Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết xuất 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 chất 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 hoá học để đáp ứng với những chức phận sinh lý đặc biệt mà nó đảm nhiệm (hoá gỗ, hoá 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 kéo 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 hoá bần, hoá 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 hoá gỗ, hoá 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 có thành phần hoá 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 – 600C, chúng bị mất hoạt tính sinh học (trừ trường hợp ở những hạt khô, quả khô, chất nguyên sinh có thể chịu được tới 80 – 1050C). 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 huỷ chất nguyên sinh bằng cách làm đông vón chúng bằng nhiệt (sấy hoặc phơi khô) hoặc bằng cồn (hơi hoặc cồn nóng).

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 tủa 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 hoá, làm tăng độ nhớt của dung dịch, gây cản trở cho quá trình chiết xuất. Do đó đối với những dược liệu loại 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 hoá.

• 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 chúng 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 60-700C 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. Tuỳ 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 phần đường và phần không đường. Dưới tác dụng của enzym vốn có sẵn trong dược liệu, gặp điều kiện thuận lợi (ấm, ẩm), glycosid sẽ bị thuỷ phân, mạch đường sẽ bị cắt một phần hoặc toàn phần, làm thay đổi độ phân cực của glycosid, làm cho glycosid ít tan trong nước hơn. Có trường hợp người ta cần glycosid thứ cấp (đã bị cắt bớt một phần đường), lúc đó người ta sẽ tạo điều kiện cho enzym hoạt động bằng cách vò nát, cắt nhỏ dược liệu, ủ dược liệu thành đống và tạo nhiệt độ thích hợp (30-400C). Cũng có trường hợp người ta cần glycosid sơ cấp (chưa bị thuỷ phân), khi đó người ta lại phải diệt enzym để tránh cho glycosid khỏi bị thuỷ phân.

Có ba phương pháp để diệt enzym:

+ PP nhiệt ướt: nhúng dược liệu vào lỏng sôi (nước sôi hoặc cồn sôi).

+ PP nhiệt ẩm: cho dược liệu qua hơi ẩm (hơi nước sôi hay hơi cồn sôi).

+ PP nhiệt khô: cho dược liệu qua luồng không khí nóng.

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

Nói chung dung môi ít phân cực thì dễ hoà tan các chất không phân cực và khó hoà tan các chất có nhiều nhóm phân cực. Ngược lại, dung môi phân cực mạnh thì dễ hoà tan các chất có nhiều nhóm phân cực và khó hoà 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 hoả, xăng, hexan, heptan, benzen, toluen…

+ Dung môi phân cực yếu và vừa: chloroform, diclorethan, aceton, ethylacetat …

+ Dung môi phân cực mạnh: nước, glycerin, các loại cồn có mạch carbon ngắn (methanol, ethanol, isopropanol…).

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.

Dưới đây là độ nhớt (η) và sức căng bề mặt (δ) của một số dung môi thường gặp ở nhiệt độ phòng 20oC (xếp theo thứ tự tăng dần).

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 …

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. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng sẽ gây bất 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 huỷ 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 hoá, 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 hoà tan toả nhiệt: khi nhiệt độ tăng, độ tan của chúng lại bị giảm. Do đó để tăng độ tan thì cần phải làm giảm nhiệt độ.

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

Khi bắt đầu chiết, các chất có phân tử lượng nhỏ (thường là hoạt chất) sẽ được hoà 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 …

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 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 chiết, 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 huỷ, dịch chiết bị lẫn nhiều tạp; gây khó khăn cho quá trình tinh chế, bảo quản.

– Từ những phân tích trên ta thấy cần phải lựa chọn độ mịn của dược liệu sao cho thích hợp, tuỳ thuộc vào từng trường hợp hợp cụ thể, tuỳ thuộc vào dược liệu, dung môi, phương pháp chiết xuất … Ví dụ:

+ Đối với dược liệu mỏng manh như hoa lá, cây cỏ … hoặc đối với những dược liệu chứa nhiều chất nhầy, chất nhựa, chất keo … thì không nên xay dược liệu quá mịn mà chỉ nên xay thô dược liệu. Đối với những dược liệu đã già, dược liệu rắn chắc như hạt, rễ, thân gỗ … cần phải xay mịn hơn.

+ Đối với trường hợp dùng loại dung môi dễ hoà tan nhiều tạp, nên tránh xay dược liệu quá mịn.

+ Đối với trường hợp chiết xuất ở nhiệt

độ cao, cũng nên tránh xay dược liệu quá mịn để tránh đưa nhiều tạp vào dịch chiết.

Khi dung môi tiếp xúc với dược liệu, dung môi sẽ thấm vào dược liệu, hoà 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.

Tuỳ 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 chắc như hạt, rễ, thân, gỗ… cần phải chọn loại cánh khuấy khoẻ, tốc độ khuấy mạnh.

Năng lượng của siêu âm có tác dụng làm tăng mạnh tính thẩm thấu và khuếch tán nhờ những tác dụng của siêu âm như sau:

– Làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai pha bằng cách phân tán chúng thành những hạt nhỏ.

– Phá vỡ một phần màng tế bào.

– Tăng cường sự xáo trộn của hỗn hợp.

– Có tác dụng làm nóng tại chỗ.

Phương pháp siêu âm có nhiều ưu điểm làm tăng cường quá trình chiết xuất. Tuy nhiên, phương pháp này mới chỉ được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm mà chưa được áp dụng trong sản xuất.

Ngoài những yếu tố kể trên, còn nhiều yếu tố khác cũng gây ảnh hưởng đến quá trình chiết xuất. Ví dụ: áp suất, pH môi trường, chấn động cơ học, dòng điện cao áp …