NGHIÊN cứu HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ THU NHẬN CARRAGEENANCHẤT LƯỢNG CAO từ RONG sụn

1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ


NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ THU NHẬN
CARRAGEENAN CHẤT LƯNG CAO TỪ RONG SỤN




Học viên: Dương Chí Thanh
Ngành: Công nghệ sau thu hoạch
Mã số: 60.54.10





Nha Trang, 2007


2

MỞ ĐẦU
Rong sụn Kappaphycus alvarezii là loại rong có giá trò kinh tế cao. Hiện
rong sụn được nuôi trồng chủ yếu ở Philippines, Indonesia,… Sản lượng rong sụn

hàng năm của Philippines vào khoảng 120 tấn rong khô/năm. Trong rong sụn có
nhiều các chất khoáng như: Mg
2+
, Mn
2+
, Fe
2+
,… Hơn thế nữa, trong rong sụn còn
có chứa carrageenan, một loại polysaccharide được ứng dụng nhiều trong mỹ
phẩm, công nghiệp dệt, dược phẩm,… đặc biệt là trong công nghệ thực phẩm.
Trong thực phẩm carrageenan được sử dụng làm phụ gia để ổn đònh, tăng khả
năng nhũ tương cao cho các sản phẩm sữa, đồ uống,… Ngoài ra, carrageenan còn
được sử dụng để tăng khả năng đông tụ, giữ nước cho nhiều sản phẩm từ thòt và
cá. Hơn nữa, rong sụn còn được sử dụng như là một loại rau cao cấp trong bữa ăn
hàng ngày của nhiều người Á châu như: Nhật Bản, Hàn Quốc,…
Từ năm 1993, rong sụn đã được du nhập về nuôi trồng ở một số tỉnh ven
biển của Việt Nam: Bình Đònh, Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận, Kiên
Giang,… Các nhà khoa học của Việt Nam cũng chỉ mới quan tâm nghiên cứu về
rong sụn trong một vài năm trở lại đây. Các công trình nghiên cứu về rong sụn
mới chỉ tập trung vào nghiên cứu nuôi trồng và sơ bộ nghiên cứu tách chiết
carrageenan từ rong sụn. Tuy vậy, để có thể sản xuất carrageenan từ rong sụn
đòi hỏi phải có các công trình nghiên cứu rất cụ thể về công nghệ thu nhận
carrageenan từ rong sụn. Do vậy, đề tài: “Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ thu
nhận carrageenan chất lượng cao từ rong sụn Kappaphycus alvarezii” là rất cần
thiết, làm cơ sở cho việc sản xuất carrageenan từ rong sụn, góp phần nâng cao
giá trò rong sụn Việt Nam.
Mục đích của đề tài:


3

Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến thành phần,
chất lượng của carrageenan thu nhận từ rong sụn (Kappaphycus alvarezii).
Nội dung của đề tài:
1. Nghiên cứu sự biến đổi hàm lượng carrageenan và một số khoáng chất
trong chu kỳ sống và phát triển của rong sụn.
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại kiềm, acid tới chất lượng của
carrageenan.
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian nấu chiết tới chất lượng
của carrageenan.
4. Xây dựng quy trình hoàn thiện sản xuất carrageenan có chất lượng cao
phục vụ cho lónh vực thực phẩm.
Ý nghóa khoa học
Kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghóa cao về khoa học, chứng minh
rằng các điều kiện công nghệ, chế độ xử lý và nấu chiết có thể ảnh hưởng tới
chất lượng của carrageenan thu nhận từ rong sụn. Kết quả nghiên cứu của đề tài
sẽ là các số liệu thực tế bổ sung cho lý thuyết để phục vụ cho công tác giảng
dạy tại Trường Đại học Nha Trang.
Ý nghóa thực tiễn
Thành công của đề tài sẽ là cơ sở cho việc sản xuất carrageenan sử dụngï
cho lónh vực thực phẩm ở quy mô lớn.







4

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ RONG SỤN VÀ CARRAGEENAN
1.1. GIỚI THIỆU VỀ RONG SỤN
Rong sụn có tên thương mại là cottonii, ký hiệu là KA, thuộc ngành hồng
tảo Rhodophyta, lớp Rhodophyceae, phân lớp Florideophycidae, bộ Gigartinales,
họ Areschougiaceae, giống Kappaphycus, loài alvarezii (Hình 1.1, 1.2, 1.3).

Hình 1.1. Hình ảnh về rong sụn (Kappaphycus alvarezii) tươi

Hình 1.2. Rong sụn khô

Hình1.3. Rong sụn khô
Macxxell Doty là người đầu tiên tìm thấy rong sụn ở vùng biển Philippines
vào năm 1972. Người có công thu mẫu cùng với ông là Alvarezii. Do vậy,
Macxxell Doty đặt tên loại rong này là Euchuma alvarezii Doty. Khi phân tích


5
thành phần hóa học của loại rong này, Macxxell Doty đã đổi tên Euchuma
alvarezii Doty thành Kappaphycus alvarezii (Doty). Sau đó, Macxxell Doty cùng
với một nhóm các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Hawaii bắt đầu nghiên cứu
phát triển phương pháp nuôi trồng rong sụn ở Hawaii. Từ đó, rong sụn được nuôi
trồng và phát triển rộng rãi ở các nước Indonesia, Malaysia, Tanzania, Ấn độ,…
Rong sụn là loài sinh trưởng phát triển nhanh, từ 100 gram rong giống ban
đầu sau một năm nuôi trồng có thể tăng trưởng thành bụi rong nặng tới 14 – 16
Kg. Thân rong dạng hình trụ tròn, đường kính thân chính khi phát triển cực đại
có thể đạt tới 20 mm. Thân chứa nhánh phân bố không theo quy luật. Khi đang
sinh trưởng trong nước biển thì thân rong hơi nhớt, có màu xanh nâu, thân rong
giòn, dễ gẫy. Rong sụn tươi thường có màu xanh hoặc màu đỏ nâu do trong rong
có hai loại sắc tố là phycobline (bao gồm phycocyanine có màu xanh tím,

phycocythrine có màu đỏ) và chlorophyll. Sau khi thu hoạch, phơi khô rong sụn
thường có màu vàng nâu, thể tích bò giảm đến ¾ so với khi ở trong nước biển và
có trạng thái rắn chắc.
Nhiệt độ thích hợp nhất cho sự để sinh trưởng và phát triển của rong sụn
là từ 25

28
0
C. Nhiệt độ cao hơn 30
0
C và thấp hơn 20
0
C sẽ ảnh hưởng đến sinh
trưởng của rong. Nếu nhiệt độ thấp hơn 15

18
0
C thì rong sẽ ngừng phát triển.
Rong sụn là loài ưa mặn, chúng chỉ sinh trưởng và phát triển tốt ở nơi có
độ mặn cao (28

32
0
/
00
), ở độ mặn thấp (18

20
0
/

00
) rong sụn chỉ có thể tồn tại
trong thời gian ngắn (5

7 ngày) và nếu kéo dài nhiều ngày rong sẽ ngừng phát
triển, có hiện tượng đứt gẫy và dẫn đến tàn lụi.
Rong sụn thuộc ngành rong đỏ Rhodophyta có chứa các sắc tố chlorophyll
và phycobline nên rong sụn chỉ thích nghi với ánh sáng có bước sóng ngắn với
cường độ ánh sáng không cao, từ 12.000

50.000 lux, thích hợp nhất từ 30.000

50.000 lux. Ánh sáng quá thấp hoặc quá cao thì đều ảnh hưởng đến quá trình
sinh trưởng và phát triển của rong. Rong sụn phát triển tốt ở vùng nước thường


6
xuyên trao đổi và luân chuyển (tạo ra do dòng chảy, dòng triều hay sóng bề
mặt) - đây là yếu tố cực kỳ quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng và phát
triển cũng như chất lượng của rong sụn. Trong điều kiện nhiệt độ không quá cao,
nước được trao đổi thường xuyên, rong sụn hầu như không đòi hỏi nhiều về các
chất dinh dưỡng, các chất dinh dưỡng có sẵn trong nước đủ cung cấp cho rong
sụn phát triển. Chỉ trong điều kiện nước tónh, ít được trao đổi và nhiệt độ nước
cao (mùa nắng – nóng, trong các thuỷ vực nước yên như: ao, đìa nhân tạo) rong
sụn đòi hỏi dinh dưỡng cung cấp thêm các chất: Amon và Phot phat cao hơn cho
sự sinh trưởng. Nhìn chung ở các vùng có hàm lượng các chất dinh dưỡng: Amon,
Natri, Phot phat cao, tốc độ sinh trưởng của rong sụn cao và các lọai chất dinh
dưỡng này còn giúp rong sụn phát triển bình thường trong các điều kiện không
thuận lợi về nhiệt độ, độ mặn hay nước ít lưu chuyển. Tốc độ tăng trưởng của
rong sụn cao nhất vào khoảng tuần thứ 2 đến tuần thứ 4, khi kích thước rong ở

200

700g/cụm. Khi rong đạt bình quân trên 1000g/cụm (ở tuần thứ 5 hoặc thứ
6) tốc độ sinh trưởng của rong giảm dần, hàm lượng kappa-carrageenan càng cao
khi kéo dài thời gian trồng. Do đó để đảm bảo cho việc nuôi trồng rong sụn có
năng suất và chất lượng cao, thời gian thu hoạch rong ít nhất sau hai tháng trồng
là hợp lý. Nhìn chung, tốc độ tăng trưởng của rong sụn từ 5

7%/ngày trong mùa
mát và từ 1

3% trong mùa nóng.
Rong sụn và đa số các loài rong có mùi tanh đặc trưng, mùi của rong sụn
là yếu tố phức tạp được cấu thành bởi nhiều yếu tố trong đó có sự tham gia đáng
kể của bihenic acid, là loại acid do vi khuẩn sống trên thân cây rong sinh ra. Các
vi khuẩn này có rất nhiều trong nước biển. Để khử mùi cho rong sụn, người ta có
thể phơi rửa rong nhiều lần bằng nước sạch hoặc ngâm trong nước gạo, dấm ăn,
nước trà,…
Thành phần hóa học của rong sụn [4]:


7
Thành phần chính của rong sụn là carrageenan. Hàm lượng carrageenan có
thể chiếm đến 40% trọng lượng khô của rong. Trong đó carrageenan tan chiếm
khoảng 33% và carrageenan không tan chiếm 7%. Thành phần hóa học cơ bản
của rong sụn nguyên liệu thu hoạch ở biển, phơi nắng đến độ ẩm khoảng 20%,
rửa sạch bằng nước sinh hoạt và sấy khô ở 40

50
0

C để đạt trở lại độ ẩm
19

20% thể hiện ở bảng 1.1.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của rong sụn [4]
Thành phần
Hàm
lượng
Đơn vò
tính
Thành phần
Hàm
lượng
Đơn vò
tính
Protein 2,40 % Cu 2,30 %
Đường tổng 0,00 % S 2,60 %
Cellulose 4,00 % SO
4
2-
8,08 ppm
Ẩm 19,60 % I 23,00 %
Tro tổng 20,00 % Cl 6,87 %
Carrageenan 40,00 % Hg 0,01 %
K 2,20 % As 0,02 %
Na 2,40 % Pb 0,75 %
Ca 0,36 % Cd 0,31 %
Fe 0,04 ppm Sb 5,08 %
Rong sụn có chứa hàm lượng tro rất đáng kể. Khi xử lý chế biến rong
thành thực phẩm thì hàm lượng tro còn lại so với lúc chưa xử lý là 6/10 (hay đạt

khoảng 16% chất khô). Như vậy sau khi xử lý lượng khoáng bám ở lớp bên
ngoài rong đã bò giảm đi khá nhiều. Nhưng trong rong sụn sau xử lý vẫn chứa
nhiều loại nguyên tố vi lượng như: Mo, Fe, Cu, Mg, Zn, Ca, Na, K; và các chất


8
phi kim loại như: I, S, P, đây là các chất cần thiết cho cơ thể con người. Ngoài ra
trong rong nuôi ở môi trường ô nhiễm có thể chứa các ion kim loại nặng như:
Hg, As, Pb, Cd,… Nhưng nhiều nghiên cứu về rong sụ cho thấy hàm lượng các
chất này đều ở dưới mức độ cho phép của theo tiêu chuẩn của Bộ Y Tế ngày
4/4/1998. Khi đã xử lý chế biến rong sụn thành thực phẩm có hàm lượng ẩm cao
tới 80

90%, hàm lượng các kim loại nặng sẽ giảm xuống thấp hơn. Trong rong
sụn còn chứa protein. Protein của rong sụn có giá trò dinh dưỡng cao do có chứa
11 amino acid với hàm lượng khá cao bao gồm 5 amino acid không thay thế
(bảng 1.2). Vì vậy, có thể nói nguyên liệu rong sụn là nguồn nguyên liệu thực
phẩm giàu dinh dưỡng và không gây độc hại.
Bảng 1.2. Hàm lượng amino acid của rong sụn [4]
Amino acid Hàm lượng (%) Amino acid Hàm lượng (%)
Leucin 0,080 Alanin 0,140
Methionin 0,070 Glutamin 0,280
Phenylalanin 0,230 Glycin 0,130
Valin 0,070 Prolin 0,230
Tryptophan 0,082 Serin 0,110
tyrosin 0,080
Các quá trình biến đổi của rong nguyên liệu sau thu hoạch [8]
Quá trình phá vỡ cấu trúc cây rong và phân giải các hợp chất keo rong
polymer Glucoside
Trên rong biển thường chứa 20 loại vi sinh vật khác nhau, có nhiều loại

chuyên phân hủy keo rong (Agar, Alginic). Các loại vi sinh vật này rất thích nghi
với sự có mặt của các muối có trong thành phần nước biển. Khi cây rong còn
sống nó tạo ra các Antibiotic để chống lại hoạt động của các vi khuẩn này. Khi


9
cây rong đã chết không còn khả năng trên, vi sinh vật sẽ xâm nhập vào thân cây
rong và phá hủy tế bào của nó, phân hủy các chất keo rong. Nếu cứ để môi
trường nước biển bám trên cây rong thì càng làm cho vi sinh vật nhanh chóng
phá hủy cây rong trong thời gian ngắn. Đồng thời trong rong biển còn chứa các
enzyme đặc hiệu có khả năng thủy phân các chất polymer keo rong thành các
thành phần đơn giản, đặc biệt chúng hoạt động trong điều kiện độ ẩm cao và
làm cho tế bào rong bò phá hủy. Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng tự phân
của tế bào cây rong.













Hình 1.4. Sự phân giải carrageenan thành carrageenan dextrin
Tác hại của quá trình biến đổi này là làm cho chất lượng keo rong giảm,
cụ thể là độ nhớt của keo rong giảm do kích thước phân tử keo rong ngắn hơn.

Sinh nhiệt do hô hấp tế bào
Sau khi rong vớt lên khỏi mặt nước, rong biển vẫn tiếp tục hô hấp trong
một thời gian nữa. Quá trình hô hấp tế bào sẽ sinh ra lượng nhiệt làm cho khối
O

O

CH
2
O
2

O

O

O

O

OH

n

Enzyme

H
2
O
VSV

O

O

CH
2
O
2
-
SO

O

O

O

OH

n=3-10

Carrageenan

Carrageenan dextrin



10
rong nóng lên nếu không chú ý làm tản nhiệt cho khối rong. Khi nhiệt tỏa ra làm

cho nhiệt độ tăng lên cao sẽ góp phần tích cực vào quá trình phá hủy tế bào và
các hợp chất polymer.

Quá trình thối rửa
Sau quá trình phá hủy cấu trúc và thủy phân các hợp chất keo rong là quá
trình phân hủy các chất có trong rong biển như Agar, Alginate, cellulose,
protein,…. tạo thành các hợp chất phân hủy thối rửa.
1.2. GIỚI THIỆU VỀ CARRAGEENAN
Carrageenan là một lọai polysaccaride tìm thấy trong các lòai rong đỏ như
là: Chondrus, Gigartina, Eucheuma, Furcellaria, Phyllophora,… từ những năm
1837. Stanford (1862) đã đặt tên loại polysaccaride được chiết bằng nước từ loài
Chondrus crispus là “Carrageenin”. Việc tinh sạch chúng bằng phương pháp kết
tủa cồn đã được thực hiện vào năm 1871. Tên gọi “carrageenan” được đề nghò
và được Ủy Ban Danh pháp thuật ngữ carbohydrate của Hội Hóa học Mỹ thông
qua. Nhưng việc sản xuất carrageenan chỉ thực sự được quan tâm trong những
thập niên 1930 khi một số công ty ở bờ biển phía Tây nước Mỹ phát hiện ra
carrageenan có độ nhớt cao và có khả năng tạo gel. Hiện nay, các nước sản xuất
carrageenan chủ yếu là: Mỹ, Đan Mạch, Pháp, Nhật, Tây Ban Nha, Trung Quốc,
Hàn Quốc, Brazil, Philippines,…
Ở Trung Quốc bắt đầu việc sản xuất carrageenan trong thập niên 1970.
Ban đầu họ dùng loại rong Eucheuma gelatinae có ở đảo Hải Nam làm nguyên
liệu tách chiết và sau đó loại rong Hypnea sp được dùng nhiều hơn.
Carrageenan có tính chất giống như Agar, ngày nay được ứng dụng rất
rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm. Do khả năng ứng dụng của carrageenan
trong lónh vực chế biến sữa và công nghệ sinh học tốt hơn agar nên việc sản xuất
carrageenan tăng lên khá nhanh và gần đây đã vượt qua agar. Sản lượng
carrageenan sản xuất hàng năm trên thế giới khoảng 15.000 tấn. Trong đó,
Trung Quốc chiếm khoảng 600 tấn.

11
1.2.1. Cấu tạo và phân loại carrageenan
Carrageenan là một polyme mạch thẳng, chứa khoảng 25.000 phân tử
galactose, với liên kết luân phiên của

-D-galactose pyranose qua liên kết 1,3
và

-D-galactose pyranose qua liên kết 1,4 (Hình 1.5). [19], [20], [21].

Hình 1.5. Cấu tạo của carrageenan với các liên kết luân phiên

-D-
galactose pyranose và

-D-galactose pyranose
Cấu tạo của carrageenan phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và các điều
kiện tách chiết. Các liên kết ở vò trí số 3 xuất hiện ở các gốc có sulphate ở vò trí
2 và 4 hoặc không có sulphate trong khi liên kết ở vò trí số 4 ở các gốc có
sulphate ở vị trí số 2: gốc 2,6 disulphate, gốc 2,6 anhydro và 3,6 anhydro -2-
sulphate. Người ta khơng gặp các loại carrageenan có gốc Sulphate ở vò trí số 3ù.
Người ta cũng gặp gốc Pyruvat ở carrageenan tách chiết từ rong Gigartina. Các
lọai carrageenan có gốc pyruvat được gọi là Pi-carrageenan. Nhóm methoxyl
cũng có trong các polysaccharide sulphate hóa từ các loài rong thuộc giống
Grateloupiaceae.
Trong hai thập niên 60 và 70, đã có các công trình nghiên cứu cho thấy
carrageenan có nhiều dạng cấu trúc khác nhau. Các loại này chỉ khác nhau ở
mức độ sulphate hóa, vò trí sulphate hóa, mức độ hydrate hóa. Chẳng hạn mu và
nu được xem là các chất ban đầu để tổng hợp nên kappa và iota [8], [22]. Do vậy
các nhà nghiên cứu đã chia carrageenan thành các loại sau: mu, kappa, nu, iota,

lambda, theta và xi - carrageenan. Một số dạng cơ bản của carrageenan như sau:
-

-carrageenan (Kappa-carrageenan) là một loại carrageenan được dùng
thông thường nhất. Những tính chất quan trọng nhất của chúng là sức tạo gel cao


12
và tương tác mạnh với protein sữa. Trên thế giới, carrageenan được sản xuất chủ
yếu là dạng kappa – carrageenan, dạng này chiếm khoảng 70% tổng sản lượng
trên carrageenan thế giới.
-

-carrageenan là lọai carrageenan sau khi xử lý kiềm thì chuyển thành
kappa-carrageenan.

-carrageenan hầu hết được tách chiết từ rong biển nhiệt đới
Kappaphycus alvarezii
(
Kappaphycus alvarezii
cũng được gọi là
Eucheuma cottonii
)

Hình 1.6.

-carrageenan được tạo ra từ

-carrageenan
- Iota-carrageenan là một loại carrageenan có lượng sunphat nằm trung

gian giữa kappa và lambda carrageenan. Iota-carrageenan hình thành gel đàn
hồi với những tính chất đông, tan giá và chữa vết thương tốt.

-carrageenan sau khi được xử lý kiềm thì được chuyển thành iota-
carrageenan.

-carrageenan hầu hết được tách chiết từ rong biển (Eucheuma
denticulatum) có ở Philippines.


13

Hình 1.7.

-carrageenan được tạo ra từ

-carrageenan
- Lambda-carrageenan là một loại carrageenan có mức sulphat cao.
Lambda-carrageenan không tạo gel. Về phương diện thương mại, chúng được
tách chiết từ rong biển dưới dạng một hỗn hợp kappa/lambda.
Lambda-carrageenan (phần lớn được tách chiết từ Gigartina pistillata
hoặc Chondrus crispus) sau khi xử lý kiềm thì được chuyển thành

-carrageenan
(theta-carrageenan), nhưng ở một tốc độ chậm hơn so với những nguyên nhân
tạo ra

-carrageenan và

-carrageenan.

Hình 1.8.

-carrageenan chuyển thành

-carrageenan
1.2.2. Một số tính chất của carrageenan


14
Tính chất hóa học của carrageenan trước là do các nhóm sulphate tạo nên,
đây là các anion mạnh, có thể so sánh với sulfuric acid về độ phân ly. Các
carrageenan chứa gốc acid tự do thường không bền và do vậy các carrageenan
thương mại thường ở dạng muối của K
+
, Ca
2+
hoặc là hỗn hợp của cả hai muối
này. Các cation gắn vào các nhóm sulphate trong mạch polyme, có ảnh hưởng
rất lớn đến tính chất vật lý của carrageenan. [33]
Tất cả các loại carrageenan đều có khả năng tương tác với protein. Hầu hết
chúng đều có tương tác ion – ion giữa nhóm sulphate của carrageenan và nhóm
mang điện của protein. Khả năng tương tác giữa protein - carrageenan phụ thuộc
vào tỷ lệ điện tích của protein so với carrageenan. Như vậy tương tác này phụ
thuộc vào mức độ tích điện của protein, pH của dung dòch và tỷ lệ khối lượng
của carrageenan so với protein. Mặt khác, carrageenan còn có thể liên kết từ đó
làm kết tủa các đại phân tử mang điện tích dương như: xanh metylen, safranine,
mauvine, các loại phẩm màu azo và thiazo khác; tính chất này giống như một
vài alkaloid và protein. [31]
Trên điểm đẳng điện (pI)

Dưới điểm đẳng điện (PI)

Ca
2+

Ca
2+

Ca
2+

Ca
2+

Ca
2+

CO
2
-

CO
2
-

CO
2
-

CO
2
-

CO
2
-

NH
2

NH
2

NH
2

NH
2

NH
2

SO
4
-

SO
4
-

SO
4
-

SO
4
-

SO
4
-

NH
3
+

NH
3
+

NH

3
+

NH
3
+

NH
3
+

CO
2
-

CO
2
-

CO
2
-

CO
2
-

SO
4
-

SO
4
-

SO
4
-

SO
4
-

SO
4
-

NH
3
+

NH
3
+

NH
3
+

NH

3
+


NH
3
+

CO
2
-

CO
2
-

CO
2
-

CO
2
-

CO
2
-

SO
4

-

SO
4
-

SO
4
-

SO
4
-

SO
4
-



15


Ngoài ra, carrageenan còn bò kết tủa trong cồn (cồn đóng vai trò là tác
nhân dehydrate hóa). Một tính chất không mong muốn của carrageenan là dễ bò
depolyme hóa do bò thuỷ phân dưới tác động của acid. Điều này có liên quan
đến nhóm 3,6-anhydro trong carrageenan. Carrageenan ở trạng thái gel bền với
acid hơn ở trạng thái dung dòch. Ở môi trường kiềm, carrageenan tương đối bền,
không bò thủy phân. Với pH thấp cùng với sự tác dụng của nhiệt độ thì sự thủy
phân xảy ra nhanh hơn. Khi thủy phân carrageenan tạo thành các sản phẩm như:

glucose, fructose, pentose, ketogluconic acid,… [37]
Carrageenan mà đặc biệt là phân đoạn kappa và lambda-carrageenan sẽ bò
thủy phân bởi enzyme Pseudomonate Carrageenovora hay kappa-
Carrageenovora. Khi kappa, lambda-carrageenan bò thủy phân bởi enzyme này
thì độ nhớt của dung dòch giảm rất nhiều và làm tăng khả năng khử, tạo ra các
sản phẩm thuộc dãy đồng đẳng của Oligosaccharide sulphate.
Carrageenan bò metylen hóa tạo ra các dẫn xuất metyl như 2, 3, 4, 6 tetra-
metyl-D(L)-Galactose hoặc 2,4,6-tri-o-metyl-D(L)-Galactose và dựa vào đặc
tính này người ta đã xác đònh được thành phần và cấu trúc của nó.
Cũng như các polysaccharide tự nhiên khác, carrageenan cũng không có
khối lượng phân tử xác đònh. carrageenan thương mại loại thực phẩm có khối
lượng trung bình nằm trong khoảng 200.000 Dalton. Các tính chất đặc thù của
carrageenan phụ thuộc rất lớn vào khối lượng phân tử của nó và các tính chất
này gần như mất đi nếu khối lượng phân tử nhỏ hơn 100.000 Dalton. [33]
Carrageenan là một polysaccharide mang điện âm, được hình thành do quá
trình đồng trùng hợp. Khi thêm vào dung dòch carrageenan những chất điện phân
thì dung dòch kém bền (độ nhớt giảm), thậm chí chỉ với những vết chất điện
phân.


16
Carrageenan hút nước mạnh, sự hút nước kèm theo sự trương phồng đáng
kể tạo thành gel theo thời gian khi nó tiếp xúc với dung môi. Carrageenan là cao
phân tử (polysaccharide) có cực nên trương nở trong dung môi có cực (nước).
Carrageenan tan trong anhydrous hydrazine, ít tan trong formaldehyd và methyl
sulfoxide, không tan trong dầu và dung môi hữu cơ. carrageenan tan trong nước,
đặc biệt là nước nóng, tuy nhiên tính tan của nó còn phụ thuộc vào loại
carrageenan. [27]
Bảng 1.3. Tính tan của carrageenan trong các môi trường khác nhau
Môi trường


-carrageenan

-carrageenan

-carrageenan
Nước nóng Tan trên 70
0
C Tan trên 70
0
C Tan
Nước lạnh
Tan trong muối
Na
+
, tan hạn chế
trong muối Ca
2+
,
NH
4
+
, K
+

Tan trong muối
Na
+
, tan trong
muối Ca

2+
cho sự
phân tán sol-gel
thuận nghòch
Tan trong tất cả
các muối
Sữa nóng Tan Tan Tan
Sữa lạnh Không tan Không tan Làm phân tán độ
đông đặc
Sữa lạnh
(tetranatri
pyrophosphate)
Đông đặc hoặc
tạo gel
Đông đặc hoặc
tạo gel
Tăng khả năng
tạo gel
Dung dòch đường
có nồng độ cao
Tan trong dung
dòch nóng
Khó tan
Tan trong dung
dòch nóng
Dung dòch muối
có nồng độ cao
Không tan trong
dung dòch nóng và
lạnh

Tan trong dung
dòch nóng
Tan trong dung
dòch nóng
Các dung môi có
lẫn nước
Tan trong dung
môi có nồng độ
khoảng 30%
Giống như

-
carrageenan
Giống như

-
carrageenan
Các dung môi hữu
cơ
Không tan Không tan Không tan


17
Nhiệt độ nóng chảy của gel carrageenan thấp hơn nhiều so với gel Agar.
Khả năng keo hóa của carrageenan nằm trung gian giữa Agar, Alginate và gần
giống với Aginate hơn.
Sự hình thành gel của dung dòch carrageenan là một quá trình nhiệt thuận
nghòch. Khi nhiệt độ cao hơn giá trò nhiệt độ tạo gel thì gel sẽ tan chảy (cân bằng
bò phá vỡ). Tuy nhiên khoảng cách nhiệt từ trạng thái tạo gel đến tan chảy là
một giá trò không đổi, giá trò này khoảng 5


22
0
F (-15

-5,55
0
C). Khả năng hình
thành gel của carrageenan phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ dung dòch. Nồng
độ dung dòch tạo gel và nhiệt độ tạo gel lại phụ thuộc vào loại và số lượng muối
có mặt trong dung dòch. Ngoài ra, tính chất tạo gel còn phụ thuộc chủ yếu vào
loại rong, độ nhớt và phụ thuộc rất lớn vào công nghệ tách chiết, phụ thuộc vào
sự hình thành và phân bố của gốc galactose trong mạch polymer.
Bảng 1.4. Tính chất gel của các loại carrageenan khác nhau [21]
Sự tạo gel (Gelation) Kappa Iota Lambda
Gel chắc nhất
(Strongest gels)
Với K
+
Với Ca
2+

Không tạo gel

Cấu trúc gel
(Gel texture)
Giòn, dễ vỡ
(Brittle)
Đàn hồi
(Elastic)

Không tạo gel

Đông tụ lại sau khi kéo
(Regelating after shear)
Có Không Không
Sự đông đặc (sự tách nước
do co) (Syneresic)
Có Không Không
Tính ổn đònh khi làm
đông/tan giá
(Freeze/thaw stability)
Không Có Không


18
Dung dòch carrageenan có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại ở một bước
sóng nhất đònh phụ thuộc vào loại và thành phần của carrageenan. Dựa vào tính
chất này người ta có thể phân biệt được carrageenan thuộc loại: kappa, iota, hay
lambda,… Các loại polysaccharide thường có khả năng hấp thụ ánh sáng với
bước sóng ở vùng hồng ngoại trong khoảng 1000 – 1100 cm
-1
. Các loại
carrageenan tạo gel thì đỉnh hấp thu cực đại ở bước sóng 1065 cm
-1
, loại không
tạo gel có đỉnh hấp thu ở vùng 1020 cm
-1
.
Dung dòch carrageenan ít bò phân hủy ở môi trường có pH=9. Ở môi
trường có pH=7, dung dòch muối Natri Carrageenate bò thoái hóa do phân tử

carrageenan bò đứt liên kết 3,6-anhydro glactose. Độ nhớt của dung dòch
carrageenan phụ thuộc rất lớn vào độ dài của mạch polymer và các yếu tố ảnh
hưởng đặc biệt là sự có mặt của các muối trong dung dòch. Độ nhớt của dung
dòch tỷ lệ thuận với nồng độ dung dòch và tỷ lệ nghòch với nhiệt độ. carrageenan
cho 3 phản ứng màu đặc trưng: orein, carbazol, diphenylamin.
Do carrageenan mang điện tích âm của gốc OSO
3
-
nên có khả năng liên kết
với protein qua gốc amin mang điện tích dương khi pH nằm dưới điểm đẳng
điện. Chính nhờ đặc điểm đó, trên 50% tổng sản lượng carrageenan được sử
dụng trong công nghiệp sữa. Vai trò carrageenan là làm cho các sản phẩm sữa
có độ ổn đònh nhũ rất cao. Cũng dựa vào đặc tính này, người ta điều chế thuốc
chữa loét dạ dày và đường ruột: khi thành dạ dày bò loét, men pepsin (men thủy
phân protein) cũng sẽ tấn công các protein tại chỗ loét làm cho độ acid tăng lên,
dẫn tới vết loét càng nặng hơn. carrageenan tương tác với pepsin và ức chế tác
dụng của nó.
Carrageenan có tính

chất tạo gel đông giống như agar nhưng sức đông kém
hơn vì ảnh hưởng bởi lực tónh điện của các nhóm –SO
3
. Tuy nhiên trong môi
trường có canxi thì sức đông tăng lên rất lớn (1000g/cm
2
) do có sự tạo thành cầu


19
nối liên kết canxisulphate giữa các phân tử carrageenan trong dung dòch (Hình

1.9).

Hình 1.9. Hình ảnh về quá trình tạo gel đông của carrageenan
Ghi chú:
a) Carrageenan ở thể dung dòch, phân tử hòa tan ở dạng cấu trúc bậc I,
vô đònh hình.
b) Khi nhiệt độ bắt đầu hạ xuống, các sợi đơn lẻ hình thành xoắn kép với
nhau nhờ liên kết hydro của oxy ở C
6
, tạo cấu trúc bậc II, III, lúc này trong dung
dòch có sự sắp xếp vô trật tự các phân tử vừa có cấu trúc bậc I, vừa có cấu trúc
bậc II, tạo dung dòch có cấu trúc bậc III.
c) Khi nhiệt độ lại tiếp tục hạ xuống, độ nhớt của dung dòch tăng cao, các
xoắn kép lại có xu thế đònh hướng liên kết với nhau qua các nhóm –OH mạch
bên, tạo nên trạng thái ổn đònh, trật tự và ở trạng thái gel đông. Trường hợp có
mặt Ca
2+
gel đông bền vững do tạo thành các cầu liên kết canxi photphat giữa
hai phân tử carrageenan hoặc giữa các cặp xoắn kép.
Trong môi trường acid yếu, carrageenan chuyển thành carrageenic acid
ROSO
3
H.


20
Trong môi trường kiềm, carrageenan bò khử các gốc –SO
3
và hình thành
liên kết anhydro.

1.3. TỔNG QUAN CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI
NƯỚC VỀ RONG SỤN VÀ CARRAGEENAN
Các công trình nghiên cứu trong nước
Năm 1993, tác giả Huỳnh Quang Năng, phân viện phó Phân viện Khoa
học Vật liệu Nha Trang là người có công đầu trong việc nghiên cứu và di trồng
loại Kappaphycus alvarezii ở vùng ven biển, đảo phía nam nước ta. Dựa vào đặc
điểm thân mềm và giòn như xương sụn, ông đã đặt tên Việt Nam cho cây là rong
sụn.
Từ cuối năm 1999 đến nay, Phân viện Khoa học Vật liệu Nha Trang đã
phối hợp với Trung tâm Khuyến ngư tỉnh Kiên Giang triển khai thành công mô
hình thử nghiệm trồng rong sụn ở vùng bãi ngang biển ven bờ biển đảo Phú
Quốc.
Các nhà khoa học thuộc Phân viện Khoa học Vật liệu tại Nha Trang cũng
đã nghiên cứu và xác đònh được trong rong rất giàu các chất khoáng có thể sử
dụng để chế biến các loại thực phẩm cức năng phòng và chữa bệnh bướu cổ, suy
dinh dưỡng, ngăn ngừa và phòng chống một số bệnh nan y như: rong mứt có tác
dụng ức chế sự sinh trưởng của Sarcoma-180 phòng ngừa các bệnh u bướu, ung
thư; rong Câu Cước có tác dụng tốt đến hoạt động của hệ tiêu hóa (nhuận
trường); các loài rong mơ có tác dụng hạn chế mức độ cholesterol trong máu,
chống đông máu và mỡ cao trong máu.
Đống Thò Anh Đào (1999) đã nghiên cứu thu nhận carrageenan từ rong sụn
Kappaphycus alvarezii nuôi trồng ở Ninh Thuận. Kết quả cho thấy, hàm lượng
carrageenan trong rong sụn chiếm đến 40% tổng số các thành phần. Ngoài ra,
tác giả còn tìm thấy trong thành phần protein của rong sụn còn có chứa 11 acid
amin với hàm lượng khá cao, trong đó có 5 acid amin không thay thế. [4]


21
Lâm Ngọc Trâm, Đỗ Tuyết Nga, Nguyễn Phi Đính, Phạm Quốc Long,
Ngô Đăng Nghóa (1999), đã nghiên cứu và xác đònh hàm lượng các thành phần

hóa học cơ bản của rong ở Việt Nam như: ngành rong đỏ, ngành rong nâu, ngành
rong lục. Kết quả cho thấy tổng lượng khoáng biến động rất lớn tùy theo loài,
nơi sống và nhất là giai đoạn phát triển của rong. Ngoài ra, tổng lượng khoáng ở
rong còn biến đổi phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường [12].
Nguyễn Bích Thủy (2003) đã nghiên cứu chiết tách và một số tính chất
của carrageenan từ rong đỏ từ vùng biển Việt Nam.
Thành Thò Thu Thủy, Trần Thò Thanh Thủy, Trần Thò Thanh Vân (2003)
đã nghiên cứu thành phần hóa học và cấu trúc của

-carrageenan từ tảo biển đỏ
ở vùng biển Việt Nam.
Phạm Văn Đạt (2004) đã nghiên cứu tách chiết và thử nghiệm sản xuất
chế phẩm nước chiết từ rong sụn đóng hộp. Kết quả đã xây dựng được quy trình
công nghệ sản xuất nước chiết đóng chai từ rong sụn.[5]
Trần Thò Thanh Thủy (2004) đã nghiên cứu sử dụng các phương pháp phổ
để xác đònh thành phần hóa học và cấu trúc của carrageenan từ Kappaphycus
alvarezii. Kết quả đã đònh tính và đònh lượng được thành phần carrageenan và
chỉ ra rằng các loại đường galactose và 3,6-anhydro-galactose là những thành
phần chính có trong carrageenan. Ngoài ra, còn khảo sát được trình tự sắp xếp
các monome galactose pyranose và 3,6 – anhydro-galactose pyranose trên mạch
polyme bằng phương pháp khối phổ. Cơ chế phân mảnh của mẫu

-carrageenan
Sigma và mẫu nghiên cứu đã được xây dựng và kiểm tra lại qua việc phân tích
phổ MS và MS/MS của một số mảnh đặc trưng. Kết quả một lần nữa xác nhận

-carrageenan với trình tự sắp xếp luân phiên của hai loại monome galactose
pyranose và 3,6-anhydro-galactose pyranose.[10]
Các công trình nghiên cứu ngoài nước
Vào những năm 1842 – 1862, Schimdt, Stantord,… đã phát hiện ra

carrageenan có trong một loài tảo đỏ có tên là Chondrus cripus và loài Irish


22
moss thuộc họ Rhodophyceae, nhưng họ vẫn chưa xác đònh được tính chất, thành
phần của carrageenan. Cho đến những năm chiến tranh thế giới lần thứ nhất do
thiếu trầm trọng gelatin phục vụ cho quân đội nên các nhà khoa học tập trung
nghiên cứu tìm kiếm các chất thay thế cho gelatin. Cuối cùng người ta đã tìm
thấy carrageenan có tính chất gần giống với gelatin.
Năm 1952, Kzevter, Krishna-pilla (1957) đã nghiên cứu hàm lượng khoáng
có trong rong đỏ, đây là loài có chứa nhiều carrageenan. Kết quả nghiên cứu của
tác giả cho thấy, hàm lượng các chất khoáng tồn tại trong rong đỏ dưới dạng
muối hoà tan như: natri clorua, kali clorua, kali sulfate, natri iode, magie clorua,
natri carbonate, natri sunfate, magie carbonate. Ngoài ra, còn có một số muối
không hoà tan như: canxi sulphate, canxi phosphate, canxi carbonate, magie
carbonate, magie phosphate.
Từ năm 1973, Maxwell Doty và cộng tác viên đã tiến hành nghiên cứu
phương pháp trồng rong sụn ở quy mô lớn ở Hawaii. Sự thành công của phương
pháp này nhanh chóng được lan rộng tới các nước Indonesia, Malaysia,
Tanzania, India và các nước thuộc vùng biển nhiệt đới.
Năm 1989, C. Rochas, M. Rinaudo and S. Landry đã tiến hành nghiên
carrageenan tách chiết từ Eucheuma cottonii bằng cách phân tích thành phần
carrageenan bò thủy phân bằng enzyme. Cũng như phân tích carrageenan tách
chiết từ Eucheuma cottonii bằng quang phổ hồng ngoại (IR), quang phổ cộng
hưởng từ hạt nhân 13C và 1H NMR đã chứng minh rằng carrageenan được tách
chiết từ Eucheuma cottonii gồm có một vài polysaccharide bao gồm thành phần
chính là kappa-carrageenan và những thành phần nhỏ hơn là các galactan không
đều đã bò metyl hóa một phần, chứa một tỷ lệ lớn dạng iota-carrageenan [23].
Năm 1993, Clinton J. Dawes, A. O. Lluisma và G. C. Trono đã nghiên cứu
tốc độ phát triển của hai loại rong sụn (rong sụn nâu và rong sụn xanh) trong

phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy, rong sụn phát triển rất nhanh, đặc biệt là ở


23
vùng nhiệt đới. Nghiên cứu này cũng đã chứng minh khả năng thành công, cho
hiệu suất cao và được ứng dụng rộng rãi ở Philippines.[24]
1.4. MỘT SỐ QUY TRÌNH TÁCH CHIẾT CARRAGEENAN [27] [29]
Hiện nay có một số quy trình tách chiết carrageenan của FAO như sau:



















+ Quy trình sản xuất

-carrageenan

Eucheuma sp
.

Chondrus sp.
Hypnea sp.
Furcellaria sp.

Tẩy màu

Xư
û lý kiềm

Rửa

Phơi nắng

Dùng dung dòch NaOH 5-10% ở
nhiệt độ 80-90
0
C trong một thời gian
ngắn

Rửa đến trung tính

24





















Trong đó:
Trong đó: A là quá trình sản xuất carrageenan bằng phương pháp kết tủa
KCl; B là quá trình sản xuất carrageenan bằng phương pháp ép tách nước; C là
quá trình sản xuất carrageenan bằng phương pháp cấp đông.


25

Kappa – carrageenan có chứa hàm lượng sulphate khoảng 25%, đây là
một hàm lượng thấp. Cho nên, kappa – carrageenan thường được tách chiết thu
nhận bằng phương pháp cấp đông.
+ Quy trình sản xuất

-carrageenan

















Lambda – carrageenan chứa hàm lượng sulphate khoảng 35% và 0% 3,6 –
anhydro galactose, nên không có khả năng tạo gel. Vì vậy, trong quá trình tách
chiết thu nhận lambda – carrageenan thường dùng phương
pháp kết tủa cồn.
Iota – carrageenan có khả năng tạo gel với Ca
2+
, nhưng có chứa hàm lượng 3,6

– anhydro galactose khoảng 30% và 32% sulphate. Vì vậy, chúng có khả năng
Gigartina sp.

Chondrus sp.
Eucheuma sp.
Rửa

Nấu chiết

Lọc

Bay hơi

Sấy khô

Thu carrageenan
kết tủa
Kết tủa

Nghiền, xay

Iota vàlambda
carrageenan
dạng bột