Nghiên cứu ứng dụng công nghệ enzyme đế sản xuất hợp chất thơm dẫn xuất carotenoids

Nghiên cứu khảo sát sự tạo thành các chất thơm từ carotenoids dầu gấc trong phản ứng đồng oxy hóa sử dụng enzyme xanthine oxydase...55 3.5.. Sự biến đổi sinh học các hợp chất carotenoids

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn, em luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ rất tận tình của thầy cô hướng dẫn, nhân dịp này, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

TS Tạ Thị Minh Ngọc , người đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp

đỡ em trong suốt quá trình em nghiên cứu, hoàn thành đề tài, đồng cảm ơn ThS Trần Hải Đăng, người đã phụ hướng dẫn em rất nhiệt tình và tâm huyết

Em xin chân thành cảm ơn các anh chị cán bộ phòng thí nghiệm đã tạo điều kiện giúp đỡ em rất tận tình về máy móc, thiết bị trong suốt quá trình làm luận án

Qua đây, em cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc Viện CHSH & MT, các thầy giáo, cô giáo bộ môn đã chỉ dẫn, giảng dạy

em trong suốt 4 năm học qua và đã tạo những điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè, những người luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình em thực hiện đề tài

Nha Trang, tháng 6 năm 2012

An Thị Tươi

`MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC HÌNH……….v

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ……… vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT………vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về carotenoid 3

1.1.1 về carotenoid 3

1.1.2 Phân loại carotenoid 4

1.1.2.1 Nhóm carotene 4 1.1.2.2 Nhóm xanthophylls 5 1.1.3 Tính chất vật lý, tính chất quang phổ……….6

1.1.4 Hoạt tính sinh học và vai trò của carotenoid……… 8

1.1.5 Một số carotenoids điển hình 8

1.1.5.1 β-carotene 8 1.1.5.2 Lycopene 14 1.1.6 Các nguồn carotenoids trong tự nhiên 16

1.1.6.1 Nguồn carotenoids từ Gấc 18

1.1.6.2 Nguồn carotenoids từ nấm sợi Blakeslea trispora 21

1.2 Sự oxy hóa phân tử carotenoids – Hợp chất apocarotenoids……….23

1.2.1 Sự oxy hóa phân tử carotenoids 22

1.2.1.1 Một số enzyme sử dụng để chuyển hóa carotenoids thành chất thơm 27

1.2.2 Các hợp chất apocarotenoids 29

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 32

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 32

2.2 Vật liệu, Hóa chất và dụng cụ 32

2.2.1 Vật liệu 32

2.2.2 Các hóa chất 32

2.2.3 Các chất chuẩn 36

2.2.4 Dụng cụ 36

2.3 Phương pháp nghiên cứu 36

2.3.1.Tách chiết carotenoids từ các nguồn khác nhau 36

2.3.1.1 Tách chiết carotenoids từ cà rốt và gấc 36

2.3.2 Chuyển hóa carotenoids thành chất thơm 40

2.3.2.1 Tạo hợp chất thơm nhờ quá trình tự oxy hóa của carotenoids 40

2.3.2.2 Tạo hợp chất thơm nhờ quá trình bổ sung Enzyme để oxy hóa carotenoids 41 2.4 Phương pháp phân tích 42

2.4.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ UV-VIS 42

2.4.2 Phương pháp sắc kí bản mỏng TLC 44

2.4.3 Phân tích các thành phần chất thơm bằng sắc kí khí (GC) 46

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47

3.1 Kết quả tách chiết carotenoids từ các nguồn khác nhau .47

3.2 Kết quả sắc kí bản mỏng TLC 49

3.3 Sự phân rã của carotenoids/β-carotene trong quá trình tự oxy hóa .52

3.3.1 Khảo sát sự phân rã β-carotene từ các carotenoids có nguồn gốc khác nhau.

52

3.3.2 Nghiên cứu khảo sát sự tạo thành các chất thơm trong phản ứng tự oxy hóa carotenoids từ dầu gấc 54

3.4 Nghiên cứu khảo sát sự tạo thành các chất thơm từ carotenoids dầu gấc trong phản ứng đồng oxy hóa sử dụng enzyme xanthine oxydase 55

3.5 Khảo sát sự phân rã β-carotene tách chiết từ sinh khối nấm sợi B.trispora và tạo thành chất thơm trong phản ứng đồng oxy hóa sử dụng enzyme xanthine oxidase 57

3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ enzyme và cơ chất đến sự phân rã β-carotene tách chiết từ sinh khối nấm sợi B trispora và hình thành chất thơm trong quá trình đồng oxy hóa 58

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

4.1 Kết luận 64

4.2 Kiến nghị 64

4.2.1 Nghiên cứu quá trình chuyển hóa sinh học β-carotene thành chất thơm 65

4.2.2 Nghiên cứu tách chiết, thu hồi sản phẩm 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của β-caroten 5

Hình 1.2 Cấu trúc hóa học của Lycopene 5

Hình 1.3 Cấu trúc hóa học của lutein và zeaxanthin 5

Hình 1.4 Phổ hấp thụ của một số carotenoids 7

Hình 1.7: Trái gấc 20

Hình 1.8: Các thành phần hợp chất bay hơi chính khi phân cắt β-carotene 23

Hình 1.10 Các bước trong quá trình chuyển hóa carotenoids thành chất thơm 25

Hình 1.11 Các bước cơ bản chuyển hóa carotenoids thành chất thơm: trường hợp của beta-ionone và beta-damascenone từ beta-carotene và neoxanthin 26

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể enzyme Xanthine oxidase tách chiết từ bò 28

Hình 1.14 Một số apocarotenoid tạo thành khi phân cắt beta-caroten 30

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tách chiết carotenoids từ cà rốt và Gấc .39

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình tách chiết carotenoids từ nấm sợi 39

Hình 2.3 Phổ hấp thụ của Lycopene trong mẫu chuẩn và mẫu dầu Gấc 43

Hình 2.4 Phổ hấp thụ của beta-carotene trong mẫu chuẩn và mẫu dầu Gấc 43

Hình 3.2 Kết quả phân tích TLC carotenoids/β-carotene từ dầu Gấc và từ Beta-carotene tinh khiết 50

Hình 3.3 Phổ hấp thụ thu được từ bản sắc kí, giống với phổ của 51

beta-carotene 51

Hình 3.4 Phổ hấp thụ thu được từ bản sắc kí, giống với phổ của Lycopene 51

Hình 3.5: Sự thay đổi hàm lượng β-carotene từ các nguồn khác nhau theo thời gian 53

Hình 3.6 Sự phân rã β-carotene tách chiết từ sinh khối nấm sợi B.trispora trong quá trình đồng oxy hóa sử dụng enzyme XO ở các nồng độ khác nhau 60

Hình 3.7 Biểu đồ hiệu suất chuyển hoá β-cyclocitral với các nồng độ enzyme và cơ chất khác nhau 61

Hình 3.8 Biểu đồ hiệu suất chuyển hoá β-ionone với các nồng độ enzyme và cơ chất khác nhau 62

Hình 3.9 Biểu đồ hiệu suất chuyển hoá DHA với các nồng độ enzyme 62

và cơ chất khác nhau 63

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ

Bảng 1.1 Quang phổ hấp thụ của một số carotenoids điển hình 6 Bảng 1.2 Ảnh hưởng của phương thức chế biến đến hàm lượng beta-carotene 9 Bảng 1.3: Bảng thành phần của beta-carotene trong 1 số loài thực vật phổ biến tại Việt Nam………17 Bảng 1.4 Hàm lượng một số carotenoids trong các mẫu thực vật……….18

Bảng 1.5 Lượng beta-carotene có trong 100g thực phẩm Error! Bookmark not

tự oxy hóa 54 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ dầu màng gấc đến sự phân rã β-carotene và tạo thành chất thơm trong phản ứng đồng oxy hóa sử dụng xanthine oxidase 55 Bảng 3.5 Sự phân rã β-carotene sinh khối nấm sợi B trispora và tạo thành chất thơm trong phản ứng đồng oxy hóa sử dụng enzyme xanthine oxidase 57 Bảng 3.6 Sự phân rã β-carotene tách chiết từ sinh khối nấm sợi B trispora trong quá trình đồng oxy hóa sử dụng enzyme XO ở các nồng độ khác nhau 58 Bảng 3.7 Hiệu suất chuyển hóa β-carotene thành chất thơm trong quá trình đồng oxy hóa β-carotene từ sinh khối nấm sợi B trispora với các nồng độ XO và cơ chất

acetaldehyde khác nhau 60

MỞ ĐẦU

Từ thời xa xưa, khi mà công nghệ sản xuất chất thơm chưa được biết đến con người đã biết dùng hoa, lá của các loại thực vật (như hoa hồng) để nấu nước tắm, gội đầu cho thơm Ngày nay, khi đời sống ngày càng phát triển, xã hội càng văn minh thì các chất thơm được sản xuất và sử dụng ngày càng đa dạng và phong phú cả về số lượng lẫn chất lượng Chất thơm có thể lấy từ nguồn thiên nhiên bằng cách chưng cất hoa, lá hoặc cây các loài thực vật, hoặc hoàn toàn bằng con đường hóa học Tuy nhiên việc tách chiết chúng là một việc khó khăn đòi hỏi một quy trình phức tạp và ít hiệu quả kinh tế, bên cạnh đó với các sản phẩm được tổng hợp bằng con đường hóa học lại ít được người tiêu dùng đón nhận, người ta ưa chuộng sản phẩm tự nhiên hơn Vì vậy nhiều nhà khoa học đã tích cực tìm kiếm các hương thơm mới cũng như công nghệ mới để sản xuất các hợp chất tự nhiên Một trong các lĩnh vực đang nổi lên về sản xuất các hợp chất

là sử dụng công nghệ sinh học, đặc biệt là sử dụng enzyme và vi sinh vật cho sự xúc tác sinh học Sự biến đổi sinh học các hợp chất carotenoids có vẻ như là một

sự lựa chọn hợp lý để sản xuất các hợp chất hương từ những nguyên liệu được gọi là tự nhiên

Sinh chuyển hóa carotenoids/ β-carotene được cho là một hướng có triển vọng để sản xuất hương thơm từ khi các chất này được xếp vào danh mục các thành phần tự nhiên Các hợp chất thơm tạo ra từ carotenoids/ β carotene là một trong những nhóm quan trọng, bao gồm các sản phẩm chất thơm thu được từ quá trình phân cắt phân tử β-carotene như β-ionone, β-cyclocitral, dihydroactinidiolide (DHA), β-damascenone, là những hợp chất có mùi hương hoa, quả và gỗ rất mạnh, là thành phần chính của nhiều tổ hợp hương thơm được

sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm Các hợp chất này tồn tại trong mô tế bào thực vật nhưng với hàm lượng rất thấp, vì vậy sự tách chiết rất tốn kém, điều đó đặt ra những nghiên cứu phát triển những công nghệ khác để thu nhận chúng

Nguồn carotenoids/β-carotene được tìm thấy ở nhiều loài thưc vật khác nhau như cà chua, cà rốt, các loại hoa cúc có màu vàng, quả gấc…hay từ tảo

Spirulina, Dunaliella salina, từ nấm mốc như Blakeslea trispora, từ nấm men đỏ

Rhodotorula glutinis, R rubra Vì vậy, tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Enzyme đế sản xuất hợp chất thơm dẫn xuất carotenoids”

Mục tiêu của đề tài gồm 2 phần:

1 Thu nhận nguồn carotenoids từ các nguồn thực vật khác nhau

2 Chuyển hóa carotenoids thành chất thơm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về carotenoid

1.1.1 Các hợp chất carotenoid

Carotenoid là một dạng sắc tố hữu cơ có tự nhiên trong thực vật và các loài sinh vật quang hợp khác như là tảo, một vài loài nấm và một vài loài vi khuẩn Hiện nay người ta đã tìm được 600 loại carotenoid, sắp xếp theo hai

nhóm, xanthophylls và carotene (Rao và Rao, 2007) Carotenoid thuộc nhóm tetraterpenoids (phân tử chứa 40 nguyên tử C) được tạo nên bởi 8 đơn vị

từ bên ngoài.Thiên nhiên có đến khoảng 600 loại carotenoid khác nhau, trong đó

có 50 loại carotenoid hiện diện trong thực phẩm Thế nhưng trong máu của người

có khoảng 15 loại được tìm thấy và chúng đang được chứng minh là đóng vai trò quan trọng đối với đời sống con người

Carotenoid không phải là tên riêng của một chất nào mà là tên của một nhóm các hợp chất có công thức cấu tạo tương tự nhau và tác dụng bảo vệ cơ thể cũng tương tự nhau Carotenoid khá quen thuộc với chúng ta là β-caroten hay còn gọi là tiền chất của vitamin A Trong những năm gần đây người ta còn nói nhiều đến các carotenoid khác như lycopen, lutein và zeaxanthin

1.1.2 Phân loại carotenoid

Carotenoid được chia thành 2 loại: các carotene và các xanthophyll Các carotene có màu đỏ đến da cam, là những hydrocarbon (C40H58) có 1 mạch ngang 18 carbon mang 4 nhóm CH3 và 9 nối đôi liên hợp, chúng khác nhau ở các đầu chuỗi

Các xanthophyll thường có màu vàng và trong phân tử có chứa oxi VD: lutein và zeaxanthin

1.1.2.1 Nhóm carotene

Caroten (C 40 H 56 ) có mạch hydrocacbon không no, trong phân tử không

chứa oxy, không tan trong nước, chỉ tan trong lipit và các dung môi hữu cơ Phần trung tâm phân tử gồm 18 nguyên tử cacbon hình thành một hệ thống nối đôi liên hợp, có 4 nhóm CH3 mạch nhánh

Có 4 loại caroten quan trọng là α-caroten, β-caroten, γ-caroten và lycopen α-caroten, β-caroten có những vòng ionon khép kín; β-caroten có cấu tạo đối xứng với 2 vòng β-ionone nên khi thủy phân cho 2 phân tử vitamin A, còn các caroten khác khi thủy phân chỉ cho 1 vitamin A

a β-caroten

Gồm những sắc tố màu vàng, cam, xanh lá có ở hoa và rau Chúng là tiền chất của vitamin A, khi tồn tại ở dạng tinh thể có màu đỏ đậm β-carotene có thể tan trong các dung môi hữu cơ không phân cực như benzen, chlorofom, hexan, petroleum ether…, ít tan trong các dung môi phân cực như methanol, ethanol và không tan trong nước

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của β-caroten

(Nguồn: internet)

c Lycopen:

Đây là dạng đồng phân mở vòng hai đầu của β- carotene Lycopene có màu đỏ nhạt (do nhiều liên kết đôi của cacbon kết hợp với nhau) có nhiều trong các loại quả có màu đỏ ví dụ như cà chua Lycopene không tan trong nước và không có khả năng chuyển hoá thành vitamin A

Hình 1.2 Cấu trúc hóa học của Lycopene

( Nguồn : Internet)

1.1.2.2 Nhóm xanthophyll

Xanthophyll - C40H56On (n : 1- 6) là dẫn xuất dạng oxi hoá của caroten,

có chứa từ 1 đến 6 phân tử oxy, ví dụ như: Cripthoxanthin (C40H56O ), Lutein (C40H56O2), Violaxanthin (C40H56O4)… Các nguyên tử oxi liên kết trong các nhóm hidroxy, cacboxy, axetoxy, metoxy, epoxy…Bước sóng hấp thụ của cực đại của xanthophyll ở 451 - 481 nm

Hình 1.3 Cấu trúc hóa học của lutein và zeaxanthin

( nguồn: Internet)

1.1.3 Tính chất vật lý và tính chất quang phổ

Trong thực vật, động vật, carotenoid có thể ở dạng tinh thể chất rắn vô định hình, không tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ và chất béo thành dung dịch, phân tán keo hoặc tạo phức với protein trong môi trường nước

Caroten khi để ngoài không khí dễ hấp thụ oxi (đến 40% so với trọng lượng) để trở thành dạng oxi hóa Caroten nguyên chất là các tinh thể đen có màu

đỏ sáng của đồng và có ánh kim loại, dung dịch caroten có màu đỏ cam (Lê Ngọc

Tú, 2006)

Các caroten rất dễ bị oxy hoá dưới tác dụng của oxy không khí, ánh sáng, nhiệt độ và enzyme, nhạy cảm với axit và chất oxy hoá, bền với kiềm hấp thu bước sóng cực đại vào khoảng 450nm

Quang phổ hấp thụ của carotene trong các dung môi ở các vùng cực tím

có cực đại hấp thụ như sau (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Quang phổ hấp thụ của một số carotenoids điển hình

( theo: “A guide of carotenoids analysis in food”)

Dung môi α-caroten β-caroten γ-caroten Lycopene Acetone 424 448 476 429 452 478 439 461 491 448 474 505 Chlorofor

m 433 457 484 435 461 485 446 475 509 458 484 518 Ethanol 423 444 473 425 450 478 440 460 489 446 472 503 Hexane,

Petroleum

ether

422 445 473 425 450 477 437 462 494 444 470 502

Hình 1.4 Phổ hấp thụ của một số carotenoid A: Phổ hấp thụ của lycopene (—), γ-carotene (- - -), β-carotene (-.-.-) và α-

carotene ( ) trong ete dầu hỏa; B: Phổ hấp thụ của hai dạng đồng phân trans- và

cis-β-carotene

1.1.4 Hoạt tính sinh học và vai trò của các hợp chất carotenoid

Catotenoid là tiền Vitamin A Nó là chất chống oxy hóa tự nhiên có khả năng bắt giữ oxy đơn phân tử (oxy singlet)

Các carotenoid có chức năng bảo vệ mắt:

+ Lutein và zeaxanthin hấp phụ những phổ ánh sáng có năng lượng cao và

có hại nhất của ánh sáng mặt trời ,kìm hãm việc hoạt hóa các gốc tự do, ngăn chặn phản ứng kích hoạt bởi ánh sáng

+ Carotene : bảo vệ thị giác, tăng cường sức khoẻ và sức đề kháng cho cơ thể, chống thoái hóa hoàng điểm ở người cao tuổi

Các carotenoid còn giúp cơ thể phòng chống một số bệnh như:

_ Ngăn ngừa ung thư tiền liệt tuyến, ung thư phổi

1.1.5.1.1 Cấu trúc hóa học

Βeta-carotene có công thức hóa học gần giống như lycopene nhưng khác nhau về cấu trúc Phân tử có 9 liên kết đôi và kết thúc bộ khung cacbon là 2 vòng β-ionone Cấu trúc đặc biệt xác định các thuộc tính đặc biệt của β- carotene

Hình 1.5: cấu trúc hóa học của β- carotene

ổn định Tỉ lệ phần trăm của β-carotene không được duy trì ở các điều kiện chế

biến khác nhau, điều này được tóm tắt trong bảng 1.2 Mặc dù vậy all-trans

β-carotene chiếm ưu thế hơn, khoảng 20 đồng phân cis được tìm thấy trong cà rốt, tiêu và củ sắn Kéo dài thời gian nấu nướng sẽ làm tăng thêm quá trình đồng phân hóa

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của phương thức chế biến đến hàm lượng

beta-carotene

β-carotene nhạy cảm với oxy , sự đồng phân hóa xảy ra dưới sự ảnh hưởng bởi ánh sáng, nhiệt độ, và oxy Vì vậy phải giữ ở điều kiện tránh ánh sáng, bảo quản trong bao bì kín với nitro hoặc argon trong thời gian sử dụng dài

1.1.5.1.3 Tính chất sinh học

a Hoạt tính của các provitamin A

β-carotene chứa 2 vòng β-ionone, đó chính là hoạt tính của provitamin A Trong số các đồng phân của β- carotene, all- trans β-carotene chứa 100% hoạt tính, trong khi các đồng phân cis chỉ chiếm khoảng 50% hoạt tính hoặc nhỏ hơn ( Minguez-Mosquera và cộng sự, 2002) Việc cắt tại trung tâm hoặc phá vỡ cấu trúc tại 1 đầu của phân tử có thể chuyển đổi beta-carotene thành provitamin A việc chuyển đổi của β- carotene diễn ra trong niêm mạc ruột bởi enzyme β-

carotene dioxygenase, sản xuất ra 2 phân tử của võng mạc, sau đó trở thành

vitamin A

b Hoạt tính sinh học và khả năng hấp thụ

Hoạt tính sinh học của β-carotene phụ thuộc vào tính chất vật lý của nó trong thực phẩm Chế độ ăn uống cùng với thực vật và chất béo sẽ làm tăng khả năng hấp thụ Trong dạ dày, β-carotene có xu hướng tổng hợp cùng với lipid ở dạng viên nhỏ, sau đó được chuyển vào ruột non Chỉ 1/3 β-carotene trong chế

độ ăn uống được hấp thụ vào ruột, và 1 nửa của chúng được chuyển đổi thành retinol Phần còn lại được lưu trữ trong chất béo dự trữ của cơ thể (Minguez-Mosquera và cộng sự, 2002)

Trong lĩnh vực dược phẩm và y học, β-caroten được coi là một loại biệt được rất hữu hiệu trong việc phòng, chữa trị các bệnh nan y và còn được coi như một liều thuốc làm tăng tuổi thọ cho loài người Những nghiên cứu gần đay cho thấy β-caroten nhân tạo có liên quan đến hiện tượng biến đổi nhiễm sắc thể, dẫn đến nguy cơ ung thư trong khi đó thì β-caroten tự nhiên lại có khả năng chống lại

sự sai khác này, do đó, có khả năng ngăn ngừa được bệnh ung thư

Tính độc của β-caroten cũng được quan tâm nhiều, đối với các sản phẩm

tự nhiên do có thêm một số các đồng phân khác nên không gây độc tính dù sử dụng ở nồng độ cao, trong khi đó thì β-caroten tổng hợp hóa học lại chỉ bao gồm toàn cấu hình trans nên gây độc khi sử dụng với liều lượng cao Vì vậy, xu hướng

hiện nay chủ yếu tập trung vào sản xuất β-caroten theo con đường sinh tổng hợp

tự nhiên

Đối với β-caroten khi ở dạng tiền vitamin A, nó bảo vệ nhiễm sắc tố da chống lại hiệu ứng có hại của các tia tử ngoại Người ta khuyên nên dùng bổ sung β-caroten trước khi làm việc lâu dài dưới ánh nắng mặt trời Nó có thể giúp da phòng chống bệnh ung thư da trong một thời gian dài

Dựa trên các nghiên cứu, người ta đã kết luận rằng β-carote cùng với vitamin C, E, đồng, mangan thì vitamin A, β-carotene có vai trò quyết định đến

sự ngăn ngừa, chống lại các gốc tự do (các chất tự do kém bền và hoạt động mạnh Nó có khả năng kết hợp với các phân tử khác, đặc biệt là lipid và gây nên một phản ứng dây chuyền cực kỳ nguy hiểm đối với tế bào và là nguồn gốc của các căn bệnh như tim mạch, quá trình lão hóa, giảm trí nhớ, ung thư…) (Young

và cộng sự 2003)

Đối với động vật có vú, β-caroten giữ chức năng sinh học quan trọng trong quá trình phát triển các thể như: phát triển thị giác, vị giác, tăng đáp ứng miễn dịch, tăng sự sinh sản và tạo tinh trùng Tác động chủ yếu của β-caroten không chỉ là chống oxy hóa mà còn trao đổi thông tin từ tế bào này đến tế bào khác, tác động tới cấu trúc và chức năng của màng tế bào, tăng cường sự đáp ứng miễn dịch của cơ thể Chính vì vậy mà nó được xác định là chất điều hòa dinh dưỡng

Đặc biệt, β-caroten không độc đối với cơ thể khi sử dụng ở liều lượng cao

và kéo dài, trong khi nếu ta sử dụng vitamin A kéo dài và với liều cao thì sẽ gây rối loạn thị giác, rố loạn chức năng gan Nguyên nhân chính là do cơ thể chuyển hóa β-caroten thành vitamin A khi có nhu cầu Chỉ 1/6 lượng β-caroten chuyển

thành vitamin A (Goodwin, 1980)

β-caroten có hai đồng phân trans- và cis-β-caroten, trong đó, caroten có thể chuyển thành dạng cis-β-caroten Dạng đồng phân trans β-caroten con người có thể hấp thụ và sử dụng được Hiện tại thì các nghiên cứu chỉ ra rằng

trans-β-khi sử dụng β-caroten tổng hợp β-caroten tự nhiên( có cả cis và trans) thì tốt hơn

là sử dụng β-caroten tổng hợp theo con đường hóa học chỉ chứa dạng trans

c Tính chất chống oxy hóa

β- carotene là chất có hoạt tính chống oxy hóa ( Palozza và Krinsky , 1992) Tuy nhiên hoạt tính này thấp hơn Lycopene và một vài carotenoids khác

Cơ chế chống oxy hóa:

Trong cơ thể, carotenoids nói chung và β-caroten nói riêng có khả năng triệt tiêu các gốc tự do, dập tắt các chuỗi phản ứng dây chuyền Nhờ có hệ thống liên hợp,

nó vô hiệu hóa phân tử oxi bị kích hoạt (1O2) Một phân tử β-caroten có hấp thụ năng lượng của oxy nguyên tử rồi giải phóng năng lượng ấy dưới dạng nhiệt vô hại

1O2 + β-caroten→ β-caroten* + β-caroten* → β-caroten + Q(vô hại)

1.1.5.1.5 Ứng dụng và sản xuất thương mại của β-carotene

Ngày nay, tác dụng phụ của chất hóa học trong thức ăn và sản xuất nông nghiệp là mối quan tâm lớn của các nhà khoa học Màu nhân tạo, hàn the và chất bảo quản trong quy trình sản xuất thực phẩm , sự phân hủy của chất bảo vệ thực vật tích tụ trong cơ thể sẽ gây ra bệnh ung thư và nhiều căn bệnh nguy hiểm khác Từ lý do này , chất chống oxy hóa từ nguồn tự nhiên là nhu cầu rất lớn trong thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm Lycopene và β-carotene có nhiều đóng góp trong các lĩnh vực này

Về màu thực phẩm: màu đỏ cam của Lycopene và β- carotene có nguồn

gốc tự nhiên đã được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm và nước giả khát, chúng được cho là an toàn hơn các màu nhân tạo khác Những sắc tố này có thể được tổng hợp hoặc chiết xuất từ những nguồn tự nhiên Chúng được tăng cường và sửa chữa hoặc đóng góp từ màu thực phẩm như cam, kẹo , bơ, pho mát và nước mắm Và xa hơn nữa , chúng có thể được sử dụng như là chất chống oxy hóa để kéo dài tuổi thọ của sản phẩm

Về vấn đề bổ sung dinh dưỡng : β- carotene được coi như là chất có hoạt

tính như provitamin A nó được bổ sung vào thực phẩm để làm tăng giá trị dinh dưỡng trong các sản phẩm đặc biệt như sữa, nước uống tăng lực và nước trái cây β- carotene có thể được bổ sung vào thức ăn chăn nuôi để làm tăng chất lượng của trứng và sữa

Về thành phần dược phẩm : lycopene và β- carotene tinh khiết được sử

rộng rãi trong các sản phẩm dược phẩm như các vitamin dạng viên được bổ sung dần dần hoặc cho các bệnh nhân thiếu hụt vitamin Nó còn là thành trong thuốc kết hợp chống lại bệnh ung thư Mặc dù mới chỉ gần đây , lycopene mới được sử dụng trong ngành công nghiệp dược phẩm , nhưng rất nhiều sản phẩm có nguồn gốc lycopene được tìm thấy trong các lĩnh vực thương mại như chất hỗ trợ chống oxy hóa, sức khỏe tim mạch và da Không chỉ là những chất màu trong thực phẩm , lycopene và β-carotene còn có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong việc điều chế thuốc chống ung thư và hỗ trợ điều trị bệnh ung thư, nó có nhu cầu cao trong việc điều trị cho hơn 10 triệu bệnh nhân mắc bệnh ung thư mỗi năm (Frankish, 2003)

1.1.5.2 Lycopene

Việc tiêu thụ nhiều rau và trái cây trong chế độ dinh dường hàng ngày được xem

là một yếu tố quan trong để đảm bảo sức khỏe Các bà nội trợ hiện nay thường quan tâm đến các loại thực phẩm chứa nhiều vitamin C, vitamin E, β-caroten và

các carrotenoids khác Những hợp chất này dề dàng tìm thấy ở các loại trái cây

và rau củ màu đỏ, vàng, cam Trong số các hợp chất nhóm carotenoid, lycopene được xem là chất chống oxi hóa hiệu quả nhất

Lycopene tạo nên sắc tố đỏ và là hợp chất được biết đến rộng rãi trong gấc, cà chua Mặc dù dưa hấu, ổi xá lị, bưởi đỏ và đu đủ cũng có chứa lycopene, nhưng với hàm lượng rất nhỏ

Chức năng sinh học của lycopen phu thuộc vào cấu trúc đồng phân hình học Lycopen luôn ở dạng trans ở cà chua tươi, còn trong các sản phẩm cà chua

đã chế biến, 79-91% lycopen ở dạng trans Tuy nhiên, hơn 50% lycopen trong

mô tế bào là đồng phân cis Cơ chế chuyển hóa chuyển hóa từ đồng phân dạng trans sang dạng cis hiện nay vẫn chưa được hiểu rõ Sự chuyển hóa này có thể là

do sự gia nhiệt trong quá trình chế biến thức ăn, hoặc là do quá trình tiêu hóa thức ăn… Lycopen là hợp chất tan trong dầu, do đó việc hấp thu lycopne phải trải qua quá trình khuếch tán thụ động xuyên qua niêm mạc ruột Quá trình hấp thu lycopen gồm bốn giai đoạn: tiêu hóa thức ăn; kết hợp tạo các hạt micelle (muối mật và các hạt lipid kết hợp với lycopen) và hình thành các hạt chylomicron (một loại lipoprotein vận chuyển lycopen vào plasma); hấp thụ qua niêm mạc ruột; vận chuyển đến mô và tế bào thông qua hệ thống hạch lympho

Hai nhóm khoa học Franceschi và cộng sự, (1994) và Ocké, (1996), nghiên cứu về lycopene cuả quả cà chua đỏ (red tomato) và cho rằng nếu tiêu thụ nhiều quả cà chua tươi thì có trong cơ thể có rất cao lycopene nhưng rất nghèo về beta-carotene Các nghiên cứu và khảo sát tại Ý và Netherlands đã chứng minh rằng, Lycopene trong cà chua có tác dụng hiệu quả đến việc làm giảm tỉ lệ ung thư ở phần trên và phần dưới ruột như: thực quản, dạ dày, kết tràng và trực tràng,

và nhất là làm giảm đáng kể nguy cơ ung thư tuyến tụy Nghiên cứu ung thư tại trường Y khoa Harward (Harward Medical School), Boston, USA (2004) có công

bố về sự nghiên cứu liên quan đến lycopene trong việc ngăn ngừa sự suy thóai

tim mạch, ung thư tiền tuyến liệt và bao tử đến đường ruột đều liên quan đến hoạt tính sinh học của Lycopene

Rất nhiều các khoa học gia cho rằng càng tiêu thụ nhiều cà chua thì đồng thời làm giảm đi nhiều dạng ung thư (cancer types) trong cơ thể, vì cà chua có chất chống oxy hóa, và lycopene được coi là những yếu tố quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe Các thí nghiệm và kết luận về lycopene trong việc ngăn ngừa ung thư được các nhóm nghiên cứu cho rằng chính lycopene là nhân tố chủ yếu trong việc ngăn ngừa và ức chế các lọai bướu (lành hay dữ) có hiệu quả cao nhất

1.1.6 Các nguồn carotenoids trong tự nhiên

Carotenoids là sắc tố tự nhiên tạo ra màu vàng, da cam, đỏ trong rất nhiều các loại hoa quả( gấc , chanh, đào, mơ, cam, nho, ); rau ( cà rốt, cà chua,…); nấm và hoa; chúng còn có mặt trong hầu hết các loài động vật cũng như các sản phẩm từ động vật như : trứng, tôm, cá,…

Theo kết quả điều tra của các nghiên cứu trước đây, trong giới thực vật, nguồn carotenoids phổ biến nhất có mặt trong quả Gấc, và một số loài thực vật quen thuộc như cà rốt, cà chua, đu đủ, rau ngót, … trong giới vi sinh vật, người

ta đã nghiên cứu và thu nguồn carotenoids từ sinh khối nấm sợi

Sau đây là bảng thành phần của beta-carotene trong 1 số loài thực vật

phổ biến tại Việt Nam (điều tra hợp chất carotenoids trong một số loài thực vật

ở VN, nguồn tạp chí khoa học DDHQGHN, Khoa học tự nhiên và công nghệ 23 (2007) 130-134)

Bảng 1.3: Bảng thành phần của beta-carotene trong 1 số loài thực vật

phổ biến tại Việt Nam

(Hàm lượng Beta-carotene trong 100g thực phẩm ăn được)

Tên thực phẩm

Beta-carotene

Beta-carotene (mcg)

Như chúng ta đã biết, vai trò của carotenoids là rất quan trọng đối với sức khỏe con người như: khả năng chống ung thư, khả năng bảo vệ tế bào chống lại

sự oxy hóa, lão hóa thủy tinh thể, chống hiện tượng xơ vữa động mạch Mà tất cả

các điều đó là phụ thuộc vào hàm lượng lycopene, β-carotene và lutein có trong mỗi loài thực vật

Sau đây là bảng hàm lượng các carotenoids quan trọng có trong các mẫu thực vật

Bảng 1.4 Hàm lượng một số carotenoids trong các mẫu thực vật

1.1.6.1 Nguồn carotenoids từ Gấc

1.1.6.1.1 Gấc

Gấc có tên khoa học là Momordica cochinchinesis (Lour) Spreng, họ Bí

(Cucurbitaaceae) bộ Violales Gấc còn có tên khác là Muricia cochinchinensis Lour., Momordica macrophylla Gage, Momordica mixta Roxburgh.Ở một số nước Gấc còn được gọi là: Mộc Miết (Trung Quốc), Spiny bittercucumber, Chinese cucumber (Anh), Makkao (Khơ Me),…

1.1.6.1.2 Đặc điểm thực vật

Gấc là loài cây thân thảo, dây leo, thuộc chi Mướp đắng Cây Gấc leo khỏe, chiều dài có thể đến 15m Thân dây có tiết diện góc Lá Gấc nhẵn, thùy hình chân vịt, phân ra từ 3 đến 5 dẻ, dài 8-18cm Gấc là loài đơn tính khác gốc

(dioecious) Hoa sắc vàng Quả hình tròn, sắc xanh, khi chín chuyển sang màu đỏ

cam, đường kính 15-20cm Vỏ Gấc có gai rậm Bổ ra mỗi quả thường có sáu múi Thịt quả màu vàng, màng hạt màu đỏ cam, bao quanh hạt , có chứa dầu, có nhiều thịt, béo, có vị dịu ngọt, thường được dùng để nấu xôi Gấc trong mỗi dịp lễ tết Hạt Gấc màu nâu thẫm hoặc đen, hình dẹp, có khía, được dùng làm thuốc chữa bệnh Gấc trổ hoa mùa hè sang thu, đến mùa đông mới chín Mỗi năm Gấc chỉ thu hoạch được một mùa vào khoảng tháng 8 đến tháng 2

Hình 1.6: Hình ảnh về trái gấc - Từ trái sang phải : lá, hoa và quả Gấc

( Nguồn: Internet)

1.1.6.1.3 Thành phần hóa học và công dụng của quả Gấc

Hàm lượng beta-carotene trong Gấc

Beta-carotene là một chất có khả năng chống oxy hoá rất cao Nó có tác dụng chống lại sự lão hoá và các bệnh lý ở phổi, tim, mạch máu, thần kinh do tiến trình oxy hoá gây ra

Hàm lượng beta-carotene của gấc là 52520 (mcg) cao hơn rất nhiều so với các loại thực phẩm khác.Thậm chí lượng beta-carotene nhiều thứ 2 là rau ngót là

6650 (mcg) cũng chỉ bằng 13% của gấc

Hình 1.7: Trái gấc

Theo Inshida và cộng sư, (2004), hàm lượng carotenoids trong màng hạt Gấc là một nguồn rất quý vì nó cao hơn tất cả các nguồn tự nhiên khác Số liệu của Inshida và cộng sự cho thấy, hàm lượng này có thể cao gấp 76 lần so với cà chua Lycopene tổng số trong quả gấc chín có thể lên tới 3053 µg/g so với 40-50 µg/ g hàm lượng Lycopene có trong cà chua Còn β-carotene tổng số đạt 682.3 µg/ g trong màng hạt Tỷ lệ β-carotene/ lycopene dao động trong khoảng 22.3 – 41.1% tùy theo quả

Ngoài ra trong màng hạt gấc còn chứa một lượng lớn acid béo không no, như acid linoleic (vitamin E), acid oleic,…

Tác dụng sinh học và công dụng của quả Gấc

Giá trị của quả Gấc được công nhận từ sớm chủ yếu dựa trên hàm lượng β-carotene của nó West và Poortvliet đo được 188.10 µg β-carotene và 891.50

µg carotenoids tổng số trên 1g hạt Gấc tươi Vương và cộng sự cũng đã phân tích

hóa học và cho thấy hạt Gấc chứa 175 µg β-carotene và 802 µg lycopene trên 1g hạt Gấc tươi Hàm lượng lycopene có trong Gấc cao hơn gấp nhiều lần so với hàm lượng lycopene có trong cà chua 40-50µg/g, nguồn lycopene chính trong khẩu phần của người Châu Âu Tất nhiên lycopene rất được quan tâm vì nó liên quan đến khả năng làm giảm một vài bệnh ung thư như ung thư phổi hay ung thư tuyến tiền liệt Thêm vào đó, nghiên cứu trên người Mỹ Phi bị ung thư tuyến tiền liệt cho thấy , viêc ăn hàng ngày lycopene từ cà chua làm tăng rõ rệt hàm lượng lycopene trong huyết tương và trong tuyến tiền liệt, làm giảm các kháng nguyên đặc hiệu của nó (dấu hiệu của bệnh ung thư), và cải thiện hiệu quả chữa bệnh Ngoài ra ß-carotene còn là tiền chất của vitamin A, vì vậy Gấc được coi là nguồn cung cấp giá trị và hữu ích trong việc thiếu hụt vitamin A thường phổ biến ở các nước thế giới thứ 3 (Ly và cộng sự, 2004)

Gần đây, nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng β-carotene , lycopene

và α-tocopherol trong dầu Gấc có khả năng làm mất tác dụng của 75% những chất gây bệnh ung thư nói chung , đặc biệt là ung thư vú Nó được dùng cho bệnh nhân bị ung thư sau khi cắt bỏ khối u, sau hóa trị và xạ trị Acid linoleic trong dầu Gấc là một vitamin F, có ảnh hưởng đến chuyển hóa các lipid, phospholipid, giúp cơ thể thải bớt cholesterol chống nhiễm mỡ và làm vững bền thành mạch máu Nó cũng có tác dụng bảo vệ da và tăng sức chống đỡ của cơ thể

1.1.6.2 Nguồn carotenoids từ nấm sợi Blakeslea trispora

1.1.6.2.1 Giới thiệu về nấm sợi Blakeslea trispora - nguyên nhân chọn nấm sợi Blakeslea trispora để sản sinh β-caroten

Blakeslea trispora là một loại vi nấm đa hình, giữa hệ sợi không có vách

ngăn, sinh sản vô tính hoặc hữu tính Nó tổng hợp β-caroten với chu trình vòng

đời bao gồm sợi nấm hyphae), sợi nấm tiếp hợp (zygophores) và bào tử tiếp hợp(zygospores)

Loại nấm này thuộc lớp nấm tiếp hợp, ngành nấm tiếp hợp, bộ Mucorales

Người ta chọn loại nấm sợi B trispora này để sản sinh β-caroten cũng do

độ bền của β-caroten đối với nhiệt độ trong quá trình sấy khô tạo thành phẩm Độ bền của ß-caroten trong quá trình lên men khác với nó trong quá trình sấy khô Một số tác giả đã nghiên cứu các yếu tố tự kích thích, tự điều chỉnh bên trong của

vi sinh vật, các yếu tố tự điều chỉnh này được tạo ra trong quá trình lên men, từ các thành phần môi trường hoặc từ các chất tạo ra trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật Các yếu tố tự điều chỉnh này đã được xác định có bản chất hóa

học như esters với một nhóm alcohol Blakeslea trispora đã được xác định là một

trong những vi sinh vật có khả năng tạo được các chất tự điều chỉnh β-caroten được giữ lại trong hệ sợi, và nếu quá trình lên men kéo dài thì hiệu suất thu hồi các chất màu cũng bị giảm đi

(Theo nguồn tài liệu: Đồ án “Nghiên cứu nâng cao khả năng tổng hợp chất màu

từ nấm sợi Blakeslea trispora”)

1.2 Sự oxy hóa phân tử carotenoids – Hợp chất apocarotenoids

1.2.1 Sự oxy hóa phân tử carotenoids

Khi oxy hóa và phân cắt carotenoid (trong quá trình chín của quả hay trong quá trình tách chiết), có thể tạo ra các thành phần hợp chất bay hơi giống như các cấu tử hương thơm của thực vật như các hương thơm dẫn xuất từ carotenoid – là nguồn cơ chất của các thành phần hương thơm của các sản phẩm

từ thực vật (Wintherhalter và Rouseff, 2001) Các thành phần hương thơm chính được hình thành trong quá trình oxy hóa phân rã của β-carotene bao gồm β-cyclocitral, β-ionone, 5,6-epoxy-β-ionone (EPBI) và dihydroactinidiolide (DHA),

là các tinh dầu hương thơm có sự giống với mùi của các loại quả, hoa và gỗ Các thành phần này có thể được tạo ra khi phân rã β-carotene bởi các phân tử oxy hoạt động (Reactif Oxygen Specises – ROS) và sự phân cắt thường diễn ra tại liên kết C9-10 (Bosser và Belin, 1994; Wache và cs, 2003) ROS có thể được tạo thành khi các aldehyde bị phân cắt bởi các Enzyme có hoạt tính hydroperoxide lyase như lipoxygenase hoặc xanthine oxidase (XO) (Bosser và Belin, 1994)

Các thành phần bay hơi chính khi cắt mạch β-carotene được trình bày trong hình 1.7 Các sản phẩm này có trong một số loại thực vật chứa β-carotene nhưng hàm lượng của chúng rất khác nhau tùy thuộc vào từng loài và thể hiện ở các phản ứng phân cắt carotenoid trong các điều kiện rất khác nhau trong môi trường tự nhiên Trong thực tế, một số các sản phẩm có thể được oxy hóa tiếp và tạo ra các thành phần với các cấu tử hương thơm cảm nhận khác nhau (Cao Hoàng Lan và cộng sự, 2010)

Hình 1.8: Các thành phần hợp chất bay h i chính khi phân cắt β-carotene

( Theo Cao Hoàng Lan và cộng sự, 2010)

Do sự nhạy cảm của carotenoids ở nhiệt độ cao và trong điều kiện có oxy, dẫn đến sự hình thành các hợp chất bay hơi từ carotenoids là rất dễ dàng; Mordi

và cộng sự đã phân tích các sản phẩm hình thành trong thời kì thoái hóa carotene trong benzen: carotenyl và Peroxycarotenyl được hình thành và phản ứng với beta-carotene dẫn đến hình thành ionones của epoxyiones (EPBI) và dihydroactinidiolide (DHA) trong vài giờ đầu tiên Các hợp chất này cũng được

tìm thấy trong sự oxy hóa của tất cả các trans-beta - carotene trong một hệ thống

nhũ tương , gốc tự do được tạo ra bởi ảnh hưởng của nhiệt độ và oxy Crouzet et al.(8) cho thấy rằng cấu trúc của carotene bị phân cắt đầu tiên là epoxidised và sau đó tách ra trong quá trình nhiệt dẫn đến sự hình thành của 5,6-epoxyionone (EPBI ), dihydroactinidiolide (DHA), beta-ionone và beta-cyclocitral

Hình 1.9: Sự tạo thành chất thơm nhờ quá trình phân rã beta-carotene

( Theo Aguedo và cộng sư, 2004)

Các chuyển hóa carotenoids bằng con đường enzyme tính đến nay vẫn chưa được hiểu rõ Tuy nhiên, cũng đã có nghiên cứu chỉ ra rằng enzyme tách chiết từ trà

xanh

có thể chuyển hóa phân tử carotene thành beta-ionone và một số các sản phẩm bay hơi khác Ngoài ra, enzyme lipoxygenase từ đậu tương cũng được biết đến với khả năng chuyển hóa violaxanthin thành 3-hydroxy-3-ionone epoxyde Từ đó cho thấy phản ứng chuyển hóa phân tử carotenoids thành chất thơm bởi enzyme

có thể vừa có tính đặc hiệu vừa không có tính đặc hiệu (vị trí cắt đặc hiệu trên

chuỗi nối đôi) (Enzell và cộng sự, 2001)

Sự tấn công không đặc hiệu bởi enzyme lên phân tử carotenoids có thể được giải thích bởi sự tấn công của oxy nguyên tử Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng

sự tấn công của oxy nguyên tử lên phân tử beta-carotene được thực hiện tại vị trí nối đôi của cacbon số 11, 12, 9, 10, 8, 9 và 6, 7; đối với phân tử zaexanthine là các nối đôi ở vị trí 9, 10, 8, 9, 7, 8 và 6, 7; đối với phân tử violaxanthin là tại các

vị trí 11, 12, 9, 10, và 8, 9

Hình 1.10 Các bước trong quá trình chuyển hóa carotenoids thành chất

thơm

Sự chuyển hóa sinh học của phân tử carotenoids thường được cho là được xúc tác bởi hệ enzyme dioxygenase Tuy nhiên, cơ chế của quá trình này còn chưa được hiểu biết rõ Một cách chung nhất, quá trình chuyển hóa carotenoids thành chất thơm được chia làm 3 giai đoạn (Fleischmann và cộng sự, 2001):

- Quá trình phân cắt bước đầu với enzyme dioxygenase

- Chuyển hóa bởi enzyme phân tử carotenoids thành các phân tử tiền chất thơm phân cực

- Chuyển hóa các phân tử tiền chất thơm không bay hơi thành các sản phẩm bay hơi bởi quá tình xúc tác acid

Hình dưới đây minh họa quá trình hình thành beta-damascenone từ neoxanthine Dẫn xuất oxy hóa của neoxanthine là cetone grasshopper và được xúc tác chuyển hóa sau đó thành cetone odorriferous Đối với việc tạo thành beta-ionone thì không cần tới bước xúc tác acid

Hình 1.11 Các bước cơ bản chuyển hóa carotenoids thành chất thơm: trường hợp của beta-ionone và beta-damascenone từ beta-carotene và

neoxanthin

Một cách tiếp cận khác là sử dụng dịch chiết từ thực vật để chuyển hóa carotenoids thành chất thơm Trong trường hợp này, sự phân cắt chuỗi polyterpene được thực hiện bởi sự oxy hóa đồng thời sử dụng hệ enzyme lipoxygenase (LOX) hoặc các hệ enzyme oxygenase khác như phenoloxidase, lactoperoxidase, hay xanthine oxidase (XO)

Quá trình oxy hóa đồng thời đòi hỏi sự có mặt của enzyme, acid béo không no và carotenoids trong điều kiện hiếu khí Người ta có thể sự dụng dịch chiết thô của enzyme LOX, nguồn giàu carotenoids như dầu cọ, dịch ép cà rốt,

dịch chiết từ tảo Dunaliella … Hầu hết các phản ứng oxy hóa đồng thời đều

được thực hiện trong môi trường nước sau khi phân tán carotenoids cũng như các linoleate dưới sự trợ giúp của các chất tẩy rửa Ngày nay, một quy trình ôxy hóa đồng thời đã được áp dụng vào quy mô công nghiệp để sản xuất alpha- và beta-ionone với hiệu suất đạt được tới 200 mg/kg phản ứng Thành phần môi trường

phản ứng ở đây bao gồm nước ép cà rốt (nguồn carotenoids), bột đậu tương (nguồn LOX) và dầu thực vật (nguồn acid béo không no) (Winterhalter & Rouseff, 2001)

1.2.1.1 Một số enzyme sử dụng để chuyển hóa carotenoids thành chất thơm

1.2.1.1.1 Enzyme Lipoxygenase

Lipoxygenase (LOX) là một trong những enzyme được nghiên cứu nhiều nhất và nó tồn tại trong trên 60 loài động thực vật khác nhau LOX xúc tác phản ứng oxy hóa các axit béo không no đa chức (PUFA) chứa các hệ nối đôi liên hợp cis,cis-1,4-pentadiene để tạo thành dạng axit liên hợp hydroperoxydienoic LOX đậu tương là enzyme được nghiên cứu nhiều nhất còn LOX khoai tây ít được nghiên cứu hơn nhưng nó lại có tính chất gần với enzyme LOX động vật do có khả năng xúc tác phản ứng oxy hóa axit béo không no 20 cabon như axit arachidonic và tạo thành axit 15-hydroperoxyeicosatetranoic Ở động vật thì hydroperoxyde này là cơ chất của các hoạt chất sinh học thường được sử dụng trong dược phẩm

LOX đậu tương loại 1 (LOX-1) cũng được sử dụng để tẩy trắng bột mỳ và trong sản xuất bột nhào Mặt khác, sự mất màu cũng là một thước đo độ tươi của một số sản phẩm rau quả khác như đậu vàng hay một số loại quả mà carotenoid đóng vai trò chất màu quan trọng

LOX loại 2 (LOX-2) có trong đậu tương, đậu hà lan hay bột mỳ có khả năng làm mất màu carotene khi có mặt axit linoleic Tuy nhiên, hầu hết các báo cáo hiện nay đều sử dụng LOX-1 từ đậu tương Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng dưới điều kiện yếm khí thì enzyme này hoạt động mạnh khi có mặt axit béo không no hoặc các acyl hydroperoxyde tương ứng nhưng lại không có hoạt tính trong điều kiện hiếu khí

Hình 1.12 Cấu trúc phân tử enzyme lipoxigenase (Wikipedia)

1.2.1.1.2 Enzyme Xanthine oxydase

Xanthine oxidase (XO) là một enzyme có khả năng sinh các gốc oxy hóa

tự do (reactive oxygen species – ROS) Đây là một đại phân tử protein, có khối lượng khoảng 270 000 Da, gồm 2 phân tử flavin, 2 nhân molypden, 8 phân tử sắt trên một đơn vị enzyme Nó xúc tác phản ứng oxy hóa hypoxanthine thành xanthine và sau đó thành axit uric Đây là enzyme quan trọng trong chuyển hóa purine trong cơ thể động vật và người Cơ chất của enzyme XO có thể là purine,

pterine hoặc các aldehyde

Hình 1.13: Cấu trúc tinh thể enzyme Xanthine oxidase tách chiết từ bò

(Nguồn: wikipedia)

Enzyme XO có khả năng bị ức chế bởi sự có mặt của các chất flavonoids

Enzyme này cũng được ghi nhận là bị ức chế bởi các dung môi hữu cơ kị nước

nhưng được ổn định với các dung môi phân cực (có logP >2) Tuy nhiên, trong

môi trường quá phân cực (logP > 15) thì hoạt tính của XO lại bị ức chế

1.2.2 Các hợp chất apocarotenoids

1.2.2.1 Sự hình thành hợp chất apocarotenoids

Các liên kết đôi trong phân tử carotene dễ bị phân cắt do quá trình oxy

hóa, dẫn đến sự hình thành của các dẫn xuất gọi là apocarotenoids

Như đã trình bày ở phần 1.1.2, hương thơm tạo thành từ

carotenoids/β-carotene phụ thuộc vào số lượng cacbon và vị trí của nhóm oxy hóa Chúng được

hình thành thông qua sự oxy hóa bởi enzyme và quang oxy hóa

(photo-oxidation) từ các carotenoids trong thực vật, hoa, quả Cụ thể, các ionone được

tìm thấy trong rất nhiều hương thơm của các loại quả như đào, mơ, mâm xôi và

trong mùi hương của một số loại hoa như hoa violet Đã có nhiều công trình

nghiên cứu sản xuất ionone từ carotenoids sử dụng enzyme, nhiệt độ và vi sinh

vật [15, 20, 21, 22]

Có rất nhiều chất thơm được tạo thành khi phân cắt phân tử β-carotene,

trong đó phổ biến nhất là các chất được tạo thành khi phân cắt nối đôi tại các vị

trí C9, C10, C11, C13 [11]

β - carotene