1.2. TỔNG QUAN VỀ ALGINATE
1.2.2. Cấu trúc và tính chất hóa học của alginate
Alginate là anionic polysaccharide, là một co-polymer mạch thẳng được tạo thành từ liên kết (14) glycosidic của β-D-mannuronic acid (M) và α-L-guluronic acid (G) (Hình 1.1) [55].
Theo công thức cổ điển của Haworth, hai monomer này chỉ khác nhau ở nhóm carboxyl nằm ở trên và dưới mặt phẳng của vòng pyranose, còn theo quan niệm hiện đại, hai gốc uronic này có cấu tạo dạng ghế, có cấu hình khác nhau: mannuronic acid có cấu hình 4C1 còn guluronic acid là 1C4 (Hình 1.2) [39]. Chính sự khác nhau của mạch cấu trúc này nên hai uronic thể hiện các tính chất hóa học, sinh học khác nhau [95].
Hình 1.1. Liên kết (14) glycosidic giữa các uronic
Hình 1.2. Cấu trúc 2 gốc uronic trong phân tử alginate
Các chuỗi polyguluronic acid có dạng nếp gấp, còn polymannuronic acid có dạng phẳng. Khoảng cách giữa 2 uronic trong chuỗi polyguluronic acid là là 8,7 Å;
polymannuronic acid là 10,35 Å và khoảng cách giữa hai uronic trong chuỗi luân phiên polyguluronic acid và polymannuronic acid là 9,5 Å [38, 39].
Hình 1.3. Độ dài trung bình giữa các uronic trong các block của alginate Trong phân tử alginate, tỷ lệ, trình tự và sự phân bố của hai monomer thay đổi rất rộng tùy theo nguồn gốc của alginate. Sự sắp xếp ngẫu nhiên của 2 monomer M và G
0,87 nm (8,7 Å) 1,035 nm (10,35 Å)
trong mạch alginate theo 3 dạng cấu trúc block (Hình 1.4): i) Block homopolymerric guluronic: gồm các gốc acid guluronic nối tiếp nhau (GGGG); ii) Block homopolymerric mannuronic: gồm các gốc acid mannuronic nối tiếp nhau (MMMM) ; iii) Block heteropolymerric ngẫu nhiên: hai gốc acid guluronic và acid mannuronic luân phiên nối tiếp nhau (MGMGMGMG) [126].
Hình 1.4. Sự sắp xếp các block polysaccharide trong phân tử alginate
Tính chất lý học, hóa học và sinh học của alginate thay đổi tùy thuộc vào khối lượng phân tử, độ nhớt và tỷ lệ M/G cũng như trình tự sắp xếp các uronic trong polymer [55]. Tỷ lệ M/G là thông số quan trọng đặc trưng cho tính chất hoá học, tính chất lý học của alginate và có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu khả năng tạo gel [16]. Alginate tách chiết từ rong nâu có tỷ lệ M/G dao động từ 0,2 đến 2,5 và có trọng lượng phân tử trung bình từ 100 kDa đến 1.500 kDa [179].
Độ nhớt của alginate phụ thuộc chủ yếu vào chiều dài mạch polymer, trong khi đó khả năng tạo gel và tính chất giữ nước thì phụ thuộc vào các phân đoạn và sự phân bố các gốc guluronic acid trong phân tử alginate [235]. Ngoài ra, độ nhớt của dung dịch alginate cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng 1oC thì độ nhớt giảm khoảng 2,5%. Khi làm nguội, độ nhớt quay về giá trị thấp hơn ban đầu một ít. Tuy nhiên, nếu duy trì nhiệt độ 50oC trong nhiều giờ thì sẽ làm alginate bị cắt mạch và giảm độ nhớt.
Trái lại, khi hạ nhiệt độ đến khi đông đặc và sau đó làm tan giá cũng không làm cho alginate bị giảm độ nhớt hoặc bị kết tinh [76]. Ở pH dưới 5, các ion – COO- bắt đầu bị proton hóa thành -COOH, do đó lực đẩy tĩnh điện giữa các chuỗi bị giảm, chúng trở nên gần nhau hơn và tạo liên kết hydro, làm tăng độ nhớt. Khi pH bị giảm sâu xa hơn, khoảng từ 3 đến 4, sẽ tạo thành gel, nếu alginate có chứa một ít ion Ca2+thìsự tạo gel sẽ sớm
hơn ở pH khoảng 5. Nếu pH giảm nhanh từ 6 xuống 2 sẽ tạo thành kết tủa của acid alginic. Khi pH trên 11, alginate sẽ bị de-polymer hóa từ từ và làm cho nó bị giảm độ nhớt. Liên kết glycosidic rất nhạy cảm bởi cả acid và kiềm, do đó dưới các điều kiện thủy phân, alginate có thể sẽ bị cắt mạch rất nhanh chóng. Ngoài ra, tác dụng oxy hóa bởi các gốc tự do cũng làm cho dung dịch alginate bị giảm độ nhớt [92].
Khả năng hòa tan của alginate phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH, nồng độ, các ion trong dung dịch và các ion hóa trị II [51]. Sodium alginate hòa tan được trong nước, khi acid hóa alginate dưới pKa sẽ tạo thành dung dịch acid alginic không hòa tan. pKa của mannuronic acid là 3,38 và của guluronic acid là 3,65. Mức độ hòa tan của alginate khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc của nó ở pH thấp [92].
Acid alginic không tan trong nước nhưng nó có khả năng hấp thụ một lượng nước rất lớn, trương nở và tạo thành dạng bột nhão. Ngược lại, sodium alginate và các muối alginate tồn tại dưới dạng các ion kim loại hóa trị I như K+, NH4+, (CH2OH)3NH+ thì tan được trong nước và tạo thành dung dịch có độ nhớt cao. Trong khi đó nếu alginate tồn tại dưới dạng các muối ion kim loại hóa trị II thì sẽ không tan được trong nước.
Alginate có khối lượng phân tử trung bình càng lớn thì độ nhớt dung dịch của nó càng cao. Trong sản xuất có thể khống chế điều kiện chiết rút để sản xuất ra alginate có độ nhớt theo yêu cầu và nó có thể biến thiên trong một dãy rộng từ 10 ÷ 1.000 cP (dung dịch alginate 1%). Alginate có độ nhớt từ 200 ÷ 400 cP được sử dụng rộng rãi nhất.
Alginate dùng trong thực phẩm, mỹ phẩm và nha khoa thường yêu cầu có độ nhớt cao (lớn hơn 700 cP), nhưng dùng cho ngành dược, chất thay thế cho nhũ tương máu và thức ăn thú cưng thì yêu cầu có độ nhớt trung bình (400 ÷ 700 cP). Alginate độ nhớt thấp (dưới 400 cP) sử dụng cho công nghiệp giấy, nhuộm và in vải [99].