Nghiên cứu xây dựng quy trình thủy phân đường trắng để ứng dụng pha chế dung dịch tiêm truyền ngọt đẳng trương trong điều kiện dã ngoại

TẠP CHÍ Y - DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 5-2018 22 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH THỦY PHÂN ĐƢỜNG TRẮNG ĐỂ ỨNG DỤNG PHA CHẾ DUNG DỊCH TIÊM TRUYỀN NGỌT ĐẲNG TRƢƠNG TRONG ĐIỀU KIỆN DÃ NGOẠI Nguyễn Cẩm Vân*; Nguyễn Minh Tuấn* Nguyễn Tuấn Quang*; Đỗ Thế Khánh* TÓM TẮT Mục tiêu: khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng, xây dựng quy trình thủy phân đường trắng và đánh giá một số chỉ tiêu chất lượng dung dịch đường trắng sau thủy phân. Đối tượng và phương pháp: sử dụng phương pháp hóa học, thực nghiệm để khảo sát lựa chọn các yếu tố xây dựng quy trình thủy phân từ đường trắng đạt tiêu chuẩn TCVN 7270:2003. Kết quả: nồng độ glucose từ 2,48 - 2,54%; quy trình thủy phân đường trắng (mẻ 10 lít): 475,0 g đường trắng, 10 lít nước cất, axít xúc tác HCl 1:1, pH 3,5. Đóng chai 500 ml hấp ở 110 o C/30 phút. Dung dịch sau thủy phân đạt: nồng độ glucose 2,64 ± 0,02%; nồng độ đường nghịch đảo 4,9 - 5,1%; tạp 5-HMF 0,120 ± 0,01%; pH 3,45 - 3,53. Kết luận: đã xây dựng được quy trình thủy phân đường trắng và đánh giá được một số chỉ tiêu chất lượng dung dịch đường trắng sau thủy phân. * Từ khóa: Quy trình thủy phân; Đường trắng; Điều kiện dã ngoại; Dung dịch tiêm truyền ngọt đẳng trương. Study on the Development of a White Sugar Hydrolysis Process for Preparing Sweet Isotonic Infusion in Field Conditions Summary Objectives: To investigate factors influencing the development of white sugar hydrolysis and evaluate some quality indicators of white sugar solution after hydrolysis. Subjects and methods: Using chemical, experimental method to investigate the selection of factors to build the hydrolysis process from white sugar up to TCVN 7270:2003 standard. Results: Glucose concentrations ranged from 2.48 - 2.54%; white sugar hydrolysis process (for 1 batch of 10 liters): 475.0 g white sugar dissolved in 10 liters distilled water, catalyzed by 1:1 HCl acid, pH 3.5. Bottle 500 ml steamed at 110 o C/30 minutes. Hydrolysis solution meets quality criteria: glucose concentration of 2.64 ± 0.02%; Inverse sugar concentration of 4.9 - 5.1%; 5-HMF of 0.120 ± 0.01%; pH of 3.45 - 3.53. Conclusion: White sugar hydrolysis process has been developed and some quality indicators of white sugar solution after hydrolysis have been assessed. * Keywords: Hydrolysis process; White sugar; Field conditions; Sweet Isotonic Infusion. * Học viện Quân y Người phản hồi (Corresponding): Nguyễn Cẩm Vân (nguyencamvan.hvqy@gmail.com) Ngày nhận bài: 27/02/2018; Ngày phản biện đánh giá bài báo: 09/05/2018 Ngày bài báo được đăng: 30/05/2018 TẠP CHÍ Y - DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 5-2018 23 ĐẶT VẤN ĐỀ Đường trắng là sản phẩm được sản xuất và ứng dụng nhằm phục vụ cho đời sống con người từ rất lâu đời, sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như làm tá dược sản xuất thuốc, làm nguyên liệu sản xuất bánh kẹo, đồ uống, gia vị chế biến thức ăn trong cuộc sống hàng ngày [5]. Ngoài ra, từ đường trắng khi cấp thiết có thể pha chế dung dịch tiêm truyền glucose với nhiều nồng độ khác nhau. hó khăn đặt ra trong điều kiện thời chiến là thiếu thốn về trang thiết bị và dung dịch tiêm truyền glucose phục vụ công tác cứu chữa thương binh bệnh binh, từ đó làm gián đoạn công tác điều trị, ảnh hưởng không nhỏ đến tình hình quân số khỏe của toàn đơn vị. Việc tìm ra giải pháp tối ưu để sản xuất dung dịch tiêm truyền glucose đáp ứng nhu cầu điều trị của bộ đội và nhân dân trong những tình huống này vô cùng cấp thiết. Đã có một số tài liệu công bố công thức và phương pháp thủy phân đường trắng làm dung dịch tiêm truyền, tuy nhiên chưa đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng thủy phân của đường trắng và các chỉ tiêu chất lượng của dung dịch tiêm truyền thủy phân từ đường trắng. Do đó, việc nghiên cứu xây dựng quy trình thủy phân đường trắng để ứng dụng trong pha chế dã ngoại là cần thiết và có ý nghĩa. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Nguyên vật liệu, hóa chất và thiết bị. - Nguyên liệu: đường tinh luyện Biên Hòa đạt tiêu chuẩn TCVN 7968:2008; đường glucose dược dụng. - Hóa chất: đường D-fructose (Canada); natri thiosulfate chuẩn 0,1N, iode chuẩn 0,1N (Viện Kiểm nghiệm Thuốc Trung ương); nước cất pha tiêm do hoa Dược, Bệnh viện Quân y 103 cung cấp. - Dụng cụ, thiết bị: nồi hấp xách tay 15 lít, máy đo quang phổ UV-2960 Labomed (Mỹ); máy đo pH ettler Toledo S220 (Trung Quốc); máy đo nồng độ đường nghịch đảo Atago (Nhật). 2. Phƣơng pháp nghiên cứu. * Phương pháp thủy phân đường trắng: Tiến hành cân các mẫu theo công thức, đóng chai 500 ml. Hấp dung dịch theo nhiệt độ, thời gian khảo sát để xác định khả năng thủy phân của đường trắng. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố pH, nhiệt độ và thời gian đến quá trình thủy phân đường trắng. * Định lượng glucose theo phương pháp hóa học: - Nguyên tắc: định lượng glucose bằng phép đo iod, phương pháp chuẩn độ thừa trừ [4]. - Tiến hành: hút chính xác 1 ml dung dịch thủy phân vào bình nón 250 ml có nút mài. Thêm chính xác 10 ml iod 0,1N và 10 ml dung dịch Na2CO3 5% (cho từ từ và lắc đều). Đậy nút, để yên trong bóng tối 10 phút. Thêm từ từ dung dịch H2SO4 10% tới phản ứng axít rõ với giấy quỳ (giấy quỳ chuyển màu hồng). Chuẩn độ iod thừa bằng Na2S2O3 0,1N. Song song làm 1 mẫu trắng. - Đánh giá: hàm lượng glucose trong mẫu thử được tính theo công thức TẠP CHÍ Y - DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 5-2018 24 (biết 1 ml iod 0,1N tương ứng với 9,008 mg glucose). C% = (V1 - V2) x 0,009008 x K x 100 Vglc V1: thể tích dung dịch Na2S2O3 0,1N dùng cho mẫu trắng (ml); V2: thể tích dung dịch Na2S2O3 0,1N dùng cho mẫu thử (ml); Vglc: thể tích dung dịch mẫu thử (ml); K: hệ số hiệu chỉnh của dung dịch Na2S2O3 0,1N. * Đánh giá thay đổi một số chỉ tiêu chất lượng của dung dịch đường trắng sau thủy phân theo thời gian: Dựa trên các chỉ tiêu: nồng độ glucose trong dung dịch đường trắng sau thủy phân; nồng độ đường nghịch đảo; tạp 5-HMF và pH. * Phương pháp x lý số liệu: Các số liệu thu thập trong quá trình nghiên cứu được xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel 2010. KẾT QUẢ NGHI N CỨU VÀ BÀN LUẬN 1. Ảnh hƣởng củ fructose đến kết quả định ƣợng g ucose. Tiến hành tạo hỗn hợp glucose và fructose theo tỷ lệ 1:1, hòa tan trong 500 ml nước, định lượng glucose. Đánh giá hưởng của fructose đến kết quả định lượng glucose cho thấy: nồng độ glucose trung bình dao động trong khoảng từ 2,48 - 2,54% lần lượt với 3 axít là axít citric 18%, axít HCl 1:1 và axít H3PO4 10%. Trong tất cả các lần đo, giá trị nồng độ thấp nhất 2,48 (mẫu 3, mẫu 5 của xúc tác citric 18%; mẫu 1 của axít HCl 1:1) và giá trị nồng độ cao nhất đo được 2,54 (mẫu 1, mẫu 5 của axít xúc tác H3PO4 10%). Với các giá trị p > 0,1, sự khác biệt giữa nồng độ glucose đo được ở các mẫu với 3 axít không có ý nghĩa thống kê. Như vậy, fructose không ảnh hưởng đến nồng độ glucose định lượng được trong hỗn hợp. 2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng thủy phân đường trắng. * Ảnh hưởng của pH: Thực hiện khảo sát thủy phân trên 5 mẫu với mỗi axít là axít citric 18%, axít HCl 1:1 và axít H3PO4 10%, ở pH 2,5; 3 và 3,5. Cố định nhiệt độ hấp 110 0C trong thời gian 30 phút. Bảng 1: Ảnh hưởng của pH đến nồng độ glucose trong dung dịch. Axít Chỉ tiêu pH 2,5 3 3,5 H3PO4 10% H3PO4 10% Nồng độ (%) M1 2,76 2,6 2,06 M2 2,76 2,6 2,07 M3 2,75 2,6 2,05 M4 2,75 2,62 2,06 M5 2,75 2,63 2,07 ± SD 2,75 ± 0,01 2,61 ± 0,02 2,06 ± 0,01 H (%) 110,4 104,0 82,4 TẠP CHÍ Y - DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 5-2018 25 HCl 1:1 Nồng độ (%) M1 2,65 2,67 2,59 M2 2,68 2,68 2,59 M3 2,66 2,67 2,59 M4 2,65 2,67 2,59 M5 2,66 2,67 2,63 ± SD 2,66 ± 0,01 2,67 ± 0,01 2,60 ± 0,02 H (%) 105,1 105,5 102,8 Citric 18% Nồng độ (%) M1 2,47 2,69 2,09 M2 2,48 2,69 2,08 M3 2,46 2,68 2,08 M4 2,47 2,68 2,07 M5 2,46 2,68 2,06 ± SD 2,47 ± 0,01 2,68 ± 0,01 2,08 ± 0,01 H (%) 97,6 105,9 82,2 Với axít H3PO4 10% sau khi hấp, tại pH 2,5 có 1 chai xuất hiện màu vàng nhạt. Ở pH 3,5, hiệu suất quá trình thủy phân thấp, chỉ đạt 82,4%. Với HCl 1:1, sau khi hấp, tất cả các chai có pH 2,5 đều xuất hiện màu vàng nhạt. Hiệu suất quá trình hấp của axít này đều đạt > 100% ở tất cả giá trị pH khảo sát. Với axít citric 18%, các chai có pH 2,5 và 3,5, hiệu suất thủy phân thấp, chỉ đạt lần lượt 97,6 và 82,2%. Ở pH 3, hiệu suất thủy phân đạt 105,9%. Từ kết quả khảo sát, lựa chọn axít HCl 1:1 và pH 3,5 cho các khảo sát tiếp theo. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với pH và axít xúc tác được nêu trong tài liệu [2] và phù hợp với nghiên cứu của Nguyễn Trọng Toàn [3]. * Ảnh hưởng của nhiệt độ: Thực hiện khảo sát thủy phân ở nhiệt độ khác nhau 100; 110; 115 và 120oC. Cố định trong thời gian 30 phút tại pH 3,5 với axít HCl 1:1. Bảng 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến nồng độ glucose trong dung dịch. Nhiệt độ ( o C) M1 M2 M3 M4 M5 ± SD H (%) 100 2,53 2,52 2,54 2,53 2,50 2,52 ± 0,02 99,6 110 2,63 2,59 2,59 2,59 2,59 2,60 ± 0,02 102,8 115 2,75 2,75 2,75 2,71 2,74 2,74 ± 0,02 108,3 120 2,75 2,71 2,71 2,75 2,75 2,73 ± 0,02 107,9 Ở 3 mức nhiệt độ 110, 115 và 120oC, các chai dung dịch đường trắng đều được thủy phân hoàn toàn. Riêng ở nhiệt độ 100oC, quá trình thủy phân xảy ra không hoàn toàn (99,6%). TẠP CHÍ Y - DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 5-2018 26 Tiến hành đo độ hấp thụ các mẫu dung dịch đường trắng sau thủy phân tại nhiệt độ 110, 115 và 120oC (ở trên) để xác định hàm lượng tạp chất 5-HMF. Bảng 3: Độ hấp thụ của dung dịch sau khi hấp ở nhiệt độ 110, 115 và 120oC. Nhiệt độ ( o C) M1 M2 M3 M4 M5 ± SD (%) 110 0,113 0,103 0,091 0,106 0,110 0,105 ± 0,009 115 0,487 0,526 0,574 0,750 0,534 0,57 ± 0,103 120 0,620 0,525 0,760 0,610 0,541 0,61 ± 0,093 Khi thủy phân dung dịch đường trắng ở nhiệt độ 115oC và 120oC, quá trình thủy phân hoàn toàn. Tuy nhiên, ở hai khoảng nhiệt độ này, tất cả các mẫu đều tạo ra lượng tạp 5-HMF, không đạt yêu cầu DĐVN IV (yêu cầu độ hấp thụ dung dịch < 0,25). Tài liệu [2] đưa quy trình thủy phân đường trắng ở 121oC trong thời gian 30 phút. Tuy nhiên, kết quả ở bảng 4 nhận thấy nếu thực hiện thủy phân ở nhiệt độ 121oC sẽ tạo ra một lượng tạp vượt quá yêu cầu cho phép của DĐVN IV [1]. Do vậy, loại bỏ hai mức nhiệt độ 115oC và 120oC trong các khảo sát tiếp theo. Ở nhiệt độ 110oC, quá trình thủy phân cũng xảy ra hoàn toàn, độ hấp thụ của dung dịch nằm trong giới hạn cho phép. Do vậy, lựa chọn được nhiệt độ thủy phân 110oC phù hợp nhất . * Ảnh hưởng của thời gian: Thực hiện khảo sát thủy phân trong thời gian từ 30; 45; 60 phút. Cố định pH 3,5 và nhiệt độ 110oC. Bảng 4: Ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ glucose trong dung dịch. Thời gian (phút) M1 M2 M3 M4 M5 ± SD H (%) 30 (1) 2,50 2,52 2,52 2,53 2,52 2,53 ± 0,01 100,8 45 (2) 2,60 2,58 2,58 2,59 2,57 2,58 ± 0,01 102,0 60 (3) 2,63 2,59 2,59 2,59 2,59 2,60 ± 0,02 102,8 p1-2 > 0,1; p2-3 > 0,1; p1-3 > 0,1 Hiệu suất quá trình thủy phân ở thời gian 30, 45 và 60 phút đạt lần lượt 100,8%, 102,0% và 102,8% (p > 0,1), sự khác biệt giữa hiệu suất của 3 mức thời gian trên không có ý nghĩa thống kê. Do vậy, lựa chọn thời gian thủy phân đường kính trắng 30 phút. Theo nghiên cứu của Nguyễn Trọng Toàn về tiêu chuẩn đường trắng để pha chế dung dịch tiêm truyền, tác giả sử dụng nhiệt độ hấp 110oC trong 60 phút với xúc tác axít HCl 1:1 để thủy phân hoàn toàn đường trắng [3]. Tuy nhiên, dựa vào kết quả khảo sát ở bảng 4 cho thấy, chỉ cần với thời gian 30 phút đã đạt được hiệu suất 100%, không cần hấp tới 60 phút, gây lãng phí thời gian. TẠP CHÍ Y - DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 5-2018 27 3. Xây dựng quy trình thủy phân đƣờng trắng. Từ kết quả của quá trình khảo sát các yếu tố ảnh hưởng, đã xây dựng được quy trình thủy phân đường kính trắng như sau: Các bước thủy phân (cho 1 mẻ 10 lít) tiến hành như sau: - Cân 475,0 g đường trắng, chuyển vào bình pha chế 10 lít đã có sẵn khoảng 3 lít nước cất, khuấy đến tan hết. - Bổ sung nước gần đủ đến vạch, khuấy đều liên tục. - Thêm 1 ml axít HCl 1:1, định mức bằng nước cất đến vạch. - Chuyển dung dịch pha được vào chai thủy tinh 500 ml, đậy nắp, siết nút nhôm. - Hấp ở 110oC trong thời gian 30 phút. Dung dịch đường trắng sau thủy phân đem xác định sự thay đổi các chỉ tiêu chất lượng. 4. Đánh giá một số chỉ tiêu chất ƣợng củ dung dịch đƣờng trắng s u thủy phân. - Thay đổi nồng độ glucose của dung dịch đường trắng sau thủy phân: thực hiện khảo sát trên 5 mẫu theo quy trình đã xây dựng, sau 30 ngày cho thấy, nồng độ glucose thấp nhất 2,50% (mẫu số 1, ngày thứ 1) và cao nhất là 2,66% (mẫu thứ 3 từ ngày thứ 22). Từ ngày thứ 22, nồng độ đường trong các mẫu ổn định ở mức 2,64 ± 0,02% và cơ bản không thay đổi. - Thay đổi nồng độ đường nghịch đảo của dung dịch đường trắng sau thủy phân: sau 30 ngày, nồng độ đường Xác định các chỉ tiêu chất lượng Định mức vừa đủ 10 lít Đường trắng (475 g) Đóng chai thủy tinh 500 ml Hấp 110oC trong 30 phút Dung dịch đường trắng Hòa tan bằng 3 lít nước cất cất Axít HCl 1:1 đến pH 3,5 Đậy nắp, xiết nút nhôm Hình 1: Sơ đồ quy trình thủy phân đường trắng Hình 1: Sơ đồ quy trình thủy phân đường trắng. TẠP CHÍ Y - DƢỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 5-2018 28 nghịch đảo của dung dịch đường trắng sau thủy phân có giá trị tương đối ổn định, dao động từ 4,9 - 5,1% (trong cùng một mẫu khảo sát, nồng độ đường nghịch đảo chỉ thay đổi trong khoảng 0,1%). - Thay đổi chỉ tiêu giới hạn tạp 5-HMF: sau 30 ngày, lượng tạp 5-HMF đạt 0,120 ± 0,01, trong giới hạn cho phép theo DĐVN IV (< 0,25). - Thay đổi của giá trị pH: sau 30 ngày, giá trị pH dao động không đáng kể (3,45 - 3,53) (sự thay đổi pH lớn nhất trong cùng 1 mẫu là 0,05). KẾT LUẬN - Nghiên cứu xác định được fructose không ảnh hưởng đến kết quả định lượng glucose. Đã khảo sát được ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, thời gian đến quá trình thủy phân đường trắng. Xây dựng được quy trình thủy phân đường trắng với các điều kiện: axít xúc tác HCl 1:1 đạt pH = 3,5; nhiệt độ hấp 110oC; thời gian hấp 30 phút. - Đã đánh giá được một số chỉ tiêu chất lượng dung dịch đường trắng sau thủy phân: nồng độ glucose đạt 2,64 ± 0,02%; nồng độ đường nghịch đảo đạt 4,9 - 5,1%; tạp 5-HMF đạt 0,120 ± 0,01 nằm trong giới hạn cho phép theo DĐVN IV (< 0,25); pH dao động từ 3,45 - 3,53. KIẾN NGHỊ Tiếp tục nghiên cứu điều kiện chuyển dạng giữa fructose và glucose; chỉ tiêu nội độc tố vi khuẩn của dung dịch sau thủy phân; ảnh hưởng của dung dịch đến các chỉ số hóa sinh như thay đổi áp suất thẩm thấu và pH máu. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bộ Y tế. Dược điển Việt Nam IV. Nhà xuất bản Y học. 2009. 2. Bộ Y tế. Kỹ thuật bào chế và sinh dược học các dạng thuốc, tập 1. Nhà xuất bản Y học. 2013. 3. Nguyễn Trọng Toàn. Nghiên cứu khả năng thủy phân của đường trắng để pha dung dịch tiêm truyền. Luận văn Thạc sỹ Dược học. 2014. 4. F. Daniels, J.W. Williams, P. Bender, R.A. Alberty, C.D Cornwell. Experimental Physical Chemistry, 7th Ed.McGraw-Hill. 1970. 5. J.M. Nelson. Influence of glucose and fructose on the rate of hydrolysis of sucrose by invertase from honey. Columbia University. New York. 1924.