Quá trình tổng hợp, phân giải glucid

Quá trình tổng hợp, phân giải glucid

LỜI MỞ ĐẦU

Hóa sinh thực phẩm nghiên cứu về cấu tạo, tính chất của các chất tạo nên thựcphẩm và sự chuyển hóa của các chất, chuyển hóa năng lượng trong quá trình bảoquản, chế biến thực phẩm Đây là bộ môn quan trọng, giữ vai trò nền tảng, cơ sở chonhững môn học chuyên ngành

Cùng với protein và lipid, glicid là một hợp chất hữu cơ giữ vai trò thiết yếuđối với cuộc sống, phổ biến trong các sản phẩm thực phẩm Trong khẩu phần ăn hằngngày, glucid chiếm tỷ lệ lớn nhất về khối lượng, cung cấp phần lớn năng lượng giúpchúng ta hoạt động bình thường Kể cả những loại carbohydrate không tiêu hóa đượccũng có vai trò quan trọng trong cân bằng dinh dưỡng

Cơ thể thực vật là một cỗ máy sinh học tuyệt vời tổng hợp nên glucid từ nhữnghợp chất vô cơ ban đầu (CO2 ,H2O và năng lượng ánh sáng mặt trời) Cơ thể người,động vật thì sử dụng nguồn nguyên liệu glucid lấy từ thực vật là chính, qua quá trìnhphân giải với cơ chế chặt chẽ tạo ra đơn vị cơ bản là glucose – nguyên liệu chủ yếucho hoạt động sống, trung tâm của sự chuyển hóa

Glucid còn tạo ra nhiều tính chất chức năng quan trọng cho thực phẩm nên tìm hiểu về

“QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP, PHÂN GIẢI GLUCID” là việc làm cần thiết đối với sinhviên ngành thực phẩm Nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế, bản chất của sựchuyển hóa, qua đó có những kiến thức nhất định sẽ giúp ích rất nhiều cho việc họctập, nghiên cứu sau này Đó chính là mục đích của nhóm khi làm đề tài này

1 Giới thiệu chung về Glucid

1.1.Khái niệm

Glucid là hợp chất hữu cơ khá phổ biến ở cả cơ thể động, thực vật và vi sinh vật Cácnguyên tố cấu tạo nên glucid là C, H, O Công thức cấu tạo của glucid thường đượcbiểu diễn dưới dạngCmH2nOn (m, n ≥ 3) Trong phân tử glucid có chứa nhóm aldehide(-CHO), cetol (-C=O) Ngoài ra còn có một số loại glucid đặc biệt, trong cấu trúc củachúng còn có thêm S, N, P

1.2 Vai trò

1.2.1 Đối với cơ thể

• Là sản phẩm trung gian của quá trình trao đổi chất

• Nguồn nguyên liệu trực tiếp để hô hấp

• Nguồn dự trữ, tạo năng lượng

• Tạo cấu trúc trong cơ thể thực vật, tham gia vào thành phần cấu tạo của nhiềuchất quan trọng như: AND, ARN…

• Cung cấp năng lượng chủ yếu ( 4,13 kcal/g)

• Giúp cho quá trình tiêu hóa

1.2.2 Trong công nghệ thực phẩm

• Là chất liệu cơ bản, cần thiết và không thể thiếu của ngành sản xuất lên men

• Các sản phẩm như: rượu, bia, nước giải khát, mì chính, acid amin, vitamin… đềuđược tạo ra từ cội nguồn glucid

• Tạo ra cấu trúc, hình thù, trang thái, cũng như chất lượng cho các sản phẩm thựcphẩm

• Tạo kết cấu: Tạo sợi, tạo màng, tạo gel, tạo độ đặc, độ cứng, độ đàn hồi cho thựcphẩm: tinh bột, thạch, pectin trong miến, mứt quả, kem, giò lụa… Tạo kết cấu đặc thùcủa một số loại thực phẩm: độ phồng nở của bánh phồng tôm, tạo bọt cho bia, độ xốpcho bánh mì, vị chua cho sữa…

• Tạo chất lượng: tạo ngọt cho thực phẩm (các đường) Tham gia tạo màu sắc vàhương thơm cho sản phẩm (đường trong phản ứng caramen hoá, melanoidin…) Cáctính chất lưu biến cho sản phẩm thực phẩm: độ dai, độ trong, độ giòn, đ dẻo… Có khảnăng giữ được các chất thơm trong sản phẩm thực phẩm; tạo ẩm cũng như làm giảmhoạt độ nước làm thuận lợi cho quá trình gia công cũng như bảo quản

1.3 Phân loại

Có nhiều cách phân loại Sau đây là một số cách phân loại:

Theo cấu tạo: glucid được chia làm 3 nhóm

Theo mục đích sử dụng (độ ngọt): đường, không đường

Theo mức độ phức tạp của phân tử, lấy đường đơn làm cơ sở:

• Loại ose: là đường không thủy phân được nữa

POLYSACCHARIDE Tinh bột

Cellulose

Glycogen…

• Loại osid: là những glucid phức tạp do nhiều monosaccharide ghép lại Gồm 2 nhómlớn: holosid( thủy phân cho mono) và heterosid( thủy phân cho mono và nhiều nhómkhông phải glucid).

Dẫn xuất amin, phospho, dẫn xuất dạng glucocid…

 Có hiện tượng solvat hóa làm dung dịch khó kết tinh

 Tồn tại ở trạng thái hỗ biến (mạch thẳng và vòng)

 Có khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực (phụ thuộc vào dạnganomer, tautomer)

 Khả năng hòa tan phụ thuộc vào từng loại đường

 Tính hút ẩm, làm bóng khác nhau ở từng loại đường

1.4.2 Tính chất hoá học

Tính khử mạnh do có nhóm aldehide, cetol tự do: monosaccharide chuyển thànhpolyol, các nhóm aldehide hoặc cetol chuyển thành các nhóm rượu tương ứng

Tính oxi hóa theo nhiều mức độ: trong điều kiện oxi hóa nhẹ, các aldose bị oxihóa thành aldonic acid (xảy ra trong bột nướng bánh, xúc xích lên men, một sốsản phẩm sữa) Khi dùng các acid mạnh hơn như HNO3 sẽ tạo thànhdicaboxylic acid.

Bị oxy hóa nhẹ bởi Br2:

Tác dụng với HNO3:

Khi oxy hóa bằng dung dịch Br2 có bảo vệ nhóm chức CHO bằng metyl hóa

Ví dụ từ axit glucuronic sẽ cho chất xilose là một pentose

Tạo ester với acid

Khi đun sôi các pentose, hexose với các acid có nồng độ cao như HCl 12%, H2SO4

đậm đặc thì các phân tử H2O sẽ bị mất đi và tạo thành các furfurol từ pentose hoặcoxymethylfurfurol từ hexose Các sản phẩm này được hình thành trong quá trình chếbiến các sản phẩm thực phẩm

 Phản ứng trong môi trường kiềm

Trong dung dịch kiềm yếu như Ba(OH)2 , Ca(OH)2 có thể xảy ra sự đồng phân hóagiữa glucose, fructose, mannose Hiện tượng này có thể xảy ra trong cơ thể Trongdung dịch kiềm loãng, các monosaccharide mạch thẳng chuyển sang mạch vòng.trongmôi trường kiềm loãng ở 370 C các nhóm endiol sẽ chuyển vào giữa mạch

Nồng độ kiềm cao hoặc nhiệt độ cao, các monosaccharide có thể bị phân giải, hiệntượng caramen hình thành, Các mạch cacbon dễ bị đứt

C O C

O H

H R

COOH

H H

Acid metasaccharic

CH3C C

O O R

COOH

C OH R

H3C

COOH

C CH3HO

R

CH2OH C C R

O O

COOH HOH2C C OH

R

COOH C

HO CH2OH

R

+

+ Acid saccharic

• Giai đoạn 1 : sự tạo nên phenyhdrasen:

• Giai đoạn 2 : sự oxy hóa ở nguyên tử vị trí cacbon thứ 2 tạo nên nhómcacbonyl:

• Giai đoạn 3: một phân tử phenylhydrazin thứ ba sẽ tham gia phản ứng vớinhóm cacbonyl và tạo nên sản phẩm cuối cùng là phenylosasen của glucose:

Tóm tắt phản ứng giữa glucose và phenylhydrazin như sau:

• Đồng phân quang học

• Phản ứng tạo glucozit: là một đặc tính rất quan trọng của monosaccharide Liên kếtglucosid là liên kết cơ bản có ý nghĩa quan trọng tạo nên các oligosaccharide,polysaccharide và nhiều hợp chất phi glucid khác

Phản ứng tạo glucozit

Các dạng Glucozit:

R – phần gluxit của phân tử glucozit , A – aglucon

Tất cả các glucosid dễ dàng bị thủy phân, khi đó liên kết glucosid bị cắt đứt và tạothành monosaccharide tương ứng phản ứng thủy phân các glucosid được xúc tác bởiacid, chỉ trong một số trường hợp mới do kiềm xúc tác Đa số glucosid đều bền vữngvới kiềm

Phản ứng caramen: sản phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ, pH, thời gian, bản chất củađường…w

Sacarose, sơ đồ caramen hóa:

Đến 185 – 1900C sẽ tạo thành isesacarosen:

Khi ở nhiệt độ cao hơn sẽ mất đi 10 % nước và tạo thành caramelan có màuvàng:

Khi mất đi 14 % nước sẽ tạo thành caramelen:

Và khi mất đi 25% nước sẽ tạo thành caramelin Các sản phẩm caramen hóa đều

có vị đắng

 Phản ứng maillard (phản ứng với các hợp chất chứa gốc amine)

Đây là phản ứng nâu hóa phi enzyme, xảy ra giữa đường khử và protein, peptide, acidamin hoặc các amine thông qua phản ứng tạo N- glycoside và một chuỗi các phản ứng

kế tiếp khác

Về cơ bản, phản ứng này xảy ra tương tự phản ứng của đường trong môi trường acidhoặc kiềm, tuy nhiên do sự có mặt của các hợp chất nitrogen đóng vai trò xúc tác nênphản ứng xảy ra với tốc độ nhanh hơn trong những điều kiện môi trường đơn giản hơnrất nhiều Phản ứng này rất thường gặp trong thực phẩm

Glucose phản ứng với acid amin để tạo ra glucosylamine:

H H H

HO H

H 3 C

NH

OH O

H

OH O

OH OH

CH 2 OH H

H H

HO H

H 3 C

H

N

OH O

O

CH 2 OH

OH HO

D- Glucosylamine

Sự tạo thành các hợp chất amadori từ đường glucose và phân huỷ chúng tới 1- và deoxysone:

3-HC NR1R2

C

OH H

H

C C

HC NR1R2

OH

HC C

1, 2

Glucose 3

H2C NR1R2

C HO

H2C NHR1R2

OH C

H 4

Phản ứng ngưng tụ andose để tạo ra gốc pyrazine:

C C

NH OH

CH2HN

Phản ứng oxi hoá các hợp chất amadori:

CC

H2C NHR

H2C NHRCOOH

COOH+

Tiếp theo là các phản ứng của các hợp chất deoxyosome tạo ra sản phẩm là những hợpchất mạch vòng có chứa hoặc không chứa nitơ góp phần tạo nên màu sắc cũng nhưmùi vị cho các sản phẩm chiên nướng

1.4.3 Tính chất cảm quan

Các đường đơn, đường oligo và các rượu tương ứng của chúng thường có vị ngọt,đây là tính chất cảm quan quan trọng nhất Ngoài ra, một vài loại có vị ngọt đắng (β –

D Mannose), hoặc vị đắng (gentibiose)

Một số đường quan trọng gồm saccharode, các loại xiro từ tinh bột và glucose hayđường đảo, xiro glucose- fructose, đường fructose, lactose, các sugar alcohol nhưsorbitol, mannitol, xylitol… cũng là những loại đường ngọt quan trọng

Cường độ vị ngọt được đánh giá bằng ngưỡng nồng độ cảm nhận của đường hoặcbằng cách so sánh với một đường chuẩn khác Chất lượng và cường độ vị ngọt củađường phụ thuộc vào công thức hóa học, cấu trúc của đường và các thông số cảmnhận vị khác như nhiệt độ, pH, sự có mặt của các đường ngọt hoặc các chất khôngphải đường

Nói chung, trong quá trình chế biến thực phẩm, thành phẩm và nồng độ của cácchất tạo ngọt cần được điều chỉnh để đạt được cảm nhận cảm quan tốt nhất

Trong ngành công nghệ thực phẩm chúng ta cần quan tâm tới một số loạimonosaccharide quan trọng như: pentose, D- xilose, D- ribose, heose, D- glucose, D-manose, D- galactose, D-fructose ; disaccharide: saccharose, maltose, lactose,

xellobiose; trisaccharide: rafinose; polysaccharide: tinh bột, inulin, xellulose,hemixellulose, pectin, aga- aga, dextran, glycogen, kitin

 Các phản ứng oxi hóa cho các sản phẩm là thành phần của các loạipolysaccharide thực phẩm quan trọng như pectin (chất tạo độ dày, tạo gel choquá trình chế biến thực phẩm)

 Trong môi trường acid, các đường đơn dễ tham gia vào phản ứng ngược tạothành các glucosid Các sản phẩm tạo ra từ glucose có thể là disaccharide,oligosaccharide nhưng chủ yếu là gentibiose, isomaltose làm giảm hiệu suấtcủa quá trình thủy phân

 Trong môi trường kiềm, các aldose và ketose bị enol hóa, tạo thành các endiol,thông qua các endiol này có hiện tượng isomer hóa các đường (một đường này

có thể chuyển thành đường khác) Ở các disaccharide, trường hợp chuyểnlactose thành lactulose được nghiên cứu sử dụng trong thức ăn của trẻ sơ sinh

vì chúng có tác dụng hỗ trợ tiêu hóa và ngăn ngừa hiện tượng táo bón ở trẻ

 Khi đun nóng dung dịch đường trong môi trường acid hoặc kiềm, sẽ tạo ra cácchất có màu nâu với mùi caramen đặc trưng Tùy điều kiện mà phản ứng xảy

ra theo hướng tạo màu hay tạo mùi nhiều hơn Trong một số trường hợp, vớidung dịch đệm thích hợp sẽ tăng khả năng tạo ra các chất mùi, chủ yếu làdihydrofuranone, cyclopentenolone, cyclohexenolone và pyrone Ngoài ra, đunnóng xirô glucose với acid sunfuric, có mặt ammonia sẽ tăng cường tạo ra cáchợp chất polime có màu nâu Độ bền và khả năng hòa tan của các hợp chất này

 Phản ứng maillard: tùy trường hợp cụ thể mà có lợi hay gây hại.

 Hiện tượng tạo màu nâu rất cần thiết trong các sản phẩm chiên, nướng nhưnglại có hại trong các sản phẩm như sữa đặc, rau củ sấy, nước sốt cà chua…;tương tự, việc tạo ra nhiều hợp chất bay hơi có mùi cũng rất cần thiết trongquá trình chiên, nướng nhưng lại ảnh hưởng đến quá trình bảo quản, chế biếnnhiệt như thanh trùng, tiệt trùng…; vị đắng cần thiết trong chế biến cà phênhưng lại tạo ra mùi lạ khi quay thịt, cá; tạo ra các hợp chất có tính khử mạnhtham gia vào việc bảo vệ thực phẩm khỏi các phản ứng oxi hóa Bên cạnh đó,chúng ta cần lưu ý đến khả năng làm mất đi nhiều acid amin thiết yếu (lysine,cystein, methionine), tạo ra một số chất gây ung thư,…

Để hạn chế phản ứng này chúng ta có thể giảm độ pH, giữ thực phẩm ở nhiệt độthấp nhất có thể, tránh vùng hoạt độ nước nguy hiểm trong thời gian bảo quản

và chế biến, không sử dụng đường khử và thêm các gốc sulfite vào thực phẩm

 Ester của sorbitol và saccharose với các acid béo có nhiều ứng dụng rộng rãitrong công nghiệp chế biến thực phẩm

 Cyclodextrin không hút ẩm, ngọt nhẹ, được sử dụng để giữ hương, bảo vệ cácvitamin và các chất dễ bị oxi hóa, giấu đi các vị đắng chát hay các mùi khôngmong muốn

Những điều trên chỉ mang tính chất tổng hợp, khái quát về một số đặc điểm quantrọng của glucid đối với ngành công nghệ thực phẩm bên cạnh đó, chúng còn

có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác mà chúng tôi không đề cập đến

2.1.2 Cơ chế quang hợp: gồm 2 pha là pha sáng và pha tối.

2.1.2.1 Pha sáng:

Pha sáng quang hợp bao gồm các phản ứng đầu tiên kể từ lúc sắc tố hấp thụ nănglượng ánh sáng, sau đó dự trữ nó trong cấu trúc phân tử sắc tố dưới dạng năng lượngđiện tử kích thích, đến các quá trình di trú năng lượng vào trung tâm phản ứng và cuốicùng từ đây năng lượng được biến đổi thành thế năng hóa học

Pha sáng quang hợp gồm 2 giai đoạn:

- Quang vật lí

- Quang hóa học

a/ Giai đoạn quang lí:

- Giai đoạn quang lí của quang hợp bao gồm quá trình hấp thụ năng lượng và sự di trútạm thời năng lượng trong cấu trúc của phân tử chlorophyll

- Cây xanh được chiếu sáng, năng lượng dưới dạng các photon đập vào chlorophylhay carotenoit, kích hoạt điện tử các sắc tố đến mức năng lượng cao hơn nhưng khôngbền, các điện tử trở về mức năng lượng ban đầu, đồng thời năng lượng của lượng tửánh sáng được truyền cho phân tử sắc tố khác Quá trình truyền photon diễn ra chođến khi các photon đập vào trung tâm phản ứng có chlorophyll a chuyên biệt, kíchhoạt điện tử của trung tâm phản ứng lên mức năng lượng cao trung tâm phản ứng ởtrạng thái kích thích

- Ngoài phân tử chlorophyll, trung tâm phản ứng còn chứa các sắc tố phụ carotenoit…v v… Các sắc tố khác nhau sẽ hấp thu tốt các bước sóng khác nhau của quang phổ,truyền điện tử và hidro bị kích thích cho diệp lục a trực tiếp tham gia các phản ứngsáng

b/ Giai đoạn quang hóa:

- Pha sáng thực hiện nhờ tác động tương hỗ của 2 hệ thống quang hóa I và II (HTQH).HTQH là phức hợp thu nhận ánh sáng vào trung tâm phản ứng gồm các sắc tốchlorophyll a,b,c,d và carotenoit

- Trung tâm phản ứng (TTPƯ) là các phân tử chlorophyll chuyên biệt gồm:

• Trung tâm phản ứng I có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng ở bước sóng dài(λ > 730nm) Hệ sắc tố I gồm carotenoic, chlorophyll b, chlorophyll a- 660,chlorophyll a-670, chlorophyll a-678, chlorophyll a-683, chlorophyll a-690 tham giavào hoạt động hấp thụ năng lượng ánh sáng hệ I và truyền năng lượng đến trung tâmquang hợp I (chlorophyll- P700) Từ P700 thực hiện chuỗi vận chuyển e- quang hợp nhờ hệ quang hoá I để tạo ATP và NADPH2 Hệ vận chuyển điện tử b6,xytocrom F.

• Trung tâm phản ứng II có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng có bước sóngngắn hơn hệ ánh sáng I (λ < 700nm) Hệ sắc tố II gồm có xantophyll, chlorophyll b,chlorophyll a-680, chlorophyll a-660, chlorophylla-670 tiếp nhận ánh sáng hệ II rồitruyền năng lượng cho trung tâm phản ứng II (P680 hay P690) Từ trung tâm quanghợp II điện tử được truyền qua hệ quang hoá II là quinon, plastoquinon, xytocromb559 để sang tâm quang hợp I (P700) Đặc biệt tham gia vào hoạt động của trung tâmquang hợp II có H2O với sự quang phân ly nước sẽ cung cấp H+ và e- cho quá trìnhphotphoryl hoá và tổng hợp NADPH2

Mối quan hệ giữa 2 tâm quang hợp được thực hiện qua sơ đồ sau:

- Năng lượng điện tử không được truyền tiếp tục như trong phức hợp thu nhận ánhsáng, biến đổi theo con đường quang phosphoryl hóa vòng và không vòng

• Quang phosphoryl hóa không vòng: Là cơ chế thu nhận truyền năng lượng điện tử

từ HTQH II đến HTQH I, kèm theo sự biến đổi năng lượng điện tử thành năng lượnghóa học dưới dạng ATP, tạo NADPH giải phóng oxy

• Quang phosphoryl hóa vòng: là quá trình biến đổi năng lượng của lượng tử ánhsáng thành năng lượng hóa học, tích lũy trong liên kết cao năng ATP Quá trình diễn

ra trong chuỗi vận chuyển điện tử

- Năng lượng của lượng tử ánh sáng được truyền trong HTQH II, kích hoạt P680