Bộ môn Công nghệ Sinh học - Thực phẩm

Betalain là những sắc tố không bào ưa nước, tích tụ trong lá, rễ, thân, quả, hoa, cuống lá và hạt của cây thuộc bộ Caryophyllales. Betalain trong những năm 1950 được gọi là anthocyanins nitơ. Mãi đến nhiều năm sau mới có bằng chứng cho thấy chúng gồm một tập hợp các sắc tố khác với các sắc tố của anthocyanins được cung cấp (Piattelli và cộng sự 1964; Miller và cộng sự 1968; Impellizzeri và Piattelli 1972). Sau đó, Mabry và Dreiding trong (1968) đặt ra thuật ngữ "betalains".
Betalain được tổng hợp tự nhiên từ tyrosine axit amin thành hai nhóm cấu trúc chính: betacyanins và betaxanthin, axit betalamic là tiền chất sinh tổng hợp của chúng. Betacyanins thể hiện màu đỏ tím với phổ hấp thụ (λ max) là 541 ± 9 nm và cấu trúc cơ bản của chúng là sự ngưng tụ axit betalamic với chu trình DOPA. Betaxanthin có màu vàng cam với phổ hấp thụ (λ max ) 471,5 ± 13,5 nm và cấu trúc của chúng bao gồm sự liên hợp của axit betalamic với axit amin hoặc amin (như Hình 1) (Strack và cộng sự 2003; Khan và cộng sự 2015). Cho đến nay, khoảng 70 betalain đã được xác định trong tự nhiên, bao gồm khoảng 50 betacyanins và 20 betaxanthin. Chúng có thể được tìm thấy trong các loại trái cây và hạt như củ cải đường ( Beta vulgaris ), rau dền (Amaranthus spp.), Lê (Opuntia spp.), và pitaya (Stenocereus spp.), và trong một số loại khác (Cai và cộng sự 2005 ; Stintzing và Carle 2007 ).

Hình 1. Sơ đồ con đường sinh tổng hợp betacyanins và betaxanthin

Đặc tính betalain trong thực phẩm
Hiện nay, với sự tiến bộ trong các nghiên cứu về betalains, các ứng dụng khả thi của chúng đã được đa dạng hóa. Một trong những ứng dụng chính là sử dụng chúng như chất tạo màu tự nhiên. Việc sử dụng chất tạo màu tự nhiên trong thực phẩm đã phát triển để thay thế cho việc sử dụng thuốc nhuộm nhân tạo có hại cho sức khỏe. Betalain là thuốc nhuộm tự nhiên nhất được sử dụng trong thực phẩm (Obón et al. 2009). Nguồn betalain chính là củ cải đỏ; tuy nhiên, nhược điểm của việc sử dụng betalain chiết xuất từ củ cải đỏ là mùi đất do geosmin và pyrazine không mong muốn khi sử dụng trong thực phẩm ở nồng độ cao (Stintzing et al. 2000). Vì vậy, các nguồn betalain mới là cần thiết để ứng dụng chúng trong thực phẩm. Một số nguồn betalain, đã khuyến khích các nhà khoa học thực phẩm nghiên cứu chúng từ quan điểm công nghệ và dinh dưỡng bao gồm củ dền và quả xương rồng, cho thấy tiềm năng lớn về việc làm chất tạo màu tự nhiên (Cai et al. 2003; Moßhammer et al. 2005; Robert và cộng sự 2015).
Một đóng góp quan trọng khác của betalain là việc phát triển bao bì thực phẩm bằng polymer tự nhiên. Chúng có những đặc tính phù hợp cho bao bì thực phẩm, chẳng hạn như màu sắc, khả năng chống oxy hóa, tính ổn định về khả năng phân hủy quang học và tính linh hoạt cao (Akhtar và cộng sự 2012; Gutiérrez và cộng sự 2016). Do đó, betalain ngoài việc được sử dụng làm chất tạo màu còn có thể tạo lợi ích cho các đặc tính hóa lý của bao bì thực phẩm và cung cấp giá trị gia tăng. Sự liên quan của betalain với thực phẩm và đặc tính của chúng đã làm tăng sự quan tâm của các nhà khoa học trong việc tiếp tục tìm cách kết hợp chúng vào thực phẩm theo hướng hỗ trợ sức khỏe con người (Choo 2017).

Hình 2. Một số nguồn Betalains trong tự nhiên, đặc tính và ứng dụng của chúng. 

Đặc tính sinh học của betalain
Betalains có các đặc tính giúp tăng cường sức khỏe, chủ yếu là chống oxy hóa, chống ung thư, kháng khuẩn (Vulić và cộng sự 2013 ; Gandía-Herrero và cộng sự 2016 ; Khan 2016a , b ; Belhadj và cộng sự 2017 ; Miguel 2018 ; Yong và cộng sự. 2018 ). Betalain cho thấy hoạt tính chống oxy hóa mạnh mẽ, cao gấp 7 lần so với vitamin C, một chất chống oxy hóa tự nhiên rất hiệu quả, và cao hơn tới 3–4 lần so với axit ascorbic và catechin (Cai et al. 2003). Hoạt tính chống oxy hóa của betalain đã được nghiên cứu từ nhiều nguồn khác nhau như trái cây, lá, hoa và hạt. Tuy nhiên, không phải tất cả các nguồn betalain đều có hoạt tính chống oxy hóa giống nhau do số lượng và vị trí của các nhóm hydroxyl/imino và quá trình glycosyl hóa aglycones trong cấu trúc của betalain (Cai et al. 2003).
Betalain do có tác dụng tích cực chống lại các gốc tự do nên có thể ngăn ngừa sự khởi phát của ung thư. Các tài liệu đã báo cáo tác dụng chống tăng sinh của nó đối với ung thư biểu mô ruột kết ở người, cho thấy betalain có thể ngăn chặn và ức chế hiệu quả chu kỳ tế bào của tế bào ung thư (Serra et al. 2013). Ngoài ra, chúng đã được thử nghiệm trên tế bào ung thư buồng trứng, tế bào bất tử của biểu mô cổ tử cung và tế bào ung thư cổ tử cung, cho thấy tác dụng ức chế đáng kể từ 40-60% (Zou và cộng sự 2005 ). Một đặc tính khác ít được nghiên cứu là tác dụng kháng khuẩn của betalain. Người ta đã báo cáo rằng betalain thể hiện đặc tính chống sốt rét, có khả năng chelat hóa các cation thiết yếu bên trong và khối vận chuyển ký sinh trùng nội bào (Hilou et al. 2006). Ngoài ra, betalain đã cho thấy tác dụng ức chế chống lại vi khuẩn Gram âm như Pseudomonas aeruginosa và Salmonella typhimurium, trong số những người khác, và vi khuẩn Gram dương, chẳng hạn như Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis và Listeria monocytogenes (Čanadanović-Brunetre et al. 2011 ; Tenore et al. 2011; Tenore et al. 2011) và cộng sự 2012). Mặc dù người ta biết rằng betalain có tác dụng kháng khuẩn, nhưng các tài liệu đã báo cáo rất ít về cơ chế ức chế của nó, do đó, đây có thể là một chủ đề cơ hội cho các nghiên cứu trong tương lai.
Mặc dù có những đặc tính y học và thực phẩm thú vị như vậy, nhưng một trong những hạn chế chính ngăn cản việc sử dụng tiềm năng của Betalain là tính không ổn định của chúng. Do đó, trong những năm gần đây, một số nghiên cứu đã tìm kiếm các cách để làm bền chúng và tăng các ứng dụng thương mại của chúng để tận dụng các lợi ích. Các tài liệu đã báo cáo việc sử dụng các chất phụ gia, chẳng hạn như chất chống oxy hóa, chất tạo chelate và trong những năm gần đây, công nghệ bao nang (encapsulation) - đại diện cho một phương pháp đầy hứa hẹn để làm bền betalain.

Xu hướng ứng dụng mới của betalains trong ngành công nghiệp thực phẩm
Trước nhu cầu đưa ra các chiến lược cải thiện thời hạn sử dụng của thực phẩm, giám sát chất lượng sản phẩm theo thời gian thực, sử dụng tối thiểu chất bảo quản tổng hợp và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, việc phát triển bao bì thông minh mới dựa trên chất tạo màng sinh học và chiết xuất tự nhiên đã tăng lên trong ngành công nghiệp thực phẩm (Kanatt, 2020). Đặc tính nhạy với pH của betacyanins đã được sử dụng trong việc phát triển các màng thông minh với các ứng dụng tiềm năng trong bao bì thực phẩm. Jamróz và cộng sự, (2019) quan sát thấy rằng một chiết xuất giàu betalains từ rễ củ cải đường trong màng furcellaran chuyển từ màu đỏ sang màu xanh lục khi màng tiếp xúc với amoniac. Màng này được sử dụng làm bao bì để theo dõi sự hư hỏng của cá philê được bảo quản ở 2 °C; tuy nhiên, sự thay đổi màu sắc của lớp màng không đủ hiệu quả để thông báo về tình trạng hư hỏng của thực phẩm. Tương tự, Qin et al. (2020) đã kết hợp một chiết xuất có chứa betalain từ quả đậu đỏ trong màng tinh bột/rượu polyvinyl, tạo ra một màng có đặc tính chống oxy hóa và kháng khuẩn như một vật liệu đóng gói thông minh để theo dõi độ tươi của tôm và có khả năng giám sát độ tươi của protein trong thức ăn động vật nói chung. Kết quả tương tự cũng được quan sát bởi Hu và cộng sự. (2020) khi kết hợp betalains amaranth trong màng amoni chitosan bậc bốn/gelatin cá, tạo ra một màng chức năng với các đặc tính chống oxy hóa và kháng khuẩn được cải thiện chống lại các mầm bệnh trong thực phẩm. Màng cũng thể hiện khả năng thay đổi màu sắc với độ nhạy pH trong điều kiện kiềm, cho phép đánh giá tính khả thi của nó như một vật liệu bao nang thông minh để theo dõi độ tươi của tôm. Ngoài ra, hiệu quả của sự thay đổi màu sắc của lớp màng có thể bị ảnh hưởng tiêu cực bởi hàm lượng betalain cao hơn trong công thức. Yao et al. (2020) đã phát triển màng chống oxy hóa, kháng khuẩn và nhạy cảm với amoniac dựa trên amoni chitosan bậc bốn /polyvinyl alcohol với chiết xuất betalain từ Opuntia ficus-indica và áp dụng chúng như vật liệu đóng gói thông minh có thể thay đổi màu sắc (từ tím sang cam) khi tôm mất độ tươi. Phát hiện này chỉ ra rằng một số nguồn betalain có thể có một vị trí trong ngành công nghiệp thực phẩm không chỉ như chất tạo màu phụ gia, chất chống oxy hóa hoặc chất kháng khuẩn mà còn vì sự tham gia của chúng được dự báo sẽ trở nên quan trọng đối với việc đổi mới và phát triển các vật liệu thông minh cho bao bì ngành thủy sản và mỹ phẩm.
Betalain đã cho thấy tiềm năng của chúng như là chất tạo màu, chất chống oxy hóa và chất kháng khuẩn trong các ma trận thực phẩm. Do đó, việc phát triển các vật liệu thông minh và có hoạt tính cho bao bì thực phẩm là hứa hẹn phù hợp sử dụng betalain trong các mảng khác của ngành công nghiệp thực phẩm nhằm kéo dài thời hạn sử dụng, tăng cường an toàn thực phẩm và giảm các tác động tiêu cực đến môi trường .
Dịch và tổng hợp từ các nguồn: 
1. Castro-Enríquez, D.D., Montaño-Leyva, B., Del Toro-Sánchez, C.L. et al. Stabilization of betalains by encapsulation—a review. J Food Sci Technol 57, 1587–1600 (2020), https://doi.org/10.1007/s13197-019-04120-x  
2. S.J. Calva-Estrada, M. Jiménez-Fernández, E. Lugo-Cervantes, Betalains and their applications in food: The current state of processing, stability and future opportunities in the industry, Food Chemistry: Molecular Sciences, 4, 2022, 100089, https://doi.org/10.1016/j.fochms.2022.100089 .
3. Juan Pablo Carreón-Hidalgo, Diana Carolina Franco-Vásquez, Darío R. Gómez-Linton, Laura J. Pérez-Flores, Betalain plant sources, biosynthesis, extraction, stability enhancement methods, bioactivity, and applications, Food Research International, 151, 2022, 110821, https://doi.org/10.1016/j.foodres.2021.110821.
TS. Trần Phước Nhật Uyên (Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Văn Hiến)