Sản xuất chất thơm dẫn xuất từ carotenoids bằng công nghệ enzyme

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2013<br /> <br /> VAÁN ÑEÀ TRAO ÑOÅI<br /> <br /> SẢN XUẤT CHẤT THƠM DẪN XUẤT TỪ CAROTENOIDS<br /> BẰNG CÔNG NGHỆ ENZYME<br /> AROME PRODUCTION FROM CAROTENOIDS USING ENZYMATIC CLEAVAGE<br /> Tạ Thị Minh Ngọc1<br /> Ngày nhận bài: 10/12/2012; Ngày phản biện thông qua: 05/5/2013; Ngày duyệt đăng: 15/5/2013<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Carotenoids là nhóm chất màu phổ biến và quan trọng trong tự nhiên. Nhóm hợp chất này không những mang lại<br /> 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<br /> hương thơm đặc trưng của chúng. Các chất thơm được tạo thành do quá trình phân rã các phân tử carotenoids rất đa dạng<br /> 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<br /> kinh tế cao từ nguồn carotenoids thực vật là một hướng đi được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm, trong đó<br /> 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<br /> oxidase trên một aldehyde hay purine. Các chất thơm phổ biến được tạo ra bằng phản ứng enzyme phân cắt β-carotene<br /> gồm β-ionone, epoxy-βionone và dihydroactinidiolide.<br /> Từ khóa: sản xuất chất thơm, dẫn xuất carotenoid, đồng oxy hóa, xanthine oxidase<br /> <br /> ABSTRACT<br /> Carotenoids is a popular and important colorant group in nature. This group not only confers to fruits and legumes<br /> an atractive color but also play a role in their arome precusors. The aromatic composants formed by carotenoid cleavage<br /> are abondant and vary with the fruits. In an enzymatic co-oxidation process, carotenoids are broken by free radicals formed<br /> by the action of xanthine oxidase on an aldehyde or purine. This process is very efficient for the production of β-ionone,<br /> epoxy-βionone and dihydroactinidiolide.<br /> Keywords:aroma production, carotenoids cleavage, cooxidation, xanthine oxidase<br /> <br /> I. MỞ ĐẦU<br /> Carotenoids là nhóm chất màu tự nhiên lớn và<br /> quan trọng nhất, có chứa nhiều trong rau, củ, quả<br /> như cà chua, cà rốt…và tạo màu vàng, da cam, đỏ<br /> cho các loại rau quả này. Bản chất tự nhiên của<br /> carotenoids là các hợp chất tetratecpen (C40H56)<br /> chứa 8 gốc isoprene. Điểm nổi bật và đặc biệt trong<br /> cấu trúc là hệ thống nối đôi liên hợp, xen kẽ nối<br /> đơn, nối đôi tạo chuỗi polyen, tạo nên các đặc tính<br /> sinh học quan trọng của carotenoids như ái lực cao<br /> với oxy đơn bội, chống các gốc tự do, có khả năng<br /> oxy hóa, đồng phân hóa, hấp thụ ánh sáng (đặc<br /> biệt là ánh sáng tử ngoại) và thể hiện màu của hợp<br /> chất (màu càng đậm khi hệ thống dây nối càng dài)<br /> (Mortensen et al., 2001). Tuy nhiên, chính cấu trúc<br /> <br /> 1<br /> <br /> đặc biệt này của carotenoids cũng làm cho chúng<br /> trở nên không bền, dễ bị phá hủy trong môi trường<br /> có tính oxy hóa cao dưới tác động của các gốc tự do<br /> như nguyên tử oxy hay các tác nhân oxy hóa khác.<br /> Các sản phẩm của sự phân rã phân tử carotenoid<br /> này chịu trách nhiệm tạo nên mùi hương đặc trưng<br /> của một số loại thực vật chứa carotenoid như cà<br /> rốt, gấc… Những hợp chất thơm chuyển hóa từ<br /> carotenoids được phân bố rộng rãi trong tự nhiên,<br /> thể hiện khả năng tạo hương cao do đó chúng là<br /> mối quan tâm của nền công nghiệp hương và nước<br /> hoa (Winterhalter & Rouseff, 2001). Việc nghiên<br /> cứu cơ chế chuyển hóa các carotenoids thành chất<br /> thơm cũng được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới<br /> quan tâm. Con đường chuyển hóa có thể là do tác<br /> <br /> TS. Tạ Thị Minh Ngọc: Khoa Công nghệ thực phẩm - Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 187<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> nhân vật lý (nhiệt) (Crouzet et al., 2001) hay sinh<br /> học (enzyme, vi sinh vật) (Fleischmann et al., 2001;<br /> Kato et al., 2006).<br /> II. NỘI DUNG<br /> 1. Các chất thơm dẫn xuất từ carotenoid<br /> Các hợp chất thơm có nguồn gốc từ carotenoids<br /> được gọi là norterpenoids hay norisoprenoids<br /> là thành phần chủ yếu trong những thực vật tạo<br /> hương tuy nhiên chúng ta cũng còn biết rất ít về sự<br /> phân giải sinh học của nó.<br /> Hương thơm tạo thành từ carotenoids phụ<br /> thuộc vào số lượng cacbon và vị trí của nhóm oxy<br /> hóa. Chúng được hình thành thông qua sự oxy hóa<br /> bởi enzyme và quang oxy hóa (photo-oxidation) từ<br /> các carotenoid trong thực vật, hoa và quả. Cụ thể,<br /> các ionone được tìm thấy trong rất nhiều hương<br /> thơm của các loại quả như đào, mơ, mâm xôi và<br /> trong mùi hương của một số loại hoa như hoa violet.<br /> Có rất nhiều chất thơm được tạo thành khi phân<br /> cắt phân tử β-carotene, trong đó phổ biến nhất là<br /> các chất được tạo thành khi phân cắt tại nối đôi tại<br /> <br /> Số 2/2013<br /> các vị trí C9, C10, C11, C13 (Hình 1). Các chất thơm<br /> tạo thành bao gồm:<br /> 4-oxoisophoron: Chất thơm tìm thấy trong<br /> hương thơm của hoa osmanthus (một loại hoa họ<br /> nhài), chè đen, nghệ tây,…<br /> Safranal: Chất thơm tìm thấy trong hương<br /> thơm của nghệ tây, hoa osmanthus, chè đen, nước<br /> nho, ớt ngọt,…<br /> β-cyclocitral: Chất thơm tìm thấy trong hương<br /> thơm của đào, mơ, dưa hấu vàng, cà chua, ớt ngọt,<br /> súp lơ, bí đỏ, chè, rượu rum,…<br /> Dihydroactinidiolide: Chất thơm tìm thấy trong<br /> hương thơm của hoa osmanthus, chè đen, cây ba<br /> đậu, thuốc lá, hổ phách xám (long diên hương), cà<br /> chua,…<br /> β-ionone: Chất thơm tìm thấy trong hương<br /> thơm của hoa osmanthus, hoa hồng, chè đen,<br /> cà rốt, cà chua, mâm xôi, chanh leo, anh đào, xoài,<br /> mận, mơ,…<br /> β-damascenone: Chất thơm tìm thấy trong<br /> hương thơm của hoa hồng, mơ, nho, kiwi, xoài, cà<br /> chua, mâm xôi, chanh leo, và trong bia, rượu vang,<br /> rượu rum,…<br /> <br /> Hình 1. Một số chất thơm tạo thành từ quá trình phân cắt phân tử carotenoid<br /> (Aguedo et al., 2004)<br /> <br /> 2. Chuyển hóa carotenoids thành chất thơm<br /> bằng enzyme<br /> Sự chuyển hóa sinh học của phân tử<br /> carotenoids trong tự nhiên thường được cho là<br /> được xúc tác bởi hệ enzyme dioxygenase. Tuy<br /> nhiên, cơ chế của quá trình này còn chưa được hiểu<br /> biết rõ. Một cách chung nhất, quá trình chuyển hóa<br /> carotenoids thành chất thơm được chia làm 3 giai<br /> đoạn (Fleischmann et al., 2001):<br /> Quá trình phân cắt bước đầu với enzyme<br /> dioxygenase;<br /> Chuyển hóa bởi enzyme phân tử carotenoids<br /> thành các phân tử tiền chất thơm phân cực;<br /> Chuyển hóa các phân tử tiền chất thơm không<br /> bay hơi thành các sản phẩm bay hơi bởi quá trình<br /> xúc tác acid.<br /> Tuy nhiên, không phải hợp chất carotenoids<br /> <br /> 188 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> nào cũng trải qua tất cả các bước trên để tạo<br /> thành chất thơm dẫn xuất của nó. Đối với phân tử<br /> neoxanthine, dẫn xuất oxy hóa đầu tiên của nó<br /> là cetone grasshopper được xúc tác chuyển hóa<br /> sau đó thành cetone odoriferous trước khi được<br /> xúc tác acid để chuyển thành beta-damascenone.<br /> Trong trường hợp của bet-carotene, quá trình phân<br /> cắt để tạo thành alpha-hay beta-ionone lại diễn ra<br /> ngay sau bước oxy hóa đầu tiên (Winterhalter &<br /> Rouseff, 2001).<br /> Để sử dụng enzyme chuyển hóa carotenoids<br /> thành chất thơm, người ta sử dụng hệ đồng oxy hóa<br /> trong đó enzyme sẽ xúc tác lên cơ chất trung gian<br /> nhằm tạo ra các gốc tự do. Sau đó các gốc tự do này<br /> sẽ tấn công hệ thống nối đôi của phân tử carotene<br /> và phân cắt chúng thành các dẫn xuất của carotene<br /> và các cấu tử chất thơm (Waché et al., 2001).<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2013<br /> <br /> R-CHO + H2O → R – CH(OH)2<br /> R – CH(OH)2 + Enzyme → R – COOH + Enzyme – H2<br /> 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<br /> hiện qua vị trí cắt trên chuỗi nối đôi (Enzell et al., 1985). Sự tấn công không đặc hiệu bởi enzyme lên phân tử<br /> carotenoids có thể được giải thích bởi sự tấn công của gốc tự do (bảng 1). Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự<br /> 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,<br /> 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<br /> là tại các vị trí 11, 12, 9, 10, và 8, 9 (Winterhalter & Rouseff, 2001).<br /> Bảng 1. Gốc tự do sinh ra trong phản ứng đồng oxy hóa xúc tác bởi enzyme xanthine oxidase<br /> (Waché et al., 2001)<br /> Cơ chất<br /> <br /> Gốc tự do sinh ra<br /> <br /> Acetaldehyde<br /> <br /> O2•-, (HO•), •CH3, •CH2OH, CH3O•, CH3COO•<br /> <br /> Propanal<br /> <br /> O2 •-, (HO•), •C2H5<br /> <br /> Butanal<br /> <br /> O2•-, (HO•), •C3H7<br /> <br /> Xanthine<br /> <br /> O2•-, (HO•)<br /> <br /> Môi trường phản ứng đồng oxy hóa phải đảm<br /> bảo tối ưu hóa sự hoạt động của enzyme để sinh<br /> ra các gốc tự do đồng thời đảm bảo điều kiện để<br /> các gốc tự do này tiếp cận dễ dàng với cơ chất<br /> carotenoids. Thông thường, phản ứng được diễn ra<br /> trong môi trường nước có pH xấp xỉ 8 ở 37oC. Đây<br /> là điều kiện tốt nhất cho phản ứng enzyme. Việc sục<br /> khí có thể cần thiết để đảm bảo sự nồng độ oxy hòa<br /> tan. Việc sử dụng chất hoạt động bề mặt (Tween80,<br /> EDTA ...) là cần thiết do carotenoids không hòa tan<br /> trong nước.<br /> 3. Ứng dụng thực tế để sản xuất chất thơm dẫn<br /> xuất carotenoids<br /> Trong thực tế, enzyme được lấy từ dịch chiết<br /> từ thực vật để chuyển hóa carotenoids thành chất<br /> thơm. Trong trường hợp này, sự phân cắt chuỗi<br /> polyterpene được thực hiện bởi sự oxy hóa đồng<br /> thời sử dụng hệ enzyme lipoxygenase LOX hoặc<br /> các hệ enzyme oxygenase khác như phenoloxidase,<br /> lactoperoxidase, hay xanthine oxidase (Aziz et al.,<br /> 1999; Fleischmann et al., 2001). Quá trình oxy hóa<br /> đồng thời sử dụng hệ enzyme LOX đòi hỏi sự có<br /> mặt của enzyme, acid béo không no và carotenoids<br /> trong điều kiện hiếu khí. Người ta có thể sự dụng dịch<br /> chiết thô của enzyme LOX, nguồn giàu carotenoids<br /> như dầu cọ, dịch ép cà rốt, dịch chiết từ tảo<br /> Dunaliella... Hầu hết các phản ứng oxy hóa đồng<br /> thời đều được thực hiện trong môi trường nước<br /> sau khi phân tán carotenoids cũng như các<br /> linoleate dưới sự trợ giúp của các chất hoạt động bề<br /> mặt. Ngày nay, một quy trình ôxy hóa đồng thời đã<br /> được áp dụng vào quy mô công nghiệp để sản xuất<br /> alpha- và beta-ionone với hiệu suất đạt được tới<br /> <br /> 200 mg/kg phản ứng. Thành phần môi trường phản ứng<br /> ở đây bao gồm nước ép cà rốt (nguồn carotenoids),<br /> bột đậu tương (nguồn LOX) và dầu thực vật (nguồn<br /> acid béo không no) (Winterhalter & Rouseff, 2001).<br /> Những nghiên cứu gần đây trên nguyên liệu<br /> sẵn có ở Việt Nam đã sử dụng nước ép cà rốt,<br /> bí đỏ hoặc gấc làm nguồn cung cấp carotenoids.<br /> Đối với dịch chiết bí đỏ, chất thơm được báo cáo<br /> gồm có β-ionone, β-cyclocitral, 5,6-epoxi-β-ionone,<br /> dihydroactinidiolide (Cao-Hoang et al., 2011a). Đối<br /> với carotenoids từ gấc có sự khác biệt giữa dịch ép<br /> gấc tươi với việc sử dụng dầu gấc. Đối với dịch chiết<br /> từ gấc tươi, sản phẩm của quá trình phân rã được<br /> tìm thấy gồm có β-cyclocitral và dihydroactinidiolide<br /> (Cao-Hoang et al., 2011b) trong khi sản phẩm phân<br /> rã dầu gấc chỉ tìm thấy dihydroactinidiolide (Bui et<br /> al., 2012).<br /> III. KẾT LUẬN<br /> Chất thơm đóng vai trò quan trọng trong công<br /> nghiệp thực phẩm và mỹ phẩm. Tính đến nay đã<br /> có khoảng 10.000 hợp chất thơm trong tự nhiên<br /> được xác định, trong đó, ngành công nghiệp chất<br /> thơm mới chỉ thương mại hóa khoảng 2500 chất<br /> (theo Hiệp hội chất thơm châu Âu EFFA). Hầu hết<br /> các hợp chất này thu được bằng con đường tổng<br /> hợp hóa học. Trong số hơn 2000 chất thơm được<br /> thương mại hóa hiện nay chỉ có 400 chất được<br /> tổng hợp bằng con đường sinh học. Đây là những<br /> hợp chất thơm được gắn mác “giống tự nhiên”,<br /> có giá thành thấp hơn nhiều lần so với các chất<br /> thơm tách chiết từ nguyên liệu tự nhiên và được<br /> người tiêu dùng ưa chuộng. Quá trình đồng oxy<br /> hóa để sản xuất chất thơm dẫn xuất carotenoids<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 189<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> là một hướng đi được nhiều nước trên thế giới<br /> đặc biệt quan tâm. Nguồn enzyme có thể được<br /> tách chiết từ thực vật (trà xanh, đậu tương ...)<br /> hay cũng có thể lấy từ nấm sợi, vi khuẩn, hoặc<br /> tách chiết từ động vật như trường hợp của<br /> enzyme xanthine oxydase (Ly et al., 2008; Waché<br /> <br /> Số 2/2013<br /> et al., 2003s;, Zorn et al., 2003). Nguồn cơ chất<br /> carotenoids có thể là dịch chiết từ các loại rau củ<br /> giàu carotene như cà rốt, bí đỏ, gấc… Đây đều<br /> là những nguyên liệu sẵn có của Việt Nam. Vấn<br /> đề là lựa chọn nguồn cơ chất và nguồn enzyme<br /> phù hợp.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1.<br /> <br /> Aguedo, M., Ly, M. H., Belo, I., Texeira, J., Belin, J.-M. & Waché, Y. (2004). The use of enzymes and microorganisms for the<br /> production of aroma compounds from lipids. Food Technol Biotechnol 42, 327-336.<br /> <br /> 2.<br /> <br /> Aziz, S., Wu, Z. & Robinson, D. S. (1999). Potato lipoxygenase catalysed co-oxidation of beta-carotene. Food Chemistry<br /> 64, 227-230.<br /> <br /> 3.<br /> <br /> Bui, THP., Ta, TMN., Nguyen, ND., Do, TTL., Do, TTH., Phan, TH., Waché, Y. & Nguyen, THT. (2012). Study on biotranformation of carotenoids from diferent sources into aroma compounds during cooxidation using xanthine oxidase. Journal of<br /> Science and Technology 50 (3C), 482 - 488.<br /> <br /> 4.<br /> <br /> Cao-Hoang, L., Osorio-Puentes, FJ., Phan-Thi, H. & Waché, Y. (2011a). Stability of carotenoids extracts of Cucurbita<br /> maxima towards enzymatic cooxidation and aroma compounds generation. IPCBEE 7, 141 - 143.<br /> <br /> 5.<br /> <br /> Cao-Hoang, L., Phan-Thi, H., Osorio-Puentes, FJ. & Waché, Y. (2011b). Stability of carotenoids extracts of Gac (Momordica<br /> cochinchinensis) towards cooxidation - Protective effect of lycopene on β-carotene.<br /> <br /> 6.<br /> <br /> Crouzet, J., Kanasawud, P. & Sakho, M. (2001). Thermal Generation of Carotenoid-Derived Compounds. In<br /> Carotenoid-Derived Aroma Compounds, 115-129: American Chemical Society.<br /> <br /> 7.<br /> <br /> Fleischmann, P., Lutz-Reder, A., Winterhalter, P. & Watanabe, N. (2001). Carotenoid Cleavage Enzymes in Animals and<br /> Plants. In Carotenoid-Derived Aroma Compounds, 76-88: American Chemical Society.<br /> <br /> 8.<br /> <br /> Kato, M., Matsumoto, H., Ikoma, Y., Okuda, H. & Yano, M. (2006). The role of carotenoid cleavage dioxygenases in the<br /> regulation of carotenoid profiles during maturation in citrus fruit. Journal of Experimental Botany 57, 2153-2164.<br /> <br /> 9.<br /> <br /> Ly, M. H., Hoang, L. C., Belin, J. M. & Wache, Y. (2008). Improved co-oxidation of beta-carotene to beta-ionone using<br /> xanthine oxidase-generated reactive oxygen species in a multiphasic system. Biotechnol J 3, 220-225.<br /> <br /> 10. Mortensen, A., Skibsted, L. H. & Truscott, T. G. (2001). The interaction of dietary carotenoids with radical species. Arch<br /> Biochem Biophys 385, 13-19.<br /> 11. Waché, Y., Bosser-DeRatuld, A., & Belin, J.-M. (2001). Production of aroma compounds by enzymatic cooxidation of<br /> carotenoids. In Carotenoid-Derived Aroma Compounds, 106-117: American Chemical Society<br /> 12. Waché, Y., Bosser-DeRatuld, A., Lhuguenot, J.-C. & Belin, J.-M. (2003). Effect of cis/trans Isomerism of beta-Carotene on<br /> the Ratios of Volatile Compounds Produced during Oxidative Degradation. Journal of Agricultural and Food Chemistry 51,<br /> 1984-1987.<br /> 13. Winterhalter, P. & Rouseff, R. (2001). Carotenoid-Derived Aroma Compounds: An Introduction. In Carotenoid-Derived<br /> Aroma Compounds, 1-17: American Chemical Society.<br /> 14. Zorn, H., Langhoff, S., Scheibner, M. & Berger, R. G. (2003). Cleavage of beta,beta-carotene to flavor compounds by fungi.<br /> Appl Microbiol Biotechnol 62, 331-336.<br /> <br /> 190 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br />