1.2.1. Cấu tạo và tính chất của các loại đường từ cỏ ngọt
Steviol glycoside (STG) là chất chuyển hóa thứ cấp chịu trách nhiệm tạo ra vị ngọt, được hình thành qua con đường sinh tổng hợp trong lá của cây cỏ ngọt.
STG có bản chất là các vòng tetracyclic diterpene (diterpene glycoside), thu được từ tiền chất kaurenoid giống như axit gibberallic [16]. Hình 1.2, hình 1.3 và bảng 1.2 trình bày cấu trúc hóa học và công trúc phân tử của các loại đường STG [29, 32].
C
Cââyy ccỏỏ nnggọọtt HHưưnngg NNgguuyyêênn,, NNgghhệệ AAnn CCâyây ccỏỏ nnggọọt t ttạạii TTừừ LLiiêêmm,, HHàà NNộộii
CâCâyy ccỏỏ nnggọọtt ttạại iĐĐaak kNôNônngg,, ĐĐắắcc LLắắcc CCâây ycỏcỏ nnggọọttttạạii LLââm mĐĐồnồngg
Bảng 1.2. Cấu tạo các đường STG trong lá cỏ ngọt[32]
TT Tên các loại đường
Công thức hóa
học
Cấu tạo
R1 R2
1 Steviol C20H30O3 H H
2 Steviolbioside C26H48O12 H β-Glc- -Glc(2 1) β →
3 Stevioside C38H60O18 β-Glc β-Glc- β-Glc(2 1) →
4 Rebaudioside A C44H70O23 β-Glc β-G - -Glc(2 1) lc β → β-Glc (3 1) →
5 Rebaudioside B C38H60O18 H β-Glc- -Glc(2 1) β → β-Glc (3 1) →
6 Rebaudioside C (Dulcoside B) C44H70O22 β-Glc
β-Glc- -Rha (2 1) α → β-Glc (3 1) →
7 Rebaudioside D C50H80O28 β-Glc- -Glc(2 1) β →
β-Glc- -Glc(2 1) β → β-Glc (3 1) →
8 Rebaudioside E C44H70O23 β-Glc- -Glc(2 1) β → β-Glc- -Glc(2 1) β →
9 Rebaudioside F C43H68O22 β-Glc β-Glc- -Xyl (2 1) β → β-Glc (3 1) →
10 Rubusoside C32H50O13 β-Glc β-Glc
11 Dulcoside A C38H60O17 β-Glc β-Glc- -Rha (2 1) α → Ghi chú: Glc, Xyl và Rha tương ứng là các phân tử đường glucose, xylose và rhamnose
Hình 1.3. Cấu trúc hóa học
chung của STG Hình 1.4. Cấu trúc hóa học của Rebaudioside A
Hai hợp chất Stevioside và Rebaudioside A, chỉ được cấu tạo từ các gốc glucose, trong khi stevioside có hai phân tử glucose liên kết ở vị trí hydro trên đầu thì Rebaudioside A có ba phân tử glucose, trong đó gốc glucose ở giữa kết nối với cấu trúc steviol trung tâm. Độ ngọt của Rebaudioside A tăng cùng với sự gia tăng số lượng gốc glucose liên kết với aglycone (steviol) [43 ].
Hàm lượng STG trong lá cỏ ngọt chiếm từ 10 20% trọng lượng khô [5- 2]. Hai hợp chất được tìm thấy nhiều nhất trong lá cỏ ngọt là stevioside (4-13%) và Rebaudioside A (2-4%), các hợp chất có hàm lượng nhỏ hơn là Rebaudioside C (1- 2%) và dulcoside (0,4-0,7) [46]. Các hợp chất Steviobioside, Rebaudioside B, D, E và F, dulcoside A và B được tìm thấy với lượng rất nhỏ. Hàm lượng của các Stevioside và Rebaudioside A thường dao động rất lớn, phụ thuộc rất nhiều vào kiểu gen cũng như điều kiện canh tác [79 ].
Bảng 1. Đặc điểm và hàm lượng các 3. STG trong lá cỏ ngọtS. rebaudiana khô [14]
Các hợp ch t ấ
STG Trọng lượng phân tử
Độ ng t ọ
tương đối Điểm nóng
chảy Độ hòa tan
trong nước Hàm lượng (%)
Stevioside 804 250-300 196-198 0,13 2,6
Steviolbioside 642 100-120 188-192 0,03 0,01
Rebaudioside A 966 250-450 242-244 0,8 6,9
Rebaudioside B 804 300-350 193-195 0,1 0,01
Rebaudioside C 958 50-120 215-217 0,21 1,1
Rebaudioside D 1128 200-300 283-286 1,0 0,05
Rebaudioside E 966 250-300 205-207 1,7 0,03
Rebaudioside F 642 - - - 0,3
Rubusoside 642 150-200 - - 0,1
Dulcoside A 788 50-120 193-195 0,58 0,2
Theo Jackson, 2006 thì Rebaudioside A là một loại glycoside trong cỏ ngọt có vị ngọt nhất (từ 200 450 lần so với đường saccharoza) và là một chất ngọt - không năng lượng có khả năng thương mại cao [36]. Từ năm 1982, Giovanetto đã thu nhận được từ cỏ ngọt 2 loại chất ngọt glycoside chính là Stevioside và Rebaudioside A và tìm thấy rằng hương vị khác biệt đáng kể giữa hai thành phần này. Hậu vị xuất hiện trong các mẫu Stevioside ngay cả ở các nồng độ lớn hơn 99 % độ tinh khiết. Ngược lại, Rebaudioside A không có hậu vị và có hương vị ngọt tương đương với đường kính. Nhìn chung, trong số các STG, người ta đã công nhận rằng Rebaudioside A là thích hợp nhất để sử dụng như các loại đường không năng lượng cho công nghiệp thực phẩm nhờ vào độ ngọt dễ chịu của nó, được phê chuẩn sử dụng, đánh giá cao của khách hàng và có hậu vị đắng ít nhất. Ngoài Rebaudioside A thì các loại glycoside khác cỏ ngọt đều ít nhiều có hậu vị không mong muốn (thường là hậu vị đắng). Sterebin (một nhóm các hợp chất diterpen được biết tới thường xuyên là “dầu vàng” trong dịch trích ly cỏ ngọt) có vị rất đắng, ngay cả ở nồng độ rất nhỏ [34].
1.2.2.Vai trò của các loại đường cỏ ngọt
Chất chiết xuất từ Stevia rebaudiana Bertoni đã được sử dụng làm chất làm ngọt từ thời cổ đại. Tiêu thụ thường xuyên các hợp chất STG làm giảm hàm lượng đường, chất phóng xạ và cholesterol trong máu [12], cải thiện sự tái tạo tế bào và đông máu, ngăn chặn sự tăng trưởng của tế bào ung thư và tăng cường mạch máu [50]. Cỏ ngọt không gây sâu răng, bảo vệ răng miệng và giúp làm lành các vết thương ngoài da [15]. Các loại đường chức năng này có tác dụng như là loại đường không năng lượng, phù hợp cho những người ăn kiêng.
1.2.2.1. Tác dụng đối với bệnh tiểu đường
Tác dụng đối với dung nạp và chuyển hóa glucose
Khi sử dụng, đường cỏ ngọt không làm tăng hàm lượng đường trong máu giống như các loại đường khác. Ngay từ năm 1986, Curi đã nghiên cứu tác dụng của lá cỏ ngọt trên sự dung nạp glucose ở 16 người tình nguyện, với liều sử dụng là cứ 6 giờ bổ sung 5g lá trong 3 ngày. Kết quả cho thấy nếu dùng lá cỏ ngọt, đường huyết
tăng ít hơn và nhanh trở về bình thường hơn so với người không dùng cỏ ngọt. Kết quả nghiên cứu của trường đại học Maringa, Brazil cho thấy dịch chiết lá cỏ ngọt có khuynh hướng chuyển glucose vào trong tế bào, làm giảm lượng đường trong máu.
Do vậy, cỏ ngọt là thực phẩm tuyệt vời cho bệnh nhân tiểu đường [20].
Năm 2004, Rascovic đã nghiên cứu tác dụng của một chế phẩm giàu Stevioside từ lá cỏ ngọt trên đường huyết ở chuột nhắt trắng bị tiểu đường do alloxan và nhận thấy chế phẩm này có tác dụng ức chế sự tăng đường huyết do alloxan 4]. [6 Cũng trong năm này, Gregersen đã thử nghiệm lâm sàng tác dụng của Stevioside trên bệnh nhân bị tiểu đường typ 2 (mỗi nhóm 12 người cho cả đối chứng và thử nghiệm). Nhóm đối chứng sử dụng 1 g Stevioside, nhóm thử nghiệm sử dụng 1 g bột ngô. Sau đó đo hàm lượng đường trong máu sau khi ăn ở các thời điểm 30 phút, 60 phút... cho đến 240 phút. Kết quả cho thấy ở nhóm thử nghiệm, đường cong đáp ứng glucoza thấp hơn 18% so với đối chứng và chỉ số insulin tăng xấp xỉ % so với nhóm đối chứng40 [33].
Trong một nghiên cứu của Maki và cộng sự (2008) đã tiến hành thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc tiêu thụ 1000 mg Rebaudioside A ở nam giới và phụ nữ có tuổi đời từ 33 75 năm tuổi bị bệnh đái tháo đường ty- pe 2 (n = 60) ong vòng tr 16 tuần so với giả dược (n = 62). Những kết quả nghiên cứu đều cho thấy rằng sử dụng lâu dài 1000 mg Rebaudioside A không làm thay đổi cân bằng glucose cũng như áp suất máu ở những người bị tiểu đường type 2 [50].
Gần đây, nhóm tác giả Rizzo (2013) đã nghiên cứu ảnh hưởng của bốn chất chiết xuất Stevia thương mại đối với hoạt động vận chuyển glucose trên các tế bào bạch cầu HL 60 và tế bào thần kinh SH- -SY5Y ở người. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy các chiết xuất này có thể làm tăng sự hấp thu glucose trong cả hai dòng tế bào. Các hợp chất STG có thể hoạt động bằng cách điều tiết sự chuyển vị các tác nhân vận chuyển glucose thuận lợi (GLUT - Facilitative glucose transporters) qua con đường PI3K/Akt như khi điều trị bằng insulin Chiết xuất. STG cũng tăng phosphoryl hóa PI3K và Akt. Hơn nữa, nó có thể phục hồi những ảnh hưởng của việc giảm hấp thu glucose gây ra bởi methylglyoxal –một chất ức chế thụ thể insulin/PI3K/Akt.
Những kết quả này chứng minh giả thuyết cho rằng, chiết xuất STG có tác động giống như insulin trong điều chỉnh đường đi của PI3K/Akt [65].
Tác dụng điều tiết insulin
Ở các bệnh nhân đái tháo đường, insulin không được tổng hợp đầy đủ, dẫn đến sự tăng đường huyết cùng với những thay đổi về hàm lượng glucose và chuyển hoá lipid trong máu [66]. Một số nghiên cứu đã chỉ ra, đường cỏ ngọt có tác dụng trợ giúp tuyến tạng tiết insulin. Trong nghiên trên vitro,Chen và cộng sự (2006) đã chứng minh rằng stevioside làm tăng bài tiết insulin nội bào trên chuột và do đó có thể có vai trò như một chất chống tăng đường huyết trong điều trị đái tháo đường type 2 [23].
Saravanan và cộng sự (2012) đã đánh giá hiệu quả hạ đường huyết của Rebaudioside A đối với các hoạt động của các enzyme trong gan tham gia vào quá trình chuyển hóa carbohydrate chuột nhắt bị tiểu đường. ở Theo dõi những con chuột nhắt bị tiểu đường được uống Rebaudioside A với liều lượng 50, 100 và 200 mg/kg thể trọng trong 45 ngày. Kết quả cho thấy, có sự giảm đường huyết đáng kể (p <0,05) và sự điều chỉnh các enzyme chuyển hóa carbohydrate ở gan một cách có ý nghĩa. Cơ chế hoạt động của Rebaudioside A có thể có tương quan với tác dụng hạ đường huyết của sulphonylurea thông qua việc kích thích tiết insulin bằng cách đóng kênh K+, ATP, sự khử cực màng và sự kích thích dòng Ca2+. Đây đều là các bước cơ bản ban đầu trong quá trình bài tiết insulin từ các tế bào còn sót lại cũng β như từ tế bào β tái sinh của tuyến tụy [67]. Các nghiên cứu cho thấy, nồng độ insulin huyết thanh được giữ ở mức bình thường để duy trì hàm lượng glucose homeostasis bằng cách tăng cường glycolysis và glycogen tổng hợp trong cơ xương [51], đồng thời với việc làm giảm glycogenolysis trong gan và cơ xương [70]. Sự thay đổi mô bệnh học của tuyến tụy đã khẳng định tác dụng bảo vệ của Rebaudioside A ở chuột nhắt. Những kết quả về Rebaudioside A có hoạt tính hạ đường huyết đã cung cấp thêm bằng chứng trong kiểm soát bệnh tiểu đường của Rebaudioside A.
Tại Việt Nam, năm 1994, các tác giả Trần Thúy, Bùi Bích Nguyệt, Trần Đức Long đã đưa ra thông báo về tác dụng lâm sàng của trà cỏ ngọt trên 10 bệnh nhân tiểu đường trên tạp chí Y học Cổ truyền Việt Nam. Theo đó, bệnh nhân được điều trị bằng trà bào chế từ cỏ ngọt và các vị thuốc nam phối hợp. Kết quả nghiên cứu cho thấy trà thuốc này có tác dụng làm giảm đường huyết, không gây tác dụng phụ, bệnh nhân có thể dùng lâu dài. Tiếp đó, vào năm 1996, nhóm tác giả này lại khẳng định một lần nữa về kết luận cỏ ngọt dạng trà thuốc có tác dụng ổn định đường huyết trên bệnh nhân tiểu đường type 2 [9].
1.2.2.2. Tác dụng đối với bệnh béo phì, ăn kiêng
Savita (2004) đã phân tích lá cỏ ngọt trên cơ sở trọng lượng khô và đã tính toán năng lượng của 1 g lá cỏ ngọt là 2,7 kcal [68]. Điều này có nghĩa rằng các đường cỏ ngọt là chất ngọt có năng lượng thấp, dựa trên vị ngọt mạnh của nó so với các chất ngọt thương mại khác như đường Acesulfame K, Aspartame, Saccharin và Sucraloza. Năng lượng được sinh ra từ chế độ ăn uống các hợp chất đường được coi là cao khi nó được chuyển hóa hoàn toàn vào cơ thể, có thể gây ra tình trạng thừa cân. Trong bối cảnh này, việc sử dụng đường cỏ ngọt như là một chất làm ngọt có năng lượng thấp có thể hạn chế hoặc kiểm soát lượng calo trong chế độ ăn uống một cách hiệu quả. Điều này có thể góp phần đáp ứng nhu cầu cho các thành phần thực phẩm ít calo với các đặc tính dinh dưỡng, điều trị và chức năng. Qua đó, có thể giúp đỡ những người cần hạn chế lượng carbonhydrate hoặc giảm chỉ số đường huyết trong chế độ ăn uống, thưởng thức vị ngọt với lượng calo tối thiểu. Giáo sư Margaret Ashwell người Anh (2015) cũng đã chỉ ra tiềm năng của các đường Stevia như một công cụ giúp giảm lượng năng lượng ăn vào qua đó giảm và phòng ngừa bệnh béo phì.
1.2.2.3. Tác dụng đối với bệnh cao huyết áp, tim mạch
Những tác dụng làm giảm huyết áp mới được ghi nhận đối với stevioside.
Nghiên cứu của Hsu và cộng sự (2002) đã cho thấy tác dụng hạ huyết áp đáng kể của stevioside ở các dòng chuột khác nhau với liều 50 mg/kg. Dữ liệu cũng cho thấy stevioside ở nồng độ 100, 200 và 400 mg/kg làm giảm huyết áp trong liều phụ thuộc
trêu những con chuột bị cao huyết áp. Tuy nhiên, huyết áp đã trở lại mức trước đó sau khi thuốc đã ngưng dùng trong 2 3 ngày. Uống 0,1% dung dịch stevioside có - thể có tác dụng chống cao huyết áp cho những con chuột trưởng thành và cũng ngăn ngừa bệnh cao huyết áp ở những con chuột chưa trưởng thành [35]. Tiếp đó, năm 2003, nhóm nghiên cứu của Liu cũng chỉ ra stevioside hiệu quả hạ huyết áp đáng kể ở những con chó bị cao huyết áp, phụ thuộc liều lượng. ghiên cứu này cũng khẳng N
định rằng stevioside là một sản phẩm tự nhiên có hiệu quả chống cao huyết áp hiệu quả, và cơ chế hạ huyết áp có thể là do sự ức chế dòng Ca (2+) [46].
Gần đây nhất, Onakpoya và Heneghan (2015) đã thực hiện nghiên cứu với 9 sự tham gia của 756 người có nguy cơ tim mạch cao. Bằng chứng từ những thử nghiệm ngẫu nhiên có đối chứng (RCTs- Randomised controlled trials) và phân tích meta cho thấy stevioside có thể làm giảm huyết áp và đường huyết lúc đói. Tuy nhiên, kích cỡ của các hiệu ứng là nhỏ. Trong khi đó, Rebaudioside A dường như không có tác động đáng kể nào đối với huyết áp hoặc các yếu tố nguy cơ tim mạch [56] .
1.2.3. Tính ổn định của các đường cỏ ngọt
STG có khả năng chịu được nhiệt độ cao lên đến 2000C, rất phù hợp để sử dụng trong chế biến thực phẩm [45]. Các glycoside ổn định ở giải pH và khoảng nhiệt độ rộng, không sinh năng lượng, không có giá trị dinh dưỡng, không bị lên men. Ủ tinh thể rắn Stevioside ở nhiệt độ cao trong 1h cho thấy sự ổn định tốt lên đến 1200C mà không bị hóa nâu hay bị caramen hóa [11], trong khi ở nhiệt độ vượt quá 1400C bắt đầu có sự phân hủy [44]. Stevioside có sự ổn định nhiệt độ cao sau 1h đun nóng ở 1000C trong điều kiện pH từ 3 9. Tuy nhiên, nó lại bị phá hủy nhanh - chóng ở pH kiềm 2]. [4
Trong các đồ uống có độ axit, cả stevioside và Rebaudioside A đều được tìm thấy trạng thái ổn định ở nhiệt độ phòng trong thời gian ít nhất là ba tháng [21].
Nghiên cứu của Clos và cộng sự (2008) đã đề cập đến khả năng chịu ánh sáng của Rebaudioside A và Stevioside trong nước ngọt có ga. Nhóm tác giả đã không tìm thấy dấu hiệu phân hủy của Rebaudioside A và Stevioside sau một tuần tiếp xúc với ánh sáng mặt trời ở nhiệt độ quanh nhiệt độ phòng [19]. Tương tự như vậy,
WửlwerRieck và cộng sự (2010) cũng so sỏnh sự ổn định của Stevioside và Rebaudioside A sử dụng trong sản phẩm nước ngọt. Theo kết quả của nhóm nghiên cứu, Rebaudioside A ổn định hơn so với Stevioside, mức độ giảm lên đến 70%
được quan sát thấy sau 72 giờ lưu trữ ở 800C [58].
Trong một nghiên cứu rộng hơn, Prakash và cộng sự (2008) đã chứng minh tính khả thi của đường Rebaudioside A với độ tinh khiết cao để sử dụng như chất làm ngọt. Theo đó, nhóm nghiên cứu đã thấy Rebaudioside A ổn định ở pH lớn hơn 2.
Rebaudioside A cũng không bị phân hủy khi được thêm vào sữa chua hoặc bánh trắng. Sự ổn định của một vài STG đã được thử nghiệm trong một phạm vi đa dạng các loại thực phẩm. Hiện vẫn chưa có bất kỳ bằng chứng nào về sự phân hủy STG trong các nghiên cứu. Vì vậy, có thể yên tâm rằng việc bổ sung STG đối với thực phẩm sẽ không làm thay đổi chất lượng hoặc thời gian bảo quản thực phẩm [58].
1.2.4. Tính an toàn của các loại đường cỏ ngọt
Các thống kê tính tới năm 2012 cho thấy trên thế giới có khoảng 400 công trình nghiên cứu về cây cỏ ngọt và các chất tạo ngọt từ loại cây này. Điều đó chứng tỏ mức độ quan tâm của các nhà khoa học về khả năng ứng dụng của đường cỏ ngọt cũng như tính an toàn của nó với sức khỏe con người.
Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy stevioside không gây đột biến, không gây quái thai hay ung thư 5, 79][7 . Hơn nữa, các phản ứng dị ứng không xuất hiện trên người tham gia thử nghiệm khi chúng được sử dụng như chất làm ngọt trong thức ăn. Stevioside và steviol có độc tính cấp tính rất thấp ở các loài chuột thí nghiệm với giá trị LD50 lớn. Stevioside ở liều cao đến 15g/kg thể trọng không gây tử vong cho chuột nhắt. Tác giả Aze (1991) đã tách Stevioside từ lá cỏ ngọt và nghiên cứu độc tính bán trường diễn dùng đường uống cho chuột cống trắng (15 cá thể cho mỗi thí nghiệm). Kết quả cho thấy không có sự thay đổi nào đáng kể giữa các nhóm đối chứng và thử nghiệm, kể cả ở liều cao 50 % so với khẩu phần ăn. Các nghiên cứu so sánh quá trình trao đổi chất cung cấp thêm bằng chứng xác nhận việc chuyển hóa của tất cả các loại STG giống với các loại đường thông thường và cũng như quá trình chuyển hóa chúng giống nhau giữa chuột và người [13].
Gần đây các nghiên cứu độc tính sinh sản của Rebaudioside A và các STG khác đã chứng minh chúng an toàn ngay cả với chế độ ăn uống có hàm lượng cao của các loại đường từ cỏ ngọt này [32]. Rebaudioside A với độ tinh khiết cao được sản xuất theo các tiêu chuẩn về thực phẩm là an toàn cho tiêu dùng của con người để sử dụng như một chất làm ngọt [18]. Năm 1999, JECFA báo cáo rõ rằng không có dấu hiệu tiềm tàng gây ung thư của stevioside [7 ]. Ngày 14/4/2010, cơ quan an 7 toàn thực phẩm châu Âu đã đưa ra liều dùng an toàn của các chất ngọt chiết xuất từ cây Stevia là 4 mg/kg trọng lượng cơ thể.
Nếu như ở châu Âu, cỏ ngọt mới chỉ được công nhận trong công nghiệp thực phẩm thì tại Việt Nam, qua kinh nghiệm sử dụng người ta nhận thấy, cỏ ngọt có khả năng làm giảm nhu cầu chất đường và chất bột của người bệnh và cung cấp năng lượng cho cơ thể ở mức thấp, không gây tác dụng phụ và không độc hại. o đó, các D lương y khuyên những người mắc bệnh tiểu đường, béo phì, tăng cholesterol trong máu và người cao tuổi nên dùng cỏ ngọt hoặc Stevioside thay thế các loại đường từ mía và củ cải.