Công nghệ chiết xuất

Chiết xuất dược liệu để tách hoạt chất tinh khiết, có tác dụng tạo nguồn nguyên liệu cung cấp cho quá trình bán tổng hợp một số thuốc mới nhằm làm tăng ưu điểm cho thuốc: tăng tác dụng điều trị của thuốc, hoặc giảm bớt những tác dụng không mong muốn của thuốc, hoặc để tạo ra những tác dụng mới. Chẳng hạn, từ lá cây thanh cao hoa vàng, người ta phân lập ra artemisinin, sau đó người ta lại bán tổng hợp ra artesunat, arteether…. Các dẫn chất này cũng được dùng để điều trị sốt rét nhưng cho hiệu quả điều trị cao hơn. Từ vỏ cây canhkina người ta phân lập ra quinin, sau đó lại bán tổng hợp ra quinidin. Quinidin cũng có tác dụng diệt ký sinh trùng sốt rét như quinin nhưng tác dụng kém hơn nên được dùng chủ yếu để chữa bệnh loạn nhịp tim. Diosgenin (phân lập từ nhiều loài thuộc chi Dioscorea, họ Củ nâu – Dioscoreaceae), được dùng làm nguyên liệu để bán tổng hợp ra nhiều loại thuốc steroid quan trọng.

Đối với ngành dược Việt Nam, chiết xuất dược liệu có tầm quan trọng đặc biệt. Việt Nam ta có khí hậu nhiệt đới, độ ẩm khá cao, diện tích rừng rất rộng. lại có cả một số vùng núi cao và cao nguyên, do đó hệ thực vật rất phong phú và đa dạng. Vì vậy, nước ta có nhiều điều kiện để tự trồng trọt và khai thác dược liệu trong nước, đó chính là điều kiện thuận lợi để phát triển công nghiệp chiết xuất dược liệu.

Các kỹ thuật chiết xuất hiện nay

Các kỹ thuật chiết xuất thông thường:

  • Quá trình ngâm, sắc: Đầu tiên, nguyên liệu được nghiền nhỏ nhằm tăng diện tích tiếp xúc với dung môi. Sau đó là quá trình ngâm chiết với dung môi ở một khoảng thời gian nhất định. Cuối cùng, lọc bỏ bã để thu dịch lọc và cô đặc để thu thành phẩm. Ưu điểm của phương pháp này là rẻ, đơn giản nhưng quy mô nhỏ và hiệu suất chiết tách thấp.
  • Kỹ thuật Soxhlet: Mẫu chiết được chứa trong một ống thủy tinh có nhiều lỗ nhỏ, bên dưới được lót bằng các lớp giấy lọc hoặc vải xenlulozo. Dung môi chiết sẽ được đun nóng trong bình cầu và hơi bốc lên và được ngưng tụ bằng sinh hàn. Khi dung môi ngưng tụ sẽ quay về qua ống thủy tinh chứa mẫu rồi chảy về lại bình cầu chứa dung môi qua hệ thống ống xi-phông. Quá trình này được thực hiện lặp đi lặp lại cho đến khi quá trình chiết xuất hoàn tất.

 

Hình 1: Hệ thống chiết xuất Soxhlet

  • Chưng cất bằng nước: Được thực hiện bằng nước cất và được sử dụng để chiết xuất phần dễ bay hơi trong nguyên liệu. Phương pháp này thường mất 6-8 giờ và không liên quan đến dung môi hữu cơ. Kỹ thuật này gồm ba quá trình chính: khuếch tán bằng nước, thủy phân và phân hủy bằng nhiệt.

Năng suất thấp, sử dụng dung môi độc tính, rủi ro an toàn… là những hạn chế của các kỹ thuật chiết xuất thông thường từ đó thúc đẩy sự phát triển công nghệ chiết xuất hiện đại để giảm thiểu hoặc loại bỏ việc sử dụng dung môi hữu cơ.

Các kỹ thuật chiết xuất hiện đại:

  • Chiết xuất chất lỏng siêu tới hạn (SCF): Chiết xuất siêu tới hạn được đặc trưng bởi những thay đổi về nhiệt độ và áp suất, biến đổi khí thành chất lỏng siêu tới hạn, trong đó pha khí và pha lỏng không thể phân biệt được. Kỹ thuật này có thể được tóm tắt trong hai bước: hòa tan các hợp chất hóa học có trong chất nền rắn, sau đó tách chúng trong dung môi siêu tới hạn. Dung môi chảy qua lớp đệm và hòa tan các hợp chất có trong chất nền. Sau đó, dung môi rời khỏi máy chiết xuất và bằng cách giảm áp suất và tăng nhiệt độ, nó trở thành chiết xuất không có dung môi (Silva et al., 2016 ) Chiết xuất siêu tới hạn chủ yếu được sử dụng để cô lập các hợp chất hoạt tính sinh học không phân cực (carotenoid và lipid). Độ hòa tan của các chiết xuất phụ thuộc vào mật độ của dung môi. Do đó cũng sẽ sử dụng các chất lỏng siêu tới hạn khác nhau như: CO2, propan, etan, eten, metanol, nitơ oxit, n-buten, n-penten, lưu huỳnh hexafluoride và nước (Silva, Rocha-Santos và Duarte, 2016 ).

 

Hình 2: Chiết xuất sử dụng CO2 siêu tới hạn

  • Chiết xuất bằng chất lỏng dưới áp suất cao (PLE): Các dung môi lỏng, ở nhiệt độ và áp suất cao, được sử dụng để làm giảm sức căng bề mặt của dung môi, từ đó tạo điều kiện cho dung môi thâm nhập vào các lỗ rỗng của mẫu chiết. Do có sự kết hợp giữa áp suất cao và nhiệt độ cao nên phương pháp này chỉ yêu cầu một lượng nhỏ dung môi và làm tăng tốc độ chiết lên đáng kể. Nghiên cứu đã được so sánh với phương pháp Soxhlet và có hiệu quả tương đối khoảng 113% khi so sánh. Nhược điểm duy nhất của phương pháp này là nó đòi hỏi thiết bị phức tạp vì phải áp dụng áp suất và nhiệt độ chiết xuất cao hơn.

 

Hình 3: Chiết xuất bằng chất lỏng dưới áp suất cao

  • Chiết xuất hỗ trợ siêu âm (UAE): Siêu âm là một loại sóng âm thanh đặc biệt có tần số từ 20 kHz đến 100 MHz. Siêu âm có tác dụng đẩy nhanh quá trình truyền nhiệt và khối lượng thông qua việc phá vỡ thành tế bào thực vật, dẫn đến giải phóng tốt hơn các hợp chất mục tiêu từ một số nguồn tự nhiên (Roselló-Soto et al., 2015 ). Chiết xuất bằng siêu âm liên quan đến hai loại hiện tượng vật lý chính: khuếch tán qua thành tế bào và rửa sạch nội dung tế bào sau khi phá vỡ thành tế bào. Nhiệt độ, áp suất, tần số và thời gian siêu âm là tất cả các yếu tố điều chỉnh hoạt động của siêu âm (Rajha et al., 2015 ; Vinatoru, 2001 ). Siêu âm tương đối dễ sử dụng, nó đa năng, linh hoạt và đòi hỏi đầu tư thấp so với các kỹ thuật chiết xuất khác. Siêu âm đã được sử dụng để chiết xuất các phân tử và nhiều loại vật liệu sinh học, bao gồm polysaccharides, tinh dầu, protein, peptide, thuốc nhuộm, sắc tố và hợp chất hoạt tính sinh học (Briones-Labarca et al., 2015 ; Tiwari, 2015 ).
  • Chiết xuất hỗ trợ vi sóng (MAE): Vi sóng là điện từ trường với tần số dao động thường từ 300 MHz đến 300 GHz với hai trường dao động vuông góc, chẳng hạn như tần số trường điện và trường từ. Vi sóng là nguồn nhiệt không tiếp xúc có thể cung cấp nhiệt hiệu quả hơn, đẩy nhanh quá trình truyền năng lượng và giảm độ dốc nhiệt. Một số loại hợp chất, chẳng hạn như tinh dầu, chất chống oxy hóa, sắc tố, hương liệu và các hợp chất hữu cơ khác, có thể được tách hiệu quả bằng phương pháp này (Li et al., 2013 ). Theo Leadbeater (2014 ), việc sử dụng thiết bị vi sóng là một công nghệ đang phát triển mạnh mẽ vì có thể dễ dàng, an toàn và có thể tái tạo được nhiệt độ cao hơn, thời gian phản ứng có thể được giảm, năng suất có thể được tăng lên và độ tinh khiết có thể được cải thiện so với các phương pháp gia nhiệt thông thường. Kỹ thuật này có thể được thực hiện có hoặc không có bất kỳ dung môi nào được thêm vào (Oroian & Escriche, 2015 ).

 

Hình 4: Chiết xuất sử dụng vi sóng

  • Chiết xuất trường điện xung (PEF): Nguyên lý của chiết xuất điện trường xung là tạo ra sự điện di màng tế bào, do đó làm tăng hiệu suất chiết xuất. Một điện thế đi qua màng tế bào và tách các phân tử theo điện tích của chúng. Sự đẩy lùi này tạo thành các lỗ rỗng, làm tăng tính thấm của chúng (Azmir et al., 2013 ; Rajha và cộng sự, 2015). Trường điện xung là một công cụ hữu ích để thu hồi có chọn lọc các hợp chất có giá trị từ các mô trái cây và rau quả khác nhau theo quan điểm kinh tế và bền vững, chủ yếu là do khả năng làm mềm và phá vỡ màng tế bào, do đó tạo điều kiện giải phóng các hợp chất nội bào (Roselló-Soto et al., 2015 ). Hiệu quả của quá trình xử lý phụ thuộc vào các thông số quy trình, bao gồm trường cường độ, năng lượng đầu vào, số xung, nhiệt độ và tính chất vật liệu (Azmir et al., 2013 ).
  • Phóng điện cao áp: Trong kỹ thuật này, năng lượng được đưa trực tiếp vào dung dịch nước thông qua kênh plasma được hình thành bởi dòng điện phóng điện áp cao giữa hai điện cực chìm (Barba et al., 2015 ). Cường độ của trường điện có thể tạo ra một trận tuyết lở các electron chịu trách nhiệm bắt đầu lan truyền dòng điện tích dương cho điện cực âm. Các hiện tượng thứ cấp, chẳng hạn như bọt khí, nhiễu loạn và sóng xung kích áp suất, góp phần cải thiện tổn thương tế bào, tạo điều kiện giải phóng các hợp chất và chiết xuất các phân tử sinh học từ tế bào chất của tế bào (Rajha et al., 2015 ). Trong một nghiên cứu so sánh giữa các kỹ thuật thông thường, trường điện xung và phóng điện áp cao, Parniakov et al. (2014 ) kết luận rằng phương pháp sau cho hiệu quả chiết xuất tốt hơn để thu hồi các hợp chất có giá trị cao. Tuy nhiên, các phóng điện có thể tạo ra quá trình điện phân hóa học và các gốc tự do, có thể phản ứng với các hợp chất có giá trị và chất chống oxy hóa, làm giảm các đặc tính có lợi của chúng.
  • Áp suất thủy tĩnh cao (HHP): Công nghệ này hoạt động dưới áp suất thường dao động từ 100 đến 1.000 MPa (Briones-Labarca et al., 2015 ). Áp suất cao tạo ra sự mất proton của các nhóm tích điện và phá vỡ các liên kết kỵ nước và cầu muối, dẫn đến sự thay đổi hình dạng và biến tính protein. Dung môi bổ sung có thể xâm nhập vào tế bào và các hợp chất khác có thể thấm qua màng tế bào, làm tăng năng suất (Briones-Labarca et al., 2015 ).
  • Chiết xuất bằng enzyme (EAE): Chiết xuất hỗ trợ bằng enzyme là một kỹ thuật mới nhất khác để cải thiện kỹ thuật chiết xuất, enzyme được thêm vào môi trường chiết xuất. Thành tế bào thực vật và màng tế bào trực tiếp ngăn chặn việc giải phóng các hợp chất bên trong tế bào. Chức năng chính của enzyme là làm suy yếu hoặc làm nhão thành tế bào khi được chiết xuất từ ​​vật liệu thực vật. Điều này cung cấp khả năng tiếp cận dung môi cho các thành phần hoạt tính (Nadar, S. S.; Rao, P.; Rathod, V. K. 2018). Lipase, α-amylase, pectinase, amyloglucosidase, laccase và protease là những enzyme thường được sử dụng để chiết xuất bằng enzyme. EAE nổi tiếng với đặc tính là một quá trình thân thiện với môi trường. Enzym hoạt động tốt nhất trong môi trường có tính axit và nước được sử dụng làm dung môi hữu cơ hoặc làm chất thay thế hóa học. Thời gian chiết xuất kéo dài (3 giờ đến 48 giờ) là nhược điểm chính của EAE.[ Malik, J., and Mandal, S. C. 2018]

Ngoài ra, các phương pháp chiết xuất hiện đại cũng có thể được kết hợp với nhau để tăng năng xuất, giảm thời gian cũng như chi phí chiết xuất các hợp chất cần thiết.

Ứng dụng Chiết xuất trong Mỹ phẩm

Các chiết xuất tự nhiên được sử dụng dưới nhiều dạng như tinh dầu (essential oils), cồn thuốc (tinctures), tuyệt đối (absolutes) hay nước hoa hồng (hydrosols), và được tích hợp vào các sản phẩm như kem dưỡng, serum, mặt nạ. Một số ví dụ phổ biến bao gồm:

  • Chiết xuất lô hội (Aloe vera): Có đặc tính làm dịu và dưỡng ẩm, thường dùng trong kem dưỡng hoặc gel phục hồi da.
  • Chiết xuất trà xanh (Green tea): Giàu polyphenol, đặc biệt là EGCG, cung cấp khả năng chống oxy hóa và bảo vệ da khỏi tia UV.
  • Chiết xuất cam thảo (Licorice): Chứa glabridin, giúp làm sáng da và giảm thâm nám.
  • Chiết xuất cúc La Mã (Chamomile): Có tác dụng kháng viêm, phù hợp với da nhạy cảm.

Dược sĩ bào chế phải đảm bảo tính ổn định của chiết xuất trong công thức, xem xét các yếu tố như độ nhạy với ánh sáng, nhiệt độ và tương thích với các thành phần khác. Ví dụ, chiết xuất trà xanh dễ bị oxy hóa, đòi hỏi bao bì kín khí hoặc bổ sung chất chống oxy hóa như vitamin E. Ngoài ra, an toàn là yếu tố quan trọng. Dù tự nhiên, một số chiết xuất có thể gây kích ứng hoặc dị ứng (như tinh dầu oải hương ở người nhạy cảm). Do đó, cần thử nghiệm kỹ lưỡng và sử dụng ở nồng độ phù hợp, tuân thủ các tiêu chuẩn quy định như Cosmetic Regulation (EC) No 1223/2009 của EU hoặc Federal Food, Drug, and Cosmetic Act của FDA.

Xu hướng Tương lai của Công nghệ Chiết xuất

Công nghệ chiết xuất trong mỹ phẩm đang phát triển theo các hướng sau:

  • Chiết xuất xanh (Green Extraction): Tập trung vào các phương pháp thân thiện môi trường, giảm sử dụng dung môi hóa học và năng lượng. Ví dụ, chiết xuất hỗ trợ enzyme sử dụng enzyme tự nhiên để phân giải tế bào thực vật.
  • Công nghệ sinh học (Biotechnology): Sử dụng vi sinh vật hoặc nuôi cấy tế bào thực vật để sản xuất hợp chất hoạt tính, thay thế việc khai thác từ tự nhiên, đảm bảo tính bền vững và đồng nhất.
  • Công nghệ nano (Nanotechnology): Tăng hiệu quả thẩm thấu qua da bằng cách bao gói chiết xuất trong nanoemulsion hoặc liposome, cải thiện độ ổn định và khả năng phân phối.
  • Mỹ phẩm cá nhân hóa (Personalized Cosmetics): Dựa trên phân tích di truyền hoặc vi sinh vật da, chiết xuất được tùy chỉnh để đáp ứng nhu cầu riêng của từng cá nhân.

Những xu hướng này phản ánh sự đổi mới không ngừng để đáp ứng yêu cầu về hiệu quả, an toàn và tính bền vững trong ngành mỹ phẩm.

Kết luận

Việc chiết xuất các hợp chất hoạt tính sinh học liên quan đến các cơ chế phức tạp và có thể được thực hiện bằng nhiều kỹ thuật khác nhau. Nhằm cải thiện năng suất chiết xuất, giảm thời gian xử lý và giảm thiệt hại môi trường do dung môi độc hại gây ra, người ta đã chứng minh rằng việc thay thế các kỹ thuật thông thường bằng các công nghệ xanh là rất hứa hẹn.Nhiều nhà nghiên cứu hiện đang tập trung vào việc sử dụng kết hợp các công nghệ chiết xuất sáng tạo này. Tuy nhiên, các quy trình chiết xuất độc đáo này vẫn cần được phát triển đầy đủ trong khi cần có các điều kiện tối ưu để thực hiện quy trình mở rộng quy mô. Các quy trình này có thể là một bước thiết yếu hướng tới việc sản xuất và sử dụng lâu dài các hợp chất sinh học từ cây dược liệu. Những phương pháp ở trên là cơ sở thực tiễn có thể áp dụng sâu rộng vào các nghiên cứu cũng như sản xuất thực tế.

Tài liệu tham khảo

  1. A green ultrasound-assited enzymatic extraction method for effcient extraction of total polythenols from Empetrum nigrum and determination of its bioactivities (Yuan Gao, Yutong Shi, Na Miao, Wenxin Xing, Cholil Yun, Shengfang Wang, Wenjie Wang, Huimei Wang) https://doi.org/10.1016/j.jiec.2022.02.041
  2. Traditional and innovative approaches for the extraction of bioactive compound (Ifrah Usman, Muzzamal Hussain, Ali Imran, Muhammad Afzaal, Farhan Saeed, Mehak Javed ,Atka Afzal, Iqra Ashfaq, Entessar Al Jbawi & Shamaail A. Saewan) https://doi.org/10.1080/10942912.2022.2074030
  3. Green technologies for the extraction of bioactive compounds in fruits and vegetables (Soquetta et al., 2018) https://doi.org/10.1080/19476337.2017.1411978
  4. Azmir, J., et al. (2013). Techniques for extraction of bioactive compounds from plant materials: A review. Journal of Food Engineering, 117(4), 426-436.
  5. Dweck, A. C. (2009). Natural ingredients for colouring and styling. International Journal of Cosmetic Science, 31(2), 89-99.
  6. Ribeiro, A. S., et al. (2015). Main benefits and applicability of plant extracts in skin care products. Cosmetics, 2(2), 48-65.