Ảnh hưởng của thông số quy trình đến chiết xuất polyphenol từ lá chè xanh (camellia sinensis l.) bằng phương pháp chiết siêu âm

T¹p chÝ y - d−îc häc qu©n sù sè chuyªn ®Ò d−îc-2016 68 ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ QUY TRÌNH ĐẾN CHIẾT XUẤT POLYPHENOL TỪ LÁ CHÈ XANH (Camellia sinensis L.) BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾT SIÊU ÂM Nguyễn Hoàng Hiệp*; Nguyễn Đức Cường* Phan Thị Thu Hằng*; Nguyễn Trọng Điệp* TÓM TẮT Mục tiêu: Đánh giá ảnh hưởng của các thông số quy trình chiết siêu âm đến hàm lượng polyphenol từ lá chè xanh (LCX) (Camellia sinensis L.). Đối tượng và phương pháp: LCX thu hái ở khu vực Ba Vì. Định lượng polyphenol toàn phần bằng UV-Vis. Chiết xuất polyphenol bằng phương pháp siêu âm, khảo sát ảnh hưởng của các thông số về dung môi, tỷ lệ DM/DL, số lần và thời gian chiết đến hàm lượng và hiệu suất chiết polyphenol. Kết quả: phương pháp chiết siêu âm cho hiệu suất chiết polyphenol cao hơn, tốn ít dung môi và thời gian chiết ngắn hơn phương pháp chiết nóng. Hiệu suất chiết polyphenol tăng khi tăng nồng độ ethanol, ethanol 60% cho hiệu suất cao nhất, sau đó giảm dần. Tỷ lệ DM/DL, số lần chiết và thời gian chiết ảnh hưởng rõ rệt đến hàm lượng polyphenol chiết được. Kết luận: đã khảo sát được một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chiết polyphenol trong LCX bằng phương pháp chiết siêu âm, từ đó lựa chọn được các thông số thích hợp gồm: dung môi chiết xuất ethanol 60%, nhiệt độ chiết 700C, chiết 1 lần với tỷ lệ DM/DL là 10/1, thời gian chiết 90 phút/lần. * Từ khóa: Lá chè xanh; Polyphenol toàn phần; Chiết siêu âm. Influence of Process Parameters on the Extraction of Total Polyphenol from Green Tea Leaves (Camellia sinensis L.) by Ultrasonic Extraction Method Summary Objectives: To study the influence of process parameters on the total polyphenol content from green tea leaves (Camellia sinensis L.). Subjects and methods: Green tea leaves were collected in Bavi mountainous area. Total polyphenol content was quantified by UV-Vis method. Polyphenols were extracted using ultrasonic extraction method. The parameters of solvent, the solvent/solid ratio, frequency and duration of extraction were evaluated to the content and yield of extracted polyphenol. Results: The ultrasonic extraction method showed a higher polyphenol yield, consumed less solvent and shorter duration of extraction than that of hot water extraction method. The polyphenol extraction efficiency increases along with an increase in concentration of ethanol, ethanol 60% gets the highest efficacy then decreases. The percentage of solvent/solid, frequency and duration extraction impacted significantly total polyphenol content. Conclusion: The optimized ultrasonic extraction parameters were ultrasonic frequency 60 MHz, 60% ethanol in water as extraction solvent, temperature of 70oC, extracted once with the solvent/solid ratio of 10/1 for 90 minutes. * Key words: Green tea leaves; Camellia sinensis L.; Total polyphenol; Ultrasonic extraction. * Học viện Quân y Người phản hồi (Corresponding): Nguyễn Trọng Điệp (diepvmmu@gmail.com) Ngày nhận bài: 20/07/2016; Ngày phản biện đánh giá bài báo: 31/08/2016 Ngày bài báo được đăng: 12/09/2016 T¹P CHÝ Y - D¦îc häc qu©n sù sè chuyªn ®Ò d−îc-2016 69 ĐẶT VẤN ĐỀ Cây chè (Camellia sinensis L.) được trồng phổ biến ở Việt Nam và sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm, đồ uống và mỹ phẩm. Các nghiên cứu gần đây đã làm sáng tỏ thành phần hóa học và tác dụng sinh học của chè xanh. Trong đó, polyphenol là nhóm hoạt chất chính, có hàm lượng cao, liên quan đến các tác dụng sinh học quan trọng của chè xanh như: chống oxy hóa, hỗ trợ điều trị các bệnh ung thư, tim mạch, đái tháo đường, béo phì, ức chế sự phát triển của HIV... [6, 7]. Trong sản xuất, các sản phẩm từ chè xanh thường dùng búp và lá non, trong khi lá già ít được sử dụng (chủ yếu để nấu nước uống). Mặc dù vậy, lá già của cây chè xanh cũng chứa hàm lượng polyphenol tương đối cao nên có thể sử dụng làm nguyên liệu chiết xuất hoạt chất này. Hiện nay, để chiết xuất polyphenol từ nguồn nguyên liệu tự nhiên, một số kỹ thuật mới như chiết xuất với sự tác động của siêu âm, vi sóng, chiết xuất siêu tới hạn đã được phát triển và ứng dụng, nhằm thay thế cho các kỹ thuật chiết xuất thông thường. Do những kỹ thuật này có nhiều ưu điểm như giảm lượng dung môi tiêu thụ, rút ngắn thời gian chiết, tăng hiệu suất và chất lượng của dịch chiết [4]. Trong đó, chiết siêu âm là phương pháp đơn giản, đầu tư ít, có khả năng áp dụng ở quy mô công nghiệp. Vì vậy, chúng tôi tiến hành nghiên cứu này nhằm: Xây dựng quy trình chiết xuất polyphenol toàn phần từ lá già của cây chè xanh. Kết quả nghiên cứu là tiền đề để điều chế dịch chiết, góp phần phát triển các chế phẩm thuốc từ chè xanh. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Nguyên liệu và thiết bị. * Nguyên liệu: Lá già của cây chè xanh được thu hái ở khu vực Ba Vì - Hà Nội; axít gallic chuẩn (99,98%) và thuốc thử folin ciocalteu (Hãng Sigma Aldrick, Hàn Quốc); các hóa chất và dung môi khác đạt tiêu chuẩn tinh khiết phân tích. * Thiết bị, dụng cụ: Thiết bị chiết xuất siêu âm (SONY MEDI SM30-CEP, Hàn Quốc). Máy quang phổ Lambomed 2960 (Mỹ). Cân phân tích Mettler Toledo ML204 (Thụy Sỹ) có độ chính xác đến 0,1 mg. 2. Phương pháp nghiên cứu. * Xử lý nguyên liệu: Rửa sạch LCX, sau đó diệt men bằng vi sóng: sử dụng lò vi sóng Sanyo, chế độ năng lượng cao, thời gian vi sóng 120 giây, lượng mẫu: 100 g nguyên liệu/ lần. Nguyên liệu sau diệt men được sấy khô trong tủ sấy ở 60ºC đến khi hàm ẩm < 10%. Nghiền mịn và rây qua rây 1 mm. Bảo quản bột LCX trong túi PE kín ở nhiệt độ phòng. * Định lượng polyphenol toàn phần: Tiến hành theo phương pháp quang phổ UV-Vis [3]: - Dung dịch làm phản ứng: dung dịch thuốc thử Folin - Ciocalteu 10% trong nước và dung dịch Na2CO3 7,5%; dung dịch chuẩn: pha axít gallic chuẩn trong nước để được dung dịch chuẩn có nồng độ trong khoảng 20 - 80 µg/ml; chuẩn bị dung dịch thử: cân chính xác 1 g bột dược liệu, chiết siêu âm với 200 ml hỗn hợp methanol:nước (70:30) trong 1 giờ, lọc qua thu lấy phần dịch trong trước khi làm phản ứng tạo màu. T¹p chÝ y - d−îc häc qu©n sù sè chuyªn ®Ò d−îc-2016 70 - Tiến hành phản ứng tạo màu: trộn 1 ml mẫu chuẩn hoặc mẫu thử với 5 ml dung dịch folin - ciocalteu 10%. Sau 5 phút, thêm 4 ml dung dịch Na2CO3 7,5%; lắc đều, để yên 1 giờ. Sau đó, đo độ hấp thụ ở bước sóng 765 nm. Mẫu trắng dùng 1 ml dung môi, sau đó tiến hành tương tự như mẫu thử. Hàm lượng polyphenol toàn phần (mg/g) tính theo axít gallic chuẩn. * Chiết xuất polyphenol toàn phần từ LCX: - Phương pháp chiết siêu âm: tiến hành trên thiết bị chiết siêu âm SM30. Cho khoảng 20 g dược liệu vào bình chiết trung gian đặt trong bể siêu âm, thêm dung môi và chiết xuất theo các điều kiện xác định cho từng thí nghiệm. Chiết 2 lần: sau khi chiết lần 1, phần bã được thêm tiếp dung môi để chiết lần 2. Thu lấy dịch chiết, lọc trong và định lượng polyphenol toàn phần bằng UV-Vis tương tự như mẫu dược liệu. - Phương pháp chiết nóng: tiến hành tương tự phương pháp chiết siêu âm nhưng không có sự tác động của sóng siêu âm. - Tiến hành khảo sát các thông số của quy trình gồm: phương pháp chiết, loại dung môi, tỷ lệ dung môi/dược liệu (DM/DL), số lần và thời gian chiết. - Chỉ tiêu đánh giá: hàm lượng polyphenol toàn phần (mg/g) chiết được, tính theo công thức sau: Polyphenol (mg/g) = C x n x V x 100 M x (100-h) x 1000 Trong đó: C: nồng độ polyphenol toàn phần trong dịch chiết tính theo axít gallic (µg/ml); V: thể tích dịch chiết (ml); M: khối lượng dược liệu (g); n: hệ số pha loãng; h: độ ẩm dược liệu (%). KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 1. Kết quả xác định hàm lượng polyphenol toàn phần trong LCX. Bảng 1: Hàm lượng polyphenol toàn phần trong LCX đã được diệt men và chưa diệt men (X ± SD, n = 6). Loại chè Khối lượng (g) Hàm ẩm (%) Polyphenol toàn phần (mg/g) Chưa diệt men 1,05 ± 3,57 7,23 ± 2,36 100,64 ± 3,12 Diệt men 1,07 ± 3,62 7,46 ± 2,52 127,10 ± 3,59 Lá chè sau khi diệt men có hàm lượng polyphenol cao hơn hẳn nguyên liệu chưa diệt men. Theo một số nghiên cứu, hàm lượng polyphenol trong lá chè có thể > 30% [7], cao nhất ở búp và hai lá non. Khi lá chè càng già, hàm lượng càng giảm [1]. Do đó, phần búp và hai lá non thường được sử dụng để làm nguyên liệu trong chế biến các sản phẩm chè thông thường. Nghiên cứu này sử dụng lá già của cây chè xanh làm nguyên liệu chiết xuất. Kết quả cho thấy hàm lượng polyphenol trong LCX già tương đối cao (127,10 ± 3,59 mg/g), hoàn toàn có thể tận dụng nguồn nguyên liệu này để chiết xuất polyphenol. 2. Kết quả khảo sát lựa chọn phương pháp chiết xuất. Tiến hành chiết LCX bằng phương pháp siêu âm với các điều kiện: dung môi chiết ethanol 60%, tỷ lệ DM/DL 10/1 (ml/g), thời gian chiết 60 phút, nhiệt độ chiết 350C và 700C. Phương pháp chiết nóng với các điều kiện: dung môi ethanol 60%, T¹P CHÝ Y - D¦îc häc qu©n sù sè chuyªn ®Ò d−îc-2016 71 tỷ lệ DM/DL (ml/g) 30/1, thời gian chiết 120 phút, nhiệt độ 900C. Kết quả như sau: Bảng 2: Hàm lượng và hiệu suất chiết polyphenol ở các phương pháp khác nhau. Phương pháp chiết Polyphenol (mg/g), (Xtb ± SD, n = 6) Hiệu suất chiết (%) Chiết siêu âm ở 350C 100,31 ± 3,22 78,91 Chiết siêu âm ở 700C 116,49 ± 3,45 91,65 Chiết nóng ở 900C 62,84 ± 2,57 49,45 Khi chiết siêu âm ở 350C và 700C cho hàm lượng polyphenol chiết lần lượt là 100,31 ± 3,22 và 116,49 ± 3,45 mg/g (hiệu suất 78,91% và 91,65%). Khi chiết nóng ở 900C, lượng polyphenol chiết được là 62,84 ± 2,57 mg/g (hiệu suất đạt 49,45%), thấp hơn nhiều so với chiết siêu âm. Như vậy, chiết siêu âm đã làm tăng hiệu suất chiết, giảm lượng dung môi và rút ngắn thời gian chiết so với phương pháp chiết nóng. Trong phương pháp chiết siêu âm, khi tăng nhiệt độ cũng làm tăng hiệu suất chiết polyphenol. Kết quả này phù hợp với các phương pháp chiết xuất sử dụng nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng cũng làm tăng khả năng hòa tan và khuếch tán của chất chiết, đồng thời làm giảm độ nhớt của dung môi nên hiệu suất chiết tăng. Tuy nhiên, khi nhiệt độ chiết > 80ºC trong thời gian dài có thể làm phá hủy hoặc làm tăng biến đổi polyphenol trong chè xanh [7]. Từ kết quả khảo sát trên, lựa chọn phương pháp chiết siêu âm ở 700C để khảo sát các thông số của quy trình chiết xuất. 3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các thông số quy trình chiết xuất. * Ảnh hưởng của dung môi chiết xuất: Tiến hành chiết siêu âm LCX trong cùng điều kiện về tỷ lệ DM/DL 10/1, thời gian chiết 60 phút, nhưng với các dung môi khác nhau (nước và ethanol có nồng độ khác nhau). Kết quả như sau: Bảng 3: Hàm lượng và hiệu suất chiết polyphenol ở các dung môi chiết khác nhau. Dung môi chiết xuất Polyphenol (mg/g), (Xtb ± SD, n = 6) Hiệu suất chiết (%) Nước cất 78,85 ± 2,23 62,03 Ethanol 40% 79,93 ± 2,78 62,89 Ethanol 50% 97,18 ± 2,86 76,46 Ethanol 60% 116,49 ± 3,54 91,65 Ethanol 70% 95,53 ± 3,01 75,16 Ethanol 80% 101,45 ± 3,44 79,82 Ethanol 96% 100,02 ± 3,23 78,69 Hàm lượng polyphenol chiết được thấp nhất khi chiết với nước (78,85 ± 2,23 mg/g) và ethanol 40% (79,93 ± 2,78 mg/g). Nồng độ ethanol tăng làm tăng lượng polyphenol chiết được và đạt mức cao nhất khi chiết với ethanol 60% (116,49 ± 3,54 mg/g). Sau đó, hàm lượng polyphenol giảm khi tiếp tục tăng nồng độ ethanol lên > 70%. Trên thực tế, để chiết xuất polyphenol trong LCX có thể sử dụng nước hoặc các dung môi hữu cơ phân cực khác nhau. Nghiên cứu của Perva-Uzunalic và CS cho thấy, khi chiết với nước, hiệu suất chiết T¹p chÝ y - d−îc häc qu©n sù sè chuyªn ®Ò d−îc-2016 72 polyphenol thấp hơn nhiều khi dùng các dung môi hữu cơ như aceton, acetonitril, ethanol, methanol ở dạng riêng lẻ hoặc hỗn hợp với nước [6]. Tuy nhiên, khả năng chiết xuất polyphenol phụ thuộc vào nồng độ ethanol và phương pháp chiết xuất: khi chiết hồi lưu với tỷ lệ DM/DL 20/1 trong 2 giờ, dung môi là ethanol (25, 50, 80, 90%) thì hàm lượng catechin và cafein chiết được từ LCX cao nhất ở ethanol 80% và cao hơn khi chiết với nước (DM/DL 40/1, nhiệt độ 70 - 100ºC) [0]. Xi J và CS cho rằng: ethanol 53,6% là nồng độ tối ưu để chiết polyphenol từ chè xanh bằng phương pháp chiết xuất ở áp suất cao [9]. Quan V và CS cho rằng, hàm lượng polyphenol cao nhất khi chiết với ethanol 50 - 80% [8]. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy, khi chiết bằng siêu âm, hàm lượng polyphenol chiết được cao nhất ở ethanol 60%. Do đó, ethanol 60% được lựa chọn để tiến hành các khảo sát tiếp theo. * Ảnh hưởng của số lần chiết và tỷ lệ DM/DL: Đối với chiết 1 lần, tiến hành trong cùng điều kiện về dung môi (ethanol 60%), thời gian chiết (60 phút), nhưng ở các tỷ lệ DM/DL khác nhau, lần lượt là 5/1, 7,5/1, 10/1, 15/1, 20/1 và 30/1; đối với chiết 2 lần, tiến hành chiết trong cùng điều kiện về dung môi (ethanol 60%), thời gian chiết (60 phút/lần), lần chiết thứ nhất với tỷ lệ DM/DL là 10/1, nhưng lần chiết thứ hai ở các tỷ lệ DM/DL lần lượt là: 5/1, 7,5/1 và 10/1. Kết quả như sau: Bảng 4: Hàm lượng và hiệu suất chiết polyphenol theo số lần chiết và tỷ lệ DM/DL khác nhau. Số lần chiết Tỷ lệ DM/DL Polyphenol (mg/g), (Xtb ± SD, n = 6) Hiệu suất chiết (%) Chiết 1 lần 5/1 82,55 ± 3,01 64,95 7,5/1 93,95 ± 3,05 73,92 10/1 116,49 ± 3,78 91,65 15/1 118,89 ± 3,49 93,54 20/1 123,39 ± 3,57 97,08 30/1 126,02 ± 4,02 99,15 Chiết 2 lần 10/1 và 5/1 120,97 ± 3,95 95,18 10/1 và 7,5/1 125,05 ± 3,85 98,39 10/1 và 10/1 123,63 ± 3,78 97,27 Đối với chiết 1 lần, khi tăng tỷ lệ DM/DL từ 5/1 - 10/1 làm tăng đáng kể lượng polyphenol chiết được, nhưng khi tiếp tục tăng tỷ lệ DM/DL lên trên 10/1, lượng polyphenol chiết được tăng không đáng kể. Đối với chiết 2 lần, lần thứ nhất với tỷ lệ DM/DL 10/1 đã chiết được > 90% polyphenol, nên ở lần chiết thứ hai với tỷ lệ DM/DL lần lượt là 5/1, 7,5/1 và 10/1 không làm tăng đáng kể lượng polyphenol chiết được. So sánh chiết 1 lần và 2 lần cho thấy, ở cùng tỷ lệ DM/DL 15/1, lượng polyphenol chiết được sau khi chiết 2 lần có xu hướng cao hơn chiết 1 lần, nhưng khi tỷ lệ DM/DL là 20/1, lượng polyphenol chiết tương đương nhau. Từ kết quả khảo sát trên, chúng tôi lựa chọn số lần chiết xuất 1 lần với tỷ lệ DM/DL10/1 cho các khảo sát tiếp theo. Khi đó, hiệu suất chiết polyphenol là 91,65%, tỷ lệ DM/DL tăng không làm tăng đáng kể hiệu suất chiết, nhưng lại tốn dung môi và thời gian. T¹P CHÝ Y - D¦îc häc qu©n sù sè chuyªn ®Ò d−îc-2016 73 * Ảnh hưởng của thời gian chiết xuất: Tiến hành chiết siêu âm LCX 1 lần với ethanol 60%, tỷ lệ DM/DL 10/1, nhưng ở thời gian chiết khác nhau, lần lượt là 30, 60, 90, 120 và 180 phút. Kết quả như sau: Bảng 5: Hàm lượng và hiệu suất chiết polyphenol ở thời gian chiết khác nhau. Thời gian chiết (phút) Polyphenol (mg/g) (Xtb ± SD, n = 6) Hiệu suất chiết (%) 30 103,19 ± 3,05 81,87 60 116,49 ± 3,24 91,65 90 124,62 ± 3,21 98,05 120 124,83 ± 4,01 98,22 180 125,21 ± 3,38 98,51 Khi tăng thời gian chiết từ 30 lên 90 phút làm tăng hàm lượng polyphenol chiết được từ 103,19 ± 3,05 lên 116,49 ± 3,24 mg/g. Nhưng khi tiếp tục kéo dài thời gian chiết sẽ không làm tăng hàm lượng polyphenol chiết được. Điều này có thể giải thích sau 90 phút, hiệu suất chiết đã đạt 98,05%, gần nồng độ bão hòa của polyphenol trong dịch chiết, nên khi kéo dài thời gian chiết cũng không làm tăng đáng kể nồng độ polyphenol chiết được. Như vậy, thời gian thích hợp để chiết xuất polyphenol từ LCX là 90 phút. KẾT LUẬN Đã khảo sát được ảnh hưởng của các thông số quy trình đến hàm lượng và hiệu suất chiết polyphenol từ LCX. Từ đó, lựa chọn được các thông số chiết xuất thích hợp là: chiết siêu âm 1 lần với ethanol 60%, tỷ lệ DM/DL là 10/1, nhiệt độ chiết 700C, thời gian chiết 90 phút. Với các thông số đã lựa chọn, hiệu suất chiết polyphenol đạt 98,05%. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Hải Hà. Nghiên cứu trích từ polyphenol từ lá trà Camellia sinensis (L.). Luận văn Thạc sỹ. Trường Đại học Bách khoa - Trường Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. 2006. 2. Đỗ Tất Lợi. Những cây thuốc và vị thuốc Việt Nam. Nhà xuất bản Y học. Hà Nội. 2004, tr.187-188. 3. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9745- 1:2013. Chè - xác định các chất đặc trưng của chè xanh và chè đen. Phần 1: Hàm lượng polyphenol tổng số trong chè, phương pháp đo màu dùng thuốc thử Folin - Ciocalteu (xuất bản lần thứ 1). 2013. 4. Handa SS, Khanuja SPS, Longo G, Rakesh DD. Extraction technologies for medicinal and aromatic plants. International Centre for Science and High Technology. Trieste Italy. 2008. 5. Lee LS, Lee N, Kim YH et al. Optimization of ultrasonic extraction of phenolic antioxidants from green tea using response surface methodology molecules. 2013, 18, pp.13530- 13545. 6. Perva-Uzunalic A, Skerget M, Knez Z et al. Extraction of active ingredients from green tea (Camellia sinensis): Extraction efficiency of major catechins and caffeine. Food Chemistry. 2006, 96, pp.597-605. 7. Quan VV, Golding JB, Minh N, Roach PD. Review: Extraction and isolation of catechins from tea. J Sep Sci. 2010, 33, pp.3415-3428. 8. Quan VV, Tan SP, Stathopoulos CE, Roach PD. Improved extraction of green tea components from teabags using the microwave oven. Journal of Food Composition and Analysis. 2012, 27, pp.95-101. 9. Xi J, Xue Y, Xu Y, Shen Y. Artificial neural network modeling and optimization of ultrahigh pressure extraction of green tea polyphenols. Food Chemistry. 2013, 141, pp.320-326.