các hợp chất thứ cấp ảnh hưởng đến màu sắc của hoa

PHẦN 1. MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề:
Tất cả các sinh chất tùy theo điều kiện cụ thể là các chất có hoạt tinh sinh học (theo
hướng có lợi và không có lợi). Các sinh chất này được phân loại thành hai nhóm sơ cấp
và thứ cấp. Nhóm chất sơ cấp là những chất cơ bản nhất, cần thiết để duy trì sự sống. Đó
là protein, nucleic acid, carbonhydrat, lipid. Chúng thường là những polymer sinh học có
phân tử lượng (MW) cao. Nhóm chất thứ cấp thường có MW nhỏ. Đó là các nhóm chất
phenol, isoprenoid, dẫn xuất chứa nito (trong đó có alkaloid), các peptid, kháng sinh,
vitamin… Là những chất thể hiện hoạt tính sinh học giúp chuyển hóa vận động hoạt động
sống.
Thực vật là nguồn cung cấp các hợp chất dùng làm dược liệu hoặc phụ gia thực phẩm
có giá trị. Những sản phẩm này được biết như là các chất trao đổi thứ cấp, thường được
hình thành với một lượng rất nhỏ trong cây. Các hợp chất này có ở hầu hết ở các bộ phận
của cây như: lá, củ, quả, hoa.
Chúng là sản phẩm của các phản ứng hóa học của thực vật với môi trường, là sự bảo vệ
hóa học chống lại vi sinh vật và động vật.
Những nghiên cứu về các hợp chất thứu cấp có nguồn gốc từ thực vật đã phát triển từ
cuối những năm 50 của thế kỉ 20 (Rao và cộng sự, năm 2002).
Các chất trao đổi thứ cấp có thể xếp trong ba nhóm chính là alkaloid, tinh dầu và
glycoside.
2. Vai trò các hợp chất thứ cấp đối với thực vật
2.1. Alkaloid:
Các alkaloid có dạng tinh thể là các hợp chất chứa nitrogen, có hoạt tính sinh lí trên tất
cả các loài động vật và được sử dụng trong công nghiệp dược. Họ alkaloid bao gồm:
-

Codein


-

Nicotine

-

Caffeine

-

Morphine

Một số loài thực vật có chứa nhiều alkaloid như: cây thuốc phiện, cà độc dược, thuốc lá,
khoai tây…
Alkaloid có thể tập trung trong toàn cây, cũng có thể tùy theo bộ phận của cây mà tạo ra
những alkaloid khác nhau.
Vai trò của alkaloid:
-

Tác dụng lên hệ thần kinh (caffeine, atrophin,strychin…)

-

Tác dụng lên cơ (veratrin, atropine…)

-

Tác dụng lên mạch máu (hydrastin, ephedrine…)

-

Tác dụng lên bộ máy hô hấp (morphin…)

Alkaloid được sử dụng với liều lượng nhỏ để làm thuốc chữa bệnh, với liều lượng thường
gây độc.
2.2. Tinh dầu:
Các tinh dầu chứa hỗn hợp terpenoid, được sử dụng như chất mùi, chất thơm và dung
môi. Giống như những lipid khác, các terpenoid không tan trong nước.
2.3. Glycoside
Các glycoside bao gồm các hợp chất phenol và flavonoid, saponin và các cyanogenic
glycoside. Được sử dụng trong làm thuốc nhuộm, chất mùi thực phẩm và dược phẩm.
Để tìm hiểu về các hợp chất thứ cấp ảnh hưởng về màu sắc hoa, chúng ta tìm hiểu về các
hợp chất flavonoid. Bởi vì đây là một trong những yếu tố quyết định đến màu sắc của
hoa.
2.4. Flavonoid (Bioflavanoid)


2.4.1. Tổng quát về các hợp chất flavonoid
Flavonoid là một hợp chất lớn, phân bố rộng rãi trong các sắc tố của thực vật. Là nhóm
chất thứ cấp gồm khoảng hơn 5000 chất có cấu tạo chủ yếu là C15. Phần lớn các
flavonoid có màu vàng, một số có màu xanh, tím đỏ, một số khác lại không màu. Họ
nước hòa tan, hiện diện trong không bào của thực vật, là cấu trúc màng kín trong các tế
bào, có vai trò trữ nước và chất dinh dưỡng.
Bằng cách gắn thêm các gốc –OH, hoặc –OCH3 và thường ở dạng phức với glucose và
acid hữu cơ, đã tạo ra những nhóm chất phổ biến như flavonone, anthocyanin,
flavon,catechine, rotenone…
Các flavonoid quan trọng ảnh hưởng tới màu sắc hoa như: pelargonidin (màu đỏ),
cyanidin (màu tím), và delphinidin (màu xanh), (màu vàng hoặc trắng ngà) flavonol, đặc
biệt là anthocyanins (được hòa tan trong nhựa tế bào). Màu sắc của sắc tố anthocyanin
phụ thuộc vào độ pH của nhựa tế bào: ở Brunfelsia australis(Mount Lily) hoa màu tím,
chuyển sang màu trắng khi về già bởi sự thay đổi pH.
Có nhiều cách phân loại khác nhau, cách phân loại thường dùng là dựa vào vị trí của gốc

aryl (vòng B) và các mức độ oxy hoá của mạch 3C.


Phần lớn các flavonoid có thể xem là các dẫn xuất có gốc phenyl.
Quá trình sinh tổng hợp flavonoid là một quá trình biến dưỡng tổng hợp tự nhiên đã được
nghiên cứu một cách rất sâu rộng. Theo đó, hợp chất flavonoid được sinh tổng hợp theo
con đường sinh tổng hợp phenylpropanoid, chính là con đường tổng hợp thứ cấp chủ yếu
trong tất cả thực vật bật cao. Hầu hết các enzyme cũng như các đoạn gene tương ứng cần
thiết cho quá trình trên đều đã được nghiên cứu cụ thể; trong số đó nhiều protein đã được
tinh thể hóa và phân tích cấu trúc[1].”
Con người đã bị thu hút bởi màu sắc hoa có lẽ một thời gian rất dài, thậm chí trước khi
bắt đầu nền văn minh. Hầu hết hàng ngàn sắc đỏ và sắc tím đó bắt nguồn từ flavonoid,
một nhóm sắc tố độc đáo nhưng là những sản phẩm vô cùng phổ biến của quá trình biến
dưỡng thứ cấp qua con đường phenypropanoid.
2.4.2. Vai trò của flavonoid trong hoa
-

Dùng để thu hút côn trùng và các loài động vật khác giúp cho quá trình thụ phấn
chéo [2]. Cấu trúc và sự kết hợp độc đáo của các flavonoid ở mỗi loài khác nhau
tạo nên các quang phổ cực tím và được nhìn thấy bởi các loài côn trùng và động
vật lớn hơn giúp gia tăng hiệu quả của việc thụ phấn và sự thụ tinh của hoa.


-

Giúp chống lại bức xạ cực tím [3] và có vai trò như một chất bảo vệ chống lại
mầm bệnh giống như vai trò của chúng ở những cơ quan khác của thực vật.

-

Flavonoids có thể hoạt động như một chất chuyển giao hóa học hoặc điều chỉnh
sinh lý. Đóng vai trò quan trọng trong sự nảy mầm của hạt phấn, nghiên cứu của
Van der Meer và cộng sự năm 1992 [4] từ đó chứng minh những sắc tố này có
chức năng vô cùng quan trọng trong vai trò chính yếu của hoa là sinh sản.

-

Trong thực vật bậc cao, flavonoids tham gia vào lọc tia cực tím (UV)

-

Flavonoids cũng có thể hoạt động như các chất ức chế chu kỳ tế bào.

Cấu trúc của flavonoid gồm có bộ khung carbon C6-C3-C6 thường có hai vòng thơm
(vòng A và B) và một vòng carbon có một nguyên tử oxygen.
Sắc tố anthocyannins là một phân nhóm của flavonoid hiện diện chủ yếu trong không bào
của tế bào thực vật. Dựa vào các nhóm OH của vòng B, có ba nhóm anthocyanin chính
được tìm thấy trong thiên nhiên là pelargonidin, cyanidin và delphinidin. Methyl hóa
cyanidin và delphinidin tạo ra thêm ba nhóm anthocyanin bổ sung nữa là peonidin,
petudin và malvidin [5].
Chiết suất được flavonoid trong hoa để phục vụ cho y học:
- Flavonoid nâng cao tính bền của thành mạch máu như rutin.
- Một số có tác dụng đối với một số dạng ung thư, ví dụ:
Eupatin (3,5’,3’-trihidroxi-6,7,4’-trimetoxi flavon); eupatoretin (3,3’-dihidroxi-5,6,7,4’tetrametoxi flavon).
- Các Flavonoid có tác dụng estrogen: năm 1958, Fretoritus đã nghiên cứu tác dụng
estrogen của một số nhóm chất cho thấy các glycozit quecxetin và kaempfer-3-ol-3ramnogalacto-7-ramnozit đều có tác dụng estrogen.
Ngoài ra Flavonoid còn có những tác dụng khác như: chống dị ứng, chống co giật,
giảm đau, nghẽn mạch, nghẽn phế quản, lợi mật, diệt nấm,…

2.4.3. Flavonoid và màu sắc hoa
Màu sắc của hoa được xác định bởi các yếu tố trong tế bào cũng như các yếu tố điều
khiển sự phân bố theo thời gian và không gian của các sắc tố ở cấp độ mô – cơ quan thực
vật. Trong các tế bào của cánh hoa, màu sắc được điều hòa bởi ít nhất 6 yếu tố sau:
-

Sinh tổng hợp anthocyanin – là yếu tố quan trọng nhất

-

Sinh tổng hợp các sắc tố khác như carotenoid và betalain

-

Sự chuyển đổi các phân tử anthocyanin cơ bản trong các quá trình hydro hóa,
methyl hóa hoặc kết hợp.

-

Các sắc tố phụ như flavone và các ion kim loại

-

Sự thay đổi của pH trong không bào.

-

Cấu trúc và đặc tính sinh hóa của các siêu phân tử sắc tố.

Tất cả yếu tố trên đều có khả năng thay đổi cường độ và quang phổ của màu sắc hoa. Từ

những năm đầu của thế kỷ 19 từ khi nhà di truyền học Gregor Mendel coi màu hoa như là
một marker trong các thí nghiệm di truyền cổ điển của ông, sự khám phá flavonoid đã
đóng góp rất to lớn cho sự phát triển của nền sinh học hiện đại. Ngược lại sự phát triển
của sinh học hiện đại cũng giúp các nhà khoa học hiểu biết một cách sâu rộng khoa học
di truyền và sinh hóa của màu sắc hoa.
Anthocyanins là chất phổ biến nhất trong các flavonoid, quy định màu cam, đỏ hoặc
xanh. Hiện diện trong cả hoa, trái cây, rau quả như: hoa hồng, táo, anh đào.
2.5. Betalains
Giống như flavonoid, betalains là một nhóm sắc tố cấu trúc phức tạp, cũng đóng một vai
trò quan trọng trong việc thu hút các loài động vật và quyết định một loạt các màu sắc
tương tự. Các betalains bao gồm hai nhóm: màu tím đỏ (betacyanin) và màu vàng cam
(betaxanthin) sắc tố. Betalains chỉ được tìm thấy trong nhóm cây hai lá mầm, có hoa như:
-

Các loài thuộc bộ Caryophylalles (Centrospermae) – bộ Cẩm chướng: gây
ra màu đỏ thẫm của hoa Amaranthus.


-

Chi Bougainvillea (Santa Rita) – chi Hoa giấy

-

Một số loài xương rồng nhất định

-

Nấm Amanita muscaria

Luôn luôn độc lập với anthocyanins.

Hình 1: Caryophylalles

Hình 3: Loài xương rồng tiêu biểu có
betalins trong hoa

Hình 2: Bougainvillea

Hình 4: Nấm độc Amanita muscaria


3. Flavonoid
-

Trong không bào

-

Màu từ đỏ đến tím

Hình 5: Cấu trúc cơ bản của
flavonoid

Hình 6: Các flavonoid tạo màu ở hoa

3.1. Flavonol (màu vàng)
Tên gọi khác 3-hydroxyflavone. Có cấu
trúc 3-hydroxy-2phenylchromen-4-one

Hình 7: Màu vàng của flavone


Hình 8: Flavonol
Các Flavonol đều hòa tan trong nước. Cường độ màu của chúng phụ thuộc vào vị trí
nhóm OH: màu xanh nhất khi OH ở vị trí ortho.
Flavonol là glucoside làm cho hoa có màu vàng và da cam. Khi flavonol bị thủy phân thì
giải phóng ra aglucone màu vàng. Có rất nhiều các flavonol, nhưng thường gặp hơn cả là
những aglucone dẫn xuất sau:
-

Kaempferol: có trong hoa tử vân anh và trong hoa hồng

Hình 9: Tử vân anh (Astragalus sinicus L) và hoa hồng

-

Quercetin:

Có nhiều trong hoa houlon
Ngoài ra người ta còn tìm thấy quercetin trong hoa kim
tước Ulex europeau (sống ở vùng Colombia), hoa Rosa
Hình 10: Hoa houlon


Foetida. (6)

Hình 11: Ulex europeau và Rosa Foetida

-

Myricetin : được tìm thấy trong loài Lathyrus pratensis

Hình 12: Lathyrus pratensis


Quercetin là một dạng flavonol ảnh hưởng sắc hoa vàng phổ biển nhất. Flavonol tương
tác với sắt cho ta phức màu xanh lá cây, sau chuyển sang màu nâu. Phản ứng này thường
xảy ra khi gia nhiệt rau quả trong thiết bi bằng sắt hoặc bằng sắt tráng men bị dập.
Với acetate, flavonol cho phức màu vàng xám. Trong môi trường kiềm, flavonol
rất dễ bị oxy hóa và sau đó ngưng tụ để tạo thành sản phẩm màu đỏ.
3.2. Chalcone
3.3. Anthocyan
3.3.1. Cấu tạo:
Các anthocyanin khi bị mất hết các nhóm đường được gọi là anthocyanidin hay aglycone
Tất cả anthocyanin đều có chứa vòng pyran oxy hóa trị tự do

Hình 13: Cấu tạo của anthocyanin

Anthocyanine là nhóm đáng chú ý nhất trong các flavonoid và đảm nhận những chức
năng khác nhau trong cây. Anthocyanine trong cánh hoa có nhiệm vụ thu hút các tác
nhân thụ phấn và giúp phân tán hạt giống. Mặt khác, anthocyanin và các flavonoid khác
cũng có vai trò chống oxy hóa, ngăn cản tác dụng của tia UV (Holton và Cornish 1995).
Anthocyanin ở trong mô của cây tồn tại dưới dạng glucoside với bộ khung carbon C6-C3C6. Có rất ít hợp chất phenolic có khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và anthocyanin là


phân nhóm quan trọng duy nhất của polyphenol mà mắt người có thể nhìn thấy được
(Brouillard và cộng sự 1997).
Anthocyanine là nhóm sắc tố tan trong nước quan trọng nhất trong mô thực vật, tạo ra
màu đỏ, xanh, tím, đen và những màu trung gian của rất nhiều loài hoa.

Hợp chất tạo

Số hợp chất

màu

hiện có

Flavonoids

Anthocyanins

Màu

Các tác nhân nhạy cảm

>600

Vàng

Oxy, acid mạnh, nhiệt

<150

Đỏ, xanh

pH, nhiệt, ánh sáng, cation kim loại

Có 3 anthocyanin chính là: pelargonidin, cyanidol và delphinidol

Hình 15: Pelargonidin

Hình 16: Cyanidin (màu xanh)

Hình 14: : Delphinidin

Hình 17: Orange Violet Pansies, Bougainvillea Spectabilis, Alcea rosea nigra


3.3.2. Tính chất của anthocyanin:
Các anthocyanin hòa tan tốt trong nước và trong dịch bão hòa. Khi kết hợp với đường
làm cho phân tử anthocyanine càng hòa tan hơn.
Màu sắc của các anthocyanine tạo ra luôn luôn thay đổi phụ thuộc vào pH của đất, ánh
sáng và nhiệt độ….
 pH
Cẩm tú cầu : Nếu đất có pH= 6.0 sẽ tạo ra hoa màu hồng trong khi độ pH=5.5 sẽ tạo ra
màu xanh. Sự tồn tại của Al trong đất ảnh hưởng đến pH. Khi có Al, môi trường có tính
acid. Al tạo phức với anthocyanins có thể thay đổi màu sắc của anthocyanin từ màu hồng
sang màu xanh.

Hình 18: Cẩm tú cầu ở pH=5.5 (có màu xanh) và pH=6.0 (có màu hồng)

Đối với hoa rau muống, đặc biệt
là rau muống biển, ở độ pH
khoảng 6.5 những bông hoa tươi
có màu hồng. Như những bông
hoa già, pH khoảng 7.5 và hoa
xanh hơn.
Hình 19: Hoa rau muống ở pH=6.5 (có màu hồng) và
pH=7.5 (có màu xanh)

 Ánh sáng và nhiệt độ:
Ánh sáng và nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng đáng kể màu sắc hoa. Cường độ ánh
sáng cao trong quá trình phát triển hoa cũng có thể dẫn đến màu sắc sống động hơn. Ở
cường độ ánh sáng cao, quá trình quang hợp diễn ra với tốc độ rất nhanh chóng dẫn đến
việc sản xuất lượng tăng đường. Khi nhiệt độ thấp, tăng trưởng của cây bị chậm lại, hạn
chế lượng đường cần thiết cho hô hấp. Cường độ ánh sáng cao cho phép các cơ quan tích
lũy dự trữ đường. Phân tử đường và các phân tử anthocyanin có mối quan hệ ràng buộc
với nhau và có tác dụng ổn định màu sắc.
Ngoài ra, khi cường độ ánh sáng cao, việc sản xuất anthocyanin tăng đáng
kể. Anthocyanin giúp bảo vệ các tế bào tránh các bức xạ từ mặt trời. Tất cả những yếu tố
kết hợp với nhau dẫn đến sự gia tăng anthocyanin khi nhiệt độ thấp và cường độ ánh sáng
cao.
Cường độ ánh sáng cao và nhiệt độ cao có thể phá vỡ các anthocyanin làm màu sắc của
hoa nhạt dần. Để duy trì màu sắc rực rỡ, những bông hoa có thể được đặt trong một
cường độ ánh sáng thấp, môi trường mát mẻ để tránh phai màu sắc.
Khi tăng số lượng nhóm -OH trong vòng benzene thì màu xanh càng xanh đậm (trong
vòng benzene có thể có 1-2 hoặc 3 nhóm OH).
Mức độ methyl hóa các nhóm -OH ở trong vòng benzene càng cao thì màu càng đỏ. Nếu
nhóm -OH ở vị trí thứ 3 kết hợp với các gốc đường thì màu sắc cũng sẽ thay đổi theo số
lượng các gốc đường được tính vào nhiều hay ít.
Các anthocyanine cũng có thể tạo phức với các kim loại để cho các màu khác nhau:
chẳng hạn muối kali sẽ cho với anthocyanine màu đỏ máu, còn muối calci và magie sẽ


cho với anthocyanine phức có màu xanh ve. Điểm đáng chú ý là màu sắc của các
anthocyanine phụ thuộc rất mạnh vào pH của môi trường. Thông thường:
-

Khi pH > 7 các anthocyanine cho màu xanh

-

Khi < 7 các anthocyanine có màu đỏ

Ví dụ: Hoặc như cyanin có trong hoa hồng, màu sắc sẽ thay đổi khi pH của dịch bào thay
đổi.
Màu sắc của anthocyanine còn có thể thay đổi do hấp thụ ở trên polysaccharide. Các màu
sắc khác nhau của hoa có được là do tổ hợp các anthocyanin và các ester methylic của
chúng với acid và base.
Tóm lại, trong môi trường acid, các anthocyanin là những base mạnh và có thể tạo muối
bền vững với acid. Anthocyanin cũng có khả năng cho muối với base. Như vậy chúng có
tính chất amphote. Muối với acid thì có màu đỏ, còn muối với base có màu xanh.
4. Betalain
Betalain có tạo nên sắc tố vàng, tím, đến đỏ cho hoa.
Betalain là hợp chất tan trong nước, tạo nên sắc tố vàng và tím cho các loại cây thuộc
họ Caryophyllales (thay cho anthocyanin)
Betalain được chuyển hoá từ acid betalamic. Cấu trúc phân tử của betalain có chứa
nguyên tử N. Betalain gồm 2 dạng:
-

Betacyanin : tạo sắc
tố từ đỏ đến tím

-

Betaxanthin: tạo sắc
tố vàng.

Hình 20: Cấu trúc hoá học của anthocyanins (delphinidin),
betacyanins (betanidin) và betaxanthins


4.1. Betacyanin
Betacyanin được hình thành do sự kết hợp của betalamic acid với nguyên tử cyclo-DOPA
(cyclo-dihydroxy-phenylalanin) (Wyler and Dreiding, 1961).
Tất cả các betacyanin đều cần hai nguyên tử tyrosine như là tiền chất. Betacyanin đơn
giản nhất là non-glycosylated betanidin hoặc isobetanidin chromophores được tạo thành
do sự kết hợp của cyclo-DOPA với betalamic acid (Wyler et al., 1963). Các phân tử này
được phân biệt bởi nguyên tử C-15.

Hình 21: Betanidin và Isobetanidin được phân biệt bởi C-15

Các betacyanin khác được chuyển hoá từ hai isomer
nhóm hydroxyl của cyclo-DOPA bằng liên kết Oglycoside.
Nếu liên kết ở vị trí C5 thì gọi là betanin, betanin
được tìm thấy trong Cockscomb Crested tạo nên sắc

Hình 22: Cockscomb Crested

tố đỏ.
Vài betacyanin khác có liên kết glycoside ở vị trí C6
như gomphrenin. Ví dụ như hoa mười giờ Portulaca
grandiflora…

Hình 23: Hoa mười giờ giờ Portulaca
grandiflora

Hình 24: Sự tổng hợp các betalanin

4.2. Bethaxanthin
Bethaxanthin được hình thành bởi sự ngưng tụ của một amino acid hoặc một amine với
nhóm aldehyde của acid betalamic. Cấu trúc này đóng vai trò tạo nên màu vàng đậm hoặc
màu vàng cam trong rau quả, bước sóng hấp thu cực đại từ 470-486 nm.


Hình 25: Cấu trúc hoá học của betalamic acid , betaxanthin (indicaxanthin từ Opuntia
ficus-indica) và betacyanins (betanin từ Beta vulgaris)

Hình 26: Hoa xương rồng Opuntia ficus-indica và hoa cây dền tím Opuntia ficus-indica

Tất cả các protein amino acid và 220 non-protein amino acid được tìm thấy trong thực vật
có thể được tìm thấy trong cấu trúc phân tử betaxanthin. Sự phân loại betaxanthin dựa
vào amino acid hay amine gắn vào cấu trúc. Cấu trúc được tìm thấy đầu tiên là
indicaxanthin
từ trái Opuntia
ficus-indica.
(Piattelli et al,
1964)

Hình 27: Trái Opuntia ficus-indica

5. Ứng dụng
6. Kết luận: