MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ  CHIẾT XUẤT DƯỢC LIỆU(tiếp)

1.1. Quá trình thẩm thấu

Khái niệm: Quá trình thẩm thấu là quá trình khuếch tán giữa hai pha lỏng đi qua một màng có tính chất bán thấm, có nghĩa là màng đó chỉ cho dung môi đi qua mà không cho chất tan đi qua. Màng đó gọi là màng bán thấm. Do áp lực thẩm thấu của các phân tử chất tan, dung môi sẽ được thấm từ pha lỏng có nồng độ chất tan thấp hơn sang pha lỏng có nồng độ cao hơn, cho đến khi áp lực thủy tĩnh cân bằng với áp lực thẩm thấu.

Ứng dụng: trong tế bào dược liệu chất nguyên sinh có tính chất bán thấm, vì vậy khi dược liệu còn tươi, do tác dụng của chất nguyên sinh mà chỉ có dung môi được thấm vào tế bào làm cho dược liệu bị trương nở, còn chất tan trong tế bào thì không khuếch tán ra ngoài được. Do đó, trong chiết xuất, người ta phải tìm cách phá hủy chất nguyên sinh bằng nhiệt hoặc bằng cồn để thực hiện quá trình chiết xuất

1.2. Quá trình thẩm tích

Khái niệm: quá trình thẩm tích là quá trình khuếch tán giữa hai pha lỏng qua một màng có tính chất thẩm tích, có nghĩa là màng đó không chỉ cho dung môi đi qua mà còn cho cả chất tan đi qua, nhưng chỉ cho qua những chất có phân tử nhỏ.

Ứng dụng: màng tế bào dược liệu có tính chất của một màng thẩm tích, do đó khi chiết xuất nếu màng tế bào còn nguyên vẹn thì chỉ có chất tan là phân tử nhỏ và ion (phẩn lớn là hoạt chất) khuếch tan qua màng tế bào; còn các chất có phân tử lớn (thường là chất keo, chất tạp,…) thì không qua được màng tế bào nên không bị chiết vào dịch chiết. Như vậy, có thể coi màng tế bào như một màng lọc có tính chọn lọc. Đây chính là ưu điểm của màng tế bào đối với quá trình chiết xuất. Do đó, trong quá trình chiết xuất, không nên xay dược liệu quá mịn; vì khi đó màng tế bào bị phá vỡ, tính chọn lọc của màng tế bào không còn, dịch chiết sẽ lẫn nhiều tạp, gây khó khăn cho quá trình tinh chế.

2.        Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết xuất dược liệu

2.1. Những yếu tố thuộc về thành phần, cấu tạo của dược liệu

2.1.1.    Màng tế bào dược liệu

Màng tế bào dược liệu có ảnh hưởng nhiều đến quá trình khuếch tán. Khi còn sống, đó là nơi xảy ra quá trình trao đổi chất có tính chọn lọc. Khi chết, đó là nơi xảy ra các hiện tượng khuếch tán, thẩm thấu, thẩm tích,… Màng tế bào có cấu tạo không ổn định, có thể bị thay đổi tính chất vật lý và thành phần hóa học để đáp ứng với những chức phận sinh lý đặc biệt mà nó đảm nhiệm (hóa gỗ, hóa khoáng, phủ sáp,…). Những sự thay đổi này có thể xảy ra từng phần hoặc toàn phần ở màng tế bào và thường thay đổi nhiều ở thực vật đã già.

Đối với thực vật còn non hay mỏng mềm như cỏ cây, hoa lá, thành phần của màng tế bào chủ yếu là cellulose. Cellulose có tính chất không tan trong nước và không tan trong các dung môi khác, bền vững ở nhiệt độ cao, có tính mềm dẻo đàn hồi. Đối với dược liệu loại này, dung môi dễ thấm vào dược liệu, do đó chỉ cần xay thô dược liệu. Nếu xay mịn, dễ khéo theo nhiều tạp vào dịch chiết.

Đối với dược liệu đã già, rắn chắc như hạt, gỗ, rễ, vỏ thân… thì màng tế bào trở nên dày và có thể xảy ra những biến đổi sau:

Màng tế bào có thể bị hóa bần, hóa cutin, hoặc có thể bị phủ thêm một lớp sáp,… đó là những chất có bản chất lipid, có tính chất không thấm nước và khí, do đó dung môi khó thấm vào dược liệu.

Màng tế bào có thể bị hóa gỗ, hóa khoáng, bị phủ thêm lớp dioxyd silic hoặc calci carbonat, màng tế bào trở nên dày, rắn chắc, nên dung môi khó thấm vào dược liệu.

Màng tế bào có thể bị phủ thêm lớp chất nhầy. Chất nhầy tan được trong nước, nhưng khi hút nước nó bị trương nở và trở nên nhớt, làm bít kín các ống mao quản trên màng tế bào, gây cản trở sự thấm của dung môi, cản trở quá trình khuếch tán.

Do đó, với những dược liệu đã già, rắn chắc nên xay nhỏ dược liệu, tạo điều kiện cho dung môi dễ thấm ướt dược liệu, chất tan dễ khuếch tán vào dung môi.

2.1.2.    Chất nguyên sinh

Chất nguyên sinh có thành phần hóa học rất phức tạp và không ổn định. Chất nguyên sinh có tính nhớt, tính đàn hồi, không tan trong nước, không màu và không bền đối với nhiệt. Ở nhiệt độ 50 – 60^oC, chúng bị mất hoạt tính sinh học (trừ trường hợp những hạt khô, quả khô, chất nguyên sinh có thể chịu được tới 80-105^oC). Có thể nói chất nguyên sinh là một môi trường dị thể phức tạp, có thể coi đó là một hệ keo nhiều pha, tạo thành từ những hợp chất cao phân tử, phân tán trong môi trường nước (ví dụ: giọt dầu, giọt mỡ, hạt tinh bột, hạt tinh thể…)

Chất nguyên sinh có tính chất bán thấm, có nghĩa là chỉ thấm đối với dung môi mà không cho chất tan đi qua. Do đó, để chiết được các chất tan trong tế bào, người ta phải tìm cách phá hủy chất nguyên sinh bằng cách làm đông vón chúng bằng nhiệt (sấy hoặc phơi khô) hoặc bằng cồn (hơi hoặc cồn nóng).

2.1.3.     Một số tạp chất có thể có trong dược liệu

Đó là sản phẩm của các quá trình trao đổi chất, là chất dự trữ hoặc chất thải của cây. Các chất này thường gây cản trở hoặc cũng có khi có tác dụng thuận lợi cho quá trình chiết xuất. Dưới đây là một số ví dụ:

Đối với những dược liệu chứa nhiều pectin, gôm hoặc chất nhầy:

Đó là những chất tan được trong nước, và khi tan trong nước thì bị trương nở, tạo dung dịch keo, làm tăng độ nhớt, gây cản trở cho quá trình chiết xuất. Có thể loại các chất này bằng cách cho kết tử trong cồn cao độ.

Đối với những dược liệu chứa nhiều tinh bột

Tinh bột có tính chất không tan trong nước lạnh, nhưng ở nhiệt độ cao tinh bột bị hồ hóa, làm tăng độ nhớt của dung dịch, gây cản trở cho quá trình chiết xuất. Do đó, đối với những dược liệu này, không nên xay dược liệu quá mịn, tránh giải phóng ra nhiều tinh bột và không nên chiết ở nhiệt độ cao để tránh bị hồ hóa.

Đối với những dược liệu chứa chất béo, dầu mỡ, tinh dầu, sáp, nhựa

Đó là những chất không tan trong nước và thường tan trong các dung môi không phân cực. Nếu dùng dung môi chiết là nước, các chất này sẽ làm dung môi khó thấm vào dược liệu, gây cản trở quá trình chiết xuất, do đó, cần phải loại đi bằng các dung môi thích hợp trước khi chiết. Nếu dùng dung môi không phân cực để chiết, dịch chiết sẽ lẫn nhiều tạp, những tạp này sẽ bị loại đi trong giai đoạn tinh chế.

Đối với những dược liệu chứa enzym

Enzym có bản chất là protein, ở nhiệt độ 60-70^oC, enzym bị mất hoạt tính, còn ở nhiệt độ lạnh enzym chỉ bị ngừng hoạt động, sau đó nếu nâng đến nhiệt độ thích hợp thì enzym lại được phục hồi. Tùy từng trường hợp cụ thể mà enzym có thể gây cản trở hoặc cũng có khi lại tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chiết xuất. Ví dụ: glycosid trong cây bao gồm hai phần là đường và phần không đường. Dưới tác dụng của enzym vốn có sẵn trong dược liệu, gặp điều kiện thuận lợi (ấm, ẩm), glycosid khỏi bị thủy phân.

Có 3 phương pháp để diệt enzym:

+     Phương pháp nhiệt ướt: nhúng dược liệu vào chất lỏng sôi (nước hoặc cồn)

+     Phương pháp nhiệt ẩm: cho dược liệu qua hơi ẩm (hơi nước sôi hay hơi cồn sôi)

+     Phương pháp nhiệt khô: cho dược liệu qua luồng không khí nóng

2.2. Những yếu tố thuộc về dung môi

Một số yếu tố của dung môi có ảnh hưởng tới quá trình chiết xuất là độ phân cực, độ nhớt, sức căng bề mặt

2.2.1.    Độ phân cực của dung môi

Nói chung dung môi ít phân cực thì dễ hòa tan các chất không phân cực và khó hòa tan các chất có nhiều nhóm phân cực. Ngược lại, dung môi phân cực mạnh thì dễ hòa tan các chất có nhiều nhóm phân cực và khó hòa tan các chất ít phân cực.

Dựa vào độ phân cực của dung môi người ta phân loại như sau:

+     Dung môi không phân cực: ether dầu hỏa, xăng, hexan, heptan, benzen, toluen,..

+     Dung môi phân cực yếu và vừa: cloroform, diclorethan, aceton,…

+     Dung môi phân cực mạnh: nước, glycerin, cồn…

2.2.2.    Độ nhớt, sức căng bề mặt của dung môi

Nói chung, dung môi có độ nhớt càng thấp hoặc có sức căng bề mặt càng nhỏ thì dung môi càng dễ thấm vào dược liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chiết xuất và ngược lại.

Một số độ nhớt của các dung môi thường gặp:

 

2.3. Những yếu tố thuộc về kỹ thuật

Đó là những yếu tố có thể thay đổi được bằng các biện pháp kỹ thuật khác nhau, nhằm tạo ra những điều kiện thuận lợi cho quá trình chiết xuất. Đó có thể là những yếu tố: nhiệt độ, thời gian, độ mịn của dược liệu, khuấy trộn, siêu âm…

2.3.1.    Nhiệt độ chiết xuất

Theo công thức tính hệ số khuếch tán của Einstein, khi nhiệt độ tăng thì hệ số khuếch tán cũng tăng, do đó, theo định luật Fick, lượng chất khuếch tán cũng tăng lên. Hơn nữa, khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt của dung môi giảm, do đó sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chiết xuất trong một số trường hợp sau:

+     Đối với những hợp chất kém bền ở nhiệt độ cao: nhiệt độ tăng cao sẽ gây phá hủy một số hoạt chất như vitamin, glycosid, alcaloid…

+     Đối với tạp: khi nhiệt độ tăng, không chỉ độ tan của hoạt chất tăng mà độ tan của tạp cũng đồng thời tăng theo, dịch chiết sẽ bị lẫn nhiều tạp. Nhất là đối với một số tạp như gôm, chất nhầy,… khi nhiệt độ tăng sẽ bị trương nở; tinh bột bị hồ hóa, độ nhớt của dịch chiết sẽ bị tăng, gây khó khăn cho quá trình chiết xuất, tinh chế.

+     Đối với dung môi dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp: khi tăng nhiệt độ thì dung môi dễ bị hao hụt, khi đó thiết bị phải kín và phải có bộ phận hồi lưu dung môi.

+     Đối với một số chất đặc biệt có quá trình hòa tan tỏa nhiệt: khi nhiệt độ tăng, độ tan của chúng lại giảm. Do đó, để tăng độ tan thì cần phải làm giảm nhiệt độ.

+     Từ những phân tích trên, ta thấy tùy từng trường hợp cụ thể mà cần lựa chọn nhiệt độ sao cho phù hợp (tùy thuộc vào các yếu tố như dược liệu, dung môi, phương pháp chiết xuất…)

2.3.2.    Thời gian chiết xuất

Khi bắt đầu chiết, các chất có phân tử lượng nhỏ (thường là hoạt chất) sẽ được hòa tan và khuếch tán vào dung môi trước, sau đó mới đến các chất có phân tử lượng lớn (thường là tạp như nhựa, keo,…). Do đó, nếu thời gian chiết ngắn sẽ không chiết được hết hoạt chất trong dược liệu; nhưng nếu thời gian chiết dài quá, dịch chiết sẽ bị lẫn nhiều tạp, gây bất lợi cho quá trình tinh chế và bảo quản. Tóm lại, cần phải lựa chọn thời gian chiết xuất sao cho phù hợp với thành phần dược liệu, dung môi, phương pháp chiết xuất…

2.3.3.     Độ mịn của dược liệu

Khi kích thước dược liệu thô quá, dung môi sẽ khó thấm ướt dược liệu, hoạt chất khó được chiết vào dung môi. Khi độ mịn dược liệu tăng lên, bề mặt tiếp xúc giữa dược liệu và dung môi tăng lên; theo định luật Fick, lượng chất khuếch tán vào dung môi tăng lên, do đó thời gian chiết xuất sẽ nhanh hơn.

Tuy nhiên, trong thực tế, nếu xay dược liệu quá mịn sẽ gây ra một số quá trình bất lợi cho quá trình chiết xuất như sau:

+     Khi ngâm dược liệu vào dung môi, bột dược liệu bị dính bết vào nhau, tạo thành dạng bột nhão, vón cục. Do đó, sẽ khó khuấy trộn giữa dược liệu và dung môi, quá trình chiết xuất xảy ra bị chậm lại. Mặt khác, vì bột dược liệu bị dính bết vào nhau nên khi rút dịch chiets, dịch chiết bị chảy chậm hoặc không chảy được (gọi là hiện tượng tắc thiết bị)

+     Khi bột dược liệu quá mịn, nhiều tế bào thực vật bị phá hủy, dịch chiết bị lẫn nhiều tạp; gây khó khăn cho quá trình tinh chế, bảo quản.

Vì vậy, vần lựa chọn độ mịn của dược liệu sao cho thích hợp, tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể, tùy thuộc vào dược liệu, dung môi, phương pháp chiết xuất,…

2.3.4.     Khuấy trộn

Khi dung môi tiếp xúc với dược liệu, dung môi sẽ thấm vào dược liệu, hòa tan chất tan, chất tan sẽ khuếch tán từ dược liệu vào dung môi qua màng tế bào. Sau một thời gian khuếch tán, nồng độ chất tan trong tế bào giảm dần, nồng độ chất tan trong lớp dung môi tăng dần, chênh lệch nồng độ giữa trong và ngoài tế bào giảm dần, tốc độ quá trình khuếch tán cũng giảm dần, đến một lúc nào đó sẽ xảy ra quá trình  cân bằng động giữa hai pha. Như vậy, nếu không có khuấy trộn, quá trình khuếch tán sẽ xảy ra rất chậm. Theo định luật Fick, chênh lệch nồng độ giữa hai pha là động lực của quá trình khuếch tán. Do đó, muốn tăng cường quá trình khuếch tán, cần phải tạo ra chênh lệch nồng độ bằng cách di chuyển lớp dịch chiết ở phía sát màng tế bào (nơi có nồng độ cao hơn) ra phía xa hơn và di chuyển lớp dung môi ở phía xa (nơi có nồng độ thấp hơn) đến sát màng tế bào. Điều này được thực hiện bằng cách khuấy trộn. Như vậy, bằng cách khuấy trộn, người ta đã tăng cường được tốc độ khuếch tán.

Tùy từng trường hợp cụ thể mà người ta chọn loại cấu tạo cánh khuấy và tốc độ khuấy sao cho phù hợp. Ví dụ:

+     Nếu dược liệu là hoa lá mỏng manh, chỉ cần chọn tốc độ khuấy nhỏ, không nên khuấy mạnh để tránh cho dược liệu khỏi bị dập nát gẫy vụn, tránh đưa nhiều tạp vào dịch chiết.

+     Nếu dược liệu cứng nhắc như hạt, rễ, thân, gỗ… cần phải chọn loại cánh khuấy khỏe, tốc độ khuấy mạnh.

2.3.5.     Siêu âm

Năng lượng của siêu âm có tác dụng làm tăng mạnh tính thẩm thấu và khuếch tán nhờ những tác dụng của siêu âm như sau:

+     Làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai pha bằng cách phân tán chúng thành những hạt nhỏ.

+     Phá vỡ một phần màng tế bào

+     Tăng cường sự xáo trộn của hỗn hợp

+     Có tác dụng làm nóng tại chỗ.

Phương pháp siêu âm có nhiều ưu điểm làm tăng cường quá trình chiết xuất. Tuy nhiên, phương pháp này mới chỉ được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm mà chưa được áp dụng trong sản xuất.

Ngoài những yếu tố kể trên, còn nhiều yếu tố khác cũng gây ảnh hưởng đến quá trình chiết xuất. Ví dụ: áp suất, pH môi trường, chấn động cơ học, dòng điện cao áp,…