CHƯƠNG 1 Tổng quan tài liệu 1.1 Tổng quan về cây đậu đen và hạt đậu đen a) Đặc điểm sinh học Đậu đen tên khoa học là Vigna cylindrical, về phân loại thực vật, cây đậu đen thuộc giới Plantae, bộ Fabales, họ Fabaceae, chi Vigna và loài V. Trong dân gian, cây đậu đen còn được gọi là đỗ đen, ô đậu, hắc đại đậu, hương xị. Từ lâu, hạt từ cây đậu đen đã được sử dụng rất phổ biến trong chế độ ăn uống hằng ngày của người dân Việt Nam. Đậu đen là cây thân thảo hằng năm, thường mọc đứng có khi leo, toàn thân không có lông.
Lá kép gồm ba lá chét, mọc so le có lá kèm nhỏ, lá chét giữa to và dài hơn các lá chét bên. Chùm hoa dài 20-30cm, hoa màu tím nhạt. Quả đậu mọc thẳng đứng hay nghiêng, dài 7-13cm, chứa 8-10 hạt xếp dọc trong quả, to hơn hạt đậu xanh thường dài 5-6mm.1 Cây đậu đen Hạt hình thận, vỏ màu đen bóng có chiều dài 6-9mm có chiều ngang 5-7mm, chiều dẹt 3. Rốn hạt màu sáng trắng nằm ở rốn, trọng lượng hạt từ 100- 115mg.
Hạt dễ vỡ thành hai mảnh lá mầm. Đầu của hai mảnh có chứa hai lá chồi, một trụ mầm. 1 do an Hình 1.2 Cấu tạo và hình ảnh thực tế của hạt đậu đen Đông Nam Á, châu Phi và Nam Mỹ là ba khu vực trồng nhiều đậu đen nhất trên thế giới. Ở nước ta, chúng được canh tác nhiều ở phía Bắc, mùa thu hoạch từ tháng 5 đến tháng 6 hàng năm.
Ngoài ra, ở Campuchia cũng có trồng nhiều giống đậu này. b) Thành phần hóa học của hạt đậu đen Thành phần hóa học của hạt đậu đen được xác định và trình bày qua bảng 1.1 Thành phần hóa học của hạt đậu đen (Thangadurai, 2005) Chỉ tiêu Hàm lượng (g/100 g bột thô) Độ ẩm 5.1 Nitrogen tự do 52. Đối với hạt đậu đen đã phơi khô, hàm lượng anthocyanin nằm trong khoảng 213 mg / 100g nguyên liệu (Takeoka TR, 1997). 2 do an Ngoài ra, anthocyanin còn có thể được thu nhận từ các nguồn phổ biến khác như: bắp cải tím, gạo nếp than, củ cải đỏ (red radish), khoai lang tím, carrot (black carrot), quả anh đào, blackberry và elderberry.
Trong đó, các nguồn như củ cải đỏ, khoai lang tím, bắp cải tím cung cấp hàm lượng các anthocyanin được acyl hóa cao hơn, nên độ bền màu sẽ tốt hơn.2 Tổng quan về anthocyanin 1.1 Giới thiệu về chất màu chống oxy hóa Chất màu chống oxy hóa là những chất màu có khả năng ngăn ngừa, ức chế và loại bỏ tác dụng độc hại của các gốc tự do một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Có nhiều cách phân loại chất chống oxy hóa theo khả năng hòa tan, nguồn gốc bao gồm: Chất chống oxy hóa ưa nước (hydrophilic) và kỵ nước (hydrophobic). Chất chống oxy hóa nội sinh và chất chống oxy hóa ngoại sinh Các enzyme kháng oxy hóa và chất kháng oxi hóa không có bản chất enzyme Chất chống oxy hóa có nguồn gốc tự nhiên và chất chống oxy hóa có nguồn gốc tổng hợp. Xu hướng ngày nay, chất màu chống oxy hóa có nguồn gốc tự nhiên được ưu tiên sử dụng và đẩy mạnh nghiên cứu do có đặc tính an toàn, thân thiện, ít tác dụng phụ đối với sức khỏe con người, động vật và môi trường sống.3 là một ví dụ về phân loại các chất chống oxy hóa theo bản chất hóa học của chúng.
3 do an Chất chống oxy hóa tự nhiên Chất chống oxy hóa Chất chống oxy hóa bản chất là enzyme không phải là enzyme Khoáng Vitamin (VD: Zn, Se) (VD: Vitamin A,C,E) Carotenoid Các hợp chất sulfur (VD: β-carotene, hữu cơ (VD: allium, lycopene, lutein) indole) Các cofactor chống oxy Polyphenol hóa (VD: Coenyzme Q10) Flavonoid Phenolic acid Hydroxy-cinnamic acid (VD: ferulic, ρ- Flavonol Flavanol Flavanone Coumaric) (VD: quercetin, (VD: catechin, (VD: hesperitin) kaempferol) EGCG) Anthocyanidin Hydroxy-benzoic acid Isoflavanoid Flavane (VD: cyanidin, (VD: gallic acid, ellagic (VD: genistein) (VD: chrysin) pelagonidin) acid) Hình 1.3 Phân loại chất chống oxy hóa theo bản chất hóa học Trong nghiên cứu này, chất màu anthocyanin chiết xuất từ hạt đậu đen đặc biệt được quan tâm do chúng: Có hoạt tính sinh học cao Được phân bố rộng rãi trong tự nhiên, nguồn cung dồi dào Có giá thành rẻ Có màu sắc đẹp, phù hợp để tạo màu cho nhiều loại sản phẩm 1.2 Cấu trúc hóa học anthocyanin Anthocyanin thuộc nhóm các hợp chất flavonoid, có khả năng hòa tan trong nước và chứa trong không bào của tế bào (nếu tồn tại trong tự nhiên). Về bản chất, các anthocyanin là những hợp chất glycoside của các dẫn xuất polyhydroxy và polymethoxy của 2-phenylbenzopyrylium hoặc muối flavylium. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã xác định được rất nhiều dạng anthocyanidin, 4 do an trong đó, sáu dạng anthocyanidin phổ biến nhất là cyanidin, pelargonidin, peonidin, delphinidin, petunidin và malvidin.4 Cấu trúc hóa học của một số anthocyanidin (Guo & Xia, 2013). Trong tự nhiên, anthocyanin rất hiếm khi ở trạng thái tự do (không bị glycosyl hóa).
Nhóm hydroxyl tự do ở vị trí C-3 làm cho phân tử anthocyanidin trở nên không ổn định và làm giảm khả năng hòa tan. Vì vậy, sự glycosyl hóa luôn diễn ra, đầu tiên ở vị trí nhóm 3-hydroxy. Nếu có thêm một phân tử đường galactose, vị trí tiếp theo bị glycosyl hóa thường gặp nhất là ở C-5. Ngoài ra, sự glycosyl hóa còn có thể gặp ở các vị trí C-7, C-3’, C-5’.
Loại đường phổ biến nhất tham gia vào quá trình glycosyl hóa là glucose, ngoài ra còn có một số monosaccharide (như galactose, rammose, arabinose), một số disaccharide (chủ yếu là rutinose, sambubiose hay sophorose) hoặc thậm chí là trisaccharide. Sự methoxyl hóa các anthocyanin và các glucoside tương ứng diễn ra thông thường nhất là ở vị trí C-3’ và C-5’, cũng có thể gặp ở vị trí C-7 và C-5. Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa tìm thấy một hợp chất nào bị glycosyl hóa hay bị methoxyl hóa trên tất cả các vị trí C-3, -5, -7 và -4’ do cần thiết phải còn ít nhất một nhóm hydroxyl tự do ở C-5, -7 hay -4’ để hình thành dạng cấu trúc quinonoidal base (dạng cấu trúc của anthocyanin thường tồn tại trong không bào thực vật có pH từ 2,5 – 7,5). Sự acyl hóa cũng có thể xảy ra ở vị trí C-3 của phân tử đường hay ester hóa ở nhóm hydroxy C-6.
Các nhóm acyl hóa chính là các phenolic acid như ρ-coumeric, caffeic, ferulic hay sinapic acid và một loạt các acid như acetic, malic, malonic, axalic và succinic.3 Tính chất của anthocyanin Anthocyanin tinh khiết ở dạng tinh thể hoặc vô định hình là hợp chất phân cực khá, nên tan tốt trong dung môi phân cực. Anthocyanin hòa tan tốt trong nước và thậm chí là trong các dung dịch bão hòa. Việc hình thành liên kết với đường giúp tăng khả năng hòa tan của phân tử anthocyanin. Màu sắc anthocyanin thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ, các chất màu và nhiều yếu tố khác,… Khi tăng số lượng nhóm OH trong vòng benzene thì màu xanh đậm sẽ chiếm ưu thế.
Mức độ methyl hóa các nhóm OH ở vòng benzene càng cao thì màu sẽ càng đỏ. Nếu nhóm OH ở vị trí thứ ba kết hợp với các gốc đường thì màu sắc cũng sẽ thay đổi tùy theo số lượng các gốc đường được đính vào nhiều hay ít. Màu sắc các anthocyanin cũng phụ thuộc rất mạnh vào pH của môi trường: Khi pH > 7 các anthocyanin có màu xanh và khi pH < 7 các anthocyanin có màu đỏ. Ở pH = 1 các anthocyanin thường ở dạng muối oxonium màu cam đến đỏ.
Ở pH = 4÷5 chúng có thể chuyển về dạng base cacbinol hay base chalcon không màu. Ở pH = 7÷8 lại về dạng bazơ quinoidal anhydro màu xanh. Màu sắc của anthocyanin còn có thể thay đổi do hấp thụ ở trên polysaccharide. Khi đun nóng lâu dài các anthocyanin có thể phá hủy và mất màu.
Anthocyanin có bước sóng hấp thụ trong miền nhìn thấy, phổ hấp thu của các anthocyanin nằm trong vùng UV – Vis: 465÷550nm và UV: 270÷280nm (Prior & Wu, 2006) với khả năng hấp thụ cực đại tại bước sóng 510÷540nm. Độ hấp thụ là yếu tố liên quan mật thiết đến màu sắc của các anthocyanin; thay đổi theo pH của dung dịch, nồng độ anthocyanin: thường pH thấp sẽ cho độ hấp thụ cao, nồng độ anthocyanin càng lớn độ hấp thụ cũng sẽ càng cao. 6 do an Tóm lại, trong môi trường acid, các anthocyanin là những bazơ mạnh và có thể tạo muối bền với acid. Anthocyanin cũng có khả năng tạo muối khi tác dụng bazơ.
Như vậy chúng có tính chất lưỡng tính. Muối với acid thì có màu đỏ, còn muối với kiềm thì có màu xanh. Anthocyanin là chất màu tự nhiên được sử dụng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nổi bật nhất là công nghệ thực phẩm và dược phẩm.4 Vai trò của anthocyanin đối với sức khỏe Ngoài những vai trò sinh lý đối với thực vật, các hợp chất anthocyanin còn được chứng minh là mang lại nhiều ích lợi về sức khỏe cho con người. Các hợp chất anthocyanin được hấp thu vào trong dạ dày ở dạng phân tử (Passamonti, Vrhovsek và Mattivi, 2002) hoặc có thể được hỗ trợ bởi một cơ chế vận chuyển qua mật.
Ngoài ra, phân tử anthocyanin cũng không bị biến đổi dưới tác dụng của hệ vi khuẩn trong ruột non. Vì thế, phân tử anthocyanin cũng không thay đổi trong huyết tương và nước tiểu. Các nghiên cứu gần đây cho thấy các anthocyanin chỉ được hấp thu ở mức độ rất thấp, chỉ khoảng 0,016% đến 0,11% lượng tiêu thụ ở người. Mặc dù chỉ được cơ thể hấp thu một lượng rất nhỏ, các phân tử anthocyanin sau khi được chuyển hóa có thể biểu hiện những hoạt tính như chống ung thư, chống xơ vữa động mạch, chống viêm, giảm mức độ thẩm thấu, độ vỡ của mao mạch, ức chế sự đông tụ của các tiểu huyết cầu và thúc đẩy sự tạo thành cytokine từ đó điều hòa các phản ứng miễn dịch.
Hơn nữa, các hợp chất anthocyanin còn giúp bảo vệ màng dạ dày chống lại những thương tổn do sự oxy hóa, vì vậy làm chậm giai đoạn đầu của bệnh ung thư dạ dày, ung thư ruột và ruột kế. Hoạt tính và thành phần của hệ vi khuẩn đường ruột có thể bị thay đổi sau khi dùng các dịch trích từ các loại quả mọng (berry) có chứa các hợp chất flavonoid gồm cả Anthocyanin. 7 do an Một số hoạt tính sinh học của cyanidin-3-glucoside: Giảm khả năng bị oxy hóa của LDL (lipoprotein tỷ trọng thấp). Bảo vệ hồng cầu khỏi các tác động của sự oxy hóa.
Giảm sự phân tách DNA (deoxyribonucleic acid). Ức chế độc tính của các đại thực bào bằng cách giảm hàm lượng NO. Ngăn chặn tác hại của tia UV trong liposome. Kháng viêm.
Chống các bệnh tim mạch.