Tối ưu hóa quá trình tách chiết các hợp chất polyphenol từ cây tầm bóp (Physalis angulata l.)

1. Mở đầu

Tầm bóp (Physalis angulata L.) là một loại thực vật thuộc họ Cà (Solanaceae), có nguồn gốc từ các vùng nhiệt đới châu Mỹ. Chúng mọc hoang khắp nơi, ở trên các bãi ruộng, bãi cỏ, đất hoang hay ven đường làng quê ở khắp châu Âu, châu Phi, châu Á, châu Úc và các đảo ở Thái Bình Dương. Ngoài ra, cũng còn thấy ở ven rừng từ vùng thấp đến vùng có độ cao 1500m so với mặt nước biển. Ở Việt Nam, cây tầm bóp không rõ xuất hiện từ lúc nào, nhưng đã từ lâu nó đã trở thành cây mọc hoang dại trên mọi miền đất nước, được người dân dùng làm rau ăn và dùng làm thuốc trong dân gian để chữa bệnh [1].

Theo các nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy, ngoài các thành phần trao đổi chất sơ cấp như protein, pectin, một số acid béo [2], cây tầm bóp còn chứa các hợp chất khác thuộc các nhóm chất như polyphenol, steroid, alkaloid... [3-5]. Cây Tầm bóp nhiều tác dụng sinh học như có tác dụng kháng khuẩn, chống ung thư, hạ huyết áp,… Quả tầm bóp ăn được và dùng chữa đờm nhiệt sinh ho, thủy thũng… Rễ tươi nấu với tim lợn, chu sa dùng ăn chữa được chứng tiểu đường [1,6]. Mặc dù có nhiều nghiên cứu về thành phần hóa học và hoạt tính sinh học của các hợp chất phân lập được từ cây tầm bóp, nhưng chưa có nghiên cứu về tối ưu hóa điều kiện tách chiết các hợp chất polyphenol từ cây Tầm bóp ở Việt Nam. Chính vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành tối ưu hóa điều kiện tách chiết các hợp chất polyphenol từ cây tầm bóp và đánh giá khả năng kháng oxy hóa của cao chiết giàu các hợp chất polyphenol.

2. Kết quả nghiên cứu

2.1. Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách đến quá trình tách chiết các hợp chất polyphenol tổng số từ cây tầm bóp

Ảnh hưởng của loại dung môi

Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng dung môi là nước cất, ethanol, methanol, acetone; nhiệt độ chiết ở 30°C, tỷ lệ nguyên liệu dung môi là 1/20 và trong thời gian 30 phút. Hỗn hợp thu được sau khi chiết sẽ được đem đi ly tâm ở tốc độ 6000 vòng 4°C trong thời gian 10 phút thu lấy dịch trong. Hàm lượng polyphenol tổng số được xác định theo phương pháp Folin- Ciocalteu và trình bày trong bảng 1.

Bảng 1. Ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm lượng polyphenol tổng số của cây tầm bóp

Ghi chú: Trong cùng một hàng, số liệu mang các chữ cái khác nhau thì khác nhau với mức ý nghĩa p < 0,05

Kết quả từ bảng 1 cho thấy, loại dung môi ảnh hưởng lớn đến hàm lượng polyphenol tổng số. Khi chiết bằng nước cất, hàm lượng polyphenol tổng số đạt giá trị cao nhất (7,48 ± 0,02mg GAE/g CK). Methanol có khả năng chiết polyphenol cao thứ hai (4,49 ± 0,27mg GAE/g CK), sau đó tới ethanol (1,48 ± 0,01mg GAE/g CK) và cuối cùng là aceton (1,18 ± 0,13mg GAE/g CK). Như vậy về khả năng chiết polyphenol từ cây tầm bóp thì hàm lượng polyphenol giảm dần tương ứng với các dung môi nước cất, methanol, ethanol, aceton. Xét về độ phân cực thì nước có độ phân cực mạnh nhất sau đó tới ethanol, methanol và aceton có độ phân cực nhỏ nhất. Các hợp chất trong polyphenol thường là các hợp chất phân cực trung bình và phân cực mạnh. Như vậy, nước cho hàm lượng polyphenol cao nhất chứng tỏ trong cây tầm bóp có các hợp chất polyphenol phân cực mạnh nhiều hơn. Vì vậy, nước cất được lựa chọn để tiến hành cho các thí nghiệm tiếp theo.

Ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu/dung môi

Trong thí nghiệm này, chúng tôi tiến hành tách chiết polyphenol tổng số từ cây tầm bóp với tỉ lệ nguyên liệu/dung môi là 1/10, 1/20, 1/40, 1/100 (g/ml), ở nồng độ 30°C, thời gian tách chiết là 30 phút. Kết quả được trình bày trong bảng 1.

Kết quả cho thấy, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi ảnh hưởng đến hàm lượng polyphenol tổng số. Hàm lượng polyphenol tổng số tăng khi tăng tỉ lệ nguyên liệu dung môi và cao nhất ở tỉ lệ nguyên liệu/dung môi 1/100 (g/ml) với hàm lượng polyphenol tổng số là 9,94 ± 0,63mg GAE/g CK. Vì vậy, trong khuôn khổ nghiên cứu này, chúng tôi không đưa tỉ lệ nguyên liệu dung môi vào mô hình hóa và chọn tỉ lệ nguyên liệu/dung môi 1/100 cho những nghiên cứu tiếp theo.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Cùng với loại dung môi, tỷ lệ nguyên liệu dung môi thì nhiệt độ cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu suất trích li polyphenol. Theo dõi sự ảnh hưởng của yếu tố này tôi tiến hành chiết bằng nước cất với tỷ lệ nguyên liệu/dung môi là 1/100 ở 4 mức nhiệt khác nhau 30°C, 50°C, 70°C, 90°C trong thời gian 30 phút. Kết quả được trình bày trong bảng 1.

Kết quả xử lí thống kê cho thấy, nhiệt độ ảnh hưởng có ý nghĩa đến hàm lượng polyphenol tổng số khi tăng từ 30°C đến 50°C. Khi chiết ở nhiệt độ 50°C, hàm lượng polyphenol tổng số đạt cao nhất (12,17 ± 0,56mg GAE/g CK). Ở mức ý nghĩa α = 0,05 hàm lượng polyphenol tổng số ở các nhiệt độ 70°𝙲 và 90°𝙲 cho kết quả khác nhau không có ý nghĩa thống kê (lần lượt là 11,85 ± 0,38mg GAE/g CK và 11,70 ± 0,84mg GAE/g CK) so với kết quả khi chiết ở nhiệt độ 50°C, đồng thời cũng khác nhau so với kết quả khi chiết ở nhiệt độ 30°C. Kết quả này chứng tỏ polyphenol chiết từ cây tầm bóp là các hợp chất bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Khi nhiệt độ chiết tăng làm độ nhớt của dung môi giảm, tăng tốc độ thẩm thấu của dung môi vào tế bào tạo điều kiện cho quá trình khếch tán các hợp chất thứ cấp vào dung môi thuận lợi. Nhiệt độ quá thấp sẽ làm chậm quá trình hòa tan, hiệu suất thu hồi thấp. Tuy nhiên, nếu tiến hành chiết ở nhiệt độ quá cao thì chất lượng dịch chiết sẽ giảm, một phần các glycoside sẽ bị phá hủy và hòa tan trong dịch chiết những tạp chất không mong muốn và có thể làm thay đổi cấu trúc polyphenol. Đồng thời, khi chiết ở nhiệt độ cao sẽ làm tăng chi phí sản xuất. Vì vậy trong thí nghiệm tiếp theo, chúng tôi chọn điều kiện nhiệt độ chiết là 50°𝙲 và đồng thời làm giá trị trung tâm với khoảng biến đổi là 10°𝙲 để đưa vào mô hình.

Ảnh hưởng của thời gian chiết

Bên cạnh yếu tố dung môi, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi, nhiệt độ thì thời gian chiết cũng là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất. Thí nghiệm ảnh hưởng thời gian chiết, mẫu được chiết với tỉ lệ nguyên liệu/dung môi là 1/100, nhiệt độ tách chiết là 50°𝙲 và chiết ở điều kiện thời gian như sau: 10; 30; 60 và 90 phút. Kết quả xác định ảnh hưởng của thời gian đến hàm lượng polyphenol tổng số được trình bày trong bảng 1.

Kết quả xử lí số liệu bằng phần mềm Minitab cho thấy, với mức ý nghĩa α = 0,05, hàm lượng polyphenol tổng số ở các thời gian chiết 30 phút, 60 phút, 90 phút khác nhau không có ý nghĩa, đều cho giá trị cao; và khác nhau có ý nghĩa với hàm lượng polyphenol tổng số ở thời gian chiết 10 phút. Như vậy, hàm lượng polyphenol tổng số tăng dần theo thời gian. Kết quả thu được phù hợp với cơ sở lí thuyết của phương pháp trích li, do quá trình trích cần một khoảng thời gian để dung môi xâm nhập vào trong tế bào, sau đó hòa tan một số hợp chất rồi rút chúng ra dung dịch. Tuy nhiên, khi kéo dài thời gian chiết sẽ tiêu tốn năng lượng và có thể làm thay đổi polyphenol thành phần. Vì vậy, thời gian chiết 30 phút được lựa chọn cho quá trình tách chiết polyphenol ở các thí nghiệm tiếp theo.

2.2. Mô hình hóa quá trình tách chiết các hợp chất polyphenol tổng số từ cây tầm bóp

Trong 4 yếu tố khảo sát ở trên, chúng tôi nhận thấy cả 4 yếu tố là loại dung môi, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi, nhiệt độ và thời gian chiết đều ảnh hưởng đến hàm lượng polyphenol tổng số từ cây tầm bóp. Tuy nhiên, trong 4 loại dung môi khảo sát, dựa vào kết quả phân tích ở trên trên, dung môi nước đã được lựa chọn để khảo sát các điều kiện khác. Bên cạnh đó, thí nghiệm khảo sát tỉ lệ nguyên liệu/dung môi cho thấy, hàm lượng polpyphenol tổng số tăng lên khi sử dụng thể tích dung môi chiết lớn, tuy nhiên, nghiên cứu chỉ khảo đến tỉ lệ nguyên liệu/dung môi 1/100 (g/ml), đồng thời, đây cũng là tỉ lệ sử dụng nhiều dung môi. Do đó, chúng tôi cố định hai yếu tố: dung môi chiết là nước và tỉ lệ nguyên liệu/dung môi 1/100 (g/ml). Trong bài báo cáo này, chúng tôi chỉ công bố kết quả mô hình hóa hai yếu tố ảnh hưởng đến hàm mục tiêu Y là hàm lượng polyphenol tổng số thu được từ cây tầm bóp (mg GAE/g CK). Mô hình có dạng: Y = b0 + b1X1 + b2X2 + b11X12 + b22X22 + b12X12. Trong đó, X1 là nhiệt độ chiết (°C), X2 là thời gian chiết (phút). Các mức thí nghiệm được giới thiệu trong bảng 2.

Bảng 2. Các mức thí nghiệm sử dụng trong mô hình

Từ các mức thí nghiệm như trên, bảng ma trận thực nghiệm đã được xây dựng. Các thí nghiệm được tiến hành theo bảng ma trận thực nghiệm và xác định hàm lượng polyphenol tổng số, kết quả được thể hiện trong bảng 3.

Bảng 3: Ma trận thực nghiệm và kết quả xác định hàm lượng polyphenol tổng số của cây tầm bóp

Từ các kết quả thu được và sử dụng phần mềm Minitab, chúng tôi tiến hành mô hình hóa theo hàm polyphenol tổng số. Kết quả phân tích cho giá trị các hệ số của mô hình được trình bày trong bảng 4 dưới đây.

Bảng 4: Ước lượng tham số mô hình dự đoán và ảnh hưởng của các biến đến hàm mục tiêu

Từ các hệ số của mô hình, mô hình mô tả ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ và thời gian đến hàm lượng polyphenol tổng số thu được từ cây tầm bóp được biểu diễn như sau:

Y = 9,8096 – 0,0305X₁ + 0,0458X₂ + 0,0025X₁X₂ - 0,0004X₁² - 0,0029X₂²

Kết quả từ mô hình cho thấy, các yếu tố công nghệ riêng lẻ nhiệt độ (X1) và thời gian (X2) đều ảnh hưởng không có ý nghĩa đến hàm mục tiêu (p > 0,05). Yếu tố bình phương của nhiệt độ ảnh hưởng không có ý nghĩa đến hàm mục tiêu (p > 0,05), trong khi yếu tố bình phương thời gian ảnh hưởng có ý nghĩa đến hàm này (p < 0,05). Cặp tương tác nhiệt độ - thời gian cũng ảnh hưởng không có ý nghĩa đến hàm mục tiêu (p > 0,05).

Mô hình đáp ứng về mặt (hình 1) thể hiện sự tương tác cặp của hai yếu tố nhiệt độ - thời gian và dựa vào mô hình này xác định được giá trị tối ưu của từng yếu tố ảnh hưởng làm mục tiêu đạt giá trị cực đại. Kết quả cho thấy, hàm lượng polyphenol tổng số đạt giá trị cực đại là 13,47±0,96 mg GAE/g CK khi cây tầm bóp được chiết tách ở nhiệt độ 64,14°C trong thời gian chiết 35,57 phút.

Hình 1: Mô hình đáp ứng bề mặt sự ảnh hưởng của các yếu tố tới TPC và giá trị của TPC thu được tại điểm tối ưu

Sau khi xác định được các điều kiện tối ưu trên, thí nghiệm kiểm tra kết quả mô hình được thực hiện. Khi lặp lại thí nghiệm 3 lần tại điều kiện tối ưu, kết quả hàm lượng polyphenol tổng số thu được là 14,24 ± 0,43mg GAE/g CK, không có sự khác biệt so với các kết quả tính toán từ mô hình (p < 0,05). Với nghiên cứu về quá trình tách chiết polyphenol bằng phương pháp đáp ứng bề mặt từ dịch chiết cây tầm bóp, Ana và cộng sự [7] đã tiến hành khảo sát dịch chiết từ quả của cây tầm bóp ở hai giai đoạn quả trưởng thành và quả chín sử dụng dung môi chiết là methanol. Kết quả ở giai đoạn quả trưởng thành hàm lượng polyphenol thu được là l284,17 ± 0,06mg GAE/g và quả chín là 314,84 ± 0,07mg GAE/g. Với kết quả trên thu được hàm lượng polyphenol khá cao so với kết quả nghiên cứu của chúng tôi. Từ đó có thể thấy rằng ngoài các điều kiện tách chiết như loại dung môi, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi, thời gian, nhiệt độ thì các yếu tố khác như giống cây, khí hậu hay vùng đất trồng đều là những yếu tố quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến hàm lượng polyphenol.

3. Kết luận

Nghiên cứu đã khảo sát được ảnh hưởng của các yếu tố: loại dung môi, tỉ lệ nguyên liệu/dung môi, nhiệt độ và thời gian chiết ảnh hưởng đến hàm lượng polyphenol tổng số từ lá cây tầm bóp. Trong đó, hai yếu tố nhiệt độ và thời gian chiết được lựa chọn để đưa vào mô hình mô tả quá trình chiết tách polyphenol tổng số từ cây tầm bóp.

Đã xây dựng được mô hình mô tả ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ (X1) và thời gian chiết (X2) đến hàm lượng polyphenol tổng số như sau: Y = 9,8096 – 0,0305X₁ + 0,0458X₂ + 0,0025X₁X₂ - 0,0004X₁² - 0,0029X₂²

Điều kiện chiết tách tối ưu cho phép thu đươc dịch chiết có hàm lượng polyphenol cao nhất với nhiệt độ chiết là 64,14°C trong thời gian chiết 35,57 phút. Ở điều kiện này, dịch chiết thu được có hàm lượng polyphenol tổng số là 13,47±0,96mg GAE/g CK, phù hợp với kết quả kiểm tra mô hình bằng thực nghiệm là 14,24 ± 0,43mg GAE/g CK.

Tài liệu tham khảo

1. Võ Văn Chi (2018) “Từ điển cây thuốc Việt Nam”, Nhà xuất bản Y học Hà Nội, tập 2 – tái bản lần thứ 2.

2. Vaghasiya H.V, Chothani D.L ( December 2012), A phyto-pharmacological overview on Physalis minima Linn, Indian Journal of Natural Products and Resources, 3(4), 477-482.

3. Ramachandra L, Sarma N.S, Reddy K.S, Matsuura T, Nakashima R (1978), The structure of physalis F and J from physalins angualata and P. Lancifolia, Phytochemistry, 17, 1647- 1650.

4. Basey K, B. A. Mc Gaw, J. G. Wooley (1992), Physalis alkekegin var. Francheti and their Phygrine, an alkaloid from Physalis speciesdifferentiation inducing activity, Phytochemistry, 31(12), 4173-4176.

5. Kazushi S, Shoji Y, Toshihiro N, Hikaru O (1992), Three New Withanolides, Physagulins A, B and D from physalis angualata L, Chemical and Pharmaceutial Bulletin, 48(8), 2088-2091.

6. Đỗ Huy Bích, Đặng Quang Trung, Bùi Xuân Chương, Nguyễn Thượng Dong, Đỗ Trung Đàm, Phạm Văn Hiển, Vũ Ngọc Lộ, Phạm Duy Mai, Phạm Kim Mãn, Đoàn Thị Nhu, Nguyễn Tập, Trần Toàn (2004) “Cây thuốc và động vật làm thuốc ở Việt Nam”, Nhà xuất bản Khoa học và Công nghệ Hà Nội, tập II.

7. Ana M. O, Lovemore N. M, Camila A. P, Trust B, Rosemary H. R (2020), Phenolic acids from fruits of Physalis angualata L. in two stages of maturation, South African Journal of Botany, 131, 448- 453.

Vũ Thị Huyền - Khoa Công nghệ thực phẩm