Sự oxy hóa trong cơ thể người, trong chế biến và bảo quản thực phẩm và biện pháp khắc phục, Bài tập lớn lớp kỹ sư tài năng môn Hóa học hóa sinh thực phẩm trường Đại học Bách khoa Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Học kỳ 231.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP HCM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI TẬP LỚN MƠN HĨA HỌC – SINH HỌC THỰC PHẨM ĐỀ TÀI: SỰ OXY HÓA (trong thể người – bảo quản chế biến thực phẩm) LỚP: HC22KTTP GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS TS Tôn Nữ Minh Nguyệt SV THỰC HIỆN: Lâm Thị Diễm My – 2212098 HỒ CHÍ MINH, 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP HCM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI TẬP LỚN MƠN HĨA HỌC – SINH HỌC THỰC PHẨM ĐỀ TÀI: SỰ OXY HÓA (trong thể người – bảo quản chế biến thực phẩm) LỚP: HC22KTTP GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS TS Tôn Nữ Minh Nguyệt SV THỰC HIỆN: Lâm Thị Diễm My – 2212098 LỜI MỞ ĐẦU Sự oxy hóa hiểu đơn giản q trình mà bao gồm phản ứng cho nhận electron Mục tiêu tiểu luận giúp người đọc nắm rõ khái niệm q trình oxy hóa diễn liên tục xung quanh chúng ta, đồng thời biết thêm nguyên nhân – tác nhân gây nên sản phẩm độc hại khơng mong muốn từ q trình oxy hóa, từ tìm cách khắc phục hạn chế nguyên nhân – tác nhân Khi hiểu rõ tác nhân – ngun nhân ta sử dụng kiến thức vào q trình chế biến bảo quản thực phẩm nhằm tạo sảm phẩm chất lượng, hao hụt dinh dưỡng sau q trình chế biến bảo quản, từ gia tăng chất lượng sống, sức khỏe cộng đồng Để đáp ứng mục tiêu trên, ta cần phải nắm rõ nội dung cần biết oxy hóa, nội dung khái niệm oxy hóa, trình oxy hóa thể người diễn chúng gây tượng lão hóa Sau nắm kiến thức q trình oxy hóa oxy hóa thể người, chương cung cấp kiến thức oxy hóa chế biến bảo quản thực phẩm, q trình gây nên oxy hóa thực phẩm Và chương giúp hiểu cụ thể phản ứng sinh hóa cuối tác hại q trình oxy hóa Với tiếp cận có trình tự đọc giả dễ dàng hình dung khái niệm oxy hóa đề cập tới chí ứng dụng vào cơng nghệ chế biến bảo quản thực phẩm MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU NỘI DUNG BÁO CÁO Chương SỰ OXY HĨA VÀ CÁC Q TRÌNH OXY HĨA 1.1 Sự oxy hóa 1.2 Các q trình oxy hóa Chương SỰ OXY HÓA TRONG CƠ THỂ NGƯỜI, TRONG BẢO QUẢN VÀ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM 2.1 Ảnh hưởng q trình oxy hóa thể người 2.2 Quá trình oxy hóa Cơng nghệ Thực phẩm 13 2.3 Sự oxy hóa chế biến thực phẩm 18 2.4 Sự oxy hóa bảo quản thực phẩm 19 KẾT LUẬN 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Các q trình chuyển hóa thể dẫn đền hình thành gốc tự Hình 1-2 Quá trình oxy hóa carbohydrate tế bào Hình 1-3 Hai đường lên men tế bào Hình 2-1 Các bệnh gây q trình stress oxy hóa 10 Hình 2-2 Tỉ lệ sản phẩm gốc tự từ trình oxy hóa lipid, đo TBARS, q trình lão hóa người 11 Hình 2-3 Tỷ lệ acid béo bão hịa chưa bão hòa loại chất béo thường dùng sản xuất thực phẩm 13 Hình 2-4 Tốc độ oxy hóa tỷ lệ với liên kết đôi acid béo 14 Hình 2-5 Hoạt tính enzyme lipoxygenase hàm lượng peroxide mô cá tăng pH giảm (ĐC: đối chứng) 15 Hình 2-6 Ảnh hưởng q trình oxy hóa đến protein 17 Hình 2-7 Sự thay đổi nồng độ O2 CO2 trình bảo quản long ruột đỏ theo nhiều phương pháp khác 18 Hình 2-8 Chỉ số peroxide suốt thời gian nhiệt độ 105⁰C mẫu (với mẫu bổ sung dung dịch mẫu bổ sung hợp chất kháng oxy hóa) 19 Hình 2-9 Sự thay đổi nồng độ O2 CO2 trình bảo quản long ruột đỏ điều kiện cải tiến 21 Hình 2-10 Biến đổi hàm lượng peroxide suốt q trình bảo quản lạnh cá trích 4⁰C (theo phương pháp khác nhau) 22 NỘI DUNG BÁO CÁO Chương SỰ OXY HĨA VÀ CÁC Q TRÌNH OXY HĨA 1.1 Sự oxy hóa Oxy hóa phản ứng xảy oxy tác dụng với chất dẫn đến thay đổi hình dạng, màu săc phản ứng có cho – nhận electron chất tham gia phản ứng Phản ứng oxy hóa thơng thường khơng gây hại, có hại dẫn đến hình thành gốc tự Các phản ứng oxy hóa thể người có khả hình thành gốc tự do, nhiên khơng đáng kể thường bị dập tắt chất kháng oxy hóa Gốc tự nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị thiếu hụt hay dư thừa electron lớp ngồi (hay cịn gọi electron không thành cặp) tồn dạng hoạt động Những gốc tự cân lại số lượng electron cách, cho – nhận electron từ phân tử gốc, làm gãy cầu nối đa hóa trị phân tử khác Trong tế bào, gốc tự thường chiếm electron từ phân tử khác lipid, protein, DNA, RNA … Những phân tử bị chiếm gốc tự trở thành gốc tự chiếm electron từ phân tử khác, tạo thành dây chuyền phản ứng tế bào Điều làm ảnh hưởng đến cấu trúc, hoạt động sinh hóa bình thường tế bào [1], [2] Để đảm bảo chuối dây chuyền không diễn ra, tế bào tồn chất kháng oxy hóa, chất loại bỏ gốc tự nhiều cách 1.1.1 Stress oxy hóa Stress oxy hóa cân việc sinh gốc tự chất kháng oxy hóa, dẫn đến gốc tự bị tích lũy tế bào, gây tổn hại đến mô xung quanh, khởi động phản ứng viêm, … [3] 1.1.2 Nguyên nhân dẫn đến stress oxy hóa Nguyên nhân nội sinh: hoạt động oxy hóa bình thường thể như: oxy hóa lipid, carbohydrate, …, trình thực chức miễn dịch (các tế bào bạch cầu tạo gốc oxy hóa để tiêu diệt vi khuẩn), viêm nhiễm, stress tâm thần, … Nguyên nhân ngoại sinh: chế độ dinh dưỡng gây độc: alcohol, thuốc lá, …, dùng thuốc, vận động mức, hoạt động xạ môi trường 1.2 Các q trình oxy hóa Để tế bào thực chức sống lượng điều kiện thiếu cho hoạt động sinh hóa bình thường, tế bào thường diễn số q trình oxy hóa oxy hóa carbonhydrate, lipid, protein, … nhằm tạo lượng tạo hợp chất trung gian để tổng hợp nên chất hữu cần thiết 1.2.1 Oxy hóa carbohydrate Quá trình hơ hấp tế bào thường sử dụng ngun liệu glucose, q trình oxy hóa hồn tồn phân tử glucose (một loại mono saccharide) để tạo ATP cung cấp cho hoạt động sống cần thiết tế bào thể Ví dụ phản ứng hóa học tế bào, vận động thể, … Hình 1-1 Các q trình chuyển hóa thể dẫn đền hình thành gốc tự Q trình oxy hóa glucose trải qua nhiều giai đoạn tương đổi phức tạp, bao gồm chuỗi truyền 𝑒, chuỗi dây chuyền phản ứng cho nhận electron bốn phức hệ chuỗi truyền cuối chuyển electron đến chất nhận e cuối 𝑂2 Quá trình dẫn đến hình thành 𝐻2𝑂2, khơng phải gốc tự hợp chất dễ dàng biến đổi hình thành nên gốc tự hydroxyl, gốc tự sau chất kháng oxy hóa loại bỏ khỏi tế bào theo nhiều cách [4] ❖ Phản ứng hóa – sinh: Q trình oxy hóa thực phẩm tế bào cịn gọi hơ hấp tế bào, q trình cần thiết cho sống tế bào tạo nguồn lượng cung cấp cho hoạt động sinh hóa cần thiết khác cho sinh trưởng phát triển Oxy hóa carbohydrate diễn điều kiện có O2 – hơ hấp hiếu khí, khơng có O2 – hơ hấp kỵ khí [1] Graham J Burton et al., “Oxidative stress”, Best Practice & Research Clinical Obstetrics and Gynaecology, tập 25 (3), pp 287-299, 2011 Trong điều kiện có 𝑂2, q trình diễn qua giai đoạn chính: đường phân, chu trình Creps chuỗi vận chuyển điện tử Hình 1-2 Q trình oxy hóa carbohydrate tế bào Trong điều kiện khơng có 𝑂2, hơ hấp tế bào xảy q trình đường phân, pyruvate tạo từ đường phân không tiếp tục bước vào ti thể mà lại tế bào chất tiếp tục bị oxy hóa – gọi trình lên men, pyruvate chịu hai số phận sau tùy thuộc vào loại tế bào, lên men rượu lên men lactic Hình 1-3 Hai đường lên men tế bào Quá trình lên men lactic xảy tế bào người điều kiện vận động cường độ cao, O2 không kịp vận chuyển đến xương nên xảy trình lên men tạo acid lactic [5] [2] N.A Campbell et al, BIOLOGY, NXB Pearson Benjamin Cummin, 1434 trang, 2008 [3] N.A Campbell et al, BIOLOGY, NXB Pearson Benjamin Cummin, 1434 trang, 2008 Quá trình lên men rượu thường thấy tế bào nấm men, ứng nhiều cơng nghệ sản xuất thực phẩm Ví dụ: sản xuất bánh mì, rượu nho, … 1.2.2 Oxy hóa lipid Trong tế bào tồn nhiều dạng lipid từ đơn giản đến phức tạp, lượng lipid tham gia vào nhiều vai trò quan trọng tế bào Thế nên q trình chuyển hóa lipid cần thiết cho nhu cầu tế bào Ví dụ: Sterol lipid (cụ thể cholesterol) giữ nhiều chức quan trọng thể như: tổng hợp nên hormone steroid, thành phần cấu trúc màng tế bào, tham gia trình tổng hợp muối mật, … Glycerolphospholipid thành phần cấu trúc thành tế bào, … , ngồi có nhiều loại lipid chiếm tỷ lệ thấp vai trò quan trọng tế bào nnhuwcacs vitamin A, D, E,… Quá trình oxy hóa lipid diễn nhằm cung cấp nguồn lipid cho thể để tham gia cấu trúc tế bào, tổng hợp cholesterol, bổ sung lượng cho thể vận động Sự oxy hóa lipid diễn chủ yếu ti thể peroxisome, phổ biến đường 𝛽 – oxy hóa (xảy với acid béo no có số C chẵn), ngồi cịn có 𝛼 – oxy hóa (xảy mơ não gan), 𝜔 – oxy hóa (xảy gan) Tuy nhiên có vài khác biệt bước hai bào quan nên có khác biệt hàm lượng gốc tự tạo thành (peroxisome có xu hướng tạo 𝐻2𝑂2 khử NAD+ ) [6] Sự oxy hóa lipid theo đường 𝛽 – oxy hóa thường tạo gốc tự có khả bị rị rỉ tế bào chất Nếu q trình xảy với cường độ cao dẫn đến stress oxy hóa tế bào Tuy nhiên, có hoạt động chất kháng oxy hóa tế bào, lượng nhỏ gốc tự khỏi cơng chất kháng oxy hóa gây nên tổn thương tế bào, từ gây lão hóa [7] ❖ Phản ứng hóa – sinh: Acid béo trước bước vào trình chuyển thành dạng hoạt hóa acyl-coA tế bào chất sau acyl-coA chuyển vào ti thể peroxisome Sự oxy hóa acyl-coA diễn ti thể peroxisome Ở peroxisome, chuỗi acyl-coA oxy hóa chủ yếu chuỗi sợi dài Quá trình oxy hóa chuỗi acyl-coA sinh 𝐻2𝑂2 (có khả gây độc cho tế bào bị tích tụ lại) khơng có chuỗi truyền 𝑒 nên lượng 𝐴𝑇𝑃 tạo từ q trình oxy hóa avyl-coA peroxisome hiệu ti thể Nhưng oxy hóa giúp tế bào tiêu hóa chuỗi sợi dài mà ti thể phân giải [8] Ti thể chịu trách nhiệm oxy hóa chuỗi acyl-coA dài trung bình chuỗi acyl coA dài Q trình diễn hồn tồn khơng hồn tồn Khi diễn hồn tồn, chuỗi acyl-coA bị oxy hóa cung cấp nguồn electron cho chuỗi truyền 𝑒 ti thể cung cấp nguồn lượng dồi cho thể Diễn theo chu trình mà acyl-coA bị cắt ngắn phân tử carbon đầu carboxyl từ phân tử carbon hình thành acetyl-coA, kèm với phân tử NADH phân tử FADH2, phân tử acyl-coA lại tiếp tục bị cắt ngắn giải phóng acetyl-coA Khi diễn khơng hồn tồn, chuỗi acyl-coA sau trải qua chuỗi phản ứng oxy hóa tạo thành thể cetone, thể cetone gồm acetoacetate, 𝛽 – hydroxybutyrat acetone, kết tạo 𝐴𝑇𝑃 so với q trình oxy hóa hồn tồn Tuy nhiên, thể cetone lại giúp gan chuyển hóa acid béo nhiều đến lần với lượng 𝐴𝑇𝑃 so với q trình chuyển hóa acid béo thơng thường [9], [10] 1.2.3 Oxy hóa protein Trong tế bào, q trình oxy hóa protein cịn gọi oxy hóa đói, protein tham gia chủ yếu vào thành phần cấu trúc thể, khơng phải nguồn dự trữ lượng Q trình oxy hóa protein giai đoạn thủy phân chuỗi polypeptide thành amino acid Sau trải qua trình biến đổi trở thành hợp chất trung gian đường oxy hóa thơng dụng tế bào – hô hấp tế bào, Acetyl CoA, … ❖ Phản ứng hóa – sinh: Đầu tiên amino acid bị tác nhóm amin (do enzyme tế bào xúc tác), gốc lại trải qua nhiều giai đoạn biến đổi thành sản phẩm cuối acid pyruvic, sau bị oxy hóa hồn tồn thành CO2 ATP điều kiện có O2 thơng qua chu trình Creps chuỗi truyền e 1.2.4 Oxy hóa acid nucleic Q trình xảy gốc tự OH công vào DNA dẫn đến cấu trúc DNA bị biến đổi, kết gây đột biến thay đổi cấu trúc trình tự gene DNA ti thể dễ bị tổn thương công gốc tự so với DNA nhân [11] Chương SỰ OXY HÓA TRONG CƠ THỂ NGƯỜI, TRONG BẢO QUẢN VÀ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM 2.1 Ảnh hưởng q trình oxy hóa thể người 2.1.1 Ảnh hưởng q trình oxy hóa Q trình oxy hóa thể người gây nhiều hậu khơng mong muốn, có nhiều nguyên nhân gây tăng sinh gốc tự thể người, từ thói quen thường ngày hay từ vấn đề thường xảy với thể môi trường dẫn đến trình • Ơ nhiễm mơi trường • Viêm nhiễm bên thể, nhiễm trùng vi rút dẫn đến cân oxy hoá • Tiếp xúc thường xuyên với tia UV, hố chất khói thuốc Tiếp xúc với xạ, nấm mốc, vi khuẩn • Uống nhiều rượu/ bia chất kích thích khác; thường xuyên lạm dụng chất béo không no; tiêu thụ nhiều đường dẫn đến đường huyết cao; hấp thụ mức lượng kẽm, đồng, sắt magie; … • Thiếu hụt chất chống oxy hoá thể cân oxy hoá bổ sung dư thừa chất chống oxy hóa nhân tạo • Các mơ bị tổn thương tập luyện thể dục sức thời gian dài Sản phẩm tất yếu q trình oxy hóa thành phần thể người gốc tự do.Trong thể người chứa nhiều loại gốc tự do, gốc tự nguy hiểm hydrogen peroxide, superoxide, ozonelipid peroxy, hydroxyl gốc – gốc tự gây nhiều tổn thương Gốc tự xem “sát thủ giấu mặt” gây trình lão hóa – q trình đặc trưng với mô quan chức chúng theo thời gian, với triệu trứng bên thay đổi da tóc da nhăn nheo, rụng tóc bạc tóc sớm Và bệnh phổ biến khác người, đặc biệt người già Hình 2-1 Các bệnh gây trình stress oxy hóa Các gốc tự làm tổn thương thành phần tế bào theo nhiều cách dẫn đến bệnh hay triệu chứng lão hóa khác nhau: - Gốc tự gây tổn thương cho tất chất liệu mô thể mô mỡ, nơi bị tổn thương sớm thường gặp loại mơ dễ bị oxy hóa Các [4] Ilaria Liguori et al., “Oxidative stress, aging, and diseases”, Dove Medical Press Limited, tập 13, pp 757-772, 2018 10 chuyên gia thường dùng thuật ngữ “sự peroxide hóa lipid” để mơ tả oxy hóa mỡ thể oxy hóa làm khởi phát chuỗi phản ứng liên tục mỡ - Gốc tự gây tổn hại cho acid nucleic cytosine, thymine, adenine guanine – thành phần cấu trúc DNA Những tổn hại làm cho DNA mã khơng xác theo thông tin sinh học, đồng thời gây biến đổi DNA hình thành tế bào ung thư - Gốc tự làm tổn thương protein dẫn đến rối loạn chức nhiều quan thể protein collagen da gây tổn hại da, từ làm da nhăn nheo, enzyme (bản chất protein) bị tổn thương Enzyme tổn thương không hoạt động hiệu để xúc tác phản ứng sinh hóa thể (ví dụ dễ thấy khả tổng hợp melain làm tóc trở nên bạc đi) Tuy nhiên, enzyme không sửa chữa phục hồi nồng độ gốc tự cao dẫn đến hình thành bệnh lý làm thể lão hóa nhanh [12] Mỗi ngày tế bào khoảng 1-2% lượng oxy sử dụng thể bị chuyển hóa thành H2O2 chuỗi truyền e từ hơ hấp tế bào, ngồi cịn có gốc tự sinh từ q trình oxy hóa peroxisome, phản ứng viêm thể, … Các trình diễn liên tục với tần suất cao, lượng gốc tự mà thể phải hứng chịu ngày vô lớn Trong suốt giai đoạn phát triển thể người, hàm lượng gốc tự mà thể phải chống chọi tăng dần theo tuổi tác [13] Các bệnh hay dấu hiệu lão hóa nhận thấy rõ rệt theo thời gian, sản sinh gốc tự diễn suốt giai đoạn sinh trưởng phát triển người chất chống oxy hóa phải làm việc liên tục khơng ngừng nghỉ Theo thời gian hợp chất kháng oxy hóa giảm dần, nên chống chọi với gốc tự thể giảm độ tuổi tăng Hình 2-2 Tỉ lệ sản phẩm gốc tự từ q trình oxy hóa lipid, đo TBARS, trình lão hóa người 2.1.2 Biện pháp phòng ngừa Cơ thể sản sinh nhiều phân tử có khả ngăn chặn phản ứng dây chuyền gốc tự tế bào, phân tử protein (các enzyme kháng oxy hóa) phi protein, hợp chất kháng oxy hóa nội sinh, nhiên hợp chất bị hao hụt [5] Virginia B.C Junqueira et al., “Aging and oxidative stress”, Molecular Aspects of Medicine, tập 25(1), pp 5-16, 2004 11 theo thời gian để giảm thiểu q trình lão hóa bệnh liên quan gây gốc tự do, cịn có hợp chất oxy hóa ngoại sinh - Nguồn cung chất kháng oxy hóa tự nhiên thường phân tử có chất phi protein: + Các loại vitamin A, C, E hoặc chất màu thực phẩm ꞵ-carotene Các chất kháng oxy hóa kể có nhiều loại thực phẩm cà rốt, cam, ớt chuông đỏ, cải xanh, tôm, khoai lang, … + Coenzyme Q10 (CoQ10): loại lipid tham gia vào chuỗi truyền điện tử q trình hơ hấp ti thể, đóng vai trị chất chuyển điện tử chuỗi truyền để sinh tổng hợp ATP CoQ10 có nhiều loại cá nước lạnh cá ngừ, cá hồi, cá thu, … + Polyphenol: sản phẩm thứ cấp sinh từ trình chuyển hóa thực vật Polyphenol chia thành hai nhóm flavonoid non-flavonoid Quercetin hợp chất kháng oxy hóa thuộc nhóm flavonoid (nhóm chất tạo màu) có nhiều rượu, đặc biệt rượu vang đỏ, với hoạt tính kháng oxy hóa cao Thuộc nhóm non-flavonoid có hoạt tính kháng oxy hóa điển hình resveratrol, có nhiều rượu, ngồi cịn có nhóm hợp chất non-flavonoid khác tanin với khả kháng oxy hóa tốt có nhiều vỏ nho – nguyên liệu lên men rượu vang đỏ, chất gây vị chát đặc trưng rượu Trong ly rượu vang đỏ thơng thường có đến 100mg polyphenol, nghiên cứu người Pháp với lượng tiêu thụ acid béo khơng bão hịa cao nhiên tỷ lệ mắc bệnh lão hóa họ lại thấp, nguyên nhân họ tiêu thụ lượng rượu vừa phải ngày (20–30 g/ngày) Ngăn chặn q trình oxy hóa chủ đề phổ biến tác hại khơn lường gây q trình Một nghiên cứu sản xuất thực phẩm có khả kháng oxy hóa chế biến đu đủ lên men (FFP – fermented papaya preparation) với phương pháp lên men Carica papaya Linn nấm men Kết thử nghiệm bệnh nhân mắc Alzheimer, cách đo lượng 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine (8oxodG – sản phẩm q trình oxy hóa) nước tiểu cho thấy, sau bổ sung FFP 4,5mg/ ngày nồng độ 8oxodG nước tiểu bệnh nhân giảm rõ rệt (từ 14.1±1.7 ng/mL giảm xuống cịn 8.45±1.1 ng/mL) Có thể thấy việc ngăn chặn q trình oxy hóa ngăn chặn q trình lão hóa bệnh mãn tính tuổi già khác Ngồi việc bổ sung chất chống oxy hóa tập thể dục điều độ phương pháp phịng tránh oxy hóa diễn thể Mặc dù nguyên nhân gây stress oxy hóa tập thể dục mức, tập thể dục điều độ lại ngăn chặn phịng ngừa q trình Một lý dẫn đến việc luyện tập mức dẫn đến stress oxy hóa thể thời gian ngắn cần phải tiêu thụ lượng lớn lượng để cung cấp cho trình luyện tập, diễn việc tiêu thụ nhiều lipid để tạo lượng, biết trình oxy hóa lipid tạo nhiều gốc tự nên dễ dẫn đến cân oxy hóa thể Vì tập thể 12 dục cần phải xem xét điều chỉnh cường độ luyện tập phù hợp để không gây tác dụng phụ không mong muốn [14] 2.2 Quá trình oxy hóa Cơng nghệ Thực phẩm Tương tự tế bào tồn thể người hay sinh vật sống loại thực vật động vật khác, thực phẩm từ nguồn sinh vật bao gồm thành phần lipid, protein, carbohydrate, … Trong suốt giai đoạn chế biến, bảo quản thực phẩm, thành phần bị oxy hóa điều khơng thể tránh khỏi Chúng ta tìm hiểu oxy hóa ba thành phần thường gặp thực phẩm, lipid, protein, carbohydrate 2.1.1 Sự oxy hóa lipid Lipid thực phẩm đóng nhiều vai trị quan trong, nguồn lượng bổ sung cho thể, cung cấp loại acid béo tham gia cấu trúc tế bào Trong chế biến thực phẩm, lipid cịn đóng vai trị thành phần số nguyên liệu chế biến thực phẩm, tạo mùi vị, thuộc tính kết cấu thực phẩm, màu sắc, … Ví dụ cá nguyên liệu quen thuộc công nghệ chế biến thực phẩm, hàm lượng lipid cá thường cao, chứa nhiều axit béo khơng bão hịa đa nối đơi Hình 2-3 Tỷ lệ acid béo bão hòa chưa bão hòa loại chất béo thường dùng sản xuất thực phẩm Tuy nhiên, lipid lại thành phẩn ổn định thực phẩm dễ bị oxy hóa nó, lượng hoạt hóa dẫn đến peroxide hóa thấp so với protein, carbohydrate, acid nucleic Ngun nhân q trình oxy hóa lipid diễn trực tiếp mà khơng cần đến điều kiện thủy phân trước Ở protein hay carbohydrate, để diễn q trình oxy hóa cần phải có thủy phân thành đơn phân đơn giản khởi phát q trình oxy hóa Ngồi ra, cấu trúc lipid có chứa liên kết đơi dễ tham gia phản ứng với O2 khơng khí - Các ngun nhân dẫn đến q trình oxy hóa lipid thực phẩm: 13 Nhiệt độ: nhiệt độ cao, lipid trải qua nhiều q trình bao gồm oxy hóa, phá hủy cấu trúc, tổng hợp tạo thành nhiều thành phần acid béo khác, kết làm biến tính cấu trúc thực phẩm Trong đáng ý q trình oxy hóa, nhiệt độ cao tạo nguồn lượng cung cấp cho trình oxy hóa lipid, dẫn đến tạo thành gốc tự sản phẩm phụ phá hủy dây chuyền Số liên kết đơi có acid béo: nguyên nhân dẫn đến khả dễ bị oxy hóa lipid thành phần acid béo có lipid (acid béo no hay khơng no), tốc độ oxy hóa lipid thực phẩm xảy nhanh thành phần lipid gồm nhiều acid béo không no, tỷ lệ thuận với số liên kết đôi acid béo Do liên kết đôi C=C dễ tham gia phản ứng với tác nhân oxy hóa [15] Hình 2-4 Tốc độ oxy hóa tỷ lệ với liên kết đôi acid béo pH: Giá trị pH yếu tố ảnh hưởng đến oxy hóa lipid, đặc biệt mơ thịt cá Giá trị pH trung bình đặc trưng hệ thống thịt cá sau cá chết Sự tăng tốc q trình oxy hóa lipid cách giảm độ pH tự oxy hóa hemoglobin tăng cường, tự oxy hóa hemoglobin nguyên nhân gây việc sinh gốc tự methemoglobin từ sắt oxyhemoglobin, hoạt tính enzyme lipoxygenase (một enzyme tham gia vào trình oxy hóa lipid) tăng đáng kể điều kiện pH thấp [16] [6] Rubén Domínguez et al., “A Comprehensive Review on Lipid Oxidation in Meat and Meat Products”, antioxidants, tập (10), pp 429-460, 2019 14 Hình 2-5 Hoạt tính enzyme lipoxygenase hàm lượng peroxide mô cá tăng pH giảm (ĐC: đối chứng) - Các hình thức oxy hóa lipid xảy thực phẩm: Tự oxy hóa: đường dẫn đến oxy hóa lipid, xảy tương tác acid béo khơng bão hịa oxy khơng khí Kết dẫn đến hư hỏng thực phẩm bảo quản Oxy hóa ánh sáng: xảy phức hệ hấp thu ánh sáng, chlorophyll (trong loại thực phẩm có nguồn gốc từ thực vật), riboflavin (vitamin B), myoglobin (sắc tố mang oxy mô cơ) kim loại nặng (Fe, Cu,…), hợp chất có khả hấp thụ lượng từ ánh sáng mặt trời chuyển sang trạng thái kích thích có khả hoạt động hóa học mạnh mẽ, nhiên trạng thái khơng bền vững nhanh chóng rơi trạng thái cách tương tác trực tiếp với thành phần lipid kích hoạt oxy chuyển sang trạng thái kích thích, oxy bị kích thích tương tác với liên kết C=C có lipid khơng bão hịa, gây q trình oxy hóa Oxy hóa enzyme: q trình diễn loại enzyme có khả xúc tác cho q trình oxy hóa, loại enzyme thường có số loại thực vật, động vật, vi khuẩn, nấm, enzyme xúc tác trình oxy hóa loại acid béo đa khơng bão hịa, q trình xảy tự thân tế bào Sự oxy hóa lipid để lại nhiều hậu không mong muốn như, phá hủy cấu trúc lipid, tạo gốc tự dẫn đến dây chuyền gây phá hủy thành phần khác thực phẩm protein, acid nucleic, … làm cho cấu trúc thực phẩm giàu lipid bị biến đổi so với ban đầu (ví dụ tạo khả kỵ nước thành phần lipid), tạo nhiều hợp chất có hại peroxide, hydroperoxide, rượu, cetone,… gây mùi khó chịu, mùi thực phẩm, gây cảm quan, chất thành phần độc hại cho người sử dụng [17] [7] Trần Bạch Long et al., “Ảnh hưởng ướp muối đến oxy hóa lipid oxy hóa protein thịt cá lóc (Channa striata) ni”, Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, tập 55(2), pp 301-310, 2022 15 2.1.2 Sự oxy hóa protein Protein nguồn dinh dưỡng cần thiết cho người, protein cung cấp nhiều loại amino acid cần thiết cho trình sinh tổng hợp thể Một nguồn thực phẩm giàu protein loại thịt thịt cá, thịt gia súc, gia cầm, … chứa tới khoảng 17 – 25% thịt sống Với nguồn thực phẩm giàu protein, q trình gây hại xảy trình chế biến bảo quản oxy hóa protein Tuy nhiên, đơi diện q trình lại quan tâm so với oxy hóa lipid, trình oxy hóa lipid dễ xảy ra, thường gây cảm quan nặng nề đáng lo ngại [18] Sự oxy hóa protein xảy phụ thuộc vào nhiều nhân tố, số loại amino acid dễ bị oxy hóa cysteine, tyrosine, phenylalanine, tryptophan, histidine, proline, arginine, lysine methionine, loại thịt chứa tác nhân oxy hóa hemoglobin, myoglobin dễ bị oxy hóa Ngồi q trình oxy hóa protein cịn bị ảnh hưởng q trình chế biến, bảo quản, điều kiện đóng gói, ….19] Q trình oxy hóa protein bắt đầu sau xảy thủy phân protein thành amino acid, amino acid bị oxy hóa tác nhân oxy hóa Cũng thực phẩm giàu lipid, loại thực phẩm giàu protein bị oxy hóa nhiều cách Ở protein, có ba hình thức nghiên cứu kỹ là: photo-oxidation, oxy hóa xúc tác kim loại, oxy hóa xúc tác enzyme - Photo-oxidation: oxy hóa protein xảy tác động tia UV có ánh sáng mặt trời, xảy hấp thu ánh sáng loại amino acid có khả tạo màu, tryptophan, tyrosine, cysteine Hoặc q trình oxy hóa protein khởi xướng xuất oxy trạng thái kích thích, hình thành từ biến đổi oxy trạng thái tác động ánh sáng - Oxy hóa xúc tác kim loại: amino acid cấu tạo từ lysine, histidine, arginine, threonine, proline dễ bị ảnh hưởng q trình oxy hóa xúc tác kim loại Quá trình xảy hình thành hợp chất chelate (sự kết hợp kim loại trạng thái khử với amino acid vùng liên kết với kim loại), hợp chất phản ứng với 𝐻2𝑂2 (sản sinh tế bào qua nhiều cách), hình thành gốc tự hydroxyl, gốc có xu hướng công amino acid gần vùng liên kết kim loại - Oxy hóa xúc tác enzyme: thực phẩm, enzyme xúc tác trình oxy hóa bao gồm glucose oxidase – xúc tác hình thành 𝐻2𝑂2 từ glucose, laccase – tạo gốc tự phenol, lipoxygenase – xúc tác oxy hóa acid béo khơng bão hịa, lactoperoxidase – dẫn đến hình thành gốc tự peroxy, gốc tự cơng vào nhóm amino acid [20] 16 Hình 2-6 Ảnh hưởng trình oxy hóa đến protein Q trình gây nhiều hậu không mong muốn, mặt phân tử gây liên kết chéo protein làm thay đổi cấu trúc protein, bên cạnh phá hủy thành phần cấu trúc, q trình oxy hóa protein tạo hợp chất độc hại q trình oxy hóa thành phần lipid, aldehyde, acetone, … gây độc hại cho người sử dụng 2.1.3 Sự oxy hóa carbohydrate Những q trình oxy hóa xảy thực phẩm chứa nhiều glucid hơ hấp tế bào lên men, hai trình không gây hậu nặng nề, số trường hợp, lên men cịn có lợi cho việc chế biến số loại thực phẩm sữa chua (lên men lactic), rượu (lên men với sản phẩm alcohol), … Một sản phẩm dễ xảy q trình oxy hóa carbohydrate nơng sản sau thu hoạch, loại thực phẩm thường có hàm lượng đường cao Ví dụ bưởi có hàm lượng carbohydrate lên đến 12,4g 100g bưởi, vải với khoảng 16,5g carbohydrate 100g vải, … Ngồi ra, cịn có q trình lên men, xảy điều kiện yếm khí (mơi trường khơng có oxy), số loại thực phẩm, lên men gây giảm hàm lượng dinh dưỡng, tạo sản phẩm phụ gây ảnh hưởng đến mùi vị, … số trường hợp, lên men có lợi chế biến ví dụ lên men nấm men sản xuất rượu, lên men lactic sản xuất sữa chua, … [8] Rubén Domínguez et al., “Protein Oxidation in Muscle Foods: A Comprehensive Review”, antioxidants, tập 11 (1), pp 60-84, 2022 17 Hình 2-7 Sự thay đổi nồng độ O2 CO2 trình bảo quản long ruột đỏ theo nhiều phương pháp khác Quan sát hình ta thấy nồng độ O2 số điều kiện nghiên cứu giảm dần nồng độ CO2 tăng dần Chứng tỏ có q trình oxy hóa glucose diễn suốt trình bảo quản thực phẩm Hậu q trình thường khơng gây ảnh hưởng nặng nề trình phản ứng sinh hóa bình thường diễn tế bào Tuy nhiên, sản phẩm nông sản thường vẩn chuyển ngày dài, chí nhiều tuần đến nơi tiêu thụ, suốt thời gian q trình oxy hóa diễn dẫn đến hao hụt carbohydrate sản phẩm, từ làm giảm giá trị dinh dưỡng, giảm suất rau, củ, Kết gây nhiều hậu không mong muốn xảy nơng dân 2.3 Sự oxy hóa chế biến thực phẩm Sử dụng nhiệt q trình chế biến thực phẩm thơng dụng áp dụng thường xuyên Quá trình cung cấp lượng lớn lượng vào thực phẩm, từ tiêu diệt loại vi khuẩn làm cho thức ăn trở nên ngon miệng Tuy nhiên, q trình có lợi khoảng nhiệt độ dùng chế biến giới hạn khoảng định Tương tự Công nghệ thực phẩm, quy trình chế biến nhiệt áp dụng phổ biến sản xuất Một số trình chế biến nhiệt số diễn điều kiện nhiệt độ cao (chiên, nướng, …), xử lý điều kiện nhiệt độ cao thời gian dài (ví dụ sấy khô, …) [21], kết tạo lượng lượng đủ để hoạt hóa nhiều phản ứng, từ dẫn đến nhiều tác dụng phụ, bao gồm oxy hóa thành phần thực phẩm, hình thành gốc tự gây hương vị, dinh dưỡng, … từ làm ảnh hưởng đến sức khỏe người [9] Đặng Thảo Yến Linh et al., Nghiên cứu bảo quản long ruột đỏ màng bao gói kháng khuẩn chứa Polyguanidine, Khoa học Nông nghiệp, tập 64(10), pp 72-75, 2022 18 Một biện pháp hạn chế q trình oxy hóa hạn chế tối thiểu trình gia nhiệt suốt trình chế biến, bổ sung hợp chất kháng oxy hóa vào thực phẩm, nguyên liệu có thành phần giàu lipid (như dầu ăn, …) hạn chế liên kết đôi acid béo cách hydro hóa nối đơi trước chế biến dụng ngun liệu với thành phần tự nhiên có nối đôi, … Một phương pháp thơng dụng nhằm hạn chế oxy hóa q trình chế biến nhiệt bổ sung hợp chất kháng oxy hóa vào thực phẩm, chất oxy hóa thông dụng ethoxyquin, axit citric propyl gallate, vitamin C vitamin E, … Hình 2-8 Chỉ số peroxide suốt thời gian nhiệt độ 105⁰C mẫu (với mẫu bổ sung dung dịch mẫu bổ sung hợp chất kháng oxy hóa) 10 Một nghiên cứu sử dụng hợp chất kháng oxy hóa dầu đậu nành (hình 2-6) cho thấy cải thiện đáng kể độ ổn định dầu đậu nành Simply bổ sung dịch trích ly từ húng quế vào dầu ăn (dầu đậu nành) Dịch chiết với dung mơi ethanol-nước (1:1, v/v) có hàm lượng polyphenol cao Bổ sung 1% 2% dịch chiết húng quế làm giảm 35,48% 61,29% số perioxide dầu đậu nành so với mẫu đối chứng Có thể nhận thấy, thực phẩm giàu lipid dầu ăn, trình chế biến nhiệt thơng thường q trình oxy hóa diễn mạnh mẽ không bổ sung hợp chất kháng oxy hóa.[22] 2.4 Sự oxy hóa bảo quản thực phẩm [10] Huỳnh Thái Nguyên, Nguyễn Thị Khánh Ly., “Nghiên cứu sử dụng chiết xuất từ Húng quế Ocimum basilicum L (Lamiaceae) để nâng cao độ bền oxy hóa dầu đậu nành”, Tạp chí Khoa Học Cơng Nghệ - Đại học Đà Nẵng, tập 21(8), pp 72-74, 2023 19 Sự oxy hóa thực phẩm khơng xảy chế biến mà cịn xảy suốt q trình bảo quản thực phẩm, q trình oxy hóa xảy bảo quản thực phẩm là: tự oxy hóa lipid, protein tác nhân oxy hóa tế bào kiểm sốt – hình thành tiếp xúc với oxy khơng khí, hơ hấp tế bào carbohydrate, photo-oxidation lipid protein bảo quản điều kiện ánh sáng, … Từ nguyên nhân trên, ta hạn chế trình oxy hóa cách giảm thiểu tác nhân gây oxy hóa tiếp xúc với với thực phẩm suốt trình bảo quản Các biện pháp áp dụng áp dụng phổ biến: Bảo quản lạnh để giảm thiểu q trình oxy hóa lipid carbohydrate cách giảm hoạt động loại enzyme tham gia vào q trình oxy hóa điều kiện nhiệt độ thấp Bảo quản điều kiện chân khơng để hạn chế tiếp xúc với O2 khơng khí, hạn chế phản ứng thành phần nối đơi lipid với O2 Đóng hộp, bao gói để tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời Hiện có nhiều hình thức bao gói cải tiến nhầm nâng cao hiệu bảo quản Một số bao gói MAP, hình thức bao gói áp dụng hình thức thay đổi tỷ lệ khí mơi trường bao gói, cách tăng nồng độ khí CO2, giảm nồng độ khí O2, cịn bổ sung thêm chất kháng khuẩn NO, … Hiện nay, bên cạnh ngăn chặn oxy hóa lipid, q trình ngăn oxy hóa carbohydrate quan tâm Việt Nam quốc gia sản chun nơng sản, điển hình long, Việt Nam nước xuất long hàng đầu giới Sản lượng long Việt Nam đạt khoảng 1,2 triệu vào năm 2019 Và long tươi sau thu hoạch xảy q trình tất yếu hơ hấp tế bào – q trình oxy hóa carbohydrate Một ví dụ cụ thể phương pháp bao gói MAP nghiên cứu phát triển, nghiên cứu bảo quản long ruột đỏ loại màng bao gói thơng minh (đã cải thiện khả thấm nước, thấm khí) để cải tạo mơi trường vi khí hậu bao gói nhằm giảm hao hụt sản lượng cho thấy hiệu đáng kể việc giảm thiểu q trình oxy hóa carbohydrate Bao gói có khả kiểm sốt lượng khí O2 vào, lượng CO2 môi trường vi khí hậu bao gói Kết nghiên cứu cho thấy bảo quản long ruột đỏ ứng dụng kỹ thuật MAP điều kiện thích bao gói mơi trường vi khí hậu thích hợp để ức chế q trình hơ hấp long ruột đỏ khiến hàm lượng số chất dinh dưỡng không bị nhiều cho hoạt động hô hấp (q trình oxy hóa carbohydrate có O2), đồng thời việc trì nồng độ khí CO2 phù hợp tránh việc xảy tình trạng hơ hấp yếm khí (oxy hóa carbohydrate điều kiện khơng có O2) làm biến đổi nhanh chóng chất dinh dưỡng giúp chất lượng dinh dưỡng trì tốt so với phương pháp bảo quản thơng thường với độ dày bao gói diện tích khơng tính tốn điều chỉnh phù hợp [23] 20