Ngày nay, xu hướng sử dụng thuốc có nguồn gốc từ thực vật để điều trị bệnh đang được ưa chuộng trên thế giới. Theo Newman và Cragg, hơn 50% số thuốc được chấp nhận trong vòng 30 năm qua có nguồn gốc trực tiếp hoặc gián tiếp từ thực vật. Trong lĩnh vực điều trị ung thư, 47% số lượng thuốc có phân tử nhỏ có nguồn gốc từ thực vật. Điều này đã làm gia tăng đáng kể các công ty sản xuất thuốc có nguồn gốc thực vật. Sự canh tranh trên thị trường toàn cầu giữa các công ty ngày càng khốc liệt. Các thuốc được sản xuất ra phải đảm bảo các yêu cầu nghiêm ngặt, quá trình sản xuất phải đảm bảo không gây ảnh hưởng môi trường… Chẳng hạn như trước đây, để sản xuất được 1ml tinh dầu hoa hồng, không những phải cần 1kg hoa hồng mà còn cần  một lượng lớn dung môi hữu cơ (n-hexan), một lượng nhiên liệu lớn. Lượng dung môi thải ra sau quá trình sản xuất tác động lớn đến sự ô nhiễm môi trường. Các kỹ thuật chiết xuất cũ cho hiệu suất chiết thấp, sản phẩm thu được chất lượng không cao. Xu hướng gần đây trong kỹ thuật chiết xuất cần tìm ra các giải pháp mới nhằm làm giảm thiểu việc sử dụng dung môi, nâng cao chất lượng sản phẩm chiết, góp phần cải thiện chi phí sản phẩm, tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường. Trước những thách thức đó, “chiết xuất xanh” ra đời.

Vậy “Chiết xuất xanh” là gì?

Định nghĩa chung về Hoá học xanh là những phát minh, thiết kế và ứng dụng các sản phẩm hay quy trình hoá học để giảm bớt hoặc loại bỏ việc sử dụng hoặc sinh ra các chất độc hại. Liên quan đến Chiết xuất xanh, khái niệm này có thể trình bày như sau: Chiết xuất xanh dựa trên sự khám phá và thiết kế các quy trình chiết xuất nhằm làm giảm năng lượng tiêu thụ, cho phép sử dụng các dung môi thay thế và các sản phẩm tự nhiên tái tạo được, đảm bảo an toàn và cho sản phẩm/ dịch chiết có chất lượng cao.

Ba giải pháp chính được xác định để thiết kế và chứng minh áp dụng chiết xuất xanh trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp, nhằm tối ưu hoá lượng nguyên liệu, lượng dung môi và năng lượng sử dụng đó là: (1) cải thiện và tối ưu hoá các quy trình hiện có, (2) sử dụng các thiết bị không chuyên dụng, (3) đổi mới quy trình, sử dụng các dung môi thay thế.

6 nguyên tắc của Chiết xuất xanh:

Nguyên tắc 1: Đổi mới bằng cách lựa chọn loài khác, sử dụng các tài nguyên thực vật có khả năng tái tạo.

Nguyên tắc 2: Sử dụng dung môi thay thế, chủ yếu là nước hay các dung môi “nông nghiệp”.

Nguyên tắc 3: Giảm thiểu năng lượng tiêu thụ bằng cách phục hồi năng lượng và sử dụng các công nghệ tiên tiến.

Nguyên tắc 4: Tạo ra các đồng sản phẩm thay vì chất thải, bao gồm tinh chế sinh học và nông nghiệp.

Nguyên tắc 5: Ủng hộ các quy trình an toàn và được kiểm soát.

Nguyên tắc 6: Tạo ra dịch chiết không biến tính, không phân huỷ sinh học và không có chất gây ô nhiễm.

  1. Nguyên tắc 1: Đổi mới bằng cách lựa chọn loài khác, sử dụng các tài nguyên thực vật có khả năng tái tạo.

Nhu cầu ngày càng tăng của các sản phẩm tự nhiên đang dẫn đến việc khai thác quá mức tài nguyên thực vật. Đã có nhiều loài được báo cáo là tuyệt chủng, do đó việc bảo tồn đa dạng sinh học là điều bắt buộc hiện nay. Trong chiết xuất xanh, đối tượng được lựa chọn là loài thực vật có khả năng tái tạo lớn.

Ví dụ điển hình là thuốc chống ung thư Paclitaxel (Taxol) được chiết từ loài Taxus brevifolia. Trong những năm 1970, không duới 30 tấn vỏ cây này được thu thập để phục vụ cho các nghiên cứu thử nghiệm lâm sàng: 10kg vỏ cây khô chỉ chiết ra được 1g taxol. Do đó, nhiều dự án đã nghiên cứu nhằm mục đích tìm giải pháp thay thế loài này, tránh nguy cơ cạn kiệt. Từ năm 1980, Paclitaxel và Docetaxol (Taxotere) được điều chế bằng cách bán tổng hợp từ tiền chất tự nhiên 10-deacetylbaccatine III. Chất này được chiết xuất từ lá kim và cành (tài nguyên có thể tái tạo) của một nhiều loài khác.

2019.03.06.Nguyen Khanh Thuy Linh 1

Hình 1. Bán tổng hợp Paclitaxel từ 10-deacetylbaccatine III

Một ví dụ khác là việc sản xuất Artemisinin, một chất chống sốt rét được phân lập từ loài Artemisia annua L, có nguồn gốc từ châu Á. Hàm lượng của chất này ở phần trên mặt đất của cây dao động từ 0,01 đến 0,05%. Do đó việc chiết xuất Artemisinin từ loài Artemisia annua là rất khó khăn và hiệu suất thấp. Để giải quyết trường hợp này, một kỹ thuật công nghệ mới ra đời, gọi là “plant milking”. Bằng kỹ thuật này, có thể chiết xuất hoạt chất trong cây mà không phá huỷ cây. Cây được trồng trong nhà kính với một môi trường lỏng, sự tiết ra các chất thông qua rễ được kích hoạt bởi sự kích thích vật lý, hoá học hoặc sinh học. Các chất này sau đó được thu thập bằng quá trình chiết xuất đạt tiêu chuẩn và phương pháp tinh chế phù hợp. Quá trình sản xuất này tôn trọng sự đa dạng sinh học. Trong trường hợp này, sản lượng các chất chuyển hoá thứ cấp thu được trong một năm nhiều gấp 3 lần so với việc khai thác các cây trồng trên đồng ruộng bình thường với cùng một diện tích nuôi trồng. Do đó, với việc áp dụng tốt kỹ thuật này thì vấn đề cung cấp nguyên liệu có nguồn gốc thực vật để làm thuốc có thể giải quyết được trên toàn thế giới.

2019.03.06.Nguyen Khanh Thuy Linh 2

Hình 2. Kỹ thuật “plant milking”

  1. Nguyên tắc 2: Sử dụng dung môi thay thế, chủ yếu là nước hay các dung môi “nông nghiệp”.

Trước nay, dung môi dùng để chiết xuất hầu hết là các dung môi hữu cơ. Những dung môi này thường dễ cháy, dễ bay hơi và độc hại, gây ảnh hưởng môi trường và hiệu ứng nhà kính. Để đảm bảo sự an toàn, ít tác động đến môi trường cũng như khía cạnh kinh tế, xu hướng hiện nay trong ngành công nghiệp chiết xuất đang đổi dần sang sử dụng các dung môi “xanh”. Trong số các dung môi xanh thì dung môi sinh học hay dung môi “nông nghiệp” đóng vai trò quan trọng, thay thế dung môi hữu cơ. Chúng là những nguồn tài nguyên tái tạo, được sản xuất từ sinh khối như gỗ, tinh bột, dầu thực vật hoặc từ trái cây. Các dung môi này có thể phân huỷ sinh học, không độc haị và không bắt lửa. Tuy nhiên, nó có một số hạn chế là độ nhớt cao, điểm sôi cao và tạo ra mùi.

-Ethanol là dung môi sinh học phổ biến nhất, thu được từ quá trình lên men của các nguyên liệu nhiều đường như củ cải đường, ngũ cốc. Mặc dù nó dễ cháy và có khả năng gây nổ nhưng ethanol được sử dụng trên quy mô lớn vì nó dễ dàng có sẵn với độ tinh khiết cao, giá thành thấp và hoàn toàn có thể phân huỷ sinh học.

-Methyl ester của acid béo dầu thực vật (đậu nành, ca cao) cũng có thể thay thế dung môi hữu cơ. Hiệu suất chiết bằng dung môi này tương đương với dung môi hữu cơ.

-Glycerol, một sản phẩm phụ từ quá trình ester hoá dầu thực vật cũng là một dung môi thay thế dung môi hữu cơ, rất phổ biến trong ngành công nghiệp mỹ phẩm.

-CO2 siêu tới hạn đã được phát triển từ những năm 1970 và hiện nay ưu điểm của nó đã được biết đến rất rộng rãi. Dung môi này được dùng để chiết xuất tinh dầu sản xuất nước hoa, tinh dầu thu được không có dấu vết của dung môi. CO2 là một loại khí không màu, không mùi, không bắt lửa, được tạo ra  trong quá trình đốt nhiên liệu, hay bằng cách lên men rượu và cũng được tạo ra thông qua hoạt động hô hấp của con người và động vật. Sử dụng CO2 siêu tới hạn để chiết xuất các hợp chất phân cực yếu như carotenoids, triglyceride, acid béo hay tinh dầu…Nhược điểm chính của việc sử dụng dung môi này là tốn chi phí đầu tư ban đầu.

  1. Nguyên tắc 3: Giảm thiểu năng lượng tiêu thụ bằng cách phục hồi năng lượng và sử dụng các công nghệ tiên tiến.

Nghiên cứu quá trình chiết xuất phải chịu sự chi phối của yếu tố kinh tế và tác động đến môi trường. Do đó, cần giảm thiểu tối đa việc tiêu thụ năng lượng và sự tạo thành các chất thải. Có 4 lộ trình để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng: tối ưu hoá các quy trình hiện có, phục hồi năng lượng được giải phóng trong quá trình khai thác, hỗ trợ các quy trình hiện có để tăng cường sử dụng nó, đổi mới toàn bộ quy trình.

Chưng cất lôi cuốn hơi nước là một kỹ thuật từ xưa đã dùng để chiết xuất tinh dầu. Nó được sử dụng trên toàn thế giới vì đơn giản nhưng đòi hỏi tiêu thụ năng lượng cao để làm nóng cũng như làm mát. Khi chưng cất dưới áp suất giảm, thời gian chưng cất sẽ giảm đi 2-3 lần so với chưng cất dưới áp suất khí quyển , do đó sẽ giảm tiêu thụ năng lượng. Việc đun nóng kéo dài cũng ảnh hưởng xấu đến tinh dầu, tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn. Việc giảm tiêu thụ năng lượng có thể đạt được bằng cách thu hồi nhiệt giải phóng trong quá trình ngưng tụ. Bằng cách này, có thể tiết kiệm được năng lượng nhiệt khoảng 80% mà không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Sử dụng sóng siêu âm cũng là phương pháp góp phần tăng cường và cải thiện hiệu suất chiết tinh dầu, giảm đáng kể thời gian chiết xuất và năng lượng sử dụng.

  1. Nguyên tắc 4: Tạo ra các đồng sản phẩm thay vì chất thải, bao gồm tinh chế sinh học và nông nghiệp.

Bên cạnh các sản phẩm của quá trình chiết xuất như dịch chiết hay dung môi thu hồi, một loạt các chất khác cũng được tạo ra. Đó là các sản phẩm phụ, đồng sản phẩm hay là chất thải.

-Chất thải là bất cứ thành phần nào mà ngành công nghiệp lựa chọn để loại bỏ bởi trung tâm xử lý chất thải, thiêu đốt hoặc chôn lấp.

-Sản phẩm phụ là những sản phẩm xuất hiện trong quá trình chiết xuất. Sự xuất hiện này là vô ý và không thể nào đoán trước được. Nó có thể được sử dụng trực tiếp hoặc là thành phần của một quy trình sản xuất khác nhằm sản xuất ra một sản phẩm hoàn chỉnh khác. Sản phẩm phụ có giá trị kinh tế, ví dụ như bánh dầu (hạt hướng dương, hạt lanh), hạt ngũ cốc (lúa mì, lúa mạch)…

-Đồng sản phẩm là những sản phẩm tạo thành có chủ ý và không thể tránh khỏi, được tạo ra trong một quy trình sản xuất duy nhất và đồng thời nó cũng là sản phẩm chính. Sản phẩm chính và đồng sản phẩm cuối cùng phải luôn đáp ứng được các thông số kỹ thuật cho các đặc tính cụ thể của chúng, và mỗi sản phẩm được sử dụng trực tiếp cho một mục đích cụ thể.

Ví dụ: cây hương thảo (Rosemary) là loài cây chứa tinh dầu nổi tiếng, có hoạt tính chống oxy hoá tốt do có các polyphenol như Carnosol, acid rosmarinic, Carnosic. Sau khi chưng cất tinh dầu của loài này, cắn có thể được xử lý để chiết xuất chất chống oxy hoá tự nhiên. Các polyphenol được chiết xuất từ cây hương thảo được sử dụng trong ngành công nghiệp thịt để ức chế quá trình oxy hoá lipid- là chất gây biến đổi màu sắc và mùi vị của thịt, ảnh hưởng đến thời hạn sử dụng của sản phẩm.

Việc tạo ra dầu từ hạt dầu tạo ra một khối lượng sản phẩm phụ. Bánh dầu: giàu protein từ hạt ép thường được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi. Dầu thô (thường khoảng 3%-10% trong bánh dầu) có thể được chuyển thành methyl ester bằng cách ester hoá để sản xuất dầu diesel sinh học.

  1. Nguyên tắc 5: Ủng hộ các quy trình an toàn và được kiểm soát.

Khi tiến hành chiết hợp chất tự nhiên bằng dung môi hữu cơ, quá trình chiết xuất là một chuỗi các hoạt động. Ví dụ, để chiết xuất caroten từ cà rốt, quy trình như sau: (1) làm khô nguyên liệu, (2) xay nhỏ nguyên liệu, (3) chiết bằng dung môi, (4) loại bỏ bã và thu dịch chiết, (5) làm bay hơi dung môi, thu được hoạt chất. Với quy trình chiết bằng dung môi hữu cơ, công đoạn cuối cùng luôn phải cất dung môi để loại bỏ hết dung môi trong sản phẩm thu được, trong sản phẩm không được còn vết dung môi theo quy định hiện hành.

Trong chiết xuất xanh, cần thiết giảm các bước tiến hành để giảm chi phí và sử dụng năng lượng được tốt hơn. Quá trình chiết xuất bằng chất lỏng siêu tới hạn có ưu điểm là sử dụng dung môi sạch. Sau khi chiết xong, CO2 được loại. bỏ và tái chế, không còn dấu vết dung môi trong sản phẩm.

Một cải tiến ban đầu trong chiết xuất xanh các hợp chất tự nhiên đó là khả năng vận chuyển của quá trình chiết xuất.

  1. Nguyên tắc 6: Tạo ra dịch chiết không biến tính, không phân huỷ sinh học và không có chất gây ô nhiễm.

Để đáp ứng các yêu cầu thị trường cũng như các quy định hiện có, các sản phẩm chiết xuất phải đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng, không phải cứ các hợp chất tự nhiên thì luôn thân thiện môi trường, vô hại như từ trước tới nay mọi người vẫn thường nghĩ.

                                                                                                                                                Lược dịch

ThS. Nguyễn Khánh Thùy Linh

Tài liệu tham khảo

  1. Farid Chemat, Maryline Abert Vian, Giancarlo Cravotto (2012), Green extraction of natural products: concept and principles, J.Mol.Sci, 13, 8615-8627.
  2. Lukas Uhlenbrock, Maximilian Sixt, Martin Tegtmeier, Hartwig Schulz, Hansjorg Hagels, Reinhard Ditz, Jochen Strube (2018), Natural products extraction of the future- Sustainable manufacturing solutions for societal needs, Processes, 6, 177.

 

Template by JoomlaShine