Cây thân thảo, củ tròn bẹp, to 5 – 8cm. Lá đứng, cuống dài 20cm, lá phụ dài 3 – 12cm, tam diệp dài 2 – 3cm, có cánh dọc theo song. Phát hoa đứng trên cọng cao 11cm, mo dài đến 18cm, rộng 3cm, mặt trong đỏ đậm, buồng dài gần bằng mo, phần cái 3 – 4cm, phần đực dài 5cm.
Hình 1.4: Hình ảnh cây nưa thái (Amorphophallus panomemsis, họ Ráy - Araceae) 5. Amorphophallus scaber (thuộc họ Ráy – Araceae)
Củ tròn hay bẹp tròn, rộng đến 20cm, cao 15cm, nặng 3,5kg, có vảy vòng do rễ. Lá dài 12cm, cuống cao đến 1,8m, rộng 6cm, màu nâu có đốm trắng, thứ diệp 3 nhiều lần xẻ, dài 1,8m, thứ diệp chót bầu dục, tròn dài đến thon, bất đối xứng dài 6 – 22cm. Phát hoa trên
cọng ngắn, mo dài 16 – 30cm, chót nhọn, buồng dài 9 – 25cm, phần cái cao 2 – 8cm, noãn hai buồng: phần đực cao 3,5cm, tiểu nhụy dài 3 – 4cm.
Hình 1.5: Hình ảnh cây nưa trạm trổ (Amorphophallus scaber, họ Ráy - Araceae)
3.2. Tính chất đặc trưng của glucomannan3.2.1. Tính chất vật lý 3.2.1. Tính chất vật lý
Ở điều kiện thường, tùy thuộc vào phương pháp tách chiết, glucomannan tồn tại ở dạng bột từ trắng đến vàng.
a/ Tính tan: Tính tan là một trong những tính chất quan trọng của vật liệu polyme nói chung
và polysaccarit nói riêng bởi vì nó ảnh hưởng đến phạm vi và khả năng ứng dụng của loại vật liệu này. Mặc dù được phát hiện và nghiên cứu từ rất sớm, tuy nhiên cho đến nay việc nghiên cứu về khả năng hòa tan của glucomannan chưa được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu.
Tùy thuộc vào cấu trúc và nguồn gốc, độ tan của glucomannan là khác nhau. Yếu tố có ảnh hưởng quyết định tới tính tan của glucomannan là độ axetyl hóa. Đối với loại glucomannan có độ axetyl hóa thấp, liên kết hydro trong phân tử là tương đối mạnh nên
glucomannan không tan trong nước, trong khi đó đối với loại glucomannan có độ axetyl hóa cao (khoảng 19 mắc xích có một mắc xích được axetyl hóa), sự hình thành liên kết kydro bị giảm đáng kể, do đó glucomannan có khả năng tan trong nước tạo thành dung dịch có độ nhớt cao. Trong quá trình bảo quản, độ nhớt của dung dịch glucomannan có xu hướng giảm dần do tác động thủy phân của vi khuẩn và enzim β-mantaza.
b/ Khả năng tạo gel: Một trong những tính chất quan trọng của glucomannan là khả năng
hình thành gel. Tính chất này ảnh hưởng đáng kể vào khả năng ứng dụng của loại vật liệu này trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm và lĩnh vực y dược. Tùy thuộc vào cấu trúc phân tử và nguồn gốc glucomannan mà khả năng hình thành gel là khác nhau. Đối với loại glucomannan có độ axetyl hóa thấp, gel hình thành khi cho glucomannan phân tán trong nước nóng. Trong khi đó đối với loại glucoomannan có độ axetyl hóa cao, gel glucomannan hình thành khi đun nóng glucomannan trong môi trường kiềm (như NaOH, Ca(OH)2, Na2CO3...) hoặc trong dung dịch muối vô cơ trung hòa. Sự có mặt của nhóm axetyl làm tăng tính tan do làm giảm liên kết hydro giữa các phân tử glucomannan. Độ axetyl hóa càng cao, khả năng hình thành gel càng giảm. Trong môi trường kiềm, quá trình hình thành gel xảy ra do sự đề axetyl hóa nhóm axetyl trên phân tử glucomannan. Sự thay đổi cấu trúc này tạo điều kiện cho việc thiết lập các liên kết hydro và các tương tác kỵ nước giữa các mạch phân tử glucomannan. Kết quả của quá trình này là hình thành cấu trúc mạng lưới của glucomannan hay cấu trúc gel.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hình thành gel của glucomannan và như vậy sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc của gel thu được. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chất tạo gel của glucomannan gồm độ axetyl hóa, khối lượng phân tử của glucomannan, nhiệt độ cũng như nồng độ của glucomannan và pH của môi trường được trình bày ở bảng 1.3.
Bảng 1.3: Yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế hình thành gel của Glucomannan
Yếu tố ảnh hưởng Cơ chế hình thành gel
Tăng khối lượng phân tử glucomannan Tăng số lượng điểm cắt và chiều dài của mạch liên kết
Tăng nồng độ glucomannan Tăng số lượng phân tử glucomannan và tăng khả năng tiếp xúc giữa các phân tử Tăng nhiệt độ Tăng khả năng hình thành liên kết hydro Tăng nồng độ kiềm Tăng quá trình đề axetyl hóa và khả năng
hình thành liên kết hydro
Như vậy, các yếu tố tác động tạo điều kiện cho sự hình thành liên kết hydro liên phân tử và nội phân tử trong glucomannan sẽ tạo thuận lợi cho sự hình thành và ổn định gel của glucomannan.
3.2.2. Tính chất hóa học
Do có đặc điểm cấu tạo chung của một polysaccarit nên glucomannan có thề tham gia vào nhiều phản ứng hóa học khác nhau để tạo thành các dẫn xuất. Các phản ứng xảy ra chủ yếu vào nhóm hydroxyl (-OH), nhóm axetyl (CH3CO-) và liên kết β – 1,4 – glycosit.
a/ Phản ứng thủy phân
Dưới tác dụng của các tác nhân cắt mạch là axit hoặc enzim, glucomannan bị đề polyme hóa với sự cắt đứt các liên kết β – 1,4 – glycosit trong phân tử tạo ra các oligoglucomannan và cuối cùng là D – mannose và D – glucose.
b/ Phản ứng đề axetyl hóa
Trong mội trường axit hoặc kiềm, nhóm axetyl của glucomannan có thể tham gia phản ứng thủy phân tạo thành glucomannan đề axetyl hóa (dạng gel hoặc không tan) và axit axetic hoặc muối axetat.
c/ Phản ứng este hóa
Các nhóm hydroxyl (-OH) của phân tử glucomannan có khả năng phản ứng với các anhidrit axit hoặc clorua axit tạo ra các este của glucomannan.
d/ Phản ứng ete hóa
Nhóm hydroxyl (-OH) của phân tử glucomannan có thể tham gia phản ứng với các tác nhân như halogen ankyl axit (ví dụ ClCH2COOH), dimetylsunfat, benzyl clorua, để tạo thành các sản phẩm dạng ete của glucomannan.
e/ Phản ứng tạo liên kết ngang (cross-linking)
Về mặt lập thể, do nhóm hydroxyl (-OH) liên kết với nguyên tử cacbon C2 và C3 cùa D – mannose ở vị trí cis-diol nên glucomannan có khả năng tham gia phản ứng tạo lên kết ngang với glutarandehit hoặc tác nhân borat để hình thành sản phẩm dạng gel.
f/ Phản ứng đồng trùng hợp ghép
Konjac Glucomannan có khả năng tham gia phản ứng đồng trùng hợp ghép với một số monome khác nhau như: metylmetacrylat, axit acrylic, acrylamit,...dưới tác dụng của chất khơi màu gốc như hydropeoxit, axit malonic, KMnO4/axit oxalic... Phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc.
Ngoài ra, Konjac Glucomannan còn có khả năng tạo phức với nhiều kim loại khác nhau như Cu2+, Ni2+, Mn2+, Co2+...vv.
3.2.3. Độc tính của glucomannan
Đã từ lâu, glucomannan đã được sử dụng như một loại thực phẩm truyền thống ở Trung Quốc và Nhật Bản dành cho những người ăn kiêng vì đây là loại thức ăn ít năng lượng (low energy), do vậy có thể coi đây là loại thực phẩm tốt cho sức khỏe con người. Mặc dù vậy, việc các nghiên cứu về độc tính của glucomannan là cần thiết.
Tác giả Peng và các cộng sự đã nghiên cứu độc tính của glucomannan trên chuột thí nghiệm khi cho chuột ăn thức ăn có chứa glucomannan. Kết quả cho thấy không có dấu hiệu chuột bị ngộ độc khi sử dụng lượng glucomannan 500mg/1kg trọng lượng cơ thể/ngày. Tác giả Zhang và các cộng sự cũng đã thực hiện một nghiên cứu khá chi tiết về độc tính của glucomannan thông qua các đánh giá độc tính qua đường uống (oral toxicity); tác động lên
da; độc tính bán cấp qua đường ruột; sự lão hóa tế bào (cell-ageing); độc tính phôi và độc tính gen (embryocitoxicity and genotoxicity). Kết quả cho thấy, glucomannan không gây độc với các đối tượng nghiên cứu mà chỉ gây một số lượng nhỏ phản ứng phụ như tiêu chảy (diarrhoea), đau bụng, đầy hơi khi sử dụng liều lượng cao hơn 5g/ngày.
Năm 1996, trong báo cáo của ủy ban Châu Âu về các loại chất dùng trong lĩnh vực thực phẩm cho con người cho thấy các nghiên cứu về độc tính của glucomannan không đủ bằng chứng để thiết lập một giới hạn liều lượng glucomannan được phép đưa vào mỗi ngày. Ủy ban Châu Âu cũng đã đưa ra kết luận về việc cho phép sử dụng glucomannan làm phụ gia trong thực phẩm với hàm lượng lên tới 1% tương đương với lượng đưa vào cơ thể là 3g/ngày.
3.2.4. Sự phân hủy glucomannan trong cơ thể
Từ xưa, Konjac Glucomannan được xem như là không bị phân hủy trong cơ thể người. Tuy nhiên, theo một số nghiên cứu gần đây cho thấy, đã phát hiện một số enzim trong cơ thể có khả năng phân hủy glucomannan như Aerobacter mannanolyticus, Clostridium butyricum và Clostridium Beijerinckii. Các vi khuẩn này sản sinh ra endo-β-mannanaza là loại enzim có khả năng phân hủy liên kết β-1,4-glycosit tạo thành sản phẩm trung gian là các disaccarit β- 1,4-D-manobiose, cellobiose và 4-O-β-D-glucopyranosyl-D-glucopyranosyl-D- mannopyranose. Cuối cùng, các sản phẩm trung gian này phân hủy thành D-glucose và D- mannose dưới tác dụng của các vi khuẩn có trong ruột.
Bên cạnh đó, các monosaccarit này còn đóng vai trò như nguồn cung cấp cacbon cho sự phát triển của vi khuẩn đường ruột. Các vi khuẩn này phân hủy các monosaccarit thành các axit béo có mạch cacbon ngắn hơn như axit axetic, axit propionic và axit butyric. Các sản phẩm lên men được hấp thu và chuyển hóa hiệu quả qua thành ruột. Trên thực tế, quá trình hấp thu các axit béo có khối lượng phân tử thấp xảy ra rất nhanh. Do đó, các tác giả đưa ra kết luận rằng glucoman là một polyme có khả năng phân hủy sinh học.
Ở một số nước Châu Á và Mỹ cấm sử dụng keo Konjac này, nguyên nhân là nó có chứa chất gây ngứa. Như chúng ta đã biết thì bột Konjac được chiết xuất từ một loài cây thuộc họ Ráy, các loài cây thuộc họ Ráy thường gây ngứa. Chỉ cần chúng ta cắt gọt thì chất ngứa đã tiết ra, vì thế khi nấu người ta thường phải ngâm với vôi để giảm tính ngứa. Các nhà khoa học chưa tìm ra chất gây ngứa là gì và cũng chứa có bằng chứng nào chứng minh rằng khi tinh chế thành dạng bột thì keo Konjac không còn ngứa nữa. Do đó, vì sự an toàn của mọi người nên nó đã bị cấm.
Tuy nhiên, công ty TNHH Long Hải đang nghiên cứu kết hợp bột Konjac này với carragenan trong sản phẩm rau câu, mong rằng nghiên cứu này thành công mang lại cho chúng ta những sản phẩm an toàn và có chất lượng cao.
3.3. Phương pháp tách và tinh chế glucomannan từ cây Amorphophallus konjac3.3.1. Phương pháp tách Konjac Glucomannan 3.3.1. Phương pháp tách Konjac Glucomannan
Trong công nghiệp, phương pháp sản xuất bột konjac glucomannan từ cây
Amorphophallus konjac theo phương pháp truyền thống được thực hiện theo hai phương
pháp: phương pháp khô và phương pháp ướt. Theo phương pháp khô, chế tạo bột konjac glucomannan được thực hiện theo sơ đồ 3.3.
Nhóm: 07 Page 34
Nghiền, sàng lọc Thân (củ) A.Konjac
Củ A.Konjac sạch
A.Konjac chip
A.Konjac chip khô
Tách đất cát, rễ
Cắt nhỏ
Sơ đồ 3.3: Quy trình chế tạo bột KG theo phương pháp khô trong công nghiệp
Theo phương pháp trên, củ A.Konjac sau khi thu hoạch được rửa sạch để loại bỏ đất cát, cắt bỏ rể. Sau đó tiến hành cắt nhỏ để tạo ra những lát mỏng thuận tiện cho quá trình sấy khô (phơi dưới ánh nắng hoặc sấy khô sử dụng khí nóng). A.Konjac dạng khô được tiến hành nghiền mịn sau đó tiến hành phần loại bột sử dụng phương pháp rây để thu được bột konjac glucomannan. Phương pháp này có một số nhược điểm như hàm lượng lưu huỳnh trong sản phẩm cao (lưu huỳnh tạo ra do trong quá trình sấy phải sử dụng khí SO2 để ngăn các quá trình oxi hóa gây ra màu cho sản phẩm); độ nhớt của konjac glucomannan giảm. Hiện nay, trong công nghiệp sản xuất glucomannan chủ yếu áp dụng phương pháp này.
Theo phương pháp ướt, việc chế tạo bột kojac glucomannan được thực hiện theo sơ đồ 3.4.
Nhóm: 07 Page 35
Củ Amorphophallus Konjac Phân loại, rửa sạch
Nghiền sơ bộ Nghiền tinh Ly tâm Sấy khô Bột Konjac Glucomannan Nghiền
Rây phân loại hạt Konjac glucomannan sạch
Theo phương pháp trên, củ A.Konjac sau thu hoạch được phân loại và rửa sạch và tiến hành nghiền nhỏ. Do konjac glucomannan có khả năng tạo gel hoặc tan trong nước tạo dung dịch có độ nhớt cao nên quá trình nghiền được thực hiện trong môi trường có mặt chất ức chế tạo gel là etanol 90% hoặc natri borat 3‰. Sau đó, tiếp tục chuyển sang quá trình nghiền mịn. Hỗn hợp sau đó được ly tâm để tách konjac glucomannan, sấy khô thu được bột konjac glucomannan. Sau khi ly tâm, phần thố tiếp tục được chuyển về công đoạn nghiền và được thực hiện liên tục trong quá trình sản xuất.
Dung môi etanol cũng được thu hồi trong quá trình sấy sản phẩm và được tái sử dụng. Phương pháp này có một số ưu nhược điểm như: khi sử dụng etanol, bột konjac thu được có chất lượng tốt có khả năng ứng dụng trong lĩnh vực thực phẩm và dược phẩm, tuy nhiên chi phí sản xuất tương đối cao. Trong khi đó, khi sử dụng tác nhân natri borat, chí phí sản xuất giảm đáng kể nhưng khả năng ứng dụng của sản phẩm bị hạn chế đặc biệt là các ứng dụng trong lĩnh vực thực phẩm.
Theo phương pháp này, bột konjac glucomannan thu được có chất lượng tốt hơn cả về hàm lượng và tinh chất cơ lý. So sánh về tính hiệu quả của các phương pháp trên được trình bày ở bảng 3.4.
Bảng 3.4: Một số đặc trưng của konjac glucomannan sản xuất theo phương pháp truyền thống và phương pháp cải tiến
Tiêu chuẩn Phương pháp truyền thống Phương pháp khô – ướt Phương pháp khô Phương pháp ướt Etanol Borat Màu sắc Nâu Trắng Vàng Trắng
Mùi Tanh, giống
sunfua Etanol Tanh Etanol
Độ nhớt (mPa.s) 8000 22000 18000 28000 Hàm lượng glucomannan (%) 60 75 70 78 Hàm lượng lưu huỳnh (g/kg) 2,2 0 4÷ 0 4÷ 0 4÷ Hàm lượng nguyên tố Bo (g/kg) 0 0 1 0 Độ ẩm (%) 13 11 11 10 Hàm lượng tro (%) 6 4,5 5 3 Hàm lượng cát (%) 0,08 0,04 0,04 0,04 Kích thước hạt ≤ 0,125mm (%) 90 90 90 90
Chi phí sản xuất Trung bình Rất cao Trung bình Thấp
3.3.2. Tinh chế glucomannan
Mục đích của quá trình tinh chế glucomannan là nhằm thu được glucomannan tinh khiết dùng trong phân tích. Trong thành phần của bột konjac glucomannan có chưa glucomannan, tinh bột, đường tan, muối khoáng, protein...
Theo Orawan Tatirat và các cộng sự, quá trình tinh chế glucomannan được thực hiện như sau: cho konjac glucomannan (3g) vào 100ml dung dịch muối nhôm sunfat (0,3g/100ml), khuấy để glucomannan tan hoàn toàn (thời gian khuấy 15 – 30 phút). Thêm 200ml nước vào hỗn hợp trên, khuấy đều sau đó tiến hành ly tâm (tốc độ 15000 vòng/phút, thời gian 15 phút). Tách lấy phần nước lọc, thêm dung dịch etanol 95% vào dung dịch nước lọc ở trên (tỷ lệ thể tích nước lọc/etanol là 1/1) để kết tủa glucomannan. Quá trình trên được lập lại từ 3 đến 5 lần, cuối cùng kết tủa được sấy khô ở 45oC, sau đó nghiền thu được glucomannan. Theo phương pháp này, glucomannan thu được tương đối sạch, tính chất cơ lý hóa của glucomannan được duy trì.
Theo Shiroh Ohashi và các cộng sự, quá trình tách glucomannan từ bột konjac glucomannan (chứa glucomannan, tinh bột, đường tan, protein,...) được thực hiện như sau: cho bột konjac glucomannan vào nước, khuấy đều để thu được dung dịch dạng keo, sao đó cho dung dịch này vào dung dịch muối vô cơ như nhôm sunfat, dicanxi phophat, canxi photphat, magie photphatm để kết tủa các thành phần không tan. Lọc bỏ kết tủa này, phần nước lọc thu được chứa glucomannan được cho vào dung dịch ancol C1-C4 (thường sử dụng propan-2-ol) để kết tủa glucomannan. Tách kết tủa, sấy khô hoặc làm khô trên thiết bị đông khô thu được glucomannan.
Qua đây, chúng ta có thể thấy được rằng keo Konjac mang lại rất nhiều lợi ích nhưng ở một số nước Châu Á và Mỹ lại cấm sử dụng. Theo như nhóm tìm hiểu được là do keo Konjac chiết xuất từ cây khoai nưa, thuộc họ Ráy. Như chúng ta đã biết thì cây thuộc họ Ráy rất ngứa. Khi gọt lớp vỏ ngoài của nó thì chất ngứa tiết ra làm cho chúng ta cảm thấy ngứa ngáy khó chịu nhưng sau khi tinh chế thành dạng bột thì chưa có bằng chứng khoa học nào chứng minh rằng nó không còn gây ngứa. Đồng thời các nhà khoa học chưa tìm ra được chất gây ngứa đó,vì sự an toàn nên một số nước ở Châu Á và Mỹ cấm sử dụng loại keo này.