Nghiên cứu hoàn thiện quy trình thu nhận iota-carrageenan từ rong gai Eucheuma denticulatum trồng tại Cam Ranh

DANH MỤC CÁC HÌNH 1.1 Eucheuma deticulatum tự nhiên 3 1.3 Sơ đồ mô hình quá trình tạo gel thuận nghịch về nhiệt của carrageenan 12 1.4 Các hình thức liên kết giữa carrageenan với protei

PHẠM MINH SUM

NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN QUY TRÌNH THU NHẬN

IOTA- CARRAGEENAN TỪ RONG GAI EUCHEUMA

DENTICULATUM TRỒNG TẠI CAM RANH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Giáo viên hướng dẫn

TS PHAN THỊ KHÁNH VINH

Nha Trang, năm 2013

nghệ thực phẩm cho đến nay tôi đã hoàn thành xong đề tài “Nghiên cứu hoàn

thiện quy trình thu nhận iota-carrageenan từ rong gai Eucheuma denticulatum trồng tại Cam Ranh”

Để đạt được kết quả như mong muốn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều của gia đình, thầy cô, bạn bè, nhóm sản xuất carrageenan, đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của cô giáo TS Phan Thị Khánh Vinh trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo TS Phan Thị Khánh Vinh cùng toàn thể quý thầy cô trong khoa Công Nghệ Thực Phẩm, nhóm sản xuất carrageenan và các bạn học cùng lớp 51TP3 đã tham gia giúp đỡ và đóng góp ý kiến để tôi hoàn thành tốt đề tài này

Nha Trang, tháng 7, năm 2013 Sinh viên thực hiện

Phạm Minh Sum

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Nguyên liệu sản xuất carrageenan từ rong gai Eucheuma denticulatum 3

1.1.1 Tổng quan về rong gai 3

1.1.1.1 Đặc điểm hình thái của rong gai 3

1.1.1.2 Thành phần hóa học của rong gai 4

1.1.2 Khái niệm chung về carrageenan 5

1.1.2.1 Nguồn gốc của carrageenan 5

1.1.2.2 Mức độ an toàn phụ gia carrageenan 6

1.1.2.3 Thị trường tiêu thụ và sản xuất 6

1.2 Cấu trúc hóa học và tính chất của carrageenan 6

1.2.1 Cấu trúc của carrageenan 7

1.2.2 Tính chất của carrageenan 9

1.2.2.1 Tính tan 9

1.2.2.2 Độ nhớt 10

1.2.2.3 Tính trương nở 10

1.2.2.4 Khả năng và cơ chế tạo gel 10

1.2.2.5 Phản ứng với protein 12

1.2.2.6 Khả năng tương tác với các chất khác 13

1.2.2.7 Tính chịu nhiệt 14

1.2.2.8 Tính bền axit 14

1.2.2.9 Phản ứng tạo tủa 14

1.2.2.10 Tính thủy phân và sự metyl hóa, ứng dụng để xác định công thức cấu tạo của carrageenan 15

1.2.2.11 Một vài tính chất khác 15

1.3 Một số quy trình công nghệ sản xuất carrageenan 16

1.3.1 Sản xuất carrageenan bán tinh chế 16

1.3.2 Sản xuất bột carrageenan 17

1.3.3 Sản xuất carrageenan dạng gel 20

1.4 Ứng dụng của carrageenan 22

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.1 Đối tượng nghiên cứu 25

2.2 Phương pháp nghiên cứu 25

2.2.1 Sơ đồ nghiên cứu chung 25

2.2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm thu nhận và đánh giá chất lượng iota-carrageenan tự nhiên 27

2.2.3 Quy trình sản xuất iota-carrageenan dự kiến 28

2.2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quy trình xử lý kiềm dịch lọc iota- carrageenan tự nhiên 30

2.3 Phương pháp phân tích 35

2.4 Phương pháp xử lý số liệu 36

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Kết quả xác định thành phần hóa học của rong nguyên liệu 37

3.2 Kết quả đánh giá chất lượng iota- carrageenan tự nhiên 38

3.3 Kết quả tối ưu hóa công đoạn xử lý kiềm dịch lọc 40

3.4 Kết quả đánh giá chất lượng của iota-carrageenan đã xử lý kiềm 50

3.5 Đề xuất quy trình sản xuất iota-carrageenan từ rong gai 54

3.6 Sơ bộ tính toán giá thành sản phẩm 58

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Thành phần hóa học của rong gai trồng tại vùng

biển duyên hải Nam Trung Bộ

3.1 Thành phần hóa học cơ bản của nguyên liệu 37

3.2 Hàm lượng chất khô và độ nhớt qua các công đoạn 39 3.3 Kết quả thí nghiệm xác định độ nhớt dung dịch

carrageenan ở 700C

41

3.5 Kết quả các hệ số t,b sau khi tính toán 43

3.7 Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố 45

3.8 Kết quả xác định độ nhớt ở 700C sau rã đông lần 1 46

3.11 Kết quả kiểm định các hệ số hồi quy 48

3.13 Các thông số của gel iota- carrageenan không qua xử lý

kiềm và qua xử lý kiềm

50

3.14 Bảng mô tả cảm quan về màu sắc của iota- carrageenan

sau khi sấy

52

3.15 Điểm cảm quan màu sắc của iota- carrageenan 52 3.16 Thành phần hóa học cơ bản của iota-carrageenan 53 3.17 Kết quả kiểm tra vi sinh của iota-carrageenan 53 3.18 Bảng tính giá thành sản phẩm cho 100g iota-

carrageenan sấy khô

59

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Eucheuma deticulatum tự nhiên 3

1.3 Sơ đồ mô hình quá trình tạo gel thuận nghịch về nhiệt

của carrageenan

12

1.4 Các hình thức liên kết giữa carrageenan với protein 13 1.5 Cấu trúc của đoạn galactan trước và sau xử lý kiềm 14 1.6 Sơ đồ sản xuất carrageenan bán tinh chế 16

1.8 Sơ đồ sản xuất kappa-carrageenan dạng gel 21 1.9 Tỉ lệ sử dụng carrageenan trong các sản phẩm 23

2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm thu nhận và đánh giá chất lượng

iota- carrageenan tự nhiên

27

2.3 Quy trình sản xuất iota-carrageenan dự kiến 29

2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quy trình xử lý kiềm

dịch lọc iota- carrageenan tự nhiên

31

LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam có hệ động vật, thực vật vô cùng phong phú, có nhiều gen quý hiếm đặc trưng cho khí hậu nhiệt đới nóng ẩm Một trong những điều kiện tạo nên sự phong phú và giàu có ấy chính là vùng biển nhiệt đới rộng với

bờ biển dài hơn 3000 km bao bọc hết phía đông và nam đất nước Một trong những nguồn tài nguyên phong phú và có giá trị mà vùng biển ban tặng cho chúng ta là rong biển

Trên thế giới, rong biển thuộc vào loại tài nguyên có giá trị kinh tế và được khai thác từ nhiều năm nay Trong số những giá trị về mặt kinh tế của rong biển, phải kể đến carrageenan, một trong những sản phẩm có giá trị kinh

tế tương đối cao và được ứng dụng rộng rãi vào trong chế biến thực phẩm

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều dạng sản phẩm carrageenan được chiết xuất từ rong biển khác nhau nhưng chất lượng carrageenan chưa được cao

Để nâng cao chất lượng carrageenan thì nhiều quy trình sản xuất có bổ sung công đoạn xử lý kiềm trong dung dịch chiết để nâng cao chất lượng carrageenan Tuy nhiên, hạn chế của những quy trình này là cần phải có thiết

bị chịu được kiềm, axit với nồng độ cao và bã rong phải được xử lý nếu không sẽ làm ô nhiễm môi trường và phần lớn các quy trình này chỉ áp dụng với loài rong sụn Trong khi đó, một loài rong biển đã có mặt ở Việt Nam từ

nhiều năm nay đó là rong gai Eucheuma denticulatum và đã được trồng với số lượng lớn vẫn chưa được nghiên cứu nhiều Trong Eucheuma denticulatum

hàm lượng iota- carrageenan khá cao Vì vậy cũng là nguồn cung cấp iota- carrageenan phục vụ thị trường phụ gia cho lĩnh vực thực phẩm nói riêng và cho các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật nói chung

Xuất phát từ thực tế trên và được sự phân công ban chủ nhiệm

Khoa Công nghệ Thực phẩm, em thực hiện đề tài “Nghiên cứu hoàn thiện

quy trình thu nhận iota-carrageenan từ rong gai Eucheuma denticulatum trồng tại Cam Ranh”

Nội dung đề tài

Xác định tính chất lý hoá của iota-carrageenan tự nhiên thu nhận từ

Mục tiêu của đề tài

Hoàn thiện quy trình thu nhận iota-carrageenan từ rong gai Eucheuma denticulatum trồng tại Cam Ranh

Nâng cao chất lượng sản phẩm iota- carrageenan

Tạo ra hướng phát triển mới cho ngành công nghiệp sản xuất các chất phụ gia và phù hợp triển khai áp dụng cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ

Sau hơn ba tháng thực hiện, đến nay em đã cơ bản hoàn thành đề tài ở mức độ và kiến thức cho phép Song do nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan nên chắc chắn đề tài không thể tránh khỏi một số thiếu sót Em rất mong có được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để luận văn này được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Nguyên liệu sản xuất carrageenan từ rong gai Eucheuma

denticulatum

1.1.1 Tổng quan về rong gai

Eucheuma denticulatum là một loài tảo đỏ và một trong những nguồn

chính để sản xuất iota carrageenan Eucheuma denticulatum được tìm thấy

ở Philippines, các nước nhiệt đới châu Á và Tây Thái Bình Dương trong đó

có Việt Nam Ở nước ta, rong gai được trồng phổ biến ở khu vực Nam Trung

Bộ, Khánh Hòa, Ninh Thuận…

1.1.1.1 Đặc điểm hình thái của rong gai

Rong gai là loài rong ưa mặn, phát triển tốt ở các vùng nước có độ mặn cao (28-34%), khoảng nhiệt độ từ 20-300C Rong thường có màu xanh đến màu nâu đỏ Là loài rong có cấu trúc giòn,dễ gãy, da rong bóng đẹp Trên thân rong có nhiều nốt sần

Hình thái rong có nhiều thay đổi tùy theo môi trường sống Các nhánh rong có dạng bò hoặc thẳng tùy theo khu vực phân bố

Hình 1.1 Eucheuma denticulatum tự nhiên

1.1.1.2 Thành phần hóa học của rong gai [26], [32]

Thành phần quan trọng nhất của rong đó là hợp chất hữu cơ – các loại cacbohydrat, hợp chất chứa nitơ, lipid, sắc tố, vitamin, sterin, antioxidant Cũng như các loại rong đỏ khác, trong rong carrageenophyte E.denticulatum chiếm hàm lượng khoáng cao, lên đến 49%

Thành phần polysacarit cơ bản là carrageenan Carrageenan thu nhận tư rong đỏ có cấu trúc không đồng nhất Thường là lai hóa từ hai hay nhiều hơn những phân đoạn cấu trúc phân tử polimer

E.denticulutum mọc tự nhiên ở Philiphine, Madagascar, Tanzania có

hàm lượng carrageenan 39,7%, 35.3%, 31.5% ( tương ứng ) Trong đó iota- carageenan là chủ yếu chiếm 92-93% còn lại là các loại carrageenan khác

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của rong gai trồng tại vùng biển duyên hải

trồng tại vùng biển duyên hải Nam Trung Bộ là khá cao trên 40%.

Khác với Kappaphycus, trong sinh khối rong E.denticulatum không có

gốc 6.0-metylgalactose Hàm lượng 6.0-metylgalactose tỉ lệ thuận với nhiệt

độ đông đặc, tan chảy của gel carrageenan

Hàm lượng glucose cho biết tỉ lệ tinh bột có trong rong, tỉ lệ càng cao thì mức độ tinh sạch của carrageenan càng thấp

Tỉ lệ A/G cho biết mức độ phân bố gốc 3,6-anhydrogalactose và galactose Tỷ lệ A/G càng lớn thì cấu trúc của carrageenan càng đều đặn và tỷ

lệ này phản ánh sức đông của gel Tỷ lệ A/G trong sinh khối thấp điều này có nghĩa có thể nâng cao tỷ lệ này bằng sử dụng kiềm để giảm bớt gốc sunfat làm tăng hàm lượng 3,6 A/G dẫn đến tăng tỷ lệ A/G

Ngoài các polysaccarite, trong rong đỏ còn có các sắc tố, hỗn hợp chlorophyle, α.β- carroten, xanthophyle, phycoliprotein, phycoerythine, phycocyanine, allophycocyanine, tất cả đều tan trong nước

1.1.2 Khái niệm chung về carrageenan [12], [14], [19], [26]

1.1.2.1 Nguồn gốc của carrageenan

Carrageenan là pollysaccharit có nguồn gốc từ tảo đỏ Rhodophyceae Carrageenan đã đựợc sử dụng như là một chất tạo gel trong thực phẩm từ vài trăm năm trước Ở Châu Âu việc sử dụng carrageenan đã thấy xuất hiện cách đây 600 năm tại ngôi làng có tên là Caraghen thuộc phía nam của vùng ven biển Irish

Ngày nay người ta đã biết thêm nhiều loại rong có khả năng sản xuất carrageenan Những nhiên cứu chi tiết về các loài rong này đã cho phép người

ta có thể trồng chúng trên quy mô lớn và do đó đáp ứng đươc nhu cầu nguyên liệu cho ngành công nghiệp sản xuất carrageenan Carrageenan được tách từ

các loài Chondrus, Eucheuma, Gigartina, Gloiopeltis , Iridaea bằng nước

nóng trong môi trường kiềm yếu, sau đó được sấy khô hay kết tủa để thu các sản phẩm tinh sạch hơn

1.1.2.2 Mức độ an toàn phụ gia carrageenan

Qua nhiều nghiên cứu thử nghiệm lâm sàng độc tính của carrageenan trên chuột, thỏ cho thấy carrageenan an toàn cho con người Ở Châu Âu, carrageenan được xem như phụ gia thực phẩm với ký hiệu E407 Theo Luật thực phẩm của Mỹ và Tiêu chuẩn Châu Âu, carrageenan thương mại cấp thực phẩm phải đạt các tiêu chuẩn sau:

- Hàm lượng galactan chứa gốc sunfat 18 ÷ 40%

- Độ nhớt dung dịch 1,5% carrageenan ở 750C không thấp hơn 5cP, tương ứng với khối lượng phân tử không thấp hơn 100 kDa

- Hàm lượng tro tối đa 40%

- Hàm lượng kim loại nặng (Cd, Pb, Sn, Hg) trong khoảng 1 ÷ 3 mg/kg

phụ thuộc từng loại kim loại nặng [10]

1.1.2.3 Thị trường tiêu thụ và sản xuất

Trong những năm cuối thế kỉ 20 thị trường tiêu thụ carrageenan không ngừng tăng Theo số liệu thống kê và dự báo nhu cầu carrageenan tăng 5 ÷ 7%/ năm, đặc biệt ở khu vực Châu Á Theo số liệu thống kê năm 2009, sản lượng carrageenan sản xuất toàn thế giới đạt 50.000 tấn/năm Trong đó 41% tổng sản lượng carrageenan sản xuất tại Philippine, chủ yếu bởi công ty Marcel Corporation, MCPI, Shemberg Corporation Bên cạnh đó phải kể đến các công ty FMC (Mỹ), CP Kelco (Mỹ), Danisco (Đan Mạch), Degussa

(Đức), Ceamsa (Tây Ban Nha) [8], [18]

1.2 Cấu trúc hóa học và tính chất của carrageenan

1.2.1 Cấu trúc của carrageenan [3], [11], [13], [14], [25]

Carrageenan có cấu trúc chung là một polymer mạch thẳng với liên kết luân phiên của β-D-galactopyranora qua liên kết 1,3 và α-D galactopyranora qua liên kết 1-4 Ngoài mạch polysaccharide chính còn có thể có các nhóm sulfat được gắn vào carrageenan ở những vị trí và số lượng khác nhau Vì vậy, carrageenan không phải chỉ là một polysaccharid đơn lẻ, có cấu trúc nhất định mà là các galactan sulfat Mỗi galactan sulfat là một dạng riêng của

carrageenan và có ký hiệu riêng Ví dụ: λ – , κ –, ι – carrageenan [25]

Hình 1.2 Cấu trúc của carrageenan

Các công trình nghiên cứu bằng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân cho thấy carrageenan có nhiều cấu trúc hóa học khác nhau Do đó, phân loại theo cấu trúc hóa học có các loại carrageenan sau: mu, kappa, nu, iota, lamda, theta và xi Các loại này chỉ khác nhau ở mức độ sulphat hóa, vị trí sulphat hóa, mức độ dehydrat hóa của chuỗi polysacharide Cấu trúc của chúng đều

có những thành phần về số lượng sulphat của carrageenan chiếm 18 ÷ 40%

phân tử carrageenan.[3],[11],[14]

Carrageenan tự nhiên chiết xuất từ các loại rong khác nhau có thể là hỗn hợp khác nhau của các loại carrageenan trên

- Nhóm 1: chứa các loại mu, nu, kappa, iota và các dẫn xuất của chúng Các carrageenan này tạo gel với ion K+ hoặc có thể xử lý kiềm để có tính chất tạo gel, chúng có đặc điểm là gốc đường có liên kết 1,3 hoặc là không có nhóm sulphat hóa ở vị trí C4

- Nhóm 2: chứa các loại lambda, xi, theta và các dẫn xuất của chúng Chúng không có khả năng tạo gel ngay cả trước và sau khi xử lý kiềm Đặc trưng của cấu trúc này là cả hai loại gốc đường liên kết 1,4 và 1,3 đều có nhóm sulphat ở vị trí C2

Ngày nay đã phát hiện hơn 18 loại và cấu trúc khác nhau của carrageenan Tuy nhiên, kappa-carrageenan, lamda-carrageenan, iota-carrageenan là được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất

Cấu trúc của kappa-carrageenan [5]

Kappa-carrageenan là một loại polymer mạch ngắn xen kẽ giữa galactose- 4-sulphat (Gal S) và 3,6-anhydro D-galctose (Gal A) Cấu trúc phân tử của kappa-carrageenan là vòng xoắn kép bậc 3

D-Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan [5]

Iota-carrageenan cũng có cấu tạo tương tự kappa-carrageenan, ngoại trừ 3,6-anhydro-galactose bị sulphat hóa ở C2 Iota-carrageenan là carrageenan có nhóm sulphat nhiều nhất trong mạch phân tử, cấu trúc là vòng xoắn kép bậc 2 Gel iota-carrageenan có tính đàn hồi và mềm hơn so với kappa-carrageenan

Cấu trúc hóa học của lamda- carrageenan [5]

Trong mạch phân tử các đơn vị monomeric được xen kẽ với nhau, các đơn vị gồm D-galactose-2-sunphat (1,3) và D-galactose-2,6- disunphat (1,4) Các phân đoạn này đều có tính đa phân tán, nhưng chúng khác nhau về thành phần ester sunphate và gốc quay quang Lamda- carrageenan có khối lượng phân tử cao và mạch dài hơn kappa- carrageenan Thành phần này

cũng phụ thuộc vào phương pháp, chế độ xử lý, nấu chiết và loại rong nguyên liệu

Môi trường κ-carrageenan ι-carrageenan λ –carrageenan

Nước nóng Tan ở >700C Tan ở >700C Tan

loại muối Sữa nóng Không tan Không tan Phân tán dày

Dung dịch đường Tan trong dung

dịch lạnh và nóng

Khó tan Tan trong dung

Kappa-carrageenan và lamda-carrageenan hòa tan trong dung dịch saccharose nóng ở nồng độ lớn hơn 65% và nhiệt độ 700C, trong khi đó iota-carrageenan không hòa tan dễ dàng trong dung dịch saccharose nóng ở bất kì nhiệt độ nào Iota-carrageenan có thể chịu được nồng độ cao của các chất điện phân như NaCl ở nồng độ > 25% trong khi kappa- carrageenan bị kết tủa

1.2.2.2 Độ nhớt [22]

Độ nhớt của dung dịch carrageenan phụ thuộc và loại carrageenan, khối lượng phân tử, nhiệt độ, các ion có mặt và hàm lượng carrageenan Sự liên quan tỷ lệ thuận giữa độ nhớt và trọng lượng phân tử của carrageenan có thể

mô tả bằng công thức cân bằng của Mark-Houwink như sau:

[η] = K (Mw)α

Trong đó:

η: độ nhớt

Mw: trọng lượng phân tử trung bình

K và α: hằng số phụ thuộc vào dạng của carrageenan và dung môi hòa tan

Khi nhiệt độ và lực ion của dung dịch tăng thì độ nhớt của dung dịch giảm Các carrageenan tạo thành dung dịch có độ nhớt từ 25 – 500 Mpa, riêng

κ –carrageenan có thể tạo dung dịch có độ nhớt tới 2000 Mpa

1.2.2.3 Tính trương nở [5]

Carrageenan hút nước mạnh và sự hút kèm theo trương phồng đáng kể tạo thành gel theo thời gian khi nó tiếp xúc với dung môi Carrageenan là polysaccharide có cực nên trương nở trong dung môi có cực (nước)

1.2.2.4 Khả năng và cơ chế tạo gel [5]

Phụ thuộc rất lớn vào sự có mặt của các cation Muối K+ của carrageenan có khả năng tạo gel tốt nhất nhưng gel giòn và dễ bị phân

rã Muối Ca2+ tạo gel mềm đàn hồi hành phần ion trong một hệ thực phẩm rất quan trọng đến hiệu quả sử dụng carrageenan Ví dụ: kappa-carrageenan chọn ion K+ để làm ổn định vùng tạo liên kết, tạo trạng thái gel chắc, giòn Iota carrageenan chọn Ca2+ nối giữa các chuỗi tạo cấu trúc gel mềm và đàn hồi

Carrageenan có một tính chất vô cùng quan trọng là tạo gel ở nồng độ thấp (nhỏ hơn 0,5 %) Ở dạng gel các mạch polysaccharide xoắn vòng như lò

xo và cũng có thể xoắn với nhau tạo thành khung xương không gian ba chiều vững chất, bên trong có thể chứa nhiều phân tử nước (hay dung môi) Từ dạng dung dịch chuyển sang dạng gel là do tương tác giữa các phân tử polyme hòa tan với các phân tử dung môi ở bên trong, nhờ tương tác này mà gel tạo thành có độ bền cơ học cao Phần xoắn vòng lò xo chính là những mầm tạo gel, chúng lôi kéo các phân tử dung môi vào vùng liên kết Sự hình thành gel có thể gây ra bởi nhiệt độ thấp hoặc thêm các cation với một nồng

độ nhất định Quá trình hình thành gel diễn ra phức tạp, được thực hiện theo hai bước:

- Bước 1: khi hạ nhiệt độ đến một giới hạn nào đó trong phân tử carrageenan có sự chuyển cấu hình từ dạng cuộn ngẫu nhiên không có trật tự sang dạng xoắn có trật tự Nhiệt độ của quá trình chuyển đổi này phụ thuộc vào dạng và cấu trúc các carrageenan, cũng như phụ thuộc vào dạng và nồng

độ của muối thêm vào dung dịch carrageenan Do đó, mỗi một dạng carrageenan có một điểm nhiệt độ tạo gel riêng

- Bước 2: gel của các polyme xoắn có thể thực hiện ở các cấp độ xoắn Trong trường hợp đầu, sự phân nhánh và kết hợp lại sẽ xuất hiện cấp độ xoắn thông qua sự hình thành không đầy đủ của xoắn kép,theo hướng đó mỗi chuỗi tham gia vào xoắn kép với hơn một chuỗi khác Trong trường hợp thứ hai, các phần đã phát triển đầy đủ của đa xoắn tụ hợp lại tạo thành gel Còn dưới các điều kiện không tạo gel, ở các nồng độ polyme thấp sự hình thành và hợp lại của các xoắn sẽ dẫn đến tăng độ nhớt

Qua đó, có thể mô tả cơ chế tạo gel như sau: trước hết là xuất hiện sự chuyển đổi cấu hình từ dạng cuộn sang xoắn lò xo, tiếp sau là sự kết hợp các xoắn và tụ hợp lại có trật tự tạo thành xoắn kép – gel Như vậy, gel là tập hợp các xoắn có trật tự hay còn gọi là xoắn kép

Hình 1.3 Sơ đồ mô hình quá trình tạo gel thuận nghịch về nhiệt của

carrageenan [26]

Bảng 1.3 Tính chất gel của các loại carrageenan khác nhau

Gel chắc nhất Với K+ Với Ca2+ Không tạo gel

Đông lại sau khi

Đây là một trong những tính chất quan trọng của carrageenan và cũng

là tính chất đặc trưng cho tất cả các chất tạo gel cũng như các chất không tạo gel Phản ứng này xảy ra nhờ các cation có mặt trong các nhóm protein tích điện tác dụng với nhóm sulfat mang điện âm của carrageenan và có tính quyết định đến độ bền cơ học của gel Trong công nghiệp sữa, nhờ vào tính chất liên kết với các protein trong sữa mà carrageenan được sử dụng (với nồng độ

0,015 – 0,025 %) làm tác nhân để ngăn chặn sự tách lỏng và làm ổn định các hạt coca trong sữa sôcôla

Hình 1.4 Các hình thức liên kết giữa carrageenan với protein

1.2.2.6 Khả năng tương tác với các chất khác [19], [20], [22]

Kappa-carrageenan có khả năng tương tác với một số thành phần khác giúp làm tăng khả năng tạo gel và tăng trạng thái lưu biến Bổ sung đồng thời muối Canxi và Kali với tỷ lệ từ 0,2 ÷ 0,8% sẽ làm tăng độ chắc của thạch Carrageenan có tương tác với saccharose và các polyol do hình thành các liên kết hydro giữa nhóm -OH của polysaccharide và saccharose và nhờ giảm hoạt

độ của nước Agar cũng có tương tác với saccharose, tuy nhiên do carrageenan chứa nhiều nhóm sunfat hơn vì thế số lượng liên kết hydro và tương tác của carrageenan thể hiện rõ rệt hơn

Carrageenan có tương tác với Konjac mannan và một số loại gum như locust bean gum, trong đó tùy thuộc vào hàm lượng nó sẽ có tác dụng làm tăng độ nhớt, độ bền gel và độ đàn hồi của gel Ở hàm lượng cao carrageenan làm tăng độ bền gel của guar gum nhưng ở hàm lượng thấp, nó chỉ có thể làm tăng độ nhớt Khi carrageenan được cho vào những dung dịch của gum ghatti, alginate và pectin nó sẽ làm giảm độ nhớt của các dung dịch này Những nghiên cứu mới đây còn cho thấy khả năng liên kết giữa carrageenan với

genipin Kết quả làm tăng độ nhớt, độ bền nhiệt và đặc biệt khả năng ổn định trong khoảng pH 1 ÷ 12 Nhờ đó có triển vọng ứng dụng carrageenan trong một số loại thực phẩm với pH thấp

Với hệ pH thấp cùng với sự tác dụng của nhiệt độ thì sự thủy phân xảy

ra nhanh hơn do đó gel carrageenan rất kém bền trong môi trường axit

Ổn định ở pH>7, phân hủy ở pH=5-7, phân hủy nhanh ở pH<5

Hình 1.5 Cấu trúc của đoạn galactan trước và sau xử lý kiềm [26]

1.2.2.9 Phản ứng tạo tủa [5]

Carrageenan là một polymer mang điện tích âm nên sẽ kết tủa trong các đại phân tử mang điện tích dương như: metylen xanh, safranine,

mauvine, những phẩm màu azo thiazo khác, tính chất này giống một vài alkaloid và protein

1.2.2.10 Tính thủy phân và sự metyl hóa, ứng dụng để xác định công thức cấu tạo của carrageenan [5]

Dung dịch carrageenan ít bị thủy phân trong môi trường pH 9, ở môi trường pH 7 dung dịch muối natri carrageenan bị thoái hóa do phân tử carrageenan bị đứt liên kết 3,6 anhydrogalactose Và từ phản ứng xác định tính thủy phân kiềm của nhóm ester sulphat ở C4 trong gốc galactose

Carrageenan mà đặc biệt là κ-carrageenan sẽ bị thủy phân bởi enzyme seudomonate carrageenan hay κ-carrageenanovora Khi carrageenan (κ-, λ-)

bị thủy phân bởi enzyme này thì độ nhớt của dung dịch giảm đi rất nhiều và làm tăng khả năng khử, tạo các sản phẩm thuộc dãy đồng đẳng của oligosaccharide sulphat, 3-o- 3,6-anhydrose-α-D galactose)-D-galactose-4-o-sunfatca

Carrageenan bị metyl hóa tạo ra các dẫn xuất methyl như 2,4,4,6- tetra-methyl D (L) –galactose hoặc 2,4,6-tri-o-methyl-D (L) -galactose và dựa vào đặc tính này người ta xác định được thành phần cấu trúc của

carrageenan [5]

1.2.2.11 Một vài tính chất khác [5]

Carrageenan cho 3 phản ứng màu đặc trưng: oerin, carbazol, diphenylamin Tất cả các cation có trong polymer của carrageenan có thể bị ion hóa như những muối monometallic, carrageenan khi bị thủy phân cho các sản phẩm: glucose, pentose, fructose, axit ketogluconic,

1.3 Một số quy trình công nghệ sản xuất carrageenan [2]

1.3.1 Sản xuất carrageenan bán tinh chế

Hình 1.6 Sơ đồ sản xuất carrageenan bán tinh chế [2]

Phương pháp sản xuất SRC của GS.TS Trần Thị Luyến thì 1kg rong khô thu được bột carrageenan bán tinh chế có đặc điểm sau:

Rong Kappaphycus alvarezii

- Độ tan đạt 79%

- Sức đông sau khi bổ sung CaCl2 0,1% đạt 350g/cm2

- Màu trắng ngà

- Đạt được độ đồng nhất và độ mịn

- Hiệu suất thu hồi 69,5%

Ta thấy, quy trình sản xuất SRC

- Rất đơn giản, dễ làm

- Thời gian thực hiện ngắn

- Chi phí đầu tư thấp

- Sản phẩm nhẹ, dễ vận chuyển

Tuy nhiên sản phẩm SRC chỉ qua các công đoạn xử lý như: xử lý kiềm, tẩy màu, rửa sạch rồi đem đi sấy khô, nên sản phẩm còn chứa cellulose, màu sắc, độ tan và sức đông thấp Khi hòa tan carrageenan bán tinh chế vào nước thì sẽ có vẩn Vì vậy SRC sử dụng sản xuất thức ăn cho vật nuôi, gia súc, sáp thơm….Tính ứng dụng ít rộng rãi như carrageenan tinh chế

1.3.2 Sản xuất bột carrageenan [2]

Hình 1.7 Sơ đồ sản xuất bột carrageenan [2]

T=24h Nhiệt độ phòng w/v : 1/24 NaOH 6,2% Nhiệt độ phòng T=34 phút

Bột carrageenan Xay nhỏ Sợi carrageenan

Phơi- tẩy trắng Ngâm nước qua đêm

Rửa

Xử lý bằng kiềm Rửa bằng HCl 0,1%

Rửa Nấu chiết Lọc

T=75 phút Nhiệt độ 90±20C

Đánh giá chất lượng sản phẩm và hiệu suất quy trình:

- Trắng, ít tạp chất, dai và khô

- Độ tan đạt: 93,62%

- Sức đông đạt: 365,02 g/cm2

- Hiệu suất quy trình đạt: 16,73%

Hiệu suất thu hồi carrageenan theo quy trình trên thấp so với sản phẩm carrageenan bán tinh chế nhưng xét về màu sắc, độ tan cũng như sức đông thì cao hơn hẳn

Trên thị trường hiện nay, bột carrageenan được sử dụng khá rộng rãi

và phổ biến, bên cạnh những ưu điểm như:

- Sản phẩm nhẹ nên dễ vận chuyển, xuất khẩu

- Thời gian bảo quản dài

- Màu sắc, độ tan và sức đông tốt

- Do sử dụng phương pháp sấy nên tránh được bụi bẩn của môi trường bên ngoài, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm

Song song những ưu điểm, bột carrageenan vẫn tồn tại những khuyết điểm như:

- Bất tiện trong quá trình sử dụng: do khi sử dụng phải ngâm nước cho carrageenan trương nở, nấu tan chảy, hòa tan

- Thiết bị sấy phức tạp, chi phí sản xuất cao, tốn nhiều năng lượng cho quá trình sấy

Ta thấy sản phẩm bột carrageenan đều trải qua công đoạn sấy rất tốn kém, chính vì vậy gel carrageenan không trải qua công đoạn sấy sẽ khắc phục những nhược điểm trên

1.3.3 Sản xuất carrageenan dạng gel [26]

Quy trình sản xuất gel kappa-carrageenan của Viện VNIRO- Liên

Bang Nga [26]

Hình 1.8 Sơ đồ sản xuất kappa-carrageenan dạng gel [26]

Đánh giá chất lượng sản phẩm bột kappa-carrageenan:

- Sức đông đạt 780 g/cm2 (dung dịch 2% carrageenan)

- Hiệu suất quy trình: 48% rong khô tuyệt đối

- Màu sắc 78% tỷ lệ thấu quang

- Hiệu suất chiết 95%

Ưu điểm quy trình sản xuất sản phẩm gel kappa-carrageenan:

T=1h

Tỷ lệ nước/ rong

=20/1 Nhiệt độ phòng

T=2h

Tỷ lệ nước/ rong

=60/1 Nhiệt độ 85-900C

Rong Kappaphycus

alvarezii

Ngâm Rửa Nấu

Dịch carrageenan Tủa nóng KCl

Lọc ly tâm 4000 vòng/phút

Ép tách nước cơ học Gel kappa- carrageenan

Bao gói Bảo quản đông chậm

Sấy tầng sôi

Nghiền Bao gói Bột carrageenan

- Công nghệ sản xuất đơn giản

- Tiết kiệm chi phí, năng lượng cho quá trình sấy

- Có thể sản xuất ở cơ sở nhỏ

- Chi phí đầu tư thấp

Trên thế giới việc sử dụng gel kappa-carrageenan còn rất hạn chế, tuy nhiên với những ưu điểm như trên thì sản phẩm gel kappa- carrageenan có khả năng phát triển, cạnh tranh với sản phẩm bột kappa- carrageenan, làm phong phú thêm mặt hàng carrageenan

1.4 Ứng dụng của carrageenan

Carrageenan đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chế biến thực phẩm và phi thực phẩm Chúng góp phần quan trọng vào việc cải thiện chất lượng sản phẩm, và đặc biệt là độ an toàn của sản phẩm do được sản xuất hoàn toàn từ nguồn nguyên liệu tảo biển tự nhiên

Trong thực phẩm:

Theo số liệu thống kê năm 2009 sản lượng carrageenan trên thế giới đạt 50.000 tấn, agar 9.600 tấn, alginat 26.500 tấn Hơn 80% tổng sản lượng carrageenan ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm (sữa – 41%, thịt – 31%, bánh kẹo – 19%)

Carrageenan có vai trò là chất phụ gia quan trọng để tạo đông tụ, tạo tính mềm dẻo, đồng nhất cho sản phẩm và cho điểm nóng chảy thấp

Carrageenan được dùng làm món ăn trong thực phẩm như: làm các món thạch, các món đông hạnh nhân, nước uống,…

Trong công nghệ sản xuất bánh mì, bánh quy, bánh cuốn, trong thực phẩm tạo cho sản phẩm có cấu trúc mềm, xốp

Trong các sản phẩm thịt: Hamburgers, giăm bông-Hams,thịt hộp, thịt gia cầm chế biến sẵn, xúc xích, thịt bò muối…carrageenan làm tăng kết cấu

sản phẩm, dễ cắt lát, tăng cảm giác ngon miệng, tăng khả năng giữ nước trong quá trình chế biến, tăng hiệu suất Ổn định hóa hệ nhũ tương của hỗn hợp protein và chất béo trong thịt, chống sự phân tách, tăng sự kết dính của thịt Trong công nghệ sản xuất sữa, chocolate cần phải tạo cho dung dịch sữa có

độ đồng nhất, ổn định và độ đặc nhất định Do đó carrageenan đã được sử dụng để đáp ứng các yêu cầu trên

Trong sản xuất kẹo, carrageenan làm tăng độ chắc và độ đặc cho cây kẹo Ngoài ra nó còn dùng để tạo độ bóng cho bề mặt một số sản phẩm bánh kẹo

Carrageenan còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: trang trí các món ăn, các loại dầu giấm để trộn salad, món thịt đông có trứng

Carrageenan còn ứng dụng để mạ băng cho sản phẩm đông lạnh nhằm làm giảm sự hao hụt trọng lượng do nước bay hơi và giảm biến đổi chất lượng thực phẩm do oxy hóa bởi không khí

Trong công nghiệp sản xuất bia: Carrageenan trong bia có tác dụng kết lắng protein một cách hiệu quả.Tăng công suất nồi đun hoa, tăng độ trong của dịch hèm và bia thành phẩm,tăng tuổi thọ của sản phẩm

Hình 1.9 Tỉ lệ sử dụng carrageenan trong các sản phẩm [29]

Trong dược phẩm:

Dùng để sản xuất các dược phẩm quan trọng: sản xuất các loại thuốc dạng nhờn, nhũ tương để thoa lên các vết thương rất hữu hiệu, sản xuất các loại thuốc chống loét dạ dày, thuốc nhuận tràng, làm màng bao cho thuốc

Trong hóa mỹ phẩm:

Sản xuất các loại kem như: kem dưỡng da, trong các loại nước hoa Carrageenan còn được ứng dụng trong sản xuất kem đánh răng, sáp thơm nhờ khả năng bốc hơi đều đặn tinh dầu, tính lưu biến có thể điều

chỉnh theo yêu cầu khác nhau

Carrageenan với trọng lượng phân tử dưới 100 kDa được ứng dụng để sản xuất dầu gội nhờ khả năng giữ ẩm do tương tác hiệp lực với glyxerin

Trong công nghệ sinh học:

Nhờ khả năng tạo gel mềm dẻo, carrageenan được dùng trong cố định

tế bào, enzyme hoặc là chất nền thay thế agar trong nuôi cấy mô

Carrageenan là chất xúc tác trong công nghiệp tổng hợp và chuyển hóa các chất

Carrageenan được cấy trên các mẫu thực vật, động vật để quan sát từ

đó nghiên cứu các loại chất mới

Trong các ngành khác:

Sản xuất sợi nhân tạo, sơn nước, phim ảnh, in, giấy viết,…

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Rong gai Eucheuma denticulatum được nuôi trồng tại Cam Ranh

- Muối CaCl2: là phụ gia được phép sử dụng trong thực phẩm, với ký hiệu E509, dùng trong phòng thí nghiệm ở thể rắn Muối CaCl2 được mua tại cửa hàng Hoàng Trang, đường Hoàng Hoa Thám, thành phố Nha Trang, đảm bảo yêu cầu về độ tinh sạch dùng trong thực phẩm

- Dung dịch axit HCl 10% được phã loãng từ dung dịch axit HClđđ 38%) được mua từ cửa hàng hóa chất Hoàng Trang, đường Hoàng Hoa Thám- Thành phố Nha Trang, đảm bảo yêu cầu chất lượng và không có tạp chất lạ

(36 KOH: Được mua tại phòng thí nghiệm hóa học trường Đại Học Nha Trang ở dạng rắn

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Sơ đồ nghiên cứu chung

Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu chung

Nguyên liệu

Nghiên cứu nguyên

liệu

Thông số lí hóa của nguyên liệu

Độ ẩm

Tro

Protein

Tạp chất Thu nhận và đánh

giá chất lượng iota-

carrageen không qua

Kiểm tra vi sinh

Protein, khoáng

2.2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm thu nhận và đánh giá chất lượng iota- carrageenan tự nhiên

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm thu nhận và đánh giá chất lượng iota-

Xác định hàm lượng chất khô,độ nhớt

Xác định hàm lượng chất khô Hiệu suất thu hồi

Xác định thành phần hóa học

Tỷ lệ nước/rong: 20/1 Thời gian 2h

Tỷ lệ nước/rong: 60/1 Thời gian 2h

Nhiệt độ 85-900C

Lọc ly tâm dịch sau khi nấu xong với tốc độ 4000 vòng/p bằng máy ly tâm Hermle số hiệu z323 thu được dịch lọc Sau đó lấy mẫu đi xác định hàm lượng chất khô theo phụ lục 1 và tiến hành đo độ nhớt

Tủa dịch lọc bằng muối CaCl2 với tỷ lệ 0,4% để nguội ở nhiệt độ phòng

và tiến hành xác định hàm lượng chất khô và đo độ nhớt của dịch sau khi tủa

ở nhiệt độ 700C và nhiệt độ phòng 300C

Sau đó tiến hành cấp đông và rã đông lần 1 để loại bỏ nước, tăng hàm lượng chất khô và loại bỏ một số hợp chất màu làm gel trắng hơn Sau đó xác định hàm lượng chất khô và tiến hành nấu cách thủy để đưa hàm lượng chất khô về 1% để tiến hành đo độ nhớt ở 700C và nhiệt độ phòng 300C sau đó cắt tạo hình

Sau đó tiến hành cấp đông lần 2, rồi rã đông Sau đó đem gel sấy bằng máy sấy năng lượng mặt trời hoặc phơi nắng để thu sản phẩm

Từ đó đánh giá chất lượng của sản phẩm bao gồm:

Đánh giá chất lượng cảm quan chi tiết trình bày ở phụ lục 9

Xác định hàm lượng chất khô theo phụ lục 1

2.2.3 Quy trình sản xuất iota-carrageenan dự kiến

Hình 2.3 Quy trình sản xuất iota-carrageenan dự kiến

Xác định hàm lượng chất khô Xác định hiệu suất thu hồi

Tỷ lệ nước/ rong: 20/1 Thời gian ngâm 2h

Tỷ lệ nước/ rong: 60/1 Thời gian 2h

Mô tả quy trình:

Về cơ bản thì cách tiến hành tương tự như các bước tiến hành của quy trình thu nhận iota- carrageenan không qua xử lý kiềm Tuy nhiên trong quy trình này có các bước xử lý kiềm dùng dd KOH và trung hòa dùng dd HCl là

có khác biệt so với quy trình không qua xử lý kiềm

Ở bước xử lý kiềm thì sau khi lọc ly tâm thu được dịch thì ta tiến hành dung máy đo pH tiến hành đo pH của dịch lọc sau đó tiến hành xử lý kiềm bằng dung dịch KOH 1% qua các thông số nhiệt độ, pH, thời gian

Sau khi xử lý kiềm ta tiến hành trung hòa bằng dung dịch HCl 10% đưa

Các công đoạn từ rong nguyên liệu đến thu được dịch lọc carrageenan

ta tiến hành tương tự như trong quy trình không qua xử lý kiềm

Bước tiếp theo ta tiến hành đo pH của dịch sau khi lọc để tiến hành xử

Rong gai

Dịch lọc carrageenan

Tủa CaCl2 0,4%

Cấp đông lần 1

Rã đông

Xác định hàm lượng chất khô, đo độ nhớt

Trung hòa

Xử lý kiềm

Xây dựng phương trình hồi quy

DD KOH

1%

DD HCl

10%

lý kiềm Chọn KOH để xử lý dịch lọc bởi khi dùngCa(OH)2 sẽ tủa cục bộ bởi ion Ca2+ Vì vậy sẽ rất tốn chi phí về nhiên liệu Để trung hòa lượng kiềm dư cần sử dụng axit Tuy nhiên cần gia nhiệt để đưa về dạng hòa tan thuận tiện cho quá trình trung hòa

Ở bước này ta tiến hành tối ưu hóa pH, t0, thời gian Qua nhiều thí nghiệm, các tài liệu tham khảo đã xác định được 3 yếu tố ảnh hưởng đến sức đông của gel và khoảng biến thiên của các yếu tố như sau:

• pH: X1 [ 7;9 ]

• Nhiệt độ (0

C): X2 [ 35;75 ]

• Thời gian ( phút ): X3 [30;120]

Vì pH của dịch sau khi lọc là 6,3 nên chọn pH thấp nhất để khảo sát là

7, pH cao nhất là 9 bởi vì nếu pH cao nữa sẽ làm cắt mạch phản ứng

Phải chọn nhiệt độ trong khoảng trên bởi vì nếu nhiệt độ cao sẽ làm cho

carrageenan bị biến tính, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm [8]

Còn yếu tố thời gian được tham khảo trong tài liệu “Nghiên cứu quy

trình thu nhận polysacarit từ rong đỏ Việt Nam” của Trần Thị Thanh Vân [7]

Mục tiêu cần tối ưu là độ nhớt của gel (Y) Chọn Y có giá trị lớn nhất Theo quy hoạch thực nghiệm phương án trực giao cấp hai thì số thí nghiệm cần được tiến hành để đánh giá sư tác động của từng yếu tố:

Bảng 2.1 Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố thực nghiệm