Chiết xuất dược liệu và một số quá trình trong chiết xuất

quá trình xảy ra trong chiết xuất dược liệu

Chiết xuất dược liệu
Một số quá trình xảy ra trong chiết xuất dược liệu

Chiết xuất dược liệu là khi dược liệu và dung môi tiếp xúc với nhau, lúc đầu dung môi thấm vào dược liệu, sau đó những chất tan trong tế bào dược liệu hòa tan vào dung môi, rồi được khuếch tán ra ngoài tế bào. Trong chiết xuất dược liệu sẽ xảy ra một số quá trình sau: Khuếch tán, Thẩm thấu, Thẩm tích…

  • Quá trình khuếch tán

Khái niệm chung về chiết xuất dược liệu:

Quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc trực tiếp với nhau gọi là quá trình khuếch tán (hay quá trình chuyển khối).

Quá trình tách chất hòa tan trong dược liệu bằng dung môi chính là quá trình chiết xuất dược liệu. Ở đây dược liệu là pha rắn, dung môi là pha lỏng.

Khi hai pha chuyển động tiếp xúc với nhau, do sự cản trở của pha này đối với pha kia, nghĩa là do ma sát giữa chúng mà trên bề mặt phân chia tạo thành lớp màng. Ở trong lớp màng luôn luôn có chế độ chuyển động dòng, còn ở giữa nhân của dòng thì có thể chuyển động xoáy. Đặc trưng di chuyển vật chất trong màng và trong nhân của dòng có khác nhau.

Trong lớp màng, quá trình di chuyển vật chất cơ bản là nhờ sự tiếp xúc giữa các phân tử và sự tác dụng tương hỗ giữa chúng, do đó, quá trình khuếch tán qua màng được gọi là quá trình khuếch tán phân tử

Trong nhân của dòng, quá trình di chuyển vật chất nhờ vào sự xáo trộn các phần tử của dòng, vì thế gọi là khuếch tán đối lưu.

Quá trình khuếch tán trong lớp màng xảy ra rất chậm so với quá trình khuếch tán trong nhân của dòng, do đó mặc dù lớp màng rất mỏng nhưng nó vẫn có giá trị quyết định đối với quá trình khuếch tán. Vận tốc khuếch tán chung phụ thuộc nhiều vào vận tốc khuếch tán trong màng.

  • Khuếch tán phân tử

Khuếch tán phân tử xảy ra trong lớp màng hay trong môi trường đứng yên. Động lực của quá trình khuếch tán là gradien nồng độ theo hướng x, tức là sự biến đổi nồng độ trên một đơn vị đường đi.

Vận tốc khuếch tán: là lượng vật chất đi qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian. Theo định luật Fick, vận tốc khuếch tán tỷ lệ với gradien nồng độ

Ta có:

Giải phương trình trên, ta được lượng vật chất khuếch tán

Trong đó

G: lượng vật chất khuếch tán (kg)

F: bề mặt khuếch tán, vuông góc với hướng khuếch tán (m2)

Ʈ: thời gian khuếch tán (giờ)

C: nồng độ chất tan (kg/m3)

X: chiều dài quãng đường khuếch tán (m)

Hệ số khuếch tán phân tử là lượng vật chất đi qua một đơn vị bề mặt, trong một đơn vị thời gian, khi nồng độ vật chất giảm đi một đơn vị chiều dài theo hướng khuếch tán. Hệ số khuếch tán của một chất đặc trưng cho tính chất khuếch tán của chất đó trong một môi trường nào đấy.

Công thức tính hệ số khuếch tán phân tử theo Einstein:

Trong đó

R: hằng số khí

T: nhiệt độ tuyệt đối

N: hằng số Avogadro

η: độ nhớt của chất lỏng

R: bán kính của phần tử khuếch tán.

Quá trình xảy ra trong chiết xuất dược liệu

Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết xuất dược liệu

Màng tế bào dược liệu

Màng tế bào dược liệu có ảnh hưởng nhiều đến quá trình khuếch tán. Khi còn sống, đó là nơi xảy ra quá trình trao đổi chất có tính chọn lọc. Khi chết, đó là nơi xảy ra các hiện tượng khuếch tán, thẩm thấu, thẩm tích,… Màng tế bào có cấu tạo không ổn định, có thể bị thay đổi tính chất vật lý và thành phần hóa học để đáp ứng với những chức phận sinh lý đặc biệt mà nó đảm nhiệm (hóa gỗ, hóa khoáng, phủ sáp,…). Những sự thay đổi này có thể xảy ra từng phần hoặc toàn phần ở màng tế bào và thường thay đổi nhiều ở thực vật đã già.

Đối với thực vật còn non hay mỏng mềm như cỏ cây, hoa lá, thành phần của màng tế bào chủ yếu là cellulose. Cellulose có tính chất không tan trong nước và không tan trong các dung môi khác, bền vững ở nhiệt độ cao, có tính mềm dẻo đàn hồi. Đối với dược liệu loại này, dung môi dễ thấm vào dược liệu, do đó chỉ cần xay thô dược liệu. Nếu xay mịn, dễ khéo theo nhiều tạp vào dịch chiết.

Đối với dược liệu đã già, rắn chắc như hạt, gỗ, rễ, vỏ thân… thì màng tế bào trở nên dày và có thể xảy ra những biến đổi sau:

Màng tế bào có thể bị hóa bần, hóa cutin, hoặc có thể bị phủ thêm một lớp sáp,… đó là những chất có bản chất lipid, có tính chất không thấm nước và khí, do đó dung môi khó thấm vào dược liệu.

Màng tế bào có thể bị hóa gỗ, hóa khoáng, bị phủ thêm lớp dioxyd silic hoặc calci carbonat, màng tế bào trở nên dày, rắn chắc, nên dung môi khó thấm vào dược liệu.

Màng tế bào có thể bị phủ thêm lớp chất nhầy. Chất nhầy tan được trong nước, nhưng khi hút nước nó bị trương nở và trở nên nhớt, làm bít kín các ống mao quản trên màng tế bào, gây cản trở sự thấm của dung môi, cản trở quá trình khuếch tán.

Do đó, với những dược liệu đã già, rắn chắc nên xay nhỏ dược liệu, tạo điều kiện cho dung môi dễ thấm ướt dược liệu, chất tan dễ khuếch tán vào dung môi.

Chất nguyên sinh

Chất nguyên sinh có thành phần hóa học rất phức tạp và không ổn định. Chất nguyên sinh có tính nhớt, tính đàn hồi, không tan trong nước, không màu và không bền đối với nhiệt. Ở nhiệt độ 50 – 60oC, chúng bị mất hoạt tính sinh học (trừ trường hợp những hạt khô, quả khô, chất nguyên sinh có thể chịu được tới 80-105oC). Có thể nói chất nguyên sinh là một môi trường dị thể phức tạp, có thể coi đó là một hệ keo nhiều pha, tạo thành từ những hợp chất cao phân tử, phân tán trong môi trường nước (ví dụ: giọt dầu, giọt mỡ, hạt tinh bột, hạt tinh thể…)

Chất nguyên sinh có tính chất bán thấm, có nghĩa là chỉ thấm đối với dung môi mà không cho chất tan đi qua. Do đó, để chiết được các chất tan trong tế bào, người ta phải tìm cách phá hủy chất nguyên sinh bằng cách làm đông vón chúng bằng nhiệt (sấy hoặc phơi khô) hoặc bằng cồn (hơi hoặc cồn nóng).

Một số tạp chất có thể có trong dược liệu

Đó là sản phẩm của các quá trình trao đổi chất, là chất dự trữ hoặc chất thải của cây. Các chất này thường gây cản trở hoặc cũng có khi có tác dụng thuận lợi cho quá trình chiết xuất. Dưới đây là một số ví dụ:

Đối với những dược liệu chứa nhiều pectin, gôm hoặc chất nhầy:

Đó là những chất tan được trong nước, và khi tan trong nước thì bị trương nở, tạo dung dịch keo, làm tăng độ nhớt, gây cản trở cho quá trình chiết xuất. Có thể loại các chất này bằng cách cho kết tử trong cồn cao độ.

Đối với những dược liệu chứa nhiều tinh bột
* Tinh bột có tính chất không tan trong nước lạnh, nhưng ở nhiệt độ cao tinh bột bị hồ hóa, làm tăng độ nhớt của dung dịch, gây cản trở cho quá trình chiết xuất. Do đó, đối với những dược liệu này, không nên xay dược liệu quá mịn, tránh giải phóng ra nhiều tinh bột và không nên chiết ở nhiệt độ cao để tránh bị hồ hóa.

Đối với những dược liệu chứa chất béo, dầu mỡ, tinh dầu, sáp, nhựa
* Đó là những chất không tan trong nước và thường tan trong các dung môi không phân cực. Nếu dùng dung môi chiết là nước, các chất này sẽ làm dung môi khó thấm vào dược liệu, gây cản trở quá trình chiết xuất, do đó, cần phải loại đi bằng các dung môi thích hợp trước khi chiết. Nếu dùng dung môi không phân cực để chiết, dịch chiết sẽ lẫn nhiều tạp, những tạp này sẽ bị loại đi trong giai đoạn tinh chế.

Đối với những dược liệu chứa enzym

Enzym có bản chất là protein, ở nhiệt độ 60-70oC, enzym bị mất hoạt tính, còn ở nhiệt độ lạnh enzym chỉ bị ngừng hoạt động, sau đó nếu nâng đến nhiệt độ thích hợp thì enzym lại được phục hồi. Tùy từng trường hợp cụ thể mà enzym có thể gây cản trở hoặc cũng có khi lại tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chiết xuất. Ví dụ: glycosid trong cây bao gồm hai phần là đường và phần không đường. Dưới tác dụng của enzym vốn có sẵn trong dược liệu, gặp điều kiện thuận lợi (ấm, ẩm), glycosid khỏi bị thủy phân.

Quá trình xảy ra trong chiết xuất dược liệuCó 3 phương pháp để diệt enzym:

  • Phương pháp nhiệt ướt: nhúng dược liệu vào chất lỏng sôi (nước hoặc cồn)
  • Phương pháp nhiệt ẩm: cho dược liệu qua hơi ẩm (hơi nước sôi hay hơi cồn sôi)
  • Phương pháp nhiệt khô: cho dược liệu qua luồng không khí nóng

Những yếu tố thuộc về dung môi

Một số yếu tố của dung môi có ảnh hưởng tới quá trình chiết xuất là độ phân cực, độ nhớt, sức căng bề mặt

Độ phân cực của dung môi

Nói chung dung môi ít phân cực thì dễ hòa tan các chất không phân cực và khó hòa tan các chất có nhiều nhóm phân cực. Ngược lại, dung môi phân cực mạnh thì dễ hòa tan các chất có nhiều nhóm phân cực và khó hòa tan các chất ít phân cực.

Dựa vào độ phân cực của dung môi người ta phân loại như sau:

+     Dung môi không phân cực: ether dầu hỏa, xăng, hexan, heptan, benzen, toluen
+     Dung môi phân cực yếu và vừa: cloroform, diclorethan, aceton
+     Dung môi phân cực mạnh: nước, glycerin, cồn…

Độ nhớt, sức căng bề mặt của dung môi

Nói chung, dung môi có độ nhớt càng thấp hoặc có sức căng bề mặt càng nhỏ thì dung môi càng dễ thấm vào dược liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chiết xuất và ngược lại.

Một số độ nhớt của các dung môi thường gặp:

Những yếu tố thuộc về kỹ thuật

Đó là những yếu tố có thể thay đổi được bằng các biện pháp kỹ thuật khác nhau, nhằm tạo ra những điều kiện thuận lợi cho quá trình chiết xuất. Đó có thể là những yếu tố: nhiệt độ, thời gian, độ mịn của dược liệu, khuấy trộn, siêu âm…

Nhiệt độ chiết xuất

Theo công thức tính hệ số khuếch tán của Einstein, khi nhiệt độ tăng thì hệ số khuếch tán cũng tăng, do đó, theo định luật Fick, lượng chất khuếch tán cũng tăng lên. Hơn nữa, khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt của dung môi giảm, do đó sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chiết xuất trong một số trường hợp sau:

+     Đối với những hợp chất kém bền ở nhiệt độ cao: nhiệt độ tăng cao sẽ gây phá hủy một số hoạt chất như vitamin, glycosid, alcaloid…

+     Đối với tạp: khi nhiệt độ tăng, không chỉ độ tan của hoạt chất tăng mà độ tan của tạp cũng đồng thời tăng theo, dịch chiết sẽ bị lẫn nhiều tạp. Nhất là đối với một số tạp như gôm, chất nhầy,… khi nhiệt độ tăng sẽ bị trương nở; tinh bột bị hồ hóa, độ nhớt của dịch chiết sẽ bị tăng, gây khó khăn cho quá trình chiết xuất, tinh chế.

+     Đối với dung môi dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp: khi tăng nhiệt độ thì dung môi dễ bị hao hụt, khi đó thiết bị phải kín và phải có bộ phận hồi lưu dung môi.

+     Đối với một số chất đặc biệt có quá trình hòa tan tỏa nhiệt: khi nhiệt độ tăng, độ tan của chúng lại giảm. Do đó, để tăng độ tan thì cần phải làm giảm nhiệt độ.

+     Từ những phân tích trên, ta thấy tùy từng trường hợp cụ thể mà cần lựa chọn nhiệt độ sao cho phù hợp (tùy thuộc vào các yếu tố như dược liệu, dung môi, phương pháp chiết xuất…)

Thời gian chiết xuất dược liệu

Khi bắt đầu chiết, các chất có phân tử lượng nhỏ (thường là hoạt chất) sẽ được hòa tan và khuếch tán vào dung môi trước, sau đó mới đến các chất có phân tử lượng lớn (thường là tạp như nhựa, keo,…). Do đó, nếu thời gian chiết ngắn sẽ không chiết được hết hoạt chất trong dược liệu; nhưng nếu thời gian chiết dài quá, dịch chiết sẽ bị lẫn nhiều tạp, gây bất lợi cho quá trình tinh chế và bảo quản. Tóm lại, cần phải lựa chọn thời gian chiết xuất sao cho phù hợp với thành phần dược liệu, dung môi, phương pháp chiết xuất…

Độ mịn của dược liệu

Khi kích thước dược liệu thô quá, dung môi sẽ khó thấm ướt dược liệu, hoạt chất khó được chiết vào dung môi. Khi độ mịn dược liệu tăng lên, bề mặt tiếp xúc giữa dược liệu và dung môi tăng lên; theo định luật Fick, lượng chất khuếch tán vào dung môi tăng lên, do đó thời gian chiết xuất sẽ nhanh hơn.

Tuy nhiên, trong thực tế, nếu xay dược liệu quá mịn sẽ gây ra một số quá trình bất lợi cho quá trình chiết xuất như sau:

+     Khi ngâm dược liệu vào dung môi, bột dược liệu bị dính bết vào nhau, tạo thành dạng bột nhão, vón cục. Do đó, sẽ khó khuấy trộn giữa dược liệu và dung môi, quá trình chiết xuất xảy ra bị chậm lại. Mặt khác, vì bột dược liệu bị dính bết vào nhau nên khi rút dịch chiets, dịch chiết bị chảy chậm hoặc không chảy được (gọi là hiện tượng tắc thiết bị)

+     Khi bột dược liệu quá mịn, nhiều tế bào thực vật bị phá hủy, dịch chiết bị lẫn nhiều tạp; gây khó khăn cho quá trình tinh chế, bảo quản.

Vì vậy, vần lựa chọn độ mịn của dược liệu sao cho thích hợp, tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể, tùy thuộc vào dược liệu, dung môi, phương pháp chiết xuất,…

Khuấy trộn

Khi dung môi tiếp xúc với dược liệu, dung môi sẽ thấm vào dược liệu, hòa tan chất tan, chất tan sẽ khuếch tán từ dược liệu vào dung môi qua màng tế bào. Sau một thời gian khuếch tán, nồng độ chất tan trong tế bào giảm dần, nồng độ chất tan trong lớp dung môi tăng dần, chênh lệch nồng độ giữa trong và ngoài tế bào giảm dần, tốc độ quá trình khuếch tán cũng giảm dần, đến một lúc nào đó sẽ xảy ra quá trình  cân bằng động giữa hai pha. Như vậy, nếu không có khuấy trộn, quá trình khuếch tán sẽ xảy ra rất chậm. Theo định luật Fick, chênh lệch nồng độ giữa hai pha là động lực của quá trình khuếch tán. Do đó, muốn tăng cường quá trình khuếch tán, cần phải tạo ra chênh lệch nồng độ bằng cách di chuyển lớp dịch chiết ở phía sát màng tế bào (nơi có nồng độ cao hơn) ra phía xa hơn và di chuyển lớp dung môi ở phía xa (nơi có nồng độ thấp hơn) đến sát màng tế bào. Điều này được thực hiện bằng cách khuấy trộn. Như vậy, bằng cách khuấy trộn, người ta đã tăng cường được tốc độ khuếch tán.

Tùy từng trường hợp cụ thể mà người ta chọn loại cấu tạo cánh khuấy và tốc độ khuấy sao cho phù hợp. Ví dụ:

  • Nếu dược liệu là hoa lá mỏng manh, chỉ cần chọn tốc độ khuấy nhỏ, không nên khuấy mạnh để tránh cho dược liệu khỏi bị dập nát gẫy vụn, tránh đưa nhiều tạp vào dịch chiết.
  • Nếu dược liệu cứng nhắc như hạt, rễ, thân, gỗ… cần phải chọn loại cánh khuấy khỏe, tốc độ khuấy mạnh.

Bài viết chỉ mang tính chất tham khảo, quý khách nên tham khảo tư vấn từ bác sĩ và chuyên gia!

Xem thêm và thảo luận tại :tw Fb