Nghiên cứu sản xuất thử nghiệm sản phẩm gel kappa carrageenan đựng trong bao bì thủy tinh từ loài rong đỏ kappaphycus alvarezii trồng tại cam ranh

1.1 Tính tan của carrageenan trong các môi trường khác nhau 8 1.2 Tính chất gel của các loại carrageenan khác nhau 11 3.1 Thành phần hóa học cơ bản của rong nguyên liệu 37 3.2 Bảng các t

em đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn

cô giáo TS Phan Thị Khánh Vinh Người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp

Em xin cảm ơn các thầy cô Khoa Công nghệ Thực phẩm, Khoa Chế biến đã tạo điều kiện cho em thực hiện đồ án tốt nghiệp này Em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các thầy cô trong phòng thí nghiệm đã dạy cho em nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những người đã luôn động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực tập vừa qua

Nha Trang, tháng 07 năm 2012

Sinh viên

Đinh Thị Ngọc Yến

1.3.12 Một vài tính chất khác 15 1.4 Nguyên liệu sản xuất carrageenan – rong đỏ carrageenophyte vùng nhiệt đới

15

1.5 Một số quy trình công nghệ sản xuất carrageenan 18

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.2.1 Quy trình sản xuất gel kappa-carrageenan dự kiến 28

2.2.4 Phương pháp xử lý số liệu 36

3.2 Các thông số kỹ thuật dung dịch carrageenan sau khi lọc ly tâm

PHỤ LỤC

1.1 Tính tan của carrageenan trong các môi trường khác

nhau

8

1.2 Tính chất gel của các loại carrageenan khác nhau 11 3.1 Thành phần hóa học cơ bản của rong nguyên liệu 37 3.2 Bảng các thông số kỹ thuật của dung dịch carrageenan

sau khi lọc ly tâm

38

3.4 Điểm đánh giá cảm quan về màu sắc của gel

kappa-carrageenan sau thanh trùng

1.1 Cấu trúc của kappa-carrageenan 6

1.4 Tác dụng của nhiệt độ đối vơi cơ chế chuyển đổi từ

dung dịch sang gel

11

1.5 Các hình thức liên kết giữa carrageenan với protein 12

2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm chung của quy trình sản xuất

3.1 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của lượng KCl bổ sung đến

sức đông của carrageenan

39

3.2 Đồ thị biểu diễn hàm lượng chất khô của gel

kappa-carrageenan theo thời gian ép tách nước

41

3.3 Đồ thị biểu diễn sự biến đổi hàm lượng khoáng theo

thời gian ép tách nước

42

3.5 Đồ thị biểu diễn phần trăm giảm sức đông của gel sau

khi xử lý nhiệt so với sức đông của gel ban đầu

LỜI NÓI ĐẦU Hydrocolloid từ rong biển đã từ lâu được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm với vai trò chất tạo cấu trúc, tăng giá trị cảm quan và tính dược liệu

Cùng với sự gia tăng dân số và ổn định kinh tế, nhu cầu sử dụng các hydrocolloid trên ngày càng tăng

Trong số nhiều loại rong biển, rong đỏ đóng vai trò quan trọng vì

là nguồn nguyên liệu duy nhất để sản xuất agar và các loại carrageenan khác nhau

Trong các loài rong đỏ carrageenophyte phải kể đến Kappaphycus alvarezii, là loài rong biển vùng nhiệt đới với năng suất và sản lượng

trồng cao, chất lượng rong tốt

Trong công nghệ sản xuất bột carrageenan từ rong đỏ carrageenophyte, quá trình sấy tiêu tốn nhiều nhiệt năng nhất do trong gel carrageenan chiếm 98% nước Mặt khác, để chế biến thực phẩm có

bổ sung carrageenan cần có giai đoạn trương nở, gia nhiệt, hòa tan Chính vì những lý do đó, việc sử dụng trực tiếp sản phẩm gel carrageenan cho phép đơn giản hóa công nghệ sản xuất và mang tính thực tiễn cao vì có thể áp dụng tại những cơ sở sản xuất nhỏ

Xuất phát từ thực tế trên và được sự phân công ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Thực phẩm, em thực hiện đề tài “Nghiên cứu sản xuất thử nghiệm sản phẩm gel kappa-carrageenan đựng trong bao bì

thủy tinh từ loài rong đỏ Kappaphycus alvarezii trồng tại Cam

Ranh”

Nội dung đề tài

- Tìm hiểu nguồn nguyên liệu Kappaphycus alvarezii, thành phần

hóa học nguyên liệu, công nghệ sản xuất carrageenan và tính chất của

nó

- Nghiên cứu xác định hàm lượng KCl cần bổ sung qua sức đông gel kappa-carrageenan

- Nghiên cứu biến đổi hàm lượng nước, khoáng chất theo thời gian

ép cơ học gel kappa-carrageenan

- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng gel carrageenan

kappa Đề xuất quy trình sản xuất thử nghiệm gel kappakappa carrageenan, đánh giá chất lượng sản phẩm và tính sơ bộ giá thành nguyên liệu sản phẩm

Mục tiêu của đề tài

Thử nghiệm sản xuất sản phẩm gel kappa-carrageenan đựng trong bao bì thủy tinh, thay thế và khắc phục những hạn chế của bột carrageenan

- Đồng thời góp phần nâng cao thu nhập cho người dân

Sau hơn ba tháng thực hiện, đến nay em đã cơ bản hoàn thành đề tài ở mức độ và kiến thức cho phép Song do nhiều nguyên nhân khách

quan và chủ quan nên chắc chắn đề tài không thể tránh khỏi một số thiếu sót Em rất mong có được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn

để luận văn này được hoàn thiện hơn

Nha Trang, tháng 07 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Đinh Thị Ngọc Yến

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Khái quát chung về carrageenan [7], [9], [17], [26]

1.1.1 Nguồn gốc của carrageenan

Carrageenan được biết đến và sử dụng như phụ gia thực phẩm hơn

600 năm nay ở Châu Âu và vùng Châu Á Thái Bình Dương Từ

“carrageenan” có nguồn gốc ở Ireland nơi các món tráng miệng được

làm từ tảo Chodrus cripus hay Irish moss bởi những người dân làng

“Carraghen”

Mãi cho đến khi chiến tranh thế giới lần thứ nhất bùng nổ thì việc thiếu hụt nguồn cung cấp gelatin phục vụ quân đội đã thúc đẩy tìm kiếm chất khác thay thế Cùng với đó thì những nghiên cứu về cấu trúc hóa học, phương pháp tách chiết ngày càng phát triển

1.1.2 Mức độ an toàn phụ gia carrageenan

Qua nhiều nghiên cứu thử nghiệm lâm sàng độc tính của carrageenan trên chuột, thỏ cho thấy carrageenan an toàn cho con người

Ở Châu Âu, carrageenan được xem như phụ gia thực phẩm với ký hiệu E407

Theo Luật thực phẩm của Mỹ và Tiêu chuẩn Châu Âu, carrageenan thương mại cấp thực phẩm phải đạt các tiêu chuẩn sau:

- Hàm lượng galactan chứa gốc sunfat 18 ÷ 40%

- Độ nhớt dung dịch 1,5% carrageenan ở 750C không thấp hơn 5

cP, tương ứng với khối lượng phân tử không thấp hơn 100 kDa

- Hàm lượng tro tối đa 40%

- Hàm lượng kim loại nặng (Cd, Pb, Sn, Hg) trong khoảng 1 ÷ 3 mg/kg phụ thuộc từng loại kim loại nặng [9]

1.1.3 Thị trường tiêu thụ và sản xuất

Trong những năm cuối thế kỉ 20 thị trường tiêu thụ carrageenan không ngừng tăng Theo số liệu thống kê và dự báo nhu cầu carrageenan tăng 5 ÷ 7%/ năm, đặc biệt ở khu vực Châu Á [17]

Theo số liệu thống kê năm 2009, sản lượng carrageenan sản xuất toàn thế giới đạt 50.000 tấn/năm Trong đó 41% tổng sản lượng carrageenan sản xuất tại Philippine, chủ yếu bởi công ty Marcel Corporation, MCPI, Shemberg Corporation Bên cạnh đó phải kể đến các công ty FMC (Mỹ), CP Kelco (Mỹ), Danisco (Đan Mạch), Degussa (Đức), Ceamsa (Tây Ban Nha) [7], [17]

Tại Việt Nam, hiện nay để đáp ứng nhu cầu nội địa, đang xây dựng nhà máy sản xuất bột rong sụn với công suất 1.000 tấn/năm [26] 1.2 Cấu trúc của carrageenan [4], [10], [12], [13], [24]

Carrageenan có cấu trúc chung là một polymer mạch thẳng với liên kết luân phiên của β-D-galactopyranora qua liên kết 1,3 và α-D galactopyranora qua liên kết 1-4 [24]

Các công trình nghiên cứu bằng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân cho thấy carrageenan có nhiều cấu trúc hóa học khác nhau Do đó, phân loại theo cấu trúc hóa học có các loại carrageenan sau: mu, kappa,

nu, iota, lamda, theta và xi Các loại này chỉ khác nhau ở mức độ sulphat hóa, vị trí sulphat hóa, mức độ dehydrat hóa của chuỗi polysacharide Cấu trúc của chúng đều có những thành phần về số lượng sulphat của carrageenan chiếm 18 ÷ 40% phân tử carrageenan [4], [10], [13]

Carrageenan tự nhiên chiết xuất từ các loại rong khác nhau có thể

là hỗn hợp khác nhau của các loại carrageenan trên Người ta phân chia carrageenan ra hai nhóm chính:

- Nhóm 1: chứa các loại mu, nu, kappa, iota và các dẫn xuất của chúng Các carrageenan này tạo gel với ion K+ hoặc có thể xử lý kiềm để

có tính chất tạo gel, chúng có đặc điểm là gốc đường có liên kết 1,3 hoặc

là không có nhóm sulphat hóa ở vị trí C4

- Nhóm 2: chứa các loại lambda, xi, theta và các dẫn xuất của chúng Chúng không có khả năng tạo gel ngay cả trước và sau khi xử lý kiềm Đặc trưng của cấu trúc này là cả hai loại gốc đường liên kết 1,4 và 1,3 đều có nhóm sulphat ở vị trí C2

Ngày nay đã phát hiện hơn 18 loại và cấu trúc khác nhau của carrageenan Tuy nhiên, kappa-carrageenan, lamda-carrageenan, iota-carrageenan là được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất [12]

1.2.1 Cấu trúc của kappa-carrageenan [6]

Kappa-carrageenan là một loại polymer mạch ngắn xen kẽ giữa D-galactose- 4-sulphat (Gal S) và 3,6-anhydro D-galctose (Gal A) Cấu trúc phân tử của kappa-carrageenan là vòng xoắn kép bậc 3

Hình 1.1 Cấu trúc của kappa-carrageenan

1.2.2 Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan [6]

Iota-carrageenan cũng có cấu tạo tương tự kappa-carrageenan, ngoại trừ 3,6-anhydro-galactose bị sulphat hóa ở C2 Iota-carrageenan là carrageenan có nhóm sulphat nhiều nhất trong mạch phân tử, cấu trúc là vòng xoắn kép bậc 2 Gel iota-carrageenan có tính đàn hồi và mềm hơn

Hình 1.2 Cấu trúc hóa học của iota-carrageenan

1.2.3 Cấu trúc hóa học của lamda-carrageenan

Hình 1.3 Cấu trúc hóa học của lamda-carrageenan

Trong mạch phân tử các đơn vị monomeric được xen kẽ với nhau, các đơn vị gồm D-galactose-2-sunphat (1,3) và D-galactose-2,6-disunphat (1,4)

Các phân đoạn này đều có tính đa phân tán, nhưng chúng khác nhau về thành phần ester sunphate và gốc quay quang Lamda-carrageenan có khối lượng phân tử cao và mạch dài hơn kappa-carrageenan Thành phần này cũng phụ thuộc vào phương pháp, chế độ

xử lý, nấu chiết và loại rong nguyên liệu

Lamda-carrageenan tan trong nước ở nhiệt độ thường và mang tính ưa nước nhất do trong phân tử có chứa ba nhóm sunfat Kappa-carrageenan tan hoàn toàn ở nhiệt độ khoảng 800C [10] Iota-carrageenan

có chứa hai nhóm sunfat vì thế hòa tan ở nhiệt độ khoảng 30 ÷ 400C

Bảng 1.1 Tính tan của carrageenan trong các môi trường

Sữa lạnh Không tan Không tan Phân tán dày Sữa lạnh

Kappa-carrageenan và lamda-carrageenan hòa tan trong dung dịch saccharose nóng ở nồng độ lớn hơn 65% và nhiệt độ 700C, trong khi đó iota-carrageenan không hòa tan dễ dàng trong dung dịch saccharose nóng ở bất kì nhiệt độ nào Iota-carrageenan có thể chịu được nồng độ cao của các chất điện phân như NaCl ở nồng độ > 25% trong khi kappa-carrageenan bị kết tủa

1.3.2 Độ nhớt [21]

Độ nhớt của các dung dịch carrageenan phụ thuộc rất lớn vào từng

loại carrageenan, khối lượng phân tử, nồng độ và nhiệt độ

Sự liên quan tỷ lệ thuận giữa độ nhớt và trọng lượng phân tử của

carrageenan có thể mô tả bằng công thức cân bằng của Mark-Houwink

như sau:

[η] = K (Mw)α

Trong đó:

η: độ nhớt

Mw: trọng lượng phân tử trung bình

K và α: hằng số phụ thuộc vào dạng của carrageenan

và dung môi hòa tan

1.3.3 Tính trương nở [6]

Carrageenan hút nước mạnh và sự hút kèm theo trương phồng

đáng kể tạo thành gel theo thời gian khi nó tiếp xúc với dung môi

Carrageenan là polysaccharide có cực nên trương nở trong dung môi có

cực (nước)

1.3.4 Khả năng và cơ chế tạo gel [6]

Carrageenan có một tính chất vô cùng quan trọng là tạo gel ở nồng

độ thấp (nhỏ hơn 0,5 %) Ở dạng gel các mạch polysaccharide xoắn vòng

như lò xo và cũng có thể xoắn với nhau tạo thành khung xương không

gian ba chiều vững chất, bên trong có thể chứa nhiều phân tử nước (hay

dung môi) Từ dạng dung dịch chuyển sang dạng gel là do tương tác giữa

các phân tử polyme hòa tan với các phân tử dung môi ở bên trong, nhờ

tương tác này mà gel tạo thành có độ bền cơ học cao Phần xoắn vòng lò

xo chính là những mầm tạo gel, chúng lôi kéo các phân tử dung môi vào

vùng liên kết

Sự hình thành gel có thể gây ra bởi nhiệt độ thấp hoặc thêm các cation với một nồng độ nhất định Quá trình hình thành gel diễn ra phức tạp, được thực hiện theo hai bước:

- Bước 1: khi hạ nhiệt độ đến một giới hạn nào đó trong phân tử carrageenan có sự chuyển cấu hình từ dạng cuộn ngẫu nhiên không có trật tự sang dạng xoắn có trật tự Nhiệt độ của quá trình chuyển đổi này phụ thuộc vào dạng và cấu trúc các carrageenan, cũng như phụ thuộc vào dạng và nồng độ của muối thêm vào dung dịch carrageenan Do đó, mỗi một dạng carrageenan có một điểm nhiệt độ tạo gel riêng

- Bước 2: gel của các polyme xoắn có thể thực hiện ở các cấp độ xoắn Trong trường hợp đầu, sự phân nhánh và kết hợp lại sẽ xuất hiện cấp độ xoắn thông qua sự hình thành không đầy đủ của xoắn kép, theo hướng đó mỗi chuỗi tham gia vào xoắn kép với hơn một chuỗi khác Trong trường hợp thứ hai, các phần đã phát triển đầy đủ của đa xoắn tụ hợp lại tạo thành gel Còn dưới các điều kiện không tạo gel, ở các nồng

độ polyme thấp sự hình thành và hợp lại của các xoắn sẽ dẫn đến tăng độ nhớt

Qua đó, có thể mô tả cơ chế tạo gel như sau: trước hết là xuất hiện

sự chuyển đổi cấu hình từ dạng cuộn sang xoắn lò xo, tiếp sau là sự kết hợp các xoắn và tụ hợp lại có trật tự tạo thành xoắn kép – gel Như vậy, gel là tập hợp các xoắn có trật tự hay còn gọi là xoắn kép

Hình 1.4 Tác dụng của nhiệt độ đối với cơ chế chuyển đổi từ

dung dịch sang gel Bảng 1.2 Tính chất gel của các loại carrageenan khác nhau [6]

Sự tạo gel Kappa Iota Lamda Gel chắc nhất Với K+ Với Ca+ Không tạo gel Cấu trúc gel Giòn, dễ vỡ Đàn hồi

Đông lại sau khi kéo Có Không Không

Sự đông đặc Có Không Không Tính ổn định khi làm

Đông/ tan giá

Không Có Có

Đặc tính tạo gel của các loại carrageenan khác nhau như sau: Kappa-carrageenan

- Tạo gel bền, rắn chắc với K+

- Tạo gel giòn với Ca2+

Iota-carrageenan

- Gel đàn hồi

- Kết tủa khi có mặt của Ca2+

- Gel bền trong quá trình rã đông và làm đông

Lamda- carrageenan

- Không tạo gel

- Dung dịch có độ nhớt cao

1.3.5 Phản ứng với protein [6]

Đây là một trong những tính chất quan trọng của carrageenan và cũng là tính chất đặc trưng cho tất cả các chất tạo gel cũng như các chất không tạo gel Phản ứng này xảy ra nhờ các cation có mặt trong các nhóm protein tích điện tác dụng với nhóm sulfat mang điện âm của carrageenan và có tính quyết định đến độ bền cơ học của gel Trong công nghiệp sữa, nhờ vào tính chất liên kết với các protein trong sữa mà carrageenan được sử dụng (với nồng độ 0,015 – 0,025 %) làm tác nhân

để ngăn chặn sự tách lỏng và làm ổn định các hạt coca trong sữa sôcôla

Hình 1.5 Các hình thức liên kết giữa carrageenan với protein 1.3.6 Khả năng tương tác với các chất khác [18], [19], [20]

Kappa-carrageenan có khả năng tương tác với một số thành phần khác giúp làm tăng khả năng tạo gel và tăng trạng thái lưu biến

Bổ sung đồng thời muối Canxi và Kali với tỷ lệ từ 0,2 ÷ 0,8% sẽ làm tăng độ chắc của thạch

Carrageenan có tương tác với saccharose và các polyol do hình thành các liên kết hydro giữa nhóm -OH của polysaccharide và saccharose và nhờ giảm hoạt độ của nước [20] Agar cũng có tương tác với saccharose, tuy nhiên do carrageenan chứa nhiều nhóm sunfat hơn vì

thế số lượng liên kết hydro và tương tác của carrageenan thể hiện rõ rệt

hơn [19]

Carrageenan có tương tác với Konjac mannan và một số loại gum như locust bean gum, trong đó tùy thuộc vào hàm lượng nó sẽ có tác dụng làm tăng độ nhớt, độ bền gel và độ đàn hồi của gel

Ở hàm lượng cao carrageenan làm tăng độ bền gel của guar gum nhưng ở hàm lượng 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

Những nghiên cứu mới đây còn cho thấy khả năng liên kết giữa carrageenan với genipin Kết quả làm tăng độ nhớt, độ bền nhiệt và đặc biệt khả năng ổn định trong khoảng pH 1 ÷ 12 Nhờ đó có triển vọng ứng dụng carrageenan trong một số loại thực phẩm với pH thấp [18]

1.3.7 Tính chịu nhiệt [25]

Gel carrageenan không bền với nhiệt, nhiệt độ nóng chảy của gel carrageenan thấp hơn nhiều so với agar do hàm lượng 6 – o – metyl – galactoso trong carrageenan ít hơn nhiều so với agar

1.3.8 Tính bền axit [6]

Với hệ pH thấp cùng với sự tác dụng của nhiệt độ thì sự thủy phân xảy ra nhanh hơn do đó gel carrageenan rất kém bền trong môi trường axit

1.3.9 Tính hấp thụ tia hồng ngoại và màu [6]

Dung dịch carrageenan là một chất hữu cơ nên có khả năng hấp thụ hồng ngoại cho phổ có bước sóng trong phạm vi nhất định, phụ thuộc vào thành phần carrageenan Dựa vào tính chất này mà người ta biết được carrageenan đó thuộc loại nào: kappa-carrageenan, iota-carrageenan, lamda-carrageenan

Các loại polysaccharide thường cho bước sóng ở vùng hồng ngoại trong khoảng 1.000-1.100 cm-1 Với các loại carrageenan tạo gel thì cho mũi hấp thụ cực đại (mũi hấp thụ trong khoảng rộng) ở 1.065 cm-1, loại không tạo gel có mũi hấp thụ thấp hơn 1.020 cm-1

1.3.10 Phản ứng tạo tủa [6]

Carrageenan là một polymer mang điện tích âm nên sẽ kết tủa trong các đại phân tử mang điện tích dương như: metylen xanh, safranine, mauvine, những phẩm màu azo thiazo khác, tính chất này giống một vài alkaloid và protein

1.3.11 Tính thủy phân và sự metyl hóa, ứng dụng để xác định công thức cấu tạo của carrageenan [6]

Dung dịch carrageenan ít bị thủy phân trong môi trường pH 9, ở môi trường pH 7 dung dịch muối natri carrageenan bị thoái hóa do phân

tử carrageenan bị đứt liên kết 3,6 anhydrogalactose Và từ phản ứng xác định tính thủy phân kiềm của nhóm ester sulphat ở C4 trong gốc galactose

Carrageenan mà đặc biệt là κ-carrageenan sẽ bị thủy phân bởi enzyme seudomonate carrageenan hay κ-carrageenanovora Khi carrageenan (κ-, λ-) bị thủy phân bởi enzyme này thì độ nhớt của dung dịch giảm đi rất nhiều và làm tăng khả năng khử, tạo các sản phẩm thuộc dãy đồng đẳng của oligosaccharide sulphat, 3-o- 3,6-anhydrose-α-D galactose)-D-galactose-4-o-sunfatca

Carrageenan bị metyl hóa tạo ra các dẫn xuất methyl như tetra-methyl D (L) –galactose hoặc 2,4,6-tri-o-methyl-D (L) -galactose

2,4,4,6-và dựa 2,4,4,6-vào đặc tính này người ta xác định được thành phần cấu trúc của carrageenan[6]

Rong sụn (Kappaphycus alvarezii) mới được đưa vào trồng ở

nước ta từ năm 1993 và hiện nay đang được trồng phổ biến với năng suất khá cao ở các tỉnh duyên hải Nam Trung Bộ như: Khánh Hòa, Ninh Thuận,

Các công trình nghiên cứu về sinh thái của rong sụn đã khẳng định: rong sụn hoàn toàn có khả năng sinh trưởng, phát triển tốt ở ven biển Việt Nam, trong các đầm, vịnh nhiều san hô, bãi ngang, ao, hồ, lặng sóng gió ở các tỉnh Nam Trung Bộ

Năm 1999 năng suất rong sụn thu được ở bờ biển Ninh Thuận vào khoảng 60 tấn rong khô/ năm, năng suất này đã tăng cao hơn trong những năm gần đây

Năm 2007, sản lượng rong khô thu được là 3.200 tấn rong khô/ năm và chủ yếu xuất khẩu sang thị trường các nước như: Philippine, Nhật Bản, , một số ít phục vụ cho thị trường nội địa [8]

1.4.2 Đặc điểm, hình thái của rong sụn

Hình 1.6 Hình ảnh cây rong sụn Rong sụn là loài rong có đặc tính dòn dễ gẫy khi tươi Rong sụn

có thân dạng trụ tròn Đường kính thân chính có thể đạt tới 20 mm Đây

là loại cây sinh sản vô tính tự nảy mầm, chồi hình thành cây mới, ưa mặn

chỉ sinh trưởng và phát triển tốt ở những vùng có độ mặn cao (28-30%),

nhiệt độ từ 25- 280C, giàu các muối dinh dưỡng (Amon, Nitrat, Photphat,

…), cường độ ánh sáng thích hợp nhất từ 30.000 – 50.000 lux

Loài rong này có tốc độ phát triển rất nhanh trong những điều kiện

thích hợp: từ một bụi trồng ban đầu có trọng lượng khoảng 100g sau 3

tháng có thể tăng trưởng thành bụi rong có trọng lượng khoảng

1,4-1,6kg, thời gian thu hoạch ngắn từ 2-2,5 tháng

1.4.3 Thành phần hóa học của rong sụn [14], [15], [16],[25]

Những thành phần quan trọng nhất trong rong sụn là cacbohydrat,

protein, lipit, sắc tố, vitamin,…

Trong rong sụn, carrageenan là polysaccharide chiếm tỷ lệ nhiều

nhất Phần lớn chúng có khối lượng phân tử trung bình 500- 1.000 kDa

Tuy nhiên hàm lượng polysaccharide với khối lượng phân tử dưới 100

kDa có thể lên đến 25% tùy loại rong [15]

Một số loài rong sụn Kappaphycus alvarezii trồng tại Philippine

cho hàm lượng carrageenan rất cao lên đến 68%, ở Madagasca – 73,6% Tuy nhiên, lượng iota-carrageenan trong rong chiếm tỷ lệ khá cao có thể dao động 30 ÷ 34% [16]

Trong Kappaphycus alvarezii trồng tại Ấn Độ, tổng hàm lượng

hợp chất chứa gốc phenol 0,68 ÷ 2,05% trọng lượng rong khô phụ thuộc dung môi chiết [14]

Chất khoáng trong rong sụn chiếm tỷ lệ khá cao, có thể lên đến 49% tùy vào độ mặn vùng trồng Chính nhờ hàm lượng khoáng cao nên tạo lớp muối trắng bao phủ rong khô, chính lớp muối này có tác dụng ức chế vi sinh vật Vì vậy, rong khô vẫn giữ được chất lượng dù độ ẩm trong rong nguyên liệu lên đến 40% [25]

Nghiên cứu thành phần monosaccarit của rong sụn Kappaphycus alvarezii trồng tại Cam Ranh cho thấy hàm lượng 6- O- metyl galactose

chiếm tỷ lệ nhỏ từ 0,5 ÷ 1,0%, chính vì lý do đó nhiệt độ tan chảy của kappa-carrageenan tự nhiên (50 ÷ 550C) và thấp hơn nhiều so với agar (>800C) có trong Gracilaria với hàm lượng 6- O- metyl galactose lên

đến 8%

Hàm lượng glucose – sản phẩm thủy phân tinh bột thực vật có trong rong chiếm tỷ lệ nhỏ dưới 1,5% Điều đó cho phép thu được chế phẩm carrageenan với độ tinh sạch cao

Tỷ lệ 3,6- anhydrogalactose : galactose (A/G) cho biết độ đều đặn cấu trúc carrageenan và là chỉ số cho biết sức đông của gel carrageenan

Tỷ lệ càng gần 1 thì sức đông càng cao

Carrageenan tự nhiên chiết từ rong sụn trồng tại Cam Ranh có tỷ

lệ A/G khá cao 0,86 trong khi mẫu kappa-carrageenan hãng Sigma đạt 0,94 Để nâng cao chỉ số A/G có thể sử dụng kiềm để tăng hàm lượng

3,6-anhydrogalactose, tuy nhiên sức đông của gel 2% kappa-carrageenan khá cao trên 700 g/cm2, đủ đáp ứng chỉ tiêu kappa-carrageenan cấp thực phẩm Vì vậy việc sử dụng kiềm có thể được bỏ qua

Trong rong sụn có chứa nhóm sắc tố đặc trưng R-phycocythrine loại 1 có màu đỏ, R-phycocyanin và allophycocyanin có màu xanh thẫm

Tỷ lệ các sắc tố khác nhau sẽ tạo cho cây rong sụn có những biến thể màu sắc khác nhau như nâu, xanh lục [25]

1.5 Một số quy trình công nghệ sản xuất carrageenan [3]

1.5.1 Sản xuất carrageenan bán tinh chế

Phương pháp sản xuất SRC của GS.TS Trần Thị Luyến thì 1kg rong khô thu được bột carrageenan bán tinh chế có đặc điểm sau:

- Độ tan đạt 79%

- Sức đông sau khi bổ sung CaCl2 0,1% đạt 350g/cm2

- Màu trắng ngà

- Đạt được độ đồng nhất và độ mịn

- Hiệu suất thu hồi 69,5%

Ta thấy, quy trình sản xuất SRC:

- Rất đơn giản, dễ làm

- Thời gian thực hiện ngắn

- Chi phí đầu tư thấp

- Sản phẩm nhẹ, dễ vận chuyển

Tuy nhiên sản phẩm SRC chỉ qua các công đoạn xử lý như: xử lý kiềm, tẩy màu, rửa sạch rồi đem đi sấy khô, nên sản phẩm còn chứa cellulose, màu sắc, độ tan và sức đông thấp Khi hòa tan carrageenan bán tinh chế vào nước thì sẽ có vẩn Vì vậy SRC sử dụng sản xuất thức ăn cho vật nuôi, gia súc, sáp thơm Tính ứng dụng ít rộng rãi như carrageenan tinh chế

1.5.2 Sản xuất bột carrageenan [3]

Quy trình sản xuất carrageenan của GS.TS Trần Thị Luyến

T: 24h Nhiệt độ phòng W/V: 1/24 NaOH 6,2% Nhiệt độ phòng T: 34 phút

T: 75 phút

T0: 90±20C W/V: 1/ 51,2

Hình 1.8 Sơ đồ sản xuất bột carrageenan [3]

Rong Kappaphycus alvarezii

Rửa bằng HCl 0,1%

Đánh giá chất lượng sản phẩm và hiệu suất quy trình :

- Trắng, ít tạp chất, dai và khô

- Độ tan đạt: 93,62%

- Sức đông đạt: 365,02 g/cm2

- Hiệu suất quy trình đạt: 16,73%

Hiệu suất thu hồi carrageenan theo quy trình trên thấp so với sản phẩm carrageenan bán tinh chế nhưng xét về màu sắc, độ tan cũng như sức đông thì cao hơn hẳn

- Thời gian ngâm nước ở nhiệt độ phòng quá dài (24h) sẽ thúc đẩy

sự phát triển vi sinh vật, ảnh hưởng chất lượng carrageenan thành phẩm

và giảm năng suất của quy trình, bên cạnh đó tạo điều kiện hòa tan phân đoạn polysaccharide mạch ngắn

Trên thị trường hiện nay, bột carrageenan được sử dụng khá rộng rãi và phổ biến, bên cạnh những ưu điểm như:

- Sản phẩm nhẹ nên dễ vận chuyển, xuất khẩu

- Thời gian bảo quản dài

- Màu sắc, độ tan và sức đông tốt

- Do sử dụng phương pháp sấy nên tránh được bụi bẩn của môi trường bên ngoài, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm

Song song những ưu điểm, bột carrageenan vẫn tồn tại những khuyết điểm như:

- Bất tiện trong quá trình sử dụng: do khi sử dụng phải ngâm nước cho carrageenan trương nở, nấu tan chảy, hòa tan

- Thiết bị sấy phức tạp, chi phí sản xuất cao, tốn nhiều năng lượng cho quá trình sấy

Ta thấy sản phẩm bột carrageenan đều trải qua công đoạn sấy rất tốn kém, chính vì vậy gel carrageenan không trải qua công đoạn sấy sẽ khắc phục những nhược điểm trên

1.5.3 Sản xuất carrageenan dạng gel [25]

Quy trình sản xuất gel kappa-carrageenan của Viện VNIRO- Liên Bang Nga [25]

Đánh giá chất lượng sản phẩm bột kappa-carrageenan:

- Sức đông đạt 780 g/cm2 (dung dịch 2% carrageenan)

- Hiệu suất quy trình: 48% rong khô tuyệt đối

- Màu sắc 78% tỷ lệ thấu quang

- Hiệu suất chiết 95%

Ưu điểm quy trình sản xuất sản phẩm gel kappa-carrageenan:

- Công nghệ sản xuất đơn giản

- Tiết kiệm chi phí, năng lượng cho quá trình sấy

- Có thể sản xuất ở cơ sở nhỏ

- Chi phí đầu tư thấp

Trên thế giới việc sử dụng gel kappa-carrageenan còn rất hạn chế, tuy nhiên với những ưu điểm như trên thì sản phẩm gel kappa-carrageenan có khả năng phát triển, cạnh tranh với sản phẩm bột kappa- carrageenan, làm phong phú thêm mặt hàng carrageenan

Carrageenan có vai trò là chất phụ gia quan trọng để tạo đông tụ, tạo tính mềm dẻo, đồng nhất cho sản phẩm và cho điểm nóng chảy thấp

Carrageenan được dùng làm món ăn trong thực phẩm như: làm các món thạch, các món đông hạnh nhân, nước uống,…

Trong công nghệ sản xuất bánh mì, bánh quy, bánh cuốn, trong thực phẩm tạo cho sản phẩm có cấu trúc mềm, xốp

Trong công nghệ sản xuất sữa, chocolate cần phải tạo cho dung dịch sữa có độ đồng nhất, ổn định và độ đặc nhất định Do đó carrageenan đã được sử dụng đáp ứng các yêu cầu trên

Trong sản xuất kẹo, carrageenan làm tăng độ chắc và độ đặc cho cây kẹo Ngoài ra nó còn dùng để tạo độ bóng cho bề mặt một số sản phẩm bánh kẹo

Carrageenan còn được ứng dụng trong sản xuất các loại mứt đông, mứt dẻo

Trong bảo quản và đóng hộp các sản phẩm thịt: thịt gà, thịt vịt, xúc xích và các sản phẩm từ thịt khác

Carrageenan còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: trang trí các món ăn, các loại dầu giấm để trộn salad, món thịt đông có trứng

Carrageenan còn ứng dụng để mạ băng cho sản phẩm đông lạnh nhằm làm giảm sự hao hụt trọng lượng do nước bay hơi và giảm biến đổi chất lượng thực phẩm do oxy hóa bởi không khí

Trong dược phẩm

Dùng để sản xuất các dược phẩm quan trọng: sản xuất các loại thuốc dạng nhờn, nhũ tương để thoa lên các vết thương rất hữu hiệu, sản xuất các loại thuốc chống loét dạ dày, thuốc nhuận tràng, làm màng bao cho thuốc

Trong hóa mỹ phẩm

Sản xuất các loại kem như: kem dưỡng da, trong các loại nước hoa Carrageenan còn được ứng dụng trong sản xuất kem đánh răng, sáp

thơm nhờ khả năng bốc hơi đều đặn tinh dầu, tính lưu biến có thể điều chỉnh theo yêu cầu khác nhau

Carrageenan với trọng lượng phân tử dưới 100 kDa được ứng dụng để sản xuất dầu gội nhờ khả năng giữ ẩm do tương tác hiệp lực với glyxerin

Trong công nghệ sinh học

Nhờ khả năng tạo gel mềm dẻo, kappa-carrageenan được dùng trong cố định tế bào, enzyme hoặc là chất nền thay thế agar trong nuôi cấy mô

Carrageenan là chất xúc tác trong công nghiệp tổng hợp và chuyển hóa các chất

Carrageenan được cấy trên các mẫu thực vật, động vật để quan sát

từ đó nghiên cứu các loại chất mới

Trong công nghiệp

Sản xuất các loại phân bón hữu cơ

Trong các ngành khác

Sản xuất sợi nhân tạo, sơn nước, phim ảnh, in, giấy viết,…

1.7 Một số phương pháp bảo quản sản phẩm dạng lỏng phổ biến

Thời gian bảo quản gel carrageenan rất ngắn nên gây khó khăn trong quá trình bảo quản, vận chuyển, thu mua Vì thế, để tăng tính tiện dụng và tính cạnh tranh trên thị trường thì cần kéo dài thời gian bảo quản Một số phương pháp bảo quản:

1.7.1 Phương pháp hóa học

Phương pháp hóa học là phương pháp dùng hóa chất để tiêu diệt

và hạn chế hoạt động của vi sinh vật

Trên thực tế, có thể chia ra làm hai nhóm hóa chất bảo quản: hóa chất bảo quản tự nhiên và hóa chất tổng hợp Hợp chất bảo quản tự nhiên

ít ảnh hưởng đến sức khỏe con người nên được khuyên dùng, tuy nhiên

do giá thành đắt nên ít được dùng rộng rãi Trong khi đó với ưu thế giá thành rẻ nên hóa chất bảo quản tổng hợp được sử dụng rộng rãi hơn và chúng chỉ được phép thêm vào ở một nồng độ hạn chế cho phép

Ưu thế của phương pháp này là lưu giữ thực phẩm được lâu Tuy nhiên nhằm kéo dài thời gian bán và thu lợi nhuận, nhiều nhà sản xuất vẫn bỏ vào thực phẩm lượng hóa chất quá mức cho phép, điều này đã ảnh hưởng không tốt cho sức khỏe người tiêu dùng Ngày nay, người tiêu dùng đã có hiểu biết hơn trong việc lựa chọn thực phẩm an toàn, nên sản phẩm sạch, không hóa chất bảo quản vẫn là lựa chọn hàng đầu

1.7.2 Phương pháp bảo quản lạnh đông [27]

Có hai phương pháp bảo quản lạnh đông là lạnh đông nhanh và lạnh đông chậm Cơ sở để phân chia phương pháp làm lạnh đông nhanh hay chậm dựa trên việc tạo thành tinh thể đá trong sản phẩm

Phương pháp lạnh đông chậm thì số tinh thể đá hình thành trong gian bào rất ít nên có kích thước lớn Ngoài ra còn sự mất cân bằng về nhiệt độ ngay trong một tế bào khi làm lạnh đông, gần ngoài vỏ tế bào thì lạnh hơn bên trong lòng nguyên sinh chất nên nước chưa ra khỏi tế bào đã gặp đủ độ lạnh và thành tinh thể ở ngay phía trong màng tế bào

Phương pháp lạnh đông nhanh nhằm rút ngắn thời gian lạnh đông, hạn chế sự tạo thành những tinh thể đá to ở gian bào, hạn chế sự chuyển dịch của nước trong tế bào và gian bào nên tạo nhiều tinh thể đá bé ở ngay trong các tế bào

Cả hai phương pháp làm đông nhanh và chậm đều là quá trình hạ thấp nhiệt độ, hạn chế sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm, kéo dài thời gian bảo quản Tuy nhiên phương pháp

bảo quản lạnh đông tuy rất dễ làm, dễ thực hiện nhưng rất tốn kém, chi phí đầu tư thiết bị cao, khó khăn trong quá trình phân phối, vận chuyển 1.7.3 Phương pháp thanh trùng [1]

Thanh trùng là một quá trình quan trọng, có tác dụng quyết định tới khả năng bảo quản và chất lượng thực phẩm Đây là biện pháp cất giữ thực phẩm theo nguyên lý tiêu diệt mầm móng gây hư hỏng thực phẩm (nguyên tắc đình chỉ sự sống) bằng nhiều phương pháp khác nhau: dùng dòng điện cao tần, tia ion hóa, siêu âm, lọc thanh trùng và tác dụng của nhiệt độ

Các hệ vi sinh vật tồn tại trong đồ hộp nguy hiểm nhất là các loại

vi khuẩn, sau đó đến nấm men và nấm mốc

Có nhiều phương pháp thanh trùng, trong đó thanh trùng bằng nhiệt độ cao của nước nóng và hơi nước nóng là phương pháp thanh trùng phổ biến nhất Khi nâng nhiệt độ của môi trường quá nhiệt độ tối thích của vi sinh vật thì hoạt động của vi sinh vật bị chậm lại Ở nhiệt độ cao, protit của chất nguyên sinh của vi sinh vật bị đông tụ làm cho vi sinh vật bị chết Quá trình đông tụ protid này không thuận nghịch nên hoạt động của vi sinh vật không phục hồi sau khi hạ nhiệt

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Rong sụn Kappaphycus alvarezii được nuôi trồng tại Cam Ranh

và thu hoạch vào ngày 01/03/2012, thời gian trồng 45 ngày

- Muối KCl: là phụ gia được phép sử dụng trong thực phẩm, với

ký hiệu E508, dùng trong phòng thí nghiệm ở thể rắn Muối KCl được mua tại cửa hàng Hoàng Trang, đường Hoàng Hoa Thám, thành phố Nha Trang, đảm bảo yêu cầu về độ tinh sạch dùng trong thực phẩm

- Bao bì: bao bì để đựng gel kappa-carrageenan là lọ thủy tinh trong suốt không màu, nắp sắt, dung tích 250ml có thể nhìn được sản phẩm bên trong Bao bì được mua tại phòng thực hành Chế biến, trường Đại học Nha Trang

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Quy trình sản xuất gel kappa-carrageenan dự kiến

Quy trình sản xuất gel kappa-carrageenan dự kiến được lấy từ quy trình sản xuất kappa-carrageenan của viện VNIRO – Liên Bang Nga [25]

Tỷ lệ nước/ rong: 20/1

Thời gian: 1h

Tỷ lệ nước/ rong: 60/1 Thời gian: 2-2,5h Nhiệt độ nấu: 85 ÷ 900C

Xác định lực ép, thời gian ép với mục tiêu hàm lượng chất khô cao nhất 9%

Xác định hàm lượng chất khô

Xác định độ nhớt dung dịch ở nhiệt độ phòng (280C), 400C, 800C

Xác định hiệu suất thu nhận carrageenan thô

Xác định hàm lượng KCl cần bổ sung qua sức

đông của gel kappa-carrageenan

Xác định thay đổi sức đông, màu sắc gel ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau

Xác định chỉ tiêu vi sinh sản phẩm

Xác định chỉ tiêu sức đông, màu sắc, nhiệt độ tan chảy, nhiệt độ đông đặc sản phẩm

Rong K.alvarezii

Kappaphycus alvarezii là dạng lai hóa của kappa- và iota-, trong đó

khoảng 80% là kappa-carrageenan [16] Cation đặc trưng cho quá trình tạo gel kappa-carrageenan là Kali ở nhiệt độ 700C là tối ưu Vì vậy, cần nghiên cứu quá trình tủa carrageenan bằng dung dịch KCl với nồng độ khác nhau ở nhiệt độ 700C Thí nghiệm được bố trí như sơ đồ hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định lượng KCl bổ sung

Cách tiến hành

Cân mỗi mẫu 50g dung dịch carrageenan sau khi lọc ly tâm Đem gia nhiệt cốc thủy tinh dung tích 80ml, đường kính 4cm chứa dung dịch carrageenan đến 700C Sau đó đổ dịch nóng KCl với hàm lượng KCl 0,3% (0,15g) và các tỷ lệ khác như sơ đồ hình 2.2, sau đó khuấy đều cho hòa tan hoàn toàn KCl Làm nguội cốc bằng nước mát trong 2 giờ Sau

đó đem đi xác định sức đông trên máy Sun Rheo Meter, Japan Từ kết quả thí nghiệm, chọn ra nồng độ KCl thích hợp với sức đông cao nhất 2.2.2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định lực ép gel và thời gian ép tách nước thích hợp

Trong các phương pháp loại nước như ép cơ học, rã đông – tan giá, cô đặc thì ép cơ học là phương pháp đơn giản và ít tốn nhiệt năng nhất Chính vì lý do đó đề tài chọn ép cơ học để loại nước

Như ta đã biết hàm lượng nước loại ra tỷ lệ nghịch với bề dày của vật Lực ép càng lớn thì nước loại ra càng nhiều, tuy nhiên không được vượt quá sức đông gel vì sẽ dẫn đến vỡ nứt bề mặt thạch

Lượng nước loại ra phụ thuộc thời gian ép Vì vậy, cần nghiên cứu

sự thay đổi hàm ẩm theo thời gian để lựa chọn thời gian ép thích hợp

Sau khi xác định được lượng KCl bổ sung, xác định được sức

đông, từ đó suy ra lực ép gel kappa-carrageenan với bề dày 10mm Lực

ép được tính dựa trên tỷ lệ giữa trọng lượng vật ép và diện tích bề mặt

thạch bị ép

Xác định lực ép gel

Pha mẫu với lượng KCl đã xác định như trên, cho vào cốc thủy

tinh có đường kính 4cm, dung tích 80ml, với chiều cao mức dịch là 1cm,

làm nguội trong nước mát trong 2h để gel ổn định Sau khi gel ổn định,

tiến hành xác định lực ép gel Đặt hộp đựng cát lên bề mặt gel cho cân

bằng, đổ cát từ từ vào trong hộp cho đến khi bề mặt gel bị lún hoặc gel bị

Rong K.alvarezii

Các công đoạn

Ép tách nước

Xác định thời gian ép với mục tiêu hàm lượng chất khô cao

nhất 9%, xác định hàm lượng tro biến đổi từ 1h đến 17h

Tủa nóng KCl