TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHỰA TRAO ĐỔI ION TRONG PHÂN LẬP ACID SHIKIMIC TỪ ĐẠI HỒI

Từ trước đến nay, acid shikimic được biết đến là sản phẩm biến dưỡng trung gian của con đường shikimate trong thực vật, vi sinh vật và nhiều nghiên cứu đã chứng minh được tác dụng chống oxy hóa, chống viêm, kháng tiểu cầu, kháng khuẩn của nó 24, 29. Ngoài ra acid shikimic còn là nguyên liệu để tổng hợp các hợp chất như acid 6fluoroshikimic, acid triacetylshikimic, acid shikimic monopalmityloxy ... thuộc nhiều nhóm tác dụng như kháng khuẩn, kháng ký sinh trùng, chống huyết khối, chống ung thư 20, 22. Gần đây, acid shikimic được dùng làm nguyên liệu để điều chế oseltamivir phosphat là hoạt chất có tác dụng chống cúm type A, B 4. Với rất nhiều ứng dụng của acid shikimic, yêu cầu các nghiên cứu tìm kiếm nguồn nguyên liệu, phương pháp hiệu quả nhằm thu được acid shikimic với hiệu suất cao là rất cần thiết.

NGUYỄN THỊ THẢO MY

Mã sinh viên: 1101341 TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHỰA TRAO ĐỔI ION TRONG PHÂN LẬP ACID SHIKIMIC TỪ ĐẠI HỒI

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ

NGUYỄN THỊ THẢO MY

Mã sinh viên: 1101341

TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU ỨNG

DỤNG NHỰA TRAO ĐỔI ION

TRONG PHÂN LẬP ACID

SHIKIMIC TỪ ĐẠI HỒI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ

Người hướng dẫn:

1 TS Nguyễn

Văn Hân

2 Th.s Đỗ Thị Loan

Nơi thực hiện:

HÀ NỘI-2016

LỜI CÁM ƠN

Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắcđến:

Tiến sĩ Nguyễn Văn Hân

Người thầy, người trực tiếp hướng dẫn, tạo điều kiện và tận tìnhchỉ bảo để tôi có thể hoàn thành khóa luận này

Tôi xin chân thành cám ơn Thạc sĩ Đỗ Thị Loan – người hướng

dẫn, người chị đã dẫn dắt tôi, luôn ở bên và hướng dẫn, giải đápthắc mắc, khó khăn của tôi trong suốt quá trình thực hiện khóaluận

Và tôi cũng xin chân thành cám ơn Dược sĩ Trần Trọng Biên cùngcác thầy cô giáo, anh chị kỹ thuật viên Bộ môn Công nghiệp Dược

và các bạn cùng thực hiện khóa luận trong tổ Chiết xuất – Bộ mônCông nghiệp Dược Sự giúp đỡ của mọi người là sự hỗ trợ khôngthể thiếu giúp tôi có thể hoàn thành khóa luận đúng thời hạn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cám ơn vô hạn đến các thầy cô giáotrường Đại học Dược, những người đã nhiệt tình dạy dỗ, chỉ bảotận tình tôi những năm tháng học tập tại trường Và tôi xin gửi lờibiết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã đồng hành, động viên và

hỗ trợ tôi suốt thời gian qua

được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô và bạn bè.

Xin chân thành cám ơn!

Hà Nội, tháng

05 năm 2016

Sinhviên

Nguyễ

n Thị Thảo My

MỤC LỤC

PHỤ LỤC

3.3 Hiệu quả tái sử dụng nhựa anionit trong phân lập acid shikimic từ Đại hồi 29

Bảng 3.4 Kết quả ứng dụng nhựa anionit trong

phân lập acid shikimic từ Đại hồi 33

Bảng

3.5 Kết quả phân tích phổ 1H-NMR, 13C NMR của acid shikimic 35

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ SƠ ĐỒ

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

HPLC : High Performance Liquid Chromatography – sắc ký lỏng hiệu năng cao

ĐẶT VẤN ĐỀ

Từ trước đến nay, acid shikimic được biết đến là sản phẩm biếndưỡng trung gian của con đường shikimate trong thực vật, vi sinhvật và nhiều nghiên cứu đã chứng minh được tác dụng chống oxyhóa, chống viêm, kháng tiểu cầu, kháng khuẩn của nó [24], [29].Ngoài ra acid shikimic còn là nguyên liệu để tổng hợp các hợp chấtnhư acid 6-fluoroshikimic, acid triacetylshikimic, acid shikimicmonopalmityloxy thuộc nhiều nhóm tác dụng như kháng khuẩn,kháng ký sinh trùng, chống huyết khối, chống ung thư [20], [22].Gần đây, acid shikimic được dùng làm nguyên liệu để điều chếoseltamivir phosphat là hoạt chất có tác dụng chống cúm type A, B[4] Với rất nhiều ứng dụng của acid shikimic, yêu cầu các nghiêncứu tìm kiếm nguồn nguyên liệu, phương pháp hiệu quả nhằm thuđược acid shikimic với hiệu suất cao là rất cần thiết

Đại hồi là dược liệu có hàm lượng acid shikimic cao, có thể từ 5

- 10% và cũng là nguyên liệu có sẵn, tiềm năng ở nước ta [5] Vìvậy, Đại hồi là nguồn nguyên liệu chủ yếu dùng để phân lập acidshikimic ở nước ta hiện nay Có hai hướng phân lập acid shikimic từĐại hồi đã và đang được nghiên cứu đó là: sử dụng dung môi hữu

cơ và sử dụng nhựa trao đổi ion Nhược điểm lớn của việc sử dụngdung môi hữu cơ trong phân lập acid shikimic từ Đại hồi chính làdung môi độc hại với môi trường và người nghiên cứu Trong khi

đó, sử dụng nhựa trao đổi ion lại khắc phục được nhược điểm nàyđồng thời các hạt nhựa anionit được dùng rất thông dụng, rẻ tiền

và sẵn có ở Việt Nam Khóa luận Dược sĩ Nguyễn Thị Khuyên(2015) đã bước đầu cho kết quả khả quan về việc sử dụng nhựaanionit trong phân lập acid shikimic Vì vậy, đề tài này tiếp tục

đánh giá khả năng ứng dụng của nhựa trao đổi ion trong phân lậpacid shikimic từ Đại hồi với các mục tiêu:

1 Xác định được đặc tính hấp phụ của một số hạt nhựa anionittrong phân lập acid shikimic từ Đại hồi

2 Xây dựng được phương pháp phân lập acid shikimic từ dịch chiếtĐại hồi bằng nhựa trao đổi ion

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về cây hồi

1.1.1 Vị trí phân loại và phân bố

Vị trí phân loại của cây hồi (Illicium verum Hook f.) theo hệ

thống phân loại thực vật của Takhtajan [1], [9] được thể hiện ởbảng sau

Bảng 1.1: Vị trí phân loại của cây hồi (Illicium verum Hook f.)

Cây hồi ( Illicium verum Hook f.) được trồng nhiều ở các tỉnh

Cao Bằng, Lạng Sơn, một số ít ở hai tỉnh Quảng Tây và QuảngĐông (Trung Quốc) giáp giới Việt Nam Một số nơi khác cũng cótrồng nhưng không đáng kể như Hà Giang, Tuyên Quang, Bắc Cạn,Thái Nguyên [11] Nó còn có tên gọi khác là cây đại hồi, bát giáchồi hương, hồi hương, hồi sao, mác chác, mác hồi (Tày), pít cóc(Dao),… [2]

-6 - 8 đại, xếp thành hình sao đường kính 2,5 - 3cm, lúc non màulục, khi già màu nâu sẫm, mỗi đại dài 10 - 15mm, có mũi nhọnngắn ở đầu Hạt hình trứng, nhẵn bóng [1], [2].

Toàn cây, nhất là quả có mùi thơm và vị nóng Mùa hoa: tháng

5 - 6; mùa quả: tháng 7 - 9 hoặc tháng 11 – 12 [11]

1.1.3 Bộ phận dùng, thu hái và chế biến

1.1.3.1 Bộ phận dùng

Đại hồi (quả) – Fructus Illicium veri là quả chín đã phơi khô của cây hồi - Illicium verum Hook f (họ Hồi – Illiciaceae).

1.1.3.2 Thu hái và chế biến

Hàng năm cây ra hoa kết quả theo 2 vụ, vụ chính thu hoạchvào tháng 8 - 10 (vụ mùa), vụ muộn thu hoạch vào tháng 2 - 4năm sau (vụ tứ quý) Vụ muộn cho năng suất thấp hơn Cây trồngsau 5 - 6 năm bắt đầu cho thu hoạch Sau 15 năm mỗi cây có thểcho 10 - 20kg quả tươi/năm, sau 20 năm, năng suất tương đối ổnđịnh ở mức 20 - 30kg/năm [2]

Vào vụ thu hoạch, hái lấy quả từ màu lục biến thành vàng,nhúng qua nước sôi, sấy nhẹ hoặc phơi trong bóng râm khoảng 5 -

6 ngày cho khô [11]

1.1.4 Thành phần hóa học

Trong quả hồi ngoài các chất như chất nhầy, đường, chủ yếuchứa tinh dầu Nếu cất tinh dầu bằng phương pháp kéo hơi nước từquả hồi tươi thì đạt hàm lượng 3 - 3,5% tinh dầu lỏng, không màuhoặc màu vàng nhạt, có mùi thơm đặc biệt Thành phần chủ yếucủa tinh dầu hồi là anethol (80 - 85%), ngoài ra còn có tecpen, a-pinen, d-pinen, l- phel- landren, safrol, terpineol, limonen Lá hồicũng chứa tinh dầu nhưng độ đông đặc hơi thấp hơn Hạt hồikhông mùi, chứa nhiều dầu béo [11].

1.1.5 Công dụng

Đại hồi có vị cay, tính ôn, mùi thơm, có tác dụng khử hàn, ấmkinh, kiện tỳ, khai vị, trừ đờm, tiêu thực, chỉ thống, giải độc, khángkhuẩn Quy vào 4 kinh Can, Thận, Tỳ, Vị Thường dùng chữa nônmửa, đầy bụng, đau bụng, tiêu chảy, tay chân nhức mỏi, giải độcthức ăn, dị ứng Ngoài ra còn dùng quả hồi ngâm rượu cùng vớimột số dược liệu khác để xoa bóp chữa tê thấp, nhức mỏi [15] Quả hồi và tinh dầu hồi được dùng làm gia vị và hương liệucho rất nhiều sản phẩm dùng trong kỹ nghệ thực phẩm: rượu mùi,kẹo gôm, bánh kẹo, gelatin, pudding, thịt, sản phẩm từ thịt

1.2 Tổng quan về acid shikimic

Tên khoa học: acid (3R,4S,5R) – 3,4,5 – trihydroxy -cyclohexen

1-carboxylic

Công thức phân tử: C7H10O5

Trọng lượng phân tử: 174,15.

Tính chất: Acid shikimic là một chất kết tinh màu trắng, rất dễ tan

trong nước (18%), tan trong ethanol tuyệt đối (2,25%), trongmethanol, không tan trong các dung môi ít phân cực ethyl acetat,aceton, cloroform, benzen, ether dầu hỏa

Nhiệt độ nóng chảy: 183 - 184,50C

Năng suất quay cực: [α]18= -183,8° (c = 4,03% trong nước)

Cực đại hấp thụ: Dung dịch acid shikimic trong ethanol có cực đại

hấp thụ ở 213 nm

1.2.2 Nguồn gốc acid shikimic

Acid shikimic được phân lập lần đầu tiên vào năm 1885 bởi

Eykman F và cộng sự từ một loài hồi Nhật Bản (Illicium anisatum).

Nhưng đến năm 1930, công thức hóa học của acid shikimic mớiđược xác định bởi Fischer, Freudenberg và Karrer [30] Acid

shikimic có trong nhiều loài thực vật như đại hồi (Illicium verum), bạch quả (Gingko biloba), liễu (Salix nigra), một số cây thuộc chi Eucalyptus (E.sieberiana F.Muell, E.citriodora), đinh hương (Syzygium aromaticum, Myrtaceae), quả cây lý gai (chi Gooseberry), cây việt quất châu Mỹ và châu Âu (Vaccinium macrocarpon, V.oxycocos, V.myrtillus) [21] Tuy nhiên hiện nay

Đại hồi vẫn là nguyên liệu quan trọng để chiết xuất, bởi hàm lượngacid shikimic trong quả hồi tương đối cao (5% - 10%) [5] Acid shikimic còn có nguồn gốc từ tổng hợp hoặc bán tổnghợp Raphael (1960) và Smissman (1959) đã tổng hợp acidshikimic từ 1,3 – butadien - 1,4 - diyl diacetate qua phản ứng DielsAlder Grewe (1964) và cộng sự tổng hợp acid shikimic từ 1,3 -

butadien Ngoài ra, acid shikimic có thể được tổng hợp từ benzen,bán tổng hợp từ acid quinic và D-manose [17] Giáo sư Frost,trường đại học Michigan, đã nghiên cứu công nghệ sản xuất acidshikimic bằng con đường lên men vi sinh sử dụng chủng

Escherichia coli tái tổ hợp, sau đó chiết xuất acid shikimic từ dịch

lên men và tinh chế Tuy nhiên hiệu suất không cao và giá thànhkhông thể cạnh tranh với phương pháp chiết xuất từ Đại hồi [18]

1.2.3 Vai trò acid shikimic

Trong sinh học, acid shikimic đóng vai trò quan trọng trongquá trình sinh tổng hợp các acid amin thơm như phenylalanin,tryptophan, tyrosin; các alcaloid, hợp chất phenolic, các phenylpropanoid [36] Nó là chất trung gian hóa học quan trọng của cácquá trình chuyển hóa trong thực vật và vi sinh vật (con đườngshikimat) [29], [30]

Về tác dụng dược lý, acid shikimic có tác dụng chống viêm,giảm đau, có khả năng ức chế ngưng tập tiểu cầu và bệnh tắcnghẽn động mạch do tác động của acid arachidonic [24], [33] Cácnghiên cứu đã chứng minh acid shikimic có tác dụng giảm đau,chống viêm, chống co giật, chống oxy hóa, kìm hãm phát triển tếbào ung thư[2]

Trong lĩnh vực tổng hợp hóa dược, acid shikimic là nguyênliệu quan trọng trong nghiên cứu tổng hợp nhiều nhóm thuốc nhưtổng hợp acid 6-fluoroshikimic có tác dụng chống virus, chống vikhuẩn, chống ký sinh trùng, tổng hợp các acid triacetylshikimic,acid shikimic monopalmityloxy có hiệu quả kháng tiểu cầu vàchống huyết khối Ngoài ra còn được nghiên cứu tổng hợp các hợpchất có tác dụng ức chế đáng kể vào sự tăng sinh tế bào, có khảnăng ứng dụng cho hóa trị liệu chống ung thư [20], [22]

Những năm gần đây acid shikimic được dùng làm nguyênliệu để bán tổng hợp oseltamivir phosphat – một chất có vai trò ứcchế neuraminidase, một enzym cần cho quá trình giải phóng vàlây lan virus từ các tế bào bị nhiễm Oseltamivir phosphat có tácdụng trên virus cúm type A và type B, đặc biệt với chủng H5N1,H1N1

1.2.4 Một số nghiên cứu chiết xuất acid shikimic từ Đại hồi

Các nghiên cứu không sử dụng nhựa trao đổi ion.

Năm 2007, Iyer Sankar công bố một phương pháp phân lậpacid shikimic từ Đại hồi, gồm các bước: chiết hồi lưu nguyên liệuĐại hồi (400g) với 2 lần × 2L isopropanol 95% trong 6 giờ Cất thuhồi dung môi dưới áp suất giảm để thu được dịch chiết đậm đặc.Dung dịch đậm đặc được pha loãng với 0,9L nước Loại tạp dungdịch nước lần lượt bằng ethyl acetat (1,2L), dung dịch formaldehyd37% và than hoạt (60g) Cô đặc dung dịch nước, thêm 50mLmethanol và cô đến cắn Hòa cắn vào 40mL methanol, đun hồi lưu

45 phút và để lạnh (0 đến -5ºC) cho acid shikimic kết tinh Hiệusuất 3,5 - 5% [34] Phương pháp của Iyer tuy cho hiệu suất khácao, nhưng trải qua nhiều bước phức tạp, sử dụng nhiều loại dungmôi: isopropanol 95%, formaldehyd 37%, methanol, ethyl acetate.Đặc biệt dung môi formaldehyd 37% là dung môi độc hại với môitrường và người nghiên cứu Hiệu suất quy trình chưa thực sự cao,sản phẩm chưa rõ độ tinh khiết Việc sử dụng lượng lớn dung môi,nhiều loại dung môi, quy trình phức tạp gây khó khăn khi áp dụngtrên quy mô công nghiệp

Năm 2010, Bùi Quang Thuật tiến hành chiết xuất đại hồi thutinh dầu và acid shikimic qua các bước: 50g Đại hồi được chiết hồilưu với 600mL nước trong 8 giờ thu tinh dầu ở nhiệt độ phòng, dịchchiết nước sau khi lọc bỏ bã, được cô cạn, rồi hòa tan vào hỗn hợp

dung môi methanol : nước (8:2) để loại tạp Dung dịch thu được côđến cắn màu nâu Cắn được hòa tan và kết tinh lại trong hỗn hợpmethanol : ethyl acetat (1:1) Hiệu suất của quy trình đạt 5,6%[19] Phương pháp này có ưu điểm là thu được tinh dầu và acidshikimic Tuy nhiên, quy trình phân lập acid shikimic còn phức tạp,

sử dụng nhiều hệ dung môi, hiệu suất của phương pháp chưa nổitrội Cùng năm 2010, Nguyễn Thị Thu Hiền chiết xuất acid shikimic

từ đại hồi bằng methanol, theo phương pháp ngâm lạnh và tinhchế bằng hỗn hợp dung môi methanol – aceton Hiệu suất đạt được6,68% [8]

Năm 2016, Nguyễn Văn Hân công bố phương pháp phân lậpacid shikimic từ phế phẩm của quá trình sản xuất tinh dầu Đại hồi.Dịch nước cái sau khi chiết lấy tinh dầu Đại hồi (3,5L tương đương1kg quả Đại hồi ) được lọc qua vải, cô thành cao mềm và hòa vào1,6L ethanol 96%, để lắng 2 giở ở nhiệt độ phòng Lọc loại tạp,dịch lọc được cô thành cao lỏng, sau đó thêm 800mL aceton vàgạn lấy dịch trong Dịch trong được cô bớt, để kết tinh thu sảnphẩm thô Sản phẩm thô được kết tinh lại bằng 500mL ethanol96% trong 24 giờ Sản phẩm thu được có độ tinh khiết 99,2% Hiệusuất của quy trình phân lập đạt 78,2% [7] Quy trình cho sản phẩm

có độ tinh khiết cao, sử dụng ít loại dung môi (ethanol 96% vàaceton) và đơn giản hơn các quy trình tinh chế acid shikimic từ Đạihồi trước đó

Các nghiên cứu có sử dụng nhựa trao đổi ion.

Năm 2005, Richard Payne và các cộng sự đã chiết xuất acid

shikimic từ 25g Đại hồi với ethanol 95% bằng phương pháp chiếtSoxhlet trong 2 giờ Sau đó, loại dầu béo bằng chiết tách với pipetPasteur Loại tạp chất trong dịch chiết bằng formaldehyd 37 – 40%

và cất loại dung môi, acid shikimic được tinh chế qua cột anionit

Amberlite IRA – 400 ( khoảng 25g anionit), phản hấp phụ với dungdịch acid acetic 25% Dịch rửa giải được cô cạn rồi hòa vàomethanol, sau đó cô cạn dung dịch methanol và kết tinh lại acidshikimic trong methanol – toluent (hoặc ethyl acetat) Hiệu suấtquá trình đạt từ 2,4 - 7% [30].

Phương pháp của Payne được nhiều nghiên cứu sau này ứngdụng Năm 2006 Nguyễn Quyết Chiến cũng tiến hành chiết xuất vàtinh chế acid shikimic từ Đại hồi theo phương pháp tương tự củaRichard Payne Hiệu suất quá trình đạt 5,4% [3] Nguyễn ĐìnhLuyện (2006) chiết acid shikimic từ 50g Đại hồi với nước nóng ở

600C (đun cách thủy), chiết kiệt trong 10 giờ (theo dõi bằng sắc kýlớp mỏng), quy trình tinh chế tương tự như của Payne: sử dụngnhựa trao đổi ion Amberlite IRA – 400, tẩy màu bằng than hoạt.Hiệu suất quy trình đạt 6,2% [12] Năm 2010, Bùi Quang Thuậtcũng tiến hành chiết xuất và tinh chế tương tự Payne, hiệu suấtquy trình đạt 5,7% [19]

Năm 2013, Ronald Zirbs và cộng sự tiến hành chiết xuất acidshikimic từ 1g Đại hồi với dung môi ion lỏng (ionic liquid):[C2mim]Oac làm nóng 10 phút ở 100oC trong lò vi sóng, thêmnước, lọc rửa để thu dịch chiết Sau khi lọc, loại tạp, acid shikimicđược phân lập bằng cột nhựa anionit Amberlite-400 ( 25g hạtanionit), dung dịch phản hấp phụ là acid acetic 25% và được kếttinh lại bằng methanol, hiệu suất của phương pháp lên tới 10,4%[32] Hiệu suất của quy trình này lớn hơn nhiều so với các nghiêncứu trước đó Quá trình tinh chế của Zirbs đơn giản hơn so vớiPayne, và không dùng đến dung môi formadehyd Tuy nhiênnghiên cứu của Zirbs sử dụng dung môi chiết xuất là dung môi ionlỏng – một loại dung môi mới, được đánh giá là cho hiệu suất chiếtxuất cao, tiết kiệm thời gian, nhưng giá thành cao Quá trình tinh

chế của Zirbs vẫn dùng methanol Ưu điểm của phương pháp là cóhiệu suất cao Nhưng quy trình phức tạp, nguyên liệu sử dụng đắttiền như vậy không đảm bảo tính kinh tế và khả năng ứng dụngtrên quy mô lớn.

Năm 2015, đề tài “Nghiên cứu sử dụng nhựa trao đổi ion để

phân lập acid shikimic từ Đại hồi” của Dược sĩ Nguyễn Thị Khuyên

đã thu được các kết quả sau [10]:

- Khảo sát được một số thông số tối ưu tiến hành thực nghiệm: thờigian hấp phụ tối thiểu của nhựa anionit là 60 phút, có thể thựchiện ở nhiệt độ phòng

- Dung lượng hấp phụ acid shikimic của 3 loại nhựa:

Diaion SA12A: 216,6 mg/g > Amberlite IRA 4012: 176,4 mg/g >Trilite SAR – 20: 127,4 mg/g

- Chọn được dung dịch NaCl 7% dùng để phản hấp phụ acidshikimic trong nhựa

- Dung lượng hấp phụ acid shikimic trong dịch chiết Đại hồi củanhựa Diaion SA12A là 128,5 mg acid shikimic/ 1g nhựa anionit.Phần trăm acid shikimic phản hấp phụ từ nhựa là: 90,89%

Như vậy, có rất nhiều phương pháp phân lập acid shikimictrong Đại hồi và đều đạt hiệu suất khá cao Tuy nhiên, để tìm ramột phương pháp có hiệu suất cao, tinh chế đơn giản, hiệu quả vềkinh tế, thân thiện với môi trường vẫn còn là vấn đề cần nghiêncứu Ứng dụng nhựa trao đổi ion trong phân lập acid shikimic từĐại hồi đang là hướng nghiên cứu cho thấy kết quả khả quan và cótính ứng dụng cao trong sản xuất

1.3 Tổng quan về nhựa trao đổi ion

1.3.1 Phương pháp trao đổi ion

1.3.1.1 Cơ sở của phương pháp

Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hoá học đổichỗ (phản ứng thế) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trongpha rắn (là nhựa trao đổi) Sự ưu tiên hấp phụ của nhựa trao đổidành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏng dễdàng thế chỗ các ion có trên khung mang của nhựa Quá trình nàyphụ thuộc vào từng loại nhựa và các loại ion khác nhau [14].

1.3.1.2 Vật liệu trao đổi ion

Vật liệu có tính năng trao đổi ion có thể là loại tự nhiên hay

tổng hợp, có nguồn gốc vô cơ hay hữu cơ Chúng được coi là mộtnguồn tích trữ các ion và có thể trao đổi được với bên ngoài Chấttrao đổi ion ở đây là dạng rắn không tan trong nước và hầu hếttrong các dung môi hữu cơ [14], [16]

Trên bề mặt chất rắn tồn tại các nhóm chức hai thành phầnđiện tích: của nhóm chức cố định và của ion linh động có thể traođổi được [14]

Cấu trúc của chúng có thể được mô tả như bảng sau [14],[16]

Bảng 1.2 Cấu trúc của chất trao đổi ion

Dạng chất

trao đổi

Mạng chất rắn

Điện tích nhóm

chức

Ion linh động

Các loại chất trao đổi ion yếu chỉ có thể tích điện âm ở pH caođối với cationit và ở vùng pH thấp đối với anionit nếu không nhómchức của chúng ở trạng thái không phân ly, điện tích tổng củanhóm chức bằng không

Chất trao đổi ion lưỡng tính thì khác, ở vùng pH nhất địnhchúng thể hiện khả năng trao đổi anion hay cation, chỉ tồn tạitrạng thái trung hoà tại điểm đẳng điện [14].

1.3.1.3 Phân loại vật liệu trao đổi ion

Các vật liệu trao đổi ion có thể phân thành hai loại [14], [16]:

b Hữu cơ: tổng hợp (nhựa trao đổi ion)

1.3.2 Nhựa trao đổi ion

a Nhựa trao đổi cation (cationit): là những chất có nhóm đặctrưng acid Trong cấu tạo mạng lưới của nhựa có mang điện tích

âm (nhóm đặc trưng mang điện tích âm) kèm theo nhóm đặc trưng

có một cation linh động có khả năng trao đổi với các cation kháctrong dung dịch

Các ion linh động của cationit thường là H, thường được gọi lànhựa trao đổi cationit dạng H Nếu thay H bằng Na, nhựa được gọi

là Na-cationit

Các nhóm đặc trưng của cationit: -SO3H, -COOH, -OH (củaphenol), -PO3H Các nhóm đặc trưng càng nhiều, khả năng trao đổicàng tăng, đồng thời độ hoà tan trong nước của nhựa cũng tăng.Nếu tăng độ nối ngang trong cấu trúc của nhựa ionit thì khả năngtrao đổi, độ hoà tan giảm nhưng độ trương nở sẽ tăng [6]

• Cationit acid mạnh: nhóm đặc trưng là –SO3H, -PO3H

Có khả năng phân ly thành ion linh động trong tất cả các môitrường trung tính, kiềm, acid Do đó khả năng trao đổi của chúngkhông bị ảnh hưởng bởi pH của dung dịch

• Cationit acid yếu: nhóm đặc trưng –COOH, -OH

Phân ly yếu trong môi trường acid, khả năng trao đổi phụ thuộcvào pH của môi trường Trong môi trường kiềm, khả năng phân lymạnh nên khả năng trao đổi lớn Trong môi trường acid, khả năngphân ly thấp, dẫn đến khả năng trao đổi thấp

b Nhựa trao đổi anion (anionit)

Các nhóm hoạt động mang điện tích dương, tạo cho anionit cótính kiềm, các anion linh động có thể trao đổi với các anion kháctrong dung dịch Nhóm đặc trưng: kiềm amin bậc 1, 2, 3, 4 Cácanion linh động thường là -OH, -Cl…

Anionit kiềm mạnh: nhóm đặc trưng là kiềm amin bậc 4: (CH3)3N+, -OH-

Nhóm -OH đính vào nhờ lực tĩnh điện.Anionit kiềm mạnh cómức độ phân ly ion tốt trong tất cả các môi trường nên khả năngtrao đổi của chúng không phụ thuộc pH của môi trường

- Anionit kiềm yếu: nhóm đặc trưng là kiềm amin bậc 1 (–NH2),bậc 2 (=NH) và bậc 3 (N≡) [6]

1.3.2.2 Tính chất vật lý

Nhựa trao đổi ion có các tính chất vật lý sau [14]:

- Màu sắc: vàng, nâu, đen, thẫm Trong quá trình sử dụng nhựa,màu sắc của nhựa mất hiệu lực thường thẫm hơn một chút

- Hình thái: nhựa trao đổi ion thường ở dạng tròn

- Độ nở: khi đem nhựa dạng keo ngâm vào trong nước,thể tíchcủa nó biến đổi lớn

- Độ ẩm: là % khối lượng nước trên khối lượng nhựa ở dạng khô(độ ẩm khô), hoặc ở dạng ướt (độ ẩm ướt)

- Tính chịu nhiệt: các loại nhựa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đều cógiới hạn nhất định, vượt quá giới hạn này nhựa bị nhiệt phân giảikhông sử dụng được Nhiệt độ hoạt động tốt từ 20 - 50oC

- Tính dẫn điện: chất trao đổi ion ẩm dẫn điện tốt, tính dẫn điệncủa nó phụ thuộc vào dạng ion

- Kích thước hạt: nhựa có dạng hình cầu d = 0,04 - 1,00mm

- Tính chịu mài mòn: trong vận hành các chất trao đổi ion cọ sátlẫn nhau và nở ngót, có khả năng dể vỡ vụn Đây là một chỉ tiêuảnh hưởng đến tính năng thực dụng của nó

- Tính chịu oxy hóa: chất oxy hóa mạnh có thể làm cho nhựa bịlão hóa (trơ)

1.3.2.3 Tính năng hóa học

Một số tính năng hóa học của nhựa trao đổi ion [16]:

- Dung lượng trao đổi: biểu thị mức độ nhiều ít của lượng ion cóthể trao đổi trong một loại chất trao đổi ion

- Tính năng thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion:

Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch Dựa trên tínhchất này người ta dùng dung dịch hoàn nguyên, thông qua việctrao đổi ion đã mất để khôi phục lại năng lực trao đổi của nó

Ví dụ: 2HR+ + Ca2+ => CaR2+ + 2H+ (nhựa trao đổi)

CaR2+ + 2H+ => 2HR+ + Ca2+ (hoàn nguyên)

- Tính acid, kiềm: tính năng của chất Cationit RH và chất AnionitROH giống chất điện giải acid, kiềm

- Tính trung hoà và thuỷ phân: tính năng trung hoà và thuỷphân của chất trao đổi ion giống chất điện giải thông thường

- Tính chọn lọc của chất trao đổi ion

Ở hàm lượng ion thấp trong dung dịch, nhiệt độ bình thường,khả năng trao đổi tăng khi hoá trị của ion trao đổi tăng.　

+ Các ion có vỏ hydrat nhỏ tốt hơn các ion có vỏ hydrat lớn, do

vỏ hydrat lớn có khả năng che chắn lực tương tác tĩnh điện tốt.Khả năng trao đổi dãy kim loại kiềm tăng từ Li+ đến Cs+ vì khi bánkính tăng, mật độ điện tích và độ lớn của lớp vỏ hydrat giảm

Các tương tác đặc thù giữa ion và nhóm chức của nhựa tạođiều kiện tăng cường tính chọn lọc như tạo cặp ion, liên kết hoáhọc, cộng hợp, tạo chất kết tủa

- Đối với phần lớn cationit tính chọn lọc tuân theo dãy:

Ba2+> Pb2+> Sr2+> Ca2+> Ni2+> Cd2+> Cu2+> Co2+> Zn2+>

Mg2+>UO22+> Ti2+> Ag+> Cs+> Rb+> NH4+> Na+> Li+

- Đối với anionit tính chọn lọc có thể sắp xếp theo:

Citrat > SO42->Oxalat > I-> NO3-> CrO42-> Br->SCN-> Cl-> Format >Acetat > F-

Trong thực tiễn tính chọn lọc đôi khi sắp xếp một cách địnhtính đối với từngloại chất trao đổi ion

- Đối với nhựa cationit gốc acid sufonic:

+ Fe3+> Al3+> Ca2+

- Đối với anionit mạnh gốc amin bậc 4: NO3-> CrO4->Br-> SCN->Cl

Đối với anionit yếu gốc polyamin:

+ OH-> SO4-> CrO4-> NO3-> PO43->MoO42-> HCO3-> Br-> Cl->

F

Đối với nhựa vòng càng gốc acid imidodiacetic:

Cu2+>Pb2+>Fe3+>Al3+>Cr3+>Ni2+>Zn2+>Ag+>Co2+>Cd2+>Fe2+

>Mn2+>Ba2+> Ca2+>Na+

Ngoài các đại lượng đặc trưng đã nêu người ta còn sử dụngmột số đại lượng khác như hằng số cân bằng, hệ số phân bố đểđặc trưng cho khả năng trao đổi và tính chọn lọc trao đổi của mộthệ

1.3.2.5 Các phản ứng đặc trưng

Các phản ứng đặc trưng của nhựa trao đổi ion [6]:

• Quá trình trao đổi với cationit

RSO3H + Na+ + Cl-　 RSO3Na+ + H+ + Cl

-2RSO3H + Ca2+ + 2Cl-　 (RSO3)2Ca + 2H+ +2Cl

-Hoặc RCOOH + Na+ + OH-　 RCOONa + H2O

Có thể xem đây là quá trình hoá học dị thể (lỏng-rắn) Mức độion hoá phụ thuộc bản chất hoá học của nhóm hoạt động, tínhchất dung dịch bên ngoài

a Ví dụ

Nhóm sulfo: ion hoá tốt trong môi trường acid

-COOH, -OH: trong môi trường acid ion hoá kém hơn

Cationit acid mạnh: mức độ phân ly không phụ thuộc vào pH Cationit acid yếu: thay đổi dung lượng trao đổi theo pH

Một đặc điểm khác: khi cationit trao đổi đạt đến bão hoà với cationnày, thì có thể trao đổi với cation khác.

• Quá trình trao đổi của anionit

Anionit kiềm yếu (nhóm amin bậc 1,2,3): ion hoá khi pH<7 Anionit chứa amin bậc 4: ion hoá trong môi trường acid yếu,trung tính, kiềm

Anionit kiềm mạnh có độ phân ly cao

R-OH + HCl 　 R-Cl + H2O

• Quá trình tái sinh:

RCl + NaOH 　 ROH + NaCl

Quá trình trao đổi ion là một quá trình thuận nghịch, phản ứnghoá học dị thể giữa các nhóm hoạt động của nhựa và các ion trongdung dịch Quá trình trao đổi tuân theo định luật tác dụng khốilượng

1.3.2.6 Các ứng dụng của nhựa trao đổi ion

- Làm mềm nước: Trong ứng dụng này, nhựa trao đổi ion được sửdụng để thay thế các ion Mg2+ và Ca2+ được tìm thấy trong nướccứng bằng Na+

- Lọc nước: Trong ứng dụng này nhựa ion dùng để loại bỏ chất độchại (ví dụ như đồng) và kim loại nặng (như chì hoặc cadmium) thaythế chúng bằng các ion vô hại hơn như Na+ và K+

- Sản xuất nước có độ tinh khiết cao: Nước này được sản xuất bằngcách sử dụng các quy trình trao đổi ion hoặc sự kết hợp của màng

tế bào và phương pháp trao đổi ion Cation được thay thế bởi H+bằng cách sử dụng cationit, anion được thay thế bởi OH- bằng cách

sử dụng anionit Các ion H+ và OH- kết hợp tạo thành phân tử H2O.

Vì vậy không có các ion tồn tại trong nước sản xuất

- Xúc tác: Trong hoá học nhựa trao đổi ion có thể làm chất xúc táccho phản ứng hữu cơ

- Sản xuất đường: Nhựa trao đổi ion được sử dụng trong sản xuấtđường từ nhiều nguồn khác nhau Chúng giúp làm sạch siro đường

- Trong dược phẩm: Nhựa trao đổi ion được sử dụng trong sản xuấtdược phẩm không chỉ làm chất xúc tác phản ứng nhất định màcũng dùng để phân lập các hợp chất tự nhiên Đã có nhiều nghiêncứu sử dụng nhựa trao đổi ion như: sử dụng nhựa cation để táchcocain và ecgonin ra khỏi dịch chiết lá coca [31], phân lập cácacaloid bằng nhựa cation [25], phân lập acid shikimic bằng nhựaanion từ dịch chiết một số dược liệu [23], [30]

CHƯƠNG 2 : NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ, NỘI DUNG

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên vật liệu

2.1.1 Nguyên liệu

2.1.1.1 Dược liệu

- Quả Đại hồi thu hoạch vào tháng 7 tại Lạng Sơn, sạch, khôngnấm mốc

Hình 2.1 Nguyên liệu Đại hồi

- Xử lý dược liệu: Đại hồi được loại tạp, sấy khô ở 500C, xay nhỏ

TT Tên hóa chất Tiêu chuẩn, nguồn gốc

Tên

Khoảngnhiệt độhoạtđộng

Dunglượngtrao đổi Nhóm đặctrưng Kích thướchạt Nguồngốc

- Cân kỹ thuật điện tử Sartorius BP 20015 (Đức).

- Cân phân tích Mettler Toledo AB204-S ( Thụy Sỹ)

- Máy cất quay chân không Büchi B-490 và R-220 (Thụy Sỹ)

- Máy khuấy từ Heidolph MR3001 (Đức)

- Máy sắc ký lỏng hiệu năng cao Shimadzu (Nhật Bản), baogồm: bộ phân loại khí DGU – 14A, bơm cao áp LC – 10ADVP, buồngchứa cột CTO – 10AVP, bộ điều khiển SCL – 10AVP, detector dãydiod quang SPD – M10AVP và phần mềm Class vp 6.14

- Máy cất nước hai lần Jencons

- Màng lọc cellulose acetat 0,45μm (Satorius)

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.2.1 Xác định dung lượng hấp phụ, hiệu suất phản hấp phụ acid shikimic trong dịch chiết Đại hồi của nhựa anionit

Xác định dung lượng hấp phụ, hiệu suất phản hấp phụ acidshikimic từ dịch chiết Đại hồi của hai loại nhựa Diaion SA12A vàTrilite SAR-20 Từ đó thiết kế thí nghiệm phân lập acid shikimic từdịch chiết Đại hồi bằng hai loại nhựa này.

2.2.2 Khảo sát khả năng tái sử dụng của nhựa anionit trong phân lập acid shikimic từ dịch chiết Đại hồi

Khảo sát dung lượng hấp phụ, hiệu suất phản hấp phụ acidshikimic từ dược liệu của nhựa Diaion SA12A, Trilite SAR-20 qua 4lần lặp lại quy trình hấp phụ - phản hấp phụ - hoàn nguyên anionit

2.2.3 Chiết xuất và phân lập acid shikimic từ dịch chiết Đại hồi

Xây dựng phương pháp chiết xuất và phân lập acid shikimic từdịch chiết mẻ Đại hồi 150g bằng nhựa Diaion SA12A và Trilite SAR-

20 Xác định hiệu suất phương pháp

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp định lượng acid shikimic

Xác định hàm lượng acid shikimic trong dược liệu, trong dịchchiết và sản phẩm bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao(HPLC)