Sắc tố thực vật và kỹ thuật thu nhận

Sắc tố là những hợp chất hóa học chỉ phản xạ ánh sáng ở bước sóng khả kiến và tạo nên màu sắc. Hoa, san hô và thậm chí cả da động vật chứa các loại sắc tố tạo nên màu sắc của chúng. Và một đặc tính quan trọng hơn là khả năng hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng nhất định. Màu sắc của thực vật xuất hiện nhờ các hợp chất màu gồm biochromes, có khả năng hấp thụ và phản xạ ánh sáng ở những bước sóng khác nhau, và sự phản xạ ánh sáng sẽ thể hiện màu sắc. Màu sắc còn là kết quả của hỗn hợp bước sóng còn lại được phản xạ. Mắt con người có khả năng nhìn thấy ánh sáng trong dãy 400700nm, tương đương với dãy màu của cầu vồng được Newton tìm ra: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC  ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: TS. Lê Thị Thủy Tiên SVTH: Trần Thị Thanh Huệ MSSV: 60700910 TP.HCM, tháng 6 năm 2011 Đề tài: SẮC TỐ THỰC VẬT VÀ KỸ THUẬT THU NHẬN i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lê Thị Thủy Tiên đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đồ án. Cảm ơn quý thầy cô bộ môn Công nghệ sinh học, khoa Kỹ thuật Hóa Học, trường Đại học Bách Khoa TpHCM đã giảng dạy nhiệt tình và truyền đạt những kiến thức quý báu của mình giúp tôi hoàn thành chương trình học. Xin cảm ơn tất cả bạn bè, những người đã quan tâm, giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án môn học này. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 6/2011 Trần Thị Thanh Huệ ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2011 Chữ ký của giáo viên iii MỤC LỤC Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ SẮC TỐ THỰC VẬT 1 1.1. Khái niệm 1 1.2. Các loại sắc tố có trong thực vật 3 1.2.1. Màu xanh lá – Chlorophylls 3 1.2.2. Màu vàng, cam và đỏ - Carotenoid 5 1.2.3. Màu đỏ, xanh dương và đỏ tía – Anthocyanin và Betalain 6 1.2.3.1. Flavonoid 6 1.2.3.2. Màu xanh dương 8 1.2.3.3. Betalains 8 Chương 2: NHÓM SẮC TỐ CAROTENOID 11 2.1. Giới thiệu 11 2.2. Tính chất 11 2.2.1. Tính chất vật lý 12 2.2.2. Tính chất hóa học 12 2.3. Cấu trúc và chức năng 13 2.4. Sinh tổng hợp và điều khiển 17 2.4.1. Sinh tổng hợp carotenoid và lạp thể 17 2.4.2. Isoprenoid-chất nền carotenoid 19 2.4.3. Phytoene synthase 21 2.4.4. Desaturase 22 2.4.5. Isomerase 23 2.4.6. Cyclase 24 2.4.7. Hydroxylase 26 2.4.8. Zeaxanthin epoxidase và violaxanthin de-epoxidase 26 2.4.9. Neoxanthin synthase 27 2.4.10. Sản phẩm tách 27 Chương 3: KỸ THUẬT THU NHẬN CAROTENOID 28 3.1. Giới thiệu 29 iv 3.2. Chuẩn bị mẫu, chiết tách và xà phòng hóa 30 3.3. Lọc và tách 31 3.3.1. Sắc ký cột 31 3.3.2. Sắc ký lớp mỏng 31 3.3.3. Sắc ký lỏng hiệu suất cao 33 3.4. Đặc điểm và xác định 34 3.4.1. Phổ khả kiến và phổ hồng ngoại 34 3.4.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 35 3.4.3. Khối phổ 36 3.4.4. Nghiên cứu hóa học lập thể 36 3.4.5. Hóa học vi lượng 37 3.4.6. Định lượng 37 Chương 4: VAI TRÕ CỦA CAROTENOID ĐỐI VỚI CON NGƯỜI 38 4.1. Vai trò của carotenoid trong việc duy trì sức khỏe con người 38 4.2. Carotenoid và tổn hại quang oxy hóa 40 4.3. Carotenoid và sự điều khiển các phản ứng của hệ miễn dịch 40 4.4. Carotenoid và sự ức chế bệnh tim mạch 41 4.5. Carotenoid và phòng ngừa ung thư 41 4.6. Tăng tiềm lực của hoạt tính carotenoid 42 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các loại sắc tố chính ở thực vật và ở các sinh vật khác 3 Bảng 1.2. Các anthocyanidin phổ biến và màu sắc của chúng 9 Bảng 2.1. Bước sóng hấp thụ mạnh nhất đối với một số carotenoid 12 Bảng 2.2. Tên hệ thống của carotenoid 17 Bảng 3.1. Sắc ký lớp mỏng của carotenoid. Giá trị R F ( β-carotene = 1.00 của hệ thống 1,2 và 3, và giá trị R F cho hệ thống 4 33 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Quang phổ khả kiến của bức xạ điện từ 3 Hình 1.2. Cấu trúc hóa học của các loại sắc tố thực vật 11 Hình 2.1. Sự đa dạng của carotenoid. 14 Hình 2.2 Sinh tổng hợp carotenoid ở thực vật bậc cao 19 Hình 2.3 Sự sinh tổng hợp isoprenoid theo con đường MVA và MEP 20 Hình 3.1. Cấu trúc một vài carotenoid điển hình 32 Hình 3.2. Quang phổ hấp thu thấy được của β-carotene, γ-carotene và lycopene trong dầu ether 37 Hình 3.3. Cấu trúc của dinochrome A 39 1 Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ SẮC TỐ THỰC VẬT 1.1. Khái niệm Sắc tố là những hợp chất hóa học chỉ phản xạ ánh sáng ở bước sóng khả kiến và tạo nên màu sắc. Hoa, san hô và thậm chí cả da động vật chứa các loại sắc tố tạo nên màu sắc của chúng. Và một đặc tính quan trọng hơn là khả năng hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng nhất định. Màu sắc của thực vật xuất hiện nhờ các hợp chất màu gồm biochromes, có khả năng hấp thụ và phản xạ ánh sáng ở những bước sóng khác nhau, và sự phản xạ ánh sáng sẽ thể hiện màu sắc. Màu sắc còn là kết quả của hỗn hợp bước sóng còn lại được phản xạ. Mắt con người có khả năng nhìn thấy ánh sáng trong dãy 400-700nm, tương đương với dãy màu của cầu vồng được Newton tìm ra: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Những bí ẩn của các loại sắc tố thực vật là điều cuốn hút lâu đời nhất đối với các nhà thực vật học.Nghiên cứu đầu tiên được công bố về carotenoid vào thế kỷ 19, và thuật ngữ “diệp lục tố” lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1818. Sự đa dạng của màu sắc và việc dễ dàng nhận dạng sự thay đổi đã giúp hoa trở thành đối tượng nghiên cứu gen phổ biến nhất, mở đầu là thí nghiệm của Mendel trên cây đậu Hà lan, dẫn tới việc xác định yếu tố màu sắc di động được gọi transposon trong cây bắp, đã giúp cho Barbara McClintock nhận được giải Noel về sinh lý học và y học vào năm 1983. Những nghiên cứu về sắc tố đã dẫn đến phát hiện mang tính đột phá trong lĩnh vực sinh học phân tử; Ví dụ như khi nghiên cứu về anthocyanin, đã xác định được nhân tố chuyển vị đầu tiên, và thực hiện sự phân tách cDNA. Các sắc tố chịu trách nhiệm thể hiện màu sắc trong những thực vật bậc cao được phân loại thành các nhóm: chlorophyll, carotenoid (carotene, xanthophyll), flavonoid (chalcone, anthocyanin, flavone, flavonol) và betalain (betaxanthin, betacyanin). Trong tế bào Prokaryote (Cyanobacteria) và Eukaryote (tảo đỏ) , đó là những sắc tố quang hợp có thể tan được trong nước gọi là phycobilin, được tìm thấy trong tế bào chất hoặc stroma của lục lạp. Có hai loại phycobilin – phycocyanin và phycoerythrin. Sắc tố hơi xanh phycocyanin được tìm thấy trong cyanobacteria và đem đến cho chúng cái tên “blue-green algae”, và sắc tố hơi đỏ phycoerythrin chỉ được tìm thấy trong tảo đỏ. Những sắc tố này liên kết cộng hóa trị với protein tạo thành phycobiliprotein và một phức siêu phân tử gọi là phycobilisome. Hai phycobilin chính là phycocyanobilin và phycoerythrobilin hấp thụ ánh sáng tương ứng tại bước sóng 620 nm và 560 nm. Màu sắc thực vật rất đa dạng. Có khoảng 600 carotenoid, 7000 flavonoid và hơn 500 anthocyanin đã được xác định 2 Nhóm sắc tố chính được xác định tại những bộ phận khác nhau của cây. Flavonoids xuất hiện hầu hết ở các mô; carotenoid có mặt trong lá, rễ, hạt, quả và hoa. Một vài sắc tố khác như anthocyanin hoặc diệp lục tố có ở những vị trí tế bào đặc biệt hoặc dưới mức tế bào. Anthocyanin thường được tìm thấy trong tế bào biểu bì hoặc trong cánh hoa, trong khi diệp lục tố và carotenoid có trong lục lạp của tế bào quang hợp dưới biểu bì của lá. Như anthocyanin, betalain tan trong nước và xuất hiện trong không bào. Tất cả các đặc điểm tạo nên vẻ đẹp của cây đã hấp dẫn các loài động vật, côn trùng, chim và dơi đến để tìm thức ăn. Trong quá trình tương tác đó, chúng góp phần phát tán hạt phấn giúp cho quá trình thụ phấn. Vì lý do đó, thực vật nổi bật với môi trường xung quanh để dễ nhận thấy ở khoảng cách xa, giúp cho quá trình thụ phấn trên không. Vì vậy, thực vật phát triển, trải qua quá trình tiến hóa đã tạo nên những nét đặc trưng (màu sắc, mùi hương) để giúp cho quá trình thụ phấn. Thực vật xuất hiện đầu tiên vào kỷ Đại trung sinh, chỉ có màu kem và sau quá trình phát triển màu sắc nét hơn, tăng nồng độ của các sắc tố khác. Sắc tố mang đến màu sắc cho hoa thực vật hạt kín và thường phổ biến ở những cây có mạch. Sắc tố được tạo ra bởi cấu trúc điện tử do sự tương tác giữa ánh sáng với chất màu trong mô thực vật. Sắc tố đầu tiên xuất hiện trong cây là diệp lục tố và carotenoid, tích lũy trong lạp thể, và anthocyanin và betalain, bị hòa tan trong không bào. Flavonoid và carotenoid tạo nên sắc tố ở thực vật. Mỗi nhóm hợp chất màu trong hoa, quả và lá được thể hiện qua các màu sắc khác nhau như xanh, đỏ, tím, vàng và cam. Những sắc tố khác nhau sẽ có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến ở những bước sóng khác nhau. Những loại sắc tố khác nhau được đánh dấu với cường độ hấp thu tối đa, đó là một đặc tính quan trọng đối với những sinh vật sống trong những môi trường ánh sáng khác nhau sẵn có. Flavonoids, cùng với anthocyanins tạo ra một dãy màu sắc cho hoa và trái cây, bao gồm vàng, đỏ tương, đỏ, hồng, tím và xanh dương. Carotenoids cung cấp cho hoa và trái cây những màu sắc riêng từ vàng tới đỏ, và là thành phần cần thiết cho sự quang hợp. Màu sắc của vài loại hoa, quả và lá là do sự kết hợp của các loại sắc tố khác nhau, thường tạo ra một cấu trúc phức tạp gọi là đồng sắc tố giúp cho màu sắc ổn định hơn. 3 Hình 1.1. Quang phổ khả kiến của bức xạ điện từ Bảng 1.1. Các loại sắc tố chính ở thực vật và ở các sinh vật khác Nhóm sắc tố Loại Vị trí Màu sắc Phycobilin Diệp lục tố Carotenoi Flavonoid Betalain Phycocyanin Phycoerythrin Diệp lục tố a, b Carotene Xanthophyll Chalcone Flavonol Anthocyanin Betaxanthin Betacyanin Cyanobacteria, tảo đỏ Tất cả thực vật quang hợp Thực vật, vi khuẩn và một số loài giáp xác Cây hạt trần và cây hạt kín Xương rồng và một số loài nấm Hơi xanh Đỏ Xanh lá cây Vàng, cam đỏ Kem, vàng nhạt, hồng, đỏ, xanh dương và đen Vàng, đỏ 1.2. Các loại sắc tố có trong thực vật 1.2.1. Màu xanh lá – Chlorophylls Sắc tố thực vật phổ biến nhất là chất diệp lục, có trong lá và các bộ phận tiếp xúc với ánh sáng. Diệp lục tố cùng với carotenoid được xác định trong lục lạp và có chức năng hấp thụ năng lượng ánh sáng cần thiết cho hoạt động quang hợp. Có hai loại diệp [...]... Trong thực vật bậc cao, chúng tham gia vào việc thu nhận ánh sáng cho quang hợp và bảo vệ chống lại ánh sáng có cường độ cao, tham gia vào năng lượng và vận chuyển điện tử Trong phản ứng thu nhận ánh sáng, carotenoids hoạt động như sắc tố phụ và chuyển năng lượng kích thích chodiệp lục tố b Carotenoid cũng có mặt trong lục lạp, cho màu vàng-đỏ-cam Các sắc tố này xác định màu sắc của vài loại thực vật (hoa... và sắc tố không phát huỳnh quang Một vài cánh hoa màu vàng, có betaxanthin và phát ra ánh sáng huỳnh quang xanh, một vài phần khác có chứa cả sắc tố betaxanthin vàng và betacyanin tím Các sắc tố màu tím hấp thụ ánh sáng xanh lá phát ra trong quá trình phát huỳnh quang Sự kết hợp của cả hai loại sắc tố tạo ra những hoa văn xanh lá để thu hút sâu bọ và dơi Bảng 1.2 Các anthocyanidin phổ biến và màu sắc. .. khung flavonoid cơ bản, (d) Betalain: betacyanin và betaxanthin Chương 2: NHÓM SẮC TỐ CAROTENOID 2.1 Giới thiệu Carotenoid là một dạng sắc tố hữu cơ có trong thực vật và các loài sinh vật quang hợp khác như tảo, một vài loại nấm và một vài loại vi khuẩn Các sắc tố carotenoid giúp cho nhiều loại trái cây và hoa có màu đỏ đặc trưng, màu cam và màu vàng và một số hương liệu có nguồn gốc từ carotenoid,...lục tố trong thực vật bậc cao: diệp lục tố a và diệp lục tố b Số lượng diệp lục tố tùy thu c vào loại thực vật, điều kiện ánh sáng và sự có mặt của các chất khoáng như Mg Thông thường chlorophyll a có hàm lượng gấp 2-4 lần so với chlorophyll b mặc dù phổ của acetone chiết từ cây bạc hà tươi, cây sả và cây tầm ma cho thấy tỉ lệ diệp lục tố a/b thay đổi từ 3:1 trong cây xả và cây tầm ma đến... hiệu trực quan quan trọng thu hút sâu bọ và động vật thụ phấn Tên của nhiều anthocyanin phản ánh lịch sử của chúng Vào năm 1913, Willstatter và Everest đã xác định được sắc tố anthocyanin xanh đầu tiên trong cây hoa bắp, và từ đó cấu trúc của hơn 600 loại anthocyanin khác nhau cũng được xác định Vào đầu năm 1664, sắc tố tím trong cây hoa bướm thu c anthocyanins được xác định, và được sử dụng như chỉ... hợp chất phức tạp gồm 6 phân tử cyanidin liên kết với Fe3+ và Mg2+ và 6 flavone liên kết với Ca2+ Các siêu phân tử này được gọi là protocyanin 1.2.3.3 Betalains Nhóm betalain có khoảng 50 sắc tố đỏ gọi là betacyanin và 20 sắc tố vàng gọi là betaxanthin Tùy thu c vào cấu trúc cộng hưởng, các sắc tố có thể có màu đỏ như trong betacyanin, hoặc màu vàng nhạt trong vulgaxanthin-1 Betacyanin được tìm thấy nhiều... malvidin và petunidin Màu sắc của anthocyanin chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, một trong số đó là số lượng nhóm hydroxyl và methoxyl Nếu có mặt nhiều nhóm OH sẽ có màu xanh, nhiều nhóm OCH3 sẽ tiến về màu đỏ Nét đặc trưng của nhóm sắc tố này là khả năng thay đổi màu sắc dưới ảnh hưởng của các nhân tố môi trường Ở pH acid, anthocyanin sẽ có màu đỏ và ở pH kiềm có màu xanh Màu của anthocyan còn phụ thu c vào... thực vật bậc cao và động vật Các carotenoid được chia thành hai nhóm: cam-đỏ carotene, đó là các hydrocarbon chưa bão hòa; và vàng-cam xanthophyll, có chứa thêm oxy trong phân tử của chúng Các màu vàng, cam và đỏ của carotenoid là do hệ thống liên hợp của liên kết đôi C-C Có ít nhất bảy liên kết đôi trong hệ liên hợp cần thiết để tác động và màu sắc Mở rộng hệ thống liên hợp cho màu đậm hơn Trong thực. .. betanin và vulgaxanthin được tách từ củ cải đường Các loại nấm chứa acid betalamic thay vì betacyanin, có ngồn gốc từ hợp chất musca-purpurin và musca-flavin Các nhà nghiên cứu Tây Ban Nha đã thực hiện một quan sát thú vị trên Mirabilis (Mirabilis jalapa), có cánh hoa phát huỳnh quang Những cánh hoa nở vào chiều tối để thu hút côn trùng nhờ việc phát huỳnh quang Cánh hoa có chứa hai loại sắc tố: sắc tố. .. hợp carotenoid ở thực vật bậc cao 2.4.2 Isoprenoid-chất nền carotenoid 19 Để hiểu rõ và vận dụng sắc tố thực vật, điều đầu tiên phải hiểu là cơ chế sinh tổng hợp của chúng Con đường carotenoid cạnh tranh với các isoprenoid khác như diệp lục tố, phytochrome, vitamin K, gibberelin, acid abscisic (ABA), monoterpene, plastoquinone, và tocopherol, isopentenyl diphosphate (IPP) (hình 2.3) IPP và đồng phân của . 2011 Đề tài: SẮC TỐ THỰC VẬT VÀ KỸ THU T THU NHẬN i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lê Thị Thủy Tiên đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đồ án VỀ SẮC TỐ THỰC VẬT 1.1. Khái niệm Sắc tố là những hợp chất hóa học chỉ phản xạ ánh sáng ở bước sóng khả kiến và tạo nên màu sắc. Hoa, san hô và thậm chí cả da động vật chứa các loại sắc tố. phấn. Thực vật xuất hiện đầu tiên vào kỷ Đại trung sinh, chỉ có màu kem và sau quá trình phát triển màu sắc nét hơn, tăng nồng độ của các sắc tố khác. Sắc tố mang đến màu sắc cho hoa thực vật