KỸ THUẬT SỬ DỤNG PHỤ GIA ĐỂ BẢO QUẢN THỰC PHẨM

1.4 TÁC NHÂN KHƠI MÀO/KÍCH HOẠT PHẢN ỨNG OXY HÓA LIPIT – Kim loại chuyển tiếp Cu, Fe, Mn, Co – Các acid béo tự do và sản phẩm của quá trình oxy hóa lipid hydroxy compounds: higher fat

CHỦ ĐỀ 2:

KỸ THUẬT SỬ DỤNG PHỤ GIA

ĐỂ BẢO QUẢN THỰC PHẨM

PHẦN 2:

PHỤ GIA KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH

OXY HÓA LIPID

1 KHÁI QUÁT CHUNG

• Tác hại

• Các dạng phản ứng oxy hóa lipid

• Giải pháp hạn chế quá trình oxy hóa lipid

1.2 TÁC HẠI CỦA PHẢN ỨNG OXI HÓA

LIPID

• Mất màu, mùi, vị tự nhiên

• Thay đổi cấu trúc trạng thái

1.3 CÁC DẠNG PHẢN ỨNG OXI HÓA LIPIT

1.3.1 AUTOXIDATION

SẢN PHẨM QUÁ TRÌNH TỰ OXI HÓA

LIPID

• Sản phẩm sơ cấp (Primary products of

autoxidation): Lipid hydroperoxides

• Sản phẩm thứ cấp (Secondary oxidation products): aldehydes, ketones, alcohols, hydrocarbons, volatile organic acids, and epoxy compounds

14 13 12 11 10 9

-  H

C H 2 C H C H C H 2 C H C H C H 2 R ( C H 2 ) 3

Substrate effect

Oxygen consumption, Conjugated diene

Electron spin resonance

E 0 = 600 mv

K=10 9 /sec

(K= 10 o M -1 sec -1 ) +  H from RH (triglyceride)

( C H 2 ) 4

C H 3 C H C H C H C H C H C H 2 R

O

O Propagation

-  OH

C H C H C H C H C H C H 2 R ( C H 2 ) 4

E 0 =1600 mv

DIỄN TIẾN CỦA PHẢN ỨNG

• Không tồn tại giai đoạn trễ (induction

period) trong tiến trình oxy hóa

1.3.3 LIPOXYGENASE-CATALYSED

OXIDATION

– Điều kiện để phản ứng xảy ra

• Trong môi trường phải có mặt axit béo tự do không no

• Ion sắt ở trung tâm hoạt động của enzyme lipoxygenase phải được hoạt hóa (oxy hóa từ Fe 2+ thành Fe 3+ )

• Quá trình hoạt hóa Fe2+ xảy ra nhanh nếu trong môi

trường tồn tại các sản phẩm có khả năng oxy hóa mạnh như fatty acid hydroperoxides hay hydrogen peroxide

– Tồn tại giai đoạn trễ, pha lag, trước khi tốc độ quá trình oxy hóa được đẩy nhanh

– Trong điều kiện không có oxy, sản phẩm của phản ứng là hỗ hợp của dimers, ketones, epoxides

1.4 TÁC NHÂN KHƠI MÀO/KÍCH HOẠT

PHẢN ỨNG OXY HÓA LIPIT

– Kim loại chuyển tiếp Cu, Fe, Mn, Co

– Các acid béo tự do và sản phẩm của quá trình oxy hóa

(lipid hydroxy compounds: higher fatty alcohols, sterols, mono- và diacylglycerols)

– Các sắc tố, đặc biệt là chlorophylls, pheophytins và

riboflavin

– Các thành phần phi-lipid: proteins, sugars, khoáng

• Hoạt độ nước trong thực phẩm cũng có ảnh hưởng lớn đến quá trình oxy hóa lipid

Mechanisms of Metals in Accelerating Lipid Oxidation

Hydroperoxide decomposition to form peroxy or alkoxy radical

1.5 GIẢI PHÁP HẠN CHẾ QUÁ TRÌNH

OXY HÓA LIPIT

• Giảm thiểu tác động của các yếu tố vật lý

• Hạn chế sự có mặt và tác động của các gốc/thành phần có khả năng kích

hoạt/đẩy nhanh tốc độ phản ứng

• Ức chế và bất hoạt enzyme

2 SỬ DỤNG PHỤ GIA THỰC PHẨM ĐỂ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH OXY HÓA LIPID

• Cơ chế chống oxy hóa

• Phụ gia thực phẩm có khả năng chống oxy hóa

• Kỹ thuật sử dụng

• Phương pháp đánh giá hiệu quả sử dụng

2.1 CƠ CHẾ CHỐNG OXI HÓA

• Cơ chế bẻ gãy chuỗi phản ứng breaking inhibitors)

(Chain-• Cơ chế ngăn cản (Preventive inhibitors)

LƯU Ý

• Tùy thuộc vào loại phản ứng oxy hóa lipid mà cần phải áp dụng các cơ chế bất hoạt khác nhau

– The autoxidation process can be retarded by

chain-breaking inhibitors, as well as by addition of

preventive antioxidants

– The photosensitised oxidation is not autocatalytic In contrast to autoxidation, it is not inhibited by chain- breaking antioxidants, but by singlet oxygen

quenchers, e.g beta-carotene

– Lipoxygenases can be thermally inactivated above 60

°C with a resulting improvement in the shelf-life of

foods However, heating also increases non-enzymatic oxidation and thus may exceed the oxidation due to lipoxygenase

các peroxyl radicals LOO·, để tạo ra các sản phẩm bền

hoặc năng lượng hóa hóa thấp (phản ứng (7)& (8))

• Đặc điểm hoạt động của các chất chống oxy hóa thuộc nhóm này là kéo dài được giai đoạn trễ, induction

period IP, của phản ứng oxy hóa

• Mức độ trễ tỷ lệ thuận với nồng độ chất chống oxy hóa được sử dụng

• Hiệu quả sẽ được duy trì cho đến khi 90% chất chống oxy hóa bị phá hủy

• Examples of antioxidants to scavenge free radicals are phenolic compounds

(tocopherols, butylated hydroxytoluene

(BHT), butylated hydroxyanisole (BHA),

tert-butylhydroquinone (TBHQ), propyl

gallate (PG), lignans, flavonoids, and

phenolic acids), ubiquinone (coenzyme Q), carotenoids, ascorbic acids, and amino

acids

• Khả năng bắt gốc tự do của chất chống oxy hóa có thể xảy ra theo 2 con đường: – Chất chống oxy hóa nhường proton (Atom of hydrogen transfer (AHT))

– Chất chống oxy hóa nhường electron (Single electron transfer (SET))

2.1.2 PREVENTIVE INHIBITORS

Có thể xảy ra theo nhiều nhóm cơ chế khác nhau:

1 Cơ chế dập tắt (Singlet oxygen Quenching mechanism)

2 Cơ chế loại bỏ hydroperoxides

3 Cơ chế tạo phức với ion kim loại (Metal chelating

CƠ CHẾ DẬP TẮT

• Còn được gọi là cơ chế “singlet oxygen

scavenging” (tạm dịch là “dập tắt gốc chứa oxy nguyên tử”)

• Chất chống oxy hóa có thể có bản chất

enzyme hoặc hóa học

• Có thể xảy ra theo các cơ chế sau:

– Cơ chế chuyển dịch năng lượng (energy

transfer) – Cơ chế chuyển dịch điện tích (Charge transfer) – Sử dụng enzyme để loại bỏ oxy hòa tan trong

môi trường (glucose oxidase)

36

Quenching of 1O2

1 O 2 + -carotene  O 2 + -carotene*

-carotene*  -carotene + heat

Chemical quenching is a term used to signify that an

actual chemical reaction has occurred Hydroperoxide formation is chemical quenching

1 O 2 + LH  LOOH

Physical quenching is the removal of the excitation

energy from 1 O2 without any chemical changes

37

Singlet oxygen quenching,

avoiding peroxides

Singlet Oxygen 1 O 2, i.e oxygen with extra energy

1g O 2 23.4 kcal mol -1 above the ground state

Singlet oxygen is electrophilic, thus it reacts with the double

(No free radicals; hydroperoxides formed.)

k  2 x 10 5 M -1 s -1

Glucose oxidase/catalase Reaction Mechanism

Glucose oxidase/catalase reaction:

2 Glucose + 2O 2 + 2H 2 O 2 Gluconic acid + 2H 2 O 2 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2

The net chemical reaction is:

2 Glucose + O2 2 Gluconic acid

Glucose Oxidase

Catalase

Glucose Oxidase Catalase

CƠ CHẾ LOẠI BỎ HYDROPEROXIDES

• Sử dụng enzyme (Superoxide dismutase) có khả năng biến đổi cấu trúc các hydroperoxide để loại thành phần có hoạt tính oxy hóa cao ra khỏi hệ thực phẩm

inhibits GSH synthetic enzymes

stimulates

CƠ CHẾ TẠO PHỨC VỚI ION KIM LOẠI

• Các chất có khả năng tạo phức với ion kim loại có tác dụng kiểm soát quá trình oxi

hóa thông qua:

– Ngăn cản chu kỳ khử của ion kim loại

– Tạo thành các phức hợp không hòa tan

– Tạo ra hiệu ứng chắn không gian giữa kim

loại với các thành phần của thực phẩm hoặc với các sản phẩm trung gian

• Chất chống oxy hóa đại diện: EDTA, citric acid, Ascorbic acid, Phosphoric acid

CƠ CHẾ BẤT HOẠT CHẤT NHẠY CẢM

• Chất chống oxy hóa đại diện: Carotenoids

có ít hơn 9 nối đôi, amino acid, bazơ

purine, protein (whey), phenols

CƠ CHẾ BẤT HOẠT ENZYME

• Sử dụng nhiệt để bất hoạt enzyme

lipoxygenase

• Cần thận trọng vì nhiệt có thể kích hoạt phản ứng tự oxi hóa

2.2 CHẤT CHỐNG OXI HÓA

• Chất chống oxy hóa là bất cứ chất nào có khả năng trì hoãn, làm chậm tốc độ hoặc ngăn cản sự xuất hiện/phát triển các sản phẩm của quá trình oxy hóa

• Chất chống oxy hóa sẽ có tác dụng kéo

dài giai đoạn trễ trong tiến trình oxy hóa

• Sử dụng chất chống oxy hóa khi quá trình oxy hóa đã qua giai đoạn trễ sẽ hầu như không có tác dụng đáng kể nào

49

Retarders vs Antioxidant

Retarders suppress oxidations only slightly

compared to a true antioxidant

A retarder is only able to make a significant change

in the rate of oxidation of the bulk when present in relatively large amounts

of it

Oxidation products without

retarder

Oxidation with retarder

with retarder

[Antioxidant]

2.2.1 PHÂN LOẠI CHẤT CHỐNG OXY HÓA

• Theo nguồn gốc

• Theo bản chất hóa học

• Theo tác dụng/cơ chế chống oxy hóa

THEO NGUỒN GỐC

• Natural antioxidants

• Synthetic antioxidants

Antioxidants

Propyl Gallate

Ascorbic Acid

THEO CƠ CHẾ CHỐNG OXY HÓA

• Chất chống oxy hóa sơ cấp (primary

antioxidant):

– Chống oxy hóa theo cơ chế bắt gốc tự do

• Chất chống oxy hóa thứ cấp (secondary

antioxidant):

– Chống oxy theo nhiều cơ chế khác nhau nhưng không liên quan đến bắt gốc tự do (binding of metal ions, scavenging oxygen, converting

hydroperoxides to non-radical species, absorbing

UV radiation or deactivating singlet oxygen)

– Normally, secondary antioxidants only show antioxidant activity when a second minor

component is present This can be seen in the case of sequestering agents such as citric acid which are effective only in the presence of

metal ions, and reducing agents such as

ascorbic acid which are effective in the

presence of tocopherols or other primary

antioxidants

• Sodium Metabisulfite

• Sodium Sulfite

• Potassium Metabisulfite

• Sulfur Dioxide

• Sodium Thiosulfate

• Lecithin, Partially Hydrolyzed

• Phosphoric Acid

• Potassium Lactate (solution)

• Sodium Lactate (solution)

• DL-Tartaric Acid

• L(+)-Tartaric Acid

DANH MỤC PHỤ GIA CHỐNG OXY HÓA

• Có thể tra cứu tại địa chỉ

– http://www.codexalimentarius.net/gsfaonline/ additives/results.html?techFunction=4&search By=tf

–

http://www.fao.org/food/food-safety-

quality/scientific-advice/jecfa/jecfa-additives/en/

consumers)

2.3 KỸ THUẬT SỬ DỤNG PHỤ GIA KIỂM

SOÁT QUÁ TRÌNH OXY HÓA LIPIT

• Antioxidants as food additives are used to

delay the onset of or slow the pace at which lipid oxidation reactions in food processing

proceed

• The delay to the onset or slowing of the

kinetics of lipid oxidation is possible due to

the ability of these compounds to either block the generation of free alkyl radicals in the

initiation step or temper the propagation of

the free radical chain

• Chất chống oxy hóa lipid có thể hoạt động

theo các cách thức sau:

– Giảm nồng độ oxy

– Khóa các gốc/phân tử/tác nhân có khả năng tách nguyên tử hydro, khơi mào/kích hoạt quá trình oxy hóa

– Khóa các gốc có chứa oxy để ngăn cản quá trình hình thành peroxides

– Liên kết với ion kim loại để tạo nên các hợp chất không có khả năng kích hoạt phản ứng

– Phân ly, phân hủy lipid peroxide thành peroxyl – Loại bỏ Peroxyl

– Bẻ gãy chuỗi phản ứng, ngăn cản quá trình khử nguyên tử hydro từ mạch bên của phân tử acid béo

2.3.1 TIÊU CHÍ LỰA CHỌN PHỤ GIA CHỐNG

OXY HÓA LIPIT

Ideal Antioxidants

– No harmful physiological effects

– Not contribute an objectionable flavor, odor, or color to the fat

– Effective in low concentration

Choices of Antioxidants

• Different antioxidants show substantially different

antioxidant effectiveness in different fats and oils and food systems due to different molecular structures

• We should consider the following:

MỘT SỐ LƯU Ý KHI LỰA CHỌN PHỤ

GIA CHỐNG OXY HÓA

• Chất chống oxy hóa phân cực (polar antioxidants) có tác

dụng tốt hơn đối với lipid tinh khiết

• Chất chống oxy hóa không phân cực (non-polar

antioxidants) có hiệu quả tốt hơn đối với thực phẩm có phân cực (ví dụ như đối với các hệ nhũ tương)

• Trong dầu, các chất chống oxy hóa ưa nước (hydrophilic

antioxidants) có khuynh hướng tập trung ở bề mặt 2 pha dầu – khí (oil–air) nhờ đó có tác dụng chống oxy hóa lipid khá hiệu quả

• Trái lại, các chất chống oxy hóa kỵ nước (hydrophobic

antioxidants) hòa tan tốt trong pha dầu, do đó hiệu quả

chống oxy hóa thấp hơn khi sử dụng với dầu nhưng lại có hiệu quả cao hơn khi sử dụng với hệ nhũ tương dầu – nước

vì chúng tập trung ở bền mặt 2 pha

• Anpha-tocopherol was more effective in an oil-in-water emulsion system than in bulk oil, whereas the opposite trend was found for Trolox C, a hydrophilic carboxylic

derivative of a-tocopherol

• A small surface-to-volume ratio – PG and TBHQ; A large surface-to-volume ratio –

BHA and BHT

– Packed in films containing antioxidants

• Antioxidant attached to the packaging

materials

PHỐI HỢP CHẤT PHỤ GIA CHỐNG OXY HÓA

• Khi phối hợp các chất phụ gia chống oxy hóa có thể xảy ra tương tác và hiệu quả chống oxy hóa có thể:

– Tăng: Tác dụng cộng hưởng (synergistic), – Giảm: Tác dụng ức chế (antagonistic) hoặc – Giữ nguyên: Tác dụng phối hợp (simple

addition)

TÁC DỤNG CỘNG HƯỞNG

• Tác dụng cộng hưởng có thể xảy ra theo nhiều cơ chế khác nhau:

– a combination of 2 or more different free radical

scavengers in which one antioxidant is regenerated

reduction potential acts as a primary antioxidant

Regeneration of primary antioxidants contributes to a higher net interactive antioxidant effect than the simple sum of

individual effects (Decker 2002)

– a sacrificial oxidation of an antioxidant to protect

another antioxidant,

– a combination of 2 or more antioxidants whose

antioxidant mechanisms are different

• Reasons for Combinations

– Take advantage of different properties

– Allow for better control and accuracy

– May provide synergistic effects

– Combinations may provide more complete distribution in some foods

– More convenient to handle

• To have maximum efficiency, primary

antioxidants are often used in combination with (1) other phenolic antioxidants, or with (2)

various metal chelating agents

propyl gallate provides a high level of

initial protection while the BHA has good carry through properties

•IP1 and IP2 are the induction periods in the

presence of every inhibitor alone

TĂNG CƯỜNG SỬ DỤNG PHỤ GIA CHỐNG

OXY HÓA CÓ NGUỒN GỐC TỰ NHIÊN

• Phối hợp các chất chống oxy hóa nhân tạo với

các chất chống oxy hóa có nguồn gốc tự nhiên

PRO-OXIDANT

• Tùy thuộc vào điều kiện sử dụng, một chất phụ gia chống oxy hóa có thể trở thành chất kích hoạt

phản ứng oxy hóa – Pro-oxidant

• At high concentrations a pro-oxidative effect can be observed

– Anpha-Tocopherol has been shown to have a

pro-oxidative action at concentrations greater than 0.01 % during the early autoxidation stages in lard, corn and

olive oil triacylglycerols

– The pro-oxidative effect of anpha-tocopherol was related

to the reactions of tocopheroxyl radical with lipids

• Tocopherol-mediated peroxidation is

prevented by Ascorbic acid since ascorbic acid quickly reduces tocopherol radicals to tocopherols (Yamamoto 2001)

• At high oxygen pressures, however,

carotenoids act as pro-oxidants

83

Donor Antioxidant - Vitamin E

Recycling reaction with ascorbate

Reaction with lipid peroxides:

LOO + TOH  LOOH + TO

CH 3

CH 3

CH 3 O

CH 3 (CH 2 ) 3 CH(CH 2 ) 3 CH(CH 2 ) 3 CH(CH 3 ) 2

O

TO

Asc AscH

O

OH

O HO

84

The Pecking Order

Buettner GR (1993) Arch Biochem Biophy 300:535-543.

Antioxidants have reduction potentials that places them in the middle of the Pecking order

This location in the pecking order provides antioxidants with enough reducing power to react with reactive oxidizing species

At the same time they are too weak to initiate reductive reactions

LOO + TOH  LOOH + TO Termination

antioxidants can recycle

each other For example,

2.3.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN

HIỆU QUẢ CHỐNG OXY HÓA

• Hiệu quả chống oxy hóa sẽ phụ thuộc vào:

– Đặc tính của bản thân chất chống oxy hóa: Bản chất hóa học, cấu trúc không gian, trạng thái

hoạt hóa, tính ổn định

• The relative effectiveness of phenolic antioxidants in bulk vs dispersed systems, dependent on their

hydrophilic/lipophilic balance

– Điều kiện môi trường: Nhiệt độ, pH, ánh sáng,

trạng thái của hệ, nồng độ oxy

• Antioxidants have a varying degree of optimal performance with respect to pH When the antioxidant

is in a high-pH medium, it will undergo deprotonation Its radical scavenging capacity will be enhanced since it will have the ability to donate an electron much easier