“Alginate” là một thuật ngữ thường sử dụng cho muối của acid alginic, nhưng cũng cĩ thể dùng cho tất cả dẫn xuất của acid alginic và chính bản thân acid alginic. Acid alginic là một polysaccharide cĩ nhiều ở trong rong nâu, với các loại rong như: Ascophyllum; Fucus; Laminaria; Macrococystys; Sargassum… Alginate là một polymer được cấu tạo từ 2 monomer là: acid β-D-Mannuronic (M) và acid α- L-Guluronic (G), với các cầu nối là liên kết 1-4 glucoside, chúng chỉ khác nhau ở nhĩm carboxyl nằm ở trên và dưới mặt phẳng của vịng pyranoza [14].
Alginate (E400 – E404) chủ yếu thu nhận từ trong tế bào và vách tế bào của tảo đỏ. Alginate cĩ nguồn gốc từ biển nên rất linh động và bền. Nghiên cứu đầu tiên
27
để chiết xuất alginate từ tảo được thực hiện bởi nhà hĩa học người Anh E.C Stanford vào cuối thế kỷ 19. Ngồi ra alginate cịn được tổng hợp từ Azotobacter, Pseudomonas.
Trong rong biển, acid alginic thường tồn tại dưới dạng muối alginate canxi, magie, sắt… Chúng tham gia vào cấu trúc thành và màng tế bào, là một copolymer mạch thẳng được tạo thành từ 2 gốc Uronat: G, M, chúng thường tồn tại ở dạng G- G-G-G…; M-M-M-M…; hay G-M-G-M… Như vậy alginate được xem là copolymer dạng khối, sự phân phối của thành phần M, G biến đổi nhiều theo lồi, do đĩ cĩ rất nhiều loại alginate và chúng cĩ tính chất khác nhau [14].
Hình 2.13: Cấu tạo hĩa học của alginate [14].
Cấu trúc phân tử:
Hình 2.14: Cấu trúc phân tử của alginate [14].
Alginates khơng sắp xếp theo trình tự ngẫu nhiên mà tuân theo một quy luật liên kết nhất định bao gồm các khối tương tự và xen kẽ (MMMMMM, GGGGGG
28
Alginate tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, từ dạng bột, hạt nhỏ, hạt lớn hay dạng sợi, cĩ màu sắc từ trắng sang vàng nâu.
2.4.2.1. Tính chất của alginate.
Vì alginate là một họ của các phân tử cĩ độ polymer hĩa, độ dài block, trình tự xắp xếp các block trong mạch khác nhau nên tính chất của alginate cũng biến thiên theo, cĩ 2 tính chất quan trong luơn được quan tâm đến là: độ nhớt và tính tạo gel.
a) Độ nhớt của dung dịch alginate [14]:
Alginate cĩ độ nhớt rất cao khi nĩ vẫn cịn thuộc về tế bào, khi được tách chiết độ nhớt giảm đáng kể. Độ nhớt phụ thuộc vào phương pháp tách chiết và cĩ
α-D-Mannuronic (M) hay khơng. Các đoạn mạch ngắn chứa những đoạn M sẽ khơng tham gia vào quá trình tạo gel, do đĩ nĩ dễ dàng thốt ra khỏi hạt gel, ở dạng acid hay muối kết hợp với kim loại hĩa trị 2 trở lên, sẽ tạo alginate khơng tan trong nước, nhưng lại cĩ khả năng hút nước và trương nở tạo thể gel. Khi kết hợp với ion kim loại hĩa trị 1 như Na+
, K+, NH4+… sẽ làm alginate tan trong nước tạo dung dịch cĩ độ nhớt cao.
Trong đĩ, những loại cĩ độ nhớt vào khoảng 200 ÷ 400 mPa.s là được sử dụng nhiều nhất. Khi nồng độ thay đổi, độ nhớt cũng thay đổi theo, ngồi ra độ nhớt cịn phụ thuộc vào:
Khối lượng phân tử: khối lượng phân tử càng cao, độ nhớt càng tăng. Các nhà sản xuất sẽ kiểm sốt khối lượng phân tử (DP) tương ứng với độ nhớt. Độ nhớt của alginate từ 10 ÷ 1000 mPa.s ứng với DP khoảng 100 – 1000 đơn vị.
Nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng 10C thì độ nhớt giảm tương ứng 2.5%
29
Thời gian bảo quản: khi ở dạng bột thành phẩm, alginate tiếp tục bị phân hủy, sau một thời gian bảo quản, chất lượng giảm đáng kể. Với alginate cĩ độ nhớt trung bình thì sau một năm bảo quản chất lượng giảm 45%. Ta cĩ thể cho vào một lượng nhỏ Ca2+
sao cho nĩ chưa đạt đến ngưỡng tạo gel để tăng thời gian bảo quản.
Phụ thuộc vào pH: khi pH = 5, nhĩm COO−bắt đầu bị proton hĩa, làm lực đẩy tĩnh điện giữa các chuỗi giảm, vì thế chúng sẽ xích lại gần nhau và tạo liên kết hydro, dẫn đến tăng độ nhớt. Nếu tiếp tục giảm pH xuống 3 ÷ 4 chúng sẽ tạo gel. Độ nhớt khơng bị ảnh hưởng ở khoảng pH 5 ÷ 11, nhưng khi pH = 11, alginate bị depolymer hĩa từ từ và làm giảm độ nhớt do liên kết glucoside dễ bị thủy phân trong mơi trường kiềm.
b) Tính chất tạo gel của alginate.
Một trong những tính chất quan trọng của alginate là khả năng tạo gel trong những điều kiện nhất định. Khi cho kết hợp với cation hĩa trị cao, thường dùng nhất là Ca2+, sẽ xuất hiện những vùng nối giữa các mạch trong phân tử alginate và tạo gel, gel sẽ được tạo thành ở nhiệt độ phịng hay nhiệt độ bất kỳ nhỏ hơn 1000C.
2.4.2.2. Cấu trúc hạt gel khi cố định enzyme
Theo phương pháp nhốt, tạo hạt alginate natri vào CaCl2, quá trình tạo gel diễn ra ngay khi alginate tiếp xúc với CaCl2. Khi chúng chuyển động và xắp xếp lại trong quá trình tạo gel, chúng kéo theo sự phân bố của enzyme [14].
2 Na(alginate) + Ca2+ --- > Ca(alginate)2 + 2 Na+
Chính lớp vỏ của mạng gel cũng như cấu trúc 3 chiều của mạng lưới, các mắt lưới đan chéo nhau, các enzyme sẽ khĩ thốt ra trong quá trình sử dụng. Theo cơ chế tạo gel, lớp gel bề mặt sẽ cĩ mật độ polymer cao hơn, do 2 hướng chuyển dịch: hạt gel co thể tích và phân tử alginate di chuyển từ trung tâm ra bên ngồi, điều này làm mật độ enzyme ở bề mặt lớn hơn ở trung tâm. Do enzyme tập trung ở bề mặt gel nên việc phân tử cơ chất khuếch tán vào tế bào cũng như khếch tán ra mơi trường sẽ nhanh hơn tạo điều kiện cho quá trình trao đổi chất [14].
30
Hình 2.16: Liên kết tạo gel khi alginate tiếp xúc với Ca2+ [14].
Hình 2.17: Cấu trúc khơng gian mạng lưới gel alginate [14].
2.4.2.3. Ứng dụng của alginate.
Alginate cĩ nhiều tính chất đặc trưng: tính tạo quánh, tạo gel, tính ổn định trong huyền phù… do đĩ nĩ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: làm chất độn, chất ổn định, chất nhũ hĩa, tạo gel… Trong đĩ ứng dụng nổi bậc là việc sử dụng alginate vào lĩnh vực cố định enzyme và tế bào. Chức năng chính của các alginate như ổn định nhiệt lạnh, thiết lập cấu trúc gel với sự cĩ mặt của các ion canxi, tạo gel ở nồng độ thấp so với gelatin.
Gel alginate cĩ khả năng chịu được nhiệt mà khơng tan chảy, mặc dù chúng cịn cĩ thể phân hủy. Sự tạo gel phụ thuộc vào liên kết ion (Mg 2 +
<<Ca 2 +
<Sr 2 +<Ba 2 +) với sự kiểm sốt của tổ hợp các cation quan trọng để tạo gel đồng nhất (ví dụ: bằng cách khuếch tán ion hoặc kiểm sốt sự axit hĩa của CaCO 3). Khi nồng độ G cao tạo gel mạnh với sự ổn định nhiệt tốt (ngoại trừ nếu cĩ trọng lượng phân tử phân tử thấp) nhưng dễ bị ngập nước, trong khi nồng độ M cao tạo độ đàn hồi yếu hơn nhiều gel với. Tuy nhiên ở mức thấp hoặc rất cao, Ca 2 +
nồng độ cao sẽ tạo được M alginate tạo gel cĩ cấu trúc chắc chắn hơn [14].
31
Độ hịa tan của alginate và khả năng giữ nước phụ thuộc vào pH (kết tủa dưới pH 3.5). Thơng thường alginate hấp thụ nước cao và cĩ thể hiển thị được sử dụng làm chất nhũ hố cĩ độ nhớt thấp. Alginate được sử dụng trong nhiều loại thực phẩm như là những phần thức ăn vật nuơi.
Bảng 2.6: Một số ứng dụng của alginate [14].
Ngành Vai trị Sản phẩm ứng dụng
Thực phẩm Làm bền cấu trúc xốp Tạo cấu trúc gel Kem, chocolate, mứt… Bánh ngọt Mơi trường Kết hợp với ion kim loại nặng và Ca Loại nước cứng và ion kim loại nặng
Dược và y khoa
Tăng độ nhớt Thuốc dạng siro Màng bao thuốc tan
được Thuốc viên nang
Chất kết dính Thuốc viên nén Tạo phức với Ca trong
máu Thuốc cầm máu