CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về cây đậu đen 1. Đặc điểm thực vật học Cây đậu đen có tên khoa học là Vinga unguiculata (L.), thuộc họ cánh bướm (Fabaceae). Ngoài ra, nó còn có tên gọi khác là Vigna cylindrica Skeels, Vigna catjang, cũng có thể gọi tắt là Vigna.
Trong dân gian cây đậu đen còn được gọi là đỗ đen, ô đậu, hắc đại đậu, hương xị. Cây đậu đen có mô tả thực vật như sau: là loại cỏ mọc nằm ngang, toàn thân không có lông. Lá kép gồm 3 lá chét mọc so le, có lá kèm nhỏ, lá chét ở giữa to và dài hơn lá chét hai bên. Hoa màu tím nhạt.
Quả giáp dài, tròn, trong chứa từ 7÷10 hạt màu đen. Hạt có vỏ màu đen, nhân hạt trắng hoặc xanh lòng (Đỗ Tất Lợi, 2004). Ảnh minh họa cây và hạt đậu đen 1. Phân bố và sinh thái Cây đậu đen có nguồn gốc ở châu Phi, sau đó lan sang Trung Á, Ấn Độ và nhiều khu vực khác của châu Á.
Hiện nay, cây đậu đen được trồng khắp các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới ở châu Á, châu Phi và nam Mỹ. Ở Việt Nam, nó được trồng nhiều ở miền Bắc, thu hoạch vào tháng 5÷6 (Đỗ Tất Lợi, 2004). Thành phần hóa học của hạt đậu đen Trong vỏ hạt đậu đen còn có chứa một lướng lớn chất màu anthocyanin có khả năng chống oxy hóa (Đỗ Tất Lợi, 2004) và trong hạt đậu đen thô có chứa protein, chất béo, tro, nitrogen… (bảng 1. Thành phần hóa học của hạt đậu đen (Thangadurai, 2005) Thành phần g/100 g bột hạt thô Độ ẩm 5.1 Nitrogen tự do 52.5 Năng lượng ( kJ/100g chất khô) 1737 Hàm lượng protein có trong hạt đậu đen cao hơn so với các cây họ đậu khác như Cajanus cajan, Cicer arietinum, và Vigna umbellata.
Giá trị năng lượng được đánh giá dựa trên cơ sở protein thô, chất béo thô và NFE (nitrogen free extractives) là 1737 kJ. Thành phần protein của hạt đậu đen gồm có albumin, globulin, prolamine, glutelin. Trong đó, albumin và globulin là hai thành phần chủ yếu của protein có trong hạt chiếm lần lượt 45% và 39% (Thangadurai, 2005). Các acid amin thiết yếu được tìm thấy trong hạt đậu đen bao gồm glutamate, aspartate, serine, threonine, proline, alanine, glycine, valine, cystine, methionine, leucine, isoleucine, tyrosine, phenylalanine, lysine, tryptophan, arginine (Thangadurai, 2005).
Các acid béo chủ yếu trong hạt đậu đen bao gồm acid linoleic, palmitic, oleic và stearic chiếm lần lượt 35%, 24%, 16% và 14%. Các acid béo không bão hòa chiếm hơn 60% chất béo. Hạt đậu đen là nguồn phong phú chứa các chất khoáng như kali, photpho, kẽm và sắt. Ngoài ra, trong đậu đen còn có một lượng caroten, các loại vitamin như PP, B, C.
2 do an Mặc dù, hạt đậu đen có chứa nhiều thành phần dinh dưỡng cần thiết cho con người nhưng việc sử dụng hạt đậu đen vẫn còn có một số hạn chế do trong hạt đậu đen có chứa các chất ức chế dinh dưỡng như L – DOPA, hydrogen cyanide, phytic acid (Thangadurai, 2005). Tổng quan về hợp chất màu anthocyanin 1. Cấu trúc hóa học của các anthocyanin Hình 1.2: Phân loại cấu trúc của các dạng anthocyanindin thường gặp (Guo & Xia, 2013) Anthocyanin thuộc nhóm flavonoid, là dẫn xuất polyhydroxyl và polymethoxyl của 2 – phenylbenzopyrylium hoặc muối flavylium, có bộ khung đặc trưng C6 – C3 – C6 chứa hai vòng benzoyl (A và B) được cách nhau bởi dị vòng (C) (hình 1. Trọng lượng phân tử của hầu hết anthocyanin trong khoảng 400 đến 1200 Da, phổ hấp thu của các anthocyanin nằm trong vùng UV – Vis: 465÷550nm và UV: 270÷280nm (Prior & Wu, 2006).
Hiện nay, hơn 600 anthocyanin đã được định danh và xác định cấu trúc. Trong đó, chỉ có 6 loại anthocyanidin phổ biến được phân loại theo số lượng và vị trí của nhóm hydroxyl và được đặt tên như sau: cyanidin (50%), pelargonidin (12%), peonidin (12%), delphinidin (12%), petunidin (7%) và malvidin (7%) (hình 1. Nhóm mang màu của liên kết đôi liên hợp mang điện tích dương nằm trên dị vòng oxy là nguyên nhân của màu đỏ - cam đến xanh - tím được tạo bởi khi anthocyanin trong môi trường acid (Clifford & Scalbert, 2000). Các anthocyanin khác nhau có số lượng và vị trí của nhóm hydroxyl và methoxyl khác nhau dựa trên cơ sở bộ khung anthocyanidin.
Ví dụ, tăng số nhóm hydroxyl hóa dẫn đến kết quả là chuyển sang bước sóng dài hơn làm thay đổi từ màu đỏ sang tím, bao gồm pelargonidin, cyanidin và delphinidin (Guo & Xia, 2013). 3 do an Các gốc đường như là glucose, rhamnose, galactose, xylose hoặc arabinose như 3 – glycoside hoặc 3, 5 – diglycoside thường được gắn với bộ khung. Các gốc đường này có thể là một đơn vị mono – hoặc disaccharide, mà có thể được acyl hóa với phenolic hoặc acid béo. Các đơn vị glycosidic liên kết với anthocyanidin bởi liên kết α- hoặc β - , với gốc đường được liên kết tại vị trí 3 trên vòng C hoặc vị trí 5, 7 trên vòng A.
Các liên kết thường xuất hiện ở vị trí 3’-, 4’-, và 5’- của vòng B. Glycosyl hóa cũng có thể được tìm thấy, nhưng rất hiếm. Saccharide còn lại có thể được acyl hóa bởi phenolic hoặc acid béo. Hầu hết các tác nhân acyl hóa thông thường là các acid cinnamic, caffeic, ferulic, sinapic, acetic, malic, malonic, oxalic và succunic, được tìm thấy trong các acid béo.
Như vậy, anthocyanin là hợp chất của anthocyanidin và đường, và có thể liên kết với các acid hữu cơ trong trường hợp anthocyanin bị acyl hóa (Prior & Wu, 2006). Các yếu tố ảnh hưởng đến màu sắc của anthocyanin Màu sắc của anthocyanin phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, bao gồm các yếu tố sau: ♦ Mức độ hydroxyl hóa và methoxyl hóa Màu anthocyanin chuyển từ màu hồng sang xanh khi số lượng phenolic hydroxyl tăng và ngược lại chuyển từ xanh sang hồng khi các nhóm nhóm hydroxyl bị thay thế bởi nhóm methoxyl. Hydroxyl ở vị trí 3 làm thay đổi độ hấp thụ cực đại từ vùng màu vàng- cam sang đỏ. Tuy nhiên, các hydroxyl bị mất ổn định, và sự ổn định có thể được khôi phục lại nhờ sự glycosyl hóa của các hydroxyl.
Sự glycosyl hóa và acyl hóa có thể ảnh hưởng đến màu của các sắc tố ở cùng mức độ (Markakis & Jurd, 2009). ♦ pH Anthocyanin như là một chất chỉ thị pH, có màu hơi đỏ ở pH thấp hơn 3 khi đó dạng cation chiếm ưu thế; khi pH được nâng lên, màu đỏ mất dần và không màu ở pH khoảng 4÷5; khi tiếp tục nâng cao pH thì có sự hiện diện của các anion và anthocyanin có màu tím và xanh (hình 1. 4 do an Đỏ, cation, ở pH thấp Không màu ở điểm Xanh, anion, ở pH cao đẳng điện Hình 1.3: Cấu trúc và màu của anthocyanin phụ thuộc vào pH ( R = glycosyl) (Markakis & Jurd, 2009) Các anthocyanin trong dung dịch dạng nước tồn tại ở 4 dạng chính: flavylium cation, quinoidal base, hemaiacetal base (carbinol pseudo-base) và chalcone. Trong dung dịch pH = 1÷3 thì dạng flavylium cation chiếm ưu thế và có màu đỏ.
Khi pH tăng kèm theo mất proton flavylium cation và tạo thành dạng quinoidal base có màu xanh, sự hydrat hóa các flavylium cation được tích lũy và hình thành dạng carbinol pseudobase không màu. Các dạng này sẽ tự động mở vòng C để tạo thành dạng chalone có màu vàng (Guo & Xia, 2013) (hình 1.4: Các dạng phân tử của anthocyanin. Các dạng phức này thường dẫn đến kết quả là làm thay đổi bước sóng hấp thụ ở bước sóng dài hơn (Markakis & Jurd, 2009). Bên cạnh đó, màu sắc của anthocyanin còn phụ thuộc vào hàm lượng anthocyanin, sự hiện diện của các flavonoid khác và dung môi (Markakis & Jurd, 2009).
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thoái hóa anthocyanin Màu của các anthocyanin thì không ổn định. Chúng có thể bị thoái hóa trong khi còn trong mô tươi hoặc trong quá trình chế biến và bảo quản (Markakis & Jurd, 2009). Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thoái hóa của anthocyanin trong thực phẩm gồm có: ♦ Cấu trúc phân tử Các anthocyanin khác nhau sẽ có độ bền màu khác nhau (ví dụ, pelargonidin, cyanidin, delphinidin thường kém bền hơn petunidin, malvidin). Số nhóm –OH trong phân tử tăng sẽ làm giảm độ bền màu và ngược lại khi số nhóm –CH3 trong phân tử tăng (Brouillard, 1982).
Các anthocyanin chứa gốc đường arabinose kém bền hơn anthocyanin chứa đường galactose. Các anthocyanin chứa các nhóm thế acyl hóa thường bền hơn so với các chất màu tự nhiên khác. Các anthocyanin mang các acid thơm ở vòng-B thì màu sắc của anthocyanin ổn định hơn khi mang các acid mạch hở (Giusti & Wrolstad, 2003). ♦ Enzyme Các enzyme glycosidases, polyphenoloxiadases, peroxidases có liên quan đến sự phân hủy của anthocyanin (Francis & Markakis, 2009).
Các hợp chất polyphenolic có trong anthocyanin bị ảnh hưởng bởi các hoạt động của phenoloxidase (hình 1. Proxidase là một enzyme làm phai màu anthocyanin, anthocyanin hoạt động như chất cho hydrogen để tạo hợp chất peroxide peroxidase-hydrogen (Markakis, 1963). 6 do an Hình 1.5: Cơ chế của sự thoái hóa màu athocyanin bởi phenoloxidase (Markakis & Jurd, 2009) ♦ Nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phân hủy chất màu anthocyanin tăng (Markakis & Jurd, 2009). Thời gian để phá hủy 50% màu anthocyanin trong dâu tây ở 1000C là 1h, ở 380C là 240h, ở 200C là 1300h và ở 00C thì mất 11 tháng (Meschter, 1953).
Đôi khi tăng nhiệt độ còn dẫn đến diễn ra phản ứng Maillard của các đường trong anthocyanin (đặc biệt khi có mặt của oxy) làm anthocyanin bị thay đổi màu (Markakis et al. ♦ Oxygen và hydrogen peroxide Oxygen gây ra ảnh hưởng xấu đến các sắc tố anthocyanin. Đủ lượng oxygen có thể gây oxy hóa và làm nhạt màu của anthocyanin. Oxy và nhiệt độ là “các tác nhân tăng tốc rõ ràng nhất” trong sự khử màu các sắc tố (Nebesky & Esselen, 1948).
Sự phá hủy của H2O2 lên anthocyanin gây ra là do H2O2 được hình thành trong quá trình oxy hóa hiếu khí của acid ascorbic. Anthocyanin như là một chất chống oxy hóa, phản ứng với các gốc tự do chứa oxy của H2O2 (Kertesz, 1953). ♦ Acid ascorbic Acid ascorbic đẩy nhanh sự phân hủy màu anthocyanin. Nnguyên nhân khi đó xảy ra phản ứng polymer hóa, ngưng tụ anthocyanin làm nhạt màu sắc tố (Meschter, 1953).
Acid ascorbic và H2O2 có sự tương tác với nhau (Pederson, 1943). Khi có mặt của các ion Cu2+, acid ascorbic bị oxy hóa và sinh H2O2 làm mất màu anthocyanin (Dekker & Dickinson, 1940). 7 do an ♦ pH Màu của anthocyanin bền ở pH thấp vì các anthocyanin chuyển về dạng flavylium bền hơn (Jurd, 1972). Sự ổn định màu của các sắc tố anthocyanin được chiết tách trong dung dịch đệm tăng khi pH giảm trong khoảng từ 5÷1.
Tuy nhiên, sự ổn định của anthocyanin đạt tối đa ở pH = 1.