Tổng quan nghiên cứu

Curcumin, hoạt chất chính chiết xuất từ thân rễ cây nghệ vàng (Curcuma longa L.), chiếm khoảng 77% trong nhóm curcuminoids và được biết đến với nhiều hoạt tính sinh học như kháng oxy hóa, kháng viêm và hỗ trợ điều trị các bệnh lý khác nhau. Tuy nhiên, curcumin có độ hòa tan thấp và dễ bị phân hủy trong môi trường sinh học, làm hạn chế hiệu quả ứng dụng trong dược phẩm và thực phẩm chức năng. Nghiên cứu này tập trung phát triển sản phẩm nano curcumin sử dụng gum arabic (GA) làm phụ gia hỗ trợ nhằm nâng cao độ hòa tan và hoạt tính sinh học của curcumin.

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng quy trình tạo huyền phù nano curcumin bằng phương pháp đồng hóa rotor-stator, tối ưu hóa các điều kiện như tỷ lệ curcumin:GA, tốc độ và thời gian đồng hóa để thu được kích thước hạt nano nhỏ nhất, đồng thời đánh giá tính chất vật lý, hóa học và hoạt tính kháng oxy hóa của sản phẩm. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 8/2019 đến tháng 6/2020.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ nano curcumin quy mô phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp, mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực dược phẩm và thực phẩm chức năng với các chỉ số hòa tan cải thiện rõ rệt, kích thước hạt nano đạt khoảng 40 ± 80 nm theo kính hiển vi truyền qua (TEM), và hoạt tính kháng oxy hóa được nâng cao đáng kể.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết về curcumin và tính chất hóa học: Curcumin là phân tử có cấu trúc keto-enol, dễ bị phân hủy trong môi trường kiềm và ánh sáng, có khả năng kháng oxy hóa nhờ khả năng bắt gốc tự do (ROS). Tính chất vật lý như độ hòa tan thấp và dễ phân hủy là thách thức lớn trong ứng dụng.

  • Lý thuyết về gum arabic (GA): GA là polymer polysaccharide có khả năng làm chất nhũ hóa, hỗ trợ phân tán và ổn định huyền phù nano, giúp tăng độ hòa tan và bảo vệ curcumin khỏi phân hủy.

  • Mô hình công nghệ nano: Sử dụng nguyên lý đồng hóa rotor-stator (Top-Down) để tạo huyền phù nano, kết hợp với phương pháp phun sấy để tạo bột nano curcumin ổn định. Kích thước hạt nano được kiểm soát thông qua các thông số kỹ thuật như tỷ lệ curcumin:GA, tốc độ và thời gian đồng hóa.

  • Khái niệm chính: Huyền phù nano, kích thước hạt nano, đồng hóa rotor-stator, độ hòa tan, hoạt tính kháng oxy hóa (đo bằng phương pháp ABTS).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là curcumin tinh khiết 95%, gum arabic nhập khẩu từ Sudan, maltodextrin từ Pháp, các hóa chất chuẩn và dung môi ethanol 98%. Các thiết bị sử dụng gồm máy đồng hóa rotor-stator FJ300, máy phun sấy LabPlant SD-05, máy phân tích kích thước hạt LDS Horiba LA-950V2, kính hiển vi truyền qua TEM JEM1010, máy HPLC Agilent 1260.

  • Phương pháp phân tích: Kích thước hạt nano được xác định bằng phương pháp tán xạ laser (LDS) và kính hiển vi truyền qua (TEM). Độ hòa tan được đo theo tiêu chuẩn USP với dung dịch đệm pH 1,2; 4,5; 6,8 có bổ sung SLS (sodium lauryl sulfate). Hoạt tính kháng oxy hóa được đánh giá bằng phương pháp ABTS, xác định giá trị IC50.

  • Thiết kế thí nghiệm: Sử dụng phương pháp Response Surface Methodology (RSM) kết hợp với Central Composite Design (CCD) để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt nano gồm tỷ lệ curcumin:GA (1:1 đến 1:15), tốc độ đồng hóa (3000 đến 12000 rpm), thời gian đồng hóa (15 đến 75 phút).

  • Timeline nghiên cứu: Tiến hành từ tháng 8/2019 đến tháng 6/2020, bao gồm giai đoạn khảo sát điều kiện tạo huyền phù, tối ưu hóa quy trình, sản xuất bột nano bằng phun sấy, và đánh giá tính chất sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ curcumin:GA và tốc độ đồng hóa đến kích thước hạt: Kết quả RSM cho thấy tỷ lệ curcumin:GA và tốc độ đồng hóa có ảnh hưởng lớn hơn thời gian đồng hóa đến kích thước hạt nano. Tỷ lệ tối ưu là 1:6 (g/g), tốc độ đồng hóa 8300 rpm, thời gian 40 phút. Dưới điều kiện này, kích thước hạt trung bình đo bằng LDS là 8,524 µm, trong khi TEM cho kích thước hạt nano khoảng 40 ± 80 nm.

  2. Nâng cao quy mô thí nghiệm: Khi tăng thể tích huyền phù nano curcumin 0,5 g/L lên 500 mL, kích thước hạt vẫn duy trì ổn định, chứng tỏ quy trình có tính khả thi cho sản xuất quy mô lớn.

  3. Độ hòa tan của sản phẩm nano curcumin: Sau 60 phút hòa tan tại các pH 1,2; 4,5; 6,8, độ hòa tan của huyền phù nano curcumin lần lượt là 3,68%; 3,45% và 8,10%, cao hơn đáng kể so với curcumin nguyên liệu và bột nano phun sấy (độ hòa tan thấp hơn).

  4. Hoạt tính kháng oxy hóa: Đánh giá bằng phương pháp ABTS cho thấy hoạt tính kháng oxy hóa của huyền phù nano curcumin được cải thiện rõ rệt so với curcumin nguyên liệu, với giá trị IC50 thấp hơn, chứng tỏ khả năng bắt gốc tự do mạnh hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm kích thước hạt và tăng độ hòa tan là do sự hỗ trợ của gum arabic trong việc ổn định huyền phù nano, ngăn ngừa sự kết tụ hạt và bảo vệ curcumin khỏi phân hủy. Tốc độ đồng hóa cao tạo ra lực cắt mạnh giúp phá vỡ các hạt lớn thành hạt nano đồng đều. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kích thước hạt nano đạt được trong nghiên cứu này nhỏ hơn hoặc tương đương, đồng thời quy trình có thể áp dụng cho sản xuất quy mô lớn.

Độ hòa tan cải thiện giúp tăng sinh khả dụng của curcumin khi ứng dụng trong dược phẩm và thực phẩm chức năng. Hoạt tính kháng oxy hóa tăng lên cũng góp phần nâng cao hiệu quả sinh học của sản phẩm nano curcumin. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ kích thước hạt theo điều kiện đồng hóa, bảng so sánh độ hòa tan và IC50 giữa các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình đồng hóa rotor-stator với tỷ lệ curcumin:GA 1:6, tốc độ 8300 rpm, thời gian 40 phút để sản xuất huyền phù nano curcumin có kích thước hạt tối ưu, nâng cao độ hòa tan và hoạt tính sinh học. Thời gian thực hiện: ngay lập tức trong quy trình sản xuất.

  2. Mở rộng quy mô sản xuất huyền phù nano curcumin lên 500 mL hoặc lớn hơn để đáp ứng nhu cầu công nghiệp, đồng thời duy trì tính ổn định và chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất dược phẩm và thực phẩm chức năng.

  3. Sử dụng phương pháp phun sấy để chuyển đổi huyền phù nano thành bột nano curcumin ổn định, thuận tiện cho bảo quản và ứng dụng. Thời gian thực hiện: trong vòng 3-6 tháng sau khi hoàn thiện quy trình huyền phù.

  4. Tăng cường nghiên cứu ứng dụng nano curcumin trong các sản phẩm dược phẩm và thực phẩm chức năng, đặc biệt tập trung vào đánh giá sinh khả dụng và hiệu quả điều trị trên mô hình in vivo. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa dược, Công nghệ sinh học: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về công nghệ nano curcumin, giúp phát triển các đề tài liên quan đến nano dược phẩm.

  2. Doanh nghiệp sản xuất dược phẩm và thực phẩm chức năng: Tham khảo quy trình sản xuất nano curcumin quy mô phòng thí nghiệm và công nghiệp, từ đó ứng dụng vào sản phẩm mới nâng cao giá trị và hiệu quả.

  3. Cơ quan quản lý chất lượng và an toàn thực phẩm: Hiểu rõ về công nghệ nano curcumin, các chỉ tiêu kỹ thuật và hoạt tính sinh học để xây dựng tiêu chuẩn kiểm định phù hợp.

  4. Bác sĩ và chuyên gia y tế: Nắm bắt thông tin về các dạng bào chế nano curcumin có khả năng cải thiện sinh khả dụng, hỗ trợ tư vấn và ứng dụng trong điều trị.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano curcumin là gì và có ưu điểm gì so với curcumin thông thường?
    Nano curcumin là dạng curcumin được phân tán thành các hạt kích thước nano (khoảng 40 ± 80 nm), giúp tăng diện tích bề mặt, cải thiện độ hòa tan và sinh khả dụng. Ví dụ, nano curcumin có độ hòa tan cao hơn 3-5 lần so với curcumin nguyên liệu.

  2. Tại sao sử dụng gum arabic trong quá trình tạo nano curcumin?
    Gum arabic là polymer tự nhiên có khả năng làm chất nhũ hóa, giúp ổn định huyền phù nano, ngăn ngừa kết tụ hạt và bảo vệ curcumin khỏi phân hủy. Điều này giúp duy trì kích thước hạt nano nhỏ và tăng độ hòa tan.

  3. Phương pháp đồng hóa rotor-stator hoạt động như thế nào?
    Phương pháp này sử dụng lực cắt mạnh từ rotor quay trong stator để phá vỡ các hạt lớn thành hạt nhỏ hơn, tạo huyền phù nano đồng đều. Tốc độ và thời gian đồng hóa ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước hạt.

  4. Nano curcumin có an toàn khi sử dụng không?
    Các nghiên cứu cho thấy nano curcumin có kích thước trên 40 nm thuộc vùng an toàn, không gây độc tính đáng kể và có hoạt tính sinh học cao hơn. Tuy nhiên, cần đánh giá thêm trên mô hình in vivo để xác nhận an toàn lâu dài.

  5. Hoạt tính kháng oxy hóa của nano curcumin được đánh giá như thế nào?
    Hoạt tính kháng oxy hóa được đo bằng phương pháp ABTS, xác định khả năng bắt gốc tự do. Nano curcumin có giá trị IC50 thấp hơn curcumin nguyên liệu, chứng tỏ hiệu quả bắt gốc mạnh hơn, hỗ trợ chống oxy hóa hiệu quả.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình tạo huyền phù nano curcumin sử dụng gum arabic với kích thước hạt nano khoảng 40 ± 80 nm.
  • Tối ưu hóa điều kiện đồng hóa rotor-stator với tỷ lệ curcumin:GA 1:6, tốc độ 8300 rpm, thời gian 40 phút cho kết quả tốt nhất.
  • Sản phẩm nano curcumin có độ hòa tan và hoạt tính kháng oxy hóa vượt trội so với curcumin nguyên liệu.
  • Quy trình có khả năng mở rộng quy mô sản xuất, phù hợp ứng dụng trong dược phẩm và thực phẩm chức năng.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu sinh khả dụng và ứng dụng lâm sàng để phát triển sản phẩm nano curcumin hiệu quả hơn.

Hành động tiếp theo: Áp dụng quy trình tối ưu vào sản xuất thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời tiến hành các nghiên cứu tiền lâm sàng để đánh giá hiệu quả và an toàn của nano curcumin trong điều trị.