Nghiên cứu chuyển hóa Carrageenan

Nghiên cứu chuyển hóa Carrageenan.

Tạp chí Hóa học, T 43 (4), Tr 411 - 415, 2005

Nghiên cứu chuyển hóa -Carrageenan thành

-Carrageenan

Phần I - Tối u hóa cấu trúc của Carrageenan bằng phần mềm

tính toán hóa học Hyper Chem 7.02

Đến Tòa soạn 23-6-2004

phạm hồng hải, nguyễn xuân nguyên, trần Đình Toại

Viện Khoa học v$ Công nghệ Việt Nam

Summary

Carrageenan is used widly in the food industry The use depents on their character That is very important to determine their composition - structure We have extracted the carrageenan from Red seaweed In order to investigate its transformation (translatable properties), we summary a optimum structure of this carrageenan by standard calculation program Hyper Chem 7.20 About the optimum structure where is a information of some properties of this carrageenan

as folowing: linked length, linked corners, and formula of carragenan

I - Mở đầu Carrageenan l polysaccarit tự nhiên đ ợc

tách ra từ rong biển (ng nh rong Đỏ

Rhodophyta) [1] Ngo i chức năng l m vật liệu

tạo nên th nh tế b o v l nguồn đ ờng dự trữ,

polysaccarit giữ nhiều chức năng khác quan

trọng đối với tế b o nh trao đổi chất v bảo vệ

tế b o nên chúng có độ bền cơ học cao Vì bản

chất nêu trên, kết hợp với một số tính chất đặc

biệt của chúng nh tạo gel ở nồng độ rất thấp

( 1%), độ nhớt cao rất dễ tạo m ng, m các

polysaccarit n y đI đ ợc sử dụng rộng rIi trong

nhiều ng nh của kinh tế quốc dân, đặc biệt l

trong chế biến sữa, thịt Ngo i ra, chúng còn l

nguồn nguyên liệu quý để l m d ợc phẩm, chế

thuốc [2]

Vì những lý do trên, việc nghiên cứu

carrageenan không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa

học m còn có ý nghĩa lớn về mặt thực tế Vì

vậy, để đạt mục đích nghiên cứu chúng tôi sử

dụng phần mềm hóa l ợng tử Hyper Chem để

tính toán những thông số cần thiết cho việc hiểu

biết thêm về cơ chế, động học của của phản ứng chuyển hóa carrageenan

Chúng tôi xin giới thiệu một phần trong

ch ơng trình nghiên cứu của chúng tôi b i ở báo

n y

II - Cấu trúc v% tính chất của

Carrageenan Carrageenan l hỗn hợp các galactan sulfat

Đơn vị cấu trúc của carrageenan gồm 2 đ ờng

đơn - -D-galactose (đơn vị cấu trúc G,D) hoặc gồm đ ờng đơn - -D-galactose v 3,6-anhiđro-D-galactose (đơn vị cấu trúc G,DA) gắn với nhau bởi liên kết (1-4) [1, 3] Các đơn vị cấu trúc n y liên kết với nhau qua mối liên kết (1-3) tạo th nh carrageenan

Theo đơn vị cấu trúc, có thể chia carrageenan th nh 2 nhóm:

- Nhóm không có 3,6-anhiđro-D-galactose,

có đơn vị cấu trúc (G,D) nh : các dạng à-; -, -carrageenan

- Nhóm có 3,6-anhiđro-D-galactose, có đơn

vị cấu trúc (G,DA) nh : các dạng ; , ;

-carrageenan

ĐI có một số công bố về nghiên cứu mô

hình hóa cấu trúc của carrageenan [4]

Đối với carrageenan, một quá trình đáng l u

ý l chuyển carrageenan từ nhóm cấu trúc không có liên kết 3,6-anhiđro-D-galactose (G,D) th nh carrageenan thuộc nhóm có liên kết 3,6-anhiđro-D-galactose (G,DA) [5] Quá trình chuyển hóa n y đ ợc thực hiện trong môi

tr ờng kiềm mạnh hoặc có thể do các tác nhân oxi hóa khử khác [6] (hình 1)

O

OH

CH2OH

O

CH2OSO3

-OH OSO3

-H (30%)

3-(70%)

OSO3

-O

CH2OSO3

-O

CH2OH OH

O

O

Hình 1: Quá trình chuyển hóa carrageenan trong môi tr ờng kiềm mạnh

Ngo i quá trình biến đổi cấu trúc, đối với

carrageenan còn có thể có quá trình chuyển hóa từ

dạng n y sang dạng khác do tạo thêm hoặc mất

nhóm sulfat

Tùy h m l ợng v vị trí của nhóm sulfat

trong cấu trúc, m carrageenan có dạng khác

nhau, thí dụ nh : carrageenan (25% sulfat);

-carrageenan (32% sulfat); carrageenan (35%

sulfat)

Nghiên cứu cấu trúc của carrageenan bằng

ph ơng pháp cộng h ởng từ hạt nhân cho thấy

rằng nhóm sulfat ảnh h ởng rất lớn tới các giá

trị dịch chuyển hóa học của các vị trí cacbon

trong cấu trúc của polysaccarit n y

Điều n y có thể thấy đ ợc khi so sánh độ

chuyển dịch hóa học của các loại carrageenan

th ờng gặp trong tự nhiên [7, 8]

Iii - Nguyên liệu v% ph,ơng pháp

nghiên cứu

1 Nguyên liệu cho nghiên cứu

Carrageenan-sản phẩm hợp tác của phòng

thí nghiệm enzym Viện Hóa học với Liên hiệp

KHSX Công nghệ hóa học, Viện Hóa học các

hợp chất thiên nhiên tách chiết từ rong Hồng

vân Eucheuma gelatinae (ng nh rong Đỏ

Rhodophyta)

2 Ph ơng pháp nghiên cứu th nh phần, cấu trúc của carrageenan bằng phổ Cộng

h ởng từ hạt nhân (NMR)

Ng y nay phổ cộng h ởng từ hạt nhân (NMR) l một trong các công cụ chuẩn để xác

định cấu trúc phân tử Chúng tôi sử dụng

ph ơng pháp n y để nghiên cứu carrageenan Chuẩn bị mẫu v ghi phổ: Hòa tan 20 - 30

mg mẫu trong D2O v 1-5% DMSO đến nồng

độ 2-3 %, ở 80oC Việc ghi phổ đ ợc thực hiện trên máy phổ NMR độ phân giải cao Bruker Avent 500 MG tại Viện Hóa học, Viện Khoa học v Công nghệ Việt Nam

3 Ph ơng pháp tính toán bằng phần mềm tính toán hóa học Hyper Chem 7.02

Hyper Chem l phần mềm hóa l ợng tử

đ ợc sử dụng rộng rIi để mô hình hóa v thiết

kế phân tử Hyper Chem cho phép xây dựng các cấu trúc hai chiều v ba chiều của nhiều loại phân tử đặc biệt l các đại phân tử nh protein, polyme Những tính toán trong Hyper Chem

đều tập trung giải quyết vấn đề thế năng t ơng tác giữa các electron dựa v o việc giải gần đúng các ph ơng trình chứa tích phân Coulomb v tích phân xen phủ giữa các electron Hyper Chem sử dụng các ph ơng pháp tính gần đúng bán kinh nghiệm nh AM1, PM3 v ZINDO Các ph ơng pháp tính gần đúng n y cho những kết quả phù hợp với thực nghiệm Trong

đó, ph ơng pháp PM3 cơ bản dựa trên việc bỏ

qua sự xen phủ vi phân giữa hai nguyên tử Do

đó ph ơng pháp n y đI đ ợc sử dụng để tính

toán theo các b ớc nh sau:

- Xây dựng cấu trúc hai chiều v ba chiều

của đơn vị cấu trúc carrageenan

- Tối u hóa các cấu trúc n y bằng ph ơng

pháp PM3 với độ hội tụ 0,001

- Tính độ dịch chuyển hóa học của các

carrageenan trong phổ 13C-NMR

- Tính toán các tham số nh : diện tích bề

mặt của phân tử; thể tích phân tử

Điện tích nguyên tử (QA): QA = ZA - PA, trong đó: ZAl điện tích hạt nhân nguyên tử A (số electron hóa trị), PAl mật độ electron

IV - Kết quả nghiên cứu

1 Kết quả tính toán

Kết quả tính toán tối u hóa độ d i v góc liên kết trong đơn vị cấu trúc của carrageenan

đ ợc trình b y trong các bảng 1 v 2

Bảng 1: độ d i liên kết giữa các nguyên tử trong đơn vị cấu trúc của carrageenan

độ d i liên kết độ d i liên kết Nguyên tử

C[2]-C[1]-C[6] 118,727 109,510 C[9]-H[51] 1,138 1,111 C[2]-C[1]-O[14] 106,519 107,700 C[10]-C[11] 1,560 1,496 C[2]-C[1]-H[49] 109,391 109,390 C[10]-O[24] 1,315 1,402 C[6]-C[1]-O[14] 110,133 107,700 C[10]-H[47] 1,161 1,111 C[6]-C[1]-H[49] 109,391 109,390 C[11]-O[12] 1,415 1,402 O[14]-C[1]-H[49] 101,236 106,700 C[11]-O[21] 1,346 1,402 C[1]-C[2]-C[3] 115,823 109,510 C[11]-H[46] 1,148 1,109

Bảng 2: Góc liên kết giữa các nguyên tử trong đơn vị cấu trúc của carrageenan

Góc liên kết giữa

nguyên tử Thực Tối u

Góc liên kết giữa nguyên tử Thực Tối u C[7]-C[8]-H[53] 104,282 109,390 C[1]-C[2]-O[17] 108,519 107,700 C[9]-C[8]-O[13] 107,293 107,700 C[1]-C[2]-H[50] 109,045 109,390 C[9]-C[8]-H[53] 112,273 109,390 C[3]-C[2]-O[17] 107,611 107,700 O[13]-C[8]-H[53] 99,423 106,700 C[3]-C[2]-H[50] 103,632 109,390 C[8]-C[9]-C[10] 113,565 109,510 O[17]-C[2]-H[50] 112,236 106,700 C[8]-C[9]-O[23] 101,102 107,700 C[2]-C[3]-C[4] 119,297 109,500 C[8]-C[9]-H[51] 107,400 109,390 C[2]-C[3]-H[54] 110,790 109,410 C[10]-C[9]-O[23] 117,389 107,700 C[2]-C[3]-H[55] 107,709 109,410 C[10]-C[9]-H[51] 107,501 109,390 C[4]-C[3]-H[54] 104,726 109,410 O[23]-C[9]-H[51] 109,425 106,700 C[4]-C[3]-H[55] 111,439 109,410 C[9]-C[10]-C[11] 114,488 109,510 H[54]-C[3]-H[55] 101,422 109,400 C[9]-C[10]-O[24] 114,761 107,700 C[3]-C[4]-O[5] 103,765 107,700 C[9]-C[10]-H[47] 99,652 109,390 C[3]-C[4]-O[13] 111,675 107,700 C[11]-C[10]-O[24] 116,637 107,700 C[3]-C[4]-H[56] 112,950 109,390 C[11]-C[10]-H[47] 98,958 109,390 O[5]-C[4]-O[13] 116,492 97,000 O[24]-C[10]-H[47] 109,342 106,700 O[5]-C[4]-H[56] 98,701 106,700 C[10]-C[11]-O[12] 106,540 107,700 O[13]-C[4]-H[56] 112,434 106,700 C[10]-C[11]-O[21] 111,275 107,700 C[4]-O[5]-C[6] 138,573 106,800 C[10]-C[11]-H[46] 112,850 109,390 C[1]-C[6]-O[5] 103,716 107,700 O[12]-C[11]-O[21] 117,849 97,000 C[1]-C[6]-C[15] 127,015 109,510 O[12]-C[11]-H[46] 95,867 106,700 C[1]-C[6]-H[48] 109,393 109,390 O[21]-C[11]-H[46] 111,619 106,700 O[5]-C[6]-C[15] 111,971 107,700 C[7]-O[12]-C[11] 128,720 106,800 O[5]-C[6]-H[48] 106,702 106,700 C[4]-O[13]-C[8] 153,886 106,800 C[15]-C[6]-H[48] 96,571 109,390 C[1]-O[14]-H[30] 113,238 106,900 C[8]-C[7]-O[12] 111,595 107,700 C[6]-C[15]-O[16] 112,829 107,400 C[8]-C[7]-C[18] 121,065 109,510 C[6]-C[15]-H[44] 109,409 109,410 C[8]-C[7]-H[52] 102,432 109,390 C[6]-C[15]-H[45] 109,409 109,410 O[12]-C[7]-C[18] 110,598 107,700 O[16]-C[15]-H[44] 106,700 106,700 O[12]-C[7]-H[52] 112,273 106,700 O[16]-C[15]-H[45] 106,700 106,700 C[18]-C[7]-H[52] 97,538 109,390 H[44]-C[15]-H[45] 111,783 109,400 C[7]-C[8]-C[9] 113,053 109,510 C[15]-O[16]-H[29] 110,881 106,900 C[7]-C[8]-O[13] 119,685 107,700

2 Kết quả nghiên cứu tối u hóa đơn vị cấu

trúc của carrageenan

Kết quả tính toán điện tích của các nguyên

tử trong đơn vị cấu trúc của carrageenan đ ợc trình b y trên hình 2 v xây dựng mô hình đơn

vị cấu trúc tối u hóa về mặt năng l ợng của carrageenan đ ợc trình b y trên hình 3

Hình 2: Điện tích các nguyên tử trong đơn vị

cấu trúc của carrageenan

Hình 3: Cấu trúc tối u về mặt năng l ợng đơn

vị cấu trúc của carrageenan

V - Kết luận

ĐI nghiên cứu tối u hóa độ d i v góc liên

kết trong đơn vị cấu trúc của carrageenan để

tính toán tối u về mặt năng l ợng v xây dựng

mô hình đơn vị cấu trúc của polysaccarit n y

Công trình n$y đ@ợc ho$n th$nh với sự hỗ trợ kinh phí của Hội đồng Khoa học tự nhiên

T%i liệu tham khảo

1 W Mackie and R D Preston Chapter 2 Cell wall and intercellular region polysaccharides (7 Sulphated polysaccha-rides), Algal physiology and Biochemistry,

P 63 - 69 (1976)

2 Gerhard A De Ruiter and Brian Rudolph Carragenan biotechnology Trends in Food science & Technology, 8, P 389 - 395 (1997)

3 Stepanenko B N Chemistry and Biochemistry of Carbohydrates (Polysac-charides), Moscow (tiếng Nga) (1978)

4 S Janaswamy, R Chandrasekaran Carbo-hydrate Research, 335, P 181 - 194 (2001)

5 Christian W Kasbauer, Dietrich H Paper, Gerhard Franz Carbohydrate Research,

330, P 427 - 430 (2001)

6 Thanh Thi Thu Thuy Structure of sulfated polysaccharides in aqueous solution Doctoral thesis submitted to Kyoto Institute

of Technology (2002)

7 Ruth Falshaw and Richard H Furneaux Carrageenans from the tetrasporic stages of

Gigartina clavifera and Gigartina alveata

(Gigartinaceae, Rhodophyta) Carbohydrate Research, 276, P 155 - 165 (1995)

8 Ruth Falshaw and Richard H Furneaux Carbohydrate Research, 252, P 171 - 182 (1994)