CHƯƠNG I.1 AXIT PHYTIC VÀ PHYTATE Các thuật ngữ axit phytic, phytate và phytin lần lượt để chỉ axit phytic tự do, muối của axit phytic với Na+ và muối của axit phytic với Ca2+, Mg2+. Trong nhiều tài liệu, thuật ngữ axit phytic và phytate, phytin được sử dụng lẫn nhau và phần lớn phospho tổng số trong các loại hạt tồn tại dưới dạng phytate, đây là dạng dự trữ chính của phospho trong ngũ cốc, hạt đậu và các mô thực vật khác [111].1 Cấu trúc của axit phytic Axit phytic lần đầu tiên được Hartig tìm thấy năm 1855-1856 ở dạng hạt nhỏ, không phải là tinh bột trong các hạt của một số loài thực vật [43, 44]. Sau Hartig, cũng đã có nhiều nhà nghiên cứu tìm thấy phytate dưới dạng “globoid” (dạng cầu) và khẳng định thành phần hóa học chính của nó là C, P và các ion kim loại. Năm 1897 Winterstein đưa ra tên là axit inositol-phosphoic và sau đó năm 1968 được duyệt lại là ‘myo-inositol 1, 2, 3, 4, 5, 6 hexakis (dihydrogen) phosphate (IP6) bởi IUPAC-IUB [44, 110].
Cấu trúc của phytic axit là đối tượng tranh cãi của ngành hóa học trong nhiều năm ở thế kỷ 20 và cuối cùng 2 cấu trúc do Neuberg và Anderson đề xuất được chấp thuận nhiều nhất [87, 88]. Nhiều ý kiến khác nhau cho rằng chúng là dạng đồng hình và có hay không 3 phân tử nước gắn kết trong cấu trúc này, thì sau đó với những phân tích về nguyên tử, chuẩn độ natri phytate với các ion kim loại, tinh thể học tia X và cộng hưởng từ hạt nhân đã dẫn đến kết luận rằng cấu trúc do Anderson đề xuất là dạng chiếm ưu thế hơn được tìm thấy trong các loài thực vật [43]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc của axit phytic được đề xuất bởi Neuberg, 1908 (A) và Anderson, 1914 (B) [4, 87, 88] 1.2 Sự phân bố phytate trong tự nhiên và chức năng của phytate Phytate là một hợp chất có mặt ở nhiều loại thực vật khác nhau, chúng chiếm đến 1-5% khối lượng các cây họ đậu, ngũ cốc, các hạt chứa dầu và hạnh nhân.
Hầu hết các loại thức ăn có nguồn gốc thực vật chứa 50-80% hàm lượng phospho tổng số dưới dạng phytate. Ở thực vật, phytate được tìm thấy đầu tiên ở các loại hạt tuy nhiên vị trí của chúng trong hạt lại khác nhau ở các loài thực vật khác nhau, ở ngô tới 90% phytate tập trung ở phần mầm của hạt, trong khi đó ở lúa mỳ và gạo, phytate tập trung chủ yếu ở lớp vỏ aleurone của hạt và cám bên ngoài [43, 44, 91, 92, 109]. Phytate trong các hạt chứa dầu và hạt các cây họ đậu thường liên kết với các protein và tập trung chủ yếu trong các thể cầu (globoid), các thể vùi phân bố trong toàn bộ hạt, ngược lại phytate ở hạt đậu nành lại có mặt ở những vị trí không đặc trưng [109]. Ngoài ra phytate có thể được tìm thấy ở rễ, thân, quả, lá…và hạt phấn của một số loài thực vật [10, 42, 51, 108, 122].
Trong số các loài thực vật được sử dụng làm thức ăn gia súc, cây vừng, bí ngô, lanh có hàm lượng IP6 cao nhất tính theo khối lượng khô, có thể lên đến 3,7-4,7% [66]. Các loại thức ăn gia súc khác IP6 chiếm 1-3% trọng lượng khô [18]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hàm lượng phospho và phytate ở 1 số loại thức ăn gia cầm phổ biến (Tyagi và cộng sự, 1998) Thành phần P tổng số (%) P dạng phytate (%) Ngũ cốc Ngô 0,39 0,25 Gạo 0,15 0,09 Lúa mỳ 0,44 0,27 Lúa miến 0,3 0,22 Đại mạch 0,33 0,2 Bajra 0,31 0,23 Hạt chứa dầu Lạc 0,6 0,46 Đỗ tương 0,88 0,56 Hạt bông 0,93 0,786 Hạt hướng dương 0,9 0,45 Phân tử IP6 có chứa 28,2% phospho, trong đó thường tồn tại dưới các dạng muối khác nhau như muối của magie trong gạo, lúa mỳ, đậu tằm và hạt vừng, muối Ca-Mn-K trong hạt đậu nành [5, 67, 92, 93, 103, 134, 135].
Phytate được tích lũy trong hạt trong suốt quá trình chín và trưởng thành, cùng với các hợp chất khác như tinh bột, protein và lipid [46, 94, 105]. Năm 1980, Cosgrove và Irving đã đưa ra những vai trò của phytate trong các loại hạt là: (i) là nguồn dự trữ phospho, (ii) là nguồn dự trữ năng lượng, (iii) là chất cạnh tranh với adenosine triphosphate trong suốt quá trình sinh tổng hợp phytin trong thời gian trưởng thành của hạt khi quá trình trao đổi chất của hạt bị ức chế và trạng thái tiềm sinh, (iv) như là một chất bất hoạt các ion hóa trị II cần cho sự điều khiển các quá trình của tế bào và được giải phóng trong suốt quá trình nảy mầm dựa trên hoạt động của enzyme phytase sẵn có trong thực vật, (v) là chất điều chỉnh hàm lượng Pi sẵn có trong hạt [22]. Ngoài ra, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com axit phytic còn đóng vai trò là chất kháng nấm trên các cánh đồng, ngăn ngừa sự sản sinh aflatoxyn ở các hạt đậu nành nhờ sự gắn kết với Zn2+ [39]. IP6 có thể được tìm thấy trong nhân hồng cầu ở các loài chim, cá nước ngọt và rùa, cũng như được tìm thấy trong các loại đất hữu cơ [17, 27].
Ngoài ra, các phân tử dưới IP6 trong quá trình phosphoyl hóa như IP5, IP4, IP3, IP2 và cả IP6 cũng tham gia vào quá trình truyền tín hiệu tế bào và hệ thống vận chuyển phosphate có mặt ở hầu hết các mô động và thực vật [79]. Ở thực vật quá trình tổng hợp IP6 diễn ra thường xuyên tuy nhiên đã có những bằng chứng chứng minh rằng ở người đôi khi có sự tổng hợp IP6 từ D-glucose nhờ hoạt động của enzyme phosphoylase đối với inositol-phosphate từ sự đóng vòng của glucose-6- phosphate. Một số loại mô của động vật có vú như tinh hoàn, tuyến vú, não, gan, thận có thể tổng hợp 4g IP6 mỗi ngày [41, 112].3 Đặc tính kháng dinh dưỡng của axit phytic IP6 là một cấu trúc tích điện âm ở dải pH rộng nên dễ dàng kết hợp với các ion tích điện dương như các ion kim loại, các hợp chất tích điện âm hình thành các phức khó tan làm giảm khả năng tiêu hóa và hấp thụ các chất này trong ruột non. Do đó phytate được coi là một hợp chất kháng dinh dưỡng (an anti-nutritional compound) [138].
Trong các điều kiện trung tính hoặc kiềm nhẹ, các ion kim loại thiết yếu như Ca2+, Zn2+, Fe2+ có mặt trong thức ăn có thể liên kết với axit phytic và hình thành nên các phức IP6-kim loại kết tủa xuống. Độ bền vững của các kết tủa này theo thứ tự: Zn2+> Cu2+>Co2+> Mn2+> Ca2+, trong khi đó ở pH 7,4 thứ tự này có thể là là: Cu2+> Zn2+> Ni2+> Co2+> Mn2+> Fe2+> Ca2+ [69, 150]. Các ion kim loại có thể tương tác với các nhóm OH- của cùng một nhóm phosphate hoặc các nhóm phosphate khác nhau trong phân tử IP6, thậm chí ion kim loại có thể liên kết với các nhóm phosphate của các phân tử IP6 khác nhau. Sự không hòa tan của các phức này cũng là nguyên nhân chính gây ra giảm khả năng hấp thu các ion kim loại trong các khẩu phần ăn có chứa hàm lượng axit phytic cao.
Ngoài ra, sự có mặt đồng thời của 2 ion kim loại khác nhau làm tăng quá trình kết tủa của các phức IP6-kim loại [126]. Sự ảnh hưởng của IP6 tới khả năng hấp thụ các ion kim loại này còn phụ thuộc vào LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com các yếu tố khác như cách thức chế biến thức ăn, các loại IP6 khác nhau, sự có mặt của các yếu tố khác cũng có tương tác với ion kim loại (yếu tố cạnh tranh với IP6) như cellulose, axit oxalic, tannin, sự có mặt của phytase trong ruột hoặc phytase vi khuẩn hay quá trình thích nghi trao đổi chất của cá thể với khẩu phần ăn giàu phytate [138]. Sự tương tác của các ion kim loại với IP6 Sự hình thành phức giữa IP6 và canxi gây ra hiện tượng kháng vôi hóa (anticalcifying) dẫn đến loãng xương (hình thành các vách trống trong xương) ở chó và người [78, 151]. Tuy nhiên theo các nghiên cứu năm 1951 của Walker và cộng sự, dưới cùng một điều kiện, hàm lượng axit phytic trong khẩu phần ăn có ảnh hưởng đến sự hấp thụ Ca2+ nhưng sự ảnh hưởng này không phải là mãi mãi, con người có thể thích nghi với các khẩu phần ăn có hàm lượng phytate cao và tự điều chỉnh sau một thời gian ngắn nên hàm lượng canxi hấp thụ được không có sự khác biệt giữa chế độ ăn thông thường và chế độ ăn khi thí nghiệm [151].
Một báo cáo cũng đã nêu ra tình trạng suy dinh dưỡng ở quần thể dân cư ở vùng bắc Ấn Độ, Pakistan, Iran và trong số những người Ả-rập du cư có liên quan đến loại thức ăn chính làm từ ngũ cốc không lên men là chapatis (1 loại bánh mỳ không có men) có chứa 1 lượng lớn phytate [113, 154]. Sự thiếu hụt magie liên quan tới khẩu phần ăn có hàm lượng phytate cao cũng đã được đề cập tới ở gà và chuột [77, 117]. Bên cạnh đó các triệu chứng sự thiếu hụt kẽm do khẩu phần ăn có hàm lượng phytate cao cũng đã được nghiên cứu ở người, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com gà, lợn và chuột [23, 30, 68, 69, 89, 90]. Do các phức IP6-Ca-Zn ít hòa tan hơn so với các phức IP6-Zn tương ứng nên sự hình thành của phức IP6-Ca-Zn thậm chí còn kích thích các triệu chứng của sự thiếu hụt kẽm [15,138].
Ngoài ra khi bổ sung natri phytate vào bánh mỳ trắng hoặc sữa cũng làm giảm sự hấp thụ sắt ở người xuống 15 lần [127]. Đã có rất nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng phytate không có ảnh hưởng tới sự hấp thu sắt ở động vật mặc dù protein đậu nành (có chứa hàm lượng lớn phytate) được cho là nguồn thức ăn giàu sắt [131]. Sau này những nghiên cứu của các nhà khoa học đã tìm ra rằng dạng tồn tại chính của sắt ở trong cám lúa mỳ và đậu nành là dạng mono, có khả năng sử dụng được trực tiếp cao, tương tự như khẩu phần ăn có bổ sung sắt vô cơ hoặc ammoni sulfate sắt [82]. Sự bổ sung 1% phytate vào chế độ ăn có albumin trứng làm giảm đáng kể khả năng hấp thụ đồng và mangan ở chuột [24].