Luận án Nghiên cứu phản ứng thủy phân một số glycozit tự nhiên bằng enzym β - Glucosidase và đánh giá hoạt tính sinh học của các sản phẩm nhận được

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ...*** LÊ THỊ TÚ ANH NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG THỦY PHÂN MỘT SỐ GLYCOZIT TỰ NHIÊN BẰNG ENZYM β-GLUCOSIDASE VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA CÁC SẢN PHẨM NHẬN ĐƯỢC Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 62.44.01.14 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2018 Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Lê Trường Giang Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Đoàn Duy Tiên Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: . Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi giờ ..’, ngày tháng năm 201. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1. Lê Thị Tú Anh, Đoàn Duy Tiên, Bá Thị Châm, Nguyễn Văn Tuyến, Nghiên cứu phân lập chủng vi sinh vật thủy phân glycosit thành aglycon có hoạt tính sinh học cao. Tạp chí Hóa học, 2016 , 54 (6e2): 84-89 2. Lê Thị Tú Anh, Bá Thị Châm, Nguyễn Thu Hà, Nguyễn Thanh Trà, Nguyên Văn Tuyến, Nghiên cứu thủy phân astilbin trong rễ Thổ phục linh (Similax glabra) bằng vi sinh vật, Tạp chí Hóa học, 2016, 54 (6e2): 223-227 3. Nguyễn Thị Thu Hà, Phạm Thị Thu Hằng, Nguyễn Thanh Trà, Bá Thị Châm, Lê Thị Tú Anh, Đặng Thị Tuyết Anh, Nguyễn Hà Thanh, Thành phần hóa học và hoạt tính ức chế enzym khử HMG-Coenzym A của vỏ đậu xanh (Vigna radiata), Tạp chí hóa học 2017, 55 (4e23), 21- 26. 4. Nguyễn Thị Thu Hà, Nguyễn Thanh Trà, Bá Thị Châm, Lê Thị Tú Anh, Đặng Thị Tuyết Anh, Nguyễn Hà Thanh, Thành phần hóa học và hoạt tính ức chế enzym khử HMG-Coenzym A của lá Sen hồng (Nelumbo nucifera), Tạp chí hóa học 2017, 55 (4e23), 261-266. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Hiện nay, vấn đề bảo vệ môi trường đã trở nên cấp thiết với mọi lĩnh vực của cuộc sống. Trong lĩnh vực hóa học, tìm kiếm những enzym xúc tác, hỗ trợ cho các quá trình chuyển hóa, tổng hợp hữu cơ được coi là hướng phát triển xanh thân thiện môi trường. Nhờ những ưu điểm vượt trội so với xúc tác thông thường, xúc tác enzym không chỉ giúp tăng hiệu suất phản ứng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.. β-Glucosidase (BGL) thuộc nhóm enzym có khả năng thủy phân liên kết glycosid trong các hợp chất carbohydrat. BGL có thể tác động lên nhiều cơ chất khác nhau, trong đó thủy phân liên kết glycosid ở các hợp chất tự nhiên, giải phóng các hợp chất có hoạt tính sinh học cao, dễ hấp thụ là một lĩnh vực đang được quan tâm nghiên cứu, đem lại nhiều kết quả hứa hẹn. Flavonoit là một trong những nhóm hợp chất phong phú, đa dạng, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y dược học, thực phẩm, mỹ phẩm. Flavonoit tồn tại ở hai dạng là dạng tự do (aglycon) và liên kết với các phân tử đường (glycozit). Trong đó, dạng aglycon có hoạt tính sinh học cao và dễ hấp thụ vào cơ thể, dạng glycosid chiếm tỉ lệ lớn tuy nhiên khó hấp thụ và có hoạt tính thấp. Do đó việc phát triển các xúc tác sinh học thủy phân glucozit tạo aglycon và nghiên cứu hoạt tính của các cặp chất này có ý nghĩa hết sức quan trọng và có tính ứng dụng cao. Quá trình nghiên cứu, phát triển xúc tác enzym không tránh khỏi việc nuôi cấy vi sinh vật (VSV). Những vi sinh vật này khi được thải ra môi trường có thể tạo ra những ảnh hưởng không tốt, do đó để đảm bảo một quy trình nghiên cứu thân thiện với môi trường, việc xử lý và khử trùng những vi sinh vật này trước khi loại bỏ cũng hết sức cần thiết. Nhằm mục đích nghiên cứu, tìm kiếm những glycozit, aglycon thực vật có hoạt tính sinh học, có tiềm năng ứng dụng trong thực tiễn đồng thời phát triển phương pháp nghiên cứu mới – sinh chuyển hóa bằng xúc tác sinh học, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu phản ứng thủy phân các glycozit tự nhiên bằng enzym β-glucosidase và đánh giá hoạt tính sinh học của các sản phẩm nhận được”. Trong nghiên cứu này, chủng vi nấm P.citrinum được phân lập từ rễ cây Bọ Mẩy (Clerodendron cyrtophyllum Turcz), định danh và sinh tổng hợp enzyme β-glucosidase. Các flavonoit glycozit tách chiết từ thực vật Việt Nam được thủy phân bởi enzym β-glucosidase từ vi nấm. Các flavonoit và sản phẩm chuyển hóa 2 tương ứng được đánh giá hoạt tính sinh học. Vi nấm sau quá trình lên men được nghiên cứu khử trùng bằng công nghệ oxy hóa tiên tiến thân thiện với môi trường. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu ứng dụng công nghệ enzym vào quá trình thủy phân các hợp chất glycozit thực vật, tạo nên các sản phẩm có hoạt tính cao hơn đồng thời phát triển hướng nghiên cứu xanh trong hóa hữu cơ. 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án - Phân lập, định danh chủng vi sinh vật có khả năng sinh β-glucosidase. - Lên men sinh tổng hợp, đánh giá các thông số động học của β-glucosidase dạng tự do và cố định từ P. Citrinum. - Nghiên cứu khử trùng sau lên men bằng phương pháp oxy hóa tiên tiến. - Nghiên cứu tách chiết các hợp chất glycozit từ thực vật Việt Nam. - Nghiên cứu thủy phân các hợp chất glycozit từ thực vật với enzym β- glucosidase. - Đánh giá hoạt tính sinh học các hoạt chất thu được. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Enzym β-D-glucosidlase Trình bày những nội dung liên quan đến β-glucosidase: những nội dung cơ sở liên quan đến định nghĩa, phân loại, cơ chế phản ứng, cách tinh chế và đánh giá hoạt tính enzym. Tiếp đó, những nội dung về đa dạng và khả năng sinh tổng hợp các β-glucosidase ở các VSV, về cải tạo nguồn giống với mục đích tăng sản xuất BGL và liên quan đến sản xuất BGL thương mại. Cuối cùng, về những ứng dụng đa ngành của β-glucosidase. 1.2 Hợp chất flavonoit Trình bày những nội dung liên quan đến flavonoit: khung cơ sở, sự phân loại các nhóm, sinh tổng hợp, phương pháp nhận biết bằng các thuốc thử và hoạt tính sinh học của nhóm chất. 1.3 Flavonoit glycozit và aglycon của chúng Trình bày những nội dung liên quan đến hấp thu, chuyển hóa của flavonoit glycozit từ đó cho thấy tiềm năng của các aglycon so với glycozit của chúng. Tiếp theo là tổng quan về các nghiên cứu sinh chuyển hóa flavonoit glycozit đã công bố trên thế giới. CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu Mẫu bã đậu nành (Glycine max) từ Công ty cổ phần dầu thực vật Quang Minh, Kim Động, Hưng Yên. Mẫu lá sen (Nelumbo nucifera) và vỏ đậu xanh (Vigna 3 radiata) thu tại Hà Nội và Bắc Giang. Mẫu hoa hòe (Styphnolobium japonicum (L.) Schott) thu tại Nam Định. Mẫu Cốt khí củ (Rhizoma Polygoni cuspidati) được thu tại Thôn Nghĩa Trai - xã Tân Quang - Huyện Văn Lâm - Hưng Yên. 2.2. Hóa chất, thiết bị 2.3. Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp phân lập, định danh và lưu vi sinh vật sinh enzym 2.3.1.1 Phân lập vi sinh vật ở dạng thuần khiết: 2.3.1.2. Phương pháp định danh: đại thể, vi thể, định danh chủng nấm phân lập bằng PCR và giải trình tự 2.3.2 Phương pháp xác định họat độ enzym: đánh giá khả năng thủy phân p- nitrophenyl-β-glucopyranosid (pNPG) 2.3.3 Phương pháp cô lập và xác định cấu trúc các hợp chất glycozit: sắc ký cột và các phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân 2.3.4 Các phương pháp thủy phân: với enzym tự do và enzym cố định. - Khảo sát một số điều kiện ảnh hưởng đến quá trình thủy phân - Xử lý số liệu thí nghiệm và tối ưu hóa thực nghiệm 2.3.5 Phương pháp khử trùng vi sinh vật nghiên cứu 2.3.6 Các phương pháp xác định hoạt tính sinh học - Phương pháp thử hoạt tính chống oxi hóa trên hệ DPPH - Phương pháp thử hoạt tính ức chế enzym α-glucosidase - Phương pháp xác định hoạt tính ức chế enzym Angiotensin I 2.3.7. Phương pháp nghiên cứu điều kiện tối ưu cho quá trình thủy phân Tối ưu hóa bằng pp qui hoạch thực nghiệm với phần mềm Modde 5.0. CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM 3.1. Nghiên cứu phân lập chủng nấm sinh enzym β-glucosidase 3.1.1 Phân lập chủng sinh enzym β-glucosidase Từ mẫu rễ cây Bọ Mẩy (Clerodendron cyrtophyllum Turcz), tiến hành phân lập các chủng nấm mốc thuần chủng có khả năng sinh β-glucosidase. Chủng nấm mốc có khả năng sinh enzym β-glucosidase với hoạt tính cao nhất sẽ được định danh và sử dụng xuyên suốt nghiên cứu. 3.1.2 Định danh chủng vi nấm phân lập Phương pháp vi thể, đại thể, PCR và giải trình tự gen. 3.2. Nghiên cứu phân lập và các thông số động học β-glucosidase Lên men với môi trường Pd, sử dụng phương pháp muối tách với bằng (NH4)2SO4, rửa muối bằng cột Sephadex và đông khô thu enzym sạch. 4 Hằng số phân ly biểu kiến Km và Vmax của β-glucosidase trên cơ chất β- pNG với nồng độ β-pNG trong khoảng 0.05mM đến 2.0mM, phản ứng diễn ra trong 10 phút ở 60oC và đo ở bước sóng 410nm. BGL-P còn được nghiên cứu cố định trên calci alginat và bã cà phê. Hiệu suất cố định enzym (%) tính theo công thức: Hiệu suất cố định (%) =(Et- Es)/Et x100 Et là hoạt độ enzym trước cố định, Es là hoạt độ enzym sau cố định 3.3. Nghiên cứu phân lập các glycozit trong một số thực vật Việt Nam 3.3.1 Phân lập các glycozit và aglycon từ khô đậu tương 200g khô đậu tương - EtOH: H 2 O (80:20) - Cô loại dung môi Cao lỏng màu nâu - Chiết aceton x 3 lần - Cô kiệt dung môi Cặn Aceton - Hòa tan bằng EtOAc - Chiết bằng nước Dịch EtOAc Dịch nước - Cô kiệt dung môi - Cột silica gel: EtOAc:H 2 O (97:3) và EtOAc:H 2 O:EtOH (95:3:2) F1-F2 F3-F4 F7-F10 F5 F6 Sephadex LH-20, EtOH Chạy cột silica gel: EtOAc:MeOH (96:4) Chạy cột silica gel: EtOAc:MeOH (95:5) D5.3 (251.2mg) D6.4 (198.7mg) F1. 1 F1. 2 Kết tinh CH 2 Cl 2 D1.1 (12.8mg ) D1.2 (3.4 mg) Kết tinh CH 2 Cl 2 5 3.3.2 Phân lập các glycozit và aglycon từ lá Sen 3.3.3 Phân lập các glycozit từ vỏ đậu xanh 6 3.3.4 Phân lập rutin từ hoa Hòe Đặc điểm của hợp chất phân lập được: Nhiệt độ nóng chảy: 242oC 1H NMR (500 MHz, DMSO-d6): =0,99 ppm (3H, d, J= 6,5Hz, HRha-6’’’); 3,09- 5,00 (các proton CH-OH của đường); 5,2 (1H, brs, HRha-1’’’); 5,34 (1H, d, J= 7,0 Hz, HGlc-1’’); 6,19 (1H, d, J= 2,0 Hz, H-6); 6,38 (1H, d, J= 2,0 Hz, H-8); 6,84 (1H, d, J= 8,0 Hz, H-5’); 7,52 (1H, d, J = 2,0 Hz, H-2’); 7,55 (1H, dd, J=2,0; 8,0 Hz, H-6’); 12,58 (1H, s, OH-5). 13C-NMR (125 MHz, DMSO-d6):  156,5 (C-2); 133,3 (C-3); 177,4 (C-4); 161,2 (C-5); 100,1 (C-6); 164,1 (C-7); 93,6 (C-8); 156,4 (C-9); 103,9 (C-10); 121,1 (C-1’); 115,2 (C-2’); 144,7 (C-3’); 148,4 (C-4’); 116,2 (C-5’); 121,5(C- 6’); 101,2 (CGlc-1’’); 74,1 (CGlc-2’’); 76,4 (CGlc-3’’); 70,3 (CGlc-4’’); 75,8 (CGlc- 5’’); 66,9 (CGlc-6’’); 98,7 (CRha-1’’’); 70,5 (CRha-2’’’); 71,3(CRha-3’’’); 71,8 (CRha-4’’’); 68,2 (CRha-5’’’); 18,6 (CRha-6’’’). 3.3.5 Phân lập các glycoszit và aglycon từ củ Cốt khí ` C8.4 (20mg) C8.5 (15mg) Cặn CC(15 g) F1 F2 F7 (2,0g) F6 F5 (2,4g) F4 F3 - SKC Silicagel 0,063 ÷ 0,2 - CH2Cl2 : CH3OH - Cô kiệt - Kết tinh C2.1 (290mg) - SKC Silicagel 0,04÷0,063 - CH2Cl2 7-2 7-3 7-4 7-5 7-1 - Cô, kết tinh C7.3 (155mg) - SKC Silicagel 0,04 ÷ 0,063 - CH2Cl2 : CH3OH 5-1 5-2 5-3 C5.2 (97mg) - Cô, kết tinh 5-4 F8 3.4. Sinh chuyển hóa các hợp chất glycozit Hiệu suất thủy phân được tính theo công thức [140]: 7 Trong đó: Qc: là lượng sản phẩm thủy phân Qo: lượng glucozit ban đầu đưa vào phản ứng M1: khối lượng phân tử của glycozit M2: khối lượng phân tử sản phẩm thủy phân 3.5. Khử trùng vi sinh vật nghiên cứu bằng phương pháp oxi hóa tiên tiến 3.5.1 Chuẩn bị thiết bị và mẫu vi sinh vật và phân tích mẫu điện phân 3.5.2. Thiết kế quy trình điện phân với bào tử B. cereus 3.5.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng cường độ dòng điện đến khả năng diệt khuẩn 3.5.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng pH dung dịch đến khả năng diệt khuẩn 3.5.3 Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của thiết bị với P. citrinum 3.6 Đánh giá hoạt tính sinh học của các glycozit và sản phẩm thủy phân tương ứng 3.6.1 Đánh giá hoạt tính chống oxy hóa trên hệ DPPH [117-119] Thời gian phản ứng 30 phút ở 370C, đọc mật độ hấp phụ của DPPH chưa phản ứng bằng máy Genios Tecan ở bước sóng 517 nm. % bắt gốc tự do (scavenging capacity %) DPPH của mẫu thử được tính theo công thức: SC% = (OD trắng – OD mẫu thử)/ ODtrắng (%). EC50 được tính theo giá trị SC tương quan với các nồng độ khác nhau của chất thử, thí nghiệm được lặp lại với n = 3. 3.6.2 Đánh giá hoạt tính ức chế enzym α-glucosidase [120-123] Thí nghiệm được ủ ở nhiệt độ 37o C. Phản ứng được dừng bằng 100 µl Na2CO3. Độ hấp thụ của phản ứng được xác định trên máy BIOTEK với bước sóng 410 nm (A). Khả năng ức chế enzyme - glucosidase của mẫu thử được xác định bằng công thức: Độ ức chế (%) = [A(đối chứng âm) – A(mẫu thử)] / A(đối chứng âm) x 100% IC50 - half maximal inhibitory concentration - nồng độ chất thử ức chế 50% hoạt động của -glucosidase, tính bằng phần mềm Tablecurve. 3.6.3 Đánh giá hoạt tính ức chế enzym ACE [124-126]: Phản ứng ở nhiệt độ 37o C, pH 7,0, 30 phút. Độ hấp thụ sau phản ứng được xác định trên máy BioTek với bước sóng 410 nm (A). Phần trăm ức chế hoạt độ ACE của mẫu thử tính theo công thức: % ức chế = (Ađối chứng dương - Amẫu thử)/(Ađối chứng dương – Ablank) Trong đó, mẫu đối chứng dương: không chứa chất thử; mẫu blank: cơ chất HHL được thay bằng đệm phản ứng. Chất tham khảo: captopril. 8 Giá trị IC50 (nồng độ của chất thử ức chế 50% hoạt độ của ACE trong điều kiện thí nghiệm) được tính theo phần mềm excel table curve. CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Kết quả nghiên cứu phân lập chủng nấm sinh enzym β-glucosidase Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thủy phân các hợp chất glycozit từ thực vật. Flavonoit rất phổ biến ở thực vật với khoảng 15.000 hợp chất đã được xác định cấu trúc, phần lớn trong số đó đều là glycozit và rất nhiều hợp chất tồn tại ở dạng liên hết β-glycozit. Do đó, nhóm nghiên cứu trước tiên tiến hành phân lập chủng vi sinh vật sinh enzym β-glucosidase. 4.1.1 Kết quả phân lập chủng vi nấm sinh β-glucosidase và khả năng sinh enzym của chúng Hình 4.1: Khuẩn lạc thu được từ mẫu rễ Bọ Mẩy ở nồng độ pha loãng 10-5 Từ các khuẩn lạc thu được, thực hiện cấy chuyển, tinh sạch, thu được 5 loài nấm mốc với đặc điểm hình thái khuẩn lạc khác nhau, ký hiệu C1-5. Nuôi cấy và xác định hoạt độ enzym từ các chủng nấm mốc theo các mốc thời gian 1-10 ngày, nhận thấy: chủng C5 sau 6 ngày nuôi cấy cho enzym có hoạt độ cao nhất là 33,628U/ml. Kiểm tra khả năng sinh enzym của các chủng trên môi trường dinh dưỡng khác nhau và khẳng định C5 có khả năng sinh enzym tốt nhất 4.1.2. Kết quả định danh chủng vi nấm phân lập Bằng phương pháp quan sát hình thái, màu sắc khuẩn lạc và soi vi thể của bào tử và cấu tạo sợi nấm, C5 được xác định thuộc chi Penicillium. Kết quả giải trình tự hai chiều DNA sản phẩm PCR bằng cặp mồi ITS1/ITS4 và 9 so sánh với dữ liệu gen trên NCBI bằng công cụ BLAST nucleotide đã chỉ ra rằng trình tự DNA sản phẩm PCR của mẫu nấm phân lập là Penicillium citrinum (độ tương đồng trên cơ sở dữ liệu là 100%) Hình 4.4: Khuẩn lạc, bào tử và sợi nấm C5 4.2 Kết quả nghiên cứu phân lập β-glucosidase từ dịch nuôi cấy và đánh giá các thông số động học của enzym Qua các công đoạn loại bỏ protein tạp, muối tách, rửa trên cột và đông khô để thu enzym tinh sạch. Hoạt độ của enzym tinh sạch tính trên khối lượng bột khô theo phương pháp soi màu ở bước sóng 410nm với cơ chất β- pNG thu được là 62,412U/mg (BGL-P). BGL-P được sử dụng ở dạng tự do hoặc cố định trên các chất mang calci alginat và bã cà phê. 4.2.1 Kết quả nghiên cứu hoạt động của enzym tự do Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng pH và nhiệt độ đến hoạt động của enzym tự do: Enzym BGL-P có vùng hoạt động tốt trong khoảng nhiệt độ từ 50oC - 70 oC với hoạt tính đạt xấp xỉ 90% so với hoạt tính tối đa ở 60oC. Tại nhiệt độ 60oC, enzym hoạt động tốt ở khoảng pH từ 5,0-6,5 với hoạt tính đạt trên 90% so với hoạt tính tối đa ở pH 6,0. Kết quả nghiên cứu động học enzyme BGL-P trên cơ chất β-pNG : Xây dựng đồ thị theo phương trình nghịch đảo (Lineaweaver và Burk 1934), thu được kết quả Km = 0,01µmol và Vmax = 13,91 µmol/phút. 4.2.2 Kết quả nghiên cứu hoạt động của enzym cố định: Kết quả cố định β-glucosidase trên alginat: Hệ gel cố định với natri alginat 4% - CaCl2 4% được đánh giá có hiệu lực cố định tốt BGL-P (72,3%) và có khả năng tái sử dụng 7 lần với cơ chất pNPG trước khi mất 50% hoạt tính. Kết quả cố định β-glucosidase trên bã cà phê: 10 Bã cà phê Trung nguyên được hoạt hóa bằng glutaraldehyt được sử dụng làm chất mang BGL-P, đạt hiệu suất 82%. Tuy nhiên, chỉ có thể tái sử dụng 2 lần với cơ chất pNPG trước khi mất 50% hoạt tính. Bảng 4.3 Thông số động học của enzym BGL-P tự do và cố định Dạng enzym Nhiệt độ pH Vmax Km R2 * Tự do 60 6.0 13,91 0,011 0,9994 Cố định/alginat 50 6.0 13,09 0,034 0,9978 Cố định bã cà phê 40 6.0 14,45 0,022 0,9992 * là hệ số R2 của phương trình đồ thị Lineaweaver và Burk 4.2 Kết quả nghiên cứu phân lập các glycozit trong một số thực vật Việt Nam Bằng các phương pháp phổ, 20 hợp chất phân lập từ 5 loài thực vật được xác định cấu trúc hóa học như sau: TT Kí hiệu Cấu tạo Tên hợp chất Nguồn gốc 1 D1.1 Genistein Đậu nành 2 D1.2 Daidzein Đậu nành 3 D5.3 Genistein 7-O- beta-D-glucoside Đậu nành 4 D6.4 Daidzein7-O- beta-D-glucoside Đậu nành 5 S3.1 MB5 catechin Lá sen hồng, vỏ đậu xanh 11 6 S5.2 quercetin-3-O-β- galactoside Lá sen hồng 7 S7.3 quercetin Lá sen hồng 8 S8.4 kaemferol Lá sen hồng 9 S8.5 isorhamnetin-3- O-β-D- glucuronide Lá sen hồng 10 S8.6 quercetin-3-O-β- D-glucuronide Lá sen hồng 11 MB3 O OH HO OH O O HO OH HO OH 2 3 45 106 7 8 9 1' 2' 3' 4' 5' 6' 1'' 2'' 3'' 4'' 5'' 6'' apigenin-6-C- glucoside (vitexin) Vỏ đậu xanh 12 MB4 apigenin-6-C- glucoside (isovitexin) Vỏ đậu xanh 12 13 MB1 luteolin Vỏ đậu xanh 14 MB2 taxifolin Vỏ đậu xanh 15 HH1 O O HO OH OH OH O 2 3 45 6 1' 2' 3' 4' 5' 6' 7 8 9 10 O OH OH 1'' 3'' 4'' 5'' 6''' 6'' O O OH 1''' 2'' 3'''4''' 5''' HO HO H3C HO 2''' quercetin-3-O- rutinoside (rutin) Hoa hòe 16 C2.1 resveratrol Cốt khí củ 17 C5.2 Resveratrol 3 – beta-mono-D- glucoside (picied) Cốt khí củ 18 C7.3 emodin Cốt khí củ 19 C8.4 emodin-8-O-β-D- glucopyranoside Cốt khí củ 13 20 C8.5 physcion-8-O-β- D- glucopyranoside Cốt khí củ Ví dụ: Phân tích cấu trúc hóa học của hợp chất vitexin (MB1) Hợp chất MB1 được phân lập dưới dạng chất rắn màu vàng nhạt, đnc: 247-249ºC. Phổ khối ESI-MScho pic ion phân tử proton hóa ở m/z 433 [M+H]+. Trên phổ IR có các đỉnh hấp thụ mạnh của nhóm OH và nhóm carbonyl ở 3410, 1656, 1566cm1. Trên phổ 1H-NMR cho tín hiệu của 4 proton dạng AA’BB’ ở H 8,01 (2H, d, J = 8,0 Hz, H-2’, H-6’); 6,89 (2H, dd, J = 8,0 Hz, H-3’, 5’) chứng tỏ vị trí C-4’ của vòng B bị thế. Ngoài ra, tín hiệu của 2 proton vòng thơm dưới dạng singlet ở H 6,75 (1H, s, H-3); 6,24 (1H, s, H-6) và 1 proton anomeric ở H 4,71 (1H, d, J = 9,0 Hz, H-1’’) cũng được quan sát thấy trên phổ 1H-NMR. Tất cả các dữ liệu phổ trên gợi ý đây là một hợp chất flavone gắn với 1 phân tử đường glucose. Hằng số tương tác lớn (J = 9,0 Hz) của proton anomeric H-1’’ cho phép xác định cấu hình β của phần đường glucose.Tín hiệu của OH ở H 13,15 đặc trưng cho liên kết cầu hydro nội phân tử ở vị trí C-5 cũng được quan sát thấy trên phổ 1H-NMR.Trên phổ 13C-NMR và phổ DEPT của của MB1 cho biết sự có mặt của 21 nguyên tử cacbon trong đó 15 cacbon sp2 và 6 cacbon sp3 tương ứng với 1 nhóm carbonyl ở C 182,1 (C-4), 6 nhóm methin vòng thơm ở C 102,4 (C-3);98,4 (C-6), 129,7 (C-2’, C-6’); 115,9 (C-3’, C-5’), 1 nhóm methylen ở C 61,4 (C-6’’), 5 nhóm oxymethin và 8 cacbon bậc 4. Các mảnh cấu trúc này sau đó được kết nối nhờ phân tích phổ HMBC. Tương tác HMBC giữa proton của OH-5 (δH13,15) và C-5 (δC160,4)/C-6 (δC98,4)/C-10 (δC104,6), tương tác giữa proton H-6 (δH6,24) với C-5 (δC 160,4)/C-7 (δC 162,8)/C-8 (δC 104,7)/C-10 (δC 104,7) và tương tác giữa proton H-1’’ (δH4,71) với C-7 (δC 162,8)/C-8 (δC 104,7)/C-9(δC 156,1) xác nhận cấu trúc của vòng A bị thế ở 5 vị trí và cho phép xác định đường glucose gắn với khung flavone ở vị trí C-8 của vòng A.Tương tác HMBC giữa H-2’, 6’(δH8,01) với C-2 (δC164,2) và tương tác giữa H-3’, 5’ (δH 6,89) và C-1’ (δC121,1)/C-4’ (δC161,1) xác nhận cấu trúc của vòng B và liên kết giữa C-1’ và C-2. Ngoài ra, cấu trúc vòng C được thiết lập qua các tương tác xa trên phổ HMBC giữa H-3 (δH6,75) với C-2 (δC164,2)/C-4 (δC182,1)/ C-10 (δC104,7) 14 Kết hợp các dữ liệu phổ 1H-NMR, 13C-NMR, ESI-MS, HSQC, HMBC và so sánh với tài liệu tham khảo [32] cho phép xác định MB1 là vitexin. Hình 4.44. Công thức cấu tạo và một số tương tác chính trên phổ HMBC của chất vitexin 4.4 Kết quả nghiên cứu thủy phân các hợp chất glycozit trong thực vật Việt Nam sử dụng enzym BGL-P: Các glycozit đã phân lập trong đề tài đều có liên kết β, do đó việc ứng dụng BGL-P tách chiết từ chủng P. citrinum hứa hẹn nhiều khả thi. 4.4.1 Kết quả thủy phân sử dụng enzym β- glucosidase tự do: 4.4.1.1 Nghiên cứu thủy phân các glycozit của quercetin: Tiến hành thủy phân quercetin -3-O-beta-galactoside với các nồng độ enzym BGL-P khác nhau là 0,1U/ml; 0,55U/ml và 1,0U/ml, trong thời gian 2h, 4h, 6h; thu được hiệu suất thực tế của các thí nghiệm. Từ các số liệu thực tiễn thu được, tiến hành giải bài toán quy hoạch thực nghiệm bằng phần mềm Modde 5.0. Khi dựng phương trình hồi quy trên hệ trục không gian 3 chiều bằng phần mềm Modde 5.0 thu được đồ thị hình 4.74. Hình 4.74: Đồ thị biểu diễn phương trình hồi quy thể hiện vùng tối ưu của cặp yếu tố nồng độ enzym và thời gian thủy phân trên hệ trục không gian ba chiều Hình 4.75: Đồ thị biểu diễn mặt đáp ứng của nồng độ enzym và thời gian phản ứng tới hiệu suất thủy phân. Sau khi thực hiện tối ưu hóa bằng phương pháp quy hoạch thực 15 nghiệm, nhận thấy: enzym thực hiện phản ứng tốt nhất với hiệu suất 98,3% ở nồng độ 0,6U/ml trong thời gian 4,5h. Tuy nhiên khi giảm nồng độ enzym và tăng thời gian ủ thì vẫn thu được hiệu suất cao. Dựa vào đồ thị, chọn nồng độ enzym là 0,4U/ml và thời gian phản ứng 5h, kết quả thực nghiệm thu được hiệu suất là 98%, tương tự như kết quả quy hoạch. Thủy phân quercetin-3-O-β-D-glucuronide Điều kiện thủy phân tối ưu hóa sử dụng để thủy phân quercetin-3-O-β-D- glucuronide: nồng độ enzym 0,4U/ml, nhiệt độ phản ứng 60oC trong 5h, đạt hiệu suất 90%. Trong khi đó, theo nhiều tài liệu tham khảo, việc thủy phân glucoronides với xúc tác hóa học là vô cùng khó, ngay cả khi dùng acid đặc cũng chỉ đạt dưới 20% [128]. Hình 4.77 Thủy phân các hợp chất quercetin bằng enzym BGL-P Tiến hành thủy phân quercetin-3-O-rutinoside (rutin) Với cấu tạo gồm phần aglycon là quercetin gắn với đường rutinose, do đó để tiếp cận liên kết β-glucozit enzym BGL-P bị cản trở bởi 1 phân tử đường α-L- rhamnopyranosyl mà nó không thể phân cắt. Vì vậy, hiệu suất thủy phân của BGL-P với rutin là khá thấp, chỉ 25% với thời gian kéo dài hơn và cần sự khuấy trộn nhẹ. 4.4.1.2 Nghiên cứu thủy phân các flavonoid glycozit khác Tương tự với các flavonoit glucozit khác, nhóm cũng thu được hiệu suất phản ứng cao. 16 Tiến hành thủy phân genistin và daidzin trong điều kiện: nồng độ enzym BGL-P là 0,4U/ml với thời gian ủ là 5h, phản ứng được dừng bằng cách thêm 10ml MeOH. Kết quả thủy phân cho thấy, hiệu suất phản ứng đạt cao với cả 2 chất là genistin và daidzin là 98%. Hình 4.78 Thủy phân các hợp chất genistin và daidzin Với picied, nhóm nghiên cứu đạt hiệu suất 99% sau 5h thủy phân ở 60oC. Cao hơn rất nhiều so với những nghiên cứu trước đây trên thế giới, 40% với phương pháp hóa học và 60% với phương pháp enzym [131]. Hình 4.79 Thủy phân hợp chất picied Trong điều kiện tương tự, việc thủy phân isorhamnetin-3-O-β-D- glucuronide, cũng cho hiệu suất đến 85% sau 5h, hiệu suất này thấp hơn khi thủy phân hợp chất chứa gốc đường bản chất là glucose. Hình 4.80 Thủy phân hợp chất isorhamnetin-3-O-β-D-glucuronide Enzym BGL-P cũng có khả năng thủy phân isoapigenin-6-C-glucoside và apigenin-8-C-glucoside, với hiệu suất tương đương nhau. 17 1'' 2''3 '' 4'' 5'' 6'' 60 oC , 5 h, 95 % Hình 4.81 Thủy phân hợp chất isoapigenin-6-C-glucoside và apigenin-8-C- glucoside 4.4.1.3 Nghiên cứu thủy phân các anthraquinone glycozit Thủy phân emodin-8-O-β-D-glucopyranoside (19) và physcion-8-O-β-D- glucopyranoside (20) nhận thấy: với cấu trúc liên kết O-glucozit, việc thủy phân các hợp chất anthraquinone glycozit này cũng cho hiệu suất cao tương đương khi thủy phân các glycozit ở trên. Hình 4.82 : Ứng dụng BGL-P thủy phân các hợp chất các anthraquinone glycozit Sản phẩm thủy phân physcion-8-O-β-D-glucopyranoside (20) sau đó được xác định cấu trúc bằng phổ NMR cho thấy đó là physcion. 18 4.4.2 Kết quả thủy phân sử dụng enzym β- glucosidase cố định: Tiến hành thí nghiệm trên cơ chất quercetin -3-O-beta-galactoside với enzym cố định ở các điều kiện Hình 4.84: Đồ thị biểu diễn khả năng tái sử dụng enzym khi cố định trên các chất mang Enzym BGL-P khi được cố định vào ca-alginat có thể tái sử dụng 5 lần trước khi mất 50% hoạt tính. Đây là một kết quả khả quan để ứng dụng việc cố định enzym trong thủy phân các hợp chất góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng enzym và giảm chi phí sản xuất. 4.5. Kết quả hoạt tính sinh học của các hợp chất glycozit và aglycon tương ứng: 4.5.1 Khả năng trung hòa gốc oxy hóa tự do DPPH Nghiên cứu tiến hành nghiên cứu khả năng trung hòa gốc oxy hóa tự do DPPH của các hợp chất thu được trong đề tài: Bảng 4.14 : Hoạt tính trung hòa gốc oxy hóa tự do DPPH của các aglycon và glycozit STT Tên hoạt chất EC50 (mM) (µg/ml) 1 Quercetin 0,027 8,2 2 quercetin-3-O-β-galactoside 0,055 25,6 3 quercetin-3-O-rutinoside 0,143 87,4 4 quercetin-3-O-β-D-glucuronide 0,047 22,5 5 Luteolin 0,015 4,3 6 Kaemferol 0,060 17,2 7 Isorhamnetin 0,032 10,1 8 isorhamnetin-3-O-β-D-glucuronide 0,133 65,5 19 9 Apigenin 0,047 12, 6 10 apigenin-6-C-glucoside 0,055 23,8 11 apigenin-8-C-glucoside 0,055 23,8 12 Genistein >0,948 >256 13 Genistein 7-O-beta-D-glucoside 0,256 110,7 14 Daidzein 0,532 135,3 15 Daidzein7-O-beta-D-glucoside >0,615 >256 16 Resveratrol 0,036 8,2 17 Resveratrol 3 –beta-mono-D-glucoside 0,043 16,8 18 Emodin 0,205 55,4 19 emodin-8-O-β-D-glucopyranoside >0,592 >256 20 Physcion 0, 731 207,8 21 physcion-8-O-β-D-glucopyranoside >0,573 >256 22 Catechin 0,038 11,0 Các flavonoid thu được đều có hoạt tính chống oxy hóa và hầu hết các aglycon có hoạt tính cao hơn glycozit của chúng. Khả năng trung hòa gốc tự do DPPH của các nhóm aglycon và glucozit tương ứng xếp theo thứ tự giảm dần như sau: quercetin > quercetin-3-O-β-D-glucuronide > quercetin-3-O-β- galactoside > rutin; hay resveratrol > resveratrol 3 –beta-mono-D-glucoside; isorhamnetin > isorhamnetin-3-O-β-D-glucuronide. Việc thủy phân các glycozit thành aglycon giúp tạo ra những hợp chất có tiềm năng chống oxy hóa cao hơn tăng khả năng ứng dụng. 4.5.2 Khả năng ức chế enzym alpha- glucosidase: Để đánh giá khả năng ứng dụng vào điều trị bệnh tiểu đường, tiến hành thử hoạt tính ức chế enzym α- glucosidase của một số hợp chất thu được. Bảng 4.15 : Kết quả hoạt tính ức chế enzym α- glucosidase STT Tên hoạt chất IC50 (µg/ml) (mM) 1 quercetin 6,3 0,021 2 quercetin-3-O-β-galactoside 44,1 0,095 3 quercetin-3-O-rutinoside 131,9 0,216 4 quercetin-3-O-β-D-glucuronide 68,9 0,144 5 apigenin 53,46 0,198 6 apigenin-6-C-glucoside 117,2 0,271 7 apigenin-8-C-glucoside 107,2 0,248 8 genistein 13,5 0,050 20 9 genistein 7-O-beta-D-glucoside >256 >0,592 10 daidzein 26,9 0,106 11 daidzein7-O-beta-D-glucoside >256 >0,615 12 acarbose 192,1 0,297 Nhóm hợp chất flavonoit từ thực vật Việt Nam có tiềm năng to lớn để ứng dụng trong điều trị tiểu đường, nhiều hợp chất có khả năng ức chế enzym α- glucosidase cao hơn chất đối chứng acarbose (hoạt chất được sử dụng trong điều trị bệnh). Trong phép thử này quercetin, apigenin, genistein và daidzein đều đạt giá trị IC50 ở nồng độ thấp hơn glycozit của chúng. 456.3 Khả năng ức chế enzym ACE của các hợp chất Với mục đích so sánh khả năng ức chế enzym Angiotensin I (gây co mạch và làm tăng huyết áp) của aglycon sau thủy phân so với các glycozit tương ứng, tiến hành thử khả năng ức chế enzym Angiotensin I của các hợp chất quercetin. Kết quả thu được như sau: Bảng 4.16: Kết quả khả năng ức chế ACE của các hợp chất Tên hoạt chất IC50 (µg/ml) (mM) Quercetin 23,6 0,078 quercetin-3-O-rutinoside 70,34 0,115 quercetin-3-O-β-D-glucuronide >256 >0,535 Captopril 0,000326 0,000015 Như vậy, khả năng ức chế ACE của các chất nghiên cứu dù còn thấp hơn chất đối chứng nhiều lần, tuy nhiên kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng: hoạt tính quercetin cao hơn các glycozit của chúng Từ các nghiên cứu về hoạt tính sinh học nêu trên, nhóm nghiên cứu nhận thấy trong hầu hết các thử nghiệm in vitro, hoạt tính của aglycon thường cao hơn glycozit của chúng. Đó là một dấu hiệu tốt cho khả năng ứng dụng các hợp chất này vào thực tế mặc dù trong tự nhiên, các flavonoit thường tồn tại ở dạng glycozit nhưng bằng việc sử dụng enzym thủy phân, việc tạo ra lượng lớn aglycon là khả thi. 4.6 Kết quả nghiên cứu khử trùng vi sinh vật băng phương pháp điện hóa Trong các nghiên cứu có sử dụng vi sinh vật, việc giữ an toàn môi trường, kiểm soát sự phát tán vi sinh vật trong và sau nghiên cứu là hết sức quan trọng. Do đó, sau mỗi thí nghiệm vi sinh vật đều cần được tiệt trùng cẩn thận trước khi thải bỏ. Trên cơ sở đảm bảo an toàn sinh học, nhóm nghiên cứu trước tiên tiến hành thí nghiệm trên một chủng vi khuẩn chỉ thị. Dựa vào sức sống bền bỉ của 21 bào tử trong các điều kiện khắc nghiệt, nghiên cứu chọn bào tử B. cereus làm chỉ thị cho nghiên cứu mô hình. Nhóm nghiên cứu thu được kết quả điều kiện tối ưu trong phương pháp điện hóa: dòng điện có cường độ 2A, nồng độ dung dịch Cl- 50mg/L và pH 6,8 với đệm phosphate 0,01M, có khả năng diệt 100% bào tử B. cereus ở nồng độ 105 tế bào/ml sau thời gian lưu mẫu 30 phút. Áp dụng kết quả nghiên cứu trên, nhóm nghiên cứu tiến hành khử trùng đối với mẫu bào tử nấm P. citrinum. Thí nghiệm được tiến hành bằng cả 2 phương pháp là trực tiếp (dung dịch điện phân chứa bào tử đi qua buồng điện phân) và gián tiếp(dung dịch điện phân được thêm vào bình chứa bào tử nấm). Kết quả nhận thấy, có thể khử trùng bào tử nấm theo cả 2 cách trong đó cách trực tiếp thời gian lưu mẫu cần thiết là 30 phút và gián tiếp thời gian lưu mẫu cần thiết là 60 phút. Hình 4.88: Ảnh hưởng của thời gian lưu trữ mẫu đến khả năng diệt bào tử P. citrinum bằng phương pháp điện hóa KẾT LUẬN 1. Phân lập và định danh được chủng nấm Penicillium citrinum có khả năng sinh tổng hợp β-glucosidase cao từ rễ cây Bọ mẩy (Clerodendron cyrtophyllum Turcz): - Phân lập được 05 chủng nấm thuần khiết từ mẫu rễ cây Bọ mẩy và đánh giá khả năng sinh β-glucosidase của chúng trên một số môi trường. - Chủng nấm có khả năng sinh β-glucosidase tốt nhất được định danh bằng phương pháp đại thể, vi thể, sinh học phân tử, xác định là Penicillium citrinum với độ tương đồng 100% từ cơ sở dữ liệu của NCBI. 22 2. Lên men sinh tổng hợp và đánh giá được các thông số động học của β- glucosidase dạng tự do và cố định từ P. citrinum: - P. citrinum được nuôi cấy trên môi trường lỏng Pd, 6 ngày, 27oC, 200 rpm. Enzym được kết tủa bằng phương pháp muối tách, loại muối bằng Cephadex G200, tinh sạch, đông khô, enzym hoạt độ 62,412 U/mg. - Enzym tự do: to: 60oC, pH: 6,0, Km= 0,011 µmol, Vmax= 13,91 µmol/phút - Enzym cố định trên calci alginat: 50oC, pH: 5,5-6,2, Km= 0,034 µmol, Vmax = 13,09 µmol/phút. Tái sử dụng được 7 lần với β-NPG và 5 lần với quercetin-3-O-beta-galactoside - Enzym cố định trên bã cà phê: to: 40oC, pH: 6,0, Km= 0,022 µmol, Vmax= 14,45 µmol/phút. Khả năng tái sử dụng kém. 3. Phân lập và xác định được cấu trúc bằng phương pháp phổ hiện đại với 17 hợp chất flavonoit glycozit và aglycone: Genistein, daidzein, genistin, daidzin, catechin, hyperoside, quercetin, kaempferol, isorhamnetin-3-O-β-D- glucuronide, quercetin-3-O-β-D-glucuronide, vitexin, isovitexin, luteolin, taxifolin, rutin, resveratrol, picied, 3 hợp chất anthraquinone glycozit và aglycon: emodin, emodin-8-O-β-D-glucopyranoside, physcion-8-O-β-D- glucopyranoside 4. Xác định được quy trình thủy phân các hợp chất bằng enzym BGL-P phân lập từ P. citrinum cho hiệu suất cao: Phản ứng diễn ra với enzym ở nồng độ 0,4U/ml trong đệm citrat pH 6,0, thời gian ủ 5h ở nhiệt độ 60oC. 5. Tiến hành thủy phân 10 hợp chất glycozit đã phân lập trong điều kiện tối ưu cho hiệu suất cao từ 85 đến 98%, ngoại trừ rutin với hiệu suất 25% 6. Xác định được điều kiện phù hợp để khử trùng VSV sau quá trình lên men: - Thiết kế quy trình điện phân với bào tử B. cereus - Xác định được điều kiện khử trùng (100%) trên đối tượng P. citrinum: Phương pháp điện hóa với thiết bị của hàng A-dept (Đan mạch), cường độ dòng 2A, đệm phosphat pH 6,8, nồng độ Cl- 50mg/L, thời gian 60 phút, nhiệt độ phòng. 7. Hoạt tính sinh học của đa số các aglycon là cao hơn so với dạng glycozit tương ứng, xét trên khả năng chống oxy hóa (hệ DPPH), điều trị tiểu đường (α-glucosidase), điều trị cao huyết áp (enzyme Angiotensin I), đem lại những tiềm năng trong ứng dụng thực tiễn. 23 - Trên hệ DPPH: aglycon có hoạt tính cao hơn hàng chục lần glycozit tương ứng. - Trên hệ α-glucosidase: aglycon có hoạt tính cao hơn glycozit tương ứng. Một số aglycon có hoạt tính cao hơn nhiều so với acarbose- hoạt chất đối chứng- sử dụng trong điều trị. - Trên hệ enzym angiotensin: hoạt tính aglycon cao hơn glycozit tuy nhiên thấp hơn nhiều so với chất đối chứng. KIẾN NGHỊ 1. BGL-P phân lập từ chủng nấm P. citrinum thuộc nhóm β-glucosidase phổ rộng, có hoạt tính với nhiều cơ chất khác nhau. Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu enzym này góp phần mở rộng ứng dụng của nó. 2. BGL-P là một enzym có hoạt tính cao, thủy phân các flavonoit glucozit, anthraquinone glycozit cho hiệu suất từ 85 đến 98% với điều kiện nhiệt độ thấp và thời gian ngắn, rất có tiềm năng ứng dụng vào thực tế. Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu sử dụng ở quy mô lớn hơn nhằm tạo ra các hoạt chất aglycon phục vụ cho đời sống. 24 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Lần đầu tiên phân lập và định danh được 1 chủng nấm sinh enzym beta- glucosidase hoạt tính cao từ rễ cây Bọ Mẩy (Clerodendron cyrtophyllum Turcz) là Penicilium citrinum. Lần đầu tiên nghiên cứu sử dụng enzym beta-glucosidase phân lập từ Penicilium citrinum để thủy phân các hợp chất glycozit có trong thực vật tại Việt Nam cho hiệu suất cao. Lần đầu tiên nghiên cứu một cách hệ thống, liên ngành từ việc tuyển chọn và định danh chủng vi sinh vật sinh enzym , phân lập enzym và nghiên cứu các điều kiện hoạt động của nó; phân lập các hợp chất glycozit từ thực vật Việt Nam để ứng dụng enzym từ chủng vi sinh vật thủy phân các chất này, kiểm tra so sánh hoạt tính hợp chất glycozit ban đầu và sản phẩm sau thủy phân; cuối cùng là nghiên cứu khử trùng vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu trước khi thải bỏ đảm bào an toàn cho môi trường sống.