TỔNG QUAN
Tổng quan về thanh long
1.1.1 Tên gọi và phân loại
Thanh long, hay còn gọi là Hylocereus undatus, là một loại trái cây thuộc họ xương rồng Cactaceae trong bộ Caryophyllales Tên gọi "thanh long" xuất phát từ hình dạng vỏ của trái, tương tự như vảy rồng.
Thanh long có nhiều loại với hình dáng bên ngoài tương tự nhau, nhưng sự khác biệt rõ rệt nằm ở kích thước, hình dạng quả và màu sắc của thịt quả Dựa vào màu sắc vỏ và thịt, thanh long được phân loại thành ba loại chính: thanh long vỏ đỏ-ruột trắng (Hylocereus undatus), thanh long vỏ đỏ-ruột đỏ (Hylocereus polyrhizus) và thanh long vỏ vàng-ruột trắng (Hylocereus megalanthus).
& cộng sự, 2009) Một số loại thanh long được thể hiện ở Hình 1.1
Hình 1.1: Các loại thanh long: H undatus, H polyrhizus, H megalanthus
(Theo thứ tự từ trái sang phải) 1.1.2 Phân bố và sinh thái
Thanh long có nguồn gốc chủ yếu từ các khu vực rừng nhiệt đới và cận nhiệt đới của
Mỹ Latin bao gồm các khu vực Bắc, Trung và Nam Mỹ (Luders & McMahon, 2006) Hiện nay, nhiều loại cây trồng từ khu vực này cũng đã được phát triển tại các nước Đông Nam Á như Việt Nam, Malaysia và Thái Lan.
Thanh long, một loại trái cây đặc sản, đã được người Pháp đưa vào Việt Nam và trồng cách đây hơn 100 năm Hiện nay, loại trái cây này chủ yếu được trồng ở các vùng miền Nam Trung Quốc, Đài Loan và một số khu vực khác, trong đó có Việt Nam.
1.1.3 Thành phần hóa học của thanh long ruột đỏ
Thanh long ruột đỏ đang trở nên phổ biến hơn trong cộng đồng tiêu dùng nhờ vào màu sắc hấp dẫn và các thành phần hóa học có lợi, được ứng dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực thực phẩm và y tế (Wu & cộng sự, 2006) Các thành phần hóa học này được trình bày chi tiết trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của thanh long ruột đỏ (Morton, 1987)
Thành phần Đơn vị Có trong 100 g thịt quả
Thanh long ruột đỏ không chỉ được sử dụng trực tiếp mà còn được ứng dụng trong các sản phẩm thực phẩm, nhờ vào hàm lượng chất xơ cao (30-50%, w/w), Kali (3.2-4 g/L) và chất chống oxy hóa (42.4 ± 0.04 mg acid gallic/100 g thịt quả) giúp cải thiện cấu trúc và thành phần dinh dưỡng Bên cạnh đó, loại trái cây này còn chứa prolinine tốt (1.1-1.6 g/L) và rất giàu acid béo thiết yếu, đặc biệt là acid linoleic (51%) có trong hạt.
Thanh long ruột đỏ có các tính chất hóa lý đáng chú ý với độ ngọt từ 7.1-10.7 ºBrix, pH 4.3-4.7 và hàm lượng acid tổng khoảng 2.4-2.5 g/L Đường chủ yếu trong loại quả này là glucose (55 g/L) và fructose (19 g/L), cùng với hai acid hữu cơ là acid citric và acid L-lactic Theo nghiên cứu của Rebecca và cộng sự, hàm lượng theamine trong 100g thịt quả là 0.3 mg, tổng polyphenol đạt 86.129 ± 17.016 mg/0.5 g acid gallic, và flavonoid là 2.3 ± 0.2 mg/g catechin Đặc biệt, thịt và vỏ thanh long ruột đỏ (Hylocereus polyrhizus) chứa lượng lớn betacyanin, một nhóm sắc tố tự nhiên tan trong nước, với tổng lượng betacyanin lúc chín từ 32 đến 47 mg/100 g thịt quả.
Ký hiệu E162, được nghiên cứu bởi Moreno và cộng sự (2008), được sử dụng để tạo màu cho nhiều loại thực phẩm như thịt, xúc xích, thịt muối, kem lạnh, nước giải khát, mứt và kẹo nhờ vào màu sắc hấp dẫn (Wu và cộng sự, 2006).
1.1.4 Công dụng của thanh long ruột đỏ
Các thành phần hóa học trong thanh long ruột đỏ, như polyphenol và flavonoid, đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học nghiên cứu về lợi ích sức khỏe của chúng (Rebecca & cộng sự, 2008).
Hoạt tính chống bệnh đái tháo đường
Thanh long ruột đỏ được biết đến là loại trái cây có đặc tính dược lý, có khả năng chống lại bệnh đái tháo đường (Omidizadeh & cộng sự, 2014) Nghiên cứu của Song.H và cộng sự đã chứng minh rằng thanh long có tác dụng tích cực đối với bệnh đái tháo đường thông qua việc tái tạo tế bào tuyến tụy và làm suy yếu yếu tố tăng trưởng nguyên bào FGF-21 (Song.H & cộng sự, 2013).
Hoạt tính chống oxy hóa
Nghiên cứu ngày càng cho thấy stress oxy hóa ảnh hưởng đến quá trình sinh hóa trong cơ thể, góp phần vào sự phát triển của các bệnh nguy hiểm như ung thư và bệnh tim mạch (Kanner & cộng sự, 2001) Gần đây, betacyanin đã được phát hiện có tính chất chống oxy hóa, giúp bảo vệ cơ thể khỏi một số bệnh liên quan đến stress oxy hóa (Rebecca & cộng sự).
Lớp màu đỏ của trái cây rất giàu vitamin, khoáng chất và chất màu, giúp tăng cường khả năng chống oxy hóa vượt trội so với các loại trái cây khác.
Hàm lượng betacyanin và betanin trong thanh long ruột đỏ lần lượt đạt 10.3 mg và 13.8 mg trên 100 g vỏ và thịt (Wu & cộng sự, 2006) Theo nghiên cứu của Nurliyana và cộng sự, vỏ thanh long ruột đỏ với nồng độ 1 mg/mL có khả năng ức chế 83.48 ± 1.02% gốc tự do DPPH.
Nước ép thanh long không chỉ giúp tăng cường khả năng chống lại các gốc tự do mà còn được đánh giá qua phương pháp hấp thụ gốc oxy hóa (Oxygen radical absorbance capacity) với fulorescein Hiệu quả chống oxy hóa của nước ép thanh long đã được chứng minh tương tự như các đặc tính của chất màu tự nhiên khi được tiêu thụ thường xuyên (Vaillant & cộng sự, 2005).
Hoạt tính chống ung thư
Nghiên cứu của Menon và cộng sự đã chỉ ra rằng thanh long ruột đỏ có khả năng chống lại sự tăng sinh của tế bào di căn ung thư vòm họng do tế bào u ác tính B16F10 gây ra Hơn nữa, betacyanin trong thanh long cũng có tác dụng ức chế tế bào ung thư buồng trứng và bàng quang, như đã được xác nhận bởi Zou và cộng sự vào năm 2005.
Các đặc tính dược lý khác
Gần đây, chiết xuất của thanh long ruột đỏ chống lại một số loại vi sinh vật như
Tổng quan về chất màu betacyanin
1.2.1 Khái niệm về chất màu betalain và betacyanin
Betalain là một nhóm sắc tố tự nhiên chứa nitrogen, có màu sắc đa dạng từ vàng, cam, đỏ tươi đến đỏ-tím, thường có trong nhiều loại rau củ như hoa xương rồng, vỏ thanh long và củ dền Chúng là dẫn xuất của acid betalamic, với cấu trúc hóa học đặc trưng Betalain đóng vai trò quan trọng trong việc chống oxi hóa, giúp ngăn chặn sự hình thành gốc tự do, được nghiên cứu trên các loại trái cây như táo, lê, chuối và cam Ngoài ra, betalain còn được xem là chất màu thực phẩm tự nhiên an toàn, có thể thay thế cho các chất màu tổng hợp, nhiều trong số đó đã được chứng minh là có khả năng gây ung thư.
Cấu trúc của betalain bao gồm 2 thành phần chính:
- Betaxanthin: là sắc tố có màu vàng-cam
Betaxanthin, một loại sắc tố màu vàng, là sản phẩm ngưng tụ của axit betalamic và amino acid hoặc amine Hai loại betaxanthin phổ biến nhất là glutamine-betaxanthin (vulgaxanthin I), được tìm thấy chủ yếu trong củ cải đỏ (Beta vulgaris L.), và indicaxanthin (proline-betaxanthin), sắc tố chính trong xương rồng vàng hình quả lê (Opuntia ssp.).
- Betacyanin: là sắc tố có màu đỏ-đỏ tím
Betacyanin là hợp chất glycosyl hóa chứa nitrogen tan trong nước, chủ yếu xuất hiện ở nấm bậc cao, cánh hoa, quả và lá của một số thực phẩm như củ dền, thanh long và củ cải đường Hợp chất này tập trung nhiều nhất trong củ cải đường và các loại quả thuộc họ xương rồng Betacyanin có khả năng hấp thụ ánh sáng trong khoảng bước sóng 476-600 nm, góp phần tạo nên màu sắc hấp dẫn cho nhiều loại rau, củ, quả nhờ sự hiện diện của các sắc tố betacyanin và betaxathin.
Hình 1.2: Một số loại thực vật chứa chất màu betalain
1.2.2 Cấu trúc hóa học của betacyanin
Betacyanin, đơn giản nhất là betanidin, được hình thành từ một phân tử acid betalamic liên kết với một phân tử cyclo-DPA Phần lớn betacyanin khác được tạo ra từ phản ứng glucosyl hóa các nhóm –OH tự do trên vòng cyclo-DOPA của betanidin, với glucosyl hóa thường xảy ra ở vị trí 5 Betacyanin quan trọng và phổ biến nhất trong tự nhiên là betanidin-5-glucosidase, có công thức phân tử C24N26O13 và khối lượng mol MU1.48 Cấu trúc phân tử của betacyanin và acid betalamic được trình bày trong Hình 1.3.
Hình 1.3: Cấu trúc của một số loai betacyanin thường gặp
1.2.3 Các tính chất của betacyanin
Betacyanin có 6 nối đôi liên hợp trong cấu trúc chính vì thế dẫn đến những tính chất lý-hóa đặc trưng
Do phân tử chứa nhiều nhóm chức phân cực (-OH, -COOH, -NH), các sắc tố betacyanin đều dễ tan trong nước hay dung dich ethanol-nước,…
1.2.3.2 Sự hấp thụ ánh sáng và màu sắc
Các phân tử betacyanin có khả năng hấp thụ bức xạ khả kiến trong vùng từ 534-554 nm và tạo nên màu đỏ đến đỏ-tím
Betacyanin là một hợp chất nổi bật với nhiều hoạt tính sinh học, bao gồm khả năng chống oxi hóa và loại trừ gốc tự do (Stinzing & cộng sự, 2002) Ngoài ra, betacyanin còn có tác dụng ức chế sự phát triển của tế bào ung thư buồng trứng và bàng quang (Zou & cộng sự, 2005).
Chất màu betacyanin dễ bị phân hủy trong quá trình chế biến và bảo quản, chịu ảnh hưởng lớn từ nhiệt, oxy, ánh sáng, pH và độ ẩm, dẫn đến sự mất màu trong sản phẩm Ánh sáng kích thích phản ứng hóa học và giảm năng lượng hoạt hóa của phân tử betacyanin Ngoài ra, betacyanin cũng dễ bị oxy hóa khi có mặt trong sản phẩm chứa hàm lượng nước cao hoặc ion kim loại như Fe3+ và Cu2+ Việc sử dụng bao bì thích hợp và chất chống oxy hóa như acid ascorbic có thể giúp hạn chế sự mất màu betacyanin.
Betacyanin có độ bền kém trong môi trường kiềm và nhiệt độ cao, dẫn đến quá trình thủy phân thành acid betalamic màu vàng và amine không màu Hình 1.4 minh họa sự thoái hóa của betacyanin.
Hình 1.4: Sự thoái hóa của betacyanin
Trong môi trường kiềm, betacyanin bị thủy phân, giải phóng glucose và betanidin Màu sắc của betacyanin thay đổi theo pH, với pH từ 3.5 đến 7.0 cho màu đỏ-đỏ tím và mức hấp thụ cực đại tại bước sóng 538 nm, đây là vùng pH ổn định cho màu sắc Khi pH dưới 3.5, màu sắc chuyển sang tím và mức hấp thụ dịch chuyển sang bước sóng 570-640 nm Ở pH trên 7, màu sắc trở thành tím-lơ đậm, đạt cực đại ở pH 9.0 với mức hấp thụ tại bước sóng 543-544 nm.
Nghiên cứu của Von Elbe chỉ ra rằng betacyanin có độ ổn định cao nhất trong khoảng pH từ 5.5 đến 5.8 khi có oxy, trong khi pH từ 4.0 đến 6.0 cũng cho thấy sự ổn định của hợp chất này Tuy nhiên, trong môi trường kiềm mạnh, betacyanin có thể bị thủy phân thành betanidin (màu đỏ) hoặc betaxanthin (màu vàng).
Ảnh hưởng của ánh sáng
Betacyanin dễ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng, với nghiên cứu của Attoe & Von Elbe cho thấy nước trái cây bảo quản trong điều kiện tối có hàm lượng betacyanin cao hơn so với khi lưu trữ trong ánh sáng Sự ổn định của betacyanin bị ảnh hưởng bởi ánh sáng, vì ánh sáng kích thích electron trong phân tử betacyanin đến trạng thái năng lượng cao hơn, dẫn đến tốc độ phản ứng tăng Đối với mẫu cô đặc, hàm lượng betacyanin không khác biệt đáng kể giữa hai điều kiện lưu trữ Attoe & Von Elbe cũng chỉ ra rằng khi nồng độ sắc tố tăng, ảnh hưởng của ánh sáng đến sự thoái hóa betacyanin trở nên không đáng kể Tuy nhiên, khi betacyanin tiếp xúc với ánh sáng và oxy, quá trình thoái hóa diễn ra nhanh chóng do oxy tấn công vào các gốc tự do, dẫn đến sự biến đổi màu của betacyanin.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nghiên cứu của von Elbe cho thấy rằng betacyanin phân hủy nhanh hơn khi nhiệt độ và thời gian gia nhiệt tăng Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì độ bền của betacyanin trong quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm.
& cộng sự, 1974) Theo báo cáo của Saguy & cộng sự trong 10 ngày bảo quản ở nhiệt độ
Nghiên cứu cho thấy rằng ở nhiệt độ 30 o C, dịch chiết từ quả xương rồng Nopal chuyển từ màu hồng sang màu nâu sáng, với hàm lượng betacyanin giảm 48.8% Trong khi đó, khi bảo quản ở nhiệt độ lạnh 4 o C, hàm lượng betacyanin chỉ giảm khoảng 11.1% và dịch chiết vẫn giữ được màu hồng Điều này cho thấy màu sắc của dịch chiết biến đổi nhanh chóng ở nhiệt độ phòng nhưng ổn định hơn khi được lưu trữ ở nhiệt độ thấp Ngoài ra, betacyanin cũng bị thoái hóa nhanh chóng khi nhiệt độ vượt quá 60 o C Quá trình phân hủy betacyanin có thể tạo ra acid betalamic màu vàng sáng và cyclo-dopa-5-O-β-glucoside không màu, nhưng phản ứng này có thể đảo ngược ở nhiệt độ thấp Hơn nữa, sự đồng phân hóa, khử cacboxyl hóa hoặc phân tách betacyanin xảy ra do sự cộng hưởng không ổn định của cấu trúc chất màu.
Ảnh hưởng của hoạt độ nước
Hoạt độ nước (aw) ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định của betacyanin, với hàm lượng betacyanin giảm khi aw tăng từ 0.32 đến 0.75 Nghiên cứu của Cai & Corke chỉ ra rằng betacyanin có độ ổn định cao ở hoạt độ nước thấp và độ ẩm dưới 5%, nhờ vào việc giảm thiểu các phản ứng hóa học và hạn chế sự hòa tan oxy, từ đó ngăn chặn các quá trình oxy hóa xảy ra.
Ảnh hưởng của không khí
Không khí, cùng với ánh sáng, nhiệt độ và pH, là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự ổn định của betacyanin Nghiên cứu của Attoe & von Elbe chỉ ra rằng betacyanin không ổn định trong môi trường có oxy, dẫn đến quá trình oxy hóa và phân hủy Cụ thể, hàm lượng betacyanin giảm 15% trong điều kiện có oxy sau 6 ngày ở 15°C Sự ổn định của betacyanin giảm dần khi nồng độ oxy và thời gian tiếp xúc tăng Oxy hóa làm suy giảm sự ổn định màu sắc của nước ép thanh long ruột đỏ, do betacyanin rất nhạy cảm với quá trình này (Reynoso & cộng sự, 1997) Ngược lại, việc loại bỏ oxy đã được chứng minh là làm tăng tính ổn định của các sắc tố betanin (Huang và von Elbe, 1987) Betacyanin cũng ổn định hơn khi được bảo quản trong môi trường nitrogen (Attoe & von Elbe, 1982).
Ảnh hưởng của các ion kim loại
Sự hiện diện của các ion kim loại như Fe 3+ và Cu 2+ có thể làm tăng tốc độ thoái hóa và khiến betacyanin nhanh chóng bị phai màu Tuy nhiên, việc bổ sung các phân tử tạo phức như EDTA có thể giảm thiểu các hiệu ứng màu không mong muốn Các phân tử chelating này có khả năng tạo phức hợp với các ion kim loại, từ đó hạn chế sự thoái hóa của betacyanin.
Ảnh hưởng của các chất ổn định
Tổng quan về pectin
Pectin là một loại carbohydrate phức tạp, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc thành tế bào của thực vật Chúng chủ yếu hiện diện trong các thành của thực vật bậc cao, nơi hoạt động như một tác nhân hydrate hóa và là thành phần cấu tạo của mạng cellulose.
1.3.2 Cấu trúc hóa học của pectin
Pectin là một polysaccharide mạch dài, có cấu trúc hóa học và trọng lượng phân tử không đồng nhất, với thành phần thay đổi tùy thuộc vào nguồn gốc và điều kiện khai thác Pectin chủ yếu là các polymer của acid D-galacturonic, liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glycoside và có mức độ methoxyl hóa khác nhau Các acid uronic trong pectin chứa nhóm carboxyl, trong đó một số là methyl ester, trong khi những loại khác được gắn thêm nhóm amonium để tạo ra carboxamide phục vụ cho mục đích thương mại Cấu trúc hóa học của pectin và phân tử α-D-galacturonic được minh họa trong Hình 1.5.
Hình 1.5: (a) Một phân đoạn lặp lại của phân tử pectin và các nhóm chức trong chuỗi pectin: (b) carboxyl; (c) ester; (d) amide
1.3.3 Tính chất vật lý của pectin
Trọng lượng phân tử, độ phân tán và độ ổn định của dung dịch pectin chịu ảnh hưởng lớn từ bản chất của dung môi và mức độ xử lý nhiệt trong quá trình chế biến.
Độ nhớt của dung dịch pectin là một chỉ số quan trọng để đánh giá trọng lượng phân tử, tính chất hóa lý và đặc điểm của chuỗi polysaccharide trong pectin (Abramovic & cộng sự, 1989; 1998).
Pectin là một polysaccharide mang điện tích âm, có khả năng đẩy lẫn nhau, dẫn đến sự giãn mạch và tăng độ nhớt của dung dịch (Lê Ngọc Tú, 2002) Độ nhớt của pectin trong một số loại thực vật như bông, củ cải đường, táo, cam, quýt dao động từ 0.6 đến 1.29 (Rashidova & cộng sự, 2000) Phân tử lượng của pectin tách từ các nguồn quả khác nhau rất đa dạng, với ví dụ điển hình là pectin từ củ cải đường (Lê Ngọc Tú, 2002).
14000, bông: 15500, táo: 37000, nho: 21000, cam quýt: 25800 (Rashidova & cộng sự, 2000)
Pectin có khả năng hòa tan trong nước tinh khiết, với các muối của acid pectic và acid pectinic chứa cation đơn hóa trị hòa tan tốt hơn so với các muối chứa cation đa hóa trị Khi bột pectin được thêm vào nước, nó có xu hướng hydrate hóa nhanh chóng và dễ gây vón cục, điều này có thể gây khó khăn trong quá trình sản xuất thực phẩm Để hạn chế tình trạng vón cục, nên bổ sung bột pectin từ từ vào nước đã được tính toán trước hoặc sử dụng loại pectin có độ hòa tan được cải thiện.
1.3.4 Các chỉ số đặc trưng của pectin
The Degree of Esterification (DE) is a crucial indicator of pectin's properties, representing the percentage of esterified galacturonic acid residues in the pectin molecule According to Lê Ngọc Tú (2002), DE is calculated based on the total number of galacturonic acid residues present Pectin is categorized into two types based on its DE: high methoxyl pectin (HMP) with DE greater than 50% and low methoxyl pectin (LMP) with DE less than 50% (Mesbahi et al., 2005).
Chỉ số methoxyl (MI – Methoxyl Index) đo lường mức độ methoxyl hóa của pectin, thể hiện bằng phần trăm khối lượng nhóm methoxyl (-OCH3) so với tổng khối lượng phân tử Pectin là chuỗi polygalacturonic có thể đạt giá trị MI 16.3% khi được methyl hóa hoàn toàn Tuy nhiên, pectin được chiết xuất từ thực vật thường có chỉ số MI dao động từ 10 đến 12%.
The Degree of Amidation (DA) is the percentage of galacturonic acid units that are amidated relative to the total number of galacturonic acid units in a molecule Alongside the Degree of Esterification (DE), DA serves as a crucial parameter for classifying pectin (Sriamornsak, 1998).
1.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo gel
Tính chất tạo gel của pectin phụ thuộc chủ yếu phụ vào chiều dài của chuỗi pectin và mức độ methõyl hóa (Lê Ngọc Tú, 2002)
Dựa vào sự khác biệt về tính chất gel hóa do chỉ số DE, LMP tạo gel nhờ sự hiện diện của các ion đa hóa trị, thường là Ca2+, đóng vai trò kết nối các nhóm carboxyl của chuỗi pectin Ngược lại, HMP hình thành gel trong môi trường acid kết hợp với các loại đường như sucrose hoặc glucose (Mishra & cộng sự, 2012).
Các tương tác liên phân tử đóng vai trò quan trọng trong quá trình gel hóa pectin, đặc biệt là sự tạo gel của LMP, liên quan đến tương tác tĩnh điện giữa các cation và các chuỗi polymer có điện tích âm Quá trình này được mô tả bằng mô hình hộp trứng, tương tự như gel hóa alginate Ngoài ra, các hộp trứng giữa hai chuỗi polymer được củng cố bởi các tương tác Van der Waals, theo nghiên cứu của Fraeye và cộng sự (2010).
Hình 1.6: Mô hình hộp trứng Chuỗi acid galacturonic được thể hiện bằng các vạch đen, các ion calcium và các nhóm carboxyl nhóm với nhau theo vòng tròn
Quá trình tạo gel của HMP xảy ra trong điều kiện giảm lực đẩy tĩnh điện và hoạt độ của nước, cùng với sự hiện diện của các chất rắn hòa tan khác ở pH thấp (pH
