Bài tập môn hóa học thực phẩm: Cellulose và hemicellulose

-Phản ứng nhiệt phân Cellulose bắt đầu phân hủy ở 180oC, phản ứng depolymer hóa nhằm giảm độ trùng hợp của cellulose, ứng dụng trong công nghệ sấy các vật liệu từ cellulose -Phản ứng ox

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÀI TẬP MÔN HÓA HỌC THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI 12

NHÓM SVTH: Lưu Tố Trân - 61203993

Hoàng Thị Thảo - 61203438

Châu Thanh Phương Vy – 61204678

GVHD: ThS Tôn Nữ Minh Nguyệt

Thành phố Hồ Chí Minh, 11/2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÀI TẬP MÔN HÓA HỌC THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI 12

NHÓM SVTH: Lưu Tố Trân - 61203993

Hoàng Thị Thảo - 61203438 Châu Thanh Phương Vy – 61204678 GVHD: ThS Tôn Nữ Minh Nguyệt

Thành phố Hồ Chí Minh, 11/2013

1.1.Cấu tạo……….……….………1

1.2.Tính chất ……… ……… ……….…2

1.2.1.Tính chất vật lý……….……….……….… 2

1.2.2.Tính chất hóa học……… ……… 3

Chương 2: Hemicellulose……… … ……… 4

Chương 3: Nguồn cung cấp cellulose và hemicellulose 6

3.1 Thực vật….……… … 6

3.2 Vi khuẩn…….……….……….……… ….7

Chương 4:Cellulose và Hemicellulose trong công nghệ thực phẩm……… 8

4.1.Phụ gia thực phẩm ……… 8

4.1.1 Hydroxypropyl cellulose (HPC)……… … 8

4.1.2 Methyl cellulose 8

4.1.3 Carboxymethyl cenllulose (CMC) ……… ………… …… ……… 9

4.2.Thực phẩm chức năng……… …….……… ………… 10

4.2.1 Cenllulose vi tinh thể (MCC)……….…10

4.2.2 Hydroxyethyl cellulose……… ….10

Chương 5: Vai trò và ứng dụng của cenllulose và

hemicellulose đối với sức khỏe… 11

5.1 Tổng quan về chất xơ thực phẩm ……… 11

5.2.Tác dụng của chất xơ thực phẩm đối với sức khỏe……… 11

5.3 Chất xơ trong các loại thực phẩm ……… … 12

5.4 Nhu cầu chất xơ hằng ngày ……… 12

5.5.Những lưu ý khi sử dụng chất xơ …… ……….12

Chương 6: Các nghiên cứu mới…… ……… … 13

6.1.Sản xuất tinh bột từ cellulose……….13

6.2 Nhiên li ệu sinh học (biofuels)………13

Bảng 3.1 Thành phần cellulose và hemicellulose trong một số loại cây…… … 7

Bảng 6.1 Phân bố sản xuất biogasoline (xăng pha ethanol) và biodiesel……….14

Hình1.1 Mắt xích β-D-Glucose……… ………… 1

Hình1.2 Liên kết β-1,4-glucoside ……… ……… 1

Hình1.3 Liên kết hydro giữa 2 mạch song song trong…… ……… 1

Hình 1.4 Hình ảnh 3D của cellulose ……….……… ……… 2

Hình1.5 Dạng sợi của cellulose trong tế bào thực vật ( ngô) …… ……… … 2

Hình 2.1 Vị trí tương quan của cellulose, hemicellulose, lignin …… ….……… 4

Hình2.2 Các monomer điển hình của hemicellulose………… ……… 5

Hình2.3.Một loại hemicellulose ……… ……….…….5

Hình 2.4.O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng……… …6

Hình 3.1 Một số loại rau củ chứa cellulose và hemicellulose ……… … 7

Hình 4.1.Cấu trúc phân tử HPC ……….………… ……… ….8

Hình 4.2.Cấu trúc phân tử Methyl cellulose……… ………… ….…8

Hình 4.3 sản phẩm tá dược có chứa methyl cellulose………… ……… …8

Hình 4.4.Cấu trúc CMC ……….…… …9

Hình 4.5.Dạng bột trắng của CMC……… 9

Hình 4.6 Một số sản phẩm chứa MCC………….……….……….… 10

Hình 6.1 Y.H Percival Zhang……… ……… … 13

Hình 6.2 Các chuyên gia Việt-Nhật trong phòng thí nghiệm Biomass, cạnh thiết

bị chưng cất ethanol từ rơm rạ……… …….14

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.1.Cấu tạo

Cellulose là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật Trong thực tế, cellulose được biết đến như một chất xơ không tan, có trong các loại rau củ quả, tác dụng rất tốt trong việc hỗ trợ tiêu hóa Cellulose thuộc loại polysaccharide thuần, hợp chất polymer dạng mạch thẳng, không xoắn với các monomer là β-D-Glucose liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glucoside Công thức cấu tạo đơn giản (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n (n từ 5000-14000) Cấu trúc cellulose ở dạng thẳng, không xoắn, có liên kết Hydro giữa các mạch với nhau

Hình 1.1 Mắt xích β-D-Glucose

Hình 1.2 Liên kết β-1,4-glucoside

Hình 1.3 Liên kết hydro giữa 2 mạch song song trong

cellulose

Hình 1.4 Hình ảnh 3D của cellulose Trong tế bào thực vật, các phân tử cellulose xếp song

song thành sợi có đường kính khoảng 3,5nm Các sợi

xếp chặt khít nhau tạo thành các bó sợi dày 20nm, có rất

nhiều liên kết hydro giữa các mạch, các sợi nên tạo

được dạng sợi bền chắc, có tính đàn hồi cao Ngoài ra

còn có ligin chèn vào khoảng không giữa các vi sợi giúp

cấu trúc được ổn định

1.2.Tính chất

1.2.1.Tính chất vật lý

- Cellulose có màu trắng, không mùi, không vị, hút nước,

biodegradable

- Cellulose có dạng thô và mịn, loại càng mịn thì khả năng phân giải và đồng hóa càng cao

- Tính tan: cellulose không tan trong nước ngay cả khi đun nóng và trong các dung

môi hữu cơ thông thường (rượu, ether, benzen…) Tan trong dung dịch Cu(OH)2 +

NH4OH đặc ("nước Svayde"), sản phẩm là phức chất của cellulose với ion Cu2+ ở dạng dung dịch nhớt Nếu ta cũng bơm dung dịch nhớt này đi qua ống có những lỗ rất nhỏ ngâm trong nước, phức chất sẽ bị thủy phân thành cellulose hidrat ở dạng sợi, gọi là tơ đồng - amoniac

Ngoài ra, cellulose có thể tan trong dung dịch các acid vô cơ mạnh nồng độ cao như: HCl, HNO3, và một số dung dịch muối : ZnCl2, PbCl2,

- Tính ch ất của các nhóm hydroxyl (-OH)

Cellulose có nhiều nhóm –OH dạng tự do, dễ bị thay thế bởi các nhóm chức như –

COCH3, -CH3…trong các phản ứng tạo thành các dẫn xuất ester, ether có ý nghĩa rất

quan trọng

Phản ứng với NaOH và CS2 thu được dung dịch cellulose xantogenat trong sản xuất

tơ visco

[C6H7O2(OH)3]n (Cellulose) → [C6H7O2(OH)2ONa]n (Cellulose kiềm) → [C6H7O2(OH)2O-CS2Na]n (Cellulose xantogenat)

Hình 1.5 Dạng sợi của cellulose trong tế bào thực vật ( ngô)

[C6H7O2(OH)2O-CS2Na]n (Cellulose xantogenat) + n/2H2SO4 → [C6H7O2(OH)3]n (Cellulose hidrat) + nCS2 + Na2SO4

1.2.2.Tính chất hóa học

Phản ứng phân hủy

- Phản ứng thủy phân

Cellulose rất bền, rất khó thủy phân Điều kiện thủy phân khá nghiêm ngặt

Phản ứng với dung dịch H2SO4 đặc nóng trong thời gian dài thu được sản phẩm cuối cùng là các đơn phân glucose, ứng dụng trong làm gỗ

(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6 ( xúc tác H+, to)

Ở động vật nhai lại (trâu, bò…), hệ tiêu hóa của chúng có các loại vi khuẩn tiết ra enzyme cellulase nên cellulose bị thủy phân, nhờ đó chúng có thể tiêu hóa được thực vật Cơ thể người không có enzyme này nên không thể tiêu hóa được cellulose Vì vậy, cellulose không có ý nghĩa về mặt dinh dưỡng, rau quả là những chất xơ hỗ trợ quá trình tiêu hóa

-Phản ứng nhiệt phân

Cellulose bắt đầu phân hủy ở 180oC, phản ứng depolymer hóa nhằm giảm độ trùng hợp của cellulose, ứng dụng trong công nghệ sấy các vật liệu từ cellulose

-Phản ứng oxy hóa

Phản ứng oxy hóa phân hủy mạch có thể cắt đứt các mạch, phá vỡ vòng pyranose, ứng dụng trong ủ chin sơ bộ alcalicellulose trong công nghiệp tạo sợi visco

Phản ứng trong môi trường acid

-Tác dụng với HNO 3

Đun nóng cellulose với hỗn hợp HNO3 và H2SO4 đậm đặc thu được các este cellulose nitrat:

[C6H7O2(OH)3]n + nHNO3 → [C6H7O2(OH)2ONO2]n (Cellulose mononitrat) + nH2O [C6H7O2(OH)3]n + 2nHNO3 → [C6H7O2(OH)(ONO2)2]n (Cellulose dinitrat) + 2nH2O [C6H7O2(OH)3]n + 3nHNO3 → [C6H7O2(ONO2)3]n (Cellulose trinitrat) + 3nH2O

Hỗn hợp Cellulose mononitrate và Cellulose dinitrate (gọi là colocxilin) được dùng để tạo màng mỏng tại chỗ trên da nhằm bảo vệ vết thương, và dùng trong công nghệ cao phân tử (chế tạo nhựa xenluloit, sơn, phim ảnh ) Cellulose trinitrate thu được (có tên gọi piroxilin) là một sản phẩm dễ cháy và nổ mạnh, được dùng làm chất nổ cho mìn, lựu đạn và chế tạo thuốc súng không khói

-Tác dụng với (CH 3 CO) 2 O:

Cellulose tác dụng với anhiđrit axetic có H2SO4 xúc tác tạo thành hỗn hợp các cellulose acetate, ứng dụng trong sản xuất phim ảnh và tơ acetate

[C6H7O2(OH)3]n + 3n(CH3CO)2O → [C6H7O2(OCOCH3]n (Cellulose triacetate + 3nCH3COOH

Hemicellulose có trong màng tế bào, liên kết chặt chẽ với cellulose, nằm trong khoảng trống giữa các sợi cellulose trong thành tế bào thực vật, cùng với pectin giữ nhiệm vụ làm chất kết dính các tế bào Hemicellulose vừa là vật liệu cấu trúc, vừa là nguyên liệu dự trữ năng lượng các quá trình trao đổi chất Cellulose, lignin và hemicellulose tạo nên thành tế bào vững chắc ở thực vật Hemicellulose luôn đi cùng với cellulose, bởi nó là chất kết dính các sợi, các bó sợi cellulose, nhưng nó kém bền hơn cellulose, khối lượng nhỏ hơn cellulose

Hemicellulose là polymer không tan trong nước, tan trong dung dịch kiềm Hemicellulose là polysaccharide tạp, gồm pentose (xylose và arabinose) và hexose (glucose, mannose và galactose ) trong mạch Tùy theo trong thành phần của hemicellulose có chứa monosaccharide nào mà nó sẽ có những tên tương ứng như manan, galactan, glucan và xylan Các polysaccharide như manan, galactan, glucan hay xylan đều là các chất phổ biến trong thực vật, chủ yếu ở các thành phần của màng

tế bào của các cơ quan khác nhau như gỗ, rơm rạ, v.v…Các loại hemicellulose có tính chất khác nhau không chỉ do được tạo thành từ các loại monomer khác nhau mà còn do cấu tạo mạch nhánh Nếu mạch nhánh càng nhiều acid thì hemicellulose có thể tan được một phần trong nước

Hình 2.1 Vị trí tương quan của cellulose, hemicellulose, lignin

Hình 2.2 Các monomer điển hình của hemicellulose

Ngoài liên kết 1,4-glucoside, hemicellulose còn có liên kết glucoside,

1,3-glucoside, nên có độ phức tạp và phân nhánh cao, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200

đơn phân Tuy nhiên, hemicellulose có chỉ số polymer hóa thấp nên cấu trúc không bền

Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc

trisaccharide Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với lignin là

nhờ các mạch nhánh này

Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị

thủy phân Hemicellulose còn chứa cả axit 4-O-methylglucuronic, axit D-galacturonic và

axit glucuronic Trong đó, đường D-xylose, L-arabinose, D-glucose và D-galactose là

phổ biến ở thực vật thân cỏ và ngũ cốc Tuy nhiên, khác với hemicellulose thân gỗ,

hemicellulose ở thực vật thân cỏ lại có lượng lớn các dạng liên kết và phân nhánh phụ

Hình 2.3 Một loại hemicellulose

thuộc vào các loài và từng loại mô trong cùng một loài cũng như phụ thuộc vào độ tuổi của mô đó

Hình 2.4.O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng

3.1 Thực vật

Cellulose và hemicellulose là thành phần của vách tế bào thực vật nên bất kì thực vật nào cũng đều có chứa cellulose và hemicellulose, lượng cung cấp tùy thuộc vào từng loài, từng bộ phận (nhiều ở thân, rễ, lá, ít ở củ)

Cellulose có nhiều trong bông (95-98%), đay, gai, tre, nứa, gỗ Cellulose chiếm khoảng chiếm tỉ lệ cao 40-45% trong gỗ (bạch đàn, bồ đề, mỡ, keo,…Hàm lượng cellulose trong các loại rau ăn lá khoảng 0,2 – 2,8%, như rau dền 1,1% , rau mồng tôi 2,5%, đặc biệt có nhiều trong các loại măng (đến 4,5%),trong các loại trái 0,5 – 2,7% Hemicellulose chứa nhiều trong vỏ hạt, cám,trấu, ở các loại lúa mì, lúa mạch Hàm lượng hemicellulose trong rau từ 0,3-3,1% , trong quả là 0,3-2,7 % Đối với các loại quả cứng thì hàm lượng này chiếm nhiều hơn

Hình 3.1 Một số loại rau củ chứa cellulose và hemicellulose

3.2 Vi khuẩn

Cellulose là một hợp chất hóa học thường được biết đến với vai trò là bộ khung xương quan trọng trong cơ thể thực vật Cellulose còn được tổng hợp nên bởi vi sinh vật Một trong những loài vi sinh vật có khả năng tổng hợp cellulose rất tốt là Acetobacter xylinum

Bảng 3.1 Thành phần cellulose và hemicellulose trong một số loại cây

4.1.Phụ gia thực phẩm

4.1.1 Hydroxypropyl cellulose (HPC)

Hydroxypropyl cellulose là một dẫn xuất của cellulose với cả hai nước hòa tan và

hòa tan hữu cơ HPC được sử dụng như một chất làm đặc, chất kết dính thấp và như

một nhũ tương ổn định với số hiệu phụ gia E463

Hình 4.1.Cấu trúc phân tử HPC

4.1.2 Methyl cellulose

Methyl cellulose là một hợp chất hóa học có nguồn gốc từ cellulose, ở dạng bột màu

trắng tinh khiết và hòa tan trong nước lạnh, tạo thành một dung dịch sệt dính hoặc gel,

có độ nhớt thay đổi tuỳ theo nồng độ Nó được sử dụng như chất làm đặc và chất

chuyển thể sữa trong thực phẩm và các sản phẩm mỹ phẩm.Trong bào chế dược

phẩm, người ta dùng methylcellulose trong việc bào chế các nhũ dịch và hỗn dịch,

thuốc mỡ, tá dược dính và rã cho viên nén

4.1.3 Carboxymethyl cellulose (CMC)

Hình 4.2.Cấu trúc phân tử Methyl cellulose

Hình 4.3 Sản phẩm tá dược có chứa methyl cellulose

Carboxymethyl cellulose (CMC) là một polymer, là dẫn xuất cellulose với các nhóm carboxymethyl (-CH2COOH) liên kết với một số nhóm hydroxyl của các glucopyranose monomer tạo nên khung sườn cellulose, nó thường được sử dụng dưới dạng muối natri carboxymethyl cellulose

Hình 4.4 Cấu trúc CMC CMC là chế phẩm ở dạng bột trắng, hơi vàng, hầu như không mùi hạt hút ẩm CMC tạo dung dịch dạng keo với nước, không hòa tan trong ethanol

Hình 4.5 Dạng bột trắng của CMC CMC được sử dụng trong lĩnh vực thực phẩm như một loại phụ gia (số hiệu E 466)

vì nó là hợp chất không màu, không mùi, không vị, có độ nhớt cao , không độc hại

và không gây dị ứng, giữ độ ẩm tốt Liều lượng sử dụng CMC trong thực phẩm ở mức

độ nhỏ hơn 1%( thường 0.1-0.5%)

CMC có thể kết hợp dễ dàng với thành phần hóa học thực phẩm như làm chậm sự kết tinh của đường, protein, tinh bột và hầu hết các polymer trung tính Như trong sản xuất kem, CMC giúp giảm hiện tượng tạo tinh thể đá trong kem, giữ cấu trúc mềm và trơn mịn CMC có vai trò lớn trong việc điều chỉnh,cải thiện cấu trúc của các loại thực phẩm như mứt trái cây dạng thạch, phomat, salad

Ngoài ra, CMC cũng là thành phần của nhiều sản phẩm phi thực phẩm, chẳng hạn như kem đánh răng, thuốc nhuận tràng, nước sơn, chất tẩy rửa

4.2.Thực phẩm chức năng

4.2.1 Cellulose vi tinh thể (MCC)

Cellulose vi tinh thể là sản phẩm được điều chế từ cellulose.Trong đó MCC là phần cellulose có mức độ kết tinh cao , thu được bằng cách thuỷ phân cắt mạch và loại bỏ phần vô định hình của cellulose tự nhiên Mỗi một vi sợi này có mức độ liên kết nội ba chiều rất cao và điều này tạo ra một cấu trúc tinh thể của cellulose làm cho chúng không tan trong nước và bền vững với các chất hoá học Tuy nhiên, có những đoạn của vi sợi

mà liên kết nội yếu hơn và được gọi là vùng vô định hình Vùng tinh thể của vi sợi cellulose được tách ra để điều chế cellulose vi tinh thể

Trong công nghiệp thực phẩm MCC được sử dụng làm chất ổn định, tạo cấu trúc, chất thay thế chất béo… Cellulose vi tinh thể (MCC) được ứng dụng nhiều nhất để làm

tá dược dập viên, tá dược kết kính, đặc biệt là trong công nghệ dập thẳng nhờ tính chất

ổn định, an toàn, trơ về mặt hoá học và sinh học nên ít tương tác với dược chất vì vậy làm tăng tuổi thọ của thuốc Trong công nghiệp mỹ phẩm nó được sử dụng làm chất ổn

định gel, chất mang…

MCC được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp thuỷ phân cellulose trong môi trường axit ở nhiệt độ cao, hoặc thuỷ phân cắt mạch bằng peoxit trong môi trường kiềm

Hình 4.6 Một số sản phẩm chức năng có chứa MCC

4.2.2 Hydroxyethyl cellulose

Hydroxyethyl cellulose là một gel và là chất có nguồn gốc từ cenlulose Nó được sử dụng rộng rãi trong mỹ phẩm, dung dịch làm sạch, và các sản phẩm gia dụng khác Hydroxyethyl cellulose và methyl cellulose thường được sử dụng với các loại thuốc

kỵ nước trong công thức viên nang, để cải thiện giải thể của các loại thuốc trong dịch tiêu hóa