Ứng dụng nhựa trao đổi ion để phân lập acid shikimic từ đại hồi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ Y TẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI

ĐỖ THỊ LOAN

ỨNG DỤNG NHỰA TRAO ĐỔI ION ĐỂ
PHÂN LẬP ACID SHIKIMIC TỪ ĐẠI HỒI

LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC

HÀ NỘI 2016


TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI

ĐỖ THỊ LOAN

ỨNG DỤNG NHỰA TRAO ĐỔI ION ĐỂ
PHÂN LẬP ACID SHIKIMIC TỪ ĐẠI HỒI

LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ DƯỢC PHẨM VÀ BÀO CHẾ
MÃ SỐ 60720402

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Hân

HÀ NỘI 2016

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài khóa luận này, tôi đã nhận được sự hướng
dẫn và giúp đỡ tận tình về mọi mặt từ các thầy cô, bạn bè.
Tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới :
TS. Nguyễn Văn Hân
Người thầy đã dành cho tôi sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với sự hợp tác, hỗ trợ của dược
sỹ Nguyễn Thị Khuyên, sinh viên Nguyễn Thị Thảo My đã cùng tôi thực
hiện nghiên cứu này.
Xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của PGS. TS Nguyễn Đình
Luyện cùng các Thầy Cô giáo, anh chị kỹ thuật viên ở Bộ môn Công nghiệp
dược, các thầy cô, cán bộ trường đại học Dược Hà Nội đã tạo mọi điều kiện
giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn.
Tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt quá
trình học tập và thực hiện luận văn này.
Do thời gian có hạn và trình độ bản thân còn hạn chế nên luận văn không
thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo tận
tình của các thầy cô và sự góp ý chân thành của bạn bè.
Hà Nội, tháng 03 năm 2016.
Học viên.

Đỗ Thị Loan


MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN ........................................................................................... 2

1.1.

Tổng quan về acid shikimic ................................................................................ 2

1.1.1

Công thức hóa học, tính chất .............................................................................. 2

1.1.2

Nguồn gốc acid shikimic .................................................................................... 2

1.1.3

Vai trò acid shikimic ........................................................................................... 4

1.2

Tổng quan về Đại hồi và một số phương pháp chiết xuất acid shikimic từ Đại
hồi..... .................................................................................................................. 7

1.2.1

Vài nét về cây Đại hồi ......................................................................................... 7

1.2.2

Một số phương pháp chiết xuất, tinh chế acid shikimic từ Đại hồi: ................... 9

1.3

Tổng quan về nhựa trao đổi ion ........................................................................ 15

1.3.1

Phương pháp trao đổi ion .................................................................................. 15

1.3.2

Nhựa trao đổi ion .............................................................................................. 17

CHƯƠNG 2.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................... 24

2.1

Nguyên vật liêu, hóa chất, dung môi, thiết bị ................................................... 24

2.1.1

Nguyên vật liệu, hóa chất, dung môi ................................................................ 24

2.1.2

Thiết bị thí nghiệm. ........................................................................................... 25

2.2

Nội dung nghiên cứu ......................................................................................... 26

2.2.1

Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ acid shikimic của
anionit ............................................................................................................... 26

2.2.2

Lựa chọn dung dịch phản hấp phụ acid shikimic từ anionit ............................. 26

2.2.3

Khảo sát khả năng tái sử dụng anionit .............................................................. 27

2.2.4

Ứng dụng anionit để phân lập acid shikimic từ dịch chiết dược liệu ............... 27

2.3

Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 27

2.3.1

Phương pháp định lượng acid shikimic ............................................................ 27


2.3.2

Phương pháp xác định dung lượng hấp phụ acid shikimic của anionit ............ 29

2.3.3

Phương pháp xác định mức độ phản hấp phụ acid shikimic của anionit .......... 30

2.3.4

Phương pháp phân lập acid shikimic trong dịch chiết dược liệu bằng anionit . 31

CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .............................................................. 32
3.1

Khảo sát thông số hấp phụ và phản hấp phụ acid shikimic của các nhựa trao đổi
ion…. ................................................................................................................ 32

3.1.1

Khảo sát thời gian hấp phụ acid shikimic của các loại anionit ......................... 32

3.1.2

Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới dung lượng hấp phụ acid shikimic của
anionit ............................................................................................................... 34

3.1.3

Khảo sát khả năng phản hấp phụ của mỗi loại anionit ..................................... 36

3.1.4

Khả năng tái sử dụng anionit ............................................................................ 39

3.2

Ứng dụng nhựa trao đổi ion trong phân lập acid shikimic từ Đại hồi. ............. 40

3.2.1

Xác định hàm lượng acid shikimic có trong Đại hồi. ....................................... 40

3.2.2

Chiết xuất và phân lập acid shikimic từ Đại hồi ............................................... 41

3.2.3

Khảo sát khả năng tái sử dụng của Diaion SA12A ........................................... 44

3.2.4

Chiết xuất và phân lập acid shikimic với mẻ 150g Đại hồi. ............................. 45

CHƯƠNG 4. BÀN LUẬN ................................................................................................. 52
4.1

Dung lượng hấp phụ và tốc độ hấp phụ của các hạt anionit ............................... 52

4.2

Tác nhân phản hấp phụ........................................................................................ 53

4.3

Khả năng ứng dụng anionit để phân lập acid shikimic từ dịch chiết Đại hồi. .... 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 59


DANH MỤC BẢNG
Tên bảng

Trang

Bảng 1.1 Cấu trúc của chất trao đổi ion

14

Bảng 2.1 Các hạt anionit sử dụng

24

Bảng 2.2 Hóa chất

25

Bảng 3.1 Lượng acid shikimic được hấp phụ bởi các anionit (mg/g) 33
ở các thời điểm khác nhau
Bảng 3.2 Lượng acid shikimic được hấp phụ bởi các anionit 35
(mg/g) ở các nhiệt độ khác nhau

Bảng 3.3 Hiệu suất phản hấp phụ acid shikimic khỏi mỗi loại 37
anionit của tác nhân NaCl (%)
Bảng 3.4 Hiệu suất phản hấp phụ acid shikimic khỏi mỗi loại 37
anionit của tác nhân HCl (%)
Bảng 3.5 Hiệu suất phản hấp phụ acid shikimic khỏi mỗi loại 38
anionit của tác nhân CH3COOH (%)
Bảng 3.6 Khả năng tái sử dụng các anionit

39

Bảng 3.7 Kết quả từng giai đoạn của quá trình phân lập acid 43
shikimic bằng nhựa Diaion SA12A từ dịch chiết Đại hồi
Bảng 3.8 Hiệu quả tái sử dụng nhựa Diaion SA12A trong phân lập 44
acid shikimic từ Đại hồi
Bảng 3.9 Hiệu suất phân lập acid shikimic từ Đại hồi bằng nhựa 48
Diaion SA12A
Bảng 4.1 Sự khác biệt khi hấp phụ dung dịch acid shikimic tinh 54
khiết và dịch chiết Đại hồi


Bảng 4.2 Sự khác biệt của các lần tái sử dụng với dung dịch acid
shikimic tinh khiết và dịch chiết Đại hồi

DANH MỤC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 3.1

Sơ đồ tóm tắt quy trình phân lập acid shikimic từ dịch 47
chiết Đại hồi bằng nhựa Diaion SA12A

55

DANH MỤC HÌNH VẼ
Tên hình

Trang

Hình 1.1

Công thức cấu tạo acid shikimic

Hình 1.2

Sơ đồ tổng hợp acid shikimic theo Raphael (1960) và 4
Smissman (1959)

Hình 1.3

Sơ đồ tổng hợp Acid Shikimic theo Dangschat, G. 4
(1950)

Hình 1.4

Sơ đồ con đường Shikimat

5

Hình 2.1

Nguyên liệu quả Đại hồi

24

Hình 3.1

Lượng acid shikimic được hấp phụ bởi các anionit ở 33

2

các thời điểm khác nhau
Hình 3.2

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới dung lượng hấp phụ của 35
từng anionit

Hình 3.3

Sắc ký đồ của mẫu Đại hồi

41

Hình 3.4

Sắc ký đồ của acid shikimic chuẩn

41

Hình 3.5

Acid shikimic thô

49

Hình 3.6

Acid shikimic tinh khiết

49

Hình 4.1

Hiệu suất phản hấp phụ acid shikimic từ các hạt anionit 52
của ba tác nhân NaCl, HCl và CH3COOH

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
HPLC : High Performance Liquid Chromatography – sắc ký lỏng hiệu năng cao.


ĐẶT VẤN ĐỀ
Acid shikimic là một chất trung gian quan trọng trong quá trình tổng hợp
các acid amin thơm, alkaloid…trong nhiều loài thực vật và vi sinh vật. Gần
đây, acid shikimic còn được dùng làm nguyên liệu để điều chế oseltamivir
phosphat (oseltamivir phosphat là hoạt chất có tác dụng chống cúm). Mặc dù
dịch cúm đã chấm dứt nhưng luôn có nguy cơ bùng phát, nhu cầu thuốc chống
cúm vẫn rất bức thiết. Vì vậy cần các nghiên cứu tìm kiếm nguồn nguyên liệu
và phương pháp hiệu quả nhằm thu được acid shikimic với hiệu suất cao.
Đại hồi là nguồn nguyên liệu quan trọng để chiết xuất acid shikimic.
Hàm lượng acid shikimic trong Đại hồi có thể từ 5-7%, nên Đại hồi là nguyên
liệu chính để sản xuất oseltamivir. Ngoài Đại hồi, acid shikimic được tìm thấy
trong một số loài khác như : cây bạch quả (Ginkgo biloba), quả sau sau (chi

Liquidambar), bạch đàn (Chi Eucalyptus)… hoặc được sinh tổng hợp nhờ vi
khuẩn Escherichia coli hay tổng hợp hóa học theo nhiều con đường khác nhau.
Tuy nhiên các phương pháp này thường phức tạp, hiệu suất thấp vì vậy chưa
đưa vào sản xuất quy mô công nghiệp. Ở nước ta, Đại hồi cũng là một nguồn
dược liệu lớn, tiềm năng.
Đã có nhiều nghiên cứu chiết xuất acid shikimic trong Đại hồi, song các
dung môi được sử dụng đều là dung môi hữu cơ, gây độc hại cho môi trường
và người nghiên cứu. Trong khi đó, acid shikimic có thể phân lập được bằng
phương pháp trao đổi ion, nên chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài : “Ứng
dụng nhựa trao đổi ion để phân lập acid shikimic từ Đại hồi” với những
mục tiêu sau:
1. Khảo sát và lựa chọn được loại nhựa trao đổi ion thích hợp để phân lập
acid shikimic từ dịch chiết nước Đại hồi.
2. Xây dựng được quy trình phân lập acid shikimic từ dịch chiết bằng
nhựa trao đổi ion.

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1.

Tổng quan về acid shikimic

1.1.1 Công thức hóa học, tính chất
Công thức hóa học : C7H10O5
Công thức cấu tạo :

Hình 1.1 Công thức cấu tạo acid shikimic

Tên khoa học : acid (3R,4S,5R) – 3,4,5 – trihydroxy -1-cyclohexen -1carboxylic .
Phân tử lượng : 174,15.
Tính chất : Acid Shikimic là một chất kết tinh màu trắng, rất dễ tan trong
nước (18g/100mL), tan trong methanol, ethanol tuyệt đối (2,25g/100mL),
không tan trong ethylacetat, aceton, cloroform, benzen, ether dầu hỏa.
Nhiệt độ nóng chảy : 183 – 184,50C.
Năng suất quay cực []18 = -183,8 (C = 4,03/ H2O).
Dung dịch acid Shikimic trong ethanol có cực đại hấp thụ ở 213 nm [32]

1.1.2 Nguồn gốc acid shikimic
Acid shikimic được chiết xuất lần đầu tiên bởi Eykman từ 1 loại hồi Nhật
Bản shikimi-no-ki (tên khoa học là Illicium religiosum Sieb. et Zucc.) vào
năm 1885. Do đó tên acid shikimic xuất phát từ tên loài hồi này [6],[29],[32].

2


Acid shikimic có trong nhiều loài cây, vi sinh vật và có vai trò then chốt
trong quá trình sinh tổng hợp. Nhưng chỉ có một số ít loài thực vật có chứa một
lượng đáng kể acid shikimic trong đó quan trọng nhất là Đại hồi (Illicium
verum) . Cho đến nay đã có nhiều tài liệu nghiên cứu chiết xuất acid shikimic từ
Đại hồi với tỉ lệ hàm lượng acid shikimic chiết được từ 5 – 7% . Năm 2005,
Richard Payne đã chiết tách và phân lập được 7% acid shikimic từ Đại hồi [25].
Ở Việt Nam cũng đã có một số nghiên cứu chiết tách acid shikimic tương tự.
Nguyễn Quyết Chiến và cộng sự (2006) đã phân lập được 7,02 % acid shikimic
từ hồi Việt Nam ( I.verum) [1]. Nguyễn Đình Luyện và cộng sự (2006) thực
hiện nghiên cứu chiết tách acid shikimic tại trường đại học Dược – Hà Nội cho
tỉ lệ acid shikimic từ 5 - 7% [6]. Ngoài ra acid shikimic có thể được chiết xuất
từ hạt của quả sau sau (chi Liquidambar) rất phổ biến ở Bắc Mỹ, với hiệu suất

khoảng 2 – 4% [18]. Một số loài thực vật khác có chứa acid shikimic bao gồm
nho, táo, bạch quả (Ginkgo biloba), liễu (Salix nigra), một số cây thuộc chi
Eucalyptus (E.sieberiana F.Muell, E.citriodora), đinh hương (Syzygium
aromaticum, Myrtaceae), quả cây lý gai ( chi Gooseberry), cây việt quất châu
Mỹ và châu Âu (Vaccinium macrocarpon, V.oxycocos, V.myrtillus)...[13].
Ngoài ra, acid shikimic còn có thể được tổng hợp hoặc bán tổng hợp.
Raphael (1960) và Smissman (1959) đã tổng hợp acid Shikimic từ
1,3-butadien-1,4-diyl diacetate qua phản ứng Diels Alder (hình 1.2)
[26],[27],[30]. Grewe (1964) và cộng sự tổng hợp acid Shikimic từ
1,3-butadien. Ngoài ra, acid shikimic có thể được tổng hợp từ benzen, bán tổng
hợp từ acid quinic và D-manose (hình 1.3) [16],[29].

3


Hình 1.2: Sơ đồ tổng hợp acid shikimic theo Raphael (1960) và Smissman (1959)

Hình 1.3: Sơ đồ tổng hợp Acid Shikimic theo Dangschat, G. (1950)

1.1.3 Vai trò acid shikimic
Trong tự nhiên, acid shikimic là một nguyên liệu cần thiết cho quá trình
sinh tổng hợp các acid amin thơm như L-phenylalanin, L-tyrosin và
L-tryptophan hay các chất có nhân thơm trong cây ( flavonoid, coumarin),
indol và các dẫn chất, một số alcaloid, tanin, lignin, acid p-aminobenzoic thông
qua con đường Shikimat (hình 1.4) [20].

4


Hình 1.4: Sơ đồ con đường Shikimat

5


Acid shikimic là nguyên liệu tổng hợp hóa học của acid triacetyl shikimic
có tác dụng chống kết tập tiểu cầu và huyết khối bằng cách tác động lên sự
chuyển hóa acid arachidonic [21].
Acid 6-fluoroshikimic là một dẫn chất của acid shikimic được sử dụng
như một chất kháng khuẩn và diệt ký sinh trùng hiệu quả. Vì vậy acid shikimic
có thể đóng vai trò quan trọng tạo ra thuốc bao gồm thuốc kháng khuẩn, kháng
virus, diệt ký sinh trùng [17].
Đặc biệt, trong những năm gần đây, acid shikimic trở thành nguồn nguyên
liệu quan trọng để tổng hợp oseltamivir có vai trò ức chế enzym neuraminidase
– một enzym cần cho quá trình giải phóng và lây lan virus từ các tế bào bị
nhiễm. Hoạt chất Oseltamivir có tác dụng trên virus cúm type A và type B đặc
biệt với chủng H5N1 [13]. Kim và cộng sự (1997) đã tìm ra con đường tổng
hợp oseltamivir từ acid shikimic. Trong quá trình này nhóm 3-isopenyl ete
được tạo ra bằng phản ứng mở vòng tritylaziridin và xúc tác acid, cho phép tạo
ra các hợp chất có cấu trúc tương tự bằng cách thay đổi các tác nhân
nucleophin. Tiếp sau đó, Rohloff và cộng sự (hãng Gilead) đã xây dựng được
phương pháp tổng hợp có hiệu quả và có thể triển khai ở qui mô pilot. Hiệu suất
tổng thể của phản ứng là 21% với 10 công đoạn phản ứng [2],[27]
Sau khi hãng Gilead nhượng lại bản quyền phát minh cho hãng Roche,
Federspiel cùng các cộng sự ở hãng Roche đã giữ nguyên phương hướng tổng
hợp này và nghiên cứu các phương pháp để nâng cấp qui mô sản xuất và nâng
cao hiệu suất tổng hợp. Kết quả đã hoàn thiện được qui trình tổng hợp epoxit (
một hợp chất quan trọng trong tổng hợp oseltamivir) theo 6 công đoạn đạt hiệu
suất tổng thể 63 - 65%. Phương pháp này được hãng Roche áp dụng để sản xuất
quy mô công nghiệp [2].
Tuy nhiên, sự thiếu hụt nguồn nguyên liệu đã làm cho việc sản xuất thuốc

Tamiflu (Oseltamivir) bị ngưng trệ dẫn đến sự khan thuốc trong năm 2005. Các

6


phương pháp sinh tổng hợp và tổng hợp hóa học nhằm sản xuất thuốc Tamiflu
đang được đẩy mạnh nghiên cứu và đã có nhiều thành công.
Phương pháp sinh tổng hợp acid shikimic bằng con đường lên men chủng
vi khuẩn Escherichia coli đột biến đã được mô tả bởi John W.Frost và cộng sự
(đại học Michigan). Hiệu suất của quá trình lên men này có thể đạt được từ 20 50g acid shikimic trong 1L môi trường. Một công trình tương tự được thực hiện
ở Nga nhờ sử dụng chủng đột biến của vi khuẩn Bacillus. Hiệu suất từ 3 17g/L. Một nghiên cứu nữa ở Nhật Bản lên men chủng đột biến vi khuẩn
Citrobacter cho hiệu suất từ 4 - 10g/L [14].
Những nỗ lực nghiên cứu về acid shikimic vẫn tiếp tục nhằm góp phần tạo
nguồn nguyên liệu ổn định cho việc sản xuất thuốc phòng chống cúm trong
trường hợp xảy ra đại dịch. Tuy nhiên cho đến nay các phương pháp chiết xuất
acid shikimic từ Đại hồi đều trải qua quá trình tinh chế bằng trao đổi ion phức
tạp, tốn kém khi áp dụng cho quy mô sản xuất công nghiệp. Vì vậy cần phải có
nghiên cứu các phương pháp chiết xuất, tinh chế đơn giản, hiệu quả, và kinh tế
hơn.

1.2

Tổng quan về Đại hồi và một số phương pháp chiết xuất acid
shikimic từ Đại hồi

1.2.1 Vài nét về cây Đại hồi
Cây Đại hồi còn có tên khác là Đại hồi hương hay bát giác hồi hương.
Tên khoa học là Illicium verum Hook.f , họ Hồi ( Illiciacea).
Đặc điểm thực vật: cây Đại hồi là cây gỗ nhỡ, cao 6 - 10m. Thân thẳng
to, cành thẳng, nhẵn, lúc non màu lục nhạt sau chuyển sang màu nâu xám. Lá

mọc so le, phiến lá nguyên, dày, cứng giòn, nhẵn bóng, dài 8 - 12cm, rộng 3 4cm, hình mác hoặc trứng thuôn, hơi nhọn đầu, mặt trên xanh bóng hơn mặt
dưới. Hoa mọc đơn độc ở nách lá, có khi xếp 2 - 3 cái, cuống to và ngắn, 5 lá đài
màu trắng có mép màu hồng, 5 - 6 cánh hoa đều nhau màu hồng thẫm. Quả kép
7


gồm 6 - 8 đại, xếp thành hình sao đường kính 2,5 - 3cm, lúc non màu lục, khi
già màu nâu sẫm, mỗi đại dài 10 - 15mm, có mũi nhọn ngắn ở đầu. Hạt hình
trứng, nhẵn bóng.
Toàn cây, nhất là quả có mùi thơm và vị nóng. Mùa hoa: Tháng 5 - 6; mùa
quả: Tháng 7 - 9 hoặc tháng 11 – 12 [5].
Bộ phận dùng: Quả chín phơi khô của cây Hồi (Illicium verum).
Phân bố: Cây Hồi có ở một số tỉnh miền núi phía bắc nước ta, chủ yếu ở
Lạng Sơn [5]. Một số nới khác cũng có nhưng không đáng kể như Hà Giang,
Tuyên Quang, hoặc ở Quảng Tây, Quảng Đông (Trung Quốc).
Thu hái: Thu hái vào mùa thu. Phơi khô (tránh làm gãy cánh). Để nguyên
dùng hoặc cất lấy tinh dầu. Lá thu hái quanh năm, dùng tươi.
Thành phần hoá học: quả hồi chứa nhiều tinh dầu, nếu cất bằng phương
pháp kéo hơi nước từ quả hồi tươi thì đạt hàm lượng 3 - 3,5% tinh dầu lỏng,
không màu hoặc màu vàng nhạt, có mùi thơm đặc biệt. Thành phần chủ yếu của
tinh dầu hồi là anethol (80 - 85%), ngoài ra con có a-pinen, d-pinen, l-phellandren, safrol, terpineol, limonen. Trong quả hồi còn có các chất như chất
nhầy, đường. Hạt hồi chỉ chứa dầu béo. Lá hồi cũng chứa tinh dầu nhưng độ
đông đặc hơi thấp hơn. Hạt hồi không mùi, chứa nhiều dầu béo [5].
Công dụng: Đại hồi được sử dụng nhiều trong cả Đông y và Tây y.
Trong Đông y, Đại hồi có vị cay, tính ôn, mùi thơm, có tác dụng khử hàn,
ấm kinh, kiện tỳ, khai vị, trừ đờm, tiêu thực, chỉ thống , giải độc, kháng khuẩn.
Quy vào 4 kinh Can, Thận, Tỳ, Vị. Thường dùng chữa nôn mửa, đầy bụng, đau
bụng, tiêu chảy, tay chân nhức mỏi, giải độc thức ăn, dị ứng. Ngoài ra còn dùng
quả hồi ngâm rượu cùng với một số dược liệu khác để xoa bóp chữa tê thấp,
nhức mỏi [9].

Tây y cũng đã sử dụng quả hồi làm thuốc trung tiện, kích thích tiêu hóa, lợi
sữa. Có tác dụng trên hệ thống thần kinh và cơ (giảm đau, giảm co thắt ruột),
được dùng trong các bệnh lý đau dạ dày, ruột. Tuy nhiên, không nên dùng quá
8


nhiều sẽ bị ngộ độc với các triệu chứng say, run tay chân, xung huyết não và
phổi, có khi co giật như động kinh. Tinh dầu hồi có tác dụng kích thích, làm dễ
tiêu, chống co giật, ức chế sự lên men ruột, long đờm và lợi tiểu nhẹ, là thành
phần các thuốc trị ho, thuốc xoa bóp ngoài da, thuốc trị bệnh nấm da và ghẻ [5].
Nguyên nhân ngộ độc do nguồn gốc nguyên liệu hồi không đảm bảo, có thể bị
nhiễm loài hồi Nhật Bản Illicium anisatum và cây hồi núi Illicium griffithii
[5],[23]. Hai loài hồi này đều có chứa chất độc và dễ bị nhầm lẫn với Đại hồi
do đặc điểm bên ngoài của quả giống nhau. Hồi Nhật Bản chứa anisatin,
shikimin và sikimitoxin, là các chất gây ra các thương tổn nghiêm trọng cho
thận, đường tiết niệu và các cơ quan tiêu hóa [22],[23]. Các hợp chất khác tồn
tại trong các loài có độc tính của chi Illicium là safrol và eugenol các chất này
không được tìm thấy trong Đại hồi ( I.verum) và chúng được sử dụng để xác
định việc làm giả Đại hồi [5].
Tinh dầu hồi có tác dụng kích thích, làm dễ tiêu, chống co giật, ức chế sự
lên men ruột, long đờm và lợi tiểu nhẹ. Nó được sử dụng trong thành phần các
thuốc trị ho, thuốc xoa bóp ngoài da, thuốc trị bệnh nấm da và ghẻ [5].
Quả hồi còn được dùng làm hương liệu trong chế biến thức ăn và chế rượu
hồi (rượu khai vị), làm thơm kem đánh răng. Quả hồi là một thành phần không
thể thiếu trong một số gia vị như bột cà ri, bột nêm ngũ vị hương, nước dùng
phở.
1.2.2 Một số phương pháp chiết xuất, tinh chế acid shikimic từ Đại hồi:
Acid shikimic được chiết xuất lần đầu tiên vào năm 1885 bởi Eykman từ
1 loại hồi Nhật Bản shikimi-no-ki ( tên khoa học là Illicium religiosum Sieb.
et Zucc) [6],[29],[32]. Sau đó acid shikimic được nghiên cứu phân lập từ

nhiều nguồn nguyên liệu khác. Từ rất sớm, nhựa trao đổi ion đã được sử dụng
để phân lập acid shikimic, nhưng quy trình phân lập bằng nhựa trao đổi ion
còn phức tạp, dung lượng hấp phụ của nhựa thấp nên hiệu suất quy trình thấp.
9


Vì vậy sau này có nhiều nghiên cứu cải tiến quá trình chiết xuất để nâng hiệu
suất phân lập acid shikimic như chiết xuất bằng nước nóng [24], chiết Soxhlet
[6],[25],[34], chiết xuất bằng sóng siêu âm, sóng viba, chiết bằng CO2 siêu tới
hạn, chiết bằng các dung môi như methanol, ethanol, isopropanol, nước, hoặc
ion lỏng...
Các nghiên cứu có sử dụng nhựa trao đổi ion.
Việc sử dụng nhựa trao đổi ion để phân lập acid shikimic đã được ứng
dụng từ những năm 1950, các nhà khoa học sử dụng nhựa trao đổi ion để
phân lập acid shikimic trong các nghiên cứu định tính acid shikimic từ các
nguồn dược liệu như năm 1953 Hattori sử dụng nhựa Amberlite IRA-410 và
dung dịch phản hấp phụ là amoni carbonat 1N để phân lập, định tính acid
shikimic từ các loài cây hạt trần [19]; năm 1956 Anet và cộng sự chiết xuất
acid shikimic từ cây Bạch đàn chanh (Eucaliptus citriodora Hook.) và tinh
chế bằng cột cationit Zeocarb 225 để loại base và acid amin, sau đó dùng cột
Amberlite IRA-400 để hấp phụ, dung dịch HCl 0,1N để phản hấp phụ acid
shikimic [12]... Tuy nhiên các nghiên cứu này mới dừng lại ở việc định tính
acid shikimic trong các loài dược liệu, chưa có một quy trình phân lập, tinh
chế acid shikimic từ dược liệu, chưa cho thấy được hiệu suất quy trình và độ
tinh khiết của sản phẩm khi dùng nhựa trao đổi ion để phân lập acid shikimic.
Năm 1962 Weinstein và cộng sự trong nghiên cứu sự chuyển hóa của
thực vật đã tiến hành phân lập acid shikimic (đánh dấu C-14) trong lá cây
Bạch quả (Ginkgo biloba). Tác giả tiến hành chiết lá Bạch quả bằng ethanol
và nước, dịch chiết được cho qua cột cationit Dowex 50-X4 để loại tạp, sau
đó qua cột anionit Dowex 1-X8, và phản hấp phụ bằng dung dịch acid acetic.

Hiệu suất của quy trình đạt 0,74% so với nguyên liệu ban đầu. Trong khi hàm
lượng acid shikimic trong lá Bạch quả không dưới 4% [13], chứng tỏ quy
trình của Weinstein vừa phức tạp và hiệu suất không cao.

10


Đến năm 1996 Adams và các cộng sự đã tiến hành chiết xuất 900g quả
hồi ( Illicium anisatum) với 4L ethanol 95% bằng phương pháp chiết Soxhlet
trong 24 giờ, sau đó loại tạp bằng dung dịch formaldehyd 37 – 40%, phân lập
bằng cột 500g Amberlite IRA-400, phản hấp phụ bằng dung dịch acid acetic
25%, sau đó dịch nước của sản phẩm thô được chuyển lên cột Solka-Floc. Sản
phẩm acid shikimic được kết tinh trong methanol-toluen, có độ tinh khiết là
98%, hiệu suất quy trình đạt trên 5% [11],[13]. Quy trình của Adam đã cho
hiệu suất khá cao so với các nghiên cứu trước đó.
Năm 2005, Richard Payne và các cộng sự đã cải tiến và đơn giản hóa
phương pháp của Adams. Payne chiết xuất acid shikimic từ 25g Đại hồi với
ethanol 95% bằng phương pháp chiết Soxhlet trong 2 giờ. Sau đó loại dầu béo
bằng chiết tách với pipet Pasteur. Loại tạp chất trong dịch chiết bằng
formaldehyd 37 – 40% và cất loại dung môi, acid shikimic được tinh chế qua
cột anionit Amberlite IRA – 400 ( khoảng 25g anionit), phản hấp phụ với dung
dịch acid acetic 25%. Dịch rửa giải được cô cạn rồi hòa vào methanol, sau đó cô
cạn dung dịch methanol và kết tinh lại acid shikimic trong methanol – toluent
(hoặc ethyl acetat). Hiệu suất quá trình đạt từ 2,4 - 7% [25]. Quy trình của
Payne tuy có hiệu suất không đều, nhưng hiệu suất cao hơn đáng kể so với
phương pháp của Adams.
Phương pháp của Payne được nhiều nghiên cứu sau này ứng dụng. Năm
2006 Nguyễn Quyết Chiến cũng tiến hành chiết xuất và tinh chế acid shikimic
từ Đại hồi theo phương pháp tương tự của Richard Payne. Hiệu suất quá trình
đạt 5,4% [1]. Nguyễn Đình Luyện chiết acid shikimic từ 50g Đại hồi với nước

nóng ở 600C (đun cách thủy), chiết kiệt trong 10 giờ (theo dõi bằng sắc ký lớp
mỏng), quy trình tinh chế tương tự như của Payne: sử dụng nhựa trao đổi ion
Amberlite IRA – 400, tẩy màu bằng than hoạt. Hiệu suất quy trình đạt 6,2% [6].
Năm 2010, Bùi Quang Thuật cũng tiến hành chiết xuất và tinh chế tương tự
Payne, hiệu suất quy trình đạt 5,7%. [15].
11


Năm 2013 Ronald Zirbs và cộng sự tiến hành chiết xuất acid shikimic từ
1g Đại hồi với dung môi ion lỏng (ionic liquid): [C2mim]Oac làm nóng 10 phút
ở 100oC trong lò vi sóng, thêm nước, lọc rửa để thu dịch chiết. Sau khi lọc, loại
tạp, acid shikimic được phân lập bằng cột nhựa anionit Amberlite-400 ( 25g hạt
anionit), dung dịch phản hấp phụ là acid acetic 25% và được kết tinh lại bằng
methanol, hiệu suất của phương pháp lên tới 10,4% [34]. Hiệu suất của quy
trình này lớn hơn nhiều so với các nghiên cứu trước đó. Quá trình tinh chế của
Zirbs đơn giản hơn so với Payne, và không dùng đến dung môi formadehyd.
Tuy nhiên nghiên cứu của Zirbs sử dụng dung môi chiết xuất là dung môi ion
lỏng – một loại dung môi mới, được đánh giá là cho hiệu suất chiết xuất cao,
tiết kiệm thời gian, nhưng giá thành cao. Quá trình tinh chế của Zirbs vẫn dùng
methanol. Ưu điểm của phương pháp là có hiệu suất cao. Nhưng quy trình phức
tạp, nguyên liệu sử dụng đắt tiền như vậy không đảm bảo tính kinh tế và khả
năng ứng dụng trên quy mô lớn.
Trong các nghiên cứu trên không nhắc đến hàm lượng acid shikimic có
trong đại hồi nên chưa đánh giá được hiệu suất quy trình phân lập khi sử dụng
nhựa trao đổi ion. Nghiên cứu thực hiện với khối lượng Đại hồi nhỏ, nên nếu
tiến hành với lượng Đại hồi lớn hơn, hiệu suất quá trình có thể không lên tới 7%
- 10,4%.
Một số nghiên cứu phân lập acid shikimic từ các nguồn nguyên liệu khác
cũng dùng đến nhựa trao đổi ion để tinh chế acid shikimic. Như:
Năm 2008 Sui chiết acid shikimic từ lá thông (Pinus sylvestris) bằng

phương pháp chiết Soxhlet với nước cất, phân lập bằng cột nhựa Amberlite
IRA-900 và phản hấp phụ bằng dung dịch acid acetic 2N, dịch rửa giải được
cô cạn, và hòa tan lại trong methanol 95% ở 50 – 60ºC, tẩy màu bằng than
hoạt, lọc loại than, cô cạn và kết tinh lại trong dung môi ethanol 95%, quá
trình đạt hiệu suất khoảng 85% lượng acid shikimic trong dược liệu, sản phẩm
acid shikimic có độ tinh khiết trên 98% [31]. Quy trình tinh chế của Sui cũng
12


đơn giản hơn so với Payne, chỉ sử dụng một loại dung môi ethanol 96%.
Nhưng hai nghiên cứu tiến hành với hai loại dược liệu khác nhau, vì vậy
thành phần của dịch chiết khác nhau, khó để có thể so sánh hiệu quả của hai
phương pháp.
Cũng năm 2008, Liza và các cộng sự tiến hành acid shikimic từ hạt của
cây Liquidambar styraciflua bằng nước ở 65ºC, sau đó cô thành cao đặc,
thêm isopropanol, đun nóng và lọc nóng lấy dịch, dịch lọc được cô thành
xi-ro sau đó được hòa vào nước. Dịch nước được đưa lên cột Amberlite
IRA-400 và phản hấp phụ bằng dung dịch acid acetic 25%, quy trình cho hiệu
suất từ 2,4- 3,7% [18].
Năm 2009 Yang Lei và công sự chiết acid shikimic từ cây Vân sam (Picea
meyeri Rehd. Et Wils) và phân lập bằng nhựa D290, phản hấp phụ bằng dung
dịch NaOH 2,5%, quy trình cho hiệu suất 92,53%, acid shikimic có độ tinh
khiết 46,74% [35];
Năm 2011 Usaki chiết xuất acid shikimic từ lá Bạch quả (Ginkgo biloba)
bằng dung môi ion lỏng, phân lập bằng nhựa Amberlite IRA-400, phản hấp phụ
với dung dịch acid acetic 25%, cho hiệu xuất 87% [33].
Các nghiên cứu trên không mô tả chi tiết quá trình tinh chế sau khi phản
hấp phụ, độ tinh khiết của sản phẩm hoặc không tiến hành tinh chế acid
shikinmic sau khi phản hấp phụ. Tuy nhiên hiệu suất cao, cho thấy tính khả
quan khi sử dụng nhựa trao đổi ion trong phân lập acid shikimic từ Đại hồi

hay từ các nguồn nguyên liệu khác.
Các nghiên cứu không sử dụng nhựa trao đổi ion.
Những nghiên cứu phân lập acid shikimic từ Đại hồi trước đây có sử
dụng nhựa trao đổi ion từ trước năm 2000 đều có quy trình phức tạp vì vậy có
nhiều nghiên cứu cải tiến quy trình tinh chế acid shikimic chỉ dùng các dung
môi mà không dùng nhựa trao đổi ion. Như:

13


Năm 2007 Iyer Sankar công bố một phương pháp phân lập acid shikimic
từ Đại hồi, gồm các bước: Chiết hồi lưu nguyên liệu Đại hồi (400 g) với 2 lần
× 2L isopropanol 95% trong 6 giờ. Cất thu hồi dung môi dưới áp suất giảm để
thu được dịch chiết đậm đặc. Dung dịch đậm đặc được pha loãng với 0,9L
nước. Loại tạp dung dịch nước lần lượt bằng ethyl acetat (1,2L), dung dịch
formaldehyd 37% và than hoạt (60 gam). Cô đặc dung dịch nước, thêm 50
mL methanol và cô đến cắn. Hòa cắn vào 40 mL methanol, đun hồi lưu 45
phút và để lạnh (0 đến -5ºC) cho acid shikimic kết tinh. Hiệu suất 3,5 - 5%
[28]. Phương pháp của Iyer tuy cho hiệu suất khá cao, nhưng trải qua nhiều
bước phức tạp, sử dụng nhiều loại dung môi: isopropanol 95%, formaldehyd
37%, methanol, ethyl acetate. Đặc biệt dung môi formaldehyd 37% là dung
môi độc hại với môi trường và người nghiên cứu. Hiệu suất quy trình chưa
thực sự cao, sản phẩm chưa rõ độ tinh khiết. Việc sử dụng lượng lớn dung
môi, nhiều loại dung môi, quy trình phức tạp gây khó khăn khi áp dụng trên
quy mô công nghiệp. So sánh với phương pháp của Payne, phương pháp
Sankar sử dụng nhiều loại dung môi hơn, quy trình phức tạp, hiệu suất của
quy trình không cao.
Năm 2010, Bùi Quang Thuật tiến hành chiết xuất đại hồi thu tinh dầu và
acid shikimic qua các bước: 50g Đại hồi được chiết hồi lưu với 600mL nước
trong 8 giờ thu tinh dầu ở nhiệt độ phòng, dịch chiết nước sau khi lọc bỏ bã,

được cô cạn, rồi hòa tan vào hỗn hợp dung môi methanol : nước (8:2) để loại
tạp. Dung dịch thu được cô đến cắn màu nâu. Cắn được hòa tan và kết tinh lại
trong hỗn hợp methanol : ethyl acetat (1:1). Hiệu suất của quy trình đạt 5,6%
[15]. Phương pháp này có ưu điểm là thu được tinh dầu và acid shikimic. Tuy
nhiên, quy trình phân lập acid shikimic còn phức tạp, sử dụng nhiều hệ dung
môi, hiệu suất của phương pháp chưa nổi trội.
Năm 2016, Nguyễn Văn Hân công bố phương pháp phân lập acid
shikimic từ phế phẩm của quá trình sản xuất tinh dầu Đại hồi. Dịch nước cái
14


sau khi chiết lấy tinh dầu Đại hồi (3,5L tương đương 1kg quả Đại hồi ) được
lọc qua vải, cô thành cao mềm và hòa vào 1,6L ethanol 96%, để lắng 2 giở
nhiệt độ phòng. Lọc loại tạp, dịch lọc được cô thành cao lỏng, sau đó thêm
800mL aceton và gạn lấy dịch trong. Dịch trong được cô bớt, để kết tinh thu
sản phẩm thô. Sản phẩm thô được kết tinh lại bằng 500mL ethanol 96% trong
24 giờ. Sản phẩm thu được có độ tinh khiết 99,2%. Hiệu suất của quy trình
phân lập đạt 78,2% [4]. Quy trình cho sản phẩm có độ tinh khiết cao, sử dụng
ít loại dung môi (ethanol 96% và aceton) và đơn giản hơn các quy trình tinh
chế acid shikimic từ Đại hồi trước đó. Quy trình này xuất phát từ phế phẩm
của quá trình chiết xuất tinh dầu Đại hồi nên tận dụng tối đa giá trị của quả
hồi.
Các phương pháp phân lập acid shikimic chỉ sử dụng các dung môi hữu
cơ cho hiệu suất quy trình khá cao. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều loại dung
môi, dung môi độc hại, thao tác phức tạp sẽ gây khó khăn khi áp dụng trong
sản xuất. Ứng dụng nhựa trao đổi ion trong phân lập acid shikimic cho thấy
hiệu suất cao, đây đang là hướng nghiên cứu, phát triển sản xuất acid
shikimic.
1.3

Tổng quan về nhựa trao đổi ion

1.3.1 Phương pháp trao đổi ion
1.3.1.1

Cơ sở của phương pháp

Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hoá học giữa ion trong pha
lỏng và ion trong pha rắn.Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hoá
học đổi chỗ (phản ứng thế) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn
(là nhựa trao đổi). Sự ưu tiên hấp phụ của nhựa trao đổi dành cho các ion trong
pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễ dàng thế chỗ các ion có trên khung
mang của nhựa. Quá trình này phụ thuộc vào từng loại nhựa và các loại ion
khác nhau [8].

15


1.3.1.2

Vật liệu trao đổi ion

Vật liệu có tính năng trao đổi ion có thể là loại tự nhiên hay tổng hợp, có
nguồn gốc vô cơ hay hữu cơ. Chúng được coi là một nguồn tích trữ các ion và
có thể trao đổi được với bên ngoài. Chất trao đổi ion ở đây là dạng rắn không
tan trong nước và hầu hết trong các dung môi hữu cơ [8], [10].
Trên bề mặt chất rắn tồn tại các nhóm chức hai thành phần điện tích: của
nhóm chức cố định và của ion linh động có thể trao đổi được [8].
Cấu trúc của chúng có thể được mô tả [8], [10].
Bảng 1. 1 Cấu trúc của chất trao đổi ion

Dạng chất trao đổi

Mạng
rắn

chất Điện
chức

tích

nhóm

Cationit

Vô cơ, hữu cơ

Âm

Dương

Anionit

Vô cơ, hữu cơ

Dương

Âm

Lưỡng tính

Vô cơ, hữu cơ

Âm, dương

Âm, dương

Ion linh động

Các loại chất trao đổi ion yếu chỉ có thể tích điện âm ở pH cao đối với cationit
và ở vùng pH thấp đối với anionit nếu không nhóm chức của chúng ở trạng thái
không phân ly, điện tích tổng của nhóm chức bằng không.Chất trao đổi ion
lưỡng tính thì khác, ở vùng pH nhất định chúng thể hiện khả năng trao đổi anion
hay cation, chỉ tồn tại trạng thái trung hoà tại điểm đẳng điện[8]

1.3.1.3

Phân loại vật liệu trao đổi ion [8], [10]

A. Loại cationit
a. Vô cơ
- Tự nhiên (zeolit, khoáng sét).
- Tổng hợp (zeolit tổng hợp, permulit, silicat tổng hợp).
b. Hữu cơ (tự nhiên, than sunfon hóa, tổng hợp: divinyl benzene).
B.Loại anionit

16


a. Vô cơ
- Tự nhiên (dolomite, apatit, hydroxyl apatit).

- Tổng hợp (silicat của kim loại nặng).
b.Hữu cơ
Tổng hợp (nhựa trao đổi ion).

-

1.3.2 Nhựa trao đổi ion
1.3.2.1

Phân loại

Có 4 loại nhựa: Cation acid mạnh, Cation acid yếu, Anion kiềm mạnh,
Anion kiềm yếu.
Tính chất trao đổi ion của nhựa được quyết định bởi các nhóm đặc trưng
trong khung cao phân tử của nhựa và các ion linh động. Các nhóm này mang
điện tích âm hoặc dương tạo cho nhựa có tính kiềm hoặc acid.Các nhóm đặc
trưng trong ionit nối với các ion linh động có dấu ngược lại bằng liên kết ion.
Các ion linh động này có khả năng trao đổi với các ion khác trong dung dịch
[8].
a. Nhựa trao đổi cation (cationit): là những chất có nhóm đặc trưng acid.
Trong cấu tạo mạng lưới của nhựa có mang điện tích âm (nhóm đặc trưng mang
điện tích âm) kèm theo nhóm đặc trưng có một cation linh động có khả năng
trao đổi với các cation khác trong dung dịch.
Các ion linh độngcủa cationit thường là H, thường được gọi là nhựa trao đổi
cationit dạng H. Nếu thay H bằng Na, nhựa được gọi là Na-cationit.
Các nhóm đặc trưng của cationit: -SO3H, -COOH, -OH (của phenol),
-PO3H.
Các nhóm đặc trưng càng nhiều, khả năng trao đổi càng tăng, đồng thời độ
hoà tan trong nước của nhựa cũng tăng. Nếu tăng độ nối ngang trong cấu trúc
của nhựa ionit thì khả năng trao đổi, độ hoà tan giảm nhưng độ trương nở sẽ

tăng [3].

17