CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm và sự phân bố của cây nghệ [11] 1.1 Đặc điểm cây nghệ Nghệ còn gọi là nghệ vàng, uất kim, khương hoàng, khinh lương (Tày). Nghệ là cây thảo mộc sống lâu năm, có tên khoa học là Curcuma longa L., thuộc họ gừng. Cao khoảng 0,60 đến 01 mét. Thân rễ thành củ hình trụ hoặc hơi dẹt, khi bẻ hoặc cắt ngang có màu vàng cam sẫm do có chứa chất màu curcumin.
Lá hình trái xoan thon nhọn ở hai đầu, hai mặt đều nhẵn dài tới 45cm, rộng tới 18cm, lá khum hình máng rộng, đầu tròn màu xanh lục nhạt, lá non hẹp hơn, màu hơi tím nhạt. Cụm hoa mọc từ giữa các lá lên thành hình nón thưa, cánh hoa ngoài màu xanh lục vàng nhạt, chia thành ba thùy. Củ nghệ có vị đắng, cay, mùi thơm hắc, tính ấm. chứa tinh dầu (3-5%) màu vàng nhạt, thơm, ngoài ra còn có tinh bột, canxi oxalat và chất béo.
Toàn bộ phần trên mặt đất tàn lụi vào mùa đông ở các tỉnh phía Bắc và mùa khô ở các tỉnh phía Nam. Cây mọc lại vào giữa mùa xuân, có hoa sau khi đã ra lá. Hoa mọc trên những thân của những chồi năm trước. Những thân đã ra hoa thì năm sau không mọc lại nữa và phần thân rễ của chúng trở thành những "củ cái" già, sau 1 – 2 năm bị thối, cho những nhánh non nảy chồi thành các cá thể mới.1: Cây nghệ vàng Curcuma longa L.2 Sự phân bố của cây nghệ Nghệ có nguồn gốc nguyên thủy từ Ấn Độ, ở đây nó được trồng ở vùng đồng bằng và trên các đảo.
Người Ấn dùng một loại tinh chất từ nghệ để rửa mắt trong việc chữa viêm kết mạc. Từ thời xa xưa, cây nghệ đã được trồng ở nhiều nơi về sau trở nên hoang dại, trước hết là ở Trung Quốc. Ngày nay, nghệ là một cây trồng quen thuộc ở khắp các nước vùng nhiệt đới, từ Nam Á đến Đông Nam Á và Đông Á. Ở Việt Nam, nghệ có trữ lượng khá dồi dào và được trồng ở khắp các địa phương, từ vùng đồng bằng ven biển đến vùng núi cao trên 1500m.
Ở một số nơi thuộc huyện Quản Bạ, Yên Minh, Đồng Văn, Lâm Đồng, Mèo Vạc (Hà Giang), Sìn Hồ, Phong Thổ (Lai Châu)…. Bên cạnh nguồn cung cấp do trồng trong nhân dân, ở một số địa phương phía bắc, nghệ mọc hoang dại ước tính trữ lượng đến 1000 tấn.2 Thành phần hóa học trong thân rễ nghệ [11] Thành phần hóa học chính quan trọng nhất của thân rễ nghệ là curcuminoid (6%), là thành phần tạo màu vàng cho nghệ, trong đó lượng curcumin chiếm khoảng 70-80% khối lượng. Trong thân rễ nghệ còn chứa tinh dầu (2-7%) với các thành phần chính là artumeron, zingberen, borneol. 6 Ngoài ra còn có những thành phần với hàm lượng thấp hơn như demetoxycurcumin, bisdemetoxycurcumin, dihydrocurcumin, phytosterol, các acid béo và polysaccharid và một số thành phần khác như bảng 1.1: Thành phần các chất trong thân rễ nghệ [12,11] Thành phần Đơn vị Khối lượng/100g Nước g 6,0 Năng lượng thực phẩm kcal 390 Protein g 8,5 Chất béo g 8,9 Carbohydrat g 69,9 Calcium g 0,2 Phosphorous mg 260 Sodium mg 30 Potassium g 2 Iron g 47,5 Thiamine mg 0,09 Riboflavin mg 0,19 Niacin mg 4,8 Acid ascorbic mg 50 1.3 Cấu trúc của các dẫn xuất curcuminoid [11,12,13] Curcuminoid là nhóm chất màu chiết xuất từ thân rễ cây nghệ vàng (Curcuma longa L.
Curcuminoid là những dẫn xuất diarylheptan gồm curcumin, 7 demetoxycurcumin, bisdemetoxycurcumin và gần đây còn tìm thấy có một ít cyclocurcumin. Chúng là những hợp chất phenolic, hầu hết các dẫn xuất đều khác nhau nhóm thế trên gốc phenyl. Lượng curcumin trong bột nghệ khoảng 3-6%. Hỗn hợp curcuminoid khoảng 77% curcumin (cur), 17% demetoxycurcumin (DMC), 3% bisdemetoxycurcumin (BDMC)[8].2: Công thức hóa học chung của curcuminoid[7] Bảng 1.2: Cấu trúc các thành phần của curcuminoid [7] Hợp chất R1 R2 CTPT M (đ.C) Cur OCH3 OCH3 C21H20O6 368 DMC OCH3 H C20H18O5 338 BDMC H H C19H16O4 308 Danh pháp quốc tế của: - Curcumin: 1,7-bis-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-hepta-1,6-diene-3,5-dione - Demetoxycurcumin: 1-(4-hydroxyphenyl)-7-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-hepta- 1,6-diene-3,5-dione.
- Bisdemetoxycurcumin: 1,7-bis-(4-hydroxyphenyl)-hepta-1,6-diene-3,5-dione Ngoài thành phần chính là curcuminoid như trên, trong thân rễ nghệ còn có một số đồng phân hình học của chúng, như đồng phân cis – trans cur.3: Đồng phân cis – trans curcumin Curcuminoid là những β-diceton tồn tại ở dạng đồng phân tautomer: cis – diceton hoặc trans – diceton và dạng enol (cis – enol). Trong dung dịch, các hợp chất β-diceton như vậy tồn tại dưới dạng hỗn hợp ceton và enol do quá trình tautomer hóa. Trong cấu trúc của enol có liên kết hydro.4: Các đồng phân enol − ceton của curcumin Hình 1.5: Quá trình tautomer hóa của các hợp chất curcuminoid Các phân tử curcuminoid chứa hệ thống liên hợp mở rộng với các vòng phenyl nằm cuối mạch (trong cấu dạng enol). Ngoài ra, curcuminoid còn chứa các nhóm carbonyl, metoxy và hydroxyl, góp phần tạo nên hoạt tính sinh học đa dạng của 9 curcuminoid.
Với những đặc điểm cấu trúc trên, curcuminoid là những polyphenol được xếp vào các hợp chất kháng oxy hóa dạng phenolic.4 Tính chất hóa lý của curcuminoid 1.1 Lý tính [9,13] Là dạng bột màu vàng cam huỳnh quang, không mùi, bền với nhiệt độ, không bền với ánh sáng. Khi ở dạng dung dịch cur dễ bị phân hủy bởi ánh sáng và nhiệt độ, tan trong chất béo, etanol, metanol, diclometan, aceton, acid acetic băng và hầu như không tan trong nước ở môi trường acid hay trung tính (độ tan <10 mg ở 250C). Tan trong môi trường kiềm tạo dung dịch màu đỏ máu rồi ngã tím, tan trong môi trường acid có màu đỏ tươi. Các thông số lý tính đặc trưng của curcuminod[4] : Thông số Cur DMC BDMC Điểm chảy (oC) 184 172 222 UV – Vis trong etanol (nm) 429 424 419 1.2 Hóa tính Quá trình điện ly theo pH Sự điện ly theo pH của cur bằng phương pháp HPLC cho kết quả sau - pH < 1: dung dịch cur có màu đỏ do cur ở trạng thái proton hóa H4A+.
- pH = 1 –7: cur ở trạng thái trung tính H3A. Trong khoảng pH này cur khó tan trong nước và tạo huyền phù màu vàng. - pH > 7,5: dung dịch cur có màu đỏ vì cur tồn tại dưới các dạng H2A-, HA2-, A3-. Giá trị hằng số phân ly proton pKa1, pKa2, pKa3 của cur (tạo thành H2A-, HA2-, A3-) được xác định lần lượt là 7,8; 8,5 và 9,0.6: Các dạng phân ly của curcuminoid[20] Phản ứng phân hủy - Phân hủy dưới tác dụng của ánh sáng[20] Dưới tác dụng của ánh sáng, cur phân hủy thành vanillin, acid vanillic, aldehyd ferulic, acid ferulic.
Cur cũng không bền ngay cả khi có và không có mặt của oxy. Khi có mặt oxy và ánh sáng, cur bị phân hủy tạo thành 4-Vinylguaialcol và vanillin. CHO CH CH2 HO OH hv,O2 H3CO OCH3 + O O OCH3 OCH3 H OH OH CH3 CO CH3 + CO2 11 Cur có thể bị vòng hóa trong điều kiện không có mặt của oxy Hình 1.7: Phân hủy dưới tác dụng của ánh sáng - Phân hủy trong môi trường kiềm Tonnesen và Karlsen (1985) đã nghiên cứu quá trình kiềm phân hủy của cur, sản phẩm của quá trình phân hủy trong khoảng pH từ 7 đến 10 được xác định bằng HPLC. Sản phẩm của quá trình phân hủy là acid ferulic và feruloylmetan.8a: Sự phân hủy của cur trong môi trường kiềm Sau đó Feruroyl metan tiếp tục bị phân hủy thành vanilin và aceton.
Acid ferulic bị phân hủy thành vinylguaialcol và CO2.8b: Sự phân hủy của cur trong môi trường kiềm[10] Phản ứng cộng H2 Trong hợp chất cur có chứa các hydrocarbon chưa no, do đó có khả năng tham gia phản ứng cộng 1,2 hoặc 3 phân tử H2 tạo thành các dẫn xuất dihydrocurcumin, 13 tetrahydrocurcumin và hexahydrocurcumin, khi có mặt xúc tác kim loại hay oxit kim loại (Ni, PtO2), các sản phẩm này cũng là các chất kháng oxy hoá.9: Phản ứng cộng H2 [5] Phản ứng imin hóa Cur là hợp chất diceton nên có thể cho phản ứng với các amin bậc nhất (RNH2), hydroxylamin (NH2OH), hydrazin (NH2-NH2), semicarbazid (NH2NHCONH2)… để tạo thành các dẫn xuất imin (base Schiff) hoặc dẫn xuất imin tương ứng. 14 Cơ chế phản ứng: Hình 1.10: Phản ứng imin hóa[14] Giai đoạn đầu của phản ứng là sự tấn công của đôi điện tử tự do trên nguyên tử nitrogen của amin vào nguyên tử carbon mang một phần điện tích dương của nhóm carbonyl. Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp ái nhân thông thường, hình thành hợp chất trung gian chứa đồng thời hai nhóm chức anion alkoxid và cation ammonium. Hợp chất trung gian này chuyển hoá nhanh thành sản phẩm trung gian bền hơn là carbinolamin.
Phản ứng này cần một lượng nhỏ acid làm xúc tác, giúp cho cân bằng chuyển dịch về phía tách nước từ hợp chất trung gian carbinolamin, sinh ra dạng proton hoá của imin hoặc các dẫn xuất của imin. Cuối cùng là giai đoạn tách proton, hình thành sản phẩm là imin hoặc các dẫn xuất của imin.[14] Trong cơ chế của phản ứng imin hoá, pH của môi trường đóng vai trò quan trọng. Nếu môi trường phản ứng quá acid, toàn bộ amin bị proton hoá. Các amin bị proton hoá không có tính ái nhân nên chúng không phản ứng với các nhóm ceton.
Ngược lại, giảm môi trường acid sẽ làm giảm quá trình tách nước tạo imin. Điều kiện pH thích hợp cho phản ứng imin hoá là khoảng pH ~ 4,5.[15] 15 Phản ứng của nhóm hydroxyl trên vòng benzen Các cặp electron chưa liên kết của oxy nhóm hydroxyl liên hợp mạnh với vòng benzen làm cho nguyên tử hydro của nhóm hydroxyl trở nên linh động hơn. Điều này giải thích tính acid và khả năng phản ứng với các gốc tự do của cur. Ngoài ra, phản ứng với các gốc tự do còn liên quan đến sự chuyển nguyên tử hydro của nhóm metylen ở carbon giữa mạch, làm giảm hay mất hoạt tính của các gốc này.
Hai hướng phản ứng này góp phần giải thích tính chống oxy hóa mạnh của curcuminoid khi ứng dụng nó trong ngành dược.11: Phản ứng của curcuminoid với gốc tự do[19] Phản ứng tạo phức Phức kim loại bao gồm ion kim loại trung tâm liên kết với các phân tử khác bằng liên kết cộng hóa trị. Curcuminoid với cấu trúc β-diceton trong môi trường 16 acid hay trung tính nằm dưới dạng hỗ biến ceton – enol đối xứng và ổn định, làm cho curcuminoid có khả năng tạo phức với nhiều ion kim loại khác nhau: Mn2+, Fe2+, Cu2+, Ga3+,… [4]Curcuminoid có khả năng cho đi một hay nhiều cặp electron tự do trên các nguyên tử oxy của cấu trúc ceton – enol và chất nhận là các ion kim loại với lớp vỏ electron còn trống. Do vậy, liên kết cộng hóa trị giữa curcuminoid và kim loại được hình thành. Sự liên kết này làm thay đổi năng lượng trường tinh thể của ion kim loại, làm thay đổi sự phân bố electron trong phân tử.