Tiểu luận tìm hiểu về cyclodextrins, ứng dụng và triển vọng tương lai trong thực phẩm

Tiểu luận tìm hiểu về cyclodextrins, ứng dụng và triển vọng tương lai trong thực phẩm

VIỆN ĐÀO TAO SAU DAI HOC

VIEN CONG NGHE SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Tiểu luận:

Tìm hiểu về Cyclodextrins, ứng dụng và triển

vọng tương lai trong thực phẩm

Sinh viên thực hiện:Bùi Thị Vàng Anh

Trần Thị Thu Hoài

Giáo viên hướng dẫn:TS.Nguyễn Thị Minh Tú

Hà Nội 2011

Cyclodextrins(CDs) la gi? sesso

CDs được sản xuất từ đâu và sản

xuất như thể nào?

Tại sao CDs lại được ứng dụng trong

thực phẩm?

Tình hình ứng dụng CDs trên thế giới

hiện nay ra sao?

Các triển vọng tương lai của CDs là

gì?

Cyclodextrins la gi?

Cyclodextrins ( hay con gọi là cycloamyloses) thuộc nhóm hep chất được tạo thành

từ các phẩn tử đường liên kết với nhau tạo thành vòng (vòng oligosaccharides)

Creede mille là hợp chất chứa từ 5 hoặc nhiều hơn các đơn vị đường a-D-

glucopyranoside theo liên kết 1-4, ee ayer aie đoạn của tỉnh bột) Vòng

có chứa 5 phân tử là không tự nhiên Gần đây phân tử cyclodextrin lớn nhất đã được

phát hiện có chứa 32 đơn vị 1,4-anhydroglucopyranoside trong khi như một hỗn hg}

ít thuộc tính nhất, thậm chí có ít nhất oligosaccharides vòng có chứa 150 đơn vị đã biết đến Cyclodextrins điển hình có chứa một số lượng các monomer glucose năm

trong khoảng từ 6 -8 , tạo nên một hình nón, do vậy dễ cho electron

œ -cyclodextrin: có chứa 6 phân từ đường trong vòng

B -cyclodextrin: chứa 7 phân tử đường trong vòng

Yy -cyclodextrin: chứa 8 phân tử đường trong vòng

Cyclodextrins điển hình được tạo thành bởi từ 6-8 đơn vị đường glucopyranoside, về hình học có thể đại diện như toroids với sử mở lớn hơn và nhỏ hơn của toroid dé dé hòa tan trong dung môi lần lượt là các nhóm eae thứ cấp và sơ nh Do sự sắp xếp này, bên trong của toroids không ưa nước, nhưng có thé can nhac đến khả năng ưa nước kém trong môi trường nước và do vậy có thể làm vật chủ cho các phân tử ưa nước khác Trái lại, bên ngoài hoàn toàn ưa nước cho phép cyclodextrinh

có thể hòa tan trong nước dễ dàng

Hình 1.Cấu trúc và kích thước cácCDs | °Ÿ

s Po,

%

40) ®

ov ge

œ-Ovclodextrin -öyeladsxtrin +-Dyclodextrln

Các tính chất của CDs

-Tính chất vật lý

Bảng 1 Một vài thông số vật lý của CDs

Các thông số œ-CD B-CD y-CD

Khéi I-ing ph©n to 972 1135 1297

Sè ®n vb glucoza 6 7 8

Sé@ ph@n t6 H,0 trong I¢ 6 11 17

ĐÐ-êng kÝnh trong (A) 4,7-5,3 6,0 - 6,6 7,5 - 8,3

D-éng kYnh ngopi (A) 14,6 15,4 17,5

ThÓ tÝch lc hang 174 262 472

(ml/g) 0,174 0,262 0,472

Dé tan trong n-ic

(g/100mi, 25 °C)

ĐiÓm nãng chảy (0C) 255 - 260 255 - 265 240 - 245

12,33 12,2 12,08

-Tính chất hóa học của CDs

© Đô bền hóa học: So với các oligosacarit mach thang thì các CD là những phân tử rất bền Các axit mạnh nhự axit clohvdric có thể phân hủy CD tao ta hỗn hợp các oligosacarit khác nhau (từ mạch thang do phan tử CD bị mở vòng cho đến tận glucoza) Tốc độ thủy phân tăng khi nhiệt độ thủy phân tăng nhưng chậm hơn 3-5 lần so với các oligosacarit mach thang tương ứng [R A Hedge (1998)] Trong một môi trường axit yếu I như axit hữu cơ sự thủy phân hầu như khong xay ra Cũng như các oligosacarit và dịch kiềm đặc (trong dung dịch NaOH 0,35N) 6 70°C khéng thay co su thy phan CD

® CD kha bền với nhiệt độ, tia UV hay IR Với các tác nhân oxy hóa CD có thể bị oxy hóa làm

mở vòng glucoza nhưng không tạo ra focmadehyt hay axit focmic vốn là các chất độc do CD không có tính khử.g và B-CD khá bền dưới tác dụng của enzim thủy phân amololytic trong khi đó y -CD bị thủy phân dễ dàng bởi g- amillaza.Nói chung các - amillaza từ nấm mốc thủy phân CD tốt hơn các d- amillaza từ vi khuẩn B amilaza và glucoamilaza không thủy phần CD nhưng cyclodextrin salucosyitansieneze có thể thủy phân dễ dàng.Các phức CD nhìn chung | bền hơn CD trước sự thủy phân bởi enzim Điều này có thể do một số chất khách thể ức chế enzim hoặc cản trở không gian khiến enzim khó tiếp xúc với cơ chất CD.Ngoài ra các CD biến đổi cũng bền hơn do nhóm thay thế không gian.JE.Scheiderman và

cs (2000)] Đối với các polisacarit không có tính khử khác CD không bị thủy phân, thậm chí ở nhiệt độ cao và trong môi trường đậm đặc

© _ Khả năng biến đổi hóa học:

Bằng phương pháp hóa học hoặc bằng enzim có thể thay thế các nhóm hydroxyl của cD bang cac nhóm khác (metyl, amin, este, ete ) khi đó đường kính của CD không bị thay đổi nhưng chiều sâu các lỗ hang giảm xuống [E.Scheiderman va cs (2000) ] Mục đích biến đổi này

là nhãn thay đổi độ hòa tan, thay đổi khả năng tạo phức (độ bền phức, độ chọn lọc khách thể .) hoặc thêm các nhóm chức năng đặc hiệu làm xúc tác.

CDs được sản xuất từ đâu và

sản xuất như thế nào? 33

© Cyclodextrins (CDs) dugc san xuất từ tỉnh bột bằng phán ứng vòng hóa các

chuỗi glucopyranoza mạch thẳng nhd enzim cyclodextrin c glycosyltransferase

(CGTase) củng với ơ- amylase Dau tién tinh bột được hồ hóa bằng nhiệt độ hoặc sử dụng a-amylase, sau d6 bổ sung CGTase cho chuyển hóa CGTases có thể tổn hợp nên tất cả các gang cyclodextrin, do vay san phẩm là hỗn hợp của

3 loại phân tử 7 vòng chính với tỷ lệ phụ thuộc vào enzym sử dụng: mỗi CGTase

có đặc tính riêng của nó về tỷ lệ a:B:y Tách chiết 3 loại Poet tu cyclodextrins can dua vào khả năng tan trong nước khác nhau của mỗi phận ee -CD tan kém trong nuéc (18.5 g/l hodc 16.3mM) (tai nhiét độ 259C) có thể thu dễ dàng thôn qua sự hình thành tinh thể trong khi a- va y- -CDs dễ tan hơn (lần lượt là 145 và

232 tí THƯỜNG được tách chiết bằng kỹ thuật sắc phổ đắt và mất nhiều thời gian Như vậy một cách khác được sử dụng là bổ sung tác nhân phức: hợp trong bước chuyển đổi của enzym: tác nhân (thường các các dung môi hữu cơ nhử toluene, acetone hoặc ethanol) để hình thành nên phức hợp với cyclodextrin sau

đó kết tủa Sự hình thành phức hợp từ sự chuyển hóa tinh bột dẫn đến việc tổng hợp các cyclodextrin kết tủa, do vậy làm giàu hàm lượng của nó trong hỗn hợp sản phẩm cuối cùng [E Scheiderman và cs(2000)]

® Hiện nay dạng thương mại chủ yếu là B-CDs.

Tại sao CDs lại được ứng

dụng trong thực phẩm?

® Tính không độc:Các § CDs này đã được chấp nhận trong suốt t ập kỷ

1980 giỗng như là thành phần phổ biến cho sản xuất thực phẩm bởi vì chúng không bị hấp hụ tại dạ dày và chúng luôn trao đổi chất bởi các vi sinh vật tại ruột kết.(Szente & Szejtli 2004)

® Khả năng tao pat: :CDs c6 thé tao phức bao (dạng khách thể và chủ thể) với nhiều hợp chất khác nhau bao gồm các chất béo mạch thẳng, các aldehyt, ceton, alcohol, các axit hữu cơ, các chất thơm chất khí, các hợp chất phân cực như halogen, g axitamin, amin [Kevin B Hicks, 1996] Day là hiện tượng một khách thể bị giữ, bị bao bọc trong lỗ han của phân tử chủ thể CDs Ở phức này CDs được gọi: là phần tử “chủ thé” cac phan tử được bao bọc bên trong được gọi là các phần tử khách thể Các phần tử khách thể sẽ được bao bọc một phần hay toàn bộ vào trong lỗ hang của phần tử chủ thể CDs [Trinh,, JM.(1999)] Nhìn chung, một phần tử CD sẽ chứa một phần tử khách thể

e pé 6n định và để bao bọc các mùi, vị, các vitamin, các màu tự nhiên có trong thực phẩm, làm tăng giá trị sinh hoc của các hợp chất có hoạt tính sinh học có trong thực phẩm, tăng chất lượng thực phẩm.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành

phức hợp CDs

-Sự thay thế của các phân tử nước từ bên trong lỗ hang

-Sự phóng thích của sức căng vòng tròn CD khi phức hệ được hình thành

-Lực hút Van der Waal và sự liên kết hydrogen ảnh hưởng lẫn nhau được thiết lập khi phức hệ được hình thành

-Vai trò của nước trong việc hình thành và ổn định phức CDs (Hình 1)

-Tính ổn định của phức CDs có quan hệ gần gũi với đường đẳng nhiệt hút

thấm bề mặt nước (Hình 2)

-Kích thước lỗ hang khác nhau của các CDs làm cho chúng ít nhiều có tính chọn lọc khi tạo phức với phân tử có kích thước khác nhau Để phức tạo thành được, bền, phần tử khách thể cần được bao khít bởi lỗ hang CDs Các phân tử nhỏ (phân tử có ít hơn hoặc bằng ⁄ 4 cacbon) liên kết tôt với các q-CD, còn các phân tử lớn hơn sẽ liên kết tốt nhất với các ÿ-CDs và y-CDs

-Tỷ lệ giữa phân tử khách thể và CDs

-Mối liên quan giữa độ ẩm và %các khách thể tách rời (Hình 3)

Hinh 1 Hinh anh thé hién su két hop va di

chuyển vị trí của nước trong quá trình hình thành

phức hệ

Excess water Water displacement Complex formation

from the cavity

Ligand

(a-terpineol)

Water molecules bad

Hình 2 Đường đẳng nhiệt hấp thu nước của B-

CD

30 £

g

Đ

5 10 ; :

0 nce cee” BCD complexes 0 &

T T T T r

0 20 40 60 80 100

Relative humidity (%)

Guest

Hình 3 Mối quan hệ giữa độ ẩm và

% khách thể tách rời

Tình hình ứng dụng CDs trén

thế giới

® Tình hình ứng dụng của CDs trong thực phẩm ở các quốc gia là không giống nhau

- Tại Mỹ, a-CDs, B-CDs va y -CDs là bao gồm cả trong quản lý thực phẩm và dược phẩm {the Food and Drug Administration GRAS) (Nhin chung chững đều chấp nhận là an toàn),

- Nhật những CDs Nod được ghi nhận giống như các sản phẩm tự nhiền và việc buôn bán của chúng trong khu vực thực phẩm là chỉ hạn chế ở dạng tinh khiết

- Các chuyên gia tại ủy ban FAO/WHO vé chat phy gia thuc phẩm đều có khuyến cáo chung là liều lượng lớn nhất cua B-CDs la Smg/kg/ngày Đối với d-CDs và y -CDs có thể chấp nhận việc dùng hàng này là không phải xác định vì chúng không độc (Astray

et al 2009)

- © Australia và New Zealand a,B va y CDs được đưa vào các dạng thực phẩm mới từ năm 2003, 2004 (Cravotto và cs., 2006)

Bảng 2 Một vài sản phẩm được

lam tur viéc bao boc cyclodextrin | °:

Type of food product Role of CDs

Low-cholesterol cheese

Flavoured sugar for baking

Low-cholesterol eggs

Beer flavour standards

Chewing gum

Chocolate

Instant green tea

Dietary fibre drink

Instant tea drink

Cranberry seed oil encapsulated in y-CD

Low-cholesterol butter

Cholesterol reducing Ravour preservation on heating Cholesterol reducing

Preservation of standards of flavours Ravour stabilisation

Emulsifiers Colour stabilisation Taste masking Flavour preservation Free fatty acid protection Cholesterol reducing

Triển vọng tương lai

của cyclodextrin

Gần đây có rất nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng các hoạt động của CD giống như các chất ức chế sẫm màu khí được thêm vào các loại nước quả khác nhau như nước táo, nước lê và nước chuối (L’ opez-Nicof' as et

al 2007a,b,c).CDs dịch chuyển các hợp chất polyphenol Một trong các nghuyên nhân làm sẵm mau (Torres- Rivas et al 2004;Alvarez-Parrila et al 2007) Tuy nhiên, polyphenol được bao bọc trong các lỗ hang cyclodextrins là không có giá trị cho enzym polyphenol oxidase (Del Valle 2004)

Sự hiện diện của B-CD làm thay đổi nhiều tính keo của tinh bột lúa mỳ.(Kim& Hill 1984), sự biến tính của protein

kể từ khi chúng có khả năng tạo hình với các phức hệ cùng với các amino ky nước.(Mortensen & Jansson 2004) Rất nhiều các thành phần chức năng có thể cả việc gia tăng các tính chất đặc biệt của chúng cho việc cải tiến hương hay việc che dấu để tránh các nhận thức giác quan của chúng trong các sản phẩm thực phẩm khi chún

được thêm vào.Cái được hưởng là sự quan trọng của chúng khi người tiêu dùng có cảm giác hài lòng về các tíni

chất của sản phẩm cuối cùng Các ứng dụng của CD trong kỹ thuât về mùi xứng đáng là một chủ ý đặc biệt

Bằng sự định hình bao gồm các phức hệ với cyclodextrin, các tác nhân mùi có thế là những nhân tố fagang bang

nhau.Lời đề nghị này là một tiềm năng to lớn cho việc bảo vệ các tính chất hương dễ bay hơi và dễ ph hủy hiện diện trong các hệ thống thực phẩm xuyên suốt quy trình sản xuất giống như quy trình làm lạnh, quy trìn

làm tan chảy, vi sóng, nấu và thanh trùng.(Jouquand et al 2004)

Bao bọc hương bên trong CD cải tiến quy trình hốn hợp Điều này được chứng minh trong việc bảo vệ các tác

động của các tác nhân làm bay hơi trong suốt quá trình đốt nóng (Ói & Hedges 1995)

Sự bao bọc của nutraceutical thu hút bởi chất béo và các cấu thành oxy-chất dễ bay hơi bên ngoài CDs bảo vệ chúng từ các quy trình oxidative.Các acids béo không chứa các cholesterol thiết yếu có thể tác động trở lại bởi

sự hình thành của phức hệ với CDs Khá nhiều nghiên cứu cũng đã chỉ ra răng để xác định sự thực hiện của các CDs thu được các tác động chống oxy hóa trên phân tử linoleic (Regiert 2007)

Ứng dụng thử thách khác mới của CDs là trong bao gói các tính chất thực phẩm, nơi mà chúng có thể thể hiện

hai điều có lợi: phát triển các tính chất của sự bao gói các tính chất và phát triển các tính chất cảm giác trong hệ

thống thực phẩm.(Wood, 2001)

Các ghi chú trước đây, nước có ý nghĩa đặc biệt tác động vào sự hình thành các phức hệ CD và sự phân tách của các hợp chất bao bọc Do vậy, bất kỳ ứng dụng nào được đề cập, các mối quan hệ nước, cũng nên kiểm tra để tìm ra sự thật cho mỗi hệ thống liên quan, vấn đề môi trường tại mỗi phức hệ cần được nghiên cứu

để phát triển thích hợp một cách hệ thống các thành phần chức năng bao bọc