TÌM HIỂU VỀ GELLAN GUM

Polysaccharides được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm như các chất tạo độ đặc hay tạo gel tinh bột, alginat, pectin, guar gum, chất làm bền nhũ tương, chấtđộn…Trong đó phải kể đến các ch

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC VÀ THỰC PHẨM

DANH MỤC HÌNH

Phụ gia giúp giữ cho thực phẩm được ngon trên đường đến nơi tiêu thụ Phụ giacũng làm cải thiện giá trị dinh dưỡng của một số thực phẩm và có thể làm chúng hấp dẫnhơn bằng cách cải thiện mùi vị, kết cấu, độ đồng nhất và màu sắc của thực vật Để dễdàng hơn trong việc lựa chọn chúng ta chia các chất phụ gia thành các nhóm như: nhómchất bảo quản, nhóm chất tạo màu, nhóm chất tạo vị, nhóm chất ổn định hệ nhũ tương,nhóm chất tạo gel và làm đặc…

Hiện nay, các chất phụ gia được dùng thường được chiết xuất từ thiên nhiên nhằmbảo vệ sức khỏe con người Trong đó, phải kể đến các chất phụ gia có nguồn gốc từpolysaccharides Polysaccharides được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm như các chất tạo

độ đặc hay tạo gel (tinh bột, alginat, pectin, guar gum), chất làm bền nhũ tương, chấtđộn…Trong đó phải kể đến các chất dạng gum, là những chất thuộc nhóm phụ gia tạo gel

và làm đặc Chúng có tác dụng cải tạo cấu trúc mà không làm thay đổi các tính chất cảmquan (mùi,vị,…) Ngoài ra còn có một số chất có tác dụng tạo gel, tạo bọt, làm bền hệ nhũtương,…Gellan Gum là một loại phụ gia dạng gum nên nó có những tính chất chung củanhững phụ gia dạng gum và những tính chất đặc trưng cũng như công dụng riêng Để tìmhiểu rõ hơn về điều này, chúng em tiến hành thực hiện bài tiểu luận này Bài báo cáo sẽcung cấp một phần nào kiến thức căn bản về gellan gum cũng như liều lượng và cách sửdụng loại phụ gia này

1 Tổng quan về Gellan Gum

1.1 Giới thiệu

1.1.1 Gum là gì?

Chất tạo đặc còn được gọi tắt là gum Gum là những hợp chất keo và nước(hydrocolloid) có bản chất là các polysaccharide, là chất tạo nên từ các monomet thườnggặp là galactos, glucuronic acid, uronic acid, arabinose, rhamnose và manose…[1]

Chất tạo đặc cho thực phẩm (Food thickeners) hay phụ gia tạo đặc là một hay mộtnhóm chất mà khi đưa vào thực phẩm (thường ở dạng lỏng) với một lượng rất nhỏ, chúng

có thể làm cho độ nhớt của những thực phẩm này tăng lên mà không làm thay đổi tínhchất đặc trưng vốn có của sản phẩm thực phẩm như màu, mùi, vị,… Ngoài ra, một số chấttạo đặc còn có tác dụng tạo gel, làm bền, làm ổn định và tạo cấu trúc cho các loại thựcphẩm (làm bền hệ nhũ tương hay ổn định trạng thái lơ lửng của hệ huyền phù trong nướcquả) [1]

Chất tạo đặc có hiệu quả rất lớn vì chỉ cần được đưa vào hỗn hợp với một lượng rấtnhỏ các chất tạo đặc này cũng có thể tạo nên một dung dịch có độ nhớt đáng kể Vì vậychúng thường được ứng dụng làm phụ gia tạo đặc cho các loại thực phẩm dạng đặc, sệtnhư nước ép quả, các loại bánh pudding ăn liền, mì ăn liền, nước sốt mayonnaise, nướcsốt salad, siro, sữa,…[1]

1.1.2 Gellan Gum (INS: 418, ADI: CQĐ)

Gellan gum là một polysaccharide được sản xuất bằng phương pháp lên men bởi vikhuẩn Sphigomonas elodea (trước đây được xác định là Pseudomonas elodea, nhưng sau

đó được phân loại lạ) [1]

Gellan gum là một polymer có trọng lượng phân tử cao khoảng 500000 Dalton, cócấu trúc mạch thẳng với sự lặp lại của các tetrasaccharide Sau đó gellan được tinh chếbằng cồn isopropylic, sấy và nghiền mịn thành dạng bột màu trắng Có thể tan trong nước,tạo dung dịch keo, không tan trong ethanol Hiện nay Gellan gum được sử dụng như làmột chất tạo đặc, tạo gel và ôn định cấu trúc [20]

 Sơ lược về lịch sử của gellan gum

Gellan gum là tên chung của polysaccharide ngoại bào được sản xuất bởi vi khuẩnPseudomonas elodea Kaneko và Kang đã phát hiện ra polymer này trong phòng thínghiệm của bộ phận Kelco của Merch và Co., California, USA năm 1978 [2]

Trước đây nó cũng được quy vào mã tên là S-60 hay P-60 Vi sinh vật sản xuấtgellan gum được phân lập từ mô thực vật Elodea Những nghiên cứu khác đã khám phá rarằng vi khuẩn này là một chủng mới của loài Pseudomonas và do đó được đặt tên làPseudomonas elodea.[2]

Năm 1994, người ta khám phá ra rằng vi khuẩn sản xuất ra gellan làSphingomonas paucimobilis và được phân loại trong phân lớp α-4 của Proteobacteria.[21]Các nhà khoa học đã thử tính độc một cách thành công và gellan gum được thông qua đểđưa vào sử dụng trong thực phẩm ở Nhật năm 1988.[2]

FDA của Mỹ đã thông qua và đưa gellan gum vào sử dụng trong phụ gia thựcphẩm năm 1992.[2]

Hình 1.1 Gellan gum

 Công thức cấu tạo

Đơn vị lặp lại của polysaccharide gellan bao gồm (tỉ lệ 2:1:1):

 Phân loại:

Dựa vào hàm lượng acyl, người ta phân loại Gellan gum thành :

 Native gellan gum ( hay high acyl gellan gum): Trong cấu trúc của high acyl gellan

có chứa 2 nhóm acyl : acetate và glycerate, 2 nhóm thế này nằm ở cùng một phân từglucose và trung bình sẽ có 1 glycerate mỗi đơn vị lặp lại và 1 đơn vị acetate mỗi 2 đơn vịlặp lại (Kuo et al., 1986) [1]

Hình 1.2 Cấu trúc high acyl gellan gum (native gellan gum)

 Low gellan gum: Các monosaccharide tạo nên các đơn vị low acyl gellan gum là glucose,glucoronic acid và rhamnose với tỉ lệ 2:1:1.[21] Trong khi cấu trúc của high acly gellan thì

có thêm 2 nhóm acetyl thì trong low acyl gellan gum thì không có nhóm acyl nào

Hình 1.3.Cấu trúc của Low Acyl gellan gum

Bảng 1.1: Tính chất vật lý của Low Acyl Gellan Gum [21]

Hàm lượng rất nhỏ, gel có nồng độ 0.05

– 0.25% Ảnh hưởng ít đến độ cứng của gel sau khi tiệt trùng

Có độ bền nhiệt và acid tốt dạng bột của nó có thể chịu được môi

trường acid lâuIon Na và K có thể tạo gel có tình thuận

nghịch về nhiệt, trong khi ion Mg và Ca

thì ngược lại

Có thể tạo thành dàng thuận nghịch về nhiệt hoặc không

Có thể kết hợp tốt với những chất tạo

Kết hợp tốt với những nguyên liệu khác Có thể sử dụng rộng rãi trong nhiều côngthức khác nhau

Có thể tạo gel ở pH từ 3.5 – 7.0 Có thể tạo gel có chất lượng tốt và chắc trong các công thức thực phẩm có độ pH

từ acid đến trung tínhTránh hiện tượng bị cứng Chống lại hiện tượng cứng và tăng độ nhớt của tinh bột

Khó bị enzyme phân hủy Linh hoạt trong các quy trình sản xuất vàphù hợp với những môi trường vi sinh và

thực vật

Bảng 1.2: So sánh tính chất vật lý của High acyl gellan và Low acyl gellan [3]

High acyl gellan Low acyl gellan Trọng lượng phân tử 1-2.106 Daltons 2-3.106 Daltons

Độ hòa tan Nước nóng >70°C Nước nóng >80ºC hoặc nướcc

HA Gellan Gum

NghiềnNghiền

Na2CO3Môi trường lên men

LA Gellan Gum

Tiệt trùng

Sự có mặt hay không của nhóm acyl trong gellan gum ảnh hưởng sâu sắc đến tínhnăng của chúng Vì vậy, khi bàn luận về tính hydrat hóa hay tạo gel, quan trọng nhất vẫn

là phân biệt giữa Low và High acyl gellan gum.[1]

1.2 Công nghệ sản xuất gellan gum

1.2.1 Quy trình sản xuất [6]

Hình 1.4 Quy trình sản xuất gellan gum

1.2.2 Giải thích quy trình

Chuẩn bị môi trường lên men:

Thành phần môi trường lên men gồm có:[7]

- Dung dịch muối: 1mol/l

Dung dịch nuôi chứa:

- Na2C4H4O6 (di natri tartarate): 0.21 g/100 ml

Sau khi hòa tan các thành phần môi trường được tiệt trùng để tiêu diệt hoàn toàncác vi sinh vật có thể tồn tại trong nước hoặc các chất tan có thể ảnh hưởng đến quá trìnhlên men

Nhân giống vi sinh vật

 Mục đích:

Chuẩn bị giống cho quá trình lên men Quá trình nhân giống giúp gia tăng số lượng tế bào(tăng sinh khối), tích lũy đủ số lượng tế bào cần thiết để cấy giống vào môi trường lênmen

 Giống vi sinh vật:

Sphingomonas paucimobilis ATCC 31461 được chọn sử dụng để tổng hợp Gellan.[8] Đây là nhóm vi khuẩn Gram âm, hình que, chịu nhiệt, hiếu khí, lớp vỏ ngoài có màuvàng, kích thước khoảng 0.8 µm×1.5 – 40 µm Một số Sphingomonas có thể chuyển động

và không có khả năng lên men

- Chỉ tiêu chọn giống vi sinh vật:

+ Khả năng sinh độc tố: không có

+ Khả sinh tổng hợp Gellan: càng mạnh càng tốt

+ Khả năng thích nghi của giống phải cao, tốc độ sinh trưởng mạnh

+ Điều kiện nuôi cấy: đơn giản, là môi trường đặc trưng cho sự sinh trưởng của vi khuẩn

và tổng hợp Gellan Môi trường dễ kiếm, giá thành không quá cao

+ Sự ổn định của giống theo thời gian: càng lâu càng tốt

 Phương pháp thực hiện:

10ml chứa môi trường glucose được tiệt trùng và canh trường vi sinh vật được ủ ở30ºC trong 24h Sau 24h, canh trường sẽ được chuyển vào 90ml môi trường đã tiệt trùngtương tự và tiếp tục ủ ở 30ºC trong 24h 100ml giống này sẽ được chuyển tiếp đến 900mlmôi trường và được ủ tiếp Các cấp nhân giống được thực hiện cho đến khi có đủ sốlượng giống cần thiết cho quá trình lên men

Lên men

Sau khi đã chuẩn bị môi trường lên men và vi sinh vật lên men, quá trình lên menđược tiến hành Đầu tiên, môi trường được nạp vô trùng vào trong thiết bị Cho giống cấy

vào thiết bị với tỉ lệ 10% so với thể tích thiết bị lên men Lên men trong thiết bị lên men ở

300C, pH 7.0 (điều khiển pH bằng cách sử dụng KOH 2M hoặc HCl 2M) Khuấy trộntrong 500(vòng/phút)

Thu gellan gum

Sau khi lên men, dịch lên men sẽ được thanh trùng để tiêu diệt các vi sinh vật cònsống sót Đê thu HA Gellan Gum hỗn hợp sau lên men sẽ được kết tủa bằng isopropanolsau đó được đem đi li tâm sấy khô rồi nghiền mịn

Còn đối với LA Gellan Gum trước khi kết tủa với isopropanol các nhóm acyl có trongcấu trúc của HA gellan gum được khử đi bằng cách bổ sung vào dịch lên men các muối

có tính kiềm như Na2CO3 [1]

2 Tính năng công nghệ

Sự có mặt của nhóm acyl trên chuỗi polysaccharide của gellan gum có ảnh hưởng sâusắc đến tính chất chức năng của nó Vì thế, khi bàn về tính hydrate hóa và tính chất gel,

nó là thành phần quan trọng để phân biệt low-acyl gellan gum và high-acyl gellan gum.[1]

2.1 Quá trình hydrate hóa của low-acyl gellan gum (LA gellan gum)

Nhiệt độ hydrate hóa của LA gellan gum rất nhạy với môi trường ion và đặc biệt làcác cation hóa trị 2 (hình 1).[1]

Hình 2.5 Ảnh hưởng của cation đến nhiệt độ hydrate hóa của LA gellan gum ( Nguồn:

Sao chép dưới sự cho phép của C.P Kelco)Chính bản thân LA gellan gum chứa các cation hóa trị 2 nên nó chỉ hydrate hóamột phần trong nước khử ion ở điều kiện lạnh Quá trình hydrate hóa tiếp tục diễn ra sẽ bị

ức chế bởi các ion hóa trị 2 có trong nguồn nước cung cấp vào Tác động này khiến cho

LA gellan gum dễ phân tán trong nước lạnh với cấu trúc không bị vón cục Vì vậy, gum

có thể hydrate hóa bằng cách thêm các chất khử ion hoặc chelator như citrate, phosphatekiểm soát các ion hóa trị 2 hoặc có thể gia nhiệt hoặc có thể vừa thêm tác nhân khử ionvừa gia nhiệt Chính vì vậy, nhiệt độ hydrate hóa có thể được kiểm soát được Khôngthêm tác nhân khử ion, LA gellan gum cần nhiệt độ khoảng trên 75oC (167oF) để quá trìnhhydrate hóa diễn ra hoàn toàn trong nước mềm Tuy nhiên, nó có thể bị hydrate hóa trongnước lạnh mềm khi bổ sung thêm 0.12% sodium citrate thể biện ở bảng 2.1.[1]

Hình 2.6 Ảnh hưởng

của Natri Citrate đến nhiệt độ hydrate hóa của

LA gellan gum (Nguồn:

Sao chép dưới sự chophép của C.P Kelco)

Bảng 2.3 Điều chỉnh quá trình hydrate hóa của LA gellan gum

Nguồn: Sao chép dưới sự cho phép của C.P Kelco

pH dung dịch cũng ảnh hưởng đến khả năng hydrate hóa của LA gellan gum Tạigiá trị pH trên pKa của gellan gum, pH khoảng 3.6 gum rất dễ hòa tan Tuy nhiên, nếu pHthấp hơn 3.6 gum sẽ tồn tại tính acid và sẽ không hòa tan hoàn toàn Vì thế, khi sản xuấtcác sản phẩm có tình acid nên thêm acid vào sau khi quá trình hydrate hóa đã xảy ra.[1]

Đường hòa tan cũng ảnh hưởng đến quá trình hydrate hóa của gellan gum Nồng

độ đường hòa tan 25% hoặc gần như thế, quá trình hydrate hóa diễn ra bình thường Khinồng dộ đường cao hơn điểm này thì cần nhiều nhiệt hơn cho quá trình hòa tan hoàn toàngellan gum Khi sử dụng gellan gum, luôn luôn tốt hơn khi giữ đường hòa tan ở mức thấpcho đến sau khi gellan gum xảy ra hydrate hóa.[1]

Hình 2.7 Ảnh hưởng của pH

đến nhiệt độ hydrate hóa LA

gellan gum (Nguồn: Sao chép

dưới sự cho phép của C.P Kelco)

Hình 2.8 Ảnh hưởng của chất khô đường hòa tan đến nhiệt độ hydrate hóa của LA

gellan gum (Nguồn: Sao chép dưới sự cho phép của C.P.Kelco)

2.2 Quá trình hydrate hóa ở high-acyl gellan gum (HA gellan gum)

HA gellan gum trương nở tốt trong nước đã khử ion, tạo nên một khối vững chắcgiống như khối bột nhão phình lên Một lượng thấp ion sodium ức chế sự trương nở này

vì thế khi thêm muối sodium sẽ giúp cải thiện đáng kể tính phân tán của gum và giảmthiểu độ nhớt khi chế biến Nhiệt rất cần thiết trong quá trình hydrate hóa hoàn toàn HAgellan gum Trong khi ion ảnh hưởng đến độ phân tán và tính trương nở của HA gellangum thì quá trình hydrate hóa hoàn toàn khôngg nhạy với ion HA gellan gum hydratehóa ở nhiệt độ từ 70 – 800C (158 - 1760F), thậm chí ở nồng độ ion khá cao Ngược với LAgellan gum, calcium ít tác động đến HA gellan gum Bởi vì calcium rất ít ảnh hưởng đếnnhiệt độ hydrate hóa, các chất khử ion không có vai trò trong việc hỗ trợ quá trình hydratehóa.[1]

Hình 2.9 Ảnh hưởng của ion canxi đến nhiệt độ hydrate hóa của HA gellan gum (Nguồn:

Sao chép dưới sự cho phép của C.P.Kelco)

Cả hai dạng LA và HA gellan gum đều có thể phân tán trực tiếp trong sữa và sẽhydrate hóa trong quá trình gia nhiệt bình thường Như đã trình bày, chất rắn hòa tan và

pH thấp sẽ ức chế quá trình hydrate hóa gum ở cả 2 dạng cấu trúc của gellan gum Trongmôi trường acid thì độ pH lớn hơn 4 sẽ hydrate hóa tốt Trong các hệ thống chất rắn cao,nên thực hiện các phương pháp để đảm bảo rằng quá trình hydrate hóa gellan gum Mộtsản phẩm tạo mạng lưới tốt là cần thiết để hydrate hóa dễ dàng với sự có mặt của các loạiđường Gellan gum nhạy với sự gia tăng của ion hóa trị một trong hệ thống chất rắn cao,

vì vậy, hàm lượng chất khử ion cao sẽ ức chế hơn là acid trong quá trình hydrate hóagum Quá trình ức chế này có thể tránh được bằng cách giữ hàm lượng sodium citratethấp hơn 0.2% Tổng thể quá trình hydrate hóa gellan gum được thể hiện ở hình 2.6.Trong khi thiết kế cấu trúc LA của gum, điều kiện này cũng sẽ cho phép hydrate hóa hoàntoàn cấu trúc HA Như một nguyên tắc, gellan gum được thêm vào dung dịch với hàmlượng canxi thấp, pH trung tính và hàm lượng đường hòa tan không quá 25% Cùng vớiquá trình hydrate hóa, muối, acid và đường bổ sung có thể thêm vào để tạo thành thựcphẩm cuối cùng.[1]

Hình 2.10 Tổng thể quy trình hydrate hóa của gellan gum (Nguồn: Sao chép dưới sự

cho phép của C.P.Kelco)

2.3 Cơ chế tạo gel của gellan gum [18]

Nhiều nghiên cứu cho rằng sự hình thành gel gellan xảy ra thông qua sự hình thànhcấu trúc xoắn kép, do liên kết liên kết ion gây ra.[9] Cơ chế cụ thể là khi đun nóng và làmlạnh dưới sự vắng mặt của các cation thúc đẩy tạo gel thuận lợi cho sự hình thành các sợixoắn kép do liên kết giữa các phân tử nằm gần nhau [10] Khi có mặt các ion thúc đẩy tạogel, các sợi nêu trên liên kết với nhau, kết quả là hình thành gel Ion hóa trị hai (ion mạnh)

là ảnh hưởng đến sản phẩm gel, và cần 3-7% ion hóa trị một mới đạt mục đích trên Ngăncản sự phát tán các ion hóa trị hai trong dung dịch gellan, như đã tiến hành trong quá trìnhtạo gel của aligenate, có thể làm cho gel trở nên đồng nhất hơn, nhưng hạn chế là các gel

sẽ không bền và dễ tách ra.[9] Mặc khác, gel gellan chặt chẽ hơn được tạo ra bằng cáchlàm lạnh dung dịch gellan nóng (~ 900C) Để đạt được cấu trúc gel tối ưu, các cation hóatrị hai được bổ sung vào dung dịch gellan trước khi làm lạnh Nhiệt độ tạo gel phụ thuộcvào nồng độ của các cation, với ảnh hưởng là nhiệt độ tạo gel có thể tăng từ 350C lên

550C khi thêm các cation.[11] Các sợi micro trong gel dài và rộng hơn nhiều so với dịchkeo.[12] Ion kali làm tăng số lượng các vùng liên kết, làm cho gel bền nhiệt hơn.[13] Các khungã ba được hình thành bằng sự tập hợp các xoắn đôi với năng lượng liên kết và/hoặcnhiệt độ khác nhau của sự di chuyển tự do của các liên kết song song gồm các chuỗi đơn.[13] Khả năng tạo gel của gellan bị giảm khi có mặt ure Module năng lượng của Youngcủa gllan gum giảm khi tăng nồng độ của sucrose hay glucose trong sự có mặt hay vắngmặt của KCl hay CaCl2 Tuy nhiên trong sự có mặt của ure và có dư lượng muối, gel củagellan gum vẫn được hình thành.[14]

Hình 2.11 Cơ chế tạo gel của gellan gum (Nguồn: Gunning and Morris, 1990)

2.4 Tính chất gel của LA gellan gum

Gellan gum có thể được hình thành qua một loạt các điều kiện Hình 2.8 mô tả cáctính chất của gel có thể được dự kiến trong mỗi góc phần tư.[1]

Hình 2.12.Mạng lưới cấu trúc của Low Acyl Gellan Gum (Nguồn: Sao chép dưới sự cho

phép của C.P Kelco)

Góc phần tư thứ nhất tương ứng với giá trị pH trung tính với hàm lượng đườnghoàn tan thấp Phần lớn các tài liệu được công bố về gellan gum được tập trung trên gel ởgóc phần tư này Gellan lan gum tạo gel hiệu quả trong góc phần tư này, tạo geldemoldable ở nồng độ gum thấp hơn 0.05%.[1]

Chỉ với một lượng nhỏ đường hòa tan, gellan gum có độ nhớt thấp trong môitrường nước Với tính linh động cao của phân tử, quá trỉnh tạo gel diễn ra dễ dàng, nhanhchóng khi làm mát Nhiệt độ chính xác của gel phụ thuộc vào các cation có mặt ở mộtmức độ nhất định trong điều kiện mát Nhiệt độ trung bình để xảy ra quá trình tạo gel là

30 – 450C (86 – 1130F) [1]

Hình 2.13 Canxi ảnh hưởng nhiệt độ tạo gel và nhiệt độ nóng chảy (Nguồn: Sao chép

dưới sự cho phép của C.P Kelco)

Quá trình tạo gel xảy ra ngay lập tức tại nhiệt độ tạo gel, vì vậy tính chất gel biếnđổi rất ít trong thời gian lưu trữ Hấp thụ canxi tốt vì các tính chất gel ổn định trong mộtphạm vi nồng độ canxi từ 5-15 mM, thể hiện đường cong pH trung tính trong hình 2.10.Chỉ khi sử dụng hàm lượng ion tạo gel thấp, các gel này mới bị chảy trở lại.[1]

Ở góc phần tư thứ 2 trong hình 8.9 gel được tạo thành ở điều kiện pH trung tính vàhàm lượng đường cao Gel được chuẩn bị để tạo ra các sản phẩm có hàm lượng chất khôcao bao gồm mứt, icings và các sản phẩm tương tự Hình 2.11 cho thấy độ cứng của gelthay đổi theo hàm lượng canxi So với gel có hàm lượng chất khô thấp trong góc phần tưthứ nhất, gel ở đây mềm hơn và ít nhạy với canxi hơn Bởi vì gellan gum ít ảnhhưởng đến sự tạo gel tại góc phần tư thứ 2, hàm lượng gum cao hơn, thường 0,3%trở lên.[1]