Chương 1 TỔNG QUAN 1. Cây điều màu (Bixa orellana L. Phân loại thực vật Tên tiếng Việt: cây điều màu, cây điều nhuộm, cây màu cà ri, cây siêm phụng. Tên nước ngoài: annatto, anatto, arnatto, achiote, aploppas, lipstick tree, (tiếng Anh), atole, roucou, roucouyer, annato, orelana (tiếng Pháp), kam tai (tiếng Thái), kesumba (tiếng Indonesia), urucum, acafroa–do–brasil hoặc anato (tiếng Bồ Đào Nha), jarak belanda (tiếng Malaysia), anotto (tiếng Ý),.
Tên khoa học: Bixa orellana L. Hệ thống phân loại thực vật (Chengaiah et al., 2010): Giới (Regnum): Thực vật (Plantae) Ngành (Division): Thực vật có hoa (Angiospermae) Lớp (Class): Hai lá mầm (Eudicots) Bộ (Ordo): Cẩm quỳ (Malvales) Họ (Familia): Điều màu (Bixaceae) Chi (Genus): Điều màu (Bixa) Loài (Species): Bixa orellana Linn 1. Đặc điểm thực vật học Cây điều màu mọc nhiều ở vùng nhiệt đới, lá xanh quanh năm, có thể sống tới 50 năm. Thân cây dạng cây bụi hoặc gỗ nhỏ, có nhiều cành, chiều cao 3 – 10 m (Srivastava et al.
Lá đơn, mềm, nhẵn, hình ba cạnh, đầu nhọn, hình tim ở 3 gốc, nhọn ở chóp, dài khoảng 12 cm, rộng 7 cm hoặc hơn; cuống phình ở đỉnh, dài 3 – 4 cm. Hoa khá lớn, màu tía hoặc trắng, mọc thành chùy ngắn ở đầu ngọn. Quả dạng nang, hình tim, bao bọc bởi gai cứng, quả mọc thành chùm, màu đỏ tím, mở bằng hai van, mỗi mảnh nang chứa nhiều hạt, khi chín có màu đỏ tươi đến nâu. Số lượng hạt trong mỗi quả có thể tới 50 hạt, hạt có dạng gần lập phương, tập trung trên một cuống ngắn, cuống hạt nở ra thành một cái áo hạt ngắn màu đỏ, xung quanh hạt có lớp áo hạt dạng sáp màu đỏ.
Quả non có vỏ màu xanh thẫm, mềm, hạt ở trong màu đỏ tươi, ướt, mềm và trơn. Khi già vỏ quả chuyển màu xanh hơi vàng, hạt phía trong cứng, khó bóp, màu đỏ thẫm. Khi chín vỏ quả sẽ khô và nứt ra làm các hạt ở trong khô theo và rơi tự do xuống đất, do đó rất dễ phát tán để phát triển thành cá thể mới (Đỗ Tất Lợi, 2006). Cây, hoa, trái, hạt và bột điều màu (Bixa orellana L.) (Venugopalan et al., 2011) Cây điều màu cho nhiều hạt khi nhận được đầy đủ ánh nắng mặt trời với nhiệt độ thích hợp trong khoảng 28 0C đến 44 0C và lượng mưa hàng năm yêu cầu 4 800 – 1 500 mm.
Thời gian cây cho thu hoạch kéo dài từ 20 đến 25 năm (Venugopalan et al. Nguồn gốc, phân bố và sản lượng canh tác Cây điều màu có nguồn gốc ở Trung và Nam Mỹ, hiện được trồng nhiều ở các nước nhiệt đới. Các nước đóng góp sản lượng lớn gồm có Peru, Brazil, Bolivia, Colombia, Ecuador, Jamaica, Mexico, Puerto Rico và Dominica. Cây điều màu du nhập vào Ấn Độ và khu vực Đông Nam Á từ thế kỷ 17 bởi người Tây Ban Nha đưa tới để làm chất nhuộm màu thực phẩm.
Sau đó được du nhập vào Hoa Kỳ và Châu Phi. Một số nước Châu Âu như Anh, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy cũng đã thuần hóa thành công loài cây này nhưng chúng phát triển kém hơn so với vùng nhiệt đới. Loại cây này cũng được trồng ở Hawaii và một số đảo thuộc khu vực biển Thái Bình Dương. Ở Việt Nam cây điều màu được nhập nội để trồng vào thời kỳ Pháp thuộc, hiện nay loài cây này mọc hoang dại hoặc được trồng rải rác ở vùng đồng bằng Nam Bộ, Tây Nguyên và miền Trung để thu hoạch hạt, làm cảnh hoặc làm thuốc (Võ Văn Chi, 1969).
Loại cây này có thể trồng vào bất kỳ thời điểm nào trong năm và thường ra hoa vào năm thứ 3, vào đầu mùa mưa (khoảng tháng 4, tháng 5), cho thu hoạch hạt vào khoảng tháng 10, tháng 11. Năm 1983, sản lượng annatto toàn cầu chỉ đạt 3 000 tấn hạt khô nhưng đến nay đạt khoảng 14 500 tấn với giá trung bình 1 100 USD/tấn. Theo nhiều báo cáo khác nhau, sản lượng hạt dao động trong khoảng 300 – 600 kg/ha tuỳ tuổi cây, điều kiện khí hậu và chế độ canh tác. Châu lục đóng góp sản lượng annatto nhiều nhất là châu Mỹ, khu vực Nam Mỹ có Brazil là nước sản xuất nhiều nhất tới 5 000 tấn; Peru xuất khẩu 4 000 tấn với khách hàng lớn nhất là Nhật Bản; nước có sản lượng ít hơn là Ecuador.
Khu vực Trung Mỹ có các nước Dominicana, Honduras, Colombia, Bolivia, Guatemala và Costa Rica. Vùng Carribean gồm có Jamaica, Tobago và Trinidad. Còn khu vực Bắc Mỹ chỉ có đại diện là Mexico. Châu Phi đóng góp nhiều nhất là Kenya, hàng năm nước này xuất khẩu 1 500 tấn hạt khô và chế phẩm, ngoài ra phải kể đến Nam Phi, Zimbabwe và Ivory Coast.
Các nước có sản lượng ít hơn là 5 Ấn Độ, Sri Lanka, Philippine, Thổ Nhĩ Kỳ và Angola. Mỹ là nước nhập khẩu annatto nhiều nhất (3 000 tấn/năm), kế sau là châu Âu (2 500 tấn/năm) trong đó Anh chiếm tỷ lệ nhiều nhất và Đan Mạch là nước chế biến màu annatto hàng đầu châu Âu, đứng thứ ba về nhập khẩu annatto là Nhật Bản (1 500 tấn/năm) (ITC, 1993; Venugopalan et al. Thành phần hóa học trong hạt điều màu Kết quả phân tích cho thấy hạt điều màu chứa 40 – 45 % cellulose; 3,5 – 5,5 % sucrose; 0,3 – 0,9 % tinh dầu; 3 % dầu không bay hơi; và 13 – 16 % protein (The Raintree Group, 1997). Nhìn chung, hàm lượng các sắc số annatto trong hạt điều màu khoảng 5 % đối với loài có quả hình bán cầu, 3 – 3,58 % đối với quả hình nón, còn quả hình oval chỉ có 1,5 – 2 % (ITC, 1993; Mantovani et al.
Màu annatto là hỗn hợp của 8 sắc tố thuộc nhóm carotenoid, trong đó quan trọng nhất là cis–bixin (ester monomethyl của acid dicarboxylic norbixin), một phần trans–bixin và cis–norbixin. Bixin chiếm khoảng 80 % tổng số chất màu trong annatto (McKeown và Mark, 1962; Aparnathi và Sharma, 1991; Venugopalan et al. Ngoài bixin và norbixin, các sắc tố còn lại với tỷ lệ nhỏ đã được xác định từ dịch trích ly annatto gồm 5 apocarotenoid (C30 và C32), 8 diapocarotenoid (C19, C22, C24, và C25) và một dẫn xuất carotenoid (C14) (Mercadante et al. Ngoài các sắc tố vừa nêu, hạt điều màu còn chứa alpha– và beta–carotene, methyl 9'z–apo–6'– lycopenoate cùng một số thành phần khác như cryptoxanthin, lutein, zeaxanthin, cryptoxanthin, methylbixin, tannin, saponin, dầu ethereal, hợp chất tương tự dầu mustard, mono– và sesquiterpene bixaghanene, bixein, bixol, crocetin, ellagic acid, ishwarane, isobixin, phenylalanine, salicylic acid, threonine, tomentosic acid và tryptophan (Hallagan et al., 1995; Mercadante et al., 1995; The Raintree Group, 1997; Smiths và Wallin, 2006; Venugopalan et al.
Giá cả của hạt và chế phẩm annatto dựa trên hàm lượng chất màu (bixin, norbixin hoặc cả hai). Hạt xuất xứ từ Jamaica chứa khoảng 3 % bixin nên có giá gấp đôi một số loại hạt của Ấn Độ hàm lượng dưới 2 %. Hạt từ vùng Caribbean có màu đỏ trội hơn màu vàng nên giá thị trường cũng cao hơn (Venugopalan et al. 6 Theo Amaral et al.
(2009), màu annatto chỉ nằm ở lớp áo hạt (Hình 1.2) nên khi trích ly không cần thiết phải nghiền hạt. Năm 2006, Nobre et al. đã so sánh và thấy rằng hàm lượng annatto trích nguyên hạt và hạt nghiền mịn cho kết quả không khác biệt. Trích ly nguyên hạt còn có ưu điểm hơn đó là hạn chế tạp chất lẫn với chất màu, gây khó khăn và tốn kém cho công đoạn tinh sạch tiếp theo.
Theo khảo sát của Bùi Thị Mỹ Lệ (2012), hàm lượng màu trong hạt điều màu tăng dần trong quá trình sinh trưởng và phát triển của hạt. Do đó, hạt điều màu chín có hàm lượng màu cao nhất. Hạt điều màu khô nguyên hạt (trái) và bổ đôi (phải) 1. Phẩm màu annatto 1.
Danh pháp, cấu tạo của bixin và norbixin Màu annatto có bản chất là carotenoid, gồm hai thành phần tạo màu chính là bixin và norbixin, công thức cấu tạo của bixin là C25H30O4 (Mw = 394,5) và norbixin là C24H28O4 (Mw = 380,5). Ở trong hạt điều màu, chất màu bixin tồn tại ở dạng đồng phân cis với tên đầy đủ là methyl (9–cis)–hydrogen–6,6'–diapo–Ψ,Ψ– carotenedioate. Còn cis–norbixin tên đầy đủ là 6,6'–diapo–Ψ,Ψ–carotenedioic acid (Haque, 2011). Mạch carbon của bixin và norbixin có các nối đôi xen kẽ đều đặn giữa các nối đơn.
Như vậy, norbixin là một hợp chất dicarboxylic có hai gốc carboxyl tự do còn bixin là methyl ester của acid norbixin, nên bixin chỉ còn một nhóm carboxyl tự do (Hình 1. Cấu trúc phân tử của cis–norbixin (a) và cis–bixin (b) (Magestea et al. Tính chất hóa lý Bixin cho màu đỏ đến cam, phân tử kém phân cực nên không tan trong nước, có thể tan trong dầu và dung môi hữu cơ như chloroform, ethyl acetate, acetone,. Norbixin cho màu cam pha vàng, phân tử phân cực mạnh hơn, không tan trong nước ở pH thấp, tan tốt trong kiềm, tan ít trong dung môi hữu cơ (Scotter, 2009).
Do có nhiều nối đôi trong mạch carbon nên cả bixin và norbixin đều dễ bị biến đổi khi tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng cường độ cao trong thời gian dài (Emerton và Choi, 2008). Najar et al. (1988) đã chứng minh ánh sáng là nhân tố gây thoái hóa annatto mạnh nhất. Norbixin bị kết tủa trong môi trường pH thấp (khoảng dưới 5,5); khi norbixin kết tủa thường tạo phức bền với protein, tinh bột và một số thành phần khác và tạo ra sự đồng đều màu sắc trong sản phẩm, đồng thời ngăn chặn hiện tượng trôi màu (Scotter, 2009).
Annatto rất bền trong môi trường kiềm (Lê Thị Anh Đào và ctv, 2000). Tương tự như các hợp chất carotenoid khác, do có nhiều nối đôi trong phân tử nên annatto dễ bị oxy hóa, nhất là khi ở dạng bột do bề mặt tiếp xúc lớn hoặc khi đã phối chế vào thực phẩm mặc dù một số thực phẩm có tác dụng bảo vệ annatto (Scotter, 1999). Khi norbixin được vi gói bởi gum acacia, 8 gum cashew, gum arabic và maltodextrin (hoặc hỗn hợp của chúng) thì ít bị oxy hóa hơn (Barbosa et al. Hoạt tính chống oxy hóa của annatto trong một số trường hợp còn mạnh hơn BHA và BHT (Scotter, 1999).
Nhiều tác giả đã công bố nghiên cứu về hoạt tính chống oxy hóa của annatto như Kiokias và Gordon (2003), Cardarelli et al. (2008), Vasu et al. (2010), Santos et al. (2011) và Garcia et al.
Trong nhóm carotenoid, annatto là nhóm màu gần như duy nhất vẫn giữ màu khi thay đổi các dạng cấu trúc hóa học (Hình 1. Ở điều kiện nhiệt độ và pH nhất định, bixin bị thủy phân thành norbixin hoặc xà phòng hóa thành muối kali hoặc natri của norbixin.