Dung môi dùng để chiết xuất thực vật bằng siêu âm

• Chiết xuất bằng siêu âm có nhiều ưu điểm như hiệu suất chiết cao, tốc độ chiết nhanh, thân thiện với môi trường và tiêu thụ ít năng lượng.
• Một trong những lợi ích lớn nhất là sử dụng nước làm môi trường chiết. Tuy nhiên, có thể sử dụng siêu âm với nhiều hệ dung môi khác nhau để mang lại kết quả vượt trội cho dịch chiết mục tiêu.
• Dung môi tối ưu để chiết xuất các chất có hoạt tính sinh học từ thực vật bằng siêu âm được lựa chọn dựa trên nguyên liệu.

Chiết xuất bằng siêu âm

Siêu âm được biết đến rộng rãi với khả năng phá vỡ cấu trúc tế bào và cải thiện quá trình truyền khối, nhờ đó tăng khả năng chiết xuất các hợp chất sinh học (ví dụ: các hợp chất phenolic, carotenoid).
Do các tác động cơ học của siêu âm tăng cường đáng kể quá trình chiết xuất nhờ cải thiện sự truyền khối, việc sử dụng dung môi hữu cơ thường không cần thiết. Điều này có nghĩa là trong chiết xuất bằng siêu âm, nước thường đã đủ để làm môi trường chiết, với nhiều lợi ích như giá thành thấp, không nguy hại, dễ tìm và thân thiện với môi trường.
Tuy nhiên, đối với một số hợp chất có hoạt tính sinh học cụ thể, có thể đạt được kết quả tốt nhất bằng cách kết hợp chiết xuất bằng siêu âm với một dung môi dễ bay hơi.
Để chọn dung môi phù hợp, cần xem xét nguyên liệu (ví dụ: nguyên liệu thực vật tươi hoặc khô, đã ngâm dầm/nghiền hoặc ở dạng bột) và các chất mục tiêu (ví dụ: chất ưa lipid, chất ưa nước).
 

Bảng dưới đây liệt kê một số dung môi chiết đã được sử dụng rộng rãi và được dùng để chiết xuất nguyên liệu thực vật bằng siêu âm.

Sóng siêu âm mạnh phá vỡ nền cấu trúc tế bào của các cấu trúc sinh học và giải phóng các hợp chất có hoạt tính sinh học. Quá trình truyền khối giữa nguyên liệu thực vật và dung môi được tăng cường. Nhờ các cơ chế này, chiết xuất bằng siêu âm đạt hiệu quả rất cao trong chiết xuất thực vật.

Thiết bị siêu âm dùng cho chiết xuất

Từ thiết bị siêu âm dùng trong phòng thí nghiệm và để bàn cho đến hệ thống chiết xuất siêu âm quy mô công nghiệp hoàn chỉnh – Hielscher Ultrasonics là đối tác giàu kinh nghiệm lâu năm của bạn trong lĩnh vực thiết bị siêu âm mạnh mẽ và đáng tin cậy, giúp thực hiện thành công các quy trình chiết xuất.
Các hệ thống siêu âm của chúng tôi được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm hóa sinh và nhà máy sản xuất dược phẩm. Các đầu dò siêu âm và thiết bị phản ứng có thể được tiệt trùng bằng nồi hấp và đáp ứng các tiêu chuẩn sản xuất dược phẩm.

Các thiết bị siêu âm công nghiệp của Hielscher có thể tạo ra biên độ rất cao để phá vỡ chất nền tế bào và giải phóng các chất mục tiêu. Có thể dễ dàng duy trì biên độ lên đến 200µm liên tục khi vận hành 24/7. Công suất và độ bền của các thiết bị siêu âm Hielscher đảm bảo hiệu suất thu hồi cao, tốc độ chiết xuất nhanh và chiết xuất triệt để hơn – vượt trội so với các quy trình chiết xuất thông thường.
Các thiết bị xử lý siêu âm của chúng tôi có thể kết hợp với các phương pháp chiết xuất thông thường như chiết xuất Soxhlet hoặc chiết xuất bằng CO2 siêu tới hạn. Có thể dễ dàng lắp bổ sung vào các dây chuyền sản xuất hiện có.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• Dent M., Dragović-Uzelac V., Elez Garofulić I., Bosiljkov T., Ježek D., Brnčić M. (2015): Comparison of Conventional and Ultrasound Assisted Extraction Techniques on Mass Fraction of Phenolic Compounds from sage (Salvia officinalis L.). Chem. Biochem. Eng. Q. 29(3), 2015. 475–484.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Dogan Kubra, P.K. Akman, F. Tornuk(2019): Improvement of Bioavailability of Sage and Mint by Ultrasonic Extraction. International Journal of Life Sciences and Biotechnology, 2019. 2(2): p.122- 135.

Những điều đáng biết

Chiết xuất bằng siêu âm nhờ hiện tượng xâm thực

Sóng siêu âm cường độ cao tạo ra hiện tượng xâm thực âm trong chất lỏng. Các lực cắt do xâm thực phá vỡ thành tế bào và màng tế bào, nhờ đó giải phóng vật chất nội bào. Chiết xuất bằng siêu âm giúp dung môi thâm nhập sâu hơn vào mô thực vật và cải thiện quá trình truyền khối. Nhờ đó, chiết xuất bằng siêu âm tăng cường đáng kể quá trình chiết xuất, mang lại hiệu suất thu hồi cao hơn, tốc độ chiết xuất nhanh hơn và chiết xuất triệt để hơn.

Các hệ dung môi

Có nhiều hệ dung môi khác nhau để chiết xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học từ nguyên liệu thực vật. Để chiết xuất các hợp chất ưa nước, người ta chủ yếu chọn các dung môi phân cực như methanol, ethanol hoặc ethyl acetat, trong khi để chiết xuất các hợp chất ưa lipid (ví dụ: lipid), các hệ dung môi như dichloromethan hoặc dichloromethan/methanol (v/v 1:1) được ưu tiên sử dụng. Hexan thường được dùng làm dung môi để chiết xuất diệp lục.

Hợp chất có hoạt tính sinh học là gì?

Các hợp chất có hoạt tính sinh học hay các chất hóa học thực vật được định nghĩa là những chất có tác động đến sinh vật sống, mô hoặc tế bào. Các chất có hoạt tính sinh học bao gồm kháng sinh, enzym và vitamin. Các chất có hoạt tính sinh học như carotenoid và polyphenol có thể được chiết xuất từ các nguồn như trái cây, lá và rau, trong khi phytosterol có trong dầu thực vật.
Các hợp chất có hoạt tính sinh học có nguồn gốc thực vật bao gồm flavonoid, caffein, carotenoid, cholin, dithiolthion, phytosterol, polysaccharid, phytoestrogen, glucosinolat, polyphenol và anthocyanin. Nhiều chất có hoạt tính sinh học được đánh giá cao nhờ tác dụng chống oxy hóa và vì vậy được xem là có lợi cho sức khỏe.

Làm thế nào để chọn dung môi chiết xuất tốt nhất?

Các hướng dẫn dưới đây giúp bạn chọn dung môi phù hợp để chiết xuất thực vật bằng siêu âm. Vì xử lý siêu âm tương thích với mọi dung môi tiêu chuẩn, bạn có thể chọn dung môi lý tưởng nhất xét theo nguyên liệu thực vật, các chất hóa học thực vật mục tiêu và hiệu quả chi phí.

• Tính chọn lọc: Chọn dung môi hòa tan chọn lọc các hợp chất mong muốn trong khi để lại các thành phần không mong muốn. Ví dụ, sử dụng ethanol cho các hợp chất phân cực như alkaloid và flavonoid.
• Độ hòa tan: Dựa trên nguyên tắc “chất tương đồng hòa tan chất tương đồng”, hãy chọn dung môi có độ phân cực tương tự chất tan. Các dung môi phân cực (ví dụ: nước, ethanol) hòa tan các hợp chất phân cực, trong khi các dung môi không phân cực (ví dụ: hexan) hòa tan các hợp chất không phân cực như lipid và dầu.
• Chi phí: Cân nhắc hiệu quả chi phí của dung môi. Một số dung môi có thể đắt hơn nhưng mang lại hiệu suất thu hồi cao hơn hoặc tính chọn lọc tốt hơn, giúp cân đối tổng chi phí chiết xuất.
• An toàn: Đảm bảo dung môi an toàn khi sử dụng và thao tác. Các yếu tố cần xem xét bao gồm độc tính, khả năng cháy và tác động đến môi trường. Ví dụ, nước và ethanol là những lựa chọn an toàn hơn so với chloroform hoặc toluen.

Độ phân cực và lựa chọn dung môi
Theo quy luật tương đồng và khả năng hòa tan lẫn nhau, các dung môi có độ phân cực gần với độ phân cực của chất tan có khả năng mang lại hiệu quả tốt hơn. Dưới đây là một số ví dụ:

• Dung môi phân cực: Nước, ethanol, methanol – Được sử dụng để chiết xuất các hợp chất phân cực như alkaloid, flavonoid, glycoside và protein.
• Dung môi phân cực trung bình: Aceton, ethyl acetat, isopropanol – Thích hợp để chiết xuất nhiều loại hợp chất, bao gồm các hợp chất phenolic và một số alkaloid.
• Dung môi không phân cực: Hexan, toluen, ether dầu mỏ – Lý tưởng để chiết xuất các hợp chất không phân cực như lipid, sáp, terpen và tinh dầu.

Ví dụ về việc sử dụng dung môi

• Ethanol: Một trong những dung môi phổ biến nhất để chiết xuất thực vật. Là một dung môi phân cực, ethanol hòa tan các hợp chất phân cực như alkaloid và flavonoid.
• Nước: Dung môi vạn năng, thường được sử dụng để chiết xuất các hợp chất ưa nước như polysaccharide, protein và một số glycoside.
• Methanol: Một dung môi phân cực mạnh, có hiệu quả trong việc chiết xuất nhiều loại hợp chất thực vật, bao gồm các hợp chất phenolic, flavonoid và một số alkaloid.
• Hexan: Một dung môi không phân cực, chủ yếu được sử dụng để chiết xuất các hợp chất không phân cực như lipid, sáp và tinh dầu.
• Aceton: Là một dung môi phân cực không proton, aceton có hiệu quả trong việc chiết xuất nhiều loại hợp chất thực vật, đặc biệt là những hợp chất có độ phân cực thấp hơn các hợp chất được chiết xuất bằng nước hoặc methanol.
• Isopropanol: Một dung môi phân cực tương tự ethanol, thường được sử dụng để chiết xuất tinh dầu, nhựa và một số alkaloid.
• Chloroform: Một dung môi không phân cực, có hiệu quả trong việc chiết xuất alkaloid, terpenoid và một số glycoside. Dung môi này ít được sử dụng hơn do độc tính của nó.
• Ethyl acetat: Một dung môi phân cực trung bình, được sử dụng để chiết xuất nhiều loại hợp chất, bao gồm flavonoid, alkaloid và các hợp chất phenolic.
• Toluen: Một dung môi không phân cực, được sử dụng để chiết xuất các hợp chất không phân cực như tinh dầu, terpen và sáp.
• Butanol: Một dung môi phân cực trung bình, có hiệu quả trong việc chiết xuất các hợp chất có độ phân cực trung bình, bao gồm một số glycoside và saponin.
• Ether dầu mỏ: Một dung môi không phân cực, chủ yếu được sử dụng để chiết xuất chất béo, dầu và các hợp chất không phân cực khác từ nguyên liệu thực vật.

Các dung môi sau đây đã được thử nghiệm trong các nghiên cứu khảo sát việc chiết xuất bằng siêu âm từ những nguyên liệu thực vật và các hợp chất hóa thực vật cụ thể.

Dung môi hữu cơ là gì?

Dung môi hữu cơ là một loại hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC). VOC là các hóa chất hữu cơ bay hơi ở nhiệt độ phòng.
Các hợp chất hữu cơ được sử dụng làm dung môi bao gồm:

• các hợp chất thơm, ví dụ benzen và toluen
• các alcohol, ví dụ methanol
• các ester và ether
• các keton, ví dụ aceton
• các amin
• các hydrocarbon nitro hóa và halogen hóa

Nhiều dung môi hữu cơ được phân loại là độc hại hoặc gây ung thư. Nếu thao tác không đúng cách, chúng có thể gây nguy hiểm cho con người và làm ô nhiễm không khí, nước và đất. Nhờ cơ chế mạnh mẽ của quá trình chiết xuất bằng siêu âm, có thể tránh sử dụng dung môi hữu cơ bằng cách thay thế chúng bằng các dung môi dịu nhẹ hơn, không độc hại.