Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 187

VAÁN ÑEÀ TRAO ÑOÅI

SẢN XUẤT CHẤT THƠM DẪN XUẤT TỪ CAROTENOIDS BẰNG CÔNG NGHỆ ENZYME

AROME PRODUCTION FROM CAROTENOIDS USING ENZYMATIC CLEAVAGE

Tạ Thị Minh Ngọc1

Ngày nhận bài: 10/12/2012; Ngày phản biện thông qua: 05/5/2013; Ngày duyệt đăng: 15/5/2013

TÓM TẮTCarotenoids là nhóm chất màu phổ biến và quan trọng trong tự nhiên. Nhóm hợp chất này không những mang lại

cho các loại củ quả màu sắc hấp dẫn mà còn là nguồn cơ chất cho các phản ứng enzym cung cấp cho các loại củ quả này hương thơm đặc trưng của chúng. Các chất thơm được tạo thành do quá trình phân rã các phân tử carotenoids rất đa dạng và thay đổi theo từng điều kiện tự nhiên cụ thể. Việc ứng dụng công nghệ enzym để tạo ra các hợp chất thơm có hiệu quả kinh tế cao từ nguồn carotenoids thực vật là một hướng đi được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm, trong đó phân tử carotenoids bị phân rã bởi các gốc tự do hình thành từ phản ứng đồng oxy hóa dưới xúc tác của enzyme xanthine oxidase trên một aldehyde hay purine. Các chất thơm phổ biến được tạo ra bằng phản ứng enzyme phân cắt β-carotene gồm β-ionone, epoxy-βionone và dihydroactinidiolide.

Từ khóa: sản xuất chất thơm, dẫn xuất carotenoid, đồng oxy hóa, xanthine oxidase

ABSTRACTCarotenoids is a popular and important colorant group in nature. This group not only confers to fruits and legumes

an atractive color but also play a role in their arome precusors. The aromatic composants formed by carotenoid cleavage are abondant and vary with the fruits. In an enzymatic co-oxidation process, carotenoids are broken by free radicals formed by the action of xanthine oxidase on an aldehyde or purine. This process is very effi cient for the production of β-ionone, epoxy-βionone and dihydroactinidiolide.

Keywords:aroma production, carotenoids cleavage, cooxidation, xanthine oxidase

1 TS. Tạ Thị Minh Ngọc: Khoa Công nghệ thực phẩm - Trường Đại học Nha Trang

I. MỞ ĐẦUCarotenoids là nhóm chất màu tự nhiên lớn và

quan trọng nhất, có chứa nhiều trong rau, củ, quả như cà chua, cà rốt…và tạo màu vàng, da cam, đỏ cho các loại rau quả này. Bản chất tự nhiên củacarotenoids là các hợp chất tetratecpen (C40H56) chứa 8 gốc isoprene. Điểm nổi bật và đặc biệt trong cấu trúc là hệ thống nối đôi liên hợp, xen kẽ nối đơn, nối đôi tạo chuỗi polyen, tạo nên các đặc tính sinh học quan trọng của carotenoids như ái lực cao với oxy đơn bội, chống các gốc tự do, có khả năng oxy hóa, đồng phân hóa, hấp thụ ánh sáng (đặc biệt là ánh sáng tử ngoại) và thể hiện màu của hợp chất (màu càng đậm khi hệ thống dây nối càng dài) (Mortensen et al., 2001). Tuy nhiên, chính cấu trúc

đặc biệt này của carotenoids cũng làm cho chúng trở nên không bền, dễ bị phá hủy trong môi trường có tính oxy hóa cao dưới tác động của các gốc tự do như nguyên tử oxy hay các tác nhân oxy hóa khác. Các sản phẩm của sự phân rã phân tử carotenoidnày chịu trách nhiệm tạo nên mùi hương đặc trưng của một số loại thực vật chứa carotenoid như cà rốt, gấc… Những hợp chất thơm chuyển hóa từcarotenoids được phân bố rộng rãi trong tự nhiên, thể hiện khả năng tạo hương cao do đó chúng là mối quan tâm của nền công nghiệp hương và nước hoa (Winterhalter & Rouseff, 2001). Việc nghiên cứu cơ chế chuyển hóa các carotenoids thành chất thơm cũng được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm. Con đường chuyển hóa có thể là do tác

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2013

188 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

nhân vật lý (nhiệt) (Crouzet et al., 2001) hay sinh học (enzyme, vi sinh vật) (Fleischmann et al., 2001; Kato et al., 2006).

II. NỘI DUNG

1. Các chất thơm dẫn xuất từ carotenoidCác hợp chất thơm có nguồn gốc từ carotenoids

được gọi là norterpenoids hay norisoprenoids là thành phần chủ yếu trong những thực vật tạo hương tuy nhiên chúng ta cũng còn biết rất ít về sự phân giải sinh học của nó.

Hương thơm tạo thành từ carotenoids phụ thuộc vào số lượng cacbon và vị trí của nhóm oxy hóa. Chúng được hình thành thông qua sự oxy hóa bởi enzyme và quang oxy hóa (photo-oxidation) từ các carotenoid trong thực vật, hoa và quả. Cụ thể, các ionone được tìm thấy trong rất nhiều hương thơm của các loại quả như đào, mơ, mâm xôi và trong mùi hương của một số loại hoa như hoa violet.

Có rất nhiều chất thơm được tạo thành khi phân cắt phân tử β-carotene, trong đó phổ biến nhất là các chất được tạo thành khi phân cắt tại nối đôi tại

các vị trí C9, C10, C11, C13 (Hình 1). Các chất thơm tạo thành bao gồm:

4-oxoisophoron: Chất thơm tìm thấy trong hương thơm của hoa osmanthus (một loại hoa họ nhài), chè đen, nghệ tây,…

Safranal: Chất thơm tìm thấy trong hương thơm của nghệ tây, hoa osmanthus, chè đen, nước nho, ớt ngọt,…

β-cyclocitral: Chất thơm tìm thấy trong hương thơm của đào, mơ, dưa hấu vàng, cà chua, ớt ngọt, súp lơ, bí đỏ, chè, rượu rum,…

Dihydroactinidiolide: Chất thơm tìm thấy trong hương thơm của hoa osmanthus, chè đen, cây ba đậu, thuốc lá, hổ phách xám (long diên hương), cà chua,…

β-ionone: Chất thơm tìm thấy trong hương thơm của hoa osmanthus, hoa hồng, chè đen,cà rốt, cà chua, mâm xôi, chanh leo, anh đào, xoài, mận, mơ,…

β-damascenone: Chất thơm tìm thấy trong hương thơm của hoa hồng, mơ, nho, kiwi, xoài, cà chua, mâm xôi, chanh leo, và trong bia, rượu vang, rượu rum,…

Hình 1. Một số chất thơm tạo thành từ quá trình phân cắt phân tử carotenoid (Aguedo et al., 2004)

2. Chuyển hóa carotenoids thành chất thơm bằng enzyme

Sự chuyển hóa sinh học của phân tửcarotenoids trong tự nhiên thường được cho là được xúc tác bởi hệ enzyme dioxygenase. Tuy nhiên, cơ chế của quá trình này còn chưa được hiểu biết rõ. Một cách chung nhất, quá trình chuyển hóacarotenoids thành chất thơm được chia làm 3 giai đoạn (Fleischmann et al., 2001):

Quá trình phân cắt bước đầu với enzymedioxygenase;

Chuyển hóa bởi enzyme phân tử carotenoids thành các phân tử tiền chất thơm phân cực;

Chuyển hóa các phân tử tiền chất thơm không bay hơi thành các sản phẩm bay hơi bởi quá trình xúc tác acid.

Tuy nhiên, không phải hợp chất carotenoids

nào cũng trải qua tất cả các bước trên để tạo thành chất thơm dẫn xuất của nó. Đối với phân tửneoxanthine, dẫn xuất oxy hóa đầu tiên của nó là cetone grasshopper được xúc tác chuyển hóa sau đó thành cetone odoriferous trước khi được xúc tác acid để chuyển thành beta-damascenone. Trong trường hợp của bet-carotene, quá trình phân cắt để tạo thành alpha-hay beta-ionone lại diễn ra ngay sau bước oxy hóa đầu tiên (Winterhalter &Rouseff, 2001).

Để sử dụng enzyme chuyển hóa carotenoids thành chất thơm, người ta sử dụng hệ đồng oxy hóa trong đó enzyme sẽ xúc tác lên cơ chất trung gian nhằm tạo ra các gốc tự do. Sau đó các gốc tự do này sẽ tấn công hệ thống nối đôi của phân tử carotenevà phân cắt chúng thành các dẫn xuất của carotene và các cấu tử chất thơm (Waché et al., 2001).

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 189

Môi trường phản ứng đồng oxy hóa phải đảm bảo tối ưu hóa sự hoạt động của enzyme để sinh ra các gốc tự do đồng thời đảm bảo điều kiện để các gốc tự do này tiếp cận dễ dàng với cơ chấtcarotenoids. Thông thường, phản ứng được diễn ra trong môi trường nước có pH xấp xỉ 8 ở 37oC. Đây là điều kiện tốt nhất cho phản ứng enzyme. Việc sục khí có thể cần thiết để đảm bảo sự nồng độ oxy hòa tan. Việc sử dụng chất hoạt động bề mặt (Tween80, EDTA ...) là cần thiết do carotenoids không hòa tan trong nước.

3. Ứng dụng thực tế để sản xuất chất thơm dẫn xuất carotenoids

Trong thực tế, enzyme được lấy từ dịch chiết từ thực vật để chuyển hóa carotenoids thành chất thơm. Trong trường hợp này, sự phân cắt chuỗi polyterpene được thực hiện bởi sự oxy hóa đồng thời sử dụng hệ enzyme lipoxygenase LOX hoặc các hệ enzyme oxygenase khác như phenoloxidase,lactoperoxidase, hay xanthine oxidase (Aziz et al., 1999; Fleischmann et al., 2001). Quá trình oxy hóa đồng thời sử dụng hệ enzyme LOX đòi hỏi sự có mặt của enzyme, acid béo không no và carotenoidstrong điều kiện hiếu khí. Người ta có thể sự dụng dịch chiết thô của enzyme LOX, nguồn giàu carotenoidsnhư dầu cọ, dịch ép cà rốt, dịch chiết từ tảoDunaliella... Hầu hết các phản ứng oxy hóa đồng thời đều được thực hiện trong môi trường nước sau khi phân tán carotenoids cũng như cáclinoleate dưới sự trợ giúp của các chất hoạt động bề mặt. Ngày nay, một quy trình ôxy hóa đồng thời đã được áp dụng vào quy mô công nghiệp để sản xuấtalpha- và beta-ionone với hiệu suất đạt được tới

200 mg/kg phản ứng. Thành phần môi trường phản ứng ở đây bao gồm nước ép cà rốt (nguồn carotenoids), bột đậu tương (nguồn LOX) và dầu thực vật (nguồn acid béo không no) (Winterhalter & Rouseff, 2001).

Những nghiên cứu gần đây trên nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam đã sử dụng nước ép cà rốt, bí đỏ hoặc gấc làm nguồn cung cấp carotenoids. Đối với dịch chiết bí đỏ, chất thơm được báo cáo gồm có β-ionone, β-cyclocitral, 5,6-epoxi-β-ionone,dihydroactinidiolide (Cao-Hoang et al., 2011a). Đối với carotenoids từ gấc có sự khác biệt giữa dịch ép gấc tươi với việc sử dụng dầu gấc. Đối với dịch chiết từ gấc tươi, sản phẩm của quá trình phân rã được tìm thấy gồm có β-cyclocitral và dihydroactinidiolide (Cao-Hoang et al., 2011b) trong khi sản phẩm phân rã dầu gấc chỉ tìm thấy dihydroactinidiolide (Bui et al., 2012).

III. KẾT LUẬNChất thơm đóng vai trò quan trọng trong công

nghiệp thực phẩm và mỹ phẩm. Tính đến nay đã có khoảng 10.000 hợp chất thơm trong tự nhiên được xác định, trong đó, ngành công nghiệp chất thơm mới chỉ thương mại hóa khoảng 2500 chất (theo Hiệp hội chất thơm châu Âu EFFA). Hầu hết các hợp chất này thu được bằng con đường tổng hợp hóa học. Trong số hơn 2000 chất thơm được thương mại hóa hiện nay chỉ có 400 chất được tổng hợp bằng con đường sinh học. Đây là những hợp chất thơm được gắn mác “giống tự nhiên”, có giá thành thấp hơn nhiều lần so với các chất thơm tách chiết từ nguyên liệu tự nhiên và được người tiêu dùng ưa chuộng. Quá trình đồng oxy hóa để sản xuất chất thơm dẫn xuất carotenoids

R-CHO + H2O → R – CH(OH)2 R – CH(OH)2 + Enzyme → R – COOH + Enzyme – H2

Enzyme – H2 + O2 → Enzyme + 2H+ + O2 •-

Phản ứng chuyển hóa phân tử carotenoids có thể vừa có tính đặc hiệu vừa không có tính đặc hiệu thể hiện qua vị trí cắt trên chuỗi nối đôi (Enzell et al., 1985). Sự tấn công không đặc hiệu bởi enzyme lên phân tử carotenoids có thể được giải thích bởi sự tấn công của gốc tự do (bảng 1). Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự tấn công của gốc tự do lên phân tử beta-carotene được thực hiện tại vị trí nối đôi của cacbon số 11, 12, 9, 10, 8, 9 và 6, 7; đối với phân tử zaexanthine là các nối đôi ở vị trí 9, 10, 8, 9, 7, 8 và 6, 7; đối với phân tử violaxanthin là tại các vị trí 11, 12, 9, 10, và 8, 9 (Winterhalter & Rouseff, 2001).

Bảng 1. Gốc tự do sinh ra trong phản ứng đồng oxy hóa xúc tác bởi enzyme xanthine oxidase (Waché et al., 2001)

Cơ chất Gốc tự do sinh raAcetaldehyde O2

•-, (HO•), •CH3, •CH2OH, CH3O•, CH3COO•

Propanal O2 •-, (HO•), •C2H5

Butanal O2•-, (HO•), •C3H7

Xanthine O2•-, (HO•)

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2013

190 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

là một hướng đi được nhiều nước trên thế giới đặc biệt quan tâm. Nguồn enzyme có thể được tách chiết từ thực vật (trà xanh, đậu tương ...) hay cũng có thể lấy từ nấm sợi, vi khuẩn, hoặc tách chiết từ động vật như trường hợp củaenzyme xanthine oxydase (Ly et al., 2008; Waché

et al., 2003s;, Zorn et al., 2003). Nguồn cơ chấtcarotenoids có thể là dịch chiết từ các loại rau củ giàu carotene như cà rốt, bí đỏ, gấc… Đây đều là những nguyên liệu sẵn có của Việt Nam. Vấn đề là lựa chọn nguồn cơ chất và nguồn enzyme phù hợp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Aguedo, M., Ly, M. H., Belo, I., Texeira, J., Belin, J.-M. & Waché, Y. (2004). The use of enzymes and microorganisms for the production of aroma compounds from lipids. Food Technol Biotechnol 42, 327-336.

2. Aziz, S., Wu, Z. & Robinson, D. S. (1999). Potato lipoxygenase catalysed co-oxidation of beta-carotene. Food Chemistry 64, 227-230.

3. Bui, THP., Ta, TMN., Nguyen, ND., Do, TTL., Do, TTH., Phan, TH., Waché, Y. & Nguyen, THT. (2012). Study on biotran-formation of carotenoids from diferent sources into aroma compounds during cooxidation using xanthine oxidase. Journal of Science and Technology 50 (3C), 482 - 488.

4. Cao-Hoang, L., Osorio-Puentes, FJ., Phan-Thi, H. & Waché, Y. (2011a). Stability of carotenoids extracts of Cucurbita maxima towards enzymatic cooxidation and aroma compounds generation. IPCBEE 7, 141 - 143.

5. Cao-Hoang, L., Phan-Thi, H., Osorio-Puentes, FJ. & Waché, Y. (2011b). Stability of carotenoids extracts of Gac (Momordica cochinchinensis) towards cooxidation - Protective effect of lycopene on β-carotene.

6. Crouzet, J., Kanasawud, P. & Sakho, M. (2001). Thermal Generation of Carotenoid-Derived Compounds. In Carotenoid-Derived Aroma Compounds, 115-129: American Chemical Society.

7. Fleischmann, P., Lutz-Reder, A., Winterhalter, P. & Watanabe, N. (2001). Carotenoid Cleavage Enzymes in Animals and Plants. In Carotenoid-Derived Aroma Compounds, 76-88: American Chemical Society.

8. Kato, M., Matsumoto, H., Ikoma, Y., Okuda, H. & Yano, M. (2006). The role of carotenoid cleavage dioxygenases in the regulation of carotenoid profi les during maturation in citrus fruit. Journal of Experimental Botany 57, 2153-2164.

9. Ly, M. H., Hoang, L. C., Belin, J. M. & Wache, Y. (2008). Improved co-oxidation of beta-carotene to beta-ionone using xanthine oxidase-generated reactive oxygen species in a multiphasic system. Biotechnol J 3, 220-225.

10. Mortensen, A., Skibsted, L. H. & Truscott, T. G. (2001). The interaction of dietary carotenoids with radical species. Arch Biochem Biophys 385, 13-19.

11. Waché, Y., Bosser-DeRatuld, A., & Belin, J.-M. (2001). Production of aroma compounds by enzymatic cooxidation of carotenoids. In Carotenoid-Derived Aroma Compounds, 106-117: American Chemical Society

12. Waché, Y., Bosser-DeRatuld, A., Lhuguenot, J.-C. & Belin, J.-M. (2003). Effect of cis/trans Isomerism of beta-Carotene on the Ratios of Volatile Compounds Produced during Oxidative Degradation. Journal of Agricultural and Food Chemistry 51, 1984-1987.

13. Winterhalter, P. & Rouseff, R. (2001). Carotenoid-Derived Aroma Compounds: An Introduction. In Carotenoid-Derived Aroma Compounds, 1-17: American Chemical Society.

14. Zorn, H., Langhoff, S., Scheibner, M. & Berger, R. G. (2003). Cleavage of beta,beta-carotene to fl avor compounds by fungi. Appl Microbiol Biotechnol 62, 331-336.