1.4.1. Giới thiệu chung về polymer sinh học:
a. Lợi ích của việc sử dụng màng polymer sinh học trong bảo quản: [13]
- Bảo vệ chất lƣợng và an toàn thực phẩm đƣợc bảo quản từ thời điểm thu hoạch đến thời điểm nó đƣợc sử dụng.
- Bảo vệ sản phẩm về các mặt từ vật lý, hóa học hoặc tổn thƣơng sinh học. - Ngăn cản quá trình thoát ẩm, trao đổi khí và sự mất mát các chất tan.
b. Nguồn gốc của polymer sinh học: [14]
- Lipid:
Những loại polymer sinh học này có thể đƣợc làm từ sáp và dầu. Ví dụ: Sáp hoặc dầu paraffin, sáp ong, sáp carnauba, dầu thực vật, axit stearic, axit lauric, este sucrose của các axit béo…. Nó mang lại hiệu quả trong việc ngăn cản sự thoát ẩm.
Chúng đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc bảo quản rau quả. Nhƣng chúng có thể gây yếm khí khi ở nhiệt độ cao vì độ thẩm thấu khí thấp.
- Polysaccharide:
Gồm các loại nhƣ: cellulose, pectin, tinh bột, alginate, chitosan, carragenan. Chúng có tác dụng tốt về hạn chế trao đổi khí và bám chặt trên bề mặt rau quả, nhƣng vì bản chất ƣa nƣớc đã làm cho chúng hạn chế trong việc ngăn cản thoát ẩm.
- Protein:
Gồm các loại nhƣ: gelatin, casein, nƣớc tƣơng, zein, lòng trắng trứng…. Chúng là loại thích hợp với các bề mặt ƣa nƣớc, nhƣng trong nhiều trƣờng hợp, chúng không chống lại đƣợc sự khuếch tán hơi nƣớc. Các polymer nguồn gốc lipid, protein đƣợc làm từ sản phẩm động vật (casein, gelatin, và lòng trắng trứng) có thể gây một số vấn đề cho các nhóm ngƣời tiêu dùng nhất định.
1.4.2. Những polymer sinh học thông dụng:
a.. Chitosan: [5]
Chitosan là sản phẩm biến tính của chitin, đƣợc tạo thành bằng cách loại các nhóm acetyl từ phân tử chitin (quá trình deacetyl).[18]
Chitosan dạng bột có màu trắng ngà, dạng vẩy màu trắng trong hay hơi vàng. Chitosan có tính kiềm nhẹ, không hòa tan trong nƣớc, trong kiềm và cồn nhƣng hòa tan trong axit axetic loãng tạo thành một dung dịch keo nhớt trong suốt. Chitosan khi hòa tan trong dung dịch axit axetic loãng sẽ tạo thành dung dịch keo dƣơng nhờ đó mà keo chitosan không bị tết tủa khi có mặt của một số ion kim loại nặng nhƣ: Pb3+, Hg+. pKa của chitosan có giá trị từ 6,2 đến 6,8.
Bảng 1.4: Các dung môi thƣờng sử dụng để hòa tan chitosan [8]
Dung môi Nồng độ thƣờng đƣợc sử dụng (%) Axit acetic Axit formic Axit lactic Axit propionic Axit HCl Axit citric Axit glutamic Axit ascorbic 1-2 1-2 1-2 1-2 0,25-0,5 5-10 1-3 1-2
Chitosan kết hợp với aldehyt trong điều kiện thích hợp để hình thành gel, đây là cơ sở để bẫy tế bào, enzyme.
Chitosan phản ứng với axit đậm đặc tạo muối khó tan, Chitosan kết hợp với iot trong môi trƣờng H2SO4 cho phản ứng lên màu tím. Đây là phản ứng dùng trong phân tích định tính chitosan.
Tính chất của chitosan nhƣ khả năng hút nƣớc, khả năng hấp phụ chất màu, kim loại, kết dính với chất béo, kháng khuẩn, kháng nấm, mang DNA… phụ thuộc rất lớn vào độ deacetyl hóa. Chitosan có độ deacetyl cao thì khả năng hấp phụ chất màu, tạo phức với kim loại tốt hơn. Tƣơng tự khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của chitosan ở các mẫu chitosan có độ deacetyl cao. Cụ thể, khả năng kháng khuẩn tốt đối với chitosan có độ deacetyl trên 90%. Tuy nhiên khả năng hút nƣớc của chitosan giảm đi khi tăng độ deacetyl.
Ngoài các tính chất nêu trên, chitosan còn có khả năng chống oxy hóa. Khả năng chống oxy hóa của chitosan cũng phụ thuộc vào độ deacetyl, phân tử lƣợng và độ nhớt của chitosan. Chitosan có độ nhớt thấp thì có khả năng chống oxy hóa cao. Hơn nữa, chitosan có thể gắn kết tốt với lipid, protein, các chất màu. Do chitosan không tan trong nƣớc nên chitosan ổn định hơn trong môi trƣờng nƣớc so với các polymer tan trong nƣớc nhƣ alginat, agar. Khả năng tạo phức, hấp phụ với lipid, protein và chất màu phụ thuộc nhiều vào phân tử lƣợng, độ deacetyl hóa, độ rắn và độ tinh khiết của chitosan. Chitosan có độ deacetyl cao thì thƣờng hấp phụ màu tốt.
Khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của chitosan: [8]
Chitosan có khả năng ức chế nhiều chủng vi sinh vật: vi khuẩn Gram âm, vi khuẩn Gram dƣơng và vi nấm. Khả năng ức chế vi sinh vật của chitosan phụ thuộc vào độ deacetyl, phân tử lƣợng. So với chitin, chitosan có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm tốt hơn vì chitosan tích điện dƣơng ở vị trí C thứ 2 ở pH nhỏ hơn 6. Chitosan có độ deacetyl cao trên 85% thì có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm tốt. Chitosan có phân tử lƣợng dƣới 2000 Dalton thì khả năng ức chế vi sinh vật kém.
Chitosan có phân tử lƣợng trên 9000 Dalton thì có khả năng ức chế vi sinh vật cao. Chitosan đƣợc hòa tan trong các dung môi hữu cơ nhƣ axit acetic, axit lactic để xử lý kháng khuẩn, kháng nấm. Chitosan có khả năng ức chế Staphylococcus aureus, Bacillus cereus, Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Rhodorula glutensis, Botrytis cinerea, Rhizopus stolonifer, Aspergillus niger. Nồng độ ức chế của chitosan phụ thuộc vào loại chitosan, loài vi sinh vật, điều kiện áp dụng và thƣờng sử dụng trong khoảng 0,75% đến 1,5%.
Khả năng tạo màng của chitosan: [8]
Chitosan có kả năng tạo màng rất tốt. Tính chất cơ lí của màng chitosan nhƣ độ chịu kéo, độ rắn, độ ngấm nƣớc, phụ thuộc nhiều vào phân tử lƣợng và độ deacetyl hóa của chitosan. Chitosan độ deacetyl cao có ứng suất kéo và độ giãn dài giới hạn cao hơn. Ngoài ra, tính chất của màng chitosan phụ thuộc rất nhiều vào dung môi sử dụng hòa tan chitosan để tạo màng. Độ rắn của màng chitosan cũng phụ thuộc vào dung môi sử dụng.
b. Carrageenan: [8]
Carrageenan là một loại polysaccharide chiết xuất từ các loài rong thuộc ngành rong đỏ, bao gồm một số loài nhƣ: Chondrus, Giagartina, Euchuma, Furcellaria, Phyllophora,…
Hiện nay ngƣời ta ghi nhận đƣợc khoảng 15 cấu trúc Carrageenan khác nhau. Tuy vậy Carrageenan thƣơng mại bao gồm ba loại chính là iota, kappa và lambda.
Bảng 1.5: Tính chất của các loại Carrageenan thông dụng [8]
Iota Gel đàn hồi với muối. Gel trong suốt và không bị rỉ nƣớc, ổn định khi làm đông và tan giá nhiều lần.
Kappa Tạo gel chắc, rắn với muối kali. Tạo gel dòn với muối canxi. Gel hơi mờ đục, khi thêm đƣờng sẽ trong hơn. Gel bị rỉ nƣớc một ít. Lambda Không tạo gel mà cho dung dịch có độ nhớt cao.
Một số tính chất chung của Carrageenan: [20]
b.1. Tính chất của một polymer:
- Khử trong môi trƣờng kiềm: Môi trƣờng kiềm có tác dụng khá mạnh đến cấu trúc của Carrageenan. Dƣới tác dụng của kiềm, nhóm (HOSO3-) bị khử dần.
- Phản ứng tạo kết tủa: Carrageenan là một loại polymer mang điện tích âm nên kết tủa trong các đại phân tử mang điện tích dƣơng nhƣ: metylen xanh, safranine, mauvine, những phẩm màu azo và thiazo khác. Ngoài ra, Carrageenan còn kết tủa trong cồn (cồn đóng vai trò là tác nhân dehydrate hóa).
- Sự trƣơng nở: Carrageenan hút nƣớc mạnh và sự hút nƣớc kèm theo sự trƣơng phồng đáng kể tạo thành gel, theo thời gian khi nó tiếp xúc với dung môi. Carrageenan là cao phân tử (polysaccharide) có cực nên trƣơng nở trong dung môi có cực (nƣớc).
b.2. Nhiệt độ nóng chảy:
Nhiệt độ nóng chảy của gel Carrageenan thấp hơn nhiều so với Agar. Gel Carrageenan 3% nóng chảy ở 27÷30 0C, gel Carrageenan 5% nóng chảy ở 40÷41
b.3. Sự tạo gel-sự keo hóa:
Vì có liên kết 3,6-anhydro mà Carrageenan có tính chất vô cùng quan trọng là có khả năng tạo gel ở nồng độ thấp (<0,5%). Ở dạng gel, các mạch polysaccharide xoắn vòng nhƣ lò xo và cũng có thể xoắn với nhau tạo thành khung xƣơng không gian ba chiều vững chắc và có thể chứa nhiều phân tử nƣớc (dung môi) bên trong. Từ dạng dung dịch chuyển sang dạng gel là do sự tƣơng tác giữa các phân tử polymer hòa tan với các phân tử dung môi ở bên trong. Do có sự tƣơng tác ấy mà gel tạo thành có độ bền cơ học đáng kể. Phần xoắn lò xo chính là những mầm tạo gel, chúng lôi kéo các phân tử dung môi và vùng liên kết. Quá trình tạo gel của Carrageenan là một quá trình thuận nghịch. Khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tạo gel thì gel sẽ tan chảy (cân bằng bị phá vỡ). Tuy nhiên, khoảng cách nhiệt từ trạng thái tạo gel đến tan chảy là một giá trị không đổi.
b.4. Tính bền axit:
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 trƣờng axit.
b.5. Tính tan:
Carrageenan tan trong anhydrous hydrazine, ít tan trong formamide và methyl sulfoxide, không tan trong dầu và dung môi hữu cơ, Carrageenan tan trong nƣớc, đặc biệt là nƣớc nóng. Trong tự nhiên, tính tan của Carrageenan còn phụ thuộc vào dạng, nhiệt độ, pH, nồng độ của ion và các chất tan khác.
b.6. Tính hấp phụ tia hồng ngoại và màu:
Dung dịch Carrageenan là một chất hữu cơ nên có khả năng hấp thụ hồng ngoại có phổ bƣớc sóng trong phạm vi nhất định phụ thuộc vào loại và thành phần Carrageenan. Các loại polysaccharide thƣờng cho bƣớc sóng ở vùng hồng ngoại trong khoảng 1000- 1100cm-1. Với các loại Carrageenan tạo gel thì cho đỉnh hấp thụ cực đại (đỉnh hấp thụ trong khoảng rộng) ở 1065 cm-1, không tạo gel ở vùng 1020 cm-1.
b.7. Tính thủy phân và sự metyl hóa xác định công thức cấu tạo của Carrageenan:
Dung dịch Carrageenan ít bị thủy phân ở môi trƣờng pH=9 và môi trƣờng pH=7, dung dịch muối Natri Carrageenante bị thoái hóa do phân tử Carrageenan bị đứt liên kết 3,6-anhydro galactose. Và từ phản ứng xác định tính thủy phân kiềm của nhóm ester sulphate của Carrageenan đã nói lên cấu trúc của Carrageenan có nhóm ester sulphate gắn ở C4 trong gốc galactose. Carrageenan mà đặc biệt là phân đoạn kappa-carrageenan sẽ bị thủy phân bởi enzyme pseudomonas carrageenan hay kappa-carovora. Khi kappa-carrageenan, lambda-carrageenan bị thủy phân bởi enzyme này thì độ nhớt của dung dịch giảm rất nhiều và làm tăng khả năng khử, tạo các sản phẩm thuộc dãy đồng đẳng của oligosaccharide sulphate, 3 – 6 – (3,6 anhydro – α,D – galactose pyranose) – D – glactose -4,6 – sulphate (neocarrabiose – 4-o-sulphate).
Carrageenan bị metyl hóa tạo ra các dẫn xuất metyl nhƣ 2.3.4.6 – tetra – metyl – D(L) – galactose hoặc 2,4,6 – trimetyl – D(L) – galactose và dựa vào đặc tính này ngƣời ta đã xác định thành phần cấu trúc của nó.
b.8. Độ nhớt:
Độ nhớt của dung dịch Carrageenan phụ thuộc rất lớn vào dạng, nhiệt độ, trọng lƣợng phân tử và sự hiện diện của các ion khác trong dung dịch. Trong đó, đáng chú ý phải kể đến sự có mặt của các muối trong dung dịch. Độ nhớt dung dịch tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ.
c. Agar: [8]
Agar là một loại keo ƣa nƣớc đƣợc tách chiết từ một số loài rong biển thuộc ngành rong đỏ. Nó không tan trong nƣớc lạnh, tan một ít trong ethanol amine và tan trong nƣớc nóng. Agar có khả năng hòa tan với lƣợng nƣớc 30-50 lần khối lƣợng, lƣợng agar trong nƣớc trên 10% sẽ tạo nên hỗn hợp sệt.
Hình 1.5. Hình ảnh về Agar.
Nó là một polymer galactoza tạo gel chắc đƣợc đặc trƣng bởi điểm nóng chảy cao hơn nhiều nhiệt độ tạo gel ban đầu. Cũng giống nhƣ màng carragenan, màng agar đƣợc bổ sung chất kháng khuẩn tan trong nƣớc (nhƣ: clo tetraxylin,
oxitetracylin) rất hiệu quả trong việc kéo dài thời gian bảo quản của thịt gia cầm trong điều kiện bảo quản ở 2 0C. Thời gian bảo quản của thịt bò ở 5 0C đƣợc kéo dài hơn 2 ngày khi sử dụng màng agar đƣợc hóa dẻo bằng glixerin và đƣợc bổ sung clo tetraxylin. Mặc dù tƣơng đối dày nhƣng màng agar này không làm giảm lƣợng ẩm từ thịt nhƣ lớp phủ glyxerit acetyl hóa hoặc màng etyxenlulozo. [17]
c.1. Cấu tạo: [16]
- Agar là một sulfat polysacarit đƣợc tách ra từ các loài tảo đỏ (Gelidium sp,
Gracilarta).
- Gồm D-galactose và L-galactose.
- Liên kết với nhau theo kiểu Beta-1.3-D-galactose và Beta-1.4-L-galactose.
- Gồm 2 phần:
+ Agarose là thành phần tạo gel chính của agar, có khoảng 1/10 các đơn vị galactose bị ester hóa. Hàm lƣợng agarose đóng vai trò quan trọng đối với điện tích của toàn phân tử và đối với tính chất của gel nhƣ: độ bền, độ đàn hồi, nhiệt độ tạo gel, nhiệt độ nóng chảy của gel. Là một polysaccharide trung tính, chiếm số lƣợng nhiều (50-90%) cấu tạo mạch chính: β-D galactopyranose và 3,6-anhydro-α-L- galactopyranose liên kết xen kẽ nhau bằng lien kết β-1,4 và α-1,3. Nó tạo nên tính đông của agar.
+ Mạng lƣới của agarose gel có chứa xoắn kép hình thành từ tay trái gấp ba xoắn. Những xoắn kép đƣợc ổn định bởi sự hiện diện của các phân tử nƣớc bị ràng buộc bên trong các khoang xoắn kép.
+ Agaropectin là một loại polysaccharide tích điện âm, các phân tử ngắn hơn agarose và số lƣợng ít hơn. Cấu trúc của nó là mạch nhánh và bị sunfat hóa. Nó là thành phần không tạo gel, có mức độ este hóa lớn hơn agarose. Nếu có một cầu nối giữa 2 sunfat, gel sẽ trong hơn, cầu nối này thƣờng không bền, dễ bị phá hủy nếu tiếp xúc với các hóa chất tạo phức EDTA, ehxametaphotphat, tripolyphotphatnatri…
c.2 Tính chất:
- Agar là loại polymer sinh học có khả năng tạo gel lớn nhất trong môi trƣờng nƣớc và cho gel chắc hơn các loại polymer khác với cùng nồng độ.
- Agar có khả năng tạo gel chỉ với môi trƣờng nƣớc mà không cần thiết thêm bất kì tác nhân tạo gel nào. Đây là điểm khác biệt căn bản của agar.
- Gel agar có thể tồn tại trong một dải rộng của pH từ 5-8.
- Agar có độ bền nhiệt cao, cho phép chịu đƣợc chế độ thanh trùng trên 100
0
- Dung dịch 1,5% agar tạo gel ở nhiệt độ từ 32-43 0C và nóng chảy ở 85 0C. Đây là tính chất duy nhất của agar so với các chất tạo gel khác.
- Gel agar không có mùi vị lạ và không cần dùng các ion tạo gel có vị gắt nhƣ kali, canxi.
- Agar có tính tƣơng thích mùi và làm dậy mùi thực phẩm pha vào, do đó có tính cố định mùi của thực phẩm lâu dài trên gel.
- Gel agar có tính thuận nghịch rất tốt khi làm đông và đun nóng chảy nhiều lần mà vẫn giữ đƣợc tính chất.
- Gel agar trong suốt và dễ nhuộm màu do đó dùng làm thực phẩm có nhiều màu rất đẹp.
- Gel agar ổn định, không kết tủa khi có mặt các ion dƣơng.
c.3. Cấu trúc và sự tạo thành gel:
Gel agar có cấu trúc xoắn đƣợc xác định bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X. Vì rằng agar chứa 3,6-anhydro-L-galactose, gel có cấu trúc xoắn trái. So với gel carragenan, gel agar có bƣớc xoắn nhỏ hơn 26A0 vì chứa ít nhóm sulfate hơn. Khi chứa ít nhóm sulfate, vòng xoắn của gel sẽ chặt hơn và gọn hơn.
Khi dung dịch nóng, agar ở dạng hòa tan, các phân tử agar nằm ngẫu nhiên trong dung dịch. Khi nhiệt độ thấp dần, các phân tử tiến đến gần nhau và bắt đầu cuộn xoắn vào nhau do các liên kết hydro. Quá trình tạo gel bắt đầu. Các đoạn xoắn diễn ra giữa các phần của chuỗi phân tử khác nhau tạo nên mạng lƣới gel ba chiều, có những vùng xoắn (vùng nối) và vùng ngắt (không xoắn). Do cấu trúc gel nhƣ vậy sẽ tạo thành không gian giữ nƣớc bên trong. Quá trình tạo gel sẽ bị ngăn cản nếu ta cho vào các tác nhân bắt giữ proton nhƣ urea hay guanidine. Khi sấy khô agar, các phân tử đang liên kết hydro ở dạng gel khô và do đó không thể hòa tan vào nƣớc lạnh vì nó vẫn giữ nguyên các liên kết hydro trƣớc khi làm khô.
Quá trình tạo gel xảy ra khi làm lạnh dung dịch agar. Dung dịch agar sẽ tạo gel ở nhiệt độ khoảng 40-50 0C và tan chảy ở nhiệt độ lhoảng 80-85 0C.
1.4.3. Tình hình sử dụng polymer sinh học trong bảo quản rau quả:
a. Tình hình ngoài nước:
Hiện nay, việc sử dụng các loại màng để bảo quản rau quả không còn là khái