Tài liệu CARRAGEENAN TÍNH CHẤT LƯU BIẾN VÀ ỨNG DỤNG

CARRAGEENAN TÍNH CHẤT LƢU BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1 CARRAGEENAN TÍNH CHẤT LƢU BIẾN VÀ ỨNG DỤNG NCS. ThS. Đặng Xuân Cƣờng1, TS. Đào Trọng Hiếu2 MỞ ĐẦU Rong đỏ hay tảo đỏ là những loại rong biển khi tƣơi có màu hồng lục, hồng tím, hồng nâu. Khi khô tuỳ theo phƣơng pháp sơ chế mà chuyển sang màu nâu, màu vàng và nâu vàng. Ngành rong đỏ có khoảng 2500 loài của gần 40 chi, thuộc nhiều loại và phần lớn sống ở biển, ở nơi nƣớc sâu, song cũng có khi mọc ở chỗ nƣớc nông, ánh nắng nhiều chúng sẽ không còn giữ đƣợc sắc tố đỏ mà có màu hơi vàng, nâu hoặc da lƣơn. Cấu tạo chủ yếu từ nhiều tế bào, trừ một số ít thuộc dạng một tế bào hay quần thể. Rong có dạng hình trụ tròn, dẹt, đai phiên chia nhánh hoặc không. Phần lớn chia nhánh theo kiểu một trục, một số ít theo kiểu hợp trục. Sinh trƣởng chủ yếu ở đỉnh, ở giữa đốt hay phân tán. Trên thế giới rong đỏ thƣờng đƣợc sử dụng với một lƣợng lớn để phục vụ cho con ngƣời, một số loài có hàm lƣợn cao về Agar, Carrageenan, Furcellaran đƣợc sử dụng trong chế biến keo rong. Phần lớn rong đỏ có cấu tạo đa bào. Theo tài liệu của FAO, các loài rong đỏ đƣợc chia làm ba nhóm chính: - Nhóm rong cho Agar: bao gồm các loài nhƣ Gelidium, Graccilaria và Acanthopeltis. Trong đó Gelidium, Graccilaria đƣợc dùng nhiều trên thế giới để sản xuất agar. - Nhóm Gelans: nhóm rong này dùng để sản xuất Furcellaran, điển hình của nhóm rong này là Furcellaria. - Nhóm rong cho Carrageenan: bao gồm các loài nhƣ: Chondruscripus, Gigartinastella và Hypnea. Việc chọn loại rong nào là nguyên liệu chính để sản xuất các loại keo rong phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khác nhau. Một trong những yếu tố quan trọng nhất là tính chất ổn định và nguồn nguyên liệu, hay nói cách khác là phụ thuộc vào khả năng phát triển của loài rong đó trong điều kiện tự nhiên của mỗi nƣớc cũng nhƣ chất lƣợng keo rong đƣợc chiết rút ra từ loài rong đó. Carrageenan đƣợc tách chiết từ các loài rong đỏ, một trong những chỉ tiêu chất lƣợng quan trọng nhất của carrageenan chính là các tính chất lƣu biến, liên quan đến sự chảy và sự biến dạng của vật chất dƣới tác dụng của ngoại lực. Nghiên cứu về tính chất lƣu biến của carrageenan để ứng dụng vào đời sống, sản xuất sẽ giúp chúng ta hiểu biết về vật chất, đánh giá đƣợc vật chất, thiết kế và xây dựng đƣợc quy trình thiết bị sản xuất, tạo ra những sản phẩm mới ứng dụng trong đời sống, định hƣớng đƣợc các vấn đề phát sinh cần giải quyết trong quá trình vận hành thiết bị,…. 1 2 Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang, VAST Cục Chế biến Nông lâm thủy sản và Nghề muối, Bộ NN&PT NN 2 Trong ngành công nghệ thực phẩm, chế biến thủy sản, chất phụ gia là thành phần không thể thiếu và chúng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của ngành. Trong các chất phụ gia, hydrocolloid hay polysaccharide nhƣ carrageenan, xanthan gum, alginate,… cũng đóng vai trò rất quan trọng. Chúng đảm nhiệm vai trò nhƣ chất tạo gel, tạo nhớt, tạo đặc, nhũ hóa, ổn định,…. Do vậy chuyên đề này tập trung nghiên cứu về tính chất lƣu biến, đƣa ra các cơ sở khoa học và thực tiễn để ứng dụng carrageenan trong cuộc sống. I. CARRAGEENAN VÀ CẤU TRÚC 1.1. Carrageenan [68] Carrageenan là một loại colloid nhóm phycocolloid cùng với agar, alginat. Carrageenan đƣợc chiết rút từ rong biển đỏ có cấu trúc là một polysaccharite. Carrageenan đã đƣợc biết đến từ rất lâu đời ở các nƣớc phƣơng tây. Vào những năm 1842-1862, các nhà khoa học nhƣ: Schimdt, Stantord… đã phát hiện ra Carrageenan có trong một loài tảo đỏ có tên là Chondrus Cripus và loài Irish moss thuộc họ Rhodophyceae, nhƣng những khám phá của họ còn thô sơ, chƣa xác định đƣợc những tính chất cũng nhƣ đặc điểm của nó. Mãi đến những năm khi chiến tranh thế giới thứ nhất bùng nổ, việc chiết xuất gelatin để phục vụ quân đội trở nên cấp thiết. Do đó cần phải có chất thay thế, rất nhiều các nghiên cứu đã đƣợc tiến hành để giải đáp cho vần đề này và cuối cùng họ đã tìm đƣợc một chất có tính chất giống nhƣ gelatin. Đó chính là Carrageenan. Tên Carrageenan hay Carrageenan – irish moss là tên của một thị trấn ven biển Irish thuộc Carrageenan. Cùng vơí sự tiến bộ về khoa học kỹ thuật cũng nhƣ thiết bị hiện đại, ngày nay chúng ta đã khám phá ra những diều hữu ích mà Carrageenan đã mang lại. Từ những loài tảo đỏ (Rhodophyceae) ngƣời ta đã phát hiện ra nhiều loại Carrageenan khác nhau. Các loại này bao gồm: Kappa-Carrageenan, Lamda-Carrageenan, Iota-Carrageenan. 1.2. Cấu trúc Carrageenan tồn tại trong ma trận nội bào và thành tế bào rong biển, là polysaccharide phân tử cao với hàm lƣợng ester-sulfate từ 15% - 40%. Chúng bao gồm các đơn vị cơ bản là galactose và 3,6-anhydrogalactose (3,6 AG) với các liên kết α-(1,3) and β-(1,4) glycosidic, cả 2 đơn vị này đều có thể đƣợc sulfate hóa hoặc không. Sự khác nhau về đặc tính giữa kappa, iota và lambda carrageenan là số lƣợng và vị trí nhóm ester sulfate groups cũng nhƣ hàm lƣợng 3,6-AG. Hàm lƣợng ester sulfate cao đồng nghĩa với nhiệt độ hòa tan thấp và độ chắc gel thấp. Kappa carrageenan có hàm lƣợng ester sulfate khoảng 25% - 30% và hàm lƣợng 3,6-AG khoảng 28% - 35%. Iota carrageenan có hàm lƣợng ester sulfate khoảng 28% - 30% và hàm lƣợng 3,6-AG khoảng 25% - 30%. Lambda carrageenan có hàm lƣợng ester sulfate khoảng 32% - 39% và không có 3,6-AG [1] [68]. Kappa-Carrageenan: Là một loại polymer mạch ngắn xen kẽ giữa D-galactose-4sulphat (Gal S) và 3,6 – Anhydro-D-galactose (GalA). Cấu trúc phân tử kappaCarrageenan là một vòng xoắn kép bậc 3. 3 Hình 1.1. Cấu trúc của Kappa carrageenan Iota-Carrageenan: Cũng giống nhƣ Kappa-Carrageenan nhƣng gốc 3,6-Anhydrogalactose lại ở vị trí cacbon thứ 2. Iota –Carrageenan là Carrageenan có nhóm SO42- nhiều nhất trong mạch phân tử, cấu trúc là vòng xoắn kép bậc 2. Gel Iota- Carrageenan có tính đàn hồi. Hình 1.2. Cấu trúc của Iota carrageenan Lamda-Carrageenan: Trong mạch phân tử, các đơn vị monomeric đƣợc xen kẽ với nhau: đơn vị D-galactose-2-sulphat (1,3) và D-galactose 2,6-disulphat Hình 1.3. Cấu trúc của Lambda carrageenan Các phân đoạn này đều có tính đa phân tán nhƣng chúng khác nhau về thành phần ester sulphat và gốc quay quang. Lamda-Carrageenan có khối lƣợng phân tử cao và mạch dài hơn kappa-Carrageenan. Thành phần của phân đoạn này cũng phụ thuộc và nhiệt độ chiết và loại nguyên liệu. Ở Kappa-Carrageenan và Iota-Carrageenan các gốc D-galactose có hình thể 4C.1, còn gốc 3,6-Anhydro - D-galactose có hình thể 1C.4 . Trong lamda-Carrageenan thì chỉ có D-galactose có hình thể 4C1. Các Carrageenan khác nhau về mức độ sulphat hoá, kappaCarrageenan thƣờng đƣợc sulphat hoá một phần ở hydroxyl C6 của gốc D-galactose và ở OH của C2 ở cả hai gốc. Trong Iota-Carrageenan thì OH ở vị trí C2 của gốc Anhydro 4 galactose luôn luôn đƣợc sulphat hoá và chỉ có 10% có gốc galactose đƣợc sulphat hoá ở OH của C2 và C6. Còn trong lamda-Carrageenan thì ở một gốc galactose luôn đƣợc sulphat hoá ở C2 và C6 và gốc kia chỉ một phần ở vị trí C2. Mạch polysaccharide của các Carrageenan có cấu trúc xoắn kép mỗi vòng của xoắn đơn do 3 gốc disaccharide tạo nên. Ở trong Iota-Carrageenan các gốc Monosaccharide của một xoắn này đƣợc phân bố ở giữa các gốc xoắn thứ hai. Vì có sự phân bố tƣơng hỗ của các phân tử vốn đã có cấu trúc bậc 2 nên có thể nói là Carrageenan có cấu trúc bậc 3. Thƣờng cấu trúc bậc 3 nhƣ thế đƣợc ổn định nhờ các liên kết hydro giữa oxy ở C6 của gốc galactose ở mạch này và của gốc tƣơng tự ở một mạch khác. Trong dung dịch các xoắn kép có thể liên hợp với nhau để tạo thành cấu trúc bậc 4. cấu trúc 3 chiều nhƣ thế là cơ sở tạo thành gel khi làm nguội trong dịch nƣớc của Carrageenan. Tỉ lệ các nhóm SO42- ở Carrageenan khá cao nên làm cho Polymer ở dạng Anion này phản ứng đƣợc với các phân tử protein tích điện dƣơng do đó là cho độ nhớt của dung dịch protein tăng lên. Khi có mặt của ion Kali thì các Carrageenan sẽ tạo gel giống nhƣ gel của agar. Trong môi trƣờng acid yếu Carrageenan chuyển thành carrgeenic. Trong cây rong acid carrgeenic đƣợc trung hoà bởi các ion kim loại nhƣ: Ca2+, K+, Na+… Carrageenan có công thức cấu tạo đơn giảm là: R=(OSO3)2Ca. II. CÁC TÍNH CHẤT LƢU BIẾN CỦA CARRAGEENAN Carrageenan có các tính chất khác nhau nhƣ hòa tan trong nƣớc lạnh, nƣớc nóng, sữa nóng, sữa lạnh, dung dịch đƣờng và dung dịch muối, tạo gel, tạo độ nhớt cho dung dịch, liên kết với protein cũng nhƣ liên kết với các polysaccharide khác. Do đó khi ở các trạng thái khác nhau hay ở các dạng sản phẩm khác nhau, carrageenan góp phần tạo nên những tính chất lƣu biến khác nhau đặc trƣng ở các sản phẩm. Carrageenan tồn tại ở các dạng bột, sợi, vảy, thanh, lỏng và bán rắn. 2.1. Độ rắn Ở một nhiệt độ nhất định, độ rắn là một hàm của thời gian và thể hiện nhƣ một hàm của sự phá hủy trong một mô hình nhất định. Tính chất lƣu biến này thể hiện khi carrageenan ở dạng bột, dạng sợi, dạng vảy, dạng thanh và dạng bán rắn. Độ rắn của carrageenan đƣợc tính toán theo công thức sau: (2.1) Trong đó: S: tỷ lệ độ rắn t: thời gian ban đầu α: hằng số phá hủy (1/ ngày) S0: chỉ số độ rắn ban đầu Độ rắn của carrageenan phụ thuộc vào nồng độ ion kim loại, loại ion kim loại, kiểu cấu trúc của carrageenan cũng nhƣ khối lƣợng phân tử của chúng [10]. Độ rắn của carrageenan đƣợc xác định thông qua chạy X-ray. Trong đối tƣợng cụ thể có thể có các phƣơng pháp xác định độ rắn khác nhau, nhƣ: 5 Độ rắn của bánh đƣợc đo bằng máy TPA Texture Analyzer (TA-XT2i, Stable Micro Systems, England). Bánh đƣợc cắt mỏng với độ dày 15mm đƣợc ép bằng pít tông nhôm đƣờng kính 50mm với lực 5kg/ô. Tỷ lệ trƣớc, trong và sau khi kiểm tra là 3,0, 1,7 và 1,7mm/s. Đƣờng cong nén của bánh (khoảng cách và lực) đã đƣợc thể hiện, và 25% lực nhƣ kết quả đo độ rắn của bánh theo phƣơng pháp AACC International method 74–09 [9]. 6 lát/01 bánh đƣợc phân tích. Độ rắn của bơ thực vật và chất béo đƣợc xác định trên thiết bị CT3 với 4,5kg lực/ ô, fixture Base Table (TA-BT-KIT), đƣờng kính xi lanh 5 mm (TA35) và phần mềm texture Pro CT [27]. Phân tích texture (độ rắn, độ cứng, sự bung, sự kết dính, gumminess, chewiness và khả năng phục hồi) của bánh mì kết hợp hạt kê đƣợc phân tích bằng máy Texture Analyzer (Make Stable Micro System, UK, Model TA-XT2) [58]. 2.2. Độ trƣơng nở Độ trƣơng nở là khả năng hấp thụ nƣớc hay dung dịch của carrageenan. Các dạng tồn tại của carrageenan đều có đặc tính trƣơng nở. Tuy nhiên sự trƣơng nở phụ thuộc vào kiểu cấu trúc của chúng, loại ion kim loại, nồng độ ion, loại dung dịch đƣợc carrageenan hấp thụ. Khả năng trƣơng nở của gel κ-carrageenan trong dung dịch nƣớc và KCl. [38] đƣợc nghiên cứu thông qua các thí nghiệm truyền photon với sự chuẩn bị gel có chứa ion K+ ion và ion K+ đƣợc coi nhƣ nhân tố tạo gel. Cƣờng độ photon đƣợc truyền, Itr, liên tục tăng trong khi carrageenan trƣơng nở phụ thuộc vào hàm lƣợng carrageenan và ion trong gel. Khả năng trƣơng nở trong khi truyền photon đƣợc tính toán theo công thức của Li– Tanaka. Lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy sự trƣơng nở của gel có hàm lƣợng ion và carrageenan thấp cần ít thời gian hơn so với gel có hàm lƣợng ion và carrageenan cao. Sự di chuyển trong nƣớc tinh của mạch có cấu trúc xoắn đôi là nhanh hơn so với dung dịch KCl trong quá trình trƣơng nở. Hằng số thời gian trƣơng nở τ1 và hệ số khuếch tán, Do, đƣợc sử dụng để đo độ trƣơng nở gel trong nƣớc và dung dịch KCl Kết quả nghiên cứu [38] cho thấy giá trị τ1 tăng theo cấp số nhân khi hàm lƣợng carrageenan tăng, điều này cho thấy quá trình trƣơng nở của gel đặc sẽ mất thời gian nhiều hơn gel rắn. Trong đó gel chắc hay lỏng phụ thuộc vào cấu trúc carrageenan, số lƣợng và loại ion, gốc sulfate trong carrageenan. Từ đó, sự trƣơng nở của gel lỏng lớn hơn so với gel đặc. Điều này có thể hiểu rằng, gel lỏng có ít xoắn đôi và linh hoạt hơn so với gel đặc. Mặt khác, cấu trúc xoắn đôi di chuyển trong gel lỏng nhanh hơn trong gel đặc. Hơn nữa, sự gia tăng cƣờng độ chiếu photon Itr trong khi gel carrageenan trƣơng nở có thể trực tiếp tiên đoán hình thái bên trong gel [38] Động học trương nở [38] Động học trƣơng nở của gel đã chỉ ra rằng sự thay đổi tƣơng đối giữa độ dày và đƣờng kính là giống nhau, đồng nghĩa với việc quá trình trƣơng nở không phải là quá trình khuếch tán. Thực tế, sự thay đổi tƣơng đối giữa độ dày và đƣờng kính đến từ modulus cắt (shear) khác không, μ đến từ sự thay đổi tổng năng lƣợng cắt đối với sự thay đổi nhỏ nhất trên mô hình có khối lƣợng không đổi và gel là zero. Hệ số ma sát (f) cao giữa mạng lƣới và dung môi, sự ngăn cản di chuyển của mạng lƣới dẫn đến sự giãn ra (relaxation) gần nhƣ khuếch tán. Công thức di chuyển của mạng lƣới trong quá trình trƣơng nở nhƣ sau [74]: 6 (2.2) Trong đó: u là vector thay thế đƣợc đo từ vị trí cân bằng cuối cùng sau khi gel đã trƣơng nở hoàn toàn (u = 0 ở t = ∞). Do = (K + 4μ/3)/f là hệ số khuếch tán. t biểu thị thời gian và K là modulus khối. Biến dạng cắt xảy ra trong quá trình gel trƣơng nở không đƣợc xử lý đúng sẽ không thể giải thích xu hƣớng đẳng nhiệt của trụ gel. Sự hạn chế này phụ thuộc vào mô đun cắt của mạng lƣới, vì mô đun này giữ ổn định hình dạng gel thông qua việc giảm thiểu biến dạng không đẳng hƣớng. Đối với gel hình đĩa, bất kỳ sự thay đổi nào ở đƣờng kính đều dẫn đến thay đổi độ dày gel. Lúc này tổng năng lƣợng gel đƣợc chuyển đổi thành năng lƣợng khối và năng lƣợng cắt. Năng lƣợng khối liên quan đến sự thay đổi thể tích. Năng lƣợng cắt Fsh có thể điều chỉnh bằng hình dạng gel [74] δFsh = 0 (2.3) Mỗi quá trình khuếch tán nhỏ đƣợc xác định bởi công thức 2.2 phải kèm theo quá trình cắt nhỏ xác định bởi công thức 2.3, điều này liên quan đến hình dáng gel đĩa: (2.4) Trong đó: r là đƣờng kính, a là ½ độ dày đĩa gel. Công thức 2.4 chỉ ra sự thay đổi tƣơng đối trong hình dáng gel là đẳng nhiệt (isotropic), giả dụ, tốc độ trƣơng nở của đĩa là trục (z) và xuyên tâm (r) cùng hƣớng. Giải quyết đồng thời công thức 2.2 và 2.3 đƣa ra đƣợc công thức về sự trƣơng nở đĩa gel theo trục và hƣớng xuyên tâm [74]. (2.5) (2.6) Trong đó: τn là hằng số về thời gian. Công thức 2.5 và 2.6 cũng có thể đƣợc viết chung với sự dẫn dung môi W và W∞ tại thời gian t và thời gian cân bằng nhƣ sau: (2.7) Trong giới hạn của thời gian lớn t, hoặc τ1 lớn hơn nhiều so với thời gian còn lại τn, tất cả các yếu tố trong phƣơng trình 2.8 đều có (n ≥ 2) thì động học trƣơng nở tính theo công thức 2.8 sau: (2.8) Bn = 1, vì vậy B1 nên ít hơn 1. B1 liên quan đến tỷ lệ mô đun cắt μ và mô đun thẩm thấu dọc (longitudinal osmotic modulus) M = (K + 4μ/3). Do đó thu đƣợc giá trị B1 và thu đƣợc giá trị R = μ/M. Trong trƣờng hợp R → 3/4 (μ/K →∞), hằng số thời gian τ1 ≈ (3/4−R) −1 đi đến vô cùng và tất cả Bn có khuynh hƣớng tiến tới 0 ngoại trừ B1. Sự phụ thuộc của B1 lên R của đĩa đƣợc tìm thấy trong [74]. τ1 hệ số khuếch tán, Do ở bề mặt gel tính theo công thức sau: 7 (2.9) Trong đó: α1 là hàm của R [74], và a∞ là ½ độ dày của gel ở trạng thái cân bằng. Do đó, độ trƣơng nở của carrageenan đƣợc tính theo công thức 2.9. Thiết bị dùng để xác định độ trƣơng nở bằng thiết bị Grace M4600 HPHT Linear Swell Meter. 2.3. Độ tan  Nước nóng: Tất cả các kiểu carrageenan đƣợc hòa tan trong nƣớc nóng khi nhiệt độ vƣợt nhiệt độ tan chảy của gel. Biên độ nhiệt hòa tan bình thƣờng là 40º tới 70º C. Sự hòa tan phụ thuộc vào nồng độ dung dịch và sự hiện diện của loại cũng nhƣ số lƣợng cation trong cấu trúc của chúng.  Nước lạnh: Trong nƣớc lạnh, chỉ có lambda-carrageenan và muối sodium của kappa và iota carrageenan là bị hòa tan. Muối potassium và calcium của kappa và iota carrageenan không hòa tan trong nƣớc lạnh, nhƣng chúng sẽ trƣơng nở theo hàm của nồng độ và kiểu cations hiện diện cũng nhƣ nhiệt độ nƣớc và điều kiện phân tán. Muối calcium của iota carrageenan sẽ tạo ra sol thixotropic trong nƣớc lạnh. Kappa carrageenan có khả năng trƣơng nở kém trong nƣớc lạnh khi tồn tại ion K+ và Ca2+.  Sữa nóng: Tất cả các kiểu carrageenan hòa tan trong sữa nóng ở 800C. Tuy nhiên, sự hòa tan của một số kiểu carrageenan bị ảnh hƣởng mạnh mẽ bởi sự hiện diện của ion calcium. Các dung dịch chứa carrageenan này sau khi làm lạnh đều hình thành gel. Độ chắc của gel và tính đồng nhất của chúng phụ thuộc vào nồng độ dung dịch và độ nhạy của carrageenan với ion calcium.  Sữa lạnh: Iota và kappa carrageenan không hòa tan trong sữa lạnh ở 200C, nhƣng chúng đƣợc sử dụng nhƣ chất làm tạo gel và làm đặc dung dịch sữa lạnh khi có mặt của gốc phosphate (tetra-sodium pyrophosphate (TSPP)) [26]. Lambda carrageenan đƣợc sử dụng nhƣ chất làm đặc đối với sữa lạnh và khả năng này phụ thuộc vào sự hiện diện của ion potassium và calcium.  Dung dịch đường: Iota carrageenan không hòa tan trong dung dịch đƣờng. kappa và lambda carrageenan hòa tan đƣợc trong dung dịch đƣờng 50%. Tuy nhiên, kappa carrageenan chỉ bị hòa tan trong dung dịch này khi xảy ra quá trình gia nhiệt.  Dung dịch muối: Iota và lambda carrageenan hòa tan trong dung dịch muối 10% có sự gia nhiệt. Kappa carrageenan không hòa tan trong dung dịch này [60]. Độ hòa tan của carrageenan có thể đƣợc xác định theo tài liệu [14]. Bảng 2.1. Tính tan của carrageenan trong các môi trƣờng khác nhau Môi trƣờng Nƣớc nóng Nƣớc lạnh Kappacarrageenan Tan ở > 70oC - Iota-carrageenan Tan ở > 70oC - Sữa nóng Tan Tan 8 Lambdacarrageenan Tan Tan trong các loại muối Tan Sữa lạnh Không tan Sữa lạnh Đặc hoặc tạo gel (tetrasodium pyrophosphate) Dung dịch đƣờng Tan trong dung dịch nóng Dung dịch muối Không tan trong dung dịch lạnh và nóng Dung môi hữu cơ Không tan Không tan Đặc hoặc tạo gel Phân tán dày đặc Tăng độ đặc hoặc độ tạo gel Khó tan Tan trong dung dịch nóng Tan trong dung dịch Tan trong dung dịch nóng nóng Không tan Không tan 2.4. Độ nhớt Độ nhớt của dung dịch carrageenan nên đƣợc xác định dƣới điều kiện dung dịch không có khuynh hƣớng hình thành gel. Khi dung dịch carrageenan nóng đƣợc làm lạnh, độ nhớt sẽ tăng lên cho đến khi hình thành gel. Khi gel bắt đầu hình thành, độ nhớt bắt đầu tăng lên. Vì vậy, phƣơng pháp đo độ nhớt của dung dịch carrageenan nên đƣợc xác định ở nhiệt độ cao (75ºC) để tránh sự gel hóa. Nồng độ carrageenan là 1,5% so với khối lƣợng dung dịch nƣớc. Độ nhớt của carrageenans thƣơng mại vào khoảng 5 tới 800 cps khi đo dung dịch carrageenan 1,5% ở 75ºC. Độ nhớt của dung dịch carrageenan phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ và sự hiện diện của dung dịch khác, kiểu carrageenan và khối lƣợng phân tử của chúng [26]. Độ nhớt tăng khi nồng độ dung dịch cao và/hoặc khối lƣợng phân tử carrageenan lớn. Độ nhớt giảm khi tăng nhiệt độ và ngƣợc lại. Độ nhớt của dung dịch carrageenan đƣợc đo trên máy Bholin Rheometer. Dung dịch carrageenan có chế độ chảy pseudoplastic nhƣ hầu hết hydrocolloids khác. Độ nhớt giảm khi tăng tốc độ khuấy và ngƣợc lại. Đồ thị sau sẽ minh họa rõ. Hình 2.1. Đƣờng cong chảy của dung dịch nƣớc kappa carrageenan 1,5% Hình 2.2. Độ nhớt của dung dịch nƣớc kappa carrageenan 1,5% Dung dịch Carrageenan có độ nhớt thấp nên dễ dàng xử lý. Tài liệu [28] cho thấy, gel nƣớc kappa carrageenan dễ dàng bị phá hủy khi bị tác động cắt. Do vậy gel nƣớc Kappa Carrageenan không ở dạng thixotropic. Khi Kappa carrageenan đƣợc sử dụng trong sữa với nồng độ nhỏ, chúng sẽ tạo ra đặc tính lƣu biến tƣơng tự Iota carrageenan trong 9 nƣớc. Vì vậy, gel yếu đƣợc tạo bởi hỗn hợp protein sữa và Kappa carrageenan bị phá vỡ khi có lực cắt tác động, khi đó chế độ chảy của gel trở thành pseudoplastic. Khi lực cắt giảm, gel tái hình thành và chế độ chảy lại trở về bản chất tự nhiên là Thixotropic. Hình 2.3. Đƣờng cong dòng chảy của gel nƣớc iota carrageenan 0,3% và sodium chloride 2% Hình 2.4. Đƣờng cong dòng chảy của gel sữa kappa carrageenan 0,025% Lambda carrageenan tạo ra độ nhớt và đặc tính pseudoplastic cho dung dịch khi đƣợc bơm hoặc khuấy. Dung dịch này đƣợc sử dụng để làm đặc, cụ thể trong các sản phẩm sữa, chúng tạo ra kết cấu kem không keo. Ảnh hƣởng của nhiệt độ là nhân tố quan trọng trong việc sử dụng carrageenan trong thực phẩm. Tất cả carrageenans đƣợc hydrate hóa ở nhiệt độ cao và kappa với iota carrageenans thể hiện độ nhớt thấp. Những carrageenans này bắt đầu hình thành gel ở khoảng nhiệt độ 40–60ºC, khả năng tạo gel phụ thuộc vào sự hiện diện của các cations [60]. Đặc tính viscoelastic của gel lỏng carrageenan phụ thuộc vào vi cấu trúc cũng nhƣ sự tƣơng tác/ cầu nối giữa các hạt. Nếu đặc tính polymer sinh học đã đƣợc biết thì cả đặc tính sinh học lẫn lƣu biến đều có thể đƣợc kiểm soát và xử lý bằng thông số quy trình chế biến, kiểu công thức nhƣ tốc độ biến dạng và tốc độ làm lạnh,….[23]. Giá trị của mô đun elastic và viscous rất khác nhau bởi vì chúng phụ thuộc vào thành phần ion, mặc dù không phụ thuộc vào độ chắc ion [61]. Dung dịch 0,1M KCl đƣợc biết nhƣ dung dịch có bản chất dòng chảy Newtonian, nhƣng độ nhớt thấp hơn ở các mức cắt (shear). Điều này đƣợc giải thích, do việc giảm thể tích các mạch trong dung dịch để sàng lọc lực đẩy tĩnh điện giữa các phân đoạn của chuỗi polyelectrolyte dẫn đến độ chắc ionic tăng lên. Dung dịch 2% theta carrageenan trong nƣớc và 0,1M KCl có bản chất dòng chảy là Newtonian ở 200C, và ít nhớt hơn dung dịch lambda carrageenan 1%. Gần đây Cox–Merz đã quan sát sự liên quan giữa độ nhớt ở lực cắt ổn định (steady-shear (rotational)) (g) và độ nhớt động học của hỗn hợp (g*) ở tốc độ cắt của thiết bị (c/s1), tần xuất và biến của log G00 với log x là tuyến tính, cho thấy các mạch trong dung dịch bị rối loạn. Sự không hình thành cấu trúc xoắn kép và gel hóa do sự sulfate hóa tại vị trí O(2) của 3 liên kết cuối [19]. Dung dịch theta carrageenan có độ nhớt thấp phù hợp với quy tắc chung về hình học của chuỗi polysaccharide [5]. Thể tích thủy động lực học của cuộn các polysaccharide 10 rối tăng lên khi độ cứng của các chuỗi polysaccharide tăng lên, điều này dẫn đến độ nhớt dung dịch tăng lên. Độ cứng của chuỗi bắt nguồn từ việc di chuyển hạn chế các gốc đƣờng xung quanh liên kết glycosidic. Theta carrageenan ít nhớt hơn lambda carrageenan do sự chèn cầu nối anhydride lên lambda carrageenan đã xử lý kiềm, điều này dẫn tới nhóm nguyên tử hydro ở liên kết biên của anhydrogalactose, và hình thái liên kết 2 trục của 4 liên kết cuối đƣợc thay thế bằng 2 liên kết biên. Tài liệu [62] cũng chỉ ra tăng độ linh hoạt của lambda carrageenan đã xử lý kiềm đƣợc đánh giá bằng khả năng của cuộn polymer đối với bề mặt của lực đẩy tĩnh điện với sự tăng độ chắc ionic. Tóm lại theta carrageenan không thể sử dụng nhƣ nhân tố tạo gelling. Chúng có độ nhớt thấp và ít có khả năng sử dụng nhƣ chất làm đặc, nên không đƣợc ứng dụng trong thƣơng mại. Điều kiện có lợi đối với sự hiện diện của trạng thái cuộn ngẫu nhiên với đặc tính viscoelastic trong dung dịch đại phân tử là ở 600C hoặc 250C. Sự tổ hợp cân đối giữa nồng độ ion trong polymer là không đổi và nồng độ muối khác nhau có thể thu đƣợc đặc tính cần thiết. Trong điều kiện tập trung nồng độ ion và nhiệt độ, đặc tính đƣợc xác định bằng sự tồn tại cấu trúc xoắn đôi. Trạng thái nhớt đàn hồi (Viscoelastic) của dung dịch tƣơng tự điều kiện cuộn ngẫu nhiên ở nhiệt độ cao và thấp [56]. 2.5. Thixotropy [26, 28] Ở nồng độ thấp, gel nƣớc iota carrageenan có đặc tính thixotropic. Những gel này có thể hóa lỏng khi có sự tác động mạnh từ bên ngoài vào và chúng hình thành gel elastic khi trở lại trạng thái ổn định. Đặc tính thixotropic là hữu ích trong việc ổn định hạt không hòa tan trong thực phẩm nhƣ spices trong sốt salad. Gel nƣớc hình thành với sự có mặt của kappa-type carrageenan không có đặc tính thixotropic. Trạng thái gel bị phá vỡ sẽ không tái thiết lại trạng thái ban đầu trừ khi gel đƣợc gia nhiệt và làm lạnh lại. 2.6. Tạo gel Dung dịch nƣớc nóng của kappa và iota carrageenans có khả năng hình thành gel nhiệt phục hồi (thermo-reversible) khi đƣợc làm lạnh. Hiện tƣợng này xảy ra phụ thuộc vào sự hình thành cấu trúc xoắn đôi bởi polymer carrageenan. Tại nhiệt độ cao hơn điểm nhiệt tan chảy của gel, polymer carrageenan tồn tại trong dung dịch ở trạng thái cuộn ngẫu nhiên. Khi dung dịch đƣợc làm lạnh, mạng lƣới polymer 3 chiều đƣợc hình thành, trong đó các xoắn đôi hình thành các điểm giao nhau trong chuỗi polymer. Xa hơn, khi làm mát sẽ tạo điều kiện đính kết các mắt xích để tạo cấu trúc gel 3 chiều. Sự hiện diện của liên kết trong chuối cũng nhƣ số lƣợng, kiểu và vị trí nhóm ester sulfate đều ảnh hƣởng lên đặc tính hóa gel của carrageenan. Cơ chế gel hóa cơ bản dựa trên dung dịch kappa and iota carrageenan solutions. Muối calcium hoặc potassium là cần thiết trong gel nƣớc, nhƣng không cần thiết trong gel sữa. Ví dụ: kappa carrageenan hình thành gel rắn với ion potassium trong khi iota và lambda ít bị ảnh hƣởng bởi potassium hơn. Iota carrageenan tƣơng tác với ion calcium để hình thành gel elastic mềm nhƣng muối calcium không ảnh hƣởng tới đặc tính của lambda carrageenan. Các cation tăng cƣờng sự gel hóa của carrageenan, có thể cation ổn định cấu trúc xoắn của carrageenans thông qua việc chặn nhóm sulfate, sau đó liên kết phối trí giữa các phân tử [20]. 11 Gel kappa carrageenan rắn giòn Gel iota carrageenan đàn hồi Hình 2.5. Gel carrageenan với các ion Sự hiện diện cellulose trong gel cuối cùng sẽ tạo ra gel có độ vỡ thấp hơn gel [60]. Hình 2.6. Đặc tính gel của hỗn hợp kappa và iota carrageenan Ở 250C, gel κ-carrageenan thể hiện đặc tính lƣu biến kiểu rắn. Sự kết hợp giữa nồng độ KCl và κ-carrageenan khác nhau dẫn đến mô hình mạng lƣới không gian 3 chiều với độ cứng khác nhau, điều này thể hiện ở sự tồn tại ngƣỡng nồng độ muối [55]. Κ-carrageenan tinh chế chỉ chứa potassium hình thành gel yếu khi ở nồng độ 0,7 – 1,4%. Sự đông đặc mạnh mẽ đƣợc quan sát đối với hệ thống gel khi tồn tại cả 2 loại ion potassium và calcium [15]. 12 Ứng dụng 1,3-di(-1-pyrenyl)propane (P3P) để kiểm soát quá trình chuyển đổi gel– sol cho thấy, đã hiệu quả trong việc giảm vi nhớt (microviscosity) trong vùng lân cận của điểm dịch chuyển. Sự thay đổi tính chất lƣu biến và hình thái carrageenan đƣợc nghiên cứu bởi phép đo độ nhớt và góc quay cực. Nhiệt độ ban đầu của quá trình chuyển đổi cho thấy tƣơng quan tốt với góc quay cực và độ nhớt thông qua dữ liệu vi nhớt [32]. Elasticity (độ đàn hồi) của gel carrageenan lớn có thể đƣợc giải thích là số lƣợng nhóm sulfate thấp. Đo độ đàn hồi là phƣơng pháp trực tiếp xác định số lƣợng đơn vị không gel hóa trong cấu trúc polysaccharide [71]. Độ đàn hồi của các homopolymers và carrageenan tăng khi nhóm sulfate giảm cũng đƣợc chỉ ra bởi [45]. Điều này đƣợc giải thích bởi nhóm sulfate ngừng hình thành cấu trúc lập thể, dẫn đến ngăn chặn sự chuyển hóa cấu trúc dạng thẳng sang dạng xoắn và quá trình gel hóa không đƣợc hoàn thiện vì monomers không gel hóa [44]. Kappa carrageenan nhạy với ion potassium và chúng tạo ra gel cứng và giòn. Gel kappa carrageenan thể hiện khả năng đông đặc và nồng độ potassium cao trong dung dịch thì khả năng đông đặc của dung dịch sẽ cao hơn. Gel iota type carrageenan nhạy với ion calcium và chúng hình thành gel mềm và đàn hồi. Iota carrageenan không có khả năng đông đặc. Độ chắc gel tỷ lệ thuận với nồng độ carrageenan và muối. Muối potassium đƣợc sử dụng quá nhiều sẽ tạo ra độ chắc yếu của gel. Gel đƣợc hình thành dạng gel nhiệt phục hồi sẽ có sự biến đổi rất ít khi chúng tham gia chu trình gia nhiệt và làm lạnh khi ở pH trung tính. Nhiệt độ gell hóa và tan chảy phụ thuộc vào nồng độ cations. Khi tăng nồng độ muối potassium hoặc calcium trong dung dịch carrageenan sẽ tăng nhiệt độ gel hóa của dung dịch. Độ chắc gel có thể nhận biết thông qua mô đun đàn hồi (elastic modulus (E)). Mô đun đàn hồi tăng với nồng độ polymer và sự đa dạng của các kiểu carrageenan [43]. Tài liệu [40] dựa trên đặc tính quá trình gel hóa của k-carrageenan, chế tạo sợi kích thƣớc nhỏ từ k-carrageenan đã đƣợc thực hiện theo phƣơng pháp kéo sợi ƣớt. Trong đó, kvà i-carrageenan tƣơng tác trong gel pha trộn, có thể xảy ra hiện tƣợng phân pha và sự phân tách từng phần trong mạng lƣới. Bổ sung thêm i-carrageenan sẽ làm tăng kích thƣớc sợi và sấy khô. Mặc dù khi bổ sung i-carrageenan đã làm tăng tính đồng bộ của sợi, nhƣng sợi vẫn còn cứng và giòn. Những cấu trúc khác nhau của carrageenans đã đƣa ra những tín hiệu tốt cho đặc tính của sợi. Thành công này đã cung cấp vật liệu mới cho thực phẩm, lọc, dệt may và y dƣợc. Tài liệu [56] chỉ ra cấu trúc xoắn không tập hợp của carrageenan phụ thuộc vào nồng độ ion và nhiệt độ. Độ nhớt đàn hồi (viscoelastic) ở trạng thái này tƣơng tự điều kiện cuộn ngẫu nhiên ở nhiệt độ thấp và cao. Vì vậy các đặc tính của carrageenan có thể không thay đổi nhiều khi thay đổi nhiệt độ trong vùng nhiệt cho phép. Với các điều kiện quan trong và ở nhiệt độ 250C, k-carrageenan hình thành cấu trúc không gian 3 chiều. Tuy nhiên hàm lƣợng k-carrageenan và KCl phải đủ để hình thành mạng lƣới trong môi trƣờng. Kết hợp tính chất lƣu biến, năng lƣợng và kính hiển vi cho phép xem xét các đặc tính của k-carrageenan ở trong các điều kiện khác nhau. Bảng 2.2. Tính chất gel của các loại Carrageenan khác nhau Sự tạo gel Gel chắc nhất (strongest gel) Cấu trúc gel (gel texture) Kappa Iota + Với K Với Ca2+ Giòn, dễ vỡ Đàn hồi 13 Lamda Không tạo gel - Đông tụ lại su khi kéo (Regelating after shear) Sự đông đặc (sự tác nƣớc do co) Tính ổn định khi làm đông/tan giá Có Không Không Có Không Không Có Không Có Đặc tính tạo gel của các loại carrageenan khác nhau nhƣ sau: + Kappa- carrageenan: - Tạo gel bền, rắn chắc với K+ - Tạo gel giòn với Ca2+ + Iota- carrageenan. - Gel đàn hồi. - Kết tủa khi có mặt của Ca2+. - Gel bền trong quá trình làm đông và rã đông. + Lamda-carrageenan. - Không tạo gel. - Dung dich có độ nhớt cao. Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng gel dựa trên sức đông của gel và sức đông của gel đƣợc xác định theo phƣơng pháp sau: Xác định sức đông của carrageenan bằng máy đo sức đông, dung dịch carrageenan 1,5%, ở 200C [77]. Điều chế dung dịch carrageenan bằng cách hòa tan 1,7g bột carrageenan vào bình thủy tinh chứa 98,3 ml nƣớc cất ở nhiệt độ 800C để tạo thành dung dịch carrageenan có nồng độ 1,5%. Bổ sung KCl với tỷ lệ 0,1% so với dịch nấu, hòa tan chúng trong dung dịch nấu. Đổ dung dịch nóng vào ống khuôn sau đó ngâm trong nƣớc lạnh 200C trong thời gian 2h – 3h. Mở miệng ống khuôn, bỏ thạch carrageenan ra, dùng dao cắt thành từng khoanh có bề dày 1,5cm. Đặt khoanh thạch carrageenan lên thiết bị đo sức đông, đặt con dấu nhẹ nhàng lên khoanh thạch. Nếu thạch chƣa vỡ thì đặt thêm cốc lên đĩa, nếu vẫn chƣa thấy vỡ thì nhỏ từ từ nƣớc bằng buret cho đến khi thạch vỡ ra thì dừng lại. Tiến hành đo 3 lần rồi lấy kết quả trung bình để đƣợc giá trị của sức đông và đƣợc tính bằng công thức sau: P A B C ( g / cm 2 ) 3 A: Là giá trị đo sức đông lần 1 (g/cm2) B: Là giá trị đo sức đông lần 2 (g/cm2) C: Là giá trị đo sức đông lần 3 (g/cm2) P: Là sức đông của carrageenan (g/cm2) Sức đông của gel carrageenan có thể đƣợc đánh giá trên máy Model 280 Rheometer. Trong đó: 14 III. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CARRAGEENAN TRONG THỰC TIỄN 3.1. Cơ sở khoa học 3.1.1. Đặc tính, tính lưu biến và độc tính của carrageenan Ngoài các tính chất lƣu biến của carrageenan đƣợc nêu ở trên và đặc điểm của carrageenan (bảng 3.1), việc carrageenan đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp trong đời sống còn phải kể đến các tính chất của chúng, nhƣ: độ ổn định, sự tƣơng tác với protein, tƣơng tác với các hydrocolloid khác cũng nhƣ độc tính và hoạt tính của chúng (bảng 3.2). Bảng 3.2 cho thấy LD50 của carrageenan ở mỗi loài khác nhau cũng nhƣ đối tƣợng sử dụng và phƣơng thức sử dụng khác nhau là khác nhau. Bảng 3.1. Đặc điểm carrageenan [37] Thành phần hóa học Hydrocolloid chứa α-D-1-3 và β-D-1-4 galactose với hàm lƣợng sulfate lên đến 40% tổng khối lƣợng, tích điện âm, kết hợp với ammonium, potassium, calcium, magesium và sodium Khả năng hòa tan λ carrageenan hòa tan trong nƣớc lạnh và nƣớc nóng, κcarrageenan hòa tan trong nƣớc nóng, κ- carrageenan bị kết tủa trong dung dịch potasium Hình thành gel λ carrageenan không hình thành gel, chỉ hình thành cấu trúc xoắn. Ion calcium hình thành gel với ι-carrageenan. Ion potassium hình thành gel với κ-carrageenan. Chuyển hóa Liên kết glucosid bị thủy phân ở pH thấp (pH<3). Nhóm sulfate bị loại bỏ nhờ enzyme sulfatases. Độ nhớt Độ nhớt tăng khi nồng độ carrageenan tăng. Độ nhớt carrageenan thƣơng mại không thấp hơn 5cps ở 750C đối với dung dịch 1,5% carrageenan. Độ nhớt carrageenan nằm trong khoảng 5-800cps ở cùng điều kiện. Nguồn Rong đỏ Chondrus, Gigartina, Eucheuma và Kappaphycus Khối lƣợng phân tử Carrageenan tự nhiên có khối lƣợng phân tử 1,5x106 đến 2x107. Carrageenan thƣơng mại có khối lƣợng phân tử từ 100kDa 800kDa hoặc 200kDa - 400kDa. Carrageenan đã bị phá hủy có khối lƣợng 20kDa - 30kDa. Đặc tính λ và κ-carrageenan kết hợp dễ dàng với protein sữa để cải thiện độ hòa tan và texture (độ dày, nhũ hóa và ổn định) Độ đông kết Với gum đậu locust để tăng độ chắc gel, kết hợp với gum khác nhằm tăng độ chắc gel và độ kết dính Nồng độ 0,005 – 2% carrageenan sử dụng trong thực phẩm 15 Bảng 3.2. Độc tính của carrageenan [54] Carrageenan λ, κ từ C.crispus NR λ, κ từ C.crispus λ, κ từ C.crispus λ, κ từ C.crispus λ, κ từ C.crispus ι* ι* ι* Loài Chuột Chuột Chuột Hamster Lợn guinea Thỏ Chuột Chuột Thỏ Giới tính Phƣơng thức Đực/ cái Uống NR Tiêm tĩnh mạch NR Uống Tiêm tĩnh mạch Uống Tiêm tĩnh mạch Uống Hít Bôi da NR M/F NR NR NR NR LD50 (mg/kg) 9150 ± 440 >10 6750 ± 570 >10 2640 ± 360 1-20 (LD100) >5000 >930 ± 74 (mg/m3) >2000 3.1.2. Độ ổn định [54] Dung dịch carrageenan hoàn toàn ổn định ở pH trung tính hoặc kiềm. Ở pH thấp và/hoặc nhiệt độ cao, độ ổn định của chúng giảm. Sự thủy phân mạch polymer carrageenan xảy ra, độ nhớt và khả năng gel hóa của chúng bị mất đi. Tuy nhiên, khi gel đã đƣợc hình thành, thậm chí ở pH (3,5 - 40), gel vẫn ổn định. Vì vậy chế biến dung dịch carrageenan ở pH thấp và nhiệt độ cao trong thời gian dài nên đƣợc tránh. 3.1.3. Tương tác với protein [54] Một trong những đặc tính quan trọng tạo nên sự khác biệt giữa carrageenan với các hydrocolloid khác là chúng có khả năng tƣơng tác với protein sữa. Phản ứng cao giữa carrageenan với sữa phụ thuộc vào sự tƣơng tác giữa nhóm sulfate tích điện âm trong phân tử carrageenan với micella casein tích điện dƣơng trong sữa. Mặt khác liên kết đƣợc hình thành thông qua nhóm sulfate của carrageenan, nhóm carboxylic của amino acids trong protein. Sự tƣơng tác với proteins phụ thuộc vào nhiều nhân tố nhƣ nồng độ carrageenan, kiểu protein, nhiệt độ, pH và điểm đẳng điện của protein. Đặc tính gel hóa trong nƣớc của carrageenan cũng là điểm mạnh trong việc ổn định và gel hóa sản phẩm sữa. Sự kết hợp giữa Kappa-Carrageenan với casein đƣợc biểu diễn theo hình sau: Hình 3.1. Carrageenan kết hợp với protein của sữa 16 3.1.4. Tương tác với các gum khác [54] Kappa carrageenan thể hiện khả năng tƣơng tác mạnh mẽ với gum locust beam trong hệ thống gel nƣớc, trên cơ sở tăng độ chắc gel, cải thiện khả năng giữ nƣớc, thay đổi trạng thái gel từ giòn (brittle) sang gel đàn hồi (elastic), và giảm độ đông đặc (syneresis). Độ nhớt của hỗn hợp chứa iota carrageenan và tinh bột tăng gấp 10 lần so với tinh bột nguyên thủy. Vì vậy iota-type carrageenan hữu ích trong việc thay thế textural, cảm vị và đặc tính của quá trình chế biến chứa tinh bột. Sự tƣơng tác giữa carrageenan và tinh bột đƣợc sử dụng để nghiên cứu đặc tính nhớt của pha liên tục chứa hạt tinh bột phân tán. Chuỗi kappa carrageenan thể hiện khả năng tƣơng tác với hạt [31]. Một số yếu tố ảnh hƣởng lên sự tƣơng tác giữa carrageenan và tinh bột nhƣ sau [63]: + Độ phân cực, bởi vì chuỗi iota và kappa không có cùng số nhóm sulphat dẫn đến sự tích điện là khác nhau; + Kích thƣớc, khối lƣợng phân tử là không giống nhau + Độ linh hoạt của chuỗi, ví dụ độ nhớt nội tại cao dẫn đến độ kém linh hoạt của chuỗi. 3.2. Ứng dụng trong thực tiễn Đặc tính của polymer sinh học có nguồn gốc tự nhiên trong nhiều trƣờng hợp bị chi phối bởi khối lƣợng phân tử, phân bố khối lƣợng phân tử, kích thƣớc, hình dáng và độ nhớt đàn hồi (viscoelastic) của chúng. Xa hơn, chúng cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần dung môi cũng nhƣ khả năng tự liên kết của bản thân chúng [8]. Nhờ có các tính chất vật lý và hoá học đặc biệt của carrageenan nên nó đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và phi thực phẩm để làm chất đồng hoá, ổn định, tạo gel, tạo độ nhớt, tạo kết cấu,…. Carrageenan là một trong những phụ gia tốt nhất trong công nghiệp thực phẩm và các ngành công nghiệp khác, danh mục các ứng dụng của carrageenan là vô cùng lớn, có thể tóm tắt lại nhƣ bảng sau: Bảng 3.3. Cơ cấu thị trƣờng tiêu thu carrageenan Ứng dụng Bơ sữa Thịt và gia cầm Nƣớc giải khát Thực phẩm sử dụng carrageenan tinh khiết Kem đánh răng Khác Tổng cộng Tấn 11.000 5.000 5.000 8.000 2.000 2.000 33.000 % 33 15 15 25 6 6 100 Nguồn: H. Porse, CP Kelco ApS, 2002, pers.comm. Ngày nay trên thị trƣờng có khoảng 4.000 sản phẩm hàng hoá có sử dụng carrageenan, trong đó công nghệ thực phẩm sử dụng nhiều nhất. 3.2.1. Carrageenan trong công nghiệp Cố định toàn bộ hệ thống tế bào và enzymes là quan trọng nhất trong việc cải thiện độ ổn định, hoạt độ và tái sử dụng chất xúc tác sinh học. Carrageenan là vật liệu phù hợp để cố định toàn bộ tế bào, cũng nhƣ đƣợc ứng dụng nhiều trong sản xuất công nghiệp. 17 Carrageenan đƣợc chấp nhận nhƣ chất phụ gia thực phẩm và thủ tục cố định đơn giản đã mang lại tính ứng dụng cao của chúng trong công nghiệp thực phẩm. Carrageenan cố định tế bào trong điều kiện phản ứng và cố định nhẹ nhàng đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong sản xuất hỗn hợp dƣợc [21]. 3.2.2. Trong công nghiệp thực phẩm Việc sản xuất Carrageenan đƣợc bắt đầu từ năm 1862. Hiện nay, các nƣớc sản xuất Carrageenan nhiều nhất là Philipine, Mỹ, Đan Mạch, Pháp,… Năm 2001, tổng sản lƣợng Carrageenan trên thế giới là 42.390 tấn trong đó: Châu Âu chiếm 32%, Mỹ 21%, Châu Á Thái Bình Dƣơng 47%. Philipines xuất khẩu carrageenan sang Mỹ, Anh, Nhật, Canada, Mexico, Pháp, Đức, Italia, Tây Ban Nha và Austraylia với giá từ 11 – 18 USD/kg. Hiện nay, tổng thu nhập từ Carrageenan đã đạt trên 100 triệu USD/năm, mức độ tăng trƣởng từ 9 - 13%/năm. Hiện nay trên thị trƣờng thế giới có 2 dạng sản phẩm carrageenan: dạng tinh khiết (Refined Carrageenan) và bán tinh khiết (Semi-Refined Carrageenan - SRC). Các nhà chế biến carrageenan ở Philipines đã nghiên cứu và phát triển sản phẩm carrageenan có chất lƣợng cao, phù hợp hơn với ngƣời tiêu dùng bằng cách cải tiến quy trình sản xuất SRC, sản phẩm này có tên gọi là Philipines Natural Grade Carrageenan (PNG). Sản phẩm này đã chiếm lĩnh và có vị trí quan trọng ở thị trƣờng Mỹ, EU. Vào ngày 8/6/1991, Tổ chức thực phẩm và dƣợc phẩm Hoa Kỳ (FDA) đã chấp nhận PNG phù hợp với việc sử dụng làm phụ gia thực phẩm cho ngƣời với chất lƣợng tƣơng đƣơng carrageenan tinh khiết. Năm 1994, Joint Expert Committee on Food Additives – JECFA và Code Committee on Food Additives and Contaminants – CCFAC đã tổ chức đánh giá mức độ an toàn của PNG tại Rome, sau khi kiểm tra độc tính của sản phẩm này thì họ đã chấp nhận PNG là một phụ gia thực phẩm an toàn và đã mã hoá cho sản phẩm này là E-407a. Ở Châu Âu, cả 2 loại tinh khiết và PNG đều cho phép làm thực phẩm nhƣng mang nhãn hiệu khác nhau: Carrageenan tinh khiết có nhãn hiệu là “Carrageenan” và ký hiệu là E-407 trong khi đó PNG mang nhãn hiệu “Processed Echeuma Seaweed” hoặc “PES” và ký hiệu là E-407a. Một số ứng dụng của carrageenan trong công nghiệp thực phẩm: - Sản xuất dấm công nghiệp là quá trình sinh hóa sử dụng vi khuẩn hữu ích. Những hạt gel κ-carrageenan đã đƣợc sử dụng nhƣ chất mang trong quá trình sản xuất liên tục acid acetic [35]. - Quá trình sản xuất dấm ăn liên tục thành công do sử dụng kết hợp giữa phản ứng sinh học bàn bong bóng (bubblemixed tabletop) với κ-carrageenan đã cố định tế bào Acetobacter suboxydans [67]. Sản phẩm sữa lên men có thể đƣợc sản xuất bằng cách đồng thời acid hóa và bổ sung sữa đã tách kem có chứa hỗn hợp đã đƣợc cố định với carrageenan. - Gel κ-carrageenan/gum đậu locust theo tỷ lệ 2,75% và 0,25% w/w đƣợc sử dụng để cố định riêng biệt 3 chủng khác nhau của Lactococcus lactis và một chủng của Leuconostoc mesenteroides [33, 34]. - Trong quá trình sản xuất bia, những hạt κ-carrageenan đã đƣợc sử dụng để cố định tế bào nấm men (Saccharomyces sp.) [3, 4]. Trong quá trình sản xuất ethanol từ 18 đƣờng glucose với phƣơng pháp lên men tầng sôi, κ-carrageenan đƣợc sử dụng để cố định tế bào nấm men Zymomonas mobilis. Sản xuất ethanol từ tinh bột theo phƣơng pháp lên men cột kính, những hạt gel carrageenan sử dụng để đồng cố định vi khuẩn và enzyme glucoamylase [64]. Ma trận gel carrageenan đƣợc sử dụng để cải thiện khả năng cố định tế bào Saccharomyces cerevisiae [65] và tiếp tục sử dụng nấm men đã đƣợc cố định trong κcarrageenan để sản xuất ethanol từ chất thải dứa đóng hộp [53]. - Hydrocolloids đƣợc đƣa vào trong bột nhằm tác động lên nhƣng textural khác nhau của bánh mì, nhƣ alginate đảm bảo độ chắc của bột và k-carrageenan giảm độ rắn của bánh mì [52]. - Tất cả hydrocolloids đã biết và đƣợc ứng dụng trong polymers công nghiệp bao gồm các cơ chất nhƣ alginates, carrageenans, agar, guar gum, arabic gum, methycellulose và carboxymethylcellulose [16]. Các hydrocolloid nhƣ sodium alginate, k-carrageenan, xanthan gum và HPMC thƣờng đƣợc bổ sung vào trong bột mì nhằm cải thiện độ ổn định của chúng trong công đoạn cuối cùng sản xuất sản phẩm [52]. Tài liệu [6] chỉ ra gum guar và đậu locus đƣợc sử dụng để cải thiện chất lƣợng của bánh mì tƣơi, mặc dù không chỉ ra vai trò kháng ôi của chúng. - Những hydrocolloids đƣợc ứng dụng trong công thức của bánh mì nhƣ pectin, sodium alginate, -carrageenan, xanthan gum, guar gum [2, 39, 49, 52], cellulose và dẫn xuất của chúng [2, 13, 39, 60] và tinh bột biến tính [51]. Nhiều kết quả trƣớc đây đã cho thấy các hydrocolloids khác nhau thì ảnh hƣởng khác nhau lên đặc tính của bột và bánh mì [48]. Khi carrageenan đƣợc bổ sung 0,5% vào bột, khả năng hấp thụ nƣớc của bột sẽ tăng lên, trong khi đó khả năng hấp thụ nƣớc của bột sẽ giảm xuống khi nồng độ carrageenan cao hơn. Khi bổ sung cùng nồng độ 0,5% vào bột, thấy rằng bột chứa hydroxypropylmethyl cellulose (HPMC) có khả năng hấp thụ nƣớc cao hơn so với bột bổ sung gum guar và [48]. Từ đó thấy rằng, ảnh hƣởng của hydrocolloids lên đặc tính bột và bánh mì phụ thuộc vào cấu trúc phân tử, kích thƣớc hạt và loại hydrocolloids, công thức bánh mì, bột và phƣơng pháp làm bánh mì cũng nhƣ kiểu bánh mì [48]. - Hydrocolloids nhƣ carrageenan cũng đƣợc quan tâm lớn trong việc ứng dụng chúng vào trong sản phẩm thịt chế biến, vì đặc tính gel hóa, làm đặc và liên kết nƣớc của chúng [36, 42]. - Đặc tính texture và chất lƣợng cảm quan của xúc xích đƣợc bổ sung bột sữa là tốt hơn so với bổ sung ι-carrageenan [76]. - Carrageenan đƣợc sử dụng nhƣ chất ổn định để làm tăng độ nhớt của pha liên tục, từ đó chúng đảm bảo chất béo không bị phân riêng trong dung dịch [50]. - Nhiều sản phẩm có thành phần carrageenan nhƣ sữa đậu nành, chocolate và sữa có hƣơng vị khác, các sản phẩm khác từ sữa, công thức thực phẩm cho trẻ sơ sinh và đồ uống dinh dƣỡng chức năng. - Carrageenans đƣợc sử dụng để tạo gel, làm đặc. Vì vậy chúng đƣợc sử dụng nhƣ chất nhũ hóa, kiểm soát quá trình đặc, phân bố và cố định trong cơ thể. Chúng chủ yếu đƣợc sử dụng trong thực phẩm và một phần ứng dụng trong sữa. kappa-carrageenan đƣợc ứng dụng tƣơng tự furcellaran. - Carrageenan ở nồng độ rất thấp (ca. 300 ppm) đóng vai trò ổn định cocoa trong sữa chocolate; không có gum nào có đặc tính này. Đặc tính lƣu biến này của carrageenan rất tinh tế trong việc ổn định cocoa trong cấu trúc gel sữa khi đổ hoặc uống. Iota19 carrageenans có textures tƣơng tự gel gelatin, nên chúng đƣợc sử dụng trong công thức gel tráng miệng. Iota-carrageenans thuận lợi hơn gel gelatin là có điểm tan chảy cao hơn, nên chúng phù hợp với khí hậu nhiệt đới, nhƣng nhiệt độ lạnh không phù hợp với chúng. Đặc tính lƣu biến này là điểm mạnh của iota-carrageenans, khi mà chúng không tan chảy trong miệng đƣợc nhƣ gelatin. Hơn nữa, gel iota-carrageenans duy trì đƣợc tính mềm theo thời gian, trong khi gelatin có khuynh hƣớng rắn theo thời gian. Tính chất này là quan trọng trong sản xuất đồ ăn tráng miệng ở Châu Âu. - Kappa carrageenan hoặc furcellaran ít đƣợc sử dụng trong sản xuất gel tráng miệng bởi cấu trúc giòn và mạch ngắn của gel. Nhƣợc điểm này đƣợc khác phục bằng cách đồng bổ sung galactomannan của đậu locust vào trong gel tráng miệng, và kappa-đậu locust hoặc iota- kappa-đậu đã đƣợc sử dụng. Đậu locust đƣợc đồng bổ sung sẽ tạo ra trạng thái gel không có bọt và vật chất lơ lửng đƣợc làm sạch trong công đoạn lọc. Nhiều nhà sản xuất kẹo cao su lớn trên thế giới cũng sử dụng tính năng này của carrageenan để nâng cao chất lƣợng kẹo. - Ở Scotland và Ireland, carrageenan đƣợc đun sôi trong sữa, sau đó bổ sung thêm đƣờng, hƣơng vị (vanilla, quế, rƣợu mạnh hoặc whisky). Sản phẩm cuối cùng ở trạng thái gel hóa tƣơng tự pannacotta, tapioca, hay blancmange ở Scotland và Ireland. Khi iotacarrageenan đƣợc tổ hợp với sodium stearoyl lactylate (SSL), sự đông đặc đƣợc tạo ra, khả năng nhũ hóa/ ổn định của hỗn hợp này tốt hơn tất cả khả năng nhũ hóa/ ổn định của (kappa/lambda) carrageenan hay chất nhũ hóa khác đã có. SSL tổ hợp với iota carrageenan tạo ra hệ nhũ ở cả điều kiện nóng và lạnh trong môi trƣờng thực phẩm có rau và/ hoặc mỡ động vật. - Carrageenan đƣợc sử dụng trong nhiều sản phẩm sữa nhƣ pho mát kem, pho mai, sữa tách kem, yogurt cũng nhƣ các món tráng miệng và đồ ngọt nhƣ: custards, kem, sữa, chocolate pie. Đặc tính vật lý của polysaccharide nhƣ: độ hòa tan, làm đặc, ổn định hoặc gel hóa phụ thuộc vào kích thƣớc và cấu trúc của phân tử polysaccharide, hình thái của chúng, sự hiện diện của nhóm sulfate, nhóm methyl ether và nhóm pyruvate cũng nhƣ nhóm acetyl esters, độ linh hoạt và khả năng tự liên kết của chúng [47]. - Trong gel carrageenan, sự thay thế 4C1 và 1C4 trong cấu trúc cho phép chuỗi carrageenan hình thành cấu trúc xoắn bậc 2, trong cấu trúc xoắn này hình thành vùng liên kết hoặc liên kết giữa các mạch trong cấu trúc xoắn. Do đặc tính hình thành gel rắn, κ-carrageenan đƣợc ứng dụng trong sản xuất thịt lợn đóng hộp [12]. Khả năng hydrate và ổn định nhiệt của gel thịt lợn tăng lên nhờ bổ sung thêm carrageenan [75]. Khả năng giữ nƣớc của gel thịt tăng lên khi bổ sung 2% carrageenan [18]. Đặc tính cứng và các thông số texture khác nhau của thịt viên ít béo đã nhũ hóa tăng lên khi đƣợc bổ sung 2% carrageenan [73]. Khi bổ sung carrageenan ở các nồng độ 0,25, 0,4 và 0,5 (%) vào thịt lợn xông khói đóng lon, sự tiêu tốn nhiệt trong quá trình chế biến giảm và độ cứng của sản phẩm tăng [17]. Carrageenan là an toàn trong công nghiệp thực phẩm. Nhiều tác giả trên thế giới nhƣ JECFA, Scientific Community on Food (SCF), and International Food Additives Council (IFAC) đã đánh giá sự an toàn của carrageenan. Trái ngƣợc với phát hiện của Tobacman (2001) và Tobacman cùng cộng sự (2001), tất cả các tác giả đều đồng ý carrageenan an toàn trong thực phẩm. In 1978, the Scientific Committee for Food (SCF) thông qua lƣợng tiêu thu hàng ngày chấp nhận đƣợc của carrageenan là 0–75 mg/kg bw 20