III. Các chất phụ gia trong nước giải khát
7.Phụ gia ổn định cấu trúc
Xanthan gum (E415)
Là một polysaccharide, là sản phẩm lên men của glucose và saccharose bởi vi khuẩn anthomonas campestris.
Công thức phân tử: C35H49O29
Hình 34. Xanthan gum
Tính chất:
• Khối lượng phân tử: từ 0.9 đến 1,6 triệu Dalton, phụ thuộc vào nguồn vi sinh vật và điều kiện thực hiện quá trình lên men. Đôi khi phân tử lượng Xanthan gum cũng có thể lên đến 13 - 50 triệu Dalton.
• Hòa tan trong nước nóng và nước lạnh.
• Độ nhớt dung dịch cao khi nồng độ thấp, không có sự thay đổi rõ ràng về độ nhớt khi nhiệt độ từ 0 - 1000C (tính chất độc đáo)
• Hòa tan và ổn định trong môi trường acid.
• Khả năng tương tác tốt với muối, tương tác với những loại gum khác như locust bean gum.
• Ổn định hệ nhũ tương và huyền phù, ổn định dung dịch tốt khi đông lạnh và rã đông.
• Xanthan gum tương hợp với nhiều loại acid hữu cơ: acetic, citric, lactic, tartaric và phosphoric acid
• Xanthan gum có nồng độ 0.3% trong nước đã khử ion có nhiệt độ thay đổi hình dạng là 400C > trong TP có hàm lượng muối thấp là 900C –> muối giúp ổn định hình dạng có trật tự của xanthan gum và ổn định độ nhớt của nó.
Hình 35. Tính chất lưu biến của xanthan gum
Các yếu tố ảnh hưởng và liên quan đến quá trình tạo độ nhớt
• Kết hợp xanthan gum và LBG –> gel thuận nghịch với nhiệt; kết cấu chắc; ít tách nước trong bảo quản lạnh (syneresis). Xanthan gum kết hợp Konjac – > gel đàn hồi và chắc.
• Độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng, nhưng khôi phục lại khi làm nguội. Độ nhớt phụ thuộc pH, độ nhớt của xanthan gum giảm khi pH<3, nhưng sẽ phục hồi nếu dung dịch được trung hòa.
• Ảnh hưởng của muối lên độ nhớt của xanthan gum phụ thuộc vào nồng độ xanthan gum. Vd: nồng độ xanthan gum <0.3% –> thêm muối –> độ nhớt giảm nhẹ, ngược lại nồng độ xanthan gum >0.3% –> thêm muối –> tăng độ nhớt. Sự thay đổi hình dạng phụ thuộc vào: độ mạnh của lực ion và đặc trưng cấu trúc
• Sự hydrate hóa của xanthan gum giảm khi có mặt muối (>1 - 2%) –> khuyến cáo: hydrate hóa xanthan gum trong nước trước khi thêm muối.
• Sau khi đã hydrate hóa xanthan gum chịu muối tốt (lên đến 20 - 30%) mà không ảnh hưởng đến độ nhớt.
Vai trò:
Xanthan gum là loại phụ gia được sử dụng trong thực phẩm để tạo độ nhớt, độ sệt, tạo nhũ hay làm chất ổn định, làm bền nhũ tương của dầu và nước, ví dụ như: tạo độ sệt trong nước yến và làm bền hệ. Nhu cầu tiêu thụ xanthan trên thế giới khoảng 23 triệu kg/năm và được dự đoán hằng năm mức tiêu thụ xanthan sẽ tiếp tục tăng lên 5 - 10%.
Độc tính:
Ít hoặc không ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng.
Carrageenan
Nguồn gốc
Được chiết xuất từ loại tảo đỏ có nguồn gốc từ Ireland, mọc dọc theo bờ biển Anh, Pháp, Tây Ban Nha, Island. Chiết xuất Carrageenan bằng nước nóng dưới điều kiện khá kiềm, sau đó cho kết tủa hay cô đặc.
Tên gọi khác:
Irish moss gelose (từ Chondrus spp.); Eucheuman (từ Eucheuma spp.); Iridophycan (từ Iridaea spp.); Hypnean (từ Hypnea spp.); Furcellaran or Danish agar (từ Furcellaria fastigiata); INS No. 407.
Cấu tạo:
Hình 36. Carrageenan (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Carrageenan cấu tạo từ các gốc D - galactose và 3,6-anhydro D - galctose. Các gốc này kết hợp với nhau bằng liên kết -1,4 và -1,3 luân phiên nhau. Các gốc D - galactose được sulfate hóa với tỉ lệ cao. Các loại carrageenan khác nhau về mức độ sulfate hóa.
Mạch polysaccharide của các carrageenan có cấu trúc xoắn kép. Mỗi vòng xoắn do 3 đơn gốc disaccharide tạo nên. Các polysaccharide phổ biến của carrageenan là kappa-, iota- và lambda - carrageenan
Kappa - carrageenan
Là một loại polymer của D-galactose-4-sunfate và 3,6-anhydro D-galactose, gồm 25% gốc sulfat và 34% liên kết 3,6-anhdro D-galactose
Tính chất
• Hòa tan ở nhiệt độ cao.
• Tạo khối gel cứng.
• Độ bền của khối gel tăng lên khi có mặt của muối kali.
Iota - carrageenan
Cấu tạo tương tự như Kappa - carrageenan ngoại trừ gốc 3,6-anhydro D- galactose bị oxy hóa ở C số 2, gồm 32% gốc sulfat và 30% liên kết 3,6-anhydro D-galactose
Tính chất:
• Có thể tan một phần ở nhiệt độ thấp.
• Tan hoàn toàn khi đun nóng dung dịch.
• Độ bền của gel tăng lên khi có mặt muối Canxi.
• Hình thành khối đông dẻo và đàn hồi.
Lambra - carrageenan
Có monomer hầu hết là các D-galactise-2-sunfat (liên kết 1,3) và D-galactose 2,6- dislufate (liên kết 1,4), gồm 35% gốc sulfat và không có liên kết 3,6-anhydro D- galactose
Tính chất:
• Có thể tan hoàn toàn ở nhiệt độ thấp, tạo dung dịch có độ nhớt cao mặc dù không tạo đông.
• Tương tác với protein tạo sự ổn định cho rất nhiều sản phẩm có nguồn gốc từ bơ và fomai, chủ yếu làm tăng độ đặc và cấu trúc sản phẩm.
Công thức hóa học:
Hình 37. Carrageenan Cấu tạo hóa học
Hình 38. Carrageenan
Phương pháp sản xuất carrageenan trong công nghiệp:
Carrageenan được thu nhận bằng cách chiết từ tảo biển bằng nước hay bằng dung dịch kiềm loãng. Carrageenan được thu lại bằng sự kết tủa bởi cồn, sấy thùng quay, hay kết tủa trong dung dịch KCl và sau đó làm lạnh. Cồn được sử dụng trong suốt quá trình thu nhận và tinh sạch là methanol, ethanol và isopropanol. Sản phẩm có thể chứa đường nhằm mục đích chuẩn hóa, chứa muối để thu được cấu trúc gel đặc trưng hay tính năng tạo đặc.
Tính chất:
• Màu hơi vàng, màu nâu vàng nhạt hay màu trắng.
• Dạng bột thô, bột mịn và gần như không mùi.
• Không tan trong ethanol, tan trong nước ở nhiệt độ khoảng 80oC tạo thành một dung dịch sệt hay dung dịch màu trắng đục có tính chảy.
• Phân tán dễ dàng trong nước hơn nếu ban đầu được làm ẩm với cồn, glycerol, hay dung dịch bão hòa glucose và sucrose trong nước. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Độ nhớt của dung dịch tùy thuộc vào loại carrageenan, khối lượng phân tử, nhiệt độ, các ion có mặt và hàm lượng carrageenan. Cũng như những polymer mạch thẳng có mang điện tích khác, độ nhớt tỉ lệ thuận với hàm lượng.
• Có khả năng tương tác với nhiều loại gum đặc biệt là locust bean gum, trong đó tùy thuộc vào hàm lượng nó sẽ có tác dụng làm tăng độ nhớt, độ bền gel và độ đàn hồi của gel.
• Ở hàm lượng cao carrageenan làm tăng độ bền gel của guar gum nhưng ở hàm lượng thấp, nó chỉ có thể làm tăng độ nhớt. Khi carrageenan được cho vào những dung dịch của gum ghatti, alginate và pectin nó sẽ làm giảm độ nhớt của các dung dịch này.
• Ổn định ở pH >7, phân hủy ở pH = 5 - 7, phân hủy nhanh ở pH < 5.
Vai trò:
Tính phổ biến của Carrageenan trong các sản phẩm bao gồm bốn điểm đặc biệt sau:
• Tham gia như một chất làm đông đặc đối với một số sản phẩm như kem, sữa, bơ, pho mát.
• Như một chất nhũ tương để giúp cho các dung dịch ở trạng thái hỗn hợp đồng nhất với nhau mà không bị tách lớp.
• Làm thay đổi kết cấu của sản phẩm bởi việc tạo ra các chất đông đặc hoặc dai.
• Giúp ổn định các tinh thể để ngăn chặn đường hoặc nước đá khỏi kết tinh lại.
• Là một chế phẩm sinh học đã được ứng dụng thành công trong việc cải thiện chất lượng dịch đường trong quá trình lên men bia. Carrageenan trong bia có tác dụng kết lắng protein một cách hiệu quả. Tăng công suất nồi đun hoa, tăng độ trong của dịch hèm và bia thành phẩm. Tăng tuổi thọ của sản phẩm. Carragen bổ sung vào bia rượu làm tăng độ trong.
Khả năng tạo gel:
• Phụ thuộc rất lớn vào sự có mặt của các cation. Ví dụ: Khi liên kết với K+, NH4+, dung dịch carageenan tạo thành gel thuận nghịch về nhiệt. Khi liên kết với Na+
thì carrageenan hòa tan trong nước lạnh và không có khả năng tạo gel.
• Muối K+ của carrageenan có khả năng tạo gel tốt nhất nhưng gel giòn và dễ bị phân rã. Có thể giảm độ giòn của gel bằng cách thêm vào locust bean gum. Carrageenan có ít liên kết ion hơn nhưng khi tăng lực liên kết có thể tạo gel
đàn hồi. Carrageenan không có khả năng tạo gel. Muối K+ của nó tan trong nước.
Cơ chế tạo gel:
• Ở dạng gel các mạch polysaccharide xoắn vòng như lò xo và cũng có thể xoắn với nhau tạo thành khung xương không gian ba chiều vững chắc, bên trong có thể chứa nhiều phân tử nước (hay dung môi). Từ dạng dung dịch chuyển sang dạng gel là do tương tác giữa các phân tử polyme hòa tan với các phân tử dung môi ở bên trong, nhờ tương tác này mà gel tạo thành có độ bền cơ học cao. Phần xoắn vòng lò xo chính là những mầm tạo gel, chúng lôi kéo các phân tử dung môi vào vùng liên kết.
• Sự hình thành gel có thể gây ra bởi nhiệt độ thấp hoặc thêm các cation với một nồng độ nhất định. Quá trình hình thành gel diễn ra phức tạp, đ ược thực hiện theo hai bước:
o Bước 1: khi hạ nhiệt độ đến một giới hạn nào đó trong phân t ử carrageenan
có sự chuyển cấu hình từ dạng cuộn ngẫu nhiên không có trật tự sang dạng xoắn có trật tự. Nhiệt độ của quá trình chuyển đổi này phụ thuộc vào dạng và cấu trúc các carrageenan, cũng như phụ thuộc vào dạng và nồng độ của muối thêm vào dung dịch carrageenan. Do đó, mỗi một dạng carrageenan có một điểm nhiệt độ tạo gel riêng.
o Bước 2: gel của các polyme xoắn có thể thực hiện ở các cấp độ xoắn. Trong
trường hợp đầu, sự phân nhánh và kết hợp lại sẽ xuất hiện cấp độ xoắn thông qua sự hình thành không đầy đủ của xoắn kép, theo hướng đó mỗi chuỗi tham gia vào xoắn kép với hơn một chuỗi khác. Trong trường hợp thứ hai, các phần đã phát triển đầy đủ của đa xoắn tụ hợp lại tạo thành gel. Còn dưới các điều kiện không tạo gel, ở các nồng độ polyme thấp sự hình thành và hợp lại của các xoắn sẽ dẫn đến tăng độ nhớt.
• Qua đó, có thể mô tả cơ chế tạo gel như sau: trước hết là xuất hiện sự chuyển đổi cấu hình từ dạng cuộn sang xoắn lò xo, tiếp sau là sự kết hợp các xoắn và tụ hợp lại có trật tự tạo thành xoắn kép gel. Như vậy, gel là tập hợp các xoắn có trật tự hay còn gọi là xoắn kép.
• Dung dịch nóng của kappa và iota carrageenan sẽ tạo gel khi được làm nguội xuống từ 40 – 60oC dựa vào sự có mặt của các cation.
• Có tính thuận nghịch về nhiệt và có tính trễ nhiệt, có nghĩa là nhiệt độ tạo gel và nhiệt độ nóng chảy của gel khác nhau. Gel này ổn định ở nhiệt độ phòng nhưng khi gia nhiệt cao hơn nhiệt độ tạo gel từ 5 – 12oC thì gel có thể chảy ra. Khi làm lạnh sẽ tạo gel lại.
• Thành phần ion trong một hệ thực phẩm rất quan trọng đến hiệu quả sử dụng carrageenan.
Ví dụ: kappa - carrageenan chọn ion K+ để làm ổn định vùng tạo liên kết, tạo trạng thái gel chắc, giòn. Iota carrageenan chọn Ca2+ nối giữa các chuỗi tạo cấu trú gel mềm và đàn hồi.
Hình 39.
• Sự có mặt của các ion cũng có ảnh hưởng lên nhiệt độ hydrat hóa của carrageenan, nhiệt độ tạo gel và nhiệt độ nóng chảy. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ví dụ: iota carrageenan sẽ hydrat hóa ở nhiệt độ môi trường trong nước nhưng khi cho muối vào sẽ tăng nhiệt độ tạo gel nên được ứng dụng trong sản
xuất salad-dressing lạnh. Muối Na+của kappa carrageenan sẽ hydrat hóa ở 40oC nhưng carrageenan cùng loại trong thịt muối sẽ chỉ hydrat hóa hoàn toàn ở nhiệt độ 55oC hoặc hơn.
Quy định sử dụng
Nguyên liệu được chiết từ các loài Furcellaria, furcellaran, cũng được gọi là agar Đan Mạch và được mã hóa riêng với số thứ tự là E408 trong danh mục các loại thực phẩm của Liên minh Châu Âu. Tuy nhiên, một nghiên cứu sau này về carrageenan và furcellaran đã nhận thấy sự giống nhau về cấu trúc và chức năng của cả 2 loại nguyên liệu này nên ghép chúng lại thành E407. Tiêu chuẩn về độ tinh sạch của carrageenan từ thực phẩm gần đây đã được cải thiện bởi Council Directive 98/86/ EC, trong đó sửa lại phạm vi cho phép của các kim loai nặng và định rõ giới hạn của các acid hòa tan trong các loại carrageenan từ thực phẩm. Các nghiên cứu độc học đã xem xét các mối liên quan giữa các nguyên liệu có khối lượng phân tử thấp trong tất cả các loại carrageenan, kể cả carrageenan tự nhiên, với sự thoái hóa của carrageenan trong suốt quá trình chế biến và tiêu hóa. Quan điểm sau này cho thấy sự có mặt của các cation phụ trợ đã ngăn cản sự thủy phân của carrageena trong dạ dày (Marrs, 1998) và gần đây tiêu chuẩn của châu Âu không còn định rõ bất kì giới hạn nào cho các nguyên liệu dưới 100kDa (Anon., 1998). Một nghiên cứu về carrageenan ở một loạt điều kiện cho thấy trong những quy trình thực phẩm bình thường về căn bản không làm tăng tỉ lệ của các chất có phân tử lượng thấp (Marrs, 1998). Tỉ lệ của các chất này chỉ tăng đáng kể khi chế biến kết hợp với ảnh hưởng của nhiệt độ cao, pH thấp và thời gian chế biến dài.
Ví dụ: gia nhiệt dung dịch kappa carrageenan ở pH = 4 và 120oC không làm tăng đáng kể chất có phân tử lượng nhỏ nhưng độ bền gel giảm hơn 25% khi gia nhiệt dung dịch này ở 135 - 140oC trong 10 giây. Thật ra vì các chất có phân tử lượng nhỏ hơn 100kDa có tính năng tạo gel và tạo đặc thấp và không có giá trị trong chế biến thực phẩm được tạo ra để giảm sự thoái hóa của carrageenan.
Độc tính:
2001, sử dụng Carrageenan biến chất với một lượng lớn có khả năng bào mòn thành ruột của một số loài động vật gặm nhấm và loài linh trưởng. Điều này khiến người tiêu dùng thực sự lo lắng. Tuy nhiên, cần phải phân biệt rằng Carrageenan suy thoái (biến chất) không phải là loại Carrageenan vẫn được sử dụng trong chế biến thực phẩm. Carrageenan suy thoái được gọi với tên chính xác là Poligeenan và tính chất của nó khác hoàn toàn so với Carrageenan và không được sử dụng trong chế biến thực phẩm.
Cũng có nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng Carrageenan trong thực phẩm cũng như tiếp xúc với nó không gây bất cứ thiệt hại nào cho thành ruột. Phụ gia này cũng không bị chuyển hoá thành Poligeenan trong quá trình chế biến.
Pectin
Pectin là các polysaccharide, mạch thẳng.
Tên khác: E440
Cấu tạo: từ sự liên kết giữa các mạch của phân tử acid D - galacturonic
C6 H10O7, liên kết với nhau bằng liên kết 1,4-glucoside. Trong đó, một số gốc acid có chứa nhóm methoxyl (-OCH3). Chiều dài của chuỗi acid polygalacturonic có thể biến đổi từ vài đơn vị tới hàng trăm đơn vị acid polygalacturonic.
Hình 40. Pectin
Tính chất:
• Là một chất keo hút nước và rất dễ tan trong nước, không tan trong ethanol.
• Khả năng tạo gel và tạo đông, khi có mặt của acid và đường.
• Pectin tự do, nó mất khả năng tạo đông khi có đường.
• Vì vậy để duy trì khả năng tạo gel của pectin hòa tan cần chú ý tránh môi trường kiềm hoặc tác dụng thủy phân của enzyme pectinase.
• Dung dịch pectin có độ nhớt cao. Nếu muốn thu dịch quả ép thì dung dịch này bất lợi, người ta phải dùng enzyme pectinase để thủy phân pectin, giảm độ nhớt. Còn đối với pectin tan thì dưới tác dụng của pectinase sẽ biến thành acid pectinic (thường dưới dạng muối Ca và Mg) và các chất đơn giản khác như rượu methylic, acid acetic, arabinose, galactose.
• Pectin hòa tan khi bị tác dụng của chất kiềm loãng hoặc enzyme pectinase sẽ giải phóng nhóm methyl dưới dạng rượu methylic, polysaccharide còn lại khi