Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu nguồn tài nguyên dược liệu phong phú với hàng nghìn loài thảo dược quý, riêng khu vực vùng Bảy Núi thuộc tỉnh An Giang đã ghi nhận trên 600 loài cây thuốc có giá trị điều trị cao. Trong số đó, củ ngải bún (Boesenbergia pandurata) và cây cà gai leo (Solanum procumbens) là hai nguồn dược liệu tiêu biểu chứa các nhóm hoạt chất sinh học vượt trội như pinostrobin (chiếm khoảng 18,50% trong cao ngải bún) và cis-vaccenic acid (chiếm 31,05% trong cao cà gai leo). Tuy nhiên, rào cản lớn nhất trong việc phát triển các chế phẩm thương mại từ hai loại cây này là độ tan trong nước cực kỳ kém của các hợp chất polyphenol và alkaloid, dẫn đến sinh khả dụng đường uống thấp và khả năng hấp thu qua tế bào bị giới hạn nghiêm trọng.

Nhằm khắc phục nhược điểm về độ hòa tan và gia tăng giá trị ứng dụng cho dược liệu bản địa, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học của học viên Nguyễn Minh Đức, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Thị Hồng Nhan tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM (giai đoạn thực hiện từ tháng 08/2018 đến tháng 01/2019), đã tập trung giải quyết bài toán công nghệ thông qua đề tài: "Nghiên cứu quy trình chế tạo và khảo sát tính chất sản phẩm nano từ cao ethanol của củ ngải bún và cây cà gai leo". Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng quy trình chiết xuất tối ưu, khảo sát các thông số tạo hệ phân tán nano bằng thiết bị đồng hóa rotor-stator sử dụng chất hoạt động bề mặt tự nhiên lecithin, và chuyển hóa hệ lỏng thành dạng bột khô bằng kỹ thuật sấy phun với giá mang maltodextrin. Công trình đã chế tạo thành công hạt nano ngải bún và cà gai leo có kích thước hạt median lần lượt đạt 222 nm và 292 nm, giúp cải thiện độ phân tán trong môi trường nước lên hơn 85% và gia tăng mạnh mẽ hoạt tính chống oxy hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của công nghệ nano dược phẩm, trọng tâm là nguyên lý phân rã từ trên xuống (Top-down) thông qua lực cắt cơ học cực mạnh của thiết bị đồng hóa rotor-stator nhằm phá vỡ cấu trúc khối phân tử cao chiết thành các tiểu phân kích thước dưới 300 nm. Đi kèm với đó là lý thuyết về hoạt động bề mặt và cân bằng ưa nước - kỵ nước (chỉ số HLB). Trong hệ phân tán, lecithin đóng vai trò là chất diện hoạt tự nhiên nguồn gốc phospholipid có cấu trúc lưỡng tính gồm đầu phosphat phân cực ưa nước và đuôi acid béo kỵ nước, giúp giảm sức căng bề mặt chất lỏng và tạo màng chắn không gian ngăn chặn sự tái kết tụ giữa các hạt nano.

Bên cạnh đó, cơ chế bao gói bảo vệ bằng phương pháp sấy phun được ứng dụng dựa trên lý thuyết tạo màng vi nang của polymer carbohydrate maltodextrin. Khi tiếp xúc với dòng khí nóng, maltodextrin nhanh chóng bọc quanh các tiểu phân nano, tạo thành lớp vỏ rắn vô định hình bảo vệ các hoạt chất nhạy cảm với nhiệt độ và ánh sáng. Khung đánh giá hoạt tính sinh học sử dụng lý thuyết thu dọn gốc tự do tiêu chuẩn dựa trên hai mô hình cơ bản là phản ứng khử gốc tự do DPPH (1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl) và phản ứng trung hòa gốc cation ABTS (2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)), định lượng thông qua chỉ số nồng độ ức chế 50% (IC50).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu phục vụ nghiên cứu gồm 0,8 kg bột củ ngải bún khô (độ ẩm 5,40%) và bột cây cà gai leo khô (độ ẩm 7,20%) thu hái trực tiếp tại huyện Tịnh Biên, tỉnh An Giang, được định danh hình thái thực vật bởi các chuyên gia sinh học tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nguyên tắc lấy mẫu ngẫu nhiên đại diện theo tiêu chuẩn Dược điển, xử lý qua quá trình rửa sạch, sấy khô hồi lưu và nghiền đồng nhất qua rây tiêu chuẩn.

Quy trình thực nghiệm và phân tích được triển khai theo 5 giai đoạn:

  • Giai đoạn 1: Chiết xuất hồi lưu nhiệt với dung môi ethanol 98% theo tỷ lệ rắn:lỏng 1:10 (g/mL), lặp lại 3 chu kỳ (3 giờ/chu kỳ), lọc nóng và cô quay thu hồi dung môi dưới áp suất giảm ở nhiệt độ 50 °C.
  • Giai đoạn 2: Tạo hệ phân tán nano bằng thiết bị đồng hóa tốc độ cao Heidolph và FJ200. Các thông số khảo sát đơn biến gồm tỷ lệ khối lượng cao:lecithin (từ 1:0,5 đến 1:2), tốc độ khuấy cắt (7.500 đến 20.000 vòng/phút), thời gian đồng hóa (15 đến 60 phút) và nồng độ cao chiết (0,5 đến 5,0 g/L). Thử nghiệm nâng quy mô được kiểm chứng trên máy đồng hóa công suất lớn SY JR J300-1 với thể tích 200 mL.
  • Giai đoạn 3: Đo phân bố kích thước hạt bằng phương pháp tán xạ laser (LDS Horiba LA950V2) hoạt động dựa trên thuyết tán xạ Mie. Hình thái bề mặt và cấu trúc vi mô của hạt nano được kiểm chứng trực quan bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM JEOL JEM 1400) và kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM Hitachi S4800).
  • Giai đoạn 4: Chuyển hóa hệ lỏng thành bột nano bằng máy sấy phun phòng thí nghiệm LabPlant SD-05 kết hợp chất mang maltodextrin.
  • Giai đoạn 5: Đánh giá khả năng quét gốc tự do DPPH (đo quang tại bước sóng 517 nm) và ABTS (đo quang tại bước sóng 734 nm) với cỡ mẫu lặp lại 3 lần độc lập (n=3) cho mỗi nồng độ khảo sát (từ 1,0 đến 100,0 ppm), sử dụng acid ascorbic tinh khiết làm chất đối chứng chuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã ghi nhận nhiều kết quả định lượng quan trọng:

  • Hiệu suất thu hồi cao chiết thô: Chiết nóng cồn ngải bún đạt hiệu suất 10,33%, cao có dạng dẻo màu vàng nâu đặc trưng với hàm lượng chất dễ bay hơi là 6,22%. Trong khi đó, chiết xuất cà gai leo đạt hiệu suất 9,78%, cao dẻo màu đen sẫm với hàm lượng chất dễ bay hơi là 8,21%. Cả hai loại cao thô đều gần như không tan trong nước ở điều kiện thường.
  • Tối ưu hóa điều kiện đồng hóa hệ nano: Tỷ lệ cao:lecithin ở mức 1:1,5 (g:g) mang lại kích thước hạt nhỏ nhất. Với ngải bún, chế độ đồng hóa ở 12.500 vòng/phút trong 30 phút cho kích thước hạt median đạt 222 nm trên thiết bị đo LDS. Ảnh chụp TEM xác nhận hạt nano có dạng hình cầu đồng nhất với đường kính thực tế dao động trong khoảng 40-60 nm. Đối với cà gai leo, chế độ đồng hóa ở 13.300 vòng/phút trong 45 phút cho kích thước median đạt 292 nm, và quan sát qua ảnh chụp SEM cho thấy đường kính hạt phân tán nằm trong khoảng 80-160 nm.
  • Mở rộng quy mô và tạo bột sấy phun: Nâng quy mô thể tích lên 200 mL với nồng độ cao 5,0 g/L trên máy đồng hóa SY JR J300-1 (tốc độ 3.000 - 3.500 vòng/phút) vẫn duy trì ổn định kích thước hạt trong khoảng nano. Sản phẩm bột sau sấy phun cùng maltodextrin có khả năng tái phân tán hoàn toàn vào nước trong vòng dưới 30 giây mà không bị lắng cặn hay tách pha.
  • Gia tăng hoạt tính chống oxy hóa: Kết quả thử nghiệm bắt gốc tự do ABTS cho thấy giá trị IC50 của bột nano ngải bún giảm mạnh từ 55,98 μg/mL (ở dạng cao thô) xuống chỉ còn 12,80 μg/mL. Đối với cà gai leo, giá trị IC50 ABTS cũng giảm đáng kể từ 61,11 μg/mL xuống mức tối ưu, tiệm cận với hoạt lực của chất đối chứng chuẩn acid ascorbic (IC50 = 16,20 μg/mL).

Thảo luận kết quả

Khi phân tích động học của quá trình phân tán, sự tương tác giữa lecithin và các phân tử kỵ nước trong cao chiết đóng vai trò quyết định. Ở tỷ lệ chất hoạt động bề mặt thấp (1:0,5), độ nhớt môi trường chưa đủ và diện tích bao phủ bề mặt kém khiến các giọt dầu phân tán có xu hướng kết tụ lại, thể hiện qua kích thước hạt trung bình vượt trên 100 μm. Ngược lại, khi tăng tỷ lệ lecithin vượt quá 1:1,5 (lên mức 1:2), độ nhớt dung dịch tăng quá cao làm triệt tiêu một phần lực cắt của cánh khuấy rotor-stator, dẫn đến kích thước hạt tăng trở lại.

Tác động của tốc độ và thời gian đồng hóa được minh họa rõ nét qua các đồ thị phân bố kích thước hạt. Tăng vận tốc từ 7.500 lên 12.500 vòng/phút cung cấp mật độ năng lượng cắt lớn, xé nhỏ các tiểu phân nhanh chóng. Dù ở tốc độ 20.000 vòng/phút hạt đạt kích thước siêu nhỏ (khoảng 0,47 μm trên máy thử nghiệm), nhưng thiết bị phòng thí nghiệm bị rung lắc mạnh, do đó mốc 12.500 - 13.300 vòng/phút là điểm cân bằng lý tưởng giữa hiệu năng và độ bền cơ học. Về thời gian, kéo dài quá trình đồng hóa từ 30 phút lên 60 phút lại làm gia tăng kích thước hạt lên trên 2,0 μm. Hiện tượng này được giải thích là do các tiểu phân nano mang năng lượng bề mặt rất lớn khi va chạm liên tục ở tần số cao sẽ sinh ra lực kết dính mạnh, gây hiện tượng tái kết tụ hạt.

Kỹ thuật sấy phun với maltodextrin đã bảo toàn cấu trúc phân tử của các hoạt chất kháng oxy hóa chính như pinostrobin, cardamonin và solasodine. Độ phân tán kích thước hạt siêu mịn giúp tăng diện tích tiếp xúc bề mặt lên hàng trăm lần, giải phóng nhanh chóng các trung tâm phản ứng khử gốc tự do vào môi trường thử nghiệm, từ đó làm giảm sâu chỉ số IC50 so với cao thô ban đầu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết lập dây chuyền thử nghiệm bán công nghiệp (Pilot Scale-up): Triển khai mở rộng quy mô sản xuất với hệ thống đồng hóa áp suất cao liên tục (High-Pressure Homogenizer) đạt áp suất vận hành trên 18.000 psi kết hợp buồng sấy phun công nghiệp công suất 10-20 lít/giờ, nhằm duy trì kích thước hạt dưới 200 nm và đạt hiệu suất thu hồi bột trên 80% trong vòng 12 tháng tới, do các doanh nghiệp dược phẩm phối hợp cùng Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM thực hiện.
  2. Đa dạng hóa hệ chất mang và polyme bao gói: Nghiên cứu bổ sung các phức hợp màng sinh học như chitosan kết hợp maltodextrin hoặc dẫn xuất cyclodextrin nhằm gia tăng độ bền nhiệt của hạt nano, hướng tới kéo dài tuổi thọ bảo quản sản phẩm bột trên 24 tháng ở điều kiện nhiệt độ phòng, thực hiện bởi các nhóm nghiên cứu R&D trong vòng 6 tháng.
  3. Thực hiện đánh giá dược động học và an toàn in vivo: Tiến hành các thử nghiệm tiền lâm sàng trên mô hình động vật thí nghiệm (chuột cống trắng) để đánh giá sinh khả dụng hấp thu qua đường tiêu hóa, độc tính cấp và độc tính bán trường diễn, đặt mục tiêu chứng minh độ hấp thu tăng tối thiểu gấp 3 lần so với cao thông thường trong thời gian 18 tháng, do Viện Kiểm nghiệm Thuốc và các trung tâm nghiên cứu y dược chủ trì.
  4. Chuẩn hóa chuỗi cung ứng nguyên liệu đạt chuẩn GACP-WHO: Quy hoạch và giám sát vùng trồng ngải bún và cà gai leo tập trung tại tỉnh An Giang theo tiêu chuẩn Thực hành tốt trồng trọt và thu hái dược liệu, kiểm soát hàm lượng hoạt chất pinostrobin tối thiểu đạt 18% và cis-vaccenic acid đạt trên 30%, do Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh An Giang phối hợp với các hợp tác xã nông nghiệp triển khai trong 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Hóa dược: Nắm vững cơ sở lý thuyết đồng hóa tạo hạt nano Top-down, phương pháp thiết lập các thông số sấy phun bột vi nang và quy trình đo kiểm chuẩn xác bằng LDS, TEM, SEM.
  • Chuyên viên nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) tại các công ty dược và thực phẩm chức năng: Ứng dụng quy trình công nghệ nano hóa vào thực tiễn sản xuất nhằm nâng cao độ tan và giá trị thương mại cho các dòng sản phẩm hỗ trợ bảo vệ tế bào gan, chống viêm từ thảo dược thiên nhiên.
  • Các cơ quan quản lý nông nghiệp và trung tâm công nghệ sinh học địa phương: Định hình chiến lược phát triển cây dược liệu bản địa, xây dựng quy chuẩn chế biến sâu nhằm gia tăng chuỗi giá trị kinh tế cho nguồn tài nguyên thực vật đặc hữu của tỉnh An Giang và vùng Đồng bằng sông Cửu Long.
  • Kỹ thuật viên kiểm nghiệm và kiểm soát chất lượng (QC/QA): Sử dụng các giao thức thử nghiệm quang phổ quét gốc tự do DPPH và ABTS đã được tối ưu hóa trong luận văn để chuẩn hóa quy trình đánh giá hoạt tính chống oxy hóa của các sản phẩm chiết xuất tự nhiên.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao lecithin được lựa chọn làm chất hoạt động bề mặt để tạo hệ nano cho hai loại cao chiết này?
Lecithin là một phospholipid tự nhiên có độ an toàn sinh học cao, đạt tiêu chuẩn phụ gia thực phẩm và dược phẩm đường uống. Phân tử lecithin có cấu trúc lưỡng cực giúp làm giảm hiệu quả sức căng bề mặt giữa pha cồn/cao chiết và pha nước, đồng thời tạo lớp màng tích điện ngăn chặn hiện tượng keo tụ hạt mà không gây độc tính tế bào như các chất diện hoạt tổng hợp.

Kích thước hạt nano của ngải bún và cà gai leo sau quy trình đồng hóa đạt bao nhiêu?
Kết quả phân tích bằng phương pháp tán xạ laser LDS ghi nhận kích thước hạt median của hệ nano cao ngải bún là 222 nm và cao cà gai leo là 292 nm. Khi quan sát hình thái học qua kính hiển vi điện tử TEM và SEM, đường kính các tiểu phân nano phân bố đều đặn trong khoảng từ 40-60 nm (đối với ngải bún) và 80-160 nm (đối với cà gai leo).

Nguyên nhân nào khiến việc kéo dài thời gian đồng hóa quá mức làm tăng kích thước hạt phân tán?
Khi thời gian đồng hóa vượt quá mức tối ưu (trên 45-60 phút), các tiểu phân nano sau khi bị xé nhỏ sẽ mang mức năng lượng bề mặt rất cao. Chuyển động nhiệt hỗn loạn ở vận tốc lớn làm gia tăng tần số va chạm trực tiếp giữa các hạt, dẫn đến lực liên kết dính thắng thế lực phân tán và gây ra hiện tượng tái kết tụ thành các khối hạt kích thước micro (>2,0 μm).

Kỹ thuật sấy phun kết hợp maltodextrin đóng vai trò gì trong việc tạo sản phẩm dạng bột?
Sấy phun sử dụng maltodextrin làm chất mang giúp chuyển đổi hệ nhũ tương nano lỏng thành dạng bột khô tơi xốp chỉ trong vài giây. Lớp màng maltodextrin đóng vai trò vi bọc, bảo vệ các hoạt chất nhạy cảm nhiệt khỏi bị oxy hóa và phân hủy, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc đóng gói, bảo quản và giúp bột hòa tan nhanh chóng trở lại trong nước.

Hoạt tính kháng oxy hóa của bột nano thay đổi như thế nào so với cao chiết thô ban đầu?
Nhờ kích thước tiểu phân siêu nhỏ làm tăng diện tích tiếp xúc bề mặt và giải phóng nhanh hoạt chất, bột nano thể hiện khả năng quét gốc tự do vượt trội. Điển hình trong thử nghiệm ABTS, chỉ số IC50 của bột nano ngải bún giảm mạnh từ 55,98 μg/mL xuống còn 12,80 μg/mL, cho thấy hoạt tính chống oxy hóa mạnh hơn đáng kể so với dạng cao chiết truyền thống.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng hoàn chỉnh quy trình chiết xuất cao ethanol từ củ ngải bún và cây cà gai leo tỉnh An Giang với hiệu suất thu hồi cao đạt lần lượt là 10,33% và 9,78%.
  • Tối ưu hóa thành công quy trình đồng hóa tốc độ cao sử dụng chất diện hoạt tự nhiên lecithin ở tỷ lệ khối lượng 1:1,5, tạo ra hệ phân tán nano có kích thước median đạt 222 nm (ngải bún) và 292 nm (cà gai leo).
  • Ứng dụng xuất sắc công nghệ sấy phun với giá mang maltodextrin để sản xuất bột nano có khả năng phân tán nhanh trong nước và bảo toàn nguyên vẹn hoạt chất.
  • Khẳng định sự gia tăng vượt trội về hoạt tính sinh học khi giá trị IC50 ABTS của bột nano ngải bún giảm sâu xuống 12,80 μg/mL, mở ra tiềm năng lớn cho ứng dụng hỗ trợ điều trị bệnh.
  • Cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao, đóng góp cơ sở dữ liệu quan trọng để phát triển các dạng thực phẩm chức năng và dược phẩm hiện đại từ dược liệu Việt Nam.

Để tiếp tục phát triển đề tài, các giai đoạn tiếp theo cần tập trung thử nghiệm lâm sàng và mở rộng quy mô công nghiệp pilot. Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể tiếp cận trọn vẹn tài liệu luận văn tại Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM để khai thác các thông số kỹ thuật chi tiết phục vụ công tác nghiên cứu và chuyển giao công nghệ.