Bài giảng các phương pháp chiết xuất hợp chất thiên nhiên

CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT
NOÄI DUNG
I. HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRONG CÂY
II. XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU
III. DUNG MÔI
IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT

GIÔÙI THIEÄU
Vào thời tiền sử, con người phải kiếm cây cỏ và động vật hoang dại
để làm thức ăn. Qua chọn lọc và thử thách, con người dần dần xác
định được thực vật, động vật nào ăn được hoặc không ăn được. Tính
chất chữa bệnh của một số thực vật, động vật dần dần được tích lũy
thành kinh nghiệm.
Thuốc phòng bệnh và trị bệnh hầu hết được điều chế từ 2 nguồn:
nguyên liệu và hóa dược. Riêng dược thảo, theo thống kê của Tổ
chức Y tế Thế giới, con số lên tới 20.000 loài, không chỉ các nước Á
Đông mà các nước phương Tây cũng tiêu thụ một lượng rất lớn
nguyên liệu. Trong những năm gần đây, xu hướng trên thế giới dùng
thuốc thảo mộc tự nhiên ngày càng nhiếu, nhiều biệt dược, Đông
dược của Trung quốc, Ấn Độ được tiêu thụ mạnh ở các nuớc châu
Âu.
Nhiều hoạt chất quan trọng như: quinin, morphin,
vincaleucoblastin, strychnin, emetin,… đều phải chiết xuất
ra từ dược liệu và chúng có thể đi bằng con đường tổng
hợp. Hiện nay, con người vẫn còn tiếp tục nghiên cứu các
hoạt chất có cấu trúc mới từ nguyên liệu thiên nhiên rồi từ
đó bán tổng hợp ra các dẫn xuất có hiệu quả hơn.
GIÔÙI THIEÄU
I. HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRONG CÂY
Dựa vào chức năng sinh học, người ta chia các hợp chất trong cây
thành 2 nhóm lớn:

- Chất trao đổi bậc 1 (chất biến dưỡng nhất cấp: primary
metabolite)
- Chất trao đổi bậc 2 (chất biến dưỡng thứ cấp: secondary
metabolite)
Chất trao đổi bậc 1 là các chất tham gia vào quá trình sinh trưởng
của cây như hydrat carbon, lipid và acid amin.
Chất trao đổi bậc 2 là các chất mà vai trò chủ yếu của chúng
không phải là để nuôi sống và phát triển của cây cỏ. Vai trò của
chúng còn nhiều vấn đề chưa hiểu biết hết, chúng có thể chỉ hiện
diện trong một loài đặc trưng hoặc một nhóm sinh vật, chúng có thể
đóng vai trò là chất gây chán ăn cho một số loài động vật như chất
dẫn dụ côn trùng; như tác nhân kháng sinh hoặc có khi không có vai
trò rõ rệt nào cả…
Trong lĩnh vực nghiên cứu, nhất là y học và nông nghiệp; các chất
trao đổi bậc 2 chính là đối tượng nghiên cứu quan trọng do các tác
dụng sinh lý và dược lý của chúng như tác dụng kháng sinh, diệt
nấm, tác dụng ức chế hoặc độc đối với tế bào; tác dụng kích thích
hoặc ức chế sinh trưởng và các tác dụng dược lý, sinh lý khác.
I. HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRONG CÂY
I. HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRONG CÂY
Về mặt phân loại hoá học, hợp chất thiên nhiên được sắp xếp
theo các nhóm chức cơ bản:
- Hydrat carbon
- Lipid và Acid béo
- Acid amin
- Acid hữu cơ
- Hợp chất phenol
- Saponin
- Glycoside
- Alcaloid

- …
I. HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRONG CÂY
Trong cây, các hợp chất hữu cơ tồn tại ở dạng hòa tan trong nước,
dầu béo hoặc tinh dầu.
Các chất hòa tan trong nước (dịch tế bào) là các hydrat carbon phân
tử bé (monosaccharid, oligosaccharid), một số polysaccharid (pectin,
gôm), các glycosid (saponin, flavonoid, iridoid…) muối alcaloid của
các acid hữu cơ, acid amin. Các hợp chất phenol hòa tan dưới dạng
glycosid (flavonoid, tanin) hoặc dạng phức hợp khác.
Các chất tan trong dầu béo và tinh dầu là các hydrocarbon,
monoperpen, sterol, carotenoid …
Dầu và tinh dầu được khu trú trong những bộ phận riêng biệt của cây
như ở hạt, vỏ, thân (tinh dầu)
I. HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRONG CÂY
Các nguyên tử mang điện tích âm có thể là: O, N, S, F, Cl… Như
vậy các nhóm như: -OH, -CO, -NO2, -NH2, -COOH, -SO2, và các
Halogen đều là những nhóm phân cực. Các phân tử càng có nhiều
nhóm phân cực thì tính phân cực càng mạnh, nhưng nếu mạch
carbon càng dài thì độ phân cực sẽ giảm.
Thí dụ: các glycosid là những chất phân cực mạnh do phần đường
của chúng có nhiều nhóm phân cực (-OH), mạch đường càng dài thì
độ phân cực càng cao. Nếu glycosid bị thủy phân cắt mất phần
đường, chỉ còn lại phần aglycon thì tính phân cực của aglycon sẽ
giảm hẳn.
I. HỢP CHẤT TỰ NHIÊN TRONG CÂY
Một yếu tố khác ảnh hưởng đến vấn đề chiết xuất là các enzym
có trong cây. Trong quá trình chế biến, nếu không khống chế
hoạt động của các enzym thì các glycosid có thể bị thủy phân
một phần hoặc toàn phần làm thay đổi tính phân cực, do đó thay
đổi độ hòa tan của các hợp chất đối với dung môi.

II. XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU
Việc lựa chọn, thu hái, xác định nguyên liệu mẫu cây cần nghiên
cứu là những giai đoạn đầu tiên cần phải tiến hành trong quá trình
khảo sát hóa thực vật.
Khi thu hái mẫu cây, cần kết hợp với nhà thực vật học để xác định
tên khoa học (vì cây thường được gọi bằng tên địa phương rất dễ
gây nhầm lẫn). Phải ghi rõ cây thu hái ở vùng nào, thời gian thu
hái, độ tuổi của cây. Phải ghi rõ người hái hoặc cơ quan giám định
cây, và cây hiện được lưu mẫu ở đâu. Khi thu hái nguyên liệu phải
chú ý loại bỏ các cây sâu bệnh. Đối với các bộ phận vỏ, thân, rễ
chú ý xem xét kỹ, tránh thu hái cây có mang những sinh vật ký
sinh. Nhiều trường hợp đã có kết luận sai về thành phần hóa học vì
cây có mang những loại nấm ký sinh.
II. XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU
Thông thường, mẫu cây sau khi thu hái về được rữa sạch, để ráo
nước, làm khô tự nhiên trong mát có quạt hoặc nơi thoáng gió.
Cây có thể được phơi khô ở nhiệt độ phòng hoặc sấy ở nhiệt độ
thấp hơn 60oC. Không được phơi dưới ánh nắng mặt trời vì tia tử
ngoại có thể kích thích phản ứng hóa học, tạo nên những chất giả
gọi là artefact, không phải là những hợp chất có thực trong cây.
Một vài trường hợp đặc biệt, người ta khảo sát trên cây tươi.
Trong trường hợp này, cây cần được nhanh chóng xắc nhỏ và
ngâm ngay trong dung môi ly trích để tránh quá trình lên men
hay phản ứng hóa học.
II. XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU
Muốn diệt những enzym có sẵn trong cây, có thể thực hiện bằng
nhiều cách:
Nhúng mẫu cây vào methanol hoặc ethanol ngay sau khi thu hái.
Đối với tinh dầu, cần phải tiến hành ly trích ngay trên mẫu cây
tươi để tránh thất thoát do tinh dầu bay hơi.

Mẫu cây cần được xay nhỏ để dung môi có thể thấm vào màng tế
bào của cây và ly trích những chất biến dưỡng thứ cấp. Nếu các
chất biến dưỡng thứ cấp trong cây cần ly trích có tính dễ bay hơi
hay kém bền nhiệt, có thể bỏ qua giai đoạn xay nghiền, vì quá
trình tán nghiền nhuyễn sẽ phát sinh ra nhiệt, làm hao hụt sản
phẩm. Đôi khi người ta dùng kỹ thuật ngâm đông lạnh mẫu cây
(mẫu khô hay mẫu tươi) trong nitơ lỏng, rồi nghiền giã cây trong
một cái cối hoặc trong một cái bao bằng polyetylen dày.
III. DUNG MÔI
Dung môi dùng để chiết xuất các hợp chất thiên nhiên rất đa dạng
và thay đổi theo đặc tính của các hợp chất biến dưỡng muốn ly
trích ra. Cơ sở để chọn dung môi là tính phân cực của hợp chất
trong cây và dung môi.
Dung môi phân cực và không phân cực:
•
Quá trình hình thành một dung dịch là tùy thuộc vào đặc tính
của chất tan và dung môi. Để hình thành một dung dịch, trước
hết phải có sự phá vỡ các dây nối liên kết trong hợp chất tan
và trong dung môi, để hình thành dây nối liên kết mới giữa
chất tan và dung môi. Thí dụ ether ethylic và nước.
• Hằng số điện môi của nước ở 20
o
C là 80,4 trong khi ether
ethylic là 4,34.
•
Nguyên tử hydro của phân tử nước có khả năng liên kết với một
nguyên tử mang điện tích âm của một hợp chất khác, hình thành
dây nối liên kết hydro trong dung dịch nước, trong khi ether
ethylic không có sự liên kết này. Dây nối hydro hình thành ảnh
hưởng lớn đến tính hòa tan của hợp chất đối với dung môi.

• Nước vừa có tác dụng như một acid, vừa là một baz, còn ether
là một baz rất yếu không hoạt động như một acid.
Do những đặc điểm trên, nước được xem như một dung môi phân
cực mạnh, còn ether ethylic là một dung môi không phân cực.
III. DUNG MÔI
Độ phân cực của các dung môi thường dùng được sắp xếp tăng dần theo chỉ số phân cực ghi ở bàng 1.
Bảng 1: Các dung môi thường dùng được sắp xếp tăng dần tương đối theo chỉ số phân cực.
Dung môi
Nhiệt độ
sôi (
o
C)
Hằng số
điện môi ε
ở 25
o
C
Chỉ số
phân cực
Độ nhớt
(mN.S.m
-2
)
Độ tan
trong nước
(%w/w)
Hexan 69 1,9 0,0 0,33 0,001
Heptan 98 0,0 0,39 0,0003
Ciclohexan 81 2,0 0,2 1,00 0,01
Tetraclorur carbon 77 2,2 1,6 0,97 0,08

Toluen 111 2,38 2,4 0,59 0,51
Xylen 139 2,5 0,61 0,018
Benzen 80 2,3 2,7 0,65 0,18
Diethyl ether 35 4,34 2,8 0,32 6,89
Diclorometan 41 8,9 3,1 0,44 1,6
Isopropanol 82 18,3 3,9 2,3 100
n-Buthanol 118 3,9 2,98 7,81
III. DUNG MÔI
Tetrahydrofuran 65 7,58 4,0 0,55 100
n-Propanol 92 20,1 4,0 2,27 100
Acetate butyl 125 4,0 0, 73 0,43
Chloroform 61 4,87 4,1 0,57 0,815
Acetate ethyl 77 6,0 4,4 0,45 8,7
Methyl ethyl ceton 80 4,7 0, 45 24
Dioxan 101 2,2 4,8 1,54 100
Aceton 56 20,7 5,1 0,32 100
Methanol 65 33,6 5,1 0,6 100
Ethanol 78 24,3 5,2 1,2 100
Acetonitryl 82 37,5 5,8 0,37 100
Acid acetic 118 6,2 6,2 1,26 100
Dimethyl sulfoxid 189 4,7 7,2 2,0 100
Nước 100 78,5 9,0 1,0 100
Chất tan trong nước và dung môi phân cực
Các chất điện ly như muối vô cơ đều tan trong dung môi phân cực.
Chất phân cực: các hợp chất hữu cơ nói chung không ion hóa nhưng
nếu chúng có chứa các nhóm hoặc nguyên tử mang điện tích âm có
thể hình thành dây nối hydro với nước thì chúng sẽ tan được trong
nước.
Những nhóm có khả năng tạo dây nối hydro như: -OH, CO, NO, NH2
và các Halogen gọi là nhóm phân cực.

Càng có nhiều nhóm phân cực thì phân tử ấy càng dễ hoà tan trong
nước. Nhưng nếu mạch hydro carbon của phân tử càng dài thì độ hòa
tan càng giảm. Thực nghiệm cho thấy, 1 nhóm phân cực trong phân
tử có khả năng hình thành liên kết hydro với phân tử nước sẽ làm cho
phân tử ấy tan được trong nước nếu mạch carbon của phân tử không
có quá 5 nguyên tử carbon hoặc không quá 6 nếu phân tử có thêm
mạch nhánh. Nhưng nếu phân tử có nhiều nhóm phân cực (2 nhóm
trở lên) thì tỉ lệ này giảm xuống: 1 nhóm phân cực ứng với 3 hoặc 4
carbon trong mạch thì phân tử ấy tan được trong nước.
III. DUNG MÔI
III. DUNG MÔI
Chất tan trong ether ethylic và dung môi không phân cực
Các hợp chất hữu cơ không chứa nhóm phân cực gọi là các chất
không phân cực. Thông thường các chất không phân cực đều tan
trong ether ethylic và dung môi không phân cực, không tan trong
nước và các dung môi phân cực khác. Hầu hết các chất hữu cơ tan
trong nước đều không tan trong ether ethylic.
Nếu một chất vừa tan trong nước, vừa tan trong ether thì chất đó
phải là chất không ion hóa, có số carbon không quá 5, có 1 nhóm
phân cực tạo dây nối hydro nhưng không phải là nhóm phân cực
mạnh.
IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT
Phương pháp chiết xuất bao gồm việc chọn dung môi, dụng cụ
chiết và cách chiết.
Một phương pháp chiết xuất thích hợp chỉ có thể được hoạch định
khi đã biết rõ thành phần hóa học của cây. Mỗi loại hợp chất có độ
hòa tan khác nhau trong từng loại dung môi. Vì vậy không thể có
một phương pháp chiết xuất chung cho tất cả các loại hợp chất
trong cây.
Lựa chọn phương pháp trích ly để có được cao trích thô là công

việc rất quan trọng để tránh phân hủy hợp chất, tránh các phản
ứng phụ, các phản ứng chuyển vị.
IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT
Trong cây thường chứa một số cấu tử được xem như chất gây
cản trở trong quá trình chiết xuất hoặc tinh chế hợp chất như các
diệp lục tố, polyphenol …Đôi khi các chất dùng để bôi trơn dụng
cụ thủy tinh như vaselin, silicon cũng bị nhiễm vào dung dịch ly
trích.
Có nhiều cách sử dụng dung môi để ly trích mẫu cây. Khi cho
dung môi chiết vào, dung môi sẽ thấm qua màng tế bào của cây,
các hoạt chất trong tế bào sẽ hòa tan vào trong dung môi. Khi
đó sẽ xuất hiện một quá trình thẩm thấu giữa dịch chiết trong
thành tế bào và dung môi bên ngoài. Quá trình thẩm thấu này
kết thúc khi có sự cân bằng nồng độ hợp chất của dung dịch bên
trong và bên ngoài thành tế bào.
IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT
Như vậy, trong quá trình chiết sẽ xảy ra 2 quá trình:
- Quá trình hòa tan.
- Quá trình thẩm thấu.
Hai quá trình này thực hiện liên tục cho đến khi quá trình chiết
kết thúc. Nguyên liệu phải được xay nhỏ đến mức thích hợp để
dung môi có điều kiện tiếp xúc trực tiếp với thành tế bào một
cách dễ dàng, thúc đẩy quá trình chiết xuất nhanh chóng và
nâng cao hiệu xuất chiết.
IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT
Chiết bằng phương pháp ngấm kiệt (Percolation)
Phương pháp ngấm kiệt là một trong những phương pháp trích
ly được sử dụng phổ biến nhất vì không đòi hỏi nhiều thao tác
cũng như thời gian.
Dụng cụ gồm một bình ngấm kiệt, hình trụ đứng, bằng thủy

tinh, ở dưới đáy bình có van khóa để điều khiển tốc độ dung
môi chảy ra. Khi đã ngâm mẫu cây trong dung môi sau một thời
gian nhất định, dung dịch chảy ra được hứng trong một erlen
bên dưới, ở trên có một bình lóng chứa dung môi chảy vào bình
ngấm kiệt này.
Đây là quá trình chiết liên tục, dung môi sau khi đã bảo hòa hoạt
chất sẽ được liên tục thay thế bằng dung môi mới. Tuy vậy người
ta không thực hiện liên tục mà mẫu cây được ngâm trong dung
môi khoảng 1-2 ngày, cho dung môi bão hòa chảy ra rồi mới cho
dung môi mới vào tiếp tục thực hiện quá trình trích ly. Để khảo
sát sự chiết xuất hoàn toàn chưa, người ta thường theo dõi bằng
cách lấy dịch trích ly thử với các thuốc thử đặc trưng của hoạt
chất cần trích.
IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT
Chiết bằng phương pháp ngấm kiệt (Percolation)
IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT
Chiết bằng phương pháp ngấm kiệt (Percolation)
IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT XUẤT
Chiết bằng phương pháp ngâm dầm (Maceration)
Phương pháp ngâm dầm không hiệu quả gì hơn phương pháp
ngấm kiệt, chỉ là ngâm bột cây trong bình chứa bằng thủy tinh
hoặc thép không rỉ có nắp đậy. Rót dung môi phủ lớp bột cây,
để yên ở nhiệt độ phòng, dung môi sẽ ngấm dần vào nguyên
liệu và hòa tan các chất tự nhiên. Có thể gia tăng hiệu quả chiết
xuất bằng cách khuấy bột cây hoặc dùng máy lắc nhẹ.
Sau 24 giờ, dung môi trong bình được rót ra và đổ dung môi mới
vào.