Đồ án: Khảo sát thành phần hóa học cao hexane từ thân cây cà phê Robusta

Đồ án nghiên cứu thành phần hóa học từ thân cây cà phê Robusta. Phân tích cao hexane, phân lập và xác định cấu trúc các hợp chất tự nhiên có trong đó.

• Tác giả: Dương Thị Như Ý
• Người hướng dẫn: TS. Võ Thị Ngà
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Học Và Thực Phẩm
• Đề tài: Khảo Sát Thành Phần Hóa Học Phân Đoạn H6 Của Cao Hexane Điều Chế Từ Thân Cây Cà Phê Robusta
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cây cà phê Robusta và thành phần hóa học

Cây cà phê Robusta (Coffea robusta) là một trong những loại cà phê quan trọng nhất được trồng tại Việt Nam, với sản lượng đứng đầu thế giới. Thành phần hóa học từ thân cây cà phê Robusta chứa nhiều hợp chất có giá trị y dược và công nghiệp. Sau khi già cỗi, thân cây thường bị chặt bỏ và chỉ dùng làm củi, gây lãng phí tài nguyên. Việc khảo sát thành phần hóa học chi tiết từ các phần của cây cà phê có thể mở ra những ứng dụng mới trong lĩnh vực dược phẩm, mỹ phẩm và thực phẩm. Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng cao hexane từ thân cây cà phê chứa nhiều hợp chất hữu cơ quý giá, đặc biệt là các axit chlorogenic và các dẫn xuất của chúng.

1.1. Đặc điểm sinh học của cây cà phê Robusta

Cà phê Robusta là một cây bụi lâu năm thuộc họ Rubiaceae, phân bố rộng rãi ở các vùng khí hậu nhiệt đới. Thân cây cà phê Robusta là phần chứa nhiều thành phần hóa học đa dạng bao gồm các alkaloid, phenolic compounds và các hợp chất flavonoid. Cây có khả năng thích ứng tốt với điều kiện khí hậu nhiệt đới và có năng suất cao, làm cho nó trở thành loại cà phê được trồng phổ biến nhất tại Việt Nam và các nước Đông Nam Á.

1.2. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu thành phần hóa học

Việc khảo sát thành phần hóa học từ thân cây cà phê Robusta giúp phát hiện những hợp chất có hoạt tính sinh học cao. Cao hexane là một trong những chất trích ly giàu các hợp chất hữu cơ và alkaloid, có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất dược phẩm, bổ sung dinh dưỡng và ngành mỹ phẩm. Các hợp chất này có thể được cô lập và tinh chế để tạo ra các sản phẩm có giá trị cao hơn.

II. Thành phần hóa học chính trong cao hexane từ thân cây cà phê

Thành phần hóa học từ thân cây cà phê Robusta trong cao hexane chứa nhiều axit chlorogenic và các dẫn xuất của chúng. Phân đoạn H6 (hexane extract fraction 6) được xác định là chứa các hợp chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp, bao gồm các axit feruloylquinic và caffeoylquinic. Các hợp chất phân lập từ phân đoạn này cho thấy tính chất hóa học đặc biệt với khả năng hoạt động sinh học mạnh. Những hợp chất được phân lập như methyl sumaresinolate và các dẫn xuất khác thể hiện cấu trúc hóa học độc đáo. Các thành phần chính này được xác định thông qua phổ NMR và ESI-MS, cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc phân tử của từng hợp chất.

2.1. Axit chlorogenic và các dẫn xuất

Axit chlorogenic là một trong những thành phần hóa học chính được tìm thấy trong cao hexane từ thân cây cà phê. Đây là hợp chất polyphenolic với công thức phân tử C16H18O9, có hoạt tính chống oxy hóa mạnh. Các dẫn xuất axit chlorogenic bao gồm 3-CQA, 4-CQA, 5-CQA và các dạng di-caffeoylquinic acid (diCQA) được phát hiện trong các phân đoạn khác nhau, đặc biệt là ở lá và vỏ cây.

2.2. Các hợp chất alkaloid và terpene

Ngoài axit chlorogenic, thân cây cà phê Robusta còn chứa các hợp chất alkaloid bao gồm caffeine và theobromine, cũng như các hợp chất terpene và diterpene. Cao hexane tập trung nhiều hợp chất lipophilic như các sterol, wax và các dẫn xuất terpene có cấu trúc phức tạp. Những hợp chất này có khả năng sinh học đa dạng, bao gồm hoạt tính chống viêm, chống oxy hóa và các tác dụng bảo vệ sức khỏe khác.

III. Phương pháp phân lập và xác định cấu trúc hóa học

Để khảo sát thành phần hóa học chi tiết từ thân cây cà phê Robusta, các nhà khoa học sử dụng những phương pháp hiện đại trong hóa học hữu cơ. Quá trình điều chế cao hexane bắt đầu từ việc nghiền nhỏ và chiết xuất bằng hexane sử dụng hệ thống đun hoàn lưu. Phân đoạn H6 được tách lập từ cao hexane thông qua sắc ký cột (SKC) sử dụng các dung môi hoặc hỗn hợp dung môi khác nhau. Các hợp chất phân lập được tinh chế thêm bằng sắc ký lớp mỏng (SKLM) để đạt độ tinh khiết cao. Xác định cấu trúc hóa học được thực hiện thông qua phổ NMR (1H-NMR, 13C-NMR) kết hợp với COSY, HSQC, HMBC và phổ khối lượng ESI-MS.

3.1. Quy trình trích ly và điều chế cao

Quy trình điều chế cao hexane từ thân cây cà phê bắt đầu với việc sấy khô và nghiền mịn mẫu. Mẫu được chiết xuất bằng hexane trong thiết bị đun hoàn lưu ở nhiệt độ kiểm soát để tối ưu hóa hiệu suất trích ly các hợp chất hữu cơ. Sau khi chưng cất loại bỏ dung môi, cao thô được thu được và sau đó phân tách thành nhiều phân đoạn bằng sắc ký cột sử dụng các dung môi gradient từ hexane thuần chay đến ethyl acetate.

3.2. Kỹ thuật phổ NMR và MS trong xác định cấu trúc

Phổ 1H-NMR và 13C-NMR cung cấp thông tin chi tiết về các nhóm chức năng và liên kết hóa học trong từng hợp chất phân lập. Phương pháp HMBC giúp xác định tương quan giữa các nguyên tử carbon và proton cách xa nhau, từ đó suy ra cấu trúc hóa học của hợp chất. Phổ khối lượng ESI-MS xác định khối lượng phân tử chính xác, hỗ trợ việc định danh các hợp chất tìm thấy trong phân đoạn H6.

IV. Hoạt tính sinh học và ứng dụng tiềm năng

Thành phần hóa học từ thân cây cà phê Robusta, đặc biệt là những hợp chất được phân lập từ phân đoạn H6, thể hiện nhiều hoạt tính sinh học quan trọng. Các hợp chất trong cao hexane có khả năng chống oxy hóa mạnh nhờ vào cấu trúc polyphenolic và các nhóm hydroxyl. Ngoài ra, thành phần hóa học này còn thể hiện hoạt tính chống viêm, bảo vệ gan, hỗ trợ kiểm soát đường huyết và có tiềm năng chống ung thư. Các hợp chất trong phân đoạn H6 có thể được phát triển thành các sản phẩm bổ sung dinh dưỡng, dược phẩm chức năng hoặc công thức mỹ phẩm. Sự phát triển công nghệ chiết xuất và tinh chế hiệu quả có thể giúp nâng cao giá trị kinh tế của thân cây cà phê.

4.1. Hoạt tính chống oxy hóa và chống viêm

Các hợp chất hữu cơ trong cao hexane từ thân cây cà phê sở hữu khả năng chống oxy hóa mạnh do mức độ cao các nhóm phenolic. Axit chlorogenic và các dẫn xuất của nó có thể trung hòa các gốc tự do trong cơ thể, giúp bảo vệ tế bào khỏi tổn thương. Hoạt tính chống viêm của các hợp chất này giúp giảm các phản ứng viêm nhiễm và bảo vệ sức khỏe tim mạch.

4.2. Ứng dụng trong dược phẩm và dinh dưỡng

Thành phần hóa học chi tiết được khảo sát từ thân cây cà phê Robusta có thể được ứng dụng trong sản xuất dược phẩm chức năng và bổ sung dinh dưỡng. Các hợp chất được phân lập từ phân đoạn H6 có tiềm năng phát triển thành các sản phẩm chăm sóc sức khỏe chuyên biệt. Ngoài ra, cao hexane cũng có thể được ứng dụng trong công nghệ thực phẩm và mỹ phẩm, tạo ra các sản phẩm có giá trị cao hơn từ nguyên liệu tái chế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Đặc điểm thực vật Cây cà phê là một loại thực vật thuộc họ thiên thảo (Rubiaceae), họ này có khoảng 500 chi và hơn 6000 loài. Cà phê thuộc chi Coffea, chi này có khoảng 90 loài khác nhau 1. Ở Việt Nam có trồng năm giống cà phê là: Coffea arabica L (Cà phê chè), Coffea canephora Pierre ex. Froehner (Coffea robusta- Cà phê vối), Coffea dewevrei (Coffea excelsa- Cà phê mít), Coffea liberica Bull ex.

Hiem (Cà phê dâu da), Coffea tetrandra P. Trên thế giới hai giống cà phê phổ biến nhất là Arabica và Robusta, còn ở Việt Nam chủ yếu trồng cà phê Robusta (Hình 1.1: Hình ảnh toàn cây (A) và quả (B) cà phê Robusta Hình dạng của cây cà phê thay đổi tùy theo loài và giống. Nhìn chung, cây cà phê thân gỗ bao gồm một thân cây với các cành cấp cơ bản và thứ cấp. Các lá đối diện nhau trên chồi.

Mỗi cặp lá được định vị chéo cho cặp lá tiếp theo (Hình 1. Lá xuất hiện sáng bóng, lượn sóng và màu xanh đậm với các đường gân dễ thấy. Trong nách của mỗi lá là bốn đến sáu chồi nối tiếp, và ngay phía trên chúng là một chồi lớn hơn một chút gọi là chồi nách ngoài ở vị trí khá xa. Chồi nách ngoài sẽ phát triển thành các cành sơ cấp mọc từ thân chính và không thể tái sinh được.

Mỗi chồi trên cành sơ cấp 2 có thể phát triển thành một cụm hoa hoặc thành cành thứ cấp, có cấu trúc như cành sơ cấp, với các chồi nối tiếp phát triển thành hoa hoặc thành cành cành thứ ba. Nếu một nhánh thứ cấp bị cắt bỏ có thể tái sinh lại. Cây cà phê có một hệ thống rễ bao gồm một rễ cái, rễ phụ và rễ nhỏ. Rễ của cây cà phê Arabica ăn sâu vào lòng đất, còn cây Robusta có rễ nhánh tập trung gần bề mặt đất 3, 4.

Hoa cà phê có màu trắng mọc tại các chồi (Hình 1. Hoa nở khoảng 8-11 h vào ban ngày, sự thụ phấn diễn ra trong vòng 6 h sau khi hoa nở. Quá trình thụ tinh được hình thành trong 24-48 h. Sau khi thụ phấn, quả sẽ được hình thành dài 10 đến 15 mm.

Cấu tạo quả cà phê được chia thành nhiều lớp (Hình 1. Bao bọc phía ngoài là lớp vỏ ngoài có phủ một lớp sáp để bảo vệ quả, thường có màu đỏ, hồng đậm hoặc vàng. Bên trong là lớp thịt mềm, trong quả chín sẽ có một lớp nhớt dính vào vỏ thóc. Một lớp màng mỏng bao bọc lấy hạt cà phê giống như giấy gọi là vỏ lụa.

Một quả cà phê sẽ có hai hạt. Hạt cà phê có hình elip hoặc hình trứng có chứa nội nhủ và phôi 3, 4, 5. Cà phê là loại cây lâu năm, nó thường sống khoảng 10 đến 15 năm. Tuy nhiên, những năm cuối sản lượng sẽ giảm đáng kể, trong các đồn điền sẽ thay đổi cây thường xuyên.2: Hình ảnh lá và hoa (A); quả và hạt (B) của cây cà phê 3 1.2 Thành phần hóa học Thành phần hóa học của cà phê thay đổi theo loài.

Dưới đây là một số thành phần hóa học của quả và lá cà phê.1 Thành phần hóa học trong quả cà phê 1.1 Caffeine Caffeine hay 1,3,7-trimethyl-xanthine (1), đây là chất có tầm quan trọng tương đối lớn đối với các tính chất vật lý của cà phê và trong việc xác định nên vị đắng của nó 6. Hàm lượng caffeine của hạt cà phê thay đổi theo loài: cà phê Robusta chứa khoảng 2.8 % caffeine và Arabica khoảng 0.2 Trigonelline Trigonelline hay N-methylpyridinium-3-carboxylate (2) đây là một alkaloid quan trọng thứ hai sau caffeine trong cây cà phê 8. Nó được tìm thấy trong hạt cà phê với hàm lượng trong cà phê Arabica nhiều hơn trong cà phê Robusta và do đó có thể được sử dụng để phân biệt hai loại hạt cà phê. Trong quá trình rang hạt cà phê, trigonelline thay đổi thành hai sản phẩm chính N-methylpyridinium (3) và nicotinic acid (4) 7.3 Chlorogenic acid Chlorogenicacid là một họ các ester được hình thành giữa quinic acid và một số trans- cinnamic acid, phổ biến nhất là caffeic, p-coumaric và ferulic acid.

Chlorogenic acid là chất chuyển hóa thứ cấp phân bố rộng rãi ở thực vật và chúng cũng có mặt ở cà phê với số lượng lớn 8. Chúng xuất hiện nhiều nhất trong hạt cà phê là các chất đồng phân của acid caffeoyl-quinic: 3-O-caffeoyl-quinic acid (3-CQA) (5), 4-O-caffeoyl- quinic acid (4-CQA) (10), 5-O-caffeoyl-quinic acid (5-CQA) (15). Ngoài những chất trên, chlorogenic acid được tìm thấy trong hạt cà phê Robusta với tổng cộng là 69 chất (5-73) 9. R1 R2 R3 5 H OH OH 6 H OH OCH3 7 H OH H 8 H OCH3 OCH3 9 OCH3 OH OCH3 R1 R2 R3 10 OH OH H 11 OCH3 OH H 12 H OH H 13 H OCH3 OCH3 14 OCH3 OH OCH3 R1 R2 R3 15 H OH OH 16 H OH OCH3 17 H OH OH 18 H OCH3 OCH3 19 OCH3 OH OCH3 5 R1 R2 R3 X1 X2 X3 R1 R2 R3 X1 X2 X3 20 OH OH H OH OH H 36 OH OH H OH OH H 21 OCH3 OH H OCH3 OH H 37 OCH3 OH H OCH3 OH H 22 H OH H H OH H 38 H OH H H OH H 23 OH OH H OCH3 OH H 39 OH OH H OCH3 OH H 24 OCH3 OH H OH OH H 40 OCH3 OH H OH OH H 25 OH OH H OCH3 OCH3 H 41 OH OH H OCH3 OCH3 H 26 OCH3 OH H OCH3 OCH3 H 42 OCH3 OH H OCH3 OCH3 H 27 OH OH H H OH H 43 OH OH H H OH H 28 H OH H OH OH H 44 H OH H OH OH H 29 OCH3 OH H H OH H 45 OCH3 OH H H OH H 30 OCH3 OCH3 H H OH H 46 OCH3 OCH3 H H OH H 31 OH OH H OCH3 OH OCH3 47 H OH OH OCH3 OH OCH3 32 OCH3 OH H OH OCH3 OH 48 H OH OCH3 OCH3 OH OCH3 33 OCH3 OH 𝛼OCH3OH OH H 49 H OH OH OCH3OCH3OCH3 34 OCH3 OH 𝛽OCH3OH OH H 50 H OH OCH3OCH3OCH3OCH3 35 H OH OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 51 H OH OH OCH3 OCH3 H 6 R1 R2 R3 X1 X2 X3 52 OH OH H H OH OH 53 OCH3 OH H H OH OCH3 54 H OH H H OH H 55 OH OH H H OH OCH3 56 OCH3 OH H H OH OH 57 OH OH H H OCH3 OCH3 58 H OH H H OH OH 59 OH OH H H OH H 60 OCH3 OH H H OH H 61 H OH H H OCH3 OCH3 62 H OH OCH3 OCH3 OH OCH3 63 OH OH H OCH3 OCH3 OCH3 64 H OH OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 65 OCH3 OH H H OCH3 OCH3 7 R1 R2 R3 X1 X2 X3 Y1 Y2 Y3 65 H OH OH H H H OCH3 OCH3 H 66 H OH OH H OH OH OH OH H 67 H OH OH H OH OCH3 OH OH H 68 H OH OH H OH OH OCH3 OH H 69 H OH OCH3 H OH OH OH OH H 70 H OH OCH3 H OH OCH3 OH OH H 71 H OH OH H OH OCH3 OCH3 OH H 73 OCH3 OH OCH3 H OH OH OH OH H 73 H OH OH H OH OH OCH3 OH OCH3 1.4 Acid hữu cơ Một số loại acids phổ biến đối với hầu hết các loại thực vật đã được xác định trong hạt cà phê như: citric acid (74), malic acid (75), quinic acid (76), acetic acid (77), formic acid (78), oxalic acid (79), succinic acid (80) 8, 11, 12.5 Polysaccharide Polysaccharide chiếm một nửa khối lượng của hạt cà phê khô.

Đối với hạt cà phê Robusta thì polysaccharide chiếm 43-45 % trọng lượng khô và chủ yếu là ba polymer: arabinogalactan (81), mannan (82) và cellulose (83). Thành phần polysaccharide trong hạt cà phê Arabica và Robusta là tương tự nhau, lượng polysaccharide trong hạt cà phê rang xay có thể ảnh hưởng đến tính ổn định của một cốc cà phê 7.6 Protein và amino acid Protein, peptide, và amino acid có tiềm năng là tiền chất hương vị trong hạt cà phê xanh. Peptide đã được phân lập từ hạt với tỉ lệ khác nhau, từ 0.6% trên trọng lượng khô. Một số endopeptidase cũng đã được xác định.

Sự đóng góp của các peptide trong hương vị cà phê rang xay đã được đề xuất bởi các thử nghiệm mô hình. Hàm lượng amino acid đã được phát hiện trong hạt cà phê xanh với hàm lượng cao nhất là 9 N-methyl-L-histidine (84), tiếp theo là L-mlutamic acid (85), L-proline (86), L- asparagine (87), 4-aminobutyric acid (88) trong tổng số 29 (84- 112) loại amino acid 7.7 Lipid Trong cà phê, phần lớn lipid là dạng dầu, tập trung chủ yếu ở hạt và nó đóng vai trò là chất mang hương vị và vitamin tan trong chất béo. Thành phần lipid trong hạt chủ yếu là các triacylglycerol; sterol gồm 24-methylenecholesterol (113), Δ5-avenasterol (114) và 𝛽-sitosterol (115) 8; tocopherol (116)13; một số diterpene và diterpene ester: cafestol (117), kahweol (118) , 16-O-methylcafestol (119) và 16-O-methylkahweol (120) 12; sáp là 5-hydroxytryptophan (C-5-HT, carboxylic-acid-5-hydroxy- tryptamide (121). Trong cà phê Arabica, lipid chiếm trung bình khoảng 15%, trong khi cà phê Robusta chứa ít hơn nhiều, cụ thể là khoảng 10% 7, 14.2 Thành phần hóa học của lá cây cà phê Lá cà phê chứa nhiều thành phần khác nhau, bao gồm alkaloid: caffeine (1), trigonelline (2), adenine-7-glucosyl (122), theobromine (123), 7-methylxanthine (124); flavonoid: anthocyanin, quercetin glucoside (125), quercetin (126), isoquercitrine (127), rutin (128) và kaempferol (129); terpenoid: cafestol (117), kahweol (118) và 16- O-methylcafestol (119); amino acid: histidine (105), pipecolic acid (86); sucrose (130); tannin; xanthonoid: mangiferin (131), isomangiferin (132); phenolic acid: caffeic acid (133), chlorogen acid (134), p-coumaric (135), ferulic (136), sinapic acid (137); catechin: catechin (138) và epicatechin (139); chlorogenic acid: : 3-CQA (5), 4- CQA (10), 5-CQA (15), mangiferin, 5-FQA (6), 4-FQA (16), 3,4-diCQA (20), 3,5- diCQA (36) và 4,5-diCQA (52).3 Hoạt tính sinh học của cây cà phê Một số nghiên cứu đã chứng minh tác dụng các thành phần có trong cà phê chống lại một số bệnh như các bệnh thoái hóa não, ung thư, rối loạn chuyển hóa, bệnh đái tháo đường … 1.1 Ảnh hưởng đến các bệnh thoái hóa não Caffeine (1) có tác dụng bảo vệ khả năng phát triển bệnh Alzheimer.

Một số dữ liệu có lợi từ các nghiên cứu thực nghiệm đã nuôi dưỡng giả thuyết cho rằng caffeine, axit chlorogen hoặc sự kết hợp của chúng có thể bảo vệ chống lại sự suy giảm nhận thức hoặc các đặc điểm sinh học của bệnh Alzheimer trong hệ thống thần kinh trung ương. 16 Mặc dù các nghiên cứu dịch tễ học báo cáo rằng thường xuyên tiêu thụ cà phê dường như là để bảo vệ bệnh Alzheimer, cần phải tiến hành thêm các nghiên cứu để xác định rỏ vấn đề trên [19].