Phân tích đặc điểm hóa học và khả năng hấp phụ kim loại hóa trị II của pectin được chiết từ cỏ biển Enhalus acoroides

BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Phạm Nhất Linh

PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM HĨA HỌC VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
KIM LOẠI HÓA TRỊ II CỦA PECTIN ĐƯỢC CHIẾT TỪ CỎ BIỂN
ENHALUS ACOROIDES

LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC

Khánh Hịa – 2022


BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Phạm Nhất Linh

PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM HĨA HỌC VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ
KIM LOẠI HÓA TRỊ II CỦA PECTIN ĐƯỢC CHIẾT TỪ CỎ BIỂN
ENHALUS ACOROIDES

Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử và hạt nhân
Mã số: 8 44 01 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Trần Thị Thanh Vân

Khánh Hòa – 2022


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS. Trần Thị Thanh Vân và tham khảo thêm các tài liệu
đã được cơng bố trước đó có nguồn gốc rõ ràng. Các số liệu nêu trong luận
văn là kết quả làm việc của tơi trong suốt q trình thực nghiệm tại Viện
Nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha trang, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam.
Nha Trang, tháng 04 năm 2022
Tác giả

Phạm Nhất Linh


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Lãnh đạo Học viện

Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Ban chủ nhiệm Khoa Hóa học và
Phịng Đào tạo đã tổ chức công tác giảng dạy, tạo mọi điều kiện thuận lợi
giúp tơi hồn thiện luận văn và các thủ tục cần thiết. Tôi xin gửi lời cám ơn
chân thành và sâu sắc đến PGS.TS. Trần Thị Thanh Vân đã ln tận tâm,
nhiệt tình giúp đỡ, hướng dẫn và cho tơi nhiều góp ý trong suốt thời gian thực
hiện đề tài. Bên cạnh đó, tơi chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện về
mọi mặt của Lãnh đạo Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha
Trang cũng như các anh chị em công tác tại phịng Hóa Phân tích đã tạo mọi
điều kiện tốt nhất để tôi làm thực nghiệm và luôn động viên, giúp đỡ để tơi
hồn thành đề tài luận văn này.
Trong q trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, tơi cũng đã nhận được
nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của các thầy cơ, bạn bè và gia đình để hồn thành
luận văn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, người thân
và bạn bè đã ln bên cạnh chia sẽ khó khăn và động viên giúp tơi hồn thành
khóa luận tốt nghiệp này. Xin chân thành cảm ơn!
Nha Trang, tháng 04 năm 2022
Học viên

Phạm Nhất Linh


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

13

C-NMR

Carbon-13 NMR
Spectroscopy

1

H-NMR

Proton NMR Spectroscopy Phổ CHTHN proton

AGA

Apiogalacturonan

Apiogalacturonan

AG-I

Arabinogalactans I

Arabinogalactans loại I

AG-II

Arabinogalactans II

Arabinogalactans loại II

Ara

Arabinose

Đường arabinose

AUA

Anhydrouronic acid
content

Hàm lượng axit anhydrouronic

COSY

Correlated Spectroscopy

Phổ COSY

DE

Degree of esterification

Mức độ ester hóa

D-GalA

D-galacturonic acid

Axit D-galacturonic

DP

Polymerisation

Mức độ polime hóa

EDTA

Ethylenediaminetetraacetic
Axit ethylenediaminetetraacetic
acid

EW

Equivalent weight

Trọng lượng tương đương

Gal

Galactose

Đường galactose

GalA

Galacturonic acid

Axit galacturonic

Glu

Glucose

Đường glucose

Phổ CHTHN Carbon 13


HG

Homogalacturonan

Homogalacturonan

HG

Homogalacturonan

Homogalacturonan

HM

High Methoxyl

Methoxyl hóa cao

HM

High Methoxyl

Methoxyl hóa cao

HMP

High Methoxyl Pectin

Pectin có độ methoxyl hóa cao

HSQC

Heteronuclear Single
Quantum Coherence

Phổ tương tác trực tiếp H-C

IR

Infrared spectroscopy

Phổ hồng ngoại

LM

Low Methoxyl

Methoxyl hóa thấp

L-Rha

L-Rhamnose

Đường L-Rhamnose

Man

Mannose

Đường mannose

MI

Methoxyl Index

Chỉ số methoxyl

NMR

Nuclear Magnetic
Resonance

Cộng hưởng từ hạt nhân
(CHTHN)

RG-I

Rhamnogalacturonan I

Ramnogalacturonan loại I

RG-II

Rhamnogalacturonan II

Ramnogalacturonan loại II

Rha

Rhamnose

Đường rhamnose

XGA

Xylogalacturonan

Xylogalacturonan

Xyl

Xylose

Đường xylose


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng a1.1: Các đặc tính y sinh / dược phẩm và đặc điểm hóa học như mức độ
ester hóa của pectin được chiết xuất từ các nguồn khác nhau.........................22
Bảng b1.2: Một số hằng số vật lý quan trọng của Cadimi và Chì ...................26

Bảng c1.3: Mối tương quan của RL và dạng mơ hình .....................................33
Bảng d1.4: Đặc điểm hấp phụ của pectin được phân lập từ các nguồn khác
nhau và các mẫu biến đổi của chúng...............................................................34
Bảng e3.1: Các chỉ số đặc trưng của pectin từ cỏ biển E. acoroides ...............50
Bảng f3.2: Thành phần monosaccharide của pectin từ các nguồn khác nhau .
52 Bảng g3.4: Tương quan rút ra từ phổ HSQC ..............................................59
Bảng h3.5: Tương quan rút ra từ phổ COSY ...................................................61
Bảng i3.6: Ảnh hưởng của pH đến khả năng liên kết của ion Pb2+ với pectin (Q) 62
Bảng j3.7: Ảnh hưởng của pH đến khả năng liên kết của ion Cd2+ với pectin (Q) 63
Bảng k3.8: Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến khả năng liên kết của ion Pb2+
với pectin (Q).................................................................................................. 66
Bảng l3.9: Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến đến khả năng liên kết của ion
Cd2+ với pectin (Q).......................................................................................... 67
Bảng m3.10: Ảnh hưởng tốc độ lắc đến hàm lượng ion Pb2+ liên kết với pectin
(Q)................................................................................................................... 69
Bảng n3.11: Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại ban đầu (Ce) đến khả năng
liên kết của kim loại Pb với pecin................................................................... 71
Bảng o3.12: Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại ban đầu (Ce) đến khả năng
liên kết của kim loại Cd với pecin...................................................................72
Bảng p3.13: Các thông số trong mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của
pectin............................................................................................................... 77


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình a1.1: Cấu tạo thành tế bào thực vật .......................................................... 6
Hình b1.2: Cấu trúc Homogalacturonan ..........................................................11
Hình c1.3: Cấu trúc của chuỗi bên của homogalacturonans (SNFG). (a)
apiogalacturonan, (b) xylogalacturonan, (c) rhamnogalacturonan-II..............12
Hình d1.4: Giản đồ của mơ hình hộp trứng để tạo gel uronat-canxi ...............21
Hình e1.5: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. ........................................... 33

Hình f1.6: Sự phụ thuộc của C/q vào C .......................................................... 33
Hình g2.1: Cỏ biển Enhalus acoroides ........................................................... 39
Hình h2.2: Chế phẩm pectin thơ sau khi sấy khơ ............................................39
Hình i2.3: Sơ đồ chiết tách và thu nhận Pectin từ cỏ biển ..............................41
Hình j3.1: Phổ hồng ngoại của mẫu pectin chiết từ cỏ biển E. acoroides ......53
Hình k3.2: Phổ 1H NMR của pectin ................................................................ 54
Hình l3.3: Phổ 13C NMR của pectin ................................................................56
Hình m3.4: Phổ HSQC của pectin (tt) ............................................................. 58
Hình n3.5: Phổ COSY của pectin ....................................................................60
Hình o3.6: Ảnh hưởng của pH đến hàm lượng (Q) ion Pb 2+ liên kết với pectin
......................................................................................................................... 63
Hình p3.7: Ảnh hưởng của pH đến hàm lượng (Q) ion Cd2+ liên kết với pectin.
......................................................................................................................... 65
Hình q3.8: Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hàm lượng (Q) ion Pb2+ liên kết
với pectin.........................................................................................................68
Hình r3.9: Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hàm lượng (Q) ion Cd2+ liên
kết với pectin...................................................................................................68
Hình s3.10: Ảnh hưởng của mức độ ester hóa (DE) đến hàm lượng ion Pb2+
liên kết với pectin tại các giá trị pH khác nhau...............................................70


Hình t3.11: Ảnh hưởng của mức độ ester hóa (DE) đến hàm lượng ion Cd2+
liên kết với pectin tại các giá trị pH khác nhau...............................................70
Hình u3.12: Sự phụ thuộc của khả năng liên kết của ion Pb với pectin vào
nồng độ Pb ban đầu......................................................................................... 72
Hình v3.13: Sự phụ thuộc của khả năng liên kết của ion Cd với pectin vào
nồng độ Cd ban đầu.........................................................................................73
Hình w3.14: Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C của ion Pb2+

......................................

75

Hình x3.15: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của hệ Pb2+ pectin ............75
Hình y3.16: Đồ thị sự phụ thuộc của C/q vào C của ion Cd2+

......................................

76

Hình z3.17: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của hệ Cd2+ pectin ............77


1

MỤC LỤC
MỤC LỤC.........................................................................................................1
MỞ ĐẦU...........................................................................................................3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.............................................................................5
1.1. GIỚI THIỆU.............................................................................................. 5
1.1.1. Cỏ biển Enhalus acoroides (cỏ lá dừa)...................................................5
1.1.2. Pectin......................................................................................................5
1.2. CẤU TẠO HĨA HỌC...............................................................................9
1.2.1. Galacturonans.......................................................................................10
1.2.2. Rhamnogalacturonan I......................................................................... 13
1.3. ĐẶC TÍNH HĨA HỌC CỦA PECTIN................................................... 14
1.3.1. Tính chất tạo gel của pectin................................................................. 16
1.3.2. Cơ chế hình thành gel.......................................................................... 19
1.4. CÁC ỨNG DỤNG TIỀM NĂNG CỦA PECTIN TRONG NGÀNH
DƯỢC PHẨM VÀ Y SINH............................................................................22

1.5. SƠ LƯỢC VỀ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG (Cd, Pb)............................25
1.5.1. Tính chất của Cd và Pb........................................................................ 25
1.5.2. Sự nhiễm độc của Pb và Cd................................................................. 26
1.5.3. Phương pháp xác định kim loại nặng...................................................27
1.6. ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ TRÊN VẬT LIỆU
POLYSACCHARIDE DẠNG PECTIN..........................................................29
1.6.1. Các khái niệm cơ bản...........................................................................29
1.6.2. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt.........................................................30
1.6.3. Tình hình nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại của pectin..............34
CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 39


2.1. VẬT LIỆU VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU....................................... 39
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................40
2.2.1. Phương pháp chiết pectin.......................................................................40
2.2.2. Điều chế pectin có chỉ số ester hóa khác nhau.......................................42
2.2.3. Xác định một số thành phần hóa học chính của pectin..........................44
.......................................................
2.2.4. Phương pháp xác định Pb2+ và Cd2+
46
2.2.5. Phương pháp đánh giá khả năng hấp phụ kim loại của pectin...............47
2.2.6. Phương pháp vật lí................................................................................. 49
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................. 50
3.1. CHIẾT TÁCH VÀ THU NHẬN PECTIN...............................................50
3.2. PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM HĨA HỌC VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KIM
LOẠI CỦA PECTIN.......................................................................................52
3.2.1. Phân tích đặc điểm hóa học của pectin.................................................. 52
3.2.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại của Pectin................................61
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................. 79
4.1. KẾT LUẬN..............................................................................................79

4.2. KIẾN NGHỊ............................................................................................. 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................81


MỞ ĐẦU
Pectin là một loại polysaccharide có cấu trúc phức tạp xuất hiện trong
thành tế bào của thực vật bậc cao, hoạt động như vật liệu liên kết cho các sợi
xenlulose. Nhiều loài thực vật chứa pectin trong lớp gian bào giữa các thành
tế bào nguyên sinh nơi chúng tham gia vào q trình điều hịa sự di chuyển
của nước và dịch tế bào [1].
Pectin, do đặc tính tạo chelate tốt, chủ yếu được sử dụng trong công
nghiệp thực phẩm. Ngày càng có nhiều bằng chứng về tác dụng sinh lý của
pectin: làm giảm cholesterol và glucose trong máu, ức chế sự gia tăng của tế
bào ác tính, tương tác với các ion kim loại và axit mật, điều chỉnh hệ thống
miễn dịch, và có tác dụng đến hoạt động của hệ vi sinh đường ruột [2].
Mặc dù thực tế là pectin có trong tất cả các loại thực vật, nhưng pectin
thương mại được sản xuất chủ yếu từ vỏ cam quýt và bã táo. Cỏ biển nói
chung và cỏ biển thuộc họ Zosteraceae nói riêng cũng được coi là một nguồn
đầy hứa hẹn của các pectic polysaccharide này. Pectin đã được nghiên cứu từ
một số loài cỏ biển như: Ruppia maritima [2], Halodule wrightii, Halophila
decipiens và Halodule wrightii. Pectin từ cỏ biển Zostera marina L (hợp chất
Zosterin) lần đầu tiên được nghiên cứu bởi Miroshnikov và cộng sự vào năm
1940 [3] tiếp sau đó đã có một số cơng trình nghiên cứu về sự chiết tách và
đặc điểm cấu trúc của pectin từ cỏ biển thuộc họ Zosteraceae và từ lồi
Phyllospadix iwatensi [1, 4-7].
Các thí nghiệm ngộ độc chì acetate trên động vật thí nghiệm cho thấy
rằng zosterine có tác dụng: thứ nhất, làm chậm quá trình vận chuyển chì từ
ruột đến các cơ quan nội tạng và xương, thứ hai, tăng cường đào thải chì tích
hợp trong xương [8]. Điểm này chỉ ra khả năng của pectin liên kết các kim
loại nặng phức tạp trong ruột. Hiện nay, zosterin (một hợp chất pectin) được

phân lập từ cỏ biển họ Zosteraceae đã được phát triển thành thuốc có khả
năng liên kết và loại bỏ kim loại nặng khỏi cơ thể người và động vật.
Ở Việt Nam, polysaccharide từ rong biển đã được nghiên cứu rộng rãi
hàng thập kỷ qua, trong đó nhiều kết quả đã được cơng bố quốc tế và phát
triển thành các sản phẩm thương mại như: agar, agarose, agarose pectin từ


rong câu; carrageenan từ rong sụn; alginat và fucoidan từ rong nâu; ulvan từ
rong lục. Tuy nhiên, đối tượng polysaccharide từ cỏ biển vẫn còn rất mới mẻ
ở Việt Nam, các tài liệu tham khảo cho thấy hiện chưa có nghiên cứu nào về
hợp chất này từ cỏ biển Việt Nam. Vì vậy, việc nghiên cứu polysaccharide từ
cỏ biển là hướng nghiên cứu mới giúp tìm kiếm và phát hiện các hợp chất
mới. Qua phân tích tổng quan các nghiên cứu về cấu trúc, đặc trưng hóa lý và
hoạt tính sinh học của pectin nói chung và pectin cỏ biển nói riêng, cho thấy
pectin là chất hấp phụ kim loại nặng tiềm năng trong ứng dụng xử lý môi
trường nước và thực phẩm chức năng giải độc kim loại [9].
Để định hướng cho việc sử dụng pectin với mục đích giải độc nhiễm
kim loại nặng chúng tôi thực hiện đề tài “Phân tích đặc điểm hóa học và
khả năng hấp phụ kim loại hóa trị II của pectin được chiết từ cỏ biển
Enhalus acoroides”, từ đó làm cơ sở khoa học giúp định hướng phát triển các
sản phẩm có giá trị gia tăng từ tài nguyên biển.
Mục đích của luận văn
- Phân tích đặc điểm hóa học của pectin chiết tách từ cỏ biển Enhalus
acoroides.
- Đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại của pectin.
Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ cung cấp thông tin
về khả năng liên kết ion kim loại của pectin có trong cỏ biển Enhalus
acoroides tại vùng biển Cam Lâm (Khánh Hịa). Từ đó làm cơ sở khoa học
cho các nghiên cứu sâu hơn về loại pectin trong cỏ biển Enhalus acoroides và
các dẫn xuất của pectin trong việc xử lí kim loại nặng.

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của đề tài sẽ góp phần đánh giá giá trị của
cỏ biển như là nguồn hợp chất hấp phụ sinh học tự nhiên, đồng thời giúp định
hướng nghiên cứu khai thác và sử dụng bền vững nguồn lợi từ cỏ biển nhằm
tạo ra các sản phẩm có giá trị sử dụng cao nhất là trong lĩnh vực dược phẩm
và xử lí ô nhiễm môi trường.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU:
1.1.1. Cỏ biển Enhalus acoroides (cỏ lá dừa)
Cỏ lá dừa là một loài thực vật có hoa trong họ Hydrocharitaceae. Lồi
này được (L.f.) Royle mơ tả khoa học đầu tiên năm 1839.
Cỏ lá dừa là một lồi cỏ biển lớn có nguồn gốc từ các vùng nước ven
biển của Ấn Độ Dương nhiệt đới và Tây Thái Bình Dương. Cỏ lá dừa sống
ven bờ ở các nền nông, mềm như bùn hoặc bãi cát và nền san hô tùy thuộc
vào khu vực sinh trưởng.
Tại Việt Nam cỏ lá dừa phân bố ở hầu hết các vùng biển đảo cho thấy
cỏ lá dừa là một loại cỏ biển đặc trưng ở Việt Nam.
Cỏ lá dừa có đặc điểm: lá dạng dải băng rất dài từ 30 - 150 cm, lá có
đầu cong vào trong, vỏ bọc cuống lá dày, có các rễ và lơng dài màu đen. Các
cạnh của lá được cán nhỏ và có các kênh khơng khí bên trong. Lá
dài
phát triển để nắm bắt nhiều ánh sáng. Đây là lồi duy nhất giải phóng hạt
phấn lên bề mặt nước trong sinh sản, trong quá trình này, hoa đực sẽ tách ra
khỏi vịi và vươn lên bề mặt nơi có nhiều hoa bên trong các chùm hoa kỵ
nước. Khi ở trên bề mặt, nó sẽ giải phóng phấn hoa của mình thành một chùm
hoa cái, nơi nó đã vươn lên mặt nước nhờ bề mặt cuống dài ra. Trái đang phát
triển được kéo dưới nước để hồn thành q trình chín. Quả có hình trịn và
có đường kính lớn (4-6 cm) với lớp lơng dày, có gân. Khi chín, trái cây tách ra
nở 6-7 hạt trắng. Giống như các loài cỏ biển khác, cỏ biển E. acoroides phát

tán chủ yếu bằng sự sinh sản sinh dưỡng.
1.1.2. Pectin
Pectin là một nhóm các polysaccharide phức tạp được tìm thấy trong
thành tế bào của thực vật bậc cao được cấu tạo chủ yếu từ các đơn vị axit
galacturonic. Polysaccharide này thường liên kết với các thành phần khác của
thành tế bào như cellulose, hemicellulose và lignin, nơi chúng có chức năng
như một chất hydrat hóa và vật liệu kết dính cho mạng xenlulo. Chúng thường
được tạo ra trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển thành tế bào sơ cấp và


chiếm khoảng một phần ba chất khô thành tế bào của cây hai lá mầm và một
số cây một lá mầm. Pectin góp phần vào độ cứng và cấu trúc của mơ thực vật,
tham gia vào q trình kết dính gian bào và sức đề kháng cơ học của thành tế
bào, và chúng cũng có vai trị quan trọng trong sự phát triển của tế bào thực
vật. Polysaccharide đa năng này đã được sử dụng trong ngành công nghiệp
thực phẩm và đồ uống trong nhiều năm. Các ứng dụng chính của pectin là như
một chất tạo gel, chất làm đặc, chất ổn định và chất nhũ hóa [9, 10];
pectin cũng cung cấp một nguồn chất xơ quan trọng, có thể có đặc tính chữa
bệnh [11, 12, 13]. Bên cạnh tầm quan trọng của nó trong ngành cơng nghiệp
thực phẩm, pectin có những ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác,
như y học, như một chất mang cho các loại thuốc được kiểm sốt hoặc giải
phóng hoạt tính sinh học.

Hìnha1.1: Cấu tạo thành tế bào thực vật
(Nguồn: />1.1.2.1. Nguồn công nghiệp
Nguyên liệu dùng sản xuất pectin đều chứa một lượng lớn các chất
pectic và có sẵn nguồn cung cấp dồi dào dưới dạng chất cặn bã từ quá trình


sản xuất nước trái cây. Tuy nhiên, chúng tạo ra các pectin hơi khác nhau, làm

cho loại này hoặc loại kia phù hợp hơn cho các ứng dụng cụ thể [14]. Trước
khi chiết xuất công nghiệp, nguyên liệu thô thường được xử lý trước (chần,
rửa, sấy khô, v.v.) để vô hiệu hóa các enzym mà nếu khơng sẽ làm phân tử
pectin nhanh chóng bị phân hủy, và làm tăng Sự ổn định của sản phẩm trong
quá trình vận chuyển và bảo quản. Việc tách pectin từ nguyên liệu thô thường
được thực hiện bằng cách xử lý axit (pH 1,5 đến 3,0) ở nhiệt độ cao (70 đến
90 °C), sử dụng axit clohydric, axit nitric hoặc axit sulfuric trong một số
trường hợp. Bước này cho phép chiết xuất và hòa tan vật liệu pectin từ các mô
thực vật. Trong những điều kiện này, các phản ứng phân huỷ như khử ester
hoá và khử phân hủy sẽ xảy ra. Do đó, các điều kiện chiết xuất, cụ thể là nhiệt
độ, thời gian và pH, cần được kiểm soát cẩn thận để đạt được các đặc tính
cuối cùng mong muốn của sản phẩm. Dịch chiết thơ pectin sau đó được tách
khỏi vỏ hoặc bã bằng q trình lọc hoặc ly tâm. Sau đó, pectin được tách ra
khỏi dịch chiết tinh khiết bằng cách kết tủa với rượu (isopropanol, ethanol
hoặc methanol) hoặc bằng cách kết tủa với muối khơng hịa tan bằng cách bổ
sung cation đa hóa trị, thường là nhơm. Kết tủa thu được được rửa bằng cồn
và được ép để loại bỏ các tạp chất hịa tan, cuối cùng được làm khơ và nghiền
để thu được pectin dạng bột. Các pectin do đó thu được thường có chỉ số ester
hóa (DE) cao hơn 50% và được gọi là pectin có độ methoxyl hóa cao (HM);
Q trình khử ester hóa cũng được thực hiện ở cấp độ công nghiệp để tạo ra
các loại quả có DE thấp hơn (<50%) được gọi là pectin có độ methoxyl hóa
thấp (LM). Q trình khử ester hóa ở cấp độ công nghiệp thường được thực
hiện trên HM pectin kết tủa trong quá trình phân tán rượu. Các LM pectin
thường thu được bằng cách khử axit có kiểm sốt, hoặc bằng cách khử ester
bằng kiềm. Tiêu chuẩn hóa cũng là một thực tiễn công nghiệp hiện nay để sản
xuất các mẫu pectin với các đặc tính nhất quán. Vì pectin được chiết xuất từ
nhiều loại ngun liệu thơ tự nhiên, nên chúng thường được đặc trưng bởi sự
biến đổi về cấu trúc và chức năng. Do đó, người ta thường pha trộn các lô sản
xuất khác nhau với nhau và pha loãng chúng với sucrose hoặc dextrose để đạt
được hiệu suất tiêu chuẩn. phù hợp với sản lượng của vật liệu pectic, giảm

thời gian hoặc chi phí xử lý và cải thiện các đặc tính của pectin chiết xuất.


1.1.2.2. Nguồn khác
Việc sử dụng các phế phẩm thu được từ các ngành công nghiệp đã trở
nên phổ biến để chiết xuất pectin; mặc dù khơng có giá trị thương mại đáng
kể, một số ví dụ bao gồm bã hướng dương, bã xồi, rau dền, bã ơ liu và bã củ
cải đường [15-18].
Trong củ cải đường hàm lượng pectin lên đến 23% [19], tùy thuộc vào
điều kiện chiết xuất. Tuy nhiên, pectin từ củ cải đường có một số nhược điểm
về cấu trúc như một nguồn pectin thương mại [20]. Mặc dù có hàm lượng
pectin cao, sẵn có và giá thành tương đối thấp, pectin củ cải đường ít được sử
dụng làm chất tạo kết cấu do khả năng tạo bọt kém so với pectin táo và cam
quýt. Loại thứ hai do số lượng nhóm acetyl cao, trọng lượng phân tử thấp hơn,
hàm lượng đường trung tính cao và lượng protein liên kết lâu dài cao hơn
trong chuỗi bên [21-25]. Mặc dù pectin củ cải đường không thể tạo gel mạnh,
nhưng chúng có đặc tính nhũ hóa tuyệt vời, vượt trội so với pectin chiết xuất
từ các nguồn thông thường [26]. Hàm lượng protein cao ảnh hưởng đến khả
năng nhũ hóa của pectin củ cải đường vì nó có khả năng kích hoạt bề mặt
phân cách dầu-nước hấp phụ thuận lợi trên bề mặt của các giọt dầu [27, 28].
Ngoài ra, trái ngược với pectin táo và cam quýt, pectin củ cải đường
chứa dư lượng axit ferulic cho phép nó liên kết cộng hóa trị chéo với nhau khi
có chất oxy hóa (hóa học hoặc enzym) [20, 29]. Do đó, pectin củ cải đường có
thể được sử dụng trong các ứng dụng khá khác so với pectin thương mại hiện
nay, bao gồm vật liệu có thể hấp thụ và giữ nước gấp nhiều lần trọng lượng
của chúng [30]. Pectin từ bã ơ liu và củ cải đường có trọng lượng phân tử
thấp, hàm lượng đường trung tính cao và hoạt tính tạo gel kém [31]. Loại
pectin này có thể tạo gel bằng cách tương tác ion với canxi và thể hiện các đặc
tính tạo gel khác với các đặc tính tạo gel trong pectin thương mại cổ điển, có
thể liên quan đến sự tham gia của các tương tác giữa các phân tử khác, ổn

định mạng lưới pectin [31-33].
Nguồn pectin khác là bã đầu hướng dương thu được sau khi chiết xuất
dầu, với đặc tính tạo bọt rất hấp dẫn vì trọng lượng phân tử cao và hàm lượng


axit galacturonic cao [34-36]. Loại pectin này có thể chứa 3,3 đến 5,0% pectin
methoxyl cao hòa tan trong nước và 11,8 đến 14,3% pectin methoxyl thấp
khơng hịa tan [37, 38]. Các tác giả khác cũng báo cáo chất lượng đại diện của
pectin trong bã khoai tây [39], một chất thải từ ngành cơng nghiệp tinh bột
khoai tây bã bí ngơ [40], bã đào [41, 42], (bã từ công nghiệp nước trái cây) và
hạt lanh [43] cho thấy lợi suất và đặc tính hấp dẫn. Cuối cùng, việc mơ tả đầy
đủ các đặc tính của pectin mới sẽ tìm ra cách ứng dụng vào các ứng dụng mà
giờ đây chúng ta chỉ cho là có thể hiểu được.
Bên cạnh các thực vật trên mặt đất, pectin cũng có thể được lấy từ các
thực vật biển như cỏ biển.
1.2. CẤU TẠO HÓA HỌC
Giống như hầu hết các polysaccharide khác, pectin không đồng nhất về
cả cấu trúc hóa học và trọng lượng phân tử. Thành phần của chúng thay đổi
theo nguồn và điều kiện khai thác, vị trí và các yếu tố mơi trường khác. Pectin
là một họ polysaccharide thành tế bào thực vật giàu axit galacturonic liên kết
cộng hóa trị [44]. Axit galacturonic bao gồm khoảng 70% pectin, và tất cả các
polysaccharide pectic đều chứa axit galacturonic liên kết ở vị trí O-1 và O-4.
Hai hợp phần chính của các yếu tố cấu trúc pectin thường được xem
xét: galacturonans và rhamnogalacturonan I (RG-I). Galacturonans được tạo
thành từ hợp phần là các gốc axit D-galacturonic liên kết α-(1,4) (GalA).
Galacturonan có thể khơng phân nhánh (homogalacturonan) hoặc được gắn
bằng nhiều hoặc ít chuỗi bên phức tạp. Hợp phần chính của RG-I được tạo từ
đơn vị lặp lại diglycosyl [2-α-lRha-(1,4)-α-D-GalA- (1]. Dư lượng Rhamnose
(Rha) được chia nhỏ ở các vị trí O-4 (chủ yếu) và O-3 (hiếm) có các chuỗi
bên đường trung tính từ đơn đến polyme bao gồm các gốc arabinose (Ara) và

galactose (Gal). Bốn loại chuỗi bên cao phân tử chính thường được thấy là
arabinans, galactan, arabinogalactan loại I (AG-I) và arabinogalactan loại II
(AG-II).


1.2.1. Galacturonans
1.2.1.1. Homogalacturonan
Homogalacturonan (HG) còn được gọi là “vùng mịn” của pectin, là một
mạch thẳng homopolyme của gốc axit D-galacturonic (D-GalA) liên kết α(1,4) có thể là methyl và acetyl-ester hóa (Hình 1.2). Nó thường chiếm
khoảng 60% trong tổng lượng pectin nhưng có một số ngoại lệ như pectin củ
cải đường hoặc đậu tương trong đó hàm lượng HG thấp hơn nhiều.
HG đã được phân lập cụ thể khỏi một số nguồn thực vật bằng cách thủy
phân các liên kết glycosidic khác nhau bằng axit hoặc bằng enzym. Tùy thuộc
vào phương pháp được sử dụng cho chiết xuất pectin, phân lập HG hay xác
định khối lượng mol mà mức độ polyme hóa (DP) trung bình nằm trong
khoảng từ 72 đến 300. HG phân lập từ các mẫu pectin chiết xuất từ các loại
thực vật khác nhau: thịt quả dứa, tỏi tây, dưa chuột, rễ củ cải đường, củ thì là
và chanh cho thấy rằng các mẫu pectin bao gồm lượng HG khác nhau có DP
rất giống nhau (70–100) và có độ phân tán thấp, xác nhận giả thuyết về tính
tuần hồn độ dài HG.
 Methyl-ester hóa
Trong HG, các đơn vị GalA thường được methyl-ester hóa một phần ở
C-6 (Hình 1.2) và khơng chỉ mức độ của methyl ester hóa (tức là số mol
methanol trên 100 mol GalA), mà còn là sự phân bố của dư lượng GalA
khơng được ester hóa trên HG các phân đoạn là đặc điểm chính cho các đặc
tính chức năng của pectin.


Hìnhb1.2: Cấu trúc Homogalacturonan.
(Nguồn: /> Acetyl-Ester hóa

Ở một số lồi thực vật, dư lượng GalA trong vùng HG được acetylester hóa một phần ở O-2 và / hoặc O-3 (Hình 1.2) và điều này có tác động
tiêu cực mạnh đến q trình gel hóa. Sự phân bố của acetyl nhóm vào các
phân đoạn HG đã được nghiên cứu đặc biệt ở củ cải đường cho thấy bằng
cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) rằng các nhóm acetyl có thể được gắn trên bất
kỳ vị trí vịng có sẵn nào (O-2 và O-3) của dư lượng GalA.


1.2.1.2. Galacturonans được thay thế bằng chuỗi bên phức tạp hoặc
ít phức tạp hơn
HG có thể được thay thế ít hay nhiều ở O-2 và / hoặc O-3 bởi các
monome hoặc chất dimer của apiose hoặc xylose thành apiogalacturonan
(AGA, Hình 1.3a) hoặc xylogalacturonan (XGA, Hình 1.3b), tương ứng. Nó
cũng có thể được thay thế bằng các chuỗi bên phức tạp để tạo thành
rhamnogalacturonan II (RG-II, Hình 1.3c).

Hình c1.3: Cấu trúc của chuỗi bên của homogalacturonans (SNFG). (a)
apiogalacturonan, (b) xylogalacturonan, (c) rhamnogalacturonan-II.
(Nguồn: /> Apiogalacturonan
Trong AGA (Hình 1.3a), gốc β-D-apiofuranosyl được liên kết với O-2
hoặc O-3 của GalA gốc dưới dạng monome hoặc dưới dạng dimer. Mức độ
thay thế HG bằng apiose thay đổi từ 25 đến 80%.


 Xylogalacturonan
Trong XGA (Hình 1.3b), một HG được thay thế ở O-3 bởi xylose
monome hoặc dimer.
 Rhamnogalacturonan II
RG-II (Hình 1.3c) là một HG được thay thế phức tạp hơn AGA hoặc
XGA vì nó bao gồm 13 loại đường khác nhau và 21 các liên kết glycosidic
riêng biệt được sắp xếp bởi chín gốc GalA được methyl-ester hóa một được

thay thế bởi các chuỗi bên khác nhau được gọi là A – F.
1.2.2. Rhamnogalacturonan I
RG-I được mô tả là một chuỗi dài các gốc L-Rha và D-GalA xen kẽ,
các gốc Rha được thay thế bằng nhiều chuỗi bên chứa L-arabinosyl và Dgalactosyl. Fucose, axit glucuronic và dư lượng axit 4-O-methyl glucuronic
cũng có thể có với một lượng nhỏ. RG-I thường chiếm 20–35% tổng lượng
pectin nhưng đối với một số nguồn thực vật nhất định như đậu tương, có thể
chiếm tới 75% polysaccharide pectic.
1.2.2.1. Rhamnogalacturonan I
Hợp phần chính của RG-I chuỗi diglycosyl lặp lại xen kẽ [2-α-L-Rhap(1,4)-α-D-GalAp-(1]. Toàn bộ các mẫu RG-I được phân lập từ các nguồn thực
vật khác nhau thường có tỷ lệ Rha / GalA <1.
1.2.2.2. Chuỗi bên Rhamnogalacturonan I
RG-I cịn được gọi là “vùng lơng” vì pectin này hầu hết các gốc Rha
được thay thế bằng các chuỗi bên khác nhau với chiều dài và thành phần khác
nhau. Dư lượng GalA thường không được thay thế và chỉ có một nghiên cứu
cho thấy rằng khoảng 2% dư lượng GalA trong RG-I được thay thế ở O-3 bởi
dư lượng axit β-D-glucuronic đơn lẻ. Ngược lại, 20–80% dư lượng Rha được
thay thế ở O-4 bằng chuỗi bên trong đó Ara và Gal chiếm ưu thế. Tỷ lệ các
chuỗi bên, thành phần, chiều dài và mức độ phân nhánh của chúng rất khác
nhau không chỉ phụ thuộc vào nguồn thực vật, cơ quan và mơ mà cịn vào giai
đoạn phát triển và sự phân lập phương pháp được sử dụng. Ví dụ, pectin giàu


arabinan đặc biệt có nhiều trong táo, củ cải đường và cà rốt trong khi pectin
giàu AG-I thường được tìm thấy trong cam quýt và khoai tây và pectin giàu
AG-II được tìm thấy trong nhân sâm.
1.3. ĐẶC TÍNH HĨA HỌC CỦA PECTIN
Pectin là polysaccharide có cấu trúc chủ yếu chứa các đơn vị axit
galacturonic. Do sự hiện diện của các nhóm cacboxyl tự do, các dung dịch
pectin thể hiện pH có tính axit; dung dịch pectin 1% có độ pH khoảng 2,7 đến
3,0. Pectin trong môi trường nước không phải là phân tử ổn định; tùy thuộc

vào độ pH và nhiệt độ, các phân tử pectin có thể trải qua một số phản ứng hóa
học và biến đổi [45]. Trong điều kiện axit, liên kết glycosidic và liên kết
methyl-ester có thể bị thủy phân ở các mức độ khác nhau. Sự thủy phân các
liên kết glycosidic nhạy cảm hơn, giống như các liên kết liên quan đến các
chuỗi bên đường trung tính, có thể dẫn đến sự gia tăng hàm lượng
galacturonic và làm tăng hàm lượng đường trung tính của các pectin được xử
lý bằng axit. Trong quá trình xử lý axit ở nhiệt độ giảm xuống, tốc độ thủy
phân liên kết glycosidic chậm hơn nhiều so với tốc độ khử ester; do đó, các
chế phẩm của pectin có ít methoxyl có thể thu được bằng cách xử lý bằng axit
mà khơng có sự phá vỡ chuỗi chính rộng rãi và giảm khối lượng phân tử
pectin. Bất kỳ sự gia tăng nào của nhiệt độ đều làm tăng tốc độ của phản ứng
khử glycosidic nhiều hơn tốc độ của phản ứng khử ester [46].
Dưới điều kiện kiềm, hoặc thậm chí ở độ pH gần bằng 7, đặc biệt là ở
nhiệt độ cao, có thể xảy ra sự phân hủy rộng và nhanh chóng, liên quan đến cả
q trình khử ester hóa và phân cắt các liên kết glycosidic, lần cuối cùng xảy
ra thường là bằng cơ chế loại bỏ trans-b [47, 48]. Sự phân hủy pectin trong
những điều kiện này tăng lên theo nhiệt độ và với mức độ methyl-ester hóa
[45, 49]. Các cân nhắc động học về cả quá trình khử phân huỷ và khử phân
huỷ đã được báo cáo, bao gồm các giá trị cho hằng số tốc độ và năng lượng
hoạt hóa [45, 50]. Độ ổn định thấp này của các phân tử pectin làm cho chúng
kém hấp dẫn hơn để sử dụng trong thực phẩm chế biến nhiệt có độ chua thấp.
Pectin là các đại phân tử có chứa một số lượng lớn các nhóm
cacboxylic có thể ion hóa; do đó, chúng là chất điện phân đa anion, có ái lực


mạnh với các ion trái dấu. Hầu hết các đặc tính cấu trúc và chức năng của
pectin phụ thuộc vào tính chất đa điện phân của chúng.
Sự tương tác giữa polymer điện li và các ion trái dấu bị ảnh hưởng chủ
yếu bởi mật độ điện tích tuyến tính của đại phân tử, được biểu thị bằng
khoảng cách giữa các nhóm tích điện liền kề. DE của pectin xác định mật độ

điện tích tuyến tính của đại phân tử, và do đó nó là yếu tố quan trọng nhất ảnh
hưởng đến đặc tính liên kết ion của pectin. Mật độ điện tích tuyến tính càng
cao thì tương tác của ion trái dấu với nhóm ion càng mạnh và hệ số hoạt độ
của ion trái dấu càng thấp [51]. Sự phụ thuộc như vậy đã được minh họa rõ
ràng trong một số cơng trình nghiên cứu pectin với các mức độ ester hóa khác
nhau (mật độ điện tích khác nhau) và với các mơ hình phân bố khác nhau của
các nhóm ion trên galacturonate [52–54]. Tuy nhiên, mật độ điện tích tuyến
tính khơng phải là yếu tố duy nhất kiểm sốt sự tương tác giữa polyanion và
các ion trái dấu; cấu trúc của các đại phân tử và liên kết giữa các phân tử của
các cation hóa trị hai cũng có một vai trò quan trọng trong độ bền liên kết của
các cation với polyuronat và tính chọn lọc trong các phản ứng trao đổi ion
[51]. Nó chỉ ra rằng hằng số ion hóa nội tại của pectin khơng phụ thuộc vào
nồng độ pectin, DE, mức độ amid hóa hoặc mức độ trùng hợp và có giá trị
trong khoảng 2,9 đến 3,2, gần với giá trị pKo của axit galacturonic đơn chất
[55]. Đối với một pH nhất định, mức độ ion hóa tăng khi tăng nồng độ pectin
[56]. Hằng số hằng số ion hóa biểu kiến phụ thuộc vào mật độ điện tích hiệu
dụng của pectin, và do đó giảm khi mức độ ion hóa giảm, hoặc khi DE của
pectin tăng [56, 57].
Độ pH và cường độ ion ảnh hưởng đến sự liên kết của các cation với
các phân tử pectin. Sự liên kết của canxi với pectin tăng khi pH tăng, cho thấy
mức tối đa ở pH 5 đến 7,5 [58]. Ái lực liên kết của canxi với pectin giảm khi
cường độ ion tăng [59, 60]. Hằng số ổn định của canxi pectinat giảm đáng kể
khi tăng cường độ ion, điều này không chỉ do sự thay đổi của hệ số hoạt độ
canxi với cường độ ion, mà còn cân bằng trao đổi ion ở các nhóm cacboxyl
của pectin.


Sự liên kết của canxi với pectinat có liên quan đặc biệt đến sự tạo gel
của pectin có lượng methoxyl thấp. Liên kết giữa các phân tử cụ thể của ion
Ca2+ với polygalacturonat, liên quan đến liên kết hợp tác và với chuyển đổi

cấu trúc của chuỗi polysaccharide, đã được một số tác giả đề xuất [61-63].
Tính hợp tác trong tương tác giữa canxi và pectin cũng tiềm ẩn trong mơ hình
tạo gel trong hộp trứng [64, 65]. Tuy nhiên, cường độ ion dường như có một
vai trị quan trọng trong tính hợp tác của liên kết ion-polyme [59, 60, 66]. Ở
cường độ ion rất thấp, các tương tác canxi-pectinat về cơ bản có tính chất
chống hợp tác, trong khi, khi cường độ ion tăng lên, tương tác ion-polyme về
cơ bản là hợp tác.
Đối với các tính chất vật lý của các phân tử pectin trong mơi trường
nước, khơng có gì ngạc nhiên khi quan sát thấy chúng phụ thuộc vào các đặc
điểm hóa học, bao gồm cấu trúc và kích thước, cũng như các tính chất dung
mơi (pH, cường độ ion, sự hiện diện của các chất đồng tan). Nước là một
dung mơi tốt cho pectin. Pectin có thể tan trong nước lên đến khoảng 4%
(w/w), nhưng có những hạn chế về độ nhớt và khó phân tán. Độ hòa tan trong
nước giảm khi DE giảm. Sự giảm độ hịa tan quan sát được đối với pectin ít
methoxyl có thể được khắc phục bằng cách chuyển các nhóm cacboxyl tự do
thành dạng muối dễ hịa tan hơn (ví dụ, muối natri hoặc kali). Nói chung,
pectin khơng hịa tan trong dung môi hữu cơ. Sự kết tủa của chúng từ các
dung dịch nước bằng cách thêm các dung môi hữu cơ dễ hòa tan trong nước
như ethanol, isopropanol hoặc methanol, hoặc bằng cách bổ sung các cation
đa hóa trị (ví dụ, đồng, amoni bậc bốn), thường được sử dụng trong các quy
trình thu hồi và tinh chế cả ở cấp độ cơng nghiệp và phịng thí nghiệm.
Khả năng tạo gel của pectin cũng liên quan chặt chẽ đến đặc điểm cấu
trúc của chúng. Pectin có methoxyl cao (HM) (50% DE) tạo gel trong điều
kiện axit trong mơi trường nước có hàm lượng đường cao, trong khi pectin có
methoxyl thấp (LM) tạo gel khi có mặt các ion canxi.
1.3.1. Tính chất tạo gel của pectin
Pectin thực sự được sử dụng rộng rãi trong ngành cơng nghiệp thực
phẩm vì đặc tính tạo gel của chúng. Hai loại gel pectin cổ điển, được khám