Nghiên cứu hoàn thiện quy trình thu nhận iota-carrageenan từ rong gai Eucheuma denticulatum trồng tại Cam Ranh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
oOo



PHẠM MINH SUM



NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN QUY TRÌNH THU NHẬN
IOTA- CARRAGEENAN TỪ RONG GAI EUCHEUMA
DENTICULATUM TRỒNG TẠI CAM RANH


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM





Giáo viên hướng dẫn
TS. PHAN THỊ KHÁNH VINH



Nha Trang, năm 2013
LỜI CẢM ƠN

Qua 3 tháng nghiên cứu và thực tập tại phòng thí nghiệm bô môn công
nghệ thực phẩm cho đến nay tôi đã hoàn thành xong đề tài “Nghiên cứu hoàn
thiện quy trình thu nhận iota-carrageenan từ rong gai Eucheuma
denticulatum trồng tại Cam Ranh”
Để đạt được kết quả như mong muốn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất
nhiều của gia đình, thầy cô, bạn bè, nhóm sản xuất carrageenan, đặc biệt là sự
giúp đỡ tận tình của cô giáo TS. Phan Thị Khánh Vinh trong suốt thời gian
thực hiện đồ án tốt nghiệp. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo TS.
Phan Thị Khánh Vinh cùng toàn thể quý thầy cô trong khoa Công Nghệ Thực
Phẩm, nhóm sản xuất carrageenan và các bạn học cùng lớp 51TP3 đã tham
gia giúp đỡ và đóng góp ý kiến để tôi hoàn thành tốt đề tài này.
Nha Trang, tháng 7, năm 2013
Sinh viên thực hiện

Phạm Minh Sum












MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1. Nguyên liệu sản xuất carrageenan từ rong gai Eucheuma denticulatum 3

1.1.1. Tổng quan về rong gai 3

1.1.1.1. Đặc điểm hình thái của rong gai 3
1.1.1.2. Thành phần hóa học của rong gai 4
1.1.2. Khái niệm chung về carrageenan 5

1.1.2.1. Nguồn gốc của carrageenan 5
1.1.2.2. Mức độ an toàn phụ gia carrageenan 6
1.1.2.3. Thị trường tiêu thụ và sản xuất 6
1.2. Cấu trúc hóa học và tính chất của carrageenan 6

1.2.1 Cấu trúc của carrageenan 7

1.2.2. Tính chất của carrageenan 9

1.2.2.1. Tính tan 9
1.2.2.2. Độ nhớt 10
1.2.2.3. Tính trương nở. 10
1.2.2.4. Khả năng và cơ chế tạo gel. 10
1.2.2.5. Phản ứng với protein 12
1.2.2.6. Khả năng tương tác với các chất khác. 13
1.2.2.7. Tính chịu nhiệt. 14
1.2.2.8. Tính bền axit. 14
1.2.2.9. Phản ứng tạo tủa 14
1.2.2.10. Tính thủy phân và sự metyl hóa, ứng dụng để xác định công thức

cấu tạo của carrageenan. 15
1.2.2.11. Một vài tính chất khác 15
1.3. Một số quy trình công nghệ sản xuất carrageenan 16


1.3.1. Sản xuất carrageenan bán tinh chế 16

1.3.2. Sản xuất bột carrageenan 17

1.3.3. Sản xuất carrageenan dạng gel 20

1.4. Ứng dụng của carrageenan 22

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
25

2.1. Đối tượng nghiên cứu 25

2.2. Phương pháp nghiên cứu 25

2.2.1. Sơ đồ nghiên cứu chung 25

2.2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thu nhận và đánh giá chất lượng iota-
carrageenan tự nhiên. 27

2.2.3. Quy trình sản xuất iota-carrageenan dự kiến. 28

2.2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quy trình xử lý kiềm dịch lọc iota-
carrageenan tự nhiên. 30

2.3. Phương pháp phân tích 35

2.4. Phương pháp xử lý số liệu 36

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 37

3.1. Kết quả xác định thành phần hóa học của rong nguyên liệu 37

3.2. Kết quả đánh giá chất lượng iota- carrageenan tự nhiên. 38

3.3. Kết quả tối ưu hóa công đoạn xử lý kiềm dịch lọc. 40

3.4. Kết quả đánh giá chất lượng của iota-carrageenan đã xử lý kiềm 50

3.5. Đề xuất quy trình sản xuất iota-carrageenan từ rong gai 54

3.6. Sơ bộ tính toán giá thành sản phẩm. 58

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61




DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng Danh mục các bảng Trang
1.1 Thành phần hóa học của rong gai trồng tại vùng
biển duyên hải Nam Trung Bộ
4

1.2 Tính tan của carrageenan trong các môi trường khác
nhau

9
1.3 Tính chất gel của các loại carrageenan khác nhau

12
2.1

Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố thực nghiệm

33
2.2

Ma trận trực giao cấp 2 ba yếu tố

33
2.3

Kết quả kiểm tra mức có ý nghĩa của hệ số hồi quy

34
2.4 Kết quả tối ưu hóa quá trình xử lí kiềm 34
3.1

Thành phần hóa học cơ bản của nguyên liệu

37
3.2

Hàm lượng chất khô và độ nhớt qua các công đoạn
39
3.3 Kết quả thí nghiệm xác định độ nhớt dung dịch
carrageenan ở 70
0
C
41
3.4 Kết quả thí nghiệm ở tâm phương án 42
3.5 Kết quả các hệ số t,b sau khi tính toán 43
3.6
Kết quả tính toán
Y
I
, y
i
44
3.7 Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố 45
3.8 Kết quả xác định độ nhớt ở 70
0
C sau rã đông lần 1 46
3.9 Các hệ số b
j
47
3.10 Kết quả thí nghiệm ở tâm phương án 47

3.11 Kết quả kiểm định các hệ số hồi quy 48
3.12 Các số liệu dùng để tính toán 49
3.13 Các thông số của gel iota- carrageenan không qua xử lý
kiềm và qua xử lý kiềm
50

3.14 Bảng mô tả cảm quan về màu sắc của iota- carrageenan
sau khi sấy
52
3.15 Điểm cảm quan màu sắc của iota- carrageenan

52
3.16
Thành phần hóa học cơ bản của iota-carrageenan

53
3.17 Kết quả kiểm tra vi sinh của iota-carrageenan 53
3.18 Bảng tính giá thành sản phẩm cho 100g iota-
carrageenan sấy khô
59













DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình Danh mục các hình Trang
1.1 Eucheuma deticulatum tự nhiên 3

1.2 Cấu trúc của carrageenan 7
1.3 Sơ đồ mô hình quá trình tạo gel thuận nghịch về nhiệt
của carrageenan
12
1.4 Các hình thức liên kết giữa carrageenan với protein 13
1.5 Cấu trúc của đoạn galactan trước và sau xử lý kiềm 14
1.6 Sơ đồ sản xuất carrageenan bán tinh chế 16
1.7 Sơ đồ sản xuất bột carrageenan 18
1.8 Sơ đồ sản xuất kappa-carrageenan dạng gel 21
1.9 Tỉ lệ sử dụng carrageenan trong các sản phẩm 23
2.1 Sơ đồ nghiên cứu chung 26
2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm thu nhận và đánh giá chất lượng
iota- carrageenan tự nhiên
27
2.3 Quy trình sản xuất iota-carrageenan dự kiến 29
2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quy trình xử lý kiềm
dịch lọc iota- carrageenan tự nhiên
31
3.1 Quy trình sản xuất iota- carrageenan 54
3.2 Sản phẩm iota- carrageenan 58
1
LỜI MỞ ĐẦU
Việt Nam có hệ động vật, thực vật vô cùng phong phú, có nhiều gen
quý hiếm đặc trưng cho khí hậu nhiệt đới nóng ẩm. Một trong những điều
kiện tạo nên sự phong phú và giàu có ấy chính là vùng biển nhiệt đới rộng với
bờ biển dài hơn 3000 km bao bọc hết phía đông và nam đất nước. Một trong
những nguồn tài nguyên phong phú và có giá trị mà vùng biển ban tặng cho
chúng ta là rong biển.
Trên thế giới, rong biển thuộc vào loại tài nguyên có giá trị kinh tế và
được khai thác từ nhiều năm nay. Trong số những giá trị về mặt kinh tế của

rong biển, phải kể đến carrageenan, một trong những sản phẩm có giá trị kinh
tế tương đối cao và được ứng dụng rộng rãi vào trong chế biến thực phẩm.
Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều dạng sản phẩm carrageenan được
chiết xuất từ rong biển khác nhau nhưng chất lượng carrageenan chưa được
cao.
Để nâng cao chất lượng carrageenan thì nhiều quy trình sản xuất có bổ
sung công đoạn xử lý kiềm trong dung dịch chiết để nâng cao chất lượng
carrageenan. Tuy nhiên, hạn chế của những quy trình này là cần phải có thiết
bị chịu được kiềm, axit với nồng độ cao và bã rong phải được xử lý nếu
không sẽ làm ô nhiễm môi trường và phần lớn các quy trình này chỉ áp dụng
với loài rong sụn. Trong khi đó, một loài rong biển đã có mặt ở Việt Nam từ
nhiều năm nay đó là rong gai Eucheuma denticulatum và đã được trồng với số
lượng lớn vẫn chưa được nghiên cứu nhiều. Trong Eucheuma denticulatum
hàm lượng iota- carrageenan khá cao. Vì vậy cũng là nguồn cung cấp iota-
carrageenan phục vụ thị trường phụ gia cho lĩnh vực thực phẩm nói riêng và
cho các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật nói chung.
Xuất phát từ thực tế trên và được sự phân công ban chủ nhiệm
2

Khoa Công nghệ Thực phẩm, em thực hiện đề tài “Nghiên cứu hoàn thiện
quy trình thu nhận iota-carrageenan từ rong gai Eucheuma denticulatum
trồng tại Cam Ranh”


Nội dung đề tài
Xác định tính chất lý hoá của iota-carrageenan tự nhiên thu nhận từ
Eucheuma denticulatum.
Tối ưu hoá các thông số nhiệt độ, pH và thời gian trong công đoạn xử
lý kiềm dịch lọc carrageenan.
Xác định các chỉ tiêu hóa, lý và chỉ tiêu vi sinh của iota-carrageenan

sau xử lý kiềm.
Mục tiêu của đề tài
Hoàn thiện quy trình thu nhận iota-carrageenan từ rong gai Eucheuma
denticulatum trồng tại Cam Ranh.
Ý nghĩa khoa học
Hoàn thiện quy trình thu nhận iot-carrageenan từ rong gai Eucheuma
denticulatum để tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt nhất góp phần làm phong
phú thêm sản phẩm carrageenan trên thị trường.
Ý nghĩa thực tiễn
Nâng cao chất lượng sản phẩm iota- carrageenan.
Tạo ra hướng phát triển mới cho ngành công nghiệp sản xuất các chất
phụ gia và phù hợp triển khai áp dụng cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.
Sau hơn ba tháng thực hiện, đến nay em đã cơ bản hoàn thành đề tài ở
mức độ và kiến thức cho phép. Song do nhiều nguyên nhân khách quan và
chủ quan nên chắc chắn đề tài không thể tránh khỏi một số thiếu sót. Em rất
mong có được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn
để luận văn này
được hoàn thiện hơn.
3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Nguyên liệu sản xuất carrageenan từ rong gai Eucheuma
denticulatum

1.1.1. Tổng quan về rong gai

Eucheuma denticulatum là một loài tảo đỏ và một trong những nguồn
chính để sản xuất iota carrageenan . Eucheuma denticulatum được tìm thấy
ở Philippines, các nước nhiệt đới châu Á và Tây Thái Bình Dương trong đó
có Việt Nam. Ở nước ta, rong gai được trồng phổ biến ở khu vực Nam Trung

Bộ, Khánh Hòa, Ninh Thuận…
1.1.1.1. Đặc điểm hình thái của rong gai
Rong gai là loài rong ưa mặn, phát triển tốt ở các vùng nước có độ mặn
cao (28-34%), khoảng nhiệt độ từ 20-30
0
C. Rong thường có màu xanh đến
màu nâu đỏ. Là loài rong có cấu trúc giòn,dễ gãy, da rong bóng đẹp. Trên
thân rong có nhiều nốt sần.
Hình thái rong có nhiều thay đổi tùy theo môi trường sống. Các nhánh
rong có dạng bò hoặc thẳng tùy theo khu vực phân bố.







Hình 1.1. Eucheuma denticulatum tự nhiên
4

1.1.1.2. Thành phần hóa học của rong gai [26], [32]
Thành phần quan trọng nhất của rong đó là hợp chất hữu cơ – các loại
cacbohydrat, hợp chất chứa nitơ, lipid, sắc tố, vitamin, sterin, antioxidant.
Cũng như các loại rong đỏ khác, trong rong carrageenophyte E.denticulatum
chiếm hàm lượng khoáng cao, lên đến 49%.
Thành phần polysacarit cơ bản là carrageenan. Carrageenan thu nhận tư
rong đỏ có cấu trúc không đồng nhất. Thường là lai hóa từ hai hay nhiều hơn
những phân đoạn cấu trúc phân tử polimer.
E.denticulutum mọc tự nhiên ở Philiphine, Madagascar, Tanzania có
hàm lượng carrageenan 39,7%, 35.3%, 31.5% ( tương ứng ). Trong đó iota-

carageenan là chủ yếu chiếm 92-93% còn lại là các loại carrageenan khác.
Bảng 1.1 Thành phần hóa học của rong gai trồng tại vùng biển duyên hải
Nam Trung Bộ [26]
Hàm lượng,% rong khô
Thành phần chung Thành phần monosaccarite
Mẫu
rong
gai
trồng
tại
Khoáng
Protein
Carrageenan



3,6AG
1

6.0metyl
galactose
mantose
Glucose
Glatose
A/ G
2

Khánh
Hội
49.1 6.28 40.7 5.55 - 0.4 1.4 15.0 0.42

Khánh
Nhơn
46.2 9.04 41.1 5.37 - 0.49 0.74 13.9 0.43
Cam
Ranh
38.3 6,25 52.6 4.5 - 0.34 2.34 16.8 0.3

Chú thích:
1: 3,6AG: 3,6 anhydrogalactose
2: A/G
2
: tỉ lệ anhydrogalactose/galactose
Dựa vào bảng 1.1 ta thấy hàm lượng carrageenan có trong rong gai
5

trồng tại vùng biển duyên hải Nam Trung Bộ là khá cao trên 40%.

Khác với Kappaphycus, trong sinh khối rong E.denticulatum không có
gốc 6.0-metylgalactose. Hàm lượng 6.0-metylgalactose tỉ lệ thuận với nhiệt
độ đông đặc, tan chảy của gel carrageenan.
Hàm lượng glucose cho biết tỉ lệ tinh bột có trong rong, tỉ lệ càng cao
thì mức độ tinh sạch của carrageenan càng thấp.
Tỉ lệ A/G cho biết mức độ phân bố gốc 3,6-anhydrogalactose và
galactose. Tỷ lệ A/G càng lớn thì cấu trúc của carrageenan càng đều đặn và tỷ
lệ này phản ánh sức đông của gel. Tỷ lệ A/G trong sinh khối thấp điều này có
nghĩa có thể nâng cao tỷ lệ này bằng sử dụng kiềm để giảm bớt gốc sunfat
làm tăng hàm lượng 3,6 A/G dẫn đến tăng tỷ lệ A/G.
Ngoài các polysaccarite, trong rong đỏ còn có các sắc tố, hỗn hợp
chlorophyle, α.β- carroten, xanthophyle, phycoliprotein, phycoerythine,
phycocyanine, allophycocyanine, tất cả đều tan trong nước.

1.1.2. Khái niệm chung về carrageenan [12], [14], [19], [26]
1.1.2.1. Nguồn gốc của carrageenan
Carrageenan là pollysaccharit có nguồn gốc từ tảo đỏ Rhodophyceae.
Carrageenan đã đựợc sử dụng như là một chất tạo gel trong thực phẩm từ vài
trăm năm trước. Ở Châu Âu việc sử dụng carrageenan đã thấy xuất hiện cách
đây 600 năm tại ngôi làng có tên là Caraghen thuộc phía nam của vùng ven
biển Irish.
Ngày nay người ta đã biết thêm nhiều loại rong có khả năng sản xuất
carrageenan. Những nhiên cứu chi tiết về các loài rong này đã cho phép người
ta có thể trồng chúng trên quy mô lớn và do đó đáp ứng đươc nhu cầu nguyên
liệu cho ngành công nghiệp sản xuất carrageenan. Carrageenan được tách từ
các loài Chondrus, Eucheuma, Gigartina, Gloiopeltis , Iridaea bằng nước
6

nóng trong môi trường kiềm yếu, sau đó được sấy khô hay kết tủa để thu các
sản phẩm tinh sạch hơn.
1.1.2.2. Mức độ an toàn phụ gia carrageenan
Qua nhiều nghiên cứu thử nghiệm lâm sàng độc tính của carrageenan
trên chuột, thỏ cho thấy carrageenan an toàn cho con người. Ở Châu Âu,
carrageenan được xem như phụ gia thực phẩm với ký hiệu E407. Theo Luật
thực phẩm của Mỹ và Tiêu chuẩn Châu Âu, carrageenan thương mại cấp thực
phẩm phải đạt các tiêu chuẩn sau:
- Hàm lượng galactan chứa gốc sunfat 18 ÷ 40%.
- Độ nhớt dung dịch 1,5% carrageenan ở 750C không thấp hơn 5cP,
tương ứng với khối lượng phân tử không thấp hơn 100 kDa.
- Hàm lượng tro tối đa 40%.
- Hàm lượng kim loại nặng (Cd, Pb, Sn, Hg) trong khoảng 1 ÷ 3 mg/kg
phụ thuộc từng loại kim loại nặng [10]
1.1.2.3. Thị trường tiêu thụ và sản xuất
Trong những năm cuối thế kỉ 20 thị trường tiêu thụ carrageenan không

ngừng tăng. Theo số liệu thống kê và dự báo nhu cầu carrageenan tăng 5 ÷
7%/ năm, đặc biệt ở khu vực Châu Á. Theo số liệu thống kê năm 2009, sản
lượng carrageenan sản xuất toàn thế giới đạt 50.000 tấn/năm. Trong đó 41%
tổng sản lượng carrageenan sản xuất tại Philippine, chủ yếu bởi công ty
Marcel Corporation, MCPI, Shemberg Corporation. Bên cạnh đó phải kể đến
các công ty FMC (Mỹ), CP Kelco (Mỹ), Danisco (Đan Mạch), Degussa
(Đức), Ceamsa (Tây Ban Nha). [8], [18]
1.2. Cấu trúc hóa học và tính chất của carrageenan

7

1.2.1 Cấu trúc của carrageenan [3], [11], [13], [14], [25]
Carrageenan có cấu trúc chung là một polymer mạch thẳng với liên kết
luân phiên của β-D-galactopyranora qua liên kết 1,3 và α-D galactopyranora
qua liên kết 1-4. Ngoài mạch polysaccharide chính còn có thể có các nhóm
sulfat được gắn vào carrageenan ở những vị trí và số lượng khác nhau. Vì
vậy, carrageenan không phải chỉ là một polysaccharid đơn lẻ, có cấu trúc nhất
định mà là các galactan sulfat. Mỗi galactan sulfat là một dạng riêng của
carrageenan và có ký hiệu riêng. Ví dụ: λ – , κ –, ι – carrageenan [25]








Hình 1.2. Cấu trúc của carrageenan
Các công trình nghiên cứu bằng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân
cho thấy carrageenan có nhiều cấu trúc hóa học khác nhau. Do đó, phân loại

theo cấu trúc hóa học có các loại carrageenan sau: mu, kappa, nu, iota, lamda,
theta và xi. Các loại này chỉ khác nhau ở mức độ sulphat hóa, vị trí sulphat
hóa, mức độ dehydrat hóa của chuỗi polysacharide. Cấu trúc của chúng đều
có những thành phần về số lượng sulphat của carrageenan chiếm 18 ÷ 40%
phân tử carrageenan.[3],[11],[14]
Carrageenan tự nhiên chiết xuất từ các loại rong khác nhau có thể là
hỗn hợp khác nhau của các loại carrageenan trên.
8

- Nhóm 1: chứa các loại mu, nu, kappa, iota và các dẫn xuất của
chúng. Các carrageenan này tạo gel với ion K
+
hoặc có thể xử lý kiềm để có
tính chất tạo gel, chúng có đặc điểm là gốc đường có liên kết 1,3 hoặc là
không có nhóm sulphat hóa ở vị trí C
4
.
- Nhóm 2: chứa các loại lambda, xi, theta và các dẫn xuất của
chúng. Chúng không có khả năng tạo gel ngay cả trước và sau khi xử lý
kiềm. Đặc trưng của cấu trúc này là cả hai loại gốc đường liên kết 1,4 và
1,3 đều có nhóm sulphat ở vị trí C
2
.
Ngày nay đã phát hiện hơn 18 loại và cấu trúc khác nhau của
carrageenan. Tuy nhiên, kappa-carrageenan, lamda-carrageenan, iota-
carrageenan là được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất.
Cấu trúc của kappa-carrageenan [5]
Kappa-carrageenan là một loại polymer mạch ngắn xen kẽ giữa D-
galactose- 4-sulphat (Gal S) và 3,6-anhydro D-galctose (Gal A). Cấu
trúc

phân tử của kappa-carrageenan là vòng xoắn kép bậc 3.
Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan [5]
Iota-carrageenan cũng có cấu tạo tương tự kappa-carrageenan, ngoại
trừ 3,6-anhydro-galactose bị sulphat hóa ở C
2
. Iota-carrageenan là
carrageenan có nhóm sulphat nhiều nhất trong mạch phân tử, cấu trúc là
vòng xoắn kép bậc 2. Gel iota-carrageenan có tính đàn hồi và mềm hơn so
với kappa-carrageenan.
Cấu trúc hóa học của lamda- carrageenan [5]
Trong mạch phân tử các đơn vị monomeric được xen kẽ với nhau, các
đơn vị gồm D-galactose-2-sunphat (1,3) và D-galactose-2,6- disunphat (1,4).
Các phân đoạn này đều có tính đa phân tán, nhưng chúng khác nhau về
thành phần ester sunphate và gốc quay quang. Lamda- carrageenan có khối
lượng phân tử cao và mạch dài hơn kappa- carrageenan. Thành phần này
9

cũng phụ thuộc vào phương pháp, chế độ xử lý, nấu chiết và loại rong
nguyên liệu.
1.2.2. Tính chất của carrageenan
1.2.2.1. Tính tan [4], [12]
Không tan trong ethanol, tan trong nước. Lamda-carrageenan tan trong
nước ở nhiệt độ thường và mang tính ưa nước nhất do trong phân tử có chứa
ba nhóm sunfat. Kappacarrageenantan hoàn toàn ở nhiệt độ khoảng 80
0
C.
Iota-carrageenan có chứa hai nhóm sunfat vì thế hòa tan ở nhiệt độ khoảng 30
÷ 400C.
Bảng 1.2. Tính tan của carrageenan trong các môi trường
khác nhau

Môi trường κ-carrageenan

ι-carrageenan λ –carrageenan
Nước nóng Tan ở >70
0
C Tan ở >70
0
C Tan
Nước lạnh - - Tan trong các
loại muối
Sữa nóng Không tan Không tan Phân tán dày
Dung dịch đường Tan trong dung
dịch lạnh và
nóng
Khó tan Tan trong dung
dịch nóng
Dung dịch muối Tan trong dung
dịch nóng
Tan trong dung
dịch nước nóng

Tan trong dung
dịch nóng
Dung dịch hưu cơ

Không tan Không tan Không tan

Kappa-carrageenan và lamda-carrageenan hòa tan trong dung dịch
saccharose nóng ở nồng độ lớn hơn 65% và nhiệt độ 700C, trong khi đó iota-
carrageenan không hòa tan dễ dàng trong dung dịch saccharose nóng ở bất kì

nhiệt độ nào. Iota-carrageenan có thể chịu được nồng độ cao của các chất điện
phân như NaCl ở nồng độ > 25% trong khi kappa- carrageenan bị kết tủa.
10

1.2.2.2. Độ nhớt [22]
Độ nhớt của dung dịch carrageenan phụ thuộc và loại carrageenan, khối
lượng phân tử, nhiệt độ, các ion có mặt và hàm lượng carrageenan. Sự liên
quan tỷ lệ thuận giữa độ nhớt và trọng lượng phân tử của carrageenan có thể
mô tả bằng công thức cân bằng của Mark-Houwink như sau:
[η] = K (Mw)α
Trong đó:
η: độ nhớt
Mw: trọng lượng phân tử trung bình
K và α: hằng số phụ thuộc vào dạng của carrageenan và dung môi hòa tan.
Khi nhiệt độ và lực ion của dung dịch tăng thì độ nhớt của dung dịch
giảm. Các carrageenan tạo thành dung dịch có độ nhớt từ 25 – 500 Mpa, riêng
κ –carrageenan có thể tạo dung dịch có độ nhớt tới 2000 Mpa.
1.2.2.3. Tính trương nở [5]
Carrageenan hút nước mạnh và sự hút kèm theo trương phồng đáng kể
tạo thành gel theo thời gian khi nó tiếp xúc với dung môi. Carrageenan là
polysaccharide có cực nên trương nở trong dung môi có cực (nước).
1.2.2.4. Khả năng và cơ chế tạo gel [5]
Phụ thuộc rất lớn vào sự có mặt của các cation. Muối K
+
của
carrageenan có khả năng tạo gel tốt nhất nhưng gel giòn và dễ bị phân
rã. Muối Ca
2+
tạo gel mềm đàn hồi. hành phần ion trong một hệ thực phẩm rất
quan trọng đến hiệu quả sử dụng carrageenan. Ví dụ: kappa-carrageenan chọn

ion K
+
để làm ổn định vùng tạo liên kết, tạo trạng thái gel chắc, giòn. Iota
carrageenan chọn Ca
2+
nối giữa các chuỗi tạo cấu trúc gel mềm và đàn hồi.
Carrageenan có một tính chất vô cùng quan trọng là tạo gel ở nồng độ
thấp (nhỏ hơn 0,5 %). Ở dạng gel các mạch polysaccharide xoắn vòng như lò
11

xo và cũng có thể xoắn với nhau tạo thành khung xương không gian ba chiều
vững chất, bên trong có thể chứa nhiều phân tử nước (hay dung môi). Từ
dạng dung dịch chuyển sang dạng gel là do tương tác giữa các phân tử
polyme hòa tan với các phân tử dung môi ở bên trong, nhờ tương tác này mà
gel tạo thành có độ bền cơ học cao. Phần xoắn vòng lò xo chính là những
mầm tạo gel, chúng lôi kéo các phân tử dung môi vào vùng liên kết. Sự hình
thành gel có thể gây ra bởi nhiệt độ thấp hoặc thêm các cation với một nồng
độ nhất định. Quá trình hình thành gel diễn ra phức tạp, được thực hiện theo
hai bước:
- Bước 1: khi hạ nhiệt độ đến một giới hạn nào đó trong phân tử
carrageenan có sự chuyển cấu hình từ dạng cuộn ngẫu nhiên không có trật tự
sang dạng xoắn có trật tự. Nhiệt độ của quá trình chuyển đổi này phụ thuộc
vào dạng và cấu trúc các carrageenan, cũng như phụ thuộc vào dạng và nồng
độ của muối thêm vào dung dịch carrageenan. Do đó, mỗi một dạng
carrageenan có một điểm nhiệt độ tạo gel riêng.
- Bước 2: gel của các polyme xoắn có thể thực hiện ở các cấp độ xoắn.
Trong trường hợp đầu, sự phân nhánh và kết hợp lại sẽ xuất hiện cấp độ xoắn
thông qua sự hình thành không đầy đủ của xoắn kép,theo hướng đó mỗi chuỗi
tham gia vào xoắn kép với hơn một chuỗi khác. Trong trường hợp thứ hai, các
phần đã phát triển đầy đủ của đa xoắn tụ hợp lại tạo thành gel. Còn dưới các

điều kiện không tạo gel, ở các nồng độ polyme thấp sự hình thành và hợp lại
của các xoắn sẽ dẫn đến tăng độ nhớt.
Qua đó, có thể mô tả cơ chế tạo gel như sau: trước hết là xuất hiện sự
chuyển đổi cấu hình từ dạng cuộn sang xoắn lò xo, tiếp sau là sự kết hợp các
xoắn và tụ hợp lại có trật tự tạo thành xoắn kép – gel. Như vậy, gel là tập hợp
các xoắn có trật tự hay còn gọi là xoắn kép.
12









Hình 1.3. Sơ đồ mô hình quá trình tạo gel thuận nghịch về nhiệt của
carrageenan [26]
Bảng 1.3. Tính chất gel của các loại carrageenan khác nhau
Sự tạo gel Kappa Iota lamda
Gel chắc nhất Với K
+
Với Ca
2+
Không tạo gel
Cấu trúc gel Giòn Dễ vỡ
Đông lại sau khi
kéo
Có Không Không
Sự đông đặc Có Không Không

Tính ổn định khi
làm đông/ tan giá
Không Có Có
1.2.2.5. Phản ứng với protein [5]
Đây là một trong những tính chất quan trọng của carrageenan và cũng
là tính chất đặc trưng cho tất cả các chất tạo gel cũng như các chất không tạo
gel. Phản ứng này xảy ra nhờ các cation có mặt trong các nhóm protein tích
điện tác dụng với nhóm sulfat mang điện âm của carrageenan và có tính quyết
định đến độ bền cơ học của gel. Trong công nghiệp sữa, nhờ vào tính chất
liên kết với các protein trong sữa mà carrageenan được sử dụng (với nồng độ
13

0,015 – 0,025 %) làm tác nhân để ngăn chặn sự tách lỏng và làm ổn định các
hạt coca trong sữa sôcôla.







Hình 1.4. Các hình thức liên kết giữa carrageenan với protein
1.2.2.6. Khả năng tương tác với các chất khác [19], [20], [22]
Kappa-carrageenan có khả năng tương tác với một số thành phần khác
giúp làm tăng khả năng tạo gel và tăng trạng thái lưu biến. Bổ sung đồng thời
muối Canxi và Kali với tỷ lệ từ 0,2 ÷ 0,8% sẽ làm tăng độ chắc của thạch.
Carrageenan có tương tác với saccharose và các polyol do hình thành các liên
kết hydro giữa nhóm -OH của polysaccharide và saccharose và nhờ giảm hoạt
độ của nước. Agar cũng có tương tác với saccharose, tuy nhiên do
carrageenan chứa nhiều nhóm sunfat hơn vì thế số lượng liên kết hydro và

tương tác của carrageenan thể hiện rõ rệt hơn.
Carrageenan có tương tác với Konjac mannan và một số loại gum như
locust bean gum, trong đó tùy thuộc vào hàm lượng nó sẽ có tác dụng làm
tăng độ nhớt, độ bền gel và độ đàn hồi của gel. Ở hàm lượng cao carrageenan
làm tăng độ bền gel của guar gum nhưng ở hàm lượng thấp, nó chỉ có thể làm
tăng độ nhớt. Khi carrageenan được cho vào những dung dịch của gum ghatti,
alginate và pectin nó sẽ làm giảm độ nhớt của các dung dịch này. Những
nghiên cứu mới đây còn cho thấy khả năng liên kết giữa carrageenan với
14

genipin. Kết quả làm tăng độ nhớt, độ bền nhiệt và đặc biệt khả năng ổn định
trong khoảng pH 1 ÷ 12. Nhờ đó có triển vọng ứng dụng carrageenan trong
một số loại thực phẩm với pH thấp .
1.2.2.7. Tính chịu nhiệt [26]
Gel carrageenan không bền với nhiệt, nhiệt độ nóng chảy của gel
carrageenan thấp hơn nhiều so với agar do hàm lượng 6 – o – metyl –
galactoso trong carrageenan ít hơn nhiều so với agar.
1.2.2.8. Tính bền axit và kiềm [5]
Với hệ pH thấp cùng với sự tác dụng của nhiệt độ thì sự thủy phân xảy
ra nhanh hơn do đó gel carrageenan rất kém bền trong môi trường axit.
Ổn định ở pH>7, phân hủy ở pH=5-7, phân hủy nhanh ở pH<5.

Hình 1.5 Cấu trúc của đoạn galactan trước và sau xử lý kiềm [26]
1.2.2.9. Phản ứng tạo tủa [5]
Carrageenan là một polymer mang điện tích âm nên sẽ kết tủa trong
các đại phân tử mang điện tích dương như: metylen xanh, safranine,
15

mauvine, những phẩm màu azo thiazo khác, tính chất này giống một vài
alkaloid và protein.
1.2.2.10. Tính thủy phân và sự metyl hóa, ứng dụng để xác định công
thức cấu tạo của carrageenan [5]
Dung dịch carrageenan ít bị thủy phân trong môi trường pH 9, ở môi
trường pH 7 dung dịch muối natri carrageenan bị thoái hóa do phân tử
carrageenan bị đứt liên kết 3,6 anhydrogalactose. Và từ phản ứng xác định
tính thủy phân kiềm của nhóm ester sulphat ở C
4
trong gốc galactose.
Carrageenan mà đặc biệt là κ-carrageenan sẽ bị thủy phân bởi enzyme
seudomonate carrageenan hay κ-carrageenanovora. Khi carrageenan (κ-, λ-)
bị thủy phân bởi enzyme này thì độ nhớt của dung dịch giảm đi rất nhiều và
làm tăng khả năng khử, tạo các sản phẩm thuộc dãy đồng đẳng của
oligosaccharide sulphat, 3-o- 3,6-anhydrose-α-D galactose)-D-galactose-4-o-
sunfatca.
Carrageenan bị metyl hóa tạo ra các dẫn xuất methyl như 2,4,4,6-
tetra-methyl D (L) –galactose hoặc 2,4,6-tri-o-methyl-D (L) -galactose và
dựa vào đặc tính này người ta xác định được thành phần cấu trúc của
carrageenan [5]
1.2.2.11. Một vài tính chất khác [5]
Carrageenan cho 3 phản ứng màu đặc trưng: oerin, carbazol,
diphenylamin. Tất cả các cation có trong polymer của carrageenan có thể bị

ion hóa như những muối monometallic, carrageenan khi bị thủy phân cho
các sản phẩm: glucose, pentose, fructose, axit ketogluconic,
16

1.3. Một số quy trình công nghệ sản xuất carrageenan [2]
1.3.1. Sản xuất carrageenan bán tinh chế























Hình 1.6. Sơ đồ sản xuất carrageenan bán tinh chế [2].

Phương pháp sản xuất SRC của GS.TS. Trần Thị Luyến thì 1kg rong
khô thu được bột carrageenan bán tinh chế có đặc điểm sau:
Rong Kappaphycus alvarezii
Ngâm
Xử lý KOH
Rửa sạch đến pH=7
Rửa sạch
Phơi khô/ Sấy khô
Tẩy màu (H
2
O
2
)
Xay mịn
Sản phẩm SRC
T=120 phút
T
0
= 90±2
0
C
Tỷ lệ w/v=1/30
T=12phút
Tỷ lệ w/v=1/3
17

- Độ tan đạt 79%
- Sức đông sau khi bổ sung CaCl
2

0,1% đạt 350g/cm
2

- Màu trắng ngà
- Đạt được độ đồng nhất và độ mịn
- Hiệu suất thu hồi 69,5%
Ta thấy, quy trình sản xuất SRC
- Rất đơn giản, dễ làm
- Thời gian thực hiện ngắn
- Chi phí đầu tư thấp
- Sản phẩm nhẹ, dễ vận chuyển
Tuy nhiên sản phẩm SRC chỉ qua các công đoạn xử lý như: xử lý
kiềm, tẩy màu, rửa sạch rồi đem đi sấy khô, nên sản phẩm còn chứa
cellulose, màu sắc, độ tan và sức đông thấp. Khi hòa tan carrageenan bán tinh
chế vào nước thì sẽ có vẩn. Vì vậy SRC sử dụng sản xuất thức ăn cho vật
nuôi, gia súc, sáp thơm….Tính ứng dụng ít rộng rãi như carrageenan tinh
chế.
1.3.2. Sản xuất bột carrageenan [2]










18

Hình 1.7. Sơ đồ sản xuất bột carrageenan [2]
T=24h
Nhiệt độ phòng
w/v : 1/24

NaOH 6,2%
Nhiệt độ phòng
T=34 phút
Rong Kappaphycus
alvarezii

Làm đông
Rã đông
Ép tách nước
Sấy
B
ột carrageenan

Xay nhỏ
S
ợi carrageenan

Phơi- tẩy trắng
Ngâm nước qua đêm
Rửa
Xử lý bằng kiềm
Rửa bằng HCl 0,1%
Rửa
Nấu chiết
L
ọc

T=75 phút
Nhiệt độ
90±2

0
C