Tài liệu Quá trình tổng hợp, phân giải glucid

  • Số trang: 42 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 484 |
  • Lượt tải: 0
hoanggiang80

Đã đăng 20010 tài liệu

Mô tả:

Quá trình tổng hợp, phân giải glucid
LỜI MỞ ĐẦU Hóa sinh thực phẩm nghiên cứu về cấu tạo, tính chất của các chất tạo nên thực phẩm và sự chuyển hóa của các chất, chuyển hóa năng lượng trong quá trình bảo quản, chế biến thực phẩm. Đây là bộ môn quan trọng, giữ vai trò nền tảng, cơ sở cho những môn học chuyên ngành. Cùng với protein và lipid, glicid là một hợp chất hữu cơ giữ vai trò thiết yếu đối với cuộc sống, phổ biến trong các sản phẩm thực phẩm. Trong khẩu phần ăn hằng ngày, glucid chiếm tỷ lệ lớn nhất về khối lượng, cung cấp phần lớn năng lượng giúp chúng ta hoạt động bình thường. Kể cả những loại carbohydrate không tiêu hóa được cũng có vai trò quan trọng trong cân bằng dinh dưỡng. Cơ thể thực vật là một cỗ máy sinh học tuyệt vời tổng hợp nên glucid từ những hợp chất vô cơ ban đầu (CO 2 ,H2O và năng lượng ánh sáng mặt trời). Cơ thể người, động vật thì sử dụng nguồn nguyên liệu glucid lấy từ thực vật là chính, qua quá trình phân giải với cơ chế chặt chẽ tạo ra đơn vị cơ bản là glucose – nguyên liệu chủ yếu cho hoạt động sống, trung tâm của sự chuyển hóa. Glucid còn tạo ra nhiều tính chất chức năng quan trọng cho thực phẩm nên tìm hiểu về “QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP, PHÂN GIẢI GLUCID” là việc làm cần thiết đối với sinh viên ngành thực phẩm. Nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế, bản chất của sự chuyển hóa, qua đó có những kiến thức nhất định sẽ giúp ích rất nhiều cho việc học tập, nghiên cứu sau này. Đó chính là mục đích của nhóm khi làm đề tài này. 1 1. Giới thiệu chung về Glucid 1.1.Khái niệm Glucid là hợp chất hữu cơ khá phổ biến ở cả cơ thể động, thực vật và vi sinh vật. Các nguyên tố cấu tạo nên glucid là C, H, O. Công thức cấu tạo của glucid thường được biểu diễn dưới dạng CmH2nOn (m, n ≥ 3). Trong phân tử glucid có chứa nhóm aldehide (-CHO), cetol (-C=O). Ngoài ra còn có một số loại glucid đặc biệt, trong cấu trúc của chúng còn có thêm S, N, P. 1.2. Vai trò 1.2.1. Đối với cơ thể • Là sản phẩm trung gian của quá trình trao đổi chất. • Nguồn nguyên liệu trực tiếp để hô hấp. • Nguồn dự trữ, tạo năng lượng. • Tạo cấu trúc trong cơ thể thực vật, tham gia vào thành phần cấu tạo của nhiều chất quan trọng như: AND, ARN… • Cung cấp năng lượng chủ yếu ( 4,13 kcal/g) • Giúp cho quá trình tiêu hóa. 1.2.2. Trong công nghệ thực phẩm • Là chất liệu cơ bản, cần thiết và không thể thiếu của ngành sản xuất lên men. • Các sản phẩm như: rượu, bia, nước giải khát, mì chính, acid amin, vitamin… đều được tạo ra từ cội nguồn glucid. • Tạo ra cấu trúc, hình thù, trang thái, cũng như chất lượng cho các sản phẩm thực phẩm. • Tạo kết cấu: Tạo sợi, tạo màng, tạo gel, tạo độ đặc, độ cứng, độ đàn hồi cho thực phẩm: tinh bột, thạch, pectin trong miến, mứt quả, kem, giò lụa… Tạo kết 2 cấu đặc thù của một số loại thực phẩm: độ phồng nở của bánh phồng tôm, tạo bọt cho bia, độ xốp cho bánh mì, vị chua cho sữa… • Tạo chất lượng: tạo ngọt cho thực phẩm (các đường). Tham gia tạo màu sắc và hương thơm cho sản phẩm (đường trong phản ứng caramen hoá, melanoidin…). Các tính chất lưu biến cho sản phẩm thực phẩm: độ dai, độ trong, độ giòn, đ dẻo… Có khả năng giữ được các chất thơm trong sản phẩm thực phẩm; tạo ẩm cũng như làm giảm hoạt độ nước làm thuận lợi cho quá trình gia công cũng như bảo quản. 1.3. Phân loại Có nhiều cách phân loại. Sau đây là một số cách phân loại: Theo cấu tạo: glucid được chia làm 3 nhóm Theo mục đích sử dụng (độ ngọt): đường, không đường. Theo mức độ phức tạp của phân tử, lấy đường đơn làm cơ sở: • Loại ose: là đường không thủy phân được nữa. • Loại osid: là những glucid phức tạp do nhiều monosaccharide ghép lại. Gồm 2 nhóm lớn: holosid( thủy phân cho mono) và heterosid( thủy phân cho mono và nhiều nhóm không phải glucid). Dẫn xuất amin, phospho, dẫn xuất dạng glucocid… 1.4. Tính chất Nhìn chung, các glucid từ đơn giản đến phức tạp đều có một số tính chất điển hình giống nhau. Ta xét các tính chất của monosaccharide. 1.4.1. Tính chất vật lý 3 • Không bay hơi, tan trong nước, ít tan trong rượu, không tan trong acid, dung môi hữu cơ. • Có hiện tượng solvat hóa làm dung dịch khó kết tinh. • Tồn tại ở trạng thái hỗ biến (mạch thẳng và vòng). • Có khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực (phụ thuộc vào dạng anomer, tautomer). • Khả năng hòa tan phụ thuộc vào từng loại đường. • Tính hút ẩm, làm bóng khác nhau ở từng loại đường. 1.4.2. Tính chất hoá học • Tính khử mạnh do có nhóm aldehide, cetol tự do: monosaccharide chuyển thành polyol, các nhóm aldehide hoặc cetol chuyển thành các nhóm rượu tương ứng. • Tính oxi hóa theo nhiều mức độ: trong điều kiện oxi hóa nhẹ, các aldose bị oxi hóa thành aldonic acid (xảy ra trong bột nướng bánh, xúc xích lên men, một số 4 sản phẩm sữa). Khi dùng các acid mạnh hơn như HNO 3 sẽ tạo thành dicaboxylic acid. Bị oxy hóa nhẹ bởi Br2: Tác dụng với HNO3: Khi oxy hóa bằng dung dịch Br2 có bảo vệ nhóm chức CHO bằng metyl hóa 5 Ví dụ từ axit glucuronic sẽ cho chất xilose là một pentose • Tạo ester với acid. Khi đun sôi các pentose, hexose với các acid có nồng độ cao như HCl 12%, H 2SO4 đậm đặc thì các phân tử H2O sẽ bị mất đi và tạo thành các furfurol từ pentose hoặc oxymethylfurfurol từ hexose. Các sản phẩm này được hình thành trong quá trình chế biến các sản phẩm thực phẩm. 6 • Phản ứng trong môi trường kiềm. Trong dung dịch kiềm yếu như Ba(OH) 2 , Ca(OH)2 có thể xảy ra sự đồng phân hóa giữa glucose, fructose, mannose. Hiện tượng này có thể xảy ra trong cơ thể. Trong dung dịch kiềm loãng, các monosaccharide mạch thẳng chuyển sang mạch vòng.trong môi trường kiềm loãng ở 370 C các nhóm endiol sẽ chuyển vào giữa mạch. Nồng độ kiềm cao hoặc nhiệt độ cao, các monosaccharide có thể bị phân giải, hiện tượng caramen hình thành, Các mạch cacbon dễ bị đứt. 7 H H COOH COOH C O C O H C OH C H H C H + HO C H H C H R R R Acid metasaccharic CH3 D- Glucose COOH COOH C O C O H3C C + OH HO R R CH3 C R Acid saccharic CH2OH COOH C O C O HOH2C R C COOH OH + R HO C CH2OH R Acid isosaccharic • Phản ứng với các loại thuốc thử (phenylhydrazin) dùng để nhận biết các đường đơn khi phân tích. Phản ứng với phenylhydrazin, gồm 3 giai đoạn: 8 • Giai đoạn 1 : sự tạo nên phenyhdrasen: • Giai đoạn 2 : sự oxy hóa ở nguyên tử vị trí cacbon thứ 2 tạo nên nhóm cacbonyl: 9 • Giai đoạn 3: một phân tử phenylhydrazin thứ ba sẽ tham gia phản ứng với nhóm cacbonyl và tạo nên sản phẩm cuối cùng là phenylosasen của glucose: Tóm tắt phản ứng giữa glucose và phenylhydrazin như sau: • Đồng phân quang học 10 • Phản ứng tạo glucozit: là một đặc tính rất quan trọng của monosaccharide. Liên kết glucosid là liên kết cơ bản có ý nghĩa quan trọng tạo nên các oligosaccharide, polysaccharide và nhiều hợp chất phi glucid khác. Phản ứng tạo glucozit Các dạng Glucozit: R – phần gluxit của phân tử glucozit , A – aglucon Tất cả các glucosid dễ dàng bị thủy phân, khi đó liên kết glucosid bị cắt đứt và tạo thành monosaccharide tương ứng. phản ứng thủy phân các glucosid được xúc tác bởi 11 acid, chỉ trong một số trường hợp mới do kiềm xúc tác. Đa số glucosid đều bền vững với kiềm. • Phản ứng caramen: sản phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ, pH, thời gian, bản chất của đường…w Sacarose, sơ đồ caramen hóa: Đến 185 – 1900C sẽ tạo thành isesacarosen: Khi ở nhiệt độ cao hơn sẽ mất đi 10 % nước và tạo thành caramelan có màu vàng: Khi mất đi 14 % nước sẽ tạo thành caramelen: Và khi mất đi 25% nước sẽ tạo thành caramelin. Các sản phẩm caramen hóa đều có vị đắng. • Phản ứng maillard (phản ứng với các hợp chất chứa gốc amine) Đây là phản ứng nâu hóa phi enzyme, xảy ra giữa đường khử và protein, peptide, acid amin hoặc các amine thông qua phản ứng tạo N- glycoside và một chuỗi các phản ứng kế tiếp khác. Về cơ bản, phản ứng này xảy ra tương tự phản ứng của đường trong môi trường acid hoặc kiềm, tuy nhiên do sự có mặt của các hợp chất nitrogen đóng vai trò xúc tác nên phản ứng xảy ra với tốc độ nhanh hơn trong những điều kiện môi trường đơn giản hơn rất nhiều. Phản ứng này rất thường gặp trong thực phẩm. 12 Glucose phản ứng với acid amin để tạo ra glucosylamine: Sự tạo thành các hợp chất amadori từ đường glucose và phân huỷ chúng tới 1- và 3deoxysone: 13 HC HO NR1R2 C OH C H H C OH C H H2O NR1R2 HC NR1R2 HC H2O C OH C H H2O 3 H2C NR1R2 C O C H H 1, 2 HO HO H , R1R2NH O HC C OH C H HC + R1R2NH C O O CH2 Glucose H, R1R2NH 1-, 3- dyosone H2C 4 H2C C HO C H2C NR1R2 OH H HO C O C O C H NHR1R2 C OH C H H2C C OH CO Phản ứng ngưng tụ andose để tạo ra gốc pyrazine: H H HO C C C N OH H H C NH O H C OH HN R1CHO R1 N + _ N CH2 N Oxy hóa N 14 Phản ứng oxi hoá các hợp chất amadori: H2C HO NHR H2C H2C NHR C O C OH C H C OH Oxy hóa NHR C O Oxy hóa C O H2C NHR COOH + COOH Tiếp theo là các phản ứng của các hợp chất deoxyosome tạo ra sản phẩm là những hợp chất mạch vòng có chứa hoặc không chứa nitơ góp phần tạo nên màu sắc cũng như mùi vị cho các sản phẩm chiên nướng. 1.4.3 Tính chất cảm quan Các đường đơn, đường oligo và các rượu tương ứng của chúng thường có vị ngọt, đây là tính chất cảm quan quan trọng nhất. Ngoài ra, một vài loại có vị ngọt đắng (β – D Mannose), hoặc vị đắng (gentibiose). Một số đường quan trọng gồm saccharode, các loại xiro từ tinh bột và glucose hay đường đảo, xiro glucose- fructose, đường fructose, lactose, các sugar alcohol như sorbitol, mannitol, xylitol… cũng là những loại đường ngọt quan trọng. Cường độ vị ngọt được đánh giá bằng ngưỡng nồng độ cảm nhận của đường hoặc bằng cách so sánh với một đường chuẩn khác. Chất lượng và cường độ vị ngọt của đường phụ thuộc vào công thức hóa học, cấu trúc của đường và các thông số cảm nhận vị khác như nhiệt độ, pH, sự có mặt của các đường ngọt hoặc các chất không phải đường. Nói chung, trong quá trình chế biến thực phẩm, thành phẩm và nồng độ của các chất tạo ngọt cần được điều chỉnh để đạt được cảm nhận cảm quan tốt nhất. Trong ngành công nghệ thực phẩm chúng ta cần quan tâm tới một số loại monosaccharide quan trọng như: pentose, D- xilose, D- ribose, heose, D- glucose, Dmanose, D- galactose, D-fructose ; disaccharide: saccharose, maltose, lactose, 15 xellobiose; trisaccharide: rafinose; polysaccharide: tinh bột, inulin, xellulose, hemixellulose, pectin, aga- aga, dextran, glycogen, kitin. Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm 1.5. Từ những tính chất nêu trên, chúng ta rút ra được ứng dụng của glucid trong ngành công nghệ thực phẩm. • Các đường sau khi bị khử thành rượu, các dẫn xuất rượu này được sử dụng để thay thế đường trong thực phẩm để giảm hoạt độ của nước, chống hiện tượng kết tinh, tăng cường sự tái hấp thụ nước của các sản phẩm bị mất nước… sorbitol có nhiều trong một số loại quả như lê, táo, mận..., maltitol được sử dụng nhiều trong công nghệ thực phẩm. • Các phản ứng oxi hóa cho các sản phẩm là thành phần của các loại polysaccharide thực phẩm quan trọng như pectin (chất tạo độ dày, tạo gel cho quá trình chế biến thực phẩm) • Trong môi trường acid, các đường đơn dễ tham gia vào phản ứng ngược tạo thành các glucosid. Các sản phẩm tạo ra từ glucose có thể là disaccharide, oligosaccharide nhưng chủ yếu là gentibiose, isomaltose làm giảm hiệu suất của quá trình thủy phân. • Trong môi trường kiềm, các aldose và ketose bị enol hóa, tạo thành các endiol, thông qua các endiol này có hiện tượng isomer hóa các đường (một đường này có thể chuyển thành đường khác). Ở các disaccharide, trường hợp chuyển lactose thành lactulose được nghiên cứu sử dụng trong thức ăn của trẻ sơ sinh vì chúng có tác dụng hỗ trợ tiêu hóa và ngăn ngừa hiện tượng táo bón ở trẻ. • Khi đun nóng dung dịch đường trong môi trường acid hoặc kiềm, sẽ tạo ra các chất có màu nâu với mùi caramen đặc trưng. Tùy điều kiện mà phản ứng xảy ra theo hướng tạo màu hay tạo mùi nhiều hơn. Trong một số trường hợp, với dung dịch đệm thích hợp sẽ tăng khả năng tạo ra các chất mùi, chủ yếu là dihydrofuranone, cyclopentenolone, cyclohexenolone và pyrone. Ngoài ra, đun nóng xirô glucose với acid sunfuric, có mặt ammonia sẽ tăng cường tạo ra các 16 hợp chất polime có màu nâu. Độ bền và khả năng hòa tan của các hợp chất này sẽ tăng khi có thêm các anion bisulfate. • Phản ứng maillard: tùy trường hợp cụ thể mà có lợi hay gây hại. • Hiện tượng tạo màu nâu rất cần thiết trong các sản phẩm chiên, nướng nhưng lại có hại trong các sản phẩm như sữa đặc, rau củ sấy, nước sốt cà chua…; tương tự, việc tạo ra nhiều hợp chất bay hơi có mùi cũng rất cần thiết trong quá trình chiên, nướng nhưng lại ảnh hưởng đến quá trình bảo quản, chế biến nhiệt như thanh trùng, tiệt trùng…; vị đắng cần thiết trong chế biến cà phê nhưng lại tạo ra mùi lạ khi quay thịt, cá; tạo ra các hợp chất có tính khử mạnh tham gia vào việc bảo vệ thực phẩm khỏi các phản ứng oxi hóa. Bên cạnh đó, chúng ta cần lưu ý đến khả năng làm mất đi nhiều acid amin thiết yếu (lysine, cystein, methionine), tạo ra một số chất gây ung thư,… • Để hạn chế phản ứng này chúng ta có thể giảm độ pH, giữ thực phẩm ở nhiệt độ thấp nhất có thể, tránh vùng hoạt độ nước nguy hiểm trong thời gian bảo quản và chế biến, không sử dụng đường khử và thêm các gốc sulfite vào thực phẩm. • Ester của sorbitol và saccharose với các acid béo có nhiều ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến thực phẩm. • Cyclodextrin không hút ẩm, ngọt nhẹ, được sử dụng để giữ hương, bảo vệ các vitamin và các chất dễ bị oxi hóa, giấu đi các vị đắng chát hay các mùi không mong muốn. • Những điều trên chỉ mang tính chất tổng hợp, khái quát về một số đặc điểm quan trọng của glucid đối với ngành công nghệ thực phẩm. bên cạnh đó, chúng còn có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác mà chúng tôi không đề cập đến. 2. Quá trình tổng hợp gluxid 2.1. Tổng hợp các Gluxid đơn giản (Quang hợp – Chu trình canvil): 2.1.1. Khái niệm: 17 Quang hợp là quá trình cây xanh và một số sinh vật như vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn lam, một vài loài động vật nguyên sinh, hấp thụ năng lượng của lượng tử ánh sáng biến đổi thành năng lượng hóa học, giải phóng oxy của nước, khử CO 2 thành các chất hữu cơ. 2.1.2. Cơ chế quang hợp: gồm 2 pha là pha sáng và pha tối. 2.1.2.1. Pha sáng: Pha sáng quang hợp bao gồm các phản ứng đầu tiên kể từ lúc sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng, sau đó dự trữ nó trong cấu trúc phân tử sắc tố dưới dạng năng lượng điện tử kích thích, đến các quá trình di trú năng lượng vào trung tâm phản ứng và cuối cùng từ đây năng lượng được biến đổi thành thế năng hóa học. Pha sáng quang hợp gồm 2 giai đoạn: - Quang vật lí - Quang hóa học. a/. Giai đoạn quang lí: - Giai đoạn quang lí của quang hợp bao gồm quá trình hấp thụ năng lượng và sự di trú tạm thời năng lượng trong cấu trúc của phân tử chlorophyll. - Cây xanh được chiếu sáng, năng lượng dưới dạng các photon đập vào chlorophyl hay carotenoit, kích hoạt điện tử các sắc tố đến mức năng lượng cao hơn nhưng không bền, các điện tử trở về mức năng lượng ban đầu, đồng thời năng lượng của lượng tử ánh sáng được truyền cho phân tử sắc tố khác. Quá trình truyền photon diễn ra cho đến khi các photon đập vào trung tâm phản ứng có chlorophyll a chuyên biệt, kích hoạt điện tử của trung tâm phản ứng lên mức năng lượng cao trung tâm phản ứng ở trạng thái kích thích. - Ngoài phân tử chlorophyll, trung tâm phản ứng còn chứa các sắc tố phụ carotenoit… v..v… Các sắc tố khác nhau sẽ hấp thu tốt các bước sóng khác nhau của quang phổ, truyền điện tử và hidro bị kích thích cho diệp lục a trực tiếp tham gia các phản ứng sáng. b/. Giai đoạn quang hóa: 18 - Pha sáng thực hiện nhờ tác động tương hỗ của 2 hệ thống quang hóa I và II (HTQH). HTQH là phức hợp thu nhận ánh sáng vào trung tâm phản ứng gồm các sắc tố chlorophyll a,b,c,d và carotenoit. - Trung tâm phản ứng (TTPƯ) là các phân tử chlorophyll chuyên biệt gồm: • Trung tâm phản ứng I có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng ở bước sóng dài (λ > 730nm). Hệ sắc tố I gồm carotenoic, chlorophyll b, chlorophyll a- 660, chlorophyll a-670, chlorophyll a-678, chlorophyll a-683, chlorophyll a-690 tham gia vào hoạt động hấp thụ năng lượng ánh sáng hệ I và truyền năng lượng đến trung tâm quang hợp I (chlorophyll- P700). Từ P700 thực hiện chuỗi vận chuyển e- quang hợp nhờ hệ quang hoá I để tạo ATP và NADPH2. Hệ vận chuyển điện tử b6, xytocrom F. • Trung tâm phản ứng II có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn hệ ánh sáng I (λ < 700nm). Hệ sắc tố II gồm có xantophyll, chlorophyll b, chlorophyll a-680, chlorophyll a-660, chlorophylla-670 ... tiếp nhận ánh sáng hệ II rồi truyền năng lượng cho trung tâm phản ứng II (P680 hay P690). Từ trung tâm quang hợp II điện tử được truyền qua hệ quang hoá II là quinon, plastoquinon, xytocrom b559 để sang tâm quang hợp I (P700). Đặc biệt tham gia vào hoạt động của trung tâm quang hợp II có H 2O với sự quang phân ly nước sẽ cung cấp H+ và e- cho quá trình photphoryl hoá và tổng hợp NADPH2. Mối quan hệ giữa 2 tâm quang hợp được thực hiện qua sơ đồ sau: 19 - Năng lượng điện tử không được truyền tiếp tục như trong phức hợp thu nhận ánh sáng, biến đổi theo con đường quang phosphoryl hóa vòng và không vòng • Quang phosphoryl hóa không vòng: Là cơ chế thu nhận truyền năng lượng điện tử từ HTQH II đến HTQH I, kèm theo sự biến đổi năng lượng điện tử thành năng lượng hóa học dưới dạng ATP, tạo NADPH giải phóng oxy. • Quang phosphoryl hóa vòng: là quá trình biến đổi năng lượng của lượng tử ánh sáng thành năng lượng hóa học, tích lũy trong liên kết cao năng ATP. Quá trình diễn ra trong chuỗi vận chuyển điện tử. - Năng lượng của lượng tử ánh sáng được truyền trong HTQH II, kích hoạt P680 thành trạng thái kích thích P680*. Cặp điện tử của P680 * được nâng lên ở mức năng 20
- Xem thêm -