Tổng hợp tinh dầu dạng nano từ một số cây thuộc chi cam chanh (citrus genus) có hoạt tính kháng vi sinh vật :Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu Khoa học cấp Trường

BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Tổng hợp tinh dầu dạng nano từmột số cây thuộc chi cam chanh

(citrus genus) có hoạt tính kháng vi sinh vật

Mã số đề tài: 184.HH05

Chủ nhiệm đề tài: TS. Đoàn Văn Đạt

Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệHoá học

Tp. HCM - 2020

Tp. Hồ Chí Minh, ........…

1

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

I. Thông tin tổng quát

1.1. Tên đề tài: Tổng hợp tinh dầu dạng nano từ một số cây thuộc chi cam chanh (citrus

genus) có hoạt tính kháng vi sinh vật

1.2. Mã số: 184.HH05

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT

Họ và tên

(học hàm, học vị)

Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

TS. Đoàn Văn Đạt Khoa Công nghệ Hóa học Chủ nhiệm đề tài

PGS.TS Nguyễn Văn Cường Khoa Công nghệ Hóa học Cố vấn đề tài

Th.S. Phạm Hoàng Ái Lệ Khoa Công nghệ Hóa học Thực hiện đề tài

TS. Phạm Tấn Việt Viện Công nghệ Sinh học

& Thực phẩm

Thực hiện đề tài

1.4. Đơn vị chủ trì: Khoa Công nghệ Hóa học

1.5. Thời gian thực hiện:

1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2018 đến tháng 12 năm 2018

1.5.2. Gia hạn (nếu có): đến tháng 12 năm 2019

1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 03 năm 2018 đến tháng 4 năm 2019

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

- Không có sự thay đổi trong quá trình thực hiện đề tài.

1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 53,6 triệu đồng.

II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề

Tinh dầu là những chất thơm hay chất mùi có trong một số bộ phận của cây cỏ (như

hạt, rễ, củ, vỏ cây, hoa, lá, quả, dầu, nhựa cây) hay động vật (túi tinh dầu). Tinh dầu có

trong các nguồn nguyên liệu trên với nồng độ rất khác nhau. Khác với các loại dầu không

bay hơi (glycerid, acid béo), tinh dầu tương đối dễ bay hơi [1].

Đa số thành phần chính của các loại tinh dầu đều là các hợp chất terpenoid được cấu

tạo từ các đơn vị isopren (C5H8) nối với nhau theo quy tắc “đầu nối với đuôi”. Terpenoid

đơn giản nhất được cấu tạo từ 2 đơn vị isopren được gọi là monoterpenoid. Nếu có nhiều

hơn 2 đơn vị isopren thì được gọi là sesquiterpenoid (ứng với 3 đơn vị isopren), diterpenoid

(ứng với 4 đơn vị isopren), triterpenoid (ứng với 6 đơn vị isopren) [2-3].

2

Tinh dầu thường tồn tại thể lỏng ở nhiệt độ thường, có mùi thơm đặc trưng, ít có màu

hoặc có màu rất nhạt (ngoại trừ tinh dầu aluzen có màu xanh). Tinh dầu thường có tỉ trọng

thấp hơn so với nước (ngoại trừ Quế cây, Đinh Hương,..), có chỉ số khúc xạ cao. Tinh dầu

dễ bay hơi, ít tan trong nước, tan trong cồn, ete, dung môi hữu cơ và các chất béo [4].

Tinh dầu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: Trong công nghệ thực phẩm, y

học, công nghệ sản xuất mỹ phẩm. Trong công nghệ thực phẩm, tinh dầu giữ vai trò quan

trọng trong công nghệ sản xuất các loại bánh kẹo, thức uống. Mặc dù sử dụng với lượng vô

cùng nhỏ và dưới những dạng khác nhau, tinh dầu đã góp phần tạo hương cho các loại thức

ăn, đồ uống, làm cho chúng thêm phần hấp dẫn. Gần đây, nhờ hoạt tính kháng vi sinh vật và

khả năng chống oxi hóa ưu việt của nó, trong công nghệ thực phẩm cũng đã xuất hiện xu

hướng sử dụng tinh dầu như một chất bảo quản thực phẩm tự nhiên và an toàn thay cho các

chất bảo quản tổng hợp [5-12].

Nguyên liệu để sản xuất tinh dầu trong nghiên cứu là trái của một số cây thuộc chi cam

chanh như là: vỏ bưởi, vỏ cam, vỏ tắc, vỏ chanh.

Cây cam tên khoa học: Citrus noboilis, thuộc họ Rutaceae. Vỏ, lá và quả cây cam còn

được dân gian dùng để trị bệnh các bệnh như: giải độc, thanh nhiệt, đau bụng, cầm máu…

Trong lá và vỏ quả xanh có l-stachydrin, hesperdin, aurantin, acid aurantinic, tinh dầu Cam

rụng (petitgrain). Vỏ quả chứa tinh dầu mà thành phần chính là d-limonen (90%),

decyclicaldehyd tạo nên mùi thơm, các alcol như linalool, dl-terpineol, alcol nonylic, còn có

acid butyric, authranilat metyl và este caprylic. Thành phần hoạt tính nổi bật nhất trong dầu

cam là limonen (khoảng 85-96 của chiết xuất) và myrcene (0.5-3). Limonene được xem

là chất chống oxy hoá mạnh mẽ chống lại các tổn thương gốc tự do và viêm nhiễm có thể

dẫn đến nhiều bệnh khác nhau. Các hợp chất này là một trong những thành phần dành để ăn

kiêng và có hoạt tính chống khối u [13-14].

Tinh dầu vỏ quả tắc là chất lỏng trong suốt, có màu vàng nhạt, có mùi thơm đặc trưng

rất dễ chịu. Trong tinh dầu có chứa khoảng 25 thành phần, trong đó thành phần chủ yếu của

tinh dầu là D – Limomen chiếm trên 85%, bên cạnh đó còn có một số chất khác như 1R￾alpha-pinen, Beta-pinen, sabinen, limonen, b-ocimen, linalol... Đặc biệt là ở tinh dầu vỏ tắc

có sự hiện diện của 7,7-dimethyl-2-methylen bicycle, heptan và 1,2,3,4a,5,6,8a-octahydro￾7-methyl-4-methylen-1- (methylethyl) naphthalen mà không phát hiện ở bốn loại tinh dầu

cam, chanh, bưởi, quýt [15].

Trong lá, hoa, vỏ quả Bưởi đều có chứa tinh dầu nhưng phần lớn tinh dầu thường tập

3

trung nhiều nhất trong vỏ bưởi. Trong vỏ Bưởi tinh dầu sẽ được lưu trữ ở túi tiết tinh dầu.

Tinh dầu vỏ bưởi ở thể lỏng ở nhiệt độ thường, không màu hay có màu vàng rất nhạt, có

mùi đặc trưng của vỏ bưởi, không tan trong nước, nhẹ hơn nước, dễ bay hơi, tan trong ete,

dung môi hữu cơ và các chất béo. Tinh dầu vỏ Bưởi chứa d-limonen, a- pinen, linalol,

geraniol, citral còn có các alcol, pectin, acid citric. Ngoài ra còn chứa các hợp chất

Terpenoid (tức là các hydrocacbon không no) nên chúng dễ bị thủy phân (nhất là ở nhiệt độ

cao) và bị phân hủy dưới ánh sáng thành các hợp chất khác. Vì vậy, người ta thường bảo

quản tinh dầu trong những lọ tối màu, có miệng nhỏ, đậy kín và nơi có nhiệt độ thấp [15-

16].

Trong các công trình khoa học những năm gần đây, với sự phát triển vượt bậc của

công nghệ nano, các nhà nghiên cứu đang dành mối quan tâm to lớn cho việc chuyển hóa

tinh dầu trích ly từ thực vật sang dạng nano (nano EMULSION). Tinh dầu dạng nano có

kích thước hạt dầu từ 1-100 nm được phân bố đều trong môi trường nước với sự giúp đỡ của

chất ổn định. Tinh dầu dạng nano với kích thước hạt siêu nhỏ so với kích thước hạt tinh dầu

nên tinh dầu nano thể hiện sự kháng vi sinh vật vượt trội hơn so với tinh dầu thông thường.

Nhóm tác giả Sheng Jang Zhang và các cộng sự năm 2016 đã báo cáo phương pháp

tổng hợp tinh dầu đinh hương và tinh dầu quế dạng nano với kích thước hạt 8,69 nm ứng

dụng hiệu quả trong việc kháng vi sinh vật: Escherichia Coli, Bacillus Subtilis, Salmonella

Typhimurium, Staphylococus Aureus [17].

Nhóm tác giả Mohammad Hasan Shahavi và các cộng sự năm 2015 báo cáo phương

pháp tối ưu dùng sóng siêu âm trong tổng hợp tinh dầu nano đinh hương. Phương pháp này

đã cho hạt nano tinh dầu có kích thước nhỏ hơn 50 nm, phân bố ổn định bền vững trong môi

trường nước [18]. Nhóm tác giả Tahir Mehmood và cộng sự năm 2017 đã báo cáo phương

pháp tối ưu tổng hợp tinh dầu oliu dạng nano, phương pháp này cho ra hạt nano tinh dầu có

kích thước hạt 151,68 nm [19]. Nhóm tác giả Balagopal Amrutha năm 2017 đã báo cáo

phương pháp tổng hợp nano tinh dầu từ cây thì là (Cuminum Cynium) và cây hồ tiêu (Piper

Nirgrum) sử dụng sóng siêu âm ứng dụng để ức chế hoạt động của vi khuẩn E. coli và S.

enteria [20]. Hoạt tính kháng khuẩn của tinh dầu bưởi được thể hiện ở những kết quả nghiên

cứu như sau. Hoạt tính kháng khuẩn của tinh dầu được khảo sát bằng các phương pháp sử

dụng cho kháng sinh. Khảo sát mang tính chất định tính. Sử dụng phương pháp đĩa giấy để

nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn của tinh dầu vỏ bưởi. Từ nhiều tài liệu trong và ngoài

nước trước đó đã khảo sát tính kháng khuẩn trước đó và đều có chung kết quả là khả năng

4

kháng khuẩn của tinh dầu đối với 3 vi khuẩn: Staphylococcus, Shigella, Salmonella

paratyphi A đều khá mạnh [21].

Nhóm tác giả Zaixiang Lou và các cộng sự năm 2017 đã báo cáo công trình nghiên

cứu kháng khuẩn, kháng vi nấm của tinh dầu từ họ cam chanh. Công trình nghiên cứu chỉ ra

rằng tinh dầu từ chi cam chanh có thể ức chế sự phát triển vi khuẩn S. aureus và E. coli [22].

Yuan Li và nhóm cộng sự đã kết hợp tinh dầu cam chanh với Chiosan tạo ra

microcapsules sử dụng nhiều chất hoạt động bề mặt khác nhau bằng phương pháp nhũ

tương ion gel cho ra hạt có kích thước lớn hơn 289,3 nm [23].

Tinh dầu nano chi cam chanh: phương pháp chuyển đổi từ dầu sang dạng nano chưa

được nghiên cứu một cách rộng rãi. Khả năng diệt khuẩn của tinh dầu dựa vào thành phần

hóa học, tính không tan của tinh dầu trong nước và sự tiếp xúc tinh dầu với vi sinh vật. Mặc

dù tinh dầu chi cam chanh có khả năng diệt một số loại vi khuẩn không có lợi như S. aureus

và E. coli, nhưng vì tinh dầu thông thường có diện tích bề mặt khá nhỏ, tiếp xúc với vi

khuẩn không nhiều nên hiệu quả diệt khuẩn còn hạn chế. Đối với tinh dầu nano kích thước

hạt thì rất bé khoảng từ 1- 100 nm, diện tích bề mặt thì rất lớn, khả năng tiếp xúc với vi

khuẩn cao cho nên khả năng kháng vi sinh vật được tối ưu hóa. Ngoài ra, việc sử dụng trực

tiếp tinh dầu là khá đắt đỏ vì tốn nhiều nguyên liệu. Trong khi đó, việc tạo ra nano tinh dầu

chỉ cần một lượng nhỏ tinh dầu, mang lại sự hiệu quả về mặt kinh tế.

Hạt nano tinh dầu vì kích thước nhỏ nên diện tích bề mặt lớn, năng lượng bề mặt lớn,

do đó hệ không bền về mặt nhiệt động. Vì vậy, nano tinh dầu thường có xu hướng kết hợp

lại với nhau tạo thành hạt có kích thước lớn hơn để giảm diện tích bề mặt, giảm năng lượng

bề mặt. Để hạn chế vấn đề này và để tạo ra hệ nano bền vững người ta thường thêm vào chất

ổn định, giúp các hạt nano phân tán đều trong môi trường và không bị keo tụ theo thời gian.

Ngoài ra, trong thời gian qua, các hạt nano bạc (AgNPs) đã nhận được sự quan tâm rất

lớn của các nhà nghiên cứu nhờ khả năng chống lại nhiều loại vi sinh vật có hại. Các đặc

tính đặc biệt của AgNPs được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như y sinh

học, dẫn truyền thuốc, xử lý nước, nông nghiệp. Do vậy, nhóm tác giả đề xuất ý tưởng tổng

hợp nano tinh dầu từ vỏ trái cây thuộc chi cam chanh, sau đó kết hợp nano tinh dầu chi

cam chanh với nano bạc để ứng dụng kháng vi sinh vật.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Tổng hợp nano tinh dầu từ vỏ từ vỏ quả cam sành và bưởi Năm Roi, sau đó kết hợp

nano tinh dầu thu được với nano bạc ứng dụng kháng vi sinh vật.

5

3. Phương pháp nghiên cứu

Tinh dầu từ vỏ quả cam và bưởi được trích ly bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn

hơi nước. Thành phần hóa học trong mẫu tinh dầu cam và bưởi được xác định bằng phương

pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS). Phân bố kích thước hạt nano nhũ tương được khảo

sát bằng phương pháp tán xạ ánh sáng động học (DLS).

Nano bạc cũng được nghiên cứu thành công bằng phương pháp khử hóa học với chất

khử natri citrat. Đặc trưng của nano bạc được phân tích bằng các phương pháp phân tích hóa

lý hiện đại như DLS, TEM, UV-Vis.

Nano nhũ tương trên nền tinh dầu trích ly từ vỏ quả cam và bưởi đã được tổng hợp

bằng phương pháp rung siêu âm kết hợp khuấy cơ học.

Tinh dầu cam, tinh dầu bưởi, nano bạc và các mẫu nano nhũ tương cũng được khảo sát

khả năng kháng khuẩn bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch.

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Trong đề tài này, tinh dầu cam và bưởi thuộc chi Citrus đã được tổng hợp thành dạng

nano bằng phương pháp rung siêu âm được sự hỗ trợ bằng khuấy cơ học. Nano tinh dầu cam

thu được có kích thước hạt 66,2 nm còn nano tinh dầu bưởi 71,1 nm.

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp nano tinh dầu cho thấy Tween

80 nguyên chất là chất nhũ hoá phù hợp cho việc tổng hợp nano tinh dầu chi Citrus; tỉ lệ

tinh dầu, Tween 80 và nước cất là 1:1:50 (mL) là điều kiện thích hợp để tổng hợp hệ nano

tinh dầu.

Tổng hợp thành công nano bạc bằng phương pháp khử hóa học với chất khử là muối

natri citrat và phân tích kích thước hạt, tính chất vật liệu bằng các phương pháp DLS, UV￾Vis, TEM. Nano bạc thu được có màu vàng nhạt và có kích thước hạt khoảng 42,7 nm.

Kết hợp nano tinh dầu cam và bưởi với nano bạc thu được hệ nhũ tương nano có kích

thước hạt < 100 nm với điều kiện khảo sát được là 2,5 mL tinh dầu và 3,5 mL Tween 80

trong 50 mL dung dịch nano bạc để tổng hợp dung dịch nano nhũ tương tinh dầu kết hợp

nano bạc.

Khảo sát khả năng kháng khuẩn cho thấy tinh dầu cam và bưởi có khả năng kháng với

vi khuẩn Escherichia coli. Nano bạc có khả năng kháng với các vi khuẩn: Escherichia coli,

Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, Salmonella enterica. Nano tinh dầu cam có khả

năng ức chế vi khuẩn Escherichia coli trong khi cùng điều kiện nano tinh dầu bưởi lại

6

không có. Nano tinh dầu kết hợp với nano bạc kháng khuẩn tốt các vi khuẩn Escherichia

coli, Bacillus subtilis.

5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận

Các nano tinh dầu cam và bưởi sau khi kết hợp với nano bạc đã cải thiện hoạt tính

kháng khuẩn vượt trội hơn. Kết quả nghiên cứu cho thấy nano nhũ tương từ tinh dầu vỏ cam

và bưởi kết hợp với nano bạc có thể trở thành vật liệu triển vọng ứng dụng trong các lĩnh

vực thực phẩm, mỹ phẩm và kháng khuẩn.

Do kinh phí eo hẹp, đa số các mẫu đều phải gửi phân tích ở các trung tâm bên ngoài

nên mất rất nhiều thời gian, ảnh hưởng đến tiến độ nghiên cứu. Vì thế chúng tôi chỉ khảo sát

một số yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng tổng hợp nano tinh dầu cam và bưởi.

Bên cạnh đó thì chúng tôi cũng có một số kiến nghị như sau:

− Khảo sát thêm các điều kiện pH, tốc độ khuấy, thời gian rung siêu âm ảnh hưởng đến

kích thước hạt của hệ nano tinh dầu để tìm ra được quy luật chính xác hơn.

− Khảo sát độ ổn định của hệ nhũ tương nano và ảnh hưởng của các chất hoạt động bề

mặt lên hệ phân tán, nhằm tìm ra các thông số tối ưu nhất để sản phẩm có độ bền khi đưa

vào ứng dụng trong đời sống.

− Cần phân tích thêm để khẳng định các thành phần có trong nano tinh dầu và nano

tinh dầu có gắn thêm nano bạc.

− Nghiên cứu thêm cơ chế kết hợp nano tinh dầu với nano bạc.

6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

Tóm tắt kết quả (tiếng Việt). Nano nhũ tương trên nền tinh dầu trích ly từ vỏ quả

cam sành và bưởi Năm Roi đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp rung siêu âm

kết hợp khuấy cơ học. Thành phần hóa học trong mẫu tinh dầu cam và bưởi được xác định

bằng phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS). Phân bố kích thước hạt nano nhũ

tương được khảo sát bằng phương pháp tán xạ ánh sáng động học (DLS). Các yếu tố kỹ

thuật tổng hợp ảnh hưởng đến kích thước hạt nano nhũ tương cũng được khảo sát một cách

chi tiết, như tỉ lệ hỗn hợp các chất hoạt động bề mặt gồm Tween 80 và Span 80, thể tích tinh

dầu và ảnh hưởng của thể tích nước.

7

Trong nghiên cứu này, nano bạc cũng được nghiên cứu thành công bằng phương pháp

khử hóa học với chất khử natri citrat. Đặc trưng của nano bạc được phân tích bằng các

phương pháp hiện đại như DLS, TEM, UV-Vis.

Tinh dầu cam, tinh dầu bưởi, nano bạc và các mẫu nano nhũ tương cũng được khảo sát

khả năng kháng khuẩn bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch. Kết quả cho thấy tinh dầu

cam và bưởi có khả năng kháng vi khuẩn Escherichia coli. Nano bạc có khả năng kháng

khuẩn tốt các vi khuẩn Escherichia coli, Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus,

Salmonella enterica. Nano tinh dầu cam có khả năng kháng vi khuẩn Escherichia coli. Nano

tinh dầu kết hợp với nano bạc kháng khuẩn tốt các vi khuẩn Escherichia coli, Bacillus

subtilis.

Tóm tắt kết quả (tiếng Anh). Nanoemulsion based on essential oil extracted from

King orange and Namroi grapefruit peels were successfully synthesized by ultrasonic

vibration combined with mechanical stirring. The chemical composition of the orange and

grapefruit essential oil sample were determined by Gas Chromatography - Mass

Spectrometry (GC/MS) method. Particle size distribution of nanoemulsion was investigated

by Dynamic Light Scattering (DLS) method. The most important technical factors affecting

the size of nanoemulsion such as ratio of two types of emulsifiers including Tween 80 and

Span 80, the volume of essential oil and the effect of water volume were also investigated in

detail. In this study, silver nanoparticles were successfully synthesized by chemical

reduction method with sodium citrate as a reducing agent. Characteristics of silver

nanoparticles were analyzed by modern methods such as DLS, TEM, UV-Vis. Orange

essential oil, grapefruit essential oil, silver nanoparticles and nanoemulsion samples were

also applied to test antibacterial ability by disc diffusion method. The results showed that

orange and grapefruit essential oil have good resistance to Escherichia coli. Silver

nanoparticles has good antibacterial properties against Escherichia coli, Bacillus subtilis,

Staphylococcus aureus, Salmonella enterica. Nanoemulsion based on orange oil is resistant

to Escherichia coli bacteria. Nanoemulsion based on essential oil combined with nanosilver

have good antibacterial ability against Escherichia coli and Bacillus subtilis.

8

III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo

3.1. Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3)

TT Tên sản phẩm

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu

kinh tế - kỹ thuật

Đăng ký Đạt được

1 Bài báo đăng trên Tạp chí

Khoa học và Công nghệ

trường Đại Học Công

Nghiệp TP. HCM

01 01

2 Bài báo đăng trên tạp chí

quốc tế (ISI/Scopus) 01 01

3.2. Kết quả đào tạo

TT Họ và tên

Thời gian

thực hiện đề tài

Tên đề tài

Tên chuyên đề nếu là NCS

Tên luận văn nếu là Cao học

Đã bảo vệ

Nghiên cứu sinh

Học viên cao học

Nguyễn Phát Hải 02/2018-08/2018 Tổng hợp và khảo sát khả năng

kháng vi sinh vật của nano tinh

dầu trích ly từ một số cây thuộc

chi cam chanh

Bảo vệ

tháng

10/2019

Sinh viên Đại học

IV. Tình hình sử dụng kinh phí

T

T

Nội dung chi

Kinh phí

được duyệt

(triệu đồng)

Kinh phí

thực hiện

(triệu đồng)

Ghi

chú

A Chi phí trực tiếp

1 Thuê khoán chuyên môn 15,0 15,0

2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con.. 33,92 33,92

3 Thiết bị, dụng cụ

4 Công tác phí

5 Dịch vụ thuê ngoài

6 Hội nghị, hội thảo, thù lao nghiệm thu giữa kỳ

7 In ấn, Văn phòng phẩm 2,0 2,0

8 Chi phí khác

B Chi phí gián tiếp

1 Quản lý phí 2,68 2,68

2 Chi phí điện, nước

Tổng số 53,6 53,6