MỞ ĐẦU Theo chiều hướng phát triển của xã hội hiện nay, con người ngày càng chú trọng hơn đến sức khỏe và thể hình. Các hoạt động thể thao, rèn luyện và duy trì vóc dáng trở thành một lối sống dài hạn của nhiều người. Từ đó, sự chú ý dành cho các sản phẩm hỗ trợ trong hoạt động thể lực như đồ uống dinh dưỡng thể thao, viên nén, bột giàu amino acid,. ngày càng tăng.
Các loại sản phẩm này đã không còn chỉ dành cho các vận động viên mà còn dành cho nhiều đối tượng khác. Trong các loại đồ uống thể thao hiện nay, ngoài khoáng chất, vitamin, các amino acid như taurine, lysine thì citrulline cũng đang được ứng dụng rộng rãi hơn, đặc biệt là trong dòng thực phẩm dùng trước vận động. L – citrulline là một α - amino acid không thiết yếu có thể được tổng hợp trong cơ thể từ các hợp chất khác. L – citrulline có khả năng giảm đau mỏi cơ, tăng sức bền vận động và cải thiện chức năng sinh lý nam.
Loại amino acid này được bổ sung vào đồ uống dinh dưỡng thể thao và được xem là một loại thực phẩm chức năng dạng viên hay bột. Dù chịu ảnh hưởng từ đại dịch Covid – 19, thị trường tiêu dùng L – citrulline được dự báo sẽ phát triển mạnh trong giai đoạn 2021 – 2026 với tốc độ tăng trưởng hằng năm kép là 3.5%, từ 26480 triệu USD năm 2020 đến 27480 triệu USD năm 2026 [1]. Dựa trên thống kê của Hiệp hội Nông nghiệp thực phẩm (FAO – Food Agriculture Organization) vào năm 2019, châu Á là trung tâm của sản lượng dưa hấu với tổng sản lượng là 79 triệu tấn (chiếm 79% sản lượng thế giới) [2]. Xét trên phương diện các quốc gia trồng dưa dấu, Việt Nam cũng là quốc gia có sản lượng dưa hấu thuộc top 20 tính đến năm 2019 (FAO Statistical Database) với sản lượng 1228 nghìn tấn.
Từ năm 2020, Trung Quốc yêu cầu khắt khe hơn đối với hàng nông sản, tác động tiêu cực đến hoạt động xuất khẩu hàng rau quả của Việt Nam sang thị trường này. Sản lượng dưa hấu xuất khẩu được sang Trung Quốc năm 2020 giảm tới 38,2% so với 2019. Tại thị trường nội địa, người dân thường trồng dưa hấu theo phong trào, không ổn định và không duy trì chất lượng, chưa hình thành chuỗi liên kết bền vững. Do đó tại những thời điểm “dội chợ” (do chưa có nhiều sản phẩm chế biến từ dưa hấu, chủ yếu tiêu thụ dưa tươi), tỷ lệ thải bỏ cao gây lãng phí.
SV: Lê Ngọc Diễm Quỳnh – Phan Thị Quỳnh Loan Trang 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. NGUYỄN HOÀNG DŨNG Ngoài ra, chất thải từ dưa được tiêu thụ cũng là vấn đề lớn cho môi trường. Với thành phần chiếm đến 30 – 35% tổng khối lượng quả và giàu L – citrulline hơn thịt quả [3], vỏ dưa hấu là một nguồn tài nguyên tốt nên được tận dụng. Dựa trên sản lượng dưa hấu năm 2013, khoảng 36 triệu tấn vỏ dưa đã bị thải ra.
Mặc dù, một số nơi trên thế giới xem vỏ dưa là một món ăn như vỏ dưa muối, nhưng hầu hết vỏ dưa hấu được xem là một phụ phẩm thải bỏ và không đem lại giá trị thương mại [2], [4]. Dựa vào tình hình thực tế cũng như những lợi ích và tiềm năng phát triển của L – Citrulline trong tương lai, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu thu nhận L – citrulline từ dưa hấu”. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là ứng dụng kỹ thuật trao đổi ion để khảo sát quá trình hấp phụ L - citrulline và ứng dụng vào việc thu nhận chất này từ nguyên liệu vỏ dưa hấu. SV: Lê Ngọc Diễm Quỳnh – Phan Thị Quỳnh Loan Trang 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.
NGUYỄN HOÀNG DŨNG CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. TỔNG QUAN VỀ CITRULLINE Citrulline có quan hệ chặt chẽ với arginine và được tìm thấy trong mọi mô ở mọi loài động vật có vú. Chúng được tổng hợp trong cơ thể một cách tự nhiên như một phụ phẩm của quá trình tổng hợp nitric oxide (NO) từ arginine. Vai trò chính của chúng đối với con người là vận chuyển ni tơ.
Ở thực vật, citrulline có mặt nhiều trong một số loài thuộc họ Bầu bí, nhất là dưa hấu, với vai trò chống stress oxy hóa, nhất là trong giai đoạn hạn hán (Akashi và cộng sự, 2001). Tên của loại amino acid này cũng được đặt dựa trên tên Latin của dưa hấu, Citrullus vulgaris. Như nhiều loại amino acid khác, citrulline thường tồn tại trong tự nhiên ở dạng L, do đó chúng được gọi là L – citrulline [5],[6]. Tính chất vật lý Công thức phân tử của L – citrulline là C6H13N3O3 (Hình 1.1) với khối lượng phân tử là 175,19g/mol.
Cấu trúc phân tử của L – citrulline. Citrulline là chất rắn không màu ở nhiệt độ môi trường và áp suất khí quyển với điểm nóng chảy là 222°C. Chúng có vị ngọt nhẹ (Kawai và cộng sự, 2012). Vì là một α- amino axit có cacbon không đối xứng nên nó có hai đồng phân đối quang: D-citrulline và L - citrulline.
Nhờ có mạch bên phân cực, citrulline tương đối hòa tan trong nước nhưng hầu như không hòa tan trong metanol và etanol [5]. Chiều dài, chiều rộng và chiều cao của tinh thể citrulline lần lượt là 0. Trong cơ thể, citrulline tồn tại ở hai dạng: (i) L - citrulline tự do và (ii) protein bị citrulline hóa nhờ phản ứng deamin hóa arginine bởi xúc tác của hệ enzyme PADIs. SV: Lê Ngọc Diễm Quỳnh – Phan Thị Quỳnh Loan Trang 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.
NGUYỄN HOÀNG DŨNG Trong các sản phẩm thực phẩm, citrulline được bổ sung ở dạng tự do hoặc (iii) citrulline malate khi trộn L – citrulline cùng acid malic. Tính chất hóa học 2. Tính acid – base Citrulline là một α - amino acid trung tính và có điểm đẳng điện pI = 5. Các amino acid có thể được xem là trung tính, có tính base hoặc acid dựa trên điện tích của chúng tại pH trung tính (pH = 7.
Ta cần lưu ý rằng, ở pH trung tính, gốc – NH2 trong mạch carbon R của citrulline không được ion hóa, do đó, nhóm này không mang điện. Brønsted (1923), một chất acid được xem là một nguồn cung proton và một chất base là nơi nhận proton. Như tất cả amino acid khác, citrulline có hai gốc thể hiện tính chất acid-base, đó là nhóm acid carboxylic (pK1 khoảng 2.4) và nhóm amine (pK2 khoảng 9. Chúng được xem là một diacid với khả năng khử hai proton.
Theo từng khoảng pH khác nhau, citrulline tồn tại trong dung dịch ở những dạng ion khác nhau [10]. Phản ứng chuyển dạng ion của citrulline và các amino acid trung tính được mô tả như hình 2. Trong đó, dạng mang tính acid tích điện dương, dạng mang tính base tích điện âm, dạng lưỡng cực trung hòa về điện. Có bốn dạng ion của citrulline được thể hiện trong hình 2.
Trong đó, dạng trung hòa ưu thế nhất là dạng lưỡng cực (hơn 99.9%), khi này cả hai gốc amino và carboxyl đều bị ion hóa. Khi pH dung dịch càng dịch chuyển xa điểm đẳng điện pI, tỷ lệ citrulline tích điện âm hoặc dương càng tăng. Phản ứng chuyển dạng ion của amino acid. SV: Lê Ngọc Diễm Quỳnh – Phan Thị Quỳnh Loan Trang 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.
NGUYỄN HOÀNG DŨNG Hình 2. Các dạng ion của citrulline trong dung dịch có pH khác nhau. Phản ứng của amino acid Citrulline thể hiện được các phản ứng đặc trưng của một α – amino acid và có thể hình thành liên kết peptide, do đó chúng có thể có mặt trong protein. Tuy nhiên, trong bộ gene người không có mã bộ ba nào mã hóa amino acid này.
Do đó, chúng chỉ có thể xuất hiện ở protein khi sửa đổi sau dịch mã. Nhóm chức ureide Như được thể hiện trên hình 2.1, citrulline có sự khác biệt so với các amino acid khác nhờ nhóm chức ureide ở mạch carbon. Vai trò sinh học của citrulline dựa trên các phản ứng hóa học tại nhóm chức này, đặc biệt là mối quan hệ chặt chẽ với arginine. Phản ứng này dựa vào nguyên tử carbon ái điện tử của nhóm chức ureide, khi các electron của nó bị hút mạnh về phía nguyên tử ni tơ và oxy.
Từ đó, các hợp chất có tính ái nhân có thể phản ứng với carbon này để hình thành dạng N2C(R)O- không ổn định. Sản phẩm sau phản ứng sẽ ổn định khi tách NH3, R-NH2 (hình thành ornithine) hoặc nước. Tất cả các phản ứng này chỉ có thể xảy ra khi có mặt của các tác nhân cho hoặc nhận proton, có nghĩa là nước hoặc, trong hầu hết các trường hợp, các amino acid phù hợp trong vùng hoạt động của các enzyme. SV: Lê Ngọc Diễm Quỳnh – Phan Thị Quỳnh Loan Trang 5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.
NGUYỄN HOÀNG DŨNG 2. Chức năng của L – citrulline 2. Cơ chế tổng hợp và trao đổi chất của L – citrulline L - citrulline được tổng hợp thông qua nitric oxide và chu trình urea. Chu trình urea: chu trình urea chiếm 90% sự tạo thành L - citrulline trong tế bào gan.
Đầu tiên, arginine được chuyển thành ornithine thông qua arginase và giải phóng urea vào máu. Ornithine sau đó kết hợp với carbamoyl phosphate để hình thành citrulline thông qua phản ứng enzyme bởi ornithine carbamoyltransferase (OCT, EC 2.3): Ornithine + Carbamoyl phosphate → Citrulline + Phosphate [10] Bên cạnh đó, citrulline có thể được chuyển ngược lại thành arginine thông qua argininosuccinate. Chu trình nitric oxide trong mạch máu: Chu trình này chiếm 10% sự tạo thành L - citrulline trong máu. Sự chuyển đổi trực tiếp từ arginine thành citrulline thông qua enzyme nitric oxide synthase tạo thành NO đi vào máu.
Citrulline cũng có thể chuyển ngược lại thành arginine thông qua argininosuccinate. Mặc dù chu trình nitric oxide chỉ góp một phần nhỏ trong sự tạo thành L - citrulline trong cơ thể nhưng nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong cơ chế tổng hợp L - citrulline trong hệ tuần hoàn. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng việc tiêu thụ dưa hấu thường xuyên giúp cơ thể chống lại các tổn thương tế bào nhờ vào hoạt tính chống oxy hóa vì dưa hấu giúp làm tăng nồng độ L - citrulline trong máu, hỗ trợ tổng hợp khí NO trong hệ mạch, điều này là nguyên tác cơ bản chứng minh L - citrulline giúp làm tăng cường sức khỏe tim mạch [6]. Hoạt tính sinh học L - citrulline đã được chứng minh rằng kết hợp với các thực phẩm chức năng tăng cường NO tốt hơn là L - arginine.
Việc tăng cường NO giúp giảm nguy cơ tăng huyết áp, suy tim giảm chuyển hóa cơ xương, kháng insulin, tiểu đường loại 2 và các hội chứng liên quan đến tuổi tác khác.