CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ KHOAI LANG 1. Đặc điểm thực vật học Khoai lang có tên khoa học là Ipomoea batatas L., thuộc chi Ipomoea, họ Convolvulaceae.
Khoai lang là loài cây thân thảo dạng dây leo sống lâu năm, có các lá mọc so le hình tim hay xẻ thùy chân vịt, các hoa có kích cỡ trung bình. Rễ củ ăn được có hình dáng thuôn dài và thon, lớp vỏ nhẵn nhụi có màu từ vàng, cam, đỏ, nâu, tím, hay màu be. Lớp cùi thịt có màu từ trắng, vàng, cam và tím (Gad Loebenstein & George Thottappilly, 2009) được mô tả trong Hình 1. Hoa, lá và củ của các loại khoai lang 1.
Thành phần hoá học Khoai lang có hàm lượng anthocyanin và tổng hàm lượng polyphenol cao. Theo báo cáo của Xu và cộng sự (2014), hàm lượng anthocyanin trong khoai lang tím cao hơn đáng kể so với khoai lang thường có vỏ cam. Khoai lang còn rất giàu vitamin và khoáng chất, củ khoai lang chứa nhiều vitamin thiết yếu như pantothenic acid (vitamin B5), pyridoxine (vitamin B6), thiamin (vitamin B1), cũng như riboflavin (vitamin B2) và niacin (vitamin B3). Các vitamin này còn hoạt động hỗ trợ cho các enzyme khác nhau trong quá trình trao đổi chất, chuyển hoá protein,…(Mohanraj & Sivasankar, 2014).
1 do an Bảng 1. Thành phần hoá học của khoai lang (% tính theo khối lượng củ tươi) (Woolfe, 1992) Thành phần Giá trị trung bình Độ ẩm 71,1 % Protein 1,43 % Tinh bột 20,1 % Đường 2,38 % Xơ 1,64 % Lipid 0,17 % Tro 0,74 % Chất khoáng Ca 29 mg/100 g P 51 mg/100 g Mg 26 mg/100 g Na 52 mg/100 g K 260 mg/100 g S 13 mg/100 g Fe 0,49 mg/100 g Cu 0,17 mg/100 g Zn 0,59 mg/100 g Mn 0,11 mg/100 g Al 0,82 mg/100 g B 0,10 mg/100 g Bảng 1.1 cho thấy tinh bột là thành phần chính của củ khoai lang. Ngoài ra thành phần trong củ khoai lang còn chứa các loại đường đơn như sucrose, glucose, fructose và maltose. Các loại acid amine chính là thành phần protein của phần rễ củ gồm isoleucine, valine, methionine, cysteine, phenylalanine và tyrosine (Wang, S.
Công dụng của khoai lang Bên cạnh việc sử dụng khoai lang như một loại lương thực chính thì nó còn được coi là một loài thuốc quý có tác dụng chống ung thư, trị tiểu đường và phòng chống các bệnh viêm nhiễm (Mohanraj & Sivasankar, 2014). 2 do an Công dụng của lá và thân cây Lá khoai lang chứa nhiều lutein (Chandrika et al., 2010) được cho là có một số lợi ích cho mắt, đặc biệt là trong việc ngăn ngừa thoái hóa điểm vàng và đục thủy tinh thể do tuổi già (Trumbo & Ellwood, 2006). Lá khoai lang rất giàu chất chống oxy hóa mạnh và vitamin C, giúp chống lại các gốc tự do, do đó ngăn ngừa lão hóa sớm và bệnh tật. Chúng tăng cường hệ thống miễn dịch và giúp ngăn ngừa các bệnh nhiễm trùng.
Các polyphenol có trong lá cũng cho thấy nhiều loại chức năng sinh lý khác nhau như hoạt động loại bỏ tận gốc, hoạt động chống nhiễm trùng, chống ung thư, chống tiểu đường, và hoạt động kháng khuẩn in vitro và in vivo, có thể hữu ích cho việc duy trì và tăng cường sức khỏe con người (Islam, 2006). Các bộ lạc Akan của Ghana sử dụng lá để điều trị bệnh tiểu đường loại 2, còn ở Brazil thì sử dụng lá cây khoai lang trong điều trị các bệnh viêm răng miệng hoặc truyền nhiễm (Pochapski et al. Thân cây của I. batatas được sử dụng để điều trị viêm tuyến tiền liệt (Emmanuel, 2010).
Công dụng của rễ củ Khoai lang là một trong những loại thực phẩm tinh bột có lượng calo trung bình và cung cấp 90 calo/100 g so với 70 calo/100 g của các loại khoai khác (Solanum tuberosum). Củ khoai lang là một nguồn giàu chất xơ, chất chống oxy hóa, vitamin và khoáng chất và không chứa chất béo bão hòa hay cholesterol. Thành phần năng lượng của nó chủ yếu đến từ tinh bột, một loại carbohydrate phức tạp. Khoai lang có tỷ lệ amylose/amylopectin cao hơn so với S.
Amylose làm tăng lượng đường trong máu một cách từ từ so với các loại đường đơn, do đó, nó được khuyến cáo là một chất thực phẩm lành mạnh, phù hợp với các bệnh nhân bị tiểu đường (Mohanraj & Sivasankar, 2014). Người ta đã báo cáo rằng khoai lang ruột trắng, vàng, cam và tím có các hoạt tính chống oxy hóa và loại bỏ tận gốc, trong đó khoai tím có hoạt tính cao nhất. Hoạt tính chống oxy hóa của khoai lang tím cao hơn 3,2 lần so với việt quất (Cevallos–Casals và Cisneros– Zevallos, 2002). Đặc biệt là hoạt tính chống oxy hóa trong vỏ khoai lang cao hơn gần ba lần so với các phần còn lại của mô.
Các nghiên cứu trên động vật đã chỉ ra rằng khi nước ép khoai lang tím được cho chuột ăn, nó làm giảm tổn thương gan do carbon tetrachloride gây ra. Người tiêu thụ nước ép khoai lang tím trong 44 ngày liên tục giúp làm giảm đáng kể nồng độ l–guinidine triphosphate trong máu, glutamin–oxaloactive transaminase và glutamin– pyruvic transaminase (chỉ số tổn thương gan) (Bovell–benjamin, 2007). Theo nghiên cứu 3 do an của You và cộng sự (1988), chế độ ăn kiêng với khoai lang là có lợi đối với những người bị ung thư dạ dày. TỔNG QUAN VỀ CHẤT MÀU ANTHOCYANIN 1.
Các nguồn anthocyanin trong tự nhiên Anthocyanin là hợp chất thuộc họ flavonoid, là sắc tố tan trong nước phổ biến ở thực vật, thường biểu hiện các màu tím, đỏ tía hoặc xanh trong các loại rau củ, trái cây, hoa lá và rễ của các loài thực vật (Gross, 1987). Anthocyanin có nhiều trong các loại quả nho, anh đào, mận, mâm xôi, dâu tây, táo, đào, việt quất. các loại rau củ có chứa sắc tố anthocyanin là cà tím, bắp cải tím, khoai lang tím, tía tô. Trong đó, các loại quả mọng có tổng hàm lượng anthocyanin cao nhất với giá trị từ 1 – 611 mg/100 g.
Các loại trái cây với tổng hàm lượng anthocyanin từ 2 – 66 mg/100 g và trong rau từ 3 – 75 mg/100 g trọng lượng tươi tính theo trọng lượng của aglycone (Koponen et al. Cấu trúc hoá học Anthocyanin là các dẫn xuất glycoside, polyhydroxy và polymethoxy của 2– phenylbenzopyrylium cation (flavylium cation) (Warner, 2014). Khoảng 90% anthocyanin được tìm thấy trên dựa trên sáu loại aglycone (anthocyanidin) chính: cyanidin, delphinidin, malvidin, pelargonidin, peonidin và petunidin (Sui, 2017). Trong khoai lang tím, anthocyanin tích tụ ở vỏ và thịt củ tạo ra màu tím đậm.
Anthocyanin bị acyl hóa được tìm thấy trong khoai lang tím chiếm hơn 93% các anthocyanin chính (Yang et al. Hai anthocyanin chính không bị acyl hóa được tìm thấy là cyanidin–3– sophoroside–5–glucoside và peonidin–3–sophoroside–5–glucoside (Cuevas et al. Các anthocyanin này bị acyl hóa bởi p–hydroxybenzoic acid, caffeic acid, ferulic acid (Yang et al. Một số loại anthocyanin chính từ khoai lang tím được mô tả trong Hình 1.2 (Cuevas et al., 2010; Tanaka et al.
Các yếu tố ảnh hưởng đến màu sắc và sự ổn định của anthocyanin Màu sắc và tính ổn định của anthocyanin bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như cấu trúc hóa học, pH, nhiệt độ lưu trữ, nồng độ phân tử, ánh sáng, oxy, dung môi, sự hiện diện của enzyme, ion kim loại, ascorbic acid và đường (Warner, 2014). Cấu trúc hóa học Tính ổn định của anthocyanin bị ảnh hưởng bởi các nhóm thế của vòng [B] và sự hiện diện của các nhóm thế hydroxyl (–OH) hoặc methoxy (–OCH3) làm giảm độ ổn định của aglycone trong môi trường trung tính, vì vậy pelargonidin là anthocyanidin ổn định nhất 4 do an (Sui, 2017). Trái ngược với aglycone, các dẫn xuất monoglycoside và diglycoside ổn định hơn trong điều kiện pH trung tính (Castañeda–Ovando et al. Các anthocyanin bị acyl hóa ổn định hơn các anthocyanin tương ứng không bị acyl hóa (Sui, 2017) và tương đối ổn định trong dung dịch trung tính hoặc acid yếu.
Sự ổn định này nhờ vào liên kết nội phân tử giữa anthocyanidin và nhóm acyl, khiến cho phân tử nước khó tấn công vị trí C2 của vòng [C] giữ cho anthocyanidin ở dạng ổn định (flavylium cation hoặc quinonoid) (Wallace & Giusti, 2013). Vì vậy, các anthocyanin bị acyl hóa thường mang lại sự ổn định cần thiết ứng dụng vào thực phẩm. R1 R2 R3 Tên các hợp chất anthocyanin OH H H cy–3–soph–5–glc OCH3 H H peo–3–soph–5–glc OH caff Caff cy–3–(6'',6'''–dicaffeoylsoph)–5–glc OH caff Ρhb cy–3–(6''–caffeoyl–6'''–p–hydroxybenzoylsoph)–5–glc OH caff H cy–3–(6''–caffeoylsoph)–5–glc OH caff fer cy–3–(6''–caffeoyl–6'''–feruloylsoph)–5–glc OCH3 caff caff peo–3–(6'',6'''–dicaffeoylsoph)–5–glc OCH3 caff H peo–3–(6''–caffeoylsoph)–5–glc OCH3 caff phb peo–3–(6''–caffeoyl–6'''–p–hydroxybenzoylsoph)–5–glc OCH3 caff fer peo–3–(6''–caffeoyl–6'''–feruloylsoph)–5–glc cy = cyanidin; peo = peonidin; sop = sophoroside; glc= glucopyranoside; caff = caffeoyl; fer = feruloyl; ρhb = p–hydroxybenzoyl Hình 1. Công thức cấu tạo của các anthocyanin chính được tìm thấy trong khoai lang tím (Cuevas et al., 2010; Tanaka et al., 2017) 5 do an pH Anthocyanin có thể được tìm thấy dưới các dạng hóa học khác nhau phụ thuộc vào pH của dung dịch (Castañeda–Ovando et al., 2009) được mô tả trong Hình 1.
Ở pH ≤ 3, flavylium cation AH+ là hình thức chiếm ưu thế và tạo sắc thái đỏ (Wallace & Giusti, 2013). Khi pH tăng lên, sự cạnh tranh nhiệt động học và động lực học hình thành 2 dạng hóa học: các hemiketal B không màu và các quinonoid base A màu tím. Các hemiketal B được tạo ra do các flavylium cation AH+ bị hydrate hóa ở vị trí C2 mất proton, chúng tồn tại trong trạng thái cân bằng nhanh với dạng cis–chalcone (Ccis) (tạo thành do quá trình hỗ biến) và dạng cis–chalcone (Ccis) này sẽ tự cân bằng chậm với dạng trans–chalcone (Ctrans) (Trouillas et al. Trong khi đó, các quinonoid base A được tạo thành do quá trình loại proton của các nhóm hydroxyl có tính acid của các flavylium cation AH+.
Khi pH ở khoảng 6 – 7 (Wallace & Giusti, 2013), các quinonoid base trung tính A sẽ mất một proton thứ hai tạo thành các quinonoid base dạng anion A– màu xanh dương (Trouillas et al. Ở pH > 7, anthocyanin có thể bị thoái hóa tùy thuộc vào nhóm thế của chúng (Castañeda–Ovando et al. Sự ổn định màu của chúng cũng giảm dần nhưng một số anthocyanin cho thấy sự ổn định tăng lên có cực đại cục bộ tại pH 8 – 9 (Miguel, 2011). Nhìn chung, các anthocyanin trong môi trường acid (pH thấp) ổn định hơn so với môi trường kiềm (pH cao) và môi trường trung tính (Levy et al.
Enzyme Bất hoạt enzyme làm tăng tính ổn định của anthocyanin (Riaz et al. Một số enzyme có khả năng khử màu và làm giảm sự ổn định của các anthocyanin (Warner, 2014). Enzyme phân hủy phổ biến nhất là glycosidase có thể phá vỡ liên kết cộng hóa trị giữa nhóm glycosyl và nhóm aglycone, giải phóng anthocyanidin khỏi các gốc đường của chúng khiến cho aglycone mất ổn định sẽ tự phát giảm cấp tạo thành sản phẩm không màu (Markakis, 1982). Peroxidase và phenolase được tìm thấy tự nhiên trong trái cây và quả mọng, cũng là các enzyme phân hủy anthocyanin phổ biến (Warner, 2014).