Xây dựng quy trình công nghệ tổng hợp bcarotene

MỤC LỤC

Beta-carotene là một phần của họ carotenoids và là một chất chống oxy hóa có nguồn
gốc từ các nguồn tự nhiên và tổng hợp. Beta-carotenelà tiền chất của vitamin A, nguồn
cung cấp vitamin A tự nhiên, dồi dào cho cơ thể.Beta-caroten là một trong những chất
dinh dưỡng chống oxy hóa mạnh nhất,giảm nguy cơ lão hóaduy trì sức khỏe tim mạch,
giảm phát triển đục thủy tinh thể.
Vì những ý nghĩa thiết thực này mà vấn đề nghiên cứu sản xuất Beta-carotene quy mô
công nghiệp rất được quan tâm .Quy mô thị trường beta-carotene toàn cầu là 432,2 triệu
USD vào năm 2015. Ngành công nghiệp này được dự đoán sẽ chứng kiến sự tăng trưởng
đáng kể trong tám năm tới. Sự gia tăng đáng kể mức tiêu thụ beta-carotene trong thực
phẩm và đồ uống, thực phẩm bổ sung, chăm sóc cá nhân và mỹ phẩm, các ngành thức ăn
chăn nuôi như vậy được kỳ vọng sẽ có tác động tích cực đến sự tăng trưởng chung.
Trong tiểu luận với đề tài:“Xây dựng quy trình công nghệ tổng hợp β-carotene” chúng
em tìm hiểu tính chất lý, hóa, tác dụng dược lý của β-carotene; các phương pháp tổng
hợp β-carotene với 3 phương pháp và đặc biệt là xây dựng quy trình công nghệ sản xuất
β-carotene.
Trong qua trình làm tiểu luận, nhờ sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của cô Nguyễn Thỵ
Thùy Mỵ, chúng em đã học được những bài học bổ ích, lý thú. Chúng em xin chân thành
cảm ơn!

1


Phần 1: Tổng quan
1.1.

Tên, tính chất lý, hóa, tác dụng dược lý của β-carotene

1.1.1. Tên [1]
• Tên theo IUPAC: 1,3,3-trimethyl-2-[(1E,3E,5E,7E,9E,11E,13E,15E,17E)-3,7,12,16-

tetramethyl-18-(2,6,6-trimethylcyclohexen-1-yl)octadeca-1,3,5,7,9,11,13,15,17nonaenyl] cyclohexene
• Tên thông thường: Beta-carotene; 7235-40-7; Provitamin A
• CTPT: C40H56
• Cấu trúc 2D:

•

Cấu trúc 3D:

•

Biệt dược: Beta Carotene, Puritan's Pride Beta-Carotene, Swanson BetaCarotene, Prenatal, Lifeplan Beta Carotene Caps,…

1.1.2. Tính chất vật lý[2]
- Khối lượng phân tử : 536.888 g/mol
- Nhiệt độ nóng chảy : 176–184 °C
- Màu sắc : là tinh thể rắn màu đỏ hoặc đỏ nâu
- Tính tan : tan được trong chất béo, trong aceton, dầu thực vật, không tan được trong
etanol, glycerol, propylen glycol, tan ít trong dung môi hữu cơ sôi như ete (0.05%),
benzene(0.2%), cacbon disulfit (1%), methylen clorid(0.5%); độ tan trong dầu ăn là
0.08% ở nhiệt độ phòng, 0.2% ở 60 ̊C and 0.8% ở 100 ̊ C.
2


1.1.3 Tính chất hóa học[3,4]
- Nhạy cảm với oxi và ánh sáng. Trong phân tử có chứa nhiều nối đôi liên hợp tạo nên
những nhóm mang màu của chúng. Màu của chúng phụ thuộc vào những nhóm mang
màu này.
- Dễ bị oxi hóa trong không khí, cần bào quản trong khí trơ. Khi bị oxi hóa làm thay

đổi màu sắc
- Hydro hóa
- Cộng hợp Halogen hoặc cộng hợp Oxi để xác định các nối đôi
- Oxi hóa các axit cromic để các nhóm metyl mạch nhánh thành các nhóm carboxyl
- Ozon giải hoặc oxi hóa với kalipermanganat để xác định cấu trúc nối đôi
- β-carotenee có thể chuyển hóa thành vitamin A (retinol)

•

Có thể tóm tắt chuyển hoá vitamin A như sau:

3


1.1.4. Tác dụng dược lý
Chất tiền vitamin A
Beta-carotene tạo màu vàng, cam và hơi pha đỏ cho trái cây và rau quả, luôn đóng
•

một vai trò quan trọng trong sức khoẻ vì nó trở thành vitamin A trong cơ thể. Nhưng
trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng beta-caroten không
chỉ có chức năng như là tiền thân của vitamin A mà còn tự hoạt động để duy trì sức
khoẻ. Không giống như vitamin A, chất chống oxy hoá hạn chế, beta-caroten là một
trong những chất dinh dưỡng chống oxy hóa mạnh nhất. Như vậy, nó có thể giúp bảo
vệ chống lại sự phát triển của ung thư. Beta-carotene là một tiền chất vitamin, được
chuyển đổi đến vitamin A khi cơ thể cần đến. Bởi vì độ tan của lipid, nó được vận
chuyển đến các mô ngoại vi thông qua các lipoprotein tuần hoàn [6].
• Giảm nguy cơ lão hóa
β-carotene đã được sử dụng để giảm nguy cơ mắc phải chứng liên quan đếnthoái
hoá ở tuổi già; nhạy cảm với nguy cơ ung thư vú ở phụ nữ tiền mãn kinh. Ngoài khả

năng ảnh hưởng đến nguy cơ bệnh ung thư, beta-caroten đã được xem xét để sử dụng
trong quản lý tim dựa trên khả năng thu nhặt gốc tự do của nó, với lưu ý cảnh báo rằng
nó có thể cũng hoạt động như một chất chống oxy hoá gây tổn thương mô - phụ thuộc
vào môi trường sinh lý [6].
Trong những năm 1970, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng beta-carotene có thể
bảo vệ da khỏi các tác hại của protoporphyria erythropoietic, một bệnh di truyền, trong
đó da trở nên đỏ và sưng lên khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời [10]. Beta caroten làm
mất những nguyên tử oxy tự do đang dư thừa điện tử trong da. Đây là những nguyên tử
được hình thành ở da khi da bị phá huỷ bởi tia cực tím. Nó làm da bị lão hoá, nhăn
nhúm, thô ráp, xù xì, không khoẻ mạnh. Beta carotene làm mất những tác hại này do
nó làm mất những gốc điện tử tự do.
•

Hỗ trợ hệ miễn dịch [5]

Một số khía cạnh của miễn dịch tế bào có thể được tăng cường bằng betacarotene. Các loại carotenoid khác không trở thành vitamin A trong cơ thể dường như
có những tác dụng có lợi như nhau:
+ Với người lớn khỏe mạnh: beta-carotene tăng cường hệ thống miễn dịch độc lập
với chức năng pro-vitamin A. Kết quả này hỗ trợ vai trò của việc kích thích miễn dịch
như một cơ chế hoạt động tiềm năng của beta-carotene với tiềm năng ngăn ngừa ung
thư."
4


+ Với người lớn bệnh kinh niên: sự gia tăng đáng kể tỷ lệ phần trăm các tế bào giết
người tự nhiên ở những bệnh nhân được bổ sung cùng với sự gia tăng số lượng tế bào
T-helper nhỏ hơn. Bệnh nhân có "sự gia tăng khiêm tốn" trong phần trăm tế bào có
kháng nguyên, chuyển và liên kết với thụ thể.
Một nghiên cứu năm 1988 của Adrianne Bendich phát hiện ra rằng beta-carotene
đóng vai trò tăng cường miễn dịch. Một lần nữa, cả beta-carotene và các carotenoid

khác đều có lợi, chỉ ra rằng chúng hoạt động độc lập hơn là thông qua vitamin A.
•

Chống oxy hóa

Ngoài chức năng provitamin của nó, beta-carotene cũng có chức năng như một chất
chống oxy hoá. Oxy đơn tự do có thể tạo ra các gốc tự do bằng cách dỡ năng lượng
thừa vào các phân tử khác. Các gốc tự do làm hư hỏng màng tế bào nghiêm trọng, nó
làm tổn thương các bào quan, nó liên quan chặt chẽ với quá trình lão hoá, xuống cấp
của nhan sắc, tuổi trẻ, nó còn là nguyên nhân gây ra nhiều căn bệnh chưa có lời giải
chính thức như ung thư. Theo Passwater, beta-carotene có thể đưa oxy đơn tự do ra
khỏi tế bào trước khi nó có thể gây ra ung thư da và ung thư phổi. Beta-carotene có thể
làm mất oxy mà không bị hư hỏng và do đó có thể được sử dụng nhiều lần. Năng
lượng có nguồn gốc từ phân tử ôxy đơn có thể được chuyển sang betacaroten và cuối
cùng tan ra dưới dạng nhiệt, phục hồi oxy đến hình dạng ổn định của nó. Trong quá
trình này phân tử beta-carotene không bị hư hỏng và do đó vô hiệu hóa nhiều phân tử
oxy đơn tự do [5].
•

Duy trì sức khỏe tim mạch

Chất dinh dưỡng này cũng đóng một vai trò trong việc duy trì sức khoẻ tim
mạch. Đây là cách beta-carotene ảnh hưởng đến chức năng của tim. Beta-carotene có
thể cung cấp một số bảo vệ chống lại các tổn thương oxy hoá liên quan đến lipoprotein
mật độ thấp, vận chuyển cholesterol qua các động mạch và đóng góp vào các mạch
máu bị chặn.Trong một nghiên cứu trên động vật về nhồi máu cơ tim, beta-carotene có
thể làm giảm kích thước vết sẹo sau thủ thuật 34%. Tuy nhiên, beta-carotene đã không
ức chế các ảnh hưởng của các enzyme chống oxy hóa cơ tim, do đó tăng cường tính
chất của nó [6].
•

Giảm phát triển đục thủy tinh thể

5


Giống như các chất dinh dưỡng chống oxy hoá khác, mức độ beta-carotene trong
máu có thể liên quan đến tỷ lệ đục thủy tinh thể. Trong một nghiên cứu của Paul
Jacques và những người khác, những người có mức carotene huyết thanh thấp đã có
hơn 5,5 lần nguy cơ mắc đục thủy tinh thể như nhóm có nồng độ cao [5].
•

Giảm loét dạ dày

Dường như hoạt động gốc tự do thậm chí có thể đóng một vai trò trong việc làm loét
dạ dày. Trong một nghiên cứu trên động vật, beta-caroten làm giảm cả số lượng và
mức độ nghiêm trọng của loét dạ dày chỉ trong 30 phút sau khi tiêm vào cơ thể. Bằng
cách đo nồng độ hoạt động của các enzyme chống oxy hoá, các nhà nghiên cứu kết
luận rằng vết loét dạ dày sản sinh ra các gốc tự do và các tính chất "Scavenger" của
beta-carotene đã có liên quan đến các hiệu ứng bảo vệ cytomrot.
•

Chống oxy hoá giúp giảm rủi ro mắc ung thư

Rõ ràng, các gốc tự do và các chất chuyển hóa oxy khác có thể làm hư DNA, gây ra
các đột biến tế bào dẫn đến ung thư. Beta-carotene có thể ngăn ngừa thiệt hại này bằng
cách bẫy và khử hoạt tính các gốc tự do.Chất beta-carotene hỗ trợ hệ miễn dịch trong
việc ngăn ngừa ung thư [8].
Bổ sung cho hoạt động chống oxy hoá của vitamin E.Với beta-carotene hoạt động tốt ở
nồng độ oxy thấp và vitamin E đạt được độ oxy hóa cao hơn. Thậm chí có thể có tác

dụng hiệp đồng giữa beta-carotene và vitamin A (võng mạc). Trong một nghiên cứu,
những phụ nữ bị đau vú tiền kinh trầm trọng đã được điều trị bằng cả hai chất dinh
dưỡng trong sáu tháng. Họ cho thấy giảm đau rõ rệt và trong một số trường hợp có khả
năng phục hồi [5].
Một số loại bệnh ung thư như ung thư phổi, ung thư dạ dày sẽ không giảm được
nhiều nguy cơ nếu trong chế độ ăn bị thiếu hụt hàm lượng beta caroten. Đó là vì beta
caroten làm giảm tổng hợp các dấu ấn ung thư trong chu trình phát triển của các loại
ung thư này.
1.1.5 Tiêu chuẩn dược điển
1.1.5.1 Tiêu chuẩn dược điển Việt Nam [9]
 Gấc (Áo hạt) Arillus Momordicae cochinchinensis

Áo hạt lấy từ hạt quả chín đem phơi hoặc sấy khô của cây GấcMomordica
cochinchinensis (Lour.) Sprenf, hoj Bis (Curcurbitaceae).
6


-

Mô tả:Dược liệu là những màng dày khoảng 1mm, dài 2 cm đến 3 cm, rộng 2
cm đến 2,5 cm, màu đỏ cam, bề mặt nhăn nheo. Thể chất khô giòn, dễ gãy vụn,

-

mùi hang nhẹ, vị nhạt.
Bột: Bột màu đỏ cam, soi kính hiển vi thấy: Mảnh mô mềm gồm các tế bảo hình
đa giác, kích thước tương đối đều, thành hơi dày, xếp sít nhau, đều đặn. Nhiều

-

hạt dầu tròn nhỏ màu cam. Rải tác có các khối chất màu nâu đen.
Định tính: Phương pháp sắc ký lớp mỏng (Phụ lục 5.4).

+ Bản mỏng: Silicagel G
+ Dung môi khai triển: Cyclohexan- Ether ethylic (4:1).
+ Dung dịch thử: Lấy 1 g bột thô dược liệu, thêm 10 ml ete dầu hỏa ( 40 C đến 60
C) (TT), ngâm trong 1 giờ, lọc. Cô đến cắn.Hòa cắn trong q ml ether dầu hỏa (40 C
đến 60 C) (TT) làm dung dịch chấm sắc ký.
+ Dung dịch đối chiếu: Dung dịch B-caroten nồng độ 0,1 mg/ml trong ether dầu hỏa
40 C đến 60 C) (TT).
+ Cách tiến hành: Chấm riêng biệt lên bản mỏng 10µl mỗi dung dịch trên. Triển
khai sắc ký cho đến khi dung môi đi được khoảng 12 cm đến 13 cm, lấy bản mỏng
ra, để khô ở nhiệt độ phòng, quan sát dưới ánh sang tự nhiên. Trên sắc ký đồ của
dung dịch theur phải có vết chính cùng màu, cùng giá trị R f với vết của -caroten đối
chiếu.
-

Độ ẩm: Không quá 10,0 % (Phụ lục 12.13). Dùng khoảng 10g dược liệu.
Tạp chất: Không quá 1,0 % (Phụ lục 12.11).
Tỷ lệ vụn nát: Qua rây có kích thước mắt rây 4mm: Không quá 5,0 % (Phụ lục

-

12.12).
Tro toàn phần: Không quá 10,0% (Phụ lục 9.8).
Chất chiết được trong dược liệu: Cân chính xác 10g bột dược liệu vào một bình
nón nút mài dung tích 250 ml. Thêm 10ml ether dầu hỏa (40 C đến 60 C), đun
hồi lưu trên cách thủy ấm trong 30 phút. Để lắng, gạn lấy dịch chiết. Chiết như
trên 2 lần nữa, mỗi lần với 50 ml ether dầu hỏa (40 C đến 60 C). Lọc dịch chiết
và tập trung các dịch lọc vào một chén đã cân bì, cô dịch lọc trên cách thủy khi

-

hết ether dầu hỏa. Để nguội trong bình hút ẩm. Cân và tính kết quả.
Hàm lượng cắn dầu không được dưới 8,0 % tính theo dược liệu khô kiệt.
Chế biến: Quả gấc chin, bổ lấy hạt, phơi hoặc sấy hay đồ chín cho bớt dính, bóc
lây áo hạt, ép lấy dầu hoặc phơi hoặc sấy khô ở nhiệt độ ( 40 ̊ C đến 60 ̊ C).
Màng áo hạt gấc dung để chế dầu gấc.
7


-

Bảo quản: Để nơi khô, mát
Tính vị qui kinh: Cam, bình. vào kinh can, tỳ, vị.
Công năng chủ trị: Bổ tỳ, thanh can sang mắt. Dùng cho trẻ con chậm lớn, phụ

-

nữ mang thai, cho con bú, bệnh khô mắt, quáng gà.
Cách dung, liều lượng: Dạng dầu.
Người lớn 10 đến 20 giọt / ngày (2 lần/ ngày).
Trẻ em: 5 đến 10 giọt/ ngày.

1.1.5.2. Tiêu chuẩn dược điển Mỹ [10]
-

Beta Carotene chứa không ít hơn 96,0 % và không nhiều hơn 101,0 % của C 40H

-

.
Bao bì và bảo quản: Bảo quản trong các thùng chứa chặt chẽ, chống ánh sáng.
Nhận biết:
A: Xác định độ hấp thụ của phương pháp chuẩn B ở 455 nm và ở bước sóng

-

483 nm: tỷ lệ hấp thụ ở 455 nm đến 483 nm nằm giữa 1,14 và 1,18.
B: Xác định độ hấp thụ của dung dịch thử B ở 455 nm và của phương pháp

56

chuẩn A thử nghiệm ở 340 nm: tỷ lệ hấp thụ ở 455 nm đến 340 nm không nhỏ
-

hơn 1,5.
Phạm vi nóng chảy 741: giữa 176 ̊ C và 182 ̊ C, có sự phân hủy.
Kim loại nặng, Phương pháp II 231: 0,001%.
Kiểm tra (Lưu ý- Thực hiện thủ tục này ở ánh sáng dịu, sử dụng thủy tinh

-

actinic thấp)
Chuẩn bị mẫu A- Chuyển khoảng 50 mg Beta Carotene, cân chính xác, vào
bình định mức 100 ml, hòa tan trong 10 mL dung dịch không có axit, pha loãng
với cyclohexane với thể tích và trộn. Lắc 5 mL dung dịch này vào bình định

-

mức 100 ml, pha loãng với cyclohexane với thể tích và trộn.
Chuẩn bị mẫu thử B – Nhỏ mẫu 5 mL dung dịch chuẩn A vào bình định mức 50

-

ml, pha loãng với cyclohexane với thể tích và trộn.
Thủ tục: Xác định độ hấp thụ của phương pháp B, ở bước sóng cực đại hấp thụ
ở khoảng 455 nm, với một quang phổ kế thích hợp, sử dụng xyclohexan làm
trống. Tính số lượng, tính theo mg, của C 40H56 trong phần Beta-carotene theo
công thức:

-

M=20,000 A X / 250 (mg)
Trong đó: A, X là độ hấp thụ của Chuẩn bị khảo nghiệm B; 250 là sự hấp thụ
của beta carotene tinh khiết.

8


1.1.6 Ứng dụng
-

Bộtβ -carotene sử
dụng trong lĩnh

-

vực dược phẩm.
Bột β -carotene

có thể được sử
dụng trong lĩnh
vực thực phẩm và
nước

giải

khát

như một chất màu
quan trọng, phụ
gia
dinh
-

thực

phẩm

dưỡng

và

nguyên liệu thô.
Bộtβ -carotene sử
dụng trong lĩnh

-

vực thẩm mỹ.

Bột β -carotene sử
dụng trong lĩnh
vực thức ăn chăn
nuôi.

1.1.7 Các loại phổ
-

Phổ UV-VIS: 2
peak ở bước sóng
450 và 477 nm
[11]

9


Hình 1.
(ab):

Quang phổ UV-Vis phủ (a) Mẫu được lấy từ quá trình tinh sạch với quá trình
chiết và (b) Mẫu tinh sạch với độ tinh khiết
-

Phổ hồng ngoại
[11]:

Hình 2.
(ab):

Phổ IR được phủ (a) Mẫu tinh chế với quá trình chiết xơ và (b) Mẫu tinh khiết

với độ tinh khiết

C-H : pic 2923.56 cm-1 , 2854.13 cm-1
C=C: pic 1650.77 cm-1
10


C-H của nhóm metyl: 1461.78 cm-1

11

-

Phổ khối [12]:

-

Phổ 1H-NMR:

-

Phổ13C-NMR: