CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.3. ĐẶC TÍNH HĨA HỌC CỦA PECTIN
1.3.2. Cơ chế hình thành gel
1.3.2.1. Gel hóa pectin có hàm lượng methoxyl cao
Hồ hóa HM pectin là một q trình khá phức tạp bao gồm một số loại tƣơng tác giữa các phân tử. Gel HM pectin thƣờng thu đƣợc khi có nồng độ sucrose cao (55–75%), hoặc các chất đồng tan tƣơng tự khác (ví dụ, sorbitol, ethylene glycol), và ở pH thấp (2,5–3,5), để đạt đƣợc hoạt độ nƣớc thấp đến mức cần thiết (để giảm thiểu tƣơng tác giữa pectin với dung mơi) và độ ion hóa thấp của các nhóm cacboxyl tƣơng ứng (để giảm thiểu lực đẩy tĩnh điện). Gel đƣợc hình thành trong những điều kiện này đƣợc ổn định bởi sự cân bằng tƣơng tác tinh tế, liên quan đến việc hình thành các vịng xoắn tổng hợp đƣợc hỗ trợ bởi các liên kết hydro và nhóm các nhóm methyl-ester, thơng qua các tƣơng tác kỵ nƣớc, trong một lồng các phân tử nƣớc [72,73]. Không giống nhƣ hầu hết các gel polysaccharide, cấu trúc của gel HM pectin và đƣờng đƣợc coi là không thể đảo ngƣợc khi đun nóng (gel khơng tan chảy). Các nghiên cứu của Oakenfull và Scott [73] đã chỉ ra rằng sự đóng góp của các tƣơng tác kỵ nƣớc đối với năng lƣợng tự do của q trình gel hóa HM pectin chỉ bằng một nửa so với năng lƣợng từ các liên kết hydro, nhƣng là yếu tố cần thiết cho q trình gel hóa xảy ra.
Trái ngƣợc với gel canxi pectate trong đó phƣơng thức chính của liên kết giữa các phân tử là thông qua các điểm nối liên quan đến một số lƣợng nhỏ và xác định của chuỗi, các vùng tiếp giáp trong gel HM pectin chủ yếu thông qua các tập hợp liên quan đến một số lƣợng lớn và thay đổi của chuỗi pectin [72], cho thấy khơng có sự ức chế cạnh tranh bằng cách bổ sung các phân đoạn chuỗi ngắn và tƣơng tự.
1.3.2.2. Gel hóa các pectin có ít methoxyl
Sự gel hóa qua trung gian ion thơng qua các cation hóa trị hai, trong đó liên quan nhất là canxi, là cơ chế cổ điển của q trình gel hóa đƣợc quan sát thấy đối với pectin LM. Một cơ chế liên kết canxi với các nhóm cacboxyl ion hóa trên chuỗi pectin tƣơng tự nhƣ hộp trứng đƣợc đề xuất cho alginate [64] cũng đã đƣợc đề xuất cho LM pectin [65]. Một quá trình hai giai đoạn đã đƣợc cơng nhận với sự đime hóa ban đầu của các phân tử và sự kết hợp sau
đó của các chất dimer đã đƣợc hình thành trƣớc này [53]. Trong mơ hình này, các ion canxi chiếm các khoang điện âm trong cấu trúc dải băng gấp đơi của các gốc axit galacturonic (Hình 1.4), thơng qua cơ chế hợp tác liên kết bao gồm hai hoặc nhiều chuỗi. Gel pectate canxi đƣợc coi là một mạng lƣới liên kết, mạnh mẽ đƣợc liên kết chéo bởi các điểm nối hình hộp trứng giữa các mặt của chuỗi chƣa đƣợc xác định, trong các điều kiện ion thích hợp, có thể đƣợc củng cố bởi các liên kết yếu hơn của các chuỗi đƣợc ester hóa một phần để tạo thành các chất dimer bổ sung, kém ổn định hơn và bằng cách kết hợp dimer-dimer.
Mơ hình hộp trứng ban đầu đã bị nghi ngờ nhiều lần bởi cả lý thuyết và thực nghiệm, đặc biệt là về sự điều phối canxi và các chi tiết cấu tạo liên quan đến các vị trí liên kết. Có một số bằng chứng cho thấy những thay đổi về cấu trúc xảy ra trong q trình liên kết canxi, ít nhất là ở thang độ dài monome [74], nhƣng nó cũng cho thấy rằng ở cấp độ đại phân tử, liên kết canxi với chuỗi pectin không liên quan đến những thay đổi cấu trúc đáng kể. Kết quả từ tán xạ tia X góc nhỏ trên gel pectin LM hỗ trợ nhiều hơn cấu trúc ba chiều của các vùng tiếp giáp hơn là một tập hợp các chất dimer dạng tấm, và gợi ý rằng các vùng tiếp giáp đƣợc hình thành bởi các liên kết chéo ion thơng qua các cầu canxi giữa các mảng của nhóm cacboxyl thuộc các chuỗi khác nhau có thể đƣợc coi là các thanh kéo dài có đƣờng kính tăng nhẹ theo hàm lƣợng canxi và chiều dài của chúng thay đổi theo DE. Mơ phỏng mơ hình máy tính đã chỉ ra rằng cả chuỗi α-D-(1,4) polygalacturonate (pectins) và α-L-(1,4) polyguluronate (alginate) thể hiện tính đặc hiệu cao đối với liên kết canxi và có các vị trí thải sắt đƣợc xác định rõ, nhƣng cũng đã cho thấy một số khác biệt đáng kể đối với liên kết canxi với cả hai polysaccharide ở mức độ liên kết chuỗi-chuỗi. Nó chỉ ra rằng mơ hình hộp trứng ban đầu đƣợc đề xuất để mơ tả các vùng tiếp giáp của gel alginate-canxi là hợp lệ cho hệ thống này nhƣng không thể chuyển vị trực tiếp sang hệ thống pectate-canxi. Mơ hình thực tế hơn đƣợc mô tả là '' hộp trứng chuyển dịch '' và sự khác biệt chính đối với mơ hình cổ điển đƣợc phát biểu nhƣ sau: (i) sự thay đổi rõ rệt của một chuỗi so với chuỗi kia dẫn đến sự liên kết hiệu quả với nhiều tƣơng tác Van der Waals, các chuỗi khớp vào nhau; (ii) sự thay đổi này làm giảm khoảng trống lớn ban
đầu giữa các chuỗi nơi xảy ra liên kết các ion canxi và tạo ra hai hốc con đối xứng có kích thƣớc thích hợp để liên kết ion canxi; (iii) nó tạo ra một mạng lƣới liên kết hydro giữa các phân tử tuần hồn hiệu quả. Vai trị của tƣơng tác dimer-dimer trong việc hình thành mạng ba chiều cũng đƣợc đánh giá bằng cách tiếp cận tƣơng tự và quy trình hai giai đoạn đƣợc đề xuất ban đầu [60] đã đƣợc chứng thực. Sau đó, sự gel hóa qua trung gian canxi của pectin LM có thể đƣợc mơ tả bằng sự dimer hóa ban đầu tƣơng ứng với các liên kết chuỗi- chuỗi mạnh với sự đóng góp quan trọng từ Van der Waals và liên kết hydro, và các ion canxi có vị trí cụ thể trong các hốc thích nghi tốt; cũng bởi sự kết hợp tiếp theo của các dimer này liên quan đến các liên kết yếu hơn không hiển thị tính đặc hiệu cụ thể và chủ yếu bị chi phối bởi các tƣơng tác tĩnh điện.
Hình d1.4: Giản đồ của mơ hình hộp trứng để tạo gel uronat-canxi (Nguồn: https://www.mdpi.com/1420-3049/23/4/942/htm) (Nguồn: https://www.mdpi.com/1420-3049/23/4/942/htm)
Gần đây, ngƣời ta đã đề xuất phƣơng pháp gel hóa bằng muối đơn hóa trị của pectin đã khử ester bằng enzym. Độ bền của gel bị ảnh hƣởng bởi cả pH và loại cation đơn hóa trị. Cơ chế tạo gel vẫn chƣa đƣợc hiểu rõ, nhƣng nó đã đƣợc giả định là đƣợc gây ra bởi q trình khử ester hóa chậm đồng thời của
pectin trong các điều kiện thƣờng tạo muối (kết tủa) LM pectin khi khơng có pectin methylesterase.