Nghiên cứu chiết xuất chất màu anthocyanin từ cây cẩm

Đề tài đưa ra với mục đích : Đưa ra quy trình hoàn thiện chiết xuất chất màu anthocyanin từ tự nhiên cây Cẩm để thay thế chất màu nhân tạo trong chế biến thực phẩm.. [10] Ngoài ra, màu

LỜI CẢM ƠN



Em xin chân thành cảm ơn TS Hoàng Thị Huệ An đã hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện và động viên em hoàn thành đồ án của mình trong suốt thời thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, cán bộ phòng thí nghiệm Hóa Cơ bản

và phòng thí nghiệm Công nghệ Thực phẩm đã nhiệt tình giúp đỡ em

Em vô cùng biết ơn các thầy cô trong ban giám hiệu trường đại học Nha Trang, ban chủ nhiệm khoa Chế biến cùng tất cả các thầy cô giáo đã truyền đạt cho

em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường để

em vững bước vào đời

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến để em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này

Nha Trang, tháng 6 năm 2011 Sinh viên thực hiện

NGUYỄN THỊ TRANG

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

Chương1 TỔNG QUAN 2

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÂY CẨM 2

1.1.1 Tên gọi – Phân loại 2

1.1.2 Đặc điểm hình thái .2

1.1.3 Đặc điểm sinh trưởng .2

1.1.4 Phân loại cây Cẩm .4

1.1.5 Công dụng của cây Cẩm 5

1.2 TỔNG QUAN VỀ CHẤT MÀU THỰC PHẨM 5

1.2.1 Tầm quan trọng của chất màu trong chế biến thực phẩm 5

1.2.2 Vai trò chất màu thực phẩm 6

1.2.3 Phân loại chất màu thực phẩm 6

1.2.3.1 Chất màu vô cơ 6

1.2.3.2 Chất màu hữu cơ tổng hợp 6

1.2.3.3 Chất màu tự nhiên 7

1.3 GIỚI THIỆU VỀ CHẤT MÀU ANTHOCYANIN .8

1.3.1 Khái niệm vế chất màu anthocyanin 8

1.3.2 Cấu trúc hóa học của các anthocyanin 9

1.3.3 Tính chất vật lý và hóa học của các anthocyanin 12

1.3.3.1 Sự hấp thụ ánh sáng và màu sắc 12

1.3.3.2 Tính tan 12

1.3.3.3 Tính không bền .12

1.3.4 Khái niệm về các chất màu pyranoanthocyanin 17

1.3.5 Chức năng sinh học và ứng dụng của anthocyanin 19

1.3.5.1 Chức năng sinh học 19

1.3.5.2 Ứng dụngcủa anthocyanin 20

1.4 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT 21

1.4.1 Các khái niệm cơ bản về quá trình chiết 21

1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chiết 22

1.4.3 Các phương pháp chiết 23

1.4.3.1 Chiết gián đoạn 23

1.4.3.2 Chiết bán liên tục 24

1.4.3.3 Chiết liên tục 24

1.4.4 Vài kỹ thuật chiết hiện đại dùng để chiết xuất chất màu tự nhiên 24

1.4.4.1 Chiết nhờ siêu âm 24

1.4.4.2 Chiết siêu tới hạn 24

1.4.4.3 Chiết dung môi tăng tốc 25

1.5 Tình hình nghiên cứu, khai thác và sử dụng anthocyanin tự nhiên 26

1.5.1 Tình hình trên thế giới 26

1.5.2 Tình hình trong nước 26

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2 1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 29

2.1.1 Nguyên liệu 29

2.1.2 Hóa chất - Thiết bị 29

2.1.2.1 Hóa chất 29

2.1.2.2.Thiết bị 29

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.2.1 Phương pháp xử lý và bảo quản nguyên liệu 29

2.2.2 Xác định thành phần khối lượng của nguyên liệu nghiên cứu 30

2.2.3 Quy trình dự kiến chiết xuất chất màu anthocyanin từ lá Cẩm 31

2.2.4 Xác định điều kiện thích hợp cho việc chiết anthocyanin từ lá Cẩm 32

2.2.4.1 Bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ etanol 960-H2O thích hợp: 33

2.2.4.2 Chọn tỷ lệ dung môi/nguyên liệu: 34

2.2.4.4 Bố trí thí nghiệm chọn thời gian chiết 37

2.2.4.5 Bố trí thí nghiệm chọn số lần chiết: 38

2.2.5 Đề xuất quy trình chiết anthocyanin từ lá Cẩm – Thử nghiệm quy trình – Đánh giá hiệu suất chiết của toàn bộ quy trình 39

2.2.6 Nghiên cứu một số đặc tính của chất màu anthocyanin chiết xuất từ lá Cẩm 39

2.2.6.1 Khảo sát sự thay đổi màu sắc theo pH 39

2.2.6.2 Khảo sát độ bền màu của dịch chiết anthocyanin từ lá Cẩm trong các điều kiện bảo quản khác nhau 40

2.2.7 Các phương pháp phân tích sử dụng trong đề tài 42

2.2.8 Phương pháp xử lý số liệu 42

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 Thành phần khối lượng cây Cẩm 43

3.2 Một số thành phần hóa học của lá Cẩm 43

3.3 Xác định các thông số thích hợp cho quá trình chiết anthocyanin từ lá Cẩm 44

3.3.1 Chọn dung môi chiết 44

3.3.2 Chọn tỷ lệ dung môi/nguyên liệu 47

3.3.3 Chọn dung môi và nhiệt độ chiết 47

3.3.3 Xác định thời gian chiết 49

3.3.3.1 Phương pháp siêu âm 49

3.3.3.2 Phương pháp ngâm chiết có gia nhiệt 50

3.3.4 Xác định số lần chiết 51

3.3.4.1 Phương pháp siêu âm 51

3.3.4.2 Phương pháp ngâm chiết gia nhiệt 52

3.5 Hoàn thiện quy trình chiết rút chất màu anthocyanin từ lá Cẩm –Thử nghiệm quy trình – Đánh giá hiệu suất chiết của toàn bộ quy trình 53

3.5.1 Quy trình chiết: 53

3.5.2 Thử nghiệm quy trình – Đánh giá hiệu suất chiết của toàn bộ quy trình 54

3.6 Khảo sát đặc tính của chất màu anthocyanin 56

3.6.1 Sự thay đổi màu sắc dịch chiết theo pH 56

3.6.2 Kết quả khảo sát độ bền màu của dịch chiết lá Cẩm trong các điều kiện bảo quản khác nhau 57

3.7 Tính toán sơ bộ giá thành sản phẩm 59

KẾT LUẬN 60

ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Liều sử dụngcho phép của một số chất màu hữu cơ tổng hợp 7

Bảng 1.2 Một số chất màu tự nhiên thông dụng 8

Bảng 1.3 Các nhóm chính trong các anthocyanidin 10

Bảng 3.1 Thành phần khối lượng của cây Cẩm 43

Bảng 3.2 Một số thành phần hóa học cơ bản của lá Cẩm 44

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của pH đến màu sắc dịch chiết anthocyanin từ lá Cẩm 56

Bảng 3.4 Ước tinh chi phí nguyên vật liệu để chiết anthocyanin từ 1 kg cây Cẩm (phương pháp ngâm chiết ở 1000C) 59

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cây Cẩm 4

Hình 1.2 Cành và hoa cây Cẩm 4

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của các anthocyanin 9

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử của các anthocyanidin thường gặp trong tự nhiên 11

Hình 1.5 Ví dụ về cấu trúc của một anthocyanin phức tạp 11

Hình 1.6 Sự thay đổi cấu trúc phân tử và màu sắc của anthocyanin theo pH 13

Hình 1.7 Sự tổ hợp màu liên phân tử giữa delphinidin 3-glucosid và rutin tạo thành ra 2 dạng phức: phức kẹp (A) và phức song song (B) 17

Hình 1.8 Sự tổ hợp màu nội phân tử của các antyhocyanin acyl hóa 17

Hình 1.9 Cấu trúc phân tử của một số pyranoanthocyanin 18

Hình 1.10 Sơ đồ thiết bị chiết SFE 25

Hình 1.11 Sơ đồ thiết bị chiết ASE 25

Hình 1.12 Một số dạng sản phẩm anthocyanin thương mại 26

Hình 1.13 Cấu trúc phân tử của các anthocyanin chiết xuất từ lá Cẩm 27

Hình 2.1 Thí nghiệm xác định thành phần khối lượng của nguyên liệu 30

Hình 2.2 Quy trình dự kiến sản xuất chất màu anthocyanin từ lá Cẩm và các yếu tố cần khảo sát 31

Hình 2.3 Bố trí thí nghiệm chọn tỷ lệ etanol 960-H2O thích hợp 33

Hình 2.4 Bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ dung môi/nguyên liệu 34

Hình 2.5 Bố trí thí nghiệm chọn dung môi, nhiệt độ chiết thích hợp 35

Hình 2.6 Bố trí thí nghiệm xác định thời gian chiết 37

Hình 2.7 Bố trí thí nghiệm xác định số lần chiết 38

Hình 2.8 Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH đến màu sắccủa chất màu anthocyanin chiết xuất từ lá Cẩm 40

Hình 2.9 Bố trí thí nghiệm khảo sát độ bền màu của chất màu lá Cẩm trong một số điều kiện bảo quản khác nhau 41

Hình 3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ Etanol trong dung môi đến hiệu suất chiết anthocyanin 45 Hình 3.2 Phổ hấp thụ của các dịch chiết chất màu từ lá Cẩm khi thay đổi tỷ lệ EtOH và H2O trong dung môi chiết 46 Hình 3.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi/nguyên liệu đến hiệu suất chiết anthocyanin 47 Hình 3.4 Ảnh hưởng của dung môi và nhiệt độ đến hiệu suất chiết anthocyanin từ lá Cẩm khi chiết bằng các phương pháp khác nhau 48 Hình 3.5 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hiệu suất chiết anthocyanin 50 Hình 3.6 Ảnh hưởng của thời gian ngâm chiết đến hiệu suất chiết anthocyanin 50 Hình 3.7 Ảnh hưởng của số lần siêu âm đến hiệu suất chiết anthocyanin 51 Hình 3.8 Ảnh hưởng của số lần chiết bằng phương pháp ngâm chiết gia nhiệt đến hiệu suất chiết anthocyanin 52 Hình 3.9 Sơ đồ quy trình sản xuất chất màu anthocyanin từ lá Cẩm 53 Hình 3.10 Hiệu suất chiết chất màu anthocyanin từ lá Cẩm khi sử dụng phương pháp siêu âm và phương pháp ngâm chiết có gia nhiệt 55 Hình 3.11 Ảnh hưởng của pH đến màu sắc dịch chiết anthocyanin chiết từ lá Cẩm 56 Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian và điều kiện bảo quản đến độ bền màu của dịch chiết anthocyanin 58

MỞ ĐẦU

Hiện nay, việc lạm dụng chất màu tổng hợp trong chế biến thực phẩm dẫn đến nguy cơ ngộ độc thực phẩm đang ngày càng gia tăng, làm ảnh hưởng xấu tới sức khoẻ người tiêu dùng Vì vậy, xu hướng phát triển bền vững của thế giới hiện nay là tìm kiếm và chiết tách các chất màu tự nhiên từ thực vật hay động vật để sử dụng trong công nghiệp thực phẩm

Ở Việt Nam, cây Cẩm (Peristrophe roxburghiana) từ lâu đã được dùng để

nhuộm màu gạo nếp để nấu xôi ngũ sắc trong các dịp lễ hội Tuy nhiên, việc tách chiết chất màu cây Cẩm và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm chưa được quan tâm nhiều Trong khi đó, theo một số tài liệu tham khảo, chất màu trong cây Cẩm có hàm lượng tương đối cao Chất màu này lại có bản chất là các anthocyanin nên dễ tan trong nước, do đó thuận lợi cho việc tách chiết và ứng dụng trong thực tế Vì vậy, việc nghiên cứu thu hồi chất màu anthocynin có trong cây lá cẩm nhằm ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm là rất cần thiết

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trên đây, được sự đồng ý của khoa Chế Biến

và bộ môn Công nghệ Thực phẩm, dưới sự hướng dẫn của TS Hoàng Thị Huệ An,

tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chiết xuất chất màu anthocyanin từ cây

Cẩm (Peristrophe roxburghiana) ”

Đề tài đưa ra với mục đích :

Đưa ra quy trình hoàn thiện chiết xuất chất màu anthocyanin từ tự nhiên (cây Cẩm) để thay thế chất màu nhân tạo trong chế biến thực phẩm

Do kiến thức, kinh nghiệm còn hạn chế cũng như khó khăn về kinh phí, thiết

bị nghiên cứu nên đề tài này không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được

sự góp ý của quý thầy cô và các bạn sinh viên để đề tài được hoàn thiện hơn

Nha Trang, tháng 6 năm 2011

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN THỊ TRANG

Chương1 TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÂY CẨM

1.1.1 Tên gọi – Phân loại [15]

Tên Việt Nam: cây Cẩm

Tên tiếng Anh: Magenta Plant

Tên khoa học: Peristrophe roxburghiana

Tên nhị thức: Peristrophe roxburghiana (Roem & Schult.) Bremek

Chi: Cẩm (Peristrophe)

Họ: Ô rô (Acanthaceae)

Loài: P roxburghiana

1.1.2 Đặc điểm hình thái [3]

 Cây Cẩm (Peristrophe bivalvis (L.) Merr., syn P roxburghiana) thuộc loại

cây thân thảo, lâu năm, cao khoảng 50 – 100 cm

 Thân thường 4 cạnh, có rãnh dọc sâu, cành non có lông, về sau nhẵn

 Lá đơn, mọc đối; hình bầu dục hay trứng hoặc thuôn mũi giáo, thường có bớt màu trắng ở dọc gân; kích thước 2-10 cm x 1,2-3,6 cm; hai mặt có lông hoặc không, gốc lá thuôn nhọn; chóp lá nhọn hay có khi có mũi hay hơi tù tròn

 Cụm hoa chùm ở ngọn hay nách lá, chùm ngắn; lá bắc cụm hoa thường hình trứng Đài 5 răng đều dính nhau ở nửa dưới, kích thước ngắn hơn lá bắc hoa Tràng màu tím hay hồng, phân 2 môi, môi dưới có 3 thuỳ cạn, ống hẹp kéo dài Nhị 2 thò

ra khỏi ống tràng Bầu 2 ô, mỗi ô có 2 hay nhiều noãn

1.1.3 Đặc điểm sinh trưởng [3]

 Cẩm thuộc loại cây ưa ẩm và ưa bóng, nhưng không chịu úng, thường mọc ở ven rừng núi đá vôi ẩm, gần bờ suối và được trồng dưới tán các cây ăn quả, bên cạnh các nguồn nước

 Cây sinh trưởng mạnh vào xuân hè, có hoa vào mùa thu Vào cuối mùa thu khi nhiệt độ xuống thấp và ít mưa cây bắt đầu bị rụng lá và vào mùa đông thì cây hầu như không còn lá

 Cây Cẩm có vùng phân bố tương đối rộng, phân bố rải rác ở hầu hết các tỉnh miền núi phía Bắc nước ta như Lạng Sơn, Tuyên Quang, Hà Giang, Yên Bái, Lào Cai, Lai Châu, Hoà Bình… và một số tỉnh khác như Khánh Hòa, Daklak…Hiện nay hiếm khi gặp cây Cẩm mọc hoang dại nên để thuận tiện cho việc sử dụng, người dân

ở các địa phương trên chỉ trồng 1- 2 m2 ngay trong vườn nhà hoặc trên nương rẫy

 Cây Cẩm sinh trưởng và phát triển tốt trên loại đất đáp ứng đủ các yếu tố sau: + Giàu mùn, tơi xốp, thành phần cơ giới từ nhẹ đến trung bình, giàu dinh dưỡng

+ Độ ẩm cao, dễ thoát nước

+ Có độ che bóng (vì cây Cẩm sẽ tổng hợp rất ít chất màu trong điều kiện nhiệt

độ cao và chiếu sáng mạnh)

Đất được cầy bừa kỹ, dọn sạch cỏ và lên luống cao 20 cm, rộng 1,0-1,2 m Vào mùa xuân, tháng 2-3 chọn các cành Cẩm bánh tẻ khoẻ mạnh, cắt bỏ bớt lá để giảm bớt sự bay hơi nước, cắt phần thân thành những đoạn hom dài khoảng 15-20 cm, mỗi hom có 2-3 mắt, sau đó đem đi trồng với khoảng cách hố cách hố 30-40 cm, hàng cách hàng 30-40 cm Để cây sinh trưởng tốt ta nên bón lót 8-10 tấn phân chuồng đã ủ hoai cho 1 ha, đối với các khu vực nương rẫy, đất dốc có thể bón thêm 100-150 kg lân và 50 kg kali Sau khi bón lót phân chuồng, phân lân và phân kali, rắc một ít đất và đặt từ 3-5 hom giống/hố, lấp đất, chỉ để 1-2 mắt ló trên mặt đất, nén chặt gốc Sau đó tưới nước và duy trì độ ẩm của đất trong vòng 7-10 ngày đầu

để hom ra rễ và đâm chồi mới Trong thời gian đầu, cần chú ý giữ sạch cỏ dại và thường xuyên duy trì độ ẩm Cẩm có thể trồng dưới tán cây ăn quả, trồng xen với ngô, đậu tương hay các cây rau khác

Sau mỗi lứa thu hoạch cần làm cỏ, xới xáo mặt luống để cây tiếp tục sinh trưởng tốt Để lứa cắt sau có năng suất cao, lứa thu trước nên cắt cây ở độ cao cách mặt đất khoảng 10-15cm Sau khi thu hoạch phải làm cỏ, vun gốc và bón phân Nếu chăm sóc tốt, trồng một lần cây Cẩm có thể cho thu hoạch liên tục trong 3-4 năm Sau khi trồng khoảng 3-4 tháng, có thể thu lứa 1 (tháng 6-7) Khi cây cao khoảng

40-50 cm có thể cắt phần cành mang lá dài 30-40 cm để làm nguyên liệu chiết chất màu Nếu gặp thời tiết thuận lợi và chăm sóc tốt thì có thể thu hái 2-3 lứa Cẩm/năm

Hình 1.1 Cây Cẩm [14], [16]

Hình 1.2 Cành và hoa cây Cẩm

1.1.4 Phân loại cây Cẩm [3]

Cây Cẩm tuy thuộc cùng một loài Peristrophe Roxburgiana nhưng có bốn dạng có các màu sắc khác nhau là đỏ, vàng cam, tím hồng, tím đậm Theo “Danh lục các loài thực vật Việt Nam” (2005) thì chi Peristrophe Nees có 4 loài, trong đó chỉ có loài Cẩm (P bivalvis (L.) Merr.) ở Bắc Bộ và loài Kim loung nhuộm (P montana (Wall.) Nees) ở Nam Bộ được coi là cây nhuộm màu Cẩm Đỏ và Cẩm

Tím được trồng, riêng Cẩm Vàng còn mọc hoang nên được gọi là Cẩm dại Cây Cẩm chủ yếu được nhân giống bằng cành, hiện tại chưa phát hiện cây con từ hạt Bốn dạng Cẩm có tên khác nhau được đặt theo công dụng, màu sắc của dịch chiết, theo hoa văn trên mặt lá, theo hình dạng hay màu sắc của lá hoa

Về hình thái, cây Cẩm được chia làm các dạng sau:

 Cẩm Đỏ (tên dân tộc Nùng: Chằm thủ): Lá hình bầu dục, gốc lá thon, xanh

đậm, có nhiều lông, mặt trên không có bớt trắng, dịch chiết ra có màu đỏ

 Cẩm Tím (Chằm lai): Lá hình trứng rộng, gốc tròn, xanh nhạt, mỏng, ít lông,

diện tích mang đốm trắng ở dọc gân lá lớn, dịch chiết ra có màu tím

 Cẩm Tím (Chằm khâu): Lá hình bầu dục, gốc tròn hay thon, xanh đậm, dầy, ít

lông, ít gặp đốm trắng ở dọc gân lá, dịch chiết ra có màu tím

 Cẩm Vàng (Chằm hiên): Lá hình trứng, gốc lá thon, đầu lá thon nhọn, 2 mặt

có lông rải rác, phiến lá thường nhăn nheo, đặc biệt là mép lá, dịch chiết ra có màu vàng xanh

1.1.5 Công dụng của cây Cẩm

Ở Việt Nam cây Cẩm từ lâu đã được dùng để nhuộm màu gạo nếp để nấu xôi ngũ sắc trong các dịp lễ hội

Trong y học cổ truyền, cây Cẩm được dùng trị lao phổi, khái huyết, ho nôn ra máu, viêm phế quản cấp tính, ỉa chảy, lỵ, ổ tụ máu, bong gân Tại Trung Quốc, Cẩm được coi là dược liệu có vị đắng, tính bình, có tác dụng thanh nhiệt, giải độc, tiêu thũng, chỉ huyết, chữa viêm họng, thấp khớp, nhiễm trùng đường tiết niệu, kinh phong ở trẻ em, lao hạch, mụn nhọt

1.2 TỔNG QUAN VỀ CHẤT MÀU THỰC PHẨM

1.2.1 Tầm quan trọng của chất màu trong chế biến thực phẩm

Màu sắc là một trong những chỉ tiêu cảm quan quan trọng đầu tiên đối với mỗi sản phẩm thực phẩm Quan trọng hơn hết là màu sắc ảnh hưởng tới chất lượng, mùi

vị, độ ngọt của thực phẩm Nếu giữa màu sắc và mùi vị không có sự tương ứng, phù hợp lẫn nhau thì người tiêu dùng sẽ không cảm nhận được chính xác được mùi vị và chất lượng của thực phẩm Thực vậy, trong một nghiên cứu của nhà thực phẩm học

Johnson với đề tài “Bảo vệ thực phẩm” năm 1983 đã chứng minh rằng vị ngọt của

nước giải khát trái dâu sẽ tăng lên 2-12% nếu ta tăng hàm lượng của chất màu của loại nước giải khát này Do vậy, việc sử dụng các chất màu trong chế biến thực phẩm là điều rất cần thiết

1.2.3 Phân loại chất màu thực phẩm

Chất màu thực phẩm được chia làm 3 nhóm chính: chất màu vô cơ, chất màu hữu cơ tổng hợp và chất màu tự nhiên

1.2.3.1 Chất màu vô cơ:

Vào trước thế kỷ 20, phần lớn chất tạo màu thực phẩm đều có nguồn gốc từ các loại khoáng vật tự nhiên độc hại

Ví dụ: CuSO4 dùng để tạo màu cho các loại dưa chua; phèn nhôm để tẩy trắng bánh mì; phẩm màu đỏ chứa Pb hay HgSO4, để tạo màu cho phomát

Tuy nhiên, cùng với việc ban hành những quy định về an toàn thực phẩm của Hoa Kỳ năm 1960, ngành công nghiệp thực phẩm dần dần chuyển sang sử dụng các loại chất màu hữu cơ tổng hợp

1.2.3.2 Chất màu hữu cơ tổng hợp:

Là các chất màu được tổng hợp bằng phương pháp hóa học

Các loại chất màu hữu cơ tổng hợp được chia làm 3 nhóm:

Nhóm A: gồm các chất không mang độc tính nhưng gây ngộ độc tích lũy

Bảng 1.1 Liều sử dụngcho phép của một số chất màu hữu cơ tổng hợp

Loại chất màu Liều lượng sử dụng (mg/kg trọng lượng)

Amarant (ký hiệu CI.16185)

Vàng mặt trời (ký hiệu CI.15985)

Tartrazin (ký hiệu CI.19140)

0 - 0,15

0 - 5,00

0 - 7,50

Nhóm B: gồm 5 loại màu là β-caroten tổng hợp, xanh lơ VRS (ký hiệu

CI.42090), erythrozin (ký hiệu CI.45430), indigocarmin (ký hiệu CI.73015), xanh

lục sáng FCF

Nhóm C: bao gồm tất cả các loại màu hữu cơ tổng hợp khác nhau chưa được

nghiên cứu hoặc nghiên cứu không rõ ràng

Chất màu hữu cơ tổng hợp có ưu điểm là tạo ra nhiều màu sắc phong phú, rẻ tiền, và tiện lợi trong việc chế biến thực phẩm Tuy nhiên, hiện nay một số chất màu hữu cơ tổng hợp (đặc biệt là thuốc nhuộm azo) bị hạn chế sử dụng do người ta nghi ngại về những ảnh hưởng không tốt của nó đối với sức khỏe con người Chẳng hạn, một số nghiên cứu gần đây phát hiện những enzym trong ruột non có khả năng xúc tác cho phản ứng khử các phẩm màu azo để sinh ra các tác nhân gây ung thư Do

đó, việc sử dụng chúng cần phải được tuân thủ những quy định hết sức chặt chẽ và nghiêm ngặt

1.2.3.3 Chất màu tự nhiên: là các loại chất màu hữu cơ được chiết tách từ

động vật hay thực vật

Những chất màu tự nhiên đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu để tạo

màu cho thực phẩm Ưu điểm của chất màu tự nhiên là tạo ra màu rất đẹp, đồng thời

chúng lại có mùi, vị gần giống như nguồn tự nhiên của chúng Tuy nhiên, so với chất màu tổng hợp, chất màu tự nhiên thường kém bền và có giá thành cao do việc thu hồi tách chiết chúng từ như các nguồn tự nhiên khá tốn kém Do vậy, việc sử dụng chúng hiện nay còn chưa rộng rãi lắm Tuy vậy, nhờ có độ an toàn cao và một

số chất màu tự nhiên còn có tác dụng tốt đối với sức khỏe (như có khả năng chống oxy hóa, tăng cường sức đề kháng của cơ thể,…) nên người tiêu dùng ngày càng có

xu hướng ưa chuộng những loại thực phẩm dùng chất màu tự nhiên Do đó, trong

những năm gần đây, ngành công nghiệp sản xuất chất màu tự nhiên trên thế giới đang phát triển nhanh chóng và trở thành một trong những lĩnh vực kinh doanh đầy tiềm năng

Bảng 1.2 Một số chất màu tự nhiên thông dụng

Chất màu

tự nhiên

Nguồn tự nhiên

Anthocyanin Vỏ nho, elderberries, lá cẩm…

Betalain Củ cải đường, cây rau dền tím, vỏ quả thanh long

Chlorophyll Các loại rau xanh

Một trong những chất màu tự nhiên được quan tâm nhiều trong công nghệ thực phẩm là các anthocyanin

1.3 GIỚI THIỆU VỀ CHẤT MÀU ANTHOCYANIN [11], [12], [16]

1.3.1 Khái niệm vế chất màu anthocyanin

Anthocyanin (tiếng Hy Lạp: anthos là hoa; kyanos là màu xanh đậm) là sắc tố

tự nhiên thuộc nhóm flavonoid, tạo ra màu từ xanh, tím, tím đỏ, đỏ và da cam trong hoa, trái, lá, thân và rễ của nhiều loài thực vật bậc cao (quả nho, quả dâu, bắp cải tím, lá tía tô, hoa hibicus, đậu đen, quả cà tím, gạo nếp than, gạo đỏ,…)

Hàm lượng anthocyanin trong các loài thực vật là tương đối lớn

Ví dụ: Hàm lượng anthocyanin trong blackberry khoảng 1,15 g/kg , còn trong đậu đỏ và đậu đen lên đến 20 g/kg

1.3.2 Cấu trúc hóa học của các anthocyanin

Anthocyanin là các dẫn xuất polyhydroxy hay polymetoxy glycosyl hóa của 2-phenylbenzopyrylium chứa 2 vòng benzoyl (A và B) cách nhau bởi 1 dị vòng (C) (Hình 1.3) Nói cách khác, anthocyanin là các hợp chất của anthocyanindin (tức cation flavylium, hay bộ khung aglycon) với đường (có thể liên kết với các acid hữu

cơ trong trường hợp anthocyanin bị acyl hóa)

Các anthocyanidin tự do ít khi được hình thành trong thực vật bởi vì sự thiếu hụt electron ở cation flavylium làm cho nó rất dễ phản ứng và do đó phân tử này rất kém bền Trong khi đó, ở các anthocyanin, sự có mặt của các phân tử đường ở vị trí C3 (luôn luôn có mặt) và đôi khi là các phân tử đường ở các vị trí C5 và C7 có tác dụng ổn định điện tích của cation flavylium, do đó các anthocyanin bền các anthocyanidin tương ứng

Hình 1.3: Cấu trúc cơ bản của các anthocyanin

Hiện nay từ thực vật đã phân lập được khoảng 539 anthocyanin khác nhau (Andersen, 2005) Chúng khác nhau do sự khác nhau về các nhóm chức R1 đến R7

có trong phân tử Các nhóm chức này có thể là nguyên tử hydro (-H), nhóm hydroxyl (-OH), metoxy (-OCH3) hay là các phân tử đường khác nhau gắn với khung aglycon bởi liên kết glycosit Tuy nhiên, chỉ có 6 loại anthocyanidin thường tìm thấy trong thực vật là cyanidin, delphinidin, malvidin, pelargonidin, peonidin và petunidin Các glycosid của 3 loại anthocyanidin không bị metyl hóa (gồm cyanidin, delphinidin và pelargonidin) là phổ biến nhất trong tự nhiên, chúng chiếm

80% sắc tố có trong lá, 69% sắc tố trong quả và 50% sắc tố trong hoa

Bảng 1.3: Các nhóm chính trong các anthocyanidin

Anthocyanidin R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 Màu sắc Chỉ số E

Apigeninidin -H -OH -H -H -OH -H -OH Cam

Aurantinidin -H -OH -H -OH -OH -OH -OH Cam

Capensinidin -OCH3 -OH -OCH3 -OH -OCH3 -H -OH Đỏ hơi xanh

Cyanidin -OH -OH -H -OH -OH -H -OH Tím đỏ E163a Delphinidin -OH -OH -OH -OH -OH -H -OH Tím, xanh E163b Europinidin -OCH3 -OH -OH -OH -OCH3 -H -OH Đỏ hơi xanh

Hirsutidin -OCH3 -OH -OCH3 -OH -OH -H -OCH3 Đỏ hơi xanh

Luteolinidin -OH -OH -H -H -OH -H -OH Cam

Pelargonidin -H -OH -H -OH -OH -H -OH Cam, Đỏ cam E163d Malvidin -OCH3 -OH -OCH3 -OH -OH -H -OH Tím E163c Peonidin -OCH3 -OH -H -OH -OH -H -OH Tím đỏ E163e Petunidin -OH -OH -OCH3 -OH -OH -H -OH Tím E163f Pulchellidin -OH -OH -OH -OH -OCH3 -H -OH Đỏ hơi xanh

Rosinidin -OCH3 -OH -H -OH -OH -H -OCH3 Đỏ

Triacetidin -OH -OH -OH -H -OH -H -OH Đỏ

Hình 1.4: Cấu trúc phân tử của các anthocyanidin thường gặp trong tự nhiên

Các anthocyanidin thường liên kết với các đường glucose, galactose, rhamnose hay arabinose bởi liên kết 3-glycosid hay 3,5-diglycosid

Hình 1.5 Ví dụ về cấu trúc của một anthocyanin phức tạp

(delphinidin 3,7,3’,5’-tetra-(6-O-p-coumaroyl--glucosid))

(Bloor, 2001)

Ngoài ra, liên kết glycosit còn có thể bị thay đổi do sự acyl hóa bởi các acid hữu cơ hay sự tạo phức với các ion kim loại Một sự thay đổi nhỏ về pH trong tế bào cùng với khả năng tổ hợp màu (co-pigmentation) và sự tạo phức ion cũng có thể dẫn đến sự thay đổi màu sắc rất đa dạng của các anthocyanin

1.3.3 Tính chất vật lý và hóa học của các anthocyanin

1.3.3.1 Sự hấp thụ ánh sáng và màu sắc:

Do phân tử có 8 nối đôi liên hợp nên các anthocyanin có khả năng hấp thụ trong vùng khả kiến Các anthocyanin có cấu trúc đơn giản thường hấp thụ cực đại trong vùng bước sóng từ 500  540 nm, tạo ra màu sắc từ đỏ đến tím hồng hay tím xanh

Ví dụ: Trong dung môi metanol-HCl, các pelargonidin có cực đại hấp thụ ở

520 nm nên có màu đỏ; cyanidin và peonidin hấp thụ ở khoảng 532- 535 nm tạo nên màu tím hồng; delphinidin, petunidin và malvidin hấp thụ ở 542-546 nm tạo nên màu tím [10]

Ngoài ra, màu sắc của các anthocyanin còn được quyết định bởi cấu trúc phần glucosyl hóa (bản chất phân tử đường liên kết với khung anthocyanidin, mức độ và bản chất của sự este hóa các phân tử đường bởi các acid mạch thẳng hay thơm), nhiệt độ, ánh sáng, pH dung dịch và sự tổ hợp màu…

1.3.3.2 Tính tan:

Anthocyanin là hợp chất khá phân cực do phân tử chứa nhóm chức phân cực

(-H, -O(-H, -OCH3) nên tan tốt trong dung môi phân cực như nước, metanol, axeton, etanol,

1.3.3.3 Tính không bền [10]

Độ bền của các anthocyanin được quyết định bởi nhiều yếu tố bao gồm cấu trúc phân tử, nồng độ anthocyanin, pH, nhiệt độ, cường độ và bản chất bức xạ ánh sáng chiếu vào, sự tổ hợp màu, sự có mặt của các ion kim loại, enzym, oxy, acid ascorbic, đường, các sản hẩm phân hủy của chúng và sulfur dioxit (Brouillard, 1982; Mazza & Brouillard, 1990)

a) Ảnh hưởng của cấu trúc phân tử:

Một số anthocyanin bền hơn các anthocyanin khác Nói chung, việc tăng số nhóm –OH trong phân tử làm giảm độ bền của nó, trong khi đó việc tăng số nhóm –

CH3 làm tăng độ bền của phân tử (Brouillard, 1982) Màu sắc của các thực phẩm chứa chất màu anthocyanin có bộ khung pelargonidin, cyanidin hay delphinidin

thường kém bền hơn màu của các thực phẩm chứa khung petunidi, malvidin Ngoài

ra, các anthocyanin chứa đường galactose thường bền hơn khi chứa đường arabinose Gần đây, một số nghiên cứu còn cho thấy các anthocyanin chứa các nhóm thế acyl hóa thường bền trong quá trình chế biến và bảo quản hơn so với các chất màu tự nhiên khác Sự bền hóa này là do sự giảm khả năng tham gia phản ứng của phân tử anthocyanin với các phân tử nước (tác nhân nucleophile) Màu sắc của anthocyanin sẽ được ổn định hoàn toàn nếu các anthocyanin mang các acid thơm ở vòng –B của cation flavylium thay vì là các acid mạch hở (Giusti & Wrolstad, 2003)

b) Ảnh hưởng của pH:

Các anthocyanin bền trong môi trường acid hơn trong môi trường kiềm Khi

pH thay đổi, cấu trúc phân tử anthocyanin thay đổi theo, do đó màu sắc của các anthocyanin thay đổi theo pH (Brouillard, 1982; von Elbe and Schwartz, 1996)

Hình 1.6 Sự thay đổi cấu trúc phân tử và màu sắc của anthocyanin theo pH

(Cam- Đỏ)

(Tím-Xanh)

pH = 6 ÷ 7: ở dạng anion quinoinoid có màu tím

pH = 7 ÷ 8: ở dạng bazơ quinoidal có màu xanh dương

Vì vậy, màu đỏ của bắp cải tím được tăng cường khi thêm giấm hoặc axit khác Mặt khác, khi nấu bắp cải đỏ trong chảo nhôm sẽ tạo ra môi trường có tính kiềm nhiều hơn do đó màu sắc có thề thay đổi thành tím hay và xanh dương

c) Ảnh hưởng của nhiệt độ:

- Nhiệt độ cao thúc đẩy sự phân hủy chất màu anthocyanin Nói chung, ở trên 70°C sẽ gây ra sự phân hủy và mất màu anthocyanin rất nhanh (Cemeroglu, 1994; Kirca, 2003) Đôi khi nhiệt độ tăng còn dẫn đến phản ứng Maillard của các đường trong anthocyanin cũng diễn ra (đặc biệt khi có mặt oxy), làm anthocyanin biến thành màu nâu (Markakis và cs., 1957) Tuy nhiên, các anthocyanin được acyl hóa thì bền nhiệt hơn các anthocyanin không bị acyl hóa Do vậy, màu của dịch chiết bắp cải đỏ (chứa anthocyanin bị acyl hóa) bền hơn màu của dịch ép quả nho đỏ (chứa anthocyanin không bị acyl hóa) (Dyrby và cs., 2001)

Ngoài ra, mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phân hủy và biến đổi màu sắc anthocyanin phụ thuộc vào pH Ví dụ: Ở pH = 2 ÷ 4: nhiệt độ tăng dẫn đến sự mất màu anthocyanin Nguyên nhân là do đã xảy ra sự thủy phân liên kết glycosyl của anthocyanin tạo ra cation flavylium kém bền và sau đó phân hủy thành chalcone không màu (Adams, 1973)

Nói chung, những yếu tố làm tăng độ bền của anthocyanin theo pH cũng làm tăng độ bền nhiệt của nó (von Elbe và Schwartz, 1996) Ví dụ: Ở 1000C pelargonidin 3-glucosid bền hơn petunidin 3-glucosid, còn petunidin 3-glucosid lại bền malvidin 3-glucosid (Keith và Powers, 1965) Các arabinose của cyanidin và peonidin bền hơn galactose tương ứng khi xử lý nhiệt (Attoe và von Elbe, 1981)

- Ngược lại, nhiệt độ thấp làm bền hóa và có thể làm tăng hàm lượng anthocyanin Chẳng hạn, Kalt và cs (1999) nhận thấy rằng hàm lượng anthocyanin trong dịch ép dâu tây tươi tăng lên sau 8 ngày bảo quản ở 00C Do đó, anthocyanin thường chỉ dùng để tạo màu cho các thực phẩm bảo quản lạnh như kem, sữa chua, thức uống từ sữa,…

d) Ảnh hưởng của ánh sáng:

Tương tự như nhiệt độ, ánh sáng thúc đẩy sự phân hủy anthocyanin tạo thành cation flavylium, sau đó chuyển hóa thành các dạng carbinol rồi chalcone không màu (Maccarone, 1985) Do vậy, các dịch chiết anthocyanin bền màu hơn khi bảo quản trong bóng tối Tuy nhiên, sự acyl hóa làm tăng độ bền của anthocyanin đối với ánh sáng (Giusti, 1996)

e) Ảnh hưởng của oxy không khí và tác nhân oxy hóa:

Sự có mặt của oxy không khí làm tăng khả năng phá hủy các anthocyanin, đặc biệt khi có mặt acid ascorbic Khác với sự phân hủy nhiệt, các galactosid của anthocyanin bền đối với sự phá hủy bởi oxy hơn so với arabinosid (Starr và Francis, 1968) Ngoài ra, pH càng cao thì sự phân hủy anthocyanin bởi oxy không khí càng mạnh (Markakis, 1982)

Các anthocyanin cũng phản ứng với các gốc tự do chứa oxy (ví dụ gốc peroxid) Trong phản ứng này, anthocyanin đóng vai trò là chất chống oxy hóa Vì vậy, anthocyanin được xem là có tác dụng ngăn ngừa các bệnh tim mạch (Matsufuji

và cs., 2003; Garcia-Alonso và cs., 2004; Rossetto và cs., 2004)

f) Ảnh hưởng của acid ascorbic:

Acid ascorbic thường được bổ sung vào nước ép trái cây để bảo bệ chống oxy hóa và tăng giá trị dinh dưỡng của sản phẩm Tuy nhiên, các nghiên cứu cho thấy rằng acid ascorbic thúc đẩy sự phân hủy các anthocyanin (Meschter, 1953; Starr và Francis, 1968; Poei-Langston và Wrolstad, 1981; Marti và cs., 2002) Nguyên nhân

là do khi đó xảy ra các phản ứng polymer hóa, ngưng tụ anthocyanin dẫn đến sự nhạt màu sắc tố (Poei-Langston và Wrolstad, 1981) hay sự phân hủy anthocyanin gây ra bởi H2O2 tạo thành trong quá trình oxy hóa acid (Meschter, 1953; Markakis,

1982; Talcott và cs., 2003) Tuy nhiên, độ bền của các anthocyanin acyl hóa tăng lên khi có mặt acid ascorbic (Del Pozo-Insfran và cs., 2004)

g) Ảnh hưởng của đường

Đường có thể có trong hoa quả, dịch chiết anthocyanin tự nhiên hay được bổ sung vào trong quá trình sản xuất, chế biến Nghiên cứu cho thấy đường (ví dụ: saccharose, fructose, glucose, xylose) và các sản phẩm phân hủy của chúng (ví dụ: furfural) làm giảm độ bền của các anthocyanin (Daravingas và Cain, 1968) Phản ứng của anthocyanin với các sản phẩm phân hủy của đường và acid ascorbic dẫn đến sự tạo thành các sắc tố anthocyanin polymer hóa có màu nâu (Krifi và cs., 2000) Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho thấy đường cũng có thể bảo vệ màu của các sản phẩm chứa anthocyanin khỏi sự phân hủy trong điều kiện bảo quản lạnh (Wrolstad và cs., 1990)

h) Ảnh hưởng của enzym:

Sự bất họat enzym làm tăng độ bền của anthocyanin (Garcia-Palazon và cs., 2004) Các enzym phân hủy anthocyanin thường gặp nhất là glycosidase (làm phá

vỡ liên kết cộng hóa trị giữa đường và khung aglycon của anthocyanin), peroxidase

và các phenolase (như phenol oxydase, polyphenol oxydase) Trong phản ứng phân hủy anthocyanin bởi enzym, các enzym trước tiên sẽ oxy hóa các hợp chất phenolic

có trong môi trường tạo thành các quinon, sau đó các quinon sẽ phản ứng với anthocyanin làm phân hủy chất màu và dẫn đến sự tạo thành các sản phẩm ngưng tụ

có màu nâu

i) Ảnh hưởng của sự tổ hợp màu

Màu sắc của các anthocyanin có thể được ổn định hay tăng cường khi có mặt một số chất không màu hay màu nhạt có trong môi trường Hiện tượng này được gọi

là sự tổ hợp màu (copigmentation) Chất làm ổn định hay tăng cường màu của anthocyanin được gọi là chất tổ hợp màu (copigment) Ví dụ: Màu đỏ của nước ép quả nho chứa sắc tố oenin (tức malvidin 3-glucosid) chuyển sang đỏ hơi xanh khi thêm tannin hay acid gallic (Willstätter và Zollinger, 1916)

Sự tổ hợp màu gây ra sự chuyển dịch cực đại hấp thụ của anthocyanin về phía vùng sóng dài (tương ứng chuyển từ màu đỏ sang xanh) và làm màu đậm hơn (Asen

và cs., 1972) Nguyên nhân của sự tổ hợp màu có thể là do sự tạo thành các phức nội phân tử, phức liên phân tử xảy ra trong dung dịch anthocyanin

Hình 1.7 Sự tổ hợp màu liên phân tử giữa delphinidin 3-glucosid và rutin

tạo thành ra 2 dạng phức: phức kẹp (A) và phức song song (B)

Hình 1.8 Sự tổ hợp màu nội phân tử của các antyhocyanin acyl hóa

Hiện tượng tổ hợp màu có thể được ứng dụng để cải thiện màu sắc của các sản phẩm giàu anthocyanin bằng cách thêm vào các dịch chiết thực vật giàu một chất copigment thích hợp

1.3.4 Khái niệm về các chất màu pyranoanthocyanin

Pyranoanthocyanin là dẫn xuất của anthocyanin được hình thành do phản ứng trực tiếp giữa anthocyanin với các phân tử nhỏ tạo ra một vòng mới

Ví dụ:

Hình 1.9 Cấu trúc phân tử của một số pyranoanthocyanin

Các pyranoanthocyanin có màu cam - đỏ đậm hơn các anthocyanin tương ứng Một số pyranoanthocyanin bền có màu tím hay hơi xanh cũng đã được tổng hợp hay phân lập từ rượu vang Sự chuyển dịch cực đại hấp thụ về phía sóng dài (khoảng vài chục nm) và sự tăng cường độ màu của các pyranoanthocyanin được giải thích bởi

sự giải tỏa điện tích dương của cation flavylium trong vòng C bởi nguyên tử oxy ở vòng D mới tạo thành cũng như do sự tăng chiều dài các nối đôi liên hợp của phân

tử (Bakker và Timberlake, 1997)

Khác với anthocyanin, các pyranoanthocyanins rất bền và có màu đậm ngay cả

ở vùng có pH cao và không bị mất màu khi có mặt SO2 (Sarni-Manchado và cs., 1996; Fulcrand và cs., 1996; Bakker và Timberlake, 1997; Fulcrand và cs., 1998; Francia-Aricha và cs., 1997) Do vậy, mặc dù các pyranoanthocyanin chỉ mới được biết đến trong vài chục năm gần đây nhưng chúng có thể là một sắc tố đầy hứa hẹn

bổ sung cho các loại đồ uống, thực phẩm khác nhau nhờ có màu đậm và độ bền màu cao

1.3.5 Chức năng sinh học và ứng dụng của anthocyanin [12]

rỡ của nhiều hoa, do đó rất quan trọng trong việc thu hút côn trùng glucozit là một anthocyanin khá phổ biến trong các loài thực vật cũng đã được chứng minh là có tác dụng bảo vệ cây chống lại ấu trùng

Cyaninidin-3-b) Đối với người:

- Tác dụng chống oxy hóa:

Các tác nhân oxy hóa trong cơ thể bao gồm các gốc tự do, oxy nguyên tử,

H2O2 và các oxid nitơ sinh ra trong quá trình trao đổi chất Sự dư thừa các tác nhân oxy hóa có thể dẫn đến sự phá hủy và làm rối loạn chức năng của các enzym, màng

tế bào và các gen (Stintzing, 2004), do đó có thể gây ra các bệnh viêm nhiễm, tim mạch, ung thư, lão hóa (Allen, 2000) Phân tử anthocyanin chứa nhiều nối đôi liên hợp, đồng thời chứa các nhóm hydroxyl ở các vị trí C-3 của vòng C, C-3’,-4’ và -5’

ở vòng B nên rất hiệu quả trong việc bắt giữ gốc tự do và ngắt mạch phản ứng oxy hóa dây chuyền Vì vậy, các anthocyanin thể hiện hoạt tính chống oxy hóa mạnh Hoạt tính chống oxy hóa của các anthocyanidin mạnh hơn của các anthocyanin tương ứng và hoạt tính này giảm khi số phân tử đường liên kết với anthocyanidin càng nhiều (Wang, 2008) Hoạt tính chống oxy hóa của nhiều anthocyanin có thể tương đương với các chất chống oxy hóa thương mại như tert-butylhydroquinone (TBHQ), butylated hydroytoluene (BHT), butylated hydroxyanisole (BHA) và vitamin E (Seeram, 2001)

- Khả năng ngăn ngừa bệnh tim mạch:

Sự oxy hóa các lipoprotein mật độ thấp (LDL: low-density lipoprotein) tạo ra các mảng bám cholesterol bị oxy hóa trên thành mạch máu, do đó dẫn đến chứng xơ

vữa động mạch và kết quả là gây ra các bệnh tim (Aviram, 2000) Các nghiên cứu của Gracia và cs (1997) đã chứng minh ácc anthocyanin có khả năng ngăn ngừa sự oxy hóa các lipoprotein cũng như làm giảm sự keo tụ các phân tử cholestrol trên thành động mạch, do vậy có tác dụng ngăn ngừa các bệnh tim mạch

- Khả năng ngăn ngừa bệnh ung thư:

Hoạt tính ngăn ngừa ung thư của các anthocyanin liên quan đến khả năng chống oxy hóa, chống tăng sinh tế bào ung thư, tác dụng kháng viêm, Nhiều nghiên cứu trên động vật đã cho thấy anthocyanin có hiệu quả ngăn ngừa nhiều loại ung thư như ung thư đường tiêu hóa (bao gồm ung thư dạ dày, ung thư ruột, ung thư vòm họng, ung thư thực quản), ung thư cột sống,…

1.3.5.2 Ứng dụngcủa anthocyanin

a) Trong công nghiệp thực phẩm:

Anthocyanin là sắc tố tự nhiên có khả năng tạo ra nhiều màu sắc hấp dẫn cho các sản phẩm Chúng đã được chứng minh là vừa an toàn cho người sử dụng vừa có lợi cho sức khỏe Do đó, anthocyanin ngày càng được sử dụng nhiều để làm chất tạo màu (mã số E 163) trong nhiều loại thực phẩm như nước giải khát, rượu, thạch rau câu, kem…

ở dạng tinh khiết) cũng đã được dùng để chữa các bệnh cao huyết áp, sốt, rối loạn chức năng gan, kiết lỵ, tiêu chảy, các bệnh về hệ bài tiết như sỏi thận, nhiễm khuẩn đường tiết niệu và các chứng cảm lạnh thông thường Một số nghiên cứu còn cho thấy việc sử dụng các dịch chiết anthocyanin giúp cải thiện thị lực, tăng cường tuần hoàn máu (Konczak, 2004), chống ung nhọt (Cristoni, 1987), bảo vệ các mô khỏi

tác hại của tia tử ngoại (Sharma, 2001) và có tác dụng hữu hiệu trong việc điều trị bệnh tiểu đường loại 2 (Jayaprakasam và cs., 2005)

1.4 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT

1.4.1 Các khái niệm cơ bản về quá trình chiết

Chiết là quá trình chuyển chất cần chiết rút trong nguyên liệu vào dung môi

và được thực hiện bằng khuếch tán phân tử và khuếch tán đối lưu

a) Khuếch tán phân tử: là sự chuyển vật chất cần chiết rút từ pha này sang pha

khác do sự chuyển động nhiệt hỗn loạn trong môi trường tĩnh

Khuếch tán phân tử theo định luật Fick I:

dx

dC DS dt

dm



trong đó :

dt

dm

: tốc độ hòa tan chất cần chiết

S : diện tích tiếp xúc giữa chất cấn chiết và dung môi

b) Khuếch tán đối lưu: là sự vận chuyển vật chất từ môi trường này sang môi

trường khác trong dòng chuyển động của chất lỏng ở chế độ chảy xoáy Khuếch tán đối lưu là hình thái di chuyến vật chất trong dung dịch ở phạm vi nhỏ

Khuếch tán đối lưu theo định luật Sucarep: B S dC

dt

dm

.



trong đó: dm, dt, dC và S có ý nghĩa giống như công thức khuếch tán phân tử ở trên; B: hằng số tốc độ khuếch tán đối lưu

Trong khuếch tán phân tử sự di chuyển vật chất nhờ vào động năng của chuyển động nhiệt phân tử Trong khuếch tán đối lưu di chuyển vật chất nhờ vào năng lượng bên ngoài dẫn tới Khuếch tán phân tử và khuếch tán đối lưu được gọi là khuếch tán nồng độ vì động lực của quá trình khuếch tán đều là do chênh lệch nồng độ

1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chiết

Trong quá trình chiết, để đạt được vận tốc chiết và hiệu suất chiết cao, cần cần lưu ý các yếu tố sau:

a) Chênh lệch nồng độ chất cần chiết ở trong nguyên liệu và dung môi phải lớn

- Muốn vậy, nguyên liệu phải có lực hút nhỏ nhất đối với dung môi để tạo ra nồng độ chất cần chiết trong dung môi phía trong nguyên liệu càng lớn thì quá trình khuếch tán các phân tử chất cần chiết đi ra càng mạnh

- Tỷ lệ dung môi trên nguyên liệu phải lớn Tuy nhiên phải ở mức độ hợp lý, nếu tỷ lệ qúa lớn làm cho nồng độ chất cần chiết trong dung môi chiết rút thấp gây khó khăn, cồng kềnh trong sản xuất

- Có thể lợi dụng nguyên lý ngược dòng hoặc thay đổi dung môi chiết nhiều lần để tạo được sự chênh lệch nồng độ lớn

b) Hình thái, tính chất và cấu tạo của tổ chức nguyên liệu

- Mức độ phá vỡ cấu trúc tế bào càng nhiều thì sự tiếp xúc giữa chất cần chiết và dung môi càng tăng nên rút ngắn thời gian chiết và chiết triệt để hơn

- Kích thước càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu và dung môi càng tăng, hiệu suất chiết tăng Tuy nhiên cũng chỉ nên nhỏ tới mức nhất định vì quá nhỏ nguyên liệu dễ bị vón lại các hạt mịn lắng đọng trên các lớp nguyên liệu Mặt khác, nguyên liệu quá nhỏ sẽ bị cuốn vào dịch chiết gây khó khăn cho quá trình xử lý dịch chiết sau khi chiết

- Tính chất của nguyên liệu cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất chiết Khi chiết bằng dung môi hữu cơ, độ ẩm nguyên liệu giảm thì tốc độ chiết tăng lên

c)Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ chiết

- Thời gian càng dài thì lượng chất khuếch tán tăng, nhưng thời gian phải có giới hạn Khi đạt được mức độ trích ly cao nhất nếu kéo dài thời gian thì sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế

- Nhiệt độ có tác dụng tăng tốc độ khuếch tán và giảm độ nhớt, do đó phân tử chất hòa tan chuyển động dễ dàng khi khuếch tán giữa các phân tử dung môi Tuy nhiên, nhiệt độ tăng có giới hạn, vì nhiệt độ quá cao sẽ có thể phân hủy phân tử cần chiết và gây khó khăn cho quá trình công nghệ

d)Dung môi chiết

Dung môi chiết cần thỏa mãn các điều kiện sau:

- Hòa tan chất cần chiết ở bất kì tỷ lệ nào

- Có nhiệt độ sôi thấp để dễ dàng tách dung môi ra khỏi dịch chiết

- Có thành phần hóa học ổn định, không phản ứng phụ với nguyên liệu

- Không độc hại, không ảnh hưởng sức khỏe và chất lượng sản phẩm

- Khó cháy nổ, an toàn cho quá trình sản xuất

- Không ăn mòn thiết bị

- Rẻ tiền, dễ kiếm, có khả năng sử dụng trong sản xuất

Tuy nhiên hiện nay chưa có loại dung môi nào đáp ứng đầy đủ tất cả những điều kiện trên Do đó, tùy trường hợp chiết cụ thể để chọn dung môi cho phù hợp

1.4.3 Các phương pháp chiết

Dựa vào cách tiến hành, có thể chia thành các phương pháp chiết sau:

1.4.3.1 Chiết gián đoạn:

Theo phương pháp này ta ngâm nguyên liệu vào dung môi Sau một thời gian nhất định, khi giữa dung môi và nguyên liệu đạt nồng độ chất cần thiết ở mức độ cân bằng, tiến hành đổ dung môi cũ ra, thay dung môi mới vào Cứ như thế cho đến khi chiết hết chất cần chiết Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện Nhược điểm là tốn công, tốn thời gian cũng như tốn dung môi chiết nên không kinh

tế, không phù hợp với quy mô sản xuất lớn

1.4.3.2 Chiết bán liên tục

Nguyên lý của phương pháp này là dùng nhiều thiết bị chiết gián đoạn bố trí thành một hệ thống liên hợp tuần hoàn nhằm mục đích giảm thời gian chiết, ít tốn công hơn, tiết kiệm được nhiều dung môi hơn Đối với phương pháp này quá trình chiết thực hiện theo nguyên tắc dung môi đi từ nơi có nồng độ chất chiết cao đến nồng độ chất chiết thấp

1.4.3.3 Chiết liên tục

Nguyên lý là ngâm dung môi trong dòng chuyển động cùng chiều hay ngược chiều của dung môi Ưu điểm của phương pháp này là cho hiệu quả kinh tế cao, thích hợp cho sản xuất công suất lớn, áp dụng cho quy mô công nghiệp Tuy nhiên, nhược điểm là thiết bị khá phức tạp, chi phí đầu tư lớn

1.4.4 Vài kỹ thuật chiết hiện đại dùng để chiết xuất chất màu tự nhiên

1.4.4.1 Chiết nhờ siêu âm (Ultrasound-assisted extraction):

Nguyên liệu được trộn với dung môi thích hợp rồi chiết bằng siêu âm Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng siêu âm có khả năng phá vỡ màng tế bào của nguyên liệu,

do đó giúp cho xâm nhập của dung môi vào bên trong tế bào dễ dàng hơn Ngoài ra, siêu âm còn có tác dụng khuấy trộn mạnh dung môi, do đó gia tăng sự tiếp xúc của dung môi với chất cần chiết và cải thiện đáng kể hiệu suất chiết

1.4.4.2 Chiết siêu tới hạn (SFE: Supercritical Fluid Extraction):

Đây là phương pháp chiết được quan tâm nhiều nhất hiện nay trong lĩnh vực chiết các hợp chất có hoạt tính sinh học từ nguyên liệu tự nhiên nhằm ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm và thực phẩm Phương pháp này cho phép tự động hóa quá trình chiết và hạn chế việc sử dụng các dung môi hữu cơ độc hại Dung môi chiết là một chất lỏng ở trạng thái siêu tới hạn1 Ở trạng thái này, chất lỏng có những tính chất đặc biệt như có tính chịu nén cao, khuếch tán nhanh, độ nhớt và sức căng bề mặt thấp… Do đó, nó có khả năng khuếch tán mạnh vào nền nguyên liệu tốt hơn nhiều so với các dung môi thông thường, vì thế làm tăng hiệu suất chiết lên nhiều lần Trong phương pháp này, thường dùng CO2 trạng thái siêu tới hạn làm

1

tức là ở nhiệt độ và áp suất cao hơn điểm tới hạn của nó

dung môi chiết (đôi khi trộn với vài % dung môi phân cực nào đó như etanol, metanol, 2-propanol để làm tăng khả năng hòa tan carotenoit của CO2) do nó cho phép chiết nhanh, chọn lọc, không làm oxy hóa carotenoit và an toàn trong vận hành

1.4.4.3 Chiết dung môi tăng tốc (ASE: Accelerated Solvent Extraction) hay chiết dưới áp suất cao (PFE : Pressurized Fluid Extraction):

Đây cũng là một phương pháp chiết mới, cho phép chiết rất nhanh, tự động hóa, hiệu quả và tiết kiệm dung môi Nguyên tắc của nó tương tự như phương pháp chiết Soxhlet cổ điển, ngoại trừ việc quá trình chiết được thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao (nhưng vẫn dưới điểm tới hạn của dung môi sử dụng) Trong phương pháp ASE, nguyên liệu cần chiết được xay nhỏ, làm khô (thường là đông khô), rồi nhồi vào một ống chiết (extraction cell) Ống chiết này được đặt trong lò duy trì ở nhiệt

độ thích hợp (có thể điều chỉnh từ 40 – 2000C) Dung môi được bơm vào ống chiết

và giữ ở áp suất 10 -20 MPa trong vài phút (static time), sau đó dịch chiết được đẩy vào một bình hứng bằng một thể tích dung môi mới (flush volume) Quá trình được lặp lại vài lần (cycles) Cuối cùng, toàn bộ dịch chiết được đẩy ra bằng một dòng khí trơ (N2)

Hình 1.10 Sơ đồ thiết bị chiết SFE Hình 1.11 Sơ đồ thiết bị chiết ASE

1.5 Tình hình nghiên cứu, khai thác và sử dụng anthocyanin tự nhiên

1.5.1 Tình hình trên thế giới:

Trên thế giới chất màu anthocyanin thường được thu nhận từ dịch chiết của quả nho, vỏ nho, bắp cải đỏ, củ cải đỏ.,… Hỗn hợp anthocyanin sử dụng rộng rãi nhất trong thực phẩm là anthocyanin từ vỏ nho (E163 (i)) và anthocyanin chiết xuất

từ quả nho đen (E163 (iii)) Hiện nay, bắp cải đỏ (Brassica oleracea L.) cũng được

xem là nguồn anthocyanin tự nhiên có giá trị do có khả năng trồng với diện tích lớn,

có thể thu hoạch quanh năm, tạo ra màu hồng sáng ở pH thấp và màu hồng/tím hoa

cà ở pH trung tính, không có mùi lạ, bền với nhiệt và ánh sáng hơn so với các anthocyanin chiết từ các nguồn tự nhiên khác như vỏ nho, quả nho đen,…

Trong thực tế anthocyanin chủ yếu được chiết xuất dưới dạng thô để sử dụng trong thực phẩm do việc tinh chế anthocyanin khá khó khăn Sản phẩm anthocyanin thương mại có thể ở dưới dạng dịch chiết cô đặc hay ở dạng bột khô (bằng cách trộn dịch chiết anthocyanin cô đặc với chất mang thích hợp rồi sấy phun)

Hình 1.12 Một số dạng sản phẩm anthocyanin thương mại

1.5.2 Tình hình trong nước:

Ở nước ta, điều kiện khí hậu không thuận lợi lắm cho việc phát triển các vùng nguyên liệu truyền thống để sản xuất chất màu anthocyanin như các nước vùng ôn đới Gần đây, chúng ta cũng đã di thực và thương mại hóa một số loài thực vật giàu anthocyanin như nho đỏ, nho đen, bắp cải tím,… Tuy nhiên, với sản lượng còn hạn chế, các nguyên liệu này chủ yếu chỉ dùng làm thực phẩm tươi hay đồ uống (rượu vang, nước ép quả nho,…)

Trong khi đó, kết quả nghiên cứu [3]cho thấy cây Cẩm ở Việt Nam

(Peristrophe roxburghiana) có hàm lượng chất màu anthocyanin khá cao (khoảng

12,72% trong lá) Các anthocyanin này chứa hai loại khung chính là perlagonidin và pyranopeonidin và bao gồm:

- Các anthocyanin tan trong nước và tan trong metanol: afzelechin (4-8)

pelargonidyl glucozid, pelargonidin-3-O-gentiobiose, pelargonidin-3-O-sambabiose

b) Các anthocyanin tan trong nước và không tan trong metanol

Hình 1.13 Cấu trúc phân tử của các anthocyanin chiết xuất từ lá Cẩm

Afzelechin (4-8) pelargonidyl glucozid

Các anthocyanin chiết từ cây Cẩm tạo nên màu đỏ tím - tím rất đẹp (trong môi trường trung tính), dễ tan trong nước nên thuận tiện cho việc sử dụng làm chất màu thực phẩm Do vậy, cây Cẩm đã được sử dụng lâu đời trong dân gian để tạo màu tím rất đẹp cho thực phẩm (xôi lá Cẩm, bánh,…) Ngoài ra, cây Cẩm khá dễ trồng, sinh trưởng và phát triển tốt ở nhiều địa phương trong nước lại không đòi hỏi kỹ thuật canh tác phức tạp và chi phí đầu tư Có thể nói, cây Cẩm là một trong các nguồn anthocyanin tự nhiên đầy triển vọng, cần được khai thác sử dụng ở nước ta Tuy nhiên, việc nghiên cứu sản xuất chất màu anthocyanin từ lá Cẩm chưa được quan tâm nhiều Gần đây, Viện Hóa học đã nghiên cứu đưa ra quy trình công nghệ chiết tách chất màu anthocyanin từ lá Cẩm bằng dung môi nước Ưu điểm của quy trình này là đơn giản, dễ thực hiện đối với các cơ sở sản xuất nhỏ Tuy nhiên, hạn chế của quy trình này là sự khó khăn trong việc cô đặc dịch chiết chất màu do sử dụng dung môi là nước Cũng như chưa nghiên cứu đầy đủ sự biến đổi màu sắc và

độ bền của chất màu lá Cẩm trong các điều kiện bảo quản khác nhau

Vì vậy, việc khảo sát khả năng sử dụng dung môi chiết có nhiệt độ sôi thấp hơn để chiết anthocyanin từ lá Cẩm cũng như nghiên cứu sâu hơn về độ bền của chất màu trong các điều kiện bảo quản khác nhau là điều rất cần thiết để có thể đi đến sản xuất công nghiệp và ứng dụng chất màu này trong thực tế

Đề tài này sẽ nghiên cứu và so sánh hiệu quả chiết chất màu anthocyanin từ lá Cẩm trồng ở Việt Nam bằng phương pháp ngâm chiết và phương pháp siêu âm sử dụng các dung môi nước và etanol Từ đó, chọn lựa quy trình thích hợp cho việc chiết anthocyanin từ nguồn nguyên liệu này

Ngoài ra, đề tài còn khảo sát độ bền màu của dịch chiết anthocyanin thu được trong một số điều kiện bảo quản khác nhau và đề xuất phương pháp thích hợp cho việc ứng dụng và bảo quản các loại thực phẩm bổ sung chất màu này

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2 1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

2.1.1 Nguyên liệu

Nguyên liệu sử dụng trong đề tài này là cây Cẩm Tím (Peristrophe roxburghiana) Trồng tại huyện Ninh Hòa (tỉnh Khánh Hòa) Nguyên liệu được

mua thành nhiều đợt, mỗi đợt khoảng 0,500 kg

Theo tài liệu, hàm lượng chất màu tím trong lá Cẩm vào khoảng 12,72% trọng lượng lá, gấp 14,45 lần so với hàm lượng chất màu có trong từ thân cây Cẩm (0,88%) [3] Do vậy, trong đề tài này chúng tôi chỉ sử dụng phần lá của cây Cẩm

làm nguyên liệu chiết anthocyanin

 Cân kỹ thuật  1 g (Việt Nam)

 Cân phân tích  1 mg (Shimadzu, Nhật)

 Cân phân tích  0,1 mg (Satorius, Nhật)

 Bếp điện

 Tủ sấy  10

C (Memmer , Đức)

 Bể siêu âm Elmasonic S300H (Elma, Đức)

 Thiết bị cô quay RV 10 Control (IKA, Đức)

 Quang kế UV-Vis Genesys 20 (Thermo, USA)

 Quang phổ kế CARY 50 (Varian, Australia)

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2.1 Phương pháp xử lý và bảo quản nguyên liệu

Cây Cẩm tươi sau khi thu mua được đem ngay về phòng thí nghiệm, rửa sạch,

để ráo, trộn đều Nguyên liệu có thể dùng để nghiên cứu ngay hay cho vào các hộp

nhựa cứng (để khỏi bị dập nát) và bảo quản trong ngăn mát tủ lạnh để dùng dần

(Thời gian bảo quản khoảng 1-2 ngày để tránh ảnh hưởng đến chất lượng chất màu)

2.2.2 Xác định thành phần khối lượng của nguyên liệu nghiên cứu

Nguyên liệu cây Cẩm sau khi rửa sạch và để ráo được chia thành 3 phần: phần

lá tươi, phần lá úa và phần cành Sau đó, cân các phần này và xác định thành phần khối lượng của nguyên liệu như sau:

mL1: khối lượng phần lá tươi

mL2: khối lượng phần lá úa vàng

mC: khối lượng phần cành

m0 : khối lượng nguyên liệu ban đầu ( m0 = mL1 + mL2 + mC)

Hình 2.1 Thí nghiệm xác định thành phần khối lượng của nguyên liệu

Rửa sạch, để ráo Cây Cẩm nguyên liệu

Thành phần khối lượng

Cân

2.2.3 Quy trình dự kiến chiết xuất chất màu anthocyanin từ lá Cẩm

Quy trình dự kiến sản xuất chất màu anthocyanin từ lá Cẩm và các yếu tố cần khảo sát được trình bày trong sơ đồ 2.2

Hình 2.2 Quy trình dự kiến sản xuất chất màu anthocyanin từ lá Cẩm

và các yếu tố cần khảo sát

Xử lý

Lá Cẩm tươi

Lọc Chiết

Dịch chiết

Khảo sát điều kiện chiết:

- Dung môi: H2O;

- Tỷ lệ dung môi/nguyên liệu

- Phương pháp chiết : ngâm; siêu âm

Bột màu anthocyanin Đóng gói – Bảo quản