Nghiên cứu tách chiết chất màu anthocyanin từ rau dền đỏ Amaranthus tricolor

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.2 Liều sử dụng cho phép của một số chất màu hữu cơ tổng hợp 7 Bảng 2.1 Bố trí thí nghiệm chọn dung môi, nhiệt độ đối với các phương pháp chiết khác nhau 39 Bản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM -& -

LỜI CẢM ƠN

Qua hơn 3 tháng thực tập tại phòng thí nghiệm cho đến nay em đã hoàn thành xong đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu tách chiết chất màu anthocyanin từ rau dền đỏ Amaranthus tricolor”, với sự cố gắng của bản thân, sự ủng hộ của gia đình, bạn bè và hơn cả là sự dìu dắt quý báu của quý thầy cô đã cho em nền tảng kiến thức để hoàn thiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn TS Vũ Duy Đô 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 chế biến đã nhiệt tình giúp đỡ em

Em vô cùng biết ơn các thầy cô trong Ban giám hiệu trường đại học Nha Trang đã 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

Em xin chân thành cảm ơn!

Nha Trang, tháng 06 năm 2013 Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan về rau dền đỏ 2

1.1.1 Tên gọi 2

1.1.2 Thành phần hóa học trung bình trong lá rau dền đỏ 3

1.1.3 Đặc điểm hình thái và sinh trưởng 4

1.1.4 Công dụng của rau dền đỏ 4

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

1.2.4 Nguyên tắc sử dụng chất màu thực phẩm 9

1.3 Giới thiệu về chất màu anthocyanin 10

1.3.1 Khái niệm vế chất màu anthocyanin 10

1.3.2 Phân loại Anthocyanin 11

1.3.3 Cấu trúc hóa học của các anthocyanin 11

1.3.4 Tính chất vật lý và hóa học của các anthocyanin 15

1.3.5 Chức năng sinh học và ứng dụng của anthocyanin 22

1.3.5.1 Chức năng sinh học 22

1.3.5.2 Ứng dụng của anthocyanin 24

1.3.6 Tình hình nghiên cứu, khai thác và sử dụng anthocyanin tự nhiên 25

1.3.6.1 Tình hình trên thế giới 25

1.3.6.2 Tình hình trong nước 25

1.4 Tổng quan về các phương pháp chiết 26

1.4.1 Các khái niệm cơ bản về quá trình chiết 26

1.4.2 Các phương pháp chiết 27

1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chiết 28

1.4.4 Vài kỹ thuật chiết hiện đại dùng để chiết xuất chất màu tự nhiên 30

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.1 Đối tượng nghiên cứu 32

2.1.1 Vật liệu nghiên cứu 32

2.1.2 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất nghiên cứu 32

2.2 Phương pháp nghiên cứu 33

2.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu 33

2.2.2 Dự kiến quy trình tách chiết anthocyanin từ rau dền đỏ 33

2.2.3 Xác định điều kiện chiết anthocyanin từ rau dền 34

2.2.3.1 Bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ Etanol/H2O thích hợp 35

2.2.3.2 Bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ dung môi/nguyên liệu 37

2.2.3.3 Bố trí thí nghiệm chọn phương pháp, nhiệt độ chiết 38

2.2.3.4 Bố trí thí nghiệm chọn thời gian chiết 40

2.2.3.5 Bố trí thí nghiệm chọn số lần chiết 42

2.2.4 Phương pháp phân tích 43

2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu 44

2.2.6 Khảo sát độ bền màu của dịch chiết anthocyanin từ rau dền đỏ trong các điều kiện bảo quản khác nhau 44

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 46

3.1 Thành phần khối lượng rau dền đỏ 46

3.2 Một số thành phần hóa học trong rau dền đỏ 47

3.3 Kết quả xác định các thông số thích hợp cho quá trình chiết tách chất màu anthocyanin từ rau dền đỏ 48

3.3.1 Kết quả xác định tỷ lệ Etanol/H2O dùng để chiết chất màu Anthocyanin

từ rau dền đỏ 48

3.3.2 Kết quả xác định tỷ lệ dung môi/nguyên liệu 49

3.3.3 Kết quả xác định lựa chọn dung môi và nhiệt độ chiết 50

3.3.4 Kết quả xác định thời gian chiết 52

3.3.4.1 Phương pháp siêu âm 52

3.3.4.2 Phương pháp ngâm chiết có gia nhiệt 53

3.3.5 Xác định số lần chiết 54

3.3.5.1 Phương pháp siêu âm 54

3.3.5.2 Phương pháp ngâm chiết gia nhiệt 55

3.4 Kết quả khảo sát khảo sát độ bền màu của dịch chiết anthocyanin trong các điều kiện bảo quản khác nhau 56

3.5 Hoàn thiện quy trình chiết rút chất màu anthocyanin từ rau dền đỏ .57

3.6 Tính toán sơ bộ giá thành sản phẩm 59

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHẦN PHỤ LỤC 63

NL Raw material Nguyên liệu

UV-Vis Ultraviolet-Visible Tử ngoại-khả kiến v/v Volume/volume Thể tích/thể tích v/w Volume/weight Thể tích/khối lƣợng w/v Weight/volume Khối lƣợng/thể tích

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.2 Liều sử dụng cho phép của một số chất màu hữu cơ tổng hợp 7

Bảng 2.1 Bố trí thí nghiệm chọn dung môi, nhiệt độ đối với các phương pháp chiết khác nhau 39

Bảng 3.3 Kết quả xác định hàm lượng anthocyanin của rau dền đỏ 47 Bảng 3.4 Ước tinh chi phí nguyên vật liệu để chiết anthocyanin từ 1 kg rau dền đỏ 59

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

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

nhiên

14

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

pH

17

Hình 1.7 Ảnh hưởng của pH lên tốc độ thủy phân của quả dâu được đun

nóng tại 450C trong trường hợp có Oxygen hoặc Nitrogen

Hình 1.10 Sự tổ hợp màu nội phân tử của các antyhocyanin acylhóa 22

Hình 2.1 Quy trình dự kiến tách chiết chất màu anthocyanin từ rau dền đỏ

Hình 2.5 Bố trí thí nghiệm xác định thời gian chiết 41

Hình 2.7 Bố trí thí nghiệm khảo sát độ bền màu của chất màu

anthocyanin trong một số điều kiện bảo quản khác nhau

Hình 3.3 Ảnh hưởng của dung môi và nhiệt độ đến hàm lượng

anthocyanin khi chiết bằng các phương pháp khác nhau

51

Hình 3.4 Màu sắc của dịch chiết anthocyanin sử dụng 2 dung môi chiết

khác nhau bằng phương pháp siêu âm

Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian và điều kiện bảo quản đến độ bền màu

của dịch chiết anthocyanin từ rau dền đỏ

57

Hình 3.10 Sơ đồ quy trình tách chiết chất màu anthocyanin từ rau dền đỏ 58

LỜI 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, rau dền đỏ (Amaranthus tricolor) từ lâu đã được dùng để sử

dụng như một món ăn trong bữa cơm hàng ngày Tuy nhiên, việc chiết tách chất màu rau dền đỏ 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 rau dền đỏ có hàm lượng tương đối cao[4] 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 rau dền đỏ 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 Công nghệ thực phẩm, dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Duy Đô, em đã thực hiện đề tài: “Nghiên

cứu tách chiết chất màu anthocyanin từ rau dền đỏ - Amaranthus tricolor” Nội

dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:

- Xác định một số thành phần của nguyên liệu

- Xác định các thông số kỹ thuật của quy trình tách chiết anthocyanin từ rau dền đỏ

- Xác định điều kiện bảo quản của anthocyanin tách chiết từ rau dền đỏ

- Tính chi phí nguyên liệu để chiết chất màu từ 1kg nguyên liệu

Từ đó đưa ra quy trình hoàn thiện tách chiết chất màu anthocyanin tự nhiên

từ rau dền đỏ (Amaranthus tricolor) 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 thời gian, 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

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về rau dền đỏ

1.1.1 Tên gọi

Rau dền đỏ (hay dền tía) theo cách gọi của người Việt Nam để chỉ một loại

rau ôn đới có tên tiếng anh là Amaranth, tên khoa học là Amaranthus tricolor, thuộc

chi dền[13]

Chi dền gồm những loài đều có hoa không tàn, một số mọc hoang dại nhưng nhiều loài được sử dụng làm lương thực, rau, cây cảnh ở các vùng khác nhau trên thế giới Tên tiếng Anh cũng như tên khoa học của các loài dền đều có nguồn gốc từ tiếng Hy lạp "amarantos" (Αμάρανθος hoặc Αμάραντος) có nghĩa là (hoa) không bao giờ tàn Chi dền được cho là có nguồn gốc ở Trung Mỹ và Nam Mỹ nhưng khoảng 60 loài với khoảng 400 giống của nó hiện diện khắp thế giới, cả vùng có khí

hậu ôn đới lẫn nhiệt đới Ở Việt Nam, rau dền thường thấy là dền đỏ (Amaranthus

tricolor), dền cơm (Amaranthus viridis) làm rau ăn, dền gai (Amaranthus spinosus)

mọc hoang dại

Hình 1.1 Rau dền đỏ

1.1.2 Thành phần hóa học của lá rau dền đỏ

Bảng 1.1 Thành phần hóa học trong 100 gam lá dền đỏ [13]

1.1.3 Đặc điểm hình thái và sinh trưởng [13]

Dền đỏ là loài cây thân thảo, có bộ rễ khỏe, ăn sâu nên khả năng chịu hạn, chịu nước tốt, sức nảy mầm cao Dền thường có một thân thẳng, cành vươn vừa phải, những loài trồng lấy hạt có hoa tạo thành cụm hình chùy ở đầu cành còn những loại lấy rau có hoa mọc dọc theo cành Các loài trong chi dền được thấy ở cả vùng đồng bằng lẫn vùng núi ở độ cao đến 1.500m như Hymalaya, Andes Chu kỳ phát triển của nó tương đối ngắn, các giống dền trắng và dền đỏ ở Việt Nam gieo hạt sau 25-30 ngày là có thể đem trồng, sau khi trồng 25-30 ngày đã thu hoạch được Các loài dền hạt trồng làm cây lương thực gieo hạt sau 3-4 ngày bắt đầu nảy mầm và ra hoa sau đó khoảng 2 tháng rưỡi

1.1.4 Công dụng của rau dền đỏ [14]

Rau dền là loại rau mùa hè, có tác dụng mát gan, thanh nhiệt Một số nghiên cứu mới đây cho thấy: Rau dền có khả năng tăng thải trừ chất phóng xạ, thanh thải chất độc vì có nhiều sterol, các acid béo không no

Bộ phận dùng: Toàn cây và rễ Theo Đông y dền cơm vị ngọt tính hàn Dền

đỏ vị ngọt mát vào đại tràng Có tác dụng thanh nhiệt, mát gan, ích khí và khai khiếu Dùng cho các trường hợp kiết lỵ, táo bón, rối loạn tiết niệu, đau mắt đỏ, sưng đau họng, côn trùng cắn đốt Có thể nấu, xào, ép nước Ngày dùng 100 – 250g

Một số món ăn, bài thuốc có rau dền đỏ:

- Cháo rau dền đỏ (tử hiện chúc): Rau dền đỏ 200g Rửa sạch, nấu lấy nước lấy nước rau nấu cháo với gạo lứt Ăn khi đói Dùng cho phụ nữ trước, sau khi sinh con

có hội chứng kiết lỵ dùng cho người cao tuổi viêm ruột, kiết lỵ

- Canh rau dền: Rau dền đỏ 200g rửa sạch nấu canh Dùng cho các bệnh nhân ung thư cổ tử cung, hội chứng lỵ, u tuyến giáp trạng lành tính

- Canh rau dền thịt lợn: Rau dền đỏ 60g, thịt lợn nạc 60g, nấu dạng canh Dùng cho các bệnh nhân bướu giáp trạng lành tính

- Chữa phát ban: Rau dền 10g, rễ hoặc lá lức 10g, ké hoa vàng 8g, rễ sắn dây 8g,

cỏ mần trầu 8g, dây chiều 8g, rau má 8g, dây giác tía 8g, kinh giới 6g, cam thảo đất

6g, bạc hà 4g, gừng sống 2 lát, sắc uống Chữa sốt nóng thời kỳ đầu Lá dền đỏ 50g rửa sạch thái lát nấu bỏ bã lấy nước thêm gạo nếp nấu thành cháo Ăn trong ngày Chữa hậu sản

Theo kinh nghiệm dân gian lấy lá rau dền giã nát uống nước và bã đắp chữa rắn cắn Rễ dền đỏ và rễ bí ngô với liều lượng bằng nhau, sắc uống chữa chảy máu

do sảy thai Hạt dền cơm 20g chữa tiểu tiện không thông

Hình 1.2 Rau dền đỏ và món canh rau dền [15]

1.2 Tổng quan về chất màu thực phẩm [9]

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 [8]

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 1.2 Liều sử dụng cho phép của một số chất màu hữu cơ tổng hợp [8]

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

Chất màu tự nhiên chia làm 3 nhóm chính:

- Antoxian có màu đỏ và màu xanh lam

- Carotinoit có màu vàng

- Clorofin sắc tố xanh lá cây

Tất cả các sắc tố này là những hợp chất hoá học phức tạp và được tạo nên trong quá trình sống thích ứng với các loại 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 1.3 Bảng một số chất màu tự nhiên [8]

lượng cơ thể

Bảng 1.4 Một số chất màu tự nhiên thông dụng [8]

Chất màu tự nhiên Nguồn tự nhiên

Anthocyanin Vỏ nho, elderberries, rau dền đỏ, rau dền đỏ,…

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

- Annatto (Bixin)

- Canthaxanthin

- -.Apocarotenal

Hạt điều Nấm rơm, loài giáp xác, cá Cam, rau xanh

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

1.2.4 Nguyên tắc sử dụng chất màu thực phẩm [7]

Về nguyên tắc: Bổ sung chất màu nhằm phục hồi màu vốn có của một số thực phẩm bị tổn thất trong quá trình chế biến Không được dùng chất màu để che đậy khuyết điểm của thực phẩm, hoặc để người tiêu dùng nhầm lẫn về sự có mặt không thực của một vài thành phần chất lượng trong thực phẩm

Trước khi quyết định sử dụng chất màu thực phẩm bổ sung vào một sản phẩm thực phẩm nào đó chúng ta cần quan tâm các yếu tố sau:

Trạng thái của chất màu: Người tiêu dùng vẫn ưa dùng chất màu ở dạng lỏng hơn là ở dạng bột

Cách sử dụng: Thường phối trộn nhiều màu với nhau để tạo ra màu mong muốn phù hợp với thực phẩm của mình

Thành phần các chất chứa trong thực phẩm cần bổ sung chất màu: Sự có mặt của protein, nước, tanin hay chất béo sẽ ảnh hưởng tới độ trong hay vẩn đục của chất màu khi bổ sung vào trong thực phẩm đó

pH: Sự ổn định cũng như sự chuyển màu của chất màu đều có thể bị ảnh hưởng bởi độ pH của thực phẩm

Điều kiện chế biến: Đặc biệt là thời gian và nhiệt độ ảnh hưởng tới chất lượng chất màu bổ sung vào

Điều kiện bao gói: Quyết định đến mức độ xâm nhập của không khí và ánh sáng vào thực phẩm, do đó có thể làm biến đổi chất màu

Điều kiện bảo quản và thời gian sử dụng: Chất màu sử dụng chỉ bền dưới những điều kiện bảo quản thích hợp và trong một thời hạn nhất định

1.3 Giới thiệu về chất màu anthocyanin

1.3.1 Khái niệm vế chất màu anthocyanin [8]

Các Anthocyanin hiện thuộc nhóm các chất màu tự nhiên tan trong nước lớn nhất trong thế giới thực vật Thuật ngữ anthocyanin bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp,

trong đó Anthocyanin là sự kết hợp giữa Anthos – nghĩa là hoa và Kysanesos –

nghĩa là màu xanh Tuy nhiên, không chỉ có màu xanh, anthocyanin còn mang đến cho thực vật nhiều màu sắc rưc rỡ khác như hồng, đỏ, cam và các gam màu trung gian Các anthocyanin khi mất hết nhóm đường được gọi là anthocyanidin hay aglycon Mỗi anthocyanidin có thể bị glycosyl hóa acylate bởi các loại đường và các acid khác tại các vị trí khác nhau Vì thế lượng anthocyanin lớn hơn anthocyanidin từ 15-20 lần Hàm lượng anthocyanin trong các loài thực vật là tương đối lớn Tuỳ vào số lượng và tỷ lệ khác nhau trong rau, quả, hoa và các bộ phận khác nhau của thực vật làm cho chúng cho nhiều màu sắc khác nhau

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 Phân loại Anthocyanin [6]

Liều dùng: 0.1 mg/kg khối lượng cơ thể

- Có 4 loại anthocyanin là pelacgonidin, xianidin, denfinidin và apigenidin

- Các chất màu đỏ tự nhiên khác là Anthoxyanin E163, Betain E162, chất nhuộm màu eno E163 ii và Carmin E120

 Anthoxyanin E163 từ các nguyên liệu khác nhau như: quả phúc bồn tử đen, quả nho, quả cơm cháy, quả thanh lương trà , sử dụng tốt nhất ở

pH <4

 Betanin E 162 hay là nước ép củ cải đỏ cô đặc có khả năng nhuộm màu tốt nhất tại pH 3,5 - 5,0 ứng dụng chủ yếu trong chế biến các sản phẩm sữa và sản xuất đường

 Chất nhuộm màu eno từ nước ép quả nho đỏ và quả cơm cháy, trong môi trường axit tạo ra màu đỏ, còn trong môi trường trung tính và kiềm tạo ra màu xanh

 Carnin E120 được chiết suất từ một loại côn trùng đặc biệt có tên gọi là Coccus Sactic sống trên cây xương rồng mọc nhiều ở Nam Mỹ và châu Phi, E120 sử dụng rất tốt cho các sản phẩm sữa và thịt, nồng độ tốt nhất

là từ 0,005 đến 0,025%

1.3.3 Cấu trúc hóa học của các anthocyanin [8]

Anthocyanin thuộc nhóm các hợp chất flavonoid, có khả năng hòa tan trong nước và chứa trong các không bào Về bản chất, các anthocyanin là những hợp chất glycoside của các dẫn xuất polyhydroxy và polymethoxy của 2-phenylbenzopyrylium hoặc muối flavylium Cho đến nay, người ta đã xác định được 18 loại aglycon khác nhau, trong đó 6 loại phổ biến nhất là pelargonidin, cyanidin, delphinidin, peonidin, petunidin và maldivin

Trong tự nhiên, anthocyanin rất hiếm khi ở trạng thái tự do (không bị glycosyl hóa) Nhóm hydroxy tự do ở vị trí C-3 làm cho phân tử anthocyanidin trở nên không ổn định và làm giảm khả năng hòa tan của nó so với anthocyanin tương ứng Vì vậy, sự glycosyl hóa luôn diễn ra, đầu tiên ở vị trí nhóm 3-hydroxy Nếu có thêm một phân tử đường sữa, vị trí tiếp theo bị glycosyl hóa thường gặp nhất là ở C-

5 Ngoài ra, sự glycosyl hóa còn có thể gặp ở các vị trí C-7, C-3’, C-5’

Loại đường phổ biến nhất là glucose, ngoài ra cũng có một vài loại monosaccharide (như galactose, rammose, arabinose), các loại disaccharide (chủ yếu là rutinose, sambubiose hay sophorose) hoặc trisaccharide tham gia vào quá trình glycosyl hóa

Sự methoxyl hóa các anthocyanin và các glucoside tương ứng diễn ra thông thường nhất là ở vị trí C-3’ và C-5’, cũng có thể gặp ở vị trí C-7 và C-5 Tuy nhiên, cho đến nay, người ta vẫn chưa tìm thấy môt hợp chất nào bị glycosyl hóa hay bị methoxyl hóa trên tất cả các vị trí C-3, -5, -7 và -4’ do cần thiết phải còn ít nhất một nhóm hydroxyl tự do ở C-5, -7 hay -4’ để hình thành dạng cấu trúc quinonoidal base (dạng cấu trúc của anthocyanin thường tồn tại trong không bào thực vật có pH

từ 2,5 – 7,5)

Hình 1.3: Cấu trúc cơ bản của các anthocyanin [12]

Sự acyl hóa cũng có thể xảy ra ở vị trí C-3 của phân tử đường hay ester hóa ở nhóm hydroxy C-6 Các nhóm acyl hóa chính là các phenolic acid như ρ-coumeric, caffeic, ferulic hay sinapic acid và một loạt các acid như acetic, malic, malonic,

axalic và succinic

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 1.5 Các nhóm chính trong các anthocyanidin [16]

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 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 [8]

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)

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

1.3.4 Tính chất vật lý và hóa học của các anthocyanin [6]

Anthocyanin tinh khiết ở dạng tinh thể hoặc vô định hình là hợp chất khá phân cực nên tan tốt trong dung môi phân cực Anthocyanin hòa tan tốt trong nước

và trong dịch bão hòa Khi kết hợp với đường là cho phân tử anthocyanin hòa tan hơn

Màu sắc anthocyanin thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ, các chất màu và nhiều yếu tố khác,… Khi tăng số lượng nhóm OH trong vòng benzene thì màu càng xanh đậm Mức độ methyl hóa các nhóm OH ở vòng benzene càng cao thì màu càng đỏ Nếu nhóm OH ở vị trí thứ ba kết hợp với các gốc đường thì màu sắc cũng sẽ thay đổi theo số lượng các gốc đường được đính vào nhiều hay ít

Một số thông số vật lý của anthocyanin [1], [8]

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- 540 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…

1.3.4.2 Tính tan

Anthocyanin là hợp chất khá phân cực do phân tử chứa nhóm chức phân cực (- H, -OH, -OCH3) nên tan tốt trong dung môi phân cực như nước, metanol, axeton, etanol,

1.3.4.3 Tính không bền

So với đa số các chất màu thiên nhiên, anthocyanin là chất màu có độ bền kém hơn, nó chỉ thể hiện tính bền trong môi trường acid Ngoài ra, nó có thể phân hủy tạo thành dạng không màu và sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy có dạng màu nâu cộng với những sản phẩm không tan

Sự phân hủy anthocyanin có thể xảy ra trong quá trình trích và tinh chế chúng, đồng thời sự phân hủy này còn xảy ra trong quá trình xử lý và bảo quản các sản phẩm thực phẩm

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 [8]

Các anthocyanin cũng phụ thuộc rất mạnh vào pH của môi trường:

 Khi pH > 7 các anthocyanin có màu xanh và khi pH < 7 các anthocyanin

có màu đỏ

 Ở pH = 1 các anthocyanin thường ở dạng muối oxonium màu cam đến đỏ

 Ở pH = 4÷5 chúng có thể chuyển về dạng bazơ Cacbinol hay bazơ

Chalcon không màu

 Ở pH = 7÷8 lại về dạng bazơ Quinoidal Anhydro màu xanh

Màu sắc của anthocyanin còn có thể thay đổi do hấp thụ ở trên polysaccharide Khi đun nóng lâu dài các anthocyanin có thể phá hủy và mất màu

Anthocyanin có bước sóng hấp thụ trong miền nhìn thấy, khả năng hấp thụ cực đại tại bước sóng 510÷540nm Độ hấp thụ là yếu tố liên quan mật thiết đến màu sắc của các anthocyanin chúng phụ thuộc vào pH của dung dịch, nồng độ anthocyanin: thường pH thuộc vùng acid mạnh có độ hấp thụ lớn, nồng độ anthocyanin càng lớn độ hấp thụ càng mạnh

Tóm lại, trong môi trường acid, các anthocyanin là những bazơ mạnh và có thể tạo muối bền vững với acid Anthocyanin cũng có khả năng cho muối với bazơ Như vậy chúng có tính chất amphote Muối với acid thì có màu đỏ, còn muối với kiềm thì có màu xanh

Năm 1956 Lukton nghiên cứu thấy rằng: ở pH = 2 – 4.5 thì vận tốc phân hủy pelargonidin 3- glucoside trong dịch ép của quả dâu không xác định được khi không

có O2 Khi có mặt O2 pH tăng nhanh, sự biến tính tăng lên mãnh liệt

Hình 1.7 Ảnh hưởng của pH lên tốc độ thủy phân của quả dâu được đun nóng

tại 45 0 C trong trường hợp có Oxygen hoặc Nitrogen

c) Ảnh hưởng của nhiệt độ

Trong quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm, Anthocyanin dễ dàng bị biến tính dưới tác dụng của nhiệt độ (Markakis 1974)

Hình 1.8 Sự biến tính của Anthocyanin 3,5 – di Glucoside tại pH 3,7

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 glucosid bền hơn petunidin glucosid, còn petunidin 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)

3-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-Palazo 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 glucosid) chuyển sang đỏ hơi xanh khi thêm tannin hay acid gallic (Willstätter và Zollinger, 1916)

3-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 1.9 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 1.10 Sự tổ hợp màu nội phân tử của các antyhocyanin acylhóa

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

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

1.3.5.1 Chức năng sinh học

a) Đối với thực vật

Theo nhiều nghiên cứu, anthocyanin là một chất chống oxy hóa có tác dụng bảo vệ các tế bào thực vật khỏi tác hại của các gốc tự do và tia cực tím Ngoài ra, anthocyanin còn tạo cho các mô thực vật có màu từ đỏ đến tím, tạo nên màu sắc rực rỡ của nhiều hoa, do đó rất quan trọng trong việc thu hút côn trùng Cyaninidin-3- 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

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 dụng của 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)

1.3.6 Tình hình nghiên cứu, khai thác và sử dụng anthocyanin tự nhiên [8]

1.3.6.1 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)

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,…)

Việc tách chiết chất màu từ rau dền đỏ còn chưa được nghiên cứu rộng rãi mặc dù trong thành phần của rau dền đỏ có chất màu này, do đó đây là cơ sở để em thực hiện đề tài này

1.4 Tổng quan về các phương pháp chiết [1], [2], [3], [4], [5]

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

Khuếch tán phân tử là quá trình khuếch tán tự nhiên tuân theo định luật Frick Khuếch tán đối lưu thực chất là quá trình khuếch tán cưỡng bức được thực hiện nhờ sự chuyển động tương đối giữa vật liệu và dung môi Do hệ số khuếch tán đối lưu lớn hơn nhiều so với hệ số khuếch tán phân tử nên trong quá trình chiết muốn tăng hiệu quả chiết thì phải tăng cường khuếch tán đối lưu (ví dụ: tăng cường quá trình khuấy đảo)

1.4.1.1 Khuếch tán phân tử

Khuếch tán phân tử là sự chuyển lẫn nhau giữa các phân tử khác nhau Sự chênh lệch nồng độ càng lớn thì lực khuếch tán của phân tử chất cần chiết từ vùng nồng độ cao tới vùng nồng độ thấp càng lớn Bề mặt khuếch tán càng lớn lượng vật chất khuếch tán theo hướng này trong một đơn vị thời gian càng nhiều Do đó phương trình khuếch tán cơ

dm

.







F: Diện tích tiếp xúc với chất cần chiết và dung môi

KT D

r: Bán kính phân tử khuếch tán

1.4.1.2 Khuếch tán đối lưu

Khuếch tán đối lưu là hình thái di chuyển vật chất trong dung dịch ở phạm vi nhỏ Sự chênh lệch về nồng độ rất quan trọng với khuếch tán đối lưu và khuếch tán phân tử, nồng độ chênh lệch càng lớn thì hiệu suất chuyển di từ vùng nồng độ cao tới vùng nồng độ thấp càng cao

Phương trình cơ bản về khuếch tán đối lưu:

dc F d

dm

.



 Trong đó : dm, dc, F có ý nghĩa tương tự như trong công thức khuếch tán phân tử ở trên,  là biểu thị hằng số khuếch tán đối lưu

1.4.2 Các phương pháp chiết

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

1.4.2.1 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

1.4.2.2 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 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chiết

 Sự chênh lệch nồng độ chất cần chiết ở nguyên liệu và dung môi phải lớn

Muốn tạo điều kiện cho sự chênh lệch nồng độ lớn cần tạo những yếu tố sau:

Nguyên liệu chiết 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 cao để quá trình khuếch tán các phân tử chất cần chiết đi ra càng mạnh

Lợi dụng nguyên lý ngược dòng của dung môi và nguyên liệu để nâng cao độ chênh lệch về nồng độ (trong chiết liên tục) Tỷ lệ dung môi nguyên liệu phải lớn Tuy vậy cũng chỉ lớn ở mức độ nhất định hợp lý vì nếu tỷ lệ lớn quá sẽ làm nồng độ chất cần chiết thấp, gây khó khăn cồng kềnh trong sản xuất

 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 không nên nhỏ quá vì nó sẽ gây khókhăn cho quá trình phân ly tiếp theo

 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 chất màu cần chiết và gây khó khăn cho quá trình công nghệ

 Dung môi chiết

Dung môi chiết cần thỏa mãn các điều kiện sau:

 Dung môi hòa tan tốt các chất cần chiết mà không hòa tan các chất khác

 Dung môi phải có thành phần hóa học ổn định không gây ra phản ứng phụ với nguyên liệu

 Dung môi không biến đổi thành phần của sản phẩm khi bảo quản

 Dung môi có nhiệt độ sôi thấp để dễ dàng tách dung môi ra khỏi chất cần chiết sau khi chiết Sau khi tách chiết không để lại mùi vị lạ

 Dung môi không ảnh hưởng tới sức khỏe con người, chất lượng sản phẩm

 Dung môi khó cháy nổ, an toàn trong sản xuất, không ăn mòn thiết bị chiết

 Dung môi rẻ tiền, dễ kiếm, có khả năng sử dụng trong sản xuất

Hiện nay chưa có dung môi nào đáp ứng được tất cả các điều kiện trên nhưng tùy theo điều kiện sản xuất mà ta chọn dung môi chiết tốt nhất

1.4.4 Vài kỹ thuật chiết hiện đại dùng để chiết xuất chất màu tự nhiên [8]

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 hạn 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

1.4.4.3 Chiết dung môi tăng tốc (ASE: Accelerated Solvent Extraction)

Đây 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, 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, dịch chiết được đẩy ra bằng một dòng khí trơ

Hình 1.12 Sơ đồ thiết bị chiết SFE và ASE