Tổng quan nghiên cứu

Acid shikimic là một hợp chất trung gian quan trọng trong tổng hợp các acid amin thơm và các hợp chất có nhân thơm trong thực vật, đồng thời là nguyên liệu chủ yếu để sản xuất oseltamivir phosphat – hoạt chất chống cúm hiệu quả. Nhu cầu acid shikimic ngày càng tăng do nguy cơ bùng phát dịch cúm và sự thiếu hụt nguồn nguyên liệu trong sản xuất thuốc Tamiflu. Đại hồi (Illicium verum) là nguồn nguyên liệu tự nhiên giàu acid shikimic với hàm lượng từ 5-7%, được xem là nguồn cung cấp tiềm năng cho ngành dược phẩm. Tại Việt Nam, Đại hồi phân bố chủ yếu ở các tỉnh miền núi phía Bắc như Lạng Sơn, Hà Giang, Tuyên Quang, với tiềm năng khai thác lớn.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng nhựa trao đổi ion để phân lập acid shikimic từ dịch chiết nước Đại hồi, nhằm xây dựng quy trình đơn giản, hiệu quả và thân thiện môi trường hơn so với các phương pháp chiết xuất truyền thống sử dụng dung môi hữu cơ độc hại. Nghiên cứu tập trung khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ acid shikimic của các loại nhựa anionit, lựa chọn dung dịch phản hấp phụ phù hợp, đánh giá khả năng tái sử dụng nhựa và ứng dụng quy trình phân lập acid shikimic trên quy mô mẫu lớn.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Dược Hà Nội trong năm 2016, sử dụng quả Đại hồi thu hoạch tại Lạng Sơn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong phát triển công nghệ chiết xuất acid shikimic thân thiện môi trường, góp phần nâng cao giá trị dược liệu Đại hồi và đáp ứng nhu cầu nguyên liệu cho sản xuất thuốc chống cúm.

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:

  • Con đường Shikimat: Acid shikimic là chất trung gian trong con đường sinh tổng hợp các acid amin thơm và các hợp chất có nhân thơm trong thực vật, đóng vai trò quan trọng trong sinh hóa và dược lý.

  • Phương pháp trao đổi ion: Quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hóa học giữa ion trong dung dịch và ion trên nhựa trao đổi ion. Nhựa anionit có nhóm chức mang điện tích dương, có khả năng hấp phụ các ion âm như acid shikimic (dạng ion SA-). Quá trình trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch, có thể tái sinh nhựa bằng dung dịch thích hợp.

  • Khái niệm nhựa trao đổi ion: Nhựa trao đổi ion được phân loại thành cationit và anionit, với các nhóm chức đặc trưng như amin bậc 4 cho anionit kiềm mạnh. Tính chất vật lý (kích thước hạt, độ nở, tính chịu nhiệt) và tính năng hóa học (dung lượng trao đổi, tính chọn lọc) của nhựa ảnh hưởng đến hiệu quả phân lập acid shikimic.

  • Khái niệm dung lượng hấp phụ và phản hấp phụ: Dung lượng hấp phụ biểu thị lượng acid shikimic mà 1 gam nhựa có thể hấp phụ, trong khi phản hấp phụ là quá trình loại bỏ acid shikimic khỏi nhựa bằng dung dịch phản hấp phụ như NaCl.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Quả Đại hồi thu hoạch tại Lạng Sơn, Việt Nam, được xử lý để chiết xuất acid shikimic bằng nước cất. Các loại nhựa anionit gồm Diaion SA12A, Amberlite IRA-402, Trilite SAR-20, Monoplus M500 được khảo sát.

  • Phương pháp phân tích: Hàm lượng acid shikimic được xác định bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với cột Supelco C8, pha động acid phosphoric 0,01% và acetonitril (95:5), bước sóng phát hiện 213 nm, tốc độ dòng 1 mL/phút.

  • Phương pháp khảo sát:

    • Khảo sát thời gian hấp phụ acid shikimic của các loại anionit tại các thời điểm 10, 20, 30, 40, 50, 60, 90 phút.
    • Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ (25ºC, 35ºC, 45ºC) đến dung lượng hấp phụ acid shikimic.
    • Lựa chọn dung dịch phản hấp phụ (NaCl, HCl, CH3COOH) và nồng độ tối ưu để phản hấp phụ acid shikimic khỏi nhựa.
    • Đánh giá khả năng tái sử dụng nhựa qua các chu kỳ hấp phụ - phản hấp phụ - hoàn nguyên.
    • Ứng dụng nhựa trao đổi ion Diaion SA12A để phân lập acid shikimic từ dịch chiết Đại hồi trên quy mô mẫu lớn (150g Đại hồi).

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2016, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, khảo sát thí nghiệm, phân tích dữ liệu và xây dựng quy trình phân lập acid shikimic.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Dung lượng hấp phụ acid shikimic của các anionit: Sau 60 phút hấp phụ, dung lượng hấp phụ đạt cân bằng với thứ tự Diaion SA12A (215,6 mg/g) > Amberlite IRA-402 (174,2 mg/g) > Trilite SAR-20 (127,3 mg/g) > Monoplus M500 (55,5 mg/g). Điều này cho thấy Diaion SA12A có khả năng hấp phụ acid shikimic vượt trội, phù hợp cho ứng dụng phân lập.

  2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dung lượng hấp phụ: Dung lượng hấp phụ cao nhất ở 35ºC với Diaion SA12A đạt 207,6 mg/g, giảm nhẹ ở 45ºC. Tuy nhiên, sự khác biệt giữa 25ºC và 35ºC chỉ khoảng 1-3%, cho phép tiến hành quy trình ở nhiệt độ phòng để đơn giản hóa.

  3. Hiệu suất phản hấp phụ acid shikimic: Dung dịch NaCl 0,9M được lựa chọn làm dung dịch phản hấp phụ tối ưu với hiệu suất phản hấp phụ acid shikimic trên nhựa Diaion SA12A đạt 97,5%, cao hơn so với HCl và CH3COOH. Hiệu suất phản hấp phụ tăng theo nồng độ dung dịch phản hấp phụ.

  4. Khả năng tái sử dụng nhựa: Sau 3 chu kỳ hấp phụ - phản hấp phụ, dung lượng hấp phụ và hiệu suất phản hấp phụ acid shikimic của Diaion SA12A chỉ giảm khoảng 7-8%, vẫn duy trì hiệu suất trên 90%, chứng tỏ nhựa có độ bền và khả năng tái sử dụng tốt.

  5. Hàm lượng acid shikimic trong Đại hồi: Xác định hàm lượng acid shikimic trong quả Đại hồi là 6,3% ± 0,1%, phù hợp với các báo cáo trước đó, khẳng định Đại hồi là nguồn nguyên liệu giàu acid shikimic.

Thảo luận kết quả

Kết quả dung lượng hấp phụ cao của nhựa Diaion SA12A so với các loại nhựa khác có thể do đặc tính nhóm chức amin bậc 4 và kích thước hạt phù hợp, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi ion với acid shikimic. Ảnh hưởng nhiệt độ không quá lớn cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu là hấp phụ vật lý kết hợp trao đổi ion, có thể vận hành ở nhiệt độ phòng giúp tiết kiệm năng lượng.

Hiệu suất phản hấp phụ cao với dung dịch NaCl 0,9M cho thấy ion Cl- có khả năng thay thế ion shikimic trên nhựa hiệu quả, đồng thời dung dịch này an toàn, dễ xử lý và kinh tế hơn so với các dung dịch acid khác. Khả năng tái sử dụng nhựa ổn định qua nhiều chu kỳ góp phần giảm chi phí và tăng tính bền vững của quy trình.

Hàm lượng acid shikimic trong Đại hồi phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, khẳng định tiềm năng khai thác Đại hồi làm nguyên liệu sản xuất acid shikimic. Quy trình phân lập acid shikimic bằng nhựa trao đổi ion Diaion SA12A từ dịch chiết nước Đại hồi đạt hiệu suất cao, thân thiện môi trường hơn so với các phương pháp sử dụng dung môi hữu cơ độc hại.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dung lượng hấp phụ theo thời gian và nhiệt độ, bảng so sánh hiệu suất phản hấp phụ của các dung dịch, cũng như bảng thể hiện khả năng tái sử dụng nhựa qua các chu kỳ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng nhựa trao đổi ion Diaion SA12A trong quy trình phân lập acid shikimic: Sử dụng nhựa Diaion SA12A với dung dịch phản hấp phụ NaCl 0,9M để tối ưu hóa hiệu suất phân lập acid shikimic từ dịch chiết Đại hồi. Thời gian hấp phụ khoảng 60 phút, nhiệt độ phòng, giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí.

  2. Xây dựng quy trình tái sử dụng nhựa nhiều lần: Thiết lập quy trình tái sinh nhựa bằng dung dịch NaOH 1% và rửa nước đến pH trung tính, đảm bảo hiệu suất hấp phụ trên 90% sau ít nhất 3 chu kỳ, giảm chi phí nguyên liệu và tăng tính bền vững.

  3. Mở rộng quy mô sản xuất acid shikimic từ Đại hồi tại các vùng miền núi phía Bắc: Khuyến khích thu mua và chế biến Đại hồi tại các tỉnh như Lạng Sơn, Hà Giang, Tuyên Quang để tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào, góp phần phát triển kinh tế địa phương.

  4. Nghiên cứu cải tiến quy trình chiết xuất và tinh chế: Tiếp tục nghiên cứu kết hợp phương pháp trao đổi ion với các kỹ thuật chiết xuất hiện đại như siêu âm, ion lỏng để nâng cao hiệu suất và độ tinh khiết sản phẩm, đồng thời giảm thiểu sử dụng dung môi độc hại.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp trong ngành dược phẩm để ứng dụng quy trình phân lập acid shikimic bằng nhựa trao đổi ion, thúc đẩy sản xuất trong nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Dược phẩm và Bào chế: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về ứng dụng nhựa trao đổi ion trong phân lập hợp chất tự nhiên, phương pháp phân tích HPLC và quy trình chiết xuất acid shikimic từ dược liệu.

  2. Doanh nghiệp sản xuất dược phẩm và nguyên liệu dược liệu: Tham khảo để phát triển công nghệ chiết xuất acid shikimic thân thiện môi trường, nâng cao hiệu quả sản xuất oseltamivir và các sản phẩm liên quan.

  3. Cơ quan quản lý và phát triển dược liệu: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách phát triển nguồn nguyên liệu Đại hồi, thúc đẩy khai thác bền vững và nâng cao giá trị kinh tế.

  4. Các tổ chức nghiên cứu và phát triển công nghệ sinh học: Áp dụng quy trình trao đổi ion trong nghiên cứu phân lập các hợp chất tự nhiên khác, mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực dược liệu và hóa dược.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn nhựa trao đổi ion Diaion SA12A để phân lập acid shikimic?
    Diaion SA12A có dung lượng hấp phụ acid shikimic cao nhất (215,6 mg/g), hiệu suất phản hấp phụ đạt 97,5% với dung dịch NaCl 0,9M, và khả năng tái sử dụng tốt qua nhiều chu kỳ, giúp tối ưu hiệu quả và chi phí.

  2. Quy trình phân lập acid shikimic có thân thiện môi trường không?
    Quy trình sử dụng dung dịch nước và dung dịch muối NaCl thay vì dung môi hữu cơ độc hại, giảm thiểu ô nhiễm và nguy cơ cho người vận hành, phù hợp với xu hướng sản xuất xanh.

  3. Nhiệt độ ảnh hưởng thế nào đến quá trình hấp phụ acid shikimic?
    Nhiệt độ từ 25ºC đến 35ºC chỉ làm thay đổi dung lượng hấp phụ khoảng 1-3%, cho phép tiến hành quy trình ở nhiệt độ phòng để tiết kiệm năng lượng mà không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất.

  4. Có thể tái sử dụng nhựa trao đổi ion bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy nhựa Diaion SA12A vẫn duy trì hiệu suất hấp phụ và phản hấp phụ trên 90% sau 3 chu kỳ sử dụng, cho thấy khả năng tái sử dụng hiệu quả và kinh tế.

  5. Hàm lượng acid shikimic trong Đại hồi là bao nhiêu?
    Hàm lượng acid shikimic trong quả Đại hồi được xác định là 6,3% ± 0,1%, phù hợp với các báo cáo quốc tế, khẳng định Đại hồi là nguồn nguyên liệu giàu acid shikimic.

Kết luận

  • Đã xác định được nhựa trao đổi ion Diaion SA12A là loại nhựa anionit phù hợp nhất để phân lập acid shikimic từ dịch chiết nước Đại hồi với dung lượng hấp phụ cao (215,6 mg/g) và hiệu suất phản hấp phụ đạt 97,5% khi sử dụng dung dịch NaCl 0,9M.
  • Quy trình hấp phụ và phản hấp phụ acid shikimic có thể thực hiện ở nhiệt độ phòng, đơn giản hóa công nghệ và tiết kiệm năng lượng.
  • Nhựa Diaion SA12A có khả năng tái sử dụng hiệu quả qua ít nhất 3 chu kỳ với hiệu suất trên 90%, góp phần giảm chi phí sản xuất.
  • Hàm lượng acid shikimic trong Đại hồi đạt 6,3% ± 0,1%, khẳng định tiềm năng nguyên liệu cho sản xuất dược phẩm.
  • Đề xuất áp dụng quy trình phân lập acid shikimic bằng nhựa trao đổi ion Diaion SA12A trong sản xuất công nghiệp, đồng thời nghiên cứu mở rộng và cải tiến công nghệ để nâng cao hiệu quả và tính bền vững.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các doanh nghiệp và viện nghiên cứu triển khai quy trình trên quy mô pilot, đồng thời đào tạo nhân lực và phát triển công nghệ để đáp ứng nhu cầu nguyên liệu dược phẩm trong nước và xuất khẩu.