cấu tạo, thành phần hóa học và ứng dụng của rong biển trong các chu trình công nghệ chế biến thực phẩm

cấu tạo, thành phần hóa học và ứng dụng của rong biển trong các chu trình công nghệ chế biến thực phẩm

1 Lý do chọn đề tài :

Rong biển có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống con người Từ thời xa xưa conngười đã biết sử dụng rong biển như là một chất tạo kết đông dùng trong mứt hay rau câu,dùng làm thực phẩm ăn kiêng…Năm 1882, Walther Hess đã sử dụng pollysaccharit củarong biển như một chất cố định vi sinh vật, một môi truờng nuôi cấy và phân lập vi sinhvật

Ngày nay con người sử dụng rong biển như một chất phụ gia ứng dụng nhiều trongthực phẩm Họ sử dụng những pollysaccharit của rong biển trong những mục đích cố định,tạo gel, nhũ hóa sản phẩm thực phẩm

Bài tiểu luận này nghiên cứu về cấu tạo, thành phần hóa học và ứng dụng của rongbiển trong các chu trình công nghệ chế biến thực phẩm nhằm làm sáng tỏ những thông tin

về loại pollysaccharit thông dụng này

2 Tính chất và vai trò của pollysaccharit :

Pollysaccharit được tạo thành từ những monosaccharit qua các liên kết glycoside

Nó có thể chứa một loại đường đơn hay nhiều loại đường đơn khác nhau Thủy phân cácpollysaccharit bằng acid sẽ tạo ra các đường đơn

Pollysaccharit thực hiện các chức năng sau :

bảo vệ bề mặt các loại thực phẩm nhạy cảm khỏi những thay đổi không mong muốn, chấtđộn để tăng tỉ lệ thành phần không tiêu hóa được dùng trong các thực phẩm ăn kiêng…

Có nhiều loại pollysaccharit xuất phát từ nhiều nguồn gốc khác nhau, ở đây ta chỉnghiên cứu về pollysaccharit có nguồn gốc từ rong biển mà điển hình là 3 loại chính sauđây:

 Carrageenan

 Alginit và alginate

3 Pollysaccharit có nguồn gốc từ rong biển _Agar (E406) :

3.1 Nguồn gốc của agar :

Là một loại pollysaccharit được tách ra bằng nước sôi từ rong biển ( thuộc nhóm tảo

đỏ Rhodophyceae ) như Gelidium sp., Pterocladia sp Và Gracilaria sp

3.2 Cấu trúc của agar :

Agar là một phức hợp pollysaccharit của agarose và agaropectin Thành phần chínhcủa mạch là βaDagalactopyranose và 3,6aanhydroaαaLagalactopyranose liên kết với nhaubởi liên kết βa1,4 và αa1,3

Mạch pollysaccharit được este hóa ở mức độ thấp với acid sulfuric.Trong mạchagarose cứ sau 9 đường galactose thì đường thứ 10 lại bị este hóa; còn trong mạchagaropectin, tỷ lệ este hóa cao hơn, ngoài ra còn có mặt acid pyruvit để tạo thành các gốc4,6a(1acarboxythylidene)aDagalactose Tỷ lệ của agarose và agaropectin trong các loại agarcũng rất khác biệt Nếu có sự hiện diện của acid uromic thì với tỉ lệ không vượt quá 1%

3.2.1.Agarose:

Agarose do aDagalactopiranoza và 3,6aanhidroaaLgalactopiranoza luân phiên tạonên bằng liên kết a1,4 và liên kết a1,3

Agarose có cấu tạo như sau:

Khi thủy phân nhẹ bằng axit thì được agarobioza (I), khi thủy phân bằng enzim thìđược neoagarobioza(II)

Cấu trúc của agarose không đồng nhất : vừa tích điện vừa trung hòa điện Trongphân tử có chứa nhóm sulfat , metoxyl , cacboxyl Hàm lượng sulfat trong agarose đượccoi là chỉ số độ sạch của agarose Chỉ số này càng thấp thì chất lượng càng cao Thườngtrong agarose có 0.04% sulfat

Agarose là một polymer trung tính tạo nên tính đông tụ của agar

3.2.2.Agaropectin:

Cấu tạo của agaropectin đến nay vẫn chưa chắc chắn Theo nhiều nghiên cứu thìagaropectin có lẽ do các gốc Dagalacto 2 –sulfat và D –galactoa2,6 – disulfat tạo nên.

Công thức cấu tạo như sau:

Agaropectin là một polymer tích điện âm, làm cho agar có tính nhầy Vì chúng cómang điện tích âm nên chúng có khả năng đẩy lẫn nhau có khả năng làm giãn mạch và làmtăng độ nhớt của dung dịch Khi làm giảm độ tích điện và hydrat hóa sẽ làm cho sợi pectinxích lại gần nhau và tương tác với nhau tạo nên một mạng lưới ba chiều rắn chứa pha lỏng

ở bên trong làm cho dung dịch có tính nhầy

Trong agaropectin có chứa khoảng 6% sulfat

3.3 Tính chất của agar :

3.3.1 Tính tan :

Agar không tan trong nước lạnh, tan nhẹ trong ethanolamin và tan tốt trongformamide Agar nhận được nhờ kết tủa bằng cồn , ở trạng thái ẩm có thể tan tốt trongnước ở nhiệt độ bằng 250C , nhưng ở trạng thái sấy khô lại chỉ tan trong nước nóng

3.3.2 Tạo gel :

Gel agar tạo thành sau khi agar được đun nóng và làm lạnh Các phân tử có sự biếnđổi từ cấu trúc cuộn sang cấu trúc xoắn và tiếp theo là sự tổ hợp các chuỗi xoắn tạo thànhmột mạng lưới không gian ba chiều nhốt các chất khô bên trong do số lượng liên kết hidrorất lớn.

Agar là chất tạo gel tốt nhất , nó có thể hấp thu rất nhiều nước và tạo gel nhờ cácliên kết hidro ở nồng độ rất thấp ( khoảng 0.04%)

Dung dịch agar sẽ đông lại khi làm nguội đến 40a500C và nóng chảy khi nhiệt độgần 80a850C Gel agar có tính thuận nghịch nhiệt và đàn hồi

Khả năng tạo gel và độ bền gel phụ thuộc vào nồng độ agar và phân tử lượng trungbình của nó (phân tử lượng trung bình càng lớn thì gel tạo thành càng bền ).Dung dịch1.5% tạo gel ở 32a390C nhưng không chảy ở nhiệt độ thấp hơn 60a970C

Kích thước lỗ gel cũng khác nhau phụ thuộc vào nồng độ agar, nồng độ agar càngcao thì bán kính lỗ gel càng nhỏ, khi làm khô gel sẽ tạo thành một màng trong suốt bền cơhọc và có thể bảo quản lâu dài mà không bị hỏng

Sự có mặt của ion sunfat làm cho gel bị mờ, đục Do đó tránh dùng nước cứng đểsản xuất

3.4 Ưu và nhược điểm agar dùng trong sản xuất thực phẩm:

3.4.1 Ưu điểm:

 Khả năng tạo gel cứng tại nồng độ rất thấp

 Không cần bất kỳ chất hỗ trợ nào, không ảnh hưởng vị của sản phẩm

 Có sự khác biệt giữa nhiệt độ nóng chảy và tạo gel: 40°C đông đặc, 80°Cnóng chảy làm cho agar rất dễ sử dụng

 Có khả năng cạnh tranh với các chất tạo đông khác, không những về đặc tính

kỹ thuật mà còn có lợi về kinh tế

 Không cần đường và pH trong quá trình tạo đông

 Trong trường hợp nồng độ đường cao, agar có thể có các nội phản ứng làmtăng lực bền gel.

 Có khả năng chống lại các phản ứng phân hủy do enzim, dùng làm môitrường nuôi cấy vi sinh vật rất tốt

 Có khả năng chống lại phân hủy acid (trừ trường hợp môi trường pH < 4)

 Không màu, không vị nên không ảnh hưởng đến vị tự nhiên của sản phẩm.3.4.2 Nhược điểm:

Nếu sử dụng agar quá nhiều trong sản xuất thực phẩm sẽ làm cho thực phẩm trở nêncứng và mất đi một số tính chất cảm quan như : độ dẻo, mềm, mịn…

3.5 Một số ứng dụng phụ gia agar dùng trong thực phẩm :

Agar không được hấp thu vào cơ thể trong quá trình tiêu hóa do đó agar được sửdụng sản xuất các loại bánh kẹo chứa ít năng lượng

Agar được sử dụng trong sảm phẩm mứt trái cây thay thế cho pectin nhằm làmgiảm hàm lượng đường trong sản phẩm và thay thế gelatin trong một số sản phẩm thịt và

cá Là chất ổn định trong phomai, kem Ngoài ra còn được sử dụng trong các sản phẩmyoghurt, sữa chocolate, trong ngành bánh kẹo … Agar còn được sử dụng vào môi trườngnuôi cấy vi sinh vật

Ứng dụng của agar trong quy trình sản xuất kem :

 Agar_một trong những chất phụ gia trong kem:

Trong sản xuất kem, agar được xem như là một chất phụ gia tạo tính ổn định trongkem Nó được xem là một chất ưu nước, khi cho vào nước, nó có thể liên kết với mộtlượng lớn phân tử nước và làm giãm số phân tử nước ở dạng tự do Agar tạo ra mạng lướikhông gian để hạn chế sự chuyển động tự do của các phân tử nước Nhờ đó, trong quá trìnhlạnh đông hỗn hợp nguyên liệu sản xuất kem, các tinh thể đá xuất hiện sẽ có kích thước

nhỏ, kem trở nên đồng nhất, ngoài ra nó còn có thể hạn chế sự lớn lên của các tinh thể đátrong kem thành phẩm khi có sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình sản xuất.

 Cách sử dụng và liều lượng sử dụng :

Trước khi sử dụng, Agar được đem cân để định lượng cho phù hợp với công thứcphối trộn mỗi loại kem sản xuất Sau khi đã xác định được hàm lượng agar cần sử dụng, ta

sẽ ngâm agar trong nước lạnh cho trương sau đó ta sẽ đun nóng cùng với các phụ gia khác

để tạo thành một chất lỏng đồng nhất Tiếp đến ta sẽ đem hỗn hợp này đem đi phối trộncùng với các nguyên liệu chính

Nguyên liệu chính: sữa , cream, bột sữa gầy, sỉrô, đường

Nguyên liệu phụ : chất tạo nhũ, chất

ổn định ( agar, carrageenan…)

Chuẩn bị

Phối trộn

Chuẩn bị

Đồng hóa Thanh trùng

Ủ chín Lạnh đong sơ bộ

Rót hộp/ly

Lạnh đong kết thúc Xếp vào thùng

Tháo khuôn

Tạo màng bao chocolate

Bao gói Bao bì

Thùng Xếp vào thùng Kem hộp/ly

Kem que

Lạnh đong (giai đoạn trung gian) Que

1

3.6 Liều lượng sử dụng agar trong thực phẩm :

Agar là chế phẩm từ tự nhiên không gây độc hại cho cơ thể, có thể sử dụng ở liềulượng cao mà không ảnh hưởng đến sức khỏe con người Thông thường agar được sử dụngvới hàm lượng 1a 1,5% khối lượng so với lượng đường trong hỗn hợp sản phẩm thựcphẩm, nếu sử dụng quá nhiều agar, hầu hết nước trong sản phẩm sẽ bị liên kết làm cho sảnphẩm mất đi các tính chất cảm quan, không thu hút người tiêu dùng.

4 Pollysaccharit có nguồn gốc từ rong biển_Carrageenan ( E407):

4.1.Nguồn gốc của Carrageenan:

Carrageenan là pollysaccharit có nguồn gốc từ tảo đỏ Rhodophyceae

Carrageenan đã đựợc sử dụng như là một chất tạo gel trong thực phẩm từ vài trămnăm trước Ở Châu Âu việc sử dụng carrageenan đã thấy xuất hiện cách đây 600 năm tạingôi làng có tên là Caraghen thuộc phía nam của vùng ven biển Irish

Carrageenin là tên đầu tiên của carrageenan được tìm thấy lần đầu tiên năm 1862 từtảo Chondrus crispus

Ngày nay người ta đã biết thêm nhiều loại rong có khả năng sản xuất carrageenan.Những nhiên cứu chi tiết về các loài rong này đã cho phép người ta có thể trồng chúng trênquy mô lớn và do đó đáp ứng đươc nhu cầu nguyên liệu cho ngành công nghiệp sản xuấtcarrageenan Carrageenan được tách từ các loài Chondrus, Eucheuma, Gigartina,Gloiopeltis , Iridaea bằng nước nóng trong môi trường kiềm yếu, sau đó được sấy khô haykết tủa để thu các sản phẩm tinh sạch hơn

Rong sụn ( kappaphycus alvarezii )Hiện nay công nghiệp sản suất carrageenan không chỉ phát triển mạnh ở các nước

Mĩ và Tây Âu mà còn đang phát triển mạnh ở các quốc gia Châu Á Trong đó phải kể đếnTrung Quốc, Nhật Bản, Philipin Ở Việt Nam cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về

sản xuất carrageenan với hiệu xuất thu hồi cao, hơn nưã khí hậu của chúng ta thích hợp choviệc phát triển cây rong sụn (Kapsycus alcaeric) nguồn nguyên liệu chính để sản xuấtcarrageenan đây là thuận lợi lớn để chúng ta tiến hành mở nhà máy sản xuất carrageenan.

4.2.Cấu trúc hóa học của của Carrageenan :.

Carrageenan có cấu trúc là một mạch thẳng của polysaccharide aSulphat, chứa

galactose và anhydrogalactose với các liên kết 1 a 3 và 1 a 4

Trọng lượng phân tử của carrageenan từ 100000 đến 500000 đvc

Carrageenan cố thể được tách riêng bằng phương pháp kết tủa phân đoạn với ionpotassium Thành phần monomer của các phân đoạn carrageenan được giới thiệu qua bảngdưới đây:

χ_ Carrageenan Dagalactosea4asulphate,

3,6aanhydroaDagalactoseτ_Carrageenan Dagalactosea4asulphate,

3,6aanhydroaDagalactosea2asulphateλ_Carrageenan Dagalactosea4asulphate,

Dagalactosea2,6adisulphateµ_Carrageenan Dagalactosea4asulphate,

Dagalactosea6asulphate3,6aanhydroaDagalactoseν_Carrageenan Dagalactosea4asulphate,

Dagalactosea2,6asulphate3,6aanhydroaDagalactoseFurcellaran Dagalactose aDagalactosea2asulphate,

Dagalactosea4asulphate,Dagalactosea6asulphate3,6aanhydroaDagalactose

Carrageenan có 3 loại chính được nghiên cứu kĩ sau :

4.2.1 χ_Carrageenan (kappa – carrageenan) :

χ _carrageenan được sản xuất bằng cách loại bỏ kiềm từ μacarrageenan cô lập chủ

yếu là từ cỏ biển nhiệt đới alvarezii Kappaphycus (còn gọi là Eucheuma cottonii)

4.2.1.1.Cấu trúc hóa học của χ_Carrageenan :

(1 3)aβaDagalactopyranosea2asulfata(1 4)aαaDagalactopyranosea2, 6adisulfatea(1 3)

4.2.1.2.Tính chất

χ_Carrageenan :

Hoà tan ở nhiệt độ cao

Tạo khối đông (gel) cứng

Độ bền của khối đông tăng lên khi có mặt của muối kali, khi có mặt của ion K+, nó

sẽ kết hợp với gốc SO3a do đó làm giảm số lượng gốc SO3a tự do có mặt trong carrageenan,tạo điều kiện cho các phân tử carrageenan xích lại gần nhau (vì không còn chịu ảnh hưởngbởi lực đẩy tĩnh điện do gốc SO3a sinh ra) và giữa chúng hình thành các liên kết hydro, kếtquả là sức đông của carrageenan được tăng lên đáng kể Tuy nhiên, khi nồng độ KCl tăngquá cao sẽ xảy ra hiện tượng gel carrageenan trở nên cứng và dòn, ít đàn hồi và dẻo dai do

đó gel lại trở nên rất dễ bị nứt vỡ dưới tác dụng của lực nén và uốn

Khả năng tạo gel vững chắc của Kappa-carrageenan khi có mặt ion K +

4.2.2 τ_Carrageenan (iotaacarrageenan) :

τ_carrageenan được sản xuất bằng cách loại bỏ kiềm từ νacarrageenan cô lập chủ

yếu là từ cỏ biển Eucheuma denticulatum (còn gọi là Spinosum) ở Philippine.

4.2.2.2.Tính chất vật lí và hóa học của τ_Carrageenan :

Có thể tan một phần ở nhiệt độ thấp

Chỉ hòa tan hoàn toàn khi đun nóng dung dịch

Độ bền của gel tăng lên khi có mặt của muối canxi

Hình thành khối đông dẻo và đàn hồi

4.2.3 λacarrageenan (lambdaacarrageenan) :

λacarrageenan (chủ yếu là bị cô lập từ Gigartina pistillata hoặc crispus Chondrus)

được chuyển thành θacarrageenan (thetaacarrageenan) bằng cách loại bỏ kiềm, nhưng vớitốc độ chậm hơn nhiều so với nguyên nhân sản xuất ιacarrageenan và κacarrageenan

4.2.3.1.Cấu trúc hóa học :

(1 3)aβaDagalactopyranosea2asulfata(1 4)aαaDagalactopyranosea2 ,6adisulfatea(1 3)

4.2.3.2.Tính chất vật lí và hóa học của λacarrageenan

Có thể tan hoàn toàn ở nhiệt độ thấp

Tạo dung dịch có độ nhớt cao mặc dù không tạo đông

Tương tác với protein tạo sự ổn định cho rất nhiều sản phẩm có nguồn gốc từ bơ vàpho mát, chủ yếu được dùng làm tăng độ đặc và cải tiến cấu trúc thực phẩm

4.2.4.So sánh 3 loại carrageenan:

Gel mạnh nhất với các muối

kali

Gel mạnh nhất với các muốicanxi

Không có khả năng hìnhthành gel

Tan 1 phần trong nước lạnh Hoàn toàn hòa tan trong

Màu hơi vàng, màu nâu vàng nhạt hay màu trắng.

Dạng bột thô, bột mịn và gần như không mùi

4.3.1.Độ tan :

Không tan trong ethanol, tan trong nước ở nhiệt độ khoảng 80oC tạo thành một dungdịch sệt hay dung dịch màu trắng đục có tính chảy, phân tán dễ dàng trong nước hơn nếuban đầu được làm ẩm với cồn, glycerol, hay dung dịch bão hòa glucose và sucrose trongnước

Độ hòa tan trong nước tăng khi tỷ lệ sulphate hóa tăng và khi lượng các gốc anhdroagalactose giảm

4.3.2.Độ nhớt của dung dịch carrageenan:

Độ nhớt của dung dịch tùy thuộc vào loại carrageenan, khối lượng phân tử, nhiệtđộ,các ion có mặt và hàm lượng carrageenan

Cũng như những polymer mạch thẳng có mang điện tích khác, độ nhớt tỉ lệ thuậnvới hàm lượng

Carrageenan có khả năng tương tác với nhiều loại gum đặc biệt là locust bean gum,trong đó tùy thuộc vào hàm lượng nó sẽ có tác dụng làm tăng độ nhớt, độ bền gel và độ đànhồi của gel

Ở hàm lượng cao carrageenan làm tăng độ bền gel của guar gum nhưng ở hàmlượng thấp, nó chỉ có thể làm tăng độ nhớt

Khi carrageenan được cho vào những dung dịch của gum ghatti, alginate và pectin

nó sẽ làm giảm độ nhớt của các dung dịch này

Ổn định ở pH >7, phân hủy ở pH = 5a7; phân hủy nhanh ở pH < 5

4.3.2.Cơ chế tạo gel : tương tự như cơ chế tạo gel ở agar

4.3.2.1 Khả năng tạo gel:

Phụ thuộc rất lớn vào sự có mặt của các cation

Ví dụ: Khi liên kết với K+, NH4 , dung dịch carageenan tạo thành gel thuận nghịch vềnhiệt Khi liên kết với Na+ thì carrageenan hòa tan trong nước lạnh và không có khả năngtạo gel

Muối K+ của χ_carrageenan có khả năng tạo gel tốt nhất nhưng gel giòn và dễ bịphân rã Chúng ta có thể giảm độ giòn của gel bằng cách thêm vào locust bean gum

Carrageenan có ít liên kết ion hơn nhưng khi tăng lực liên kết có thể tạo gel đàn hồi λ a

carrageenan không có khả năng tạo gel Muối K+ của nó tan trong nước

4.3.2.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo gel của carragenan:

Dung dịch nóng của kappa và iota carrageenan sẽ tạo gel khi được làm nguội xuống

từ 40 – 60oC dựa vào sự có mặt của các cation Gel carrageenan có tính thuận nghịch vềnhiệt và có tính trễ nhiệt, có nghĩa là nhiệt độ tạo gel và nhiệt độ nóng chảy của gel khácnhau Gel này ổn định ở nhiệt độ phòng nhưng khi gia nhiệt cao hơn nhiệt độ tạo gel từ 5 –

12oC thì gel có thể chảy ra Khi làm lạnh sẽ tạo gel lại Thành phần ion trong một hệ thựcphẩm rất quan trọng đến hiệu quả sử dụng carrageenan Ví dụ: kappaacarrageenan chọn ion

K+ để làm ổn định vùng tạo liên kết, tạo trạng thái gel chắc, giòn Iota carrageenan chọn

Ca2+ nối giữa các chuỗi tạo cấu trú gel mềm và đàn hồi Chính điều này làm cơ sở cho việc

sử dụng loại carrageenan nào cho thích hợp với những yêu cầu của sản phẩm

Sự có mặt của các ion cũng có ảnh hưởng lên nhiệt độ hydrat hóa của carrageenan,nhiệt độ tạo gel và nhiệt độ nóng chảy Ví dụ: iota carrageenan sẽ hydrat hóa ở nhiệt độmôi trường trong nước nhưng khi cho muối vào sẽ tăng nhiệt độ tạo gel nên được ứng dụngtrong sản xuất saladadressing lạnh Muối Na+ của kappa carrageenan sẽ hydrat hóa ở 40oC