Luận án ứng dụng phẩm màu giàu anthocyanin từ khoai lang tím trong chế biến thực phẩm

1 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong công nghệ chế biến thực phẩm, việc tạo màu cho sản phẩm có vai trị quan trọng người tiêu dùng không mong muốn sản phẩm thơm ngon mà cịn có màu sắc đẹp đảm bảo an tồn thực phẩm Chất màu làm tăng tính hấp dẫn cho sản phẩm thực phẩm, tăng tính cảm vị khả tiêu hóa cho người Tuy nhiên, phần lớn chất màu sử dụng thực phẩm chất màu tổng hợp, gây lo ngại sức khỏe cho người tiêu dùng Vì vậy, việc khai thác chất màu tự nhiên để ứng dụng lĩnh vực thực phẩm ngày nhà khoa học quan tâm, điều không đem lại giá trị cảm quan, gần gũi thiên nhiên mà cịn có ý nghĩa mặt an tồn thực phẩm Khoai lang tím (KLT) có tên khoa học Ipomoea batatas L, loại nơng sản có suất cao, vụ mùa tương đối ngắn, chứa nhiều chất dinh dưỡng, đặc biệt hàm lượng anthocyanin cao [78] Trong chất màu thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên anthocyanin nhóm chất màu tự nhiên tan nước lớn giới thực vật Ngoài việc tạo màu sắc đẹp an toàn cho thực phẩm, anthocyanin cịn hợp chất có nhiều hoạt tính sinh học như: khả kháng oxy hóa, kháng khuẩn, chống viêm, ngăn ngừa hạn chế phát triển tế bào ung thư, chống tia phóng xạ, hạn chế bệnh tim mạch, v.v [63], [76], [93] Đây hoạt tính sinh học q mà khơng phải hợp chất thiên nhiên có Trên giới, có nhiều giống KLT khác trồng rộng rãi nhiều nước Đã có nhiều nghiên cứu anthocyanin từ nhiều giống KLT khác nhau, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào xác định hàm lượng, điều kiện chiết tách, thành phần anthocyanin hoạt tính sinh học anthocyanin từ giống KLT Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu cơng bố quy trình thu nhận chất màu anthocyanin từ KLT nhằm ứng dụng chế biến thực phẩm Ở Việt Nam, KLT trồng nhiều nơi, đặc biệt tỉnh Đồng sông Cửu Long Giống KLT trồng phổ biến Việt Nam HL491, giống Trung tâm Nghiên cứu Thực nghiệm Nông nghiệp Hưng Lộc lai tạo giới thiệu từ tổ hợp Murasakimasari polycross nguồn gốc Nhật Bản [123] Nguồn nguyên liệu KLT giống HL491 Việt Nam dồi dào, giá rẻ việc tiêu thụ khó khăn chủ yếu phụ thuộc vào thương lái Trung Quốc nên thường rơi vào cảnh mùa giá Đồng thời, nghiên cứu hàm lượng, thành phần hoạt tính sinh học anthocyanin từ KLT giống HL491 cịn hạn chế Ngồi thành phần anthocyanin, KLT chứa hàm lượng tinh bột lớn Tinh bột khoai lang nói chung khoai lang tím nói riêng nguồn nguyên liệu lý tưởng cho việc sản xuất ethanol [34], [126] Do đó, vấn đề cần đặt nghiên cứu chiết tách anthocyanin từ KLT không làm giá trị nguồn tinh bột dồi Xuất phát từ lý trên, hướng nghiên cứu đề tài lựa chọn nghiên cứu xác định thành phần anthocyanin, độ bền màu hoạt tính sinh học anthocyanin từ KLT giống HL491 Đồng thời, nghiên cứu xây dựng quy trình thu nhận chất màu xây dựng tiêu chuẩn cho chất màu anthocyanin từ KLT Và cuối nghiên cứu ứng dụng chất màu anthocyanin thu chế biến số sản phẩm thực phẩm Điều không nâng cao giá trị sử dụng KLT giống HL491 Việt Nam, mà tạo chế phẩm màu tự nhiên nhằm thay chất màu nhân tạo ln tiềm ẩn nguy gây an tồn thực phẩm Đồng thời, sản phẩm thực phẩm có ứng dụng chất màu tự nhiên anthocyanin khơng có màu sắc đẹp mà cịn có nhiều hoạt tính sinh học Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng quy trình công nghệ thu nhận chất màu anthocyanin từ KLT xây dựng tiêu chuẩn cho chất màu thu - Ứng dụng chất màu anthocyanin từ KLT chế biến số sản phẩm thực phẩm Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu lựa chọn, xử lý nguyên liệu KLT để thu nhận chất màu anthocyanin; - Nghiên cứu thành phần anthocyanin, độ bền màu hoạt tính sinh học anthocyanin từ KLT giống HL491; - Nghiên cứu xây dựng quy trình cơng nghệ thu nhận chất màu anthocyanin xây dựng tiêu chuẩn cho chất màu thu - Nghiên cứu ứng dụng chất màu anthocyanin từ KLT chế biến số sản phẩm thực phẩm - Nghiên cứu tận dụng bã KLT sau chiết chất màu anthocyanin Phƣơng pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu sử dụng đề tài như: - Các phương pháp hóa lý: phương pháp xác định độ ẩm, hàm lượng kim loại nặng, hàm lượng đường khử, tinh bột, hàm lượng protein, hàm lượng cellulose, acid tổng số, hàm lượng ethanol, hàm lượng phenol tổng số, hàm lượng anthocyanin; phương pháp đo cường độ màu sắc, xác định độ màu, % màu polyme, độ bền màu anthocyanin, xác định hoạt tính kháng oxy hoá - Các phương pháp sinh học: xác định hoạt tính kháng vi sinh vật, hoạt tính gây độc tế bào ung thư, xác định số lượng vi sinh vật - Các phương pháp toán học: phương pháp quy hoạch thực nghiệm, phương pháp tối ưu hoá hàm đa mục tiêu, phương pháp giải tốn tìm cực đại hàm mục tiêu, phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm - Phương pháp đánh giá cảm quan sản phẩm: phương pháp đánh giá cảm quan thị hiếu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài * Ý nghĩa khoa học - Xác định điều kiện chiết tách anthocyanin từ KLT cho hàm lượng độ màu anthocyanin thu lớn - Xác định độ bền màu, thành phần anthocyanin hoạt tính sinh học anthocyanin từ KLT giống HL491 - Thiết lập quy trình thu nhận chất màu anthocyanin từ KLT tạo thành chế phẩm màu tự nhiên nhằm ứng dụng công nhệ thực phẩm - Xây dựng tiêu chuẩn sở cho chất màu anthocyanin từ KLT với vai trò phụ gia tạo màu công nghệ thực phẩm * Ý nghĩa thực tiễn - Nâng cao giá trị KLT giống HL491 trồng nhiều Việt Nam, góp phần tăng thu nhập cho người nơng dân - Thu nhận chất màu tự nhiên anthocyanin từ KLT nhằm ứng dụng công nghệ thực phẩm nhằm thay chất màu nhân tạo tiềm ẩn nguy gây hại cho sức khỏe người tiêu dùng - Tạo chế phẩm màu tự nhiên từ nguồn nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền; chất màu ứng dụng vào thực phẩm khơng mang lại màu sắc mà cịn giúp cho thực phẩm có hoạt tính sinh học - Tạo số sản phẩm thực phẩm giàu hợp chất màu anthocyanin dạng thực phẩm chức có tác dụng chống oxy hóa, tăng cường sức khỏe, ngăn ngừa ung thư, v.v Cấu trúc luận án Luận án gồm 143 trang, có 37 bảng 67 hình Phần mở đầu 04 trang, kết luận kiến nghị 03 trang, cơng trình khoa học công bố 01 trang, tài liệu tham khảo 13 trang Nội dung luận án gồm 122 trang, chia làm 03 chương: Chương 1: Tổng quan (29 trang); Chương 2: Nội dung phương pháp nghiên cứu (19 trang); Chương 3: Kết thảo luận (74 trang) CHƢƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỢP CHẤT MÀU ANTHOCYANIN 1.1.1 Cấu trúc anthocyanin Thuật ngữ anthocyanin bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, anthocyanin kết hợp Anthos - nghĩa hoa Kyanos - nghĩa màu xanh Tuy nhiên, khơng có màu xanh, anthocyanin mang đến cho thực vật nhiều màu sắc rực rỡ khác hồng, đỏ, cam gam màu trung gian Anthocyanin thuộc nhóm hợp chất flavonoid, hợp chất glycoside anthocyanidin (hay gọi aglycon) Nói cách khác anthocyanin hợp chất anthocyanidin với đường (có thể liên kết với acid hữu trường hợp anthocyanin bị acyl hóa) Gốc aglycon có cấu trúc Hình 1.1 Hình 1.1 Cấu trúc gốc aglycon anthocyanin [29] Khung carbon anthocyanin gồm hai vòng benzen A, B, vịng pyran C vịng A kết hợp với vòng C tạo thành vòng chromane Trong cấu trúc vịng pyran có chứa oxy mang điện tích dương tự Nhờ có điện tích dương tự mà anthocyanin dung dịch acid mang đặc tính cation tạo muối với acid Ngược lại dung dịch kiềm chúng có vai trị anion tạo muối với base [29] Do có thay gốc R nhân A, B, C nhóm hydroxyl hay methoxy khác nên tạo nhiều loại anthocyanidin khác Cho đến nay, người ta xác định 18 loại anthocyanidin khác nhau, loại phổ biến là: pelargonidin, malvidin, delphinidin, peonidin, petunidin, cyanidin (Bảng 1.1) [36] Bảng 1.1 Cấu trúc số anthocyanidin phổ biến rau [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 anthocyanidin khác tương ứng với số lượng nhóm hydroxyl, gắn vào phân tử chúng (đặc biệt nhóm thay vịng B) Với gia tăng nhóm hydroxyl, màu sắc hiển thị chúng có thay đổi từ màu cam sang màu tím [29] Sự khác anthocyanin xác định khác số lượng vị trí nhóm hydroxyl phân tử; mức độ methyl hóa nhóm hydroxyl; chất, vị trí nhóm đường gắn vào phân tử; chất, số nhóm acid mạch thẳng hay mạch vịng gắn vào phân tử Anthocyanin acyl hóa acid hữu phân tử lượng thấp liên kết este với nhóm OH- phần glucoside phần aglycon Các acid tạo gốc acyl là: acid p-coumaric, acid ferulic, acid cinnamic, acid caffeic, acid malonic, acid acetic, Sự acyl hóa dẫn đến thay đổi màu sắc tăng độ bền anthocyanin [53], [98] Anthocyanin có tính tan tốt bền anthocyanidin nhờ gắn thêm nhiều gốc đường, thường hay gặp rhamnose, galactose, arabinose, xylose Các gốc đường gắn vào vị trí 3,5,7 thường gắn vào vị trí cịn gắn vào vị trí Phân tử anthocyanin có gắn đường vào vị trí gọi monoglucoside, cịn gắn đường vào vị trí gọi diglucoside 1.1.2 Sự phân bố anthocyanin tự nhiên Trong chất màu thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên anthocyanin nhóm chất màu tự nhiên tan nước lớn giới thực vật Chúng xuất rộng rãi khoảng 27 họ, 73 lồi chứa khơng bào thực vật [109] Một số loại rau, hoa, có màu từ đỏ đến tím chứa anthocyanin với hàm lượng cao như: việt quất, mâm xơi, khoai lang tím, nho, dâu, bắp cải tím, tía tơ, hoa hibicus, đậu đen, vỏ cà tím, gạo nếp than, gạo đỏ,… Nhìn chung, hàm lượng anthocyanin phần lớn rau dao động từ 0,1 đến 1% hàm lượng chất khô [46] Một số nguyên liệu giàu anthocyanin thể Hình 1.2 Quả việt quất Bắp cải tím Quả nho Quả cà tím Bắp tím Gạo đỏ Khoai lang tím Quả cherry Hình 1.2 Một số nguyên liệu giàu anthocyanin Hàm lượng anthocyanin liên quan trực tiếp với độ đậm màu sắc quả, đậm màu hàm lượng anthocyanin cao [29] Hàm lượng anthocyanin số loại rau trình bày Bảng 1.2 Bảng 1.2 Hàm lượng anthocyanin số nguyên liệu [34] STT Nguyên liệu Mận Hàm lượng anthocyanin (mg/100g nguyên liệu) 2-25 Củ cải đỏ Dâu tây Khoai lang tím Bắp cải tím Việt quất Mâm xơi Nho 11-60 15-35 84-174 25 25-495 83-326 6-600 Anthocyanin thực vật chất mà hỗn hợp nhiều loại anthocyanin khác Tỷ lệ anthocyanin rau phụ thuộc vào loài, giống Cho đến có 635 loại anthocyanin tự nhiên xác định [47] Các loại anthocyanin số loại thực vật thể Bảng 1.3 Bảng 1.3 Các anthocyanin số nguyên liệu [33] STT Nguyên liệu Táo Loại anthocyanin Cy-3-glc, Cy-3-ara, Cy-7-ara Lê Cy-3-gal Lý chua đen Đào Cy-3-glc, Cy-3-rut, Del-3-glc Cy-3-glc Cam Anh đào chua Anh đào Cy-3-glc, Del-3-glc, Pet-3-gly, Cy-3-gly, Del-3-glc, Del3-glc-glc Cy-3-glc, Cy-3-rut, Cy-3-glc-rut, Cy-3-sop Cy-3-glc, Cy-3-rut Mâm xôi Việt quất Cy-3-glc, Cy-3-rut Pet-3-gly, Cy-3-gly, Del-3-gic, Del-3-gal, Mal-3-glc 10 11 12 13 Sung Lý chua đỏ Dâu tây Nho Cy-3-gly Del-3-glc, Cy-3-xyl-rut, Cy-3-glc-rut, Cy-3-sop, Cy-3-sam Pel-3-glc, Pel-3-gal, Cy-3-glc, 14 15 16 Mận khô Chuối Lạc tiên Cy-, Del-, Peo-, Pet-, Mal-3-glc, Mal-3,5-diglc, Mal-3-pcurmaroylglc-5-glc, Mal-3-p-caffeoylglc-5-glc, Peo-3-p-curmaroylglc-5-glc Cy-3-glc, Cy-3-rut, Peo-3-glc, Peo-3-rut Pet-3-gly Del-3-glc, Del-3-glc-glc 1.1.3 Đặc tính quang phổ anthocyanin Anthocyanin hợp chất có khả hấp thụ tia sáng vùng nhìn thấy Độ hấp thụ anthocyanin phụ thuộc vào dung môi, pH nồng độ anthocyanin Thông thường, pH vùng acid mạnh có độ hấp thụ lớn [58] Độ hấp thụ thể chất loại anthocyanin khả hấp thụ khác chúng Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, anthocyanin có độ hấp thụ cực đại bước sóng 510-540nm Độ hấp thụ liên quan mật thiết đến màu sắc anthocyanin tỷ lệ thuận với nồng độ chúng Ngoài ra, anthocyanin cịn có khả hấp thụ tia tử ngoại hệ thống nối đôi liên hợp tạo vòng benzene A, B vòng pyran C [2] Các aglycon khác có bước sóng hấp thụ cực đại khác nhau, ví dụ bước sóng hấp thụ cực đại anthocyanin 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] 1.1.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền màu anthocyanin 1.1.4.1 Ảnh hưởng cấu trúc Độ bền màu cường độ màu anthocyanin phụ thuộc vào vị trí số lượng nhóm hydroxyl, methoxy, đường đường acyl hóa Khi số nhóm hydroxyl vịng B tăng, bước sóng hấp thu cực đại vùng thấy dịch chuyển phía có bước sóng dài [45] Khi mức độ hydroxyl hóa aglycon tăng, tính bền anthocyanin tăng Tuy nhiên tăng methoxy hóa, thu kết ngược lại Sự có mặt nhóm OH vị trí 4' phân tử làm bền hóa đáng kể chất màu, đó, methoxy hóa nhóm hydroxyl làm giảm độ bền [58] Sự glycosyl hóa acyl hóa nhóm OH tự làm tăng tính bền anthocyanin Vì vậy, diglucoside bền monoglucoside anthocyanin Anthocyanin có chứa nhóm acyl bền mơi trường trung tính acid yếu liên kết hydro nhóm hydroxyl nhân phenolic anthocyanin acyl vòng thơm [113] 1.1.4.2 Ảnh hưởng pH Sự thay đổi pH làm cho cấu trúc anthocyanin thay đổi kéo theo đổi màu Do gốc aglycon có mang điện tích dương nên anthocyanin có khả nhận H+ OH-, từ dẫn đến thay đổi màu sắc anthocyanin Khi tăng nhóm OH- màu anthocyanin chuyển theo hướng sắc màu xanh, tăng H+ đổi theo hướng tạo màu đỏ [30] 10 Trong dung dịch anthocyanin tồn năm dạng bản: flavylium cation có màu đỏ; carbinol khơng màu; anhydrobase có màu tím; anhydrobase anion có màu xanh chalcone có màu vàng (Hình 1.3) [53], [101] Hình 1.3 Ảnh hưởng pH đến cấu trúc anthocyanin [87] Khi pH