Kết tủa siêu hạt curcumin bằng siêu âm
- Vì nghệ chỉ chứa 2–9 wt% curcuminoid, cần có kỹ thuật chiết xuất hoặc tổng hợp hiệu quả để thu được bột có hoạt tính dược lý mạnh.
- Kết tủa bằng chất phản dung môi có hỗ trợ siêu âm là một phương pháp có hiệu quả cao để tổng hợp các hạt curcumin.
- Quá trình kết tủa bằng chất phản dung môi có hỗ trợ siêu âm có thể dễ dàng mở rộng quy mô để sản xuất lượng lớn curcumin chất lượng cao.
Curcumin
Curcumin, một polyphenol, là dược chất ít tan trong nước có trong nghệ, một loại gia vị thảo mộc (Curcuma longa). Chất này chứa các chất chống oxy hóa có hoạt tính rất mạnh và được biết đến với các đặc tính chống viêm, chống ung thư, chống nấm và kháng vi sinh vật. Đặc biệt, nhờ phổ hoạt tính rộng trong dự phòng và điều trị bằng hóa chất, curcumin được ưu tiên sử dụng làm hợp chất dược liệu.
Là một chất chống oxy hóa mạnh, curcumin làm tăng hoạt tính trong huyết thanh của các chất chống oxy hóa như superoxide dismutase (SOD), đồng thời loại bỏ và trung hòa các gốc tự do như các dạng oxy và nitơ hoạt tính (ROS và RNS). Hơn nữa, curcumin tăng cường hoạt tính của các enzyme chống oxy hóa nội sinh của cơ thể. Curcumin cũng được biết đến với khả năng làm giảm bệnh tim và cải thiện chức năng não. Nhờ những đặc tính dược lý có lợi đa dạng này, curcumin được sử dụng rộng rãi làm gia vị, thực phẩm bổ sung và thuốc.
Kết tủa bằng chất phản dung môi lỏng có hỗ trợ siêu âm
Kết tủa bằng chất phản dung môi lỏng (LAS) có hỗ trợ siêu âm là một kỹ thuật tổng hợp đơn giản và nhanh chóng trong một bình phản ứng để tạo ra các hạt nano curcumin có siêu cấu trúc trực thoi. Kết tủa bằng chất phản dung môi có hỗ trợ siêu âm là một quy trình đơn giản, nhanh chóng và có thể mở rộng quy mô, cho phép kết tủa curcumin chất lượng cao trong ngành dược phẩm và thực phẩm.
Cơ chế giả thuyết về sự hình thành siêu hạt curcumin khi không có và có siêu âm, không sử dụng chất ổn định. Hình ảnh © 2014 Thorat và cộng sự.
Quy trình kết tủa bằng siêu âm:
Để kết tủa các hạt curcumin bằng siêu âm, dung dịch hữu cơ của curcumin trong ethanol (5 mg/mL) được thêm vào 100mL nước có chứa chất hoạt động bề mặt (0,02 wt% trong nước) hoặc không chứa chất hoạt động bề mặt. Bình thủy tinh có áo điều nhiệt với thể tích khoảng 500mL, đường kính 7cm và tỷ lệ L/D là 1,7 được sử dụng làm bình phản ứng. Nhiệt độ hỗn hợp được duy trì liên tục ở 1ºC. Trong quá trình kết tủa bằng siêu âm, đầu siêu âm của máy đồng nhất siêu âm như UP200Ht hoặc UP200St được trang bị đầu siêu âm S26d14 được nhúng vào hỗn hợp dung môi–chất phản dung môi. Với cài đặt biên độ 100% và thời gian xử lý siêu âm 10 phút, hỗn hợp được phân tán.
Thời gian xử lý siêu âm cho phép điều chỉnh tính đa hình của tinh thể curcumin. Khi kéo dài thời gian xử lý siêu âm, tỷ lệ hạt trực thoi tăng lên. Điều này cho thấy việc tăng năng lượng siêu âm tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành dạng trực thoi hơn dạng đơn tà, bất kể chất phụ gia được sử dụng.
[cf. Thorat et al. 2014]
UIP1000hdT – thiết bị xử lý siêu âm 1kW dùng để kết tủa hoạt chất dược phẩm (API)
Cải thiện sinh khả dụng bằng bao gói siêu âm
Vì curcumin là phân tử ưa lipid và ít tan trong nước (= kỵ nước), chất này có sinh khả dụng toàn thân thấp. Do đó, cần bào chế các công thức curcumin giúp tăng sinh khả dụng của nó. Để bào chế dung dịch curcumin trong nước, các chất hoạt động bề mặt, lipid, albumin, cyclodextrin, polymer sinh học, v.v. được thêm vào nhằm bao gói hoặc nạp các phân tử curcumin vào liposome, hạt nano và các chất mang thuốc khác.
Xử lý siêu âm là một kỹ thuật có hiệu quả cao và đáng tin cậy để bào chế các chất mang thuốc như liposome, hạt nano lõi–vỏ, polymer sinh học và nhũ tương kép! Dưới đây là một quy trình ví dụ về bao gói curcumin bằng siêu âm.
Quy trình bao gói curcumin bằng siêu âm:
Hạt nano axit polylactic-co-glycolic (PLGA) mang curcumin
- Đầu tiên, polymer PLGA được hòa tan trong ethyl acetate. Curcumin (15% w/w) được thêm vào và để hòa tan trong khi thỉnh thoảng trộn dung dịch bằng máy trộn vortex.
- Hỗn hợp chất rắn trong dầu được thêm vào pha nước chứa PVA (w/v) để tạo nhũ tương S-O/W. Sau đó, dung dịch dược chất/polymer trong PVA được trộn xoáy ở 8.000 rpm.
- Dung dịch thu được được xử lý siêu âm trong khoảng 300 giây ở biên độ 45% bằng máy đồng nhất siêu âm như UP200Ht hoặc UP200St (200W, 26kHz). Ngay sau khi xử lý siêu âm, nhũ tương được đổ vào pha nước (0,1% PVA trong nước; 200mL) để khuếch tán trong khi được khuấy nhanh bằng máy khuấy từ.
- Huyền phù keo này được khuấy liên tục bằng máy khuấy từ cho đến khi dung môi bay hơi hoàn toàn. Sau đó, các hạt nano được thu bằng cách ly tâm và rửa 3 lần bằng nước cất Milli Q. Cuối cùng, chúng được phân tán lại trong dung dịch bảo vệ đông lạnh (sucrose (2 %w/w) và trehalose (5% w/w)), sấy khô trên hệ thống đông khô ATR FD3.0 và có thể được bảo quản ở 4°C trong ít nhất 6 tháng.
[cf. Ranjan et al. 2012]
Thiết bị xử lý siêu âm để kết tủa và bào chế curcumin
Hielscher Ultrasonics cung cấp thiết bị siêu âm hiệu năng cao để tổng hợp các hạt nano (ví dụ: hoạt chất dược phẩm (API)) và chiết xuất các hợp chất thực vật. Dòng sản phẩm của chúng tôi bao gồm các thiết bị siêu âm tiên tiến dùng trong phòng thí nghiệm, loại để bàn và dùng trong công nghiệp, cho phép phát triển các ứng dụng từ quy mô nhỏ đến quy mô thương mại. Tất cả các kết quả thu được trong thử nghiệm ở phòng thí nghiệm và quy mô thí điểm đều có thể được mở rộng hoàn toàn theo tỷ lệ tuyến tính lên quy mô sản xuất thương mại. Tất cả các hệ thống đều được chế tạo để vận hành 24/7, có kết cấu bền chắc và dễ sử dụng.
Dòng UIPxxxxhdT bao gồm các hệ thống siêu âm cấp công nghiệp của chúng tôi, có thể được sử dụng ở quy mô để bàn, để tối ưu hóa quy trình và sản xuất công nghiệp. Các hệ thống công nghiệp của chúng tôi có các phiên bản 500W (UIP500hdT), 1000W (UIP1000hdT), 1500W (UIP1500hdT), 2000W (UIP2000hdT), 4000W (UIP4000hdT), 10.000W (UIP10000) và 16.000W (UIP16000, thiết bị siêu âm mạnh nhất thế giới). Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể vận hành liên tục 24/7 ở biên độ rất cao lên đến 200µm. Đối với các biên độ cao hơn nữa, Hielscher cung cấp các đầu dò siêu âm được tùy chỉnh. Độ bền chắc của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành đáng tin cậy suốt ngày đêm ở chế độ tải nặng và trong các môi trường khắc nghiệt.
Đối với tất cả các hệ thống siêu âm của mình, chúng tôi cung cấp nhiều loại phụ kiện như đầu dò siêu âm, bộ khuếch đại biên độ, buồng dòng chảy và thiết bị phản ứng với nhiều kích thước, hình dạng và cấu trúc hình học. Với các công cụ này, có thể dễ dàng điều chỉnh các thiết bị xử lý siêu âm của chúng tôi một cách tối ưu cho các điều kiện quy trình cần thiết.
Để kết tủa và tổng hợp từ dưới lên, Hielscher cung cấp một bộ phận chèn buồng dòng chảy độc đáo – MultiPhaseCavitator MPC48. Với MultiPhaseCavitator, pha thứ hai (chất phản dung môi) được bơm qua 48 ống kim nhỏ trực tiếp vào vùng xâm thực siêu âm, nơi pha này được trộn vào pha thứ nhất chỉ trong vài mili giây. Kết quả là các hạt nano đồng nhất được kết tủa.
Xử lý siêu âm mạnh mẽ từ quy mô phòng thí nghiệm và để bàn đến sản xuất công nghiệp.
Tài liệu/Tài liệu tham khảo
- Hewlings, S.J.; Kalman, D.S. (2017): Curcumin: Tổng quan về tác động đối với sức khỏe con người. Foods. 2017 Oct; 6(10): 92.
- Thorat, A.A.; Dalvi, S.V. (2014): Các con đường hình thành hạt và tính đa hình của curcumin do siêu âm và các chất phụ gia gây ra trong quá trình kết tủa bằng chất phản dung môi lỏng. CrystEngComm, 2014, 16, 11102–11114.
- Ranjan, A.P.; Mukerjee, A.; Helson, L.; Vishwanatha, J.K: (2012): Mở rộng quy mô, tối ưu hóa và phân tích độ ổn định của các hạt nano mang phức hợp Curcumin C3 để điều trị ung thư. Tạp chí Công nghệ nano sinh học 2012, 10:38.
Những thông tin đáng biết
Curcumin
Curcumin là một hợp chất hóa học có màu vàng được tìm thấy trong nghệ. Nghệ là cây thân thảo lâu năm có thân rễ (Curcuma longa) thuộc họ Gừng. Curcumin là một polyphenol được chiết xuất từ thân rễ và được sử dụng rộng rãi làm gia vị. Tùy thuộc vào nguồn gốc và điều kiện đất trồng, nghệ chứa 2%–9% curcuminoid. Curcumin là curcuminoid chính của nghệ (Curcuma longa, Zingiberaceae). Curcumin được sử dụng làm chất bổ sung, dược chất, phụ gia tạo hương vị và tạo màu thực phẩm cũng như thành phần mỹ phẩm.
Một dạng curcumin tinh chế, chỉ gồm ba thành phần chính sau đây – curcumin, bisdemethoxycurcumin và demethoxycurcumin – cũng được gọi là phức hợp curcumin C3. Curcumin tinh khiết có thể được tách khỏi hỗn hợp C3 gồm curcumin, bisdemethoxycurcumin và demethoxycurcumin bằng sắc ký cột.
Về đặc tính dược lý, curcumin tinh khiết, chưa biến đổi có một vấn đề lớn: Do độ tan trong nước kém và vì vậy có sinh khả dụng thấp, curcumin chưa biến đổi không thể phát huy tác dụng điều trị mà bị chuyển hóa nhanh chóng ở gan và thành ruột. Để khắc phục mức độ hấp thu thấp của curcumin, các phân tử hoạt chất được bao gói trong các chất mang nano (ví dụ: liposome, các hạt cầu nano) hoặc được nạp lên các phức hợp nano (ví dụ: hạt nano, các phức hợp của phospholipid, cyclodextrin và hệ phân tán rắn). Ngoài ra, sinh khả dụng của curcumin có thể tăng khoảng 2000% khi liều dùng curcumin được kết hợp với piperine, một chất chiết xuất từ hạt tiêu đen.
Do những yếu tố này, curcumin được bào chế ở dạng nano (nanocurcumin) là dạng bào chế được ưu tiên sử dụng của curcumin, vì curcumin ở dạng nano khắc phục được các vấn đề phân phối thuốc đã đề cập ở trên. Nanocurcumin có thể phát huy các đặc tính điều trị nhờ khả năng phân phối đến mô bệnh được cải thiện, khả năng đi vào tế bào tốt hơn và giảm thải trừ toàn thân.
Curcumin có nhiều dạng sử dụng, bao gồm bột, viên nang, viên nén, thuốc mỡ, đồ uống dinh dưỡng và kem mỹ phẩm.
Ứng dụng y học của curcumin
Curcumin đã được nghiên cứu rộng rãi về nhiều hình thức sử dụng trong y học và dinh dưỡng. Nghiên cứu đã cho thấy curcumin có hoạt tính chống oxy hóa cao, gây chết tế bào theo chương trình, ức chế sự tăng sinh, bám dính và di chuyển của tế bào, đồng thời có đặc tính chống tạo mạch và kháng vi sinh vật. Nhờ những tác dụng này, curcumin được sử dụng làm thuốc để điều trị nhiều bệnh viêm, ung thư, bệnh thoái hóa thần kinh, bệnh tim mạch cũng như bệnh tiểu đường.
Các dạng phân phối thuốc ở kích thước nano được bào chế bằng siêu âm của curcumin dùng trong điều trị y khoa bao gồm hạt nano, liposome, micelle, nhũ tương nano, phức hợp cyclodextrin, đĩa nano, sợi nano, hạt nano lipid rắn và các liên hợp curcumin. Những dạng bào chế kích thước nano này khắc phục sinh khả dụng thấp của curcumin và cho phép phân phối thuốc curcumin có hoạt lực cao một cách hiệu quả đến đích.
Cấu trúc hóa học của curcumin
Curcumin là một phân tử đối xứng, còn được gọi là diferuloyl methane. Tên IUPAC của curcumin là (1E,6E)-1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dione, với công thức hóa học C21H20O6. Tinh thể curcumin có thể xuất hiện ở các dạng khác nhau, như dạng đơn tà (hình kim), dạng trực thoi (giống hạt gạo) và dạng vô định hình.