Đặt vấn đề Anthocyanin là hợp chất màu hữu cơ thiên nhiên, thuộc nhóm flavonoid có màu đỏ, đỏ tía, xanh hiện diện trong một số rau quả. Ngoài tác dụng là chất màu thiên nhiên được sử dụng khá an toàn trong thực phẩm, tạo ra nhiều màu sắc hấp dẫn cho mỗi sản phẩm, theo các nghiên cứu khoa học được công bố trong những năm gần đây, anthocyanin còn là hợp chất có nhiều hoạt tính sinh học quí. Đó là khả năng chống oxy hóa cao nhờ hạn chế sự hình thành các gốc tự do, tăng cường sức đề kháng, có tác dụng làm bền thành mạch, chống viêm, hạn chế sự phát triển của các tế bào ung thư, tác dụng chống các tia phóng xạ[1][2][3]. Những đặc tính quý báu của anthocyanin mà các chất màu hóa học, các chất màu khác hình thành trong quá trình gia công kỹ thuật không có được đã mở ra một hướng nghiên cứu ứng dụng hợp chất màu anthocyanin lấy từ thiên nhiên vào trong đời sống hàng ngày, đặc biệt trong công nghệ chế biến thực phẩm.
Điều đó hoàn toàn phù hợp với xu hướng hiện nay của các nước trên thế giới là nghiên cứu khai thác tính ưu việt của các hợp chất từ thiên nhiên phục vụ cho các nhu cầu nâng cao đời sống của con người. Hiện nay, anthocyanin đã được nghiên cứu và tách chiết từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như: quả nho, quả dâu, bắp cải tím, lá tía tô, đậu đen, quả cà tím, gạo nếp than, hoa atiso đỏ,… Qua nhiều nghiên cứu, bắp cải tím được đánh giá là nguồn nguyên liệu không chỉ có hàm lượng anthocyanin tương đối cao, giá thành phù hợp, mà còn có tính bền vững và ổn định hơn so với các nguồn nguyên liệu khác trong điều kiện môi trường thay đổi[1]. Thế nhưng việc tách chiết hợp chất có hoạt tính sinh học cao như anthocyanin vẫn chưa được các nhà nghiên cứu trong nước chú ý nhiều, ngay cả ngoài nước kết quả công bố về điều kiện tách chiết cũng khác nhau thậm chí là trái ngược nhau. Do vậy, để tận dụng chất dinh dưỡng cũng như các dược tính quí của bắp cải tím, góp phần đa dạng hóa các sản phẩm, nâng cao giá trị thương mại của bắp cải tím, em đã định hướng nghiên cứu với nội dung n 2 đề tài “Nghiên cứu tối ưu các điều kiện tách chiết và bước đầu xây dựng quy trình sản xuất anthocyanin từ bắp cải tím”.
Mục đích - Tối ưu hóa quá trình tách chiết anthocyanin từ bắp cải tím. - Bước đầu xây dựng được quy trình sản xuất anthocyanin từ bắp cải tím quy mô phòng thí nghiệm. - Nghiên cứu được một số chỉ số vật lý có trong nguyên liệu như: Độ tro, độ ẩm, hàm lượng anthocyanin, đường, axit… - Khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng anthocyanin: xử lý nguyên liệu, hệ dung môi, tỷ lệ thành phần hệ dung môi, nhiệt độ và thời gian tách chiết. - Tối ưu hóa được các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình chiết tách hợp chất anthocyanin từ bắp cải tím.
- Hoàn thiện được quy trình tách chiết bột anthocyanin từ bắp cải tím ở quy mô phòng thí nghiệm cho hiệu suất cao nhất. Ý nghĩa khoa học - Cung cấp được các thành phần, hàm lượng hoạt chất anthocyanin trong nguyên liệu bắp cải tím, góp phần làm cơ sở cho các nghiên cứu sau này về anthocyanin và nguyên liệu bắp cải tím. Ý nghĩa thực tiễn - Góp phần xây dựng qui trình công nghệ tách chiết hoạt chất anthocyanin từ bắp cải tím. - Tạo tiền đề để sản xuất và ứng dụng của hoạt chất anthocyanin trong công nghệ thực phẩm và các lĩnh vực khác.
- Bước đầu giúp sinh viên thực tập các kỹ năng thí nghiệm và kỹ năng nghiên cứu khoa học. n 3 Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Tổng quan về chất chống oxy hóa anthocyanin 2. Giới thiệu Các anthocyanin hiện thuộc nhóm các chất màu tự nhiên tan trong nước lớn nhất trong thế giới thực vật.
Thuật ngữ anthocyanin bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, trong đó anthocyanin là sự kết hợp giữa Anthos – nghĩa là hoa và Kysanesos – nghĩa là màu xanh. Tuy nhiên, không chỉ có màu xanh, anthocyanin còn mang đến cho thực vật nhiều màu sắc rực rỡ khác như hồng, đỏ, cam và các gam màu trung gian. Các anthocyanin khi mất hết nhóm đường được gọi là anthocyanidin hay aglycon. Mỗi anthocyanidin có thể bị glycosyl hóa acylate bởi các loại đường và các axit khác tại các vị trí khác nhau.Vì thế lượng anthocyanin lớn hơn anthocyanidin từ 15 - 20 lần [1][2][3].
Cấu trúc hóa học của anthocyanin Anthocyanin thuộc nhóm các hợp chất flavonoid, có khả năng hòa tan trong nước và chứa trong các không bào. 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, người ta đã xác định được 18 loại aglycon khác nhau, trong đó 6 loại phổ biến nhất là pelargonidin, cyanidin, delphinidin, peonidin, petunidin và maldivin. Trong tự nhiên, anthocyanin rất hiếm khi ở trạng thái tự do (không bị glycosyl hóa).
Nhóm hydroxy tự do ở vị trí C-3 làm cho phân tử anthocyanidin trở nên không ổn định và làm giảm khả năng hòa tan của nó so với anthocyanin tương ứng. Vì vậy, sự glycosyl hóa luôn diễn ra, đầu tiên ở vị trí nhóm 3-hydroxy. Nếu có thêm một phân tử đường sữa, 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 là glucose, ngoài ra cũng có một vài loại monosaccharide (như galactose, rammose, arabinose), các loại disaccharide (chủ n 4 yếu là rutinose, sambubiose hay sophorose) hoặc trisaccharide tham gia vào quá trình glycosyl hóa. 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, người ta 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). Cấu trúc của một số anthocyanidin tư nhiên [1] Theo hình 2.1 các anthocyanin tương ứng luôn được glycosyl hóa ở nhóm hydroxy C-3.
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[1][2][3]. Tính chất vật lý và hóa học của anthocyanin 2. Sự hấp thụ ánh sáng và màu sắc Do phân tử có 8 nối đôi liên hợp nên các anthocyanin có khả năng hấp thụ trong vùng khả kiến.
Các anthocyanin có cấu trúc đơn giản thường hấp thụ cực đại trong vùng bước sóng từ 500 - 540 nm, tạo ra màu sắc từ đỏ đến tím hồng hay tím xanh [11] n 5 Ví dụ: Trong dung môi metanol-HCl, các pelargonidin có cực đại hấp thụ ở 520 nm nên có màu đỏ; cyanidin và peonidin hấp thụ ở khoảng 532 - 535 nm tạo nên màu tím hồng; delphinidin, petunidin và malvidin hấp thụ ở 542 - 546 nm tạo nên màu tím [16]… Ngoài ra, màu sắc của các anthocyanin còn được quyết định bởi cấu trúc phần glucosyl hóa (bản chất phân tử đường liên kết với khung anthocyanidin, mức độ và bản chất của sự este hóa các phân tử đường bởi các acid mạch thẳng hay thơm), nhiệt độ, ánh sáng, pH dung dịch và sự tổ hợp màu [12]… 2. Tính tan Anthocyanin là hợp chất khá 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,. Tính không bền Độ bền của các anthocyanin được quyết định bởi nhiều yếu tố bao gồm cấu trúc phân tử, nồng độ anthocyanin, 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, acid ascorbic, đường, các sản hẩm phân hủy của chúng và sulfur dioxit [16]. Sự phân bố của anthocyanin Anthocyanin tập trung ở những cây hạt kín và những loài ra hoa, phần lớn nằm ở hoa và quả, ngoài ra cũng có ở lá và rễ.
Trong những loại thực vật này, anthocyanin được tìm thấy chủ yếu ở các lớp tế bào nằm bên ngoài như biểu bì. Các hợp chất anthocyanin xuất hiện rộng rãi trong khoảng ít nhất 27 họ, 73 loài và trong vô số giống thực vật sử dụng làm thực vật (Bridle và Timberlake, 1996). Các họ thực vật như vitaceae (nho) và rosaceae (anh đào, dâu tây, mâm xôi, táo,…) là các nguồn anthocyanin chủ yếu. Bên cạnh đó còn có các họ thực vật khác như solanceae (cà tím), saxifragaceae (quả lý đỏ và đen), ericaceae (quả việt quất) và brassicaceae (bắp cải tím).
Các loại anthocyanin phổ biến nhất là các glucoside của cyanidin, kế đến là pelargonidin, peonidin và delphinidin, sau đó petuidin và n 6 maldivin. Số lượng các 3–glucoside nhiều gấp 2,5 lần các 3,5–glucoside. Loại anthocyanin hay gặp nhất chính là Cyanidin-3-glucoside. Các anthocyanin trong một số nguồn thực vật[1] Tên thực vật Tên thông thƣờng Loại Anthocyanin Cy-3-glucoside, 3-galactoside, 3-diglucoside và 3- Allium cepa Củ hành đỏ laminarriobioside, Pn-3- glucoside Cy-3-sophoroside-5-glucoside cacyl hóa với malonoyl, ρ- Bắp cải tím Brassica oleraea coumaroyl, di-ρ- (red cabbage) coumarol,feruloyl, diferuloyl, sinapoyl và disinapoyl Dâu tây Pg và Cy-3-glucoside Fragaria spp (strawberry) Glycine maxima Đậu nành (vỏ) Cy và Dp-3-glucoside Hibicus sabdariffa L Hoa bụt dấm Cy, Pn, mono- và biosides Pg và Cy-3-sophoroside-5- Raphanus sativus Củ cải đỏ (rễ) glucoside acyl hóa với ρ- coumaroyl, feruloyl, caffeoyl.
Cy, Pn, Dp, Pt và Mv mono và Vitis spp Nho diglucoside; dạnh tự do và dạng acyl hóa Cy= cyanidin, Pg= pelagorindin, Pn= peonidin, Dp= delphinidin, Pt= petunidin, Mv= malvidin. Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ màu của anthocyanin So với đa số các chất màu thiên nhiên, anthocyanin là chất màu có độ bền kém hơn, nó chỉ thể hiện tính bền trong môi trường axit. Ngoài ra, nó có thể phân hủy n 7 tạo thành dạng không màu và sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy có dạng màu nâu cộng với những sản phẩm không tan [1][2][3]. - Sự phân hủy anthocyanin có thể xảy ra trong quá trình trích và tinh chế chúng, đồng thời sự phân hủy này còn xảy ra trong quá trình xử lý và bảo quản các sản phẩm thực phẩm.
- Độ bền của các anthocyanin phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: cấu trúc hóa học của anthocyanin, pH, nhiệt độ, sự có mặt của copigment, ion kim loại, oxy, axit ascorbic, SO2, ánh sáng, enzym, đường và các sản phẩm biến tính của chúng.