Tài liệu Nghiên cứu tách chiết anthocyanin có hỗ trợ siêu âm từ củ hành tím (allium ascalonium) và ứng dụng trong chế biến thực phẩm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu tách chiết anthocyanin có hỗ trợ siêu âm từ củ hành tím (Allium ascalonium) và ứng dụng trong chế biến thực phẩm ĐINH LÊ KHANH [email protected] Ngành Công nghệ thực phẩm Giảng viên hướng dẫn 1: PGS.TS. Cung Thị Tố Quỳnh Viện: Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Giảng viên hướng dẫn 2: PGS.TS. Hoàng Thị Lệ Hằng Viện: Nghiên cứu Rau quả Hà Nội, 2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn : Đinh Lê Khanh Đề tài luận văn: Nghiên cứu tách chiết anthocyanin có hỗ trợ siêu âm từ củ hành tím (Allium ascalonium) và ứng dụng trong chế biến thực phẩm Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số SV: CB190026 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 30/7/2022 với các nội dung sau: - Cân đối bố cục các phần trong luận văn. - Bổ sung thông tin về thiết bị sử dụng trong nghiên cứu. - Chỉnh sửa các lỗi chính tả. Ngày 10 tháng 8 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn Cung Thị Tố Quỳnh Đinh Lê Khanh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Vũ Hồng Sơn LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, bên cạnh sự cố gẵng nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều cá nhân và tập thể. Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Cung Thị Tố Quỳnh – Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Đại học Bách Khoa Hà Nội và PGS.TS Hoàng Thị Lệ Hằng – Viện Nghiên cứu Rau quả, hai cô đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện và hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ tại bộ môn Quản lý chất lượng, bộ môn Công nghệ thực phẩm - Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Đại học Bách Khoa Hà Nội và cán bộ tại bộ môn Sinh lý, sinh hóa và công nghệ sau thu hoạch – Viện Nghiên cứu Rau quả đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài. Cuối cùng, với lòng biết ơn chân thành, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ, hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 7 năm 2022 Học viên Đinh Lê Khanh TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Bên cạnh tính năng màu sắc, anthocyanin còn được quan tâm nhiều hơn bởi hoạt tính sinh học quý cho sức khỏe như khả năng chống oxy hóa, chống dị ứng, chống viêm,… [1]. Hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu về vai trò, tách chiết, thu nhận anthocyanin và chiết tách chúng có hỗ trợ siêu âm là kỹ thuật tách chiết nhanh chóng, đơn giản, chi phí thấp và mang lại hiệu quả cao. Phương pháp này đã được ứng dụng tách chiết anthocyanin từ một số nguyên liệu khác nhau như vỏ cà tím [2], bắp cải tím [3] , khoai lang tím [4] , củ cải đỏ [5], ... Hành tím (Allium ascolonium) là một loại rau gia vị với nhiều lợi ích cho cơ thể thông qua việc cung cấp các hoạt chất sinh học có tác dụng hỗ trợ chống oxy hóa (anthocyanin, anthocyanidin), các chất kháng tiểu cầu và chống đông máu, trị hen suyễn và các hiệu ứng kháng sinh [6]. Chính vì vậy, việc sử dụng hành tím như một nguồn nguyên liệu để thu nhận hợp chất anthocyanin tự nhiên được xem là giải pháp hữu hiệu vừa thu được nguồn hoạt chất sinh học quý tự nhiên, vừa góp phần tăng giá trị cho loại nông sản này. Kết quả nghiên cứu như sau: các điều kiện tách chiết thích hợp cho hàm lượng anthocyanin là: nguyên liệu được nghiền nhỏ, sử dụng hệ dung môi ethanol 50%, bổ sung 1% acid HCl với tỷ lệ dung môi:nguyên liệu từ 6:1 đến 10:1 (ml/g); nhiệt độ siêu âm trong khoảng 40oC đến 60 oC; thời gian siêu âm: 30 đến 50 phút. Điều kiện tách chiết được tối ưu hóa như sau: hệ dung môi lựa chọn ethanol 50% có bổ sung 1% acid HCl; tỷ lệ dung môi:nguyên liệu 8,11 ml/g; nhiệt độ siêu âm: 45,15 oC và thời gian siêu âm 35,65 phút. Hàm lượng anthocyanin thu được từ kết quả thực nghiệm là được 24,58 mg/100g nguyên liệu. Kết quả khảo sát hoạt tính chống oxy hóa của dịch chiết cô đặc giàu anthocyanin dựa vào phương pháp DPPH đã xác định được dịch chiết cô đặc (IC50 =19,456 µg/ml) có khả năng chống oxy hóa ở mức trung bình so với vitamin C (IC50 = 15,847 µg/ml). Khảo sát độ bền màu của dịch chiết cô đặc anthocyanin tại điều kiện nhiệt độ 10oC, 25 oC, 40 oC và điều kiện có ánh sáng/không có ánh sáng trong 30 ngày. Kết quả sau 30 ngày bảo quản dịch chiết anthocyanin tại điều kiện nhiệt độ thấp (10 oC) và không có ánh sáng phần trăm chất màu anthocyanin còn lại là cao nhất (78,67%), tại điều kiện có ánh sáng là 74,33%. Ứng dụng bổ sung dịch chiết cô đặc giàu anthocyanin vào giai đoạn sau đồng hóa (nồng độ 20% thể tích) trong quy trình sản xuất quả sơri. Sau 30 ngày bảo quản ở điều kiện nhiệt độ 10oC thì hàm lượng anthocyanin trong nước quả đạt 23,78mg/mL với màu sắc sản phẩm là màu tím và được đánh giá cảm quan đạt loại khá. Học viên Đinh Lê Khanh MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................ 2 1.1. Tổng quan về nguyên liệu hành tím.......................................................... 2 1.1.1. Nguồn gốc của hành tím .................................................................... 2 1.1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ hành tím ............................................. 2 1.1.3. Công dụng của hành tím .................................................................... 3 1.2. Tổng quan về hợp chất chất màu anthocyanin.......................................... 4 1.2.1. Giới thiệu chung về anthocyanin ....................................................... 4 1.2.2. Sự phân bố của anthocyanin trong tự nhiên ....................................... 6 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền màu của anthocyanin ................... 7 1.2.4. Chức năng sinh học và dược học của anthocyanin ............................ 9 1.2.5. Ứng dụng của anthocyanin trong chế biến thực phẩm..................... 11 1.3. Tổng quan về kỹ thuật tách chiết ............................................................ 12 1.3.1. Nguyên lý quá trình tách chiết các hoạt chất sinh học ..................... 12 1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách chiết ................................ 13 1.3.3. Kỹ thuật tách chiết anthocyanin ....................................................... 15 1.3.4. Một số nghiên cứu về tách chiết anthocyanin từ củ hành tím ............. 20 1.4. Quy trình chế biến nước quả sơri và các vấn đề về chất lượng .............. 23 1.4.1. Tổng quan chung về quả sơri ........................................................... 23 1.4.2. Quy trình chế biến nước quả sơri ..................................................... 24 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..... 28 2.1. Nguyên vật liệu nghiên cứu ....................................................................... 28 2.1.1. Nguyên liệu .......................................................................................... 28 2.1.2. Hóa chất và thiết bị phân tích .............................................................. 28 2.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 28 2.2.1. Sơ đồ nghiên cứu và bố trí thí nghiệm ................................................. 28 2.2.2. Bố trí thí nghiệm .................................................................................. 29 2.4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 37 2.4.1. Phương pháp xác định độ ẩm ............................................................... 37 2.4.2. Xác định hàm lượng anthocyanin theo nguyên tắc của phương pháp vi sai (AOAC 2005.02) ...................................................................................... 38 2.4.3 Xác định hoạt tính chống oxy hóa của anthocyanin ............................. 39 2.4.4. Xác định độ bền màu của anthocyanin ................................................ 40 2.4.5. Phương pháp đánh giá cảm quan ......................................................... 40 2.4.6. Phương pháp xử lý số liệu.................................................................... 42 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 43 3.1. Khảo sát các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình tách chiết anthocyanin từ củ hành tím có hỗ trợ siêu âm. ................................................. 43 3.1.1. Ảnh hưởng của loại dung môi đến hàm lượng anthocyanin ............ 43 3.1.2. Ảnh hưởng của siêu âm đến hàm lượng anthocyanin ...................... 44 3.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ acid bổ sung vào hệ dung môi đến hàm lượng anthocyanin .......................................................................................... 44 3.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ dung môi đến hàm lượng anthocyanin ..... 45 3.1.5. Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu đến hàm lượng anthocyanin . .......................................................................................................... 46 3.1.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi: nguyên liệu đến hàm lượng anthocyanin .................................................................................................... 47 3.1.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ siêu âm đến hàm lượng anthocyanin ........ 48 3.1.8. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hàm lượng anthocyanin ....... 49 3.2. Kết quả tối ưu hóa quá trình thu nhận anthocyanin ................................ 51 3.3. Đánh giá hoạt tính chống oxy hóa và độ bền màu của anthocyanin từ củ hành tím ............................................................................................................. 55 3.3.1. Đánh giá hoạt tính chống oxy hóa của anthocyanin từ củ hành tím.55 3.3.2. Đánh giá độ bền màu của anthocyanin từ củ hành tím .................... 57 3.4. Ứng dụng anthocyanin từ củ hành tím trong chế biến nước quả sơri ..... 58 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................... 61 4.1. Kết luận ...................................................................................................... 61 4.2. Kiến nghị .................................................................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 62 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 71 DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Tên đầy đủ FAO Food and agriculture organization of the United Nation (Tổ chức Nông nghiệp và Lương thực Liên Hợp Quốc) HAE Heat-assisted extraction (chiết xuất có hỗ trợ nhiệt) UAE Ultrasound-assisted extraction (chiết xuất có hỗ trợ siêu âm) MAE Microwave-assisted extraction (chiết xuất có hỗ trợ vi sóng) SFE Supercritical fluid extraction (chiết xuất bằng chất lỏng siêu tới hạn) HPLE High-pressure liquid extraction (chiết xuất bằng chất lỏng áp suất cao) PEFE Pulsed electric fields (chiết xuất bằng xung điện trường) HVED High voltage electrical discharge (chiết xuất bằng điệp áp cao) EAE DPPH Enzyme-assisted extraction (chiết xuất có hỗ trợ enzyme) 2,2 – Diphenyl- 1- picrylhydrazyl ( hoặc là: 1,1-diphenyl-2picrylhydrazyl) DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ Hình 1. 1. Củ hành tím Sóc Trăng [11] .................................................................. 2 Hình 1. 2. Vị trí anthocyanin trong tế bào thực vật [20] ........................................ 4 Hình 1. 3. Cấu trúc cơ bản của gốc aglycon của anthocyanin [21] ........................ 5 Hình 1. 4. Một số nguyên liệu giàu anthocyanin.................................................... 6 Hình 1. 5. Ảnh hưởng của pH đên cấu trúc của anthocyanin [23] ......................... 7 Hình 1. 6. Sơ đồ phân giải anthocyanin tại pH cao [25] ........................................ 8 Hình 1. 7. Hình A: Biểu diễn sơ đồ của thiết bị chiết xuất có hỗ trợ siêu âm ...... 18 Hình 1. 8. Quả sơri [74] ........................................................................................ 24 Hình 1. 9. Sơ đồ quy trình chế biến nước quả sơri ............................................... 25 Hình 2. 1. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát ................................................................. 29 Hình 3. 1. Ảnh hưởng của loại dung môi đến hàm lượng anthocyanin trong dịch chiết ..................................................................................................... 43 Hình 3. 2. Ảnh hưởng của siêu âm đến hàm lượng anthocyanin trong dịch chiết44 Hình 3. 3. Ảnh hưởng nồng độ acid HCl bổ sung vào hệ dung môi đến hàm lượng anthocyanin trong dịch chiết..................................................... 45 Hình 3. 4. Ảnh hưởng của nồng độ dung môi bổ sung vào hệ dung môi đến hàm lượng anthocyanin trong dịch chiết..................................................... 46 Hình 3. 5. Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu đến hàm lượng anthocyanin trong dịch chiết.................................................................................... 47 Hình 3. 6. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi: nguyên liệu đến hàm lượng anthocyanin trong dịch chiết ............................................................... 48 Hình 3. 7. Ảnh hưởng của nhiệt độ siêu âm đến hàm lượng anthocyanin trong dịch chiết ............................................................................................. 49 Hình 3. 8. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hàm lượng anthocyanin trong dịch chiết ............................................................................................. 50 Hình 3. 9. Tỷ lệ bắt gốc tự do của dịch chiết cô đặc anthocyanin........................ 56 Hình 3. 10. Tỷ lệ bắt gốc tự do của mẫu đối chứng vitamin C ............................ 56 Hình 3. 11. Độ bền của dịch chiết cô đặc anthocyanin ........................................ 57 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Hàm lượng anthocyanin trong một số loại rau, củ, quả [27] ................ 6 Bảng 1. 2. Một số điều kiện chiết anthocyanin ở áp suất thường [52] ................. 16 Bảng 1. 3. Điều kiện tách chiết có hỗ trợ sóng siêu âm và hàm lượng anthocyanin từ một số nguyên liệu khác nhau [49] ................................................. 18 Bảng 3. 1. Ma trận kế hoạch trực giao và kết quả thực nghiệm ........................... 51 Bảng 3. 2. Bảng kết quả ANOVA ........................................................................ 52 Bảng 3. 3. Kết quả đánh giá khả năng chống oxy hóa của dịch chiết anthocyanin cô đặc và vitamin C ............................................................................. 56 Bảng 3. 4. Kết quả đánh giá một số chỉ tiêu sản phẩm nước quả sơri có bổ sung dịch chiết anthocyanin sau ngày đầu tiên chế biến ............................. 59 Bảng 3. 5. Kết quả đánh giá một số chỉ tiêu sản phẩm nước quả sơri sau 30 ngày bảo ôn .................................................................................................. 60 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, chất lượng cuộc sống của con người được nâng cao, yêu cầu về thực phẩm không những có giá trị cảm quan tốt (hương, vị, màu sắc) mà còn cần chứa các hoạt chất sinh học tốt sức khỏe. Tuy nhiên, phần lớn các chất màu sử dụng hiện nay trong thực phẩm là chất màu tổng hợp, ảnh hưởng đến sức khỏe của người tiêu dùng. Vì vậy, chất màu tự nhiên đang được nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt là chất màu anthocyanin và việc tìm kiếm nguồn nguyên liệu đa dạng cung cấp hàm lượng cao anthocyanin đã được tập trung nghiên cứu. Hành tím được được coi là một loại gia vị đăc trưng của người Việt cũng như một số nước trên thế giới như: Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản.... Hành tím ngoài là một loại rau gia vị thì còn được biết đến là một vị thuốc cổ truyền với nhiều chất dinh dưỡng tốt cho cơ thể như các hoạt chất chống oxy hóa anthocyanin, anthocyanidin, các chất kháng tiểu cầu và chống đông máu, trị hen suyễn và các hiệu ứng kháng sinh [6]. Chính vì vậy, việc sử dụng hành tím như một nguồn nguyên liệu để thu nhận hợp chất anthocyanin tự nhiên được xem là giải pháp hữu hiệu vừa thu được nguồn hoạt chất sinh học quý tự nhiên, vừa góp phần giải quyết vấn đề bài toán khó cho ngành nông nghiệp nói chung và giải quyết vấn đề tìm ra các hợp chất màu có nguồn gốc tự nhiên nói riêng và giúp nâng cao giá trị nông sản Việt. Từ những thực tế kể trên, chúng tôi thực hiện nghiên cứu: “Nghiên cứu tách chiết anthocyanin có hỗ trợ siêu âm từ củ hành tím (Allium ascalonium) và ứng dụng trong chế biến thực phẩm”. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định được các thông số công nghệ và điều kiện tối ưu trong quá trình tách chiết anthocyanin có hỗ trợ siêu âm từ củ hành tím. - Ứng dụng anthocyanin vào quá trình chế biến đồ uống. 3. Nội dung nghiên cứu - Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến tách chiết anthocyanin từ củ hành tím có hỗ trợ siêu âm. - Tối ưu hóa quá trình thu nhận anthocyanin từ củ hành tím. - Khảo sát hoạt tính chống oxy hóa và độ bền màu của dịch chiết anthocyanin từ củ hành tím. - Ứng dụng dịch chiết anthocyanin từ củ hành tím trong chế biến nước quả sơri. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về nguyên liệu hành tím 1.1.1. Nguồn gốc của hành tím Hành tím có tên khoa học là Allium ascaloniccum L, nó được bắt nguồn từ chữ Ascalon là tên một thị trấn ở miền Nam Palestin, nơi các nhà khoa học cho là nguồn gốc xuất xứ của hành. Ở nước ta, đồng bằng sông Cửu Long cũng không biết được xuất xứ của giống hành tìm mà chỉ thấy mọi người gọi nó chúng là “hành tàu”, bởi chúng được người Hoa trồng từ rất sớm và gặp được thời tiết, đất đai phù hợp và phát triển đến hôm nay. Thị xã Vĩnh Châu – tỉnh Sóc Trăng là một trong ba vùng có diện tích trồng hành tím lớn nhất cả nước – lên đến 6.600 ha, sản lượng khoảng 100 tấn đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong nước và xuất khẩu [7]. Ngoài thị xã Vĩnh Châu– tỉnh Sóc Trăng thì tỉnh Quảng Ngãi và một số tỉnh thành ven thành phố Hà Nội cũng trồng nhiều hành tím; tuy nhiên hành tím ở Vĩnh Châu có đặc điểm vượt trội hơn hẳn về mùi vị cay nồng và màu tím sáng đặc trưng. [8]. Hình 1. 1. Củ hành tím Sóc Trăng [9] 1.1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ hành tím a. Tình hình sản xuất và tiêu thụ hành tím trên thế giới Theo số liệu của FAO năm 2020, sản lượng hành đạt hơn 104 triệu tấn, được trồng trên 5,4 triệu ha trên khắp thế giới; chủ yếu tập trung ở các nước như Trung Quốc, Ấn Độ, Mỹ, Pakistan, Thổ Nhĩ Kỳ, Nga, Iran, Brazil, Mexico và Tây Ban Nha. Trong đó, Ấn Độ có diện tích trồng hành lớn nhất thế giới trên 1,4 triệu ha; sản lượng đạt 26,74 triệu tấn/năm; tiếp đó là Trung Quốc có diện tích trồng trên 1,08 triệu ha, sản lượng đạt được 23,72 triệu tấn. Một số nước trên thế giới có sản lượng hành đạt mức cao như Hàn Quốc (79,62 tấn/ha); Mỹ (71,10 tấn/ha); Tây Ban Nha (52,10 tấn/ha); Nhật Bản (49,32 tấn/ha). [10] 2 Mỗi năm, giá trị hàng hóa của hành trên thế giới ước tính khoảng 105 tỷ £. Mức tiêu thụ hành trung bình hàng năm khoảng 13,67 £/đầu người, trong đó Libya là nước có mức tiêu thụ hành cao nhất (trung bình 66,8 £/ đầu người). Các nước tham gia xuất khẩu hành trên thế giới bao gồm: Trung Quốc, Ấn Độ, Hà Lan, Ai Cập, Iran, Thổ Nhĩ Kỳ, Mỹ, Brazil và các nước nhập khẩu hành nhiều nhất là: Srilanka, Malaysia, Maldives, Nepal, Dubai, Indonesia, Uae, Pakistan, Ả-rập xê-út, Qatar, Bangladesh. b. Tình hình sản xuất và tiêu thụ hành tím ở Việt Nam. Hành tím là cây rau màu truyền thống và cũng là mặt hàng đặc sản của các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, diện tích trồng củ hành tím tăng dần sau từng năm với sản lượng cung cấp cho thị trường cả nước lên đến hàng chục ngàn tấn mỗi năm, trong đó diện tích sản xuất tập trung nhiều nhất ở tỉnh Sóc Trăng, sau đó đến các tỉnh Tiền Giang, Trà Vinh, Kiên Giang… với năng suất gần 30 tấn/ha. Sóc Trăng được coi là xứ sở đặc sản củ hành tím [11], đặc biệt thị xã Vĩnh Châu có diện tích trồng hành tím lớn nhất cả nước, năm 2021, người dân xuống giống khoảng 6.500ha, tăng so với năm trước 400ha; năng suất bình quân khoảng 18 tấn/ha [12]. Hành tím đã trở thành đặc sản độc đáo của Vĩnh Châu, hiện đã có thương hiệu “hành tím Vĩnh Châu” nổi tiếng trong và ngoài nước, mỗi năm cung ứng cho thị trường nội địa và xuất khẩu sang Nhật Bản, Indonesia trên dưới 50 tấn [13]. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của dịch bệnh COVID-19, nên tình hình tiêu thụ gặp nhiều khó khăn, sản lượng hành tím tồn đọng quá lớn, gây ảnh hưởng đến đời sống người nông dân trồng hành. Chính vì vậy, cần phải tìm giải pháp để giải quyết bài toán ổn định đầu ra cho loại nông sản này. 1.1.3. Công dụng của hành tím Hành tím thuộc nhóm rau ăn củ, được sử dụng rộng rãi trong việc chế biến thức ăn hàng ngày. Hành tím Vĩnh Châu có hàm lượng các chất và hợp chất hóa học cơ bản cũng như đặc trưng khác biệt so với hành tím các khu vực khác: hàm lượng các nhóm vitamin, đường tổng 7,2 - 7,5%, độ Brix 11,4 - 14, chất béo 1,18% và độ ẩm khoảng 73%; hàm lượng tổng số các hợp chất sulfur từ 688,7 723,1 mg/100 g hành tươi; các hợp chất flavonoid cũng có hàm lượng vượt trội ở hành tím Vĩnh Châu, đặc biệt là anthocyanin 16,5 - 17,3 mg/100 g và quercetin 20,2 - 32,5 mg/100 g hành tươi; hàm lượng hợp chất saponin cũng ghi nhận ở mức cao từ 15,1 - 19,1 mg/100 g hành tươi. Hành tím Vĩnh Châu có những đặc tính cảm quan đặc trưng như vị cay, mùi thơm đặc trưng, có vị ngọt khi ăn, màu tím đậm, độ ẩm bề mặt lớn tạo cảm giác giòn. [14] 3 1. Hành được sử dụng phổ biến khắp nơi trên thế giới, chủ yếu là dùng làm gia vị trong chế biến thực phẩm và làm thuốc chữa bệnh. Hành có chứa các hoạt chất sinh học có lợi cho sức khỏe bao gồm các sulfur hữu cơ như cepaenes và thiosulfi nate, các flavonoid như quercetin và kaempferol, các chất màu như anthocyanin. Những hoạt tính sinh học đáng chú ý là tác dụng kháng khuẩn, kháng nấm, ngăn ngừa ung thu bàng quang, não, vú, đại tràng, phổi, buồng trứng và dạ dày, cải thiện chức năng thận, tăng cường chức năng miễn dịch, ngăn ngừa tiểu đường, HIV/AIDS, bệnh tim mạch và chống oxy hóa [15]. 1.2. Tổng quan về hợp chất chất màu anthocyanin 1.2.1. Giới thiệu chung về anthocyanin Anthocyanin (tiếng Hy Lạp: Anthos là hoa; kyanos là màu xanh đậm) là sắc tố tự nhiên thuộc nhóm flavonoid. Chúng nằm trong không bào của các mô hoa, quả, trong các tế bào biểu bì dưới biểu bì của lá, thân và rễ, hoa và quả. Anthocyanin thường dễ thấy nhất ở cánh hoa, nơi mà chúng có thể chiếm khoảng 30% trọng lượng khô của mô. Chúng cũng chịu trách nhiệm cho màu tím nhìn thấy được ở mặt dưới của các loài thực vật nhiệt đới. [16]. Hình 1. 2. Vị trí anthocyanin trong tế bào thực vật [16] Anthocyanin trong thực vật còn mang đến cho chúng 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 anthocyanin (hay còn gọi là aglycon) [17]. 4 Hình 1. 3. Cấu trúc cơ bản của gốc aglycon của anthocyanin [17] 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 [17]. 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 [18]. Anthocyanin có thể được acyl hóa bởi các acid hữu cơ phân tử lượng thấp bằng liên kết este với nhóm OH- của phần hần 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 [19], [20]. Anthocyanin có tính 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 [21]. 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 [22]. 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 thụ 5 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 1.2.2. Sự phân bố của anthocyanin trong tự nhiên Anthocyanin xuất hiện rộng rãi trong khoảng ít nhất 27 họ, 73 loài và chứa trong các không bào thực vật. 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 [21]. Một số nguyên liệu giàu anthocyanin được thể hiện trong hình dưới đây. Quả việt quất Bắp cải tím Khoai lang tím Hình 1. 4. Một số nguyên liệu giàu anthocyanin Hàm lượng anthocyanin liên quan trực tiếp đến độ ẩm của màu sắc quả, quả càng đậm màu thì hàm lượng anthocyanin càng cao [17]. Hàm lượng của anthocyanin của một số loại rau củ quả được trình bày ở bảng dưới đây. Bảng 1. 1. Hàm lượng anthocyanin trong một số loại rau, củ, quả [23] Nguyên liệu Hàm lượng anthocyanin (mg/100g nguyên liệu) Quả mận 2 – 25 Củ cải đỏ 11 – 60 Quả dâu tây 15 – 35 Khoai lang tím 84 – 174 Bắp cải tím 25 – 30 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 [24]. 6 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền màu của anthocyanin a. Ảnh hưởng của cấu trúc Độ bền màu và cường độ màu của các anthocyanin phụ thuộc vào vị trí và số lượng của nhóm hydroxyl, methocyl, đường và các đường được acyl hóa. Khi đó nhóm hydroxyl trong vòng b tăng, bước sóng hấp thụ cực đại ở vùng thấy được dịch chuyển về phía có bước sóng dài [25]. 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 methoxyl hóa các nhóm hydroxyl này làm giảm độ bền [21], [22]. b. Ảnh hưởng của pH 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 [19], [26], [21]. Hình 1. 5. Ảnh hưởng của pH đên cấu trúc của anthocyanin [19] Anthocyanin ổn định trong các dung dịch acid (pH=1-3); nơi chúng tồn tại chủ yếu dưới dạng catrion flavylium. Ở pH >4, anthocyanin tiếp nhận các dạng của carbinol và chalcone. Chalcone sau đó có thể trải qua quá trình phân hủy hóa học để tạo ra acid phenolic [27]. Cụ thể hơn, 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 không màu. Khi pH 6-7, base carbinol bị tách nước ở vị trí C2 tạo hành 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 7 vàng, thông qua việc mở vòng của pyran tương ứng [19]. Khi pH cao hơn nữa, anthocyanin sẽ tiếp tục bị phân hủy tạo thành aldehyde và acid cacboxylic [21]. Hình 1. 6. Sơ đồ phân giải anthocyanin tại pH cao [21] c. 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 phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc và bản thân anthocyanin đó [21]. 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 [28], [29]. 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 carboxyl - 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 [21], [30]. Ngoài ra, màu sắc của anthocyanin có thể bị thay đổi do sự hấp thụ ở trong polysaccharide. Khi đun nóng lâu dài thì nó có thể bị phân hủy mất chất màu, nhìn chung thì ở khoảng nhiệt độ 70oC sẽ dễ bị phân hủy và mất mà anthocyanin rất nhanh [31]. d. Ảnh hưởng của oxy Sự có mặt của oxy không khí làm tăng khả năng phân hủy của các anthocyanin sinh ra những sản phẩm không màu hoặc màu nâu. Kết quả nghiên cứu chỉ ra sự oxy hóa anthocyanin gây ra sự kết tủa và đóng váng trong một số loại nước trái cây giàu anthocyanin [21], [32], [33]. Mức độ phân hủy anthocyanin bởi oxy còn chịu tác động của pH, pH càng cao thì mức độ phá hủy anthocyanin càng mạnh. Anthocyanin cũng phản ứng với các gốc tự do như peroxyl, trong đó anthocyanin thể hiện vai trò chất kháng oxy hóa, tính chất này có ý nghĩa lớn với sức khỏe con người và bảo quản thực phẩm [21], [34]. e. Ảnh hưởng của enzyme 8 Các enzyme nội sinh trong tế bào của thực vật gây mất màu anthocyanin. Những enzyme này được gọi chung là anthocyanase. Dựa vào đặc tính của các enzyme mà người ta phân làm 2 nhóm: - Glycosidase: là enzyme thủy phân liên kết glycoside của anthocyanin tạo ra đường tự do và aglycon, aglycon này kém bền và mất màu rất nhanh. - Polyphenoloxydase: bao gồm peroxydase, phenolase, phenoloxydase và polyphenoloxydase đều là các nội enzyme có trong rau quả tự nhiên và chúng tham gia vào quá trình phân hủy anthocyanin. Phenolase có thể phản ứng trực tiếp với anthocyanin, đặc biệt sự phá hủy càng mạnh mẽ hơn khi có mặt các hợp chất phenol khác như catechol và acid caffeic. Một số nghiên cứu đã chứng minh, đối với hợp chất anthocyanin thì dạng anhydrobase dễ bị phá hủy bởi enzyme nhất [21], [35]. f. Ảnh hưởng của sự cộng hợp màu Trong không bào thực vật, anthocyanin tự do luôn không màu do pH gần trung tính. Song thực tế màu anthocyanin lại rất phong phú, điều này chứng tỏ có sự tương tác giữa anthocyanin với các chất cùng có mặt đó chính là hiện tương công hợp màu. Cộng hợp màu làm tăng sự ổn định của anthocyanin bằng cách ngăn chặn sự hydrat hóa của phần tử mang màu. Cộng hợp màu có thể xảy ra theo nhiều kiểu, song quan trọng nhất là tạo phức liên phân tử và nội phân tử [21]. 1.2.4. Chức năng sinh học và dược học của anthocyanin a. Đối với sự sinh trưởng và phát triển của thực vật Anthocyanin được ứng dụng trong việc sản xuất hạt hoặc củ giống có màu (lúa, các loại đậu...). Dựa vào màu sắc, có thể đánh giá được chất lượng của nông sản phục vụ cho thu hoạch hoặc chế biến. Bên cạnh đó, màu sắc hấp dẫn của nông sản cũng có ý nghĩa trong việc thụ phấn hoặc phát tán hạt giống thông qua động vật hoặc côn trùng [36] . Hơn nữa, Anthocyanin là chất có khả năng hấp thụ tia UV nhằm bảo vệ bộ gen của thực vật trước các tia tử ngoại. Mặt khác, nó cũng được ứng dụng trong việc sản xuất hạt và bảo quản, nhìn vào màu sắc phần nào có thể đánh giá được chất lượng của vụ đó. Các nghiên cứu mới đây cho thấy rằng anthocyanin có tác dụng che chở các diệp lục, bảo vệ diệp lục chống lại cường độ ánh sáng, giúp ngăn chặn sự ức chế quá trình quang hợp chỉ ra 3 vai trò chính của nó trong thực vật bao gồm: - Hấp thụ các tia bức xạ - Vận chuyển các monosaccharide 9 - Điều chỉnh áp suất thẩm thấu trong các giai đoạn khô và nhiệt độ thấp [37] b. Đối với con người Anthocyanin được chứng minh có nhiều hoạt tính sinh học và có tác dụng phòng ngừa một số bệnh như: chống lão hóa, phòng chống ung thư, giảm nguy cơ của bệnh tim mạch, … - Hoạt tính chống oxy hóa Anthocyanin là chất màu tự nhiên có khả năng chống oxy hóa cao nhờ đặc tính hấp thụ các gốc tự do hay phản ứng với các gốc peroxyl tham gia vào các phản ứng oxy hóa dây chuyền, nhờ vào khả năng cho các gốc tự do H+, các hợp chất này có thể ức chế được phản ứng peroxyl hóa lipid [21]. Rất nhiều các nghiên cứu đã cho thấy mối tương quan khá cao giữa hàm lượng màu trong nguyên liệu trái cây, rau với khả năng chống oxy hóa. Sự khác nhau về cấu trúc của các anthocyanin cũng ảnh hưởng lớn đến hoạt tính chống oxy hóa. Khi nghiên cứu khả năng hấp thụ gốc tự do của một số anthocyanidin (peonidin, cyanidin, delphinidin, pelagonidin, malvidin) và các dẫn xuất của chúng với các gốc đường, kết quả cho thấy các anthocyanin có hoạt tính kháng oxy hóa khác nhau. Trên thực tế, bằng cách thay đổi vị trí và loại gốc hóa học gắn vào vòng thơm của phân tử anthocyanin, khả năng nhận electron từ các gốc tự do cũng sẽ khác nhau. Các kiểu hydroxyl hóa và glycosyl hóa khác nhau trong anthocyanin có vai trò quyết định đến khả năng chống oxy hóa của chúng. Tuy nhiên cho đến nay, mối quan hệ giữa cấu trúc của các anthocyanin với hoạt tính kháng oxy hóa của chúng vẫn chưa được xác định một cách rõ ràng [21]. - Hoạt tính ngăn ngừa và hạn chế bệnh ung thư Một số nghiên cứu vitro đã cho thấy tác động của anthocyanin về khả năng tăng trưởng và di căn của một số loại tế bào ung thư. Anthocyanin hoặc dịch chiết giàu anthocyanin đã có tác dụng hạn chế sự tăng trưởng nhiều loại tế bào ung thư như: ung thư vú, ung thư tuyến tiền liệt, ung thư đại tràng,… Một số nghiên cứu cho thấy anthocyanidin ức chế tăng trưởng tế bào ung thư hiệu quả hơn các hình thức glucoside. Ví dụ, anthocyanidin có khả năng ức chế đáng kể sự tăng trưởng tế bào trong khoảng nồng độ thấp hơn (10-5 M) trong khi đó anthocyanin (10-4 M) [38]. Chế độ ăn giàu anthocyanin đã được chứng minh là có đặc tính phòng ngừa ung thư trong nhiều nghiên cứu vivo. Nghiên cứu được thực hiện như sau: Chuột bị gây khối u bởi N-nitrosomethylbenzylamine (NMBA), 10 sau 2 tuần ăn với chế độ ăn có quả mâm xôi đen đông khô chứa anthocyanin, kết quả đã ức chế sự phát triển khối u, ức chế tăng sinh tế bào ung thư [39]. Trong một nghiên cứu khác, thực hiện trên mẫu chuột bị gây khối u bởi 7,12 dimethyl benza anthracene (DMBA) - chất gây ung thư vú ở con người, chúng được ăn theo chế độ thức ăn có chứa chiết xuất anthocyanin từ ngô tím dạng cyanidin 3O-beta-D-glucoside, kết quả cho thấy khối u được ức chế đáng kể [38]. - Hoạt tính ngăn ngừa và hạn chế các bệnh về tim mạch, Các hợp chất flavonoid nói chung và các anthocyanin nói riêng có khả năng làm giảm nguy cơ mắc bệnh động mạch vành bởi khả năng ngăn chặn sự oxy hóa các lipoprotein có tỷ trọng thấp trong huyết tương. Sự oxy hóa các hợp chất này được xem như một bước quan trọng trong sự hình thành các khối xơ động mạch và từ đó dẫn đến căn bệnh động mạch vành. Vai trò của anthocyanin trong việc phòng chống các bệnh tim mạch có liên quan trực tiếp đến hoạt tính chống oxy hóa, giảm viêm, tăng độ bền và khả năng thẩm thấu của thành mạch máu, ức chế sự đông tụ của các tiểu huyết cầu [39], [40]. Tóm lại cho đến nay phần lớn các nghiên cứu về vai trò của anthocyanin đối với sức khỏe con người vẫn chưa thể giải thích rõ ràng về cơ chế hoạt động. Bất cứ loại thực vật nào chứa anthocyanin cũng đều có chứa rất nhiều những hợp chất flavonoid khác, có đến hơn 4000 hợp chất flavonoid khác nhau. Các hợp chất flavonoid này có thể phối hợp với nhau để làm tăng hoạt tính sinh học hay mức độ hấp thu của anthocyanin [21]. 1.2.5. Ứng dụng của anthocyanin trong chế biến thực phẩm a. Ứng dụng anthocyanin trong sản xuất thực phẩm chức năng Dựa theo nhiều nghiên cứu trên các dòng tế bào, mô hình động vật và thử nghiệm lâm sàng trên con người, kết quả cho thấy anthocyanin có nhiều hoạt tính sinh học như: hoạt tính kháng oxy hóa, chống viêm, ngăn ngừa hoạt động của tế bào ung thư, phòng chống bệnh tim mạch, kiểm soát béo phì, giảm nguy cơ bệnh tiểu đường, …. [21]. Với những hoạt tính sinh học của anthocyanin đã mở ra triển vọng về việc sản xuất thực phẩm chức năng hỗ trợ điều trị một số bệnh như: chống lão hóa, hạn chế sự suy giảm sức đề kháng, ngăn ngừa sự phát triển của các khối u bướu, giảm nguy cơ mắc ung thư, hạn chế nguy cơ bị đột quỵ, giảm cơn đau tim, giảm các tổn thương não và ngăn cản sự tạo thành các cục máu đông trong lòng mạch 11