Tiểu luận Hóa sinh Tìm hiểu về Agar, Gum Arabic, Carrageenan cách tinh chế và ứng dụng của chúng trong thực phẩm

Trong các loại keo rong Đỏ thì rong dùng sản xuất Agar có sản lượng cao ở cácnước còn sản xuất Carrageenan và Furcellarian đang ở công suất nhỏ.. Trong tổngsản lượng 10.000 tấn Agar mỗi

I Agar

I.1 Nguồn gốc

Trong thành phần hóa học của rong Đỏ có chứa các hợp chất polymer rất quantrọng là Agar, Carrageenan và Furcellarian Các chất keo này được ứng dụng rộng rãitrong các ngành công nghiệp, y học, thực phẩm, công nghệ sinh học v.v

Các loài rong Đỏ chứa nhiều Agar đó là nhóm rong geledium, Gracilaria,Gelidiella và Acanthopeltis

Carrageenan có trong các loại rong Đỏ không chứa Agar Điển hình là các loạiChondrocryus, Gigartinastella, Hypnea và rong Sụn Alvazezii

Furcellarian là keo rong có trong các loài rong Đỏ không chứa Agar vàCarrageenan Điển hình là loài Furcellaria

Trong các loại keo rong Đỏ thì rong dùng sản xuất Agar có sản lượng cao ở cácnước còn sản xuất Carrageenan và Furcellarian đang ở công suất nhỏ Ngày nay do côngdụng của các loại keo rong đang trên đà phát triển nên công nghiệp sản xuất keo rongđược chú trọng ở nhiều nước Ở Việt Nam công nghệ sản xuất keo rong còn rất nhỏ, chưatương xứng với tiềm năng của nó Đặc biệt hiện nay nhiều địa phương đang phát triểnnuôi trồng rong Đỏ, chú trọng nuôi trồng rong sụn để phát triển nguyên liệu cho sản xuấtkeo rong và xuất khẩu rong khô

Agar có sức đông nhỏ nên xu thế hiện nay người ta muốn tinh chế Agar để thuAgarose có sức đông cao hơn, được sử dụng có hiệu quả hơn trong các ngành công nghệsinh học, công nghệ tế bào, các phương pháp sinh hóa hiện đại.v.v

I.2 Đặc điểm chung và dạng tồn tại của Agar

Agar: Được sản xuất đầu tiên ở Nhật Bản vào năm 1986 Đến 1910 công nghệ lansang Neuzeland, Nam Phi, Liên Xô cũ, Đan Mạch, Chi Lê, Tây Ban Nha, Pháp, Mỹ, HànQuốc Ở Việt Nam Agar được sản xuất từ năm 1960

Sản lượng trung bình hàng năm của toàn thế giới về Agar là: 7.000 7.500 7.500tấn/năm Riêng Nhật và Nam Triều Tiên chiếm 40% tổng sản lượng toàn thế giới

Agar có nhiều tính chất làm cho nó trở thành một chất keo đặc biệt, trong đó đặctính cơ bản nhất là có thể tạo ra trạng thái đông tự nhiên rất bền vững từ một nồng độthấp Nhờ vậy nó đã trở thành một nhân tố không thể thiếu được trong ngành chế biếnthực phẩm và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ khác nhau

Tổng giá trị sản lượng Agar trên thế giới ở vào khoảng 200 triệu USD Trong tổngsản lượng 10.000 tấn Agar mỗi năm gần 60% được dùng để sản xuất các mặt hàng côngnghệ thực phẩm như bánh kẹo, kem, sữa, phần còn lại được sử dụng cho công nghệ sinhhọc và dược phẩm

Nguyên liệu cho chế biến Agar là các loài rong thuộc chi Gracilaria (Rong Câu,53%), chi Gelidium (44%) và 3% còn lại thuộc các chi Gelidiella, Heteroclada, Porphyra(McHugh, 1991)

Sản lượng Agar sản xuất tại các nước:

- Châu Á: 50% (chủ yếu là Nhật Bản và Hàn Quốc)

- Châu Âu: 30% (Pháp, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha)

- Châu Mỹ: 15% (Mỹ, Achentina, Brazil, Chilê)

- Châu Phi: 5% (Marốc)

Trên thị trường Agar có ba cấp độ tinh khiết: Cấp độ vi sinh, cấp độ phản ứngđường và cấp độ thực phẩm Agar cấp độ vi sinh có giá đắt hơn cả và chiếm khoảng4(5% tổng khối lượng Agar bán ra thị trường; chỉ có Mỹ và Anh Quốc sản xuất loại cấp

độ này Agarose là sản phẩm keo rong biển đắt giá nhất và chiếm khoảng 0,2% tổng sảnlượng keo rong biển: nếu sản phẩm đạt nhiệt độ tạo gel 26(300C và sức đông (1.300g/cm2 nó có thể được bán với giá tới 400USD/kg

- Dạng tồn tại của Agar trong tế bào rong: Agar là chất dinh dưỡng được rong Đỏtích lũy theo thời gian sinh trưởng, Agar được chứa trong các lớp tế bào vây trụ có váchmỏng, trong suốt.

- Trong cây rong Agar ở dạng Polymer phức tạp hơn nhiều so với Agar ở dạng chếphẩm tinh khiết

I.3 Tính chất cơ bản của Agar

Agar là chất kết tinh không định hình, không màu, hút nước trương nở không tantrong nước lạnh và nước ấm Hòa tan trong nước nóng, khi làm nguội thì đông lại tạo thểgel khối có tính đàn hồi

Ở thể gel đông Agar có thể chịu lực (sức đông)

+ Agarose và Agaropectin có tính chất hòa tan và keo hóa ở nồng độ 0,1%, tan tốttrong dung môi Glyxerin, tan lượng nhỏ trong Etylen Glycol và dung dịch nước Urê 4M

+ Agar khi hòa tan tạo dung dịch có độ nhớt cao, có tính keo

+ Agar bị kết tủa bởi Acol, Axêton, rượu Amylic

Khi tác dụng với Axit Borat Natri, giữa các phân tử Agar sẽ tạo phức Boric (phứcBisdiol) Khi cho Agar tiếp xúc với kiềm hoặc enzyme Dekinkaza thì nhóm –SO3 bị tách

ra khỏi 6 sufat L.galactose và làm tăng sức đông cho Agar

I.4 Công dụng của Agar

Do khả năng thạch hóa đặc biệt mà Agar được dùng nhiều trong lĩnh vực thựcphẩm và một số ngành công nghiệp khác: Theo thống kê cho biết 60% tổng sản lượngAgar được dùng cho mục đích thực phẩm, còn lại 40% được dùng cho các lĩnh vực khác

Agar được dùng với mục đích keo hóa, tạo nhũ, ổn định nhũ tương.v.v Bộ luật

vệ sinh thực phẩm (Codex alimen tarius) của FAO/WHO cho phép dùng Agar trong thựcphẩm Trong thực phẩm người ta coi Agar như một phụ gia, chỉ cần hàm lượng 1% là tối

đa vì tại nồng độ đó đã tạo cho thực phẩm có sức đông khá cao Để dùng làm chất khốngchế độ nhớt hoặc làm ổn định thực phẩm thì chỉ cần tỷ lệ 1/100 Theo các chuyên giaFAO sự đồng hóa Agar trong cơ thể người không phải dễ dàng, Agar được tiêu hóa trong

cơ thể người không hoàn toàn, lượng calori cung cấp có thể rất nhỏ vì vậy Agar đượcdùng làm các món ăn kiêng đặc biệt Các công trình nghiên cứu cho thấy dưới 10%Polysaccarid trong Agar được đồng hóa, vì vậy giá trị dinh dưỡng của Agar trong thựcphẩm là không đáng kể Sau đây có thể điểm qua các công dụng của Agar trong thựcphẩm:

Agar dùng để sản xuất mứt, kẹo: Trong sản xuất kẹo Agar được sử dụng làm nềnđông, làm keo viên Trong sản xuất mứt ướt Agar được dùng làm chất thạch hóa và địnhhình Agar được dùng làm ổn định Socola Agar còn được dùng trong Salat quả, nước sốt,kem ăn với mục đích tạo nhũ và ngăn ngừa mất nước của bánh kẹo

Trong công nghiệp thịt đặc biệt là khi sản xuất xúc xích, dùng Agar cho phép giảmchất béo, giảm Cholesterol và đảm bảo cho độ đông kết của xúc xích

Agar còn được dùng để làm đông sương, thạch giải khát.v.v

I.5 Quy trình chiết rút Agar

Trước 1930 Agar được chết rút và sản xuất trên quy mô công nghiệp

Giống Agar được chiết rút từ loại Rong kì lân (Eucheuma, Kappaphycus) và Raucâu (Gracilaria)

Hàm lượng Agar biến đổi theo tuổi, vào tháng 4 khi rong trưởng thành thì cường

độ quang hợp cực đại dẫn đến hàm lượng Agar trong rong tăng cao, ngược lại vào tháng

5 khi rong già quang hợp giảm dẫn đến hàm lượng Agar trong rong thấp.[4]

Ở những nước khác nhau có thể khai thác Agar từ những nguồn rong đỏ khácnhau ở Nhật và Mỹ lấy từ những loài của giống Galdium có hàm lượng Agar khoảng 25-30% ở Nga giống Phyllophora và Ahnfeltia hàm lượng Agar khoản 25% ở Nam Phi làgiống Suhria (Baraskov 1963).[4]

+Sản xuất agar từ rau câu (Gracilaria)[6]

Sơ đồ sản xuất Agar từ rau câu

Gracilaria spp. Sun bleaching Alkalitreatment  Washing Hot extraction

Filtration Gelling Freezing chamber  Thawing  Sun drying

Hydraulicpress Drying chamber  Milling Agar powderQua kết quả nghiên cứu của Nhật cho thấy việc sản xuất Gracilaria của các mẫuthu thập được từ các quốc gia khác nhau và các khu vực Sản xuất Gracilaria với phươngpháp kiềm hóa phụ thuộc váo chất lượng tảo thu thập được Tùy theo loại tảo thu thập ởđâu mà có lượng NAOH, nhiệt độ và thời gian điều chế khác nhau

Sau đây là số liệu cụ thể ở một số quốc gia

Bảng điều chế tảo Gracilaria

Địa điểm thu mẩu tảo NaOH tập trung được sử

dụng (%)

Nhiệt độ điều chế(°C)

Thời gian điềuchế (hr)

Giặt : Được rửa kỹ bằng nước sạch để loại bỏ kiềm tính Một số lượng phù hợp với

axit có thể được thêm vào để thúc đẩy quá trình trung hòa

Tẩy trắng: Những tảo được đưa vào giỏ có chứa kim loại và treo lơ lững trong mộtbồn chứa nước, trong đó Sodium hypochlorite, giải pháp đã được bổ sung với sự có mặtcủa Chlorine ca 0,05% trong 15 phút ở pH 5-6 Sau đó, khoảng 2% (trọng lượng của tảokhô) của Thiosulfate natri sẽ được thêm vào làm giảm giảm bớt tính hóa học củaHypochlorite Các tảo được đem lên và sau đó rửa sạch bằng nước

Đung nóng: Các tảo được đun sôi trong nước (15-20 lần trọng lượng của tảo khô)nước nóng cho 1-1,5 giờ.Trích cô đặt khoảng từ 0,8 đến 1,5% là tối đa

Lọc: Các nóng rượu được gửi đến bộ lọc có 20 lưới nylon và vải lọc để sử dụng tốtvới các bộ lọc chân không bấm hoặc bộ lọc

Làm đông: Các phần nước lọc ra làm nguội trong hộp ở nhiệt độ phòng và cắtthạch thành dạng que với cùng một cách thức như là thạch Agar

Đông cứng: các thạch dạng que được đặt trong phòng đông ở -15°C đến -18°Ctrong 24 giờ

Đánh tan và làm khô: Các thạch đông lạnh được đánh tan rữa với nước sạch vàkhử nước với li tâm và sấy khô cho tới cạn

Ép thủy lực: việc cắt nhỏ dạng gậy hay dạng phim được đóng gói vào túi nilon vàđem ép thủy lực khoản 10-12 giờ sự khử nước là cần thiết tại một áp lực khác nhau từ0.1 đến 6-10 kg/cm2

Sấy và xay: được đưa đến các phòng làm khô ở 70°C và sau đó tạo thành bột agar(80-100 lưới)

+Rong biển dùng để chế Rau câu( Agar agar) Sau khi rửa nước nhiều lần và ngâmvôi, người ta cắt miếng nhỏ rồi đun trong nước nóng Một lát sau chất nhày tan vào nước,nước này ngày càng đặc quánh Vớt bỏ bã, lọc rồi tạo màng hay sợi: đó là rau câu hayAgar agar

II Gôm arabic

II.1 Tên gọi khác

Gôm Arabic (Acacia senegal); Gôm Arabic (Acacia seyal); Acacia gôm, Arabicgôm, INS No.414

II.2 Nguồn gốc

Gôm arabic là một trong những loại gômđược biết tới lâu đời nhất trên thị trường Nó là các giọt gôm được làm khô, thường thuđược từ các loại cây thuộc chủng Acacia, phân họ Mimosoideae và họ Leguminosae với

khoảng 500 loài Cây Acacia thường cao 4,57-6,096m Gôm được tạo ra từ sự nứt gãy vỏcây Từ các vết thương tự nhiên này, các giọt gôm lớn rỉ ra, khi khô, chúng được lấy đi.

Cây thường được trồng ở vùng khô hạn hay bán khô hạn phân bố ở các vùng nhiệt đới vàcận nhiệt đới châu Mỹ, Ấn Độ, Úc, Trung Mỹ và Tây Nam Bắc Mỹ Các vùng thu hoạchgôm quan trọng nhất là cộng hòa Xu Đăng, sau đó tới Tây Phi Một lượng lớn nhận được

từ Nigeria, Tanzania, Marốc và Ấn Độ

II.3 Cấu tạo và tính chất

Gum arabic là một loại bột màu trắng nó sẽ trở thành một chất keo dính hoặc ởdạng kẹo cao su khi pha với nước

Gôm arabic là một hỗn hợp phức tạp của chuỗi dài và ngắn của các loại đường(oligosaccharides arabinogalactan và polysaccharides) và glycoprotein (các protein vớiđường đính kèm)

Mạch chính của polysaccharide được tạo thành từ các đơn vị D-galactopyranozơliên kết bởi các liên kết β-D-(1,4) và β-D-(1,6) Các mạch bên được tạo thành từ các đơn

vị D-galactopyranozơ thường được gắn bằng liên kết β-D-(1,3) Các gốc rhamnopyranozơ hay L-arabinofuranozơ được gắn với mạch bên này như các đơn vị cuốimạch Các đơn vị D-glucuronic axit thường được gắn bằng liên kết β-D-(1,6) với các đơn

L-vị galactozơ và các đơn L-vị L-arabinofuranozơ thường được gắn với các đơn L-vị glucuronic axit bằng liên kết 1,4

Các polysaccharides Glycoprotein

Khối lượng phân tử các gôm arabic trong khoảng từ 200.000 tới 270.000 Gômarabic tan mạnh trong nước nhưng do khối lượng phân tử thấp và cấu trúc mạch nhánhnên nó phải được sử dụng ở nồng độ cao so với hầu hết các loại gôm khác để có thể ảnhhưởng đáng kể tới các giá trị độ nhớt Gôm phản ứng với các polyme cationic như gelatin

để tạo thành các giọt tụ được sử dụng với mục đích vi bọc

Gôm arabic từ cây Acacia senegal chứa khoảng: 3,8% tro, 0,34% N, 0,24%metoxyl, 17% axit uronic và sau đó là các thành phần đường sau khi thủy phân: 45%galactozơ, 24% arabinozơ, 13% rhamnozơ, 16% glucuronic axit và 15% 4-0-metylglucuronic axit Gôm là một phức polysaccharide có tính axit yếu được tạo dưới dạng hỗnhợp các muối canxi, magie và kali Nó có khối lượng phân tử khoảng 580.000Da Gôm từcác nguồn khác nhau cho sự khác biệt lớn về thành phần amino axit, hàm lượng axituronic và khối lượng phân tử Như một sản phẩm chính cho những ứng dụng thực phẩm,gôm arabic từ A.senegal đồng nhất về chất lượng Ba phần chính đã được phân lập bằngsắc ký ái lực kỵ nước: một arabinogalactan (AG) khối lượng phân tử thấp, một phức AG-protein (AGP) khối lượng phân tử rất cao và một glycoprotein (GI) khối lượng phân tửthấp Các thành phần này tương ứng chiếm 88%, 10% và 1% khối lượng phân tử vàchúng chứa tương ứng 20, 50 và 30% polypeptit Protein được sắp xếp bên ngoài các đơn

vị AGP Cấu hình chung của phân tử gôm arabic được mô tả bởi mô hình hoa của câykeo trong đó khoảng 5 khối AG cồng kềnh, mỗi khối có khối lượng phân tử khoảng200.000Da, được sắp xếp dọc theo mạch polypeptit GI có thể chứa tới 1600 amino axitcòn dư

II.4 Cách tách chiết và tinh chế gum Arabic

1 Nghiền: Bằng cách nghiền những mẫu nhỏ gum sau khi đã thu hoạch thànhnhững kích thước khác nhau, người ta đã làm tăng diện tích tiếp xúc bề mặt hay nói cáchkhác là làm tăng khả năng hòa của các hạt gum sau khi được nghiền nhỏ

2 Hòa tan: Trước hết người ta hòa tan gum vào nước đi kềm với quá trình gianhiệt và khuấy trộn, nhưng nhiệt độ phải đươc duy trì trong khoảng 1200F ( khoảng 490C)

để đảm bảo gum không bị biến tính vì điều này có thể gây ảnh hưởng đến tính chất chứcnăng cuả gum

3 Gạn, lọc: Quá trình này nhằm mục đích loại bỏ các chất không hòa tan

4 Sấy: Sử dụng phổ biên là sấy phun và sấy thùng quay

Trong thiết bị sấy phun: người ta phun dung dịch trên vào một dòng không khínóng, lúc đó nước sẽ nhanh chóng bốc hơi và hình thành những hạt bột khô có kích thước

từ 50±100 µm nhờ vào việc sử dụng không khí nóng trong một cyclon

Mô tả:

Dung dịch nguyên liệu được phun qua vòi phun đa điểm nhờ áp lực cao của bơm tiếp liệu, nguyên liệu được tạo thành dạng hạt và được sấy khô trong vòng từ 10 - 90 giây, cuối cùng thu được dạng sản phẩm hạt khô

Đặc tính:

Tốc độ sấy rất nhanh, phù hợp cho các nguyên liệu nhạy nhiệt như gum Arabic

Sản phẩm sau khi sấy có dạng hạt tròn, kích thước đồng đều, độ trơn chảy tốt Sản phẩm

có độ tinh khiết và chất lượng cao

Do tính chất của nguyên liệu người ta dùng khí mát để tạo hạt

Trong thiết bị sấy thùng quay:

Sau khi nguyên liệu được đưa vào trong máy từ phía đầu thùng quay, máy bắt đầuquay tròn và các cánh bên trong làm nhiệm vụ đảo đều nguyên liệu, nguyên liệu được đảođều như vậy sẽ tiếp xúc với khí nóng đầy đủ và được tách hơi ẩm bay ra Trong suốt quátrình đảo và sấy như vậy, nguyên liệu được dịch chuyển từ phía đầu thùng quay tới phíacuối thùng và đạt độ khô cần thiết và cuối cùng nguyên liệu được thoát ra ngoài qua bộvan cánh sao, kết quả là hàng trăm nghìn hạt gum có kích thước µm ta thu được

Qua tiến trình sản xuất người ta đưa ra kết luận rằng: mẫu gum sấy phun và sấythùng quay hầu như không có vi khuẩn tồn tại, và có tính tan vượt trội so với mẫu nghiềnthô và nguyên liệu.

Một quy trình mới đã được phát triển để đưa ra một thế hệ mới gum Arabic vớitính chất nhũ tương hóa được cải thiện rất nhiều Một họ Arabic mới được gọi làSUPERGUM có tất cả tính chất tự nhiên của gum Arabic truyền thống và được cải thiệnchức năng Quá trình này được tiến hành trong cyclone không rỉ, trong một môi trườngkhông bị oxy hóa bởi oxy không khí để kiểm soát một cách chặt chẽ nhiệt độ và độ ẩm

II.5 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Gum Arabic là tác nhân chính để làm tăng độ dầy, tạo gel, tạo bọt ổn định.

Được sử dụng rộng rãi trong sản xuất bánh kẹo, thức uống, có tác dụng như một chất cốhữu hương vị, hay có vai trò như là một chất xơ thay thế trong thực phẩm

II.5.1 Sản xuất bánh kẹo

Ứng dụng chính của gum là trong ngành công nghiệp bánh kẹo, gum được sửdụng trong hàng loạt các sản phẩm bánh kẹo như: kẹo cao su, kẹo cây, kẹo dẻo và kẹo bơcứng Trong quá trình chuẩn bị gum, người ta hòa tan gum trong nước ở nhiệt độ thấpkhoảng 490C - 600C để tránh kết tủa các thành phần có chứa protein mà các thành phầnnày sẽ gây đục sản phẩm, kế đến người ta thêm vào dung dịch đường (chưa đun sôi) 70%

và tiếp theo là hương liệu và màu sắc