulase và 29,8% với α-amylase riêng lẻ. Khi kết hợp α-amylase và cellulase, độ thủy phân tăng lên 39,19%, cao hơn đáng kể so với sử dụng từng enzyme đơn lẻ.

3. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ: pH 6,0 và nhiệt độ 50°C là điều kiện tối ưu cho hoạt động enzyme, đạt độ thủy phân lần lượt 39,34% và 42,1%. Tỷ lệ nước/nguyên liệu 7:1 và thời gian thủy phân 16 giờ 30 phút cho hiệu quả cao nhất với độ thủy phân 44,97% và 45,88%.

4. Tối ưu hóa quy trình thủy phân enzyme: Mô hình hồi quy bậc 2 cho thấy các yếu tố tỷ lệ enzyme, pH, nhiệt độ và thời gian có ảnh hưởng có ý nghĩa đến độ thủy phân (R² = 0,9901). Điều kiện tối ưu được xác định gồm: tỷ lệ α-amylase 1,1%, cellulase 0,8%, pH 5,9, nhiệt độ 52,5°C, thời gian 16 giờ 30 phút. Thí nghiệm kiểm tra đạt độ thủy phân 45,12 ± 0,04%, gần với giá trị dự đoán 47,285%.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc kết hợp enzyme α-amylase và cellulase giúp phá vỡ cấu trúc tinh bột và cellulose trong thành tế bào củ nghệ, giải phóng curcuminoid hiệu quả hơn so với sử dụng enzyme đơn lẻ. Điều kiện pH và nhiệt độ tối ưu phù hợp với khoảng hoạt động của enzyme, đảm bảo hoạt tính cao và ổn định trong quá trình thủy phân. Thời gian thủy phân 16 giờ 30 phút là đủ để đạt độ thủy phân tối đa, tránh lãng phí thời gian và giảm nguy cơ phân hủy hoạt chất.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất thủy phân và hàm lượng curcuminoid thu được tương đương hoặc cao hơn, chứng tỏ quy trình enzyme thân thiện môi trường có tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp chiết xuất curcuminoid. Việc sử dụng enzyme giúp giảm thiểu dung môi hữu cơ, tiết kiệm năng lượng và chi phí, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ độ thủy phân theo tỷ lệ enzyme, pH, nhiệt độ và thời gian, cũng như bảng phân tích phương sai mô hình hồi quy để minh họa sự ảnh hưởng và tương tác của các yếu tố công nghệ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng quy trình chiết xuất enzyme trong công nghiệp: Đề xuất triển khai quy trình thủy phân enzyme với tỷ lệ α-amylase 1,1%, cellulase 0,8%, pH 5,9, nhiệt độ 52,5°C, thời gian 16 giờ 30 phút để nâng cao hiệu suất chiết xuất curcuminoid, giảm chi phí và tác động môi trường. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các doanh nghiệp dược phẩm và thực phẩm chức năng.

2. Nâng cao chất lượng nguyên liệu: Khuyến khích các vùng trồng nghệ như Nam Đàn áp dụng kỹ thuật canh tác và thu hoạch phù hợp để tăng hàm lượng curcuminoid trong củ nghệ, từ đó nâng cao giá trị nguyên liệu đầu vào. Thời gian: liên tục, chủ thể: nông dân và cơ quan quản lý nông nghiệp.

3. Phát triển sản phẩm đa dạng từ curcuminoid: Khuyến nghị nghiên cứu và phát triển các sản phẩm dược phẩm, thực phẩm chức năng và mỹ phẩm dựa trên curcuminoid chiết xuất bằng công nghệ enzyme nhằm tận dụng tối đa hoạt tính sinh học và tính an toàn của sản phẩm. Thời gian: 1-3 năm, chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo về công nghệ enzyme trong chiết xuất curcuminoid cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ xanh – sạch. Thời gian: 6 tháng đến 1 năm, chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học và các tổ chức liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Công nghệ sinh học: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về chiết xuất curcuminoid bằng enzyme, hỗ trợ nghiên cứu phát triển công nghệ mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất dược phẩm và thực phẩm chức năng: Tham khảo quy trình chiết xuất enzyme thân thiện môi trường để cải tiến công nghệ sản xuất, nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

3. Cơ quan quản lý nông nghiệp và phát triển nông thôn: Sử dụng kết quả đánh giá chất lượng nguyên liệu nghệ để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển vùng nguyên liệu chất lượng cao.

4. Chuyên gia phát triển sản phẩm mỹ phẩm thiên nhiên: Áp dụng kiến thức về hoạt tính sinh học của curcuminoid và công nghệ chiết xuất enzyme để phát triển các sản phẩm chăm sóc da an toàn, hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ enzyme có ưu điểm gì so với phương pháp chiết dung môi truyền thống?
   Công nghệ enzyme giảm thiểu sử dụng dung môi hữu cơ độc hại, tiết kiệm năng lượng, tăng hiệu suất chiết xuất và chất lượng sản phẩm, đồng thời thân thiện với môi trường.

2. Tại sao phải kết hợp α-amylase và cellulase trong quá trình thủy phân?
   α-amylase thủy phân tinh bột, cellulase phân giải cellulose trong thành tế bào, kết hợp giúp phá vỡ cấu trúc phức tạp của củ nghệ, giải phóng curcuminoid hiệu quả hơn.

3. Điều kiện pH và nhiệt độ ảnh hưởng thế nào đến hoạt động enzyme?
   Mỗi enzyme có khoảng pH và nhiệt độ tối ưu để hoạt động hiệu quả. pH 5,9-6,0 và nhiệt độ 50-52,5°C là điều kiện tối ưu giúp enzyme duy trì hoạt tính cao và ổn định trong quá trình thủy phân.

4. Thời gian thủy phân enzyme nên kéo dài bao lâu?
   Nghiên cứu cho thấy thời gian 16 giờ 30 phút là đủ để đạt độ thủy phân tối đa, kéo dài hơn không làm tăng hiệu quả đáng kể mà có thể gây lãng phí thời gian và phân hủy hoạt chất.

5. Quy trình chiết xuất enzyme có thể áp dụng ở quy mô công nghiệp không?
   Quy trình đã được tối ưu ở quy mô phòng thí nghiệm với kết quả khả quan, có tiềm năng mở rộng quy mô công nghiệp sau khi điều chỉnh phù hợp với thiết bị và điều kiện sản xuất thực tế.

Kết luận

• Đã đánh giá chất lượng mẫu củ nghệ vàng tại Nghệ An với hàm lượng curcuminoid trung bình 4,74%, phù hợp làm nguyên liệu chiết xuất.
• Lựa chọn và kết hợp enzyme α-amylase và cellulase với tỷ lệ 1,1% và 0,8% đạt hiệu quả thủy phân cao nhất.
• Xác định điều kiện tối ưu thủy phân enzyme gồm pH 5,9, nhiệt độ 52,5°C, thời gian 16 giờ 30 phút, tỷ lệ nước/nguyên liệu 7:1.
• Mô hình quy hoạch thực nghiệm bậc 2 cho kết quả phù hợp với thực nghiệm, độ thủy phân đạt 45,12%, gần với giá trị dự đoán 47,285%.
• Quy trình chiết xuất curcuminoid bằng công nghệ enzyme thân thiện môi trường có tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp, góp phần phát triển công nghệ xanh – sạch.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy trình ở quy mô pilot, đánh giá tính ổn định và hiệu quả kinh tế; phát triển sản phẩm ứng dụng từ curcuminoid chiết xuất bằng enzyme; đào tạo chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp.

Call-to-action: Các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực dược phẩm, thực phẩm chức năng nên hợp tác để ứng dụng và phát triển công nghệ chiết xuất enzyme nhằm nâng cao giá trị sản phẩm và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.

Giới thiệu về củ nghệ 1. Cây nghệ vàng Củ nghệ là thân rễ hoặc thân ngầm của cây nghệ vàng có tên khoa học là Curcuma longa L. 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. 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 ảnh cây nghệ vàng (Curcuma longa L. 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.

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)-1,6- heptadiene-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. Các thành phần cơ bản trong củ nghệ vàng C.

STT Thành phần Hàm lượng (%) 1 Nước 74-76 2 Curcuminoid (DW) 0,5-6 3 Chất xơ (DW) 3,5-4,3 4 Dầu (DW) 4-5 5 Khoáng chất (DW) 3,5-5 6 Protein (DW) 6,3-7 7 Chất béo (DW) 5,1-7,5 8 Carbohydrates (DW) 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), α- turmerone và β-turmerone (Hình 1. 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]. 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 cur-turmerone – 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]. 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, α-zingiberene, 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 ar-turmerone 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. Hợp chất curcuminoid trong củ nghệ vàng 1. Cấu trúc hóa học của curcuminoid Hợp chất curcuminoid bao gồm curcumin chiếm 70-80%, DMC chiếm 10- 25% và BMC chiếm 5-10% [34, 35]. 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.

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 (4- hydroxy-3-methoxyphenyl) - (1 E , 6 E ) (Hình 1. 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.