Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Tổng hợp và phân tích đặc tính hóa lý của dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan từ rong đỏ Kappaphycus striatum

BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

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

Đặng Thị Hương

TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH LÝ HĨA CỦA DẪN
XUẤT CARBOXYMETHYL KAPPA – CARRAGEENAN TỪ
RONG ĐỎ KAPPAPHYCUS STRIATUM

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Hà Nội – 2020


BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

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

Đặng Thị Hương

TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH LÝ HĨA CỦA DẪN
XUẤT CARBOXYMETHYL KAPPA – CARRAGEENAN TỪ
RONG ĐỎ KAPPAPHYCUS STRIATUM

Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 8440118
LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Lê Đình Hùng

Hà Nội – 2020


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Học viện Khoa học
và Công nghệ, ban lãnh đạo và các Phòng ban thuộc Viện Nghiên cứu và
Ứng dụng Công nghệ Nha Trang đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tơi
hồn thành khóa học Thạc sĩ Hóa phân tích 2018-2020.
Tiếp theo, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS. Lê
Đình Hùng – Trưởng phịng cơng nghệ sinh học biển, Viện Nghiên cứu và Ứng
dụng công nghệ Nha Trang đã dành trọn tâm huyết, tận tình hướng dẫn, chỉ
dạy tơi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại Viện và hồn thành luận
văn này.
Tơi xin cảm ơn các thầy, cô giáo giảng dạy và các anh, chị cùng lớp
cao học CHE18 đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tơi bổ sung, nâng cao thêm
kiến thức trong suốt khóa học.
Tơi xin cảm ơn các anh chị Phịng Hóa Phân tích và Triển khai cơng
nghệ, Phịng Cơng nghệ sinh học biển thuộc Viện Nghiên cứu và Ứng dụng

Công nghệ Nha Trang đã tạo điều kiện và giúp đỡ những thiếu sót về kiến
thức chun ngành khi tơi làm thực nghiệm tại Viện.
Tôi cũng xin cảm ơn Sở Giáo dục và Đào tạo Khánh Hịa, ban lãnh
đạo trường THPT Ngơ Gia Tự, trường THPT Nguyễn Văn Trỗi cùng các anh
chị đồng nghiệp đã luôn tạo điều kiện trong công việc, động viên và trợ giúp
tôi để tôi dành thời gian chuyên tâm làm thực nghiệm đề tài của mình.
Cuối cùng tơi xin dành lời cảm ơn gia đình và bạn bè của tôi, đã luôn
bên cạnh ủng hộ và động viên, hỗ trợ về mọi mặt để tôi cố gắng vươn lên,
tiếp tục con đường học tập của mình.
Nha Trang, tháng 10 năm 2020
Học viên

Đặng Thị Hương


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới
sự hướng dẫn của TS. Lê Đình Hùng 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 10 năm 2020
Tác giả

Đặng Thị Hương


1

MỤC LỤC
Trang

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 8
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI. ............................................................................. 8
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI. ........................................................................ 9
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. ......................................... 9
3.1. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU. ................................................................... 9
3.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU. ......................................................................... 9
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. ...................................................................... 9
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI. .................... 10
5.1. Ý NGHĨA KHOA HỌC: ........................................................................... 10
5.2. TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI:........................................................... 10
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................... 11
1.1. TỔNG QUAN VỀ RONG BIỂN .............................................................. 11
1.2. TỔNG QUAN VỀ CARRAGEENAN. .................................................... 15
1.2.1. Lịch sử nghiên cứu carrageenan........................................................ 15
1.2.2. Cấu trúc của carrageenan. ................................................................. 17
1.2.3. Tính chất lý hố của carrageenan ..................................................... 19
1.2.3.1. Tính chất của carrageenan ................................................................ 19
1.2.3.2. Tính tan .............................................................................................. 21
1.2.3.3. Nhiệt độ nóng chảy............................................................................. 22
1.2.3.4. Sự tạo gel (gelation) ........................................................................... 22
1.2.3.5. Tính bền acid ...................................................................................... 22
1.2.3.7. Tính thuỷ phân và sự methyl hố xác định cơng thức cấu tạo của
carrageenan .................................................................................................... 23
1.2.3.8. Độ nhớt ............................................................................................... 23
1.2.4. Ứng dụng của carrageenan từ rong biển. ......................................... 24
1.2.5. Giới thiệu một số kỹ thuật sản xuất carrageenan ............................ 27

2

1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CARBOXYMETHYL KCARRAGEENAN........................................................................................... 30
1.3.1 Tình hình nghiên cứu carboxymethyl -carrageenan trên thế giới. 30
1.3.2. Tình hình nghiên cứu carboxymethyl -carrageenan trong nƣớc . 31
1.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CARRAGEENAN VÀ TỔNG HỢP
CARBOXYMETHYL K-CARRAGEENAN. ................................................ 33
1.4.1. Phƣơng pháp phân tích thành phần và cấu trúc của carrageenan
[69] .................................................................................................................. 33
1.4.1.1. Phương pháp hoá học ........................................................................ 34
1.4.1.2. Phương pháp vật lý ............................................................................ 34
1.4.2. Nghiên cứu cấu trúc của carrageenan............................................... 36
1.4.3. Phƣơng pháp tổng hợp carboxymethyl -carrageenan ........................... 38
CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 40
2.1. VẬT LIỆU, ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN NGHIÊN CỨU ...................... 40
2.1.1. Vật liệu nghiên cứu: ............................................................................ 40
2.1.2. Dụng cụ - thiết bị - hóa chất ............................................................... 41
2.1.2.1. Dụng cụ .............................................................................................. 41
2.1.2.2. Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu ..................................................... 41
2.1.2.3 Hóa chất .............................................................................................. 41
2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................ 41
2.2.1. Phƣơng pháp chiết carrageenan ........................................................ 41
2.2.2. Tổng hợp dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan ................. 43
2.2.3. Xác định nhiệt độ đông vào nhiệt độ tan của carageenan............... 44
2.2.4. Xác định độ bền gel (1,5 %) ............................................................... 44
2.2.5. Xác định tính chất, cấu trúc của mẫu carrageenan ......................... 45
2.2.5.1. Xác định hàm lượng 3,6-anhydro-D-galactose ................................. 45
2.2.5.2. Xác định hàm lượng sulfate ............................................................... 47

3

2.2.5.3. Xác định khối lượng phân tử trung bình bằng phương pháp đo độ
nhớt .................................................................................................................. 47
2.2.5.4. Xác định mức độ thế nhóm carboxymethyl trong kappa-carrageenan..
......................................................................................................................... 48
2.2.5.5. Điều chế các hạt vi nang carboxymethyl kappa-carrageenan .......... 49
2.2.5.6. Xác định cấu trúc mẫu carrageenan bằng phổ FT-IR, 13C NMR và 1H
NMR................................................................................................................. 49
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 50
3.1. TÍNH CHẤT HĨA LÝ VÀ ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA KAPPA –
CARRAGEENAN........................................................................................... 50
3.1.1. Phổ hồng ngoại (FT-IR) của kappa carrageenan ............................ 51
3.1.2. Phổ 13C NMR của kappa carrageenan .............................................. 52
3.1.3. Phổ 1H NMR của kappa carrageenan ............................................... 55
3.2. TÍNH CHẤT HĨA LÝ VÀ ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA
CARBOXYMETHYL KAPPA-CARRAGEENAN ....................................... 58
3.2.1. Phổ hồng ngoại của carboxymethyl kappa-carrageenan ................ 58
3.2.2. Phổ 13C NMR của carboxymethyl kappa carrageenan. .................. 60
3.2.3. Phổ 1H NMR của carboxymethyl kappa carrageenan .................... 61
3.2.4. Ảnh hƣởng của tỉ lệ mol monocloacid acetic (ClCH2COOH) đến
mức độ thế trong kappa-carrageenan ......................................................... 63
3.2.5. Khối lƣợng phân tử trung bình của carboxymethyl kappacarrageenan.................................................................................................... 64
3.2.6. Hình ảnh và kích thƣớc hạt carboxymethyl kappa-carrageenan .. 65
4.1. KẾT LUẬN .............................................................................................. 66
4.2. KIẾN NGHỊ .............................................................................................. 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 67

4

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AG:
Car:

Anhydrogalactose
Carrageenan

CMKC:

Carboxymethyl -carrageenan

DS:
ESI-MS:
FT-IR:
G4S:
DA:
IR:
κ:
kDa:
LC-MS:
MCA:
Mw:
MS:
NMR:
w/v:
ι:

λ:

Mức độ thế
Khối phổ ion hóa điện cực
Phổ hồng ngoại (Fourier-Transform Infrared)
D-galactose-4-sulfate
3,6-anhydro-D-galactose
Quang phổ hồng ngoại
Kappa
kiloDalta
Phƣơng pháp sắc ký lỏng ghép cặp khối phổ
Tỷ lệ mol của natri hydroxit và axit monoloroaxetic
Trọng lƣợng phân tử trung bình
Phổ khối lƣợng
Cộng hƣởng từ hạt nhân
Khối lƣợng/thể tích
Iota
Lambda


5

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của các dạng carrageenan khác nhau ....... 17
Hình 1.1: Cấu trúc của κ-carrageenan .................................................. 18
Hình 1.2: Cấu trúc của -carrageenan ................................................... 19
Hình 1.3: Cấu trúc của -carrageenan .................................................. 19
Hình 1.4: Sự chuyển hóa -carrageenan thành κ-carrageenan trong mơi
trƣờng kiềm ..................................................................................................... 20

Hình 1.5: Sự chuyển hóa -carrageenan thành - carrageenan trong mơi
trƣờng kiềm ..................................................................................................... 20
Hình 1.6: Sự chuyển hóa -carrageenan thành -carrageenan trong mơi
trƣờng kiềm ..................................................................................................... 20
Hình 1.7: Sơ đồ tổng hợp carboxymethyl K-carrageenan .................... 31
Hình 2.1: Hình ảnh rong Kappaphycus striatum .................................. 40
Hình 3.1: Phổ FT-IR của kappa carrageenan từ rong đỏ K. striatum... 51
Hình 3.2: Phổ 13C NMR của carrageenan từ rong đỏ K. striatum ........ 52
Hình 3.3: Phổ 1H NMR của kappa-carrageenan từ rong đỏ K. striatum
......................................................................................................................... 55
Hình 3.4: Phổ FT-IR của carboxymethyl kappa carrageenan từ rong đỏ
K. striatum ....................................................................................................... 58
Hình 3.5: Phổ FT-IR của kappa carrageenan từ rong đỏ K. striatum... 59
Hình 3.6: Phổ FT-IR của carboxymethyl kappa carrageenan từ .......... 59
Hình 3.7: Phổ 13C NMR của carrageenan từ rong đỏ K. striatum ........ 60
Hình 3.8: Phổ 13C NMR của carboxymethyl kappa-carrageenan từ .... 60
Hình 3.9: Phổ 1H NMR của kappa-carrageenan từ rong đỏ K. striatum
......................................................................................................................... 61
Hình 3.10: Phổ 1H NMR của carboxymethyl kappa-carrageenan........ 62
Hình 3.11: Ảnh hƣởng của tỉ lệ mol monocloacid acetic (MCA)/kcarrageenan đến mức độ thế gốc carboxymethyl trong -carrageenan ......... 63


6

Hình 3.12: Hình ảnh và kích thƣớc hạt carboxymethyl kappacarrageenan dạng ngậm nƣớc và dạng khô ..................................................... 65


7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thành phần hóa học cơ bản của rong sụn [17] .................... 15
Bảng 1.2: Một số tính chất đặc trƣng của các loại carrageenan [26] ... 21
Bảng 2.1: Các thiết bị chính đƣợc sử dụng trong thí nghiệm............... 41
Bảng 3.1: Thành phần hóa học và tính chất hóa lý của kappacarrageenan từ rong đỏ K. striatum ................................................................. 50
Bảng 3.2: Độ chuyển dịch hóa học (ppm) của nguyên tử carbon trong
phổ 13C NMR của kappa-carrageenan từ rong đỏ K. striatum ........................ 53
Bảng 3.3: Độ chuyển dịch hóa học (ppm) của proton trong phổ 1H
NMR của kappa-carrageenan từ rong đỏ K. striatum ..................................... 56


8

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.
Những tiến bộ gần đây trong công nghệ sinh học đã thúc đẩy nhu cầu
nghiên cứu các chất mang phù hợp để mang các chất hoạt tính sinh học có
khối lƣợng phân tử lớn, nhƣ insulin và cyclosporine [2]; hormone tăng trƣởng
[3]; gen và vaccine miễn dịch qua đƣờng miệng [4]. Tuy nhiên có những rào
cản quyết định về mặt sinh học khi sử dụng trực tiếp các thuốc có bản chất
protein qua đƣờng miệng, một số protein thƣờng bị biến tính trong mơi trƣờng
acid của dạ dày và bị phân cắt bởi enzyme đƣờng ruột [5]. Sự bọc các thuốc
có khối lƣợng phân tử lớn khơng chỉ bảo tồn cấu hình và hoạt tính của thuốc
trong mơi trƣờng dạ dày - ruột, mà cịn kéo dài thời gian giải phóng và hấp
thụ thuốc ở vị trị đích [1]. Trong số các polymer đƣợc dùng để bọc thuốc, các
polysaccharide tự nhiên từ rong biển nhƣ carrageenan, alginate và các dẫn
xuất của chúng đang đƣợc tập trung nghiên cứu nhiều nhất [6].
Trong số các chất mang có nguồn gốc từ polysaccharide rong biển
đƣợc nghiên cứu gần đây, carrageenan và các dẫn xuất của chúng đã đƣợc tập
trung nghiên cứu để đóng gói protein, do chi phí thấp, khả năng tái tạo nhanh,

khơng gây độc tế bào, không gây miễn dịch và khả năng phân hủy sinh học
nhanh. Đặc biệt các chất mang từ dẫn xuất carboxymethyl của carrageenan,
do đƣợc gắn thêm các nhóm (-COOH) linh động trong cấu trúc, nên chúng có
mật độ liên kết ngang cao và ngăn chặn sự khuyếc tán của acid trong dạ dày
cũng nhƣ enzyme vào bên trong cấu trúc của polysaccharide đã đóng gói
protein. Bên cạnh đó, chất mang từ dẫn xuất carboxymethyl của carrageenan
còn tạo ra một diện tích tiếp xúc lớn trên bề mặt tế bào để giải phóng protein
ra khỏi cấu trúc của chất mang theo sự gia tăng nồng độ để thấm qua màng
ruột đến vị trí tế bào đích [7].
Rong đỏ, Kappaphycus striatum, Kappaphycus alvarezii và Eucheuma
denticulatum là các loài rong kinh tế, đang đƣợc ni trồng rộng rãi ở nƣớc ta
cho mục đích sử dụng làm thực phẩm hoặc làm nguồn nguyên liệu để sản xuất
carrageenan. Đó là nguồn nguyên liệu phong phú để nghiên cứu phát triển các


9

vật liệu sinh học mới từ rong biển ở Việt nam cho định hƣớng sử dụng làm
chất mang thuốc trong tƣơng lai. Trên cơ sở nguồn nguyên liệu rong phong
phú đang đƣợc nuôi trồng, tôi tiến hành thực hiện đề tài “Tổng hợp và phân
tích đặc tính hóa lý của dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan từ
rong đỏ Kappaphycus striatum”. Các kết quả nghiên cứu đạt đƣợc sẽ đóng
góp thêm cơ sở dữ liệu các dẫn xuất carrageenan từ rong biển Việt nam để
phục vụ cho sử dụng trong y học.
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI.
- Tinh chế kappa-carrageenan từ rong đỏ Kappaphycus striatum.
- Tổng hợp dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan từ kappacarageenan.
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu.
Kappa-carrageenan và dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan từ

rong đỏ Kappaphycus striatum.
3.2. Phạm vi nghiên cứu.
Rong đỏ, Kappaphycus striatum thu thập ở Vịnh Vân Phong, Khánh
Hòa.
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.
 Tinh chế kappa-carrageenan từ rong đỏ Kappaphycus striatum. Phân
tích tính chất hóa lý và cấu trúc của kappa-carrageenan từ rong đỏ
Kappaphycus striatum.
- Xác định hàm lƣợng carbohydrate.
- Xác định hàm lƣợng sulfate.
- Xác định hàm lƣợng 3,6-anhydro-D-galactose.
- Xác đinh cấu trúc của kappa-carrageenan bằng phổ IR và 13C NMR.
 Tổng hợp dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan từ kappacarageenan.
- Xác định hàm lƣợng carbohydrate.


10

- Xác định hàm lƣợng sulfate.
- Xác định hàm lƣợng 3,6-anhydro-D-galactose.
- Xác định mức độ carboxymethyl hóa của dẫn xuất carboxymethyl
kappa-carrageenan.
- Xác đinh cấu trúc của dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan
bằng phổ IR và 13C NMR.
 Phân tích tính chất hóa lý, kích thƣớc và cấu trúc của dẫn xuất
carboxymethyl kappa-carrageenan từ kappa-carrageenan.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.
5.1. Ý nghĩa khoa học:
Các kết quả nghiên cứu của đề tài là số liệu khoa học mới, chƣa từng
công bố ở Việt Nam về các phƣơng pháp tổng hợp và phân tích đặc tính hóa

lý của dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan từ rong đỏ Kappaphycus
striatum.
5.2. Tính thực tiễn của đề tài:
Các kết quả đạt đƣợc từ đề tài không chỉ hứa hẹn sử dụng nguồn
polysaccharide từ rong biển để làm chất mang các thuốc khác nhau để điều trị
các bệnh, mà còn tác động đáng kể về kinh tế và xã hội, thúc đẩy nuôi trồng,
khai thác, sử dụng và nâng cao giá trị kinh tế của rong biển nuôi trồng ở nƣớc
ta.


11

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ RONG BIỂN
Trong đa dạng và vô tận của thảm thực vật đại dƣơng, rong biển là một
trong số các lồi thực vật có nhiều ứng dụng rộng rãi. Hàng năm đại dƣơng
cung cấp cho trái đất khoảng 200 tỷ tấn rong biển. Nhiều nhà khoa học cho
rằng trên 90% cacbon trên trái đất đƣợc tổng hợp nhờ quang hợp, trong đó
20% có nguồn ngốc từ rong biển. Rong biển cũng đƣợc sử dụng trong nhiều
lĩnh vực khác nhau. Chúng là nguồn nguyên liệu tự nhiên cho công nghiệp
thực phẩm (Cải biển Ulva lactuca, bột rong biển, chất tạo gel E400, E401
Alginate–Agar E406, E407, Carrageenan...), mỹ phẩm (chất tạo kết cấu và
hoạt hóa), cơng nghiệp (Phycocolloids, hydrocolloids tạo độ sánh, gel hoặc
chất ổn định), thức ăn gia súc, nông nghiệp, trong ngành dƣợc phẩm [8]…
Qua các tài liệu tham khảo trong lịch sử và trong thời gian sử dụng lâu dài,
khơng có nguy cơ gây hại sức khỏe nào đƣợc đề cập đến rong biển. Vì vậy,
rong biển đƣợc xếp vào loại thực phẩm chức năng ngày càng đƣợc sử dụng
rộng rãi trên thế giới.
Thật vậy, rong biển là nguồn thức ăn rất giàu dƣỡng chất. Trong các
phƣơng pháp dƣỡng sinh của nhiều dân tộc trên thế giới, rong biển đƣợc coi

là thức ăn tạo sự dẻo dai, khỏe mạnh về thể chất và tinh thần cho con ngƣời.
Việc tiêu thụ sản phẩm từ rong biển đã trải qua thời kì lịch sử lâu dài. Các dấu
vết khảo cổ học cho thấy Nhật Bản đã dùng rong biển từ hơn 10 nghìn năm
trƣớc. Ở nền văn hoá Trung Quốc cổ đại, rong biển đƣợc coi là đặc sản đƣợc
dùng trong các món ăn của triều đình và chỉ hồng tộc, khách của hồng thân
mới đƣợc thƣởng thức. Dù rong biển đƣợc coi là món ăn đặc trƣng của châu
Á nhƣng trên thực tế các quốc gia có đƣờng biển trên thế giới
nhƣ Scotland, Ái Nhĩ Lan, Tân Tây Lan, quần đảo Thái Bình Dƣơng và các
nƣớc Nam Mỹ ven biển… cũng đã sử dụng rong biển từ rất lâu đời [9].
Rong biển đã đƣợc sử dụng trong bữa ăn của con ngƣời từ thời tiền sử.
Và sau đó trở nên phổ biến trên các quốc gia nhƣ Nhật Bản hay Hàn Quốc.
Theo các tƣ liệu lịch sử thì rong biển đƣợc đa dạng hóa vào thời nara của


12

Nhật. Ngƣời Nhật sử dụng chủ yếu ba loại rong biển là rong dang sợi, rong
dạng miếng dẹt và rong dạng khối thạch trong suốt. Lịch sử của nƣớc Nhật
gắn liền với rong biển, ngƣời Nhật đã dùng rong biển trong các món ăn khi nó
cịn đƣợc khai thác với số lƣợng ít, rong biển trở thành món q xa xỉ sau
những chuyến đi biển của ngƣời Nhật. Sau này, khi cải cách đƣợc cách đi
biển ngƣời ta đã khai thác đƣợc nhiều hơn và rong biển trở nên phổ biến hơn.
Rong biển ngày càng đƣợc sử dụng nhiều trên thế giới để ứng dụng vào nhiều
lĩnh vực khác nhau bởi trồng rong biển thân thiện với mơi trƣờng vì nó bền
vững và tiết kiệm kinh tế hơn do khơng cần sử dụng đến phân bón. Trong đó
việc sử dụng rong để làm thực phẩm chiếm một vai trò đáng kể. Gần đây,
nguồn rong biển trở thành nguồn thực phẩm quý giá và có nhu cầu ngày càng
tăng, do có ý kiến cho rằng rong là nguồn thực phẩm có nhiều chất dinh
dƣỡng tốt cho cơ thể và phòng chống nhiều bệnh tật [10].
Rong đỏ (hay tảo đỏ) là những sinh vật quang tự dƣỡng thuộc ngành

Rhodophyta [11]. Phần lớn các lồi rong đều thuộc nhóm này. Các thành viên
trong ngành có đặc điểm chung là màu đỏ tƣơi hoặc tía [12]. Màu sắc của
chúng là do các hạt sắc tố phycobilin tạo thành. Phycobilin là sắc tố đặc trƣng
cho tảo đỏ và vi khuẩn lam. Ngƣời ta cho rằng lục lạp của tảo đỏ có nguồn
gốc từ vi khuẩn lam cộng sinh với tảo mà thành [13]. Hiện nay đã phân loại
đƣợc gần 4.000 loài tảo đỏ, phần lớn sống ở biển, chỉ có một số ít sống ở
nƣớc ngọt. Mặc dù tảo đỏ có mặt ở tất cả các đại dƣơng nhƣng chúng chỉ phổ
biến ở các vùng biển ấm nhiệt đới nơi chúng có thể phân bố sâu hơn bất kỳ
một sinh vật quang hợp nào. Tảo đỏ là các sinh vật đa bào và cơ thể phân
nhiều nhánh. Tuy nhiên, cơ thể chúng lại khơng có sự biệt hóa thành
các mơ riêng biệt. Thành tế bào tảo đỏ có một lớp cứng bằng cellulose ở bên
trong và một lớp gelatin ở bên ngoài. Tế bào của chúng có thể có một hay
nhiều nhân tùy thuộc vào từng loài. Tế bào phân chia bằng cách nguyên phân.
Tảo đỏ hồn tồn khơng có roi bơi; khơng có các tế bào có khả năng di
chuyển ở bất kỳ dạng nào. Lạp lục trong tế bào tảo đỏ có
phycobilin, chlorophyll a, carotene và xanthophyll. Ở vùng sâu đại dƣơng,
ánh sáng xâm nhập tới có bƣớc sóng rất khác so với các thủy vực nông, trong


13

điều kiện đó phycobilin có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn so với
chlorophyl a. Điều này đã giải thích tại sao tảo đỏ có thể phân bố tới độ sâu
268 m (879 ft). Hợp chất carbonhydrate tích lũy trong tảo đỏ dƣới dạng tinh
bột floridean, một dạng polymer đặc biệt của glucose khác với dạng tinh
bột của các lồi thực vật khác.
Ngành rong đỏ có khoảng 4000 lồi của gần 40 chi, thuộc nhiều loại và
phần lớn sống ở biển, ở nơi nƣớc sâu, song cũng có khi mọc ở chỗ nƣớc nông,
ánh nắng nhiều chúng sẽ không cịn giữ đƣợc sắc tố đỏ mà có màu hơi vàng,
nâu hoặc da lƣơn. Cấu tạo chủ yếu từ nhiều tế bào, trừ một số ít thuộc dạng

một tế bào hay quần thể. Rong có dạng hình trụ trịn, dẹt, đai phiên chia
nhánh hoặc không. Phần lớn chia nhánh theo kiểu một trục, một số ít theo
kiểu hợp trục. Sinh trƣởng chủ yếu ở đỉnh, ở giữa đốt hay phân tán.
Trên thế giới rong đỏ thƣờng đƣợc sử dụng với một lƣợng lớn để phục
vụ cho con ngƣời, một số lồi có hàm lƣợn cao về Agar, Carrageenan,
Furcellaran đƣợc sử dụng trong chế biến keo rong [10].
Phần lớn rong đỏ có cấu tạo đa bào. Theo tài liệu của FAO, các lồi
rong đỏ đƣợc chia làm ba nhóm chính:
- Nhóm rong cho Agar: bao gồm các loài nhƣ: Gelidium, Graccilaria
và Acanthopeltis. Trong đó Gelidium, Graccilaria đƣợc dùng nhiều trên thế
giới để sản xuất agar.
- Nhóm Gelans: nhóm rong này dùng để sản xuất Furcellaran, điển hình
của nhóm rong này là Furcellaria.
- Nhóm rong cho Carrageenan: bao gồm các lồi nhƣ: Chondruscripus,
Gigartinastella và Hypnea [14].
Việc chọn loại rong nào là nguyên liệu chính để sản xuất các loại keo
rong phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khác nhau. Một trong những yếu tố quan
trọng nhất là tính chất ổn định và nguồn nguyên liệu, hay nói cách khác là phụ
thuộc vào khả năng phát triển của lồi rong đó trong điều kiện tự nhiên của
mỗi nƣớc cũng nhƣ chất lƣợng keo rong đƣợc chiết rút ra từ lồi rong đó.
Carrageenan (car) là một loại polysaccharide tự nhiên đƣợc chiết xuất
từ rong biển đỏ ăn đƣợc thuộc lớp Rhodophycea và đã đƣợc sử dụng rộng


14

rãi trong thực phẩm, dƣợc phẩm và ngành công nghiệp khác. polysaccharide
hiện đang là một loại polimer sinh học có triển vọng cao trong kỹ thuật mô và
y học tái sinh vì nó giống với glycosaminoglycan trong các cơng thức dƣợc
[15]. Một trong những chỉ tiêu chất lƣợng quan trọng nhất của car chính là các

tính chất lƣu biến, liên quan đến sự chảy và sự biến dạng của vật chất dƣới tác
dụng của ngoại lực. Nghiên cứu về tính chất lƣu biến của carrageenan để ứng
dụng vào đời sống, sản xuất sẽ giúp chúng ta hiểu biết về car, đánh giá đƣợc
tầm quan trọng của car, từ đó thiết kế và xây dựng đƣợc quy trình thiết bị sản
xuất, tạo ra những sản phẩm mới ứng dụng trong đời sống…
Rong đỏ tƣơi thƣờng có màu đỏ hoặc màu xanh đỏ nâu do trong rong
có hai loại sắc tố là phycobline (bao gồm phycocyanine có màu xanh tím,
phycocythine có màu đỏ) và chlorophyll. Rong sụn thuộc loài đơn trụ chia
thành 2 phần:
 Phần lõi: gồm một tế bào trung trụ chạy dọc thân từ gốc đến ngọn.
Xung quanh có từ 3 ÷ 4 hàng tế bào vây trụ có kích thƣớc lớn, hình trịn hay
hình đa giác, trong suốt, vách mỏng chứa các chất dinh dƣỡng (car).
 Phần da: gồm nhiều tế bào nhỏ sắp xếp khít nhau, hình trịn hay hình
bầu dục, khơng trong suốt, chứa đầy sắc tố. Ngoài cùng là lớp vỏ keo chứa
cellulose, chiếm khoảng 4% trọng lƣợng rong khơ, đóng vai trị bảo vệ các
lớp bên trong [16].
Thành phần chính của rong sụn là car. Hàm lƣợng car có thể chiếm đến
40% trọng lƣợng khơ của rong sụn. Trong đó, car tan chiếm khoảng 33%, car
khơng tan chiếm 7%. Thành phần hóa học cơ bản của rong sụn nguyên liệu
trình bày ở bảng 1.1.


15

Bảng 1.1: Thành phần hóa học cơ bản của rong sụn [17]
Thành
phần

Hàm
lƣợng

Thành
phần

Hàm
lƣợng

Protein

2,40 %

Cu2+

2,30 %

Cellulose
Ẩm
Tro tổng
Car
K+
Na+
Ca2+
Fe3+

4,00 %
19,40 %
20,00 %
40,00 %
2,20 %
2,40 %

0,36 %
0,04 Ppm

S
SO42IClHg
As
Pb
Cd

2,60 %
8,08 ppm
2,30 %
6,87 %
0,01 %
0,02 %
0,75 %
0,31 %

Tháng 3/1993, trên cơ sở của chƣơng trình hợp tác về Khu hệ và nguồn
lợi rong biển kinh tế Việt Nam giữa Phân viện Vật liệu Nha Trang (nay là
Viện nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang) và Nhật Bản, Phân viện
Vật liệu Nha Trang đã tiến hành di nhập rong sụn giống từ Nhật Bản để
nghiên cứu nhân giống và thử nghiệm nuôi trồng rong sụn tại các vùng ven
biển của tỉnh Khánh Hòa và Ninh Thuận. Kết quả thử nghiệm cho thấy rong
sụn hồn tồn thích nghi với điều kiện tự nhiên ở nƣớc ta. Từ đó đến nay,
nghề ni trồng rong sụn phát triển mạnh ở các tỉnh: Ninh Thuận, Khánh
Hịa, Phú n, Bình Định, Kiên Giang và hiện đang là đối tƣợng nuôi đƣợc
nhiều tỉnh ven biển miền Trung từ Nghệ An trở vào phía Nam quan tâm. Đến
nay, ni trồng rong sụn trở thành một nghề mới của Việt Nam, góp phần tạo
cơng việc làm cho hàng ngàn lao động [18], [19].

1.2. TỔNG QUAN VỀ CARRAGEENAN.
1.2.1. Lịch sử nghiên cứu carrageenan.
Carrageenan đã đựợc sử dụng nhƣ là một chất tạo gel trong thực phẩm
từ vài trăm năm trƣớc, ở Châu Âu thì việc sử dụng car đã thấy xuất hiện cách


16

đây 600 năm tại ngơi làng có tên là Caraghen thuộc phía nam của vùng ven
biển Irish.
Carrageenin là tên đầu tiên của carrageenan đƣợc tìm thấy lần đầu tiên
năm 1862 từ tảo Chondrus crispus.
Tảo biển khác nhau thì sản xuất car khác nhau. Chúng tồn tại ở hầu hết
các vùng biển, nhƣng ở những nơi tập trung các hồ ấm nhiệt đới thƣờng đƣợc
chọn nhất, bởi vì chúng sinh sản nhanh nhất: ví dụ, car đƣợc thu hoạch ở các
khu vực của Philippines, Indonesia, Chile và các nƣớc nóng khác. Nhiều loại
car đƣợc sử dụng để sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm và tổng
cộng họ này bao gồm hơn 3.000 lồi tảo. Tất nhiên, khơng phải bản thân tảo
đƣợc sử dụng, mà là các chất đƣợc chiết xuất từ chúng, đƣợc gọi là
polysacarit sunfat. Để chiết xuất chúng, nguyên liệu thô ban đầu đƣợc đun sôi
trong dung dịch kiềm, và sau đó chất giống nhƣ gel thu đƣợc đƣợc sấy khơ và
nghiền nát. Do đó, ngun liệu thơ car đƣợc hình thành để sử dụng trong
ngành cơng nghiệp thực phẩm.
Vào những năm 1930, quá trình tách chiết car nguyên chất đã đƣợc tiến
hành ở Mĩ. Sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, do sự phát triển của ngành
công nghiệp thực phẩm nên nhu cầu về car trên thế giới đã bắt đầu tăng lên.
Trong những năm 1950, những nghiên cứu về car đã cho thấy rằng sự khác
nhau về các phân đoạn của car là kết quả của nhiều loại car khác nhau và xác
định đƣợc cấu trúc phân tử của car.
Ngày nay thì ngƣời ta đã biết thêm nhiều loại rong có khả năng sản

xuất car. Những nhiên cứu chi tiết về các loài rong này đã cho phép ngƣời ta
có thể trồng chúng trên quy mơ lớn và do đó đáp ứng đƣơc nhu cầu ngun
liệu cho ngành cơng nghiệp sản xuất car.
Carrageenan đóng một vai trị quan trọng trong việc đóng góp cho sự
thịnh vƣợng kinh tế của gần 60.000 nơng dân gia đình trên toàn thế giới.
Trồng rong biển để sản xuất các sản phẩm nhƣ car đã trở thành sinh kế ƣa
thích của nhiều nông dân vùng biển, đặc biệt là ở vùng khí hậu nhiệt đới vì
trồng rong biển cần ít vốn đầu tƣ và mất ít thời gian hơn các sản phẩm khác.
Các hộ dân biển có thể duy trì nguồn giống rong để nuôi trồng rong biển


17

mang lại giá trị về kinh tế lâu dài, ổn định hơn. Điều đó có nghĩa là ni trồng
rong biển đã tạo cơng ăn, việc làm cho chính ngƣời dân biển tại địa phƣơng
và rong biển trở thành một mặt hàng mang tới lợi nhuận cho ngƣời dân các
cộng đồng ven biển ở các nƣớc đang phát triển.
1.2.2. Cấu trúc của carrageenan.
Carrageenan là tên gọi chung của một họ polysaccharide sulfate có
trọng lƣợng phân tử cao đƣợc chiết từ một số lồi rong biển đỏ. Hình thành do
các đơn vị khác của D-galactose và 3,6-anhydro-D-galactose (DA) tham gia
bằng một polymer mạch thẳng với liên kết luân phiên của βD- galactose
pyranose qua liên kết 1-3 và αD-galactose pyranose qua liên kết 1-4 (hình
1.1) [17], [20] và đƣợc phân loại theo mức độ thế trên các nhóm OH tự do của
chúng. Sự thế hoặc thêm nhóm este sulfate có mặt của 3,6-anhydro-Dgalactose [21]. Hợp phần cấu tạo của car gồm có D-galactose (17 ÷ 31%) cịn
L-galactose chiếm lƣợng rất nhỏ. Do đó, car tạo thành chủ yếu bởi các mạch
poly D-galactose bị sulfate hố có phân tử lƣợng 500 ÷ 700 Dalton [22].
Các phân tích bằng phƣơng pháp cộng hƣởng từ hạt nhân cho thấy car
có nhiều dạng cấu trúc hố học khác nhau. Dựa vào cấu trúc hố học, ngƣời ta
có thể phân car thành các loại nhƣ sau: mu, kappa, nu, iota, lamda và theta,…

Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của các dạng carrageenan khác nhau


18

Có 6 dạng car có tùy thuộc vào số lƣợng và vị trí của các nhóm ester
sulfate [21]. (Hình 1.1).
Các loại này chỉ khác nhau ở mức độ sulfate hoá, vị trí sulfate hố, mức
độ dehydrat hố của chuỗi polysacharid. Khối lƣợng phân tử của đại phân tử
car khoảng từ 105 đến 106 phụ thuộc nguồn gốc nguyên liệu và q trình
chiết. [19],[22],[23], [24].
Car tự nhiên từ các lồi rong khác nhau có thể là hỗn hợp khác nhau
của các loại car đã nêu ở trên. Ngƣời ta phân chia car ra hai nhóm chính:
nhóm 1 chứa các loại mu, nu, kappa, iota và các dẫn xuất của chúng. Các car
này tạo gel với ion K+ hoặc có thể xử lý kiềm để có tính chất tạo gel, chúng có
đặc điểm là gốc đƣờng có liên kết 1,3 hoặc khơng có nhóm sulfate hố ở vị trí
C4. Nhóm thứ 2 là lambda, xi, theta và các dẫn xuất của chúng. Chúng khơng
có khả năng tạo gel ngay cả trƣớc và sau khi xử lý kiềm. Đặc trƣng của cấu
trúc này là cả hai loại gốc đƣờng liên kết 1,4 và 1,3 đều có nhóm sulfate ở ví
trí C2. Ngồi ra, thành phần của car gồm có H2SO4, Ca2+ và 3,6-anhydro-Dgalactose (DA). Dạng tồn tại của car trong rong đỏ gắn với Ca2+, K+, Na+ nhƣ:
R=(OSO3)2Ca hoặc R-OSO3Na, ROSO3K (R là gốc polysacharid). Hàm lƣợng
SO32- cũng ảnh hƣởng đến sức đông của car [22].
Tuy nhiên phổ biến nhất là 3 dạng chính đƣợc gọi là -, -, và carrageenan. Trong đó, κ-car chiếm thị phần lớn nhất (80%). Mu và Nu là
chất ban đầu tổng hợp nên kappa và iota, việc chuyển đổi này là do enzyme
dekinkase có trong rong biển hay trong quá trình sản xuất khi dùng xúc tác
loại nhóm 6 sulfate [22].
κ-carrageenan: là một loại polymer mạch ngắn, có cấu tạo xen kẽ giữa
D-galactose-4- sulfate (G4S) và 3,6 anhydro D-galactose (DA) (Hình 1.2).
Cấu trúc phân tử của κ-car là vịng xoắn kép bậc III.

Hình 1.1: Cấu trúc của κ-carrageenan


19

-carrageenan: là một loại car có số lƣợng gốc sulfate nằm trung gian
giữa số lƣợng gốc sulfate của κ-car và -car (Hình 1.3). Khi tạo gel, khối gel
của -car có tính đàn hồi tốt hơn khối gel của các loại car khác.

Hình 1.2: Cấu trúc của -carrageenan

-carrageenan: trong mạch phân tử của -car, các đơn vị monomer
gồm: D-galactose-2- sulfate (1,3) và D-galactose-2-6-disulfate nối xen kẽ với
nhau (Hình 1.4).

Hình 1.3: Cấu trúc của -carrageenan

Các phân đoạn này đều có tính đa phân tán, nhƣng chúng chỉ khác nhau
về thành phần sunphat ester và gốc quay quang. -car có khối lƣợng phân tử
cao và mạch dài hơn κ-car. Thành phần của phân đoạn này cũng phụ thuộc
vào nhiệt độ chiết và loại rong nguyên liệu [22], [24], [25].
Sự khác nhau của các loại car trên ở vị trí và số lƣợng nhóm ester
sulfate đính vào chuỗi polysacharid, do đó mỗi loại có tính chất vật lý và hố
học đặc trƣng khác nhau.
1.2.3. Tính chất lý hố của carrageenan
1.2.3.1. Tính chất của carrageenan
Mơi trƣờng kiềm có ảnh hƣởng lớn đến trạng thái cấu tạo hố học của
car, cụ thể trong mơi trƣờng kiềm, nhóm (HOSO3-) bị khử tách dần khỏi cấu
trúc của car. Tùy thuộc vào mức độ tách nhóm (HOSO3-) từ car ban đầu sẽ

20

hình thành nên cấu trúc của một loại car khác với ban đầu [22], [24], [25].
Chẳng hạn:
Từ Mu-car khi bị khử nhóm (HOSO3-) trong mơi trƣờng kiềm sẽ tạo
thành κ-car (hình 1.5).

Hình 1.4: Sự chuyển hóa -carrageenan thành κ-carrageenan trong mơi trƣờng kiềm

Từ Nu-car khi bị khử nhóm (HOSO3-) trong mơi trƣờng kiềm sẽ tạo
thành thành -car (hình 1.6).

Hình 1.5: Sự chuyển hóa -carrageenan thành - carrageenan trong mơi trƣờng kiềm

Trong mơi trƣờng kiềm - car bị khử nhóm (HOSO3-) sẽ tạo thành
theta-car (hình 1.7).

Hình 1.6: Sự chuyển hóa -carrageenan thành -carrageenan trong môi trƣờng kiềm

Car là một polymer mang điện âm nên bị ngƣng kết khi có mặt của các
đại phân tử mang điện tích dƣơng nhƣ: metylen xanh, safranine, phẩm màu
azo thiazo khác, tính chất này giống nhƣ một vài alkaloid và protein. Mặt
khác, car cịn có khả năng kết tủa khi có mặt của ethanol nồng độ cao (ethanol


21

đóng vai trị là tác nhân dehydrate hố). Do vậy, ngƣời ta có thể sử dụng

ethanol nồng độ cao để kết tủa thu car.
Mặt khác, car là hợp chất cao phân tử (polysaccharide) có cực nên
hydrat hóa và hịa tan tốt trong mơi trƣờng có cực, chẳng hạn nhƣ nƣớc. Khi
car hút nƣớc sẽ xảy ra hiện tƣợng hydrat hóa và dẫn tới sự hòa tan. Khi hòa
tan trong nƣớc, car tạo thành dung dịch lỏng, sánh. Ngƣời ta sử dụng đặc tính
này để làm tăng khả năng ổn định của các hỗn hợp thực phẩm lỏng hay dung
dịch thực phẩm hoặc làm tăng khả năng hydrate hóa của các loại thuốc.
1.2.3.2. Tính tan
Car tan trong anhydrous hydrazine (N2H4), ít tan trong formamide
(CH3NO) và methyl sulfoxide ((CH3)2SO), không tan trong dầu và dung môi
hữu cơ. Car tan trong nƣớc, đặc biệt là nƣớc nóng, tuy nhiên tính tan cịn phụ
thuộc vào loại car.
Bảng 1.2: Một số tính chất đặc trƣng của các loại carrageenan [26]
Mơi trƣờng
Nƣớc nóng

Nƣớc lạnh

Sữa nóng

Sữa lạnh

Dung dịch đƣờng
có nồng độ cao

κ -car

-car

-car

Tan ở nhiệt độ trên
70oC
Tan trong dung
dịch muối Na+.
Không tan trong
dung dịch muối
K+, Ca2+
Tan
Không tan trong
dung dịch muối
dịch muối Na+, K+,
Ca2+ nhƣng trƣơng
nở rõ ràng

Tan ở nhiệt độ
trên 70oC

Tan

Tan trong dung
dịch muối Na+.

Tan

Tan

Tan

Không tan

Tan

Tan

Tan khi nóng

Tan khi nóng