Tối ưu quy trình tách chiết Saponin từ quả bồ hòn

Hóa học – Sinh học – Môi trường T. T. Lượng, , N. X. Bình, “Tối ưu quy trình tách chiết saponin từ quả bồ hòn.” 316 TỐI ƯU QUY TRÌNH TÁCH CHIẾT SAPONIN TỪ QUẢ BỒ HÒN Tạ Thị Lượng1,2*, Lưu Hồng Sơn1, Nguyễn Mai Hiên1, Vi Đại Lâm1, Trịnh Thị Chung1, Trần Văn Chí1, Đinh Thị Kim Hoa1, Nguyễn Thị Tình1, Ngô Xuân Bình1 Tóm tắt: Mục đích của nghiên cứu là khảo sát đơn yếu tố loại dung môi, nhiệt độ, thời gian tách chiết, tỷ lệ dung môi/nguyên liệu, ảnh hưởng tới quá trình tách chiết saponin từ quả bồ hòn cho kết quả tương ứng: H2O, 80C, 30 phút, 10/1 (ml/g). Trên cơ sở khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến điều kiện chiết tách, chúng tôi nhận thấy nhiệt độ, tỷ lệ dung môi/ nguyên liệu, thời gian tách chiết là những yếu tố ảnh hưởng mạnh đến quá trình chiết tách. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box- Behnken đã tìm được điều kiện tối ưu quá trình tách chiết saponin từ quả bồ hòn như sau: nhiệt độ 79,28 ºC, thời gian tách chiết 30,70 phút, tỷ lệ dung môi/nguyên liệu là 9,83/1 (ml/g), khi đó hàm lượng saponin là 17,7983g/100g. Kết quả thực nghiệm cho kết quả có độ tương thích cao với mô hình. Từ khóa: Công nghệ sinh học; Box - Behnken; Bồ hòn. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Bồ hòn có tên khoa học: Sapindus mukorossi Gaertn hay vô hoạn thụ; Bòn hòn; Mộc hoạn tử; Mác hón (Tày); Co hón (Thái); Mầy quyến ngần (Dao). Cây gỗ to, cao 5 – 10m hoặc cao hơn, rụng lá vào mùa khô. Cây được trồng ở khắp các tỉnh miền Bắc nước ta như tỉnh Cao Bằng, Lạng Sơn, Bắc Kạn, Thái Nguyên, Quảng Ninh, Hà Tây, Phú Thọ, Hà Giang, Tuyên Quang [2, 4]. Saponin trong quả bồ hòn có công thức cấu tạo là C52H84O11.2H2O, khi thủy phân cho genin là hederagenin và đường là L- arabinose, DI – glucose, L – rthamnose, và D – xylose. C22H84O11. Các saponin có trong bồ hòn như saponin A. B, C, D, E, E1, X, Y, Y2, là những saponin có hoạt tính bề mặt mạnh. Do tính chất hoạt động bề mặt của chúng, saponin là chất tạo bọt tuyệt vời, tạo thành các bọt rất ổn định. Chính vì vậy, người ta dùng quả bồ hòn để làm nước rửa bát, đũa, quần áo. Sự hiện diện của saponin đã được nghiên cứu và báo cáo ở hơn 100 họ thực vật. Các nghiên cứu gần đây đã tìm ra những lợi ích của saponin như: kiểm soát mức cholesterol trong máu, sức khoẻ xương, ung thư và xây dựng hệ miễn dịch. Ngoài ra, saponin là một hợp chất có đặc tính chất tẩy rửa vì chúng có chứa các thành phần hòa tan trong nước và chất béo [1, 3, 5]. Tuy nhiên, hiện nay chưa có công bố khoa học tối ưu hóa tách chiết saponin từ quả bồ hòn. Vì vậy, nghiên cứu là hướng đi đầy triển vọng. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Đối tượng, vật liệu nghiên cứu Quả bồ hòn được thu mua tại xã La Hiên, huyện Võ Nhai, tỉnh Thái Nguyên đã được định danh kết luận loài và phần vỏ quả được sử dụng để phân tích. Nguyên liệu được rửa sạch, sau đó đem đi sấy ở nhiệt độ 60°C đến độ ẩm dưới 10%. Tiến hành bảo quản trong túi PE đặt trong hộp nhựa kín, lưu trữ ở nhiệt độ phòng, tránh ánh sáng và ẩm. 2.2. Hóa chất sử dụng Bảng 1. Hóa chất sử dụng trong thí nghiệm. STT Hóa chất Nơi sản xuất 1 Ethanol 96% Việt Nam 2 n- butanol 99% Việt Nam 3 Ete dầu hỏa ( petroleum ether 30 - 60) Himedia, Ấn Độ 4 Methanol 99,5% Himedia, Ấn Độ Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 317 2.3. Phương pháp định lượng saponin từ quả bồ hòn Bột nguyên liệu được chiết với ete dầu hỏa để loại chất béo, sau đó chiết saponin bằng MeOH: H2O = 4:1. Sau đó loại MeOH dưới áp suất giảm. Hòa cặn trong nước để có dung dịch 10 % rồi lắc với n- butanol. Tách lớp n- butanol bốc hơi dung môi dưới áp suất giảm đến cặn, để trong bình hút ẩm, cân đến khi khối lượng không đổi. Thực hiện thao tác chiết, cân lấy trung bình 3 lần và suy ra lượng saponin toàn phần trong nguyên liệu. Công thức tính hàm lượng saponin toàn phần [5]: S= x 100% Trong đó: - S là hàm lượng saponin (%); - a là khối lượng saponin toàn phần (g); - M là khối lượng nguyên liệu (g). 2.4. Phương pháp xử lý số liệu Các số liệu thu thập được thống kê và xử lý theo phương pháp bề mặt chỉ tiêu theo thiết kế thí nghiệm của Box - Behnken với ba biến ba cấp độ. Các số liệu được xử lý trên phần mềm Design- Expert 7.0 (Stat- Ease Inc, Minneapolis, USA) ANOVA. Số liệu nghiên cứu được xử lý bằng phần mềm xử lý số liệu SPSS 20. 3. MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, THẢO LUẬN 3.1. Kết quả nghiên cứu lựa chọn dung môi thích hợp Có nhiều dung môi được sử dụng cho quá trình tách chiết như nước, ethanol, metanol, ete dầu hỏa, Để đánh giá hiệu quả trích ly saponin trong quả bồ hòn. Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng dung môi là H2O, CH3OH, C2H5OH. Kết quả được trình bày trong bảng 2. Bảng 2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi chiết đến hàm lượng saponin. Công thức (CT) Dung môi Hàm lượng Saponin (g/100g) 1 H2O 15,01 a 2 CH3OH 15,14 a 3 C2H5OH 15,22 a Ghi chú: Các chữ trong cùng một cột biểu thị sự sai khác có ý nghĩa thống kê ở mức α = 0,05. Qua bảng 2 ta thấy tách chiết bằng dung môi C2H5OH cho hàm lượng 15,22g cao nhất. Tuy nhiên, cả 3 phương pháp cho hàm lượng saponin không có sự sai khác về giá trị trung bình. Theo Nguyễn Thị Ngọc Thúy và cộng sự cho kết quả tương tự, sử dụng dung môi là H2O [3]. Vì vậy, chúng tôi lựa chọn dung môi là H2O là dung môi dễ kiếm, rẻ tiền, không độc và dễ áp dụng cho sản xuất ở quy mô công nghiệp. 3.2. Kết quả nghiên cứu nhiệt độ tách chiết thích hợp Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng lớn tới hàm lượng saponin thu được sau quá trình chiết. Cứ tăng lên 10C tốc độ phản ứng tăng từ 2-4 lần. Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ quá cao sẽ gây ảnh hưởng đến trạng thái, cấu trúc của saponin. Ngược lại, nhiệt độ thấp thời gian chiết kéo dài, không chiết kiệt được các chất. Vì vậy, cần tìm ra giá trị nhiệt độ chiết phù hợp. Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng sử dụng các nhiệt độ 70, 80, 90 và 100C. Kết quả được trình bày trong bảng 3. Hóa học – Sinh học – Môi trường T. T. Lượng, , N. X. Bình, “Tối ưu quy trình tách chiết saponin từ quả bồ hòn.” 318 Bảng 3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ chiết đến hàm lượng saponin. Công thức Nhiệt độ chiết (C) Hàm lượng saponin (g/100g) CT1 70 14,03b CT2 80 15,08a CT3 90 15,05a CT4 100 14,12b Ghi chú: các chữ trong cùng một cột biểu thị sự sai khác có ý nghĩa thống kê ở mức α = 0,05. Qua bảng 3 ta thấy được hàm lượng saponin trong dịch chiết tăng nhanh ở nhiệt độ từ 70C đến 80C, hàm lượng saponin tăng từ 14,03g lên 15,08g. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng nhiệt độ lên 90C thì hàm lượng có xu hướng giảm. Hàm lượng cao nhất thu được ở nhiệt độ 80C. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Thúy và cộng sự cho nhiệt độ tách chiết saponin củ tam thất là ở 40C, kết quả khác nhau bởi vì phương pháp sử dụng sóng siêu âm, cũng như vật liệu nghiên cứu khác nhau [6]. Vì vậy, chúng tôi chọn nhiệt độ thích hợp cho quá trình chiết là 80C. Kết quả này được sử dụng cho thí nghiệm tiếp theo. 3.3. Kết quả nghiên cứu thời gian chiết thích hợp Thời gian cũng là trong những yếu tố ảnh hưởng rất lớn ảnh hưởng đến hàm lượng saponin. Nếu thời gian chiết kéo dài không những hàm lượng saponin giảm mà còn làm tăng lượng tạp chất trong quá trình chiết. Nhưng nếu thời gian chiết ngắn thì không đủ cho hàm lượng saponin hòa tan hết gây tổn thất lớn. Do vậy, cần phải xác định thời gian chiết tối ưu. Thí nghiệm với các công thức về thời gian chiết lần lượt là 25, 30, 35 và 40 phút. Kết quả được trình bày trong bảng 4. Bảng 4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian chiết. Công thức Thời gian (phút) Hàm lượng saponin (g/100g) CT1 25 14,03a CT2 30 15,09a CT3 35 15,08a CT4 40 14,01b Ghi chú: các chữ trong cùng một cột biểu thị sự sai khác có ý nghĩa thống kê ở mức α = 0,05. Qua bảng 4, ta thấy được thời gian có ảnh hưởng tới hàm lượng saponin được chiết từ quả bồ hòn. Hàm lượng saponin tăng nhanh ở thời gian từ 25 phút đến 35 phút, hàm lượng saponin tăng từ 14,03g lên 15,09g. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng thời gian chiết thì hàm lượng có xu hướng giảm. Hàm lượng cao nhất thu được ở thời gian 30 phút. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Thúy và cộng sự cho kết quả thời gian tách chiết trong 5 giờ [6]; nghiên cứu của Nguyễn Thị Ngọc Thúy cho thời gian chiết là 40 phút [3], sự khác nhau giữa các nghiên cứu bởi vật liệu, phương pháp nghiên cứu là khác nhau. Vì vậy, chúng tôi chọn thời gian thích hợp nhất cho quá trình tách chiết là 30 phút. Kết quả này đựợc sử dụng cho thí nghiệm tiếp theo. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 319 3.4. Kết quả nghiên cứu tỷ lệ dung môi/nguyên liệu thích hợp Hàm lượng dung môi ít hay nhiều cũng ảnh hưởng tới các chất cần trích ly và hiệu suất của quá trình trích ly. Nếu lượng dung môi ít sẽ không đủ cho quá trình hòa tan các hợp chất, chiết rút các cấu tử ra ngoài môi trường ít và chỉ làm đủ ướt nguyên liệu. Nếu dùng lượng dung môi lớn sẽ gây lãng phí, tốn kém dung môi, chi phí cao. Thí nghiệm này tiến hành để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu: dung môi đến hàm lượng saponin thu được và tìm ra tỷ lệ tốt nhất cho quá trình trích ly. Kết quả được trình bày ở bảng 5: Bảng 5. Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi/ nguyên liệu chiết đến hàm lượng saponin. Công thức Tỷ lệ dung môi/ nguyên liệu (ml/g) Hàm lượng saponin (g/100g) CT1 5/1 15,10b CT2 10/1 17,91a CT3 15/1 17,92a Ghi chú: các chữ trong cùng một cột biểu thị sự sai khác có ý nghĩa thống kê ở mức α = 0,05. Qua bảng trên ta thấy được tỷ lệ dung môi/nguyên liệu có ảnh hưởng tới hàm lượng saponin được chiết từ quả bồ hòn. Hàm lượng saponin trong dịch chiết tăng lên khi tỷ lệ dung môi/nguyên liệu tăng. Từ tỷ lệ 5/1 đến 15/1, hàm lượng saponin tăng từ 15,11g lên 17,92g. Hàm lượng saponin ở tỉ lệ 10/1 và 15/1 không có sự sai khác. Theo Nguyễn Thị Ngọc Thúy và cộng sự cho tỉ lệ dung môi/nguyên liệu là 30/1 (v/w), sự khác nhau ở đây do vật liệu nghiên cứu là lá đinh lăng và sử dụng enzym [3]. Vì vậy, chúng tôi chọn tỷ lệ dung môi/nguyên liệu thích hợp là 10/1 (v/w) để tiết kiệm chi phí. Kết quả này được sử dụng cho thí nghiệm tiếp theo. 3.5. Kết quả tối ưu hóa điều kiện tách chiết Sử dụng phương pháp bề mặt chỉ tiêu theo thiết kế thí nghiệm của Box- Behnken với ba biến ba cấp độ. Các số liệu thu được từ dịch chiết bồ hòn được xử lý trên phần mềm Design- Expert 7.0 (Stat-Ease Inc, Minneapolis, USA) ANOVA được dùng để đánh giá cao thu được. Tiến hành giải bài toán tối ưu theo phương pháp “hàm mong đợi”. Sử dụng phần mềm Design-Expert 7.0 để tiến hành tối ưu hóa nhằm xác định được giá trị của ba yếu tố mà tại đó hàm lượng saponin là cao nhất. Áp dụng phương pháp phân tích hồi quy các số liệu thực nghiệm, thu được mô hình đa thức bậc hai thể hiện hàm lượng saponin: Y=+17,73 – 0,45* A + 0,44*B – 0,43*C + 0,62*A*B-0,83*A*C – 0,17*B*C - 1,15*A 2 -1,29* B 2 - 4,80* C 2 . Trong đó, Y là hàm lượng saponin trong dịch chiết dự báo thu được. Bảng 6. Kết quả ma trận thực nghiệm Box- Behnken ba yếu tố chiết Saponin từ bồ hòn. TN Biến thực Hàm lượng Saponin (g/100g) Nhiệt độ (C) Thời gian( phút) Dung môi/ Nguyên liệu(ml/g) 1 75 25 10 15,42 2 85 25 10 14,15 3 75 35 10 15,18 4 85 35 10 16,41 Hóa học – Sinh học – Môi trường T. T. Lượng, , N. X. Bình, “Tối ưu quy trình tách chiết saponin từ quả bồ hòn.” 320 5 75 30 5 12,30 6 85 30 5 12,19 7 75 30 15 13,02 8 85 30 15 9,61 9 80 25 5 11,49 10 80 35 5 12,59 11 80 25 15 11,03 12 80 35 15 11,45 13 80 30 10 17,51 14 80 30 10 17,48 15 80 30 10 17,91 16 80 30 10 17,86 17 80 30 10 17,88 Để đánh giá mô hình, chúng tôi sử dụng phân tích ANOVA. Kết quả phân tích ANOVA được thể hiện qua bảng sau: Bảng 7. Kết quả phân tích phương sai ANOVA của mô hình saponin từ quả bồ hòn. Nguồn SS DF MS Chuẩn F Giá trị p Model 125,42 9 13,94 56,19 < 0,0001 A-nhiệt độ 1,58 1 1,58 6,39 0,0394 B- thời gian 1,57 1 1,57 6,32 0,0402 C- dm/nl 1,50 1 1 6,03 0,0437 AB 1,56 1 1,56 6,30 0,0404 AC 2,72 1 2,27 10,98 0,0129 BC 0,12 1 0,12 0,47 0,0516 A2 5,56 1 5,56 22,41 0,0021 B2 7,00 1 7,00 28,21 0,0011 C2 96,97 1 96,97 390,97 <0,0001 Residual 1,74 7 0,25 Lack of Fit 1,55 3 0,52 11,34 0,1200 Sai số (pure error) 0,18 4 0,046 SS tổng Số 127,16 16 SS: Tổng phương sai; DF:Bậc tự do; MS: Trung bình phương sai; chuẩn F: Chuẩn Fisher; Residual: Phần dư; “Lack of Fit”: Chuẩn đánh giá độ không tương thích của mô hình với thực nghiệm. Từ kết quả phân tích ANOVA, ta thấy giá trị xác suất của mô hình P-value = 0,0001<0,05. Do đó, mô hình được lựa chọn để giải thích cho kết quả của thí nghiệm, Lack of fit test = 0,1200 (not significant) có ý nghĩa đối với mô hình. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 321 (a) (b) (c) Hình 1. Bề mặt đáp ứng hàm lượng saponin: a. Mô hình tương tác giữa thời gian và nhiệt độ; b. Mô hình tương tác giữa tỷ lệ dung môi/nguyên liệu và nhiệt độ; c. Mô hình tương tác giữa tỷ lệ dung môi/nguyên liệu và thời gian. Phương án tốt nhất được dự đoán nhiệt độ 79,28 ºC, thời gian tách chiết 30,70 phút, tỷ lệ dung môi/nguyên liệu là 9,83/1 (ml/g), hàm lượng saponin đạt 17,7983g/100g. Kết quả kiểm tra bằng thực nghiệm cho kết quả tương ứng. Hình 2. Hàm kỳ vọng và điều kiện tối ưu ở hàm lượng saponin. 4. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu điều kiện tách chiết thu dịch tổng từ quả bồ hòn: Dung môi: nước; Nhiệt độ: 80 C; Thời gian: 30 phút; Tỷ lệ dung môi/nguyên liệu (ml/g): 10/1. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box- Behnken đã tìm được điều kiện tối ưu quá trình tách chiết của quả bồ hòn như sau: Dung môi nước, nhiệt độ 79,28 ºC, thời gian tách chiết 30,70 phút khi đó hàm lượng, tỷ lệ dung môi/ nguyên liệu là 9,83/1 (ml/g), hàm lượng saponin là 17,7983g/100g. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên và công ty cổ phần khoa học và công nghệ scitech. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Đỗ Tất Lợi (2004), “ Những cây thuốc và vị thuốc Việt Nam”, NXB Y học Hà Nội. [2]. Phạm Văn Hộ (2000), “Cây cỏ Việt Nam”, NXB Trẻ, tr 247- 248. [3]. Nguyễn Thị Ngọc Thúy, “Nghiên cứu quá trình trích ly saponin triterpenoid tổng từ lá đinh lăng với sự hỗ trợ của enzyme cellulase”, Tạp chí công thương, số 1 (1/2020). Hóa học – Sinh học – Môi trường T. T. Lượng, , N. X. Bình, “Tối ưu quy trình tách chiết saponin từ quả bồ hòn.” 322 [4]. Bộ Nông Nghiệp và Phát triển nông thôn (2000), “Tên cây rừng Việt Nam”, NXB Nông nghiệp, tr 191 – 192. [5]. Viện dược liệu (2008), “Kỹ thuật chiết xuất dược liệu”, NXB Khoa học và Kỹ thuật. [6]. Nguyễn Thị Thúy và cộng sự, “Nghiên cứu thành phần và điều chế Phytosome Saponin toàn phần của củ cây Tam thất (Panax Notoginseng ) trồng ở Tây Bắc Việt Nam” Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Y Dược, Tập 32, Số 1 (2016), tr.18-24. ABSTRACT OPTIMIZING THE EXTRACTION PROCESS OF SAPONIN FROM THE SAPINDUS MUKOROSSI GAERTN The study aims to investigate the single factor of solvent type, temperature, extraction time, solvent/material ratio, affecting the saponin extraction process from the Sapindus mukorossi gaertn, giving corresponding results: H2O, 80°C, 30 minutes, 10/1 (ml/g). Based on investigating the factors affecting the extraction conditions, we accept the temperature, solvent/material ratio, and extraction time that strongly influence the extraction process. By using the Box-Behnken method, the optimal conditions for the extraction of saponins were found as follow: temperature of 79.28 ºC, extraction time 30.70 minutes, when the content and rate of solvent/material ratio were 9.83/1 (ml/g), and saponin content 17.7983g/100g. The experimental results show high compatibility with the model. Keywords: Biotechnology; Box - Behnken; Sapindus mukorossi gaertn. Nhận bài ngày 11 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: 1Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên; 2Đại học Queensland. *Email: thi.ta@uqconnect.edu.au.