Bài tập môn hóa học thực phẩm: Cellulose và hemicellulose

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI TẬP MÔN HÓA HỌC THỰC PHẨM ĐỀ TÀI 12 NHÓM SVTH: Lưu Tố Trân - 61203993 Hoàng Thị Thảo - 61203438 Châu Thanh Phương Vy – 61204678 GVHD: ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Thành phố Hồ Chí Minh, 11/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI TẬP MÔN HÓA HỌC THỰC PHẨM ĐỀ TÀI 12 NHÓM SVTH: Lưu Tố Trân - 61203993 Hoàng Thị Thảo - 61203438 Châu Thanh Phương Vy – 61204678 GVHD: ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Thành phố Hồ Chí Minh, 11/2013 Chương1:Cellulose…… ………………………………………… 1 1.1.Cấu tạo……………………………….……….……………………………1 1.2.Tính chất …………………… …………………… ……………….…2 1.2.1.Tính chất vật lý……….…………………………………………….…………….… 2 1.2.2.Tính chất hóa học……………………… ……………………………… 3 Chương 2: Hemicellulose…………… … …………………… 4 Chương 3: Nguồn cung cấp cellulose và hemicellulose 6 3.1. Thực vật….……………………………………………………… … 6 3.2. Vi khuẩn…….……….……………….……………………………… ….7 Chương 4:Cellulose và Hemicellulose trong công nghệ thực phẩm……………………………………………………………… 8 4.1.Phụ gia thực phẩm ……………………………………………… 8 4.1.1. Hydroxypropyl cellulose (HPC)…………………………………………… … 8 4.1.2. Methyl cellulose 8 4.1.3. Carboxymethyl cenllulose (CMC) ……… ………… …… ……………… 9 4.2.Thực phẩm chức năng……………… …….……… ………… 10 4.2.1. Cenllulose vi tinh thể (MCC)………………………………………………….…10 4.2.2. Hydroxyethyl cellulose……………………………………………………… ….10 Chương 5: Vai trò và ứng dụng của cenllulose và hemicellulose đối với sức khỏe… 11 5.1. Tổng quan về chất xơ thực phẩm ………………………………… 11 5.2.Tác dụng của chất xơ thực phẩm đối với sức khỏe…………… 11 5.3. Chất xơ trong các loại thực phẩm …………………………… … 12 5.4 Nhu cầu chất xơ hằng ngày ………………………………………… 12 5.5.Những lưu ý khi sử dụng chất xơ …… …………………………….12 Chương 6: Các nghiên cứu mới…… ………………… … 13 6.1.Sản xuất tinh bột từ cellulose………………………………………….13 6.2. Nhiên liệu sinh học (biofuels)…………………………………………13 Bảng 3.1 Thành phần cellulose và hemicellulose trong một số loại cây…… … 7 Bảng 6.1. Phân bố sản xuất biogasoline (xăng pha ethanol) và biodiesel……….14 Hình1.1. Mắt xích β-D-Glucose……………………………………………… ………… 1 Hình1.2. Liên kết β-1,4-glucoside ………………… ………………… 1 Hình1.3. Liên kết hydro giữa 2 mạch song song trong…… …………………… 1 Hình 1.4. Hình ảnh 3D của cellulose ………………………….……… ……… 2 Hình1.5. Dạng sợi của cellulose trong tế bào thực vật ( ngô) …… ……… … 2 Hình 2.1. Vị trí tương quan của cellulose, hemicellulose, lignin …… ….……… 4 Hình2.2. Các monomer điển hình của hemicellulose………… …………………… 5 Hình2.3.Một loại hemicellulose …………………… ……………………………….…….5 Hình 2.4.O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng…………………… …6 Hình 3.1. Một số loại rau củ chứa cellulose và hemicellulose ……………… … 7 Hình 4.1.Cấu trúc phân tử HPC ………………………………….………… ……… ….8 Hình 4.2.Cấu trúc phân tử Methyl cellulose………………………… ………… ….…8 Hình 4.3. sản phẩm tá dược có chứa methyl cellulose………… …………… …8 Hình 4.4.Cấu trúc CMC …………………………………………………………….…… …9 Hình 4.5.Dạng bột trắng của CMC……………………………………………………… 9 Hình 4.6. Một số sản phẩm chứa MCC………….……….………………………….… 10 Hình 6.1. Y.H. Percival Zhang………………………… …………………………… … 13 Hình 6.2. Các chuyên gia Việt-Nhật trong phòng thí nghiệm Biomass, cạnh thiết bị chưng cất ethanol từ rơm rạ…………………………………………………… …….14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 1.1.Cấu tạo Cellulose là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật. Trong thực tế, cellulose được biết đến như một chất xơ không tan, có trong các loại rau củ quả, tác dụng rất tốt trong việc hỗ trợ tiêu hóa. Cellulose thuộc loại polysaccharide thuần, hợp chất polymer dạng mạch thẳng, không xoắn với các monomer là β-D-Glucose liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glucoside. Công thức cấu tạo đơn giản (C 6 H 10 O 5 ) n hay [C 6 H 7 O 2 (OH) 3 ] n (n từ 5000-14000). Cấu trúc cellulose ở dạng thẳng, không xoắn, có liên kết Hydro giữa các mạch với nhau. Hình 1.1. Mắt xích β-D-Glucose Hình 1.2. Liên kết β-1,4-glucoside Hình 1.3. Liên kết hydro giữa 2 mạch song song trong cellulose 2 Hình 1.4. Hình ảnh 3D của cellulose Trong tế bào thực vật, các phân tử cellulose xếp song song thành sợi có đường kính khoảng 3,5nm. Các sợi xếp chặt khít nhau tạo thành các bó sợi dày 20nm, có rất nhiều liên kết hydro giữa các mạch, các sợi nên tạo được dạng sợi bền chắc, có tính đàn hồi cao. Ngoài ra còn có ligin chèn vào khoảng không giữa các vi sợi giúp cấu trúc được ổn định. 1.2.Tính chất 1.2.1.Tính chất vật lý - Cellulose có màu trắng, không mùi, không vị, hút nước, biodegradable. - Cellulose có dạng thô và mịn, loại càng mịn thì khả năng phân giải và đồng hóa càng cao. - Tính tan: cellulose không tan trong nước ngay cả khi đun nóng và trong các dung môi hữu cơ thông thường (rượu, ether, benzen…). Tan trong dung dịch Cu(OH) 2 + NH 4 OH đặc ("nước Svayde"), sản phẩm là phức chất của cellulose với ion Cu 2+ ở dạng dung dịch nhớt. Nếu ta cũng bơm dung dịch nhớt này đi qua ống có những lỗ rất nhỏ ngâm trong nước, phức chất sẽ bị thủy phân thành cellulose hidrat ở dạng sợi, gọi là tơ đồng - amoniac. Ngoài ra, cellulose có thể tan trong dung dịch các acid vô cơ mạnh nồng độ cao như: HCl, HNO 3 , và một số dung dịch muối : ZnCl 2 , PbCl 2 , - Tính chất của các nhóm hydroxyl (-OH) Cellulose có nhiều nhóm –OH dạng tự do, dễ bị thay thế bởi các nhóm chức như – COCH 3 , -CH 3 …trong các phản ứng tạo thành các dẫn xuất ester, ether có ý nghĩa rất quan trọng. Phản ứng với NaOH và CS 2 thu được dung dịch cellulose xantogenat trong sản xuất tơ visco [C 6 H 7 O 2 (OH) 3 ] n (Cellulose) → [C 6 H 7 O 2 (OH) 2 ONa] n (Cellulose kiềm) → [C 6 H 7 O 2 (OH) 2 O-CS 2 Na] n (Cellulose xantogenat) Hình 1.5. Dạng sợi của cellulose trong tế bào thực vật ( ngô) 3 [C 6 H 7 O 2 (OH) 2 O-CS 2 Na] n (Cellulose xantogenat) + n/2H 2 SO 4 → [C 6 H 7 O 2 (OH) 3 ] n (Cellulose hidrat) + nCS 2 + Na 2 SO 4 1.2.2.Tính chất hóa học Phản ứng phân hủy - Phản ứng thủy phân Cellulose rất bền, rất khó thủy phân. Điều kiện thủy phân khá nghiêm ngặt. Phản ứng với dung dịch H 2 SO 4 đặc nóng trong thời gian dài thu được sản phẩm cuối cùng là các đơn phân glucose, ứng dụng trong làm gỗ. (C 6 H 10 O 5 ) n + nH 2 O → nC 6 H 12 O 6 ( xúc tác H + , t o ) Ở động vật nhai lại (trâu, bò…), hệ tiêu hóa của chúng có các loại vi khuẩn tiết ra enzyme cellulase nên cellulose bị thủy phân, nhờ đó chúng có thể tiêu hóa được thực vật. Cơ thể người không có enzyme này nên không thể tiêu hóa được cellulose. Vì vậy, cellulose không có ý nghĩa về mặt dinh dưỡng, rau quả là những chất xơ hỗ trợ quá trình tiêu hóa. -Phản ứng nhiệt phân Cellulose bắt đầu phân hủy ở 180 o C, phản ứng depolymer hóa nhằm giảm độ trùng hợp của cellulose, ứng dụng trong công nghệ sấy các vật liệu từ cellulose -Phản ứng oxy hóa Phản ứng oxy hóa phân hủy mạch có thể cắt đứt các mạch, phá vỡ vòng pyranose, ứng dụng trong ủ chin sơ bộ alcalicellulose trong công nghiệp tạo sợi visco Phản ứng trong môi trường acid -Tác dụng với HNO 3 Đun nóng cellulose với hỗn hợp HNO 3 và H 2 SO 4 đậm đặc thu được các este cellulose nitrat: [C 6 H 7 O 2 (OH) 3 ] n + nHNO 3 → [C 6 H 7 O 2 (OH) 2 ONO 2 ] n (Cellulose mononitrat) + nH 2 O [C 6 H 7 O 2 (OH) 3 ] n + 2nHNO 3 → [C 6 H 7 O 2 (OH)(ONO 2 ) 2 ] n (Cellulose dinitrat) + 2nH 2 O [C 6 H 7 O 2 (OH) 3 ] n + 3nHNO 3 → [C 6 H 7 O 2 (ONO 2 ) 3 ] n (Cellulose trinitrat) + 3nH 2 O Hỗn hợp Cellulose mononitrate và Cellulose dinitrate (gọi là colocxilin) được dùng để tạo màng mỏng tại chỗ trên da nhằm bảo vệ vết thương, và dùng trong công nghệ cao phân tử (chế tạo nhựa xenluloit, sơn, phim ảnh ). Cellulose trinitrate thu được (có tên gọi piroxilin) là một sản phẩm dễ cháy và nổ mạnh, được dùng làm chất nổ cho mìn, lựu đạn và chế tạo thuốc súng không khói. - Tác dụng với (CH 3 CO) 2 O: Cellulose tác dụng với anhiđrit axetic có H 2 SO 4 xúc tác tạo thành hỗn hợp các cellulose acetate, ứng dụng trong sản xuất phim ảnh và tơ acetate [C 6 H 7 O 2 (OH) 3 ] n + 3n(CH 3 CO) 2 O → [C 6 H 7 O 2 (OCOCH 3 ] n (Cellulose triacetate + 3nCH 3 COOH 4 Hemicellulose có trong màng tế bào, liên kết chặt chẽ với cellulose, nằm trong khoảng trống giữa các sợi cellulose trong thành tế bào thực vật, cùng với pectin giữ nhiệm vụ làm chất kết dính các tế bào. Hemicellulose vừa là vật liệu cấu trúc, vừa là nguyên liệu dự trữ năng lượng các quá trình trao đổi chất. Cellulose, lignin và hemicellulose tạo nên thành tế bào vững chắc ở thực vật. Hemicellulose luôn đi cùng với cellulose, bởi nó là chất kết dính các sợi, các bó sợi cellulose, nhưng nó kém bền hơn cellulose, khối lượng nhỏ hơn cellulose. Hemicellulose là polymer không tan trong nước, tan trong dung dịch kiềm. Hemicellulose là polysaccharide tạp, gồm pentose (xylose và arabinose) và hexose (glucose, mannose và galactose ) trong mạch. Tùy theo trong thành phần của hemicellulose có chứa monosaccharide nào mà nó sẽ có những tên tương ứng như manan, galactan, glucan và xylan. Các polysaccharide như manan, galactan, glucan hay xylan đều là các chất phổ biến trong thực vật, chủ yếu ở các thành phần của màng tế bào của các cơ quan khác nhau như gỗ, rơm rạ, v.v…Các loại hemicellulose có tính chất khác nhau không chỉ do được tạo thành từ các loại monomer khác nhau mà còn do cấu tạo mạch nhánh. Nếu mạch nhánh càng nhiều acid thì hemicellulose có thể tan được một phần trong nước. Hình 2.1. Vị trí tương quan của cellulose, hemicellulose, lignin 5 Hình 2.2. Các monomer điển hình của hemicellulose Ngoài liên kết 1,4-glucoside, hemicellulose còn có liên kết 1,3-glucoside, 1,3- glucoside, nên có độ phức tạp và phân nhánh cao, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 đơn phân. Tuy nhiên, hemicellulose có chỉ số polymer hóa thấp nên cấu trúc không bền. Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc trisaccharide. Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này. Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân. Hemicellulose còn chứa cả axit 4-O-methylglucuronic, axit D-galacturonic và axit glucuronic. Trong đó, đường D-xylose, L-arabinose, D-glucose và D-galactose là phổ biến ở thực vật thân cỏ và ngũ cốc. Tuy nhiên, khác với hemicellulose thân gỗ, hemicellulose ở thực vật thân cỏ lại có lượng lớn các dạng liên kết và phân nhánh phụ Hình 2.3. Một loại hemicellulose 6 thuộc vào các loài và từng loại mô trong cùng một loài cũng như phụ thuộc vào độ tuổi của mô đó. Hình 2.4.O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng 3.1. Thực vật Cellulose và hemicellulose là thành phần của vách tế bào thực vật nên bất kì thực vật nào cũng đều có chứa cellulose và hemicellulose, lượng cung cấp tùy thuộc vào từng loài, từng bộ phận (nhiều ở thân, rễ, lá, ít ở củ) Cellulose có nhiều trong bông (95-98%), đay, gai, tre, nứa, gỗ Cellulose chiếm khoảng chiếm tỉ lệ cao 40-45% trong gỗ (bạch đàn, bồ đề, mỡ, keo,…Hàm lượng cellulose trong các loại rau ăn lá khoảng 0,2 – 2,8%, như rau dền 1,1% , rau mồng tôi 2,5%, đặc biệt có nhiều trong các loại măng (đến 4,5%),trong các loại trái 0,5 – 2,7% Hemicellulose chứa nhiều trong vỏ hạt, cám,trấu, ở các loại lúa mì, lúa mạch. Hàm lượng hemicellulose trong rau từ 0,3-3,1% , trong quả là 0,3-2,7 %. Đối với các loại quả cứng thì hàm lượng này chiếm nhiều hơn. [...]... phần cellulose và hemicellulose trong một số loại cây Hình 3.1 Một số loại rau củ chứa cellulose và hemicellulose 3.2 Vi khuẩn Cellulose là một hợp chất hóa học thường được biết đến với vai trò là bộ khung xương quan trọng trong cơ thể thực vật Cellulose còn được tổng hợp nên bởi vi sinh vật Một trong những loài vi sinh vật có khả năng tổng hợp cellulose rất tốt là Acetobacter xylinum 7 4.1.Phụ gia thực. .. Hydroxypropyl cellulose (HPC) Hydroxypropyl cellulose là một dẫn xuất của cellulose với cả hai nước hòa tan và hòa tan hữu cơ HPC được sử dụng như một chất làm đặc, chất kết dính thấp và như một nhũ tương ổn định với số hiệu phụ gia E463 Hình 4.1.Cấu trúc phân tử HPC 4.1.2 Methyl cellulose Methyl cellulose là một hợp chất hóa học có nguồn gốc từ cellulose, ở dạng bột màu trắng tinh khiết và hòa tan trong... đặc và chất chuyển thể sữa trong thực phẩm và các sản phẩm mỹ phẩm.Trong bào chế dược phẩm, người ta dùng methylcellulose trong việc bào chế các nhũ dịch và hỗn dịch, thuốc mỡ, tá dược dính và rã cho viên nén Hình 4.2.Cấu trúc phân tử Methyl cellulose 4.1.3 Carboxymethyl cellulose (CMC) 8 Hình 4.3 Sản phẩm tá dược có chứa methyl cellulose Carboxymethyl cellulose (CMC) là một polymer, là dẫn xuất cellulose. .. chất dinh dưỡng nhưng cellulose và hemicellulose có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với sức khỏe con người, chúng hiện diện ở dạng chất xơ không tan trong thực phẩm 5.1.Tổng quát về chất xơ thực phẩm Chất xơ thực phẩm là hỗn hợp gồm có tinh bột và đường hiện diện trong màng tế bào của các loại rau xanh, trái cây, không bị tiêu hóa trong hệ thống tiêu hóa Có nhiều loại chất xơ như cellulose, gum, mucilage,... chất xơ thực phẩm có cấu trúc và đặc tính hóa học khác nhau, được chia thành 2 nhóm chính + Chất xơ tan : Gồm gum, mucilage, pectin Những chất xơ loại này có chủ yếu trong các loại rau, trái cây và các loại hạt đậu + Chất xơ không tan: Gồm cellulose, lignin, hemicellulose Những loại chất xơ này chủ yếu có trong hạt ngũ cốc 5.2.Tác dụng của chất xơ thực phẩm đối với sức khỏe - Đối với hệ tiêu hóa Chất... cắt mạch và loại bỏ phần vô định hình của cellulose tự nhiên Mỗi một vi sợi này có mức độ liên kết nội ba chiều rất cao và điều này tạo ra một cấu trúc tinh thể của cellulose làm cho chúng không tan trong nước và bền vững với các chất hoá học Tuy nhiên, có những đoạn của vi sợi mà liên kết nội yếu hơn và được gọi là vùng vô định hình Vùng tinh thể của vi sợi cellulose được tách ra để điều chế cellulose. .. của các loại thuốc trong dịch tiêu hóa 10 Ngoài ra, Hydroxyethyl cellulose là thành phần chính trong chất bôi trơn Nó cũng là một thành phần quan trọng trong sự hình thành của bong bóng lớn , có khả năng hòa tan trong nước và cung cấp sức mạnh cơ cấu đối với bong bóng xà phòng Cellulose và hemicellulose là những polysaccharide bền, khó bị thủy phân và không bị tiêu hóa trong cơ thể người Không phải... mạnh Y.H Percival Zhang, phó giáo sư về các hệ thống sinh học nghiên cứu tại College of Agriculture and Life Sciences, đồng thời là trưởng nhóm nghiên cứu trong dự án trên cho biết cellulose và tinh bột có công thức hóa học tương tự Sự khác biệt nằm ở các liên kết hóa học; và ý tưởng của nhóm là sử dụng enzyme cascade để phá vỡ các liên kết trong cellulose, cho phép chúng định hình lại thành tinh bột... Quá trình biến đổi cellulose – tinh bột trênnày, còn gọi là “chuyển hóa sinh học enzyme và quá trình lên men của vi sinh vật” áp dụng được với tất cả cellulose của bất kỳ loài thực vật, lại rất dễ để phát triển mở rộng thành quy mô sản xuất thương mại Quá trình này thân thiện với môi trường vì không yêu cầu các thiết bị đắt tiền, không sử dụng nhiệt cũng như các chất xúc tác hóa học, và cũng không phát... pháp thuỷ phân cellulose trong môi trường axit ở nhiệt độ cao, hoặc thuỷ phân cắt mạch bằng peoxit trong môi trường kiềm Hình 4.6 Một số sản phẩm chức năng có chứa MCC 4.2.2 Hydroxyethyl cellulose Hydroxyethyl cellulose là một gel và là chất có nguồn gốc từ cenlulose Nó được sử dụng rộng rãi trong mỹ phẩm, dung dịch làm sạch, và các sản phẩm gia dụng khác Hydroxyethyl cellulose và methyl cellulose thường . TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI TẬP MÔN HÓA HỌC THỰC PHẨM ĐỀ TÀI 12 NHÓM SVTH: Lưu Tố. Thành phố Hồ Chí Minh, 11/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI TẬP MÔN HÓA HỌC THỰC PHẨM ĐỀ TÀI 12 NHÓM SVTH: Lưu Tố. nhiên, khác với hemicellulose thân gỗ, hemicellulose ở thực vật thân cỏ lại có lượng lớn các dạng liên kết và phân nhánh phụ Hình 2.3. Một loại hemicellulose 6 thuộc vào các loài và từng loại