các hợp chất thứ cấp ảnh hưởng đến màu sắc của hoa

PHẦN MỞ ĐẦU Đặt vấn đề: Tất sinh chất tùy theo điều kiện cụ thể chất có hoạt tinh sinh học (theo hướng có lợi lợi) Các sinh chất phân loại thành hai nhóm sơ cấp thứ cấp Nhóm chất sơ cấp chất nhất, cần thiết để trì sống Đó protein, nucleic acid, carbonhydrat, lipid Chúng thường polymer sinh học có phân tử lượng (MW) cao Nhóm chất thứ cấp thường có MW nhỏ Đó nhóm chất phenol, isoprenoid, dẫn xuất chứa nito (trong có alkaloid), peptid, kháng sinh, vitamin… Là chất thể hoạt tính sinh học giúp chuyển hóa vận động hoạt động sống Thực vật nguồn cung cấp hợp chất dùng làm dược liệu phụ gia thực phẩm có giá trị Những sản phẩm biết chất trao đổi thứ cấp, thường hình thành với lượng nhỏ Các hợp chất có hầu hết phận như: lá, củ, quả, hoa Chúng sản phẩm phản ứng hóa học thực vật với môi trường, bảo vệ hóa học chống lại vi sinh vật động vật Những nghiên cứu hợp chất thứu cấp có nguồn gốc từ thực vật phát triển từ cuối năm 50 kỉ 20 (Rao cộng sự, năm 2002) Các chất trao đổi thứ cấp xếp ba nhóm alkaloid, tinh dầu glycoside Vai trò hợp chất thứ cấp thực vật 2.1 Alkaloid: Các alkaloid có dạng tinh thể hợp chất chứa nitrogen, có hoạt tính sinh lí tất loài động vật sử dụng công nghiệp dược Họ alkaloid bao gồm: - Codein - Nicotine - Caffeine - Morphine Một số loài thực vật có chứa nhiều alkaloid như: thuốc phiện, cà độc dược, thuốc lá, khoai tây… Alkaloid tập trung toàn cây, tùy theo phận mà tạo alkaloid khác Vai trò alkaloid: - Tác dụng lên hệ thần kinh (caffeine, atrophin,strychin…) - Tác dụng lên (veratrin, atropine…) - Tác dụng lên mạch máu (hydrastin, ephedrine…) - Tác dụng lên máy hô hấp (morphin…) Alkaloid sử dụng với liều lượng nhỏ để làm thuốc chữa bệnh, với liều lượng thường gây độc 2.2 Tinh dầu: Các tinh dầu chứa hỗn hợp terpenoid, sử dụng chất mùi, chất thơm dung môi Giống lipid khác, terpenoid không tan nước 2.3 Glycoside Các glycoside bao gồm hợp chất phenol flavonoid, saponin cyanogenic glycoside Được sử dụng làm thuốc nhuộm, chất mùi thực phẩm dược phẩm Để tìm hiểu hợp chất thứ cấp ảnh hưởng màu sắc hoa, tìm hiểu hợp chất flavonoid Bởi yếu tố định đến màu sắc hoa 2.4 Flavonoid (Bioflavanoid) 2.4.1 Tổng quát hợp chất flavonoid Flavonoid hợp chất lớn, phân bố rộng rãi sắc tố thực vật Là nhóm chất thứ cấp gồm khoảng 5000 chất có cấu tạo chủ yếu C15 Phần lớn flavonoid có màu vàng, số có màu xanh, tím đỏ, số khác lại không màu Họ nước hòa tan, diện không bào thực vật, cấu trúc màng kín tế bào, có vai trò trữ nước chất dinh dưỡng Bằng cách gắn thêm gốc –OH, –OCH3 thường dạng phức với glucose acid hữu cơ, tạo nhóm chất phổ biến flavonone, anthocyanin, flavon,catechine, rotenone… Các flavonoid quan trọng ảnh hưởng tới màu sắc hoa như: pelargonidin (màu đỏ), cyanidin (màu tím), delphinidin (màu xanh), (màu vàng trắng ngà) flavonol, đặc biệt anthocyanins (được hòa tan nhựa tế bào) Màu sắc sắc tố anthocyanin phụ thuộc vào độ pH nhựa tế bào: Brunfelsia australis(Mount Lily) hoa màu tím, chuyển sang màu trắng già thay đổi pH Có nhiều cách phân loại khác nhau, cách phân loại thường dùng dựa vào vị trí gốc aryl (vòng B) mức độ oxy hoá mạch 3C Phần lớn flavonoid xem dẫn xuất có gốc phenyl Quá trình sinh tổng hợp flavonoid trình biến dưỡng tổng hợp tự nhiên nghiên cứu cách sâu rộng Theo đó, hợp chất flavonoid sinh tổng hợp theo đường sinh tổng hợp phenylpropanoid, đường tổng hợp thứ cấp chủ yếu tất thực vật bật cao Hầu hết enzyme đoạn gene tương ứng cần thiết cho trình nghiên cứu cụ thể; số nhiều protein tinh thể hóa phân tích cấu trúc[1].” Con người bị thu hút màu sắc hoa có lẽ thời gian dài, chí trước bắt đầu văn minh Hầu hết hàng ngàn sắc đỏ sắc tím bắt nguồn từ flavonoid, nhóm sắc tố độc đáo sản phẩm vô phổ biến trình biến dưỡng thứ cấp qua đường phenypropanoid 2.4.2 Vai trò flavonoid hoa - Dùng để thu hút côn trùng loài động vật khác giúp cho trình thụ phấn chéo [2] Cấu trúc kết hợp độc đáo flavonoid loài khác tạo nên quang phổ cực tím nhìn thấy loài côn trùng động vật lớn giúp gia tăng hiệu việc thụ phấn thụ tinh hoa - Giúp chống lại xạ cực tím [3] có vai trò chất bảo vệ chống lại mầm bệnh giống vai trò chúng quan khác thực vật - Flavonoids hoạt động chất chuyển giao hóa học điều chỉnh sinh lý Đóng vai trò quan trọng nảy mầm hạt phấn, nghiên cứu Van der Meer cộng năm 1992 [4] từ chứng minh sắc tố có chức vô quan trọng vai trò yếu hoa sinh sản - Trong thực vật bậc cao, flavonoids tham gia vào lọc tia cực tím (UV) - Flavonoids hoạt động chất ức chế chu kỳ tế bào Cấu trúc flavonoid gồm có khung carbon C6-C3-C6 thường có hai vòng thơm (vòng A B) vòng carbon có nguyên tử oxygen Sắc tố anthocyannins phân nhóm flavonoid diện chủ yếu không bào tế bào thực vật Dựa vào nhóm OH vòng B, có ba nhóm anthocyanin tìm thấy thiên nhiên pelargonidin, cyanidin delphinidin Methyl hóa cyanidin delphinidin tạo thêm ba nhóm anthocyanin bổ sung peonidin, petudin malvidin [5] Chiết suất flavonoid hoa để phục vụ cho y học: - Flavonoid nâng cao tính bền thành mạch máu rutin - Một số có tác dụng số dạng ung thư, ví dụ: Eupatin (3,5’,3’-trihidroxi-6,7,4’-trimetoxi flavon); eupatoretin (3,3’-dihidroxi-5,6,7,4’tetrametoxi flavon) - Các Flavonoid có tác dụng estrogen: năm 1958, Fretoritus nghiên cứu tác dụng estrogen số nhóm chất cho thấy glycozit quecxetin kaempfer-3-ol-3ramnogalacto-7-ramnozit có tác dụng estrogen Ngoài Flavonoid có tác dụng khác như: chống dị ứng, chống co giật, giảm đau, nghẽn mạch, nghẽn phế quản, lợi mật, diệt nấm,… 2.4.3 Flavonoid màu sắc hoa Màu sắc hoa xác định yếu tố tế bào yếu tố điều khiển phân bố theo thời gian không gian sắc tố cấp độ mô – quan thực vật Trong tế bào cánh hoa, màu sắc điều hòa yếu tố sau: - Sinh tổng hợp anthocyanin – yếu tố quan trọng - Sinh tổng hợp sắc tố khác carotenoid betalain - Sự chuyển đổi phân tử anthocyanin trình hydro hóa, methyl hóa kết hợp - Các sắc tố phụ flavone ion kim loại - Sự thay đổi pH không bào - Cấu trúc đặc tính sinh hóa siêu phân tử sắc tố Tất yếu tố có khả thay đổi cường độ quang phổ màu sắc hoa Từ năm đầu kỷ 19 từ nhà di truyền học Gregor Mendel coi màu hoa marker thí nghiệm di truyền cổ điển ông, khám phá flavonoid đóng góp to lớn cho phát triển sinh học đại Ngược lại phát triển sinh học đại giúp nhà khoa học hiểu biết cách sâu rộng khoa học di truyền sinh hóa màu sắc hoa Anthocyanins chất phổ biến flavonoid, quy định màu cam, đỏ xanh Hiện diện hoa, trái cây, rau như: hoa hồng, táo, anh đào 2.5 Betalains Giống flavonoid, betalains nhóm sắc tố cấu trúc phức tạp, đóng vai trò quan trọng việc thu hút loài động vật định loạt màu sắc tương tự Các betalains bao gồm hai nhóm: màu tím đỏ (betacyanin) màu vàng cam (betaxanthin) sắc tố Betalains tìm thấy nhóm hai mầm, có hoa như: - Các loài thuộc Caryophylalles (Centrospermae) – Cẩm chướng: gây màu đỏ thẫm hoa Amaranthus - Chi Bougainvillea (Santa Rita) – chi Hoa giấy - Một số loài xương rồng định - Nấm Amanita muscaria Luôn độc lập với anthocyanins Hình 1: Caryophylalles Hình 3: Loài xương rồng tiêu biểu có betalins hoa Hình 2: Bougainvillea Hình 4: Nấm độc Amanita muscaria Flavonoid - Trong không bào - Màu từ đỏ đến tím Hình 5: Cấu trúc flavonoid Hình 6: Các flavonoid tạo màu hoa 3.1 Flavonol (màu vàng) Tên gọi khác 3-hydroxyflavone Có cấu trúc 3-hydroxy-2phenylchromen-4-one Hình 7: Màu vàng flavone Hình 8: Flavonol Các Flavonol hòa tan nước Cường độ màu chúng phụ thuộc vào vị trí nhóm OH: màu xanh OH vị trí ortho Flavonol glucoside làm cho hoa có màu vàng da cam Khi flavonol bị thủy phân giải phóng aglucone màu vàng Có nhiều flavonol, thường gặp aglucone dẫn xuất sau: - Kaempferol: có hoa tử vân anh hoa hồng Hình 9: Tử vân anh (Astragalus sinicus L) hoa hồng - Quercetin: Có nhiều hoa houlon Ngoài người ta tìm thấy quercetin hoa kim tước Ulex europeau (sống vùng Colombia), hoa Rosa Hình 10: Hoa houlon Foetida (6) Hình 11: Ulex europeau Rosa Foetida - Myricetin : tìm thấy loài Lathyrus pratensis Hình 12: Lathyrus pratensis Quercetin dạng flavonol ảnh hưởng sắc hoa vàng phổ biển Flavonol tương tác với sắt cho ta phức màu xanh cây, sau chuyển sang màu nâu Phản ứng thường xảy gia nhiệt rau thiết bi sắt sắt tráng men bị dập Với acetate, flavonol cho phức màu vàng xám Trong môi trường kiềm, flavonol dễ bị oxy hóa sau ngưng tụ để tạo thành sản phẩm màu đỏ 3.2 Chalcone 3.3 Anthocyan 3.3.1 Cấu tạo: Các anthocyanin bị hết nhóm đường gọi anthocyanidin hay aglycone Tất anthocyanin có chứa vòng pyran oxy hóa trị tự Hình 13: Cấu tạo anthocyanin Anthocyanine nhóm đáng ý flavonoid đảm nhận chức khác Anthocyanine cánh hoa có nhiệm vụ thu hút tác nhân thụ phấn giúp phân tán hạt giống Mặt khác, anthocyanin flavonoid khác có vai trò chống oxy hóa, ngăn cản tác dụng tia UV (Holton Cornish 1995) Anthocyanin mô tồn dạng glucoside với khung carbon C6-C3C6 Có hợp chất phenolic có khả hấp thụ ánh sáng nhìn thấy anthocyanin phân nhóm quan trọng polyphenol mà mắt người nhìn thấy (Brouillard cộng 1997) Anthocyanine nhóm sắc tố tan nước quan trọng mô thực vật, tạo màu đỏ, xanh, tím, đen màu trung gian nhiều loài hoa Hợp chất tạo Số hợp chất màu có Flavonoids Anthocyanins Màu Các tác nhân nhạy cảm >600 Vàng Oxy, acid mạnh, nhiệt anthocyanine cho màu xanh - Khi < anthocyanine có màu đỏ Ví dụ: Hoặc cyanin có hoa hồng, màu sắc thay đổi pH dịch bào thay đổi Màu sắc anthocyanine thay đổi hấp thụ polysaccharide Các màu sắc khác hoa có tổ hợp anthocyanin ester methylic chúng với acid base Tóm lại, môi trường acid, anthocyanin base mạnh tạo muối bền vững với acid Anthocyanin có khả cho muối với base Như chúng có tính chất amphote Muối với acid có màu đỏ, muối với base có màu xanh Betalain Betalain có tạo nên sắc tố vàng, tím, đến đỏ cho hoa Betalain hợp chất tan nước, tạo nên sắc tố vàng tím cho loại thuộc họ Caryophyllales (thay cho anthocyanin) Betalain chuyển hoá từ acid betalamic Cấu trúc phân tử betalain có chứa nguyên tử N Betalain gồm dạng: - Betacyanin : tạo sắc tố từ đỏ đến tím - Betaxanthin: tạo sắc tố vàng Hình 20: Cấu trúc hoá học anthocyanins (delphinidin), betacyanins (betanidin) betaxanthins 4.1 Betacyanin Betacyanin hình thành kết hợp betalamic acid với nguyên tử cyclo-DOPA (cyclo-dihydroxy-phenylalanin) (Wyler and Dreiding, 1961) Tất betacyanin cần hai nguyên tử tyrosine tiền chất Betacyanin đơn giản non-glycosylated betanidin isobetanidin chromophores tạo thành kết hợp cyclo-DOPA với betalamic acid (Wyler et al., 1963) Các phân tử phân biệt nguyên tử C-15 Hình 21: Betanidin Isobetanidin phân biệt C-15 Các betacyanin khác chuyển hoá từ hai isomer nhóm hydroxyl cyclo-DOPA liên kết Oglycoside Nếu liên kết vị trí C5 gọi betanin, betanin tìm thấy Cockscomb Crested tạo nên sắc Hình 22: Cockscomb Crested tố đỏ Vài betacyanin khác có liên kết glycoside vị trí C6 gomphrenin Ví dụ hoa mười Portulaca grandiflora… Hình 23: Hoa mười giờ Portulaca grandiflora Hình 24: Sự tổng hợp betalanin 4.2 Bethaxanthin Bethaxanthin hình thành ngưng tụ amino acid amine với nhóm aldehyde acid betalamic Cấu trúc đóng vai trò tạo nên màu vàng đậm màu vàng cam rau quả, bước sóng hấp thu cực đại từ 470-486 nm Hình 25: Cấu trúc hoá học betalamic acid , betaxanthin (indicaxanthin từ Opuntia ficus-indica) betacyanins (betanin từ Beta vulgaris) Hình 26: Hoa xương rồng Opuntia ficus-indica hoa dền tím Opuntia ficus-indica Tất protein amino acid 220 non-protein amino acid tìm thấy thực vật tìm thấy cấu trúc phân tử betaxanthin Sự phân loại betaxanthin dựa vào amino acid hay amine gắn vào cấu trúc Cấu trúc tìm thấy indicaxanthin từ trái Opuntia ficus-indica (Piattelli et al, 1964) Hình 27: Trái Opuntia ficus-indica Ứng dụng Kết luận: [...]... chú ý là màu sắc của các anthocyanine phụ thuộc rất mạnh vào pH của môi trường Thông thường: - Khi pH > 7 các anthocyanine cho màu xanh - Khi < 7 các anthocyanine có màu đỏ Ví dụ: Hoặc như cyanin có trong hoa hồng, màu sắc sẽ thay đổi khi pH của dịch bào thay đổi Màu sắc của anthocyanine còn có thể thay đổi do hấp thụ ở trên polysaccharide Các màu sắc khác nhau của hoa có được là do tổ hợp các anthocyanin... tạo ra hoa màu hồng trong khi độ pH=5.5 sẽ tạo ra màu xanh Sự tồn tại của Al trong đất ảnh hưởng đến pH Khi có Al, môi trường có tính acid Al tạo phức với anthocyanins có thể thay đổi màu sắc của anthocyanin từ màu hồng sang màu xanh Hình 18: Cẩm tú cầu ở pH=5.5 (có màu xanh) và pH=6.0 (có màu hồng) Đối với hoa rau muống, đặc biệt là rau muống biển, ở độ pH khoảng 6.5 những bông hoa tươi có màu hồng... Như những bông hoa già, pH khoảng 7.5 và hoa xanh hơn Hình 19: Hoa rau muống ở pH=6.5 (có màu hồng) và pH=7.5 (có màu xanh)  Ánh sáng và nhiệt độ: Ánh sáng và nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng đáng kể màu sắc hoa Cường độ ánh sáng cao trong quá trình phát triển hoa cũng có thể dẫn đến màu sắc sống động hơn Ở cường độ ánh sáng cao, quá trình quang hợp diễn ra với tốc độ rất nhanh chóng dẫn đến việc sản... methyl hóa các nhóm -OH ở trong vòng benzene càng cao thì màu càng đỏ Nếu nhóm -OH ở vị trí thứ 3 kết hợp với các gốc đường thì màu sắc cũng sẽ thay đổi theo số lượng các gốc đường được tính vào nhiều hay ít Các anthocyanine cũng có thể tạo phức với các kim loại để cho các màu khác nhau: chẳng hạn muối kali sẽ cho với anthocyanine màu đỏ máu, còn muối calci và magie sẽ cho với anthocyanine phức có màu xanh... nhất của polyphenol mà mắt người có thể nhìn thấy được (Brouillard và cộng sự 1997) Anthocyanine là nhóm sắc tố tan trong nước quan trọng nhất trong mô thực vật, tạo ra màu đỏ, xanh, tím, đen và những màu trung gian của rất nhiều loài hoa Hợp chất tạo Số hợp chất màu hiện có Flavonoids Anthocyanins Màu Các tác nhân nhạy cảm >600 Vàng Oxy, acid mạnh, nhiệt