Mở đầu (5 trang); Tổng quan (31 trang); Vật liệu và phương pháp nghiên cứu (18 trang); Kết quả và thảo luận (71 trang); Kết luận và kiến nghị (2 trang); Danh mục các công trình đã công bố của luận án (1 trang). TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Thành phần hóa học của khoai lang tím Thành phần dinh dưỡng chính của khoai lang bao gồm đường (3,63-6,77%) và tinh bột (18-25%), ngoài ra còn có các thành phần khác như: protein, các vitamin (vitamin C, tiền vitamin A, B1, B2, B6…), các chất khoáng (K, Ca, Mg, P, Fe…) và nhiều nguyên tố vi lượng góp phần quan trọng trong dinh dưỡng của con người. Đặc biệt, khoai lang tím còn chứa anthocyanin với hàm lượng khá cao, đây là một hợp chất có hoạt tính sinh học thuộc nhóm flavonoid cũng là thành phần tạo nên màu tím đặc trưng của khoai lang tím.
Chính nhờ hợp chất sinh học anthocyanin - là chất màu tự nhiên có nhiều tính chất, tác dụng tốt cho sức khoẻ - mà trong những năm gần đây khoai lang tím đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học, các nhà sản xuất, nó được xem là loại thực phẩm tốt cho sức khoẻ và là nguồn nguyên liệu đang được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm nhằm tạo ra các sản phẩm có tính chức năng. Ngoài ra, nó còn được xem là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất chất màu thực phẩm tự nhiên [11]. Thành phần, hàm lượng các hợp chất có trong khoai lang tím phụ thuộc rất nhiều vào giống, độ già thu hoạch và điều kiện canh tác. Hai giống khoai lang tím được trồng phổ biến ở nước ta Murasakimasari và HL491 có hàm lượng dinh dưỡng tương đương nhau.
Hàm lượng anthocyanin có trong giống Murasakimasari cao hơn so với giống HL491, điều đó cho thấy giống Murasakimasari rất thích hợp cho mục đích thu nhận anthocyanin[2], [12]. Thành phần hóa học của 2 giống khoai lang tím Murasakimasari và HL491 (trong 100g nguyên liệu tươi) Giống khoai Thành phần hóa học HL491 Murasakimasari Nước (g) 67,86 67,78 Tinh bột 22,3 24,17 Anthocyanin (mg) 65 125,76 Protein (g) 0,31 0,29 Lipit (g) 0,26 0,25 Xơ (g) 1,42 1,50 6 1. Thành phần, cấu trúc và tính chất của anthocyanin Anthocyanin là sắc tố tự nhiên thuộc nhóm flavonoid có màu đỏ, đỏ tía, xanh. Trong các chất màu thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên thì anthocyanin là họ màu phổ biến nhất tồn tại trong hầu hết các thực vật bậc cao và tìm thấy được trong một số loại rau, hoa, quả, hạt có màu từ đỏ đến tím.
Thành phần và cấu trúc Hợp chất anthocyanin là các dẫn xuất polyhydroxy hay polymetoxy glycosyl hóa của 2-phenylbenzopyrylium chứa 2 vòng benzoyl (A và B) cách nhau bởi một dị vòng (C) hoặc anthocyanin là các hợp chất của anthocyanidin với đường, các gốc đường có thể được gắn vào vị trí 3, 5, 7. Phân tử anthocyanin gắn đường vào vị trí 3 gọi là monoglycozit, ở vị trí 3 và 5 gọi là diglycozit [12] Hình 1. Cấu trúc của anthocyanin Các anthocyanidin tự do ít được hình thành trong thực vật do kém bền vì sự thiếu hụt electron ở cation flavylium. Trong khi đó ở các anthocyanin, sự có mặt của các phân tử đường ở vị trí C3 và đôi khi phần tử đường gắn vào vị trí C5 và C7 có tác dụng ổn định điện tích của các cation flavylium, do đó các anthocyanin bền hơn.
Màu sắc của các anthocyanidin khác nhau tương ứng với số lượng các nhóm hydroxyl, gắn vào phân tử của chúng (đặc biệt là những nhóm thay thế 7 trong vòng B). Khi nhóm hydroxyl trong cấu trúc tăng lên, màu sắc hiển thị của chúng có sự thay đổi từ màu cam sang màu tím [13]. Sự khác nhau giữa các anthocyanin được xác định bởi sự khác nhau giữa số lượng và vị trí của nhóm hydroxyl trong phân tử; mức độ methyl hóa của nhóm hydroxyl; bản chất, vị trí của các nhóm đường gắn vào phân tử; bản chất, số nhóm axit mạch thẳng hay mạch vòng gắn vào phân tử [12] Anthocyanin có thể được acyl hóa bởi các axit hữu cơ có phân tử lượng thấp bằng liên kết este với nhóm OH- của phần glucoside hoặc của phần aglycon. Các axit tạo gốc acyl có thể là: axit p-coumaric, axit ferulic, axit cinnamic, axit caffeic, axit malonic, axit acetic,… Sự acyl hóa dẫn đến thay đổi màu sắc và tăng độ bền của anthocyanin [48, 73].
Tính chất của anthocyanin Hợp chất anthocyanin có nguồn gốc thực vật đã xác định được trên 539 loại khác nhau. Chúng khác nhau do sự khác nhau về nhóm chức R1 đến R7 có trong phân tử. Các nhóm chức này có thể là nguyên tử hidro (-H), nhóm hidroxyl (- OH), metoxy (-OCH3) hay là các phân tử đường khác nhau gắn với khung aglycon bởi liên kết glucosid. Tuy nhiên chỉ có 6 loại anthocyanidin chính được tìm thấy trong thực vật là cyanidin, delphinidin, malvidin, pelargonidin, peonidin và petunidin.
Các glucosid của 3 loại anthocyanidin không bị metyl hóa (bao gồm cyanidin, delphinidin và pelargonidin) là phổ biến nhất trong tự nhiên, chúng chiếm 80% sắc tố có trong lá, 69% sắc tố trong quả và 50% sắc tố trong hoa [15]. + Tính không ổn định: Các anthocyanin thường không bền dưới tác dụng của nhiều yếu tố như cấu trúc phân tử, pH, nhiệt độ, cường độ và bản chất bức xạ ánh sáng chiếu vào, sự tổ hợp màu, sự có mặt của các ion kim loại, enzym, oxy, axit ascorbic, đường, các sản phẩm phân hủy của chúng và sulfur dioxit. + Sự hấp phụ ánh sáng và màu sắc: Do phân tử có 8 nối đôi liên hợp nên các anthocyanin có khả năng hấp phụ trong vùng nhìn thấy. Độ hấp phụ là yếu tố liên quan mật thiết đến màu sắc của các anthocyanin, chúng phụ thuộc vào pH của dung dịch, nồng độ anthocyanin: thường pH thuộc vùng axit mạnh có độ hấp phụ lớn, nồng độ anthocyanin càng lớn độ hấp phụ càng mạnh [53].
8 Độ hấp thụ thể hiện bản chất của mỗi loại anthocyanin do khả năng hấp thụ khác nhau của chúng. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, các anthocyanin có độ hấp thụ cực đại ở bước sóng 510-540 nm. Độ hấp phụ liên quan mật thiết đến màu sắc của anthocyanin và tỷ lệ thuận với nồng độ của chúng. Anthocyanin còn có khả năng hấp phụ tia tử ngoại do hệ thống nối đôi liên hợp giữa hai vòng benzen và vòng pyran C [3].
+ Tính tan: Anthocyanin là hợp chất phân cực do phân tử chứa nhóm chức phân cực (-H,-OH,-OCH3) nên tan tốt trong dung môi phân cực như nước, metanol, axeton, etanol,.Đây là cơ sở lựa chọn dung môi khi chiết tách anthocyanin. Trong 3 tính chất trên, tính không ổn định đã làm giảm khả năng ứng dụng của anthocyanin. Để sử dụng anthocyanin một cách hiệu quả cần hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của hợp chất, nhằm ổn định màu sắc cũng như các hoạt tính sinh học. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định của anthocyanin 1.
Ảnh hưởng của cấu trúc phân tử: Việc tăng số nhóm -OH trong phân tử anthocyanin làm giảm độ bền của hợp chất, trong khi đó tăng số nhóm CH3 làm tăng tính ổn định của phân tử. Anthocyanin hình thành từ bộ khung pelargonidin, cyanidin hay delphinidin thường kém ổn định hơn khung petunidin, malvidin. Độ ổn định của anthocyanin ảnh hưởng bởi các nhóm chức đường khác nhau, các anthocyanin chứa đường galactose thường ổn định hơn khi chứa đường arabinose. Một số kết quả nghiên cứu cho thấy các anthocyanin chứa các nhóm thế acyl hóa thường ổn định trong quá trình chế biến và bảo quản hơn so với các chất màu tự nhiên khác.
Sự bền hóa này là do sự giảm khả năng tham gia phản ứng của phân tử anthocyanin với các phân tử nước (tác nhân nucleophile). Màu sắc của anthocyanin sẽ được ổn định hoàn toàn nếu các anthocyanin mang các axit thơm ở vòng -B của cation flavylium thay vì là các axit mạch hở [43]. Ảnh hưởng của pH: Hợp chất anthocyanin ổn định trong môi trường axit hơn trong môi trường kiềm. Do trên gốc aglycon có mang điện tích dương nên các anthocyanin có khả năng nhận H+ hoặc OH-, dẫn đến sự thay đổi màu sắc của anthocyanin theo pH 9 của môi trường.
Khi tăng nhóm OH- màu của anthocyanin chuyển theo hướng sắc màu xanh, khi tăng H+ sẽ đổi theo hướng tạo màu đỏ [14]. Trong dung dịch anthocyanin tồn tại dưới năm dạng cơ bản: flavylium cation có màu đỏ; carbinol không màu; anhydrobase có màu tím; anhydrobase anion có màu xanh và chalcone có màu vàng (Hình 1. Ảnh hưởng của pH đến cấu trúc của anthocyanin [50] Hình 1. Sự thay đổi cấu trúc phân tử và màu sắc của anthocyanin theo pH 10 Khi pH < 3 thì anthocyanin tồn tại chủ yếu dưới dạng các cation flavylium bền, màu đỏ.
Khi pH 4-5, cation flavylium bị sự tấn công của nước ở vị trí C2, hệ thống 2 - benzopyrilium liên hợp của bộ khung anthocyanin bị phá vỡ tạo thành các base carbinol không màu. Khi pH 6-7, base carbinol bị tách nước ở vị trí C2 tạo thành anhydrobase (quinonoidal base) có màu tím. Khi pH 7-8, nhóm -OH ở vị trí C7 của anhydrobase bị mất H+ nên chuyển thành anhydrobase anion có màu xanh đậm. Khi pH 8-9 thì anhydrobase anion tiếp tục bị tấn công bởi H2O tạo thành dạng chalcone có màu vàng, thông qua việc mở vòng của pyran tương ứng [50].
Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ cao được coi là tác nhân làm mất tính ổn định của hợp chất anthocyanin. Khi nhiệt độ lớn hơn 70°C sẽ gây ra sự phân hủy và mất màu những anthocyanin không được acyl hóa rất nhanh. Đôi khi nhiệt độ tăng còn dẫn đến phản ứng Maillard của các đường có trong anthocyanin, dẫn đến anthocyanin biến nâu. Các anthocyanin được acyl hóa thì bền nhiệt hơn không bị acyl hóa.
Do vậy, màu của dịch chiết bắp cải đỏ (chứa anthocyanin bị acyl hóa) bền hơn màu của dịch ép quả nho đỏ (chứa anthocyanin không bị acyl hóa) [36]. Mức độ ổn định của anthocyanin vào nhiệt độ còn phụ thuộc vào pH. Nguyên nhân là do đã xảy ra sự thủy phân liên kết glycosyl của anthocyanin tạo ra cation flavylium kém bền và sau đó phân hủy thành chalcone không màu. Các yếu tố làm tăng độ bền của anthocyanin theo pH cũng làm tăng độ bền nhiệt của nó.
Các arabinose của cyanidin và peonidin bền hơn galactose tương ứng khi xử lý nhiệt [3]. Ảnh hưởng của ánh sáng: Ánh sáng là tác sự phân hủy anthocyanin tạo thành cation flavylium, sau đó chuyển hóa thành các dạng carbinol rồi chalcone không màu. Do vậy, các dịch chiết anthocyanin bền màu hơn khi bảo quản trong bóng tối. Tuy nhiên, sự acyl hóa làm tăng độ bền của anthocyanin đối với ánh sáng [88] 1.
Ảnh hưởng của oxy không khí: Sự có mặt của oxy không khí làm tăng khả năng phá hủy các anthocyanin, đặc biệt khi có mặt axit ascorbic.