NGHIÊN CỨU CHẤT MÀU ANTHOCYANIN TỪ HẠT ĐẬU ĐEN VIGNA CYLINDRICA SKEELS

Các kết quả đạt được từ thực nghiệm: • Xác định được điều kiện thích hợp để trích ly và tách hợp chất màu anthocyanin từ hạt đậu đen với dung môi nước cồn tỉ lệ 1:3, tỉ lệ dung môi/ nguy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CHẤT MÀU ANTHOCYANIN TỪ

HẠT ĐẬU ĐEN

VIGNA CYLINDRICA SKEELS

Sinh viên thực hiện : LÝ TIỂU LOAN NGUYỄN THỊ HỒNG TRÂM Ngành : CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

Niên khoá : 2006-2010

Chương 1: Tổng quan

THÁNG 9 - 2010

NGHIÊN CỨU CHẤT MÀU ANTHOCYANIN TỪ HẠT ĐẬU ĐEN

VIGNA CYLINDRICA SKEELS (VIGNA CATIANG ENDL VAR)

Tác giả

LÝ TIỂU LOAN NGUYỄN THỊ HỒNG TRÂM

Khoá luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu

cấp bằng Kỹ sư ngành Công Nghệ Hoá Học

Giáo viên hướng dẫn

TS LÊ THỊ HỒNG NHAN

THÁNG 9 - 2010

Tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại học Nông Lâm TPHCM, cùng toàn thể quý thầy cô trong Bộ môn Công nghệ hóa học đã tận tình chỉ dạy cho tôi trong suốt quá trình học tập, đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức cơ bản về lĩnh vực công nghệ Công nghệ Hóa học

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn, các anh chị cùng thực hiện luận văn tại Phòng thí nghiệm Kĩ thuật Hữu cơ trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, cùng toàn thể các bạn sinh viên lớp DH06HH, trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM đã hỗ trợ tôi hoàn thành tốt luận văn

Do thời gian thực hiện luận văn có hạn và kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong được sự thông cảm, giúp đỡ và góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn

Cuối cùng tôi xin gởi lời chúc sức khỏe đến quý thầy cô và toàn thể các anh chị cùng các bạn Chúc quý thầy cô và các anh chị, các bạn luôn thành công trong công việc

ABSTRACT

The aim of this thesis was to research and survey extraction and separation of anthocyanin pigment from black bean by using water and absolute alcohol as the solvent to determine the appropriate and optimitic conditions, with the obtained anthocyanin pigments can be applied as a natural pigment in the food industry

The parameter of the process (solvent concentration, extraction rate, temperature, time) are changed in turn to determine appropriate conditions for anthocyanin extraction Extraction solution in appropriate conditions was rotavapored to collect anthocyanin pigment for determining the content evaluating extraction productivity and testing appropriate norm to be sure that the obtained sample are safety

The results obtained from experiments:

• Determine the appropriate conditions for extraction and separation of anthocyanin pigment from black beans with the absolute alcohol/water is 3/1 and the solvent/black bean peel ratio is 6/1, at temperatures 60 oC during 45minutes Retrieve productivity of powder is about 1.03% with anthocyanin content is about 16.7mg /g or 1.67%

• In this thesis, anthocyanin pigment and the color of product was studied with three response parameters: pH-differential method, indices for pigment degradation polymeric color and browning and color measurement method

by CIE system The obtained powder sample will be examined for many norms as anthocyanin content, the indicators on solubility, metal, antioxidant activity, to get the powder product which is safety and applied

in food industry

Hopefully, the result of this thesis will open a new direction for using the extracted powder from natural materials in food industry

để thu bột màu anthocyanin, từ đó xác định hàm lượng anthocyanin có trong bột màu, đồng thời đánh giá hiệu suất trích ly và kiểm tra các chỉ tiêu thích hợp để có được mẫu bột màu an toàn

Các kết quả đạt được từ thực nghiệm:

• Xác định được điều kiện thích hợp để trích ly và tách hợp chất màu anthocyanin từ hạt đậu đen với dung môi nước cồn tỉ lệ 1:3, tỉ lệ dung môi/ nguyên liệu vỏ đậu đen là 6/1, tại nhiệt độ 60 oC trong thời gian 45 phút Hiệu suất thu bột khoảng 1.09%, hàm lượng anthocyanin trong bột khoảng 15.44 mg/g hay 1.54%

• Trong đề tài này, hoạt chất anthocyanin và màu sắc sản phẩm được nghiên cứu với ba thông số đáp ứng là phương pháp pH vi sai, phương pháp xác định chỉ số polymer và nâu hoá và phương pháp đo màu theo hệ CIE Các mẫu bột sau khi thu được sẽ được kiểm tra hàm lượng anthocyanin, kiểm tra các chỉ tiêu về độ tan, kim loại, kháng oxy hóa,… để có được mẫu bột màu an toàn có thể ứng dụng được trong công nghiệp thực phẩm

Các kết quả của luận văn này hy vọng có thể mở ra một hướng đi mới cho ngành công nghiệp thực phẩm về các chất bột màu chiết xuất từ các nguyên liệu thiên nhiên

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN ii

ABSTRACT iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH HÌNH viii

DANH SÁCH BẢNG xi

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT xii

DANH SÁCH PHỤ LỤC xiii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích của đề tài 3

1.3 Nội dung của đề tài 3

1.4 Yêu cầu 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 4

2.1 Nguyên liệu 4

2.1.1 Giới thiệu về hạt đậu đen 4

2.1.1.1 Phân loại, mô tả 4

2.1.1.2 Thành phần dinh dưỡng 5

2.1.2 Giới thiệu về Flavonoid và anthocyanin 9

2.1.2.1 Khái quát về Flavonoid 9

2.1.2.2 Giới thiệu về anthocyanin 10

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền màu của anthocyanin 11

2.1.3.1 Ảnh hưởng của pH 12

2.1.3.2 Ảnh hưởng của ánh sáng 14

2.1.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ 14

2.1.3.4 Ảnh hưởng của hiện tượng copigment 15

2.1.3.5 Tác nhân oxy hóa 16

2.1.3.6 Enzyme 17

2.1.3.7 Đường và các sản phẩm biến tính của chúng 17

2.1.3.8 SO 2 18

2.1.3.9 Kim loại 19

2.2 Tác dụng sinh học của đậu đen và hợp chất anthocyanin 19

2.2.1 Vai trò của đậu đen đối với sức khỏe 19

2.2.2 Hoạt tính chống oxy hoá của hợp chất anthocyanin 20

2.2.2.1 Quá trình oxy hoá và nguyên nhân gây bệnh do mất cân bằng oxy hoá 20

2.2.2.2 Khả năng kháng oxy hóa của hợp chất anthocynin và vai trò đối với sức khỏe 21

2.2.3 Khả năng sản xuất và ứng dụng của hợp chất anthocyanin trong sản xuất và đời sống 23

CHƯƠNG 3:PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 26

3.1 Nội dung nghiên cứu 26

3.2 Phương pháp thực nghiệm 28

3.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu 28

3.2.2 Xác định độ ẩm 28

3.2.3 Xác định hàm lượng anthocyanin theo phương pháp pH vi sai 29

3.2.3.1 Nguyên tắc 29

3.2.3.2 Hoá chất 29

3.2.3.3 Xác định hàm lượng anthocyanin 30

3.2.4 Theo dõi chất lượng màu theo phương pháp polyanthocyanin 31

3.2.4.1 Nguyên tắc 31

3.2.4.2 Hoá chất 31

3.2.4.3 Xác định sự biến đổi anthocyanin 31

3.2.5 Phương pháp đo màu theo hệ CIE 32

3.2.5.1 Nguyên tắc 32

3.2.5.2 Không gian màu 32

3.2.5.3 Xác định màu sắc của sản phẩm 35

3.2.6 Quy trình nghiên cứu 36

3.2.6.2 Khảo sát điều kiện trích ly bột anthocyanin 37

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU & BÀN LUẬN 39

4.1 Đánh giá nguyên liệu 39

4.2 Xây dựng quy trình trích ly dịch chất màu 39

4.2.1 Xác định phổ hấp thu cực đại 39

4.2.2 Khảo sát đối tượng chiết 41

4.2.3 Khảo sát điều kiện ngâm trước khi trích ly 47

4.2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ ngâm 47

4.2.3.2 Ảnh hưởng của thời gian ngâm 51

4.2.4 Khảo sát hiệu quả trích ly 52

4.2.4.1 Chiết 1 lần 53

4.2.4.2 Chiết 3 lần 57

4.2.5 Kết luận 60

4.3 Khảo sát quy trình trích ly chất màu 61

4.3.1 Khảo sát nồng độ cồn của dịch chiết 61

4.3.2 Khảo sát tỉ lệ chiết 66

4.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly 70

4.3.4 Kết luận 74

4.4 Đánh giá sản phẩm 76

4.4.1Khả năng kháng oxy hóa của sản phẩm bột màu anthocyanin chiết từ vỏ đậu đen 76

4.4.2 So sánh sản phẩm bột màu anthocyanin chiết từ vỏ đậu đen với các sản phẩm chứa anthocyanin khác 79

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

5.1 Kết luận 82

5.2 Kiến nghị 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC 89

DANH SÁCH HÌNH

Trang

Hình 2.1: Đậu đen (Vigna cylindrica Skeels) 4

Hình 2.2: Giá trị dinh dưỡng trong hạt đậu đen cung cấp tương ứng với nhu cầu dinh dưỡng hàng ngày (%DV) 5

Hình 2.3: Khung cơ bản và cấu trúc hóa học của một flavonoid 9

Hình 2.4: Cấu trúc tổng quát của anthocyanin trong tự nhiên 11

Hình 2.5: Cấu trúc chuyển hóa của anthocynin (cyanindin-3-O-glucoside) ở môi trường pH khác nhau 13

Hình 2.6: Các dạng tồn tại của anthocyanin trong những môi trường pH khác nhau 14 Hình 2.7 : Cơ chế oxy hoá gián tiếp anthocyanin 17

Hình 2.8: Ảnh hưởng của sự gia tăng nồng độ SO2 lên phổ hấp thu của malvidin-3-glucoside 18

Hình 2.9: Phản ứng của anthocyanin như là chất khử cực cathode trong đồ hộp thiếc 19

Hình 3.1: Sơ đồ quy trình nghiên cứu về anthocyanin 27

Hình 3.2: Cấu trúc chuyển hóa giữa dạng flavylium cation (A) và hemiketal (B) R=H hay nhóm glycoside 29

Hình 3.3: Phản ứng giữa anthocyanin và bisulfite 31

Hình 3.4: Không gian màu CIELab và CIELCh 33

Hình 3.5: Không gian màu CIE-LCh 34

Hình 3.6: Giá để cuvet sử dụng khi đo màu trên máy so màu Minolta 35

Hình 3.7: Hệ thống trích ly anthocyanin 36

Hình 3.8: Quy trình khảo sát điều kiện trích ly bột anthocyanin từ vỏ đậu 37

Hình 4.1: Phổ hấp thu của dịch chiết cồn từ vỏ đậu đen 40

Hình 4.2: Hàm lượng anthocyanin trong vỏ đậu và trong bột đậu đen 42

Hình 4.3: Polyanthocyanin của dịch chiết từ hai dạng nguyên liệu 42

Hình 4.4: Màu sắc dịch chiết anthocyanin với 2 dung môi nước và cồn 43

Hình 4.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ ngâm lên hàm lượng anthocyanin thoát ra dịch

ngâm 47

Hình 4.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ ngâm lên chỉ số polyanthocyanin của dịch ngâm 48 Hình 4.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ ngâm lên giá trị màu LCh của dịch ngâm với thời gian ngâm là 4, 8, 12h 49

Hình 4.8: Phần trăm anthocyanin thất thoát trong dịch ngâm 50

Hình 4.9: Hàm lượng anthocyanin trong các mẫu dịch chiết một lần 53

Hình 4.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên chỉ số polyathocyanin của dịch chiết một lần 53

Hình 4.11: Màu LCh của dịch chiết H2O một lần ở nhiệt độ ngâm khác nhau tương ứng với thời gian ngâm 4h, 8h, 12h 54

Hình 4.12: Màu LCh của dịch chiết EtOH một lần ở nhiệt độ ngâm khác nhau tương ứng với thời gian ngâm 4h, 8h, 12h 54

Hình 4.13: Hàm lượng anthocyanin trong ba lần chiết khi Tn = 60 oC và tn = 4h 57

Hình 4.14: Khảo sát hàm lượng anthocyanin trong ba lần chiết liên tiếp khi thay đổi thời gian ngâm lần lượt 4, 8, 12h 58

Hình 4.15: Tỷ lệ anthocyanin trong 3 lần chiết liên tiếp (tn = 4h) 58

Hình 4.16: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ cồn lên hàm lượng anthocyanin và chỉ số polyanthocyanin trong bột màu 62

Hình 4.17: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ cồn lên hiệu suất chiết anthocyanin 63

Hình 4.18: Khảo sát màu sắc bột màu theo sự thay đổi nồng độ cồn 65

Hình 4.19: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi trích ly lên hàm lượng anthocyanin và polyanthocyanin của bột màu 67

Hình 4.20: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ chiết lên hiệu suất trích ly anthocyanin 67

Hình 4.21: Giá trị màu LCh của bột màu anthocyanin theo tỷ lệ trích ly 68

Hình 4.22: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ chiết 71

Hình 4.23 : Ảnh hưởng của nhiệt độ chiết lên hiệu suất trích ly 71

Hình 4.24: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ chiết lên màu sắc của bột anthocyanin 72 Hình 4.25: So sánh khả năng kháng oxy hóa của anthocyanin từ vỏ đậu đen và Vitamin C theo phương pháp test DPPH 76

Hình 4.26: So sánh nồng độ ức chế 50% các gốc tự do (IC50) của anthocyanin chiết từ

vỏ đậu đen và Vitamin C theo phương pháp test DPPH 77

Hình 4.27: Khả năng kháng oxy hóa của anthocyanin chiết từ vỏ đậu đen so với

Trolox theo phương pháp test MDA não 78

DANH SÁCH BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Thành phần dinh dưỡng của đậu đen đã nấu chín 8

Bảng 2.2: Cấu trúc của 6 anthocyanin phổ biến trong tự nhiên 11

Bảng 2.3: Phần trăm màu còn lại R(%) và thời gian bán hủy của anthocyanin trong một số thực phẩm khi ở những nhiệt độ khác nhau 15

Bảng 4.1: Độ ẩm, độ tro của nguyên liệu 39

Bảng 4.2: Giá trị đo màu của dịch chiết EtOH100 từ vỏ đậu đen 40

Bảng 4.3: Hàm lượng anthocyanin 41

Bảng 4.4: Khảo sát hàm lượng anthocyanin theo thời gian ngâm và nhiệt độ ngâm 46

Bảng 4.5: Giá trị đo màu của dịch ngâm và dịch chiết đậu đen theo thời gian và nhiệt độ ngâm khác nhau 47

Bảng 4.6: Hàm lượng anthocyanin trong mỗi lần chiết liên tiếp (tn = 4h) 57

Bảng 4.7: Khảo sát nồng độ cồn của dung môi chiết 61

Bảng 4.8: Hàm lượng anthocyanin trong bột theo tỷ lệ dung môi trích ly 66

Bảng 4.9: Hàm lượng anthocyanin trong bột theo nhiệt độ trích ly 70

Bảng 4.10: Khả năng kháng oxy hóa của anthocyanin chiết từ vỏ đậu đen và Vitamin C theo phương pháp đánh bắt gốc tự do bằng thử nghiệm DPPH 76

Bảng 4.11: Khả năng kháng oxy hóa của anthocyanin chiết từ vỏ đậu đen và Trolox theo phương pháp xác định sản phẩm của quá trình peroxy hóa lipid (định lượng MDA) 77

Bảng 4.12: So sánh nồng độ IC50 của anthocyanin chiết từ vỏ đậu đen và Vitamin C, Trolox, anthocyanin từ đài hoa bụp giấm 79

Bảng 4.13: Kết quả kiểm tra chất lượng sản phẩm bột màu từ vỏ đậu đen 800

Bảng 4.14: So sánh bột màu anthocyanin từ hạt đậu đen và sản phẩm anthocyanin thương mại 811

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT

DPPH: 1,1-diphenyl-2picrylhydrazyl

DV: Daily value

HTCO: Khả năng kháng oxy hóa

MDA: Malonyl dialdehyd

P: Polyanthocyanin

DANH SÁCH PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Giá trị độ ẩm và độ tro của nguyên liệu

Phụ lục 2: Giá trị đo màu của dịch chiết cồn từ vỏ đậu đen

Phụ lục 3: Hàm lượng anthocyanin trong mỗi lần chiết liên tiếp

Phụ lục 4: Giá trị đo màu của mẫu ngâm trong 4h chiết nước 3 lần

Phụ lục 5: Giá trị đo màu của mẫu ngâm trong 4h chiết cồn 3 lần

Phụ lục 6: Giá trị đo màu của mẫu ngâm ở 30 oC, 4h chiết 1 lần

Phụ lục 7: Giá trị đo màu của mẫu ngâm ở 60 oC, 4h chiết 1 lần

Phụ lục 8: Giá trị đo màu của mẫu ngâm ở 30 oC, 8h chiết 1 lần

Phụ lục 9: Giá trị đo màu của mẫu ngâm ở 60 oC, 8h chiết 1 lần

Phụ lục 10: Giá trị đo màu của mẫu ngâm ở 30 oC, 12h chiết 1 lần

Phụ lục 11: Giá trị đo màu của mẫu ngâm ở 60 oC, 12h chiết 1 lần

Phụ lục 12: Giá trị đo màu của các mẫu dịch ngâm trong thời gian 4h, 8h, 12h

Phụ lục 13: Số liệu khảo sát hàm lượng anthocyanin của dịch chiết 1 lần ngâm 4h Phụ lục 14: Số liệu khảo sát hàm lượng anthocyanin của dịch chiết 1 lần ngâm 8h

Phụ lục 15: Số liệu khảo sát hàm lượng anthocyanin của dịch chiết 1 lần ngâm 12h

Phụ lục 16: Số liệu khảo sát dịch ngâm ở các thời gian 4h, 8h, 12h

Phụ lục 17: Số liệu khảo sát ảnh hưởng nồng độ cồn trong dung môi trích đến hàm

lượng anthocyanin và hiệu suất trích ly

Phụ lục 18: Giá trị polyanthocyanin của sản phẩm bột màu khi thay đổi nồng độ cồn

của dung môi trích ly

Phụ lục 19: Giá trị màu LCh của sản phẩm bột màu khi thay đổi nồng độ dung môi

Phụ lục 23: Số liệu khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ chiết lên hàm lượng anthocyanin

và hiệu suất thu khối lượng bột

Phụ lục 24: Giá trị polyanthocyanin của sản phẩm bột màu khi thay đổi nhiệt độ trích

ly

Phụ lục 25: Số liệu khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly lên giá trị LCh của sản

phẩm bột màu

Phụ lục 26: Kết quả khảo sát hoạt tính kháng oxy hóa của bột màu sản phẩm tại Trung

tâm Sâm và Dược liệu Thành phố Hồ Chí Minh

Phụ lục 27: Kết quả kiểm tra hàm lượng muối và các ion kim loại nặng có trong mẫu

bột màu sản phẩm tại Viện Khoa Học và Công nghệ Việt Nam-Viện Công Nghệ Hóa Học

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay khi nền công nghiệp thực phẩm phát triển thì việc sản xuất ra các chất màu thực phẩm với quy mô công nghiệp có màu sắc hấp dẫn người tiêu dùng là một việc đơn giản Trong các món ăn hằng ngày, màu sắc thực phẩm mang lại giá trị cảm quan, hấp dẫn giúp mọi người ăn ngon miệng hơn Nhưng làm sao để có được chất màu thực phẩm vừa đẹp, vừa có nhiều giá trị dinh dưỡng, phòng chống bệnh tật và an toàn cho người sử dụng là một nhu cầu cần thiết hiện nay Vì thế, nhiều nhà sản xuất luôn tìm tòi nghiên cứu các chất màu thực phẩm an toàn để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng

Chất màu trong thực phẩm gồm hai loại: chất màu tổng hợp và chất màu có nguồn gốc từ thiên nhiên Ngày nay, các chất màu chiết xuất từ thiên nhiên được giới chuyên môn đánh giá cao và không còn xa lạ với người tiêu dùng Người ta đang dần dần thay thế chất màu tổng hợp từ hóa học bằng chất màu chiết xuất từ các nguyên liệu thiên nhiên Nhiều nghiên cứu cho thấy chất màu tổng hợp có nhiều tác dụng phụ có hại cho sức khoẻ như gây ngộ độc và các biến chứng gây ung thư Vì thế, việc sử dụng các chất màu tự nhiên ngày càng được ưa chuộng hơn và đang dần thay thế cho các sản phẩm màu tổng hợp Các chất màu chiết xuất từ thiên nhiên có chứa nhiều hoạt chất sinh học có lợi cho sức khỏe con người, giúp phòng chống nhiều bệnh tật và tăng cường sức đề kháng của cơ thể Tuy nhiên, các chất màu chiết xuất từ thiên nhiên hiện nay còn rất ít và đang trong giai đoạn nghiên cứu để tìm ra các phương pháp có thể chiết tách một cách hiệu quả Đặc biệt, có thể đưa về dạng bột để kéo dài thời gian bảo quản, ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và đảm bảo an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng

Anthocyanin là hợp chất màu hữu cơ thiên nhiên, thuộc nhóm flavonoid hiện diện trong một số rau quả, ngoài tác dụng là chất màu thiên nhiên anthocyanin còn được sử dụng khá an toàn trong thực phẩm, tạo ra nhiều màu sắc hấp dẫn cho mỗi sản phẩm Ngoài ra, anthocyanin còn là hợp chất có nhiều hoạt tính sinh học quí như: khả năng kháng oxy hóa cao nên được sử dụng để chống lão hóa, hoặc làm chất chống oxy

hóa trong các sản phẩm thực phẩm, hạn chế sự suy giảm sức đề kháng; có tác dụng làm bền thành mạch, chống viêm, hạn chế sự phát triển của các tế bào ung thư; tác dụng chống các tia phóng xạ

Với những đặc tính quí báu mà các chất màu hóa học hay các chất màu khác hình thành trong quá trình gia công kỹ thuật không có được đã mở ra một hướng nghiên cứu ứng dụng hợp chất màu anthocyanin lấy từ thiên nhiên vào trong đời sống hàng ngày, đặc biệt trong công nghệ chế biến thực phẩm Điều đó hoàn toàn phù hợp với xu hướng hiện nay của các nước trên thế giới, đó là nghiên cứu khai thác chất màu từ thiên nhiên sử dụng trong thực phẩm tạo tính an toàn cao cho người sử dụng

Trong các chất màu thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên thì anthocyanin là họ màu phổ biến nhất tồn tại trong hầu hết các thực vật bậc cao và tìm thấy được trong một số loại rau, hoa, quả, hạt có màu từ đỏ đến tím như: quả nho, quả dâu, bắp cải tím, lá tía

tô, hoa hibicut, đậu đen, quả cà tím, gạo nếp than, gạo đỏ

Đậu đen tên khoa học là Vigna cylindrica Skeels (Dolichos catjang Burm f),

thuộc họ cánh bướm Fabaceae (Papilionaceae) Tên khoa học của đậu đen hiện nay chưa được xác định chính xác, nó còn có tên gọi là Vigna catiang Endl var

Đậu đen được nhân dân miền Bắc trồng nhiều để lấy hạt nấu chè hoặc thổi xôi Hạt cũng thường được dùng trong việc chế thuốc và làm thuốc Ở Campuchia cũng thấy có trồng loại đậu này

Đã có nhiều đề tài nghiên cứu về chất màu anthocyanin từ thực vật, trong đề tài này chúng tôi sử dụng một nguyên liệu mới đó là hạt đậu đen Được sự phân công của

Bộ môn Công nghệ Hoá học trường Đại học Nông Lâm TP HCM, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Thị Hồng Nhan, giảng viên trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, chúng tôi xin thực hiện đề tài “NGHIÊN CỨU CHẤT MÀU ANTHOCYANIN TỪ HẠT ĐẬU ĐEN”

Đề tài sẽ nghiên cứu và khảo sát quy trình trích ly chất màu anthocyanin từ hạt đậu đen bằng hai dung môi rẻ tiền là nước và cồn tuyệt đối Những kết quả của đề tài

hi vọng sẽ mang lại triển vọng trong việc ứng dụng các chất màu tự nhiên vào trong công nghiệp thực phẩm và nâng cao giá trị sử dụng của các nguồn nguyên liệu tại Việt

1.2 Mục đích của đề tài

Xây dựng quy trình trích ly anthocyanin từ hạt đậu đen trong hai hệ dung môi là nước và cồn tuyệt đối, ứng dụng để sản xuất phẩm màu thực phẩm và hạn chế tác động đến môi trường

1.3 Nội dung của đề tài

Tập trung nghiên cứu vào các nội dung sau:

− Khảo sát dạng nguyên liệu từ hạt đậu đen để trích ly anthocyanin

− Khảo sát điều kiện ngâm hạt đậu đen trước khi trích ly

− Khảo sát quá trình trích ly bột anthocyanin từ hạt đậu đen bằng hai dung môi nước và cồn tuyệt đối

− Khảo sát độ bền màu của bột anthocyanin trong các điều kiện bảo quản khác nhau

− Xác định độ tan của bột màu anthocyanin trong các dung môi khác nhau từ không phân cực đến phân cực

Những kết quả thí nghiệm thu được hi vọng có thể ứng dụng được trong công nghiệp thực phẩm và mở ra một hướng nghiên cứu mới về bột màu anthocyanin từ hạt đậu đen

1.4 Yêu cầu

− Tìm được các điều kiện thích hợp cho quá trình trích ly anthocyanin

− Chiết tách được chất màu anthocyanin từ hạt đậu đen để cung cấp chất màu thực phẩm tự nhiên cho thị trường

− Kiểm tra các chỉ tiêu và các yếu tố trong bột màu để xác định được mẫu bột màu an toàn trong thực phẩm

− Xác định độ tan của bột màu anthocyanin trong các dung môi khác nhau để

có những ứng dụng cụ thể

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Nguyên liệu

2.1.1 Giới thiệu hạt đậu đen

2.1.1.1 Phân loại, mô tả

Hình 2.1: Đậu đen (Vigna cylindrica Skeels)

Đậu đen có tên khoa học là Vigna cylindrica Skeels (Dolichos catjang Burm f)

hay Vigna catiang Endl var, thuộc họ cánh bướm Fabaceae (Papilionaceae) [1]

Đậu đen là loài cây thân cỏ mọc thường niên, sống thành bụi nhỏ, toàn thân không có lông Lá có dạng kép gồm 3 lá chét mọc so le, có lá kèm nhỏ Lá chét mọc ở giữa to và dài hơn lá chét hai bên Hoa màu tím nhạt, dạng cánh bướm Quả giáp dài tròn, trong chứa từ 7-10 hạt Khi còn tươi quả có màu xanh Khi già và khô thì teo lại

và có màu nâu Đậu đen được chia làm 2 loại: đậu đen xanh lòng và đậu đen trắng lòng [1] Đậu đen cũng như những loài cây họ đậu khác có khả năng tăng độ màu mỡ cho đất trồng do trong rễ có những nốt sần, làm nơi cư trú cho những vi sinh vật cố định đạm Hạt đậu đen có rất nhiều công dụng, ngoài làm thực phẩm còn được sử dụng trong đông y để chữa bệnh, có tác dụng bổ thận thủy [2]

Cây đậu đen sinh trưởng tốt ở những vùng khí hậu nóng ấm Ở nước ta, đậu đen được trồng nhiều ở miền Bắc để lấy hạt, thường thu hoạch vào tháng 5 và tháng 6

2.1.1.1 Thành phần dinh dưỡng

Trong số các loại đậu làm thực phẩm thông dụng cho con người, đậu đen được các nhà dinh dưỡng đặc biệt quan tâm do trong đậu đen có thành phần dinh dưỡng rất phong phú

Hình 2.2: Giá trị dinh dưỡng trong hạt đậu đen cung cấp tương ứng với nhu cầu dinh

dưỡng hàng ngày (%DV) [3]

ƒ Protein

Đậu đen là nguồn thực phẩm rất giàu protein Protein có trong đậu đen rất thích hợp cho những người ăn chay và rẻ hơn so với nguồn protein từ động vật Nhiều nghiên cứu về thành phần của đậu đen cho thấy đậu đen có đủ các loại protein thiết yếu, kể cả Arginin và 3 loại axit amin khác mà khoa học gọi là BCCAs, Leucin, Valin

và Isoleucin Trong 100g đậu đen cung cấp:

còn được gọi là những stress aminocids, loại protein thường dùng để phục hồi hoặc sửa chữa những tổn thương từ những stress thể lực của những vận động viên và một số trường hợp bị thương nặng hay sau phẫu thuật, đặc biệt là cải thiện khả năng nhận thức ghi nhớ những tổn thương ở não do bệnh tật hay do thương tích [2]

Sử dụng kết hợp đậu đen và những ngũ cốc hoàn toàn có thể thay thế nguồn protein có trong các sản phẩm sữa, thịt tránh được sự cung cấp một lượng lớn năng lượng cũng như những chất béo bão hòa có trong những thực phẩm này

Mg

Được xem là một kênh chuyển hóa Ca trong tự nhiên Khi Mg hiện diện với lượng đủ, các động mạch và tĩnh mạch phát tín hiệu làm thư giãn, giảm lưu lượng máu, oxy cũng như chất dinh dưỡng qua cơ thể [3]

Fe

Là thành phần thiết yếu của hemoglobin, giúp vận chuyển oxy từ phổi đến các tế bào trong cơ thể Ngoài ra, Fe cũng là chìa khóa của hệ thống enzyme để chuyển hóa

và sinh năng lượng

Ngoài ra, trong đậu đen cũng chứa P, Mn

ƒ Polyphenols

Nhiều nghiên cứu từ Journal of Agriculture and Food Chemistry cho biết, đậu

anthocyanins Hoạt tính chống oxy hóa của anthocyanin trong đậu đen gấp 10 lần lượng tương ứng tìm thấy trong quả cam và tương đương với nho hay trong cây nam việt quất [2, 6] Nghiên cứu còn cho thấy, màu của vỏ đậu càng sậm thì hoạt tính của anthocyanin càng cao Đậu đen có hoạt tính chống oxy hóa cao nhất theo sau là các loại đậu như đậu đỏ, đậu vàng và đậu trắng [3]

Thành phần polyphenol trong đậu đen có tác dụng tốt trong điều trị bệnh cao huyết áp Tuy nhiên, một số polyphenol trong đậu đen như tannin sẽ tạo phức với protein và Fe ngăn cản sự hấp thu chất dinh dưỡng

ƒ Chất xơ

Đậu đen có hàm lượng lớn chất xơ bao gồm chất xơ tan cũng như chất xơ không tan, thích hợp cho người bị bệnh tiểu đường, cao huyết áp hay mỡ máu Một chén đậu đen đủ cung cấp hơn phân nửa nhu cầu chất xơ của một người trong một ngày Chất

xơ tan có khả năng làm chậm và giảm sự hấp thu mỡ qua màng ruột đồng thời kết dính một phần muối mật để đào thải ra ngoài do đó, góp phần làm hạ cholesterol trong máu Trong khi đó, chất xơ không tan có vai trò quan trọng trong việc làm tăng lượng phân, tăng nhu động ruột, chống táo bón, kết dính nhiều loại độc tố để thải ra ngoài giúp giảm nguy cơ một số rối loạn ở ruột già kể cả một số loại ung thư Tác dụng tổng hợp của chất xơ và chất chống oxy hóa trong đậu đen có tác dụng làm giảm các loại mỡ xấu LDL và triglycerit [2]

ƒ Vitamin

Đậu đen là một trong những nguồn thực phẩm chứa nhiều loại vitamin như: vitamin C, vitamin PP, vitamin A, vitamin B2, vitamin B6 (Folate), vitamin B12 Trong đó, vitamin C chiếm hàm lượng cao nhất

Bảng 2.1 : Thành phần dinh dưỡng của đậu đen đã nấu chín [3]

Black beans, cooked

Nutrient Density

World's Healthiest Foods Rating

Molybdenum 129.00 mcg 172.0 13.6 Excellent

Excellent DV>=75% OR Density>=7.6 AND DV>=10%Very good DV>=50% OR Density>=3.4 AND DV>=5%Good DV>=25% OR Density>=1.5 AND DV>=2.5%

Tập hợp nhóm vitamin B và những khoáng chất Ca, Mg trong đậu đen thô còn được xem như là những vi chất chống strees giúp làm nhẹ những cơn bốc hỏa ở những phụ nữ tiền mãn kinh [2]

Thành phần Folate có trong đậu đen rất cần thiết cho những phụ nữ có thai Thiếu Folate có thể dẫn đến sự phát triển bất bình thường của thai nhi

2.1.2 Giới thiệu về flavonoid và anthocyanin

2.1.2.1 Khái quát về flavonoid

Đóng góp quan trọng tạo nên sự phong phú về màu sắc của giới thực vật chính là những hợp chất thuộc họ flavonoid Flavonoid tạo cho thực vật có màu sắc đỏ, xanh đến tím Đa số màu sắc của các loại hoa, lá và quả là do flavonoid tạo ra Flavonoid là những hợp chất polyphenolic có 15C, 2 vòng benzen được nối với nhau qua cầu nối mạch thẳng có 3C Cấu trúc hóa học của flavonoid dựa trên bộ khung 15C, có vòng Chromane gắn với nhân thơm B tại vị trí 2, 3 hay 4 [4]

Hình 0.3: Khung cơ bản và cấu trúc hóa học của một flavonoid

Flavonoid được chia thành 6 phân nhóm dựa vào nhóm thế trên vòng C Trong

đó, trạng thái oxy hóa của vòng heterocyclic và vị trí của vòng B là những căn cứ quan trọng cho sự phân loại 6 phân nhóm đó là:

Trong các phân nhóm trên, anthocyanins là một trong những nhóm quan trọng tạo nên màu sắc của nhiều loài hoa (bụt giấm ), quả (nho, dâu tằm ) và một số loài hạt (đậu đen, đậu đỏ )

2.1.2.2 Giới thiệu về anthocyanin

Anthocyanin là chất màu khá phổ biến, tan trong nước, có trong thực vật sống trên cạn (ngoại trừ sương rồng và cây củ cải đường) Anthocyanin có trong trái cây, các loại hạt hay trong lá cây góp phần tích cực tạo nên sự chuyển biến màu sắc từ lúc còn xanh cho đến khi đã chín hay già Anthocyanin góp phần tạo nên màu sắc cho nhiều loài hoa và nhiều bộ phận khác nhau của thực vật từ màu đỏ đến đỏ thẫm, xanh đến tím, bao gồm cả màu vàng [5, s6]

Đối với thực vật, anthocyanin có hai vai trò quan trọng Anthocyanin có khả năng hấp thu mạnh ánh sáng UV, gây sự chú ý cho côn trùng Màu sắc mà anthocyanin tạo

ra trong cánh hoa giúp thu hút các tác nhân thụ phấn và giúp phân tán hạt giống [5, 6] Ngoài ra, anthocyanin như lớp màng bảo vệ thực vật khi phơi ngoài ánh sáng, bảo vệ DNA của thực vật khỏi nguy cơ của ánh sáng Vì tia UV có khả năng làm hai sợi gen trong DNA đang xoắn kép bị gãy các liên kết, ngăn cản quá trình phân chia và nhiều quá trình thiết yếu của tế bào ví dụ như tổng hợp protein [5]

Từ “anthocyanin” được Marquart đưa ra năm 1895 để chỉ sắc tố màu xanh của

cây Centaurea cyanus Từ anthocyanin do chữ anthos: hoa, kyanos: xanh, về sau được

dùng để chỉ các sắc tố thuộc nhóm flavanoid có màu xanh, đỏ hoặc tím Trong cây khoảng 97% các sắc tố này ở dạng glycosid (anthocyanin = anthocyanosid) có trong

mô tế bào Khi đun nóng anthocyanin trong dung dịch HCl 20%, phần đường trong phân tử (thường nối vào OH ở C-3) bị cắt và cho phần aglycol được gọi là anthocyanidin Sự khác nhau giữa các anthocyanin là số lượng và vị trí các nhóm hydroxyl, mức độ methyl hóa các nhóm này, bản chất và số nhóm đường gắn vào phân

tử, vị trí gắn của chúng, bản chất và số nhóm acid mạch thẳng hay vòng gắn vào phân

tử [7]

Nhìn chung cấu tạo của anthocyanin gồm 2 phần Phần đường thường là các loại

như: glucose, galactose, arabinose, rhamnose, xylose và fructose Phần không đường:

anthocyanidin Hai phần liên kết với nhau qua liên kết glycoside

Cyanidin là dạng phổ biến nhất của anthocyanidin, tiếp theo là delphinidin,

peonidin, pelargonidin, petunidin và malvidin Trong đó, delphinidin có khả năng tạo

màu xanh nhạt còn cyanidin và pelargonidin lại có khả năng tạo màu đỏ và tím Hiện

nay trên thế giới đã phân lập được khoảng 540 loại anthocyanin, 90% trong số đó cấu

tạo từ 6 anthocyanidin phổ biến sau: pelargonidin (Pg) (18%), cyanidin (Cy) (30%),

delphinidin (Dp) (22%), 20% còn lại là petunidin (Pt), malvidin (Mv) và peonidin

(Pn)

Hình 0.4: Cấu trúc tổng quát của anthocyanin trong tự nhiên

Bảng 0.1: Cấu trúc của 6 anthocyanin phổ biến trong tự nhiên [8]

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của chất màu anthocyanin

Anthocyanin là chất màu tự nhiên có nhiều công dụng tốt đối với sức khỏe như kháng viêm, chống oxy hóa, giảm nguy cơ bệnh tim mạch, chống ung thư Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của anthocyanin có thể kể đến như tia UV, chỉ số pH, nhiệt độ,

độ ẩm, đường, sự hiện diện của oxy, enzyme cũng như sự có mặt của ascorbic acid, sulfur dioxide, muối sulfite, ion kim loại, phản ứng ngưng tụ chất màu (copigment) và cấu trúc của chính anthocyanin [9, 11]

2.1.3.1 Ảnh hưởng của pH

pH là một trong những nhân tố ảnh hưởng đáng kể lên độ bền màu cũng như màu sắc của anthocyanin Cùng một hợp chất anthocyanin ban đầu nhưng nếu tồn tại trong những môi trường pH khác nhau thì phân tử anthocyanin sẽ tồn tại ở những dạng khác nhau và sẽ cho những màu sắc khác nhau: cation flavylium (màu đỏ), carbinol base, chalcone, quinonoidal base (màu xanh) và anion quinonoidal base [12]

Trong môi trường pH thấp 5–1, anthocyanin bền hơn so với trong môi trường có

pH cao Trong môi trường có pH thấp, phần lớn anthocyanin tồn tại ở dạng cation flavylium, sự hiện diện ở nồng độ cao của flavylium làm cho phân tử anthocyanin bền hơn

Với các kết quả nghiên cứu trên những anthocyanin đơn giản năm 1988, Brouillard đã đưa ra cơ chế chuyển hóa cấu trúc của anthocyanin ở môi trường pH khác nhau như sau: tại pH nhỏ hơn 3 anthocyanin tồn tại ở dạng cation flavylium màu

đỏ, khi pH tăng xảy ra sự cạnh tranh giữa hai phản ứng hydrat hóa cation flavylium và phản ứng chuyển vị proton liên quan đến các nhóm hydroxyl của phần aglycon Khi cation flavilium bị hydrate hóa cho ra dạng carbinol không màu, dạng này cân bằng với dạng chalcon vòng mở màu vàng hoặc không màu Phản ứng chuyển vị proton tạo

ra dạng quinonoidal base Khi pH tăng trên 7, phản ứng khử proton xảy ra mạnh chuyển các quinonoidal base thành dạng anion quinonoidal có màu tím đến xanh [7,

Hình 2.5: Cấu trúc chuyển hóa của anthocyanin (cyanidin-3-O-glucoside) ở môi

trường pH khác nhau [12]

Hình 0.6: Các dạng tồn tại của anthocyanin trong những môi trường pH khác nhau

2.1.3.2 Ảnh hưởng của ánh sáng:

Một trong các tác nhân môi trường ảnh hưởng lên độ bền của chất màu anthocyanin là ánh sáng Tia UV trong ánh sáng có khả năng ion hóa anthocyanin, tăng tốc độ phân hủy nhiệt làm mất hoạt tính của anthocyanin Do đó, cần bảo quản anthocyanin trong điều kiện thoáng mát, tránh ánh sáng mặt trời bằng cách đựng trong chai lọ sậm màu [16]

2.1.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Nhiệt độ là một trong những tác nhân chính ảnh hưởng đến hoạt tính, độ bền của anthocyanin Khi bị nhiệt phân, các anthocyanin đều chuyển về dạng có cấu trúc chalcon, sau đó tiếp tục phân hủy thành carboxylic acid tương ứng với vòng B và carboxyl-aldehyde tương ứng với vòng A trong cấu trúc của anthocyanin Thí dụ, khi

phân huỷ, malvin 3,5-diglucoside tạo thành syringic acid,

2,4,6-trihydroxylbenzaldehyde và phloroglucinol [16]

Yếu tố nhiệt độ tác động lên anthocyanin trong quá trình chiết xuất, chế biến

cũng như bảo quản Khi nhiệt độ cao có thể làm tăng quá trình phân hủy anthocyanin

Do đó, cần bảo quản những sản phẩm chứa anthocyanin ở nhiệt độ thích hợp để không

làm mất đi nguồn anthocyanin có trong thực phẩm

Bảng 0.2: Phần trăm màu còn lại R(%) và thời gian bán hủy của anthocyanin

trong một số thực phẩm khi ở những nhiệt độ khác nhau [17]

2.1.3.4 Ảnh hưởng của hiện tượng copigment:

Trong môi trường nước, anthocyanin có thể tạo phức yếu với nhiều loại hợp chất

như proteins, tannins, các flavonoid khác, acid hữu cơ, acid nucleic, alkaloid,

polysaccaride và các ion kim loại theo cơ chế tạo phức liên phân tử (intermolecular

copigmentation) Hiện tượng trên gọi là copigment Đây là cơ chế chính tạo sự bền

màu cho anthocyanin trong thực vật [16, 18]

Quá trình copigment không những ảnh hưởng đến cường độ màu mà còn ảnh

hưởng đến độ bền màu của anthocyanin Quá trình này làm cho màu của anthocyanin

ổn định hơn, xanh hơn và sáng hơn Mức độ ảnh hưởng này phụ thuộc nhiều vào sự

tương tác của các phân tử hữu cơ (flavonoid, polyphenol, acid hữu cơ) với phân tử anthocyanin Hiện tượng này xảy ra ngay trong điều kiện pH của mô sống [17]

Mục đích cơ bản của phản ứng copigment chính là bảo vệ màu của cation flavylium khỏi những tác động ái nhân của các phân tử nước [20] Các tác nhân copigment giàu điện tử sẽ kết hợp với ion flavylium nghèo điện tử, ngăn cản sự kết hợp giữ nước và ion flavylium giúp ion flavylium không bị chuyển về dạng pseudobase không màu Bản thân các tác nhân thường không màu nhưng khi được thêm vào dung dịch chứa anthocyanin, chúng sẽ tạo ra hiện tượng sâu màu, làm tăng

độ hấp thu và độ bền của các anthocyanin [9, 18, 19]

Một số khảo sát cho thấy các tác nhân copigment cùng với nhiệt độ, ánh sáng, pH cùng ảnh hưởng đến độ bền màu của anthocyanin Thí dụ, acid gallic làm bền màu của anthocyanin ở hai nhiệt độ khảo sát là 5 oC và 20 oC; quercetin chỉ làm tăng khả năng bền màu ở 5 oC còn ở 20 oC nó làm giảm khả năng bền màu; catechin làm giảm độ bền màu ở cả hai nhiệt độ trên Một nghiên cứu mới đây kết luận rằng, quá trình copigment hoá không có ảnh hưởng đến độ bền của anthocyanin ở nhiệt độ cao [6, 7]

Đã có những khảo sát về ảnh hưởng của hiện tượng copigment hóa tiến hành trong môi trường yoghurt và nước giải khát khi bổ sung anthocyanin và tác nhân copigment (acid tannic) Kết quả cho thấy, yoghurt có sử dụng anthocyanin chiết từ Isabel grapes (V labrusca L.) như chất tạo màu, trường hợp bổ sung acid tannic (acid tannic:anthocyanin 1:1) làm tăng thời gian bán hủy của anthocyanin t1/2 lên khoảng 2560h so với mẫu đối chứng không bổ sung acid tannic Trong khi đó, đối với nước giải khát, bổ sung acid tannic:anthocyanin 1:1 bảo quản ở 4 oC ±1 làm kéo dài thời gian bán hủy của anthocyanin thành 924h [17]

2.1.3.5 Tác nhân oxy hóa

Các tác nhân oxy hóa có thể kể đến như O2, hydroperoxide (H2O2) hay acid ascorbic

Dưới tác dụng của oxy sẽ oxy hóa trực tiếp hay gián tiếp làm biến tính anthocyanin

Acid ascorbic trong điều kiện hiếu khí, bị oxy hoá thành hydroperoxide (H2O2) là tác nhân oxy hoá anthocyanin Lượng anthocyanin bị mất lớn nhất khi có mặt đồng thời oxy và acid ascorbic (vitamin C) [16]

Hình 0.7 : Cơ chế oxy hoá gián tiếp anthocyanin [16]

2.1.3.6 Enzyme:

Một số enzyme có khả năng thủy phân anthocyanin, chúng được gọi chung là anthocyanase Do anthocyanin là những hợp chất trong cấu trúc hóa học có phân tử phenolic và phân tử đường nên các enzyme có sẵn trong tế bào thực vật như glucosidase và polyphenoloxidase (PPO) có khả năng thủy phân anthocyanin Glucosidase thuỷ phân liên kết glucoside tạo thành các aglycone PPO tác động trên anthocyanin khi có mặt của các ο-diphenol theo cơ chế oxy hoá gián tiếp [16]

Các anthocyanase được ứng dụng trong thực phẩm để loại bớt lượng anthocyanin thừa trong sản phẩm như mứt thạch khi chúng tạo màu không đồng đều và kém hấp dẫn

2.1.3.7 Đường và các sản phẩm biến tính của đường

Hầu hết đường làm giảm tính ổn định của anthocyanin Tuy nhiên, khi xét ảnh hưởng của đường lên sự ổn định của anthocyanin cũng cần quan tâm đến cấu trúc của chính anthocyanin đó và cả nồng độ cũng như loại đường thêm vào

Theo kết quả nghiên cứu của Wroslstad, Skrede, Lea và Enersen (1990), khi nồng

độ của succrose tăng 20%, tính bền của anthocyanin từ dâu cũng tăng lên Mặt khác,

khi nồng độ của succrose thấp (86 g/l) trong dung dịch có pH = 3 vẫn làm tăng sự thoái biến của anthocyanin so với khi không thêm đường vào Ở nồng độ trên 100ppm, đường và các sản phẩm biến tính của chúng làm tăng sự phân huỷ của anthocyanin [21]

Qua nghiên cứu cho thấy fructose, arabinose, galactose và sorbose có ảnh hưởng đến sự phân huỷ của anthocyanin hơn là sucrose, glucose và maltose

Trong quá trình chế biến và tồn trữ thực phẩm cùng với sự biến tính của các anthocyanin, các sản phẩm biến tính như furfural, 5-hydroxymethylfurfural được tạo thành từ các phân tử đường và acid trong quá trình gia nhiệt Chúng phản ứng với anthocyanin tạo thành sản phẩm có màu nâu sẫm [16]

2.1.3.8 SO 2

Trong một số thực phẩm ta dễ dàng tìm thấy sự có mặt của SO2 như một chất bảo quản Tuy nhiên, sự có mặt của SO2 cũng làm mất màu anthocyanin Đây là quá trình thuận nghịch, cho nên khi gia nhiệt hay cho vào acid mạnh thì hoàn toàn có thể hồi phục lại màu sắc cho anthocyanin

Không nên sử dụng SO2 dạng monomer làm chất bảo quản trong các sản phẩm có chứa anthocyanin mà nên sử dụng dạng benzoate và sorbate [22]

Hình 2.8: Ảnh hưởng của sự gia tăng nồng độ SO2 lên phổ hấp thu của

malvidin-3-glucoside [7]

2.1.3.9 Kim loại

Những anthocyanin trong phân tử có nhóm hydroxyl ở trí ortho sẽ dễ dàng tác dụng với các ion kim loại đa hóa trị tạo hiệu ứng sâu màu Trong quá trình bảo quản các thực phẩm hay nước uống trong hộp kim loại, anthocyanin dễ bị mất màu do tương tác với ion trong vỏ kim loại Với đồ hộp làm bằng thiếc, anthocyanin đóng vai trò là chất khử cực cathode hay anode Chất khử cực cathode bị khử bởi hydro mới sinh ra từ tương tác giữa kim loại và acid Còn nếu là chất khử cực anode anthocyanin đó thường

có hai nhóm hydroxyl ở vị trí ortho

Hình 2.9: Phản ứng của anthocyanin như là chất khử cực cathode trong đồ hộp thiếc

2.2 Tác dụng sinh học của đậu đen và hợp chất anthocyanin

2.2.1 Vai trò của đậu đen đối với sức khỏe

Đậu đen là loại thực phẩm khá phổ biến của nhân dân ta Người ta thường sử dụng hạt đậu đen để nấu xôi, chè và làm thuốc chữa bệnh trong đông y

Chè đậu đen vừa được sử dụng như thức ăn và thức uống thanh nhiệt đặc biệt trong mùa hè Trong đông y, đậu đen là một vị thuốc để chế thành đạm đậu xị, nước luộc đỗ đen dùng bào chế nhiều vị thuốc Đậu đen có hoạt tính chống oxy hóa ở mức

độ vừa phải nên có tác dụng chống lão hóa, tăng sức đề kháng và miễn dịch của cơ thể Trong đậu đen chứa nhiều anbumin và acid béo không bão hòa nên có tác dụng hạ mỡ máu Đậu đen cũng được xác nhận là có tác dụng lợi tiểu và tiêu độc cơ thể Theo y học cổ truyền, hạt đậu đen có vị ngọt nhạt, tính bình, mát, có tác dụng bổ can, thận, bổ huyết, trừ phong, thanh thấp nhiệt, hạ khí, lợi tiểu, giải độc, tiêu khát

Nhiều công trình nghiên cứu về thành phần dinh dưỡng của đậu đen và đã công

bố nhiều kết quả khả quan lên sức khỏe mà đậu đen mang lại Trong đậu đen có chứa

nhiều chất xơ tan và không tan rất tốt cho những người bị tim mạch và tiểu đường Chất xơ giúp cơ thể đào thải bớt chất béo và cholesterol ra khỏi cơ thể giảm nguy cơ mắc các bệnh tim mạch Ngoài ra, trong đậu đen chứa nhiều vitamin và khoáng chất như: vitamin A, vitamin C, vitamin B1, vitamin B12 và các khoáng chất như Fe, Mn,

Mo, P rất cần thiết cho sự phát triển của cơ thể Đậu đen được xem là thức ăn giàu dinh dưỡng với các thành phần dinh dưỡng được đánh giá rất tốt do chất lượng và hàm lượng khá cao Đặc biệt, trong đậu đen rất giàu Mo, folate, chất xơ, tryptophan thành phần các chất dinh dưỡng này cung cấp có thể vượt quá nhu cầu hàng ngày của một người bình thường

2.2.2 Hoạt tính chống oxy hóa của hợp chất anthocyanin

2.2.2.1 Quá trình oxy hoá và nguyên nhân gây bệnh do mất cân bằng oxy hoá

Theo các nghiên cứu đã được công bố, khi có sự tăng quá nhiều gốc tự do sẽ gây

ra tình trạng viêm nhiễm ở các cơ quan, các bệnh lý như tim mạch, bệnh thần kinh, đục thuỷ tinh thể, tăng nguy cơ các bệnh ung thư và nhất là sớm xuất hiện hiện tượng lão hoá Cơ quan dễ bị lão hoá nhất chính là lớp da bảo vệ cơ thể, là nơi dễ bị tác động của tia cực tím trong ánh nắng, hứng chịu tác hại của ô nhiễm môi trường cộng thêm lối sống của con người thường xuyên bị stress, sai lầm trong dinh dưỡng, thói quen lạm dụng độc chất (như hút thuốc, uống rượu, kể cả dược phẩm) thì lớp da mịn màng của người phụ nữ nhất là da mặt sẽ chóng nhăn, cằn cỗi, không còn sức sống tươi mát

do có sự bội tăng gốc tự do gây lão hoá [23].

Các quá trình oxy hóa, diễn ra dưới tác dụng của các gốc tự do, trong tế bào là cần thiết để tạo ra năng lượng hoặc trong các quá trình tổng hợp nucleic acid, protein, hormon

Gốc tự do hay chất oxy hóa là những phân tử hay hợp tử chất có chứa điện tử độc thân Chính do chứa điện tử độc thân mà gốc tự do có hoạt tính rất mạnh, sẵn sàng cướp điện tử (quá trình oxy hóa) của chất mà nó tiếp xúc do đó, hủy hoại nặng nề chất

bị nó oxy hóa Gốc tự do được tạo ra trong cơ thể trong quá trình trao đổi chất hay được đưa vào từ bên ngoài do vi sinh vật hay virus [23]

Các gốc tự do được tạo thành gồm các gốc có hoạt tính cao như hydroxyl HO•, ion sắt (Fe2+O), Cu(OH)2, những gốc tự do hoạt tính trung bình và yếu như superoxide anion O2•, peroxyl (ROO•), hydrogen peroxide H2O2, singlet oxy (O1), nitric oxide (NO•), peroxynitrite (ONOO-), alkoxyl (RO•)… Gốc tự do trong tế bào sinh ra trong quá trình sinh dưỡng được kiểm soát chặt chẽ thông qua quá trình kháng oxy hóa nội tại bằng các hợp chất như glutathione, vitamin E, vitamin C và enzyme superoxide dismutase Ngoài ra, cơ thể còn có các tế bào như neutrophil, monocyte, B-cell… có khả năng chống lại các yếu tố oxy hóa ngoại lai xâm nhập [7]

Tuy nhiên, trong tế bào có thể xuất hiện hiện tượng các gốc tự do được tạo ra quá nhiều do mất cân bằng trong hoạt động hoặc do các yếu tố bên ngoài như các chất độc,

do nhiễm vi sinh vật, do ozone, bức xạ UV, nhiễm phóng xạ, do thuốc lá Các gốc tự

do dư thừa, khi cơ thể thiếu các yếu tố bảo vệ để ngăn chặn, có khả năng tương tác, phá hủy màng lipid không bão hoà của tế bào, làm giảm khả năng bảo vệ tế bào, dẫn đến sự xâm nhập của các tác nhân gây bệnh từ bên ngoài; oxy hóa các nucleic base làm thay đổi cấu trúc ADN, dẫn đến các quá trình đột biến, phát sinh các khối u, ung thư; làm hỏng cấu trúc các protein mang nhóm SH (các protein này đóng vai trò rất quan trọng như là chất mang hoặc chất hoạt hóa enzyme trong quá trình hô hấp), gây

ra các bệnh nghiêm trọng về đường hô hấp…

Các gốc tự do dư thừa là nguồn gốc phát sinh các bệnh nguy hiểm nên các nghiên cứu đều hướng tới việc khảo sát khả năng kháng oxy hóa, quét gốc tự do trong quá trình tìm kiếm các hợp chất trong thiên nhiên có khả năng ngăn chặn hoặc chữa bệnh

2.2.2.2 Khả năng kháng oxy hóa của hợp chất anthocyanin và vai trò đối với sức

khỏe

Năm 2003 đã có hơn 400 anthocyanin được công bố và đến năm 2006 tổng số anthocyanin được khám phá đã lên tới hơn 550 loại khác nhau Nhiều nghiên cứu cho thấy anthocyanin có lợi cho sức khỏe của con người do có khả năng chống lại nhiều bệnh tật [6] Anthocyanin là đại diện cho những chất chống oxy hóa quan trọng Vài năm gần đây, nhiều tờ báo đã xuất bản nhiều thông tin quan trọng liên quan đến hoạt

tính chống oxy hóa ở mức độ invitro của anthocyanin và nhiều chức năng khác cũng như mối tương quan giữa khả năng chống oxy hóa và cấu trúc hóa học của nó Nhiều nghiên cứu cho thấy, anthocyanin có vai trò tích cực trong phòng chống và giảm thiểu nguy cơ mắc bệnh tim và ung thư nhờ vào hoạt động chống oxy hóa, kháng viêm và có hoạt tính chống lại nhiều bệnh tật khác [10]

Các đặc tính dược lý quan trọng của anthocyanin phụ thuộc vào cấu trúc hoá học của chúng, như mức độ glycosyl hoá và số nhóm hydroxy trong phân tử Hoạt tính chống oxy hoá của hợp chất anthocyanin gấp 10 lần hoạt tính của vitamin C, cao hơn nhiều lần so với vitamin E và so với BHA hay β-carotene cũng vẫn cao hơn [2] Đặc biệt, anthocyanin còn có khả năng tăng cường hoạt tính của vitamin C và một số loại flavonoid khác Khả năng chống oxy hoá của các hợp chất anthocyanin được giải thích bằng nhiều cơ chế như loại bỏ các gốc tự do, ngăn cản hoạt động của các enzyme sinh

ra gốc tự do hoặc tạo phức với các ion kim loại là xúc tác cho nhiều phản ứng oxy hoá [2] Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy, loại rượu đỏ rất tốt cho sức khỏe là do trong quá trình chế biến còn giữ lại nhiều anthocyanin trong vỏ nho

Với khả năng chống oxy hóa mạnh, anthocyanin giúp cơ thể chống lại các bệnh tật sau:

ƒ Ngăn cản sự phát triển của tế bào tiền ung thư

ƒ Tăng tốc độ chuyển hóa các tế bào làm cho tế bào ung thư bị tiêu diệt nhanh

ƒ Giảm tiết các chất gây sưng viêm là nguyên nhân gây phát triển khối u

ƒ Ức chế sự hình thành các mạch máu nuôi dưỡng khối u

ƒ Làm giảm tác động của DNA kích thích sự phát triển ung thư

2.2.3 Khả năng sản xuất và ứng dụng của hợp chất anthocyanin trong sản xuất

Anthocyanin là hợp chất thứ cấp được sử dụng như phụ gia thực phẩm với ký hiệu là E163 Anthocyanin đã được chấp nhận làm chất màu sử dụng trong thực phẩm

ở Hoa Kỳ trong danh mục chất màu nước ép trái cây (21 CFR 73.250) hoặc chất màu nước ép rau quả (21 CFR 73.260) [6, 7]

Chất màu anthocyanin từ đậu đen có khả năng tạo ra màu tím cho sản phẩm mà vẫn an toàn và tăng giá trị dinh dưỡng cho sản phẩm Nhưng cho đến nay vẫn chưa có một nghiên cứu nào về khả năng trích ly anthocyanin từ đậu đen và ứng dụng nó vào trong hóa mỹ phẩm

Trong dược phẩm cũng như thực phẩm chức năng, nhiều chiết xuất anthocyanin

từ các loại rau củ quả đã được đưa vào nhằm chữa bệnh và cải thiện sức khỏe cho con người trong việc điều trị và ngăn ngừa nhiều bệnh tật khác nhau Đặc biệt hiệu quả trong phòng ngừa và điều trị các bệnh tật như: chống lão hóa, giảm stress, giảm nguy

cơ tim mạch và xơ vữa động mạch vành, giảm nguy cơ ung thư

Trong hóa phân tích thực phẩm và hóa học, các hợp chất anthocyanin được sử dụng như chất chỉ thị màu Trong môi trường có pH acid, base hay trung tính thì anthocyanin sẽ đổi màu nhất định, tương ứng là đỏ, xanh, tím Vì vậy, anthocyanin được sử dụng rộng rãi như chỉ thị pH trong các môi trường đặc biệt là môi trường thực phẩm

Trong mỹ phẩm, dựa vào khả năng chống oxy hóa tốt và phòng chống lão hóa, anthocyanin được đưa vào nhiều sản phẩm mỹ phẩm có tác dụng ngăn ngừa lão hóa, giảm nếp nhăn Ngoài ra, thành phần anthocyanin cho vào mỹ phẩm cũng có tác dụng tạo ra màu sắc cho chính sản phẩm đó

Hiện nay, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu nhằm sản xuất ra chất màu anthocyanin có chất lượng tốt cũng như tìm ra các phương pháp nhằm làm tăng độ bền của chúng Trong số các phương pháp sản xuất bột màu từ dịch trích ly anthocyanin, hai phương pháp sấy phun và sấy đông khô tạo ra được bột màu có độ bền cao hơn các phương pháp phác nhờ vào môi trường có độ ẩm thấp trong quá trình

Phương pháp sấy đông khô là phương pháp phù hợp nhất đối với các chất màu không bền dưới tác dụng của nhiệt độ, trong đó có chất màu anthocyanin Tuy nhiên, với chi phí cao hơn nhiều lần so với phương pháp sấy phun nên trong thực tế, phương pháp sấy phun thường được chọn để thực hiện quy trình sản xuất chất màu tự nhiên [24]

Sấy phun là phương pháp phun dịch trích thành các giọt nhỏ dưới tác dụng của tác nhân sấy là dòng không khí nóng Sản phẩm sau quá trình sấy phun có thể ở các dạng như bột, hạt vô định hình, khối kết tụ tuỳ theo điều kiện vật lý và hoá học của quá trình Các nhà nghiên cứu đã đưa ra các thông số tối ưu cho quá trình sấy phun dịch trích ly từ đài hoa bụp giấm Để đạt được sản phẩm có chất lượng tốt nhất, các thông