Tại sao khi củ cắt hành thì chúng ta lại khóc? Đây là câu hỏi mà ai trong số chúng ta cũng ít nhất một lần trong đời tự hỏi bản thân hay những người xung quanh.
Điều này gây rất nhiều phiền toái cho công việc nấu ăn rất nhiều. Hôm nay, tôi sẽ giúp các bạn có cái nhìn rõ hơn vấn đề này về khía cạnh hóa học nha.
Tổng quan
Khi cắt củ hành triệu chứng đầu tiên mà ai cũng từng gặp phải, đó chính là nước mắt chúng ta cứ tự nhiện chảy một cách vô thức. Câu trả lời tại sao cho vấn đề này đã được đặt ra hàng thập kỷ, làm cho rất nhiều nhà khoa học đau đầu.
Nhưng đối với tự nhiên, quá trình này giúp cho cây trồng bảo vệ mình khỏi những kẻ săn mồi. Hiện tượng kích thích và gây tổn thương mắt cũng có thể xảy ra ở các sinh vật khác.
Điều này làm cho cây trồng không hấp dẫn với động vật hoang dã, côn trùng và thậm chí một số loài vi khuẩn và nấm.
Cho đến gần đây, một số nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một phần mới cho câu trả lời phức tạp này. Họ đã chỉ ra rằng làm thế nào những hợp chất hình thành và gây kích ứng mắt.
Nhà khoa học Eric Block cho biết rằng, củ hành có tinh chất hóa học rất đáng kinh ngạc so với những loại rau củ thông thường. Ông không trực tiếp tham gia vào nghiên cứu mới này.
Tuy nhiên, ông là nhà hóa học tại đại học Albany ở New York, nghiên cứu rất nhiều về hóa học của củ hành.
Ông ghi nhận rằng, khi cắt lát mỏng củ hành thì đồng thời lúc này chúng ta giúp giải phóng ra một chuỗi những phản ứng hóa học.
Các phân tử ổn định trong mô hành sẽ bị tác động và chuyển thành một chất khí dễ bay hơi chứa lưu huỳnh. Loại khí này phản ứng với mắt để tạo thành một lượng nhỏ acid sulfuric. Chính acid này dẫn đến hiện tượng ngứa, cháy và chảy nước mắt.
Nhưng thực tế quá trình này phức tạp hơn chúng ta nghĩ. Ông và các nhà khoa học khác đã phải vật lộn để có được bức tranh toàn cảnh trong hơn 40 năm.
Block cho biết: “Khi chúng tôi khám phá ra càng nhiều hợp chất thì hình ảnh càng trở nên phức tạp hơn”.
Những giả thuyết đầu tiên
Block đã nghiên cứu về vấn đề này từ những năm 1970 cho đến hiện tại. Ông đã xác định được cấu trúc của một trong số những phân tử gây kích ứng mắt của hành vào năm 1979.
Chất hóa học có chứa lưu huỳnh này được gọi nhân tố lachrymatory hay còn gọi tắt là LF (từ này xuất phát từ từ Latin lacrima, có nghĩa là “nước mắt”).
Về lý thuyết thì ai cũng điều biết rằng, cấu trúc của bất kỳ phân tử cho thấy vị trí của các nguyên tử khác nhau xây dựng nên chúng. Cấu trúc này chỉ ra các nguyên tử khác nhau kết hợp với nhau như thế nào.
Vì thế, Block cho rằng: “Khi biết được cấu trúc của LF thì chúng ta sẽ có những manh mối về việc phân tử được hình thành như thế nào”. Đó là bởi vì chúng chính là nguyên nhân gây ra sự chảy nước mắt khi vỏ của củ hành bị vỡ.
Ông đã giả thuyết rằng, một phản ứng hóa học đã diễn ra khi củ hành bị cắt và phản ứng hóa học này đã chuyển đổi một phân tử ở trạng thái bền thành trạng thái bốc hơi nhanh chóng và đốt cháy mắt.
Đôi khi các phản ứng hóa cần một chút tác động giúp đỡ để chúng có thể bắt đầu. Và trong trường hợp này đó chính là enzym.
Chúng là những phân tử tuyệt vời, giống như những người thắp lửa tự nhiên. Enzym giúp cho phản ứng xảy ra nhanh và tăng tốc độ của các phản ứng hóa học.
Khi ông tập trung vào một enzym được biết đến với tên gọi là alliinase (AL-ee-un-ace). Ông nhận thấy rằng chúng giúp đỡ tăng tốc độ phản ứng chuyển hóa những phân tử sulfoxide bền, đặc biệt là 1-propenenic acid, trong hành chuyển thành những chất gây kích ứng mắt là syn-propanethial-S-oxide.
Quá trình chuyển hóa này xảy ra rất nhanh khoảng 30 giây sau khi hành bị cắt. Một số loại thực vật, chẳng hạn như tỏi và hành dưới sự xúc tác của loại enzym này, tạo thành những chất dễ bay hơi có cấu trúc như hình bên dưới, làm cho thực phẩm có hương vị thơm ngon đặc trưng cho chúng.
Sau đó, vào đầu những năm 2000, các nhà khoa học tại một công ty thực phẩm của Nhật đã khám phá ra một enzym quan trọng thứ hai trong củ hành, trong lúc tìm cách để làm củ hành tây không gây chảy nước mắt.
Họ nghĩ rằng bằng cách giữ cho enzym alliinase tránh xa không xúc tác cho phản ứng tạo thành acid sulfuric. Nhưng khi họ phân lập enzym này và pha trộn nó với sulfuric acid thì không có chuyện gì xảy ra cả.
Trong quá trình này, họ đã phát hiện ra LF synthase. Các nhà nghiên cứu đã lý luận rằng alliinase đã làm thay đổi hình dạng của phân tử ban đầu, để enzym thứ hai có thể hoạt dộng dễ dàng.
Tuy nhiên không ai biết chắc chắn về điều đó. Bởi vì cấu trúc của LF synthase lúc đó chưa được biết. Vì do thiếu thông tin đó nên các nhà nghiên cúu không thể giải mã được phản ứng hóa học hoàn chỉnh.
Chứng minh những giả thuyết
Sau đó, để giải quyết vấn đề này đã có rất nhiều nhà khoa học đã bắt tay vào tìm cách kết tinh enzym LF synthase và giải thích sự kích thích mắt của chúng.
Một trong số đó có nhà sinh học Marcin Golczak, chuyên gia nghiên cứu các phân tử hoạt động trong sinh vật tại đại học Case Western Reserve ở Cleveland, Ohio. Ông và một nhóm các nhà nghiên cứu khác đã tim cách kết tinh LF và sử dụng kỹ thuật tinh thể học tia X để xác định cấu trúc của chúng.
Đầu tiên, họ tìm cách trộn lẫn enzym với một acid. Điều này khiến tinh thể phát triển trong hỗn hợp. Sau đó, họ đông cứng tinh thể trong nitơ lỏng và sử dụng một máy ảnh đặc biệt để bắn tia X tại các tinh thể.
Khi những chùm tia chạm vào tinh thể, các tia X sẽ bị tán xạ. Bằng cách đo góc của các chùm phân tán, các nhà nghiên cứu có thể xây dựng một bức tranh 3-D của enzym.
Nhóm của Golczak kết hợp ảnh 3-D với các nghiên cứu trước đó về những gì enzym đã làm. Từ đó, họ tạo ra một mô hình của enzym sẽ trông như thế nào.
Ông giải thích rằng: “Khoa học là một quá trình xây dựng. Chúng ta không chỉ khám phá ra một điều và ngay lập tức biết mọi thứ về nó hoạt động như thế nào. Chúng có nhiều lớp”.
Block đã gọi nghiên cứu mới này là bước tiếp theo hợp lý trong việc giải quyết một câu đố lâu đời. Ông nói: “Đây là mảnh ghép nhỏ còn thiếu nhưng quan trọng của một câu đố”.
Và nhóm của Golczak đã mô tả những gì họ đã làm trong bài báo số ra ngày 15 tháng 9 năm 2017 trên tạp chí ACS Chemistry Biology. doi: 10.1021/acschembio.7b00336.
Tham khảo Sciencenewsforstudents và tổng hợp.
