Nghiên cứu hoàn thiện quy trình thu nhận Kappa-carrageenan chất lượng cao từ rong sú Kappaphycus striatum trồng tại Cam Ranh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
o0o


NGÔ THỊ NGỌC TRÌNH


NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN QUY TRÌNH THU NHẬN
KAPPA-CARRAGEENAN CHẤT LƯỢNG CAO
TỪ RONG SÚ KAPPAPHYCUS STRIATUM TRỒNG
TẠI CAM RANH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


GVHD : TS. PHAN THỊ KHÁNH VINH



Nha Trang, năm 2013


i


PHIẾU ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Ngô Thị Ngọc Trình Lớp: 51TP-3
Ngành : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Tên đề tài : “Nghiên cứu hoàn thiện quy trình thu nhận kappa-
carrageenan chất lượng cao từ rong sú Kappaphycus striatum trồng tại
Cam Ranh”.
Số trang : 70 Số chương: 03 Số tài liệu tham khảo :27
Hiện vật : Quyển đề tài tốt nghiệp ; đĩa CD.
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
Kết luận:
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
Nha Trang, ngày… tháng… năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)


ii


LỜI CẢM ƠN
Với khoảng thời gian 3 tháng nghiên cứu và thực tập tại phòng thí
nghiệm tuy ngắn ngủi nhưng cuối cùng em đã hoàn thành xong đồ án tốt
nghiệp.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô giáo Phan Thị Khánh Vinh.

Người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực
hiện đồ án tốt nghiệp này.
Em cũng xin cảm ơn các thầy cô Khoa Công nghệ Thực phẩm, Viện
Công nghệ Sinh học đã tạo mọi điều kiện cho em thực hiện tốt đồ án tốt
nghiệp. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các thầy cô trong
phòng thí nghiệm đã tận tình chỉ bảo cho em những điều chưa biết và sau khi
hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp em đã tích lũy cho mình một số kiến thức
và kinh nghiệm quý báu.
Cuối cùng em xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những người đã luôn
động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực tập vừa qua.
Nha trang, tháng 07 năm 2013
Sinh viên
Ngô Thị Ngọc Trình










iii


MỤC LỤC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i
LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC BẢNG vi
DANH MỤC CÁC HÌNH viii
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CARRAGEENAN 3
1.1. Nguyên liệu sản xuất carrageenan-rong sú Kappaphycus striatum 3
1.1.1. Tổng quan về rong sú 3
1.1.2. Đặc điểm, hình thái của rong sú 3
1.1.3. Thành phần hóa học của rong sú 5
1.2.

Khát quát chung về carrageenan
8
1.2.1.

Nguồn gốc của carrageenan
8
1.2.2. Mức độ an toàn phụ gia carrageenan 9
1.2.3. Thị trường tiêu thụ và sản xuất 9
1.3. Cấu trúc hóa học và tính chất của carrageenan 10
1.3.1. Cấu trúc của kappa-carrageenan 11
1.3.2. Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan 11
1.3.3. Cấu trúc hóa học của lamda-carrageenan 12
1.3.4. Tính tan 12


iv


1.3.5. Độ nhớt 13

1.3.6. Tính trương nở 14
1.3.7. Khả năng và cơ chế tạo gel 14
1.3.8. Phản ứng với protein 17
1.3.9. Khả năng tương tác với các chất khác 17
1.3.10 . Tính chịu nhiệt 18
1.3.11. Tính bền axit, kiềm 18
1.3.12. Tính hấp thụ tia hồng ngoại và màu 19
1.3.13. Phản ứng tạo tủa 19
1.4. Một số quy trình công nghệ sản xuất carrgeenan 20
1.4.1. Quy trình sản xuất kappa-carrageenan 20
1.5. Ứng dụng của carrageenan 26
CHƯƠNG 2.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU30
2.1. Đối tượng nghiên cứu 30
2.2. Phương pháp nghiên cứu 30
2.2.1. Sơ đồ nghiên cứu chung 31
2.2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm chiết và đánh giá chất lượng carrageenan theo
quy trình Vniro 32
2.2.3. Quy trình sản xuất kappa - carrageenan dự kiến 34
2.2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tối ưu hóa quá trình xử lý kiềm 35
2.3. Phương pháp phân tích 41
2.4. Phương pháp xử lý số liệu 42


v


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 44
3.1. Kết quả xác định thành phần hóa học của rong nguyên liệu 44
3.2. Kết quả xác định tính chất lý hóa của kappa-carrageenan từ rong sú 45
3.3. Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa quá trình xử lý kiềm dịch lọc

carrageenan… 48
3.4. Kết quả đánh giá chất lượng kappa-carrageenan sau khi xử lý kiềm 55
3.5. Đề xuất quy trình sản xuất gel kappa – carrageenan hoàn thiện từ rong
sú………… 59
3.5.1. Quy trình sản xuất gel kappa – carrageenan hoàn thiện từ rong sú 60
3.5.2. Thuyết minh quy trình 61
3.6. Sơ bộ giá thành sản phẩm 65
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69
PHỤ LỤC








vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần hóa học rong kappaphycus trồng tại Cam Ranh, Ninh
Thuận 7
Bảng 1.2. Hàm lượng và chất lượng carrageenan của loài K. striatum và K.
alvarezii. 8
Bảng 1.3. Tính tan của carrageenan trong các môi trường khác nhau 13
Bảng 1.4. Tính chất gel của các loại carrageenan khác nhau 16
Bảng 1.5. Các ứng dụng điển hình của carrageenan trong thực phẩm 27
Bảng 2.1. Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố thực nghiệm 37

Bảng 2.2. Ma trận trực giao cấp 2 ba yếu tố 37
Bảng 2.3. Lặp lại thí nghiệm ở tâm phương án N0 ≥3 38
Bảng 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của nguyên liệu 44
Bảng 3.2. Bảng các thông số kỹ thuật của dung dịch carrageenan sau khi lọc
ly tâm 46
Bảng 3.3. Tính chất của gel kappa-carrageenan tự nhiên sau khi rã đông lần 1
48
Bảng 3.4. Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố thực nghiệm 48
Bảng 3.5. Ma trận trực giao cấp 2 ba yếu tố 49
Bảng 3.6. Kết quả thí nghiệm ở tâm phương án 50
Bảng 3.7. Kết quả kiểm tra mức có ý nghĩa của hệ số hồi quy 51
Bảng 3.8. Các số liệu dùng để kiểm định sự tương thích 52
Bảng 3.9. Kết quả tối ưu hóa công đoạn xử lí kiềm 54
Bảng 3.10. Tính chất của gel kappa-carrageenan 2% sau khi rã đông lần 1 55
Bảng 3.11. Điểm cảm quan về màu sắc của kappa-carrageenan 57
Bảng 3.12. Tính chất lí hóa của kapppa-carrageenan sau khi xử lí kiềm 58
Bảng 3.13. Kết quả kiểm tra vi sinh của kappa-carrageenan 59


vii


Bảng 3.14. Bảng tính giá thành sản phẩm cho 100g kappa-carrageenan sấy
khô 66



viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Hình thái rong đỏ (carrageenophyte) hai tháng tuổi, trồng ở Cam
Ranh 4
Hình 1.2 .Cấu trúc của kappa-carrageenan 11
Hình 1.3. Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan 11
Hình 1.4 Cấu trúc hóa học của lamda-carrageenan 12
Hình 1.5. Sơ đồ mô hình quá trình tạo gel thuận nghịch về nhiệt của
carrageenan 15
Hình 1.6. Các hình thức liên kết giữa carrageenan với protein 17
Hình 1.7. Cấu trúc của đoạn galactan trước và sau xử lý kiềm 19
Hình 1.8. Quy trình sản xuất kappa-carrageenan 20
Hình 1.9. Quy trình sản xuất carrageenan từ rong sụn (Kappaphycus alvarezii)
22
Hình 1.10. Quy trình sản xuất carrageenan bán tinh chế 24
Hình 1.11. Quy trình sản xuất carrageenan từ rong sụn Kappaphycus
alvarezii 25
Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu chung quy trình sản xuất kappa-carragenan 31
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình chiết và đánh giá chất lượng carrageenan theo quy
trình Vniro 32
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm chung của quy trình sản xuất kappa-
carrgeenan 34
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn hàm lượng chất khô của dịch carrageenan qua các
công đoạn 47
Hình 3.2. Quy trình sản xuất gel kappa – carrageenan hoàn thiện từ rong sú 60
Hình 3.3. Sản phẩm kappa-carrageenan sau khi bao gói hút chân không 65




1

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, rong biển dần trở thành một thực phẩm phổ
biến trên thị trường và được người tiêu dùng ưa chuộng do có ý kiến cho rằng
rong biển là loài thực phẩm quý giá có nhiều chất dinh dưỡng tốt cho cơ thể
và phòng chống được nhiều bệnh tật.
Không chỉ thế, các sản phẩm được chế biến từ rong biển cũng mang
những tính chất ưu việt không kém, đặc biệt là việc chiết xuất carrageenan,
bởi phạm vi ứng dụng rộng rãi của nó.
Ở nước ta hiện nay, đa phần các công trình nghiên cứu sản xuất thu
nhận carrageenan tập trung vào đối tượng rong sụn Kappaphycus alvarezii,
hơn nữa các quy trình thu nhận carrageenan tinh chế đều thực hiện xử lý bã
rong trước hoặc trong quá trình nấu chiết với nồng độ kiềm khá cao 5 – 10%.
Điều này đòi hỏi nồi nấu phải chịu được kiềm và axit trong khi chất lượng
carrageenan (thông qua sức đông) không cao và chi phí sản xuất lại cao.
Để khắc phục nhược điểm này, Viện nghiên cứu Ứng dụng Nha Trang
đề xuất quy trình sản xuất carrageenan trong đó xử lý kiềm bằng KOH trong
dịch lọc sau khi nấu chiết. Tuy nhiên nghiên cứu chỉ mang tính chất thăm dò
chưa tối ưu hóa các thông số. Bên cạnh đó việc sử dụng KOH ngay trong quá
trình xử lý dịch lọc sẽ làm tăng nhiệt độ đông đặc của gel carrageenan, dẫn
đến khó khăn cho công đoạn trung hòa axit và đòi hỏi phải có thêm khâu gia
nhiệt để hòa tan gel trở lại. Đồng thời ở nhiệt độ cao việc bổ sung axit dẫn
đến giảm sức đông của thạch carrageenan.
Xuất phát từ thực tế đó và được sự phân công của Khoa Công nghệ
Thực phẩm, em thực hiện đề tài: “Nghiên cứu hoàn thiện quy trình thu
nhận kappa-carrageenan chất lượng cao từ rong sú Kappaphycus
striatum trồng tại Cam Ranh”.

2

Nội dung đề tài
Xác định tính chất lý hóa của kappa-carrageenan tự nhiên thu nhận từ
Kappaphycus striatum.
Tối ưu hóa 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 kappa-carrageenan
sau khi xử lý kiềm.
Mục tiêu của đề tài
Xây dựng quy trình thu nhận kappa-carrageenan chất lượng cao, từ
Kappaphycus striatum.
Ý nghĩa khoa học
Cung cấp thêm thông tin khoa học về tương tác của các thông số pH,
nhiệt độ, thời gian đến chất lượng carrageenan sau khi xử lý kiềm trong dịch
lọc.
Ý nghĩa thực tiễn
Hoàn thiện quy trình thu nhận kappa-carrageenan chất lượng cao, góp
phần làm tăng phạm vi ứng dụng của chất phụ gia carrageenan.
Hoàn thiện quy trình thu nhận kappa-carrageenan chất lượng cao, phục
vụ cho công tác giảng dạy, thực hành.
Giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường.
Sau gần 3 tháng thự hiện đề tài, đến nay em đã cơ bản hoàn thành xong
ở mức độ và kiến thức cho phép. Tuy nhiên đề tài sẽ không tránh khỏi những
thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp chỉ bảo và ý kiến của quý thầy
cô và các bạn để luận văn này được hoàn thiện hơn.

Nha Trang, tháng 07 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Ngô Thị Ngọc Trình



3

CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ CARRAGEENAN
1.1 Nguyên liệu sản xuất carrageenan-rong sú Kappaphycus striatum [1],
[2], [3], [25], [12]
1.1.1 Tổng quan về rong sú [2], [12]
Loài Kappaphycus striatum phân bố tự nhiên ở vùng nhiệt đới Châu
Á, nhất là vùng Tây Thái Bình Dương, đặc biệt là Philippines và Indonesia.
K. striatum phát triển trên nền rạn nơi có đáy cát - san hô, nước lưu chuyển ở
mức trung bình và nằm ở vùng trung triều đến dưới triều.
Chi Kappaphycus bao gồm nhiều loài có giá trị kinh tế và là nguồn
nguyên liệu chính cho ngành công nghiệp chế biến Kappa-carrageenan. Loài K.
striatum có nguồn gốc từ Philippines đã được Viện Nghiên cứu và Ứng dụng
Công nghệ Nha Trang di nhập vào Việt Nam tháng 10 năm 2005.
Năm 2007, sản lượng rong khô thu được là 3.200 tấn rong khô/ năm
và chủ yếu xuất khẩu sang thị trường các nước như: Philippine, Nhật
Bản, , một số ít phục vụ cho thị trường nội địa [8].
1.1.2 Đặc điểm, hình thái của rong sú [1], [3]
Loài K. striatum thuộc họ Solieriaceae, bộ Gigartinales, ngành
Rhodophyta. Trước đây, K. striatum được xếp vào chi Eucheuma, đến năm
1988 dựa vào thành phần cấu trúc chủ yếu của Carrageenan, Doty đã tách ra
từ Eucheuma một chi mới và đặt tên là chi Kappaphycus.

4

Loài K. striatum là những tản rong (Thallus) có cấu tạo thân hình trụ
đặc, thường tròn hay hơi dẹp và nhiều nhánh. Phân nhánh dày theo kiểu đối
nhau, mọc vòng và chạc hai không đều. Nhánh chót ngắn, đỉnh chia chạc hai
có đầu vuốt nhọn hoặc tù. Thân dạng bò hoặc thẳng.Trong điều kiện tự nhiên
ở biển thường sống bám vào các vật bám cứng hoặc nằm trong các hốc đá khi
không bám được.


Hình 1.1. Hình thái rong đỏ (carrageenophyte) hai tháng tuổi, trồng ở
Cam Ranh
(1-K. alvarezii, 2- E. denticulatum, 3- K. striatum sacol brown,
4-K. striatum sacol green )



5

Trong tự nhiên, K. striatum sinh sản theo các hình thức sau: sinh sản
dinh dưỡng (vegetative reproduction), sinh sản đơn tính (asexual
reproduction) và sinh sản hữu tính (sexual reproduction).
Các hình thức sinh sản này luân phiên xảy ra trong điều kiện tự nhiên
và các dạng cây của K. striatum cũng đồng thời tồn tại và phát triển. Vòng
đời K. striatum bao gồm sự luân phiên ba thể: bào tử bốn (tetrasporophyte),
giao tử (gametophyte) đực và cái, bào tử quả (carposporophyte hay
cystocarp). Cây bào tử bốn (2N) và cây giao tử (1N) có kích thước lớn và
đồng hình (chúng giống nhau về hình dạng tản). Bào tử quả (2N) có kích
thước rất nhỏ và ký sinh trên cây giao tử cái.

Các dòng loài K. striatum chỉ tồn tại thời gian 7 - 9 ngày ở độ mặn
15‰. Ở độ mặn 20‰, loài K. striatum cũng không phát triển và tàn lụi dần
theo thời gian thí nghiệm. Tốc độ tăng trọng trung bình năm các dòng thuộc
loài K. striatum tại Cam Ranh và Khánh Hội lần lượt là 4,14% và 3,92%.
Chất lượng các dòng K. striatum payaka, K. striatum sacol tương đương
với K. alvarezii có hàm lượng Kappa-Carrageenan qua các vụ đều cao hơn
25% so với rong nguyên liệu, sức đông từ 600 - 1100 g.cm-1
Loài K. striatum có đặc tính rộng nhiệt sinh trưởng bình thường trong
mùa nhiệt độ cao 30 – 33
0
C và có thể phát triển trồng quanh năm tại các thủy
vực, vũng, vịnh, đầm phá ven biển [3].
1.1.3 Thành phần hóa học của rong sú [1], [25]
Những thành phần quan trọng nhất trong rong sú là cacbohydrat,
protein, lipit, sắc tố, vitamin,…
Chất khoáng trong rong sú chiếm tỷ lệ khá cao, có thể lên đến 49%
tùy vào độ mặn vùng trồng. Chính nhờ hàm lượng khoáng cao nên tạo lớp
muối trắng bao phủ rong khô, chính lớp muối này có tác dụng ức chế vi sinh



6

vật. Vì vậy, rong khô vẫn giữ được chất lượng dù độ ẩm trong rong
nguyên liệu lên đến 40% [25].
Trong rong sú, carrageenan là polysaccharide chiếm tỷ lệ nhiều nhất.
Phần lớn chúng có khối lượng phân tử trung bình 500- 1.000 kDa. Tuy nhiên
hàm lượng polysaccharide với khối lượng phân tử dưới 100 kDa có thể lên
đến 25% tùy loại rong. [25]
Nghiên cứu thành phần monosaccarit của rong sú Kappaphycus

striatum trồng tại Cam Ranh cho thấy hàm lượng 6- O- metyl galactose
chiếm tỷ lệ nhỏ từ 0,76%, chính vì lý do đó nhiệt độ tan chảy của kappa-
carrageenan tự nhiên (50 ÷ 55
0
C) và thấp hơn nhiều so với agar (>80
0
C) có
trong Gracilaria với hàm lượng 6- O- metyl galactose lên đến 8%.
Hàm lượng glucose – sản phẩm thủy phân tinh bột thực vật có trong
rong chiếm tỷ lệ nhỏ dưới 2%. Điều đó cho phép thu được chế phẩm
carrageenan với độ tinh sạch cao.
Tỷ lệ 3,6- anhydrogalactose : galactose (A/G) cho biết độ đều đặn cấu
trúc carrageenan và là chỉ số cho biết sức đông của gel carrageenan. Tỷ lệ
càng gần 1 thì sức đông càng cao.
Bảng thành phần hóa học của rong Kappaphycus trồng tại Cam Ranh,
Ninh Thuận.








7

Bảng 1.1. Thành phần hóa học rong kappaphycus trồng tại Cam Ranh,
Ninh Thuận [25]
Hàm lượng (% rong khô)
Mẫu

Thành phần hóa
học cơ bản
Monosaccarite
A/G


Khoáng
Protein
Carrageenan
3,6AG
6-O metylgalactose
manose
glucose
galactose
Na
2
SO
3


K.alvarezii
Khánh Hội
48,2

7,73

46,8 9,41 1,02

0,63

1,01

14,11

9,2 0,7
K.striatum
(sacol green)
Khánh Hội
44,5

9,62

42,2 8,98 0,67

0,27

0,79

12,6 9,91 0,75

K.striatum
(sacol
brown)
Khánh Hội
44,2

11,4

43,5 8,94 0,74

0,36

0,8 13,14

8,94 0,72

K.striatum
(sacol green)
Cam Ranh
31,3

6,8 49,58

7,94 0,76

0,35

1,05

12,46

9,01 0,68

Carrageenan - - 100 26,53

- - 1,89

26,9 22,16

0,95

Ghi chú: A/G: Tỷ lệ 3,6- anhydrogalactose và galactose
3,6 AG: 3,6- anhydrogalactose
Carrageenan tự nhiên chiết từ rong sú trồng tại Cam Ranh có tỷ lệ
A/G khá cao 0,68 trong khi mẫu kappa-carrageenan hãng Sigma đạt 0,95.
Để nâng cao chỉ số A/G có thể sử dụng kiềm để tăng hàm lượng 3,6-
anhydrogalactose, tuy nhiên sức đông của gel 2% kappa-carrageenan khá cao
trên 700 g/cm
2
, đủ đáp ứng chỉ tiêu kappa-carrageenan cấp thực phẩm. Vì
vậy việc sử dụng kiềm có thể được bỏ qua.



8

Bảng 1.2. Hàm lượng và chất lượng carrageenan của loài K. striatum và
K. alvarezii. [1]

Hàm lượ
ng
carrageenan

Chất lượng (carrageenan)

Loài
(% trong
rong khô)
Độ nhớt (cPs) Sức đông (g/cm

2
)
Màu nâu K.
striatum
26,11 ± 2,20 103,32 ± 28,30 1166,40 ± 188,49
Màu xanh K.
striatum

25,87 ± 2,33 112,04 ± 16,43 1085,86 ± 212,86
K. alvarezii 25,75 ± 2,59 111,42 ± 27,15 1051,06 ± 279,35
Hàm lượng và sức đông Carrageenan của dòng màu nâu và màu xanh
loài K.
striatum
lớn hơn loài K. alvarezii nhưng sự khác biệt này không có
ý nghĩa. Tương tự, sức đông
của
K. striatum và K. alvarezii sau 3 tháng
trồng sai khác không
lớn.
Trong rong sú có chứa nhóm sắc tố đặc trưng R-phycocythrine loại 1 có
màu đỏ, R-phycocyanin và allophycocyanin có màu xanh thẫm. Tỷ lệ các sắc
tố khác nhau sẽ tạo cho cây rong sú có những biến thể màu sắc khác nhau
như nâu, xanh lục
Loài K. striatum có dòng màu nâu và màu xanh tương tự về mặt
hình thái cấu tạo
bên
ngoài ngoại trừ màu sắc là khác nhau. Màu sắc cây
rong của dòng màu nâu từ màu nâu
nhạt
đến nâu đậm hoặc nâu đỏ. Dòng

màu xanh có màu xanh lá cây hay xanh ngọc (xanh
oliu).
Mức độ màu
của mỗi dòng thay đổi nhẹ và liên quan đến cường độ ánh
sáng.
1.2

Khát quát chung về carrageenan
[11], [13], [18], [26]

1.2.1

Nguồn gốc của carrageenan
Carrageenan bắt đầu sử dụng từ hơn 600 năm trước đây. Trên bờ biển



9

phía nam của Ireland, trong một làng mang tên Carraghee, người ta lấy dịch
chiết từ rêu Irish moss nấu bánh.
Ngày nay sản xuất công nghiệp carrageenan không còn giới hạn vào
tách chiết Irish moss, mà rất nhiều loài rong đã được sử dụng.

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 người. Ở Châu Âu,
carrageenan được xem như phụ gia thực phẩm với kí hiệu là 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 75
0
C không thấp hơn 5 cP,
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. [13]
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 thống kê số liệu năm 2009, sản lượng carrageenan sản xuất
toàn thế giới đạt 50000 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: [11], [18]
 FMC của Mỹ
 CP Kelco của Mỹ
 Danisco của Đan Mạch



10

 Degussa của Đức
 Ceamsa của Tây Ban Nha
Tại Việt nam, hiện nay để đáp ứng nhu cầu nội địa, đang xây dựng nhà
máy sản xuất bột rong sú với công suất 1.000 tấn/năm. [25]
1.3 Cấu trúc hóa học và tính chất của carrageenan [23], [17], [16], [14],
[7]
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 [23].
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 [7], [14], [17].
Carrageenan tự nhiên chiết xuất từ các loại rong khác nhau có thể là hỗn
hợp khác nhau của các loại carrageenan trên. Người ta phân chia carrageenan
ra hai nhóm chính:
- 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 C4.
- 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 C2.
Ngày nay đã phát hiện hơn 18 loại và cấu trúc khác nhau của
carrageenan.



11

Tuy nhiên, kappa-carrageenan, lamda-carrageenan, iota-carrageenan là
được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất [16].
1.3.1 Cấu trúc của kappa-carrageenan [9]
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.

Hình 1.2 .Cấu trúc của kappa-carrageenan
1.3.2 Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan [9]
Iota-carrageenan cũng có cấu tạo tương kappa-carrageenan, ngoại trừ 3,6
anhydro-galactose bị sulphat hóa ở C2. 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.

Hình 1.3. Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan
OSO

3

CH

2

OH

O

OH

O

O

O

O

OSO

3

n

OSO

3

CH

2

OH

O

OH

O

O

O

O

OH

n




12

1.3.3 Cấu trúc hóa học của lamda-carrageenan
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 sunphat và gốc quay quang. Lamda-carrgeenan có khối lượng
phân tử cao và mạch dài hơn kappa-carrageenan. Thành phần này cũng phụ
thuộc vào phương pháp, chế độ xử lý, nấu chiết và loại rong nguyên liệu.



Hình 1.4 Cấu trúc hóa học của lamda-carrageenan
1.3.4 Tính tan [8], [15]
Carrageenan tan với vận tốc khác nhau phụ thuộc vào loại, nhiệt độ, bản
chất dung môi.
Lamda-carrageenan tan trong nước ở nhiệt độ thường và mang tính ưa
nước nhất do trong phân tử có chứa ba nhóm sunfat. Kappa-carrageenan tan
hoàn toàn ở nhiệt độ khoảng 80
0
C [14]. Iota-carrageenan có chứa hai nhóm
sunfat vì thế hòa tan ở nhiệt độ khoảng 30 ÷ 40
0

C.




OSO

3

CH

2

OH

O

OH

O

O

O

n

OH

CH

2

OH

OSO

3

OSO

3




13

Bảng 1.3. Tính tan của carrageenan trong các môi trường khác nhau [8]
M
ô
i

tr
ư
ờ
ng

κ
-

carrage
e
n
a
n

ι
-
carrage
e
n
a
n



-
carrageenan
N
ư
ớ
c

nóng

Tan ở >70
0
C Tan ở >70
0
C

Tan

N
ư
ớ
c

l
ạ
nh

-

-

Tan

trong

các

l
o
ạ
i

S
ữ
a

nóng

Tan

Tan

Tan

S
ữ
a

l
ạ
nh

Không

tan

Không

tan

Phân

tán

dày

S
ữ
a

l
ạ
nh

(tetrasodium
pyrophophate)
Đặc hoặc tạo gel Đặc hoặc tạo gel

Tạo độ đặc
hoặc

tạo
gel

Dung dịch đường

Tan trong
dung
dung dịch lạnh
và nóng

Khó tan
Tan trong
dung
dịch nóng

Dung dịch muối
Tan trong
dung
dịch nóng

Tan trong dung
dịch nóng
Tan trong
dung
dịch nóng

Dung

d
ị
ch

h
ữ
u

cơ

Không

t
an

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 70
0
C, 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.
1.3.5 Độ nhớt [22]
Độ nhớt của các dung dịch carrageenan phụ thuộc rất lớn vào từng loại
carrageenan, khối lượng phân tử, nồng độ và nhiệt độ.
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



14

sau:
[η] = K (M
w
)

α

Trong đó:
η: độ nhớt
M
w
: trọng lượng phân tử trung bình
K và α: hằng số phụ thuộc vào dạng của carrageenan
và dung môi hòa tan.
1.3.6 Tính trương nở [9]
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).
1.3.7 Khả năng và cơ chế tạo gel [9]
Quá trình trình tạo gel carrageenan được xem như trường hợp đặc biệt
của quá trình kết tủa hay kết tinh polisaccarite. Khác với agar, khả năng tạo
gel carrageenan phụ thuộc vào thành phần bổ sung, ví dụ như các muối. Hiện
nay, có nhiều thuyết khác nhau về quá trình tạo gel trong dung dịch polimer
và cũng có nhiều mô hình cấu trúc gel. Tuy nhiên, vẫn chưa đủ những cơ sở
thực nghiệm để lựa chọn một mô hình và cho loại gel nào đó hoặc đưa ra lý
thuyết mới.
Nhóm nghiên cứu Ree và Morris cho rằng ở nhiệt độ cao carrageenan
tồn tại ở dạng cuộn không có trật tự. Khi làm lạnh, diễn ra quá trình chuyển
đổi và hình thành những lò xo xoắn cuộn. Sự có mặt của cation sẽ thúc đẩy
cho quá trình tạo xoắn kép.
Từ cuộn không có trật tự hình thành sợi lò xo xoắn kép là cơ chế duy
nhất quá trình tạo gel kappa-carrageenan (hình a). Kết quả là tạo mạng lưới
không gian ba chiều (cấu trúc gel).

15



Hình 1.5. Sơ đồ mô hình quá trình tạo gel thuận nghịch về nhiệt của
carrageenan
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



16

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.
Bảng 1.4. Tính chất gel của các loại carrageenan khác nhau [9]
Sự tạo gel Kappa
Iota
Lamda
Gel chắc nhất
V
ớ
i

K
+

V
ớ
i

Ca
+

Không tạo gel
Cấu trúc gel Giòn, dễ vỡ Đàn hồi

Đông lại sau khi kéo
Có
Không Không
Sự đông đặc

Có
Không Không
Tính ổn định khi
l
àm đông / tan giá

Không
Có

Có


Đặc tính tạo gel của các loại carrageenan khác nhau như sau:
Kappa-carrageenan: Tạo gel bền, rắn chắc với K
+
, đồng thời tạo gel
giòn, dễ vỡ.
Iota-carrageenan: Gel đàn hồi, nó kết tủa khi có mặt Ca
2+
, đồng thời gel
bền trong quá trình làm đông và rã đông.
Lamda- carrageena: Không tạo gel, dung dịch có độ nhớt cao.