Tiểu luận chất màu carotene và curcumin trong tự nhiên

Ø Nhiệt độ nóng chảy cao: 130- 2200C Ø Hòa tan trong chất béo,các dung môi chứa clor và các dung môi không phân cực kháclàm cho hoa quả có màu da cam, màu vàng và màu đỏ.. Còn nếu dựa và

Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

-O0O -Tiểu luận CHÁT MÀU CAROTENE, CURCUMIN

TRONG TỰ NHIÊN

Hải Phòng 04/2014

CHƯƠNG 1: CAROTENOID

1.Tính chất vật lý

Ø Kết tinh ở dạng tinh thể, hình kim, hình khối lăng trụ, đa diện, dạng lá hình thoi

Ø Nhiệt độ nóng chảy cao: 130- 2200C

Ø Hòa tan trong chất béo,các dung môi chứa clor và các dung môi không phân cực kháclàm cho hoa quả có màu da cam, màu vàng và màu đỏ

Ø Tính hấp thụ ánh sáng : chuỗi polyene liên hợp đặc trưng cho màu thấy được củacaroteinoid Dựa vào quang phổ hấp thu của nó, người ta thấy khả năng hấp thụ ánh sángphụ thuộc vào nối đôi liên hợp, phụ thuộc vào nhóm C9 mạch thẳng hay mạch vòng,cũng như vào nhóm chức gắn trên vòng Ngoài ra trong mỗi dung môi hoà tan khác nhau,khả năng hấp thụ ánh sáng tối đa cũng khác nhau với cùng 1 loại Khả năng hấp thụ ánhsáng mạnh, chỉ cần 1 gam cũng có thể thấy bằng mắt thường

Hình: sự biến đổi của carot trong chế biến

2.Tính chất hóa học

Ø Không hòa tan trong nước, rất nhạy đối với axit và chất oxi hóa, bền vững với kiềm

Do có hệ thống nối đôi liên hợp nên nó dễ bị oxi hóa mất màu hoặc đồng phân hóa, hydrohóa tạo màu khác

Ø Các tác nhân ảnh hưởng đến độ bền màu: nhiệt độ, ánh sáng, phản ứng oxi hóa trựctiếp, tác dụng của ion kim loại, enzym, nước

Ø Dễ bị oxi hóa trong không khí => cần bảo quản trong khí trơ, chân không Ở nhiệt độthấp nên bao kín tránh ánh sáng mặt trời

Ø Carotenoid khi bị oxy hoá tạo hợp chất có mùi thơm như các aldehide không no hoặcketone đóng vai trò tạo hương thơm cho trà

3.Phân loại carotenoid.

Có 2 cách để phân loại carotenoid Dựa vào nguyên tố tạo thành chia carotenoidthành 2 loại:

- Loại chỉ chứa C, H như α, β_carotene, lycopen carotene, lycopen

- Loại có chứa nhóm chức có mặt O như lutein, xanthophyll

Còn nếu dựa vào 6 C ở 2 đầu phân tử ta có các nhóm carotenoid không chứa vòng, chứa

1 vòng và chứa 2 vòng

3.1 Carotene

a.C arotene:

Hhình: trái cây giàu carotene

Ø Carotene là chất màu thuộc nhóm màu carotenoid, trong đó β-carotene là loạiquantrọng nhất và tìm thấy được nhiều trong rau củ

Ø β-carotenecó màu vàng, có nhiều trong cà rốt, các trái cây có màu vàng và các lọai rau màu xanh đậm Chính màu vàng của β-carotene làm nền cho màu xanh của diệp lục tố đậm hơn ở các lọai rau giàu β-caroten

Hình: trài cây giàu β-carotene

Cấu tạo và phân loại:

- Carotene (C40H56) là một loại hidratcacbon chưa bão hòa, gồm 18 nguyên tửcacbon hình thành một hệ thống các liên kết đơn, đôi xen kẽ, có 4 nhóm CH3 mạch nhánh.

- Các loại carotene quan trọng là α-carotene,β-carotene và γ-carotene

Trong cấu trúc hóa học của hợp chất beta-carotene có 11 liên kết đôi xen kẽ vớicác liênkết đơn tạo thànhchromophore làm carotene có màu đỏ hoặc cam

Tính chất hóa học và vật lý:

- Carotene dễ bị oxi hóa ngoài không khí

- Không tan trong nước, chỉ tan trong lipit và cácdung môi hữu cơ

Carotene nguyên chất là các tinh thể đen có màu đỏ sáng của đồng và có ánh kim loại, dung dịch carotene có màu đỏ cam

Cấu tạo

Giống như tất cả các carotenoid, lycopene là một hydrocarbon không bão hòa đa (một anken không thế), là một tetraterpene lắp ráp từ tám đơn vị isoprene, hoàn toàn baogồm cacbon và hydro

Tính chất

Lycopene không hòa tan trong nước nhưng tan trong dung môi hữu cơ và các loại dầu.Nếu lycopene bị oxy hóa (ví dụ, bằng cách phản ứng với các chất tẩy trắng hoặc acid), các liên kết đôi giữa các nguyên tử carbon sẽ bị phá vỡ, tách các phân tử và loại bỏ các chromophore

Công dụng

Là một chất có vai trò trung hòa các chất hóa học gây lão hóa làn da

Ở thực vật, tảo, và các sinh vật quang hợp khác, lycopene là một chất trung gian quan trọng trong việc sinh tổng hợp của nhiều carotenoid

carotene-6’ -one)

Là chất màu vàng có trong ớt Chiếm7/8 tất cả màu của ớt

Là dẫn xuất của carotene nhưng màu mạnh hơn carotenoid khác 10lần

Trong ớt đỏ có nhiều hơn ớt xanh 35 lần

b.Birxin

Birxin là một tapocarotenoid được tìm thấy trong Annatto, một loại thực phẩm màu

tự nhiên lấy từ hạt của cây achiote (Bixa nhuộm) Annatto hạt sắc tố chứa khoảng 5%, trong đó bao gồm bixin 70-80%

HÌNH : quả và hạt Bixa orellana

c.Astarxantin

Astarxantin là một carotenoid Nó thuộc về một nhóm lớn hơn được gọi là tecpen Nóđược phân loại như là một hoàng thể tố,có nghĩa là "sắc tố vàng" Astarxantin cũng làdẫn xuất của carotene và có tên gọi là 3,3`-dihidroxy-4,4-dixeto–β-carotene

4.Cơ chế chống oxy hóa của carotene:

Hoạt tính chống oxi hoá

Crotenoit (Car)là chất chống oxi hoá tự nhiên có khả năng bắt giữ oxy đơn phân

tử 1O2 (oxy singlet) và các gốc tự do, khả năng này liên quan đến chiều dài hệ nối đôi liên hợp và năng lượng của trạng thái triplet

a.Bảo vệ quang hoá

Carotenoit có khả năng bảo vệ quang hoá do có khả năng bắt giữ các chất nhạy quang ở trạng thái triplet ( 3Sens*) (electron quay cùng chiều) hoặc các oxy đơn phân tử

Sens 1Sens* 3Sen* (1)

3Sens* + 3O2  Sens +1O2 (2)

3Sens* + Car  Sens + 3Car (3)

1O2 + Car  3O2 + 3Car (4)

1O2 được tạo thành trong các quá trình quang hoá, các phân tử của ozon với các

hệ sinh học khác nhau thì có khả năng hoạt hoá protein, oxy hoá chất béo làm hỏng AND

Khả năng của carotenoit bắt giữ các 1O2 phụ thuộc vào số nối đôi liên hợp và cấu trúc phân tử của chúng Các carotenoit có số nối đôi liên hợp lớn hơn 9 thì khả năng nàycao Trong cả hai phản ứng (3) và (4) , carotenoit triplet có thể dễ dàng mất năng lượng cho môi trường và trở về trạng thái ban đầu Đặc tính này làm cho carotenoit là tác nhânrất hữu hiệu trong các phản ứng nhạy quang

Theo giả thiết Burton G.W., Ingold K.V (β-caroten: an unusual type of lipit antioxidant,science, 224, pp.569-573,1984):

β-caroten + ROO β-carotene + ROOH(5)

β-caroten + ROO ROO-β-caroten(6)

-Phản ứng của B-caroten với peroxy tự do có thể tạo ra gốc carotenoit tự do (phảnứng 5), nhưng cũng có thể tạo gốc cộng hưởng bền giữa B-caroten với gốc peroxy (phảnứng 6) Khi áp suất oxy đủ lớn thì phản ứng của gốc carotenoit với oxy sẽ xảy ra để tạo thành gốc carotenoit-oxy (phản ứng 7).

5.Chiết suất và tinh chế carotenoit

Sự phân bố các carotenoit trong động vật và thực vật không tuân theo quy luật tự nhiên nào Trong rau xanh (rau ngót) có các β-carotenoit và các xantophyl như lutein, neoxanthin Lycopen có nhiều trong cà chua Trong gấc và cà rốt có α-caroten, β-

caroten Capsanthin là sắc tố đỏ của ớt, đặc biệt là trong ớt cựa gà (paprika) Màu vàng của lòng đỏ trứng là do có mặt lutein, zeaxanthin và 1 lượng nhỏ β-caroten Thịt của cá hồi (saumon) là do màu hồng của astaxanthin Tuỳ theo từng đối tượng nguyên liệu cụ thể mà lựa chọn dung môi chiết suất thích hợp

Sơ đồ tách chiết carotenoidCác dung môi và hệ dung môi hữu cơ thường được sử dụng là axeton, axeton : n-hexan (4:6), n-hexan : izopropanol (3:2) EtOH : n-hexan (4:3) là hệ dung môi rất hiệu quả để tách chiết các từ cà chua (Lin và Chen, 2003) Người ta cũng thường sử dụng n-hexan và dietyl ete làm dung môi để chiết lutein và zeaxanthin từ hoa cúc vạn thọ.

Nguyên liệu

Nghiền

Chiết táchn-hexan

Trung hòaMgCO3

Cô đặc

Xà phồng hóaKOH

carotenoid

carotenoid

Nên chiết suất carotenoit từ nguyên liệu tươi, nếu là nguyên liệu khô thì nên hydrat hoá lại trước khi chiết Đồng nhất mẫu chiết bằng phương pháp nghiền hoặc nghiền kết hợp với giã Đối với các loại lá và các nguyên liệu khó chiết khác nên ngâm nguyên liệu vào dung môi chiết 15-30 phút trước khi nghiền để làm mềm thành tế bào, đồng thời tránh cho carotenoit khỏi bị đồng phân hoá và bị phân huỷ trong quá trình nghiền Có thể bổ sung MgCO3 và các tác nhân trung hoà khác để trung hoà các axit hữu cơ có trong mẫu nhằm tránh sự phân huỷ và đồng phân hoá nếu việc chiết suất được tiến hành nhanh chóng ngay sau khi xử lý mẫu thì không những ngăn chặn được sự oxy hoá bởi xúc tác của ezim mà còn không cần thiết phải bổ sung tác nhân trung hoà.

Việc lọc dịch chiết được thực hiện bằng phễu lọc thuỷ tinh (porosity 3, kích thước lỗ 20-30 μm) hoặc dùng phễu Buchner Bã lọc được chiết lại cho đến khi mất màu, thường tiến hành chiết 3 lần

Tiến hành tách nước và dung môi khỏi dịch chiết bằng cách bổ sung ete dầu hoả (điểm sôi 35-60oC), dietyl ete, n-hexan, diclorometan hoặc hỗn hợp của chúng

Xà phòng hoá bằng KOH, có bổ sung chất oxy hoá BHT (butyl hydroxytoluen)

để loại clorophyl và các chất béo khác, thu carotenoit tổng

Để tách từng hợp chất carotenoit tinh khiết, người ta thường sử dụng phương pháp sắc ký cột mở (OCC) và HPLC điều chế

số nối đôi liên hợp càng nhiều thì các đỉnh hấp thụ cực đại càng ở bước sóng lớn hơn

7.Lưu ý khi tiến hành:

Việc tách chiết sắc tố carotenoid là một điều khó khăn vì cần phải tránh sự tiếp xúc với ánh sáng, oxi, và nhiệt đô cao Do đó cần phải tiến hành trong điều kiện ánh sáng mờ

mờ và phải bảo quản sản phẩm trung gian trong bóng tối Nếu có thể thì tiến hành trong điều kiện chân không hoặc trong môi trường khí trơ Tránh để mẫu tiếp xúc với nhiệt độcao, nên làm lạnh mẫu khi tiến hành bị gián đoạn

- Mẫu cần phải được khử nước trước khi tiến hành trích xuất Bởi vì dư nước sẽ làm hạnchế sư trích xuất carotenoid Việc sử dụng các chất lỏng để trích xuất cũng rất quan trọng và phụ thuộc vào loại carotenoid cần kiếm Sử dụng hỗn hợp hexane/acetone làm chất lỏng trích xuất rất thuận tiện vì nó cũng được sử dụng trong quá trình kết tinh

- Một khi carotenoid đã được trích ly và cô lập, chúng có xu hướng không bền vững, khicác chất chống oxi hóa tự nhiên và các chất bảo vệ bị lấy đi

- Có thể thêm vào một chất chống oxi hóa THPQ, hỗn hợp tocopheron ) để tăng tính bền vững của carotenoid Sự hiện diện của kim loại và chất diệp lục cũng ảnh hưởng đến tính ổn định của sắc tố, nhưng vấn đề này đã được giải quyết nhờ dung dịch tách muối

- Sự khử muối có thể tạo ra các chất kết tủa, có thể loại bỏ được bằng phương pháp lọc

và rửa lại cặn lọc bằng chất dùng trích ly để thu hồi triệt để sắc tố

- Khi mẫu đi qua cột sắc kí, thì sắc tố được phân lập bằng một hỗn hợp dung môi

(hexane/acetone) Hỗn hợp này được sử dụng cho việc tạo tinh thể sau khi làm bão hòa bằng quá trình bốc hơi

CHƯƠNG II: CURCUMIN

Hình: cây nghệ

1.Khái quát về curcumin:

Curcuminoid là các hợp chất có tác dụng tạo nên màu vàng cho củ nghệ Cùng với tinh dầu, các hợp chất curcuminoid tạo nên vị cay và mùi hăng đặc trưng cho củ nghệ Ngoài ra curcuminoid còn bảo vệ nghệ chống lại sự xâm nhập của nấm và vi sinh vật

Cấu tạo :

Curcuminoid là các hợp chất của phenol có trong củ nghệ Curcuminoid gồm chủyếu là ba hợp chất tạo màu cơ bản cho củ nghệ, tồn tại trong củ nghệ với những tỉ lệ khác nhau và đều là những dẫn xuất dicinnamoylmethane:

3) 1,7-Bis-(4-hydroxyphenyl)-hepta-1,6-diene-3,5-dione

= p,p-dihidroxydicinnamoylmethane = bisdemethoxycurcumin

CTHH: C19H16O4: C.A.S number: 33171-05-0, M = 308

Hình: Cấu trúc hóa học của curcuminoid, với

Curcumin không tan trong nước, tan trong cồn, aceton, metanol, dicloromethan, dicloetylen, benzen, acid acetic,

Dung dịch curcumin trong dung môi hữu cơ có độ hấp thu cực đại ở bước sóng khoảng 420 – 430 nm

Curcumin trích từ củ nghệ có dạng bột màu vàng, nhiệt độ nóng chảy 184 – 185

°C

Trong môi trường trung tính, dung dịch curcumin có màu vàng Môi trường acid,dung dịch có màu vàng ánh lục (vàng chanh) Dung dịch có màu từ cam tới đỏ tím trong môi trường kiềm

3.Tính chất hóa học:

 Khi đun curcumin với kiềm tạo thành vanilic acid và ferulic acid

 Curcumin nóng chảy với kiềm cho protocatechuic acid ((OH)2C6H3COOH)

 Oxy hóa bằng permanganat tạo thành vanilin

 Tác dụng với hydroxylamin tạo dẫn xuất isoxozol

 Hydro hóa dẫn xuất diacetyl của curcumin cho hỗn hợp dẫn xuất hexahydro và tetrahydro hóa học

4.Cơ chế chống oxy hóa:

Curcuminoid là hợp chất tự nhiên có khả năng chống oxy hóa Cả dịch trích lẫn

curcumin đều có khả năng ngăn cản sự tạo các gốc tự do như superoxide, hydroxyl Tính chống oxy hóa của curcumin là ngăn cản sự peroxide hóa các lipid trong cơ thể Phản ứng peroxide hóa lipid là phản ứng gốc tự do dây chuyền, gồm các bước sau: Nguyên tử H bị tách ra khỏi acid béo chưa bão hòa (-CH) nhờ gốc tự do:

-CH + R° → -C° + RH-C* + O2 → -C-O-O*

 Phản ứng dây chuyền: gốc tự do peroxyl vừa hình thành tấn công acid béo kế cận:

-C-O-O* + -CH → -C-O-O-H + -C*Quá trình tiếp diễn dẫn đến sự tích lũy các peroxide béo trong màng tế bào, làm màng tế bào không ổn định và cho phép sự xâm nhập của các ion có hại

Gốc tự do peroxyl tấn công các ion cũng như protein màng tế bào Một chất chống

oxy hóa sẽ kết thúc chuỗi phản ứng dây chuyền bằng cách kết hợp và dập tắt các gốc

tự do hay làm giảm sự tạo gốc tự do ngay từ đầu

Phân tích cấu trúc của curcumin thì nhóm OH trên vòng benzen giữ vai trò quantrọng cho khả năng chống oxi hóa của curcumin

Cơ chế chống oxy hóa của curcumin gồm một hay nhiều bước sau:

 Dập tắt hay trung hòa các gốc tự do

 Tương tác với các tác nhân oxy hóa và ngăn cản chúng phát triển

 Kết hợp với oxi và làm giảm khả năng phản ứng oxi hóa

 Ngăn cản các enzym oxy hóa như cyctochromer P_carotene, lycopen 450

 Tạo phức hay phá hủy tính oxy hóa của các ion kim loại như Fe

Curcumin còn ngăn ngừa bệnh tim mạch gây ra do sự co hẹp thành động mạch

Sự co hẹp này là do sự lắng đọng các mảng cholesterol bị oxi hóa cao tương ứng với mức

độ các peroxode cao Với người khỏe mạnh, dùng 500mg curcumin mỗi ngày, trong vòng 7 ngày lượng peroxide béo trong máu giảm 33%, tương ứng lượng cholesterol trong máu giảm 29%

5.Trích ly bằng dung môi dễ bay hơi:

Sơ đồ trích ly bằng dung môi

Xử lý củ nghệ

Củ nghệ sau thu hoạch được sấy khô trong lò với không khí tuần hoàn ở nhiệt độ 50°C, đến khi đạt độ ẩm cuối cùng là 12% Củ nghệ khô được nghiền bột Kích thước hạt bột được quyết định bằng sàng rây Tyler Sau đó, tiến hành quá trình phân hủy tinh

curcuminoid

Tinh dầu

Bã rắnEther dầu hỏa

ethanol

Bã

bột bằng enzym Bột nghệ tiếp theo được sấy khô lần nữa bằng lò ở 50°C, độ ẩm đạt 10%.

Trích ly bằng dung môi dễ bay hơi

Thực chất của quá trình là trích ly tinh dầu trước bằng ether dầu hỏa nhằm loại tinh dầu, sau đó mới tiếp tục trích ly curcuminoid

Quá trình trích ly được thực hiện với máy lắc MA 830 Bình thót cổ, bít kín bằngnút bần cao su, chứa 4g bột nghệ và 50ml ether dầu hỏa, được đem cân trước và sau quátrình trích ly nhằm xác định có sự mất mát dung môi trong khi trích hay không Hỗn hợp chất rắn và dung môi này được khuấy trộn trong suốt quá trình trích ly Sau đó, hỗnhợp được lọc chân không Pha micelle (dung môi và tinh dầu) được chứa trong bình tối, đặt trong lò ở 40°C để làm bay hơi dung môi và thu tinh dầu Lượng tinh dầu thu được tính bằng gram trong một gram nghệ khô

7.Tách chiết curcumin bằng mày Soxhlet:

Phương pháp này cũng là phương pháp dùng dung môi hữu cơ để trích l

y curcuminoid từ củ nghệ bằng thiết bị Soxhlet Phương pháp thường dùng trong phòng

thí nghiệm

Củ nghệ được cắt nhỏ hay nghiền thành bột, cho vào bình trích ly nằm trên bình thót cổ chứa dung môi ethanol và dưới bình ngưng Dung môi được đun nóng và

ethanol bay hơi và di chuyển vào bình ngưng, tại đây hơi ethanol ngưng tụ thành lỏng

và chảy nhỏ giọt vào bình trích ly có chứa nghệ nguyên liệu Bình trích ly được thiết

kế sao cho khi dung môi quanh mẫu đạt đến một mức nhất định, dung môi sẽ chảy tràn và nhỏ giọt trở lại vào bình thót cổ chứa dung môi đang sôi Kết thúc quá trình trích ly, bình thót cổ có chứa dịch trích ethanol được đem đi bốc hơi dung môiethanol Phần rắn còn lại được đem cân và xác định phần trăm sản lượng curcuminoid thu được