Các phương pháp chiết xuất và công nghệ chiết hiện nay

Giới thiệu chung

Các sản phẩm thuốc từ tự nhiên, như y học cổ truyền Trung Quốc (TCM) và Ayurveda (Ấn độ), được hình thành và phát triển trong cuộc sống hàng ngày của người cổ đại và trong quá trình chiến đấu chống lại bệnh tật trong hàng ngàn năm và chúng đã tạo ra tác động tích cực đến tiến trình của văn minh nhân loại. Ngày nay, thuốc tự nhiên không chỉ cung cấp nhu cầu chăm sóc sức khỏe ban đầu cho phần lớn dân số ở các nước đang phát triển mà còn thu hút ngày càng nhiều sự chú ý ở các nước phát triển do chi phí chăm sóc sức khỏe tăng cao và thắt lưng buộc bụng tài chính phổ quát. Tại Hoa Kỳ, khoảng 49% dân số đã thử dùng các loại thuốc tự nhiên để phòng ngừa và điều trị bệnh.
Lượng hoạt chất trong thuốc tự nhiên luôn khá thấp. Quá trình tách chiết và cô lập tốn nhiều thời gian trong phòng thí nghiệm và là thời điểm áp dụng các sản phẩm tự nhiên trong phát triển thuốc. Có một nhu cầu cấp thiết để phát triển các phương pháp hiệu quả và chọn lọc để chiết xuất và phân lập các sản phẩm tự nhiên hoạt tính sinh học.

Chiết xuất là bước đầu tiên để tách các sản phẩm tự nhiên mong muốn khỏi các nguyên liệu thô. Phương pháp chiết bao gồm chiết bằng dung môi, phương pháp chưng cất, ép và thăng hoa theo nguyên tắc chiết. Chiết dung môi là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất. Việc chiết xuất các sản phẩm tự nhiên tiến triển qua các giai đoạn sau: (1) dung môi thâm nhập vào cấu trúc rắn; (2) chất tan hòa tan trong dung môi; (3) chất tan được khuếch tán ra khỏi chất rắn; (4) các chất hòa tan được thu thập. Bất kỳ yếu tố nào tăng cường độ khuếch tán và độ hòa tan trong các bước trên sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc chiết xuất. Các tính chất của dung môi chiết, kích thước hạt của nguyên liệu thô, khẩu phần dung môi đến chất rắn, nhiệt độ chiết và thời gian chiết sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất chiết.
Việc lựa chọn dung môi là rất quan trọng để chiết dung môi. Tính chọn lọc, độ hòa tan, chi phí và an toàn nên được xem xét trong việc lựa chọn dung môi. Dựa trên định luật tương tự và khả năng liên kết (như hòa tan như thế), các dung môi có giá trị phân cực gần với cực của chất tan có khả năng hoạt động tốt hơn và ngược lại. Rượu (EtOH và MeOH) là các dung môi phổ biến trong chiết xuất dung môi để điều tra hóa thực vật.
Nói chung, kích thước hạt càng mịn thì kết quả chiết xuất càng tốt. Hiệu suất chiết sẽ được tăng cường bởi kích thước hạt nhỏ do sự thâm nhập của dung môi và khuếch tán các chất hòa tan. Tuy nhiên, kích thước hạt quá mịn sẽ tiêu tốn quá trình hấp thụ chất tan trong chất rắn và khó khăn trong quá trình lọc tiếp theo.
Nhiệt độ cao làm tăng độ hòa tan và khuếch tán. Nhiệt độ quá cao, tuy nhiên, có thể làm mất dung môi, dẫn đến chiết xuất các tạp chất không mong muốn và phân hủy các thành phần thermolabile.
Hiệu suất trích xuất tăng cùng với sự gia tăng thời gian trích xuất trong một khoảng thời gian nhất định. Thời gian tăng sẽ không ảnh hưởng đến quá trình chiết sau khi đạt đến trạng thái cân bằng của chất tan trong và ngoài vật liệu rắn.
Tỷ lệ dung môi-chất rắn càng lớn thì năng suất chiết càng cao; tuy nhiên, tỷ lệ dung môi so với chất rắn quá cao sẽ gây ra dung môi chiết quá mức và cần một thời gian dài để cô đặc.
Các phương pháp chiết xuất thông thường, bao gồm chiết xuất, lọc và hồi lưu, thường sử dụng dung môi hữu cơ và đòi hỏi một khối lượng lớn dung môi và thời gian chiết dài. Một số phương pháp chiết hiện đại hoặc xanh hơn như chiết chất lỏng siêu  tới hạn (SFC), chiết xuất lỏng áp suất cao (PLE) và chiết bằng lò vi sóng (MAE), cũng đã được áp dụng trong chiết xuất sản phẩm tự nhiên, và chúng cung cấp một số lợi thế như tiêu thụ dung môi hữu cơ thấp hơn, thời gian trích xuất ngắn hơn và độ chọn lọc cao hơn.

Ngâm lạnh

Đây là một phương pháp chiết xuất rất đơn giản với nhược điểm là thời gian chiết  lâu và hiệu suất chiết thấp. Nói chung, nó thường được sử dụng để chiết xuất các thành phần hoạt chất dễ bị biến đổi về nhiệt.

Ví dụ như chiết xuất với hiệu suất cao của phenol và anthocyanin toàn phần từ quả chokeberry (Aronia) với điều kiện tối ưu là 50% ethanol, tỷ lệ dung môi/nguyên liệu rắn là 1:20 và kích thước hạt 0,75 mm. Ngâm là phương pháp đơn giản và hiệu quả để chiết xuất các hợp chất phenolic. Một nghiên cứu về chiết xuất catechin từ quả Arbutus unedo L., với kỹ thuật chiết bằng phương pháp ngâm có hỗ trợ vi sóng và bằng siêu âm. Kết quả cho thấy chiết xuất hỗ trợ bằng vi sóng (MAE) là hiệu quả nhất, nhưng chiết bằng ngâm với nhiệt độ thấp hơn được sử dụng có hiệu suất chiết gần tương đương. Điều này cho thấy, có thể áp dụng chúng mang lại hiệu quả về kinh tế. Một nghiên cứu khác, chiết xuất polyphenol từ Serpylli herba bằng nhiều kỹ thuật chiết xuất khác nhau (ngâm, chiết xuất có hỗ trợ nhiệt và siêu âm). Hàm lượng polyphenol toàn phần từ chiết xuất bằng siêu âm có hiệu suất flavonoid toàn phần cao nhất, chiết bằng nhiệt và ngâm gần như nhau. Đối với lá Cajanus cajan, một dược liệu được sử dụng trong y học dân gian Trung Quốc để điều trị viêm gan, thủy đậu và tiểu đường. Nhóm flavonoid được biết là các hợp chất có hoạt tính sinh học. Chiết directionoside, luteolin và flavonoid toàn phần từ lá  Cajanus cajan L. Millsp bằng các phương pháp khác nhau (hỗ trợ vi sóng, chiết xuất nóng hồi lưu, chiết xuất có hỗ trợ siêu âm và ngâm lạnh). Kết quả cho thấy, hiệu suất chiết của directionoside, luteolin và flavonoid là thấp nhất.

Ngấm kiệt
Ngấm kiệt hiệu quả hơn so với ngâm vì nó là một quá trình chiết liên tục trong đó dung môi bão hòa liên tục được thay thế bằng dung môi mới. So sánh phương pháp chiết ngấm kiệt và hồi lưu của dược liệu Undaria pinnatifida. Kết quả cho thấy, hàm lượng thành phần chính, fucoxanthin, từ phương pháp ngấm kiệt cao hơn phương pháp hồi lưu, trong khi hiệu suất chiết của 2 phương pháp trên là như nhau.

Sắc 

Phương pháp này cho ra một lượng lớn tạp chất tan trong nước, không thể sử dụng cho các thành phần dễ biến đổi vì nhiệt hoặc dễ bay hơi. Các ginsenosides trong Nhân Sâm gặp phải phản ứng thủy phân, mất nước, khử carboxyl trong quá trình sắc thuốc. Một nghiên cứu đánh giá sự biến đổi của thành phần hóa học của một chế phẩm trong Y học cổ truyền Trung Quốc (Danggui Buxue Tang) nổi tiếng, một loại thuốc thảo dược có chứa Astragali Radix và Angelicae Sinensis Radix. Họ phát hiện ra rằng hai flavonoid glycoside, calycosin-7-O-β-d-glucoside và ononin, trong Astragali Radix, có thể bị thủy phân để tạo thành calycosin và formononetin, tương ứng, trong quá trình sắc thuốc. Quá trình thủy phân bị tác động mạnh bởi pH, nhiệt độ và số lượng nguyên liệu. Hai sản phầm, Sanhuang Xiexin Tang (SXT) và Fuzi Xiexin Tang, đã được sử dụng ở Trung Quốc để điều trị các bệnh như tiểu đường trong hàng ngàn năm. SXT bao gồm Rhei Radix et Rhizoma, Scutellariae Radix và Coptidis Rhizoma trong khi FXT được sản xuất bằng cách thêm Aconiti Lateralis Radix Prepata, trong SXT. Bằng phương pháp UPLC-ESI / MS để đánh giá 17 thành phần hoạt tính trong các mẫu phân tích gồm ngâm lạnh và sắc của SXT và FXT. Quá trình sắc thuốc tăng cường sự hòa tan của một số hợp chất hoạt tính sinh học so với quá trình ngâm lạnh. Hàm lượng của 11 thành phần [benzoylaconine, benzoylhypaconine, benzoylmesaconine, berberine, coptisine, palmatine, jatrorrhizine, baicalin, wogonoside] trong SXT và FXT cao hơn đáng kể so với phương pháp ngâm lạnh. Beta-Glucuronidase trong dược liệu có thể xúc tác quá trình thủy phân nhóm acid glucuronic từ glycoside (baicalin và wogonoside) chuyển thành dạng aglycones [baicalein và wogonin]. Nhiệt độ cao trong quá trình sắc thuốc đã làm mất hoạt tính của enzyme beta-glucuronidase và ngăn cản sự biến đổi glycoside thành aglycone, dẫn đến hàm lượng baicalin và wogonoside trong thuốc sắc cao hơn. Sự tương tác giữa các thành phần hóa học trong thuốc cũng được đánh giá. Các alcaloid diester-diterpenoid không được phát hiện trong thuốc sắc và thuốc ngâm lạnh của FXT, nhưng diester-diterpenoid alkaloid (hypaconitine) đã được tìm thấy trong thuốc sắc khi chỉ chiết một mình Aconiti Lateralis Radix Prepata. Thành phần của ba loại thảo dược khác trong FXT có thể thúc đẩy sự chuyển đổi từ các alcaloid diester-diterpenoid trong Aconiti Lateralis Radix Prepata thành các alcaloid monoester-diterpenoid ít độc hơn, có thể giải thích cơ chế giảm độc tính và tăng cường hiệu quả của thuốc Y học cổ truyền.

Chiết nóng hồi lưu

Chiết xuất hồi lưu hiệu quả hơn so với chiết ngấm kiệt hoặc ngâm lạnh và cần ít thời gian và dung môi chiết hơn. Nó không thể được sử dụng để chiết xuất các sản phẩm dễ biến đổi về nhiệt.

Chiết xuất hồi lưu với 70% ethanol cho hiệu suất cao nhất của thuốc trừ sâu sinh học tự nhiên, didehydrostemofoline (0,515% w / w ), từ rễ cây  Stemona collinsiae so với các phương pháp chiết xuất khác nhau (gồm: siêu âm, hồi lưu, Soxhlet, ngâm và ngấm kiệt)]. Một nghiên cứu đã so sánh hiệu quả chiết xuất của hoạt chất (baicalin và puerarin) từ một sản phẩm TCM gồm bảy loại thảo mộc. Với hai phương pháp khác nhau, sắc và hồi lưu. Phương pháp hồi lưu cho hiệu suất tốt hơn phương pháp sắc của baicalin và puerarin với phương pháp hồi lưu sử dungjk 60% ethanol làm dung môi.

Chiết xuất Soxhlet
Phương pháp chiết xuất Soxhlet tích hợp các ưu điểm của chiết xuất và thẩm thấu hồi lưu, sử dụng nguyên lý hồi lưu và hút nước để liên tục chiết xuất thảo mộc bằng dung môi ,mới. Chiết xuất Soxhlet là một phương pháp chiết xuất liên tục tự động với hiệu suất chiết cao, cần ít thời gian và tiêu thụ dung môi hơn so với phương pháp ngâm hoặc ngấm kiệt. Nhiệt độ cao và thời gian chiết dài trong quá trình chiết Soxhlet sẽ làm tăng khả năng biến đổi hoạt chất vì nhiệt.
Kết quả nghiên cứu của Wei et al. thu được acid ursolic từ TCM Cynomorium (Cynomorii Herba) với hiệu suất 38,21 mg / g bằng cách chiết Soxhlet. Sự biến đổi của catechin trong trà cũng được đánh giá trong chiết xuất Soxhlet do nhiệt độ chiết cao được sử dụng. Nồng độ của cả polyphenol và tổng số alcaloid từ phương pháp chiết Soxhlet ở 70 ° C đều giảm so với nồng độ của phương pháp ngâm áp dụng dưới 40 ° C.

Chiết lỏng áp suất (PLE)
Chiết lỏng áp suất (PLE) cũng được mô tả là chiết dung môi tăng tốc, chiết dung môi tăng cường, chiết chất lỏng điều áp, chiết chất lỏng tăng tốc và chiết bằng dung môi áp suất cao của các nhóm nghiên cứu khác nhau. PLE áp dụng áp suất cao trong quá trình chiết xuất. Áp suất cao giữ cho dung môi ở trạng thái lỏng trên điểm sôi của chúng dẫn đến độ hòa tan cao và tốc độ khuếch tán cao của các chất hòa tan lipid trong dung môi và độ thẩm thấu cao của dung môi trong cấu trúc. PLE giảm đáng kể thời gian chiết và dung môi và có độ lặp lại tốt hơn so với các phương pháp khác.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Macau và các viện nghiên cứu khác đã áp dụng thành công trong việc chiết xuất nhiều loại sản phẩm tự nhiên bao gồm saponin, flavonoid và tinh dầu từ TCM. Một số nhà nghiên cứu tin rằng PLE không thể được sử dụng để chiết xuất các hợp chất dể biến đổi vì nhiệt do nhiệt độ chiết cao, trong khi những người khác tin rằng nó có thể được sử dụng để chiết xuất các hợp chất dễ biến đổi vì nhiệt vì thời gian chiết xuất được sử dụng trong PLE ngắn hơn. Phản ứng Maillard xảy ra khi PLE được sử dụng ở 200 ° C để chiết xuất chất chống oxy hóa từ bưởi nho. Anthocyanin là chất không bền vì nhiệt. Gizir et al. áp dụng thành công PLE để thu được chiết xuất giàu anthocyanin từ cà rốt đen vì tốc độ phân hủy của anthocyanin phụ thuộc vào thời gian và điều kiện chiết xuất PLE trong thời gian ngắn ở nhiệt độ cao có thể khắc phục nhược điểm được sử dụng trong quá trình chiết xuất.

Chiết siêu tới hạn (SFE)
Chiết siêu tới hạn (SFE) sử dụng chất lỏng siêu tới hạn (SF) làm dung môi chiết. SF có độ hòa tan tương tự như chất lỏng và độ khuếch tán tương tự như khí, và có thể hòa tan nhiều loại sản phẩm tự nhiên. Tính chất hòa tan của chúng thay đổi đáng kể gần các điểm tới hạn do thay đổi áp suất và nhiệt độ. Carbon dioxide siêu tới hạn (S-CO2) đã được sử dụng rộng rãi trong SFE vì những ưu điểm hấp dẫn của nó như nhiệt độ tới hạn thấp (31 ° C), tính chọn lọc, tính trơ, chi phí thấp, không độc hại và khả năng chiết xuất các hợp chất bền nhiệt. Độ phân cực thấp của S-CO2 làm cho nó trở nên lý tưởng cho việc chiết xuất các sản phẩm tự nhiên không phân cực như lipid và dầu dễ bay hơi. Một chất điều chỉnh có thể được thêm vào S-CO2 để tăng cường tính chất hòa tan của nó.
Conde-Hernández chiết xuất tinh dầu hương thảo (Rosmarinus officinalis) bằng cách chiết xuất S-CO2, chưng cất trực tiếp và cất kéo hơi nước. Ông phát hiện ra rằng lượng tinh dầu và hoạt tính chống oxy hóa của chiết xuất SFC đều cao hơn so với hai phương pháp khác. S-CO2 được thêm chất điều chỉnh 2% ethanol ở 300 bar và 40 ° C đã cho hiệu suất chiết vinblastine từ Catharanthus roseus cao hơn hơn 92% so với chiết xuất truyền thống.

Chiết có hỗ trợ siêu âm (UAE)
Chiết xuất có hỗ trợ siêu âm (UAE), còn được gọi là chiết xuất siêu âm, sử dụng năng lượng sóng siêu âm trong quá trình chiết xuất. Siêu âm trong dung môi tạo ra tăng tốc độ hòa tan và khuếch tán chất tan cũng như truyền nhiệt, giúp cải thiện hiệu suất chiết. Ưu điểm khác của UAE bao gồm ít dung môi và năng lượng thấp, và giảm nhiệt độ và thời gian chiết. UAE được ứng dụng để chiết xuất các hợp chất dễ biến đổi về nhiệt và không ổn định.
Jovanović và cộng sự đạt được hiệu suất chiết polyphenol cao hơn từ Thymus serpyllum L. bởi UAE ở điều kiện tối ưu hóa (50% ethanol dưới dạng dung môi; 1:30 từ rắn đến dung môi; kích thước hạt 0,3 mm và thời gian 15 phút) so với phương pháp chiết ngâm lạnh và hỗ trợ nhiệt. Một nghiên cứu khác thấy rằng không có sự khác biệt chiết xuất ginsenoside: Rg1 và Rb1, chikusetsusaponins V, IV và IVa, và pseudins RT1, từ TCM Panacis Japonici Rhizoma giữa UAE và chiết nóng hồi lưu sử dụng methanol/nước 70% trong 30 phút. Quách et al. tìm thấy cả phương pháp hồi lưu và UAE đều có ưu điểm là tiết kiệm thời gian, vận hành thuận tiện và hiệu suất chiết cao và UAE tương đối tốt hơn phương pháp hồi lưu trong sản phẩm Dichroae Radix đối với hàm lượng của febrifugine.

Chiết có hỗ trợ vi sóng (MAE)

Sóng vi ba tạo ra nhiệt bằng cách tương tác với các hợp chất phân cực như nước và một số thành phần hữu cơ trong cấu trúc thực vật theo cơ chế dẫn ion và cơ chế quay lưỡng cực. Sự truyền nhiệt và khối lượng theo cùng một hướng trong MAE, tạo ra hiệu ứng hiệp đồng để tăng tốc độ chiết và cải thiện năng suất chiết. Việc áp dụng MAE cung cấp nhiều ưu điểm, chẳng hạn như tăng hiệu suất chiết, giảm sự biến đổi về nhiệt và gia nhiệt chọn lọc đối với các chất trong thực vật. MAE cũng được coi là một công nghệ xanh vì nó làm giảm việc sử dụng dung môi hữu cơ. Có hai loại phương pháp MAE: chiết không dung môi (thường cho các hợp chất dễ bay hơi) và chiết bằng dung môi (thường cho các hợp chất không bay hơi). Chen đã tối ưu hóa các điều kiện để MAE chiết xuất resveratrol từ TCM Polygoni Cuspidati Rhizoma et Radix (rhizome và radix của Polygonum cuspidatum). Hiệu suất chiết xuất 1,76% của resveratrol thu được từ các điều kiện tối ưu hóa như sau: thời gian chiết 7 phút, 80% ethanol, tỷ lệ chất lỏng với chất rắn 25: 1 (ml: g), công suất vi sóng 1,5 kw. Benmoussa và cộng sự sử dụng phương pháp MAE không dung môi để chiết xuất tinh dầu từ hạt Foeniculum vulgare ở áp suất khí quyển mà không cần thêm bất kỳ dung môi hoặc nước. Hiệu suất và chất lượng sản phẩm của MAE không dung môi tương tự như chiết xuất bằng phương pháp chưng cất trực tiếp và chỉ tốn một phần sáu thời gian. Xiong et al. đã phát triển một phương pháp MAE để chiết xuất năm loại alkaloid: liensinine, neferine, isoliensinine, dauricine và nuciferin, từ mầm hạt Nelumbinis plumula các điều kiện MAE được tối ưu hóa như sau: 65% methanol, công suất vi sóng 200 W và thời gian chiết là 260 s.

Chiết xung điện (PEF)

Chiết điện trường xung làm tăng đáng kể hiệu suất chiết và giảm thời gian chiết vì nó có thể tăng chuyển khối trong quá trình chiết bằng cách phá hủy cấu trúc màng. Hiệu quả của điều trị PEF phụ thuộc vào một số thông số bao gồm cường độ trường, đầu vào năng lượng cụ thể, số xung và nhiệt độ xử lý. Chiết xuất PEF là một phương pháp không nhiệt và giảm thiểu sự biến đổi các hợp chất không bền với nhiệt.
Hou et al. thu được hiệu suất cao nhất của ginsenosides (12,69 mg / g) bằng PEF khi sử dụng các điều kiện cường độ điện trường 20 kV / cm, tần số 6000 Hz, dung môi ethanol 70% và vận tốc 150 l / h. Hiệu suất của ginsenosides của phương pháp chiết xuất PEF cao hơn so với MAE, chiết xuất hồi lưu nhiệt, UAE và PLE. Trong một nghiên cứu về chất chống oxy hóa được chiết xuất từ ​​vỏ cây vân sam Na Uy, Bouras đã phát hiện ra rằng hàm lượng phenolic cao hơn nhiều (tám lần) và tác dụng chống oxy hóa (30 lần) đạt được sau khi chiết PEF so với các mẫu khác.

Chiết hỗ trợ enzyme (EAE)

Cấu trúc của màng tế bào và thành tế bào, các mixen được hình thành bởi các đại phân tử như polysacarid và protein, và sự đông tụ và biến tính protein ở nhiệt độ cao trong quá trình chiết xuất là rào cản chính đối với việc chiết xuất các sản phẩm tự nhiên. Hiệu suất chiết xuất sẽ được tăng cường bởi EAE do tác động thủy phân của các enzyme trên các thành phần của thành tế bào và màng tế bào và các đại phân tử bên trong tế bào tạo điều kiện cho việc giải phóng sản phẩm tự nhiên. Cellulose, α-amylase và pectinase thường được sử dụng trong EAE.

Polysacarid là một trong những thành phần có hoạt tính sinh học trong TCM Astragali Radix. Chen và cộng sự. đã nghiên cứu chiết EAE của polysacarid từ Astragalus mucanaceus bằng cách sử dụng các enzyme khác nhau và thấy rằng glucose oxyase mang lại hiệu quả tốt hơn trong việc chiết xuất polysacarid so với các enzyme khác (amyloglucosidase, hemiaellulase, amylase, amylase). Năng suất polysacarid trong điều kiện EAE được tối ưu hóa bằng cách sử dụng glucose oxyase tăng hơn 250% so với phương pháp xử lý không enzyme. Năng suất chiết của acid chlorogen từ lá Eucommia ulmoides được cải thiện rất nhiều khi sử dụng cellulase và chất lỏng ion. Strati el al. nhận thấy rằng năng suất chiết xuất carotene và lycopene từ cà chua đã tăng lên khi sử dụng enzyme pectinase và cellulase. So với phương pháp chiết dung môi không xử lý bằng enzyme, năng suất cao hơn gấp sáu và mười lần của hai hợp chất trên thu được trong các mẫu được xử lý bằng cellulase và pectinase.

Chưng cất trực tiếp và cất kéo hơi nước

Chưng cất trực tiếp (HD) và chưng cất hơi nước (SD) là phương pháp thường được sử dụng để chiết xuất tinh dầu dễ bay hơi. Một số hợp chất tự nhiên gặp phải sự phân hủy trong HD và SD.
Thành phần hóa học và hoạt tính kháng khuẩn của tinh dầu nguyên sinh và tinh dầu thứ cấp từ Mentha citrata bị ảnh hưởng đáng kể bởi các phương pháp chưng cất. Cả sản lượng tinh dầu nguyên chất và tinh dầu thứ cấp theo HD đều cao hơn so với SD. Yahya và Yunus thấy rằng thời gian chiết xuất đã ảnh hưởng đến chất lượng của dầu hoắc hương cần thiết được chiết xuất. Khi thời gian chiết xuất tăng, hàm lượng của một số thành phần giảm hoặc tăng.