Anthocyanin là một hợp chất có khảnăng hấp thụ các tia sáng trong vùng nhìn thấy. Màu của anthocyanin tạo ra từ màu tím đến xanh của nhiều loại rau quả. Độ hấp thụ anthocyanin phụ thuộc vào dung môi, pH và nồng độ. Thông thường, pH ở vùng acid mạnh sẽ có độ hấp thụ lớn hơn. Nồng độ anthocyanin càng lớn, độ hấp thụ càng mạnh. Độ hấp thụ thể hiện bản chất của mỗi loại anthocyanin do khả năng hấp thụ khác nhau của chúng. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, các anthocyanin có độ hấp thụ cực đại tại bước sóng 510 ÷ 540 nm. Độ hấp thụ liên quan mật thiết đến màu sắc của anthocyanin.
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…
b) 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,...
c) Tính không bền [11]
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 phẩm phân hủy của chúng và sulfur dioxit.
Ảnh hưởng của cấu trúc
Bản chất và vị trí liên kết của các glycosyl và các nhóm acyl gắn vào aglucon thường ảnh hưởng đáng kể đến độ bền màu và khả năng hoạt động của anthocyanin. 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. Màu sắc của các thực phẩm chứa chất màu anthocyanin có bộ khung pelargonidin, cyanidin hay delphinidin thường kém bền
15
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.
Ảnh hưởng của pH
Khi pH thay đổi làm cho cấu trúc của anthocyanin thay đổi, từ đó dẫn đến sự thay đổi màu sắc. Do trên gốc aglucon có mang điện tích dương nên các anthocyanin có khả năng nhận H+ hoặc OH- nên làm thay đổi màu sắc của anthocyanin, khi tăng nhóm OH- màu của anthocyanin chuyển theo hướng sắc màu xanh.
Hình 1.6. Sựthay đổi cấu trúc phân tử và màu sắc của anthocyanin theo pH
16
pH < 2: các anthocyanin thường ở dạng muối oxonium (cation flavylium) màu cam đến đỏ.
pH = 4 ÷ 5: chúng có thể chuyển về dạng bazơ cacbinol hay bazơ chalcon không màu.
pH = 6 ÷ 7: ở dạng anion quinoinoid có màu tím. pH = 7 ÷ 8: ở dạng bazơ quinoidal có màu xanh dương.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Khi tăng nhiệt độ thì tốc độ phân hủy anthocyanin tăng. Đối với anthocyanin 3-glucoside khi nhiệt độ tăng sẽ cắt đứt liên kết anthocyanin -3-glucoside tạo thành các gốc aglucon, gốc aglucol là một gốc kém bền với nhiệt nên màu của anthocyanin giảm dần.
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 nhiều. 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. Tuy nhiên, các anthocyanin được acyl hóa thì bền nhiệt hơn các anthocyanin không bị acyl hóa.
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.
Nói chung, những yếu tố làm tăng độ bền của anthocyanin theo pH cũng làm tăng độ bền nhiệt của nó. Ví dụ: Ở 100oC pelargonidin 3-glucosid bền hơn petunidin 3-glucosid, còn petunidin 3-glucosid lại bền hơn malvidin 3-glucosid. Các arabinose của cyanidin và peonidin bền hơn galactose tương ứng khi xử lý nhiệt.
Ngược lại, nhiệt độ thấp làm bền hóa và có thể làm tăng hàm lượng anthocyanin. Do đó, anthocyanin thường chỉ dùng để tạo màu cho các thực phẩm bảo quản lạnh như kem, sữa chua, thức uống từ sữa,…
17
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. 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.
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 [14]. Ngoài ra, pH càng cao thì sự phân hủy anthocyanin bởi oxy không khí càng mạnh. 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.
Ảnh hưởng của acid ascorbic
Acid ascorbic thường được bổ sung vào nước ép trái cây để bảo vệ 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. Nguyên nhân là do khi đó xảy ra các phản ứng polymer hóa, ngưng tụ anthocyanin dẫn đến sự nhạt màu sắc tố hay sự phân hủy anthocyanin gây ra bởi H2O2 tạo thành trong quá trình oxy hóa acid. Tuy nhiên, độ bền của các anthocyanin acyl hóa tăng lên khi có mặt acid ascorbic.
Ảnh hưởng của đường
Đường có thể có trong hoa quả, dịch chiết anthocyanin tựnhiên 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. 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. 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.
18
Sự bất hoạt enzym làm tăng độ bền của anthocyanin. Các enzym phân hủy anthocyanin thường gặp nhất là glycosidase (làm phá vỡ liên kết cộng hóa trị giữa đường và khung aglucon 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.
Ảnh hưởng của sự tổ hợp màu
Màu sắc của các anthocyanin có thểđược 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 malvidin 3-glucosid chuyển sang đỏ hơi xanh khi thêm tannin hay acid gallic.
Sự tổ hợp màu gây ra sự chuyển dịch cực đại hấp thụ của anthocyanin về phía vùng sóng dài (tương ứng chuyển từmàu đỏsang xanh) và làm màu đậm hơn. Nguyên nhân của sự tổ hợp màu có thể là do sự tạo thành các phức nội phân tử, phức liên phân tử xảy ra trong dung dịch anthocyanin.
Hình 1.7. Sự tổ hợp màu liên phân tử giữa delphinidin 3-glucosid và rutin tạo thành ra 2 dạng phức: phức kẹp (A) và phức song song (B)
19
Hình 1.8. Sự tổ hợp màu nội phân tử của các antyhocyanin acyl hóa
Hiện tượng tổ hợp màu có thể được ứng dụng để cải thiện màu sắc của các sản phẩm giàu anthocyanin bằng cách thêm vào các dịch chiết thực vật giàu một chất copigment thích hợp.
Ảnh hưởng của nồng độ anthocyanin
Độ bền màu và cường độ màu của anthocyanin tăng lên khi tăng nồng độ của nó. Điều này cũng có nghĩa là khi tăng hàm lượng tổng của anthocyanin thì sẽ quan trọng hơn là khi tăng hàm lượng các anthocyanin riêng lẻ .