Mannitol là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Mannitol là gì?

Mannitol là một loại polyol (đường rượu) được sử dụng rộng rãi trong y học, công nghiệp thực phẩm và dược phẩm. Đây là một hợp chất tự nhiên có công thức phân tử $C_6H_{14}O_6$, là đồng phân lập thể của sorbitol, với cấu trúc gồm sáu nguyên tử carbon và sáu nhóm hydroxyl (-OH). Mannitol có vị ngọt dịu, cung cấp năng lượng thấp hơn so với đường mía (sucrose) và không làm tăng nhanh đường huyết, nên thường được sử dụng như chất thay thế đường cho người tiểu đường hoặc trong các sản phẩm "sugar-free".

Trong y học, mannitol là một thuốc lợi tiểu thẩm thấu mạnh, thường được sử dụng để giảm áp lực nội sọ trong chấn thương đầu, phẫu thuật thần kinh hoặc phù não, cũng như giảm áp lực nội nhãn trong bệnh tăng nhãn áp cấp tính. Ngoài ra, nó còn được dùng để hỗ trợ bài tiết độc tố qua thận và làm tá dược trong nhiều dạng thuốc viên hoặc tiêm truyền.

Mannitol có đặc tính hóa học ổn định, không hút ẩm mạnh, dễ kết tinh và ít bị phân hủy trong điều kiện thường, giúp nó trở thành một chất mang, chất bảo quản và tá dược lý tưởng trong ngành dược. Chính những đặc điểm vật lý và sinh lý này khiến mannitol trở thành một hợp chất đa năng, có mặt trong nhiều lĩnh vực khoa học và y tế.

Cấu trúc hóa học và tính chất

Cấu trúc phân tử của mannitol được tạo thành từ sáu nguyên tử carbon liên kết với các nhóm hydroxyl (-OH), làm cho nó trở thành một hợp chất có khả năng liên kết hydro mạnh và dễ tan trong nước. Dạng tinh thể của mannitol có màu trắng, vị ngọt nhẹ, và có tính ổn định cao so với các loại đường rượu khác.

Công thức cấu trúc tổng quát có thể được biểu diễn như sau:

$HOCH_2(CHOH)_4CH_2OH$

Bảng tóm tắt các đặc tính vật lý và hóa học của mannitol:

Thuộc tính	Giá trị
Khối lượng phân tử	182.17 g/mol
Nhiệt độ nóng chảy	165–169 °C
Độ tan trong nước (25°C)	18 g/100 mL
Tính ổn định	Bền, không hút ẩm mạnh
Độ ngọt (so với sucrose)	~0.6

Mannitol có cấu trúc lập thể khác với sorbitol mặc dù cùng công thức hóa học, dẫn đến sự khác biệt về độ tan và cảm giác vị ngọt. Khả năng tạo mạng tinh thể vững chắc của mannitol giúp nó được dùng làm chất ổn định trong thuốc viên nén, đặc biệt trong công nghệ nén trực tiếp (direct compression).

Nguồn gốc và phương pháp sản xuất

Mannitol có mặt tự nhiên trong nhiều loại sinh vật, bao gồm thực vật, tảo biển, nấm, và vi khuẩn. Một số loại rau củ như cần tây, hành tây, ô liu, và mận chứa một lượng nhỏ mannitol tự nhiên. Tuy nhiên, sản xuất công nghiệp chủ yếu dựa vào quá trình hydro hóa đường fructose hoặc mannose, thường thu được từ siro ngô hoặc nguồn tinh bột tự nhiên khác.

Phản ứng tổng hợp cơ bản được mô tả như sau:

$\text{Fructose} + H_2 \xrightarrow{\text{Ni catalyst}} \text{Mannitol} + \text{Sorbitol}$

Quá trình này tạo ra hỗn hợp gồm khoảng 25–30% mannitol và 70–75% sorbitol, sau đó được tinh chế bằng phương pháp kết tinh phân đoạn hoặc sắc ký trao đổi ion để thu được mannitol tinh khiết. Ngoài phương pháp hóa học, ngày nay công nghệ sinh học đang được ứng dụng để sản xuất mannitol bằng lên men vi sinh vật, sử dụng các chủng như Leuconostoc mesenteroides hoặc Lactobacillus plantarum.

So sánh hai phương pháp sản xuất phổ biến:

Phương pháp	Nguồn nguyên liệu	Ưu điểm	Hạn chế
Hóa học (hydro hóa fructose)	Đường fructose, xúc tác Ni hoặc Ru	Năng suất cao, quy trình đơn giản	Tốn năng lượng, tạo hỗn hợp sản phẩm
Sinh học (lên men vi sinh)	Đường saccharose, glucose	Thân thiện môi trường, chọn lọc cao	Hiệu suất thấp, chi phí cao

Xem thêm thông tin chi tiết về dữ liệu cấu trúc và quy trình tổng hợp tại PubChem – Mannitol Compound Summary.

Cơ chế tác dụng sinh học

Khi được sử dụng trong y học, mannitol hoạt động như một chất lợi tiểu thẩm thấu mạnh. Sau khi tiêm tĩnh mạch, nó làm tăng áp suất thẩm thấu của huyết tương, kéo nước từ các mô, đặc biệt là mô não và nhãn cầu, vào trong lòng mạch máu. Quá trình này giúp giảm thể tích dịch trong mô, từ đó làm giảm áp lực nội sọ hoặc nội nhãn.

Công thức biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất thẩm thấu và nồng độ chất tan:

$\pi = iCRT$

Trong đó π là áp suất thẩm thấu, i là hệ số phân ly, C là nồng độ dung dịch, R là hằng số khí, và T là nhiệt độ tuyệt đối. Khi mannitol làm tăng C (nồng độ), áp suất thẩm thấu huyết tương tăng lên, nước bị hút ra khỏi mô theo gradient áp suất.

Bên cạnh tác dụng lợi tiểu, mannitol còn giúp làm sạch ống thận và ngăn ngừa sự kết tinh của các hợp chất độc trong lòng ống. Do không bị chuyển hóa trong cơ thể, mannitol được bài tiết nguyên vẹn qua thận, giúp loại bỏ nhanh các chất độc tan trong nước như ethylene glycol hoặc cisplatin.

Các tác dụng sinh lý chính của mannitol:

• Tăng áp suất thẩm thấu huyết tương
• Giảm áp lực nội sọ và nội nhãn
• Tăng lưu lượng máu thận và bài tiết nước tiểu
• Không ảnh hưởng trực tiếp đến cân bằng ion Na⁺ hoặc K⁺

Do những đặc tính này, mannitol thường được sử dụng trong cấp cứu thần kinh, phẫu thuật mắt, và điều trị phù phổi không do tim. Các nghiên cứu dược lý học cũng chỉ ra rằng mannitol có thể cải thiện vi tuần hoàn và bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa thông qua việc duy trì thể tích huyết tương ổn định.

Ứng dụng trong y học

Mannitol được sử dụng trong nhiều tình huống lâm sàng khẩn cấp, chủ yếu nhờ vào cơ chế làm tăng áp suất thẩm thấu huyết tương và khả năng bài tiết không biến đổi qua thận. Ứng dụng phổ biến nhất là giảm áp lực nội sọ (ICP) trong các trường hợp như chấn thương sọ não, phù não, xuất huyết não hoặc trong quá trình phẫu thuật thần kinh. Khi được truyền tĩnh mạch, mannitol giúp hút nước từ mô não vào hệ tuần hoàn, từ đó làm giảm thể tích và áp lực trong hộp sọ.

Ngoài ra, mannitol còn là lựa chọn điều trị trong bệnh tăng nhãn áp cấp tính – một tình trạng khẩn cấp có thể gây mù vĩnh viễn nếu không được can thiệp nhanh. Tác động làm giảm áp lực nội nhãn xảy ra trong vòng 30–60 phút sau truyền và có thể kéo dài vài giờ. Điều này giúp ổn định tình trạng bệnh nhân trước khi can thiệp bằng thuốc nhỏ mắt hoặc phẫu thuật.

Ứng dụng khác bao gồm hỗ trợ bài tiết các độc tố qua thận trong các trường hợp ngộ độc cấp tính như ethylene glycol, salicylate, hoặc lithium. Mannitol cũng được dùng trong phẫu thuật tim mạch để bảo vệ thận khỏi tổn thương do thiếu máu tạm thời. Bên cạnh đó, nó có vai trò quan trọng trong các xét nghiệm chức năng thận như đo độ lọc cầu thận (GFR), do không bị chuyển hóa hay tái hấp thu tại ống thận.

Một số chỉ định chính trong y học:

• Giảm áp lực nội sọ trong phù não, chấn thương sọ não
• Giảm áp lực nội nhãn trong cơn tăng nhãn áp cấp
• Hỗ trợ bài tiết độc tố qua thận
• Đo mức lọc cầu thận (GFR) trong đánh giá chức năng thận

Thông tin chi tiết về liều dùng và khuyến cáo lâm sàng có thể được tham khảo tại Drugs.com – Mannitol.

Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Trong công nghiệp thực phẩm, mannitol đóng vai trò như một chất tạo ngọt thay thế đường, chất ổn định và chất tạo cấu trúc trong nhiều loại sản phẩm. Với độ ngọt bằng khoảng 60% sucrose và năng lượng cung cấp chỉ khoảng 1.6 kcal/g, mannitol thường được dùng trong các sản phẩm không đường dành cho người tiểu đường hoặc người ăn kiêng.

Một đặc tính nổi bật của mannitol là khả năng tạo cảm giác mát lạnh khi tan trong miệng – hiện tượng này xuất phát từ phản ứng thu nhiệt trong quá trình hòa tan. Chính vì vậy, nó thường xuất hiện trong kẹo bạc hà, chewing gum, viên ngậm và thuốc viên có vị the mát.

Do không bị lên men bởi vi khuẩn miệng, mannitol không gây sâu răng và được Hiệp hội Nha khoa Hoa Kỳ (ADA) công nhận là an toàn cho răng miệng. Ngoài ra, nó cũng ít gây dao động đường huyết sau ăn, nên phù hợp với bệnh nhân đái tháo đường.

Bảng so sánh đặc điểm dinh dưỡng:

Chất tạo ngọt	Độ ngọt (so với sucrose)	Năng lượng (kcal/g)	Ảnh hưởng đường huyết	Gây sâu răng
Sucrose	1.0	4.0	Cao	Có
Mannitol	0.6	1.6	Thấp	Không
Sorbitol	0.5	2.6	Trung bình	Không
Xylitol	1.0	2.4	Thấp	Không

Ứng dụng tiêu biểu:

• Kẹo không đường, kẹo cao su
• Sản phẩm thực phẩm chức năng
• Viên thuốc và viên nén bổ sung
• Phụ gia trong các sản phẩm dinh dưỡng y học

Tác dụng phụ và cảnh báo

Mặc dù mannitol có hồ sơ an toàn tương đối tốt, việc sử dụng không đúng liều hoặc không giám sát có thể gây ra các biến chứng nghiêm trọng. Trong đường tiêm tĩnh mạch, tác dụng lợi tiểu mạnh có thể dẫn đến mất nước, rối loạn điện giải như hạ natri máu, hạ kali máu hoặc tăng áp suất thẩm thấu huyết tương quá mức. Đặc biệt, nếu chức năng thận bị suy yếu, mannitol có thể tích tụ trong máu, gây ra phù phổi hoặc quá tải tuần hoàn.

Trong thực phẩm, việc tiêu thụ lượng lớn mannitol (trên 20–30 g/ngày ở người lớn) có thể gây rối loạn tiêu hóa như đầy hơi, đau bụng, hoặc tiêu chảy do tính chất thẩm thấu cao trong ruột. Đây là lý do vì sao nhiều sản phẩm chứa mannitol thường có cảnh báo "có thể gây nhuận tràng nếu dùng quá mức".

Không nên sử dụng mannitol ở bệnh nhân:

• Suy tim sung huyết
• Suy thận nặng không đáp ứng bài niệu
• Mất nước nặng chưa được bù dịch
• Phù phổi không rõ nguyên nhân

Kiểm nghiệm và tiêu chuẩn chất lượng

Chất lượng mannitol trong dược phẩm và thực phẩm được kiểm soát chặt chẽ theo các tiêu chuẩn quốc tế như Dược điển Hoa Kỳ (USP), Dược điển châu Âu (Ph. Eur) và Dược điển Trung Quốc. Các chỉ tiêu kiểm tra bao gồm: độ tinh khiết, độ ẩm, hàm lượng kim loại nặng, chỉ số quang học và đặc tính vật lý như độ tan, điểm nóng chảy.

Phân tích định tính và định lượng mannitol thường sử dụng các phương pháp hiện đại như:

• Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)
• Phổ hồng ngoại (FTIR)
• Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)

Thông tin chi tiết có thể được tham khảo tại usp.org hoặc Dược điển Trung Quốc.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Hiện nay, các nghiên cứu đang tập trung vào tối ưu hóa sản xuất mannitol thông qua công nghệ sinh học với mục tiêu tăng hiệu suất, giảm chi phí và giảm phát thải hóa chất độc hại. Việc sử dụng các chủng vi sinh vật biến đổi gen (GMO) đã cho kết quả đầy hứa hẹn trong việc sản xuất mannitol quy mô lớn, sử dụng nguyên liệu tái tạo như glucose hoặc glycerol.

Bên cạnh đó, mannitol đang được nghiên cứu như một tá dược có khả năng vận chuyển thuốc đến hệ thần kinh trung ương bằng cách mở tạm thời hàng rào máu não (BBB). Điều này mở ra hướng điều trị mới cho các bệnh lý thần kinh như ung thư não hoặc Alzheimer, nơi thuốc khó tiếp cận hệ thần kinh trung ương.

Một số công trình cũng đang khảo sát khả năng ứng dụng mannitol trong dẫn xuất thuốc chống oxy hóa, chống viêm và kiểm soát miễn dịch thông qua dẫn xuất hóa học hoặc đóng gói trong hệ nano.

Tài liệu tham khảo

1. National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Summary for CID 6251, Mannitol. pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
2. Drugs.com. Mannitol Injection: Indications, Dosage, and Side Effects. drugs.com
3. United States Pharmacopeia (USP). Monograph: Mannitol. usp.org
4. Rao, P., & Pandey, A. (2014). Production of mannitol by microbial fermentation: A review. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 41(6), 1–10. DOI: 10.1007/s10295-014-1467-2
5. FDA Inactive Ingredient Database. accessdata.fda.gov