Nghiên cứu ứng dụng công nghệ enzyme đế sản xuất hợp chất thơm dẫn xuất carotenoids

i

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn, em luôn
nhận được sự quan tâm giúp đỡ rất tận tình của thầy cô hướng dẫn, nhân dịp
này, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
TS. Tạ Thị Minh Ngọc , người đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp
đỡ em trong suốt quá trình em nghiên cứu, hoàn thành đề tài, đồng cảm ơn
ThS. Trần Hải Đăng, người đã phụ hướng dẫn em rất nhiệt tình và tâm huyết.
Em xin chân thành cảm ơn các anh chị cán bộ phòng thí nghiệm đã tạo
điều kiện giúp đỡ em rất tận tình về máy móc, thiết bị trong suốt quá trình làm
luận án.
Qua đây, em cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới
Ban Giám
đốc Viện CHSH & MT, các thầy giáo, cô giáo bộ môn đã chỉ dẫn, giảng dạy
em trong suốt 4 năm học qua và đã tạo những điều kiện thuận lợi để em hoàn
thành luận văn này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè, những người
luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình em thực hiện đề tài.
Nha Trang, tháng 6 năm 2012


An Thị Tươi




ii

`MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii
DANH MỤC CÁC HÌNH………………………………………………….v
DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ……………………………………………… vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT……………………………………………………vii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 3
1.1. Tổng quan về carotenoid 3
1.1.1. về carotenoid 3
1.1.2. Phân loại carotenoid 4
1.1.2.1. Nhóm carotene 4
1.1.2.2 Nhóm xanthophylls 5
1.1.3 Tính chất vật lý, tính chất quang phổ………………………………….6
1.1.4. Hoạt tính sinh học và vai trò của carotenoid……………………… 8
1.1.5. Một số carotenoids điển hình 8
1.1.5.1. β-carotene 8
1.1.5.2. Lycopene 14
1.1.6. Các nguồn carotenoids trong tự nhiên 16
1.1.6.1. Nguồn carotenoids từ Gấc 18
1.1.6.2. Nguồn carotenoids từ nấm sợi Blakeslea trispora 21
1.2. Sự oxy hóa phân tử carotenoids – Hợp chất
apocarotenoids……………….23
1.2.1. Sự oxy hóa phân tử carotenoids 22
iii

1.2.1.1. Một số enzyme sử dụng để chuyển hóa carotenoids thành chất thơm 27
1.2.2. Các hợp chất apocarotenoids 29
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 32
2.1. Mục tiêu nghiên cứu 32
2.2. Vật liệu, Hóa chất và dụng cụ 32
2.2.1. Vật liệu 32

2.2.2. Các hóa chất 32
2.2.3. Các chất chuẩn 36
2.2.4. Dụng cụ 36
2.3. Phương pháp nghiên cứu 36
2.3.1.Tách chiết carotenoids từ các nguồn khác nhau 36
2.3.1.1. Tách chiết carotenoids từ cà rốt và gấc 36
2.3.2. Chuyển hóa carotenoids thành chất thơm 40
2.3.2.1 Tạo hợp chất thơm nhờ quá trình tự oxy hóa của carotenoids 40
2.3.2.2. Tạo hợp chất thơm nhờ quá trình bổ sung Enzyme để oxy hóa
carotenoids 41
2.4. Phương pháp phân tích 42
2.4.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ UV-VIS 42
2.4.2. Phương pháp sắc kí bản mỏng TLC 44
2.4.3. Phân tích các thành phần chất thơm bằng sắc kí khí (GC) 46
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47
3.1. Kết quả tách chiết carotenoids từ các nguồn khác nhau. 47
3.2. Kết quả sắc kí bản mỏng TLC 49
3.3. Sự phân rã của carotenoids/β-carotene trong quá trình tự oxy hóa. 52
iv

3.3.1. Khảo sát sự phân rã β-carotene từ các carotenoids có nguồn gốc khác nhau.
52
3.3.2. Nghiên cứu khảo sát sự tạo thành các chất thơm trong phản ứng tự oxy hóa
carotenoids từ dầu gấc 54
3.4. Nghiên cứu khảo sát sự tạo thành các chất thơm từ carotenoids dầu gấc trong
phản ứng đồng oxy hóa sử dụng enzyme xanthine oxydase 55
3.5. Khảo sát sự phân rã β-carotene tách chiết từ sinh khối nấm sợi B.trispora và tạo
thành chất thơm trong phản ứng đồng oxy hóa sử dụng enzyme xanthine oxidase 57
3.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ enzyme và cơ chất đến sự phân rã β-
carotene tách chiết từ sinh khối nấm sợi B. trispora và hình thành chất thơm trong quá

trình đồng oxy hóa 58
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64
4.1. Kết luận 64
4.2. Kiến nghị 64
4.2.1. Nghiên cứu quá trình chuyển hóa sinh học β-carotene thành chất thơm 65
4.2.2. Nghiên cứu tách chiết, thu hồi sản phẩm 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66










v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc hóa học của β-caroten 5
Hình 1.2. Cấu trúc hóa học của Lycopene 5
Hình 1.3. Cấu trúc hóa học của lutein và zeaxanthin 5
Hình 1.4. Phổ hấp thụ của một số carotenoids 7
Hình 1.7: Trái gấc 20
Hình 1.8: Các thành phần hợp chất bay hơi chính khi phân cắt β-carotene 23
Hình 1.10. Các bước trong quá trình chuyển hóa carotenoids thành chất thơm 25
Hình 1.11. Các bước cơ bản chuyển hóa carotenoids thành chất thơm: trường hợp của
beta-ionone và beta-damascenone từ beta-carotene và neoxanthin 26

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể enzyme Xanthine oxidase tách chiết từ bò 28
Hình 1.14. Một số apocarotenoid tạo thành khi phân cắt beta-caroten 30
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình tách chiết carotenoids từ cà rốt và Gấc. 39
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình tách chiết carotenoids từ nấm sợi 39
Hình 2.3. Phổ hấp thụ của Lycopene trong mẫu chuẩn và mẫu dầu Gấc 43
Hình 2.4. Phổ hấp thụ của beta-carotene trong mẫu chuẩn và mẫu dầu Gấc 43
Hình 3.2. Kết quả phân tích TLC carotenoids/β-carotene từ dầu Gấc và từ Beta-
carotene tinh khiết 50
Hình 3.3. Phổ hấp thụ thu được từ bản sắc kí, giống với phổ của 51
beta-carotene 51
Hình 3.4. Phổ hấp thụ thu được từ bản sắc kí, giống với phổ của Lycopene 51
Hình 3.5: Sự thay đổi hàm lượng β-carotene từ các nguồn khác nhau theo thời gian 53
Hình 3.6. Sự phân rã β-carotene tách chiết từ sinh khối nấm sợi B.trispora trong quá
trình đồng oxy hóa sử dụng enzyme XO ở các nồng độ khác nhau 60
Hình 3.7. Biểu đồ hiệu suất chuyển hoá β-cyclocitral với các nồng độ enzyme và cơ
chất khác nhau 61
Hình 3.8. Biểu đồ hiệu suất chuyển hoá β-ionone với các nồng độ enzyme và cơ chất
khác nhau 62
Hình 3.9. Biểu đồ hiệu suất chuyển hoá DHA với các nồng độ enzyme 62
và cơ chất khác nhau 63
vi


DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ
Bảng 1.1. Quang phổ hấp thụ của một số carotenoids điển hình 6
Bảng 1.2. Ảnh hưởng của phương thức chế biến đến hàm lượng beta-carotene 9
Bảng 1.3: Bảng thành phần của beta-carotene trong 1 số loài thực vật phổ biến tại Việt
Nam……………………………………………………………………………………17
Bảng 1.4. Hàm lượng một số carotenoids trong các mẫu thực vật…………………….18
Bảng 1.5. Lượng beta-carotene có trong 100g thực phẩm Error! Bookmark not

defined.
Bảng 1.6. Sản phẩm phân rã chung của carotenoid tìm thấy trong thực vật 30
Bảng 3.1. Kết quả tách chiết carotenoid tổng số (µg/g) khối lượng tươi từ ba nguồn cà
rốt, Gấc và nấm sợi B.trispora 47
Bảng 3.2. Sự phân rã của beta-carotene từ các nguồn khác nhau trong quá trình tự oxy
hóa. 52
Bảng 3.3. Sự phân rã β-carotene dầu màng gấc và tạo thành chất thơm trong phản ứng
tự oxy hóa 54
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ dầu màng gấc đến sự phân rã β-carotene và tạo thành
chất thơm trong phản ứng đồng oxy hóa sử dụng xanthine oxidase 55
Bảng 3.5. Sự phân rã β-carotene sinh khối nấm sợi B. trispora và tạo thành chất thơm
trong phản ứng đồng oxy hóa sử dụng enzyme xanthine oxidase 57
Bảng 3.6. Sự phân rã β-carotene tách chiết từ sinh khối nấm sợi B. trispora trong quá
trình đồng oxy hóa sử dụng enzyme XO ở các nồng độ khác nhau 58
Bảng 3.7. Hiệu suất chuyển hóa β-carotene thành chất thơm trong quá trình đồng oxy
hóa β-carotene từ sinh khối nấm sợi B. trispora với các nồng độ XO và cơ chất
acetaldehyde khác nhau 60


vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BHT
Butylated hydroxytoluene
EDTA
Ethylene diamine tetraacetic acid
GC
Gas chromatography

HPLC
High-performmance liquid chromatography
LOX
Lipoxygenases
OD
Optical Density
TLC
Thin layer chromatography
UV/VIS
Ultraviolet-visible spectrophotometry
XO
Xanthine oxidase
HSCH
Hiệu suất chuyển hóa








1

MỞ ĐẦU
Từ thời xa xưa, khi mà công nghệ sản xuất chất thơm chưa được biết đến
con người đã biết dùng hoa, lá của các loại thực vật (như hoa hồng) để nấu nước
tắm, gội đầu cho thơm. Ngày nay, khi đời sống ngày càng phát triển, xã hội càng
văn minh thì các chất thơm được sản xuất và sử dụng ngày càng đa dạng và
phong phú cả về số lượng lẫn chất lượng. Chất thơm có thể lấy từ nguồn thiên

nhiên bằng cách chưng cất hoa, lá hoặc cây các loài thực vật, hoặc hoàn toàn
bằng con đường hóa học. Tuy nhiên việc tách chiết chúng là một việc khó khăn
đòi hỏi một quy trình phức tạp và ít hiệu quả kinh tế, bên cạnh đó với các sản
phẩm được tổng hợp bằng con đường hóa học lại ít được người tiêu dùng đón
nhận, người ta ưa chuộng sản phẩm tự nhiên hơn. Vì vậy nhiều nhà khoa học đã
tích cực tìm kiếm các hương thơm mới cũng như công nghệ mới để sản xuất các
hợp chất tự nhiên. Một trong các lĩnh vực đang nổi lên về sản xuất các hợp chất
là sử dụng công nghệ sinh học, đặc biệt là sử dụng enzyme và vi sinh vật cho sự
xúc tác sinh học. Sự biến đổi sinh học các hợp chất carotenoids có vẻ như là một
sự lựa chọn hợp lý để sản xuất các hợp chất hương từ những nguyên liệu được
gọi là tự nhiên
Sinh chuyển hóa carotenoids/ β-carotene được cho là một hướng có triển
vọng để sản xuất hương thơm từ khi các chất này được xếp vào danh mục các
thành phần tự nhiên. Các hợp chất thơm tạo ra từ carotenoids/ β carotene là một
trong những nhóm quan trọng, bao gồm các sản phẩm chất thơm thu được từ quá
trình phân cắt phân tử β-carotene như β-ionone, β-cyclocitral,
dihydroactinidiolide (DHA), β-damascenone, là những hợp chất có mùi hương
hoa, quả và gỗ rất mạnh, là thành phần chính của nhiều tổ hợp hương thơm được
sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm. Các hợp chất
này tồn tại trong mô tế bào thực vật nhưng với hàm lượng rất thấp, vì vậy sự
tách chiết rất tốn kém, điều đó đặt ra những nghiên cứu phát triển những công
nghệ khác để thu nhận chúng.
2

Nguồn carotenoids/β-carotene được tìm thấy ở nhiều loài thưc vật khác
nhau như cà chua, cà rốt, các loại hoa cúc có màu vàng, quả gấc…hay từ tảo
Spirulina, Dunaliella salina, từ nấm mốc như Blakeslea trispora, từ nấm men đỏ
Rhodotorula glutinis, R. rubra. Vì vậy, tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng
dụng công nghệ Enzyme đế sản xuất hợp chất thơm dẫn xuất carotenoids”
Mục tiêu của đề tài gồm 2 phần:

1. Thu nhận nguồn carotenoids từ các nguồn thực vật khác nhau.
2. Chuyển hóa carotenoids thành chất thơm.

3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về carotenoid
1.1.1. Các hợp chất carotenoid
Carotenoid là một dạng sắc tố hữu cơ có tự nhiên trong thực vật và các
loài sinh vật quang hợp khác như là tảo, một vài loài nấm và một vài loài vi
khuẩn. Hiện nay người ta đã tìm được 600 loại carotenoid, sắp xếp theo hai
nhóm, xanthophylls và carotene (Rao và Rao, 2007). Carotenoid thuộc nhóm
tetraterpenoids (phân tử chứa 40 nguyên tử C) được tạo nên bởi 8 đơn vị
isoprenne:
CH2 = C – CH = CH2
|
CH3
Carotenoid là nhóm chất màu hòa tan trong chất béo, không tan trong
nước, có màu từ vàng nhạt tới đỏ sậm tùy cấu trúc phân tử. Khác với cây cỏ, con
người không thể tự tổng hợp ra carotenoid mà sử dụng carotenoid từ việc ăn thực
vật nhằm bảo vệ bản thân mình. Carotenoid giúp chống lại các tác nhân oxy hóa
từ bên ngoài.Thiên nhiên có đến khoảng 600 loại carotenoid khác nhau, trong đó
có 50 loại carotenoid hiện diện trong thực phẩm. Thế nhưng trong máu của người
có khoảng 15 loại được tìm thấy và chúng đang được chứng minh là đóng vai trò
quan trọng đối với đời sống con người.
Carotenoid không phải là tên riêng của một chất nào mà là tên của một
nhóm các hợp chất có công thức cấu tạo tương tự nhau và tác dụng bảo vệ cơ thể
cũng tương tự nhau. Carotenoid khá quen thuộc với chúng ta là β-caroten hay
còn gọi là tiền chất của vitamin A. Trong những năm gần đây người ta còn nói
nhiều đến các carotenoid khác như lycopen, lutein và zeaxanthin

4

1.1.2. Phân loại carotenoid
Carotenoid được chia thành 2 loại: các carotene và các xanthophyll
Các carotene có màu đỏ đến da cam, là những hydrocarbon (C40H58) có 1 mạch
ngang 18 carbon mang 4 nhóm CH3 và 9 nối đôi liên hợp, chúng khác nhau ở
các đầu chuỗi.
VD: α-carotene, β-carotene và lycopene
Các xanthophyll thường có màu vàng và trong phân tử có chứa oxi
VD: lutein và zeaxanthin
1.1.2.1. Nhóm carotene
Caroten (C
40
H
56
) có mạch hydrocacbon không no, trong phân tử không
chứa oxy, không tan trong nước, chỉ tan trong lipit và các dung môi hữu cơ. Phần
trung tâm phân tử gồm 18 nguyên tử cacbon hình thành một hệ thống nối đôi liên
hợp, có 4 nhóm CH
3
mạch nhánh.
Có 4 loại caroten quan trọng là α-caroten, β-caroten, γ-caroten và lycopen.
α-caroten, β-caroten có những vòng ionon khép kín; β-caroten có cấu tạo đối
xứng với 2 vòng β-ionone nên khi thủy phân cho 2 phân tử vitamin A, còn các
caroten khác khi thủy phân chỉ cho 1 vitamin A.
a. β-caroten
Gồm những sắc tố màu vàng, cam, xanh lá có ở hoa và rau. Chúng là tiền
chất của vitamin A, khi tồn tại ở dạng tinh thể có màu đỏ đậm. β-carotene có thể
tan trong các dung môi hữu cơ không phân cực như benzen, chlorofom, hexan,

petroleum ether…, ít tan trong các dung môi phân cực như methanol, ethanol và
không tan trong nước.


5

Hình 1.1. Cấu trúc hóa học của β-caroten
(Nguồn: internet)
c. Lycopen:
Đây là dạng đồng phân mở vòng hai đầu của β- carotene. Lycopene có
màu đỏ nhạt (do nhiều liên kết đôi của cacbon kết hợp với nhau) có nhiều trong
các loại quả có màu đỏ ví dụ như cà chua. Lycopene không tan trong nước và
không có khả năng chuyển hoá thành vitamin A.

Hình 1.2. Cấu trúc hóa học của Lycopene
( Nguồn : Internet)
1.1.2.2 Nhóm xanthophyll
Xanthophyll - C40H56On (n : 1- 6) là dẫn xuất dạng oxi hoá của caroten,
có chứa từ 1 đến 6 phân tử oxy, ví dụ như: Cripthoxanthin (C40H56O ), Lutein
(C40H56O2), Violaxanthin (C40H56O4)… Các nguyên tử oxi liên kết trong các
nhóm hidroxy, cacboxy, axetoxy, metoxy, epoxy…Bước sóng hấp thụ của cực
đại của xanthophyll ở 451 - 481 nm.

Hình 1.3. Cấu trúc hóa học của lutein và zeaxanthin

6

( nguồn: Internet)
1.1.3 Tính chất vật lý và tính chất quang phổ
Trong thực vật, động vật, carotenoid có thể ở dạng tinh thể chất rắn vô

định hình, không tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ và chất béo thành
dung dịch, phân tán keo hoặc tạo phức với protein trong môi trường nước.
Caroten khi để ngoài không khí dễ hấp thụ oxi (đến 40% so với trọng
lượng) để trở thành dạng oxi hóa. Caroten nguyên chất là các tinh thể đen có màu
đỏ sáng của đồng và có ánh kim loại, dung dịch caroten có màu đỏ cam (Lê Ngọc
Tú, 2006).
Các caroten rất dễ bị oxy hoá dưới tác dụng của oxy không khí, ánh sáng,
nhiệt độ và enzyme, nhạy cảm với axit và chất oxy hoá, bền với kiềm hấp thu
bước sóng cực đại vào khoảng 450nm.
Quang phổ hấp thụ của carotene trong các dung môi ở các vùng cực tím
có cực đại hấp thụ như sau (bảng 1.1).

Bảng 1.1. Quang phổ hấp thụ của một số carotenoids điển hình
( theo: “A guide of carotenoids analysis in food”)
Dung môi
α-caroten β-caroten γ-caroten Lycopene
Acetone 424

448

476

429

452

478

439

461

491

448

474

505

Chlorofor
m
433

457

484

435

461

485

446

475

509

458

484

518

Ethanol 423

444

473

425

450

478

440

460

489

446

472

503

Hexane,
Petroleum
ether
422

445

473

425

450

477

437

462

494

444

470

502



7

Hình 1.4. Phổ hấp thụ của một số carotenoid
A: Phổ hấp thụ của lycopene (—), γ-carotene (- - -), β-carotene ( ) và α-
carotene ( ) trong ete dầu hỏa; B: Phổ hấp thụ của hai dạng đồng phân trans- và
cis-β-carotene
1.1.4. Hoạt tính sinh học và vai trò của các hợp chất carotenoid
Catotenoid là tiền Vitamin A. Nó là chất chống oxy hóa tự nhiên có khả
năng bắt giữ oxy đơn phân tử (oxy singlet).
Các carotenoid có chức năng bảo vệ mắt:

8

+ Lutein và zeaxanthin hấp phụ những phổ ánh sáng có năng lượng cao và
có hại nhất của ánh sáng mặt trời ,kìm hãm việc hoạt hóa các gốc tự do, ngăn
chặn phản ứng kích hoạt bởi ánh sáng .
+ Carotene : bảo vệ thị giác, tăng cường sức khoẻ và sức đề kháng cho cơ
thể, chống thoái hóa hoàng điểm ở người cao tuổi.
Các carotenoid còn giúp cơ thể phòng chống một số bệnh như:
_ Ngăn ngừa ung thư tiền liệt tuyến, ung thư phổi
_ Giúp chống đột quỵ
_ Giảm nguy cơ mắc bệnh tim mạch
_ Giảm chứng viêm khớp
_ Bảo vệ da
1.1.5. Một số carotenoid điển hình
1.1.5.1. β-carotene
Beta-carotene là một loại carotenoid phổ biến nhất được tìm thấy trong
thực phẩm và là tiền thân chủ yếu của vitamin A (cơ thể có thể chuyển -carotene

thành vitamin A). -carotene có màu cam, thường thấy trong các loại trái cây và
rau quả có màu cam như cà rốt, bí ngô, đào, khoai lang đỏ…nhiều nghiên cứu đã
chứng tỏ vai trò và ích lợi của beta-carotene trên hệ miễn dịch, ngăn ngừa nhiều
loại ung thư và giảm tác hại của ánh nắng mặt trời.
1.1.5.1.1. Cấu trúc hóa học
Βeta-carotene có công thức hóa học gần giống như lycopene nhưng khác
nhau về cấu trúc. Phân tử có 9 liên kết đôi và kết thúc bộ khung cacbon là 2 vòng
β-ionone. Cấu trúc đặc biệt xác định các thuộc tính đặc biệt của β- carotene.

9


Hình 1.5: cấu trúc hóa học của β- carotene
(nguồn: Internet)
1.1.5.1.2. Tính chất hóa lý
a. Tính chất vật lý
Là một trong các carotenoids , β-carotene sở hữu tất cả các tính
chất đại diện của hợp chất này. Nó hòa tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ và
bị hấp thụ bởi ánh sáng. Sự hấp thụ lớn nhất của β-carotene trong ete dầu mỏ là
tại 3 bước sóng 425, 451 và 478 nm (Gross, 1991). β-carotene bền hơn ở nhiệt độ
ổn định. Tỉ lệ phần trăm của β-carotene không được duy trì ở các điều kiện chế
biến khác nhau, điều này được tóm tắt trong bảng 1.2. Mặc dù vậy all-trans β-
carotene chiếm ưu thế hơn, khoảng 20 đồng phân cis được tìm thấy trong cà rốt,
tiêu và củ sắn. Kéo dài thời gian nấu nướng sẽ làm tăng thêm quá trình đồng
phân hóa.

Bảng 1.2. Ảnh hưởng của phương thức chế biến đến hàm lượng
beta-carotene

10

(theo Pinheiro và cộng sự, 1998)
Thời gian

Nhiệt độ Cách thức chế biến
(phút) (°C)
Tỉ lệ %
Hao hụt

Hấp

15

115-120

84.4

Đun sôi bằng áp lực

17

100

80.2
Đun sôi không dùng áp
suất

21

99

89.1

Chế biến ướt/ khô

21/15

99/200

68.8

b. Tính chất hóa học
Công thức hóa học của β-caroten là C40H56 với khối lượng phân tử là
536,88 (đvc).
β-caroten là một dẫn xuất isopen chưa bão hòa. β-caroten có dạng tinh thể
hình kim, màu nâu đỏ. β-caroten bền trong môi trường kiềm và không bền môi
trường axit. β-caroten tan trong dầu và các dung môi hữu cơ như axetone, etyl-
ete, methanol… đặc biệt tan tốt trong dầu, ete, hexane, β-caroten không tan trong
nước.Nhờ có hệ thống nối đôi liên hợp dài mà β-caroten có ái lực mạnh với oxy
đơn bội nên dễ bị oxy hóa, đồng phân hóa khi tiếp xúc với không khí, ánh sáng
hay nhiệt độ.
β-carotene nhạy cảm với oxy , sự đồng phân hóa xảy ra dưới sự ảnh
hưởng bởi ánh sáng, nhiệt độ, và oxy. Vì vậy phải giữ ở điều kiện tránh ánh sáng,
bảo quản trong bao bì kín với nitro hoặc argon trong thời gian sử dụng dài.
1.1.5.1.3. Tính chất sinh học

11

a. Hoạt tính của các provitamin A.
β-carotene chứa 2 vòng β-ionone, đó chính là hoạt tính của provitamin A.
Trong số các đồng phân của β- carotene, all- trans β-carotene chứa 100% hoạt
tính, trong khi các đồng phân cis chỉ chiếm khoảng 50% hoạt tính hoặc nhỏ hơn (
Minguez-Mosquera và cộng sự, 2002). Việc cắt tại trung tâm hoặc phá vỡ cấu
trúc tại 1 đầu của phân tử có thể chuyển đổi beta-carotene thành provitamin A.
việc chuyển đổi của β- carotene diễn ra trong niêm mạc ruột bởi enzyme β-
carotene dioxygenase, sản xuất ra 2 phân tử của võng mạc, sau đó trở thành
vitamin A.
b. Hoạt tính sinh học và khả năng hấp thụ
Hoạt tính sinh học của β-carotene phụ thuộc vào tính chất vật lý của nó
trong thực phẩm. Chế độ ăn uống cùng với thực vật và chất béo sẽ làm tăng khả
năng hấp thụ. Trong dạ dày, β-carotene có xu hướng tổng hợp cùng với lipid ở
dạng viên nhỏ, sau đó được chuyển vào ruột non. Chỉ 1/3 β-carotene trong chế
độ ăn uống được hấp thụ vào ruột, và 1 nửa của chúng được chuyển đổi thành
retinol. Phần còn lại được lưu trữ trong chất béo dự trữ của cơ thể (Minguez-
Mosquera và cộng sự, 2002).
Trong lĩnh vực dược phẩm và y học, β-caroten được coi là một loại biệt
được rất hữu hiệu trong việc phòng, chữa trị các bệnh nan y và còn được coi như
một liều thuốc làm tăng tuổi thọ cho loài người. Những nghiên cứu gần đay cho
thấy β-caroten nhân tạo có liên quan đến hiện tượng biến đổi nhiễm sắc thể, dẫn
đến nguy cơ ung thư trong khi đó thì β-caroten tự nhiên lại có khả năng chống lại
sự sai khác này, do đó, có khả năng ngăn ngừa được bệnh ung thư.
Tính độc của β-caroten cũng được quan tâm nhiều, đối với các sản phẩm
tự nhiên do có thêm một số các đồng phân khác nên không gây độc tính dù sử
dụng ở nồng độ cao, trong khi đó thì β-caroten tổng hợp hóa học lại chỉ bao gồm
toàn cấu hình trans nên gây độc khi sử dụng với liều lượng cao. Vì vậy, xu hướng

12

hiện nay chủ yếu tập trung vào sản xuất β-caroten theo con đường sinh tổng hợp
tự nhiên.
Đối với β-caroten khi ở dạng tiền vitamin A, nó bảo vệ nhiễm sắc tố da
chống lại hiệu ứng có hại của các tia tử ngoại. Người ta khuyên nên dùng bổ sung
β-caroten trước khi làm việc lâu dài dưới ánh nắng mặt trời. Nó có thể giúp da
phòng chống bệnh ung thư da trong một thời gian dài.
Dựa trên các nghiên cứu, người ta đã kết luận rằng β-carote cùng với
vitamin C, E, đồng, mangan thì vitamin A, β-carotene có vai trò quyết định đến
sự ngăn ngừa, chống lại các gốc tự do (các chất tự do kém bền và hoạt động
mạnh. Nó có khả năng kết hợp với các phân tử khác, đặc biệt là lipid và gây nên
một phản ứng dây chuyền cực kỳ nguy hiểm đối với tế bào và là nguồn gốc của
các căn bệnh như tim mạch, quá trình lão hóa, giảm trí nhớ, ung thư…) (Young
và cộng sự 2003).
Đối với động vật có vú, β-caroten giữ chức năng sinh học quan trọng
trong quá trình phát triển các thể như: phát triển thị giác, vị giác, tăng đáp ứng
miễn dịch, tăng sự sinh sản và tạo tinh trùng. Tác động chủ yếu của β-caroten
không chỉ là chống oxy hóa mà còn trao đổi thông tin từ tế bào này đến tế bào
khác, tác động tới cấu trúc và chức năng của màng tế bào, tăng cường sự đáp ứng
miễn dịch của cơ thể. Chính vì vậy mà nó được xác định là chất điều hòa dinh
dưỡng.
Đặc biệt, β-caroten không độc đối với cơ thể khi sử dụng ở liều lượng cao
và kéo dài, trong khi nếu ta sử dụng vitamin A kéo dài và với liều cao thì sẽ gây
rối loạn thị giác, rố loạn chức năng gan. Nguyên nhân chính là do cơ thể chuyển
hóa β-caroten thành vitamin A khi có nhu cầu. Chỉ 1/6 lượng β-caroten chuyển
thành vitamin A (Goodwin, 1980).
β-caroten có hai đồng phân trans- và cis-β-caroten, trong đó, trans-β-
caroten có thể chuyển thành dạng cis-β-caroten. Dạng đồng phân trans β-caroten
con người có thể hấp thụ và sử dụng được. Hiện tại thì các nghiên cứu chỉ ra rằng

13

khi sử dụng β-caroten tổng hợp β-caroten tự nhiên( có cả cis và trans) thì tốt hơn
là sử dụng β-caroten tổng hợp theo con đường hóa học chỉ chứa dạng trans.
c. Tính chất chống oxy hóa
β- carotene là chất có hoạt tính chống oxy hóa ( Palozza và Krinsky
, 1992) . Tuy nhiên hoạt tính này thấp hơn Lycopene và một vài carotenoids
khác.
Cơ chế chống oxy hóa:
Trong cơ thể, carotenoids nói chung và β-caroten nói riêng có khả năng triệt tiêu
các gốc tự do, dập tắt các chuỗi phản ứng dây chuyền. Nhờ có hệ thống liên hợp,
nó vô hiệu hóa phân tử oxi bị kích hoạt (1O2). Một phân tử β-caroten có hấp thụ
năng lượng của oxy nguyên tử rồi giải phóng năng lượng ấy dưới dạng nhiệt vô
hại.
1O2 + β-caroten→ β-caroten* + β-caroten* → β-caroten + Q(vô hại)
1.1.5.1.4. Lợi ích sức khỏe
β- carotene là một nguồn provitamin A phong phú trong thức ăn để
giúp phòng ngừa thiếu vitamin A. vitamin A đóng vai trò quan trọng trong nhiều
bộ phận của cơ thể, như hệ thống miễn dịch, thị giác, cơ quan sinh sản, … β-
carotene đã được công nhận là hợp chất chống ung thư (Van và Goldbohm,
1995).
1.1.5.1.5 Ứng dụng và sản xuất thương mại của β-carotene
Ngày nay, tác dụng phụ của chất hóa học trong thức ăn và sản xuất nông
nghiệp là mối quan tâm lớn của các nhà khoa học. Màu nhân tạo, hàn the và chất
bảo quản trong quy trình sản xuất thực phẩm , sự phân hủy của chất bảo vệ thực
vật tích tụ trong cơ thể sẽ gây ra bệnh ung thư và nhiều căn bệnh nguy hiểm
khác. Từ lý do này , chất chống oxy hóa từ nguồn tự nhiên là nhu cầu rất lớn
trong thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm. Lycopene và β-carotene có nhiều
đóng góp trong các lĩnh vực này.

14

Về màu thực phẩm: màu đỏ cam của Lycopene và β- carotene có nguồn
gốc tự nhiên đã được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm và nước giả khát, chúng
được cho là an toàn hơn các màu nhân tạo khác. Những sắc tố này có thể được
tổng hợp hoặc chiết xuất từ những nguồn tự nhiên. Chúng được tăng cường và
sửa chữa hoặc đóng góp từ màu thực phẩm như cam, kẹo , bơ, pho mát và nước
mắm. Và xa hơn nữa , chúng có thể được sử dụng như là chất chống oxy hóa để
kéo dài tuổi thọ của sản phẩm.
Về vấn đề bổ sung dinh dưỡng : β- carotene được coi như là chất có hoạt
tính như provitamin A. nó được bổ sung vào thực phẩm để làm tăng giá trị dinh
dưỡng trong các sản phẩm đặc biệt như sữa, nước uống tăng lực và nước trái cây.
β- carotene có thể được bổ sung vào thức ăn chăn nuôi để làm tăng chất lượng
của trứng và sữa.
Về thành phần dược phẩm : lycopene và β- carotene tinh khiết được sử
rộng rãi trong các sản phẩm dược phẩm như các vitamin dạng viên được bổ sung
dần dần hoặc cho các bệnh nhân thiếu hụt vitamin. Nó còn là thành trong thuốc
kết hợp chống lại bệnh ung thư. Mặc dù mới chỉ gần đây , lycopene mới được sử
dụng trong ngành công nghiệp dược phẩm , nhưng rất nhiều sản phẩm có nguồn
gốc lycopene được tìm thấy trong các lĩnh vực thương mại như chất hỗ trợ chống
oxy hóa, sức khỏe tim mạch và da. Không chỉ là những chất màu trong thực
phẩm , lycopene và β-carotene còn có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong việc
điều chế thuốc chống ung thư và hỗ trợ điều trị bệnh ung thư, nó có nhu cầu cao
trong việc điều trị cho hơn 10 triệu bệnh nhân mắc bệnh ung thư mỗi năm.
(Frankish, 2003).

1.1.5.2. Lycopene
Việc tiêu thụ nhiều rau và trái cây trong chế độ dinh dường hàng ngày được xem
là một yếu tố quan trong để đảm bảo sức khỏe. Các bà nội trợ hiện nay thường

quan tâm đến các loại thực phẩm chứa nhiều vitamin C, vitamin E, β-caroten và

15

các carrotenoids khác. Những hợp chất này dề dàng tìm thấy ở các loại trái cây
và rau củ màu đỏ, vàng, cam. Trong số các hợp chất nhóm carotenoid, lycopene
được xem là chất chống oxi hóa hiệu quả nhất.
Lycopene tạo nên sắc tố đỏ và là hợp chất được biết đến rộng rãi trong
gấc, cà chua. Mặc dù dưa hấu, ổi xá lị, bưởi đỏ và đu đủ cũng có chứa lycopene,
nhưng với hàm lượng rất nhỏ.
Chức năng sinh học của lycopen phu thuộc vào cấu trúc đồng phân hình
học. Lycopen luôn ở dạng trans ở cà chua tươi, còn trong các sản phẩm cà chua
đã chế biến, 79-91% lycopen ở dạng trans. Tuy nhiên, hơn 50% lycopen trong
mô tế bào là đồng phân cis. Cơ chế chuyển hóa chuyển hóa từ đồng phân dạng
trans sang dạng cis hiện nay vẫn chưa được hiểu rõ. Sự chuyển hóa này có thể là
do sự gia nhiệt trong quá trình chế biến thức ăn, hoặc là do quá trình tiêu hóa
thức ăn… Lycopen là hợp chất tan trong dầu, do đó việc hấp thu lycopne phải
trải qua quá trình khuếch tán thụ động xuyên qua niêm mạc ruột. Quá trình hấp
thu lycopen gồm bốn giai đoạn: tiêu hóa thức ăn; kết hợp tạo các hạt micelle
(muối mật và các hạt lipid kết hợp với lycopen) và hình thành các hạt
chylomicron (một loại lipoprotein vận chuyển lycopen vào plasma); hấp thụ qua
niêm mạc ruột; vận chuyển đến mô và tế bào thông qua hệ thống hạch lympho.
Hai nhóm khoa học Franceschi và cộng sự, (1994) và Ocké, (1996),
nghiên cứu về lycopene cuả quả cà chua đỏ (red tomato) và cho rằng nếu tiêu thụ
nhiều quả cà chua tươi thì có trong cơ thể có rất cao lycopene nhưng rất nghèo về
beta-carotene. Các nghiên cứu và khảo sát tại Ý và Netherlands đã chứng minh
rằng, Lycopene trong cà chua có tác dụng hiệu quả đến việc làm giảm tỉ lệ ung
thư ở phần trên và phần dưới ruột như: thực quản, dạ dày, kết tràng và trực tràng,
và nhất là làm giảm đáng kể nguy cơ ung thư tuyến tụy Nghiên cứu ung thư tại
trường Y khoa Harward (Harward Medical School), Boston, USA (2004) có công

bố về sự nghiên cứu liên quan đến lycopene trong việc ngăn ngừa sự suy thóai

16

tim mạch, ung thư tiền tuyến liệt và bao tử đến đường ruột đều liên quan đến hoạt
tính sinh học của Lycopene.
Rất nhiều các khoa học gia cho rằng càng tiêu thụ nhiều cà chua thì đồng
thời làm giảm đi nhiều dạng ung thư (cancer types) trong cơ thể, vì cà chua có
chất chống oxy hóa, và lycopene được coi là những yếu tố quan trọng trong việc
bảo vệ sức khỏe. Các thí nghiệm và kết luận về lycopene trong việc ngăn ngừa
ung thư được các nhóm nghiên cứu cho rằng chính lycopene là nhân tố chủ yếu
trong việc ngăn ngừa và ức chế các lọai bướu (lành hay dữ) có hiệu quả cao nhất.
1.1.6. Các nguồn carotenoids trong tự nhiên
Carotenoids là sắc tố tự nhiên tạo ra màu vàng, da cam, đỏ trong rất nhiều
các loại hoa quả( gấc , chanh, đào, mơ, cam, nho, ); rau ( cà rốt, cà chua,…);
nấm và hoa; chúng còn có mặt trong hầu hết các loài động vật cũng như các sản
phẩm từ động vật như : trứng, tôm, cá,…
Theo kết quả điều tra của các nghiên cứu trước đây, trong giới thực vật,
nguồn carotenoids phổ biến nhất có mặt trong quả Gấc, và một số loài thực vật
quen thuộc như cà rốt, cà chua, đu đủ, rau ngót, … trong giới vi sinh vật, người
ta đã nghiên cứu và thu nguồn carotenoids từ sinh khối nấm sợi.
Sau đây là bảng thành phần của beta-carotene trong 1 số loài thực vật
phổ biến tại Việt Nam (điều tra hợp chất carotenoids trong một số loài thực vật
ở VN, nguồn tạp chí khoa học DDHQGHN, Khoa học tự nhiên và công nghệ 23
(2007) 130-134).


17

Bảng 1.3: Bảng thành phần của beta-carotene trong 1 số loài thực vật

phổ biến tại Việt Nam
(Hàm lượng Beta-carotene trong 100g thực phẩm ăn được)
Tên thực phẩm
Beta-carotene
(mcg)
Tên thực phẩm
Beta-carotene
(mcg)
1. Gấc 52520 18. Cải trắng 2365
2. Rau ngót 6650 19. Rau om 2325
3. Ớt vàng to 5790 20. Rau muống 2280
4. Rau húng 5550 21. Đu đủ chín 2100
5. Tía tô 5520 22. Cần ta 2045
6. Rau dền cơm 5300 23. Rau bí 1940
7. Cà rốt 5040 24. Rau mồng tơi 1920
8. Cần tây 5000 25. Trái hồng đỏ 1900
9. Rau đay 4560 26. Cải xanh 1855
10. Rau kinh giới 4360 27. Rau lang 1830
11. Dưa hấu 4200 28. Xà lách xoong 1820
12. Rau dền đỏ 4080 29. Hẹ lá 1745
13. Lá lốt 4050 30. Dưa bở 1750
14. Ngò 3980 31. Rau tàu bay 1700
15. Rau thơm 3560 32. Quýt 1625
16. Rau dền trắng 2855 33. Hồng ngâm 1615
17. Thìa là 2850 34. Khoai lang bí 1470

Như chúng ta đã biết, vai trò của carotenoids là rất quan trọng đối với sức
khỏe con người như: khả năng chống ung thư, khả năng bảo vệ tế bào chống lại
sự oxy hóa, lão hóa thủy tinh thể, chống hiện tượng xơ vữa động mạch. Mà tất cả

18

các điều đó là phụ thuộc vào hàm lượng lycopene, β-carotene và lutein có trong
mỗi loài thực vật.
Sau đây là bảng hàm lượng các carotenoids quan trọng có trong các mẫu
thực vật.
Bảng 1.4. Hàm lượng một số carotenoids trong các mẫu thực vật

1.1.6.1. Nguồn carotenoids từ Gấc
1.1.6.1.1. Gấc
Gấc có tên khoa học là Momordica cochinchinesis (Lour) Spreng, họ Bí
(Cucurbitaaceae) bộ Violales. Gấc còn có tên khác là Muricia cochinchinensis
Lour., Momordica macrophylla Gage, Momordica mixta Roxburgh.Ở một số
nước Gấc còn được gọi là: Mộc Miết (Trung Quốc), Spiny bittercucumber,
Chinese cucumber (Anh), Makkao (Khơ Me),…