Đặt vấn đề Nước Việt Nam chúng ta nằm trong vùng nhiệt đới cho nên những điều kiện khí hậu như nhiệt độ, lượng mưa, ánh sáng…và hơn hết điều kiện thổ nhưỡng đặc trưng thích hợp cho nhiều loài thực vật có giá trị tồn tại và phát triển. Đó là nguồn tài nguyên sinh học quý giá, thuộc loại tài nguyên tái tạo được. Từ thời xa xưa cho đến xã hội loài người hiện nay đều khai thác nguồn tài nguyên này để làm thực phẩm, thuốc chữa bệnh, các vật liệu cũng như nhiên liệu cho cuộc sống thường ngày. Kinh giới, được biết đến là một loại rau thơm, không chỉ dùng trong bữa ăn hàng ngày mà còn sử dụng như một loài nước xông chữa một số bệnh ngoài da ở trẻ em.
Kinh giới thuộc chi Elsholzia, họ Lamiaceae rất phổ biến ở nước ta, được sử dụng rộng rãi trong việc làm hương liệu cho món ăn, bảo quản thực phẩm và suất dược phẩm do chúng chứa nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học cao. Hợp chất phenolic trong kinh giới có hoạt tính sinh học đa chiều đặc biệt là hoạt chất CGA, có thể giúp phòng, chữa nhiều bệnh lý nhờ vào đặc tính chống oxy hóa tự nhiên [1], kháng khuẩn, kháng viêm, kháng vi rút, chống ung thư [1,2,3] và những công dụng tốt đến sức khỏe con người. Chính vì những công dụng của CGA, đã có nhiều phương pháp nghiên cứu trích ly thu nhận các hợp chất này [1] các bộ phận của cây kinh giới trong phòng thí nghiệm lẫn quy mô lớn. Trong các nghiên cứu cho thấy quá trình trích ly có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất thu hồi của CGA trong quá trình trích ly, các thông số của các yếu tố trích ly có sự tác động qua lại lẫn nhau [4], CGA di chuyển bên trong tế bào thực vật ra dung môi chiết.
Quy mô trích ly trong phòng thí nghiệm chưa đánh giá đủ những tác động của các yếu tố trích ly trong quá trình này, kéo theo sự sai lệch trong kết quả chiết tách CGA ở quy mô lớn. Từ đó, mô hình động học trích ly được ứng dụng nhằm đánh giá và đưa ra dữ liệu cụ thể về mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất giúp đạt hiệu suất trích ly hiệu quả hơn [5,6,7,8,9,10]. Bên cạnh đó, các hệ số quan trọng trong sự tác động giữa các yếu tố được thể hiện, dựa vào đó có thể giải quyết 2 bài toán lựa chọn thông số công nghệ cho quá trình sản suất công nghiệp. Điều này được đánh giá rất hữu ích cho vấn đề kinh tế và thương mại hóa.
Do đó, chúng tôi thực hiện luận văn với đề tài “Nghiên cứu động học quá trình trích ly Chlorogenic acid từ lá cây kinh giới (Elsholtzia ciliata)” nhằm đưa ra được mô hình động học phù hợp để mô tả cơ chế trích ly của quá trình dựa trên các dữ liệu thực nghiệm, đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố trích ly đến cơ chế của quá trình trích ly. Mục đích và mục tiêu nghiên cứu của đề tài Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã chỉ ra rằng Chlorogenic acid (CGA) là một hợp chất hữu cơ có giá trị, với tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y học và sinh học. Đồng thời, cây kinh giới (Elsholtzia ciliata) được coi là loài thực vật có giá trị dinh dưỡng cao, có khả năng phòng và chữa bệnh. Hiện tại, vẫn còn thiếu hụt các nghiên cứu về quá trình trích ly CGA từ cây kinh giới, đặc biệt là việc xây dựng mô hình động học cần thiết cho ứng dụng trích ly CGA ở quy mô lớn.
Chính vì những lý do này, nghiên cứu của chúng tôi đặt ra các nhiệm vụ sau: Nội dung 1: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly CGA. Nghiên cứu các yếu tố như nhiệt độ trích ly, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi, pH, và nồng độ dung môi ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly CGA từ cây kinh giới. Nội dung 2: Xác định các mô hình động học phù hợp cho từng điều kiện trích ly. Đánh giá và xác định các mô hình động học phù hợp với từng điều kiện trích ly, bao gồm Định luật Fick, Định luật Fick hiệu chỉnh, Định luật tỉ lệ, Phân phối Weibull, Mô hình Elovich và Mô hình hàm mũ.
Nội dung 3: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số của các mô hình động học. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số của các mô hình động học, từ đó xây dựng phương trình hồi quy cho các hệ số này. 3 Nội dung 4: Xây dựng phương trình động học hồi quy. Từ phương trình động học hồi quy, mô tả quá trình, làm rõ các bước, cơ chế và dự báo kết quả, hiệu suất của quá trình trích ly CGA tại các điều kiện khác nhau.
Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở khoa học để áp dụng và triển khai quá trình trích ly và tinh sạch CGA từ cây kinh giới ở quy mô công nghiệp. Tính mới của đề tài Nghiên cứu này thiết lập mô hình động học quá trình trích ly CGA từ lá cây kinh giới. Từ đó có thể dự đoán được hiệu suất trích ly trong quy mô lớn, ngăn ngừa các rủi ro, vấn đề tiềm ẩn có thể xảy ra, hạn chế việc thử nghiệm nhiều lần tiết kiệm thời gian và chi phí trong việc ứng dụng trong sản suất. Mặc khác, việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng, cơ chế của quá trình và mô hình động học giúp tối ưu hóa các điều kiện vận hành để đạt hiệu suất cao nhất.
Cải thiện về mặt quản lí chất lượng sản phẩm thông qua các thông số vận hành ổn định và hiệu quả. Thúc đẩy và hỗ trợ phát triển, cải tiến các công nghệ mới, từ đó tiếp tục nâng cao sản lượng và chất lượng của sản phẩm. Tổng quan về cây kinh giới 2. Cây kinh giới Chi kinh giới (Elsholtzia willd) thuộc họ Lamiaceae [11], có khoảng 40 loài kinh giới trên thế giới phân bố chủ yếu ở Đông Á, Châu Phi, Bắc Mỹ, và một số quốc gia Châu Âu.
Ở Việt Nam, có 7 loài thuộc chi kinh giới được nghiên cứu và ứng dụng làm thực phẩm và dược phẩm [12]. Cây kinh giới còn có tên gọi khác là khương giới, giả tô, kinh giới rìa, bán biên tô, tiểu kinh giới, bài hương thảo. Tên khoa học là Elsholtzia ciliata. Mô tả thực vật: Kinh giới là cây thảo sống hằng năm có đặc điểm như sau: Thân thuộc loại cỏ đứng, cao 0,6-0,8m toàn cây có lông màu trắng, có mùi rất thơm.
Thân non màu xanh, tiết diện vuông hơi khuyết ở bốn cạnh. Thân già màu nâu tía có bốn góc lồi tròn dọc thân. Lá đơn, mọc đối chéo chữ thập. Phiến là màu xanh đậm hơn ở mặt trên, hình trứng đinh nhọn một phần dọc theo hai bên cuống lá, bìa răng cưa nhọn không đều và mặt dưới nhiều chấm nhỏ (lông tiết).
Gân lá hình lông chim, nổi rõ ở mặt dưới. Cuống lá hình trụ hơi phẳng ở mặt trên, gốc cuống lồi thành u nhỏ, mặt trên có lông rậm màu trắng ở giữa. Hoa mọc thành cụm ở ngọn cành, tạt về một phía dày đặc hoa, cuống hoa có màu xanh rất ngắn hoặc gần như không có. Lá đài màu xanh, gần đều, dính nhau thành một ống hình chuông, mặt ngoài đầy lông tơ trắng, nhiều hơn ở rìa.
Cánh hoa màu trắng hay tím nhạt đậm dần phía trên, mặt ngoài phủ đầy lông dài màu trắng và có nhiều điểm tuyến màu vàng, dính nhau ở dưới thành ống hơi thắt ở gần đáy, dài khoảng 2-3 mm.1: Cấu tạo cây kinh giới 2. Thành phần hóa học Bảng 2.1: Thành phần dinh dưỡng trong 100g cây kinh giới [13] Thành phần dinh dưỡng Đơn vị Hàm lượng Nước g 90,3 Protein g 2,7 Lipid g - Glucid g 2,8 Celluloza g 3,6 Tro g 0,6 Calci mg 246 Sắt mg 1 Natri mg 2 Kali mg 211 Vitamin C mg 110 Nghiên cứu của Pudziuvelyte và cộng sự, 2020, về E. trích ly từ các bộ phận khác nhau của thực vật. Sử dụng phương pháp phân tích HPLC 6 phân tích dịch trích ly ethanol từ thân, lá, hoa và toàn bộ cây kinh giới E.
ciliata, kết quả cho thấy: có 12 hợp chất phenolics đã được tìm thấy trong nguyên liệu, trong đó CGA, RA là những hợp chất chiếm ưu thế; lượng phenolic có trong dịch chiết từ lá là 89,55 ± 3,91 mg GAE/g chất khô cao hơn so với dịch chiết từ thân (61,25 ± 1,91 mg GAE/g chất khô) và dịch chiết từ hoa (77,39 ± 0,94 mg GAE/g chất khô). Lượng hoạt chất kháng oxy hóa theo DPPH; RA và CGA trong dịch chiết từ lá lần lượt là 319,78 ± 15,15 μmol TE/ g chất khô; 0,115 ± 0,011 mg/g và 10,477 ± 0,391 (mg/g). [14] Nghiên cứu của Liu và cộng sự, 2012, về đánh giá hoạt động chống oxy hóa của dịch chiết và các phần phân đoạn từ các bộ phận khác nhau của cây E. Ciliata, kết quả cho thấy hàm lượng phenolic ở lá là 30,64 ± 1,04 g/100g.
Tổng quan về Chlorogenic acid 2. Mô tả chung Công thức phân tử: C16H18O9 [16] Trọng lượng phân tử: 354, 31 g/mol [16] Tên khoa học theo hệ thống IUPAC: (1S,3R,4R,5R)-3-[(E)-3-(3,4- dihydroxyphenyl)prop-2-enoyl]oxy-1,4,5-trihydroxycyclohexane-1-carboxylic acid Tên khác: 3-O-Caffeoylquinic acid 3-(3,4-Dihydroxycinnamoyl) quinic acid 3-Caffeoylquinic acid (E)-chlorogenic acid Hình 2.2: Cấu trúc phân tử Chlorogenic acid 7 Về mặt cấu trúc, CGA là este được hình thành giữa acid caffeic và 3-hydroxyl của acid L-quinic. Các chất đồng phân của CGA bao gồm este caffeoyl tại các vị trí hydroxyl khác trên vòng acid quinic. CGA là một acid phenolic hòa tan trong nước, được thực vật tổng hợp trong quá trình hô hấp hiếu khí [17], có sẵn nhiều nhất trong thực phẩm như hạt cà phê xanh, trà, khoai tây, cà tím, đào, mận khô,.
Tính chất vật lý CGA là chất rắn, dạng bột màu trắng hoặc hơi ngả vàng, tan được trong nước và trong dung môi hữu cơ như ethanol, methanol, dimethyl sulfoxide, dimethylformamid. Đây là một chất khá bền vững, điều kiện bảo quản tốt nhất là 4°C. Nhiệt độ nóng chảy: 205oC – 209°C Độ hòa tan: 40 mg/mL ở 25°C. Công dụng của acid chlorogenic CGA có nhiều hoạt tính sinh học quan trọng nên nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y học, thực phẩm, chăm sóc sức khỏe và công nghiệp hóa chất như sau [16]: Tác dụng chống oxy hóa: Hoạt động chống oxy hóa là một trong những hoạt động quan trọng của CGA vì chúng có thể loại bỏ ba loại oxy hóa khử như superoxide, hydroperoxide và các gốc hydroxyl, khi nồng độ CGA cao tác dụng gốc tự do thể hiện rất rõ, tuy nhiên khi nồng độ thấp khả năng kháng oxy giảm đi và có thể thúc đẩy quá trình oxy hóa.