Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu qui trình sản xuất chế phẩm dạng bột chiết xuất từ hạt neem chứa hàm lượng hoạt chất cao azadirachtin 1020

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu qui trình sản xuất chế phẩm bột chiết xuất từ hạt neem với hàm lượng azadirachtin cao, phục vụ ứng dụng trong nông nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Tất Thắng
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ. Lê Xuân Tiến
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Quy Trình Sản Xuất Bột Chiết Xuất Hạt Neem Giàu Azadirachtin
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC PHỤ LỤC
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về cây neem
• 1.1.1. Khái quát về cây neem
• 1.1.2. Công dụng của cây neem
• 1.2. Thành phần hóa học trong hạt neem
• 1.2.1. Giới thiệu thành phần chính trong hạt neem
• 1.2.2. Phân loại các hoạt chất chính trong hạt neem
• 1.2.3. Các hoạt chất chính trong hạt neem
• 1.2.4. Các hoạt chất khác
• 1.2.5. Tính bền của các hoạt chất
• 1.3. Phương thức tác động và phổ tác động của các hoạt chất
• 1.3.1. Đối với côn trùng
• 1.3.2. Đối với vi nấm
• 1.3.3. Đối với tuyến trùng
• 1.4. Tạo chế phẩm bằng phương pháp sấy phun
• 1.4.1. Các điều kiện ảnh hưởng lên quá trình sấy phun
• 1.4.2. Tính chất của vật liệu mang
• 1.5. Một số nghiên cứu về phương pháp chiết tách azadirachtin
• 1.5.1. Một số nghiên cứu trên thế giới
• 1.5.2. Các bằng sáng chế
• 1.5.3. Các nghiên cứu trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục tiêu đề tài
• 2.2. Hóa chất, thiết bị, địa điểm thực hiện
• 2.3. Khảo sát qui trình ép dầu neem ở qui mô pilot
• 2.3.1. Sơ chế nguyên liệu
• 2.3.2. Xác định hàm lượng dầu tổng bằng phương pháp chiết Soxhlet
• 2.3.3. Khảo sát qui trình ép dầu qui mô pilot
• 2.4. Khảo sát qui trình chiết hoạt chất azadirachtin cùng với các limonoid (AZRL) từ bánh neem
• 2.4.1. Qui trình chiết bánh neem
• 2.4.2. Khảo sát qui trình chiết azadirachtin
• 2.5. Khảo sát qui trình nâng cao hàm lượng AZRL
• 2.6. Khảo sát điều kiện tạo chế phẩm dạng bột bằng phương pháp sấy phun
• 2.7. Định lượng các hoạt chất
• 2.7.1. Qui trình định lượng hoạt chất bằng phương pháp UV-Vis
• 2.7.2. Định lượng bằng phương pháp HPLC
• 2.7.3. Một số kết quả phục vụ cho quá trình định lượng
• 2.8. Phương pháp phân tích số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ
• 3.1. Ép dầu qui mô pilot
• 3.1.1. Đánh giá tính chất nguyên liệu
• 3.1.2. Ảnh hưởng của điều kiện xử lí nguyên liệu
• 3.1.3. Ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu
• 3.1.4. Khảo sát thời gian giữ áp lực và số lượt ép
• 3.1.5. Ảnh hưởng của áp lực
• 3.1.6. Thành phần hóa học của dầu neem
• 3.2. Qui trình chiết AZRL từ bánh neem
• 3.2.1. Ảnh hưởng của dung môi
• 3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian chiết
• 3.2.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn-lỏng
• 3.2.5. Ảnh hưởng của số lần chiết
• 3.2.6. Đánh giá hiệu quả của qui trình chiết AZRL từ bánh neem
• 3.3. Nâng cao hàm lượng AZRL trong cao chiết nhân hạt neem
• 3.3.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ phân tán cao-ethylacetate
• 3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ chiết
• 3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian chiết
• 3.3.4. Ảnh hưởng của số lần chiết
• 3.3.5. Đánh giá hàm lượng AZ thu được sau quá trình nâng cao hàm lượng
• 3.4. Khảo sát qui trình sấy phun tạo bột AZRL
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cây neem

Cây neem, hay còn gọi là Azadirachta indica A.Juss, là một loại cây có nguồn gốc từ Ấn Độ, nổi tiếng với nhiều công dụng trong nông nghiệp và y học. Cây có khả năng sinh trưởng tốt trong điều kiện khắc nghiệt và thường được trồng ở các vùng nhiệt đới. Hạt neem chứa nhiều hoạt chất có giá trị, đặc biệt là azadirachtin, một hợp chất có tác dụng kháng côn trùng mạnh mẽ. Việc nghiên cứu quy trình sản xuất bột chiết xuất từ hạt neem không chỉ giúp tận dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên mà còn góp phần vào việc phát triển các sản phẩm sinh học an toàn cho môi trường. Theo nghiên cứu, cây neem có thể sản xuất từ 30-35 kg quả mỗi năm, với hàm lượng dầu cao trong nhân hạt. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các chế phẩm từ neem trong nông nghiệp, đặc biệt là trong việc sản xuất thuốc trừ sâu tự nhiên.

II. Quy trình sản xuất bột chiết xuất từ hạt neem

Quy trình sản xuất bột chiết xuất từ hạt neem bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, hạt neem được thu hoạch và sơ chế để loại bỏ tạp chất. Sau đó, hạt được ép để thu dầu, với điều kiện tối ưu là áp lực 190 MPa và độ ẩm nguyên liệu 4%. Kết quả cho thấy hiệu suất thu dầu đạt 72.8%. Phần bánh neem sau khi ép dầu sẽ được chiết xuất để thu azadirachtin và các limonoid khác. Nghiên cứu chỉ ra rằng, điều kiện chiết xuất tối ưu là sử dụng dung môi ethanol 70% ở nhiệt độ 60°C trong 45 phút. Qua đó, hàm lượng azadirachtin trong cao chiết đạt 5.7%, cho thấy hiệu quả cao trong việc thu hồi hoạt chất từ hạt neem. Cuối cùng, quá trình sấy phun được thực hiện để tạo ra bột chiết xuất với hàm lượng hoạt chất cao, đạt 11.43% azadirachtin trong sản phẩm cuối cùng.

III. Tính chất sinh học và ứng dụng của azadirachtin

Azadirachtin là một trong những hoạt chất chính trong hạt neem, có tác dụng kháng côn trùng và kháng nấm. Nghiên cứu cho thấy azadirachtin có khả năng ức chế sự phát triển của nhiều loại sâu bọ, từ đó giúp bảo vệ cây trồng một cách hiệu quả. Hợp chất này hoạt động bằng cách gây rối loạn quá trình sinh trưởng của côn trùng, làm giảm khả năng sinh sản và gây chết sớm. Việc sử dụng bột chiết xuất từ hạt neem chứa azadirachtin trong nông nghiệp không chỉ giúp giảm thiểu việc sử dụng hóa chất độc hại mà còn bảo vệ sức khỏe con người và môi trường. Các sản phẩm từ neem đã được ứng dụng rộng rãi trong việc sản xuất thuốc trừ sâu tự nhiên, mang lại hiệu quả cao trong việc kiểm soát dịch hại mà không gây hại cho các sinh vật có lợi.

IV. Đánh giá hiệu quả và tiềm năng phát triển

Nghiên cứu quy trình sản xuất bột chiết xuất từ hạt neem cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát triển các sản phẩm sinh học an toàn cho nông nghiệp. Việc tối ưu hóa quy trình chiết xuất và sấy phun không chỉ nâng cao hàm lượng azadirachtin mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm. Sản phẩm từ neem có thể được sử dụng như một giải pháp thay thế cho các loại thuốc trừ sâu hóa học, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng. Hơn nữa, với xu hướng hiện nay về nông nghiệp bền vững, việc phát triển các chế phẩm từ hạt neem sẽ mở ra nhiều cơ hội cho ngành nông nghiệp Việt Nam, đồng thời góp phần vào việc bảo vệ đa dạng sinh học và phát triển kinh tế địa phương.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nền nông nghiệp Việt Nam đang đứng trước thách thức lớn khi dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật trong nông sản thường xuyên đối mặt với các hàng rào kỹ thuật khắt khe trên thị trường quốc tế. Theo thống kê tại Ấn Độ – quốc gia trồng xoan chịu hạn lớn nhất thế giới, khoảng 25 triệu cây neem cung cấp 442.300 tấn hạt mỗi năm, tạo ra 88.400 tấn dầu neem và 353.800 tấn phụ phẩm bánh dầu. Tại Việt Nam, cây neem (Azadirachta indica A.Juss) được di thực và phát triển mạnh mẽ tại các vùng đất cát khô hạn như Bình Thuận, Ninh Thuận với khả năng sinh trưởng tốt và năng suất quả đạt từ 30 đến 35 kg mỗi cây mỗi năm.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn xuất phát từ thực trạng lạm dụng thuốc trừ sâu tổng hợp hóa học, dẫn đến ô nhiễm môi trường, phá vỡ cân bằng sinh thái và tích tụ độc tính trong nông sản. Trong khi đó, hạt neem chứa hàm lượng dồi dào các hoạt chất sinh học nhóm tetranortriterpenoid có khả năng xua đuổi, gây ngán ăn và làm rối loạn sinh trưởng của hơn 400 loài côn trùng gây hại nhưng hoàn toàn an toàn cho sinh vật có ích và người tiêu dùng. Tuy nhiên, sau quá trình ép dầu, phụ phẩm bánh neem thường chỉ được sử dụng thô làm phân bón hữu cơ mà chưa được khai thác tối đa giá trị sinh học.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu xây dựng và tối ưu hóa quy trình công nghệ khép kín nhằm sản xuất chế phẩm bảo vệ thực vật dạng bột từ hạt neem với hàm lượng hoạt chất cao, đạt mục tiêu nồng độ Azadirachtin từ 10% đến 20%. Quá trình thực nghiệm được triển khai trong phạm vi thời gian từ tháng 08 năm 2019 đến tháng 08 năm 2020 tại phòng thí nghiệm Bộ môn Kỹ thuật Hữu cơ – Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh và xưởng thực nghiệm Trường Cao đẳng Công nghệ Đồng An, Bình Dương trên nguồn nguyên liệu hạt neem thu hái tại tỉnh Bình Thuận.

Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi thiết lập thành công các thông số kỹ thuật tối ưu: thu hồi 336 mL dầu trên 1 kg nhân hạt khô tuyệt đối (đạt hiệu suất 72,8% lượng dầu tổng), làm giàu hoạt chất đạt hiệu suất 94,48% với nồng độ Azadirachtin đạt 19,17%, và hiệu suất thu hồi bột sấy phun vi bao đạt tới 93,8%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng nền tảng lý thuyết hóa học các hợp chất tự nhiên nhóm triterpenoid và cơ chế tác động sinh học của các hoạt chất thứ cấp lên côn trùng. Nhóm hoạt chất tetranortriterpenoid (limonoid) trong hạt neem, đặc trưng bởi Azadirachtin, có cấu trúc hóa học phân tử gồm 16 trung tâm lập thể với công thức phân tử C35H44O16 và khối lượng phân tử 720,7 g/mol. Hoạt chất này tác động trực tiếp lên côn trùng thông qua ba cơ chế sinh học: ức chế cơ quan thụ cảm vị giác gây phản xạ ngán ăn, phá vỡ hệ thống nội tiết ecdysone dẫn đến ức chế quá trình tổng hợp chitin gây dị tật hoặc chết trong quá trình lột xác, và làm giảm khả năng sinh sản của côn trùng trưởng thành.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp lý thuyết kỹ thuật vi bao và truyền nhiệt – truyền khối trong quá trình sấy phun khí động. Trong công nghệ bao bọc hoạt chất kỵ nước, hệ chất mang polysaccharide đóng vai trò cốt lõi nhằm bảo vệ cấu trúc nhạy cảm của Azadirachtin trước tác động phân hủy của tia cực tím (UV) và nhiệt độ môi trường.

Các khái niệm chính được định nghĩa và khảo sát xuyên suốt công trình gồm:

• Azadirachtin (AZ): Hoạt chất limonoid chính có hoạt tính sinh học mạnh nhất trong nhân hạt neem, có điểm nóng chảy 154-158 °C và độ hòa tan trong nước khoảng 0,26 g/L.
• Azadirachtin Related Limonoids (AZRL): Tập hợp các dẫn xuất limonoid có cấu trúc tương đồng như salannin, nimbin, nimbidin, meliantriol cùng tương tác hiệp đồng làm tăng hoạt tính sinh học lên 3 đến 4 lần so với Azadirachtin tinh khiết.
• Bánh neem (Neem cake): Phụ phẩm bã ép còn lại sau quá trình tách dầu cơ học, chứa hàm lượng lớn AZRL chưa tan và một lượng dầu sót có vai trò chất ổn định tự nhiên.
• Vật liệu vi bao (Carrier materials): Hỗn hợp maltodextrin (MD) có chỉ số DE 10-12 giúp tạo màng nhanh, kết hợp cùng gum Arabic (GA) đóng vai trò chất nhũ hóa tạo cấu trúc hạt bền vững.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình xử lý 2,5 kg nhân hạt neem trên mỗi mẻ ép dầu pilot và 5,0 g bột bánh neem trên mỗi mẻ chiết khảo sát trong phòng thí nghiệm. Phương pháp lấy mẫu đại diện được áp dụng nghiêm ngặt: quả neem chín thu hái tại Bình Thuận vào tháng 08 năm 2019 được phơi khô tự nhiên, bóc vỏ cơ học thu nhân hạt, và sấy ổn nhiệt ở 40-45 °C để đưa độ ẩm về các mức khảo sát từ 4% đến 12%.

Phương pháp phân tích và định lượng hoạt chất được lựa chọn dựa trên cơ sở khoa học chặt chẽ:

• Phương pháp đo quang phổ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis): Dựa trên phản ứng hiện màu đặc trưng giữa nhóm limonoid với thuốc thử vanillin trong môi trường acid sulfuric đậm đặc, tạo phức màu xanh dương đậm có độ hấp thu cực đại tại bước sóng 615 nm. Phương pháp này được lựa chọn để sàng lọc nhanh nồng độ AZRL trong các mẫu tối ưu hóa với phương trình hồi quy tuyến tính y = 1,0032x - 0,0032.
• Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC-DAD): Sử dụng hệ thống sắc ký pha đảo với cột C18 (kích thước 150 mm x 4,6 mm, 5 µm), pha động đẳng dòng acetonitrile:nước (tỷ lệ 40:60 v/v), tốc độ dòng 1,0 mL/min, đầu dò DAD ở bước sóng 214 nm. Phương pháp HPLC được lựa chọn làm tiêu chuẩn đối chứng để định lượng chính xác hoạt chất Azadirachtin A tại thời gian lưu 9,9 phút.

Toàn bộ quá trình thực nghiệm, từ sơ chế nguyên liệu, chiết xuất, nâng cao hàm lượng đến sấy phun, được tiến hành lặp lại độc lập 2 lần nhằm đảm bảo độ tin cậy và sai số thống kê cho phép.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng có giá trị công nghệ cao:

• Tối ưu hóa quy trình ép dầu pilot: Điều kiện ép cơ học thích hợp nhất được xác lập tại áp lực ép 190 MPa, độ ẩm nhân hạt 4%, thời gian duy trì áp lực 10 phút mỗi lượt, và thực hiện qua 3 lượt ép (có xay trung gian giữa các lượt). Thể tích dầu thu được đạt 336 mL trên 1 kg nhân hạt khô tuyệt đối, tương ứng hiệu suất thu hồi 72,8% so với tổng lượng dầu xác định bằng phương pháp Soxhlet là 45,0%.

• Thiết lập thông số chiết xuất AZRL từ bánh neem: Sử dụng dung môi ethanol 70% (v/v), nhiệt độ chiết 60 °C, thời gian chiết 45 phút, tỷ lệ rắn-lỏng 1:7 (g/mL), và tiến hành 2 lần chiết. Kết quả thu được cao cồn có hàm lượng AZRL đạt 5,70%, hiệu suất thu cao đạt 45,29 g cao trên 100 g nguyên liệu, và hiệu suất trích ly đạt 22,45 mg AZRL trên mỗi gam nhân hạt neem.

• Đột phá trong công đoạn nâng cao hàm lượng hoạt chất: Thông qua phương pháp phân tán cao cồn trong nước, khử tạp chất béo bằng hexane và chiết lỏng-lỏng bằng ethyl acetate ở 40 °C trong 15 phút với tỷ lệ 1:5 (g/mL) qua 2 lần chiết. Hiệu suất làm giàu đạt tới 94,48%, nâng hàm lượng tổng AZRL trong cao ethyl acetate lên 45,60% và nồng độ Azadirachtin tinh khiết đạt 19,17%, hoàn thành vượt mức mục tiêu 10-20%.

• Xác lập chế độ sấy phun tạo bột chế phẩm sinh học: Hệ chất mang phối trộn theo tỷ lệ khối lượng 80% Maltodextrin (DE 10-12) và 20% Gum Arabic trên thiết bị Lab Plant SD-100 (nhiệt độ khí vào 125 °C, nhiệt độ khí ra 90 °C, tốc độ nạp liệu 6 mL/phút, lưu lượng khí 0,65 m³/phút, áp suất đầu phun 2 bar) mang lại hiệu suất thu hồi sấy đạt 93,8%, độ ẩm bột thành phẩm đạt 6,9%, và hàm lượng AZRL bảo toàn trong bột sấy phun đạt 11,43%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế phân tách của quá trình chiết xuất giải thích rõ ràng sự vượt trội của hệ dung môi ethanol 70%: độ phân cực của dung môi hỗn hợp này tương thích tối ưu với các hợp chất limonoid phân cực trung bình, vừa tạo khả năng thẩm thấu phá vỡ màng tế bào thực vật, vừa hạn chế việc đồng hòa tan các tạp chất không phân cực hoặc các polysaccharide cao phân tử. Đáng chú ý, việc không sử dụng dung môi hexane để loại bỏ chất béo trước khi chiết cồn đã giúp giảm chi phí sản xuất, đồng thời lượng vi dầu neem còn sót lại đóng vai trò như chất chống oxy hóa tự nhiên giúp bảo vệ liên kết ester và vòng epoxide kém bền trong phân tử Azadirachtin.

So sánh với các công bố quốc tế, phương pháp chiết xuất của luận văn cho thấy tính kinh tế và hiệu quả cao. Nghiên cứu của một nhóm tác giả năm 2015 sử dụng sóng siêu âm chỉ đạt nồng độ Azadirachtin 0,431%, trong khi nghiên cứu chiết dung môi nhiệt độ cao áp suất cao của các nhà khoa học năm 2010 đạt 210,93 mg Azadirachtin trên 100 g nguyên liệu nhưng đòi hỏi trang thiết bị phức tạp ở 50 bar. Nồng độ 19,17% Azadirachtin thu được trong luận văn này tương đương với các sáng chế làm giàu quốc tế (đạt 27% đến 48% khi dùng hệ dung môi đa bậc) nhưng quy trình thực hiện đơn giản và an toàn hơn.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu có thể được trực quan hóa sinh động thông qua biểu đồ đường biểu diễn sự biến thiên của độ hấp thu quang phổ tại bước sóng 615 nm theo nồng độ, sắc ký đồ HPLC thể hiện mũi pic sắc nét của Azadirachtin tại thời gian lưu 9,9 phút, cùng biểu đồ cột so sánh bước nhảy vọt về hàm lượng hoạt chất từ dịch chiết thô (5,70% AZRL) lên cao chiết phân đoạn ethyl acetate (45,60% AZRL).

Đề xuất và khuyến nghị

• Nâng quy mô thử nghiệm pilot và tự động hóa dây chuyền: Các doanh nghiệp sản xuất thuốc bảo vệ thực vật sinh học cần phối hợp với các viện nghiên cứu mở rộng quy mô mẻ ép và trích ly lên mức 50-100 kg bánh neem mỗi mẻ trong vòng 12 tháng tới, tích hợp tháp sấy phun công nghiệp công suất 20-50 L/giờ nhằm kiểm soát độ thu hồi hoạt chất đạt trên 90%.

• Thiết kế hệ thống thu hồi và tái tuần hoàn dung môi khép kín: Bộ phận kỹ thuật công nghệ tại các nhà máy chế biến cần lắp đặt hệ thống cô tuần hoàn chân không để tái sinh ít nhất 85% đến 90% lượng dung môi ethanol và ethyl acetate trong thời gian 6 đến 9 tháng, giúp giảm 25% chi phí vận hành và hạn chế tối đa phát thải hợp chất hữu cơ dễ bay hơi ra môi trường.

• Chuẩn hóa chuỗi cung ứng và kỹ thuật sơ chế hạt neem vùng nguyên liệu: Chi cục Trồng trọt và Bảo vệ Thực vật tại các tỉnh Bình Thuận, Ninh Thuận cần hướng dẫn các hợp tác xã nông nghiệp quy trình thu hái quả chín rộ (vụ tháng 4-6 và tháng 10-12), thực hiện phơi sấy ngay để duy trì độ ẩm hạt dưới 8% trong thời gian 18 tháng tới, nhằm ngăn ngừa hiện tượng thủy phân và suy giảm nồng độ hoạt chất ban đầu.

• Tiến hành khảo nghiệm sinh học đồng ruộng và đăng ký lưu hành chế phẩm: Đơn vị phát triển sản phẩm cần phối hợp với Cục Bảo vệ Thực vật triển khai các thử nghiệm diện rộng trong thời gian 12 đến 18 tháng trên các đối tượng sâu tơ hại bắp cải và sâu khoang hại cây họ đậu, xác lập liều lượng phun tối ưu ở nồng độ hoạt chất 50-100 ppm nhằm đạt hiệu lực diệt trừ trên 85%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư R&D và chuyên gia công nghệ hóa dược: Tiếp cận trọn vẹn bộ thông số công nghệ từ ép cơ học, chiết lỏng-lỏng làm giàu hoạt chất đến chế độ sấy phun vi bao, giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu và ứng dụng trực tiếp vào sản xuất chế phẩm sinh học quy mô công nghiệp.

• Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Hóa học, Công nghệ Sinh học: Tham khảo phương pháp luận tối ưu hóa thực nghiệm luân phiên từng biến, quy trình định lượng kết hợp giữa phương pháp đo quang UV-Vis và sắc ký lỏng HPLC-DAD, cùng cơ sở dữ liệu chuyên sâu về hóa thực vật nhóm triterpenoid.

• Doanh nghiệp sản xuất thuốc bảo vệ thực vật và phân bón hữu cơ: Nắm bắt cơ hội kinh doanh từ mô hình kinh tế tuần hoàn, tận dụng triệt để phụ phẩm bánh dầu neem để đa dạng hóa dòng sản phẩm thuốc trừ sâu sinh học có giá trị kinh tế cao, đáp ứng tiêu chuẩn canh tác GlobalGAP và Organic.

• Nhà hoạch định chính sách nông nghiệp và cán bộ quản lý môi trường: Có thêm bằng chứng khoa học và thực tiễn để xây dựng cơ chế khuyến khích chuyển đổi từ hóa chất nông nghiệp độc hại sang các chế phẩm có nguồn gốc tự nhiên, thúc đẩy chiến lược phát triển nông nghiệp xanh bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao quy trình lại sử dụng bánh neem sau khi ép dầu thay vì chiết xuất trực tiếp từ nhân hạt tươi?
Việc ép cơ học trước giúp thu hồi 336 mL dầu neem trên 1 kg nhân hạt để ứng dụng trong dược mỹ phẩm, đồng thời loại bỏ phần lớn chất béo gây cản trở quá trình khuếch tán dung môi. Bánh neem sau ép vẫn giữ nguyên vẹn các limonoid phân cực, giúp tiết kiệm dung môi chiết và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế.

Hệ chất mang Maltodextrin kết hợp Gum Arabic (tỷ lệ 80:20) đóng vai trò gì trong quá trình sấy phun?
Maltodextrin có độ nhớt thấp, độ tan cao và tạo màng bao nhanh nhưng khả năng nhũ hóa kém. Gum Arabic bổ sung chuỗi protein tự nhiên giúp nhũ hóa bền vững các hợp chất kỵ nước. Sự phối hợp này tạo nên lớp vỏ bọc hoàn hảo, nâng hiệu suất sấy lên 93,8% và giữ độ ẩm bột ở mức an toàn 6,9%.

Sự khác biệt về mục đích giữa phương pháp định lượng UV-Vis và HPLC trong luận văn là gì?
Phương pháp UV-Vis đo phức màu ở bước sóng 615 nm cho phép xác định tổng hàm lượng Azadirachtin và các dẫn xuất tương đồng (AZRL), rất phù hợp để khảo sát nhanh hàng loạt mẫu thực nghiệm. Trong khi đó, HPLC ở bước sóng 214 nm định lượng chuẩn xác hàm lượng Azadirachtin tinh khiết đạt 19,17%.

Ethyl acetate đóng vai trò gì trong giai đoạn làm giàu hoạt chất?
Ethyl acetate là dung môi hữu cơ phân cực trung bình có tính chọn lọc cao, có khả năng hòa tan triệt để Azadirachtin và các limonoid trong khi loại bỏ các tạp chất đường, protein và tannin ở lại trong pha nước, từ đó tạo ra bước nhảy vọt hiệu suất làm giàu đạt 94,48%.

Chế phẩm bột sấy phun từ hạt neem có cơ chế diệt trừ sâu hại như thế nào?
Chế phẩm vi hạt giải phóng hoạt chất tác động đa cơ chế: gây ngán ăn khiến côn trùng ngừng phá hoại sau 2 đến 7 ngày, ức chế enzyme tổng hợp vỏ chitin làm sâu non không thể lột xác, và xua đuổi côn trùng trưởng thành với hiệu quả trên 90% ở các loài rầy và sâu bộ cánh vảy.

Kết luận

• Luận văn đã làm chủ và tối ưu hóa thành công quy trình ép dầu pilot thu hồi 336 mL dầu/kg nhân hạt khô (đạt hiệu suất 72,8% tổng dầu) tại áp lực ép 190 MPa.
• Xác lập điều kiện trích ly cồn 70% tối ưu từ phụ phẩm bánh neem, đạt hiệu suất trích ly hoạt chất 22,45 mg AZRL trên mỗi gam nguyên liệu.
• Làm giàu thành công hoạt chất bằng ethyl acetate với hiệu suất 94,48%, đưa nồng độ Azadirachtin đạt 19,17% và tổng AZRL đạt 45,60%, vượt mục tiêu đề ra.
• Hoàn thiện công nghệ vi bao sấy phun trên hệ chất mang Maltodextrin - Gum Arabic (8:2), tạo ra sản phẩm bột ổn định có độ ẩm 6,9% và hiệu suất thu hồi 93,8%.
• Khẳng định tính khả thi vượt trội trong việc chuyển đổi phụ phẩm nông nghiệp thành chế phẩm bảo vệ thực vật sinh học chất lượng cao, thân thiện với môi trường.

Trong 12 đến 24 tháng tới, hướng phát triển trọng tâm bao gồm việc chuyển giao công nghệ cho các cơ sở sản xuất quy mô công nghiệp, hoàn thiện hệ thống thu hồi dung môi và thực hiện khảo nghiệm diện rộng trên nhiều nhóm cây trồng đặc sản. Luận văn là công trình khoa học mẫu mực, mở ra hướng đi bền vững cho ngành nông nghiệp sạch và công nghiệp hóa dược sinh học tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về cây neem 1. Khái quát về cây neem Cây neem có tên khoa học: Azadirachta indica A.Juss được nhà khoa học Andriew Henri Laurent de Jussieu miêu tả khoa học lần đầu tiên năm 1830, tên thường gọi: neem tree (tiếng Anh), xoan Ấn Độ, nim (tiếng La-tinh), xoan chịu hạn. Giới : Plantae Bộ : Sapindales Bộ phụ : Rutineae Họ : Meliaceae (Mahogany family) Chi : Azadirachta Loài : A.

Hình thái các bộ phận của cây neem A-Cành B-Lá neem C-Quả neem D-Hạt neem E-Nhân hạt neem Cây neem lớn rất nhanh, thông thường cây đạt chiều cao khoảng 30 m, chu vi vòng cây khoảng 2. Lá cây neem thường xanh quanh năm, chỉ khi gặp hạn và thiếu nước nghiêm trọng thì sẽ rụng lá. Cây Neem có thể chịu hạn do cây có cành ngắn và dày, vỏ cây có nhiều rãnh, và rễ có thể xâm nhập sâu vào đất. 2 Cây bắt đầu cho quả khi trồng từ 3 đến 5 năm, cho năng suất cao và ổn định sau 5 đến 10 năm, trung bình một cây trưởng thành cho từ 30-35 kg quả/ năm.

Quả trơn láng hình bầu dục dài khoảng 2 cm, khi chín có màu vàng hoặc màu vàng xanh, thịt quả ngọt. Quả phát triển và chín trong vòng 1-2 tháng. Hạt gồm vỏ và nhân, có 1-3 nhân trong một hạt. Một năm, cây neem cho hai vụ thu hoạch quả vào tháng 4-6 và tháng 10-12 [1].

Hiện nay, cây neem sống ở các khu vực nhiệt đới và bán nhiệt đới, chúng được trồng rộng rãi ở ít nhất 30 quốc gia. Ấn Độ là nước trồng xoan chịu hạn lớn nhất thế giới, tại đây cây neem được trồng khắp nơi và được xem như là loài cây tiêu biểu của quốc gia với gần 25 triệu cây neem cho 442 300 tấn hạt/năm, tạo ra khoảng 88 400 tấn dầu neem và 353 800 tấn bánh dầu [2]. Ở Việt Nam, neem được trồng nhiều ở các nơi như Kiên Giang, Châu Đốc, Ninh Thuận, Bình Thuận. Một năm, cây neem cho hai vụ thu hoạch quả vào tháng 4-6 và tháng 10-12 [3].

Công dụng của cây neem Cây neem có khả năng thích nghi rộng với môi trường sống và có tính đa dạng trong các sản phẩm. Ngoài khả năng chịu hạn thì cây neem có công dụng lớn trong ngành trồng trọt như giúp chống xói mòn, xâm thực, bảo vệ đất. Bên cạnh đó, gỗ neem là loại gỗ rất bền nên có giá trị trong lĩnh vực chế tạo hàng gia công mỹ nghệ. Ngoài các công dụng phổ biến nêu trên, cây neem còn có thể khai thác giá trị từ các bộ phận khác như hoa, hạt, nhân hạt, lá, vỏ cây với nhiều mục đích khác nhau.

Trong đó khả năng sử dụng chúng để làm dược liệu, mỹ phẩm, phân bón và thuốc bảo vệ thực vật đã được ứng dụng từ lâu và thu hút được công trình nghiên cứu trên thế giới.  Neem dùng làm dược liệu Các dịch chiết từ vỏ cây, lá cây và dầu neem cho thấy tác dụng giảm đau, kháng viêm, và hạ sốt. Nhiều báo cáo khoa học đã xác định được các hoạt chất trong dịch chiết từ neem, trong đó: - Hạt chứa nimbidin, azadirachtin, nimbin, nimbolide, gedunin, mahmoodin. có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm.

3 - Vỏ cây chứa gallic acid, catechin, margolone, margolonone và iso- margolonone có khả năng điều hòa hệ miễn dịch, kháng khuẩn. Bên cạnh đó, vỏ cây còn chứa NB-2-peptidoglucan; polysaccharides G2A, G3A; polysaccharides G1A, G1B có hoạt tính hỗ trợ hê miễn dịch, kháng viêm, kháng ung thư. - Lá chứa xyclic trisuphide và xyclic tetrasuphide có tác dụng kháng khuẩn và nấm [2].  Neem dùng trong mỹ phẩm Dầu neem có hoạt tính kháng khuẩn và kháng viêm tốt, có khả năng tiêu diệt các loại vi khuẩn gây mụn nên thường phối chúng vào nền dầu của sản phẩm mỹ phẩm, hoặc dùng trực tiếp lên da để điều trị mụn trứng cá và mụn nhọt [4].

Do khả năng kháng khuẩn mà dịch chiết lá neem có thể tiêu diệt được vi khuẩn, mảng bám men răng. Dịch chiết neem có thể được phối vào kem đánh răng sử dụng hàng ngày để giảm thiểu nguy cơ mắc bệnh về răng miệng như nha chu [2].  Neem dùng trong phân bón và thuốc bảo vệ thực vật Vào những năm 1990, các nghiên cứu chỉ ra rằng các dịch chiết từ cây neem cho tác dụng lên khoảng hơn 200 loại côn trùng khác nhau trong đó phổ biến là các loại côn trùng ăn cây. Công dụng trên là do các limonoid trong cây có tác dụng gây ngán ăn, ức chế vòng đời sinh trưởng của côn trùng và xua đuổi côn trùng rất hiệu quả.

Do đó các bộ phận như lá, nhân hạt neem, bánh dầu neem, dầu neem đều có thể được sử dụng để sản xuất chế phẩm phòng trừ sâu bệnh và côn trùng [1]. Bên cạnh đó, bánh dầu neem là một phụ phẩm có giá trị của công nghiệp ép dầu. Bánh dầu thường sử dụng làm phân bón hữu do có chứa hàm lượng nitơ, kali, phốt-pho có thể bổ sung dưỡng chất cho cây trồng. Đồng thời, loại phân hữu cơ này có một số tính chất hữu ích cho nông nghiệp sạch như: dễ phân hủy, tăng độ phì nhiêu đất trồng, kháng nấm, kháng côn trùng có hại.

Thành phần hóa học trong hạt neem 1. Giới thiệu thành phân chính trong hạt neem Các thành phần trong nhân hạt neem gồm: lipids (29.72%) và một số hoạt chất. Trong đó, nhân hạt neem có chứa khoảng 45% là dầu với tỉ lệ giữa chất béo không bão hòa và chất béo bão hòa khoảng 60%. Dầu neem có màu vàng nâu, có mùi hăng và vị đắng.

Thành phần chính trong dầu neem gồm : acid béo (oleic acid (41.71%) và palmitic acid (15.59%); triglycerides; sterols; tocopherols;. Trong đó một số thành phần gây vị đắng đã được xác định trong dầu neem là nimbin (0. Hạt neem có hơn 300 hoạt chất khác nhau đã được phân lập và xác định tính chất. Có thể chia thành 2 nhóm chính là isoprenoid và non-isoprennoid.

- Isopenoid gồm diterpenoid và triterpenoid như là các protomeliacin, limonoid, azadirone và dẫn xuất của chúng, gedunin và dẫn xuất của chúng, các hợp chất dạng vilasinin và C-secomeliacin (nimbin, salanin và azadirachtin). - Non-isoprenoid gồm protein, amino acid, carbohydrate, hợp chất có chứa lưu huỳnh, hợp chất polyphenolic như flavonoid, glycoside của chúng, dihydrochalcone, coumarin, tannin, chất béo,. Một phần ba trong số các hoạt chất có trong hạt neem là các tetranortriterpenoid (limonoid) như: azadirachtin, nimbin, nimbidin,…Các hợp chất này có mặt chủ yếu ở nhân hạt neem [7]. Phân loại các hoat chất chính trong hạt neem Hai nhóm chất chính thường được nghiên cứu là diterpenoid và triterpenoid, trong đó limonoid là thành phần chính và cũng là nhóm đặc trừng cho thành phần trong cây.

 Diterpenoid Trong các loại terpene thì loại diterpene gồm 3 vòng 6 cạnh (tricyclic diterpene) được tìm thấy nhiều nhất. Đa số các tricyclic diterpene trong hạt neem được báo cáo có hoạt tính sinh học cao như khả năng ức chế tế bào ung thư, kháng sinh và hoạt tính trừ sâu cao [8]. Một số hoạt chất có cấu trúc tricyclic diterpene trong hạt neem  Triterpenoid Có 7 loại tetracyclic triterpene (protomeliacin) đã được xác định là những thành phần khác nhau trong hạt neem. Bảy loại trên bao gồm: meliantriol, nimbocinone và nimolinone, và azadirachtol, azadirachnol [8] Hình 1.

Hoạt chất có cấu trúc triterpene trong hạt neem  Meliacin Meliacin (limonoid) là những dẫn xuất của triterpene, có cấu trúc giống triterpene nhưng bị mất 4 nguyên tử carbon, các nguyên tử carbon còn lại đóng vòng tạo vòng furan. Một hoặc nhiều hệ thống vòng của meliacin có thể mở khi thực hiện phản ứng oxy hóa khử. Tất cả các meliacin đã được biết đến đều có nguyên tử oxy tại C-7, một nối đôi ở vòng D và một nhóm methyl tại C-8. Có hai loại limonoid: 6 - Limonoid với hệ thống vòng nguyên vẹn có cấu trúc tương đối giống với tetracyclic triterpenoid.

Những limonoid này có vòng D nguyên vẹn nhưng đã bị oxy hóa thành vòng epoxide tại C-14 và C-15 [8]. Hoạt chất có cấu trúc limonoid với hệ thống vòng nguyên vẹn trong hạt neem - Limonoid mở vòng có một hay nhiều vòng đã được mở hoặc thay đổi bởi quá trình oxy hóa sự mở vòng đặc trưng xảy ra ở vòng C của nhóm nimbin. Những limonoid bị oxy hóa mạnh nhất đều có phản ứng oxy hóa xảy ra ở cả vòng C và vòng D. Ngoài sự thay đổi đặc biệt trên trong cấu trúc, các chất thuộc loại cấu trúc này cũng có những nhóm thế gắn vào mạch chính tương tự như các chất thuộc nhóm cấu trúc khác đã nêu trên.

Azadirachtin, là chất thuộc loại cấu trúc này được nghiên cứu nhiều nhất [8]. Hoạt chất có cấu trúc limonoid mở vòng trong hạt neem 7 1. Các hoạt chất chính trong hạt neem 1. Azadirachtin Azadirachtin (AZ) là hợp chất có hàm lượng cao và có hoạt tính nhất có trong Azadirachta indica.

Hợp chất này có thể được tìm thấy các bộ phận khác của cây neem (hạt, quả và lá) nhưng có nồng độ thay đổi khá đa dạng thể hiện ở hàm lượng nằm trong khoảng từ 0.25 ppm trong vỏ cây đến 48 000 ppm trong hạt. AZ là một triterpenoid thuộc nhóm có cấu trúc giống với các hợp chất khác thu được từ hạt neem, như là nimbin và salanin. AZ điểm nóng chảy ở 154 -158 °C và độ hấp thụ tối đa trong tia cực tím (UV) ở 217 nm. Hợp chất AZ thể hiện tính chất ưa nước (logP = - 0,13), thể hiện độ hòa tan vừa phải trong nước và độ hòa tan cao trong dung môi hữu cơ phân cực trung bình.

AZ nhạy sáng và không bay hơi, độ bền của AZ phụ thuộc nhiều các điều kiện hóa lý. AZ không ổn định trong môi trường acid mạnh, trong môi trường base và điều kiện nhiệt độ cao [9]. Một số tính chất lý hóa của azadirachtin Công thức phân tử C35H44O16 Khối lượng phân tử 720.7 g/mol Nhiệt độ nóng chảy 154-158 oC Nhiệt độ thích hợp lưu trữ 0 oC Độ tan trong nước 0.26 g/L Tan rất nhanh trong ethanol, diethyl ether, acetone, chloroform, Độ tan trong các dung môi hữu cơ dichloromethane nhưng không tan trong hexane AZ có cấu trúc cực kỳ phức tạp với cấu trúc không linh động do sự có mặt của các liên kết hydro nội phân tử và một số lượng lớn các nhóm chức phản ứng ở các vị trí 8 gần nhau. Cấu trúc hóa học của AZ bao gồm mười sáu trung tâm lập thể, bảy trong số đó là các nguyên tử carbon hóa trị 4 và chín là các nguyên tử carbon hóa trị 2.

Thông thường, cấu trúc của AZ bao gồm mười sáu nguyên tử oxy được sắp xếp theo bốn nhóm ester, một nhóm hemiacetal và một nhóm epoxide, hai nhóm hydroxyl và một nhóm dihydrofuran. Thông thường azadirachtin chứa hơn 70% azadirachtin A và ít nhất 8 dẫn xuất khác.