CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.3 Tổng quan về lý thuyết màu sắc và chất màu tự nhiên
1.3.3 Chất màu tự nhiên có trong vỏ quả măng cụt
Măng cụt có tên khoa học là Garcinia mangosna L, và có các tên gọi khác nhƣ Sơn Trúc Tử (Trung Quốc), Mangosteen (Anh - Mỹ), Mangousnier (Pháp), Mangkhut (Thái Lan), là loài cây thuộc họ Bứa Clusiaceae. Nó cũng là loại cây nhiệt đới cho quả ăn đƣợc, rất quen thuộc tại Đông Nam Á. Quả khi chín có vỏ ngoài dày, màu đỏ tím đậm, ruột trắng ngà và chia thành nhiều múi có vị chua ngọt có mùi thơm thu hút [11].
Măng cụt có nguồn gốc từ Malaysia và Indonesia, đƣợc trồng từ hàng chục thế kỷ. Cây này đã được thuyền trưởng Cook mô tả khá chi tiết từ năm 1770, và được đưa đến Tích-lan năm 1880, trồng tại Anh trong các nhà kiếng từ năm 1855, sau đó đƣa đến vùng West Indies - bờ biển Trung Mỹ từ giữa thế kỷ 19. Ở Việt Nam măng cụt chủ yếu đƣợc trồng ở vùng đồng bằng sông Cửu Long, tại các tỉnh Trà Vinh, Bến Tre, Tây Ninh, Bình Dương [13].
Măng cụt thuộc loại cây to, trung bình 7-12 m nhƣng có thể cao đến 20-25 m, thân có vỏ màu nâu đen sậm, có nhựa (resin) màu vàng, lá dày và cứng, bóng, mọc đối, mặt trên của
Footer Page 36 of 148.
25
lá có màu sậm hơn mặt dưới, hình thuôn dài 15-25 cm, rộng 6-11 cm, cuống dài 1,2-2,5 cm.
Hoa đa tính thường là hoa cái và hoa lưỡng tính, hoa mọc đơn hay từng đôi. Hoa loại lưỡng tính màu trắng hay hồng nhạt, có 4 lá dài và 4 cánh hoa, có 16-17 nhị và bầu noãn có 5-8 ô.
Quả hình cầu, đường kính chừng 4-7 cm, có mang đài hoa còn tồn tại; vỏ quả màu đỏ nâu, dai và xốp. Quả chứa 5-8 hạt; quanh hạt có lớp áo bọc (edible arils) màu trắng có vị ngọt, thơm và khá ngon. Cây trổ hoa vào tháng 2-5, ra quả trong các tháng 5-8. Nhƣ các loại quả khác, măng cụt ngọt nhờ có nhiều chất đường: sucroza, fructoza, glucoza và có thể cả maltoza [4,13,55]
Hình 1.19 Hình cây, lá, hoa và quả măng cụt
1.3.3.2 Thành phần hóa học các hợp chất mang màu có trong vỏ quả măng cụt Trong vỏ quả măng cụt chứa từ 7-13% là tanin [2]. Theo báo cáo đƣợc công bố năm 1958, α-mangostin (1) là hợp chất đầu tiên đƣợc phân lập từ vỏ quả măng cụt vào năm 1855 bởi nhà khoa học W. Schmid. α- Mangostin (1) có tinh thể hình phiến nhỏ, màu vàng tươi, không vị, tan trong rượu, ete và chất kiềm, không tan trong nước, nhiệt độ nóng chảy là 175oC [70].
Lớp thịt quả ăn được thường chỉ chiếm 1/3 khối lượng quả. Các số liệu phân tích từ Thái Lan cho biết, cứ 100 g thịt quả ăn được thì chứa khoảng 79,2 g nước; 0,5 g chất đạm;
một ít chất béo; 19,8 g chất đường và bột; 0,3 g chất xơ; 11 mg Ca; 17 mg P; 0,9 mg Fe; 4,2 àg Vimin A; 66 mg Vitamin C. Năng lƣợng trung bỡnh khoảng 340 kJ/100g. Vỏ quả rất giàu pectin, catechin, tanin, colophan và chất nhuộm màu đen. Vỏ cây cũng chứa nhiều tannin, mangostin và amiliasine [12,78].
Cho đến nay, theo những báo cáo đã đƣợc công bố, đã có hơn 85 hợp chất thứ sinh đƣợc phân lập từ vỏ quả măng cụt. Trong số đó, có khoảng 68 hợp chất thuộc nhóm xanthon với 3 hợp chất đại diện, phổ biến nhất đó là α-mangostin (1 , β-mangostin (2 , γ-mangostin (3).
Ngoài ra, các thành phần khác của vỏ quả măng cụt đã đƣợc công bố là các flavonoid, các triterpenoit, các benzophenon, một hợp chất biphenyl, một hợp chất pyrrol và một benzofuran [12,78,55].
Bảng 1.10 Các dẫn xuất của xanthon từ các phần khác nhau của vỏ quả măng cụt [123]
STT Tên chất STT Tên chất STT Tên chất
1 α-Mangostin 15 Mangostenon C 29 Garcimangoson C
2 β-Mangostin 16 Xanthon I 30 Mangostinon
3 γ-Mangostin 17 Calabaxanthon 31 Garcinon B
4 Fuscaxanthon C 18 8-Deoxygarnin 32 Smeathxanthon A
Footer Page 37 of 148.
26 5 Assiguxanthon-B
trimethyl ete
19 Garcinon A 33 Garcinon E
6 Cowagarcinon B 20 Garnin 34 Tovophyllin A
7 Garcinon D 21 Cudraxanthon G 35 Thwaitesixanthon
8 Garcinon C 22 8-Hydroxycudraxanthon G
36 Garcimangoson B
9 Mangostenon E 23 Mangostingon 37 Garcimangoson A
10 Mangostenol 24 1-Isomangostin 38 Mangostenon B
11 6-Deoxy-7-
demethylmangosnin
25 11-Hydroxy-1- isomangostin
39 Tovophyllin B
12 Mangosnin 26 Mangosnol 40 Trapezifolixanthon
13 6-O-
methylmangosnin
27 3-Isomangostin 14 Demethylcalabaxant
hon
28 Mangostenon D
a. Những hợp chất xanthone phân lập từ vỏ quả măng cụt
Xanthone là hợp chất hữu cơ không tan trong nước, dễ tan trong rượu, là một chất chống oxy hóa trị liệu. Nghiên cứu gần đây cho thấy rằng có khoảng 50 loại xanthone đƣợc tách ra từ vỏ măng cụt và loại đầu tiên trong số đó là mangostin đƣợc tìm thấy năm 1855 với tên -mangostin (schmid, 1855). Nó là một chất có màu vàng chứa trong vỏ và nhựa cây khô của cây măng cụt (Dragendorff) [20].
Hình 1.20 Công thức hóa học của xanthone [69]
Sau đó, Dragendorff (1930 và Murakami (1932) làm sáng tỏ cấu trúc mangostin. Yates và Stout (1958 đã xác định công thức phân tử, kiểu và vị trí của các nhóm thế trong α- mangostin. Hơn thế nữa, Dragendorff (1930) cô lập đƣợc β-mangostin, cấu trúc của nó vẫn chƣa đƣợc làm sáng tỏ. Mãi cho đến năm 1968 (Yates and Bhat, 1968 , Jefferson (1970), Govindachari và Muthukumaraswamy (1971 cũng đã cô lập đƣợc α-, β-mangostin.
Gần đây, mangosharin cũng đƣợc cô lập từ vỏ măng cụt (Ee et al., 2006 và α-, β- mangostins đƣợc cô lập từ rễ của cây Cratoxylum cochinchinense, nó thuộc loại cây bụi thuộc họ Guttiferae (Laphookhieo et al., 2006).
Bảy loại xanthone mới đƣợc cô lập từ vỏ quả măng cụt năm 1987: 1-isomangostin, 1- isomangostin hydrate, 3-isomangostin và 3-isomangostin hydrate (Mahabusarakamet al., 1987).2-(γ,γ-dimethylallyl)-1,7-dihydroxy-3-methoxyxanthone, demethylcalabaxanthone, 1,3,7-trihydroxy-2,8-di-(3-methylbut-2-enyl) xanthone và 2,8 bis (γ,γ-dimethylallyl)-1,3,7- trihydroxyxanthone đƣợc cô lập từ áo hạt.
Footer Page 38 of 148.
27
Gần đây, α- và β-mangostin, 9-hydroxycalabaxanthone, 3- isomangostin, garnin và 8- desoxygarnin đƣợc chiết từ vỏ quả măng cụt, xác định và định lƣợng bằng HPLC (Walker, 2007). Xanthones 3-isomangostin, 8-desoxygarnin, garnin, α- và β-mangostins và 9- hydroxycalabaxanthone cũng đƣợc xác định bởi phổ UV [20].
Hình 1.21 Một số dẫn xuất của xanhthone: -mangostin; -mangostin; -mangostin [69]
b. Sắc tố vàng của họ flavonoid
Flavonoid là những hợp chất phenol màu thực vật, tạo nên màu cho rất nhiều rau, quả, hoa... Phần lớn các flavonoid có màu vàng. Tuy vậy, một số sắc tố có màu xanh, tím, đỏ, không màu cũng đuợc xếp vào nhóm này vì về mặt hóa học, chúng có cùng khung sườn căn bản. Flavonoid có cấu trúc cơ bản là 1,3-diphenylpropan, nghĩa là 2 vòng benzen A và B nối nhau qua một dây có 3 carbon, nên thường đuợc gọi là C6-C3-C6. Cách đánh số tùy theo mạch C3 đóng hay hở. Nếu dây C3 đóng thì đánh số bắt đầu từ dị vòng với dị nguyên tố oxygen mang số 1 rồi đánh tiếp đến vòng A, còn vòng B đánh số phụ. Nếu dây C3 hở, đánh số chính trên vòng B và đánh số phụ trên vòng A.
Hình 1.22 Cách đánh số thứ tự trên cấu trúc của Flavonoid [38]
Thường các flavonoid có mang một hoặc nhiều nhóm –OH ở vị trí 5 và 7 trên nhân A và ở vị trí 3, 4, 5 trên nhân B. Các flavonoid có thể hiện diện ở dạng tự do hay dạng glycosid.
Các đường thường gặp nhất là đường D-glucose, D-galactose, L-rhamnose, L-arabinose, D- xylose, D-apiose và acid uronic.
Sắc tố vàng của họ flavonoid đƣợc tìm thấy trong tự nhiên bao gồm các chalcone, hợp chất dị vòng và một vài flavonol. Chalcone hiện diện ít trong tự nhiên, flavonol và glavanonol Footer Page 39 of 148.
28
cũng hiếm gặp, flavon và flavonol phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Các glycosid flavonol nhƣ:
rutin, quercitrin, kaem pherol rất thuờng xuất hiện. Do có nhiều nhóm –OH phenol nên các flavonoid có thể liên kết với nhau để tạo thành phức tạp hơn hoặc tạo với các hợp chất khác.
Các flavonoid thường dễ kết tinh và thường có màu. Flavon có màu vàng nhạt hoặc màu cam;
flavonol có màu vàng đến màu vàng nhạt; chalcone có màu vàng đến cam đỏ. Các isoflavon, flavanon, flavanonol, leucoanthocuanidin, catechin kết tinh không màu. Anthocyanidin thường hiện diện ở dạng glycosid thí dụ như: pelargonidin, cyanidin, delphinidin... tạo màu xanh dương, đỏ, tím cho những cánh hoa và quả. Hầu hết các sắc tố vàng họ flavonoid trong tự nhiên xuất hiện đồng thời với họ carotenoid để hấp dẫn các loại côn trùng thụ phấn cho cây hoặc bảo vệ thực vật chống lại tia UV [20]. Các flavonoid đƣợc phân thành nhiều nhóm với cấu trúc cơ bản khác nhau, dựa vào chu trình sinh tổng hợp, đƣợc trình bày trong sơ đồ chuyển hóa các flavonoid sau:
Hình 1.23 Sơ đồ chu trình sinh tổng hợp các Flavonoid [33]
Các hợp chất dị vòng tạo ra các sắc tố vàng đậm, nhƣng chỉ mô tả nhóm nhỏ nhất của các hợp chất flavonoid đƣợc nhận biết. Các hợp chất dị vòng có thể hình thành bởi quá trình oxi hóa các chalcone trong quá trình trích ly tách và tinh chế sản phẩm. Các chalcone hoạt động nhƣ là trạng thái trung gian của nhiều màu sắc trong quá trình tổng hợp sinh học. Các chalcone với một nhóm hydroxyl tự do hoặc không bị thay thế ở vị trí C6 tự đóng vòng tạo flavonol không màu. Các flavonol sinh ra các màu vàng nhạt hơn so với các sắc tố flavonoid bởi vì chúng hấp thu ở dải bước sóng thấp hơn. Hầu hết các flavonol có cộng thêm một nhóm hydroxyl nhuộm vào vòng A, phổ biến là vị trí C8. Tất cả màu vàng sinh ra từ flavonoid nhạt đi dưới tác động của pH, nhiệt độ, tác nhân oxy hóa…[70].
Footer Page 40 of 148.
29
Hình 1.24 Cấu trúc và màu sắc của các dạng Anthocyanindin [33]
c. Tannin
Các tannin thuộc nhóm hỗn hợp C6C1C6, C6C2C6, C6C3C6. tannin thường được tìm thấy trong hạt, rau đậu, trái cây và các loại thảo mộc, người thường gặp tannin hàng ngày trong cuộc sống nhƣ trà, rƣợu vang đỏ và nhiều loại trái cây khác nhất là trong vỏ quả măng cụt chiếm 7-13%...là dạng tồn tại của các hợp chất phenolic tự nhiên (polyphenol) có khả năng kết hợp với các protein và các polymer khác nhƣ polysaccharide. Các tannin tự do mang nhiều nhóm –OH nên ít nhiều bị hòa tan trong nước tạo thành dung dịch nhớt và có khối lƣợng phân tử trung bình khoảng từ 500-3000 [33]. Công thức hóa học rất phức tạp và không đồng nhất, phân tử có cấu trúc vòng thơm đặc trƣng vơi nhiều nhóm thế hydroxyl. Những thành phần hóa học phản ứng dễ dàng với các phân tử sinh học khác thông qua nhóm hydroxyl của chúng. Tannin rất nhạy với ánh sáng và dễ bị oxi hóa bởi oxy của không khí biến thành các oxit có màu đen vì thế chúng đƣợc bảo quản trong các lọ thủy tinh màu sẫm [90].
Tannin nằm trong nhóm màu từ vàng nhạt đến màu nâu nhạt, có khả năng tạo kết tủa với protein, enzyme, carbohydrate và alkaloid; vì vậy thường được dùng trong ngành thuộc da. Tannin tạo các nối liên kết hydro liên phân tử giữa các nhóm -OH và -NH2 của protein với các nhóm -OH phenol của tannin. Tannin đƣợc phân thành 2 nhóm chính là tannin ngƣng tụ (proanthocyanidin) và tannin thủy phân (tannin pyrogallic) [38].
Proanthocyanidin là dạng polymer flavonoid, là kết quả của quá trình polymer hóa của một vài flavonol nhƣ catechol hoặc epicatechol. Loại này khác với tannin thủy phân vì nó không bị thủy phân dưới tác dụng của acid vô cơ loãng.
Mặc dù các chuỗi phản ứng sinh tổng hợp để tổng hợp flavonoid đã hiểu rõ ràng, nhƣng các bước để ngưng tụ và polymer hóa vẫn chưa được làm sáng tỏ. Các nghiên cứu trên phạm vi rộng về các tannin ngƣng tụ dựa trên nền tảng hợp chất flavan-3-ols (-)-epicatechin và (+)- catechin. Thêm vào một nhóm phenolic thứ ba trên vòng B sẽ tạo thành hợp chất epigallocatechin và gallocatechin. Ít phổ biến hơn là flavan-3-ols với chỉ một nhóm đơn
Footer Page 41 of 148.
30
phenolic trên vòng B, vị trí para C-2 (epiafzelechin, afzelechin với cấu trúc hóa học lập thể tương ứng với dạng epicatechin và catechin). Các nhóm này có khả năng tạo các ánh màu khác nhau trong các môi trường pH khác nhau. Chúng góp phần tạo nên màu sắc đa dạng của các loài thực vật trong tự nhiên.
Proanthocyanidin là những hợp chất nhận được từ các sắc tố anthocyanidin dưới tác dụng của quá trình oxi hóa tách phân tử (không phải là hiện tƣợng thủy phân) trong cồn nóng, hoặc bằng phương pháp thử acid butanol. Sản phẩm của phản ứng với acid bunol là các đơn vị cấu trúc mạch ở giữa không bị biến đổi và màu sắc của anthocyanidin đƣợc quyết định bởi nhóm cuối mạch. Các mắt xích polymer cơ bản là Catechin- và Epicatechin- sẽ biến đổi thành cyanidin, và vì vậy mà đƣợc biết đến nhƣ là các procyanidin. Các mắt xích cơ bản gallocatechin và epigallocatechin biến đổi thành dạng delphinidin, và các mắt xích polymer cơ bản ít gặp là flavan-3-ol biến đổi thành pelargonidin [123].
Hình 1.25 Các dạng liên kết của họ Flavan-3-ol [33]
Tannin thủy phân có cấu trúc hóa học là những ester của glucose với acid gallic, thường là glucose với một hay nhiều acid trihydrobenzencacbocylic. Khi thủy phân bằng acid hoặc enzim naza thì giải phóng ra đường glucoza, đôi khi có đường đặc biệt như hamamelose, các acid thường gặp là acid gallic, acid này liên kết với nhau tạo thành acid digallic, trigallic, ngoài ra còn có các acid ellagic, acid luteolic. Người ta cũng chia tannin loại này ra là tannin gallic và tannin ellagic [33].
Footer Page 42 of 148.
31
Tannin Gallic có cấu trúc hóa học gồm một nhân trung tâm, là đường glucose. Các nhóm – OH tại các carbon C-1, 2, 3, 4, hoặc 6 của đường glucose này tạo nối ester với từ 1 đến n số phân tử acid gallic.
Tannin Ellagic do sự hiện diện của các nối carbon-carbon trong nhân glucose và các nối carbon-carbon giữa hai nhân benzen của hai phân tử acid gallic, làm cho cấu trúc tannin thêm khít chặt, rắn chắc hơn, cũng vì thế độ hòa tan cũng kém đi.
Hình 1.26 Các dạng chuyển đổi cấu trúc của Procyanidin trong môi trường H+[38]