Độ hút ẩm của các mẫu mủ trôm biến tính có sự thay đổi về nồng độ mủ trôm và chất bổ sung trong quá trình thủy nhiệt.... Chúng tôi đã tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian xử lý
TỔNG QUAN
Tổng quan về mủ trôm
Mủ trôm (Karaya gum hay Sterculia gum) thực chất là nhựa cây tiết ra từ một số loài thuộc chi Sterculia (Sterculia urens và các loài khác, họ Sterculiaceae) hoặc từ loài Cochlospermum (họ Bix-aceae) dưới dạng chất keo bán rắn có màu trắng vàng Nó là một polymer sinh học tự nhiên được hình thành bởi quá trình gummosis, như là một sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất để đáp ứng với các tác động sinh học và phi sinh học như: chấn thương, hạn hán, nhiệt độ cao và nhiễm trùng Sự tiết dịch tự nhiên xảy ra từ các vết nứt trên thân cây hoặc đôi khi từ rễ ở những vị trí bị mối mọt (Prasad, N và cộng sự, 2022) Cây trôm được tìm thấy ở các vùng nhiệt đới trên thế giới như Ấn Độ, Sri Lanka, Pakistan, Miến Điện, Úc (López-Franco và cộng sự, 2009) Ấn Độ là nước sản xuất mủ trôm lớn nhất (50-70%), sản lượng còn lại được sản xuất ở Bắc Phi Khoảng 75-80% sản lượng được nhập khẩu vào Mỹ (Wüstenberg, 2014) Ở Việt Nam, cây trôm phân bố ở các tỉnh Tây Nguyên: Gia Lai, Kon Tum, Lâm Đồng và các tỉnh miền duyên hải Nam Trung Bộ: Bình Thuận, Ninh Thuận, Khánh Hòa
2.1.2 Phương pháp khai thác mủ trôm
Mủ trôm được thu hoạch vào mùa nắng, vụ thu hoạch ở Ấn Độ bắt đầu từ tháng 4 đến tháng 6, trước mùa gió mùa Vụ mùa ở Sénégal rơi vào tháng 9 đến tháng 1 hoặc từ tháng 3 đến tháng 6 (Wüstenberg, 2014) Tại Ninh Thuận, người dân khai thác chủ yếu vào tháng 11 đến tháng 4 năm sau (Theo Báo Điện Tử Đảng Cộng Sản Việt Nam, 2013)
Trước khi tiến hành thu hoạch mủ trôm, người trồng phải cạo sạch lớp biểu bì bên ngoài để vệ sinh vỏ cây, sau đó rạch một đường hoặc đục lỗ ở các vị trí khác nhau trên thân cây
Vỏ bọc nilon được dùng để quấn kín các rãnh hoặc lỗ này để khi mủ trôm chảy ra không bị bám bụi, vỏ cây hay rơi xuống đất Số lần thu hoạch mủ trôm đến khi vết thương trên thân cây lành trở lại có thể lên đến 10 - 15 lần tùy thuộc vào độ lớn và độ già của thân cây Sau 7 ngày, người trồng tháo lớp nilon và thu hoạch mủ trôm tươi Mủ trôm tươi sau thu hoạch sẽ được phơi dưới nắng 3 - 4 ngày để thu được mủ trôm khô Thông thường từ 1 kg mủ trôm tươi sẽ thu được 0.5 kg mủ trôm khô và mỗi cây trôm sẽ cho thu hoạch 5 lần với năng suất mỗi mùa 5 kg mủ trôm trong suốt chu kỳ sống của nó
Mủ trôm được phân loại dựa vào màu sắc và dư lượng vỏ cây và tạp chất (BFM) Mủ trôm loại 1 có chất lượng cao chứa 0 ± 0,5% và 1 ± 2% BFM cho màu dung dịch từ trắng đến nâu vàng rất nhạt Loại mủ trôm này tạo dung dịch có độ nhớt cao và được ứng dụng trong dược phẩm và thực phẩm Màu của dung dịch trở nên đậm hơn khi BFM tăng Mủ trôm loại 2 chứa 1,5 ± 3% BFM có màu nâu vàng rất nhạt, 2,5 ± 4% BFM có màu nâu vàng và 5 ± 7% BFM có màu nâu Mủ trôm chứa nhiều hơn 3% BFM thường được sử dụng trong công nghiệp (Wüstenberg, 2014; López-Franco và cộng sự, 2009)
2.1.3 Thành phần hóa học của mủ trôm
Mủ trôm là một polysaccharide phức tạp tích điện âm, có tính ưa nước và phân nhánh với trọng lượng phân tử lên tới 16 triệu dalton Mủ trôm được cấu tạo từ D-galactose, L- rhamnose, D-galacturonic và axit L-glucuronic Trong đó 55–60 % là các monosaccharide trung tính (26.3 % D-galactose và 29.2% L-rhamnose), axit gluconic và glucuronic chiếm
37–40 %, và 8% nhóm chức acetyl trong các monosaccharide được acetyl hóa một phần Hàm lượng L-rhamnose trong mủ trôm cao hơn nhiều so với các loại gum khác cũng là một đặc điểm để nhận dạng Karaya gum tự nhiên thường ở dạng muối canxi và magie với các ion Ca 2+ và Mg 2+ liên kết với các nhóm axit uronic (Wüstenberg, 2014; López-Franco và cộng sự, 2009)
Cấu trúc của Karaya gum chứa chuỗi trung tâm gồm các gốc axit α-D-galacturonic và α- L-rhamnose, và các chuỗi bên được gắn bằng liên kết 1,2 của β-D-galactose hoặc bằng liên kết 1,3 của β-D -glucuronic acid thành acid galacturonic của chuỗi chính Ngoài ra, một nửa số gốc rhamnose của chuỗi chính được liên kết 1,4 với các đơn vị β-D-galactose (Raj và cộng sự, 2021)
Hình 2 1 Cấu trúc hóa học của Karaya gum (Raj và cộng sự, 2021)
2.1.4 Tính chất của mủ trôm
Mủ trôm có mùi và vị acetic, bột màu xám nhạt đến xám hồng Trên thị trường, mủ trôm được đánh giá và phân loại dựa vào màu sắc và độ tinh khiết Các nghiên cứu còn chỉ ra rằng mủ trôm có khả năng tạo thành màng mềm khi được hóa dẻo với các hợp chất glycol (Wüstenberg, 2014)
Mủ trôm trương nở bằng cách hấp thụ một lượng lớn phân tử nước và giữ chúng giữa các chuỗi và nhánh của chúng (Rana và cộng sự, 2011) Sự có mặt của nhiều nhóm hydroxyl trong cấu trúc mủ trôm có khả năng hình thành liên kết hydro với các phân tử nước (Hamdani và cộng sự, 2019) Ngoài ra, các nhóm acetyl trong cấu trúc phân tử ngăn không cho mủ trôm hòa tan hoàn toàn trong nước nhưng trương nở gấp nhiều lần thể tích ban đầu (Wüstenberg, 2014)
Mủ trôm là loại gum thương mại ít tan nhất do sự hiện diện của các nhóm acetyl trong cấu trúc phân tử Thay vì tan hoàn toàn trong nước, mủ trôm hấp thụ nước và tạo dạng phân tán keo nhớt ở nồng độ thấp (< 0.02% trong nước lạnh và 0.06% trong nước nóng) Gia nhiệt làm tăng độ hòa tan do thay đổi cấu trúc polymer nhưng dẫn đến mất độ nhớt vĩnh viễn (Wüstenberg, 2014) Mủ trôm tạo dung dịch nhớt trong cồn 60 o nhưng không tan ở nồng độ
7 cao hơn Deacetyl hóa bằng cách sử dụng kiềm trong dung dịch có thể thay đổi đặc tính của mủ trôm từ trương nở sang tan trong nước (López-Franco và cộng sự, 2009)
❖ Độ nhớt Độ nhớt của mủ trôm tăng khi tăng nồng độ, giảm nhiệt độ và tăng mức độ deacetyl hóa Trong dung dịch nồng độ thấp, độ nhớt tăng tuyến tính phụ thuộc vào nồng độ cho đến khi nồng độ dung dịch mủ trôm đạt 0.5% Khi đun sôi dung dịch mủ trôm trong hơn 2 phút sẽ làm giảm độ nhớt không thể phục hồi Ngoài ra, độ nhớt còn phụ thuộc vào kích thước hạt, được nghiền càng mịn độ nhớt càng tăng (Y López-Franco và cộng sự, 2009; Wüstenberg, 2014)
Lưu biến học là nghiên cứu về dòng chảy (chất lỏng) và/hoặc biến dạng (rắn) khi tác dụng ngoại lực của một vật liệu Tính chất lưu biến của gôm đã được nghiên cứu và báo cáo toàn diện do tầm quan trọng của chúng trong việc xác định tính đồng nhất, cảm giác trong khoang miệng và đặc tính công nghệ của chúng (Hamdani và cộng sự, 2019) Mủ trôm tự nhiên không tan nhưng hấp thụ nước và trương nở gấp nhiều lần thể tích ban đầu của chúng Mủ trôm tạo thành gel chỉ ở nồng độ lớn hơn 4% và việc bổ sung NaCl làm giảm độ bền của gel (Y Lopez-Franco và cộng sự, 2009)
❖ Độ ổn định pH Độ pH của dung dịch mủ trôm tự nhiên 1 % có tính acid dao động từ 4.4 - 5.2 Do hàm lượng acid uronic cao trong cấu trúc phân tử nên mủ trôm ổn định với acid, vì vậy nó thích hợp để làm đặc các loại nước sốt và nước sốt có gốc acid được chế biến với quá trình xử lý nhiệt tối thiểu (Luján-Medina và cộng sự, 2013; Mayes, 2009)
Tổng quan về phương pháp thủy nhiệt
Kỹ thuật thủy nhiệt trong những năm gần đây đã thu hút rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu của các ngành khác nhau Thuật ngữ “ thủy nhiệt” hoàn toàn có nguồn gốc từ địa chất
Nó lần đầu tiên biết đến và được sử dụng bởi nhà địa chất nước Anh, xuất hiện để mô tả hoạt động của nước ở nhiệt độ và áp suất cao trong việc xảy ra những sự thay đổi trong vỏ trái đất đến sự hình thành nên các loại đá và khoáng chất khác nhau (Byrappa, K., Yoshimura, M., 2012)
Trên thực tế phương pháp thủy nhiệt đã có những tiến bộ to lớn, tuy vậy vẫn chưa có sự thống nhất về định nghĩa của kỹ thuật này Nhưng thủy nhiệt thường đề cập đến bất kỳ phản ứng không đồng nhất nào khi có mặt của dung môi trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao để hòa tan, thủy phân hoặc kết tinh các vật liệu không hòa tan tương đối trong điều kiện bình thường (Byrappa, K., Yoshimura, M., 2012) Phương pháp thủy nhiệt có nhiều ưu điểm như sau: tốc độ phản ứng cao, phân tán tốt vật liệu trong dung môi, gần như không gây nhiễm từ tác nhân bên ngoài, hoạt động tiết kiệm năng lượng và chi phí Ngoài ra phương pháp này không yêu cầu cao về thiết bị đắt tiền và tinh vi Ngược lại xử lý thủy nhiệt thường là hệ thống thiết bị kín, vì vậy người thí nghiệm không thể quan sát trực tiếp các quá trình thủy nhiệt
2.2.2 Xu hướng phát triển của phương pháp thủy nhiệt trên thế giới
Những nghiên cứu ban đầu về thủy nhiệt chỉ là tổng hợp một hợp chất tương tự khoáng chất tự nhiên trong một hệ thống có điều kiện áp suất, nhiệt độ cao vì có nhiều mặt hạn chế nhận biết khả năng hòa tan của một số hợp chất và cả việc lựa chọn dung môi thích hợp Ngày nay, kiến thức về hóa lý và mối quan hệ giữa áp suất – thể tích – nhiệt độ trong các hệ thống thủy nhiệt được cải thiện, giúp giảm các điều kiện nhiệt độ và áp suất khi xử lý Phương pháp thủy nhiệt đã phát triển mạnh mẽ và là đối tượng nghiên cứu các ngành khoa học, công nghệ khác nhau liên quan đến lĩnh vực vật liệu, kim loại, vật lý, hóa học, sinh học và thực phẩm Phương pháp mang hiệu quả tốt khi xử lý các vật liệu tiên tiến khác nhau Ngoài ra, một số phát triển trong những năm gần đây khi xử lý tổng hợp vật liệu đa năng lượng như thủy nhiệt vi sóng, thủy nhiệt cơ hóa, thủy nhiệt điện hóa, thủy nhiệt siêu âm, cũng đã được thực hiện (Yoshimura, M., Byrappa, K, 2008) Những nghiên cứu này đã mang lại những lợi thế khác biệt so với phương pháp thủy nhiệt thông thường trong việc tổng hợp các loại vật liệu khác nhau, thúc đẩy công nghệ này đến với những nghiên cứu mới
Ngoài ra xu hướng tương lai của nghiên cứu thủy nhiệt sẽ không hướng tới gia tăng điều kiện áp suất và nhiệt độ cao hơn mà là ngược lại, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc quan sát, thiết kế và chế tạo thiết bị dễ dàng hơn cùng với giảm chi phí năng lượng
2.2.3 Vai trò của dung môi trong phương pháp thủy nhiệt
Trong hệ thống thủy nhiệt thì vai trò của dung môi dưới tác động của nhiệt độ và áp suất có vai trò quan trọng, vì dựa vào chúng để tìm ra cơ chế xử lý vật liệu trong điều kiện cụ thể Trong phản ứng thủy nhiệt, dung môi có thể tham gia phản ứng với tư cách là một thành phần hóa học, một chất hấp thụ, hoạt động như một môi trường cung cấp điều kiện phù hợp Tùy thuộc vào mục đích và ứng dụng sẽ chọn các dung môi phù hợp để xử lý thủy nhiệt của vật liệu đạt hiệu quả Trong đó nước là dung môi được sử dụng phổ biến trong nhiều nghiên cứu
Do độ hòa tan của một số hợp chất cần tổng hợp trong phương pháp thủy nhiệt trong dung môi là nước thấp, ngay trên nhiệt độ thủy nhiệt cao Vì vậy một số chất thường được đưa vào hệ thống để làm tăng khả năng hòa tan, chẳng hạn như một số muối, acid và base có độ nóng chảy thấp (Yang, G., & Park, S.-J., 2019)
2.2.4 Cơ chế quá trình thủy nhiệt các hợp chất polysaccharide
Hiện nay các polysaccharide tự nhiên và các sản phẩm biến tính của chúng đã được chú ý vì những tiềm năng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y học, dược
10 phẩm, hóa học và trong thực phẩm Quá trình sửa đổi thích hợp khung cấu trúc polysaccharide tạo nên các sản phẩm biến đổi khác nhau có các nhóm chức, cấu trúc mới và đặc tính phù hợp với mục đích sử dụng Một vấn đề thường gặp dẫn đến các hợp chất polysaccharide bị hạn chế trong một số ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, phần lớn do trọng lượng phân tử cao bên cạnh ảnh hưởng của cấu trúc khác, các nhóm chức cụ thể và mức độ phân nhánh Những yếu tố này ảnh hưởng đến khả năng hòa tan, độ nhớt, hoạt động chống oxy hóa, kháng khuẩn và một số tính chất khác của chúng (Hamdani và cộng sự, 2019) Quá trình thủy nhiệt trong thời gian gần đây được chú ý và sử dụng để khử polymer hóa các polysaccharide do có những ưu điểm tiềm năng như không cần sử dụng hóa chất, các hợp chất cao phân tử được thủy phân thành các hợp chất hòa tan (thường là hỗn hợp monosaccharides và oligosaccharides)
Quá trình khử polymer bằng phương pháp thủy nhiệt các hợp chất polysaccharide đặc trưng bởi sự phân cắt liên kết glycoside tạo thành các đơn phân monosaccharides và oligosaccharides từ đó làm giảm trọng lượng phân tử của hợp chất Bobleter, O (1994) đã đề cập phương pháp thủy phân trên các polymer có nguồn gốc từ thực vật, trong đó phương pháp thủy nhiệt được đề cập đến
Hình 2 2 Quá trình thủy phân cellobiose trong dung môi nước bằng phương pháp thủy nhiệt (Bobleter, O., 1994)
Hình 2.2 biểu thị cho quá trình phân tách liên kết glycoside dưới xúc tác phân tử H2O bằng phương pháp thủy nhiệt của phân tử cellobiose, được tạo thành từ hai đơn vị glucose, biểu thị cho đơn vị lặp lại của quá trình thủy phân cellulose Sự phân tách bằng thủy nhiệt
11 đặc trưng bởi thêm một phân tử H2O và sau đó là sự hình thành trực tiếp hai phân tử glucose (Bobleter, O., 1994)
2.2.5 Ứng dụng phương pháp thủy nhiệt trong thực phẩm Đối với mủ trôm, trên thế giới hiện nay đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nói chung và với công nghệ thực phẩm nói riêng Tuy mức độ phổ biến của chúng chưa bằng các loại gum khác như xanthan gum, guar gum, nhưng vẫn xuất hiện rất nhiều nghiên cứu về loại gum này, phần lớn về các nghiên cứu về quá trình biến tính mủ trôm Đặc biệt các báo cáo về quá trình thủy phân mủ trôm, trong đó phần lớn sử dụng kiềm tần suất lớn vì sự hiệu quả của chúng trong việc giải quyết vấn đề tính khó hòa tan trong nước của chúng Ngày nay phương pháp xử lý thủy nhiệt đã ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học và công nghệ sau khi phương pháp đã trải qua nhiều khó khăn thiếu những kiến thức liên quan đến các nguyên tắc thực tế khi áp dụng kỹ thuật này Trong lĩnh vực thực phẩm, phương pháp thủy nhiệt cũng được áp dụng nhiều trong các mục đích khác nhau, phổ biến là quá trình thủy nhiệt các hợp chất polymer tạo nên các hợp chất biến tính làm cấu trúc có sự biến đổi so với hợp chất nguyên thủy Điển hình là làm biến tính các loại gum sử dụng trong công nghệ thực phẩm đóng vai trò là những hợp chất phụ gia được báo cáo trong nhiều nghiên cứu được công bố
Miyazawa, T., và Funazukuri, T (2006) đã nghiên cứu về việc sử dụng phương pháp thủy nhiệt để thủy phân guar gum, quá trình không có chất xúc tác trong một thiết bị kín để tạo ra các saccharides hòa tan trong nước bao gồm monosaccharides và oligosaccharides, quá trình được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ 180 o C, 200 o C, 220 o C, 240 o C và thời gian phản ứng từ khoảng 3 đến 60 phút Kết quả dịch thu hồi từ sự thủy phân thủy nhiệt của guar gum gần như trong suốt và không nhớt, trong khi mẫu nguyên thủy hydrat hóa nhanh chóng trong nước lạnh để tạo thành sự phân tán keo có độ nhớt cao, lượng oligosaccharide giảm theo thời gian và lượng monosaccharide tăng tương ứng Kết quả được so sánh với sự thủy phân bằng enzyme cho thấy sự thủy phân thủy nhiệt với sản phẩm cùng với lượng kết quả tương tự phải mất 10 giờ khi sử dụng enzyme, mặc dù thời gian phản ứng phụ thuộc vào nồng độ và điều kiện phản ứng Tuy nhiên thời gian phản ứng ngắn là một lợi thế với sự thủy phân bằng phương pháp thủy nhiệt và có tiềm năng với các quy trình sản xuất công nghiệp Saravana,
P S và cộng sự (2018) đã giới thiệu quá trình thủy phân bằng phương pháp thủy nhiệt polysaccharide rong biển (Fucoidan) để tạo ra Fucoidan trọng lượng phân tử thấp và kiểm tra đặc tính chống oxy hóa, hoạt tính kháng khuẩn, xét nghiệm độc tính tế bào, hoạt tính
12 chống đông máu và hoạt tính trị đái tháo đường Kết quả đã thu được Fucoidan trọng lượng phân tử thấp thông qua quá trình thủy nhiệt, nghiên cứu cho thấy có sự gia tăng đặc tính sinh học sau khi biến đổi và có thể được sử dụng như một chất chống oxy hóa có thể sử dụng trong thực phẩm và dược Nagamori, M., và Funazukuri, T (2004) cũng đã giới thiệu việc sản xuất glucose từ việc thủy phân tinh bột bằng phương pháp thủy nhiệt ở 453–513 K Kết quả năng suất tối đa của glucose thu được là 630 g kg −1 trong điều kiện ở 473 K và 30 phút, ngoài ra một lượng nhỏ maltose và fructose cũng được tạo ra, cùng với aldehyde 5- hydroxymethylfurfural và furfural Những kết quả này cho thấy ứng dụng tiềm năng phương pháp thủy nhiệt trong thực phẩm đối với hợp chất polysaccharide.
Acid acetic (CH 3 COOH)
Acid acetic (CH3COOH) là một chất lỏng không màu, một acid hữu cơ có mùi hăng, vị cay, điểm nóng chảy là 16,73°C và sôi ở 117,9°C (Deshmukh, G., & Manyar, H., 2020) Nguyên tử hydro (H) trong nhóm carboxyl (−COOH) của acid carboxylic như acid acetic có thể cung cấp một ion H + , làm cho chúng có tính chất acid Tuy nhiên acid acetic thuộc nhóm acid hữu cơ yếu và có pKa bằng 4.8
Theo truyền thống, acid acetic được gọi là giấm và được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau Với các ứng dụng trực tiếp và gián tiếp, đa dạng trong các lĩnh vực liên quan về hóa học như thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, dệt may, polymer, thuốc và mỹ phẩm Lần đầu tiên được phát hiện khoảng 5000 năm trước công nguyên khi một hỗn hợp nước ép trái nho không được giám sát và biến thành rượu (Deshmukh, G., & Manyar, H., 2020)
Hiện nay để đáp ứng nhu cầu sử dụng, acid acetic được sản xuất thông qua hai nhánh khác nhau: hóa học và lên men Trong đó các quy trình sản xuất hóa học, cụ thể như quy trình Cavita (carbonyl hóa metanol), quá trình oxy hóa aldehyde và oxy hóa ethylene mang lại hiệu quả cao (Deshmukh, G., & Manyar, H., 2020) Acid acetic được sản xuất thông qua quá trình lên men chủ yếu biết đến trong thực phẩm dưới dạng giấm liên quan đến việc sử dụng các nguồn tài nguyên carbon như táo, lê, mía, dừa, tinh bột thủy phân, Quá trình lên men chủ yếu được chia thành hai bước: xử lý cơ chất bằng nấm men, tiếp đến là vi khuẩn acid acetic (Deshmukh, G., & Manyar, H., 2020)
Các ứng dụng của acid acetic được báo cáo từ thời cổ đại Hiện nay chúng được sử dụng đa dạng hóa theo nhu cầu cuộc sống hiện đại, lĩnh vực thực phẩm nằm trong đó Với các nồng độ khác nhau của chúng được sử dụng rộng rãi để làm tăng hương vị cho thực phẩm
13 Ngoài ra acid acetic cũng làm tăng thời gian sử dụng như một chất bảo quản thực phẩm, cụ thể như bảo quản dưa chua, sản xuất phô mai để cải thiện thời hạn sử dụng, cảm giác ngon miệng và hương vị Một số ứng dụng mới như là thành phần lớp phủ kháng khuẩn ăn được và không ăn được cũng đã xuất hiện nhằm đóng gói để bảo vệ thực phẩm, ngăn chặn sự phát triển của các tế bào vi khuẩn và nấm (Deshmukh, G., & Manyar, H., 2020)
2.3.2 Cơ chế thủy phân mủ trôm bằng CH 3 COOH
Thông thường CH3COOH không thường được sử dụng để thủy phân các hợp chất polysaccharide vì đây là một loại acid yếu và không có hiệu suất cao Tuy nhiên đây là một loại acid được ứng dụng rất nhiều trong thực phẩm và trên hết là mang tính an toàn Vì thế chúng tôi muốn sử dụng để khảo sát hiệu quả tác động đến quá trình thủy phân mủ trôm khi bổ sung acid acetic vào khi xử lý thủy nhiệt
Hình 2 3 Cơ chế phân cách liên kết glucoside phân tử cellobiose trong môi trường acid (Bobleter, O., 1994)
Cơ chế quá trình thủy phân acid (được biểu thị bằng H + ) bắt đầu bằng việc hình thành acid liên hợp (IIa), tiếp đến xảy ra sự phân cắt liên kết glycoside (IIIa) Bước phản ứng thứ ba tạo ra hai phân tử glucose bằng cách thêm một phân tử nước và giải phóng ion H + dẫn đến quá trình phân cách liên kết glycoside giữa hai đơn phân (Bobleter, O., 1994) Tương tự
14 quá trình thủy phân mủ trôm có sự bổ sung của acid có cơ chế như trên, ngoài ra liên kết glycoside cũng được phân tách ra tạo nên các monosaccharide và oligosaccharide thông qua quá trình thủy nhiệt đã được trình bày ở hình 2.2 khi bổ sung CH3COOH.
Sodium carbonate (Na 2 CO 3 )
Sodium carbonate còn có các tên gọi khác như washing soda, soda ash và soda crystals Đây là hợp chất vô cơ muối sodium trung tính của acid carbonic, là một trong những nguyên liệu quan trọng được sử dụng trong lĩnh vực hóa chất và thực phẩm có dạng muối màu trắng, không mùi Đa phần được sử dụng trong sản xuất hóa chất, thủy tinh, bột giấy và giấy, xà phòng và chất tẩy rửa (Thieme, C., 2000)
Sodium carbonate có nhiều ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, được sử dụng trong thực phẩm như một chất phụ gia (E500) làm chất điều chỉnh độ acid, chất chống đông vón, chất ổn định và chất tạo xốp nhờ có độ pH và khả năng giữ nước cao Đây là loại phụ gia được cho phép không có hàm lượng tối đa để sử dụng trong thực phẩm và thực phẩm bổ sung (EFSA, 2010)
Sodium carbonate có độc tính nhẹ khi hít phải, tiêm vào máu và đường tiêu hóa (Eggeman, T., 2000) Tiếp xúc với bụi Na2CO3 có thể gây kích ứng mắt nghiêm trọng và kích ứng mũi và cổ họng nhẹ, tiếp xúc nhiều lần vào da sẽ gây đỏ, khô và nứt nẻ da Nên tránh tiếp xúc đồng thời bụi vôi với sodium carbonate vì đều tạo nên hai phản ứng để tạo thành xút ăn da khi có độ ẩm hoặc mồ hôi (Eggeman, T., 2000)
Ngoài sodium carbonate (Na2CO3), chúng có các dạng hydrat sau: sodium carbonate monohydrate (Na2CO3.H2O); sodium carbonate heptahydrate (Na2CO3.7H2O); sodium carbonate decahydrate, Na2CO3.10H2O Na2CO3 có khả năng hòa tan dễ dàng trong nước tạo nên môi trường kiềm, pH tăng cao khi tăng nồng độ Na2CO3 trong dung dịch và tạo thành các ion base mạnh (OH - ) và ion acid yếu (HCO3 -)
Hình 2 4 Giá trị pH của các nồng độ dung dịch Na 2 CO 3 hòa tan trong nước ở 25 o C
Sodium carbonate có khả năng hút ẩm không khí ở mức 96 % và trọng lượng của nó có thể tăng 1.5% trong vòng 30 phút Ngoài ra nếu được lưu trữ trong điều kiện ẩm ướt, độ kiềm của nó giảm do sự hấp thụ độ ẩm và carbon dioxide từ khí quyển
2.4.2 Cơ chế thủy phân mủ trôm bằng Na 2 CO 3
Mủ trôm là một polysaccharide phân nhánh, phức tạp với trọng lượng phân tử rất cao 16 x 10 6 Da, đặc biệt chứa 8% nhóm acetyl trong cấu trúc làm cho mủ trôm khó hòa tan và chỉ trương nở trong nước (Postulkova, Alan P., 1997) Thủy phân mủ trôm qua phản ứng deacetyl hóa bằng dung dịch kiềm như amoniac hoặc natri hydroxit loãng có thể thay đổi các đặc tính của mủ trôm Trọng lượng tương đương sẽ giảm từ 520 đối với mủ trôm nguyên thủy xuống còn 460 đối với sản phẩm khử acetyl và nó giúp thay đổi từ dạng trương nở thành vật liệu hòa tan trong nước (Imeson, Alan P., 1997) Thủy phân trong môi trường kiềm với một số hợp chất có nguồn gốc từ thực vật trọng lượng cao được chỉ ra hiệu quả và tốc độ phản ứng cao bên cạnh là thủy phân bằng acid (Bobleter, O., 1994) Sodium carbonate tan trong nước sẽ tạo dung dịch có tính base khi phản ứng giữa chúng và nước tạo nên NaOH (ion OH - ) và NaHCO3 (ion HCO3 -)
Có hai tác động chính góp phần vào tính không hòa tan mủ trôm nguyên thủy trong nước: lượng nhóm acetyl (mức độ khử acetyl hóa) và tương tác ion đa trị kim loại trong cấu trúc polymer Do đó, một cơ chế khử acetyl của mủ trôm đã được đề xuất dựa trên sự thủy phân xúc tác base:
Hình 2 5 Cơ chế deacetyl mủ trôm nguyên thủy bằng base (Postulkova và cộng sự,
Hình 2 6 Sơ đồ cấu trúc của mủ trôm nguyên thủy và mủ trôm hòa tan sau khi xử lý kiềm M 2+ (Ca 2+ hoặc Mg 2+ ) M + (Na + , K + , Li + hoặc NH4 + ) (Postulkova và cộng sự,
Các nhóm acetyl có thể được loại bỏ khỏi cấu trúc mủ trôm nhờ xử lý kiềm vì các nhóm acetyl liên kết qua oxy không bền với cấu trúc polymer ở pH = 12 ở nhiệt độ phòng (Postulkova và cộng sự, 2017)
Các ion hóa trị hai có thể hoạt động như tác nhân liên kết ngang giữa hai nhóm anion, ví dụ giữa hai nhóm carboxyl ion hóa hoặc nhóm hydroxyl và carboxyl bằng các tương tác tĩnh điện Do đó các ion Ca 2+ hoặc Mg 2+ góp phần làm cho mủ trôm không tan trong nước Bằng cách xử lý mủ trôm nhờ dung dịch kiềm mạnh dẫn đến sự thay thế ít nhất là một phần của các ion đa hóa trị cho các ion đơn trị góp phần vào độ hòa tan cao hơn của mẫu nguyên thủy (Postulkova và cộng sự, 2017).
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Vật liệu, hóa chất và thiết bị sử dụng
3.1.1 Vật liệu và hóa chất
+ Mủ trôm cung cấp bởi công ty TNHH Xuân Hồng
+ Sodium Carbonate (Na2CO3), Acetic acid CH3COOH 99.5% được cung cấp bởi Xilong Scientific (Trung Quốc)
+ Dầu đậu nành nguyên chất Simply được cung cấp bởi công ty TNHH Dầu thực vật Cái Lân – CALOFIC
+ NaOH, HCl cung cấp bởi công ty TNHH Cemaco Việt Nam
+ Máy khuấy từ gia nhiệt Ret Basic (IKA, Đức)
+ Nhớt kế mao dẫn Ostwald cú ỉ = 0.3 mm
+ Máy đo lưu biến HAAKE RheoStress 1 (Thermo Fisher Scientific, Đức)
+ Những dụng cụ cần thiết khác như: pipet, becher, bình định mức, bếp điện hồng ngoại,
Phương pháp nghiên cứu
3.3.1 Điều chế mủ trôm biến tính bằng phương pháp thủy nhiệt
• Thời gian xử lý thủy nhiệt
• Nồng độ dịch huyền phù mủ trôm
• Khả năng ổn định nhũ tương
Hình 3 1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu từ quá trình điều chế mủ trôm biến tính đến khảo sát sự thay đổi các tính chất
Ly tâm v = 4000 vòng/phút, t = 20 phút
Ly tâm v = 4000 vòng/phút, t = 20 phút
Kết tủa ethanol 96 o (Mủ trôm : ethanol = 2 : 1)
Lọc – cắt nhỏ Thời gian xử lý thủy nhiệt
Hình 3 2.Sơ đồ điều chế mủ trôm biến tính bằng phương pháp thủy nhiệt
20 Quy trình thủy nhiệt mủ trôm được thực hiện theo phương pháp của Yang, G., & Park, S.-J (2019); Hanna Postulkova và cộng sự (2017) với một vài thay đổi Cân 2 gam mủ trôm, thêm vào 200 mL nước cất ở nhiệt độ phòng Quá trình hydrat hóa diễn ra trong 24 giờ giúp các hạt mủ trôm trương nở hoàn toàn Sau 24 giờ, dịch huyền phù mủ trôm được lọc bằng rây lọc inox có đường kính lỗ 1 mm để loại bỏ lượng nước dư và thu được mủ trôm trương nở Quá trình xử lý thủy nhiệt được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ T = 100℃ và áp suất khí quyển P = 1 atm Nước cất, acid acetic (CH3COOH) 99.5% và muối sodium cacbonate (Na2CO3) được thêm vào quá trình thủy nhiệt để khảo sát ảnh hưởng của điều kiện thủy nhiệt (nồng độ dịch huyền phù mủ trôm, thời gian xử lý thủy nhiệt, nồng độ CH3COOH, nồng độ
Na2CO3) đến hiệu suất thu hồi của mủ trôm thủy nhiệt Điều kiện thủy nhiệt của các mẫu được mô tả cụ thể ở bảng 3.1 Dịch huyền phù sau khi thủy nhiệt sẽ được ly tâm trong 20 phút ở tốc độ 4000 vòng/phút để thu lấy dung dịch bên trên và loại bỏ phần mủ trôm không tan lắng bên dưới ống falcon Đối với các mẫu bổ sung Na2CO3, khi loại bỏ Na2CO3 khỏi hỗn hợp mủ trôm sau thủy phân cần dùng ethanol 96 o để kết tủa mủ trôm tan (tỷ lệ Vdd mủ trôm : V ethanol là 2 : 1), kết hợp khuấy bằng đũa Thu lấy mủ trôm bám trên đũa và tiếp tục rửa mủ trôm bằng ethanol 70% 2 lần Trải đều dung dịch mủ trôm hòa tan hoặc mủ trôm kết tủa đã cắt nhỏ (khi bổ sung Na2CO3) lên khay sấy có lót giấy nến, sấy khô ở nhiệt độ 60 ℃ trong 12 giờ Các mẫu sau khi sấy được nghiền nhỏ và bảo quản trong túi zip có chứa túi hút ẩm Hiệu suất các mẫu mủ trôm biến tính được tính bằng tỷ lệ giữa lượng mủ trôm thu được sau khi sấy và lượng mủ trôm nguyên thủy
Tên của các mẫu được tạo ra để dễ dàng phân biệt giữa các mẫu khác nhau và các thông số thủy nhiệt của chúng thể hiện bảng 3.1 Số đầu tiên chỉ nồng độ dịch phân tán mủ trôm, các chữ cái chỉ loại chất bổ sung (trong đó: A là axit axetic CH3COOH, S là soda Na2CO3), số trong ngoặc liên quan đến nồng độ chất bổ sung và số cuối cùng là thời gian xử lý Nếu không có các chữ cái trong tên mẫu thì dịch huyền phù chỉ bao gồm mủ trôm và nước cất
Bảng 3 1 Danh sách mẫu và điều kiện thủy nhiệt
Nồng độ dịch huyền phù mủ trôm (wt%)
Nồng độ dung dịch bổ sung (%)
Thời gian xử lý thủy nhiệt (phút)
3.3.2 Khảo sát các tính chất của mủ trôm trước và sau biến tính
Mục đích: Khảo sát độ hòa tan của các mẫu bột mủ trôm sau khi điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt Nhận biết ảnh hưởng của điều kiện xử lý thủy nhiệt đến độ hòa tan của mủ trôm biến tính sau khi so sánh với mẫu mủ trôm nguyên thủy
Nguyên tắc: Polysaccharide thể hiện một phạm vi rộng về độ hòa tan Chúng có ái lực mạnh với các phân tử nước do sự hiện diện của nhóm chức hydroxyl, đặc điểm cấu trúc rất
22 quan trọng ảnh hưởng đến độ hòa tan của polysaccharide nói chung và mủ trôm nói riêng Độ hòa tan của mủ trôm được xác định khi bổ sung các mẫu vào lượng nước nhất định trong một khoảng thời gian Sau khi tách đi phần không tan, độ hòa tan được tính toán dựa vào lượng mủ trôm được hòa tan tồn tại trong một lượng thể tích dung dịch nhất định
Cách thực hiện: Độ hòa tan của mủ trôm được xác định theo Sarkar, P C và cộng sự
(2018) với một vài thay đổi Ngâm 0.1 gam mỗi mẫu mủ trôm với 100 mL nước cất Hỗn hợp được đem khuấy từ tính không gia nhiệt trong nhiệt độ phòng (30 ± 1 o C) trong 2 giờ Hỗn hợp này sau đó được ly tâm ở tốc độ 3000 vòng/phút trong 30 phút để loại bỏ phần mủ trôm không tan Phần dung dịch trong suốt được đổ vào đĩa petri, sấy khô ở 105°C đến khối lượng không thay đổi để thu được phần mủ trôm hòa tan Quy trình đo được thực hiện ba lần đối với mỗi mẫu Độ hòa tan được tính theo công thức sau:
𝑚 𝑑𝑑 × 100 Trong đó: m t là khối lượng mủ trôm tan còn lại sau khi sấy, m dd là khối lượng dung dịch trước khi sấy
3.3.2.2 Khả năng giữ nước (WHC - Water Holding Capacity)
Mục đích: Khảo sát khả năng giữ nước của các mẫu bột mủ trôm sau khi điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt Nhận biết ảnh hưởng của điều kiện xử lý thủy nhiệt đến khả năng giữ nước của mủ trôm biến tính sau khi so sánh với mẫu mủ trôm nguyên thủy
Nguyên tắc: Khả năng giữ nước được định nghĩa là lượng nước được giữ trên mỗi gam chất khô của mẫu WHC được xác định dựa trên nguyên tắc một lượng nước nhất định hydrat hóa một lượng vật liệu mẫu khô đã biết (thường ở dạng bột) cho đến khi cân bằng hoặc bão hòa (Ramaswamy, U R và cộng sự, 2013)
Cách thực hiện: Khả năng giữ nước của mủ trôm được xác định theo Sarkar, P C và cộng sự (2018) với một vài thay đổi Cân 0.1 gam bột mủ trôm được hòa trong 100 mL nước cất Hỗn hợp được đem khuấy từ tính không gia nhiệt trong nhiệt độ phòng (30 ± 1°C) trong
2 giờ và sau đó ly tâm ở tốc độ 3000 vòng/phút trong 30 phút Sau đó tiến hành tách phần trương nở của mủ trôm (phần dưới cùng ống ly tâm) đem cân và chuyển sang đĩa petri, sấy khô 105 o C đến khối lượng không đổi Quy trình đo được lặp lại 3 lần Khả năng giữ nước (WHC) được tính toán dựa trên phương trình sau:
23 Trong đó: m tn = khối lượng mẫu bị trương nước (g), m k = khối lượng mẫu sau khi sấy khô (g)
3.3.2.3 Khả năng giữ dầu (OHC - Oil Holding Capacity)
Mục đích: Khảo sát khả năng giữ dầu của các mẫu bột mủ trôm biến tính sau điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt và so sánh với mẫu mủ trôm nguyên thủy OHC thể hiện khả năng hấp thụ dầu, một trong những thuộc tính thực tế đáng chú ý nhất của các hợp chất polysaccharide khác nhau vì thuộc tính này có ảnh hưởng lớn đến kết cấu thực phẩm (Rashid,
Nguyên tắc: Một số hợp chất polysaccharide nói chung và mủ trôm nói riêng có khả năng, đặc tính của chất béo bằng cách gắn một lượng lớn chất béo vào cấu trúc của chúng (Rashid, F và cộng sự, 2019) Các mẫu mủ trôm được nghiền nhỏ để làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với dầu và cân chính xác đồng đều khối lượng giữa các mẫu Một lượng dầu nhất định được thêm vào mẫu và đảm bảo mủ trôm tiếp xúc hoàn toàn với dầu bổ sung Để hỗn hợp trong một khoảng thời gian nhất định đủ dài để đảm bảo sự thẩm thấu dầu đủ tốt Loại bỏ lượng dầu thừa và tính toán lượng dầu mủ trôm giữ được
Cách thực hiện: Khả năng giữ dầu của mủ trôm được xác định theo Sarkar, P C và cộng sự (2018) với một vài thay đổi Cân 0.1 gam bột mủ trôm đã được nghiền bột và sử dụng rây đường kính lỗ 1 mm để có sự đồng đều kích thước hạt của mẫu Đưa mẫu vào ống ly tâm đã biết trước khối lượng Tiếp theo bổ sung tiếp 10 mL dầu đậu nành và sử dụng máy lắc để phân tán đều mủ trôm trong dầu Hỗn hợp sau đó ly tâm ở tốc độ 3000 vòng/phút trong 30 phút Sau đó tiến hành tách hoàn toàn phần dầu không được hấp thụ khỏi ống ly tâm, lượng dầu mà mủ trôm giữ được chính là chênh lệch khối lượng ống ly tâm trước và sau bổ sung dầu Lượng dầu hấp thụ bởi các mẫu được biểu thị bằng gam dầu hấp thụ trên 1 g mủ trôm khô Khả năng giữ dầu được tính toán dựa trên phương trình sau:
𝑚 𝑘 Trong đó: m td = khối lượng mẫu bị trương dầu (g), m k = khối lượng mủ trôm bổ sung (g)
Mục đích: Khảo sát khả năng hút ẩm của các mẫu mủ trôm trước và sau khi xử lý bằng phương pháp thủy nhiệt Khả năng hút ẩm đóng vai trò quan trọng về độ ẩm và chất lượng của mủ trôm Ngoài ra đặc tính cũng ảnh hưởng đến một số tính chất hóa lý, tính ổn định, một trong yếu tố lựa chọn điều kiện sấy khô và bảo quản những sản phẩm thực phẩm được bổ sung mủ trôm đóng vai trò chất phụ gia (Torres, M.D và cộng sự, 2012)
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Khảo sát các các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi sản phẩm mủ trôm thủy nhiệt
4.1.1 Ảnh hưởng của thời gian xử lý thủy nhiệt đến hiệu suất thu hồi sản phẩm
Hình 4 1 Hiệu suất thu hồi mủ trôm biến tính ở các thời gian xử lý thủy nhiệt khảo sát
Nhìn vào hình 4.1 thấy rằng khi ở nồng độ mủ trôm 1% tăng hiệu suất khi tăng thời gian xử lý thủy nhiệt Bởi vì trong quá trình thủy phân mủ trôm bằng phương pháp thủy nhiệt, khi càng tăng thời gian xử lý sẽ càng làm giảm trọng lượng phân tử của mủ trôm nguyên thủy thông qua sự phân tách liên kết glycoside tạo nên các phân tử monosaccharides và oligosaccharides theo cơ chế hình 2.2, tạo cơ hội mủ trôm tương tác với nước nhiều hơn dẫn đến chúng dần tan ra và thu được hiệu suất cao Ngoài ra chúng tôi đã nhận thấy giá trị pH dịch mẫu thu hồi (dung dịch trước khi trải qua quá trình sấy) đã giảm khi tăng thời gian xử lý từ 30 đến 150 phút thể hiện ở phụ lục 2 Vì có thể việc càng giảm pH dịch thu hồi này do càng hình thành nhiều các sản phẩm thủy phân từ mủ trôm, dựa trên thông tin sau khi thủy phân mủ trôm hoàn toàn tạo thành một số đơn phân mang tính acid với hàm lượng cao, cụ thể acid galacturonic (15–28 %), acid glucuronic (3–12%) (Mortensen, A và cộng sự, 2016) Tương tự với phương pháp thủy nhiệt áp dụng cho alginate để sửa đổi cấu trúc polymer của chúng, khi tăng thời gian xử lý thủy nhiệt sẽ càng làm giảm trọng lượng phân tử do hình
30 thành các phân tử monosaccharides và oligosaccharides đặc trưng với tỷ lệ khác nhau thông qua sự thủy phân xảy ra khi cắt đứt các liên kết glycoside của phân tử alginate (Aida, T M và cộng sự, 2010)
Ngoài ra, hiệu suất thu hồi mủ trôm biến tính tăng không có sự khác biệt về mặt thống kê (p < 0.05) sau thời gian 90 phút đến 150 phút Sự thủy phân mủ trôm trong điều kiện thủy nhiệt này đã đạt mức tới hạn sau thời gian xử lý thủy nhiệt 90 phút Trong khoảng thời gian này, có lẽ hiệu quả thủy phân và khả năng phân tách liên kết glycoside nhờ phân tử nước thông qua quá trình thủy nhiệt đã giảm, dẫn đến hiệu suất tăng không có sự khác biệt khi tăng thời gian xử lý
4.1.2 Ảnh hưởng của nồng độ mủ trôm vào quá trình thủy nhiệt đến hiệu suất thu hồi sản phẩm
Hình 4 2 Hiệu suất thu hồi mủ trôm biến tính ở các nồng độ mủ trôm khảo sát Đồ thị hình 4.2 cho thấy rằng mẫu 1% mủ trôm có hiệu suất cao nhất trong các nồng độ khảo sát khi được xử lý thủy nhiệt trong 90 phút Với các mẫu 0.5%, 2% và 4% có hiệu suất thu hồi thấp hơn và có sự khác biệt có ý nghĩa ( p < 0.05) so với mẫu 1% Như vậy, nồng độ mủ trôm cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thu hồi mủ trôm biến tính trong nghiên cứu
Mủ trôm được xử lý trong điều kiện thủy nhiệt trong pha phân tán là nước, khi đó chúng sẽ dần bị thủy phân trong dung dịch nhờ sự tác động của phân tử nước lên liên kết glycoside giữa các đơn phân của cấu trúc polymer Sự phân tán của mủ trôm có mối quan hệ với nồng độ của chúng Cụ thể của mủ trôm thể hiện đặc tính dòng chảy ở nồng độ thấp (< 0.5 %) và
31 đặc tính của chất lỏng giả dẻo ở nồng độ bán loãng (0.5 % - 2 %) Sự gia tăng nồng độ mủ trôm hơn nữa sẽ tạo ra hỗn hợp sệt giống như gel và có thể phết được (Cui, S.W & Wang,
Q, 2006) Trong quá trình thủy nhiệt mẫu có nồng độ 2% và 4% mủ trôm, các chuỗi polymer được liên kết qua lại với nhau để tạo thành một mạng lưới polymer ba chiều lấp đầy thể tích của môi trường nước, trường hợp này xảy ra khi nồng độ vượt quá nồng độ tới hạn và dẫn đến tạo thành cấu trúc như gel (Cui, S.W & Wang, Q, 2006) Khi đó môi trường nước trong quá trình thủy nhiệt theo thời gian sẽ dần được giữ lại trong mạng lưới polymer của mủ trôm thông qua các liên kết liên phân tử điển hình là liên kết hydro, dẫn đến hạn chế quá trình thủy phân bằng tác động của phân tử nước lên liên kết glycoside khi nồng độ mủ trôm cao vượt quá tới hạn Điều này giải thích mẫu 2% và 4% có nồng độ cao hơn so với mẫu 1% nhưng hiệu suất thu hồi cũng như hiệu quả thủy phân lại thấp hơn
4.1.3 Ảnh hưởng của bổ sung CH 3 COOH và Na 2 CO 3 vào quá trình thủy nhiệt mủ trôm đến hiệu suất thu hồi sản phẩm
Hình 4 3 Hiệu suất thu hồi mủ trôm biến tính khi bổ sung CH 3 COOH và Na 2 CO 3 ở các nồng độ khảo sát
Nhìn vào hình 4.3 có thể thấy rằng hiệu suất thu hồi của các mẫu bổ sung CH3COOH và
Na2CO3 ở thời gian xử lý là 90 phút cao hơn so với quá trình thủy nhiệt chỉ bằng dung môi là nước cất (1_90) và đều tăng lên khi tăng nồng độ chất bổ sung vào dung dịch mủ trôm
32 nồng độ 1% Tuy nhiên các mẫu bổ sung xúc tác Na2CO3 có hiệu suất thủy phân cao hơn (p
< 0.05) so với mẫu bổ sung CH3COOH Đối với mẫu bổ sung CH3COOH, khi tăng nồng độ từ 0.001% đến 1% có năng suất thu hồi sản phẩm tăng lên từ 43.82% (0.001%) đến 51.68% (1%) Thông thường lượng ion H + tồn tại trong quá trình thủy phân bằng acid có mối tương quan với hiệu quả thủy phân Độ mạnh acid biểu thị dưới giá trị pKa, ước tính hiệu quả của chúng trong phản ứng phân cách liên kết glycoside được trình bày hình 2.3 Tuy acid acetic có thể sử dụng trong thực phẩm và an toàn nhưng giá trị pKa của chúng dương (pKa = 4.8), đây là một acid hữu cơ rất yếu nếu so với các acid sử dụng phổ biến để bổ sung vào các phản ứng thủy phân các hợp chất polysaccharide như HCl (pKa = -6), H2SO4 (pKa = -3) Ngoài ra dung dịch mủ trôm có khả năng hạn chế sự thủy phân trong điều kiện acid, cụ thể chúng có thể hạn chế quá trình thủy phân ở môi trường acid clohydric (HCl) 10% ở nhiệt độ phòng do có nồng độ dư lượng acid uronic cao trong cấu trúc phân tử của chúng (Lujan-Medina, 2013) Acid acetic cũng bị giảm hoạt tính ở nhiệt độ cao (Bobleter, O., 1994) Trong bài nghiên cứu của chúng tôi, vì những lý do trên cùng với nồng độ của acid acetic 0.001% đến 1% và nhiệt độ thủy nhiệt 100 o C, P
= 1 atm có thể chưa là điều kiện tối ưu để phản ứng thủy phân mủ trôm diễn ra với hiệu suất cao
Ngược lại với quá trình xử lý thủy nhiệt có bổ sung Na2CO3 nồng độ từ 0.001% đến 1% cho thấy sự hiệu quả của quá trình thủy phân mủ trôm được thể hiện ở hiệu suất thu hồi sản phẩm từ 46.3% lên đên 94.24% (p < 0.05) Do sự hiện diện của gốc acetyl chứa nhóm methyl kị nước, dẫn đến làm cho mủ trôm chỉ có khả năng trương nở và khó hòa tan trong nước Khi Na2CO3 tác dụng với nước sẽ tạo ion HCO3 - và OH - tạo môi trường kiềm cho dung dịch mủ trôm Khi đó xảy ra quá trình deacetyl để loại bỏ acetyl bằng cách gắn gốc hydroxyl được tạo ra khi Na2CO3 tan trong nước (Patil R A, 2012) Mặc dù Na2CO3 là một base yếu nhưng cũng có nghiên cứu nhận thấy hiệu quả của chúng với quá trình thủy phân các hợp chất polymer Shakya, R và cộng sự (2015) đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt và bổ sung Na2CO3 trong quá trình thủy phân polysaccharide của tảo (Algae), chỉ ra rằng Na2CO3 có ảnh hưởng tích cực đến hiệu quả thủy phân Sự mất đi gốc acetyl trong cấu trúc của mủ trôm được chứng minh bằng phổ FTIR trong hình 4.23 ở mục 4.2.8 Những lý do trên dẫn đến hiệu suất thu hồi sản phẩm mủ trôm biến tính thông qua xử lý thủy nhiệt khi bổ sung Na2CO3 cao hơn so với CH3COOH
Khảo sát tính chất của mủ trôm biến tính
Hình 4 4 Độ hòa tan các mẫu mủ trôm nguyên thủy và mủ trôm biến tính
Dựa vào hình 4.4 có thể thấy, độ hòa tan của các mẫu mủ trôm thủy nhiệt tăng đáng kể so với mủ trôm nguyên thủy khi tăng thời gian xử lý thủy nhiệt, nồng độ dịch huyền phù mủ trôm, nồng độ CH3COOH và nồng độ Na2CO 3 (p < 0.05) Mủ trôm nguyên thủy là mẫu có độ hòa tan thấp nhất với độ hòa tan là 0.0188%, kết quả này tương tự với một nghiên cứu rằng độ hòa tan của mủ trôm là 0.02% của Hana Postulkova và cộng sự (2017) Có hai tác động chính góp phần vào tính không hòa tan của mủ trôm trong nước là hàm lượng nhóm acetyl (mức độ khử acetyl) và tương tác các ion kim loại đa hóa trị trong cấu trúc polymer (Postulkova và cộng sự, 2017) Các nhóm acetyl góp phần làm cho mủ trôm không hòa tan trong nước do đặc tính kỵ nước của nhóm methyl Trong khi đó, các ion hóa trị hai có thể đóng vai trò là tác nhân liên kết ngang giữa hai nhóm anion (ví dụ: giữa hai nhóm cacboxyl bị ion hóa hoặc nhóm hydroxyl và cacboxyl) bằng tương tác tĩnh điện (Singh và cộng sự,
Mẫu 1_150 có độ hòa tan là 0.0814% tăng gấp 4.33 lần so với NKG Mẫu 4_90 có độ hòa tan là 0.0817%, tăng gấp 4.35 lần so với NKG Mẫu 1_A(1)_90 có độ hòa tan là 0.084%, tăng gấp 4.47 lần so với NKG (p < 0.05) Độ hòa tan của mủ trôm tăng vì trọng lượng của phân tử giảm khi xử lý thủy nhiệt Quá trình xử lý thủy nhiệt mủ trôm sẽ tạo các
34 oligosaccharides cùng một số sản phẩm thủy phân khác có trọng lượng phân tử thấp dẫn đến trọng lượng phân tử giảm Sự giảm trọng lượng phân tử khi xử lý thủy nhiệt đã được báo cáo trong các nghiên cứu thủy nhiệt polysaccharide như sodium alginate (Aida và cộng sự, 2010) và guar gum (Miyazawa và Funazukuri, 2006)
Mặt khác, độ hòa tan tăng khi trọng lượng phân tử giảm vì các polysaccharide có trọng lượng phân tử cao tồn tại liên kết liên phân tử dẫn đến giảm độ hòa tan (Singh và cộng sự, 2021) Độ hòa tan của 3 mẫu 1_150, 4_90 và 1_A(1)_90 không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê (p < 0.05) Bởi vì khi tăng thời gian xử lý thủy nhiệt, nồng độ mủ trôm và nồng độ
CH3COOH trong quá trình thủy nhiệt chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả thủy phân và trọng lượng phân tử và không làm thay đổi cấu trúc hóa học đặc trưng của sản phẩm như đã đề cập trong kết quả phân tích FTIR ở hình 4.22 Độ hòa tan của mẫu 1_S(1)_90 là 0.5405 %, tăng gấp 28.75 lần so với NKG Na2CO3 khi tác dụng với nước sẽ tạo ra ion HCO3 - và OH - sẽ tạo môi trường kiềm Độ hòa tan của 1_S(1)_90 tăng đáng kể vì mủ trôm trở thành dạng hòa tan sau khi thủy phân kiềm Nhóm acetyl kỵ nước (COO - ) được thay thế bởi các nhóm hydroxyl (OH - ) ưa nước và các cation
2 + được thay bằng Na + Cơ chế của quá trình này được mô tả ở hình 2.5 và hình 2.6 Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng độ hòa tan của mủ trôm tăng khi xử lý kiềm bằng NH4OH (Le Cerf và cộng sự, 1990; Patra và cộng sự, 2015), NaOH (Zhang và cộng sự, 2009; Patra và cộng sự, 2015), KOH và LiOH (Postulkova và cộng sự, 2017) Độ hòa tan của mủ trôm tăng đáng kể khi tăng nồng độ Na2CO3 vì có càng nhiều gốc acetyl được thay thế Ảnh hưởng của nồng độ Na2CO3 đến quá trình deacetyl có thể quan sát được thông qua phân tích FTIR ở hình 4.23 Từ kết quả trên có thể kết luận rằng không thể loại bỏ hoàn toàn nhóm acetyl nếu nồng độ Na2CO3 thấp hơn 1% Kết quả tương tự cũng đã được báo cáo trong nghiên cứu của Postulkova và cộng sự (2017) về các ảnh hưởng và điều kiện đến độ hòa tan mủ trôm tự nhiên chỉ ra rằng sử dụng NaOH 0.1M không đủ để deacetyl hóa hoàn toàn mủ trôm
Hình 4 5 Khả năng giữ nước của mủ trôm nguyên thủy và mủ trôm biến tính
Khả năng giữ nước (WHC) của mủ trôm nguyên thủy là 85.5 g/g, kết quả này tương đồng với một nghiên cứu rằng khả năng giữ nước của mủ trôm là 84.76 g/g của Sahu và cộng sự (2019) Các nhóm acetyl trong cấu trúc phân tử ngăn không cho mủ trôm hòa tan hoàn toàn trong nước nhưng trương nở gấp nhiều lần thể tích ban đầu (Wüstenberg, 2014) Mủ trôm tự nhiên có khả năng cố định mạnh với các phân tử nước, chúng có thể trương nở trong nước gấp khoảng 60 - 100 lần thể tích ban đầu (Luján-Medina, 2013)
Quan sát hình 4.5 có thể thấy khả năng giữ nước giảm khi tăng thời gian thủy nhiệt, nồng độ mủ trôm, nồng độ CH3COOH bổ sung trong quá trình thủy nhiệt (p < 0.05) Sự giảm WHC có thể do hai yếu tố là trọng lượng phân tử giảm và giảm độ pH Như đã đề cập ở trên, khi tăng thời gian xử lý thủy nhiệt, nồng độ mủ trôm và nồng độ CH3COOH bổ sung sẽ làm trọng lượng phân tử giảm Trong khi, WHC cao được hình thành bởi các polymer có trọng lượng phân tử lớn với các chuỗi phân nhánh cao có chứa các nhóm ưa nước cho phép giữ nước trong cấu trúc (Boulos và cộng sự, 2000) Các kết quả tương tự cũng đã được báo cáo trong nghiên cứu về tính chất của polysaccharide (Shen và cộng sự, 2019), khả năng giữ nước của các polysaccharide hòa tan và không hòa tan (Ramasamy và cộng sự, 2015) và ảnh hưởng của pH đến WHC (Cortez - Trejo và cộng sự, 2021) Mặt khác, độ xốp tăng và mật
36 độ khối cũng như trọng lượng phân tử giảm khi xử lý thủy nhiệt (Malik và cộng sự, 2021)
Vì vậy, WHC của mủ trôm nguyên thủy thấp hơn so với các mẫu mủ trôm xử lý thủy nhiệt (ngoại trừ mẫu 1_S(1)_90) bởi vì mủ trôm nguyên thủy có mật độ khối cao hơn cũng như có ít nhóm hydroxyl liên kết với nước hơn so với các mẫu mủ trôm thủy nhiệt, kết quả tương tự đã được báo cáo trong nghiên cứu của Chau và Huang (2004)
Mẫu 1_S(1)_90 có khả năng giữ nước thấp nhất 3.52 g/g (p < 0.05) Bởi vì sau khi thủy nhiệt có bổ sung Na2CO3 các gốc acetyl kị nước và cation 2 + được loại bỏ, cấu trúc của mủ trôm chuyển sang dạng hòa tan như đã đề cập ở hình 2.6 Vì vậy, 1_S(1)_90 có khả năng giữ nước thấp nhất Ngoài ra, không có mối tương quan trực tiếp giữa khả năng hòa tan và khả năng giữ nước, vì mỗi thông số phụ thuộc vào một khía cạnh cấu trúc khác nhau của chuỗi polyme sinh học (Sarkar, P C và cộng sự, 2018)
Hình 4 6 Khả năng giữ dầu của mủ trôm nguyên thủy và mủ trôm biến tính
Khả năng giữ dầu (OHC) của mủ trôm chính là lượng dầu được giữ lại trên mỗi gram chất khô của mủ trôm, bao gồm dầu liên kết và dầu bị giữ lại vật lý Kết quả mẫu mủ trôm nguyên thủy có OHC là 1.54 (g), giá trị tương đồng với kết quả khảo sát OHC của mủ trôm là 1.80 (g/g) của Sarkar, P C và cộng sự (2018) Khả năng giữ dầu của mủ trôm biến tính hầu như cao hơn so với mủ trôm nguyên thủy ngoại trừ mẫu bổ sung Na2CO3 OHC của các hợp chất polysaccharide có ảnh hưởng một phần từ cấu trúc hóa học của chuỗi polymer, cụ
37 thể dựa vào tỉ lệ của các nhóm chức kỵ nước với nhóm chức ưa nước và vị trí của chúng trên chuỗi (Rashid, F và cộng sự, 2019) Ngoài ra, OHC còn dựa vào sự chặt chẽ của khung cấu hình, có thể là độ xốp của cấu trúc sợi polymer (Jeddou, K B và cộng sự, 2016) Giá trị OHC của mẫu nguyên thủy khá thấp, tuy có sự tồn tại của nhóm acetyl là nhóm chức kỵ nước có khả năng liên kết các hydrocarbon của chất béo nhưng do khối lượng phân tử rất cao đã ảnh hưởng đến khả năng giữ dầu của chúng Bởi khi đó các tương tác nội phân tử sẽ chiếm ưu thế, diện tích bề mặt tiếp xúc các nhóm chức thấp và khả năng liên kết chất béo sẽ giảm đi
Quan sát hình 4.6 thấy rằng OHC có xu hướng giảm khi tăng thời gian xử lý, nồng độ phân tán mủ trôm trong quá trình thủy nhiệt Cụ thể mẫu xử lý thủy nhiệt 30 phút, OHC tăng lên gấp 4 lần so với mẫu nguyên thủy nhưng giá trị OHC giảm đi một phần khi tăng thời gian xử lý thủy nhiệt ở các mẫu 90 phút, 150 phút Khi xử lý thủy nhiệt trong 30 phút, cấu trúc sợi polymer có lẽ đã tạo ra một độ xốp nhất định, làm tăng diện tích tiếp xúc nhóm chức kỵ nước và tăng khả năng giữ lại về mặt vật lý của chất béo lên bề mặt chuỗi polymer Khi càng tăng thời gian thủy nhiệt, trọng lượng phân tử tiếp tục giảm và cấu trúc sẽ ít xốp hơn dẫn đến lượng dầu giữ lại mặt vật lý giảm (Mokni Ghribi và cộng sự, 2015) Ngoài ra nhóm hydroxyl cũng tăng dần trong quá trình phân tách liên kết glycoside khi tăng thời gian thủy nhiệt, tỷ lệ nhóm chức ưa nước cũng tăng cao và hạn chế khả năng giữ dầu của mủ trôm Vì vậy kết quả OHC ở các mẫu 1_90, 1_150 thấp hơn so với mẫu 1_30
Với các mẫu có chất bổ sung trong quá trình thủy nhiệt, CH3COOH ít có sự ảnh hưởng đến OHC hơn của Na2CO3 Khi so sánh OHC của mẫu 1_90 là 4.39 g/g, giá trị này giảm 4.4 lần ở mẫu 1% Na2CO3 (0.99 g/g) Tuy nhiên với sự bổ sung 1% CH3COOH thì OHC là 4.00 g/g, giảm nhẹ (p < 0.05) khi so với mẫu không bổ sung trong cùng điều kiện thủy nhiệt Do khả năng hạn chế sự thủy phân trong điều kiện acid bởi nồng độ acid uronic cao trong cấu trúc phân tử mủ trôm, vì vậy OHC mẫu 1_90 và 1_A(1)_90 không có sự khác biệt đáng kể (p < 0.05) Tuy nhiên với điều kiện base nhờ bổ sung 1% Na2CO3 làm quá trình thủy phân mủ trôm diễn ra hiệu quả, acetyl được thay bằng nhóm hydroxyl và nhóm chức kỵ nước trong cấu trúc mủ trôm hầu như biến mất Điều này làm giá trị OHC mẫu 1_S(1)_90 rất thấp do khả năng liên kết chất béo đã giảm đi
Hình 4 7 Độ hút ẩm của các mẫu mủ trôm nguyên thủy và biến tính có sự thay đổi về thời gian xử lý thủy nhiệt
Hình 4 8 Độ hút ẩm của các mẫu mủ trôm biến tính có sự thay đổi về nồng độ mủ trôm và chất bổ sung trong quá trình thủy nhiệt
39 Quan sát hình 4.7 và 4.8, nhìn chung độ hút ẩm các mẫu bột đều tăng dần theo thời gian trong 48h Các mẫu mủ trôm tăng rất nhanh trong khoảng 0h đến 6h, sau đó tốc độ hút ẩm giảm dần nhưng độ ẩm vẫn tăng nhanh trong khoảng thời gian từ 6 đến 15h Từ sau 15h độ hút ẩm của các mẫu bột mủ trôm tăng lên ít và dần đi đến trạng thái ổn định
