Polysaccharide trong rong tảo

Chương 1. SƠ LƯỢC VỀ RONG TẢO - Tên gọi chung chỉ tập hợp các loài thực vật sống trong biển và đại dương: tảo, cỏ, cây vùng ngập mặn (sú, vẹt), vi sinh vật, nấm. Phổ biến nhất ở biển là các loài tảo, phân bố từ mặt nước xuống độ sâu 100 - 400 m, nơi ánh sáng Mặt Trời có thể xuyên thấu; một số loài tảo nhỏ trôi nổi trong các lớp nước mặt (thực vật nổi); số khác, thường có kích thước lớn, sống bám vào nền đáy (thực vật đáy). Bộ phận đáng kể TVB phân bố trong dải thực vật ven bờ, mức độ phát triển của chúng phụ thuộc vào các yếu tố khí hậu địa phương, nhiệt độ, độ mặn, độ trong của nước, hàm lượng các nguyên tố vi lượng và đa lượng, chất đáy, độ sâu, mức ô nhiễm. Những loài tảo biển quan trọng nhất (tảo đỏ, tảo nâu, tảo lục) thường phân bố a) b) c) Hình 1: các loại tảo a) tảo lục ; b) tảo nâu ; c) tảo đỏ trong vùng dưới triều và vùng trên triều, ở độ sâu từ 15 - 20 m đến 50 - 70 m, nhiều khi tạo thành các rừng tảo ngầm (vd. rong câu, rong mơ). Kích thước của các loài tảo thay đổi tuỳ loài, có loài dài hàng chục mét. Nhiều loài có vô số tản với nhiều dạng hình khác nhau, có loài có rễ giả bám vào nền đáy. Chúng là bộ phận sinh vật chủ yếu sản xuất ra các hợp chất hữu cơ của biển. Hằng năm chúng tạo ra khoảng 1011 tấn chất hữu cơ, tương đương với năng suất 48 - 64 tấn chất khô/ha. Các loài tảo biển là thức ăn cho động vật không xương sống và cá con. - Toàn bộ sự sống trong nước biển đều phụ thuộc trực tiếp hay gián tiếp vào TVB. Giá trị dinh dưỡng của TVB (nhất là thực vật nổi) có thể so sánh với nhiều loài thực vật trên cạn chất lượng cao; chúng chứa 6 - 29% protein, 17 - 60% glucid và khoảng 1 - 4% lipid, nhiều vitamin và muối khoáng. Nhiều loài có khả năng tích trữ các nguyên tố vi lượng có trong biển. Sản lượng TVB trên thế giới được ước tính vào khoảng 550 tỉ tấn. TVB có ứng dụng rất đa dạng. Từ tảo biển, người ta thu được rất nhiều sản phẩm và chế phẩm kĩ thuật có giá trị cao, được ứng dụng trong đời sống con người. Chương 2. POLYSACCHARIDE TRONG RONG TẢO 2.1. agar - Agar là một loại polysaccharide được tách ra từ rong biển (thuộc nhóm tủ đỏ Rhodophyceae) như Gelidium sp, Pterocladia sp, Gracilaria sp.Agar được tách bằng nước sôi sau đó được kết tủa bằng cồn Hinh 2.1: bột agar 2.1.1. cấu trúc - Thành phần chính trong phức hợp polysaccharide này agarose và agaropectin. - Trong mạch polysaccharide được cấu tạo chủ yếu từ β - D - galactopyranose và 3,6-anhydro-α-L-galactopyranose liên kết với nhau bởi liên kết β-1,4 và α-1,3. - Mạch polysaccharide một phần bị sulfate hóa với tỉ lệ rất thấp, với agarose là 0,04% sulfate, với agaropectin là 6% sulfate. Hình 2.2: công thức cấu tạo của agar 2.1.2. tính chất - Agar không tan trong nước lạnh, tan nhẹ tronh ethanolamin và tan tốt trong formamid. - Có khả năng trao đổi ion do trong phân tử có chứa nhóm tích điện âm (gốc sulfate, carbocyl…) - Có khả năng tạo gel khi để nguội dung dịch agar. Nguyên nhân là do các phân tử có sự chuyển đổi từ cấu trúc cuộn sang cấu trúc xoắn và tiếp theo là sự tổ hợp của các chuỗi xoắn. Gel agar đàn hồi tốt (nhờ agar có khả năng hấp thụ rất nhiều nước) và có tính thuận nghịch về nhiệt. Khả năng tạo gel và độ bền gel phụ thuộc vào nồng độ agar và phân tử lượng trung bình của nó. Nồng độ agar càng cao thì kích thước lỗ gel càng nhỏ, khả năng lọc của gel càng lớn và ngược lại. Gel agar khi làm khô sẽ tạo ra một màng trong suốt, bền cơ học và có thể bảo quản lâu dài mà không bị hỏng. - Một tính chất rất đặc trưng nữa của agar đó là sự chênh lệch lớn giữa nhiệt độ tạo gel và nhiệt độ nóng chảy của gel, tính chất này còn gọi là sự trể nhiệt. thông thường thì dung dịch agar sẽ đông lại ở nhiệt độ 40 – 450C và nóng chảy ở nhiệt độ gần 80 – 850C. 2.1.3. ứng dụng Những ứng dụng của agar dựa trên các tính chất sau: khả năng tạo gel, khả năng nhủ hóa làm bền, khả năng tạo màng trong suốt có độ bền cơ học cao. - Agar được dùng làm thạch, thay thế pectin trong mứt quả, thay gelatin trong các sản phẩm thịt cá, được sử dụng cùng với gum tragacanth, locuts bean trong các đồ tráng miệng đông lạnh, trong các sản phẩm kem, nó là chất ổn định trong sữa chua uống, nhiều loại phomai va bánh ngọt, làm chậm quá trình hư hỏng của bánh mì, cung cấp cấu trúc gel trong các đồ hộp. - Agar dùng làm môi trường rắn để nuôi cấy vi sinh vật. Nguyên nhân + Những lỗ trống trong cấu trúc của gel thuận lợi cho viêc cung cấp các chất dinh dưỡng hòa tan cho môi trường nuôi cấy + Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ tạo gel phù hợp để nuôi cấy nhiều loại sinh vật + Agar rất bền vì hầu hết các vi sinh vật không có khả năng phân giải do agar có cấu tạo đặc biệt từ các L – monosaccharide. a) b) c) Hình 2.3.Một số thực phẩm có sử dụng agar a) mứt đông; b) chả cá; c) jelly 2.2.carrageenan - Nó là hợp chất rất gần gũi với agar được chiết ra từ tảo đỏ Chondrus, Gigartina, Eucheuma, Glôipeltis và Iridae - Carrageenan được tách bằng nước nóng trong môi trường kiềm yếu, sau đó sấy khô hay kết tủa để thu được sản phẩm tinh sạch hơn. Hình 2.4: bột carrageenan 2.2.1. Cấu trúc - Mạch polysaccharide được tạo thành từ D – galactose và 3,6 – anhydro - D – galactose liên kết với nhau bởi liên kết 1,4 và 1,3. Các gốc D – galactose bị sulfate với tỉ lệ cao hơn nhiều so với trong phân tử agar. Hình 2.5: công thức cấu tạo của carrageenan - Carrageenan là một hỗn nhiều polysaccharide trong đó quan trọng nhất là χ – carrageenan(tạo gel và bị kết tủa bởi K+).λ – carrageenan (không tạo gel và không bị kết tủa bởi K+), i – carrageenan. Các carageenan khác nhau về mức độ sulfate hóa. χ – carrageenan thường được sulfate hóa một phần ở nhóm OH của C4 Hình 2.6: công thức cấu tạo của χ – carrageenan i – carrageenan, thì nhóm OH ở C2 của của gốc anhydrogalactose luôn luôn được sulfate hóa Hình 2.7. công thức cấu tạo của i – carrageenan λ – carrageenan thì một gốc galactose luôn luôn bị sulfate hóa ở C2 và C6 gốc còn lại thì bị một phần ở C2 Hình 2.8: công thức cấu tạo của λ – carrageenan - Carrageenan có cấu trúc xoắn kép. Mỗi vòng xoắn đơn do 3 gốc disaccharide tạo nên. Trong dung dịch các xoắn kép có thể kết hợp lại với nhau tạo ra cấu trúc bậc bốn. đây là cơ sở để tạo gel khi làm nguội dung dịch carrageenan. to­ to¯ Hình 2.9: sự tạo thành cấu trúc bậc 4 của χ – carrageenan 2.2.2. Tính chất - Carrageenan tan dễ trong nước. độ hòa tan tăng khi tỉ lệ sulfate hóa tăng và khi lượng các gốc anhydro – galactose giảm. Đối với χ – carrageenan có khả năng hòa tan ở nhiệt độ cao, i – carrageenan có thể hòa tan một phần ở nhiệt độ thấp và chỉ bị hòa tan hoàn toàn khi đun nóng, λ – carrageenan có thể hòa tan hoàn toàn ở nhiệt độ thấp. - Carrageenan tạo độ nhớt cho dung dịch. Độ nhớt của dung dịch phụ thuộc vào dạng carrageenan, trọng lượng phân tử, nhiệt độ, sự có mặt của các ion và nồng độ của carrageenan. - Về khả năng tạo gel: χ - carrageenan Gel tạo thành khi làm lạnh với sự có mặt của những muối Kali. Các phân tử có sự chuyển đổi từ cấu trúc cuộn sang cấu trúc xoắn và tiếp theo là sự tổ hợp của các chuỗi xoắn. Ion K+ liên kết các chuỗi xoắn. Sự có mặt của các muối làm giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các chuỗi thúc đẩy sự tổ hợp. Loại gel này cứng hơn so với các gel khác hồi. i - carrageenan Gel tạo thành khi làm lạnh với sự có mặt của muối. Các phân tử có sự chuyển đổi từ cấu trúc cuộn sang cấu trúc xoắn và tiếp theo là sự tổ hợp của các chuỗi xoắn. Sự có mặt của các muối làm giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các chuỗi thúc đẩy sự tổ hợp gel này có tính dẻo và đàn hồi. λ – carrageenan không tạo gel nhưng có khả năng tạo độ nhớt cao cho dung dịch. Khi có mặt các ion lithium và sodium thì sự tạo gel không xảy ra nguyên nhân do bán kính của các ion này đã vượt quá giới hạn cho phép nên không tạo được cầu nối giữa các cấu trúc gel. Khi thêm carubin có tác dụng ngăn cản sự tập hợp lại của cấu trúc xoắn kép làm cho gel tạo ra có độ cứng và đàn hồi tốt hơn. 2.2.3. Ứng dụng Những ứng dụng của carrageenan dựa trên các tính chất: khả năng tạo gel, tăng cường độ nhớt dung dịch, làm bền hệ nhũ tương và các hệ phân tán. Trong công nghiệp thực phẩm - Carrageenan đóng vai trò là chất phụ gia trong thực phẩm để tạo đông tụ tạo tính mềm dẻo đồng nhất cho sản phẩm và cho điểm nóng chay thấp carrageenan được dùng để làm các món ăn như: các món thạch, hạnh nhân, nước uống … - Carrageenan được bổ sung vào bia rượu, dấm làm tăng độ trong . Trong sản xuất bánh mì, bánh bích quy, bánh bông lan …carrageenan tạo cho sản phẩm có cấu trúc mềm xốp. - Trong công nghệ sản xuất chocolate bổ sung carrageenan vào để làm tăng độ đồng nhất, độ đặc nhất định. - Trong sản xuất kẹo làm tăng độ chắc độ đặc cho sản phẩm - Trong sản xuất phomát, sản xuất các loại mứt đông, mứt dẻo. - Sản xuất phụ gia thực phẩm thay thế hàn the trong sản xuất giò chả. Đặc biệt carrageenan được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực chế biến thuỷ sản. Carrageenan ứng dụng tạo lớp màng cho sản phẩm đông lạnh làm giảm hao hụt về trọng lượng và bay hơi nướctránh được sự mất nước của thịt gia cầm khi bảo quản đông. - Trong bảo quản đóng hộp các sản phẩm thịt, bổ sung vào surimi. - Do carrageenan tích điện có gốc SO42- nên có khả năng liên kết với prôtêin qua gốc amin mang điện tích dương khi pH nằm dưới điểm đẳng điện. Chính nhờ điểm này mà trên 50% tổng lượng carrageenan được sử dụng trong công nghiệp sữa. Vai trò của carrageenan là làm cho các sản phẩm sữa có độ ổn định khá cao, không dùng đến tinh bột hoặc lòng trắng trứng. a) b) Hình 2.10. một số sản phẩm thực phẩm có sử dụng carrageenan thịt hộp; b) bia Trong y dược và dược phẩm. - Dùng để sản xuất các loại dược phẩm quan trọng. Carrageenan là chất nhũ hoá trong ngành dược phẩm để sản xuất các loại sản phẩm như các loại thuốc nhờn, nhũ tương để thoa lên các vết thương mau lành làm màng bao cho thuốc. Cũng dựa vào tính chất là carrageenan mang điện tích âm nên được ứng dụng trong việc điều chế thuốc loét dạ dày và đường ruột. Khi thành dạ dày bị men pepsin sẽ tấn công protein tại chỗ loét làm cho độ acid tăng lên nhưng khi có mặt của carrageenan thì nó tương tác với pepsin và làm ức chế tác dụng của pepsin Trong công nghiệp - Hỗn hợp i – carrageenan và χ – carrageenan và các chất tạo nhũ tương được bổ sung vào dung dịch sơn nướcarrageenan dể tạo độ đồng nhất khả năng nhũ hoá tốt hơn cho sơn. - Bổ sung vào kem đánh răng dể chống lại sự tách lỏng, sự bào mòn trạng thái tạo các đặc tính tốt cho sản phẩm. Carrageenan đựoc ứng dụng trong công nghiệp sợi nhân tạo, phim ảnh sản xuất giấy. Ngoài ra carrageenan là môi trường cố định enzim là chất xúc tác trong công nghiệp tổng hợp và chuyển hoá các chất khác 2.3. Algin_Alginate: 2.3.1. Cấu trúc - Algin hay acid alginic được Standford phát hiện ra năm 1881, là một acid hữu cơ có trong tảo nâu, trọng lượng phân tử từ 32000-200000, do acid manuronic và acid L-guluronic liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucoside tạo ra: - Tỷ lệ các axit trong mạch phụ thuộc vào mùa, loài, vị trí thu hái và từng bộ phận trong tảo.Tỉ lệ M/G của các loài tảo nâu là 1:0.5 đến 1:3 Hình 2.11. Hình 2.12. công thức cấu tạo của alginate - Các loại tảo nâu như Macrocytis pyrifera (ở Mĩ, có tỉ lệ M/G=1.55), Laminaria digitaba (ở Nhật có tỉ lệ M/G=1.45), Eisenia bryclis (ở Nhật M/G=1.46), Azeophyllum nodisum ở Bắc Âu M/G=1,6 là nguyên liệu chủ yếu để sản xuất algin. - Acid alginic được tách ra khỏi tảo nâu dưới dạng muối natri alginate. - Để thu alginate, đầu tiên người ta ngâm tảo trong acid sulfuric rất loãng để chuyển alginate thành acid alginic và cũng để loại bỏ tạp chất như fucoidion, laminarin, matinol, muối vô cơ và một số chất màu. - Sau khi rửa nghiền nhỏ với liềm hoặc muối kiềm để trung hòa acid alginic và tạo ra dạng muối hòa tan của alginic. Các thành phần không tan như xenlulose, protein được loại bỏ bằng cách gạn, lọc, vớt bọt nổi bên trên. - Dung dịch alginate thu được, đem tẩy trắng bằng cách xử lý với acid sulfuric ( hoặc calci chlorua) để kết tủa acid alginic. Sau đó trung hòa bằng kiềm hoặc các base khác nhau để tạo ra những alginat tương ứng mà ta muốn có: natri alginate, amon alginate, calci alginate hoặc tritetraolamin alginate. 2.3.2. Tính chất - Bột alginate rất dễ bị giảm độ nhớt nếu không được bảo quản ở nhiệt độ thấp. Độ nhớt của dung dịch alginate 5% sẽ bị giảm đi một nửa ngay cả khi bảo quản ở nhiệt độ 300C trong thời gian 5-10 ngày. - Ngoài ra để bảo quản được lâu dài, phải cho thêm 0.1-0.2% các chất diệt vi sinh vật như acid benzoic, acid ascorbic, acid dehydroacetic…, nếu dùng cho thực phẩm. Còn nếu alginate dùng cho kĩ thuật thì có thể cho thêm focmaldehyt hoặc pentacloroophenol. - Khác với aga, khi giảm nhiệt độ thì dung dịch aginat cũng không đông lại ngay cả khi làm lạnh đông cũng như khi làm tan giá thì độ nhớt và bề ngoài đều không thay đổi. - Các alginat có khả năng tạo gel khi có mặt các ion canxi(kể cả calci phosphate, calci cacbonat, calci tactrat hoặc calci xitrat) khi ở nhiệt độ phòng và ở trong vùng pH từ 4-10. Tham gia tạo gel trong trường hợp này, các tương tác tĩnh điện ( qua cầu calci ) có vai trò quan trọng. Có lẽ vì thế các gel này không thuận nghịch với nhiệt và ít đàn hồi. Hình 2.13. alginate keo tụ với ion Ca2+ - Các alginate cũng có khả năng tạo màng rất tốt. Các màng alginate rất đàn hồi, bền, chịu dầu và không dính bết. Có thể tạo màng alginat bằng các phương pháp sau: + Cho bốc hơi một lớp dung dịch alginat hòa tan trên một bề mặt phẳng + Dùng chất kết tủa thích hợp để xử lý màng từ alginate hòa tan + Tách amoniac ra khỏi màng của dung dịch kẽm alginate, nhôm alginate, đồng alginat hoặc bạc alginate hòa tan trong amoniac dư - Các alginate tích điện âm nên có thể tạo keo tụ với các chất tích điện dương. VD: nhôm alginate và nhôm sulfate tạo ra những băng nổi dùng trong xử lý nước Este hydroxypropilic của algin đặc biệt rất hòa tan trong môi trường acid 2.3.3. Ứng dụng - Các alginate có ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm. Thường natri alginate được sử dụng nhiều nhất - Natri alginate là hợp phần tạo kết cấu cho nhiều thực phẩm. Trước hết natri alginate là hợp chất bảo vệ các kem đá với các tác dụng sau: Ngăn ngừa tạo ra các tinh thể đá khô Ức chế hoàn toàn sự tạo tinh thể của lactose Nhũ hóa các cầu béo Làm bền bọt Tạo ra một độ nhớt cao Tạo ra một loại gel có khả năng giữ nước tốt Làm cho kem không bị tan chảy - Với những thực phẩm có độ acid cao không thể dùng natri alginate được thì propylenglycolalginate là chất thay thế rất tốt vì nó bền trong pH=0-3 - Một hợp chất của axit alginic có tên là lamizell là một alginat kép của natri và calci với lượng nhất định. Lamizell tạo độ nhớt đặc biệt và cho khả năng ăn ngon miệng nên được quan tâm trong thực phẩm. Hình 2.14: một số sản phẩm thực phẩm sử dụng alginate a) gel trái cây; b) kẹo socola - Alginate cũng được dùng trong công nghiệp để hồ vải, in hoa - Alginate là thành phần của thuốc hàn răng: tritanolamin alginate - Đặc biệt alginate được sử dụng làm chất mang tốt trong kỹ thuật cố định tế bào: trộn đều dung dịch natri alginate 4% với dung dịch tế bào vi sinh, dùng pipet đường kính mũi 3mm, từ độ cao 20cm, nhỏ giọt vào dd CaCl2 0.2M trong 20 phút sẽ tạo ra sự phân bố đều. TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Ngọc Tú và các tác giả khác, 2001, Hóa học thực phẩm, NXB KH&KT, p212-219. Hoàng Kim Anh, hóa học thực phẩm, NXB KH&KT, p224-231 3. 4. 5. 6. 19.4917/MagazineName.2004-09-28.5614/2007/2007_00004/MArticle.2008-07-01.3632/marticle_view 7.