Các chất thứ cấp dùng trong thực phẩm
Các chất thứ cấp dùng trong thực phẩm gồm 3 nhóm chính: chất màu
(Anthocyanin, Betalaine, Crocin và capsaicinoid), chất mùi (Vanilla, Garlic
và onion)và chất ngọt ( Stevioside).
1. Các chất màu
- Anthocyanin
Các anthocyanin là các sắc tố tiêu biểu có trong các loài thực vật hạt kín
(angiosperms) và các loài thực vật có hoa (flowering plants) của các họ
Poaceae, Fabaceae, Rosaceae, Cruciferae, Vitaceae và Solanaceae tập trung ở
các bộ phận khác nhau như: rễ, lá, hoa và quả. Anthocyanin tách chiết từ nho
là nguồn tiềm tàng nhất trên thế giới. Hiện nay, người ta cũng đã tiến hành
nuôi cấy tế bào của các loài Vitis vinifera, Daucus carota và Euphorbia millii
để sản xuất anthocyanin. Kỹ thuật nuôi cấy tế bào là phương tiện lý tưởng để
sản xuất anthocyanin với sản lượng cao từ 10-20% trọng lượng khô. Sản xuất
anthocyanin nói chung đạt cực đại trong suốt pha tĩnh. Stress thẩm thấu được
tạo ra do sucrose và các tác nhân khác cho thấy có thể điều hòa quá trình sản
xuất anthocyanin trong nuôi cấy tế bào V. vinifera.
- Betalaine
Các betalaine là các sắc tố tiêu biểu có trong các loài thực vật hạt kín và các
loài thực vật có hoa thuộc các họ Chenopodiaceae, Amaranthaceae và
Phytolacaceae. Một số loài nấm ăn thuộc bộ Agaricinales cũng sản xuất
betalaine. Nuôi cấy tế bào thực vật đã chứng minh được khả năng sản xuất
betalaine. Giống như nhiều chất thứ cấp khác, betalaine trong nuôi cấy tế bào
thực vật đạt nồng độ cực đại trong pha tĩnh của sinh trưởng tế bào. Tuy
nhiên, nuôi cấy tế bào dịch huyền phù của Phytolacca americana lại cho thấy
betalaine đạt nồng độ cao nhất ở pha sinh trưởng hàm mũ (pha log). Tế bào
cây Chenopodium rubrum nuôi cấy 15 ngày tuổi có thể sản xuất được
35-45 mg betalaine/L môi trường. Nuôi cấy tế bào và nuôi cấy rễ tơ của
cây Beta vulgaris cũng được tiến hành để sản xuất betalaine.
- Crocin và crocetin
Crocus sativus (cây nghệ tây) là nguồn cung cấp crocin chủ yếu, một loại sắc
tố màu đỏ tươi được tìm thấy trong đầu nhụy của nó. Đầu nhụy cây nghệ tây
(saffron) cũng sản xuất các crocetin. Crocin là một digentiobiocide ester của
crocetin. Đây là loại nguyên liệu có giá trị cao, do thực tế cây nghệ tây chỉ có
thể sinh trưởng ở những vùng địa lý đặc biệt trên thế giới và đòi hỏi nhiều
nhân công khi thu hoạch. Muốn thu hoạch 1 kg đầu nhụy nghệ tây (một loại
gia vị có giá trị) cần phải có khoảng 150.000 hoa. Hiện nay, người ta đã phát
triển các phương pháp nuôi cấy tế bào của đầu nhụy cây nghệ tây trong điều
kiện in vitro để sản xuất các gốc cơ bản của saffron. Mô nuôi cấy trong
trường hợp này được cảm ứng để sản xuất các callus có màu chứa crocin và
các crocetin và cũng là safrana (gốc cơ bản của chất màu) của saffron.
- Capsaicin và các capsaicinoid
Capsaicin là gốc cay chủ yếu của ớt, các capsaicinoid chịu trách nhiệm cho vị
cay là dihydrocapsaicin, nordihydrocapsaicin, homocapsaicin và
homodihydrocapsaicin. Capsaicinoid được sử dụng trong công nghiệp thực
phẩm như một phụ gia. Ngoài ra, người ta còn sử dụng capsaicin tinh khiết để
bào chế dược phẩm điều trị chứng viêm khớp và làm thuốc giảm đau.
Capsaicin có thể được sản xuất bằng nuôi cấy bất động tế bào của Capsicum
frutescens. Các tế bào Capsicum bất động sẽ sản xuất capsaicin cao gấp vài
lần so với tế bào dịch huyền phù tự do. Mô giá noãn (placenta) của Capsicum
được bất động sẽ sản xuất lượng capsaicin cao hơn các tế bào bất động.
2. Các chất mùi
- Vanilla
Đây là nguyên liệu tạo mùi phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất. Vanilla
tự nhiên là thị trường rất hứa hẹn cho sản xuất chất mùi bằng phương pháp
công nghệ sinh học. Nó là hỗn hợp phức tạp của các thành phần chất mùi
chiết ra từ hạt của Vanilla planifolia. Đây là hóa chất mùi phổ biến và được
sử dụng rộng rãi cho nhiều loại thực phẩm. Khoảng 12.000 tấn vanilla được
tiêu thụ hằng năm, nhưng trong đó chỉ khoảng 20 tấn được tách chiết từ hạt,
phần còn lại được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp hóa học, thường là từ
các sản phẩm hóa dầu như guaiacol và một đôi khi từ lignin, một sản phẩm
của bột giấy. Sản xuất các hợp chất mùi vanilla bằng phương pháp nuôi cấy
tế bào cây V. planifolia đã được chứng minh thành công. Nuôi cấy tế bào cây
V. planifolia được khởi đầu bằng nuôi cấy các cơ quan khác nhau của cây
như lá hoặc đoạn thân bằng cách dùng các tổ hợp chất kích thích sinh trưởng
khác nhau. Thông thường, kinetin được dùng để khởi động sự tổng hợp
vanillic acid trong nuôi cấy dịch huyền phù của V. planifolia. Sản xuất
vanilla được cải thiện bằng cách bổ sung thêm than hoạt tính vào môi trường
nuôi cấy. Sản lượng vanilla trong nuôi cấy tế bào thường là 2,2%. Một số cải
tiến điều kiện nuôi cấy đã làm giảm thời gian nuôi cấy tế bào từ 160 giờ còn
50 giờ và sản lượng vanilla tăng từ 100 mg/L lên đến hơn 1.000 mg/L, tương
đương 8% hàm lượng vanilla trên trọng lượng khô.
- Garlic và onion
Các chất mùi garlic và onion cũng được sản xuất trong nuôi cấy tế bào. Các
chất mùi này phát triển từ các tiền chất (precusor) ngoại sinh trong quá trình
xử lý sau thu hoạch. Nuôi cấy tế bào cây tỏi (Allium sativum) không phân
hóa (hoặc các callus phân hóa có màu xanh lục) đã thu được một số loại tiền
chất amino acid (methyl, propyl, allyl và cysteine sulphoxides) và hai loại
hợp chất ninhydrin-positive không xác định. Chất mùi tổng số thu được trong
callus hình cầu màu trắng (globular white callus) và callus màu xanh lục phân
hóa chậm (semidifferentiated green callus) tương ứng là 4% và 13% so với
cây trồng trong tự nhiên. Kỹ thuật nuôi cấy tế bào thực vật của cây hành
(Allium cepa) để sản xuất các chất mùi onion cũng đã được phát triển. Prince
(1991) đã chứng minh sự tăng lên của các hợp chất mùi onion trong nuôi cấy
rễ. Thông qua việc bổ sung các amino acid như cysteine, methionine và
glutathione, nồng độ cuối cùng của sản phẩm có thể tăng lên rất lớn.
3. Các chất ngọt
- Stevioside
Stevioside tự nhiên ngọt hơn sucrose khoảng 300 lần. Dịch chiết từ cây hoàn
chỉnh chứa khoảng 41% stevioside. Các kiểm nghiệm về độc chất học cho
thấy rằng stevioside hoàn toàn an toàn cho người dùng. Hơn nữa, các nghiên
cứu nha khoa gợi ý rằng các sản phẩm này có thể ức chế thực sự sinh trưởng
của các vi sinh vật vùng miệng. Sản xuất stevioside trong nuôi cấy callus của
Stevia rebaudiana đã được nghiên cứu chi tiết. Những nuôi cấy chồi tạo rễ đã
cho vị ngọt, chứng minh rằng cả hai: rễ và lá cần thiết cho sự tổng hợp
stevioside.