Chương 1: Tổng quan (29 trang); Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu (19 trang); Chương 3: Kết quả và thảo luận (74 trang). TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ HỢP CHẤT MÀU ANTHOCYANIN 1. Cấu trúc của anthocyanin Thuật ngữ anthocyanin bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, trong đó anthocyanin là sự kết hợp giữa Anthos - nghĩa là hoa và Kyanos - 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. Anthocyanin thuộc nhóm các hợp chất flavonoid, là những hợp chất glycoside của anthocyanidin (hay còn gọi là aglycon). Nói cách khác anthocyanin là hợp chất của anthocyanidin với đường (có thể liên kết với các acid hữu cơ trong trường hợp anthocyanin bị acyl hóa). Gốc aglycon có cấu trúc cơ bản ở Hình 1.
Cấu trúc cơ bản của gốc aglycon của anthocyanin [29] Khung carbon của anthocyanin gồm hai vòng benzen A, B, và vòng pyran C trong đó vòng A kết hợp với vòng C tạo thành vòng chromane. Trong cấu trúc vòng pyran có chứa oxy mang điện tích dương tự do. Nhờ có điện tích dương tự do mà các anthocyanin trong dung dịch acid mang đặc tính như những cation và tạo muối được với các acid. Ngược lại trong dung dịch kiềm chúng có vai trò như anion và tạo muối với base [29].
Do có sự thay thế gốc R ở nhân A, B, C bởi các nhóm hydroxyl hay methoxy khác nhau nên tạo ra nhiều loại anthocyanidin khác nhau. Cho đến nay, người ta đã xác định được 18 loại anthocyanidin khác nhau, trong đó 6 loại phổ biến nhất là: pelargonidin, malvidin, delphinidin, peonidin, petunidin, cyanidin (Bảng 1. Cấu trúc của một số anthocyanidin phổ biến trong rau quả [36] Anthocyanidin R3′ R4′ R5′ R3 R5 R6 R7 Cyanidin −OH −OH −H −OH −OH −H −OH Delphinidin −OH −OH −OH −OH −OH −H −OH Pelargonidin −H −OH −H −OH −OH −H −OH Malvidin −OCH3 −OH −OCH3 −OH −OH −H −OH Peonidin −OCH3 −OH −H −OH −OH −H −OH Petunidin −OH −OH −OCH3 −OH −OH −H −OH Màu sắc của các anthocyanidin khác nhau tương ứng với số lượng các nhóm hydroxyl, gắn vào phân tử của chúng (đặc biệt là những nhóm thay thế trong vòng B). Với sự gia tăng của các nhóm hydroxyl, màu sắc hiển thị của chúng có sự thay đổi từ màu cam sang màu tím [29].
Sự khác nhau giữa các anthocyanin được xác định bởi sự khác nhau giữa số lượng và vị trí của nhóm hydroxyl trong phân tử; mức độ methyl hóa của nhóm hydroxyl; bản chất, vị trí của các nhóm đường gắn vào phân tử; bản chất, số nhóm acid mạch thẳng hay mạch vòng gắn vào phân tử. Anthocyanin có thể được acyl hóa bởi các acid hữu cơ phân tử lượng thấp bằng liên kết este với nhóm OH- của phần glucoside hoặc của phần aglycon. Các acid tạo gốc acyl có thể là: acid p-coumaric, acid ferulic, acid cinnamic, acid caffeic, acid malonic, acid acetic,. Sự acyl hóa dẫn đến thay đổi màu sắc và tăng độ bền của anthocyanin [53], [98].
Anthocyanin có tính tan tốt hơn và bền hơn anthocyanidin là nhờ được gắn thêm một hoặc nhiều gốc đường, thường hay gặp là rhamnose, galactose, arabinose, xylose. Các gốc đường có thể được gắn vào vị trí 3,5,7 nhưng thường được gắn vào vị trí 3 và 5 còn gắn vào vị trí 7 rất ít. Phân tử anthocyanin có gắn đường vào vị trí 3 gọi là monoglucoside, còn gắn đường vào cả vị trí 3 và 5 gọi là diglucoside. Sự phân bố anthocyanin trong tự nhiên Trong các chất màu thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên thì anthocyanin là nhóm các chất màu tự nhiên tan trong nước lớn nhất trong thế giới thực vật.
Chúng xuất 7 hiện rộng rãi trong khoảng ít nhất 27 họ, 73 loài và chứa trong các không bào thực vật [109]. Một số loại rau, hoa, quả có màu từ đỏ đến tím chứa anthocyanin với hàm lượng cao như: việt quất, mâm xôi, khoai lang tím, quả nho, quả dâu, bắp cải tím, lá tía tô, hoa hibicus, đậu đen, vỏ cà tím, gạo nếp than, gạo đỏ,… Nhìn chung, hàm lượng anthocyanin trong phần lớn rau quả dao động từ 0,1 đến 1% hàm lượng chất khô [46]. Một số nguyên liệu giàu anthocyanin được thể hiện trên Hình 1. Quả việt quất Bắp cải tím Quả nho Quả cà tím Bắp tím Gạo đỏ Khoai lang tím Quả cherry Hình 1.
Một số nguyên liệu giàu anthocyanin Hàm lượng anthocyanin liên quan trực tiếp với độ đậm của màu sắc quả, quả càng đậm màu thì hàm lượng anthocyanin càng cao [29]. Hàm lượng của anthocyanin trong một số loại rau quả được trình bày ở Bảng 1. Hàm lượng anthocyanin trong một số nguyên liệu [34] STT Nguyên liệu Hàm lượng anthocyanin (mg/100g nguyên liệu) 1 Mận 2-25 2 Củ cải đỏ 11-60 3 Dâu tây 15-35 4 Khoai lang tím 84-174 5 Bắp cải tím 25 6 Việt quất 25-495 7 Mâm xôi 83-326 8 Nho 6-600 8 Anthocyanin trong mỗi thực vật không phải là một chất thuần nhất mà là một hỗn hợp nhiều loại anthocyanin khác nhau. Tỷ lệ của các anthocyanin trong rau quả phụ thuộc vào loài, giống cây.
Cho đến nay đã có hơn 635 loại anthocyanin trong tự nhiên được xác định [47]. Các loại anthocyanin trong một số loại thực vật được thể hiện ở Bảng 1. Các anthocyanin trong một số nguyên liệu [33] STT Nguyên liệu Loại anthocyanin 1 Táo Cy-3-glc, Cy-3-ara, Cy-7-ara 2 Lê Cy-3-gal 3 Lý chua đen Cy-3-glc, Cy-3-rut, Del-3-glc 4 Đào Cy-3-glc 5 Cam Cy-3-glc, Del-3-glc, Pet-3-gly, Cy-3-gly, Del-3-glc, Del- 3-glc-glc 6 Anh đào chua Cy-3-glc, Cy-3-rut, Cy-3-glc-rut, Cy-3-sop 7 Anh đào ngọt Cy-3-glc, Cy-3-rut 8 Mâm xôi Cy-3-glc, Cy-3-rut 9 Việt quất Pet-3-gly, Cy-3-gly, Del-3-gic, Del-3-gal, Mal-3-glc 10 Sung Cy-3-gly 11 Lý chua đỏ Del-3-glc, Cy-3-xyl-rut, Cy-3-glc-rut, Cy-3-sop, Cy-3-sam 12 Dâu tây Pel-3-glc, Pel-3-gal, Cy-3-glc, 13 Nho Cy-, Del-, Peo-, Pet-, Mal-3-glc, Mal-3,5-diglc, Mal-3-p- curmaroylglc-5-glc, Mal-3-p-caffeoylglc-5-glc, Peo-3-p-curmaroylglc-5-glc 14 Mận khô Cy-3-glc, Cy-3-rut, Peo-3-glc, Peo-3-rut 15 Chuối Pet-3-gly 16 Lạc tiên Del-3-glc, Del-3-glc-glc 1. Đặc tính quang phổ của anthocyanin Anthocyanin là hợp chất có khả năng hấp thụ các tia sáng trong vùng nhìn thấy.
Độ hấp thụ anthocyanin phụ thuộc vào dung môi, pH và nồng độ của anthocyanin. Thông thường, pH ở vùng acid mạnh sẽ có độ hấp thụ lớn hơn [58]. Độ hấp thụ thể hiện bản chất của mỗi loại anthocyanin do khả năng hấp thụ khác nhau của chúng. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, các anthocyanin có độ hấp 9 thụ cực đại ở bước sóng 510-540nm.
Độ hấp thụ liên quan mật thiết đến màu sắc của anthocyanin và tỷ lệ thuận với nồng độ của chúng. Ngoài ra, anthocyanin còn có khả năng hấp thụ tia tử ngoại do hệ thống nối đôi liên hợp tạo ra bởi 2 vòng benzene A, B và vòng pyran C [2]. Các aglycon khác nhau có bước sóng hấp thụ cực đại khác nhau, ví dụ bước sóng hấp thụ cực đại của anthocyanin trong dung dịch methanol có 0,01% HCl là: Pelgonidin có max = 520nm (cam); Cyanidin có max = 535nm (đỏ cam); Dephinidin có max = 545nm (đỏ xanh) [45]. Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền màu của anthocyanin 1.
Ảnh hưởng của cấu trúc Độ bền màu và cường độ màu của các anthocyanin phụ thuộc vào vị trí và số lượng của các nhóm hydroxyl, methoxy, đường và các đường được acyl hóa. Khi số nhóm hydroxyl trong vòng B tăng, bước sóng hấp thu cực đại ở vùng thấy được dịch chuyển về phía có bước sóng dài [45]. Khi mức độ hydroxyl hóa các aglycon tăng, tính bền của các anthocyanin sẽ tăng. Tuy nhiên khi tăng sự methoxy hóa, sẽ thu được kết quả ngược lại.
Sự có mặt của nhóm OH ở vị trí 4' và 7 trong phân tử làm bền hóa đáng kể các chất màu, trong khi đó, sự methoxy hóa các nhóm hydroxyl này làm giảm độ bền [58]. Sự glycosyl hóa và acyl hóa những nhóm OH tự do làm tăng tính bền của anthocyanin. Vì vậy, các diglucoside bền hơn các monoglucoside của cùng một anthocyanin. Anthocyanin có chứa nhóm acyl bền trong môi trường trung tính hoặc acid yếu do liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl của các nhân phenolic trong anthocyanin và acyl vòng thơm [113].
Ảnh hưởng của pH Sự thay đổi pH làm cho cấu trúc của anthocyanin thay đổi kéo theo sự đổi màu. Do trên gốc aglycon có mang điện tích dương nên các anthocyanin có khả năng nhận H+ hoặc OH-, từ đó dẫn đến sự thay đổi màu sắc của anthocyanin. Khi tăng nhóm OH- màu của anthocyanin chuyển theo hướng sắc màu xanh, khi tăng H+ sẽ đổi theo hướng tạo màu đỏ [30]. 10 Trong dung dịch anthocyanin tồn tại dưới năm dạng cơ bản: flavylium cation có màu đỏ; carbinol không màu; anhydrobase có màu tím; anhydrobase anion có màu xanh và chalcone có màu vàng (Hình 1.
Ảnh hưởng của pH đến cấu trúc của anthocyanin [87] Khi pH<3 thì anthocyanin tồn tại chủ yếu dưới dạng các cation flavylium bền, màu đỏ. Khi pH 4-5, cation flavylium bị sự tấn công của nước ở vị trí C2, hệ thống 2-benzopyrilium liên hợp của bộ khung anthocyanin bị phá vỡ tạo thành các base carbinol (hay base chalcone) không màu. Khi pH 6-7, base carbinol bị tách nước ở vị trí C2 tạo thành anhydrobase (quinonoidal base) có màu tím. Khi pH 7-8, nhóm - OH ở vị trí C7 của anhydrobase bị mất H+ nên chuyển thành anhydrobase anion có màu xanh đậm.
Khi pH 8-9 thì anhydrobase anion tiếp tục bị tấn công bởi H2O tạo thành dạng chalcone có màu vàng, thông qua việc mở vòng của pyran tương ứng (Hình 1. Khi pH cao hơn nữa, anthocyanin sẽ tiếp tục bị phân hủy tạo thành aldehyde và acid carboxylic theo sơ đồ Hình 1. Sơ đồ phân giải anthocyanin tại pH cao [33] 11 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ Trong quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm, anthocyanin dễ bị biến tính dưới tác dụng của nhiệt độ.
Sự phân hủy bởi nhiệt xảy ra không những phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào bản thân anthocyanin đó. Sự methoxy hóa các aglycon làm giảm tính bền nhiệt của anthocyanin, trong khi sự hydroxyl hóa, glycosyl hóa, acyl hóa sẽ cho kết quả ngược lại [39], [116]. Cơ chế phân hủy bởi nhiệt của các anthocyanin 3-glucoside khi được nung nóng ở pH 2-4 là đầu tiên sẽ bị thủy phân liên kết glycoside (ở 100oC) sau đó là sự biến đổi aglycon thành chalcone. Sự phá vỡ sâu hơn sản sinh acid carboxylic từ các vòng B và carboxy-aldehyde từ vòng A của anthocyanin.
Những sản phẩm do sự phân hủy này có thể tham gia vào việc hình thành các hợp chất màu nâu như melanoidin [44]. Ảnh hưởng của oxy Oxy và nhiệt độ được xem là những tác nhân đặc trưng xúc tiến sự phân hủy của anthocyanin sinh ra những dạng sản phẩm không màu hoặc màu nâu. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra chính sự oxy hóa anthocyanin đã gây ra sự kết tủa và đóng váng trong một số loại nước trái cây giàu anthocyanin [31], [109].