Nghiên cứu chuyển hóa Carrageenan

411
Tạp chí Hóa học, T. 43 (4), Tr. 411 - 415, 2005

Nghiên cứu chuyển hóa -Carrageenan thành
-Carrageenan
Phần I - Tối u hóa cấu trúc của Carrageenan bằng phần mềm
tính toán hóa học Hyper Chem 7.02
Đến Tòa soạn 23-6-2004
phạm hồng hải, nguyễn xuân nguyên, trần Đình Toại
Viện Khoa học v$ Công nghệ Việt Nam

Summary
Carrageenan is used widly in the food industry. The use depents on their character. That is
very important to determine their composition - structure. We have extracted the carrageenan
from Red seaweed. In order to investigate its transformation (translatable properties), we
summary a optimum structure of this carrageenan by standard calculation program Hyper Chem
7.20. About the optimum structure where is a information of some properties of this carrageenan
as folowing: linked length, linked corners, and formula of carragenan.
I - Mở đầu
Carrageenan l polysaccarit tự nhiên đợc
tách ra từ rong biển (ngnh rong Đỏ
Rhodophyta) [1]. Ngoi chức năng lm vật liệu
tạo nên thnh tế bo v l nguồn đờng dự trữ,
polysaccarit giữ nhiều chức năng khác quan
trọng đối với tế bo nh trao đổi chất v bảo vệ
tế bo nên chúng có độ bền cơ học cao. Vì bản
chất nêu trên, kết hợp với một số tính chất đặc
biệt của chúng nh tạo gel ở nồng độ rất thấp
(1%), độ nhớt cao rất dễ tạo mng, m các
polysaccarit ny đI đợc sử dụng rộng rIi trong
nhiều ngnh của kinh tế quốc dân, đặc biệt l

trong chế biến sữa, thịt. Ngoi ra, chúng còn l
nguồn nguyên liệu quý để lm dợc phẩm, chế
thuốc [2].
Vì những lý do trên, việc nghiên cứu
carrageenan không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa
học m còn có ý nghĩa lớn về mặt thực tế. Vì
vậy, để đạt mục đích nghiên cứu chúng tôi sử
dụng phần mềm hóa lợng tử Hyper Chem để
tính toán những thông số cần thiết cho việc hiểu
biết thêm về cơ chế, động học của của phản ứng
chuyển hóa carrageenan.
Chúng tôi xin giới thiệu một phần trong
chơng trình nghiên cứu của chúng tôi bi ở báo
ny.
II - Cấu trúc v% tính chất của
Carrageenan
Carrageenan l hỗn hợp các galactan sulfat.
Đơn vị cấu trúc của carrageenan gồm 2 đờng
đơn --D-galactose (đơn vị cấu trúc G,D) hoặc
gồm đờng đơn --D-galactose v 3,6-anhiđro-
D-galactose (đơn vị cấu trúc G,DA) gắn với
nhau bởi liên kết (1-4) [1, 3]. Các đơn vị cấu
trúc ny liên kết với nhau qua mối liên kết (1-
3) tạo thnh carrageenan.
Theo đơn vị cấu trúc, có thể chia
carrageenan thnh 2 nhóm:
- Nhóm không có 3,6-anhiđro-D-galactose,
có đơn vị cấu trúc (G,D) nh: các dạng à-; -,
-carrageenan.
412

- Nhóm có 3,6-anhiđro-D-galactose, có đơn
vị cấu trúc (G,DA) nh: các dạng -; -, -; -
carrageenan.
ĐI có một số công bố về nghiên cứu mô
hình hóa cấu trúc của carrageenan [4].
Đối với carrageenan, một quá trình đáng lu
ý l chuyển carrageenan từ nhóm cấu trúc
không có liên kết 3,6-anhiđro-D-galactose
(G,D) thnh carrageenan thuộc nhóm có liên kết
3,6-anhiđro-D-galactose (G,DA) [5]. Quá trình
chuyển hóa ny đợc thực hiện trong môi
trờng kiềm mạnh hoặc có thể do các tác nhân
oxi hóa khử khác [6] (hình 1).

O
O
O
O
OH
OH
CH
2
OH
O
CH
2
OSO
3
-
OH

OSO
3
-
H (30%)
SO
3
-
(70%)
H (30%)
SO
3
-
(70%)
OSO
3
-
O
CH
2
OSO
3
-
O
CH
2
OH
OH
O
O
O

O

-
carrageenan


-
carrageenan
Hình 1: Quá trình chuyển hóa carrageenan trong môi trờng kiềm mạnh

Ngoi quá trình biến đổi cấu trúc, đối với
carrageenan còn có thể có quá trình chuyển hóa từ
dạng ny sang dạng khác do tạo thêm hoặc mất
nhóm sulfat.
Tùy hm lợng v vị trí của nhóm sulfat
trong cấu trúc, m carrageenan có dạng khác
nhau, thí dụ nh: -carrageenan (25% sulfat); -
carrageenan (32% sulfat); -carrageenan (35%
sulfat).
Nghiên cứu cấu trúc của carrageenan bằng
phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân cho thấy
rằng nhóm sulfat ảnh hởng rất lớn tới các giá
trị dịch chuyển hóa học của các vị trí cacbon
trong cấu trúc của polysaccarit ny.
Điều ny có thể thấy đợc khi so sánh độ
chuyển dịch hóa học của các loại carrageenan
thờng gặp trong tự nhiên [7, 8].
Iii - Nguyên liệu v% ph,ơng pháp
nghiên cứu
1. Nguyên liệu cho nghiên cứu

Carrageenan-sản phẩm hợp tác của phòng
thí nghiệm enzym Viện Hóa học với Liên hiệp
KHSX Công nghệ hóa học, Viện Hóa học các
hợp chất thiên nhiên tách chiết từ rong Hồng
vân Eucheuma gelatinae (ngnh rong Đỏ
Rhodophyta).
2. Phơng pháp nghiên cứu thnh phần, cấu
trúc của carrageenan bằng phổ Cộng
hởng từ hạt nhân (NMR)
Ngy nay phổ cộng hởng từ hạt nhân
(NMR) l một trong các công cụ chuẩn để xác
định cấu trúc phân tử. Chúng tôi sử dụng
phơng pháp ny để nghiên cứu carrageenan.
Chuẩn bị mẫu v ghi phổ: Hòa tan 20 - 30
mg mẫu trong D
2
O v 1-5% DMSO đến nồng
độ 2-3 %, ở 80
o
C. Việc ghi phổ đợc thực hiện
trên máy phổ NMR độ phân giải cao Bruker
Avent 500 MG tại Viện Hóa học, Viện Khoa
học v Công nghệ Việt Nam.
3. Phơng pháp tính toán bằng phần mềm
tính toán hóa học Hyper Chem 7.02
Hyper Chem l phần mềm hóa lợng tử
đợc sử dụng rộng rIi để mô hình hóa v thiết
kế phân tử. Hyper Chem cho phép xây dựng các
cấu trúc hai chiều v ba chiều của nhiều loại
phân tử đặc biệt l các đại phân tử nh protein,

polyme... Những tính toán trong Hyper Chem
đều tập trung giải quyết vấn đề thế năng tơng
tác giữa các electron dựa vo việc giải gần đúng
các phơng trình chứa tích phân Coulomb v
tích phân xen phủ giữa các electron. Hyper
Chem sử dụng các phơng pháp tính gần đúng
bán kinh nghiệm nh AM1, PM3 v ZINDO.
Các phơng pháp tính gần đúng ny cho
những kết quả phù hợp với thực nghiệm. Trong
413
đó, phơng pháp PM3 cơ bản dựa trên việc bỏ
qua sự xen phủ vi phân giữa hai nguyên tử. Do
đó phơng pháp ny đI đợc sử dụng để tính
toán theo các bớc nh sau:
- Xây dựng cấu trúc hai chiều v ba chiều
của đơn vị cấu trúc carrageenan.
- Tối u hóa các cấu trúc ny bằng phơng
pháp PM3 với độ hội tụ 0,001.
- Tính độ dịch chuyển hóa học của các
carrageenan trong phổ
1
3
C-NMR
- Tính toán các tham số nh: diện tích bề
mặt của phân tử; thể tích phân tử.
Điện tích nguyên tử (Q
A
): Q
A
= Z

A
- P
A
,
trong đó: Z
A
l điện tích hạt nhân nguyên tử A
(số electron hóa trị), P
A
l mật độ electron.
IV - Kết quả nghiên cứu
1. Kết quả tính toán
Kết quả tính toán tối u hóa độ di v góc
liên kết trong đơn vị cấu trúc của carrageenan
đợc trình by trong các bảng 1 v 2.
Bảng 1: độ di liên kết giữa các nguyên tử trong đơn vị cấu trúc của carrageenan
độ di liên kết độ di liên kết
Nguyên tử
Thực Tối u
Nguyên tử
Thực Tối u
O[14]-H[]30 0,952 0,942 C[1]-C[2] 1,562 1,505
C[15]-O[16] 1,345 1,421 C[1]-C[6] 1,577 1,505
C[15]-H[44] 1,133 1,111 C[1]-O[14] 1,358 1,421
C[15]-H[45] 1,127 1,111 C[1]-H[49] 1,138 1,111
O[16]-H[29] 0,955 0,942 C[2]-C[3] 1,544 1,514
O[17]-C[25] 1,348 1,402 C[2]-O[17] 1,365 1,402
C[18]-O[19] 1,219 1,402 C[2]-H[50] 1,136 1,111
C[18]-H[42] 3,934 1,111 C[3]-C[4] 1,521 1,505
C[18]-H[43] 1,134 1,111 C[3]-H[45] 1,121 1,113

O[19]-S[20] 1,751 - C[3]-H[55] 1,119 1,113
S[20]-O[26] 1,487 1,450 C[4]-O[5] 1,499 1,402
S[20]-O[27] 1,495 1,450 C[4]-O[13] 1,301 1,402
S[20]-O[28] 1,490 1,450 C[4]-H[56] 1,144 1,109
O[21]-C[22] 1,345 1,402 O[5]-C[6] 1,450 1,402
C[22]-H[39] 1,119 1,111 C[6]-C[15] 1,508 1,505
C[22]-H[40] 1,121 1,111 C[6]-H[48] 1,111 1,111
C[22]-H[41] 1,124 1,111 C[7]-C[8] 1,558 1,505
O[23]-H[31] 0,953 0,942 C[7]-O[12] 1,359 1,402
O[24]-S[32] 1,655 - C[7]-C[18] 1,503 1,505
C[25]-H[36] 1,118 1,111 C[7]-H[52] 1,145 1,111
C[25]-H[37] 1,121 1,111 C[8]-C[9] 1,571 1,505
C[25]-H[38] 1,122 1,111 C[8]-O[13] 1,381 1,402
S[32]-O[33] 1,503 1,450 C[8]-H[53] 1,142 1,111
S[32]-O[34] 1,498 1,450 C[9]-C[10] 1,568 1,505
S[32]-O[35] 1,499 1,450 C[9]-O[23] 1,364 1,421
C[2]-C[1]-C[6] 118,727 109,510 C[9]-H[51] 1,138 1,111
C[2]-C[1]-O[14] 106,519 107,700 C[10]-C[11] 1,560 1,496
C[2]-C[1]-H[49] 109,391 109,390 C[10]-O[24] 1,315 1,402
C[6]-C[1]-O[14] 110,133 107,700 C[10]-H[47] 1,161 1,111
C[6]-C[1]-H[49] 109,391 109,390 C[11]-O[12] 1,415 1,402
O[14]-C[1]-H[49] 101,236 106,700 C[11]-O[21] 1,346 1,402
C[1]-C[2]-C[3] 115,823 109,510 C[11]-H[46] 1,148 1,109
414
Bảng 2: Góc liên kết giữa các nguyên tử trong đơn vị cấu trúc của carrageenan
Góc liên kết Góc liên kết
Góc liên kết giữa
nguyên tử
Thực Tối u
Góc liên kết giữa

nguyên tử
Thực Tối u
C[7]-C[8]-H[53] 104,282 109,390 C[1]-C[2]-O[17] 108,519 107,700
C[9]-C[8]-O[13] 107,293 107,700 C[1]-C[2]-H[50] 109,045 109,390
C[9]-C[8]-H[53] 112,273 109,390 C[3]-C[2]-O[17] 107,611 107,700
O[13]-C[8]-H[53] 99,423 106,700 C[3]-C[2]-H[50] 103,632 109,390
C[8]-C[9]-C[10] 113,565 109,510 O[17]-C[2]-H[50] 112,236 106,700
C[8]-C[9]-O[23] 101,102 107,700 C[2]-C[3]-C[4] 119,297 109,500
C[8]-C[9]-H[51] 107,400 109,390 C[2]-C[3]-H[54] 110,790 109,410
C[10]-C[9]-O[23] 117,389 107,700 C[2]-C[3]-H[55] 107,709 109,410
C[10]-C[9]-H[51] 107,501 109,390 C[4]-C[3]-H[54] 104,726 109,410
O[23]-C[9]-H[51] 109,425 106,700 C[4]-C[3]-H[55] 111,439 109,410
C[9]-C[10]-C[11] 114,488 109,510 H[54]-C[3]-H[55] 101,422 109,400
C[9]-C[10]-O[24] 114,761 107,700 C[3]-C[4]-O[5] 103,765 107,700
C[9]-C[10]-H[47] 99,652 109,390 C[3]-C[4]-O[13] 111,675 107,700
C[11]-C[10]-O[24] 116,637 107,700 C[3]-C[4]-H[56] 112,950 109,390
C[11]-C[10]-H[47] 98,958 109,390 O[5]-C[4]-O[13] 116,492 97,000
O[24]-C[10]-H[47] 109,342 106,700 O[5]-C[4]-H[56] 98,701 106,700
C[10]-C[11]-O[12] 106,540 107,700 O[13]-C[4]-H[56] 112,434 106,700
C[10]-C[11]-O[21] 111,275 107,700 C[4]-O[5]-C[6] 138,573 106,800
C[10]-C[11]-H[46] 112,850 109,390 C[1]-C[6]-O[5] 103,716 107,700
O[12]-C[11]-O[21] 117,849 97,000 C[1]-C[6]-C[15] 127,015 109,510
O[12]-C[11]-H[46] 95,867 106,700 C[1]-C[6]-H[48] 109,393 109,390
O[21]-C[11]-H[46] 111,619 106,700 O[5]-C[6]-C[15] 111,971 107,700
C[7]-O[12]-C[11] 128,720 106,800 O[5]-C[6]-H[48] 106,702 106,700
C[4]-O[13]-C[8] 153,886 106,800 C[15]-C[6]-H[48] 96,571 109,390
C[1]-O[14]-H[30] 113,238 106,900 C[8]-C[7]-O[12] 111,595 107,700
C[6]-C[15]-O[16] 112,829 107,400 C[8]-C[7]-C[18] 121,065 109,510
C[6]-C[15]-H[44] 109,409 109,410 C[8]-C[7]-H[52] 102,432 109,390
C[6]-C[15]-H[45] 109,409 109,410 O[12]-C[7]-C[18] 110,598 107,700

O[16]-C[15]-H[44] 106,700 106,700 O[12]-C[7]-H[52] 112,273 106,700
O[16]-C[15]-H[45] 106,700 106,700 C[18]-C[7]-H[52] 97,538 109,390
H[44]-C[15]-H[45] 111,783 109,400 C[7]-C[8]-C[9] 113,053 109,510
C[15]-O[16]-H[29] 110,881 106,900 C[7]-C[8]-O[13] 119,685 107,700
2. Kết quả nghiên cứu tối u hóa đơn vị cấu
trúc của carrageenan
Kết quả tính toán điện tích của các nguyên
tử trong đơn vị cấu trúc của carrageenan đợc
trình by trên hình 2 v xây dựng mô hình đơn
vị cấu trúc tối u hóa về mặt năng lợng của
carrageenan đợc trình by trên hình 3.
415
Hình 2: Điện tích các nguyên tử trong đơn vị
cấu trúc của carrageenan

Hình 3: Cấu trúc tối u về mặt năng lợng đơn
vị cấu trúc của carrageenan
V - Kết luận
ĐI nghiên cứu tối u hóa độ di v góc liên
kết trong đơn vị cấu trúc của carrageenan để
tính toán tối u về mặt năng lợng v xây dựng
mô hình đơn vị cấu trúc của polysaccarit ny.
Công trình n$y đ@ợc ho$n th$nh với sự hỗ trợ
kinh phí của Hội đồng Khoa học tự nhiên.
T%i liệu tham khảo
1. W. Mackie and R. D. Preston. Chapter 2.
Cell wall and intercellular region
polysaccharides (7. Sulphated polysaccha-
rides), Algal physiology and Biochemistry,
P. 63 - 69 (1976).

2. Gerhard A. De Ruiter and Brian Rudolph.
Carragenan biotechnology. Trends in Food
science & Technology, 8, P. 389 - 395
(1997).
3. Stepanenko B. N. Chemistry and
Biochemistry of Carbohydrates (Polysac-
charides), Moscow (tiếng Nga) (1978).
4. S. Janaswamy, R. Chandrasekaran. Carbo-
hydrate Research, 335, P. 181 - 194 (2001).
5. Christian W. Kasbauer, Dietrich H. Paper,
Gerhard Franz. Carbohydrate Research,
330, P. 427 - 430 (2001).
6. Thanh Thi Thu Thuy. Structure of sulfated
polysaccharides in aqueous solution.
Doctoral thesis submitted to Kyoto Institute
of Technology (2002).
7. Ruth Falshaw and Richard H. Furneaux.
Carrageenans from the tetrasporic stages of
Gigartina clavifera and Gigartina alveata
(Gigartinaceae, Rhodophyta) Carbohydrate
Research, 276, P. 155 - 165 (1995).
8. Ruth Falshaw and Richard H. Furneaux.
Carbohydrate Research, 252, P. 171 - 182
(1994).