CÔNG NGHỆ CHIẾT XUẤT HOẠT CHẤT ĐÔNG TRÙNG HẠ THẢO CORDYCEPS MILITARIS

Trung Tâm Nghiên Cứu Hoạt Chất Sinh Học và Đông Trùng Hạ Thảo KIMSOHA thuộc Công ty Cổ phần Vận tải Du lịch và Truyền thông Quốc tế HHN

Trong chuỗi công nghệ nghiên cứu và phát triển Đông Trùng Hạ Thảo Cordyceps militaris, chiết xuất hoạt chất là công đoạn có vai trò chuyển nguyên liệu sinh học từ dạng quả thể hoặc sinh khối thành các phân đoạn giàu những nhóm hợp chất mục tiêu. Đây là một quá trình liên ngành, kết hợp giữa công nghệ dược liệu, hóa học, công nghệ thực phẩm và hóa phân tích. Chất lượng của dịch chiết không chỉ phụ thuộc vào thiết bị mà còn chịu ảnh hưởng của nguồn giống, điều kiện nuôi cấy, thời điểm thu hoạch, phương pháp sấy, kích thước nguyên liệu, dung môi và điều kiện chiết.

Tại Trung Tâm Nghiên Cứu Hoạt Chất Sinh Học và Đông Trùng Hạ Thảo KIMSOHA, công nghệ chiết xuất được nghiên cứu theo chuỗi nguồn giống → nuôi cấy → thu hoạch → xử lý nguyên liệu → lựa chọn phương pháp chiết → phân đoạn → tinh sạch → cô đặc/sấy → phân tích hoạt chất → đánh giá độ ổn định. Mục tiêu là xây dựng quy trình có khả năng lặp lại, xác định được hiệu suất thu hồi và tạo ra các phân đoạn có thành phần hóa học phù hợp với từng mục tiêu nghiên cứu.

Cordyceps militaris chứa nhiều nhóm hợp chất có đặc tính hóa lý khác nhau. Polysaccharide thường có tính phân cực cao và có thể được nghiên cứu bằng hệ thống chiết nước hoặc các quy trình chiết phân cực phù hợp. Cordycepin và adenosine thuộc nhóm nucleoside/nucleoside tương tự, có thể được thu nhận và định lượng bằng những hệ dung môi và phương pháp sắc ký phù hợp. D-mannitol, amino acid, peptide, phenolic compounds, carotenoid, ergosterol và lipid lại có đặc tính hóa học khác nhau. Vì vậy, không có một phương pháp chiết duy nhất có thể tối ưu đồng thời tất cả các nhóm chất.

Đây là nguyên tắc nền tảng của công nghệ chiết xuất: phương pháp phải được thiết kế theo hoạt chất mục tiêu. Nếu mục tiêu là nghiên cứu polysaccharide, hệ thống chiết cần ưu tiên khả năng thu hồi carbohydrate polymer và hạn chế các tạp chất. Nếu mục tiêu là nghiên cứu cordycepin hoặc adenosine, cần tối ưu khả năng hòa tan, độ ổn định và khả năng phân tích của nhóm nucleoside. Nếu mục tiêu là nghiên cứu lipid hoặc ergosterol, hệ dung môi và quy trình xử lý phải được thiết kế theo tính chất kém phân cực của các hợp chất này.

Nguyên liệu đầu vào là yếu tố đầu tiên quyết định chất lượng dịch chiết. Quả thể cần được thu hoạch ở giai đoạn phát triển phù hợp với mục tiêu nghiên cứu, sau đó được làm sạch, phân loại và xử lý theo quy trình đã xác định. Đối với nghiên cứu hoạt chất, cần ghi nhận rõ mã chủng, giá thể, thời gian nuôi, ngày thu hoạch và phương pháp sau thu hoạch. Điều này giúp truy xuất nguồn gốc của từng mẫu khi kết quả phân tích có sự khác biệt.

Độ ẩm của nguyên liệu cũng có ảnh hưởng đáng kể. Nguyên liệu tươi chứa lượng nước cao và có thể làm thay đổi tỷ lệ dung môi thực tế trong quá trình chiết. Vì vậy, trong nghiên cứu định lượng, việc sử dụng nguyên liệu khô với độ ẩm được kiểm soát có thể giúp tăng tính đồng nhất giữa các mẫu. Khi báo cáo kết quả, cần phân biệt rõ hàm lượng tính trên khối lượng tươi hay khối lượng khô.

Sau thu hoạch, nguyên liệu thường được sấy hoặc làm khô trước khi nghiền. Công đoạn này cần được kiểm soát vì nhiệt độ và thời gian xử lý có thể ảnh hưởng đến một số chất chuyển hóa. Đối với những hợp chất nhạy với nhiệt hoặc oxy hóa, phương pháp xử lý nhẹ hơn có thể được nghiên cứu. Sấy thăng hoa cũng là một lựa chọn trong những trường hợp cần duy trì tốt cấu trúc và hạn chế một số biến đổi trong quá trình làm khô.

Nghiền nguyên liệu giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu và dung môi, từ đó hỗ trợ quá trình truyền khối. Tuy nhiên, kích thước hạt quá nhỏ có thể gây khó khăn trong lọc và làm tăng lượng chất không mong muốn đi vào dịch chiết. Vì vậy, kích thước nguyên liệu cần được tối ưu theo loại thiết bị và phương pháp chiết.

Một trong những phương pháp cơ bản là chiết bằng nước. Đây là phương pháp phù hợp để nghiên cứu nhiều hợp chất phân cực và đặc biệt được quan tâm trong thu nhận polysaccharide từ nấm. Nước nóng có thể hỗ trợ phá vỡ cấu trúc tế bào và giải phóng các thành phần hòa tan. Tuy nhiên, nhiệt độ và thời gian chiết cần được tối ưu để đạt hiệu suất phù hợp mà không gây biến đổi không mong muốn.

Đối với polysaccharide, quy trình thường có thể bao gồm chiết nước, loại bỏ một phần tạp chất, cô đặc và kết tủa polysaccharide bằng alcohol trong điều kiện kiểm soát. Sau đó, phân đoạn thu được có thể tiếp tục được làm sạch bằng các phương pháp phù hợp. Tuy nhiên, polysaccharide thô không đồng nghĩa với một polysaccharide tinh khiết; muốn nghiên cứu cấu trúc cần thực hiện thêm các bước phân đoạn và đặc trưng hóa học.

Đối với cordycepin và adenosine, quy trình chiết cần được thiết kế khác với polysaccharide. Đây là những hợp chất có tính phân cực và thường được nghiên cứu bằng các hệ dung môi phù hợp, sau đó phân tích bằng HPLC hoặc UHPLC. Trong quá trình phát triển phương pháp, cần xác định điều kiện chiết cho khả năng thu hồi tốt và độ lặp lại cao.

Một điểm quan trọng là phương pháp chiết có thể làm thay đổi kết quả định lượng. Hai phòng thí nghiệm sử dụng hai quy trình chiết khác nhau có thể thu được hàm lượng cordycepin hoặc adenosine khác nhau ngay cả khi cùng sử dụng một mẫu nguyên liệu. Vì vậy, khi so sánh dữ liệu cần kiểm soát cả phương pháp chiết chứ không chỉ phương pháp phân tích.

Chiết bằng dung môi hỗ trợ siêu âm là một hướng công nghệ có thể được nghiên cứu để tăng khả năng tiếp xúc giữa nguyên liệu và dung môi. Sóng siêu âm tạo ra hiện tượng cavitation, hỗ trợ phá vỡ cấu trúc tế bào và tăng truyền khối. Ưu điểm tiềm năng là giảm thời gian chiết và lượng dung môi trong một số hệ thống. Tuy nhiên, điều kiện siêu âm cần được tối ưu vì năng lượng quá cao hoặc thời gian xử lý kéo dài có thể ảnh hưởng đến một số hợp chất.

Chiết hỗ trợ enzyme cũng là một hướng nghiên cứu. Một số enzyme có thể hỗ trợ phá vỡ thành tế bào nấm và giải phóng các chất nội bào. Phương pháp này có tiềm năng cải thiện khả năng thu hồi một số phân đoạn nhưng cần kiểm soát pH, nhiệt độ, loại enzyme và thời gian xử lý. Chi phí enzyme và khả năng chuyển giao lên quy mô lớn cũng là những yếu tố cần đánh giá.

Chiết bằng dung môi áp suất hoặc các công nghệ chiết hiện đại có thể được nghiên cứu đối với những nhóm chất cụ thể. Mục tiêu của các công nghệ này là tăng hiệu suất thu hồi, giảm thời gian và giảm lượng dung môi. Tuy nhiên, phương pháp phù hợp trong phòng thí nghiệm chưa chắc là phương pháp tối ưu ở quy mô sản xuất, vì chi phí thiết bị, an toàn vận hành và khả năng thu hồi dung môi cũng cần được tính đến.

Một hướng khác là chiết phân đoạn theo tính phân cực. Thay vì cố gắng thu toàn bộ thành phần vào một dịch chiết duy nhất, nguyên liệu có thể được xử lý theo các bước để thu các phân đoạn có đặc tính hóa học khác nhau. Cách tiếp cận này phù hợp với nghiên cứu chuyên sâu vì cho phép tập trung vào từng nhóm hợp chất.

Sau chiết, lọc và ly tâm giúp loại bỏ phần không tan. Đây là bước quan trọng để tạo dịch chiết đồng nhất trước khi cô đặc hoặc phân tích. Trong nghiên cứu định lượng, cần hạn chế thất thoát hoạt chất do hấp phụ lên vật liệu lọc hoặc kết tủa không mong muốn.

Cô đặc là công đoạn tiếp theo nhằm loại bớt dung môi và tăng nồng độ chất tan. Đối với các hợp chất nhạy nhiệt, cô đặc chân không hoặc những phương pháp ở nhiệt độ thấp có thể được nghiên cứu để giảm tác động nhiệt. Điều kiện cô đặc cần được ghi nhận đầy đủ để có thể tái lập quy trình.

Sau cô đặc, dịch chiết có thể được sấy phun, sấy chân không hoặc sấy thăng hoa tùy mục tiêu. Sấy phun phù hợp hơn với một số hệ thống sản xuất quy mô lớn, trong khi sấy thăng hoa có ưu thế về khả năng bảo toàn cấu trúc của một số nguyên liệu nhưng chi phí cao hơn. Việc lựa chọn phương pháp phải dựa trên đặc tính của phân đoạn cần thu.

Một quy trình chiết xuất hiện đại cần kết hợp hiệu suất thu hồi và chất lượng hoạt chất. Hiệu suất khối lượng cao không đồng nghĩa với hiệu suất hoạt chất cao. Ví dụ, một phương pháp có thể thu được nhiều chất chiết tổng số nhưng phần lớn là carbohydrate hoặc tạp chất, trong khi hàm lượng cordycepin mục tiêu lại không cao. Vì vậy, cần đánh giá đồng thời hiệu suất dịch chiết và hàm lượng hoạt chất.

Đây là lý do KIMSOHA định hướng sử dụng phương pháp phân tích hóa học để kiểm soát từng quy trình. HPLC/UHPLC có thể được sử dụng để định lượng cordycepin và adenosine; các phương pháp phù hợp khác có thể được sử dụng để đánh giá polysaccharide, D-mannitol, ergosterol, phenolic compounds, carotenoid và các nhóm chất khác.

Đối với polysaccharide, ngoài hàm lượng tổng số, cần quan tâm đến thành phần monosaccharide, khối lượng phân tử và cấu trúc. Một phân đoạn có hàm lượng polysaccharide cao nhưng độ tinh khiết thấp không thể được xem tương đương với một phân đoạn polysaccharide đã được tinh sạch và xác định cấu trúc.

Đối với cordycepin và adenosine, việc định lượng cần sử dụng chất chuẩn thích hợp và phương pháp phân tích được xác nhận. Đường chuẩn, độ tuyến tính, độ chính xác, độ lặp lại, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng là những thông số quan trọng trong quá trình xây dựng phương pháp phân tích.

Một yếu tố khác là độ ổn định của hoạt chất trong dịch chiết. Sau khi chiết, hoạt chất có thể tiếp xúc với oxygen, ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm khác với trạng thái ban đầu trong quả thể. Vì vậy, dịch chiết cần được nghiên cứu độ ổn định nếu dự kiến bảo quản trong thời gian dài.

Tại KIMSOHA, nghiên cứu chiết xuất có thể được xây dựng theo mô hình một chủng – nhiều phương pháp chiết – nhiều phân đoạn – nhiều chỉ tiêu phân tích. Cách tiếp cận này cho phép xác định phương pháp nào phù hợp nhất với từng nhóm hoạt chất thay vì sử dụng một công thức chung cho toàn bộ Đông Trùng Hạ Thảo.

Một ví dụ là cùng một nguyên liệu Cordyceps militaris có thể được nghiên cứu thành nhiều dòng nguyên liệu: phân đoạn polysaccharide, phân đoạn giàu nucleoside, phân đoạn chứa các hợp chất phenolic, phân đoạn lipid/sterol và dịch chiết tổng hợp. Mỗi phân đoạn có thể được phân tích riêng và đánh giá theo mục tiêu nghiên cứu.

Công nghệ chiết xuất cũng phải gắn với an toàn nguyên liệu. Khi sử dụng dung môi hữu cơ, cần kiểm soát nguồn dung môi, khả năng tồn dư, quy trình thu hồi và giới hạn an toàn. Đối với nguyên liệu định hướng làm thực phẩm hoặc dược liệu, việc lựa chọn dung môi và quy trình xử lý cần phù hợp với mục tiêu sử dụng cuối cùng và quy định hiện hành.

Một vấn đề quan trọng khác là tính tái lập. Một quy trình chiết tốt phải có khả năng tạo ra kết quả tương đối ổn định giữa các lần thực hiện. Các thông số như tỷ lệ nguyên liệu/dung môi, kích thước nguyên liệu, nhiệt độ, thời gian, số lần chiết, phương pháp lọc và điều kiện cô đặc cần được xác định và ghi nhận.

Khi chuyển từ phòng thí nghiệm sang quy mô pilot, bài toán trở nên phức tạp hơn. Tốc độ truyền nhiệt, truyền khối, khuấy trộn, khả năng lọc và cô đặc có thể thay đổi theo thể tích. Vì vậy, quy trình không nên chỉ “phóng to” theo tỷ lệ khối lượng mà cần được đánh giá lại các thông số công nghệ.

Một hướng nghiên cứu hiện đại là sử dụng thiết kế thí nghiệm – Design of Experiments (DoE) để tối ưu hóa quy trình. Thay vì thay đổi từng yếu tố một cách thủ công, DoE cho phép nghiên cứu đồng thời nhiều biến số và xác định ảnh hưởng cũng như tương tác giữa chúng. Đây là phương pháp phù hợp khi tối ưu tỷ lệ dung môi, nhiệt độ, thời gian và số lần chiết.

Kết hợp DoE với phân tích đa biến và metabolomics có thể tạo ra một hệ thống tối ưu hóa sâu hơn. Khi đó, mục tiêu không chỉ là tăng hiệu suất chiết mà có thể tối ưu đồng thời nhiều chỉ tiêu như cordycepin, adenosine, polysaccharide và các chất chuyển hóa khác.

Có thể hình dung toàn bộ công nghệ theo chuỗi chủng giống → nuôi cấy → thu hoạch → làm khô → nghiền → chiết → lọc → phân đoạn → tinh sạch → cô đặc/sấy → định lượng hoạt chất → kiểm tra độ ổn định → đóng gói và bảo quản. Mỗi công đoạn đều có thể ảnh hưởng đến chất lượng cuối cùng của dịch chiết.

Tại Trung Tâm Nghiên Cứu Hoạt Chất Sinh Học và Đông Trùng Hạ Thảo KIMSOHA, công nghệ chiết xuất được định hướng phục vụ đồng thời ba mục tiêu: nghiên cứu khoa học, chuẩn hóa nguyên liệu và phát triển công nghệ ứng dụng. Các quy trình được nghiên cứu trên cơ sở đặc tính hóa học của từng nhóm hoạt chất và được đánh giá bằng phương pháp phân tích phù hợp.

Việc chiết xuất hoạt chất Đông Trùng Hạ Thảo vì vậy không đơn thuần là “ngâm nguyên liệu với dung môi”. Đây là một quy trình công nghệ nhiều tầng, trong đó chất lượng giống, điều kiện nuôi, phương pháp thu hoạch, xử lý nguyên liệu, lựa chọn dung môi, điều kiện chiết, phân đoạn, tinh sạch và phân tích đều có vai trò.

Mục tiêu cuối cùng của công nghệ chiết xuất là tạo ra phân đoạn có thành phần xác định, hàm lượng hoạt chất được kiểm soát, độ ổn định phù hợp và khả năng tái lập giữa các lô. Đây là nền tảng quan trọng nếu các phân đoạn chiết được sử dụng cho nghiên cứu sâu hơn hoặc phát triển nguyên liệu.

Từ quả thể/sinh khối → chiết xuất → phân đoạn → hoạt chất → phân tích → chuẩn hóa, KIMSOHA hướng tới xây dựng hệ thống nghiên cứu khép kín, kết nối công nghệ nuôi trồng với hóa học và công nghệ sinh học. Mỗi kết quả phân tích được liên kết với nguồn chủng và điều kiện tạo mẫu, qua đó hình thành cơ sở dữ liệu phục vụ tối ưu hóa.

Trung Tâm Nghiên Cứu Hoạt Chất Sinh Học và Đông Trùng Hạ Thảo KIMSOHA thuộc Công ty Cổ phần Vận tải Du lịch và Truyền thông Quốc tế HHN tiếp tục nghiên cứu công nghệ chiết xuất cordycepin, adenosine, polysaccharide và các nhóm hợp chất chức năng khác trong Cordyceps militaris. Định hướng của Trung tâm là phát triển các quy trình chiết xuất có cơ sở khoa học, kiểm soát được chất lượng và phù hợp với từng mục tiêu nghiên cứu.

Thông tin chuyên sâu về Đông Trùng Hạ Thảo Cordyceps militaris, công nghệ chiết xuất hoạt chất, cordycepin, adenosine, polysaccharide, công nghệ nhân giống, nuôi cấy, thu hoạch và bảo quản được giới thiệu tại nongtraidongtrunghathao.com.