Nghiên cứu hoàn thiện quy trình thu nhận Kappa-carrageenan chất lượng cao từ rong sú Kappaphycus striatum trồng tại Cam Ranh

Không chỉ thế, các sản phẩm được chế biến từ rong biển cũng mang những tính chất ưu việt không kém, đặc biệt là việc chiết xuất carrageenan, bởi phạm vi ứng dụng rộng rãi của nó.. Ở nước

o0o

NGÔ THỊ NGỌC TRÌNH

NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN QUY TRÌNH THU NHẬN KAPPA-CARRAGEENAN CHẤT LƯỢNG CAO

TỪ RONG SÚ KAPPAPHYCUS STRIATUM TRỒNG

TẠI CAM RANH

PHIẾU ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Ngô Thị Ngọc Trình Lớp: 51TP-3

Ngành : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

kappa-carrageenan chất lượng cao từ rong sú Kappaphycus striatum trồng tại

Cam Ranh”

Hiện vật : Quyển đề tài tốt nghiệp ; đĩa CD

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

Kết luận: ………

………

………

……… Nha Trang, ngày… tháng… năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Với khoảng thời gian 3 tháng nghiên cứu và thực tập tại phòng thí nghiệm tuy ngắn ngủi nhưng cuối cùng em đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô giáo Phan Thị Khánh Vinh Người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này

Em cũng xin cảm ơn các thầy cô Khoa Công nghệ Thực phẩm, Viện Công nghệ Sinh học đã tạo mọi điều kiện cho em thực hiện tốt đồ án tốt nghiệp Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các thầy cô trong phòng thí nghiệm đã tận tình chỉ bảo cho em những điều chưa biết và sau khi hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp em đã tích lũy cho mình một số kiến thức

và kinh nghiệm quý báu

Cuối cùng em xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những người đã luôn động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực tập vừa qua

Nha trang, tháng 07 năm 2013

Sinh viên

Ngô Thị Ngọc Trình

MỤC LỤC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CARRAGEENAN 3

1.1 Nguyên liệu sản xuất carrageenan-rong sú Kappaphycus striatum 3

1.1.1 Tổng quan về rong sú 3

1.1.2 Đặc điểm, hình thái của rong sú 3

1.1.3 Thành phần hóa học của rong sú 5

1.2 Khát quát chung về carrageenan 8

1.2.1 Nguồn gốc của carrageenan 8

1.2.2 Mức độ an toàn phụ gia carrageenan 9

1.2.3 Thị trường tiêu thụ và sản xuất 9

1.3 Cấu trúc hóa học và tính chất của carrageenan 10

1.3.1 Cấu trúc của kappa-carrageenan 11

1.3.2 Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan 11

1.3.3 Cấu trúc hóa học của lamda-carrageenan 12

1.3.4 Tính tan 12

1.3.5 Độ nhớt 13

1.3.6 Tính trương nở 14

1.3.7 Khả năng và cơ chế tạo gel 14

1.3.8 Phản ứng với protein 17

1.3.9 Khả năng tương tác với các chất khác 17

1.3.10 Tính chịu nhiệt 18

1.3.11.Tính bền axit, kiềm 18

1.3.12.Tính hấp thụ tia hồng ngoại và màu 19

1.3.13.Phản ứng tạo tủa 19

1.4 Một số quy trình công nghệ sản xuất carrgeenan 20

1.4.1 Quy trình sản xuất kappa-carrageenan 20

1.5 Ứng dụng của carrageenan 26

CHƯƠNG 2.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU30 2.1 Đối tượng nghiên cứu 30

2.2 Phương pháp nghiên cứu 30

2.2.1 Sơ đồ nghiên cứu chung 31

2.2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm chiết và đánh giá chất lượng carrageenan theo quy trình Vniro 32

2.2.3 Quy trình sản xuất kappa - carrageenan dự kiến 34

2.2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quá trình xử lý kiềm 35

2.3 Phương pháp phân tích 41

2.4 Phương pháp xử lý số liệu 42

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 44

3.1 Kết quả xác định thành phần hóa học của rong nguyên liệu 44

3.2 Kết quả xác định tính chất lý hóa của kappa-carrageenan từ rong sú 45

3.3 Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa quá trình xử lý kiềm dịch lọc carrageenan… 48

3.4 Kết quả đánh giá chất lượng kappa-carrageenan sau khi xử lý kiềm 55

3.5 Đề xuất quy trình sản xuất gel kappa – carrageenan hoàn thiện từ rong sú………… 59

3.5.1 Quy trình sản xuất gel kappa – carrageenan hoàn thiện từ rong sú 60

3.5.2 Thuyết minh quy trình 61

3.6 Sơ bộ giá thành sản phẩm 65

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học rong kappaphycus trồng tại Cam Ranh, Ninh

Thuận 7

Bảng 1.2 Hàm lượng và chất lượng carrageenan của loài K striatum và K alvarezii 8

Bảng 1.3 Tính tan của carrageenan trong các môi trường khác nhau 13

Bảng 1.4 Tính chất gel của các loại carrageenan khác nhau 16

Bảng 1.5 Các ứng dụng điển hình của carrageenan trong thực phẩm 27

Bảng 2.1 Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố thực nghiệm 37

Bảng 2.2 Ma trận trực giao cấp 2 ba yếu tố 37

Bảng 2.3 Lặp lại thí nghiệm ở tâm phương án N0 ≥3 38

Bảng 3.1 Thành phần hóa học cơ bản của nguyên liệu 44

Bảng 3.2 Bảng các thông số kỹ thuật của dung dịch carrageenan sau khi lọc ly tâm 46

Bảng 3.3 Tính chất của gel kappa-carrageenan tự nhiên sau khi rã đông lần 1 48

Bảng 3.4 Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố thực nghiệm 48

Bảng 3.5 Ma trận trực giao cấp 2 ba yếu tố 49

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm ở tâm phương án 50

Bảng 3.7 Kết quả kiểm tra mức có ý nghĩa của hệ số hồi quy 51

Bảng 3.8 Các số liệu dùng để kiểm định sự tương thích 52

Bảng 3.9 Kết quả tối ưu hóa công đoạn xử lí kiềm 54

Bảng 3.10 Tính chất của gel kappa-carrageenan 2% sau khi rã đông lần 1 55

Bảng 3.11 Điểm cảm quan về màu sắc của kappa-carrageenan 57

Bảng 3.12 Tính chất lí hóa của kapppa-carrageenan sau khi xử lí kiềm 58

Bảng 3.13 Kết quả kiểm tra vi sinh của kappa-carrageenan 59

Bảng 3.14 Bảng tính giá thành sản phẩm cho 100g kappa-carrageenan sấy khô 66

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Hình thái rong đỏ (carrageenophyte) hai tháng tuổi, trồng ở Cam

Ranh 4

Hình 1.2 Cấu trúc của kappa-carrageenan 11

Hình 1.3 Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan 11

Hình 1.4 Cấu trúc hóa học của lamda-carrageenan 12

Hình 1.5 Sơ đồ mô hình quá trình tạo gel thuận nghịch về nhiệt của carrageenan 15

Hình 1.6 Các hình thức liên kết giữa carrageenan với protein 17

Hình 1.7 Cấu trúc của đoạn galactan trước và sau xử lý kiềm 19

Hình 1.8 Quy trình sản xuất kappa-carrageenan 20

Hình 1.9 Quy trình sản xuất carrageenan từ rong sụn (Kappaphycus alvarezii) 22

Hình 1.10 Quy trình sản xuất carrageenan bán tinh chế 24

Hình 1.11 Quy trình sản xuất carrageenan từ rong sụn Kappaphycus alvarezii 25

Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu chung quy trình sản xuất kappa-carragenan 31

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình chiết và đánh giá chất lượng carrageenan theo quy trình Vniro 32

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm chung của quy trình sản xuất kappa- carrgeenan 34

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn hàm lượng chất khô của dịch carrageenan qua các công đoạn 47

Hình 3.2 Quy trình sản xuất gel kappa – carrageenan hoàn thiện từ rong sú 60 Hình 3.3 Sản phẩm kappa-carrageenan sau khi bao gói hút chân không 65

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, rong biển dần trở thành một thực phẩm phổ biến trên thị trường và được người tiêu dùng ưa chuộng do có ý kiến cho rằng rong biển là loài thực phẩm quý giá có nhiều chất dinh dưỡng tốt cho cơ thể

và phòng chống được nhiều bệnh tật

Không chỉ thế, các sản phẩm được chế biến từ rong biển cũng mang những tính chất ưu việt không kém, đặc biệt là việc chiết xuất carrageenan, bởi phạm vi ứng dụng rộng rãi của nó

Ở nước ta hiện nay, đa phần các công trình nghiên cứu sản xuất thu

nhận carrageenan tập trung vào đối tượng rong sụn Kappaphycus alvarezii,

hơn nữa các quy trình thu nhận carrageenan tinh chế đều thực hiện xử lý bã rong trước hoặc trong quá trình nấu chiết với nồng độ kiềm khá cao 5 – 10% Điều này đòi hỏi nồi nấu phải chịu được kiềm và axit trong khi chất lượng carrageenan (thông qua sức đông) không cao và chi phí sản xuất lại cao

Để khắc phục nhược điểm này, Viện nghiên cứu Ứng dụng Nha Trang

đề xuất quy trình sản xuất carrageenan trong đó xử lý kiềm bằng KOH trong dịch lọc sau khi nấu chiết Tuy nhiên nghiên cứu chỉ mang tính chất thăm dò chưa tối ưu hóa các thông số Bên cạnh đó việc sử dụng KOH ngay trong quá trình xử lý dịch lọc sẽ làm tăng nhiệt độ đông đặc của gel carrageenan, dẫn đến khó khăn cho công đoạn trung hòa axit và đòi hỏi phải có thêm khâu gia nhiệt để hòa tan gel trở lại Đồng thời ở nhiệt độ cao việc bổ sung axit dẫn đến giảm sức đông của thạch carrageenan

Xuất phát từ thực tế đó và được sự phân công của Khoa Công nghệ

Thực phẩm, em thực hiện đề tài: “Nghiên cứu hoàn thiện quy trình thu nhận kappa-carrageenan chất lượng cao từ rong sú Kappaphycus striatum trồng tại Cam Ranh”

Nội dung đề tài

Xác định tính chất lý hóa của kappa-carrageenan tự nhiên thu nhận từ

Mục tiêu của đề tài

Xây dựng quy trình thu nhận kappa-carrageenan chất lượng cao, từ

Kappaphycus striatum

Ý nghĩa khoa học

Cung cấp thêm thông tin khoa học về tương tác của các thông số pH,

nhiệt độ, thời gian đến chất lượng carrageenan sau khi xử lý kiềm trong dịch

lọc

Ý nghĩa thực tiễn

Hoàn thiện quy trình thu nhận kappa-carrageenan chất lượng cao, góp phần làm tăng phạm vi ứng dụng của chất phụ gia carrageenan

Hoàn thiện quy trình thu nhận kappa-carrageenan chất lượng cao, phục

vụ cho công tác giảng dạy, thực hành

Giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường

Sau gần 3 tháng thự hiện đề tài, đến nay em đã cơ bản hoàn thành xong

ở mức độ và kiến thức cho phép Tuy nhiên đề tài sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp chỉ bảo và ý kiến của quý thầy

cô và các bạn để luận văn này được hoàn thiện hơn

Nha Trang, tháng 07 năm 2013

Ngô Thị Ngọc Trình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CARRAGEENAN

1.1 Nguyên liệu sản xuất carrageenan-rong sú Kappaphycus striatum [1],

[2], [3], [25], [12]

1.1.1 Tổng quan về rong sú [2], [12]

Loài Kappaphycus striatum phân bố tự nhiên ở vùng nhiệt đới Châu

Á, nhất là vùng Tây Thái Bình Dương, đặc biệt là Philippines và Indonesia

K striatum phát triển trên nền rạn nơi có đáy cát - san hô, nước lưu chuyển ở

mức trung bình và nằm ở vùng trung triều đến dưới triều

Chi Kappaphycus bao gồm nhiều loài có giá trị kinh tế và là nguồn nguyên liệu chính cho ngành công nghiệp chế biến Kappa-carrageenan Loài K striatum có nguồn gốc từ Philippines đã được Viện Nghiên cứu và Ứng dụng

Công nghệ Nha Trang di nhập vào Việt Nam tháng 10 năm 2005

Năm 2007, sản lượng rong khô thu được là 3.200 tấn rong khô/ năm

và chủ yếu xuất khẩu sang thị trường các nước như: Philippine, Nhật Bản, , một số ít phục vụ cho thị trường nội địa [8]

1.1.2 Đặc điểm, hình thái của rong sú [1], [3]

Loài K striatum thuộc họ Solieriaceae, bộ Gigartinales, ngành Rhodophyta Trước đây, K striatum được xếp vào chi Eucheuma, đến năm

1988 dựa vào thành phần cấu trúc chủ yếu của Carrageenan, Doty đã tách ra

từ Eucheuma một chi mới và đặt tên là chi Kappaphycus

Loài K striatum là những tản rong (Thallus) có cấu tạo thân hình trụ

đặc, thường tròn hay hơi dẹp và nhiều nhánh Phân nhánh dày theo kiểu đối nhau, mọc vòng và chạc hai không đều Nhánh chót ngắn, đỉnh chia chạc hai

có đầu vuốt nhọn hoặc tù Thân dạng bò hoặc thẳng.Trong điều kiện tự nhiên

ở biển thường sống bám vào các vật bám cứng hoặc nằm trong các hốc đá khi không bám được

Hình 1.1 Hình thái rong đỏ (carrageenophyte) hai tháng tuổi, trồng ở

Cam Ranh

(1-K alvarezii, 2- E denticulatum, 3- K striatum sacol brown,

4-K striatum sacol green )

Trong tự nhiên, K striatum sinh sản theo các hình thức sau: sinh sản

dinh dưỡng (vegetative reproduction), sinh sản đơn tính (asexual reproduction) và sinh sản hữu tính (sexual reproduction)

Các hình thức sinh sản này luân phiên xảy ra trong điều kiện tự nhiên

và các dạng cây của K striatum cũng đồng thời tồn tại và phát triển Vòng đời K striatum bao gồm sự luân phiên ba thể: bào tử bốn (tetrasporophyte),

giao tử (gametophyte) đực và cái, bào tử quả (carposporophyte hay cystocarp) Cây bào tử bốn (2N) và cây giao tử (1N) có kích thước lớn và đồng hình (chúng giống nhau về hình dạng tản) Bào tử quả (2N) có kích thước rất nhỏ và ký sinh trên cây giao tử cái

Các dòng loài K striatum chỉ tồn tại thời gian 7 - 9 ngày ở độ mặn 15‰ Ở độ mặn 20‰, loài K striatum cũng không phát triển và tàn lụi dần

theo thời gian thí nghiệm Tốc độ tăng trọng trung bình năm các dòng thuộc

loài K striatum tại Cam Ranh và Khánh Hội lần lượt là 4,14% và 3,92% Chất lượng các dòng K striatum payaka, K striatum sacol tương đương với K alvarezii có hàm lượng Kappa-Carrageenan qua các vụ đều cao hơn

25% so với rong nguyên liệu, sức đông từ 600 - 1100 g.cm-1

Loài K striatum có đặc tính rộng nhiệt sinh trưởng bình thường trong

vực, vũng, vịnh, đầm phá ven biển [3]

1.1.3 Thành phần hóa học của rong sú [1], [25]

Những thành phần quan trọng nhất trong rong sú là cacbohydrat, protein, lipit, sắc tố, vitamin,…

Chất khoáng trong rong sú chiếm tỷ lệ khá cao, có thể lên đến 49% tùy vào độ mặn vùng trồng Chính nhờ hàm lượng khoáng cao nên tạo lớp muối trắng bao phủ rong khô, chính lớp muối này có tác dụng ức chế vi sinh

vật Vì vậy, rong khô vẫn giữ được chất lượng dù độ ẩm trong rong nguyên liệu lên đến 40% [25]

Trong rong sú, carrageenan là polysaccharide chiếm tỷ lệ nhiều nhất Phần lớn chúng có khối lượng phân tử trung bình 500- 1.000 kDa Tuy nhiên hàm lượng polysaccharide với khối lượng phân tử dưới 100 kDa có thể lên đến 25% tùy loại rong [25]

Nghiên cứu thành phần monosaccarit của rong sú Kappaphycus striatum trồng tại Cam Ranh cho thấy hàm lượng 6- O- metyl galactose

chiếm tỷ lệ nhỏ từ 0,76%, chính vì lý do đó nhiệt độ tan chảy của

trong Gracilaria với hàm lượng 6- O- metyl galactose lên đến 8%

Hàm lượng glucose – sản phẩm thủy phân tinh bột thực vật có trong rong chiếm tỷ lệ nhỏ dưới 2% Điều đó cho phép thu được chế phẩm carrageenan với độ tinh sạch cao

Tỷ lệ 3,6- anhydrogalactose : galactose (A/G) cho biết độ đều đặn cấu trúc carrageenan và là chỉ số cho biết sức đông của gel carrageenan Tỷ lệ càng gần 1 thì sức đông càng cao

Bảng thành phần hóa học của rong Kappaphycus trồng tại Cam Ranh, Ninh Thuận

Bảng 1.1 Thành phần hóa học rong kappaphycus trồng tại Cam Ranh,

vậy việc sử dụng kiềm có thể được bỏ qua

Bảng 1.2 Hàm lượng và chất lượng carrageenan của loài K striatum và

Màu xanh K striatum 25,87 ± 2,33 112,04 ± 16,43 1085,86 ± 212,86

K alvarezii 25,75 ± 2,59 111,42 ± 27,15 1051,06 ± 279,35 Hàm lượng và sức đông Carrageenan của dòng màu nâu và màu xanh

loài K striatum lớn hơn loài K alvarezii nhưng sự khác biệt này không có

ý nghĩa Tương tự, sức đông của K striatum và K alvarezii sau 3 tháng

Loài K striatum có dòng màu nâu và màu xanh tương tự về mặt

hình thái cấu tạo bên ngoài ngoại trừ màu sắc là khác nhau Màu sắc cây rong của dòng màu nâu từ màu nâu nhạt đến nâu đậm hoặc nâu đỏ Dòng màu xanh có màu xanh lá cây hay xanh ngọc (xanh oliu) Mức độ màu của mỗi dòng thay đổi nhẹ và liên quan đến cường độ ánh sáng

1.2 Khát quát chung về carrageenan [11], [13], [18], [26]

1.2.1 Nguồn gốc của carrageenan

Carrageenan bắt đầu sử dụng từ hơn 600 năm trước đây Trên bờ biển

phía nam của Ireland, trong một làng mang tên Carraghee, người ta lấy dịch chiết từ rêu Irish moss nấu bánh

Ngày nay sản xuất công nghiệp carrageenan không còn giới hạn vào tách chiết Irish moss, mà rất nhiều loài rong đã được sử dụng

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 người Ở Châu Âu, carrageenan được xem như phụ gia thực phẩm với kí hiệu là 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%

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 [13]

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 thống kê số liệu năm 2009, sản lượng carrageenan sản xuất toàn thế giới đạt 50000 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: [11], [18]

 FMC của Mỹ

 CP Kelco của Mỹ

 Danisco của Đan Mạch

 Degussa của Đức

 Ceamsa của Tây Ban Nha

Tại Việt nam, hiện nay để đáp ứng nhu cầu nội địa, đang xây dựng nhà

máy sản xuất bột rong sú với công suất 1.000 tấn/năm [25]

1.3 Cấu trúc hóa học và tính chất của carrageenan [23], [17], [16], [14], [7]

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 [23]

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 [7], [14], [17]

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

ra hai nhóm chính:

- 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 [16]

1.3.1 Cấu trúc của kappa-carrageenan [9]

Kappa-carrageenan là một loại polymer mạch ngắn xen kẽ giữa

D-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

Hình 1.2 Cấu trúc của kappa-carrageenan 1.3.2 Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan [9]

Iota-carrageenan cũng có cấu tạo tương 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

Hình 1.3 Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan

1.3.3 Cấu trúc hóa học của lamda-carrageenan

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 sunphat và gốc quay quang Lamda-carrgeenan 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

Bảng 1.3 Tính tan của carrageenan trong các môi trường khác nhau [8]

Kappa-carrageenan và lamda-carrageenan hòa tan trong dung dịch

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

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

1.3.6 Tính trương nở [9]

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)

1.3.7 Khả năng và cơ chế tạo gel [9]

Quá trình trình tạo gel carrageenan được xem như trường hợp đặc biệt của quá trình kết tủa hay kết tinh polisaccarite Khác với agar, khả năng tạo gel carrageenan phụ thuộc vào thành phần bổ sung, ví dụ như các muối Hiện nay, có nhiều thuyết khác nhau về quá trình tạo gel trong dung dịch polimer

và cũng có nhiều mô hình cấu trúc gel Tuy nhiên, vẫn chưa đủ những cơ sở thực nghiệm để lựa chọn một mô hình và cho loại gel nào đó hoặc đưa ra lý thuyết mới

Nhóm nghiên cứu Ree và Morris cho rằng ở nhiệt độ cao carrageenan tồn tại ở dạng cuộn không có trật tự Khi làm lạnh, diễn ra quá trình chuyển đổi và hình thành những lò xo xoắn cuộn Sự có mặt của cation sẽ thúc đẩy cho quá trình tạo xoắn kép

Từ cuộn không có trật tự hình thành sợi lò xo xoắn kép là cơ chế duy nhất quá trình tạo gel kappa-carrageenan (hình a) Kết quả là tạo mạng lưới không gian ba chiều (cấu trúc gel)

Hình 1.5 Sơ đồ mô hình quá trình tạo gel thuận nghịch về nhiệt của

carrageenan

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

Bảng 1.4 Tính chất gel của các loại carrageenan khác nhau [9]

Tính ổn định khi

làm đông / tan giá

Đặc tính tạo gel của các loại carrageenan khác nhau như sau:

giòn, dễ vỡ

bền trong quá trình làm đông và rã đông

Lamda- carrageena: Không tạo gel, dung dịch có độ nhớt cao

1.3.8 Phản ứng với protein [9]

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 1.6 Các hình thức liên kết giữa carrageenan với protein

1.3.9 Khả năng tương tác với các chất khác [19], [20], [21]

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 [21] 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 [20]

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 [19]

1.3.10 Tính chịu nhiệt [25]

Gel carrageenan không bền với nhiệt, nhiệt độ nóng chảy của gel carrageenan thấp hơn nhiều so với agar do hàm lượng 6 -o-metyl – galactose trong carrageenan ít hơn nhiều so với agar

1.3.11 Tính bền axit, kiềm [9]

Trong môi trường axit hoặc kiềm, dưới tác dụng của nhiệt độ thì sự thủy phân của carrageenan xảy ra nhanh hơn

Hình 1.7 Cấu trúc của đoạn galactan trước và sau xử lý kiềm[25] 1.3.12 Tính hấp thụ tia hồng ngoại và màu [9]

Dung dịch carrageenan là một chất hữu cơ nên có khả năng hấp thụ hồng ngoại cho phổ có bước sóng trong phạm vi nhất định, phụ thuộc vào thành phần carrageenan Dựa vào tính chất này mà người ta biết được carrageenan đó thuộc loại nào: kappa-carrageenan, iota- carrageenan, lamda-

carrageenan

Các loại polysaccharide thường cho bước sóng ở vùng hồng ngoại

1.3.13 Phản ứng tạo tủa [9]

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

1.4 Một số quy trình công nghệ sản xuất carrgeenan

1.4.1 Quy trình sản xuất kappa-carrageenan[6]

Hình 1.8 Quy trình sản xuất kappa-carrageenan [6]

thủy áp 20 lần rong khô

Đây là quy trình sản xuất carrageenan từ rong sụn trong “Đề cương bài giảng chế biến rong biển” của GS TS.Trần Thị Luyến Trong quy trình này rong nguyên liệu sẽ được xử lý kiềm trước khi nấu chiết

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

- Trắng, ít tạp chất, dai và khô

- Hiệu suất quy trình đạt thấp

Ưu điểm:

- Sản phẩm nhẹ nên dễ vận chuyển, xuất khẩu

- Thời gian bảo quản dài

Nhược điểm

Việc xử lí kiềm tuy nâng cao sức đông nhưng xử lí trước khi nấu chiết

sẽ cần có thiết bị chịu được kiềm, hao phí lượng hóa chất đồng thời bã thải ra ngoài sẽ gây ô nhiễm môi trường

Thời gian ngâm nước ở nhiệt độ phòng quá dài (24h) sẽ thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật, ảnh hưởng đến chất lượng của carrageenan thành phẩm

và làm giảm năng suất của quy trình, bên cạnh đó tạo điều kiện hòa tan phân đoạn polysaccharide mạch ngắn

Phơi khô sẽ tạo điều kiện cho bụi bẩn bên ngoài ảnh hưởng vào sản phẩm

Bất tiện trong quá trình sử dụng do khi sử dụng phải ngâm nước, nấu tan chảy, hòa tan

1.4.2 Quy trình sản xuất carrageenan từ rong sụn (Kappaphycus

alvarezii) [7]

Hình 1.9 Quy trình sản xuất carrageenan từ rong sụn (Kappaphycus

alvarezii) [7]

Quy trình sản xuất carrageenan từ rong sụn Kappaphycus alvarezii trong

“Chế biến rong biển” của Trần Thị Luyến, Đỗ Minh Phụng, Nguyễn Anh

Tuấn, Ngô Đăng Nghĩa

Carrageenan từ rong sụn đều được phơi khô hoặc sấy sau đấy đem đi

Rong Kappaphycus alvarezii

Xử lí kiềm Rửa sạch Nấu chiết Lọc lấy dịch

Phơi khô

Kết tủa bằng dung dịch KCl 1,5% 2 lần

Làm nguội Rửa

Để ráo Phơi khô hoặc sấy

bao gói do đó quy trình tương đối đơn giản, dễ làm, thời gian thực hiện ngắn,

chi phí đầu tư thấp, sản phẩm nhẹ, dễ vận chuyển

Bên cạnh đó còn tồn tại một số khuyết điểm :

Sử dụng phương pháp cô đặc thì lúc này sức đông của carrageenan sẽ

tăng hơn so với khi tủa KCl, tuy nhiên

Phương pháp để đông sau đó tách nước đem đi phơi khô thì sức đông

của carrageenan sẽ không cao, dễ bị nhiễm bẩn từ môi trường do phơi

Carrageenan được sản xuất theo phương pháp tủa KCl thì lúc này sức đông

của sản phẩm sẽ được tăng lên rất nhiều do xử lí kiềm đồng thời bổ sung KCl,

không những vậy màu sắc của sản phẩm được cải thiện hơn, bột carrageenan

dễ dàng vận chuyển và buôn bán Bên cạnh những mặc ưu điểm thì việc sản

xuất carrageenan theo phương pháp tủa KCl còn có một số nhược điểm như:

Khi cô đặc thì hiệu suất thu hồi carrageenan sẽ giảm, bất tiện trong quá trình

sử dụng, đồng thời dễ bị nhiễm bẩn

Carrageenan theo phương pháp loại nước có ưu điểm quy trình đơn

giản, dễ thực hiện, sức đông cao tuy nhiên hiệu suất thu hồi sản phẩm sẽ thấp

Phương pháp rã đông, tan giá thì carrageenan tạo ra mặc dù sức đông

cũng không cao, thời gian làm lạnh dài (48h) nhưng sản phẩm tạo ra có màu

sắc sáng do loại nước đồng thời loại được màu xấu, chất bẩn, hơn nữa quy

trình tạo ra sản phẩm đơn giản, dễ tực hiện

1.4.3 Sản xuất carrageenan bán tinh chế [7]

Hình 1.10 Quy trình sản xuất carrageenan bán tinh chế [7]

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:

- Màu trắng ngà

Rong Kappaphycus alvarezii

Ta thấy, quy trình sản xuất SRC:

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

1.4.4 Quy trình sản xuất carrageenan từ rong sụn Kappaphycus alvarezii

Hình 1.11 Quy trình sản xuất carrageenan từ rong sụn Kappaphycus

Tạo gel

Sấy

thành phẩm KOH = 1% chất khô

Quy trình sản xuất carrageenan từ rong sụn được trích dẫn từ tài liệu

“Nghiên cứu quy trình thu nhận polysacarit từ rong đỏ Việt Nam” của Trần Thị Thanh Vân ( Viện Ứng dụng công nghệ Nha Trang)

Khác với các quy trình ở trên, quy trình này đã xử lý kiềm trong dung dịch chiết kết quả cho thấy hiệu suất chiết, sức đông và độ tro cao hơn quá trình xử lí kiềm trong rong như vậy carrageenan thu được có chất lượng tốt hơn

Tuy nhiên một số khó khăn khi áp dụng quy trình xử lí kiềm trong dung

tạo gel ngay và để trung hòa bắt buộc phải gia nhiệt để chuyển gel về trạng thái dung dịch hòa tan gel một lần nữa dẫn đến tốn thời gian và năng lượng,

còn ở nhiệt độ cao thì sẽ xảy ra phản ứng thủy phân

1.5.1 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm [4]

Bảng 1.5 Các ứng dụng điển hình của carrageenan trong thực phẩm [4]

Kappa Kappa

Tạo gel Đông tụ tạo gel Huyền phù tạo miếng Tạo nhũ tương Tạo độ bền của nhũ tương

ổn định nhũ tương, chống

tách lỏng Huyển phù tạo miếng Nâng khả năng cắt lỏng,

chống tan Giữ độ ẩm Tạo hương vị

Carrageenan có thể thấy trong các loại thực phẩm khác nhau mà chúng

ta sử dụng hằng ngày (bảng 1.5) Một số trong nhiều thực phẩm có chứa carrageenan bao gồm: Kem, sữa phomat làm từ sữa đã gạn kem, siro, nước mắm, đồ uống lạnh, mứt ít đường và sữa chua Carrageenan có khả năng tăng hiệu suất các món thịt thông thường và ít béo bằng việc giữ nước Điều này cũng cho phép để cắt thành các lát thịt cứng và khô

Carrageenan có hoạt độ đáng kể với protein của sữa, làm cho chúng có giá trị keo tụ trong môi trường nước để sử dụng trong công nghiệp chế biến

sữa Sữa nóng có chứa các carrageenan được làm lạnh sẽ tạo gel Gel giữ cho nhũ tương của sữa với nước được bền vững, không bị phân lớp

Ngoài ra carrageenan đã được phát triển thành các sản phẩm thay thế các sản phẩm béo dựa trên cơ sở carrageenan có khả năng hình thành một số gel khỏe và có vị béo rất tự nhiên

1.5.2 Ứng dụng trong các lĩnh vực khác [4]

Không giống như các loại tinh bột và cellulose, carrageenan không bị phá hủy bởi các enzyme cellulose, bởi vậy carrageenan cũng có thể sử dụng trong các hướng khác mà do các đặc tính tạo gel, tốc độ khuếch tán và sự tạo màng của nó, làm nó phù hợp đối với các ứng dụng khác Các sản phẩm đó bao gồm kem đánh răng ở các vùng nhiệt đới, chất dưỡng tóc, nước gội đầu, phim ảnh

Trong y dược, carrageenan hoạt động như một dạng sợi hòa tan, trong

đó nó có thể hấp thụ nước và làm chậm lại sự rỗng của dạ dày Điều này rất

có lợi cho những người bị bệnh tiểu đường, có tác dụng làm giảm mức độ nguy hiểm do tăng lượng đường trong máu xảy ra ngay sau bữa ăn

Ngày nay carrageenan được công nhận như là một tác nhân có thể ngăn chặn hoặc ức chế sự phát triển của viêm nhiễm vi rút qua đường tình dục Do

đó nó được coi là loại thuốc mới đầy hy vọng chống HIV

Trong nông nghiệp oligocarrageenan có thể sử dụng như một chất tăng trưởng tự nhiên

Trong kĩ thuật carrageenan cũng làm cải tiến khả năng chảy của sơn,

ι-carrageenan (0,25 – 0,8%) được sử dụng làm huyền phù và ổn định các chất không tan trong huyền phù mài mòn và men gốm sứ

κ-carrageenan được ứng dụng nhiều nhất trong các loại đồ uống, được thêm vào bia hoặc rượu để làm chất tạo trong do có sự tạo phức với protein

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Rong sú Kappaphycus striatum được trồng tại Cam Ranh, được thu

hoạch vào ngày 18/3/2013, độ tuổi 2 tháng

Muối KCl: là phụ gia được phép sử dụng trong thực phẩm, với ký hiệu E508, dùng trong phòng thí nghiệm ở thể rắn Muối KCl 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

dùng trong phòng thí nghiệm ở thể rắn

HCl: 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, được dùng trong phòng thí nghiệm ở dạng lỏng

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Sơ đồ nghiên cứu chung

Độ ẩm Tro Protein Tạp chất

hóa

Chỉ tiêu vi sinh

Thông số lí hóa của carrageenan

Tro Sức đông